Tài liệu Truy nhập gói đường lên tốc độ số liệu cao trong lộ trình phát triển của 3gpp lte

Truy nhập gói đường lên tốc độ cao LỜI NÓI ĐẦU Thông tin di động phát triển rất nhanh, theo hiệp hội viễn thông quốc tế (ITU) số thuê bao điện thoại di động toàn cầu hiện đạt mức 4,6 tỷ thuê bao và dùng rộng rãi thế hệ thứ ba (3G), có thể cung cấp đa dạng dịch vụ với tốc độ cao, chất lượng cao, và đang hướng đến 4G. Các mạng 3G đã triển khai nhiều nước trên thế giới, ngay cả trước khi chúng được khai thác, các hoạt động nâng cấp chỳng đó được quan tâm – đề án công tác thế hệ ba (3GPP – The Third Generation Partnership Project). Khoảng 10 năm trước, số thuê bao di động 3G trên toàn thế giới khoảng trên 300 triệu, nhưng đến năm 2007 đã lên tới 3,1 tỷ và hiện nay là 4,6 tỷ (nghĩa là hơn một nửa số dân trên thế giới). Theo thống kê, hiện trên thế giới có khoảng hơn 300 mạng UMTS, trong đó có hơn 35 mạng HSPA đang hoạt động, với hơn 200 triệu khách hàng. Nói cách khác, gần 40% thuê bao 3G trên thế giới hiện đang được sử dụng công nghệ truyền tải dữ liệu tốc độ cao HSPA; ngoài ra đến 2011 LTE – giai đoạn đầu của 4G cũng sẽ được triển khai. Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA – High Speech Downlink Packet Access) là một mở rộng của hệ thống 3G UMTS đã có thể cung cấp tốc độ lên tới 10 Mbps trên đường xuống. HSDPA là một chuẩn tăng cường của 3GPP – 3G nhằm tăng dung lượng đường xuống bằng cách thay thế điều biến QPSK trong 3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA. HSDPA hoạt động trên cơ sở kết hợp ghộp kờnh theo thời gian (TDM) với ghộp kờnh theo mã và sử dụng AMC (Adaptive Modulation and Coding – mã hóa kênh và điều biến thích nghi). Để đảm bảo tốc độ truyền dẫn số liệu. Các kỹ thuật tương tự cũng được áp dụng cho đường lên trong chuẩn HSUPA (High Speech Uplink Packet Access – truy nhập gói đường lên tốc độ cao) là công nghệ mạng di động ra đời sau HSDPA và được xem là công nghệ 3,5G. Đây là công nghệ chiếm ưu thế ở tốc độ đường lên: từ 1,4Mbps đến Vũ Thị Hiền mã số 504102020 1 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao 5,76Mbps. Ngược lại với HSDPA, HSUPA sử dụng kênh truyền nâng cao tốc độ đường lên E-DCH (Enhanced Dedicated Channel) theo các kỹ thuật tương tự HSDPA. Mục tiêu chủ yếu của HSUPA là cải tiến tốc độ tải lên cho các thiết bị di động và giảm thời gian trễ trong ứng dụng game, email, chat... HSUPA là công nghệ phát triển sau HSDPA nhằm thỏa mãn nhu cầu tương tác thời gian thực với các ứng dụng đòi hỏi tốc độ và độ tin cậy cao. Để tìm hiểu rõ hơn về HSUPA em đã chọn đề tài “Truy nhập gói đường lên tốc độ số liệu cao trong lộ trình phát triển của 3GPP LTE” nhằm mục đích nghiên cứu cấu trúc cỏc kờnh số liệu và báo hiệu được sử dụng cho HSUPA. Đồ án gồm 3 chương với nội dung như sau: Chương 1: Tổng quan phát triển 3G lên 4G Chương 2: Các công nghệ cơ bản của 3GPP LTE Chương 3: Truy nhập gói đường lên tốc độ số liệu cao trong lộ trình phát triển của 3GPP LTE Em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của PGS.TS Phan Hữu Huân, người đã tận tình chỉ bảo hướng dẫn, và tạo mọi điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Do hạn chế về thời gian và kiến thức, đồ án tốt nghiệp của em còn nhiều thiếu sót. Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đề tài của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Vũ Thị Hiền mã số 504102020 2 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao Chương 1 TỔNG QUAN PHÁT TRIỂN 3G LấN 4G 1.1. QUÁ TRÌNH TIấU CHUẨN HểA WCDMA/HSPA TRONG 3GPP : 1.1.1. Chuẩn hóa trong 3GPP : a. Chuẩn hóa HSDPA : Khi phát hành R3 hoàn thành, HSDPA và HSUPA vẫn chưa được đưa vào kế hoạch nghiên cứu. Trong năm 2000, khi tiến hành hiệu chỉnh WCDMA và nghiên cứu R4 kể cả TD-SCDMA, người ta nhận thấy rằng cần có một số cải thiện cho truy nhập gói. Để cho phép phát triển này, nghiên cứu khả thi (danh mục nghiên cứu) cho HSDPA vào đầu năm 2000. Nghiên cứu này được bắt đầu theo các nguyên tắc của 3GPP (phải có ít nhất 4 hãng ủng hộ). Cỏc hóng ủng hộ bắt đầu nghiên cứu HSDPA gồm Motorola và Nokia thuộc phớa cỏc nhà máy, và BT/Cellnet, T-Mobile và NTT DoCoMo thuộc phớa cỏc nhà khai thác. Nghiên cứu khả thi đã kết thúc tại phiên họp toàn thể TSG RAN. Trong danh mục nghiên cứu HSDPA cú cỏc vấn đề nghiên cứu để cải thiện truyền dẫn số liệu gói đường xuống so với R3. Các chuyên đề như phát lại lớp vật lý và lập biểu dựa trên BTS đã được nghiên cứu cùng với mã hóa và điều biến thích nghi. Cùng với nghiên cứu này đã nghiên cứu công nghệ thu phát nhiều anten (MIMO) và vấn đề chọn nhanh FCS (Fast Cell Selection). Trong các chuyên đề liên quan đến HSDPA, danh mục nghiên cứu MIMO không hoàn thành trong chương trình khung thời gian R5 và R6, và đây là lý do nó có mặt trong các chuyên đề R7. Nghiên cứu khả thi FCS đã đưa ra kết luận, lợi ích nhận được không nhiều so với việc tăng thêm độ phức tạp. Sau kết luận này không đưa ra các nghiên cứu nào về FCS. Trong khi tập trung vào ghép song công phân chia theo tần số (FDD), ghép song công phân chia theo thời gian (TDD) cũng được đưa vào danh mục nghiên cứu HSDPA Vũ Thị Hiền mã số 504102020 3 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao kể cả các giải pháp tương tự cả hai chế độ TDD(TDD băng hẹp và băng rộng). b. Chuẩn hóa HSUPA : Chuẩn hóa HSUPA là thuật ngữ được dùng rộng rãi trên thị trường; trong quá trình chuẩn hóa HSUPA thuật ngữ này được sử dụng dưới cái tên “kờnh riờng đường lên tăng cường” (E-DCH : Enhanced Uplink Dedicated Channel). Nghiên cứu được tiến hành trong giai đoạn hiệu chỉnh HSUPA và được bắt đầu bằng danh mục nghiên cứu về “tăng cường đường lên cho cỏc kờnh truyền tải”. Vấn đề này được sự ủng hộ của các nhà máy: Motorola, Nokia và của cỏc hóng Ericsson, như chỉ ra trờn hỡnh 1.1. Lập biểu nhanh đường lên dựa trên nút B Thiết lập TTI nhanh cho đường lên Điều biến bậc cao hơn HSUPA ? HARQ cho đường lên Thiết lập kênh riêng nhanh Hình 1.1 – Các kỹ thuật được xem xét cho HSUPA Danh mục nghiên cứu kết thúc 03/2004 với khuyến nghị bắt đầu nghiên cứu trong 3GPP để đặc tả HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request – yêu cầu phát lại tự động) lớp vật lý nhanh và cơ chế lập biểu dựa trên nút B cho đường lên cũng như độ dài TTI (Transmission Time Interval) ngắn hơn. Ngoài ra, cơ chế thiết lập kênh DCH (Dedicated Channel – kênh điều khiển) nhanh hơn không đưa vào khuyến nghị này, nhưng các vấn đề này đã được đề cập trong danh mục nghiên cứu khác đối với phát hành 3GPP R6. Hình 1.2 trình bày các kỹ thuật được lựa chọn cho danh mục nghiên cứu HSUPA. Vũ Thị Hiền mã số 504102020 4 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao Lập biểu nhanh đường lên dựa trên nút B TTI ngắn hơn cho đường lên HARQ cho đường