BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG LÊ ĐÌNH TUẤN
NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU
TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP CỦA
MẠNG DI ĐỘNG 4G (LTE-ADVANCED)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng – Năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG


Tác giả luận văn Lê Đình Tuấn MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1
1.Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Mục đích nghiên cứu 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1
4. Phương pháp nghiên cứu 2
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2
6. Cấu trúc luận văn 2
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ LTE VÀ LTE-ADVANCED 4
1.1. LTE 4
1.1.1. Các yêu cầu của LTE 4
1.1.2. Kiến trúc LTE 6
1.1.3. Cơ chế truyền dẫn 9
1.1.4 Hoạch định phụ thuộc kênh truyền và sự thích ứng tốc độ 11
1.1.5. Giải pháp đa anten (MIMO) 14
1.2. LTE-ADVANCED 20
1.2.1. Các yêu cầu của LTE-Advanced 20
1.2.2. Các công nghệ thành phần đề xuất cho LTE-Advanced 21
1.3. SO SÁNH LTE và LTE-ADVANCED 26
KẾT LUẬN CHƯƠNG 27
CHƯƠNG 2:KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP 28
2.1. CÁC LOẠI NÚT CHUYỂN TIẾP 29

PHỐI HỢP CHUYỂN TIẾP 60
4.2.1 Thiết kế môi trường mô phỏng 60

4.2.2 Sơ đồ mô phỏng 63
4.2.3 Thuật toán 1
4.2.4. Kết quả mô phỏng 66
4.2.5. Nhận xét và đánh giá kết quả 69
KẾT LUẬN CHƯƠNG 71
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 72
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 73
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

3GPP : 3rd Generation Partnership Project
4G : Fourth Generation
AF : Amplify and Forward
AWGN : Additive White Gaussian Noise
BPSK : Binary Phase Shift Keying
BS : Base Station
CDF : Cumulative Distribution Function
CDMA : Code Division Multiple Access
DF : Decode and Forward
EPC : Evoled Packet Core
E-UTRAN : Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Net
FEC : Forward Error Correction
HSDPA : High Speech Downlink Packet Access
ICI : Inter Carrier Interference
ISI : Inter Signal Interference
IP : Internet Protocol


Số hiệu
bảng
Tên bảng Trang
1.1 So sánh các yêu cầu của LTE và LTE-Advanced 26

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu
hình
Tên hình Trang

1.1 Kiến trúc LTE 6
1.2 Hoạch định phụ thuộc kênh trong miền thời gian và tần số 13
1.3 Truyền dẫn đa anten MIMO 15
1.4

Sơ đ
ồ hệ thống OFDM

18

1.5 Phổ của sóng mang con OFDM 19
1.6 Ví dụ về khối tập kết sóng mang 21
1.7 Truyền dẫn đa điểm phối hợp 23
1.8 Chuyển tiếp trong LTE-Advanced 25
2.1 Minh họa kỹ thuật chuyển tiếp 28

chuyển tiếp
61
4.8

Kho
ảng cách trong môi tr
ư
ờng d
ùng 1 RN.

62

4.9 Khoảng cách trong môi trường 2 RN. 62
4.10 Sơ đồ mô phỏng 63
4.11 SER chuyển tiếp không phối hợp và truyền trực tiếp 66
4.12 SER của chuyển tiếp phối hợp 1 RN và 2 RN 67
4.13 SER của chuyển tiếp không phối hợp và có phối hợp 68
4.14

