Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 theo công nghệ LTE và LTE phát triển

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 theo công nghệ LTE và LTE phát triển Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 theo công nghệ LTE và LTE phát triển Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 theo công nghệ LTE và LTE phát triển

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ THEO CÔNG NGHỆ LTE VÀ LTE PHÁT TRIỂN GVHD: SVTH: MSSV: T.S LÊ QUANG TUẤN PHAN THÁI HẰNG 06117023 Đồ án tốt nghiệp Trang v LỜI NĨI ĐẦU Tiếp theo mạng thơng tin di động (TTDĐ) hệ thứ 3(3G), Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) hƣớng tới chuẩn cho mạng di động tế bào hệ thứ (4G) 4G có tính vƣợt trội nhƣ: cho phép thoại dựa IP, truyền số liệu đa phƣơng tiện với tốc độ cao nhiều so với mạng di động Theo tính tốn, tốc độ truyền liệu lên đến 100 Mb/s, chí lên đến Gb/s điều kiện tĩnh Nhu cầu khách hàng tác động lớn đến đời, tồn phát triển cơng nghệ Có thể nói, có hai yếu tố từ nhu cầu ngƣời dùng tác động đến phát triển công nghệ 4G Thứ nhất, gia tăng nhu cầu ứng dụng mạng không dây nhu cầu băng thông cao truy nhập internet Thứ hai, ngƣời dùng muốn công nghệ không dây đời cung cấp dịch vụ tiện ích theo cách tƣơng tự nhƣ mạng hữu tuyến, mạng không dây có mà họ dùng với thói quen họ Và hiển nhiên, nhu cầu chất lƣợng dịch vụ cung cấp đƣợc tốt hơn, tốc độ cao hơn, tốc độ truy nhập Web, tải xuống tài ngun mạng nhanh hơn…là đích hƣớng tới cơng nghệ di động 4G Ở Việt Nam, 3G phát triển rầm rộ để tiến lên 4G khơng cịn xa Theo tin từ Tập đồn Bƣu viễn thơng Việt Nam (VNPT), đơn vị vừa hoàn thành việc lắp đặt trạm BTS sử dụng cho dịch vụ vô tuyến băng rộng công nghệ LTE, công nghệ tiền 4G Việt Nam Đông Nam Á Để hòa nhập với xu chung, ngƣời thực chọn đề tài “ Hệ thống thông tin di động hệ thứ theo công nghệ LTE LTE phát triển” để có hội nghiên cứu, tìm hiểu kĩ cơng nghệ Đồ án tốt nghiệp Trang vi Nội dung đồ án gồm có phần: Phần A: Giới thiệu Phần B: Nội dung  Chƣơng 1: Tổng quan hệ thống thông tin di động  Chƣơng 2: Hệ thống 4G LTE  Chƣơng 3: Tổng quan mạng di động 4G LTE Advance  Chƣơng 4: Mô Phần C: Phụ lục tài liệu tham khảo Trong q trình thực đề tài, khả cịn hạn chế ngƣời thực mà đề tài có nhiều thiếu sót, mong đóng góp ý kiến thầy cô bạn bè Đồ án tốt nghiệp Trang vii MỤC LỤC Phần A: Giới thiệu Lời cảm ơn i Quyết định giao đề tài ii Nhận xét giáo viên hƣớng dẫn iii Nhận xét giáo viên phản biện iv Lời nói đầu iv Mục lục ivii Liệt kê bảng x Liệt kê hình xi Phần B: Nội dung CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động 1.1.1 Thế hệ 1G (First Generation) 1.1.2 Thế hệ 2G (Second Generation) 1.1.3 Thế hệ 3G (Third Generation) 1.2 Công nghệ 4G CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG 4G LTE 13 2.1 Tổng quan 13 2.1.1 Giới thiệu công nghệ LTE 13 2.1.2 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax triển vọng cho công