lên HSUPA Hình 1.2 – Các kỹ thuật được lựa chọn cho danh mục nghiên cứu HSUPA Quá trình nghiên cứu tiêu chuẩn hóa HSUPA trong 3GPP được mô tả trờn hình 1.3. Bắt đầu nghiên cứu khả thi 10/02 02/04 03/04 Phân tích ảnh hưởng và lợi ích trong nhóm công tác Trình bày kết quả cho TSG Quyết định tích cực Tạo lập danh mục nghiên cứu Tạo lập các đặc tả 03/04 Nghiên cứu chi tiết và đưa ra các yêu cầu thay đổi 04-11/04 Chấp thuận yêu cầu thay đổi 12/04 2005 Hiệu chỉnh và kết thúc các danh mục nghiên cứu Các thực hiện để tiến vào thị trường Hình 1.3 – Quá trình tiêu chuẩn hóa HSUPA trong 3GPP 1.1.2. Phát triển tăng cường HSPA (HSDPA và HSUPA): Trong khi HSUPA được đặc tả, vẫn có các nghiên cứu phát triển để cải thiện R6 HSDPA cũng như một số các lĩnh vực khác như: đặc tả hiệu năng Vũ Thị Hiền mã số 504102020 5 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao cho các đầu cuối tiên tiến hơn sử dụng thu phân tập và (hoặc) các máy thu tiên tiến; cải thiện tầm phủ sóng cho đường lên bằng cách sử dụng báo hiệu phản hồi đường lờn; cỏc cải thiện trong lĩnh vực di động của HSDPA bằng báo hiệu nhanh hơn và thời gian xử lý ngắn hơn. Một danh mục nghiên cứu với tên “kết nối liên tục cho các người sử dụng số liệu gúi” đó được định nghĩa bởi R7 với mục đích giảm chi phí trong các thời gian phục vụ và duy trì liên kết nhưng không có lượng số liệu cần thiết. Một ví dụ cho kiểu dịch vụ này là dịch vụ thoại trên cơ sở gói với tên gọi phổ biến là VoIP. Danh mục nghiên cứu MIMO vẫn tiếp tục được tiến hành với nhiều đề xuất. Nguyên tắc chủ yếu là dùng hai (hay nhiều) anten phát với các luồng thông tin khác nhau và sau đó sử dụng hai (hay nhiều) anten kết hợp với xử lý tín hiệu tiên tiến tại đầu cuối để phân tích các luồng này như minh họa trờn hỡnh 1.4. Giải trải phổ và giải mã không gian thời gian Các bộ lọc RF và băng gốc Phần phát BTS với khả năng có hai máy phát trên một đoạn ô PA – Bộ khuếch đại công suất Đầu cuối với máy thu và khả năng giảm mã MIMO Hình 1.4 – Nguyên lý MIMO với hai anten phát và hai anten thu Vũ Thị Hiền mã số 504102020 6 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao Thách thức chủ yếu là phải chứng minh rằng liệu có nhận được tăng độ lợi đáng kể so với độ lợi nhận được từ các cải thiện hiệu năng trong R6 và các giải pháp cải thiện dung lượng hiện có bằng cách bổ sung thêm máy phát. Các kết luận trong 3GPP cho đến thời điểm này chỉ là trong môi trường ô vĩ mô; HSDPA với MIMO hình như không mang lại lợi ích về dung lượng so với trường hợp thu phân tập và máy thu tiên tiến đầu cuối. Vì thế thách thức này vẫn còn tiếp tục được xem xét trong R7; nghiên cứu sẽ hướng đến cỏc ụ nhỏ hơn (cỏc ụ vi mô). Các danh mục nghiên cứu cho HSDPA và HSUPA gồm vấn đề giảm trễ thiết lập cuộc gọi chuyển mạch gói PS (Packet Switch) và chuyển mạch kênh CS (Channel Switch) nhằm rút ngắn thời gian từ trạng thái rỗi sang trạng thái tích cực (cell – DCH). Vì hầu hết các bước trong WCDMA sẽ vẫn giữ nguyên không liên quan đến cuộc gọi CS hay PS, nờn cỏc cải thiện này mang lại lợi ích cho cả HSDPA/HSUPA lẫn thiết lập cuộc gọi thoại bình thường, nghĩa là các thiết bị hiện có có tiềm năng hơn vỡ cỏc đầu cuối thay đổi, nhận được thờm cỏc cải thiện trong hầu hết các trường hợp. Phát triển HSPA trong R7 (hay còn gọi là HSPA+) đã đưa đến tốc độ 28 Mbps cực đại trên đường xuống và 11Mbps cực đại trên đường lên. 