Kiến trúc tổng quan mạng di động 4G LTE

Trong bài viết trước, mình đã trình bày về mạng di động 2G, 3G, 4G và hiện nay, 4G đang phổ biến tại Việt Nam và các nước trên thế giới. Các trạm BTS của các nhà mạng di động đã phủ sóng 4G rộng khắp Việt Nam và đang thực hiện thí điểm 5G. Sau đây, mình xin đi sâu tìm hiểu về kiến trúc mạng di động 4G LTE.

Đọc thêm:

Cấu trúc mạngdi động 2G, 3G, 4G và 5G

Sự khác biệtgiữa các loại mạng di động 2G, 3G, 4G, 5G – Lịch sử hình thành và phát triển

Tiêu chuẩn mạngdi động 4G, thế nào là 4G WIMAX, LTE

4G-LTE là thế hệ thứ tư 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 và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối.

Liên minh viễn thông – radio quốc tế (ITU-R) đã giới thiệu một vài yêu cầu kỹ thuật cho một mạng được gọi là "4G". Theo các tiêu chuẩn này, một mạng lưới được gọi là 4G khi và chỉ khi dùng một điện thoại thông minh truy cập được với tốc độ 1 Gbps (khi ngồi hoặc di chuyển chậm) hoặc 100 Mbps khi di chuyển bằng xe hơi hoặc tàu hỏa.  Tuy nhiên, tốc độ các mạng "4G" hiện tại không thể đáp ứng.

1. Kiến trúc tổng quan mạng 4G LTE

Kiến trúc của hệ thống 4G LTE gồm 4 vùng chính: thiết bị người dùng (UE), E-UTRAN, mạng lõi EPC và các vùng dịch vụ.

Kiến trúc tổng quan mạng 4G LTE

UE, E-UTRAN và EPC đại diện cho các giao thức internet (IP) ở lớp kết nối. Đây là một phần của hệ thống được gọi là hệ thống gói phát triển (EPS). Chức năng chính của lớp này là cung cấp kết nối dựa trên IP và nó được tối ưu hóa cao cho mục tiêu duy nhất. Tất cả các dịch vụ được cung cấp dựa trên IP, tất cả các nút chuyển mạch và các giao diện được nhìn thấy trong kiến trúc 3GPP trước đó không có mặt ở E-UTRAN và EPC. Công nghệ IP chiếm ưu thế trong truyền tải, nơi mà mọi thứ được thiết kế để hoạt động và truyền tải trên IP.

Các hệ thống con đa phương tiện IP ( IMS) là một ví dụ tốt về máy móc thiết bị phục vụ có thể được sử dụng trong lớp kết nối dịch vụ để cung cấp các dịch vụ dựa trên kết nối IP được cung cấp bởi các lớp thấp hơn. Ví dụ, để hỗ trợ dịch vụ thoại thì IMS có thể cung cấp thoại qua IP ( VoIP) và sự kết nối tới các mạng chuyển mạch-mạch cũ PSTN và ISDN thông qua các cổng đa phương tiện của nó điều khiển.

Sự phát triển của E-UTRAN tập chung vào một nút, nút B phát triển (eNode B). Tất cả các chức năng vô tuyến kết thúc ở đó, tức là eNB là điểm kết thúc cho tất cả các giao thức vô tuyến có liên quan. E-UTRAN chỉ đơn giản là một mạng lưới của các eNodeB được kết nối tới các eNodeB lân cận với giao diện X2.

Một trong những thay đổi kiến trúc lớn là trong khu vực mạng lõi là EPC không có chứa một vùng chuyển mạch-mạch, và không có kết nối trực tiếp tới các mạng chuyển mạch mạch truyền thống như ISDN và PSTN là cần thiết trong lớp này. Các chức năng của EPC là tương đương với vùng chuyển mạch gói của mạng 3GPP hiện tại. Tuy nhiên những thay đổi đáng kể trong việc bố trí các nút chức năng và kiến trúc phần này nên được coi như là hoàn toàn mới.

