Đề tài: CÔNG NGHỆ MẠNG 4G pot

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN MẠNG KHÔNG DÂY ĐỀ TÀI: CÔNG NGHỆ MẠNG 4G Giảng viên hướng dẫn Sinh viên thực Lớp Khoá : DHTH7BLT : 07 : MAI XUÂN PHÚ : NGUYỄN THẾ VŨ LÊ ĐÌNH THỚI TỪ KỶ - 11276371 - 11320781 - 11262121 TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012 MỤC LỤC Lời nói đầu Ngành công nghệ phát triển ngoạn mục năm gần Khi đời công nghệ 3G chưa kịp khằng định vị tồn cầu, người ta bắt đầu nói công nghệ 4G (Fourth Generation) từ nhiều năm gần Thế nhưng, nói cách xác 4G gì? Liệu có định nghĩa thống cho hệ Ngược dòng thời gian Trong thập kỷ qua, giới chứng kiến thành công to lớn mạng thông tin di động hệ thứ hai 2G thành công mạng 2G dịch vụ tiện ích mà mạng lại cho người dùng, tiêu biểu chất lượng thoại khả di động.Tiếp nối hệ thứ 2, mạng thông tin di động hệ thứ ba 3G triển khai nhiều nơi giới Cải tiến bật mạng 3G so với Mạng 2G khả cung ứng truyền thơng gói tốc độ cao nhằm triển khai dịch vụ truyền thông đa phương tiện Tuy nhiên, có số nhược điểm như: chưa đáp ứng yêu cầu khách hàng tốc độ truyền liệu lớn 2Mbps, khả đáp ứng dịch vụ thời gian thực hội nghị truyền hình chưa cao, khó việc download file liệu lớn,…chưa đáp ứng yêu cầu như: khả tích hợp với mạng khác (Ví dụ: WLAN, WiMAX,…) chưa tốt, tính mở mạng chưa cao, đưa dịch vụ vào mạng gặp khó khăn tốc độ mạng thấp, tài nguyên băng tần ít… Trong bối cảnh người ta chuyển hướng sang nghiên cứu hệ thống thơng tin di động có tên gọi 4G Sự đời hệ thống mở khả tích hợp tất dịch vụ, cung cấp băng thông rộng, dung lượng lớn, truyền dẫn liệu tốc độ cao, cung cấp cho người sử dụng hình ảnh video màu chất lượng cao, trò chơi đồ hoạ 3D linh hoạt, dich vụ âm số Việc phát triển công nghệ giao thức đầu cuối dung lượng lớn, dịch vụ gói liệu tốc độ cao, công nghệ dựa tảng phần mềm cơng cộng mang đến chương trình ứng dụng download, công nghệ truy nhập vô tuyến đa mode, cơng nghệ mã hố media chất lượng cao mạng di động Tuy nhiên, đặc tính hàng đầu kỳ vọng mạng 4G cung cấp khả kết nối ABC (Always Best Connected - kết nối tốt nhất) Để thỏa mãn điều đó, mạng 4G mạng hỗn hợp, bao gồm nhiều cơng nghệ mạng khác nhau, kết nối, tích hợp toàn IP Thiết bị di động 4G đa công nghệ (multi-technology), đa chức (multi-mode) để kết nối với nhiều loại mạng truy nhập khác Phần 1:Giới thiệu hệ thống thông tin di động Thông tin di động lĩnh vực vô quan trọng đời sống văn hóa người kỷ 21 nay, hệ thống thông tin di động trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ hệ di động hệ đến hệ hệ phát triển giới hệ 1 Sự phát triển hệ thống thông tin di động Khi ngành thông tin quảng bá vơ tuyến phát triển ý tưởng thiết bị điện thoại vô tuyến đời tiền thân mạng thông tin di động sau Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến thử nghiệm ST Louis, bang Missouri Mỹ Sau năm 50, việc phát minh chất bán dẫn ảnh hưởng lớn đến lĩnh vực thông tin di động Ứng dụng linh kiện bán dẫn vào thông tin di động cải thiện số nhược điểm mà