3GPP Long Term Evolution (LTE) - LTE Advanced

1. 3GPP LTE là gì? 

Cụm từ 3GPP LTE (The Third Generation Partnership Project Long Term Evolution) được dùng để để nói về một công nghệ di động mới đang được phát triển và chuẩn hóa bởi 3GPP. Dự án được bắt đầu từ cuối năm 2004, nhằm đảm bảo tính cạnh tranh của mạng 3G trong vòng 10 năm tới. Mặc dù 3GPP đã phát triển HSDPA, HSUPA để tăng dung lượng truyền (data rate) đến tốc độ lý thuyết max khoảng 14.4 Mbps, nhưng 3G HSPA vẫn không thể cung cấp những dịch vụ như Video, TV... Đứng trước sự ra đời và cạnh tranh của IEEE 802.16e (WiMAX), công nghệ hứa hẹn sẽ đạt dung lượng truyền khoảng 70Mbps, 3GPP buộc phải phát triển 3G LTE để có thể đứng vững. 

Kiến trúc mạng của 3GPP LTE

2. Đăc điểm nổi bật mà 3G LTE mang lại:

• Dung lượng truyền trên kênh downlink có thể đạt 100 Mbps và trên kênh uplink có thể đạt 50 Mbps.
• Tăng tốc độ truyền trên cả user + control planes.
• Sẽ không còn circuit-mode. Tất cả sẽ dựa trên IP packet. VoIP sẽ dùng cho dich vụ thoại.
• Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời. Tuy nhiên mạng 3G LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G hiện tại. Điều này hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng (operator) triển khai 3G LTE mà không cần thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có.
• OFDMA và MIMO được sự dụng trong 3G LTE thay vì CDMA như trong 3G.

3. Trong thế giới công nghệ di động, phát minh là không ngừng. Trong khi công nghệ di động thế hệ 3.5 đang bắt đầu được triển khai thì nhiều công nghệ mới đã được chuẩn hóa. Sân chơi càng ngày càng mở rộng, và cạnh tranh cũng trở nên gây gắt giữa hai ông lớn 3GPP và IEEE. Dần dần 3GPP bắt đầu chuẩn hóa việc tích hợp WIFI và mạng 3GPP. Tuy nhiên điều này không đúng với WiMAX. Câu hỏi đặt ra liệu 3G HSPA hoặc 3G LTE có thể cùng tồn tại ôn hòa với WiMAX hay chúng sẽ cạnh tranh khốc liệt lẫn nhau?
 Nhật Bản là nước đi đầu trong việc phát triển 3G LTE hay còn gọi là super 3G. Đặc biệt, NTT DoCoMo dẫn đầu trong việc chuẩn hóa 3G LTE. (DoCoMo is driving the standardization).

Tài liệu tham khảo về 3G LTE: 

- Technical Report 3GPP TR 23.882 http://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/23_series/23.882/
- Technical Report 3GPP TR 25.913 Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (E-UTRAN)
- H. Ekstrom, A. Furuskar, J. Karlsson, M. Meyer, S. Parkvall, J. Torsner, and M. Wahlqvist, “Technical solutions for the 3G long-term evolution,” in IEEE Communications Magazine, vol. 44, March 2006, pp. 38–45.
                        Theo Vntelecom

LTE Advanced

Hiện nay, tại nhiều nước trên thế giới, khi phiên bản đầu tiên của chuẩn LTE đang hoàn thành thì tâm điểm của sự chú ý đang chuyển sang sự tiến hóa tiếp theo của công nghệ này, đó là LTE-Advanced. Một trong những mục tiêu của quá trình tiến hóa này là để đạt tới và thậm chí vượt xa những yêu cầu của IMT-Advanced của ITU-R nhằm cải thiện một cách đáng kể về mặt hiệu năng so với các hệ thống hiện tại bao gồm cả hệ thống LTE phiên bản đầu tiên.

LTE Advanced – sự phát triển của LTE để tiến lên IMT – Advanced (4G)

LTE-Advanced (Long Term Evolution-Advanced) là sự tiến hóa trong tương lai của công nghệ LTE, công nghệ dựa trên OFDMA này được chuẩn hóa bởi 3GPP trong phiên bản (Release) 8 và 9. LTE-Advanced, dự án được nghiên cứu và chuẩn hóa bởi 3GPP vào năm 2009 với các đặc tả được mong đợi hoàn thành vào quý 2 năm 2010 như là một phần của Release 10 nhằm đáp ứng hoặc vượt hơn so với những yêu cầu của thế hệ công nghệ vô tuyến di động thế hệ thứ 4 (4G) IMT-Advanced được thiết lập bởi ITU. LTE-Advanced sẽ tương thích ngược và thuận với LTE, nghĩa là các thiết bị LTE sẽ hoạt động ở cả mạng LTE Advanced mới và các thiết bị LTE-Advanced sẽ hoạt động ở cả các mạng LTE cũ.