1.1 Thiết bị người dùng (UE)

UE là thiết bị mà người dùng đầu cuối sử dụng để liên lạc. Thông thường nó là những thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh hoặc một thẻ dữ liệu như mọi người vẫn đang sử dụng hiện tại trong mạng 2G và 3G. Hoặc nó có thể được nhúng vào, ví dụ một máy tính xách tay. UE cũng có chứa các mođun nhận dạng thuê bao toàn cầu( USIM). Nó là một mođun riêng biệt với phần còn lại của UE, thường được gọi là thiết bị đầu cuối (TE). USIM là một ứng dụng được đặt vào một thẻ thông minh có thể tháo rời được gọi là thẻ mạch tích hợp toàn cầu (UICC). USIM được sử dụng để nhận dạng và xác thực người sử dụng để lấy khóa bảo mật nhằm bảo vệ việc truyền tải trên giao diện vô tuyến.

Các chức năng của UE là nền tảng cho các ứng dụng truyền thông, mà có tín hiệu với mạng để thiết lập, duy trì và loại bỏ các liên kết thông tin người dùng cần. Điều này bao gồm các chức năng quản lý tính di động như chuyển giao, báo cáo vị trí của thiết bị, và các UE phải thực hiện theo hướng dẫn của mạng.

1.2 Truy cập vô tuyến mặt đất E-UTRAN

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 hệ thống trở nên cao hơn. Một kết quả quan trọng của việc sử dụng truy nhập gói cho tất cả các dịch vụ là sự tích hợp cao hơn giữa những dịch vụ đa phương tiện và giữa những dịch vụ cố định và không dây.

Mục đích chính của LTE là tối thiểu hóa số node. Vì vậy, người phát triển đã chọn một cấu trúc đơn node. Trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong mạng truy cập vô tuyến WCDMA/HSPA, và vì vậy được gọi là eNodeB (Enhance Node B). Những eNodeB có tất cả những chức năng cần thiết cho mạng truy nhập vô tuyến LTE, kể cả những chức năng liên quan đến quản lý tài nguyên vô tuyến.

Mạng truy cập mặt đất E-UTRAN

Giao diện vô tuyến sử dụng trong E-UTRAN là S1 và X2. Trong đó S1 là giao diện vô tuyến kết nối giữa eNodeB và mạng lõi, X2 là giao diện giữa các eNodeB với nhau.

E-UTRAN chịu trách nhiệm về các chức năng liên quan đến vô tuyến, gồm có:

·        Quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến.

·        Nén header.

·        Bảo mật.

·        Kết nối đến mạng lõi EPC.

1.3 Mạng lõi EPC

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).

Mạng lõi 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): là thực thể quản lý di động, điều khiển các Node xử lý tín hiệu giữa UE và mạng lõi. Giao thức giữa UE và mạng lõi là Non-Access Stratum (NAS). MME là phần tử điều khiển chính trong EPC. Thông thường MME là một server đặt tại một vị trí an toàn ngay tại nhà khai thác. Nó chỉ hoạt động trong mặt phẳng điều khiển (CP) và không tham gia vào đường truyền số liệu (UP). Các chức năng chính của MME:

·        Các chức năng liên quan đến quản lý thông báo: chức năng này bao gồm thiết lập, duy trì và gửi đi các thông báo, được điều khiển bởi lớp quản lý phiên trong giao thức NAS.

·        Các chức năng liên quan đến quản lý kết nối: bao gồm việc kết nối và bảo mật giữa mạng và UE, được điều khiển bởi lớp quản lý tính di động hoặc kết nối trong giao thức NAS.

+ S-Gateway (Serving Gateway): là vị trí kết nối của giao tiếp dữ liệu gói với E-UTRAN, tất cả các gói IP người dùng được chuyển đi thông qua S-GW. Nó còn hoạt động như một node định tuyến đến những kỹ thuật 3 GPP khác. Trong cấu hình kiến trúc cơ sở, chức năng mức cao của SGW là quản lý tunnel UP (user plan) và chuyển mạch. S-GW là bộ phận của hạ tầng mạng dược quản lý tập trung tại nơi khai thác.

+ P-Gateway (Packet Data Network Gateway): là điểm đầu cuối cho những phiên hướng về mạng dữ liệu gói bên ngoài. Nó cũng là Router đến mạng Internet. Thông thường P-GW ấn định địa chỉ IP cho UE và UE sử dụng nó để thông tin với các máy IP trong các mang ngoài (internet). Cũng có thể mạng ngoài nơi mà UE nối đến sẽ ấn định địa chỉ IP cho UE sử dụng và P-GW truyền tunnel tất cả lưu lượng đến mạng này. P-GW cũng thực hiện các chức năng lọc và mở cổng theo yêu cầu được thiết lập cho UE và dịch vụ tương ứng. Ngoài ra nó thu thập và báo cáo thông tin tính cước liên quan. Tương tự như S-GW, các P-GW có thể được khai thác ngay tại vị trí trung tâm của nhà khai thác.