1.2. KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN LTE (Long Term Evolution): Nghiên cứu phát triển tiêu chuẩn LTE được tiến hành trong các E – UTRAN TSG (Technical Specification Group – nhóm đặc tả kỹ thuật). Trong các cuộc họp của RAN TSG chỉ có một vài vấn đề kỹ thuật là được tán thành. Thậm chí trong các cuộc họp sau đó thì vấn đề này vẫn được xem xét lại. 3GPP đã vạch ra kế hoạch làm việc chi tiết cho các nhóm nghiên cứu TSG RAN. Lộ trình phát triển của LTE gắn liền với lộ trình phát triển của 3GPP, như chỉ ra trờn hỡnh 1.5. Vũ Thị Hiền mã số 504102020 7 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao R3 (R99) 12/1999 CS và PS Các kênh mang R3 MMS R4 03/2001 Các tăng cường Các dịch vụ địnhTD – SCDMA …………….. vị R5 03/2002 HSDPA IMS Thoại AMR - WB …………… R6 05/2005 Đường lên tăng cường (E - DCH) MBMS Tương tác R7, R8,…. LTE SAE Phát triển HSPA ………………. WLAN - UMTS Hình 1.5 – Lộ trình phát triển 3GPP Các vấn đề nghiên cứu thực hiện trong hai TSG : • TSG RAN : Nghiên cứu chuẩn cho giao diện vô tuyến. • TSG SA : Nghiên cứu kiến trúc mạng. Quá trình nghiên cứu được, tiến hành trong nhóm TSG 3GPP LTE/SAE dưới điều hành của PCG ( Project Coordination Group – nhóm điều phối đề án 3GPP ) được mô tả trờn hình 1.6. Vũ Thị Hiền mã số 504102020 8 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao PCG (Nhóm điều phối đề án 3GPP) (nhóm điều phối đề án 3GPP) TSG GERAN (mạng truy nhập vô tuyến) GERAN WG1 (các vấn đề vô tuyến) TSG GERAN (mạng truy nhập vô tuyến) GERAN SA (các vấn đề dịch vụ và hệ thống) GERAN WG1 (đặc tả lớp 1 vô tuyến) SA WG1 (các dịch vụ) TSG CT (mạng lõi và đầu cuối) CT WG1 (MM/CC/SM (In)) GERANWG2 (mạng vấn đề giao thức) GERAN WG3 (Đo kiểm đầu cuối) GERANWG2 (đặc tả lớp 2 và RR lớp 3 vôtuyến) SA WG2 (kiến trúc) GERAN WG3 (đặc tả IuB, Iur, Iu) SA WG3 (an ninh) GERAN WG4 (Hiệu năng vô tuyến) SA WG4 (codec) GERAN WG5 (đo kiểm lớp chuẩn đầu cuối) SA WG5 (Quản lý viễn thông) CT WG3 (Tương tác với mạng ngoài) CTWG4 (MAP/GTP/ BCH/SS) BCH/SS) CT WG5 (Truy nhập với dịch vụ mở OSA) CT WG6 (Các vấn đề ứng dụng hệ thông minh) Hình 1.6 – Tổ chức cỏc nhúm điều phối đề án 3GPP 1.3. IMT – Adv VÀ LỘ TRÌNH TỚI 4G: Trong ITU, nhóm công tác 8F ( ITU – R WP 8F ) đang tiến hành nghiên cứu các hệ thống tiếp sau IMT – 2000. Khả năng IMT – 2000, các tăng cường của nó và các hệ thống bao gồm các giao diện sau IMT – 2000 được chỉ ra trờn hỡnh 1.7 và bảng 1.1 là mục tiêu của 4G. Vũ Thị Hiền mã số 504102020 9 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao Bảng 1.1 – Mục tiêu của 4G 100 Mbps cho vùng rộng, 1Gbps cho vùng hẹp Kết nối mạng Hoàn toàn IP Thông tin Rộng khắp, di động, liên tục Trễ Thấp hơn 3G Trễ kết nối Thấp hơn 500ms Trễ truyền dẫn Thấp hơn 5ms Giá thành/bit 1/10 – 1/100 thấp hơn 3G Giá thành cơ sở hạ tầng Thấp hơn 3G ( khoảng 1/10 ) Khả năng di động Tốc độ số liệu truy nhập vô tuyến mới Cao Phát triển 3G truy nhập không dây nội hạt/**** IMT - 2000 Thấp IMT - 2000 1Mbps tăng cường 10Mbps 100Mbps 1000Mbps Hình 1.7 – Các khả năng của IMT – 2000 và các hệ thống sau IMT – 2000 theo khuyến khích M.1654 của ITU – R ITU – R WP 8F tuyên bố rằng cần có các công nghệ vô tuyến di động mới cho các khả năng IMT – 2000, tuy nhiên chưa chỉ ra công nghệ nào. Thuật 10 Vũ Thị Hiền mã số 504102020 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao ngữ IMT-Adv được sử dụng