nghệ LTE 14 2.1.2.1 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax 14 2.1.2.2 Những triển vọng cho công nghệ LTE .18 2.1.3 Mục tiêu thiết kế LTE 20 2.1.3.1 Tiềm công nghệ 21 2.1.3.2 Hiệu suất hệ thống 22 2.1.3.3 Các vấn đề liên quan đến việc triển khai 24 2.1.3.4 Kiến trúc dịch chuyển (migration) 28 2.1.3.5 Quản lí tài ngun vơ tuyến .28 2.1.3.6 Độ phức tạp .29 2.1.3.7 Những vấn đề chung 29 Đồ án tốt nghiệp Trang viii 2.1.4 Các thông số lớp vật lý LTE 29 2.1.5 Dịch vụ LTE 30 2.1.6 Tình hình triển khai mạng LTE Việt Nam: VNPT liên doanh triển khai mạng LTE (4G) 33 2.2 Cấu trúc mạng 35 2.2.1 Mạng lõi 38 2.2.2 Mạng truy cập 41 2.2.3 Đƣờng giao tiếp mạng lõi với mạng truy cập vô tuyến 42 2.2.4 Đƣờng giao tiếp với sở liệu ngƣời dùng 44 2.2.5 Cấu trúc chuyển vùng Roaming 44 2.2.6 Kết nối với mạng khác 45 2.3 Kiến trúc giao thức 46 2.3.1 Mặt phẳng ngƣời dùng 46 2.3.2 Mặt phẳng điều khiển 47 2.4 Các kênh sử dụng E-UTRAN 50 2.4.1 Kênh vật lý : kênh vật lý sử dụng cho liệu ngƣời dùng bao gồm : 50 2.4.2 Kênh logic : đƣợc định nghĩa thơng tin mang bao gồm: 50 2.4.3 Kênh vận chuyển: bao gồm kênh sau 51 2.5 Truyền liệu hƣớng xuống 51 2.5.1 Nguyên tắc OFDM 51 2.5.2 Giải điều chế OFDM 55 2.5.3 Thực OFDM sử dụng xử lý IFFT/FFT 56 2.5.4 Chèn cyclic prefix 58 2.5.5 Mơ hình miền thời gian truyền OFDM 60 2.5.6 Sự ƣớc lƣợng kênh symbol tham chiếu 61 2.5.7 Tính đa dạng tần số với OFDM: điều quan trọng mã kênh 62 2.5.8 Lựa chọn thông số OFDM 64 2.5.8.1 Khoảng cách sóng mang OFDM 64 2.5.8.2 Số sóng mang 65 2.5.8.3 Chiều dài cyclic prefix 66 2.5.9 Sự biến đổi công suất truyền tức thời 67 2.5.10 OFDM nhƣ kế hoạch đa truy nhập ghép kênh 67 Đồ án tốt nghiệp Trang ix 2.5.11 Truyền broadcast/multicast đa cell OFDM 69 2.6 Truyền liệu hƣớng lên 71 2.7 MIMO 73 2.7.1 Cơ MIMO LTE 73 2.7.2 SU-MIMO (Single user MIMO) 74 2.7.3 MU-MIMO 74 2.7.4 Ghép kênh không gian 76 2.8 MIMO-OFDM 77 CHƢƠNG TỔNG QUAN MẠNG DI ĐỘNG 4G LTE ADVANCE 82 3.1 Tổng quan 82 3.2 Những công nghệ thành phần đề xuất cho LTE-Advance 83 3.2.1 Truyền dẫn băng rộng chia sẻ phổ tần 83 3.2.2 Giải pháp đa anten 84 3.2.3 Truyền dẫn đa điểm phối hợp 84 3.2.4 Các lặp chuyển tiếp 85 3.2.5 MCMC CDMA 86 3.2.5.1 Hệ thống Multicarrier CDMA 86 3.2.5.2 Hệ thống Multicode CDMA 90 3.2.5.3 Hệ thống MCMC CDMA 94 CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG 98 4.1 Giao diện chƣơng trình 98 4.2 Hệ thống thu phát SC-FDMA 100 4.3 Mô hệ thống SCFDMA 10 user trƣờng hợp: cố định, di chuyển chậm (đi bộ), di chuyển nhanh (đi xe)…………………………………108 4.4 So sánh hệ thống SC-FDMA MCMC-CDMA 108 Phần C: Phụ lục tài liệu tham khảo Đồ án tốt nghiệp Trang x Đồ án tốt nghiệp Trang x LIỆT KÊ BẢNG Bảng 1.1 So sánh thông số đặc diểm hệ thống 11 Bảng 2.1 Tiến trình phát triển chuẩn 3GPP 16 Bảng 2.2 LTE WIMAX 17 Bảng 2.3 Các yêu cầu hiệu suất phổ lƣu lƣợng ngƣời dùng 23 Bảng 2.4 Yêu cầu thời gian gián đoạn, LTE-GSM LTE-WCDMA 25 Bảng 2.5 Các thơng số lớp