Tìm hiểu công nghệ trong Mạng di động 4G, LTE

Nhiều "ông lớn" trên thế giới đã, đang và sẽ triển khai mạng di động 4G bằng công nghệ LTE.

Theo các cuộc khảo sát gần đây có hơn 80% nhà cung cấp dịch vụ di động (telco) trên thế giới hiện đang sử dụng công nghệ GSM (gồm GSM, GPRS/EDGE, HSPA). Theo giới chuyên gia phân tích và đánh giá, lợi thế về hạ tầng sẵn có và số lượng người sử dụng đông đảo là lý do chính để phát triển thị trường di động băng thông rộng với công nghệ HSPA và tiếp theo sẽ là LTE. Đặc tả kỹ thuật của công nghệ LTE có khả năng tương thích gần như hoàn hảo với công nghệ nền tảng GSM. Không chỉ GSM, các telco sử dụng công nghệ CDMA cũng không bỏ qua cơ hội chuyển tiếp lên 4G với công nghệ LTE đầy hấp lực này.

Hình 1: Các hãng bắt tay thử nghiệm LTE

Thực tế cho thấy, hầu hết các hãng sản xuất thiết bị viễn thông hàng đầu thế giới: Alcatel-Lucent, Ericsson, Motorola, Nokia, Nokia Siemens Networks, Huawei, LG Electronics, Samsung, NEC, Fujitsu... đã nhận ra tiềm năng to lớn này và đã cùng bắt tay với các telco lớn trên thế giới (Verizon Wireless, AT&T, France Telecom-Orange, NTT DoCoMo, T-Mobile, China Mobile, ZTE...) thực hiện các cuộc thử nghiệm quan trọng trên công nghệ LTE và đã đạt những thành công đáng kể.

Trong đó, Nokia Siemens Networks đã công bố thử nghiệm thành công LTE với tốc độ lên đến 173Mbps trong môi trường đô thị với nhiều thuê bao cùng lúc trên tần số 2,6GHz, băng thông 20MHz. Alcatel-Lucent thông báo đã thử nghiệm thành công LTE với tốc độ tải về đạt 80Mbps. ZTE (Trung Quốc) cũng cho biết đã trình diễn thành công LTE với mức tốc độ tải về 130Mbps. Tiếp đó, Motorola cũng tuyên bố, họ đã cộng tác với các nhà khai thác di động của Anh hoàn thành cuộc thử nghiệm kết nối ngoài trời đối với công nghệ LTE, tần số 700MHz và 2,6GHz. Mới đây, Motorola tiếp tục công bố họ đã hoàn tất thử nghiệm giai đoạn một công nghệ TD-LTE (TD Mode – LTE) với Bộ Công nghiệp và CNTT (MIIT) Trung Quốc, tốc độ tải xuống thực tế đạt được 80Mbps.

Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này đã chứng tỏ khả năng tuyệt vời của công nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE đã đến rất gần. Kế hoạch thử nghiệm và triển khai công nghệ LTE vẫn đang được các công ty trên cùng hợp tác thúc đẩy và đến nay đã chính thức có dịch vụ LTE thương mại.

Cuộc đua thương mại hóa

Trong cuộc chạy đua để trở thành để trở thành nhà khai thác mạng đầu tiên đưa vào vận hành thương mại các dịch vụ LTE, TeliaSonera đã về đích sớm nhất. TeliaSonera là telco đầu tiên trên thế giới thương mại hóa công nghệ LTE tại hai thủ đô Stockholm (Thụy Điển) và Oslo (Na Uy) vào cuối năm qua và tiếp tục triển khai sang Phần Lan. Song hành với chiến dịch triển khai mạng 4G LTE, TeliaSonera cũng tiếp tục mở rộng mạng Turbo-3G (công nghệ HSPA) nhằm tăng dung lượng và khu vực phủ sóng. Trong năm nay, TeliaSonera tiếp tục mở rộng mạng 4G đến 25 thành phố lớn của Thụy Điển và 4 thành phố của Na Uy. Hãng này sử dụng công nghệ LTE tần số 2,6GHz cùng với băng thông 20MHz, tốc độ tối đa lên đến 100Mbps. Về cước phí, từ nay đến tháng 6/2010 người dùng chỉ trả khoảng 11.000đ/tháng (4 Krona) bao gồm VAT, kể từ 6/2010 trở đi khách hàng phải trả khoảng 160.000đ/tháng (599 Krona) gồm 30GB dữ liệu, người sử dụng tự trang bị modem (hiện tại chỉ có modem của Samsung). Được biết, Ericsson và liên doanh Nokia Siemens Networks là hai hãng cung cấp trang thiết bị cho TeliaSonera.