+ PCRF (Policyand Charging Rules Function): điều khiển việc tạo ra bảng giá và cấu hình hệ thống con đa phương tiện IP IMS (the IP Multimedia Subsystem) cho mỗi người dùng.

+ HSS (Home Subscriber Server): là nơi lưu trữ dữ liệu của thuê bao cho tất cả dữ liệu của người dùng. Nó là cơ sở dữ liệu chủ trung tâm trong trung tâm của nhà khai thác.

Đường giao tiếp S1 được dùng cho cả dữ liệu người dùng (nối với S-GW) và dữ liệu báo hiệu (nối với MME) nên kiến trúc giao thức S1 được chia thành 2 bộ giao thức:

·        S1-C (điều khiển): dùng để trao đổi các thông điệp điều khiển giữa một UE và MME.

·        S1-U (người dùng): dùng để truyền dữ liệu của UE đến S-GW.

Nút Gateway giữa mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi phân ra thành hai thực thể luận lí: S-GW và MME. Kết hợp với nhau chúng thực hiện công việc tương tự SGSN trong mạng mạng UMTS. Đường giao tiếp S11 sẽ được dùng để liên lạc giữa hai thực thể đó.

Một đường giao tiếp quan trong nữa trong mạng lõi LTE là đường giao tiếp S6 nối giữa các MME và cơ sở dữ liệu thông tin thuê bao. Trong UMTS/GSM, cơ sở dữ liệu này gọi là HLR (Home Location Register). Trong LTE, HLR được cải tiến và đổi tên thành HSS.

1.4 Miền dịch vụ

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 tư triển khai nó. Kiến trúc IMS được cho là khá phức tạp với nhiều thực thể và vô số các chức năng khác nhau.

2. Các kênh sử dụng trong E-UTRAN

Các kênh truyền tải trong mạng 4G LTE

+ Kênh vật lý: các kênh vật lý sử dụng cho dữ liệu người dùng bao gồm:

·        Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) : Kênh chia sẻ vật lý đường xuống.

·        Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) : PUSCH được dùng để mang dữ liệu người dùng. Các tài nguyên cho PUSCH được chỉ định trên một subframe cơ bản bởi việc lập biểu đường lên. Các sóng mang được chỉ định là 12 khối tài nguyên (RB) và có thể nhảy từ subframe này đến subframe khác. PUSCH có thể dùng các kiểu điều chế QPSK, 16 QAM, 64QAM.

·        Physical Uplink Control Channel (PUCCH): Có chức năng lập biểu, ACK/NAK, dùng cho đường lên.

·        Physical Downlink Control Channel (PDCCH): Lập biểu, ACK/NAK, dùng cho đường xuống.

·        Physical Broadcast Channel (PBCH): Mang các thông tin đặc trưng của cell.

·        Physical Random Access Channel (PRACH): Kênh truy cập ngẫu nhiên.

+ Kênh logic: được định nghĩa bởi thông tin nó mang bao gồm:

·        Broadcast Control Channel (BCCH) : Kênh điều khiển quảng bá. 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.

·        Paging Control Channel (PCCH) : Kênh điều khiển tìm gọi, 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).

·        Dedicated Control Channel (DCCH) : Kênh điều khiển riêng, được sử dụng để truyền thông tin điều khiển tới/từ một đầu cuối di động. Kênh này được sử dụng cho cấu hình riêng của các đầu cuối di động chẳng hạn các bản tin chuyển giao khác nhau.

·        Multicast Control Channel (MCCH) : Kênh điều khiển đa phương, được sử dụng để truyền thông tin cần thiết để thu kênh MTCH.

·        Dedicated Traffic Channel (DTCH) : Kênh lưu lượng riêng, được sử dụng để truyền số liệu của người sử dụng đến từ một đầu cuối di động. Đây là kiểu logic được sử dụng để truyền tất cả số liệu đường lên của người dùng và số liệu đường xuống của người dùng không phải MBMS.

·        Multicast Traffic Channel (MTCH) : Kênh lưu lượng đa phương, được sử dụng để phát các dịch vụ đa phương tiện.

