Giới thiệu tổng quan các tính năng công nghệ mới được sử dụng trong LTE-Advanced

LTE được thương mại hoá trên thị trường với cái tên phổ biến là 4G LTE (LTE Release 8/9). Về đặc tính kỹ thuật, dịch vụ mạng 4G LTE cho tốc độ tải xuống ở mức cao nhất đạt 300 Mbps và tốc độ tải lên mức cao nhất đạt 75 Mbps với độ trễ trong việc truyền tải dữ liệu thấp hơn 5 ms. Tuy nhiên, cho tới LTE-Advanced (LTE Release 10) các chuyên gia về công nghệ vô tuyến mới xem đây là  4G đích thực. Chuẩn này thực sự đạt các tiêu chí kỹ thuật do ITU đặt ra cho hệ thống không dây thế hệ thứ tư 4G hay còn gọi là IMT-Advanced.

Một trong những tiêu chí này là tốc độ. Về lý thuyết, LTE-Advanced có thể đạt tốc độ tải xuống tối đa là 3Gb/s và tốc độ tải lên tối đa là 1,5Gb/s. Trong khi đó LTE đạt tốc độ tối đa khoảng 300Mb/s tải xuống và 75Mb/s tải lên. Ngoài ra LTE-Advanced không chỉ đơn thuần có tốc độ cao hơn. Nó còn bao gồm các giao thức truyền dẫn mới và các nguyên tắc phối hợp đa ăng-ten giúp việc chuyển giao giữa các cell suôn sẻ hơn, tăng thông lượng ở vùng tiếp giáp giữa các cell và nén nhiều bít dữ liệu hơn trong một giây vào trong mỗi herzt trên phổ tần số. Kết quả là năng lực hệ thống mạng sẽ cao hơn, các kết nối ổn định hơn và hiệu quả sử dụng phổ tần số cao hơn.

Bài viết này xin giới thiệu tổng quan các tính năng mới của LTE-Advanced: Kỹ thuật cộng gộp sóng mang, kỹ thuật MIMO với 8 cặp ăng-ten tải xuống và 4 cặp ăng-ten tải lên, kỹ thuật truyền chuyển tiếp, kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu tăng cường giữa các tế bào, kỹ thuật phối hợp đa điểm.

Cộng gộp sóng mang (carrier aggregation)

Việc cộng gộp sóng mang là một trong những tính năng quan trọng nhất của LTE-A phiên bản 10 để tăng tổng băng thông có sẵn cho một thiết bị di động và do đó đạt được tốc độ bit tối đa. Mỗi sóng mang kết hợp gọi là một sóng mang thành phần CC (Component Carrier), sóng mang thành phần có thể có băng thông 1,4; 3; 5; 10; 15MHz hoặc 20 MHz. Trong LTE, thông thường chỉ có thể truyền tải dữ liệu nhờ sử dụng các đoạn phổ tần số liền kề có độ rộng tối đa là 20MHz. Còn trong LTE-A, công nghệ cộng gộp sóng mang cho phép kết hợp những kênh nhỏ hay còn gọi là sóng mang trên các băng tần khác nhau, tách biệt thành “một kênh cực lớn”, do đó về cơ bản có thể tăng tốc độ dữ liệu khả dụng cho mỗi khách hàng lên nhiều lần. Chuẩn LTE-Advanced cho phép nhà mạng kết hợp tối đa năm sóng mang với băng thông 20MHz thành một kênh có băng thông 100MHz cao gấp năm lần băng thông của LTE thông thường.

Kỹ thuật đa đầu vào, đa đầu ra MIMO (Multiple Input, Multiple Output)

MIMO cho phép các trạm thu phát và các thiết bị di động gửi và nhận dữ liệu bằng nhiều ăng-ten. LTE có hỗ trợ phần nào MIMO nhưng chỉ cho chiều tải xuống. Ngoài ra chuẩn này còn giới hạn số lượng ăng-ten ở mức tối đa là bốn bộ phát ở phía trạm thu phát và bốn bộ thu ở thiết bị di động. LTE-Advanced thì cho phép tối đa tám cặp thu phát ở chiều tải xuống và bốn cặp ở chiều tải lên.

MIMO thực hiện hai chức năng:

• Ở môi trường không dây khả năng xẩy ra can nhiễu cao như tại rìa các cell hoặc trong một ô tô đang di chuyển, các bộ phát và thu sẽ phối hợp với nhau để tập trung tín hiệu vô tuyến vào một hướng cụ thể. Chức năng tạo búp sóng (beamforming) này giúp cho tín hiệu thu được mạnh lên mà không cần phải tăng công suất phát.  
• Khi cường độ tín hiệu mong muốn mạnh còn tín hiệu nhiễu yếu, như khi người dùng đứng yên và ở gần trạm phát thì MIMO có thể được dùng để làm tăng tốc độ dữ liệu hay tăng số lượng người dùng mà không phải dùng thêm phổ tần số. Kỹ thuật này có tên là “ghép kênh không gian” (spatial multiplexing) giúp nhiều luồng dữ liệu được truyền đi cùng lúc, trên cùng tần số sóng mang. Ví dụ, một trạm thu phát với tám bộ phát có thể truyền đồng thời tám luồng tín hiệu tới một máy điện thoại có tám bộ thu. Do mỗi luồng dữ liệu tới mỗi bộ thu có hướng, cường độ và thời gian hơi khác nhau một chút nên các thuật toán xử lý trong máy có thể kết hợp chúng với nhau và dựa vào những khác biệt này để tìm ra các luồng dữ liệu gốc. Thông thường thì ghép kênh theo không gian có thể làm tăng tốc độ dữ liệu tỷ lệ thuận với số cặp ăng-ten thu phát. Do vậy, trong trường hợp khả quan nhất, tám cặp thu phát có thể tăng tốc độ dữ liệu lên khoảng tám lần.