Gần đây, ITU đã đưa ra các yêu cầu cho IMT-Advanced nhằm tạo ra định nghĩa chính thức về 4G. Thuật ngữ 4G sẽ áp dụng trên các mạng tuân theo các yêu cầu của IMT-Advanced xoay quanh báo cáo ITU-R M.2134. Một số yêu cầu then chốt bao gồm:

§ Hỗ trợ độ rộng băng tần lên đến và bao gồm 40 MHz.

§ Khuyến khích hỗ trợ các độ rộng băng tần rộng hơn (chẳng hạn 100 MHz)

§ Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đường xuống tối thiểu là 15 b/s/Hz (giả sử sử dụng MIMO 4x4)

§ Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đường lên tối thiểu là 6,75 b/s/Hz (giả sử sử dụng MIMO 4x4)

§ Tốc độ thông lượng lý thuyết là 1,5 Gb/s (trong phiên bản trước đây, 1Gb/s thường được coi là mục tiêu của hệ thống 4G).

Hiện tại chưa có công nghệ nào đáp ứng những yêu cầu này. Nó đòi hỏi những công nghệ mới như là LTE-Advanced và IEEE 802.16m. Một số người cố gắng dán nhãn các phiên bản hiện tại của WiMAX và LTE là 4G nhưng điều này chỉ chính xác đối với phiên bản tiến hóa của các công nghệ trên, chẳng hạn LTE-Advanced, còn LTE chỉ có thể gọi với cái tên không chính thức là 3,9G. LTE sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA ở đường xuống. Trong khi đó, ở đường lên, LTE sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số - đơn sóng mang SC-FDMA. Một số tính năng khác của LTE:

§ Tốc độ số liệu đỉnh đường xuống lên đến 326Mb/s với độ rộng băng tần 20 MHz

§ Tốc độ số liệu đỉnh đường lên lên đến 86,4 Mb/s với độ rộng băng tần 20 MHz

§ Hoạt động ở cả chế độ TDD và FDD.

§ Độ rộng băng tần có thể lên đến 20 MHz bao gồm cả các độ rộng băng 1,4; 3; 5; 10; 15 và 20 MHz

§ Hiệu quả sử dụng phổ tăng so với HSPA ở Release 6 khoảng 2 đến 4 lần.

§ Độ trễ giảm với thời gian trễ vòng giữa thiết bị người sử dụng và trạm gốc là 10 ms và thời gian chuyển từ trạng thái không tích cực sang tích cực nhỏ hơn 100 ms.

Những công nghệ thành phần đề xuất cho LTE-Advanced.

Truyền dẫn băng rộng hơn và chia sẻ phổ tần.

Mục tiêu tốc độ số liệu đỉnh của LTE-Advanced rất cao và chỉ có thể được thỏa mãn một cách vừa phải bằng cách tăng độ rộng băng truyền dẫn hơn nữa so với những gì được cung cấp ở Release đầu tiên của LTE và độ rộng băng truyền dẫn lên đến 100 MHz được thảo luận trong nội dung của LTE - Advanced. Việc mở rộng độ rộng băng sẽ được thực hiện trong khi vẫn duy trì được tính tương thích phổ. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng “khối kết tập sóng mang” trong đó nhiều sóng mang thành phần LTE được kết hợp trên lớp vật lý để cung cấp độ rộng băng cần thiết. Đối với thiết bị đầu cuối LTE, mỗi sóng mang thành phần sẽ xuất hiện như là một sóng mang LTE trong khi một thiết bị đầu cuối LTE-Advanced có thể khai thác toàn bộ độ rộng băng khối kết tập.