trước chưa làm Thuật ngữ thông tin di động tế bào đời vào năm 70, kết hợp vùng phủ sóng riêng lẻ thành cơng, giải tốn khó dung lượng Lộ trình phát triển hệ thống thơng tin di động tế bào Hệ thống thông tin di động hệ (1G) Sự khởi đầu giản đơn (chỉ có chức nghe gọi) 1G chữ viết tắt công nghệ điện thoại không dây hệ (1st Generation) Các điện thoại chuẩn analog sử dụng cơng nghệ 1G với tín hiệu sóng analog giới thiệu thị trường vào năm 1980 Một công nghệ 1G phổ biến NMT (Nordic Mobile Telephone) sử dụng nước Bắc Âu, Tây Âu Nga Cũng có số cơng nghệ khác AMPS (Advanced Mobile Phone System - hệ thống điện thoại di động tiên tiến) sử dụng Mỹ Úc; TACS (Total Access Communication System - hệ thống giao tiếp truy cập tổng hợp) sử dụng Anh, C-45 Tây Đức, Bồ Đào Nha Nam Phi Điểm yếu 1G là: dung lượng thấp, xác suất rớt gọi cao, khả chuyển gọi không tin cậy, chất lượng âm kém, khơng có chế độ bảo mật… Khi số lượng thuê bao mạng ngày tăng lên, nhà nghiên cứu nhận thấy cần có biện pháp nâng cao dung lượng mạng, chất lượng thoại thêm dịch vụ bổ sung cho mạng Người ta nghĩ đến việc số hóa hệ thống điện thoại di động dẫn đến đời hệ thống di động thứ Hệ thống thông tin di động hệ (2G) Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) giới đời châu Âu có tên gọi GSM Với phát triển nhanh chóng thuê bao, hệ thống thông tin di động hệ lúc đáp ứng kịp thời số lượng lớn thuê bao di động dựa công nghệ số Hệthống 2G hấp dẫn hệ thống 1G ngồi dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống cịn có khả cung cấp số dịch vụ truyền liệu dịch vụ bổ sung khác Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động số GSM đưa vào từ năm 1993, Công ty VMS GPC khai thác hiệu với hai mạng thông tin di động số VinaPhone MobiFone theo tiêu chuẩn GSM Tất hệ thống thông tin di động hệ sử dụng kỹ thuật điều chế số Và chúng sử dụng phương pháp đa truy cập: Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access - TDMA): phục vụ gọi theo khe thời gian khác Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA): phục vụ gọi theo chuỗi mã khác Hệ thống thông tin di động hệ (3G) Hệ thống thông tin di động chuyển từ hệ sang hệ qua giai đoạn trung gian hệ 2, sử dụng cơng nghệ TDMA kết hợp nhiều khe nhiều tần số sử dụng cơng nghệ CDMA chồng lên phổ tần hệ hai không sử dụng phổ tần mới, bao gồm mạng đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE CDMA2000-1x Ở hệ thứ hệ thống thông tin di động có xu hồ nhập thành tiêu chuẩn có khả phục vụở tốc độ bit lên đến Mbit/s Để phân biệt với hệ thống thông tin di động băng hẹp nay, hệ thống thông tin di động hệ gọi hệ thống thông tin di động băng rộng Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động hệ IMT-2000 đề xuất, hệ thống W-CDMA CDMA2000 ITU chấp thuận đưa vào hoạt động năm đầu thập kỷ 2000 Các hệ thống sử dụng công nghệ CDMA, điều cho phép thực tiêu chuẩn toàn giới cho giao diện vô tuyến hệ thống thông tin di động hệ 1.5 Thế hệ mạng di động tiền 4G Hai công nghệ xem tiền 4G chuẩn Wimax2 (802.11m) Long Term Evolution (LTE) chưa đáp ứng chuần 4G cho phép truyền tải tốc độ 100 Megabyte/s di chuyển tới Gb/s đứng yên Về chất, Wimax2 tiêu chuẩn phát triển IEEE LTE sản phẩm 3GPP, phận liên minh nhà mạng cung cấp dịch vụ GSM Cả hai tiêu chuẩn Wimax2 LTE sử dụng công nghệ ăng-ten tiên tiến nhằm cải thiện khả tiếp nhận thực hiện, nhiên lại hoạt động băng tần khác Long Term Evolution (LTE) : công nghệ di động phát triển chuẩn hóa 3GPP , LTE phát hành không thực đầy đủ yêu cầu IMTAdvanced LTE có tốc độ bit net lý thuyết 100 Mbit/s cho download 50 Mbit/s cho upload WiMax-2 : phát triển IEEE (IEEE 802.16m) , WiMax cung cấp khả kết nối Internet không dây nhanh so với WiFi, tốc độ up down cao hơn, sử dụng nhiều ứng dụng hơn, quan trọng vùng phủ sóng rộng hơn, khơng bị ảnh hưởng địa hình WiMAX thay đổi cách tự động phương thức điều chế để tăng vùng phủ cách giảm tốc độ truyền ngược lại ,có tốc độ bit net lý thuyết 128 Mbit/s cho download 64 Mbit/s cho upload 1.6 Công nghệ không dây hệ thứ nghiên cứu hứa hẹn chuẩn tương lai thiết bị không dây , Các dịch vụ di động 4G với khả cung cấp băng thông rộng, dung lượng lớn, truyền dẫn liệu tốc độ cao, cung cấp cho người sử dụng hình ảnh video màu chất lượng cao, trò chơi đồ hoạ 3D linh hoạt, dịch vụ âm số Với xuất mạng 4G, giải : • Hỗ trợ dịch vụ tương tác đa phương tiện: truyền hình hội nghị, Internet khơng dây • Băng thơng rộng • Tính di động tồn cầu tính di chuyển dịch vụ • Hạ giá thành • Tăng độ khả dụng hệ thống thông tin di động Một số công nghệ quan trọng 4G : OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access : OFDM công nghệ cho phép tăng độ rộng ký hiệu truyền dẫn dung sai đa đường lớn nhiều so với kỹ thuật sử dụng trước đây, cho phép khắc phục nhược điểm kỹ thuật đơn sóng mang OFDMA kỹ thuật đa truy cập vào kênh truyền OFDM ,một dạng cải tiến OFDM Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA chia băng tần thành băng con, băng sóng mang Khác với OFDM, OFDMA trạm th bao khơng sử dụng tồn khơng gian sóng mang mà khơng gian sóng mang chia cho nhiều thuê bao sử dụng lúc Mỗi trạm thuê bao cấp vài sóng mang gọi kênh hố Khi trạm thuê bao không sử dụng hết không gian sóng mang tất cơng suất phát trạm gốc tập trung vào số sóng mang sử dụng Trong trình truyền dẫn trạm thuê bao cấp phát kênh riêng MIMO - Multiple Input Multiple Output : MIMO công nghệ truyền thơng khơng dây, đầu nhận lẫn đầu phát tín hiệu sử dụng nhiều anten để tối ưu hóa tốc độ truyền nhận liệu, đồng thời giảm thiểu lỗi nhiễu sóng, tín hiệu…MIMO tận dụng dội lại sóng “đụng” phải chướng ngại đường truyền khiến chúng đến đầu nhận tín hiệu nhiều đường khác Nói tóm lại, MIMO kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát nhiều anten thu để truyền nhận liệu Ưu điểm: gia tăng tốc độ đường truyền liệu mở rộng tầm phủ sóng băng thơng, giảm chi phí truyền tải Công nghệ MIMO cho phép đầu nhận phân loại tín hiệu nhận tín hiệu Trong việc truyền thơng sóng vơ tuyến, chướng ngại vật đường truyền