Hệ thống viễn thông
MỞ ĐẦU
Công nghệ viễn thông đã c ó n h ữ n g p h á t t r i ể n v ư ợ t b ậ c trong
những năm gần đây. Khi mà công nghệ mạng thông tin di động thế hệ thứ
ba
3G
chưa có đủ thời gian để khẳng định vị thế của mình trên toàn cầu, người ta
đã
bắt
đầu nói về công nghệ 4G (Fourth Generation).
Từ thế hệ mạng di động đầu tiên 1G ,trong hơn một thập kỷ qua, thế giới đã
chứng kiến sự thành công to lớn
của
mạng thông tin di động thế hệ thứ hai 2G.
Mạng 2G có thể phân ra 2 loại: mạng
2G
dựa trên nền TDMA và mạng 2G dựa trên
nền CDMA.
Sau đó mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G đã và
đang
được triển khai
nhiều nơi trên thế giới. Cải tiến nổi bật nhất của mạng 3G so
với
mạng 2G là khả
năng cung ứng truyền thông gói tốc độ cao nhằm triển khai
các
dịch vụ truyền
thông đa phương tiện. Mạng 3G bao gồm mạng UMTS sử dụng
kỹ
thuật WCDMA,
mạng CDMA2000 sử dụng kỹ thuật CDMA và mạng

• Truy nhập Internet (duyệt Web, tải tài liệu, ).
• Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự
tương
thích toàn cầu giữa
các hệ thống.
IMT-2000 có khả năng cung cấp băng thông 2Mbps, nhưng thực tế triển khai chỉ
ra rằng với băng thông này việc chuyển giao rất khó, vì vậy chỉ có những người sử
dụng không di động mới được đáp ứng băng thông kết nối này, còn khi đi bộ băng
thông sẽ là 384 Kbps, khi di chuyển bằng ô tô sẽ là 144Kbps.
1.1 UMTS (W-CDMA)
UMTS (Universal Mobile Telephone System), dựa trên công nghệ W-CDMA, là
giải pháp được
ưa
chuộng cho các nước đang triển khai các hệ thống GSM muốn
chuyển lên 3G. UMTS được hỗ trợ bởi Liên Minh Châu Âu và được quản lý bởi
3GPP tổ chức chịu trách nhiệm cho các công nghệ GSM, GPRS. UMTS hoạt động ở
băng thông 5MHz , cho phép các cuộc gọi có thể chuyển giao một cách hoàn hảo giữa
các hệ thống UMTS và GSM đã có. Đặc điểm của WCDMA :
• WCDMA sử dụng kênh truyền dẫn 5 MHz để chuyển dữ liệu. Nó cũng cho
phép việc truyền dữ liệu ở tốc độ 384 Kbps trong mạng di động và 2 Mbps
trong hệ thống tĩnh.
• Kết cấu phân tầng: Hệ thống UMTS dựa trên các dịch vụ được phân tầng,
không giống
như
mạng GSM. Ở trên cùng là tầng dịch vụ, đem lại những
ưu
điểm
như
triển khai nhanh các dịch vụ, hay các địa điểm
được

phát triển tại Trung Quốc
bởi các công ty Datang và Siemens. Hiện tại có nhiều chuẩn công nghệ cho 2G nên sẽ
có nhiều chuẩn công nghệ 3G đi theo, tuy nhiên trên thực tế chỉ có 2 tiêu chuẩn quan
trọng nhất đã có sản phẩm
thƣơng
mại và có khả năng
đƣợc
triển khai rộng rãi trên
toàn thế giới là WCDMA (FDD) và CDMA 2000. WCDMA được phát triển trên cơ
sở
tương
thích với giao thức của mạng lõi GSM (GSM MAP), một hệ thống chiếm tới
65% thị
trường
thế giới. Còn CDMA 2000 nhằm tuơng thích với mạng lõi IS-41, hiện
chiếm 15% thị trường.
CHƯƠNG II : CẤU TRÚC MẠNG LTE
2.1 Công nghệ
LTE
Hệ thống LTE phát triển trên nền tảng GSM/UTMS , là một trong
những
công
Mạng di động 4G LTE Page 3
Hệ thống viễn thông
nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G (hệ thống tiền 4G). Kiến trúc mạng
mới được thiết kế với mục tiêu cung cấp lưu
lượng
chuyển mạch gói với dịch vụ
chất lượng, độ trễ tối thiểu. Hệ thống sử dụng
băng