Hình 1 minh họa trường hợp các sóng mang thành phần liên tiếp nhau mặc dù ở khía cạnh băng gốc, điều này không phải là điều kiện tiên quyết. Truy nhập đến một lượng lớn phổ liên tục ở bậc 100 Mhz không thể có thường xuyên. Do đó, LTE-Advanced có thể cho phép kết tập các sóng mang thành phần không liền kề để xử lý các tình huống trong đó một khối lượng lớn phổ liên tiếp nhau không sẵn có. Tuy nhiên, nên lưu ý rằng sự kết tập phổ không liền kề đang là thách thức từ khía cạnh thực thi. Vì vậy, mặc dù khối kết tập phổ được hỗ trợ bởi các đặc tả cơ bản thì sự kết tập phổ phân tán chỉ được cung cấp bởi các thiết bị đầu cuối cấp cao nhất.

Cuối cùng, lưu ý rằng truy nhập trên các độ rộng băng truyền dẫn cao hơn không chỉ hữu ích từ khía cạnh tốc độ đỉnh mà quan trọng hơn là công cụ cho việc mở rộng vùng phủ sóng với các tốc độ số liệu trung bình.

Hình 1. Ví dụ về khối kết tập sóng mang

Giải pháp đa anten

Các công nghệ đa anten, bao gồm định dạng chùm và ghép kênh theo không gian là các thành phần công nghệ then chốt vốn có của LTE và chắc chắn sẽ tiếp tục đóng một vai trò quan trọng hơn trong LTE-Advanced. Thiết kế đa anten LTE hiện tại cung cấp lên đến bốn cổng anten với các tín hiệu tham chiếu ô cụ thể tương ứng ở đường xuống, kết hợp với sự tiền mã hóa dựa trên sổ mã. Cấu trúc này cung cấp cả sự ghép theo không gian lên đến bốn lớp, đưa đến tốc độ bit đỉnh là 300 Mbit/s cũng như là định dạng chùm (dựa trên sổ mã). Kết hợp với nhau trên độ rộng băng toàn phần là 100 MHz, sơ đồ ghép không gian LTE hiện tại sẽ đạt được tốc độ đỉnh là 1,5 Gbit/s vượt xa so với yêu cầu của LTE-Advanced. Có thể thấy trước rằng hỗ trợ ghép kênh theo không gian trên đường lên sẽ là một phần của LTE-Advanced. Việc tăng số lớp truyền dẫn đường xuống vượt xa con số bốn là có khả năng và có thể được sử dụng như là phần bổ sung đối với sự tăng tốc đỉnh thông qua sự mở rộng băng tần.

Truyền dẫn đa điểm phối hợp

Mục tiêu về tốc độ số liệu của LTE-Advanced yêu cầu sự cải thiện đáng kể về tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm và can nhiễu SINR ở thiết bị đầu cuối. Định dạng chùm là một cách. Ở các mạng hiện tại, nhiều anten nằm phân tán về mặt địa lý kết nối đến một đơn vị xử lý băng gốc trung tâm được sử dụng nhằm đem lại hiệu quả về chi phí. Mô hình triển khai thu/phát đa điểm phối hợp với quá trình xử lí băng gốc ở một nút đơn được mô tả ở Hình 2. Ở đường xuống, nó chỉ ra sự phối hợp truyền dẫn từ đa điểm truyền dẫn. Phụ thuộc vào quy mô mở rộng, có 3 phương án A, B, C như sau:

Ở phương án A, thiết bị đầu cuối không nhận ra sự truyền dẫn xuất phát từ nhiều điểm tách biệt về mặt vật lý. Ở đây, cùng sử dụng báo cáo đo đạc và xử lý ở bộ thu cho truyền dẫn đơn điểm. Mạng có thể dựa trên sự đo đạc suy hao đường truyền đang tồn tại, quyết định từ các điểm truyền dẫn nào để truyền đến thiết bị cụ thể. Bởi vì các thiết bị đầu cuối không nhận biết được sự hiện diện của truyền dẫn đa điểm, các tín hiệu tham chiếu UE cụ thể (sẵn có ở Release đầu tiên của LTE) phải được sử dụng cho việc đánh giá kênh. Ở thiết lập này, truyền dẫn đa điểm phối hợp cung cấp độ lợi phân tập tương tự như ở mạng phát quảng bá đơn tần và kết quả là cải thiện bộ khuếch đại công suất ở mạng, đặc biệt ở trong các mạng có tải trọng nhẹ mà ở đó bộ khuếch đại công suất ở trạng thái rỗi.

Hình 2. Truyền dẫn đa điểm phối hợp

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

Ở phương án C, báo cáo trạng thái kênh giống như phương pháp B. Tuy nhiên, không giống như B, thiết bị đầu cuối được cung cấp thông tin nhận biết truyền dẫn phối hợp chính xác (từ những điểm nào với độ mạnh truyền dẫn bao nhiêu….). Thông tin này có thể được sử dụng cho việc xử lý tín hiệu thu được ở phía thiết bị đầu cuối.