+ Kênh truyền tải: bao gồm các kênh sau:

·        Broadcast Channel (BCH) : Kênh quảng bá, có khuôn dạng truyền tải cố định do chuẩn cung cấp. Nó được sử dụng để phát thông tin trên kênh logic.

·        Paging Channel (PCH) : Kênh tìm gọi, 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.

·        Downlink Shared Channel (DL-SCH) : Kênh chia sẻ đường xuống, 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.

·        Multicast Channel (MCH) : Kênh đa phương, được sử dụng để hỗ trợ MBMS. Nó được đặc trưng bởi khuôn dạng truyền tải bán tĩnh và lập biểu bán tĩnh.

·        Uplink Shared Channel (UL-SCH) : Kênh truyền tải này là kênh chính để truyền tair dữ liệu đường lên. Nó được sử dụng bởi nhiều kênh logic.

·        Random Access Channel (RACH) : Kênh này được sử dụng cho các yêu cầu truy cập ngẫu nhiên.

3. Các chế độ truy cập 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 đường lên và đường xuống vì đường lên và đường xuống không bao giờ sử dụng đồng thời. Kỹ thuật này được 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.

Trong FDD-LTE, việc thu và phát tín hiệu sẽ được thực hiện đồng thời nhưng riêng rẽ trên hai kênh tần số khác nhau. Trong khi đó, với TDD-LTE, đường uplink và downlink lại cùng sử dụng chung một kênh tần số nhưng ở các thời điểm khác nhau. Việc chuyển từ chế độ downlink sang uplink và ngược lại sẽ được thực hiện khi một phân khung đặc biệt được truyền đi (thường là phân khung 1 và thỉnh thoảng là phân khung 6).

Với FDD, mỗi đường uplink kết hợp với một đường downlink nhất định tạo thành một cặp (fdl, ful), và giữa hai tần số này phải có một khoảng cách nhất định để không gây nhiễu lên nhau. Vì vậy, băng tần yêu cầu để triển khai kỹ thuật này phải đủ lớn để có thể phân chia thành hai khoảng uplink và downlink tương ứng mà khoảng cách giữa hai tần số Fdl, Ful đảm bảo.

Trong khi đó, băng tần dành cho TDD không yêu cầu những đặc điểm trên. Nhà mạng hoàn toàn có thể triển khai TDD-LTE với một phần băng tần hạn chế bởi toàn bộ băng thông sẽ được dùng cả cho đường uplink và downlink. Với đặc tính này, TDD- LTE hỗ trợ đáng kể cho việc phổ cập LTE bởi không phải quốc gia nào, nhà mạng nào cũng có lượng phổ tần đủ lớn để triển khai FDD-LTE.

Bảng dưới là một số băng tần dành cho FDD và TDD theo 3GPP:

Băng tần hoạt động của FDD và TDD

Với việc sử dụng hai đường downlink và uplink trên hai kênh tần số riêng rẽ, các kênh truyền này trong FDD-LTE lúc nào cũng khả dụng. Trong khi đó, tại cùng một thời điểm thì trong TDD-LTE chỉ có một đường truyền khả dụng là uplink hoặc downlink.

Trong FDD-LTE, băng tần của đường lên và đường xuống hoàn toàn độc lập, không thể chia sẻ với nhau. Trong trường hợp một kênh có ít nhu cầu sử dụng (thông thường là đường uplink), thì tài nguyên của đường này hoàn toàn bị lãng phí. Trong khi đó, TDD-LTE hoàn toàn có thể ấn định tài nguyên cho đường lên và đường xuống một cách linh hoạt theo nhu cầu sử dụng. Tuy nhiên, dù có điều chỉnh ưu tiên tối đa cho một chiều nào đó thì tốc độ truyền dữ liệu của cả hai chiều đều không thể so với FDD-LTE bởi ngoài lý do dùng chung một kênh tần số để truyền các phân khung mang thông tin thì trong TDD-LTE còn có các phân khung dành để báo hiệu chuyển đổi giữa đường uplink và downlink.

Trong TDD-LTE, việc sử dụng chung một kênh tần số của cả bộ thu và bộ phát khiến hệ thống có thể sử dụng lại các thiết bị như: các bộ lọc, bộ trộn… nhờ đó giảm bớt được tính phức tạp cũng như chi phí cần thiết để cách ly tín hiệu thu và tín hiệu phát.