cho các công nghệ sau IMT – 2000 và chứa các khả năng cho hệ thống trước đó. Quá trình IMT – Adv đang được khởi thảo trong WP 8F. Các công nghệ được đề cử sẽ được đánh giá dựa trên các tiêu chí đã thỏa thuận. Vỡ cỏc công nghệ này cần sự đồng thuận nên một số công nghệ có thể áp dụng cho IMT-Adv không thể xác định trước, nhưng chắc chắn nó phải có sự cân đối giữa kinh tế và công nghệ; ngoài ra, khả năng sử dụng máy đầu cuối trên toàn cầu cũng được coi là một tiêu chí quan trọng. Một vấn đề nữa cũng được đặt ra trong ITU – R có liên quan đến IMT – 2000 Adv là xác định phổ tần sử dụng. Mặc dù 3GPP hiện nay chưa tiến hành nghiên cứu trực tiếp IMT – 2000 Adv, tuy nhiên 3GPP sẽ đề xuất lên ITU – R IEEE 802.16 (Wimax) cũng đang được hoàn thiện khái niệm của mình để hướng đến đề xuất cho IMT – Adv trong 802.16m; tương tự 3GPP2 cũng đang tiến tới đề xuất IMT – Adv. LTE là một trong những con đường tiến tới 4G. LTE sẽ tồn tại trong giai đoạn đầu của 4G, tiếp theo nó sẽ là IMT – Adv. LTE cho phép chuyển đổi từ từ từ 3G UMTS sang giai đoạn đầu 4G, sau đó sang IMT – Adv. Chuyển từ LTE sang IMT- Adv là chia khóa của thành công trên thị trường. Vũ Thị Hiền mã số 504102020 11 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao Khả năng di động 1985 1995 2000 2010 2005 HSPA 1xEVDO Trung bình GSM Cao + cdma ONE 2G 3G 3G triển khai AMPS LTE IMT – Advanced 4G E3G LTE WCDMA Cdma200001x 1G Thời gian 2015 WIMAX/I EEE TACS WIFI/IEE E 802.11 Thấp Tốc độ số liệu <10kbps <200kbps 300kbps – 10Mbps <100Mbps 100Mbps – 1Gbps Hình 1.8 - Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động đến 4G Ngoài LTE của 3GPP người ta cũng nghiên cứu các hướng đi khác sang 4G. 3GPP2 để xuất là UMB (Untra Mobile Band). Ngoài ra WiMax cũng có kế hoạch tiến tới 4G. Quá trình tiến tới 4G của công nghệ hiện có mô tả trờn hình 1.8. 1.4. TỔNG QUAN TRUY NHẬP GểI TỐC ĐỘ CAO (HSPA) : 1.4.1. Mở đầu : HSDPA được 3GPP chuẩn hóa R5 với phiên bản tiêu chuẩn đầu tiên vào 2002; HSUPA được 3GPP chuẩn hóa trong R6 vào 2004. Cả HSDPA và HSUPA gọi chung là HSPA. Các mạng HSDPA đầu tiên được đưa vào thương mại 2005 và HSUPA vào 2007. Tốc độ số liệu đỉnh của HSDPA ban đầu là 1,8 Mbps và tăng lên 3,6 Mbps, rồi 7,2 Mbps vào 2006 và 2007; tiềm năng có thể đạt đến 14,4Mbps năm 2008.Trong giai đoạn đầu HSUPA là 1-2 Mbps trong giai đoạn hai đạt đến 4 ÷ 5,7 Mbps vào 2008. Vũ Thị Hiền mã số 504102020 12 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao HSPA được triển khai trên WCDMA hoặc trên cùng một sóng mang hoặc sử dụng một sóng mang khác để đạt được dung lượng cao, như hình 1.9. f2 f1 Nút B RNC SGSN GGSN Hình 1.9 - Triển khai HSPA với sóng mang riêng (f2) hoặc chung sóng mang với WCDMA(f1) HSPA chia sẻ chung hạ tầng mạng với WCDMA. Để nâng cấp WCDMA lên HSPA chỉ cần bổ sung phần mềm và một vài phần cứng trong BSC và RNC. Ban đầu HSPA được thiết kế cho các dịch vụ tốc độ cao phi thời gian thực, tuy nhiên R6 và R7 cải thiện hiệu suất của HSPA cho VoIP và các ứng dụng tương tự khác. Khác với WCDMA trong tốc độ liệu trờn cỏc giao diện như nhau (384 Kbps cho tốc độ cực đại tới hạn), tốc độ số liệu HSPA trờn cỏc giao diện khác nhau. Hình 1.10 minh họa điều này cho HSDPA. R5 HSDPA Số liệu từ GGSN Đầu cuối Iub Tốc độ HS – DSCH đỉnh 14,4 Mbps trên 2ms Nút B Iu-CS RNC Tốc độ bit Iub Thông số QoS: 0 – 3 Mbps tốc độ bit cực đại: 3Mbps Vũ Thị Hiền mã số 504102020 SGSN 13 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao Hình 1.10 - Tốc độ số liệu khác nhau trờn cỏc giao diện ( trường hợp HSDPA) Tốc độ đỉnh (14,4 Mbps trên 2ms) tại đầu cuối chỉ xảy ra trong thời điểm điều kiện kênh truyền tốt vì thế tốc độ trung bình có thể không quá 3Mbps. Để đảm bảo truyền lưu lượng mạng tính cụm này, BTS cần có bộ đệm để lưu lại lưu lượng và bộ lập biểu để truyền lưu lượng này trên hạ tầng mạng. 1.4.2. Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA cho số liệu người sử dụng: Hình 1.11 mô tả kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA cho số liệu người sử dụng. Số liệu từ các dịch vụ khác nhau được nén tiêu đề IP tại PDCP (Packet Data convergence Protocol). MAC – hs (Medium Access Control – High speed: điều khiển truy nhập môi trường tốc độ cao) thực hiện chức năng lập biểu nhanh dựa trên BTS. Nén tiêu đề IP (PDCP) Các dịch vụ CS như tiếng nói AMR, video Phân đoạn và lặp (RLC) Ghép kênh (MAC - d) Kênh riêng Phát lặp HARQ nhanh (MAC - HS) Phát lặp HARQ nhanh (MAC - e) Sắp xếp lại (MAC - es) Lớp vật lý Vũ Thị Hiền mã số 504102020 14 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao MAC – hs: High speed: MAC tốc độ cao MAC – e: E-DCH MAC: MAC kênh E – DCH MAC – es: thực thể MAC kênh E – DCH để sắp xếp lại thứ tự. Hình 1.11 - Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA cho số liệu người sử dụng 1.5. TỔNG QUAN LTE : Nhiệm vụ nghiên cứu của LTE và SAE có thể tóm tắt như sau: + + Về phần vô tuyến (LTE): • Cải thiện hiệu suất phổ tần, thông lượng người dùng, trễ. • Đơn giản hóa mạng vô tuyến. • Hỗ trợ hiệu quả các dịch vụ gói như: MBMS, IMS. Về phần mạng (SAE): • Cải thiện trễ, dung lượng, thông lượng. • Đơn giản mạng lõi. • Tối ưu hóa lưu lượng IP và các dịch vụ. • Đơn giản hóa việc hỗ trợ và chuyển giao đến các công nghệ không phải 3GPP. Kết quả nghiên cứu của LTE là đưa ra các chuẩn mạng truy nhập vô tuyến với tên gọi là E –UTRAN (Enhanced Universal Terrestrial Radio Access Network – mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu tăng cường), để đơn giản ta gọi chung là LTE. Dưới đây ta xem xét tổng quan kiến trúc LTE và kế hoạch nghiên cứu 3GPP. 1.5.1. Tốc độ số liệu đỉnh : LTE sẽ hỗ trợ tốc độ đỉnh tức thời tăng đáng kể. Tốc độ này được định cỡ tùy theo kích thước của phổ được ấn định. Tốc độ đỉnh tức thời của LTE cho đường xuống đạt đến 100Mbps khi băng thông được cấp phát cực đại là 20MHz (5bps/Hz), và tốc độ đỉnh đường lên là 50Mbps khi băng thông được Vũ Thị Hiền mã số 504102020 15 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao cấp phát cực đại là 20MHz (2,5bps/Hz) băng thông LTE được cấp phát linh hoạt từ 1,25MHz đến 20MHz, nghĩa là gấp 4 lần băng thông 3G UMTS. Tốc độ đỉnh có thể phụ thuộc vào số lượng anten phát và anten thu tại UE (User Equipment – thiết bị người sử dụng). Trường hợp phổ được dùng chung cho cả đường lên và xuống, LTE không hỗ trợ tốc độ số liệu đỉnh đường lên và xuống đồng thời. 1.5.2. Thông lượng số liệu : Thông thường đường xuống của LTE sẽ gấp 4 lần thông lượng đường xuống trong R6 HSDPA tính trung bình trên một MHz. Cần lưu ý rằng, thông lượng 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 LTE sử dụng cực đại hai anten tại nút B và hai anten tại UE, ngoài ra cũng cần nhấn mạnh rằng khi băng thông cấp phát tăng, thông lượng cũng tăng. Thông lượng