1

MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trước sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của các dịch vụ số liệu, trước xu
hướng tích hợp và IP hoá đã đặt ra các yêu cầu mới đối với công nghiệp Viễn
Thông di động. Mạng thông tin di động thế hệ ba ra đời đã khắc phục được các
nhược điểm của các mạng thông tin di động thế hệ trước đó, tuy nhiên mạng di
động này cũng tồn tại một số nhược điểm. Trong bối cảnh đó người ta đã chuyển
hướng sang nghiên cứu và triển khai hệ thống thông tin di động mới có tên gọi là
4G dựa trên nền tảng là công nghệ LTE (Long Term Evolution).
Hiện nay, trên thế giới, các nước Bắc Mỹ và Bắc Âu đã bắt đầu triển khai các
mạng Viễn Thông 4G dùng công nghệ LTE. Tại Việt Nam, công nghệ 4G/LTE đã
được thử nghiệm bởi Ericssion phối hợp với Bộ Thông tin và Truyền thông trong
năm 2010. Đến nay, Bộ Thông tin và Truyền thông đã cấp giấy phép thử nghiệm
4G/LTE trong một năm cho năm đơn vị, gồm: VNPT, tập đoàn Viettel, công ty cổ
phần Viễn thông FPT, tập đoàn Công nghệ CMC và tổng công ty VTC. Trong giai
đoạn 1, dự án thử nghiệm cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng 4G/LTE sẽ phủ
sóng tại khu vực Hà Nội có tốc độ truy cập Internet lên đến 60 Mbps. Trạm BTS
dùng công nghệ 4G/LTE đã được lắp xong vào ngày 10/10/2010, đặt tại Cầu Giấy,
Hà Nội. Đây không chỉ là trạm BTS 4G/LTE đầu tiên ở Việt Nam mà còn ở cả khu
vực Đông Nam Á.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Sự ra đời của hệ thống 4G/LTE mở ra khả năng tích hợp tất cả các dịch vụ,
cung cấp băng thông rộng (đến 100 MHz), dung lượng lớn, truyền dẫn dữ liệu tốc
độ cao (1Gbps cho Downlink và 500Mbps cho Uplink). Để đạt được các yêu cầu
trên, cùng với việc đảm bảo tốt chất lượng dịch vụ, các công nghệ thành phần tiên
tiến đã được đề xuất sử dụng như: OFDMA, MIMO anten, truyền dẫn đa điểm phối
hợp, … Một trong những công nghệ đem lại nhiều ưu điểm và lợi ích thiết thực là
kỹ thuật chuyển tiếp, đó là việc đặt thêm các nút chuyển tiếp để chuyển tiếp dữ liệu


đoán khoảng từ năm 2013 trở đi. Để đạt được những tiêu chuẩn đưa ra của hệ thống
về tốc độ, băng thông, dung lượng, … kỹ thuật chuyển tiếp với nhiều ưu điểm của


3

nó đã được đề xuất sử dụng. Hướng nghiên cứu và kết quả đạt được của đề tài sẽ có
những ứng dụng hiệu quả giải quyết những vấn đề nêu trên. Hơn nữa, việc thực
hiện thành công đề tài mở ra nhiều hướng nghiên cứu và ứng dụng khác trong thực
tiễn.
6. KẾT CẤU LUẬN VĂN
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
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


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 hay còn gọi là 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 3G trước đó.
1.2. LTE
1.2.1. Các yêu cầu của LTE [18]
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 giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở


5

và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối. Đặc tả kỹ thuật cho LTE
đang được hoàn tất và dự kiến sản phẩm LTE sẽ ra mắt thị trường trong 2 năm tới.
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

như điều chế, chuyển giao, … thuộc về phần truy nhập, trong khi các tính năng khác
như tính cước, quản lý di động, … thì thuộc về phần mạng lõi. Trong LTE, mạng
truy nhập vô tuyến là E-UTRAN và mạng lõi là EPC.


7

Hình 1.1 Kiến trúc LTE Release 8.
1.2.2.1. 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 được gọi là eNodeB (Enhanced NodeB). eNodeB chịu trách
nhiệm cho một tập các ô. Tương tự như nodeB trong kiến trúc WCDMA/HSPA

+ Chọn chế độ tích cực thấp cho thiết bị người sử dụng khi không làm
việc.
+ Theo dõi quản lí danh sách các thuê bao trong khu vực .
+ Chuyển vùng.
+ Nút SGSN hỗ trợ các thuê bao 2G, 3G truy nhập mạng LTE.
+ Trung tâm nhận thực.


