Giáo trình Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G. Tập 3

(T

ập 3)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

TS. NGUYỄN PHẠM ANH DŨNG

GIÁO TRÌNH

LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN

THÔNG TIN DI ĐỘNG

3G LÊN 4G (Tập 3)

NHÀ XUẤT BẢN THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

GD 01 HM 10

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin di động là ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh

nhất với con số thuê bao đã đạt đến 3,8 tỷ tính đến cuối năm 2008. Khởi

nguồn từ dịch vụ thoại đắt tiền phục vụ một số ít người di chuyển, đến

nay với sự ứng dụng ngày càng rộng rãi các thiết bị thông tin di động thế

hệ ba, thông tin di động có thể cung cấp nhiều loại hình dịch vụ đòi hỏi

tốc độ số liệu cao kể cả các chức năng camera, MP3 và PDA. Với các

dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao ngày càng trở nên phổ biến thì nhu cầu về 3G

cũng như phát triển nó lên 4G đang càng trở nên cấp thiết. Để phục vụ

nhu cầu học tập của sinh viên, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn

thông phối hợp với Nhà xuất bản Thông tin và Truyền thông xuất bản

“Giáo trình Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G” do

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng biên soạn.

3G là thuật ngữ dùng để chỉ các hệ thống thông tin di động thế hệ

thứ 3 (Third Generation). Mạng 3G (Third-generation technology) là thế

hệ thứ ba của chuẩn công nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả dữ

liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh,

hình ảnh...). 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển

mạch kênh. Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập vô tuyến hoàn toàn

khác so với hệ thống 2G hiện nay. Điểm mạnh của công nghệ này so với

công nghệ 2G và 2.5G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh,

hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao đang di

chuyển ở các tốc độ khác nhau. Với công nghệ 3G, các nhà cung cấp có

thể mang đến cho khách hàng các dịch vụ đa phương tiện, như âm nhạc

chất lượng cao; hình ảnh video chất lượng và truyền hình số; Các dịch vụ

định vị toàn cầu (GPS); E-mail; video streaming; High-ends games;...

Do khuôn khổ có hạn, giáo trình sẽ chỉ tập trung trình bày hai công

nghệ: đó là HSPA (sự phát triển tăng cường của WCDMA) và 3GPP

LTE. Có thể coi công nghệ HSPA và sự phát triển tiếp theo của nó là hậu

3G còn công nghệ LTE là tiền 4G. Đây là các công nghệ dự kiến sẽ rất

phát triển trong những thập niên tới. Giáo trình được xây dựng trên cơ sở

sinh viên đã học môn "Đa truy nhập vô tuyến và lý thuyết trải phổ".

Vì đây là giáo trình cho môn chuyên đề đòi hỏi sinh viên phải tự đọc

nên giáo trình được biên soạn chi tiết với kết cấu hợp lý để sinh viên có

thể tự học. Mỗi chương đều có phần giới thiệu chung, có phần tổng kết

và các câu hỏi.

Giáo trình bao gồm 16 chương. Chương đầu giới thiệu tổng quan về

các hệ thống phát triển của 3G và lộ trình phát triển lên 4G. Chương 2 đề

cập đến các vấn đề liên quan đến truyền dẫn vô tuyến băng rộng. Chương

3 nghiên cứu các công nghệ đa truy nhập OFDMA và SC-FDMA ứng

dụng cho LTE. Chương 4 trình bày một trong các kỹ thuật quan trọng

của 3G phát triển và 4G là đa anten. Chương 5 trình bày một số kỹ thuật

then chốt của 3G phát triển và 4G là: thích ứng đường truyền, lập biểu

phụ thuộc kênh và HARQ (phát lại lai ghép). Chương 6 và chương 7

trình bày nguyên lý của HSDPA và HSUPA. Chương 8 đề cập đến các

vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến của HSPA. Chương 9 trình bày dịch

vụ VoIP trong HSPA. Chương 10 trình bày một số dịch vụ tiên tiến của

HSPA là MBMS - dịch vụ quảng bá, đa phương đa phương tiện và

CPC - kết nối gói liên tục. Chương 11 trình bày các mục tiêu LTE.

Chương 12 trình bày các vấn đề chung của truy nhập vô tuyến LTE và

kiến trúc giao diện vô tuyến LTE. Chương 13 và 14 trình bày lớp vật lý

và các thủ tục truy nhập LTE. Chương 15 trình bày phát triển kiến trúc hệ

thống LTE/SAE. Chương 16, trình bày mô phỏng đánh giá hiệu năng

HSPA, LTE và tính toán quỹ đường truyền.