đường lên trong LTE cũng tăng gấp hai đến ba lần thông lượng đường lên của R6 HSUPA tính trung bình trên một MHz, trong đó giả thiết rằng Re HSUPA sử dụng một anten phát tại UE và hai anten thu tại nút B; còn đường lên trong LTE sử dụng hai anten phát tại UE và hai anten thu tại nút B. 1.5.3. Hiệu suất phổ tần : LTE đảm bảo tăng đáng kể hiệu suất phổ tần và tăng tốc độ bít tại biên trong khi vẫn đảm bảo duy trì các vị trí đặt trạm hiện có của UTRAN và EDGE. Trong mạng có tải, hiệu suất phổ tần kênh đường xuống của LTE tăng gấp 3 đến 4 lần R6 HSDPA tính theo bit/s/Hz/trạm, trong đó giả thiết rằng R6 HSDPA sử dụng một anten tại nút B và một anten máy thu; còn LTE sử dụng 2 anten tại nút B và một anten tại UE. Hiệu suất phổ tần kênh đường lên trong E – UTRAN phải gấp 3 ÷ 4 lần R6 HSUPA tính theo bit/s/Hz/trạm với giả thiết HSUPA sử dụng 2 anten tại Vũ Thị Hiền mã số 504102020 16 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao nút B và một anten tại UE; còn LTE sử dụng 2 anten tại nút B và một anten tại UE. Cần lưu ý rằng, sự khác biệt về hiệu suất phổ tần trên đường xuống và lên là do môi trường khai thác khác nhau giữa đường lên và đường xuống. Thông thường đường lên rất nhạy cảm với nhiễu vì thế giá thành để đảm bảo hiệu quả tỏch súng trong đường lên cao hơn đường xuống. Bảng 1.2 – So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần giữa LTE và HSDPA Thông số Tốc độ đỉnh (Mbps) Hiệu suất phổ tần (bit/Hz/s) Thông lượng người sử dụng HSDPA (R6) LTE Đớch LTE/yờu cầu 14,4 144 100/ đã đạt 0,75 14,84 3 ÷ 4 lần HSDPA/đạt 2,5 0,006 0,014 8 2 ÷ 3 lần HSDPA/ đạt Bảng 1.3 – So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần giữa LTE và HSUPA Thông số Tốc độ đỉnh (Mbps) Hiệu suất phổ tần (bit/Hz/s) HSDPA (R6) LTE 5,7 57 0,26 0,67 Vũ Thị Hiền mã số 504102020 Đớch LTE/yờu cầu 50/ đã đạt 2 ÷ 3 lần HSDPA/ đạt 2,6 17 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao Thông lượng người sử dụng 0,006 0,015 2 ÷ 3 lần HSDPA/ đạt 2,5 LTE cần hỗ trợ sơ đồ ấn định băng thông khả định cỡ, chẳng hạn 5, 10, 20 và có thể cả 15MHz; cũng cần phải xem xét định cỡ băng thông 1,25 hay 2,5 MHz để triển khai trong vùng băng thông được cấp phát hẹp. Bảng 1.2 và 1.3 cho thấy sự so sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE và HSPA trên đường lên và xuống. 1.5.4. Hỗ trợ di động : Hiệu năng LTE cần được tối ưu hóa cho các người dùng di động tại các tốc độ thấp từ 0 ÷ 15 kmph (kmph : km/giờ). Người sử dụng tại các tốc độ cao từ 15 ÷ 120 km/h cần được đảm bảo thỏa mãn hiệu năng cao. Cũng cần hỗ trợ di động tại các tốc độ từ 120 ÷ 350 km/h (thậm chí đến 500km/h phụ thuộc vào băng tần được cấp phát). Việc đảm bảo tốc độ 350 km/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 tàu hỏa cao tốc. 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, LTE cần có khả năng duy trì kết nối tại tốc độ đến 350 kmph thậm chí cao hơn, phụ thuộc vào băng tần cấp phát. LTE cũng cần hỗ trợ các kỹ thuật cũng như các cơ chế để tối ưu hóa trễ và mất gói khi chuyển giao trong hệ thống. Các dịch vụ thời gian thực như thoại được hỗ trợ trong miền chuyển mạch kênh trước đây phải được E – UTRAN hỗ trợ trong miền chuyển mạch gói với chất lượng tối thiểu phải bằng chất lượng được hỗ trợ bởi UTRAN (chẳng hạn tốc độ bit đảm bảo) trên toàn bộ dải tốc độ. Ảnh hưởng của chuyển giao trong hệ thống lên chất lượng Vũ Thị Hiền mã số 504102020 18 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao (thời gian ngắt) phải nhỏ hơn hay bằng chất lượng được cung cấp trong miền chuyển mạch kênh của GERAN. 