Tài liệu Quản lý tài nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng ofdma4g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------Phạm Đức Anh QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN VÀ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG OFDMA/4G LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT …...................................... (Chuyện ngành: Kỹ thuật viễn thông) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS. Nguyễn Hữu Thanh Hà Nội – Năm 2018 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn : Phạm Đức Anh Đề tài luận văn: Quản lý tài nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng OFDMA/4G Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số SV: CB150229 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày….........................………… với các nội dung sau: ………………………………………………………………………………… …………………..………………………………………………………………… …………………………………..………………………………………………… …………………………………………………..………………………………… …………………………………………………………………..………………… …………………………………………………………………………………..… ……………………………………………………………………………………… … Ngày……tháng……năm 2018 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Hữu Thanh. Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào. Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Học viên Phạm Đức Anh LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật và công nghệ, các mạng thông tin di động cũng đang ngày càng phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về tốc độ truyền dẫn cũng như chất lượng dịch vụ của khách hàng, đặc biệt là nhu cầu sử dụng các dịch vụ video trực tuyến thời gian thực của khách hàng di động khiến cho các mạng di động thế hệ thứ 3 chưa thể đáp ứng đủ. Trước tình hình đó, ITU đã chuẩn hóa chuẩn 4G với các yêu cầu khắt khe trong tiêu chuẩn IMT Advanced nhằm đáp ứng các yêu cầu về dịch vụ và chất lượng dịch vụ ngày càng tăng cao của khách hàng. Đối với bất cứ mạng thông tin di động hay mạng không dây nào, vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ đều rất được quan tâm, bởi phân bổ tài nguyên như thế nào cho thích hợp với các yêu cầu, các loại dịch vụ ngày càng đa dạng của khách hàng là một vấn đề không dễ giải quyết. Đặt biệt trong mạng 4G, với những đặc điểm riêng biệt so với các mạng thông tin di động thế hệ trước, đã đặt ra những yêu cầu khác biệt trong quản lý tài nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ. Cũng vì lý do này, em đã chọn lựa đề tài “ Quản lý tài nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng OFDMA/4G” cho luận văn tốt nghiệp của mình. Trong luận văn này, em đã đi vào nghiên cứu các vấn đề với bố cục đề tài bao gồm ba phần: ➢ Phần 1: Tổng quan về mạng 4G và OFDMA ➢ Phần 2: Nghiên cứu về tài nguyên vô tuyến và chất lượng dịch vụ ➢ Phần 3: Đánh giá, so sánh kết quả các thuật toán lập lịch phân bổ tài nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng 4G Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do hạn chế về mặt kiến thức thực tế cũng như chuyên môn nên chắc chắn bài luận văn của em không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng ghóp quý báu của các thầy cô để luận văn của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, tháng 07 năm 2018 Học viên thực hiện Phạm Đức Anh 1 LỜI CẢM ƠN Như chúng ta đã biết tốt nghiệp cao học là một bước đánh dấu mới trong sự nghiệp, công tác nghiên cứu của mỗi một học viên. Để đến được cột mốc quan trọng đó, mỗi chúng ta phải trải qua rất nhiều thử thách đòi hỏi sự cố gắng, kiên trì của bản thân và không thể nói đến sự giúp đỡ tận tình của những người xung quanh chúng ta. Để hoàn thành được luận văn này, ngoài sự cố gắng của cá nhân, em cũng nhận được nhiều sự giúp đỡ, động viên từ gia đình, đồng nghiệp bạn bè và thầy cô. Lời cảm ơn chân thành đầu tiên em xin dành gửi tới thầy giáo hướng dẫn em thực hiện luận văn, PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh, Viện trưởng viện Điện tử viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã luôn tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Mặc dù rất bận rộn nhưng thầy luôn dành thời gian định hướng, ghóp ý, sửa chữa giúp em có được phương pháp nghiên cứu tốt hơn, sắp xếp trình bày luận văn một cách khoa học và trực quan nhất. Luận văn tốt nghiệp của em hoàn thành được cũng nhờ sự giúp đỡ tận tình của thầy. Em cũng xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô trong Viện đã dạy dỗ, dìu dắt em trong thời gian em học tập tại trường. Xin cảm ơn đến bạn bè đồng nghiệp, lãnh đạo tại cơ quan công tác đã tạo điều kiện tốt nhất trong thời gian học tập và nghiên cứu. Hà Nội, tháng 07 năm 2018 Học viên thực hiện Phạm Đức Anh 2 MỤC LỤC MỤC LỤC .......................................................................................................................3 DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................................5 DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................7 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ...............................................................................................8 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G ................................................................13 Giới thiệu mạng 4G ................................................................................ 13 Các yêu cầu và mục tiêu của mạng 4G................................................... 13 1. Các yêu cầu hiệu năng hệ thống .......................................................... 13 2. Dung lượng thoại ................................................................................. 16 3. Tính di động và vùng phủ ô................................................................. 16 4. Hiệu năng chế độ quảng bá ................................................................. 17 5. Trễ mặt phẳng người dùng và trễ mặt phẳng điều khiển .................... 17 6. Chi phí triển khai và khả năng phối hợp ............................................. 19 7. Sự cấp phát phổ và các chế độ song công ........................................... 19 8. Phối hợp làm việc với các công nghệ truy nhập vô tuyến khác .......... 19 9. Độ phức tạp thiết bị và giá thành ........................................................ 20 10. Các yêu cầu kiến trúc mạng ............................................................. 20 III. Các công nghệ của mạng 4G .................................................................. 20 1. Công nghệ đa sóng mang .................................................................... 20 2. Công nghệ đa anten ............................................................................. 23 3. Chuyển mạch gói trong giao diện vô tuyến......................................... 24 IV. Cấu trúc của mạng 4G ............................................................................ 25 1. Kiến trúc eNodeB ................................................................................ 26 2. Kiến trúc EPC ...................................................................................... 28 3. Các kênh sử dụng trong mạng 4G ....................................................... 32 4. Một số đặc tính của kênh truyền ......................................................... 33 5. Các kỹ thuật sử dụng trong 4G ............................................................ 35 I. II. CHƯƠNG II: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN VÀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG 4G ...............................................................................................49 I. 1. 2. II. 1. 2. Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng 4G ......................................... 49 Khái niệm tài nguyên vô tuyến............................................................ 49 Tổng quan về quản lý tài nguyên vô tuyến trong 4G .......................... 51 Chất lượng dịch vụ trong mạng 4G ........................................................ 