Hình 2: Tần số - Thời gian của tín hiệu OFDM

Tiếp theo TeliaSonera sẽ là ai? Theo Wireless Intelligence, sẽ có khoảng 10-15 mạng LTE được đưa vào phục vụ vào cuối năm 2010 và lên đến 30 mạng vào cuối năm 2012. Tại thị trường Mỹ, Verizon Wireless cho biết, mạng LTE của họ sẽ sử dụng phổ 10MHz và hỗ trợ tốc độ từ 5Mbps-12Mbps và sẽ có khoảng 100 triệu khách hàng sử dụng dịch vụ không dây tốc độ cao LTE vào cuối năm 2010. Đại diện hãng Verizon Wireless cho biết, những chiếc điện thoại LTE đầu tiên của hãng sẽ có hai bộ chip vô tuyến. Vì vậy, chúng sẽ làm việc trên cả mạng LTE và mạng viễn thông trên công nghệ CDMA hiện nay. Verizon Wireless dự kiến sẽ cho ra mắt chiếc điện thoại không dây đầu tiên tích hợp công nghệ LTE vào giữa năm 2011. Ericsson và Alcatel-Lucent là các đối tác cung cấp thiết bị cho mạng LTE của Verizon Wireless.

Tiếp theo, AT&T cũng có kế hoạch thương mại hóa LTE vào năm sau. Hãng này tuyên bố có đủ băng thông 20MHz dành cho LTE để phủ sóng cho hơn 100 thành phố lớn nhất của Mỹ. NTT DoCoMo là nhà khai thác di động đầu tiên của Nhật Bản thử nghiệm thành công LTE với tốc độ đạt đến 250Mbps tuyên bố sẽ bắt đầu đưa ra các dịch vụ LTE vào cuối năm nay. Giai đoạn đầu mạng LTE của NTT DoCoMo sẽ sử dụng tần số 2GHz, băng thông 15MHz và anten MIMO cho khoảng 20 nghìn trạm gốc. Và đến cuối năm 2012 sẽ chuyển sang sử dụng tần số 1,5GHz. Hiện nay, Ericsson cũng là hãng cung cấp cơ sở hạ tầng mạng cho NTT DoCoMo.

Song hành với NTT DoCoMo KDDI, các telco như KDDI, Softbank Mobile, eMobile đều đã được cơ quan quản lý viễn thông Nhật Bản – Bộ nội chính và truyền thông (MIC) phê chuẩn kế hoạch triển khai mạng LTE.

Cơ quan phát triển Viễn thông và CNTT Singapore (IDA) đang cân nhắc về việc cho ra mắt băng tần LTE và WiMAX vào năm 2012, trước 3 năm so với thời gian dự kiến ban đầu. Cùng lúc này, cả ba nhà khai thác di động Singtel, StarHub và MobileOne cũng cho lắp đặt thử nghiệm dịch vụ LTE tần số 2,5GHz.

Qualcomm cũng vừa thông báo một lộ trình sản phẩm mới, bổ sung công nghệ 4G LTE cho tất cả các modem Gobi của họ. Dựa trên sự thành công của Gobi, Qualcomm (đối tác của các hãng sản xuất máy tính: Sony, Acer, Lenovo, Dell, HP...) chuẩn bị tập trung vào các dòng sản phẩm: e-reader, thiết bị chơi game, modem USB và các ứng dụng thương mại M2M (mobile to mobile – di động tới di động). Các chipset mới gồm: MDM9200 hỗ trợ tốc độ lên đến 100Mbps, tương thích ngược với HSPA, MDM9600 hỗ trợ tốc độ 100Mbps, tương thích ngược với HSPA+ và EV-DO (Rev. A và Rev. B).

Để đạt được các "thành tích" như thế, LTE phụ thuộc vào 3 yếu tố chính OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access); SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) và anten MIMO.