So sánh SER truy
ền trực tiếp v
à qua nút chuy
ển tiếp

69
1
MỞ ĐẦU

cứu lý thuyết và mô phỏng mạng 4G sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp để tính
toán chất lượng tín hiệu, cụ thể:
+ Thu thập các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài.
+ Xây dựng mô hình mạng 4G, tiến hành mô phỏng một số thông số về
chất lượng, kiểm tra đánh giá kết quả sau mô phỏng.
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Với những ưu điểm của kỹ thuật chuyển tiếp, việc nghiên cứu kỹ thuật
này sẽ đáp ứng được những yêu cầu cao về thông số cũng như chất lượng dịch
vụ trong thông tin di động 4G.
6. Cấu trúc luận văn
Theo mục tiêu và đối tượng nghiên cứu đã trình bày ở phần trên, nội
dung của luận văn bao gồm các phần sau:
Chương 1: Tổng quan về LTE và LTE-Advanced
Giới thiệu tổng quan cấu trúc, các yêu cầu và các công nghệ thành
phần đề xuất cho LTE và LTE-Advanced
Chương 2: Kỹ thuật chuyển tiếp
Giới thiệu về khái niệm, các loại nút chuyển tiếp, các cơ chế truyền dẫn
chuyển tiếp, các cơ chế bắt cặp chuyển tiếp và truyền dẫn phối hợp
Chương 3: Phân tích đặc tính hệ thống phối hợp chuyển tiếp
Phân tích và đi xây dựng các biểu thức về tỉ số lỗi symbol SER trong hệ
thống phối hợp với hai loại nút AF và DF
Chương 4: Mô phỏng đánh giá chất lượng tín hiệu của hệ thống phối
hợp chuyển tiếp
Giới thiệu các sơ đồ, lưu đồ thuật toán chương trình mô phỏng và các
kết quả mô phỏng thu được về sự cải thiện chất lượng tín hiệu trong hệ thống
chuyển tiếp

3
Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng luận văn chắc sẽ không tránh khỏi
những thiếu sót cần được bổ sung và phát triển. Kính mong quý thầy cô và

công nghệ LTE ra đời sẽ giải quyết được những khó khăn trên.
LTE là từ viết tắt của Long Term Evolution, mô tả công việc chuẩn hóa
của 3GPP để xác định phương thức truy nhập vô tuyến tốc độ cao mới cho hệ
thống truyền thông di động. LTE là bước tiếp theo dẫn đến hệ thống thông tin
di động thứ 4 (4G). Hệ thống này được kỳ vọng có những tiến bộ vượt bậc về
công nghệ cũng như những tính năng so với thế hệ thứ ba (3G) trước đó.
1.1. LTE
1.1.1. Các yêu cầu của LTE [13]
LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển.
UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới.
Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004
3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công
nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE). 3GPP đặt ra
yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp
dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn

5
giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng
tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối. Các mục tiêu của công nghệ này là:
- Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz:
+ Tải xuống: 100 Mbps
+ Tải lên: 50 Mbps
- Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng
trên 1 MHz so với mạng HSDPA Rel. 6:
+ Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần
+ Tải lên: gấp 2 đến 3 lần.
- Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0 – 15 km/h.
Vẫn hoạt động tốt với tốc độ từ 15 – 120 km/h. Vẫn duy trì được hoạt động
khi thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120 – 350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy
băng tần).