Công nghệ truyền chuyển tiếp (relaying)

Công nghệ truyền nối tiếp được dùng để mở rộng vùng phủ sóng tới những nơi có tín hiệu yếu. Thông tường các bộ truyền nối tiếp thông thường, hay còn gọi là bộ lặp lại khá đơn giản, chúng nhận tín hiệu, khuyếch đại, rồi truyền đi. LTE-Advanced hỗ trợ các chế độ truyền nối tiếp tiên tiến hơn. Trước tiên nó sẽ giải mã tất cả các dữ liệu thu được rồi sau đó chỉ chuyển đi những dữ liệu có đích đến là các thiết bị di động mà mỗi bộ truyền nối tiếp đang phục vụ. Phương pháp này giúp giảm can nhiễu và tăng số lượng máy di động kết nối tới bộ truyền nối tiếp.  LTE-Advanced còn cho phép các bộ truyền nối tiếp dùng cùng phổ tần số và các giao thức của trạm thu phát để liên lạc với trạm thu phát và với các thiết bị đầu cuối. Lợi thế của việc này là nó cho phép các máy LTE kết nối tới bộ truyền nối tiếp như thể đó là một trạm thu phát thông thường. Bộ truyền nối tiếp sẽ chỉ phát sóng vào những thời điểm cụ thể khi mà trạm thu phát không hoạt động để tránh gây nhiễu cho trạm thu phát. Dưới đây là hình vẽ nút chuyển tiếp (Relay node) dùng để mở rộng phủ sóng và được kết nối với nút chủ gọi là Donor cell qua giao diện vô tuyến (Backhaul link).

Kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu tăng cường giữa các tế bào eICIC (enhanced Inter-Cell Interference Coordination)

Kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu tăng cường giữa các tế bào được sử dụng trong hệ thống được gọi là mạng phức hợp (Heterogeneous network) giúp giải quyết hiện tượng nghẽn mạng. Trong mạng này, các trạm thu phát công suất thấp sẽ tạo ra các cell nhỏ (small cell) nằm chồng lên mạng lưới các cell lớn (macro cell) do các trạm thu phát thông thường có công suất lớn tạo ra. Các trạm thu phát nhỏ với nhiều mức kích cỡ (còn được gọi bằng các tên metro-, micro-, pico-, hay femtocell) để tăng mức tải dữ liệu trong các vùng nóng (hots pot) như vùng đô thị đông đúc. Những bộ thu phát này có kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ, không cồng kềnh và lắp đặt thì dễ dàng hơn. Nhưng khi các nhà mạng đặt ngày càng nhiều trạm thu phát vào cùng một khu vực, họ sẽ phải tìm cách để giảm thiểu can nhiễu khó tránh khỏi giữa chúng.

Giao thức eICIC của LTE-A được xây dựng dựa trên kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào ICIC (Inter-Cell Interference Coordination) của LTE vốn để giúp giảm can nhiễu giữa hai cell lớn (macro cell) trong mạng đồng nhất (Homogeneous network).

Sử dụng ICIC, một trạm thu phát có thể giảm công suất phát ở những tần số và khoảng thời gian cụ thể trong khi một trạm kế bên sử dụng những tài nguyên đó để liên lạc với các máy đang ở rìa vùng phủ sóng của nó. Tuy nhiên phương pháp chia sẻ phổ này chỉ có tác dụng với các luồng dữ liệu. Để liên lạc được với một thiết bị di động và giúp nó hiểu được luồng dữ liệu thì trạm phát phải truyền đi các tín hiệu điều khiển trong đó có chứa các thông tin về quản lý như lịch trình hoạt động, các yêu cầu phát lại, và các chỉ dẫn để giải mã. Do thiết bị di động chờ các thông điệp này tới trên các tần số và thời điểm cụ thể nên một trạm phát không thể thoải mái cho các trạm bên cạnh dùng những tài nguyên đó mỗi khi chúng cần. LTE giải quyết vấn đề này bằng cách phát các tín hiệu điều khiển có thể chịu được lượng can nhiễu tương đối cao.

Tuy vậy, sự xuất hiện của các cell nhỏ lại làm cho mọi việc phức tạp hơn. Ví dụ khi một số thiết bị di động muốn thiết lập kết nối tới một cell nhỏ đang nằm trong một cell lớn, thì các tín hiệu điều khiển từ cell lớn có thể lấn át những tín hiệu này từ cell nhỏ. Giao thức eICIC xử lý tình huống này theo một trong hai cách sau.