6.
Đặc tính cơ bản của hệ thống LTE :
-Hoạt động ở băng tần : 700 MHz-2,6
GHz.
-Tốc
độ:
• DL : 100Mbps( ở BW
20MHz)
• UL : 50 Mbps với 2 aten thu một anten
phát.
-Độ trễ : nhỏ hơn
5ms
-Độ rộng BW linh hoạt : 1,4MHz; 3MHz; 5MHz; 10MHz; 15MHz;
20
MHz. Hỗ
trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau
hoặc không.
-Tính di động : Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15 km/h nhưng vẫn hoạt động
tốt
với tốc
độ di chuyển từ 15-120 km/h, có thể lên đến 500 km/h tùy băng
tần.
-Phổ tần
số:
• Hoạt động ở chế độ FDD hoặc
TDD
• Độ phủ sóng từ 5-100
km
• Dung lượng 200 user/cell ở băng tần
5Mhz.

Ghép kênh không
gian
1 lớp cho
UL/UE
Lên đến 4 lớp cho
DL/UE
Sử dụng MU-MIMO cho UL và
DL
2.2 Cấu trúc của LTE.
Sự khác nhau giữa SAE và LTE
Mạng di động 4G LTE Page 5
Hệ thống viễn thông
Trước tiên ta xem sự khác nhau về cấu trúc của UTMS và LTE.
Song
song
với truy nhập vô tuyến LTE, mạng gói lõi cũng đang cải tiến lên cấu trúc
tầng
SAE.
Cấu trúc mới này được thiết kế để tối ưu hiệu suất mạng, cải thiện hiệu
quả
chi phí
và thuận tiện thu hút phần lớn dịch vụ trên nền
IP.
Mạng truy nhập vô tuyến RAN (Radio Access Network): mạng truy nhập
vô
tuyến của LTE được gọi là E-UTRAN và một trong những đặc điểm chính của nó
là
tất cả các dịch vụ, bao gồm dịch vụ thời gian thực, sẽ được hỗ trợ qua những
kênh
gói được chia sẻ. Phương pháp này sẽ tăng hiệu suất phổ, làm cho dung lượng

Giao diện vô tuyến sử dụng trong E-UTRAN bây giờ chỉ còn là S1 và
X2.
Trong đó S1 là giao diện vô tuyến kết nối giữa eNodeB và mạng lõi. S1 chia
làm
hai loại là S1-U là giao diện giữa eNodeB và SAE –GW và S1-MME là giao
diện
giữa eNodeB và MME. X2 là giao diện giữa các eNodeB với
nhau.
Mạng di động 4G LTE Page 7
Hệ thống viễn thông
Mạng lõi: mạng lõi mới là sự mở rộng hoàn toàn của mạng lõi trong hệ
thống
3G, và
nó chỉ bao phủ miền chuyển mạch gói. Vì vậy, nó có một cái tên
mới :
Evolved
Packet Core
(EPC).
Cùng một mục đích như E-UTRAN, số node trong EPC đã được giảm.
EPC
chia luồng dữ liệu người dùng thành mặt phẳng người dùng và mặt phẳng
điều
khiển. Một node cụ thể được định nghĩa cho mỗi mặt phẳng, cộng với
Gateway
chung kết nối mạng LTE với internet và những hệ thống khác. EPC gồm có một
vài
thực thể chức
năng.
- MME (Mobility Management Entity): chịu trách nhiệm xử lý những
chức