52 Khái niệm về chất lượng dịch vụ QoS ................................................ 52 Các tham số của chất lượng dịch vụ QoS trong mạng 4G .................. 53 CHƯƠNG III: CÁC THUẬT TOÁN LẬP LỊCH PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG 4G .......................56 I. II. Giới thiệu ................................................................................................ 56 Thuật toán Delay Prioritized Scheduling (DPS) .................................... 56 1. Mô hình thực hiện thuật toán DPS ...................................................... 56 2. Nghiên cứu đánh giá thuật toán lập lịch DPS ..................................... 58 3 III. Thuật toán Extending Modified Largest Weighted Delay First (EMLWDF) ..................................................................................................... 69 1. Giới thiệu ............................................................................................. 69 2. Các tham số liên quan đến thuật toán .................................................. 71 3. Mô hình hệ thống................................................................................. 73 4. Kết quả mô phỏng ............................................................................... 77 5. Hạn chế và hướng phát triển của thuật toán ........................................ 87 IV. Đánh giá so sánh các thuật toán ............................................................. 87 KẾT LUẬN ...................................................................................................................89 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................90 4 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Chuyển đổi trạng thái trong kiến trúc E-UTRAN................................... 18 Hình 2 Trễ mặt phẳng U...................................................................................... 18 Hình 3 Các công nghệ đa truy nhập 4G nhìn theo miền tần số .......................... 21 Hình 4 Các lợi ích cơ bản của đa anten: (a) độ lợi phân tập; (b) độ lợi mạng anten; (c) độ lợi ghép kênh không gian. .............................................................. 23 Hình 5 Lập biểu nhanh và thích ứng đường truyền ............................................ 24 Hình 6 Cấu trúc mạng 4G ................................................................................... 25 Hình 7 Kiến trúc eNodeB .................................................................................... 26 Hình 8 Kiến trúc eNodeB .................................................................................... 28 Hình 9 Nguyên lý của FDMA ............................................................................. 35 Hình 10 Nguyên lý đa sóng mang ....................................................................... 36 Hình 11 So sánh phổ tần của OFDM với FDMA ............................................... 36 Hình 12 Tần số-thời gian của tín hiệu OFDM .................................................... 37 Hình 13 Các sóng mang trực giao với nhau ........................................................ 38 Hình 14 Biến đổi FFT ......................................................................................... 38 Hình 15 Thu phát OFDM .................................................................................... 39 Hình 16 Chuỗi bảo vệ GI .................................................................................... 39 Hình 17 Trường hợp có GI tác dụng của chuỗi bảo vệ ....................................... 40 Hình 18 Sóng mang con OFDMA ...................................................................... 41 Hình 19 Cấu trúc của một khối tài nguyên ......................................................... 42 Hình 20 Kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA .......................................................... 