Ở đường lên, việc thu đa điểm phối hợp chính đòi hỏi cách áp dụng xử lí tín hiệu thích đáng ở bộ thu. Ở nhiều khía cạnh, điều này tương tự như phân tập ô lớn, vốn đã sử dụng trong nhiều hệ thống mạng tế bào hiện nay.

Các bộ lặp và các bộ chuyển tiếp

Từ việc xem xét quỹ đường truyền, việc triển khai các giải pháp chuyển tiếp khác nhau nhằm giảm khoảng cách máy phát và máy thu xuống và cho phép tăng tốc độ số liệu. Các bộ lặp đơn giản sẽ khuếch đại và chuyển đi các tín hiệu tương tự thu được. Khi được cài đặt, các bộ lặp liên tục chuyển đi tín hiệu thu được mà không quan tâm đến có thiết bị đầu cuối trong vùng phủ sóng của nó hay không. Những bộ lặp như vậy không hiển thị đối với cả thiết bị đầu cuối và trạm gốc. Tuy nhiên, có thể xem xét các cấu trúc bộ lặp cao cấp hơn (chuyển tiếp L1), chẳng hạn sơ đồ trong đó mạng có thể điều khiển công suất truyền của bộ lặp, chẳng hạn, chỉ tích cực bộ lặp khi người sử dụng hiện diện trong khu vực được điều khiển bởi bộ lặp nhằm tăng tốc độ số liệu cung cấp trong khu vực. Các báo cáo đo đạc bổ sung từ các thiết bị đầu cuối có thể cũng được xem xét như là phương tiện hướng dẫn mạng mà trong đó các bộ lặp được bật lên. Tuy nhiên, việc điều khiển tái truyền dẫn và lập biểu thường nằm ở trạm gốc và vì vậy, các bộ lặp thường trong suốt từ khía cạnh di động.

Nút trung gian cũng có thể giải mã và tái mã hóa bất kì số liệu thu được, ưu tiên chuyển tiếp nó đến người sử dụng được phục vụ. Đây thường được xem là chuyển tiếp giải mã hóa-và-truyền tiếp. Khi nút trung gian giải mã hóa và tái mã hóa khối số liệu thu được thì tạo ra trễ đáng kể, lâu hơn độ dài khung con LTE 1ms. Tuy nhiên, các nút chuyển tiếp không truyền tiếp các tạp âm và sự thích nghi tốc độ có thể được thực hiện một cách riêng rẽ cho mỗi kết nối.

Đối với các bộ lặp, tồn tại nhiều tùy chọn khác nhau phụ thuộc vào các tính năng được hỗ trợ (chẳng hạn, hỗ trợ hơn hai bước nhảy, hỗ trợ cấu trúc mắt lưới) nhưng ở mức cao, có thể phân biệt hai tầng khác nhau, dựa trên việc truyền tiếp được thực hiện ở lớp 2 (chuyển tiếp lớp 2) hay lớp 3 (chuyển tiếp lớp 3 hoặc tự chuyển tiếp (self backhauling))

Mặc dù giống nhau ở nhiều điểm cơ bản (chẳng hạn trễ, không khuếch đại tạp âm), giải pháp self backhauling không yêu cầu bất kì nút, giao thức hoặc giao diện mới nào để chuẩn hóa bởi vì các giải pháp đang tồn tại được tái sử dụng và do đó có thể được ưa chuộng hơn trên các kỹ thuật cùng chức năng L2 của chúng.

Hình 3. Chuyển tiếp trong LTE-Advanced

Tài liệu tham khảo:

[1] Rysavy Research, HSPA to LTE-Advanced: 3GPP Broadband Evolution to IMT – Advanced (4G), September 2009

[2] Stefan Parkvall, Erik Dahlman, Anders Furuskär, Ylva Jading, Magnus Olsson, Stefan Wänstedt, Kambiz Zangi, LTE-Advanced – Evolving LTE towards IMT-Advanced, 2008

[3] Defining 4G: Understanding the ITU Process for the Next Generation of Wireless Technology, 3G Americas Revised August 2008



ThS. Đàm Mỹ Hạnh- KS. Lê Thị Thanh Hoa

http://www.tapchibcvt.gov.vn