trung tâm của nhà
khai
thác.
Các miền dịch vụ bao gồm IMS (IP Multimedia Sub-system) dựa trên
các
nhà khai thác, IMS không dựa trên các nhà khai thác và các dịch vụ khác. IMS
là
một kiến trúc mạng nhằm tạo sự thuận tiện cho việc phát triển và phân phối các
dịch
vụ đa phương tiện đến người dùng, bất kể là họ đang kết nối thông qua mạng
truy
nhập nào. IMS hỗ trợ nhiều phương thức truy nhập như GSM, UMTS,
CDMA2000,
truy nhập hữu tuyến băng rộng như cáp xDSL, cáp quang, cáp truyền hình,
cũng
như truy nhập vô tuyến băng rộng WLAN, WiMAX. IMS tạo điều kiện cho các
hệ
thống mạng khác nhau có thể tương thích với nhau. IMS hứa hẹn mang lại nhiều
lợi
ích cho cả người dùng lẫn nhà cung cấp dịch vụ. Nó đã và đang được tập
trung
nghiên cứu cũng như thu hút được sự quan tâm lớn của giới công nghiệp. Tuy
nhiên
IMS cũng gặp phải những khó khăn nhất định và cũng chưa thật sự đủ độ chín
để
thuyết phục các nhà cung cấp mạng đầu từ triển khai nó. Kiến trúc IMS được cho
là
khá phức tạp với nhiều thực thể và vô số các chức năng khác
nhau.
Mạng di động 4G LTE Page 9

64QAM.
-PUCCH(Physical Uplink Control Channel): có chức năng lập
biểu,
ACK/NAK.
-PDCCH(Physical Downlink Control Channel): lập biểu,
ACK/NAK.
-PBCH(Physical Broadcast Channel): mang các thông tin đặc trưng của
cell.
Kênh logic : được định nghĩa bởi thông tin nó mang bao gồm:
-Kênh điều khiển quảng bá (BCCH) : Được sử dụng để truyền thông tin
điều
khiển
hệ thống từ mạng đến tất cả máy di động trong cell. Trước khi
truy
nhập hệ
thống, đầu cuối di động phải đọc thông tin phát trên BCCH để
biết
được hệ thống
được lập cấu hình như thế nào, chẳng hạn băng thông
hệ thống.
-Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH) : được sử dụng để tìm gọi các đầu cuối
di
động
vì mạng không thể biết được vị trí của chúng ở cấp độ ô và vì thế
cần
phát các bản tin
tìm gọi trong nhiều ô (vùng định
vị).
-Kênh điều khiển riêng (DCCH) : được sử dụng để truyền thông tin
điều

logic.
-Kênh tìm gọi (PCH) : được sử dụng để phát thông tin tìm gọi trên
kênh
PCCH,
PCH hỗ trợ thu không liên tục (DRX) để cho phép đầu cuối tiết
kiệm
công suất ắc
quy bằng cách ngủ và chỉ thức để thu PCH tại các thời điểm
quy
định
trước
-
Kênh chia sẻ đường xuống (DL-SCH) : là kênh truyền tải để phát số
liệu
đường
xuống trong LTE. Nó hỗ trợ các chức năng của LTE như thích
ứng
tốc độ động và
lập biểu phụ thuộc kênh trong miền thời gian và miền tần
số.
Nó cũng hổ trợ DRX để
giảm tiêu thụ công suất của đầu cuối di động mà
vẫn
đảm bảo cảm giác luôn kết nối
giống như cơ chế CPC trong HSPA.
DL-DCH
TTI là
1ms.
-Kênh đa phương (MCH) : được sử dụng để hỗ trợ MBMS. Nó được
đặc

-Lập
biểu
-Điều khiển ưu tiên (Priority
handling)
-Ghép nhiều kênh logic khác nhau trên một kênh truyền đơn RLC
Chức năng của PDCP bao
gồm:
-Mã hóa
(ciphering)
-Chèn tiêu
đề
Mạng di động 4G LTE Page 15
Hệ thống viễn thông
CHƯƠNG III : TRUY CẬP VÔ TUYẾN VÀ CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG
TRONG LTE
3.1. Các chế độ truy nhập vô tuyến
Giao diện không gian LTE hỗ trợ cả hai chế độ là song công phân chia theo tần
số ( FDD) và song công phân chia theo thời gian ( TDD), mỗi chế độ có một cấu
trúc khung riêng. Chế độ bán song công FDD cho phép chia sẻ phần cứng giữa đƣờng
lên và đƣờng xuống vì đƣờng lên và đƣờng xuống không bao giờ sử dụng đồng
thời. Kỹ thuật này đƣợc sử dụng trong một số dải tần và cũng cho phép tiết kiệm
chi phí trong khi giảm một nửa khả năng truyền dữ liệu.
Giao diện không gian LTE cũng hỗ trợ phát đa
phƣơng
tiện và các dịch vụ phát
quảng bá đa điểm (MBMS). Một công nghệ
tƣ ơng
đối mới cho nội dung phát sóng
nhƣ truyền hình kỹ thuật số tới UE bằng cách sử dụng các kết nối điểm- đa điểm.
Các thông số kỹ thuật 3GPP cho MBMS đầu tiên