9

- 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.

1.2.3.2. Truyền dẫn đường lên
Đối với việc truyền dữ liệu ở hướng lên, 3GPP đã chọn một phương thức
điều chế hơi khác một chút. Việc truyền OFDMA phải chịu một PAPR (Peak to
Average Power Ratio _ tỷ lệ công suất đỉnh so với trung bình) cao, điều này có thể
dẫn đến những hệ quả tiêu cực đối với việc thiết kế một bộ phát sóng nhúng trong
UE, đó là khi truyền dữ liệu từ UE đến mạng, cần có một bộ khuếch đại công suất
để nâng tín hiệu đến lên một mức đủ cao để mạng bắt được (pick up). Bộ khuếch
đại công suất là một trong những thành phần tiêu thụ năng lượng lớn nhất trong một


11

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.
1.2.4. 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 phù hợp cho
những yêu cầu đó.
MIMO (Multi Input Multi Output) là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và
nhiều anen thu để truyền và nhận dữ liệu. Điều này khắc phục được ảnh hưởng của

- Tốc độ thông lượng lý thuyết là 1.5 Gb/s (trong phiên bản trước đây, 1Gb/s
thường được coi là mục tiêu của hệ thống 4G).

1.3.2. Các công nghệ thành phần đề xuất cho LTE-Advanced [18]


13

1.3.2.1. Truyền dẫn băng rộng hơn và chia sẻ phổ tần.
Mục tiêu tốc độ số liệu đỉnh của LTE-Advanced rất cao và chỉ có thể được
thỏa mãn một cách vừa phải bằng cách tăng độ rộng băng truyền dẫn hơn nữa so với
những gì được cung cấp ở Release đầu tiên của LTE và độ rộng băng truyền dẫn lên
đến 100 MHz được thảo luận trong nội dung của LTE - Advanced. Việc mở rộng độ
rộng băng sẽ được thực hiện trong khi vẫn duy trì được tính tương thích phổ. Điều
này có thể đạt được bằng cách sử dụng “khối kết tập sóng mang” trong đó nhiều
sóng mang thành phần LTE được kết hợp trên lớp vật lý để cung cấp độ rộng băng
cần thiết. Đối với thiết bị đầu cuối LTE, mỗi sóng mang thành phần sẽ xuất hiện
như là một sóng mang LTE trong khi một thiết bị đầu cuối LTE-Advanced có thể
khai thác toàn bộ độ rộng băng khối kết tập.
Hình 1.3 minh họa trường hợp các sóng mang thành phần liên tiếp nhau mặc
dù ở khía cạnh băng gốc, điều này không phải là điều kiện tiên quyết. Truy nhập
đến một lượng lớn phổ liên tục ở bậc 100 Mhz không thể có thường xuyên. Do đó,
LTE-Advanced có thể cho phép kết tập các sóng mang thành phần không liền kề để
xử lý các tình huống trong đó một khối lượng lớn phổ liên tiếp nhau không sẵn có.
Tuy nhiên, nên lưu ý rằng sự kết tập phổ không liền kề đang là thách thức từ khía
cạnh thực thi. Vì vậy, mặc dù khối kết tập phổ được hỗ trợ bởi các đặc tả cơ bản thì
sự kết tập phổ phân tán chỉ được cung cấp bởi các thiết bị đầu cuối cấp cao nhất.

Hình 1.3 Ví dụ về khối tập kết sóng mang


nhiều điểm tách biệt về mặt vật lý. Ở đây, cùng sử dụng báo cáo đo đạc và xử lý ở
bộ thu cho truyền dẫn đơn điểm. Mạng có thể dựa trên sự đo đạc suy hao đường


15

truyền đang tồn tại, quyết định từ các điểm truyền dẫn nào để truyền đến thiết bị cụ
thể. Bởi vì các thiết bị đầu cuối không nhận biết được sự hiện diện của truyền dẫn
đa điểm, các tín hiệu tham chiếu UE cụ thể (sẵn có ở Release đầu tiên của LTE)
phải được sử dụng cho việc đánh giá kênh. Ở thiết lập này, truyền dẫn đa điểm phối
hợp cung cấp độ lợi phân tập tương tự như ở mạng phát quảng bá đơn tần và kết
quả là cải thiện bộ khuếch đại công suất ở mạng, đặc biệt ở trong các mạng có tải
trọng nhẹ mà ở đó bộ khuếch đại công suất ở trạng thái rỗi.