Hình 1.1 Kiến trúc LTE

7
a. Mạng truy nhập vô tuyến
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 thời gian thực, sẽ
được cung cấp qua các kênh chuyển mạch gói.Điều này làm gia tăng hiệu quả
phổ tần và làm tăng dung lượng hệ thống so với các hệ thống UMTS và
HSPA hiện tại.Một kết quả quan trọng của việc dùng truy nhập gói cho tất cả
các dịch vụ là sự tích hợp tốt hơn giữa tất cả các dịch vụ đa phương tiện và
giữa các dịch vụ di động và dịch vụ cố định.
Các chức năng của mạng truy nhập vô tuyến bao gồm:
- Mã hóa, đan xen, điều chế và các chức năng lớp vật lý điển hình khác
- ARQ, nén tiêu đề và các chức năng lớp liên kết điển hình khác
- Các chức năng an ninh (mật mã hóa và bảo vệ tính toàn vẹn)
- Các chức năng quản lí tài nguyên, chuyển giao và các chức năng điều
khiển tài nguyên vô tuyến điển hình khác.
Hình 1.1 cho thấy tổng quan mạng truy nhập vô tuyến LTE RAN với
các nút và giao diện.Khác với WCDMA/HSPA RAN, LTE RAN chỉ có 1 kiểu
nút.Như vậy trong LTE không có nút tương đương với RNC. Lý do chủ yếu
là không có hỗ trợ phân tập vĩ mô đường lên, đường xuống cho lưu lượng
riêng của người sử dụng và triết lý là giảm thiểu số lượng nút.
Một trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong các mạng truy nhập
WCDMA/HSPA, nó đượcgọi làeNodeB(Enhanced NodeB). eNodeB chịu
trách nhiệm cho một tập các ô. Tương tự như nodeB trong kiến trúc
WCDMA/HSPA không cần sử dụng cùng 1 trạm anten. eNodeB thừa hưởng
các chức năng của RNC. eNodeB chịu trách nhiệm quản lý tài nguyên vô
tuyến của 1 ô, các quyết định chuyển giao, lập biểu cho cả đường lên và
đường xuống trong các ô của mình.


9
+ Nút SGSN hỗ trợ các thuê bao 2G, 3G truy nhập mạng LTE.
+ Trung tâm nhận thực.
- Cổng dịch vụ (Seving Gateway): là điểm kết thúc sự truy nhập từ
mạng truy nhập vô tuyến E-UTRAN. Các chức năng chính bao gồm:
+ Là nút hỗ trợ sự chuyển giao từ eNodeB này sang eNodeB khác trong
quá trình thiết bị di động di chuyển.
+ Kết thúc sự truy nhập từ mạng truy nhập vô tuyến 3GPP.
+ Cung cấp chức năng cho mạng truy nhập vô tuyến khi ở chế độ nhàn
rỗi là đệm các gói ở đường downlink và kích hoạt các thủ tục yêu cầu dịch vụ.
+ Đánh số thứ tự các gói trên đường downlink và uplink.
+ Tính toán chi phí của người dùng.
+ Cho phép cấp quyền truy nhập.
+ Định tuyến gói tin và chuyển tiếp các gói.
+ Hỗ trợ việc tính cước.
- Cổng mạng dữ liệu gói (PDN Gateway): là điểm kết cuối cho các
phiên hướng đến mạng dữ liệu gói bên ngoài. Các chức năng chính bao gồm:
+ Thực thi chính sách, mỗi ngưới sử dụng được cung cấp gói dịch vụ
khác nhau.
+ Tính phí hỗ trợ.
+ Vận chuyển các gói trên downlink hay uplink.
+ Cho phép những thiết bị hợp pháp truy nhập.
+ Cung cấp cho mỗi UE một địa chỉ IP.
+ Phân loại các gói.
+ Có chức năng như DHCP trong 3G.
1.1.3. Cơ chế truyền dẫn
Đường xuống và đường lên trong LTE dựa trên việc sử dụng nhiều các
công nghệ đa truy nhập, cụ thể: đa truy nhập phân chia tần số trực giao cho