45 Hình 21 Kỹ thuật MIMO..................................................................................... 47 Hình 22 Kỹ thuật MIMO..................................................................................... 49 Hình 23 Kiến trúc RRM ...................................................................................... 51 Hình 24 Sơ đồ thực hiện thuật toán..................................................................... 60 Hình 25 Mô hình các gói video trực tuyến ......................................................... 63 Hình 26 So sánh thông lượng các thuật toán ...................................................... 66 Hình 27 So sánh trễ trung bình hệ thống của các thuật toán............................... 67 Hình 28 So sánh PLR của các thuật toán ............................................................ 68 Hình 29 So sánh độ công bằng các thuật toán .................................................... 68 Hình 30 Cấu trúc cơ bản của RB......................................................................... 70 Hình 31 Sơ đồ mô phỏng thuật toán ................................................................... 77 Hình 32 Thông lượng của thuê bao với ứng dụng Video ................................... 79 Hình 33 Thông lượng của thuê bao với ứng dụng Voip ..................................... 79 Hình 34 Thông lượng của thuê bao với ứng dụng Http ...................................... 80 Hình 35 Thông lượng trung bình với Video ....................................................... 82 Hình 36 Thông lượng trung bình với Voip ......................................................... 82 Hình 37 Thông lượng trung bình với Http .......................................................... 83 Hình 38 Độ công bằng của các thuật toán khác nhau ......................................... 84 Hình 39 Hiệu quả phổ của các thuật toán khác nhau .......................................... 85 5 Hình 40 So sánh thông lượng của thuê bao với các tần số khác nhau của EMLWDF với Voip ............................................................................................ 86 Hình 41 So sánh thông lượng của thuê bao với tốc độ di chuyển khác nhau của EMLWDF với Video........................................................................................... 86 6 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Mục tiêu yêu cầu chính cho 4G .............................................................. 14 Bảng 2 Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền ................................... 41 Bảng 3 QCI của các dịch vụ ................................................................................ 55 Bảng 4 Các thông số mô phỏng .......................................................................... 57 Bảng 5 Tốc độ dữ liệu với các chuẩn điều chế ................................................... 58 Bảng 6 Tham số các gói video ............................................................................ 62 Bảng 7 Ngưỡng trễ của các dịch vụ .................................................................... 73 Bảng 8 Bảng các tham số trong công thức tính .................................................. 74 Bảng 9 Các thông số mô phỏng thuật toán ......................................................... 78 7 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 3GPP 3rd Generation Partnership Project Dự án hợp tác thế hệ ba 3GPP2 3rd Generation Partnership Project 2 Dự án đối tác thế hệ thứ ba số 2 AC Admission Control Cơ chế chấp nhận kết nối AuC Authentication Centre Trung tâm nhận thực AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống mạng di động cải tiến ACK Acknowledgement Xác nhận AMC Adaptive Modulation and Coding Điều chế và mã hóa thích ứng ATB Adaptive Transmission Bandwidth Băng thông phát thích ứng BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá BLER Block Error Rate Tỉ lệ lỗi nghẽn BS Base Station Trạm gốc CBR Constant Bit Rate Tốc độ bit không đổi CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CP Cyclic Prefix Tiền tố chu trình CQI Channel Quality Information Thông tin chất lượng kênh CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra dư chu trình CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển dùng riêng DL Downlink Đường xuống DL-SCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống DTCH Dedicated Traffic Channel Kênh lưu lượng dùng riêng DTX/DRX Discontinuos Transmission/ Discontinuos Reception EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution eNodeB E-UTRAN node B Phát/Thu không liên tục EPC Evolved Packet Core Mạng lõi gói tiến hóa EPS Evolved Packet Switching Chuyển mạh gói tiến hóa 8 Hệ thống nâng cao tốc độ cho mạng GSM NodeB cải tiến E-SMLC Evolved Serving Location Centre Trung tâm định vị di động cải tiến European Telecommunications Standards Institute E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network FD Frequency Domain Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu Mạng truy nhập vô tuyến cải tiến FDD Frequency Division Duplexing Truyền song công theo tần số FDMA Frequency Division Multiple Access FEC Forward Error Correction Đa truy nhập phân chia theo tần số Hiệu chỉnh lỗi trước FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền dẫn tập tin FPC Fractional Power Control Điều khiển công suất phân đoạn GBR Guaranteed Bit Rate Tốc độ bit được đảm bảo GERAN GSM EDGE Radio Access Network Mạng truy nhập của GSM, EDGE GMLC Gateway Mobile Location Centre Cổng trung tâm định vị di động GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp GSM HARQ Global System for Mobile Communications GPRS-Tunnelling Protocol – User Plane Hybrid Adaptive Repeat and Request HSPA High Speed Packet Access Hệ thống thông tin di động toàn cầu Giao thức đường hầm GPRS cho mặt bằng người dùng Yêu cầu phát lại thích ứng lai ghép Truy nhập gói tốc độ cao HSPA+ High Speed Packet Access Plus Truy nhập gói tốc độ cao cải tiến HSS Home Subscriber Server Máy chủ thuê bao nhà HSUPA High Speed Uplink Packet Access ICIC InterCell Interference Coordination Truy nhập gói tốc độ cao đường lên Phối hợp nhiễu liên cell IEEE Institute of Electrical and Electronics Viện kĩ thuật điên và điện tử Hoa Engineers Kì IP Multimedia Subsystem Hệ thống con đa phương tiện IP ETSI GTP-U IMS Miền tần số Viễn thông di động quốc tế IoT International Mobile Telecommunications International Telecommunication Union Interference over Thermal LA Link Adaption Thích ứng kết nối IMT ITU 9 Liên minh viễn thông quốc tế Nhiễu trên tạp âm nhiệt 4G Long Term Evolution Mạng di động phát triển dài hạn 4G Avanced MAC Long Term Evolution Advanced Thế hệ sau của 4G Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MCH Multicast Channel Kênh đa điểm MCS Modulation and Coding Scheme Kỹ thuật điều chế và mã hóa MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra MME Mobility Management Entity Thực thể quản lí di động MTCH Multicast Traffic Channel Kênh lưu lượng đa điểm MU Multiuser Đa người dùng NACK Negative Acknowledgement Xác nhận âm NDI New Data Indicator Trường chỉ thị dữ liệu mới NRT Non Real-Time Không theo thời gian thực NAS Non Access Stratum Lớp ứng dụng trong 4G OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access Outer Loop Link Adaptation Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao Thích ứng đường truyền vòng ngoài Mã trực giao có độ dài khả biến OFDMA OLLA OVSF PAPR Orthogonal Variable Spreading Factor Peak to Average Power Ratio PBCH Physical Broadcast Channel Tỷ số công suất đỉnh trên trung bình Kênh quảng bá vật lí PC Power Control Điều khiển công suất PCCH Paging Control Channel Kênh điều khiển tìm gọi PCFICH Physical Control Format Indicator Channel Paging Channel Kênh vật lí chỉ thị định dạng điều khiển Kênh tìm gọi PHICH Policy Control and charging Rules Function Physical HARQ Indicator Channel Bộ phận chức năng quản lí chính sách và tính cước Kênh chỉ thị HARQ vật lý PDCCH