Ngoài ra phần Phụ lục của giáo trình, trình bày các yêu cầu đối với

phần vô tuyến của máy đầu cuối HSPA và có thêm phần Thuật ngữ viết

tắt, Tài liệu tham khảo để bạn đọc tiện tra cứu.

Giáo trình có thể là tài liệu tham khảo cho sinh viên các trường đại

học, các chuyên gia, các cán bộ quản lý và kỹ thuật trong lĩnh vực thông

tin di động. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song quá trình biên soạn sẽ khó

tránh khỏi thiếu sót, Học viện rất mong nhận được ý kiến góp ý của các

bạn đồng nghiệp và bạn đọc gần xa.

Xin trân trọng cảm ơn!

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

i

MỤC LỤC

Lời nói đầu..............................................................................................5

Chương 11. Các mục tiêu thiết kế LTE và SAE ............................. 419

11.1. Các mục tiêu thiết kế LTE...................................................420

11.2. Các mục tiêu thiết kế SAE ..................................................430

11.3. Tổng kết...............................................................................434

11.4. Câu hỏi ................................................................................435

Chương 12. Truy nhập vô tuyến

và kiến trúc giao diện vô tuyến LTE...............................437

12.1.Tổng quan truy nhập vô tuyến LTE .....................................438

12.2. Kiến trúc giao thức LTE......................................................449

12.3. Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC) ....................................451

12.4. Điều khiển truy nhập môi trường (MAC) ..........................453

12.5. Lớp vật lý (PHY).................................................................465

12.6. Các trạng thái LTE ..............................................................468

12.7. Luồng số liệu.......................................................................470

12.8. Tổng kết...............................................................................471

12.9. Câu hỏi ................................................................................472

Chương 13. Lớp vật lý LTE................................................................473

13.1. Cấu trúc tổng thể miền thời gian.........................................473

13.2. Sơ đồ truyền dẫn đường xuống ...........................................476

13.3. Sơ đồ truyền dẫn đường lên ................................................502

13.4. Tổng kết...............................................................................521

13.5. Câu hỏi ................................................................................522

ii

Chương 14. Các thủ tục truy nhập LTE............................................523

14.1. Tìm ô ...................................................................................523

14.2. Truy nhập ngẫu nhiên..........................................................529

14.3. Tìm gọi ................................................................................539

14.4. Tổng kết...............................................................................540

14.5. Câu hỏi ................................................................................541

Chương 15. Phát triển kiến trúc hệ thống, SAE.............................. 543

15.1. Phân chia chức năng giữa mạng truy nhập vô tuyến

và mạng lõi..........................................................................544

15.2. Mạng truy nhập vô tuyến HSPA/WCDMA và LTE ..........548

15.3. Kiến trúc mạng lõi...............................................................558

15.4. Tổng kết...............................................................................568

15.5. Câu hỏi ................................................................................568

Chương 16. Hiệu năng và quỹ đường truyền của HSPA và LTE .. 571

16.1. Đánh giá hiệu năng..............................................................571

16.2. Đánh giá hiệu năng của phát triển 3G và LTE dựa trên

mô phỏng tĩnh .....................................................................573

16.3. Đánh giá LTE trong 3GPP dựa trên mô phỏng động..........588

16.4. Quỹ đường truyền HSPA ....................................................593

16.5. Quỹ đường truyền LTE .......................................................598

16.6. Tổng kết...............................................................................602

16.7. Câu hỏi ................................................................................602

Phụ lục ...............................................................................................605

Thuật ngữ viết tắt...............................................................................623

Tài liệu tham khảo .............................................................................633