vật lí LTE 29 Bảng 2.6 Tốc độ đỉnh LTE theo lớp 30 Bảng 2.7 So sánh dịch vụ 3G so với 4G LTE 31 Đồ án tốt nghiệp Trang xi LIỆT KÊ HÌNH Hình 1.1 : Tốc độ bit phát triển di động đến IMT-Advance Hình 1.2 : Q trình phát triển cơng nghệ thơng tin di động 4G Hình 2.1 Lộ trình phát triển LTE cơng nghệ khác 15 Hình 2.2 Mục tiêu thiết kế LTE 20 Hình 2.3 Phân bố phổ băng tần lõi Ghz nguyên IMT-2000 26 Hình 2.4 Một ví dụ cách thức LTE thâm nhập bƣớc vào phân bố phổ hệ thống GSM đƣợc triển khai 27 Hình 2.5 Bộ thu phát sóng 37 Hình 2.6 Hệ thống mạng lõi 37 Hình 2.7 Sự chuyển đổi cấu trúc mạng từ UTRAN sang E-UTRAN 36 Hình 2.8 Cấu trúc EPS 37 Hình 2.9 Các thành phần mạng EPS 37 Hình 2.10 Phân chia chức E-UTRAN EPC 39 Hình 2.11 Cấu trúc chuyển vùng truy cập với P-GW mạng nhà 44 Hình 2.12 Kiến trúc liên mạng với 3G UMTS 45 Hình 2.13 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng ngƣời dùng E-UTRAN 46 Hình 2.14 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển E-UTRAN 47 Hình 2.15 Kiến trúc giao thức 48 Hình 2.16: Khoảng cách sóng mang OFDM 52 Hình 2.17: Điều chế OFDM 53 Hình 2.18: Lƣới thời gian tần số OFDM 54 Hình 2.19: Nguyên tắc giải điều chế OFDM 55 Hình 2.20: Điều chế OFDM xử lý IFFT 57 Hình 2.21: Giải điều chế OFDM xử lý FFT 58 Hình 2.22: Sự phân tán thời gian thời gian nhận đƣợc tín hiệu tƣơng ứng 58 Hình 2.23: Chèn cyclic prefix 59 Hình 2.24: Mơ hình miền tần số truyền nhận OFDM 60 Hình 2.25: Sự cân nhánh đầu thu OFDM 61 Đồ án tốt nghiệp Trang xii Hình 2.26: Lƣới thời gian tần số với symbol tham chiếu biết trƣớc 62 Hình 2.27: Truyền đơn sóng mang băng rộng OFDM qua kênh lựa chọn tần số 63 Hình 2.28: Mã kênh kết hợp với xen tần số truyền OFDM 64 Hình 2.29: Phổ tín hiệu OFDM 5MHz phổ WCDMA 66 Hình 2.30: Kế hoạch đa truy nhập/đa ghép kênh ngƣời dùng 67 Hình 2.31: Phân chia ghép kênh ngƣời dùng 68 Hình 2.32: Kế hoạch truyền Broadcast 69 Hình 2.33: Truyền Broadcast Unicast 70 Hình 2.34: Sự tƣơng đƣơng truyền đồng thời truyền đa tuyến 71 Hình 2.35 Sơ đồ khối DFT-s-OFDM 72 Hình 2.36 Mơ hình SU-MIMO MU-MIMO 74 Hình 2.37 Hình minh họa MU-MIMO SU-MIMO 75 Hình 2.38 Các chế độ MIMO 75 Hình 2.39 Ghép kênh không gian 76 Hình 2.40 Bộ thu phát MIMO-OFDM 77 Hình 3.1 Vi du vê khối kêt tập sóng mang 84 Hình 3.2 Truyền dẫn đa điểm phối hợp 85 Hình 3.4 Sự tạo tín hiệu MC-CDMA cho ngƣời dùng 87 Hình 3.5: Nguyên tắc tạo tín hiệu MC-CDMA 88 Hình 3.7: Sơ đồ khối phát Multi-code CDMA kiểu truyền song song 90 Hình 3.8: Sơ đồ khối thu Multi-code CDMA kiểu truyền song song 91 Hình 3.9: Mơ hình phát thu hệ thống Multi-code CDMA kiểu 92 Hình 3.10: Mơ hình Multi-code CDMA tổng quát 93 Hình 3.11: Sự tạo tín hiệu rời rạc PMC-MC-CDMA 95 Hình 3.12: Sơ đồ rút gọn cho tạo tín hiệu rời rạc PMC-MC-CDMA 95 Hình 3.13: Sự tạo tín hiệu rời rạc MMC-MC-CDMA 96 Đồ án tốt nghiệp Trang 106  Lấy FFT 512 điểm đƣa tín hiệu miền tần số, điểm I: 30 25 20 15 10 -5 -10 -15 100 200 300 400 500 600  Giải ánh