Hình 1.4 Truyền dẫn đa điểm phối hợp
Ở phương án B, các thiết bị đầu cuối cung cấp thông tin phản hồi trạng thái
kênh đến mạng cho tất cả các kênh đường xuống hiển thị đối với một thiết bị đầu
cuối riêng, trong khi quá trình xử lí bộ thu vẫn giống như là cho truyền dẫn đơn
điểm. Ở phía mạng, bởi vì tất cả các xử lí nằm trong một nút đơn nên có thể thực
hiện phối hợp các hoạt động truyền dẫn nhanh và động ở các điểm truyền dẫn khác
nhau. Có thể thực hiện tiền lọc tín hiệu truyền đi theo không gian đến một thiết bị
riêng để giảm can nhiễu giữa những người sử dụng. Loại truyền dẫn đa điểm phối
hợp này nói chung có thể cung cấp các lợi ích tương tự như phương pháp A ở trên
nhưng ngoài việc cải thiện độ mạnh tín hiệu mong muốn, nó còn cho phép phối hợp


16

can nhiễu giữa những người sử dụng để cải thiện hơn nữa SNR. Bởi vì thiết bị đầu
cuối không nhận biết việc xử lí chính xác ở mạng nên cần có các tín hiệu tham


hóa khối số liệu thu được thì tạo ra trễ đáng kể, lâu hơn độ dài khung con LTE 1ms.
Tuy nhiên, các nút chuyển tiếp không truyền tiếp các tạp âm và sự thích nghi tốc độ
có thể được thực hiện một cách riêng rẽ cho mỗi kết nối.
Đối với các bộ lặp, tồn tại nhiều tùy chọn khác nhau phụ thuộc vào các tính
năng được hỗ trợ (chẳng hạn, hỗ trợ hơn hai bước nhảy, hỗ trợ cấu trúc mắt lưới)
nhưng ở mức cao, có thể phân biệt hai tầng khác nhau, dựa trên việc truyền tiếp
được thực hiện ở lớp 2 (chuyển tiếp lớp 2) hay lớp 3 (chuyển tiếp lớp 3 hoặc tự
chuyển tiếp (self backhauling))
Mặc dù giống nhau ở nhiều điểm cơ bản (chẳng hạn trễ, không khuếch đại
tạp âm), giải pháp self backhauling không yêu cầu bất kì nút, giao thức hoặc giao
diện mới nào để chuẩn hóa bởi vì các giải pháp đang tồn tại được tái sử dụng và do
đó có thể được ưa chuộng hơn trên các kỹ thuật cùng chức năng L2 của chúng.

Hình 1.5 Chuyển tiếp trong LTE-Advanced


18

1.4. SO SÁNH LTE và LTE-ADVANCED
Bảng dưới đây là sự so sánh tổng quát các yêu cầu về tốc độ, băng thông,
tính năng di động, vùng phủ sóng và dung lượng của LTE và LTE-Advanced.
Bảng 1.1 So sánh các yêu cầu của LTE và LTE-Advanced
Công nghệ
Tốc độ dữ liệu đỉnh

LTE
150 Mbit/s

LTE-Advanced

- Vẫn duy trì được hoạt
động ở tốc độ đến 350

Vùng phủ sóng

km/hr
- Lên đến 5 Km

- Tương tự như yêu cầu
của LTE

Dung lượng

- Nên được tối ưu cho
các môi trường vùng nội
hạt/micro cell
- Cell với 200 người dùng - Gấp 03 lần LTE
hoạt động trong 5 MHz

CHƯƠNG 2
KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP


19

2.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Để đạt được các yêu cầu về tốc độ, dung lượng, vùng phủ sóng, nhiều công
nghệ thành phần được đề xuất sử dụng cho LTE-Advanced như: giải pháp đa anten
mở rộng, truyền dẫn đa điểm phối hợp, các bộ lặp/chuyển tiếp, ... Kỹ thuật chuyển
tiếp là một trong những công nghệ đem lại nhiều lợi ích nhằm đáp ứng và thỏa mãn

loại 1 và loại 2.