Physical Downlink Control Channel PDCP Packet Data Convergence Kênh điều khiển vật lí đường xuống Giao thức điều khiển hội tụ dữ liệu gói PCH PCRF 10 PDN Packet Data Network Mạng dữ liệu gói PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ vật lí đường xuống P-GW PDN - Gateway PHICH PLMN Physical Hybrid ARQ Indicator Channel Public Land Mobile Network Node truy nhập đến PDN trong mạng lõi 4G Kênh vật lí chỉ thị HARQ PMCH Physical Multicast Channel Kênh vật lí đa điểm PMCH Physical Multicast Channel Kênh vật lí đa điểm PHY Physical Layer Lớp vật lý PRB Physical Resource Block Khối tài nguyên vật lý PS Packet Scheduler Bộ lập biểu gói PUCCH Physical Uplink Control Channel Kênh điều khiển đường lên vật lý PUSCH Physical Uplink Shared Channel Kênh chia sẻ đường lên vật lý QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RB Resource Block Khối tài nguyên RBG Radio Bearer Group Nhóm kênh truyền tải vô tuyến RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô tuyến RRU Radio Resource Unit Đơn vị tài nguyên vô tuyến RRC Radio Resource Control RRM Radio Resource Management Lớp điều khiển tài nguyên vô tuyến Quản lý tài nguyên vô tuyến RSRP Reference Symbol Received Power RSRQ Reference Symbol Received Quality RT Real-Time Công suất thu của kí hiệu tham chiếu Chất lượng thu của kí hiệu tham chiếu Theo thời gian thực RTT Round Trip Time Thời gian quay vòng SAE System Architecture Evolution Kiến trúc hệ thống cải tiến SC-FDMA Single Carrier – Frequency Division Multiple Access SCTP Stream Control Transmission Protocol 11 Mạng di động mặt đất Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang Giao thức điều khiển truyền dẫn luồng SIR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SINR S-GW Signal to Interference and Noise Ratio Serving Gateway Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và tạp âm Node phục vụ trong mạng lõi 4G SRS Sounding Reference Signal Tín hiệu tham chiếu thăm dò TD Time Domain Miền thời gian TDD Time Division Duplexing TTI Transmission Time Interval Truyền dẫn song công phân chia theo thời gian Khoảng thời gian truyền dẫn UE User Equipment Thiết bị người dùng UL Uplink Đường lên UL-SCH UpLink Shared Channel Kênh chia sẻ đường lên UMTS Universal Mobile Telecommunications System Voice over Internet Protocol Hệ thống thông tin di động toàn cầu (mạng 3G) Thoại trên nền giao thức Internet Wideband Code Division Multiple Access Worldwide interoperability for Microwave Access Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng Chuẩn WiMAX VoIP WCDMA WiMAX 12 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G I. Giới thiệu mạng 4G Cùng với sự phát triển cũng như đòi hỏi cũa xã hội ngành khoa học trong lĩnh vực truyền dẫn viễn thông cũng luôn phát triển để đáp ứng những yêu cầu đó. Đặc biệt là trong xã hội ngày nay nhu cầu về trao đổi thông tin , truyền dữ liệu, các dịch vụ trên các thiết bị di động liệu ngày càng cao. Các hệ thống thông tin di động 2G, 2,5G và đặc biệt la 3G vẫn đang hoạt động khá trơn chu và ngày càng phát triển với những thế mạnh của mình tuy nhiên chúng vẫn phần nào chưa đáp ứng được mong đợi của những khách hàng có nhu cầu sử dụng truyền dữ liệu tốc độ cao. Hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ 4G được phát triển sẽ giải quyết được những khó khăn trên. LTE là từ viết tắt của Long term evolution miêu 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. II. Các yêu cầu và mục tiêu của mạng 4G Việc triển khai mạng 4G đòi hỏi các yêu cầu và mục tiêu như sau: - Giảm trễ, cả trong thiết lập kết nối và trễ truyền dẫn; - Tăng tốc độ dữ liệu người sử dụng; - Tăng tốc độ bit biên ô, cho tính thống nhất của việc cung cấp dịch vụ; - Giảm chi phí trên bit, tức là cải thiện hiệu quả phổ tần; - Sử dụng phổ linh hoạt hơn, cả trong những băng tần đã tồn tại và mới; - Đơn giản hóa kiến trúc mạng; - Tính di động liền mạch, ngay cả giữa các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau; - Công suất