xạ sóng mang con, ta thu lại đƣợc 16 kí tự (K): -1 -2 -3 Chƣơng : Mô 10 15 Đồ án tốt nghiệp Trang 107  Thực giải điều chế 16QAM chuyển liệu từ song song sang nối tiếp, ta đƣợc 64 bit (L): 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 Chƣơng : Mô 10 20 30 40 50 60 70 Đồ án tốt nghiệp Trang 108 4.3 Mô hệ thống SCFDMA 10 user trƣờng hợp: cố định, di chuyển chậm (đi bộ), di chuyển nhanh (đi xe) Lựa chọn vấn đề 2: Chƣơng : Mô Đồ án tốt nghiệp Trang 109 Nhận xét: Trong trƣờng hợp user cố định (lí tƣởng), hệ thống đạt chất lƣợng tốt tức tỉ lệ lỗi bit Đối với trƣờng hợp user di chuyển nhanh (thực tế), hệ thống đạt chất lƣợng 4.4 So sánh hệ thống SC-FDMA MCMC-CDMA Giao diện so sánh hệ thống SC-FDMA MCMC-CDMA nhƣ hình dƣới Có lựa chọn kiểu điều chế:  16QAM  64QAM Chƣơng : Mô Đồ án tốt nghiệp Trang 110 Thực mô hai hệ thống với:  Số user=10  Mơi trƣờng Rayleigh fading có nhiễu Awgn  M= 16; 64 (số mức MCMC-CDMA kiểu điều chế SCFDMA) Kết quả: Chƣơng : Mô Đồ án tốt nghiệp Chƣơng : Mô Trang 111 Đồ án tốt nghiệp Trang 112 Nhận xét:  Đối với trƣờng hợp 16QAM: SNR=0:10, hệ thống MCMC-CDMA đạt hiệu suất tốt hệ thống SC-FDMA Nhƣng từ SNR=10 trở đi, hệ thống SC-FDMA đạt hiệu suất tốt  Đối với trƣờng hợp 64QAM: SNR=0:16, hệ thống MCMC-CDMA đạt hiệu suất tốt hệ thống SC-FDMA Nhƣng từ SNR=16 trở đi, hệ thống SC-FDMA đạt hiệu suất tốt Chƣơng : Mô Đồ án tốt nghiệp Trang 113 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận Đề tài tìm hiểu công nghệ 4G LTE LTE phát triển nhằm đƣa so sánh phƣơng thức truyền hệ thống LTE LTE phát triển, cụ thể so sánh hiệu suất hệ thống MIMO-OFDM (tuyến xuống) SC-FDMA (tuyến lên) với hệ thống MCMC-CDMA_phƣơng thức truyền đƣợc đƣa LTE phát triển Tuy nhiên, thời gian có hạn nhƣ khả ngƣời thực hạn chế mà đề tài dừng lại mức độ tìm hiểu LTE thực so sánh SC-FDMA với MCMC-CDMA 5.2 Hƣớng phát triển đề tài Nghiên cứu thực mô để so sánh hệ thống MIMO-OFDM với MCMC-CDMA, thực với MIMO 2x2, từ mở rộng với MIMO 4x4, 8x8 Chƣơng : Kết luận hƣớng phát triển đề tài Đồ án tốt nghiệp Chƣơng : Kết luận hƣớng phát triển đề tài Trang 114 PHẦN C: PHỤ LỤC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO TỪ VIẾT TẮT Kí hiệu Từ viết tắt 1G One Generation Cellular 2G Second Generation Cellular 3G Third Generation Cellular 4G Four Generation Cellular 3GPP Third Generation Patnership Project A ACK AMPS AuC Acknowledgement Advance Mobile Phone System Authentication Centre B BCCH BCH BW CDMA Broadcast Control Channel Broadcast Channel Band Width C Code Division Multiple Access CP Cycle Prefix D D-AMPS Digital Advance Mobile Phone System E eNodeB EPC EPS E-UTRAN Enhanced NodeB Evolved Packet Core Evolved Packet System Evolved-UTRAN F FDD FTP Frequency Division Duplex File Transfer Protocol G GSM GPRS Global System for Mobile Phone General Packet Radio Service H HLR HSDPA HSDPA HSS Home Location Register High Speed Downlink Packet Access High Speed Uplink Packet