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

2G Second Generation Thế hệ thứ hai

3G Third Generation Thế hệ thứ ba

3GPP 3rd Generation Partnership Project Đề án các đối tác thế hệ thứ ba

3GPP2 3rd Generation Partnership Project 2 Đề án đối tác thế hệ thứ ba - 2

AAS Adaptive Antenna System Hệ thống anten thích ứng

ACLR Adjacent Channel Leakage Ratio Tỷ số rò kênh lân cận

ACK Acknowledgement Công nhận

AGW Access Gateway Cổng truy nhập

AM Acknowledged Mode Chế độ công nhận

AMC Adaptive Modulation and Coding Mã hóa và điều chế thích ứng

AMR Adaptive MultiRate Đa tốc độ thích ứng

ARQ Automatic Repeat-reQuest Yêu cầu phát lại tự động

AWGN Additive Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá

BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá

BES Best Effort Service Dịch vụ nỗ lực nhất

BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit

BLER Block Error Rate Tỷ số lỗi khối

BM-SC Broadcast/Multicast Service Center Trung tâm dịch vụ quảng bá/đa

phương

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa chuyển pha hai trạng thái

BS Base Station Trạm gốc

BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc

CAZAC Constant Amplitude Zero Auto￾Correlation

Tự tương quan bằng không biên

độ không đổi

CC Convolutional Code Mã xoắn

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CN Core Network Mạng lõi

CP Cyclic Prefix Tiền tố chu trình

CPC Continuous Packet Connectivity Kết nối gói liên tục

CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung

CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh

CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra vòng dư

CS Circuit Switch Chuyển mạch kênh

CTC Convolutional Turbo Code Mã hóa Turbo xoắn

DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng

DCH Dedicated Channel Kênh riêng

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DFTS￾OFDM

DFT-Sread OFDM

OFDM trải phổ

DL Downlink Đường xuống

DPCCH Dedicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý riêng

DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng

DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh số liệu vật lý riêng

DRX Discontinuous Reception Thu không liên tục

DSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống

DTX Discontinuous Transmission Phát không liên tục

DUSP Switching point from downlink to uplink Điểm chuyển mạch từ đường

xuống sang đường lên

E-AGCH Enhanced Absolute Grant Channel Kênh cho phép tuyệt đối

tăng cường

E-DCH Enhanced Dedicated Channel Kênh riêng tăng cường

E-DPCCH Enhanced Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng tăng cường

E-DPDCH Enhanced Dedicated Data Channel Kênh số liệu riêng tăng cường

eNodeB E-UTRAN Node B Nút B của E-UTRAN

EPC Evolved Packet Core Lõi gói phát triển

E-RGCH Enhanced Relative Grant Channel Kênh cho phép tương đối

tăng cường

E-UTRA Evolved UTRA Truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS

phát triển

ErtPS Extended Real Time Packet Service Dịch vụ gói thời gian thực mở

rộng

E-TFC E-DCH Transport Format Combination Kết hợp khuôn dạng truyền tải

E-DCH

E-TFCI E-DCH Transport Format Combination

Index

Chỉ số kết hợp khuôn dạng truyền

tải E-DCH

E￾UTRAN/E￾RAN

Evolved UTRA/Evolved-RAN Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất

UMTS phát triển

FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đường xuống

FBSS Fast Base Station Switching Chuyển mạch trạm gốc nhanh

FCC Federal Communication Commision Ủy ban thông tin liên bang

FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo

thời gian

FDM Frequency Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo

tần số

FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

tần số

F-DPCH Fractional DPCH DPCH một phần (phân đoạn)

FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

GERAN GSM EDGE Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến GSM

EDGE

GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung

GPS Global Positionning System Hệ thống định vị toàn cầu

G-RAKE Generalized-RAKE RAKE tổng quát

GSM Global System For Mobile

Communications

Hệ thống thông tin di động

toàn cầu

HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yêu cầu phát lại tự động lai ghép