21

Một nút chuyển tiếp loại 1 có thể giúp một UE ở xa, nằm ngoài vùng phủ của
eNodeB, truy nhập đến eNodeB. Vì thế node chuyển tiếp loại 1 cần phát tín hiệu
tham chiếu chung và thông tin điều khiển cho eNodeB, và mục tiêu chính của nó là
để mở rộng vùng phủ tín hiệu và dịch vụ. Nút chuyển tiếp loại 1 chủ yếu thực hiện
chuyển tiếp gói IP trong lớp mạng và có thể phân phối đến toàn bộ hệ thống bằng
việc chuyển tải các dịch vụ thông tin và truyền dẫn dữ liệu cho các UE đầu xa.
Một nút chuyển tiếp loại 2 có thể giúp một UE nội hạt, nằm trong vùng
phủ của eNodeB và có tuyến thông tin trực tiếp đến eNodeB, cải thiện được chất
lượng dịch vụ và dung lượng tuyến truyền dẫn của nó. Vì thế nút chuyển tiếp loại 2
không thể phát tín hiệu tham chiếu chung hay thông tin điều khiển, và mục tiêu
chính của nó là để gia tăng toàn bộ dung lượng hệ thống bằng việc tạo ra phân tập
đa đường và độ lợi truyền dẫn cho các UE nội hạt.

Hình 2.3 Minh họa nút chuyển tiếp loại 1 và loại 2

2.3. CÁC CHIẾN LƯỢC CHUYỂN TIẾP [10]
Có 3 chiến lược chuyển tiếp: chuyển tiếp 1 chiều, chuyển tiếp 2 chiều và
chuyển tiếp chia xẻ như minh họa trong hình 2.4.


22

Hình 2.4 Các chiến lược chuyển tiếp
Trong hình vẽ 2.4.a, eNodeB được thiết kế với một anten trên một sector và
một nút chuyển tiếp phục vụ một UE trong vùng lân cận của nó. Còn trong hình

Nút chuyển tiếp hoạt động trong 02 cơ chế truyền dẫn, phụ thuộc vào việc tín
hiệu thu được xử lý như thế nào.
2.4.1. Khuếch đại và chuyển tiếp (AF: Amplify and Forward)
Đầu tiên, nút chuyển tiếp nhận tín hiệu từ eNodeB (hay UE). Sau đó nó
khuếch đại tín hiệu thu này và chuyển tiếp nó đến UE (hay eNodeB). Cơ chế AF thì
rất đơn giản và có độ trì hoãn nhỏ nhưng nó cũng khuếch đại nhiễu.
2.4.2. Giải mã hóa và chuyển tiếp (DF: Decode and Forward)
Đầu tiên, nút chuyển tiếp giải mã hóa (giải mã hóa kênh) tín hiệu thu được từ
eNodeB (hay UE). Sau đó nếu dữ liệu giải mã được kiểm tra đúng bằng cách dùng
mã kiểm tra CRC, nút chuyển tiếp sẽ thực hiện mã hóa kênh và chuyển tiếp tín hiệu
mới đến UE (hay eNodeB). Cơ chế DF tránh được lỗi đường truyền qua nút chuyển
tiếp nhưng có độ trì hoãn lớn.
2.5. HỆ THỐNG PHỐI HỢP [5]
Khái niệm thông tin phối hợp dựa trên một thực tế là một tín hiệu, được phát
một lần có thể được thu (và được chuyển tiếp) bởi nhiều thiết bị đầu cuối. Nhìn
chung, hệ thống phối hợp có 01 nút nguồn phân phát 01 bản tin đến một số nút
chuyển tiếp. Các nút này gửi lại tín hiệu đã được xử lý đến nút đích. Nút đích kết
hợp và sử dụng phân tập tín hiệu thu được từ các nút chuyển tiếp và từ nút nguồn để
nhận được tín hiệu thu. Hình 2.7 minh họa kỹ thuật phối hợp với 02 nút chuyển
tiếp.


25

Hình 2.7 Hệ thống phối hợp với 02 nút chuyển tiếp
2.6. CÁC CƠ CHẾ BẮT CẶP CHO VIỆC LỰA CHỌN CHUYỂN TIẾP [6]
Trong một mạng với nhiều nút chuyển tiếp và nhiều UE hiện diện trong cùng
một cell, một điều quan trọng là lựa chọn một nút chuyển tiếp bắt cặp với một UE
để đạt được đầu ra tốt nhất với độ trì hoãn xử lý nhỏ. Cơ chế bắt cặp cũng phục vụ
cho mục đích chọn lựa nút chuyển tiếp để định tuyến trong mạng chuyển tiếp có