Tải xuống OFDM

Theo đặc tả kỹ thuật, hướng DL chế độ FDD và TDD đều dựa trên kỹ thuật OFDM truyền thống. Trong hệ thống OFDM, phổ tần số có sẵn được chia thành nhiều sóng mang, được gọi là các sóng mang thứ cấp (Sub-carriers). Mỗi sóng mang thứ cấp được điều chế độc lập bởi chuỗi dữ liệu tốc độ thấp. WiMAX, WLAN và các công nghệ phát quảng bá như DVB đều sử dụng kỹ thuật OFDM. Trong miền thời gian, GI (Guard Intervals) có thể được thêm vào mỗi ký hiệu (Symbols) để khử nhiễu liên ký hiệu OFDM (inter-OFDM-symbol-interference) do hiện tượng trì hoãn trong quá trình trải phổ. Trong E-UTRA, GI được chèn trước mỗi ký hiệu OFDM theo một chu kỳ (cyclic prefix) nhất định. Đây là kỹ thuật có khả năng tránh được hiện tượng nhiễu đa đường và giúp việc xây dựng thiết bị thu đạt hiệu quả cao.

Hình 2 biểu diễn tín hiệu OFDM với băng thông 5MHz, tương tự với các băng thông E-UTRA khác. Các ký hiệu dữ liệu (data symbols) được điều chế độc lập và được phát qua các Sub-carrier trực giao cách nhau liên tiếp với số lượng lớn. Hướng DL của E-UTRA sẽ sử dụng các kỹ thuật điều chế QPSK, 16QAM và 64QAM.

LTE (Long Term Evolution) còn được gọi là EUTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access) hay E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network) là công nghệ có khả năng cung cấp cho người dùng tốc độ truy cập dữ liệu nhanh, cho phép các telco có thể phát triển thêm nhiều dịch vụ truy cập sóng vô tuyến mới dựa trên nền tảng IP tối ưu, và đặc biệt thuận tiện cho việc nâng cấp mạng từ 3G lên 4G. Mục tiêu mà 3GPP đặt ra cho LTE (Release 8) gồm: tốc độ truyền dữ liệu cao, độ trễ thấp và công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu. Cụ thể như sau: • Tốc độ: Tốc độ tải xuống (Downlink - DL) cao nhất ở băng thông 20MHz có thể lên đến 100Mbps, cao hơn từ 3-4 lần so với công nghệ HSDPA (3GPP Release 6) và tốc độ tải lên (Uplink - UL) có thể lên đến 50Mbps, cao hơn từ 2-3 lần so với công nghệ HSUPA (3GPP Release 6) với 2 anten thu và 1 anten phát ở thiết bị đầu cuối  • Độ trễ: Thời gian trễ tối đa đối với dịch vụ người dùng phải thấp hơn 5ms • Độ rộng băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với băng thông 5MHz, 10MHz, 15MHz và 20MHz, thậm chí nhỏ hơn 5MHz như 1,25MHz và 2,5MHz • Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15km/giờ, và vẫn hoạt động tốt với tốc độ di chuyển từ 15-120km/giờ, thậm chí lên đến 500km/giờ tùy băng tần • Phổ tần số: hoạt động theo chế độ phân chia theo tần tố (FDD Mode) hoặc chế độ phân chia theo thời gian (TDD mode). Độ phủ sóng từ 5-100km (tín hiệu suy yếu từ km thứ 30), dung lượng hơn 200 người/cell (băng thông 5MHz) • Chất lượng dịch vụ: Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS cho các thiết bị. VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, độ trễ ở mức tối thiểu (thời gian chờ gần như không có) thông qua các mạng chuyển mạch UMTS • Liên kết mạng: Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các hệ thống không thuộc 3GPP (non-3GPP) cũng sẽ được đảm bảo. Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN sẽ nhỏ hơn 300ms cho dịch vụ thời gian thực và không quá 500ms cho các dịch vụ còn lại • Chi phí: Chi phí triển khai và vận hành giảm Để đạt được các mục tiêu trên, LTE sẽ phải sử dụng các kỹ thuật mới: OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Truy cập đa phân chia theo tần số trực giao) cho hướng DL và SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access - Truy cập đa phân chia theo tần số sóng mang đơn) cho hướng UL. Thêm vào đó, việc sử dụng anten MIMO cũng là một yêu cầu tất yếu. Để đơn giản hóa kiến trúc, LTE có một số thay đổi lớn liên quan đến SAE (System Architecture Evolution). Chế độ hoạt động của LTE gồm FDD (Frequency Division Duplex – Phân chia theo tần số song công) và TDD (Time Division Duplex – Phân chia theo thời gian song công). LTE TDD hay TD-LTE cung cấp bước tiến triển dài hạn cho các mạng dựa trên kỹ thuật TD-SCDMA (Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access – Phân chia theo thời gian- Đa truy cập phân chia theo mã đồng bộ).