HCR High Chip Rate Tốc độ chip cao

HHO Hard Handover Chuyển giao cứng

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

HSDPA High Speed Downlink Packet Access Truy nhập gói đường xuống

tốc độ cao

HS-DPCCH High-Speed Dedicated Physical Control

Channel

Kênh điều khiển vật lý riêng

tốc độ cao

HS-DSCH High-Speed Dedicated Shared Channel Kênh chia sẻ riêng tốc độ cao

HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

HS-PDSCH High-Speed Physical Dedicated Shared

Channel

Kênh chia sẻ riêng vật lý

tốc độ cao

HSS Home Subscriber Server Server thuê bao nhà

HS-SCCH High-Speed Shared Control Channel Kênh điều khiển chia sẻ

tốc độ cao

HSUPA High-Speed Uplink Packet Access Truy nhập gói đường lên

tốc độ cao

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngược

IFDMA Interleaved FDMA FDMA đan xen

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược

IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện IP

IMT-2000 International Mobile

Telecommunications 2000

Thông tin di động quốc tế 2000

IP Internet Protocol Giao thức Internet

IPv4 IP version 4 Phiên bản IP 4

IPv6 IP version 6 Phiên bản IP 6

IR Incremental Redundancy Phần dư tăng

IRC Interferrence Rejection Combining Kết hợp loại nhiễu

ISDN Integrated Services Digital Network Mạng số đa dịch vụ tích hợp

ITU International Telecommunications Union Liên minh Viễn thông quốc tế

ITU-R International Telecommunications

Union- Radio Sector

Liên minh Viễn thông quốc tế bộ

phận vô tuyến

Iu Giao diện được sử dụng để thông

tin giữa RNC và mạng lõi

Iub Giao diện được sử dụng để thông

tin giữa nút B và RNC

Iur Giao diện được sử dụng để thông

tin giữa các RNC

LCR Low Chip Rate Tốc độ chip thấp

LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường

MBMS Multimedia Broadcast Multicast Service Dịch vụ quảng bá đa phương đa

phương tiện

MBS Multicast Broadcast Service Dịch vụ đa phương quảng bá

MBSFN Multicast Broadcast Single Frequency

Network

Mạng đa phương quảng bá đơn

tần số

MCCH MBMS Control Channel Kênh điều khiển MBMS

MCE MBMS Coordination Entity Thực thể điều phối MBMS

MCH Multicast Control Channel Kênh điều khiển đa phương

MC-CDMA Multi Carrier- Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

đa sóng mang

MC-WCDMA Multi Carrier- Wide band Code Division

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

băng rộng đa sóng mang

MDHO Macro Diversity Handover Chuyển giao phân tập vĩ mô

MICH MBMS Indicator Channel Kênh chỉ thị MBMS

MIMO Multi-Input Multi-Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

ML Maximum Likelihood Khả giống cực đại

MLD Maximum Likelihood Detection Tách sóng khả giống cực đại

MMS Multimedia Messaging Service Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện

MMSE Minimum Mean Square Error Sai số bình phương trung bình

cực tiểu

MRC Maximum Ratio Combining Kết hợp tỷ lệ cực đại

MSC Mobile Services Switching Center Trung tâm chuyển mạch các dịch

vụ di động

MSCH MBMS Scheduling Channel Kênh lập biểu MBMS

MTCH MBMS Traffic Channel Kênh lưu lượng MBMS

NACK Non-Acknowledgement Không công nhận

NodeB Nút B

nrTPS Non-Real-Time Polling Service Dịch vụ thăm dò phi thời gian thực

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số

trực giao

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần

số trực giao

OOK On-Off Keying Khóa tắt bật

OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor Hệ số trải phổ khả biến trực giao

PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công

suất trung bình

PAR Peak to Average Ratio Tỷ số đỉnh trên trung bình (giống

như PAPR)

PARC Per-Antenna Rate Control Điểu khiển tốc độ cho một anten

PCI Precoding Control Indication Chỉ thị điều khiển tiền mã hóa

PDCCH Physical Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng vật lý

PDCP Packet-Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ số liệu gói

PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống vật lý

PDU Packet Data Unit Khối số liệu gói

PF Proportional Fair Công bằng tỷ lệ (một kiểu lập biểu

PHY Physical Layer Lớp vật lý

PRB Physical Resource Block Khối tài nguyên vật lý

PS Packet Switch Chuyển mạch gói

PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch

công cộng

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadtrature Phase Shift Keying Khóa chuyển pha vuông góc

RAB Radio Access Bearer Kênh mang truy nhập vô tuyến

RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

RAT Radio Access Technology Công nghệ truy nhập vô tuyến

RB Resource Block Khối tài nguyên

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô tuyến

RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến

RNTI Radio Network Temporary Identity Nhận dạng tạm thời mạng vô

tuyến

ROHC Robust Header Compression Nén tiêu đề bền chắc

RR Round Robin Quay vòng

RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyến

RRM Radio Resource Management Quản lý tài nguyên vô tuyến

RS Reference Symbol Ký hiệu tham khảo

RSN Retransmission Sequence Number Số trình tự phát lại

RTP Real Time Protocol Giao thức thời gian thực

rtPS Real Time Polling Service Dịch vụ thăm dò thời gian thực

RU Resource Unit Đơn vị tài nguyên

RV Redundancy Version Phiên bản dư

SA System Aspects Các khía cạnh hệ thống

SAE System Architecture Evolution Phát triển kiến trúc mạng

SC-FDMA Single Carrier – Frequency Division

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo

tần số đơn sóng mang

SCH Synchronization channel Kênh đồng bộ

SDMA Spatial Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

không gian

SDU Service Data Unit Đơn vị số liệu dịch vụ

SF Spreading Factor Hệ số trải phổ

SFBC Space Frequency Block Code Mã khối không gian tần số

SFN Single Frequency Network Mạng tần số đơn

SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS phục vụ

SIC Successive Interference Combining Kết hợp loại bỏ nhiễu lần lượt

SIM Subscriber Identity Module Môđun nhận dạng thuê bao

SINR Signal to Interferdence plus Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng

tạp âm

SMS Short Message Service Dịch vụ nhắn tin

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SOHO Soft Handover Chuyển giao mềm

SRNS Serving Radio Network Subsystem Phân hệ mạng vô tuyến phục vụ

STBC Space Time Block Code Mã khối không gian thời gian

STC Space Time Code Mã không gian thời gian