Về cơ bản, hai phiên bản công nghệ LTE này chỉ khác biệt về lớp vật lý. Điều đó có nghĩa là bộ xử lý trong thiết bị người dùng có thể hỗ trở cả hai phiên bản công nghệ này chỉ với một sự điều chỉnh nhỏ.

Giá trị nhỏ nhất của tài nguyên (cả FDD và TDD) có thể được phân bố ở đường lên và đường xuống được gọi là một khối tài nguyên (RB). Một RB có độ rộng là 180kHz và kéo dài trong một khe thời gian là 0,5ms. Với LTE tiêu chuẩn thì một RB bao gồm 12 sóng mang con với khoảng cách giữa các sóng mang con là 15kHz, và cho eMBMS với tùy chọn khoảng cách giữa các sóng mang con là 7,5 kHz và một RB gồm 24 sóng mang con cho 0,5ms.

4. Các kĩ thuật sử dụng trong 4G LTE

LTE sử dụng kỹ thuật OFDMA cho truy cập đường xuống và SC-FDMA cho truy cập đường lên. Kết hợp đồng thời với MIMO, các kỹ thuật về lập biểu, thích ứng đường truyền và yêu cầu tự động phát lại lai ghép.

4.1. Kỹ thuật đa truy nhập đường xuống OFDMA

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.

Kỹ thuật OFDMA

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 lớn nhất của kênh truyền.

+ Thực hiện việc chuyển đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên do đó sự phân tán theo thời gian gây bởi trải trễ do truyền dẫn đa đường giảm xuống.

+ Tối ưu hiệu quả phổ tần do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con.

+ OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng (hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao), ảnh hưởng của sự phân tập về tần số (frequency selectivity) đối với chất lượng hệ thống được giảm thiểu nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.

+ Cấu trúc máy thu đơn giản.

+ Thích ứng đường truyền và lập biểu trong miền tần số.

+ Tương thích với các bộ thu và các anten tiên tiến.

4.2. Kỹ thuật đa truy cập đường lên SC-FDMA

Việc truyền OFDMA phải chịu một tỷ lệ công suất đỉnh-đến-trung bình (PAPR) 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 thu được. Bộ khuếch đại công suất là một trong những thành phần tiêu thụ năng lượng lớn nhất trong một thiết bị, vì thế nên hiệu quả công suất càng cao càng tốt để làm tăng tuổi thọ pin của máy. 3GPP đã tìm một phương án truyền dẫn khác cho hướng lên LTE. SC-FDMA được chọn bởi vì nó kết hợp các kỹ thuật với PAPR thấp của các hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang, như GSM và CDMA, với khả năng chống được đa đường và cấp phát tần số linh hoạt của OFDMA.

So sánh kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA

Hình trên cho thấy sự khác nhau trong quá trình truyền các ký hiệu số liệu theo thời gian. Trên hình này ta coi mỗi người sử dụng được phân thành 4 sóng mang con (P = 4) với băng thông con bằng 15KHz, trong đó mỗi ký hiệu OFDMA hoặc SC-FDMA truyền 4 ký hiệu số liệu được điều chế QPSK cho mỗi người sử dụng. Đối với OFDMA 4 ký hiệu số liệu này được truyền đồng thời với băng tần con cho mỗi ký hiệu là 15KHz trong mỗi khoảng thời gian hiệu dụng TFFT của một ký hiệu OFDMA, trong khi đó đối với SC-FDMA, 4 ký hiệu số liệu này được truyền lần lượt trong khoảng thời gian bằng 1/P (P = 4) thời gian hiệu dụng ký hiệu SC-FDMA với băng tần con bằng P x 15KHz (4 x 15 KHz) cho mỗi ký hiệu.

Trong OFDM, biến đổi Fourier nhanh FFT dùng ở bên thu cho mỗi khối ký tự, và đảo FFT ở bên phát. Còn ở SC-FDMA sử dụng cả hai thuật toán này ở cả bên phát và bên thu.