từ đầu phát đến đầu nhận tòa nhà cao ốc, dây điện cấu trúc khác khu vực làm cho sóng bị phản xạ khúc xạ Những yếu tố làm cho sóng bị nhiễu, yếu hẳn Trong truyền thông kỹ thuật số, yếu tố làm giảm tốc độ truyền chất lượng liệu Trong công nghệ MIMO đầu phát sóng sử dụng nhiều anten để truyền sóng theo nhiều đường khác nhằm tăng lưu lượng thông tin Dữ liệu truyền sau tập hợp lại đầu nhận theo định dạng ấn định Điều tương tự đôi tai tiếp nhận đủ thứ âm từ bên ngoài, sau não lọc, phân loại âm Các sản phẩm Wifi sử dụng cơng nghệ MIMO nhiều nhà sản xuất quan tâm chúng có khả cải thiện tốc độ truyền liệu, tầm phủ sóng độ tin cậy Sự khác 3G 4G Hiện nay, công nghệ 3G cho phép truy cập Internet không dây gọi có hình ảnh 4G phát triển thuộc tính kế thừa từ cơng nghệ 3G Về mặt lý thuyết, mạng không dây sử dụng công nghệ 4G có tốc độ nhanh mạng 3G từ đến 10 lần Tốc độ tối đa 3G tốc độ tải xuống 14Mbps 5.8Mbps tải lên Với cơng nghệ 4G, tốc độ có thểđạt tới 100Mbps người dùng di động 1Gbps người dùng cốđịnh 3G sử dụng dải tần quy định quốc tế cho UL : 1885-2025 MHz; DL : 21102200 MHz; với tốc độ từ 144kbps-2Mbps, độ rộng BW: MHz.Đối với 4G LTE Hoạt động băng tần : 700 MHz-2,6 GHz với mục tiêu tốc độ liệu cao, độ trễ thấp, công nghệ truy cập sóng vơ tuyến gói liệu tối ưu Tốc độ DL :100Mbps( BW 20MHz), UL : 50 Mbps với aten thu anten phát Độ trễ nhỏ 5ms với độ rộng BW linh hoạt ưu điểm LTE so với WCDMA, BW từ 1.25 MHz, 2.5 MHz, MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 MHz Hiệu trải phổ tăng lần tăng 10 lần số người dùng/cell so với WCDMA Phần 2: Công nghệ LTE LTE (Long Term Evolution), hệ thống công nghệ phát triển từ 3GPP , thuộc họ công nghệ GSM/UMTS (WCDMA, HSPA) nghiên cứu, thử nghiệm để tạo nên hệ thống truy cập băng rộng di động hệ mới, hướng đến hệ thứ - 4G LTE sử dụng tần số cách linh động, hoạt động băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz 20 MHz Tốc độ truyền liệu lớn (về lý thuyết) LTE đạt tới 250 Mb/s độ rộng băng tần 20 MHz Quá trình phát triển LTE • Chuẩn LTE phiên Release 3GPP vào tháng 12 năm 2008 dựa vào tảng công nghệ viễn thông GSM (Global System for Mobile Communications) • Chuẩn LTE: hệ thứ UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), tốc độ truyền liệu cao, độ trễ thấp công nghệ truy cập sóng vơ tuyến gói liệu tối ưu • Chuẩn LTE-Advanced (3/2011): bước chuyển lớn LTE, LTE Advanced tương thích với thiết bị LTE phiên cũ, dùng chung băng tần với LTE phiên cũ Yêu cầu LTE  Tốc độ tối đa (peak data rate)  100 Mbps tải xuống, 50 Mbps tải lên băng thông kênh truyền 20 MHz  Hỗ trợ lên đến 200 người dùng hoạt động cell (5 MHz)  Tính lưu động  Tối ưu hóa từ ~ 15 km/h  Hiệu suất cao khoảng 15 ~ 120 km/h  Hỗ trợ lên đến 350 km/h chí lên đến 500 km/h  Tăng cường dịch vụ phát sóng đa phương tiện (E-MBMS)  Độ trải phổ linh hoạt: 1,25 ~ 20 MHz  Tăng cường hỗ trợ chất lượng dịch vụ đế người dùng đầu cuối Kỹ thuật sử dụng LTE  OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)  Frequency