tiêu thụ hợp lý cho thiết bị đầu cuối. 1. Các yêu cầu hiệu năng hệ thống Việc cải thiện hiệu năng hệ thống so với các hệ thống đang tồn tại là một trong những yêu cầu chính từ các nhà khai thác mạng, để đảm bảo tính cạnh tranh của 4G và do đó để tăng thị hiếu thị trường. Trong phần này chúng ta sẽ nêu bật lên các tham số 13 hiệu năng chính được dùng để xác định các yêu cầu 4G và thẩm định hiệu năng của nó. Bảng dưới tổng kết các yêu cầu hiệu năng chính theo đó phát hành đầu tiên của 4G được thiết kế. Nhiều con số được cho liên quan đến hiệu năng của hầu hết các phiên bản nâng cao sẵn có của UMTS, tại thời điểm định nghĩa các yêu cầu 4G thì đó là HSDPA/HSUPA phát hành 6 - ở đây được gọi là vạch ranh giới tham khảo. Có thể nhận thấy rằng các yêu cầu mục tiêu cho 4G đã thể hiện một bước nhảy đáng kể so với trải nghiệm người dùng và dung lượng được cung cấp bởi các hệ thống thông tin di động 3G đang được triển khai tại thời điểm mà 4G đang được phát triển. Đường lên Đường xuống Bảng 1 Mục tiêu yêu cầu chính cho 4G Tốc độ truyền đỉnh Yêu cầu tuyệt đối > 100 Mb/s Hiệu suất phổ tần đỉnh > 5 bit/s/Hz So sánh với phát hành 6 7 × 14,4 Mb/s 3 bit/s/Hz Hiệu suất phổ trung bình trên ô >1,6 – 2,1 bit/s/Hz/ô 3 – 4 × 0,53 bit/s/Hz/ô Chú giải Hiệu suất phổ tại biên ô >0,04 – 0,06 bit/s/Hz/người dùng Hiệu suất phổ quảng bá > 1 bit/s/Hz 2-3 × 0,02 bit/s/Hz 4G trong FDD 20MHz, ghép kênh theo không gian 2 × 2. Tham khảo: HSDPA trong FDD 5MHz, phát đơn anten 4G: Ghép kênh không gian 2 × 2, Máy thu kết hợp loại bỏ nhiễu (IRC). Tham khảo: HSDPA, máy thu Rake, 2 anten thu Như trên, giả thiết 10 người dùng trên ô Không áp dụng Sóng mang dành riêng cho chế độ quảng bá Tốc độ truyền đỉnh Hiệu suất phổ tần đỉnh > 50 Mb/s > 2,5 bit/s/Hz 5 × 11 Mb/s 2 bit/s/Hz Hiệu suất phổ trung bình trên ô >0,66 – 1,0 bit/s/Hz/ô 2 – 3 × 0,33 bit/s/Hz/ô 4G trong FDD 20MHz, phát đơn anten. Tham khảo: HSUPA trong FDD 5MHz, phát đơn anten 4G: phát đơn anten, Máy thu IRC. Tham khảo: HSUPA, máy thu Rake, 2 anten thu Như trên, giả thiết 10 người dùng trên ô Hiệu suất phổ tại biên ô >0,02 – 0,03 bit/s/Hz/người 14 2 – 3 × 0,01 bit/s/Hz/ Hệ thống Trễ mặt phẳng người sử dụng (trễ vô tuyến hai chiều) Độ trễ thiết lập kết nối Băng thông hoạt động Khả năng VoIP dùng người dùng < 10ms 1/5 Trạng thái rỗi → trạng thái tích cực 1,4 – 20 MHz 5 MHz (các yêu cầu ban đầu bắt đầu từ 1,25 MHz) Mục tiêu được ưa chuộng trong NGMN là >60 phiên/MHz/ô < 100ms 1.1. Tốc độ số liệu đỉnh và hiệu suất phổ đỉnh 4G sẽ hỗ trợ tốc độ đỉnh tức thời tăng đáng kể. Tốc độ này được định cỡ tuỳ theo kích thước của phổ được ấn định. 4G sẽ đảm bảo tốc độ số liệu đỉnh tức thời đường xuống lên đến 100Mbps và tốc độ đỉnh đường lên 50Mbps khi băng thông được cấp phát cực đại là 20Mhz tương ứng với các hiệu suất phổ cực đại tương ứng là 5bit/s/Hz và 2,5bit/s/Hz. Băng thông 4G được cấp phát linh hoạt từ 1.4 Mhz lên đến 20 Mhz (Gấp bốn lần băng thông 3GUMTS). Lưu ý rằng tốc độ đỉnh có thể phụ thuộc vào số lượng anten phát và anten thu tại UE. Các mục tiêu về tốc độ số liệu đỉnh nói trên được đặc tả trong UE tham chuẩn gồm: (1) khả năng đường xuống với hai anten tại UE,(2) khả năng đường lên với một anten tại UE. Trong trường hợp phổ được dùng chung cho cả đường lên và đường xuống, 4G không phải hỗ trợ tốc độ số liệu đỉnh đường xuống và đường lên nói trên đồng thời. 1.2. Hiệu suất phổ trung bình trên ô và thông lượng ô Hiệu năng tại mức ô là một tiêu chuẩn quan trọng, vì nó liên quan trực tiếp đến số các địa điểm ô mà các nhà khai thác mạng yêu cầu, và do đó liên quan đến chi phí thiết yếu trong việc triển khai hệ thống. Với 4G, nó được chọn để ấn định hiệu năng mức ô với các mô hình lưu lượng hàng đợi đầy (tức là giả thiết rằng không bao giờ thiếu dữ liệu để truyền nếu một người dùng có cơ hội truyền) và một tải hệ thống tương đối cao, thường là 10 người trên một ô. Thông lượng đường xuống trong 4G sẽ gấp ba đến bốn lần thông lượng đường xuống trong R6 HSDPA tính