4.3. Kỹ thuật MIMO

Trung tâm của LTE là ý tưởng của kỹ thuật đa ăng ten, được sử dụng để tăng vùng phủ sóng và khả năng của lớp vật lý. Thêm vào nhiều ăng ten hơn với một hệ thống vô tuyến cho phép khả năng cải thiện hiệu suất bởi vì các tín hiệu phát ra sẽ có các đường dẫn vật lý khác nhau. Có ba loại chính của kỹ thuật đa ăng ten. Đầu tiên nó giúp sử dụng trực tiếp sự phân tập đường dẫn trong đó một sự bức xạ đường dẫn có thể bị mất mát do fading và một cái khác có thể không. Thứ hai là việc sử dụng kỹ thuật hướng búp sóng (beamforming) bằng cách điều khiển mối tương quan pha của các tín hiệu điện phát ra vào các anten với năng lượng truyền lái theo tự nhiên. Loại thứ ba sử dụng sự phân tách không gian ( sự khác biệt đường dẫn bằng cách tách biệt các anten ) thông qua việc sử dụng ghép kênh theo không gian và sự tạo chùm tia, còn được gọi là kỹ thuật đa đầu vào, đa đầu ra (MIMO).

Kỹ thuật MIMO

+ Đơn đầu vào đơn đầu ra (SISO)

Chế độ truy nhập kênh vô tuyến đơn giản nhất là đơn đầu vào đơn đầu ra (SISO), trong đó chỉ có một anten phát và một anten thu được sử dụng. Đây là hình thức truyền thông mặc định kể từ khi truyền vô tuyến bắt đầu và nó là cơ sở để dựa vào đó tất cả các ký thuật đa anten được so sánh.

+ Đơn đầu vào đa đầu ra (SIMO)

Chế độ thứ hai là đơn đầu vào đa đầu ra (SIMO), trong đó sử dụng một máy phát và hai hoặc nhiều hơn máy thu. SIMO thường được gọi là phân tập thu. Chế độ truy nhập kênh vô tuyến này đặc biệt thích hợp cho các điều kiện tín hiệu-nhiễu (SNR) thấp. Trong đó có một độ lợi lý thuyết có thể đạt được là 3dB khi hai máy thu được sử dụng, không có thay đổi về tốc độ dữ liệu khi chỉ có một dòng dữ liệu được truyền, nhưng vùng phủ sóng ở biên ô được cải thiện do sự giảm của SNR sử dụng được.

+ Đa đầu vào đơn đầu ra (MISO)

Chế độ đa đầu vào đơn đầu ra (MISO) sử dụng số máy phát là hai hoặc nhiều hơn và một máy thu. MISO thường được gọi là phân tập phát. Cùng một dữ liệu được gửi trên cả hai anten phát nhưng với chế độ mã hóa như vậy mà máy thu chỉ có thể nhận biết từng máy phát. Phân tập phát làm tăng mạnh của tín hiệu bị phading và có thể làm tăng hiệu suất trong những điều kiện SNR phấp. MISO không làm tăng tốc độ dữ liệu, nhưng nó hỗ trợ các tốc độ dữ liệu tương tự nhau bằng cách sử dụng ít năng lượng hơn. Phân tập phát có thể được tăng cường với phản hồi vòng đóng từ máy thu để chỉ ra sự truyền cân bằng tối ưu của pha và công suất được sử dụng cho mỗi anten phát.

+ Đa đầu vào đa đầu ra (MIMO)

Phương thức truyền cuối cùng là sử dụng hai hoặc nhiều máy phát và hai hoặc nhiều máy thu. MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu đầy tham vọng về thông lượng và hiệu quả sử dụng phổ. MIMO cho phép sử dụng nhiều anten ở máy phát và máy thu. Với hướng tải xuống, MIMO 2x2 (2 anten ở thiết bị phát, 2 anten ở thiết bị thu) được xem là cấu hình cơ bản, và MIMO 4x4 cũng được đề cập và đưa vào bảng đặc tả kỹ thuật chi tiết. Hiệu năng đạt được tùy thuộc vào việc sử dụng MIMO. Trong đó, kỹ thuật ghép kênh không gian (spatial multiplexing) và phát phân tập (transmit diversity) là các đặc tính nổi bật của MIMO trong công nghệ LTE.

Giới hạn chính của kênh truyền thông tin là can nhiễu đa đường giới hạn về dung lượng theo quy luật Shannon. MIMO lợi dụng tín hiệu đa đường giữa máy phát và máy thu để cải thiện dung lượng có sẵn cho bởi kênh truyền. Bằng cách sử dụng nhiều anten ở bên phát và thu với việc xử lý tín hiệu số, kỹ thuật MIMO có thể tạo ra các dòng dữ liệu trên cùng mộ t kênh truyền, từ đó làm tăng dung lượng kênh truyền.