domain equalization  SC-FDMA (Single Carrier FDMA)  MIMO (Multi-Input Multi-Output)  Multicarrier channel-dependent resource scheduling  Fractional frequency reuse Chuẩn kỹ thuật LTE • eNB: Bastion host • MME (Mobility Management Entity): chịu trách nhiệm xử lý chức mặt điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao quản lý phiên • S-GW: vị trí kết nối giao tiếp liệu gói với E-UTRAN Nó cịn hoạt động node định tuyến đến kỹ thuật 3GPP khác • P-GW (Packet Data Network): điểm đầu cuối cho phiên hướng mạng liệu gói bên ngồi Nó Router đến mạng Internet Chức mạng truy nhập vơ tuyến: -Có khả tích hợp thiết bị đầu cuối -Đảm bảo tốc độ dịch vụ Chức mạng lõi: -Kết nối mạng khác nhau: mạng khơng dây mạng có dây -Truyền tải traffic tuyến từ nơi gửi đến đích an toàn -Định tuyến lưu lượng -Chuyển đổi dạng liệu tất IP Chức điều khiển: -Cung cấp tảng hạ tầng kết nối mạng dịch vụ -Điều khiển hệ thống: + Báo hiệu + Lưu lượng + Bảo mật (Security) + Billing + Mobity Roaming Dịch vụ: Cung cấp dịch vụ sử dụng cho người dùng Phần 3: Tóm tắt  Ưu điểm bật • • Tăng hiệu sử dụng phổ giảm thời gian trễ • Cấu trúc mạng sẽđơn giản hơn, khơng cịn chuyển mạch kênh • Hiệu trải phổ tăng lần tăng 10 lần user/cell so với WCDMA •  Tốc độ liệu cao nhiều lần so với 3G Độ rộng băng tần linh hoạt ưu điểm quan trọng LTE WCDMA Các ứng dụng tạo nên ưu điểm 4G LTE so với 3G Tốc độ liệu cao : Phát nhiều dòng liệu độc lập song song qua anten riêng lẻ => tăng tốc độ liệu (sử dụng MIMO) Độ trễ thấp Thời gian cài đặt thời gian trì hỗn chuyển tiếp ngắn Trễ HO thời gian ngắt ngắn : TTI ngắn, trạng thái RRC đơn giản Giá thành rẻ Cấu trúc mạng đơn giản, giảm thành phần mạng Chất lượng dịch vụ cao Sử dụng tần số cấp phép đểđảm bảo chất lượng dịch vụ : LTE sử dụng dải tần số khác : 2100 MHz, 1900 MHz, 1700 MHz, 2600 MHz, 900 MHz, 800 MHz Giảm độ trễ hồi đáp ( round trip delay) Tần số tái sử dụng linh hoạt Giảm nhiễu liên cell với tần số tái sử dụng lớn Sử dụng hai dải tần số: Dải : hệ số tái sử dụng lớn => cơng suất phát cao Dải : phổ cịn lại - Các user cạnh cell : sử dụng dải => SIR tốt Các user trung tâm cell : sử dụng toàn băng => tốc độ liệu cao Dung lượng vùng bao phủ WCDMA UL bị giới hạn can nhiễu: can nhiễu bên cell can nhiễu liên cell Nhưng LTE : tính trực giao nên can nhiễu cell khơng xét đến giảm can nhiễu inter-cell tái sử dụng cục bộ, thêm anten triệt can nhiễu  ... cơng nghệ mã hố media chất lượng cao mạng di động Tuy nhiên, đặc tính hàng đầu kỳ vọng mạng 4G cung cấp khả kết nối ABC (Always Best Connected - kết nối tốt nhất) Để thỏa mãn điều đó, mạng 4G mạng. .. hỗn hợp, bao gồm nhiều công nghệ mạng khác nhau, kết nối, tích hợp tồn IP Thiết bị di động 4G đa công nghệ (multi-technology), đa chức (multi-mode) để kết nối với nhiều loại mạng truy nhập khác... cơng nghệ phát triển ngoạn mục năm gần Khi đời công nghệ 3G chưa kịp khằng định vị tồn cầu, người ta bắt đầu nói cơng nghệ 4G (Fourth Generation) từ nhiều năm gần Thế nhưng, nói cách xác 4G gì?