trung bình trên một Mhz. Cần lưu ý rằng thông lượng 15 HSDPA trong R6 được xét cho trường hợp một anten tại nút B với tính năng tăng cường và một máy thu trong UE; trong khi đó 4G sử dụng cực đại hai anten tại nút B và hai anten tại UE. Ngoài ra cũng cần lưu ý rằng khi băng thông cấp phát tăng , thông lượng cũng phải tăng. Mặt khác thông lượng đường lên trong 4G cũng gấp hai đến ba lần thông lượng đường lên trong R6 HSUPA tính trung bình trên một Mhz. Trong đó giả thiết rằng R6 HSUPA sử dụng một anten phát tại UE và hai anten thu tại nút B; còn đường lên trong 4G sử dụng cực đại hai anten phát tại UE và hai anten thu tại nút B. 2. Dung lượng thoại Không giống lưu lượng hàng đợi đầy (như khi tải file xuống) mà đặc trưng là khả năng chịu độ trễ và không yêu cầu một tốc độ bit đảm bảo, lưu lượng thời gian thực như VoIP có các hạn chế chặt về độ trễ. Việc thiết lập các yêu cầu khả năng hệ thống cho các dịch vụ như vậy là rất quan trọng, một thử thách đặc biệt trong các hệ thống hoàn toàn dựa trên gói giống như 4G dựa trên lập biểu thích ứng. Yêu cầu khả năng hệ thống được định nghĩa là số người dùng VoIP hài lòng, cho sẵn một mô hình lưu lượng cụ thể và các hạn chế độ trễ. Ở đây, một người dùng VoIP được coi là không hài lòng nếu nhiều hơn 2% các gói VoIP không đến thành công tại phía thu vô tuyến trong vòng 50 ms và do đó bị loại bỏ. Điều này giả thiết rằng toàn bộ trễ từ đầu đến cuối (từ đầu cuối di động đến đầu cuối di động) dưới 200 ms. Dung lượng hệ thống cho VoIP do đó có thể được định nghĩa là số người dùng hiện tại trên ô khi nhiều hơn 95% người sử dụng hài lòng. 3. Tính di động và vùng phủ ô Hiệu năng 4G cần được tối ưu hoá cho người sử dụng di động tại các tốc độ thấp từ 0 đến 15km/h. Các người di động tại các tốc độ cao từ 15 đến 120 km/h cần được đảm bảo hiệu năng cao thoả mãn. Cũng cần hỗ trợ di động tại các tốc độ từ 120 km/h đến 350 km/h (thậm chí đến 500 km/h phụ thuộc vào băng tần được cấp phát). Việc đảm bảo tốc độ 350km/h cần thiết để duy trì chất lượng dịch vụ chấp nhận được cho các người sử dụng cần được cung cấp dịch vụ trong các hệ thống xe lửa tốc độ cao. Trong trường hợp này cần sử dụng các giải pháp và mô hình kênh đặc biệt. Khi thiết lập các thông số lớp vật lý, 4G cần có khả năng duy trì kết nối tại tốc độ lên tới 350 km/h thậm chí lên đến 500km/h phụ thuộc băng tần được cấp phát. 16 4G phải hỗ trợ linh hoạt các kịch bản phủ sóng khác nhau trong khi vẫn đảm bảo các mục tiêu đã nêu trong các phần trên với giả thiết sử dụng lại các đài trạm UTRAN và tần số sóng mang hiện có. Thông lượng, hiệu suất sử dụng phổ tần và hỗ trợ di động nói trên phải đáp ứng các ô có bán kính 5km và với giảm nhẹ chất lượng đối với các ô có bán kính 30km. 4. Hiệu năng chế độ quảng bá MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service: Dịch vụ đa phương quảng bá đa phương tiện) được đưa vào các dịch vụ của 4G. Các hệ thống 4G phải đảm bảo hỗ trợ tăng cường cho MBMS. 4G phải hỗ trợ các chế độ MBMS tăng cường so với hoạt động của UTRA. Đối với trường hợp đơn phương, 4G phải có khả năng đạt được các mục tiêu chất lượng như hệ thống các hệ thống UTRA khi làm việc trên cùng một đài trạm. Hỗ trợ MBMS của 4G cần đảm bảo các yêu cầu sau: Tái sử dụng các phần tử vật lý : để giảm độ phức tạp đầu cuối, sử dụng các phương pháp đa truy nhập, mã hoá, điều chế cơ bản áp dụng cho đơn phương cho các dịch vụ MBMS và cũng sử dụng tập chế độ băng thông của UE cho các khai thác đơn phương cho MBMS, thoại và MBMS : giải pháp 4G cho MBMS phải cho phép tích hợp đồng thời và cung cấp hiệu quả thoại dành riêng và các dịch vụ MBMS cho người sử dụng: Khai thác MBMS đơn băng : phải hỗ trợ triển khai các sóng mang 4G mang các dịch vụ MBMS trong phổ tần đơn băng. 5. Trễ mặt phẳng người dùng và trễ mặt phẳng điều khiển Cần giảm đáng kể trễ mặt phẳng điều khiển (mặt phẳng C) (chẳng hạn bao gồm trễ chuyển đổi từ trạng thái rỗi sang trạng thái trao đổi số liệu không kể trễ tìm gọi là 100ms). 17