Hệ thống viễn thông
Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của
phương
pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp
trong
vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ,
sub-carrier)
trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được
phép
chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu.
Sự
chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ
lớn
hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông
thường.
So sánh phổ tần của OFDM với
FDMA
Mạng di động 4G LTE Page 18
Hệ thống viễn thông
Tần số-thời gian của tín hiệu
OFDM
LTE sử dụng OFDM trong kỹ thuật truy cập đường xuống vì nó có các
ưu
điểm
sau:
-OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI
(Inter-Symbol
Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ
trễ
truyền dẫn

-Tương thích với các bộ thu và các anten tiên
tiến.
Các sóng mang trực giao với
nhau
Một vấn đề gặp phải ở OFDM trong các hệ thống thông tin di động là
cần
dịch các tần số tham khảo đối với các đầu cuối phát đồng thời. Dịch tần phá
hỏng
tính trực giao của các cuộc truyền dẫn đến nhiễu đa truy nhập. Vì vậy nó rất
nhạy
cảm với dịch tần. Ở LTE chọn khoảng cách giữa các sóng mang là 15KHz, đối
với
khoảng cách này là khoảng cách đủ lớn đối với dịch tần
Doppler.
Mạng di động 4G LTE Page 20
Hệ thống viễn thông
Để điều chế tín hiệu OFDM sử dụng biến đổi FFT và IFFT cho biến đổi
giữa
miền thời gian và miền tần
số.
Biến đổi
FFT
Chiều dài biến đổi FFT là 2
n
với n là số nguyên. Với LTE chiều dài có thể
là
512 hoặc 1024 Ta sử dụng biến đổi IFFT khi phát đi, nguồn dữ liệu sau khi
điều
chế được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song. Sau đó được đưa đến bộ biến
đổi

Nguyên tắc này giải thích như sau: Giả sử máy phát đi một khoảng
tín
hiệu có chiều dài là Ts, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài T
G
thì tín
hiệu
này có chiều dài là T = T
S
+T
G
. Do hiệu ứng đa đường multipath, tín hiệu này sẽ
tới
máy thu theo nhiều đường khác nhau. Trong hình vẽ, hình a, tín hiệu theo
đường
thứ nhất không có trễ, các đường thứ hai và thứ ba đều bị trễ một khoảng thời
gian
so với đường thứ nhất. Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng hợp của tất cả
các
tuyến, cho thấy kí hiệu đứng trước sẽ chồng lấn vào kí hiệu ngay sau đó, đây
chính
là hiện tượng ISI.Do trong OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ có độ dài T
G
sẽ dễ
dàng
loại bỏ hiện tượng này. Trong trường hợp T
G
≥τ
MAX
như hình vẽ mô tả thì phần
bị

khác nhau nhưng trong OFDM trải phổ không có giá trị, nó sử dụng các ký
hiệu
Mạng di động 4G LTE Page 23
Hệ thống viễn thông
tham khảo riêng biệt giữa các cell hoặc giữa các anten khác
nhau.
LTE sử dụng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple
Access)
cho tuyến lên. OFDMA gọi là Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao là
công
nghệ đa truy cập phân chia theo sóng mang, là một dạng nâng cao, là phiên bản
đa
người dùng của mô hình điều chế số
OFDM
Kỹ thuật đa truy nhập của OFDMA cho phép nhiều người dùng cùng
truy
cập vào một kênh truyền bằng cách phân chia một nhóm các sóng mang
con
(subcarrier) cho một người dùng tại một thời điểm. Ở các thời điểm khác
nhau,
nhóm sóng mang con cho 1 người dùng cũng khác nhau. Điều này cho phép
truyền dữ liệu tốc độ thấp từ nhiều người sử dụng.
Sóng mang con
OFDMA
OFDM và
OFDMA
Mạng di động 4G LTE Page 24
Hệ thống viễn thông
Tài nguyên thời gian - tần số được chia nhỏ theo cấu trúc sau : 1 radio
frame

Chỉ định tài nguyên của OFDMA trong
LTE
Mạng di động 4G LTE Page 25