Access Home Subscriber Server I ITU IMT International Telecommunication Union International Mobile Telecommunication L LTE Long Term Evolution M MAC MBMS Medium Access Control Multimedia Broadcast Multicast Service MC-MC-CDMA Multicode Multicarrier Code Devision Multiple Access MIMO Multiple Input Multiple Output MME Mobility Management Entity MU-MIMO Multi User – MIMO N NAS NMT OFDM OFDMA PBCH PCCH PCRF PDC PDCCH PDCP PDSCH PDN PLMN PUCCH PUSCH QoS RAN RLC RNC RRC SC-FDMA SAE S-GW Non-Access Stratum Nordic Mobile Telephone O Orthogonal Frequency Division Multiple Orthogonal Frequency Division Multiple Access P Physical Broadcast Channel Paging Control Channel Policy Control Charging Rules Function Personal Digital Cellular Physical Downlink Control Channel Packet Data Convergence Protocol Physical Downlink Shared Channel Packet Data Network Public Land Mobile Network Physical Uplink Control Channel Physical Uplink Shared Channel Q Quality of Service R Radio Access Network Radio Link Control Radio Network Core Radio Resource Control S Single Carrier-Frequency Division Multiple Access System Architecture Evolution Serving Gateway SGSN SMS SDMA TACS TDD UE UMTS UTRAN WCDMA Serving GPRS Support Node Short Message Service Spatial Division Multiple Access T Total Access Communication System Time Division Duplex U User Equipment Ultra Mobile Broadband UTMS Terrestrial Radio Access Networks W Wideband Code Division Multiple Access TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]Stefania Sesia, Issam Toufik and Matthew Baker; LTE-The UMTS Long Term Evolution : From Theory to Practice; 2009 John Wiley & Sons, Ltd [2].Harri Holma and Antti Toskala both of Nokia Siemens Netwworks, Filand; LTE for UMTS-OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access; John Wiley & Sons, Ltd [3].Harri Holma and Antti Toskala both of Nokia, Filand; WCDMA for UMTSHSPA Evolution and LTE; John Wiley & Sons, Ltd 2007 [4] Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold and Per Beming; 3G Evolution HSPA and Mobile Broadband, 2007 [5 ]LTE Uplink Physical Layer Behavioural Model, Roke [6]Hyung G.Myung, Junsung Lim and David J.Goodman, Polytechnic University Single carrier FDMA for Uplink Wireless Transmission [7] Martin Sauter;Beyond 3G Bringing netwwork Terminal and the web together , 2009 [8]www.wikipedia.com ... tuyến băng rộng công nghệ LTE, công nghệ tiền 4G Việt Nam Đơng Nam Á Để hịa nhập với xu chung, ngƣời thực chọn đề tài “ Hệ thống thông tin di động hệ thứ theo công nghệ LTE LTE phát triển? ?? để có... TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động 1.1.1 Thế hệ 1G (First Generation) Đây hệ thống thông tin di động tƣơng tự sử dụng phƣơng thức đa truy... 1.2 Công nghệ 4G CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG 4G LTE 13 2.1 Tổng quan 13 2.1.1 Giới thiệu công nghệ LTE 13 2.1.2 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax triển