mạng bắt được (pick up). Bộ khuếch đại công suất là một trong những thành
phần tiêu thụ năng lượng lớn nhất trong một thiết bị, và vì thế nên có hiệu quả
công suất cao càng cao càng tốt để làm tăng tuổi thọ pin của máy.
Bởi vì cả mức tiêu thụ năng lượng lẫn tốc độ truyền đều quan trọng đối
với các nhà thiết kế UE, cho nên bộ khuếch đại công suất nên tiêu thụ càng ít
năng lượng càng tốt. Như vậy, UE nào sử dụng phương thức điều chế có tỉ lệ
PAPR càng thấp thì thời gian hoạt động của nó ở một tốc độ truyền nhất định
càng dài.
Một phương thức điều chế tương tự với OFDMA cơ bản, nhưng có một
PAPR tốt (thấp) hơn, là SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division
Multiple Access _ Đa Truy cập Phân chia theo tần số đơn sóng mang). Việc
sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang sẽ
cho PAPR nhỏ hơn so với OFDM dẫn đến tiêu thụ công suất ở thiết bị đầu
cuối ít hơn, tăng tính di động cho thiết bị. Vì vậy nó được 3GPP chọn để
truyền dữ liệu ở hướng lên.
1.1.4 Hoạch định phụ thuộc kênh truyền và sự thích ứng tốc độ
Trung tâm của hệ thống truyền dẫn LTE là việc sử dụng kỹ thuật
truyền dẫn chia sẻ kênh truyền (shared channel transmission), khi đó tài
nguyên miền tần số - thời gian được chia sẻ tự động giữa những người dùng.
Kỹ thuật này tương tự với phương pháp được dùng trong HSDPA, mặc dù
cũng thấy rõ sự khác nhau trong việc chia sẻ tài nguyên giữa thời gian và tần
số trong trường hợp của LTE và giữa thời gian và mă phân kênh
(channelization codes) trong trường hợp của HSDPA.
Việc sử dụng truyền dẫn chia sẻ kênh truyền rất phù hợp với những yêu
cầu đặt ra của dữ liệu gói do tài nguyên cần phải thay đổi nhanh chóng cũng
như là cho phép nhiều công nghệ quan trọng khác được dùng bởi LTE. Khối
hoạch định (scheduler) sẽ điều khiển việc phân phát tài nguyên chia sẻ cho

12
người dùng tại mỗi thời điểm. Nó cũng quyết định tốc độ dữ liệu được sử

KHz. Điều này cho phép những sự thay đổi kênh truyền tương đối nhanh có
thể được theo dõi bởi bộ scheduler .
c. Hoạch định đường xuống
Trong đường xuống, mỗi thiết bị đầu cuối sẽ báo cáo một đánh giá về
chất lượng kênh truyền tức thời cho trạm gốc. Những đánh giá này có được
bằng cách đo lường một tín hiệu tham khảo, được truyền từ trạm gốc và nó
cũng được sử dụng cho mục đích giải điều chế. Dựa trên những đánh giá về
chất lượng kênh truyền, scheduler đường xuống có thể ấn định lượng tài
nguyên cấp phát cho các người dùng và chất lượng kênh truyền vẫn được đảm
bảo. Trên lý thuyết, một thiết bị đầu cuối được phân bố có thể được chỉ định
một tổ hợp bất kỳ của các khối tài nguyên rộng 180KHz trong mỗi khoảng
thời gian phân bố 1ms (1ms scheduling interval).

Hình 1.2 Hoạch định phụ thuộc kênh trong miền thời gian và tần số

14
b. Hoạch định đường lên
Đường lên LTE dựa trên sự phân các trực giao giữa các người dùng và
nhiệm vụ của scheduler đường lên là phân phát tài nguyên cả về thời gian và
tần số (kết hợp TDMA/FDMA) cho các người dùng khác nhau. Quyết định
phân bố được đưa ra sau mỗi 1ms, có nhiệm vụ điều khiển những thiết bị đầu
cuối nào được phép truyền đi thuộc phạm vi 1 cell trong suốt một khoảng thời
gian cho trước, và quyết định tài nguyên tần số nào được dùng cho quá trình
truyền dẫn cũng như là tốc độ dữ liệu nào đang được sử dụng. Chú ý rằng chỉ
một miền tần số kề nhau có thể được cấp cho những thiết bị đầu cuối trong
đường lên như là một hệ quả của việc sử dụng truyền dẫn đơn sóng mang cho
đường lên LTE.
1.1.5. Giải pháp đa anten (MIMO)
Để đạt được tốc độ truyền và nhận dữ liệu cao, công nghệ LTE cũng
yêu cầu những cải tiến trong phần anten .Công nghệ MIMO là một giải pháp