Tải lên SC-FDMA

OFDMA được xem là phương án tối ưu cho hướng DL nhưng hướng UL thì chưa được thuận lợi. Điều này là do thuộc tính của OFDM có tỷ lệ công suất đỉnh trung bình (PAPR - Peak-to-Average Power Ratio) thấp, làm ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu của hướng UL. Do đó, hướng UL của chế độ FDD và TDD sẽ sử dụng kỹ thuật đa phân chia tần số sóng mang đơn SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) theo chu kỳ. Các tín hiệu SC-FDMA có tín hiệu PAPR tốt hơn OFDMA. Đây là một trong những lý do chính để chọn SC-FDMA cho LTE. PAPR giúp mang lại hiệu quả cao trong việc thiết các bộ khuếch đại công suất UE, và việc xử lý tín hiệu của SC-FDMA vẫn có một số điểm tương đồng với OFDMA, do đó, tham số hướng DL và UL có thể cân đối với nhau. Tín hiệu SC-FDMA được tạo ra bằng kỹ thuật trải phổ DFT-OFDM (DFT-s-OFDM) (xem hình 4).

Hình 4: Sơ đồ khối DFT-s-OFDM

E-UTRA hướng UL cũng sử dụng các kỹ thuật điều chế QPSK, 16QAM và 64 QAM. Với DFT-s-OFDM, việc biến đổi Fourier rời rạc (DFT - Discrete Fourier Transform) kích thước M-Point FFT được áp dụng đầu tiên trong khối các ký hiệu điều chế. DFT chuyển đổi các ký hiệu điều chế thành miền tần số. Kết quả sẽ được ánh xạ vào các sóng mang thứ cấp có sẵn. Hướng UL chỉ cho phép định vị truyền dẫn trên các Sub-carrier liên tục. Trước khi được chuyển đổi từ song song sang nối tiếp, N-point IFFT được thêm vào một chu kỳ.

Do đó, việc xử lý DFT có sự khác biệt cơ bản giữa tín hiệu SC-FDMA và OFDMA. Điều này sinh ra thuật ngữ "DFTspread-OFDM". Trong tín hiệu SC-FDMA, mỗi Sub-carrier sử dụng để truyền tải thông tin có chứa tất cả các ký hiệu điều chế, do đó, chuỗi dữ liệu đầu vào phải được trải phổ bằng biến đổi DFT trên các Sub-carrier có sẵn. Ngược lại, mỗi Sub-carrier của tín hiệu OFDMA chỉ mang thông tin có liên quan đến các ký hiệu điều chế cụ thể.

Anten MIMO

MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu đầy tham vọng về thông lượng và hiệu quả trải phổ. MIMO cho phép sử dụng nhiều anten ở máy phát và máy thu. Với hướng DL, 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.

Spatial Multiplexing: Ghép kênh không gian cho phép phát các chuỗi dữ liệu khác nhau đồng thời nhằm tận dụng triệt để tài nguyên sóng của kênh vô tuyến. Các chuỗi dữ liệu này có thể là của một người dùng đơn lẻ (single user MIMO hay SU-MIMO) hay nhiều người dùng (Multi User MIMO hay MU-MIMO).

Hình 5 minh họa đơn giản về đa phân chia theo không gian. Trong ví dụ này, mỗi anten phát sẽ phát đi một chuỗi dữ liệu khác nhau. Mỗi anten thu có thể nhận nhiều chuỗi dữ liệu từ cả hai anten phát.

Transmit Diversity: Kỹ thuật phân tập đã được biết đến từ WCDMA release 99 và cũng sẽ là một phần của LTE. Thông thường, tín hiệu trước khi phát được mã hóa để tăng hiệu quả ứng phân tập. MIMO được sử dụng để khai thác việc phân tập và mục tiêu là làm gia tăng tốc độ. Việc chuyển đổi giữa MIMO truyền phân tập và ghép kênh không gian có thể tùy thuộc vào việc sử dụng kênh tần số.

Mỗi công nghệ điều có thế mạnh riêng của nó. LTE và WiMAX cũng vậy. WiMAX có thể là sự lựa chọn phù hợp cho việc cung cấp Internet băng rộng tốc độ cao và một số dịch vụ cần băng thông khác ở một số vị trí nhất định nào đó. Còn với LTE, lợi thế về tính kế thừa thế hệ trước là một thế mạnh. Và thực tế cho thấy rằng, LTE đang tận dụng tốt điều đó. Ở thời điểm này có thể khẳng định rằng LTE đang trên đà thắng thế.