• Nếu hệ thống mạng có sử dụng kỹ thuật cộng gộp sóng mang để ghép hai hay nhiều kênh tần số thì cell lớn và cell nhỏ sẽ chỉ việc sử dụng các kênh tách biệt để gửi các tín hiệu điều khiển, kỹ thuật này còn được gọi là lập lịch chéo sóng mang CCS (cross-carrier scheduling). Lập lịch chéo sóng mang sử dụng kênh điều khiển vật lý đường xuống PDCCH (Physical Downlink Control Channel) của một trong các sóng mang thành phần trong cell lớn và cell nhỏ mang tín hiệu điều khiển đường xống DCI (Downlink Control Information) để sắp xếp người dùng trên kênh chia sẻ vật lý đường xống PDSCH_kênh mang dữ liệu (Physical Downlink Shared Channel). PDCCH có thể được truyền đi với công suất cao hơn so với các kênh lưu lượng. Do đó, sử dụng các sóng mang khác nhau cho PDCCH trong các cell lớn và cell nhỏ làm giảm nguy cơ can nhiễu PDCCH.

Trong hình 7 dưới đây, là một ví dụ điển hình đối với kết hợp sóng mang với lập lịch chéo sóng mang 2 thành phần sóng mang được dùng, cả hai có độ rộng 6 khối tài nguyên vật lý PRB (Physical Resource Block). Sóng mang thành phần mầu xanh blue từ macro-eBN được dùng như sóng mang thành phần chính PCC (Primary Component Carrier), sóng mang thành phần màu xanh green được dùng như sóng mang thành phần thứ hai SCC (Primary Component Carrier). Sóng mang thành phần chính PCC với kênh điều khiển vật lý đường xuống có công suất phát cao hơn sóng mang thành phần thứ 2 SCC do đó cell phục vụ chính lớn hơn cell phuc vụ thứ 2. Trạm cơ sở BS trong small cell dùng sóng mang màu xanh green như là sóng mang thành phần chính PCC còn sóng mang màu xanh blue như sóng mang thành phần thứ 2 SCC, cả 2 được phát với cùng công suất nhưng sự mở rộng cell CRE được dùng cho sóng mang thành phần chính màu xanh green PCC. Khu vực màu đỏ được chỉ định dùng cho kênh điều khiển vật lý đường xuống PDCCH mang thông tin điều khiển đường xuống DCI.

• Đối với các mạng chỉ sử dụng một kênh tần số, eICIC có một giải pháp khác. Đó là việc cell lớn và cell nhỏ sử dụng cùng tần số nhưng trong các khoảng thời gian khác nhau bằng cách sử dụng khung con gần như trống ABS (Almost Blank Subframe). Khung con gần như trống là khung con không mang dữ liệu. Trong cell lớn và cell nhỏ, đặc biệt người dùng vùng biên cell nhỏ có thể dùng chung tần số mà không gây can nhiễu lẫn nhau bằng cách sử dụng khung ABS trong khoảng thời gian khác nhau để truyền cả tín hiệu điều khiển và dữ liệu.

Kỹ thuật phối hợp đa điểm CoMP (Coordinated MultiPoint)

Về cơ bản, phối hợp đa điểm cho phép một thiết bị di động cùng một lúc trao đổi dữ liệu với nhiều trạm thu phát. Kỹ thuật này sẽ giúp cải thiện hơn nữa tín hiệu và tăng tốc độ dữ liệu tại rìa cell, nơi mà có thể khó có được một kết nối tốt. Ví dụ như hai trạm thu phát liền kề có thể cùng lúc gửi dữ liệu giống nhau tới một thiết bị do đó tăng khả năng nhận được tín hiệu tốt của thiết bị đó. Tương tự như vậy, một thiết bị cũng có thể cùng một lúc tải dữ liệu lên cả hai trạm thu phát, các trạm này đóng vai trò như một mảng ăng-ten ảo sẽ cùng nhau xử lý tín hiệu thu được để loại bỏ lỗi. Hoặc thiết bị có thể tải dữ liệu lên qua cell nhỏ ở gần bên, giúp giảm năng lượng phát trong khi vẫn nhận tín hiệu tải xuống tốt từ một trạm thu phát lớn hơn.

Trên đây đã giới thiệu tổng quan 5 tính kỹ thuật tính năng mới của LTE-Advanced Kỹ thuật cộng gộp sóng mang, kỹ thuật MIMO với 8 cặp ăng-ten tải xuống và 4 cặp ăng-ten tải lên, kỹ thuật truyền chuyển tiếp, kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu tăng cường giữa các tế bào và kỹ thuật phối hợp đa điểm. Hiện nay, LTE-A tiếp tục phát triển, áp dụng các tính năng công nghệ của nó nhằm đáp ứng như cầu dịch vụ băng rộng ngày càng lớn. Phiên bản nâng cấp của LTE-Advanced được các nhà phát triển gọi là LTE-Advanced Pro với các tính năng công nghệ mới tiếp tục được nghiên cứu, áp dụng.