1.5.5.Vùng phủ : LTE hỗ trợ linh hoạt các kịch bản phủ sóng khác nhau trong khi vẫn đảm bảo các mục tiêu đã nêu ra trong các phần trên với giả thiết sử dụng lại các đài trạm UTRAN và tần số sóng mang hiện có. Thông thường hiệu suất sử dụng phổ tần và hỗ trợ nói trên phải đáp ứng cỏc ụ có bán kính 5km và với giảm nhẹ chất lượng đối với cỏc ụ có bán kính 30 km. Như đã chỉ ra, LTE phải hoạt động trong các băng thông 1,25 MHz; 2,5 MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15 MHz và 20 MHz trên cả đường lên và xuống. Cần đảm bảo chế độ làm việc đơn băng lẫn song băng. Hệ thống phải hỗ trợ truyền nội dung trên toàn thể các tài nguyên bao gồm cả các tài nguyên khả dụng đối với các nhà khai thác (được gọi là Radio band Resource) trong cùng một băng tần hoặc trong các băng khác nhau trên cả đường lên và xuống. Hệ thống phải hỗ trợ lập biểu công suất, lập biểu thích ứng… 1.5.6.MBMS tăng cường : Dịch vụ đa phương quảng bá đa phương tiện (MBMS – Multimedia Broadcast Multimedia Service) được đưa vào các dịch vụ của LTE. Các hệ thống LTE phải đảm bảo hỗ trợ tăng cường dịch vụ đa phương quảng bá phương tiện. LTE phải hỗ trợ các chế độ MBMS tăng cường so với hoạt động của UTRA. Đối với trường hợp đơn phương, LTE phải có khả năng đạt được các mục tiêu chất lượng như hệ thống UTRA khi làm việc trên cùng một đài trạm. Hỗ trợ MBMS của LTE cần đảm bảo các yêu cầu sau : • Tái sử dụng các phần tử lớp vật lý : Để giảm độ phức tap đầu cuối, sử dụng phương pháp đa truy nhập, mã hóa, điều biến về cơ bản áp dụng 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. Vũ Thị Hiền mã số 504102020 19 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao • Thoại và MBMS : giải pháp LTE cho MBMS phải cho phép tích hợp đồng thời và cung cấp hiệu quả thoại dành riêng và các dịch vụ MBMS cho người dùng. • Khai thác MBMS đơn băng : phải hỗ trợ triển khai các sóng mang LTE, mang các dịch vụ MBMS trong phổ tần đơn băng. 1.5.7.Kiến trúc và quá trình chuyển đổi : Kiến trúc của LTE phải được sự đồng ý trong TSG. Kiến trúc E – UTRAN phải được xây dựng trên cơ sở chuyển mạch gói mặc dù phải hỗ trợ các dịch vụ thời gian thực và giảm thiểu số lượng các giao diện. LTE phải đảm bảo chuyển đổi kinh tế từ kiến trúc và giao diện vô tuyến UTRAN của R6. Thiết kế mạng LTE phải được thực hiện theo một kiến trúc LTE duy nhất dựa trên gói (kiến trúc không dây toàn IP sẽ chiếm ưu thế trong mạng LTE). Kiến trúc LTE phải giảm thiểu xảy ra “một điểm nhiều sự cố” và vì thế phải cú cỏc biện pháp dự phỏng. Kiến trúc LTE phải hỗ trợ yêu cầu QoS đầu cuối đầu cuối (End – to - End). Ngoài ra, các giao thức thông tin đường trục phải được tối ưu hóa trong LTE. Các cơ chế QoS phải xét đến cho các kiểu lưu lượng khác nhau để sử dụng hiệu quả băng thông. LTE phải hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau, nhất là trong miền PS (chẳng hạn VoIP, hiện diện). E – UTRAN (hay viết gọi E – RAN) phải được thiết kế để giảm thiểu các thay đổi trễ (Jitter) cho thông tin gói TCP/IP. Kiến trúc mô hình được các 3GPP WG (nhóm công tác của 3GPP) đề xuất cho kiến trúc LTE được chỉ ra trờn hỡnh 1.12, hình 1.13 và hình 1.14. Vũ Thị Hiền mã số 504102020 20