Báo cáo mạng di động 4g LTE

Báo cáo mạng di động 4g LTE Hệ thống viễn thôngViện điện tử viễn thôngĐH Bách Khoa Hà Nội

MỞ ĐẦU

Công nghệ viễn thông đã c ó n h ữ n g p h á t t r i ể n v ư ợ t b ậ c trong những năm gần đây Khi mà công nghệ mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G chưa có đủ thời gian để khẳng định vị thế của mình trên toàn cầu, người ta đã bắt đầu nói về công nghệ 4G (Fourth Generation)

Từ thế hệ mạng di động đầu tiên 1G ,trong hơn một thập kỷ qua, thế giới đã chứng kiến sự thành công to lớn của mạng thông tin di động thế hệ thứ hai 2G Mạng 2G có thể phân ra 2 loại: mạng 2G dựa trên nền TDMA và mạng 2G dựa trên nền CDMA

Sau đó mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G đã và đang được triển khai nhiều nơi trên thế giới Cải tiến nổi bật nhất của mạng 3G so với mạng 2G là khả năng cung ứng truyền thông gói tốc độ cao nhằm triển khai các dịch vụ truyền thông đa phương tiện Mạng 3G bao gồm mạng UMTS sử dụng kỹthuật WCDMA, mạng CDMA2000 sử dụng kỹ thuật CDMA và mạng TD-SCDMA được phát triển bởi Trung Quốc

Trong giai đoạn hiện tại, khái niệm về mạng di đông thứ tư 4G đã tồn tại và hình thành các chuẩn kĩ thuật với mục đích người sử dụng có thể truy cập tất cả các dịch

vụ mọi lúc mọi nơi trong khi vẫn di chuyển: xem phim chất lƣợng cao HDTV, điện thoại thấy hình, chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu v.v… với một tốc

độ “siêu tốc” Mạng 4G được triển dựa trên cơ sở hạ tầng của mạng di động 3G , giai

đoạn đầu của quá trình được gọi thế hệ “mạng di động tiền 4G LTE” Đây là một

công nghệ mới đang được triển khai thí điểm ở một số quốc gia trên thế giới, tại Việt Nam cũng đang được thử nghiệm bởi Viettel…

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G

Hệ thống thông tin di động 3G là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 , là thế

hệ phát triển sau hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) và hệ thống thông tin

di động thế hệ thứ hai (2G)

Chuẩn IMT-2000 (International Mobil Telecommunication -2000) cho hệ thống 3G được đưa ra bởi ITU năm 1992 với các ưu điểm :

• Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao

• Các dịch vụ tin nhắn (e-mail, fax, SMS, chat, )

• Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, xem truyền hình, nghe nhạc, )

• Truy nhập Internet (duyệt Web, tải tài liệu, )

• Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương thích toàn cầu giữa các hệ thống

IMT-2000 có khả năng cung cấp băng thông 2Mbps, nhưng thực tế triển khai chỉ

ra rằng với băng thông này việc chuyển giao rất khó, vì vậy chỉ có những người sử dụng không di động mới được đáp ứng băng thông kết nối này, còn khi đi bộ băng thông sẽ là 384 Kbps, khi di chuyển bằng ô tô sẽ là 144Kbps

1.1 UMTS (W-CDMA)

UMTS (Universal Mobile Telephone System), dựa trên công nghệ W-CDMA, là giải pháp được ưa chuộng cho các nước đang triển khai các hệ thống GSM muốn chuyển lên 3G UMTS được hỗ trợ bởi Liên Minh Châu Âu và được quản lý bởi 3GPP tổ chức chịu trách nhiệm cho các công nghệ GSM, GPRS UMTS hoạt động ở băng thông 5MHz , cho phép các cuộc gọi có thể chuyển giao một cách hoàn hảo giữa các hệ thống UMTS và GSM đã có Đặc điểm của WCDMA :

• WCDMA sử dụng kênh truyền dẫn 5 MHz để chuyển dữ liệu Nó cũng cho phép việc truyền dữ liệu ở tốc độ 384 Kbps trong mạng di động và 2 Mbps trong hệ thống tĩnh

• Kết cấu phân tầng: Hệ thống UMTS dựa trên các dịch vụ được phân tầng, không giống như mạng GSM Ở trên cùng là tầng dịch vụ, đem lại những ưu điểm như triển khai nhanh các dịch vụ, hay các địa điểm được tập trung hóa Tầng giữa là tầng điều khiển, giúp cho việc nâng cấp các quy trình và cho phép mạng lưới có thể được phân chia linh hoạt Cuối cùng là tầng kết nối, bất kỳ công nghệ truyền dữ liệu nào cũng có thể được sử dụng và dữ liệu âm thanh sẽ được chuyển qua ATM/AAL2 hoặc IP/RTP

• Tần số: hiện tại có 6 băng sử dụng cho UMTS/WCDMA, tập trung vào

UMTS tần số cấp phát trong 2 băng đường lên (1885 MHz– 2025 MHz) và đường xuống (2110 MHz – 2200 MHz).

Sự phát triển của WCDMA lên 3.5G là HsxPA

1 2 CDMA 2000

Một chuẩn 3G quan trọng khác là CDMA2000, chuẩn này là sự tiếp nối đối với các hệ thống đang sử dụng công nghệ CDMA trong thế hệ 2 CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2, một tổ chức độc lập và tách rời khỏi 3GPP của UMTS CDMA2000 có tốc độ truyền dữ liệu từ 144Kbps đến Mbps

sở tương thích với giao thức của mạng lõi GSM (GSM MAP), một hệ thống chiếm tới 65% thị trường thế giới Còn CDMA 2000 nhằm tuơng thích với mạng lõi IS-41, hiện chiếm 15% thị trường

CHƯƠNG II : CẤU TRÚC MẠNG LTE 2.1 Công nghệ LTE

Hệ thống LTE phát triển trên nền tảng GSM/UTMS , là một trong những công

nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G (hệ thống tiền 4G) Kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu cung cấp lưu lượng chuyển mạch gói với dịch vụ chất lượng, độ trễ tối thiểu Hệ thống sử dụng băng thông linh hoạt nhờ vào mô hình đa truy cập OFDMA và SC-FDMA Thêm vào đó, FDD (Frequency Division Duplexing) và TDD (Time Division Duplexing), bán song công FDD cho phép các UE có giá thành thấp Không giống như FDD, bán song công FDD không yêu cầu phát và thu tại cùng thời điểm Điều này làm giảm giá thành cho bộ song công trong UE Truy cập tuyến lên dựa vào đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang (Single Carrier Frequency Division multiple Access SC-FDMA) cho phép tăng vùng phủ tuyến lên làm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình thấp (Peak-to-Average Power Ratio PAPR) so với OFDMA Khi cải thiện tốc độ dữ liệu đỉnh, hệ thống LTE sử dụng hai đến bốn lần hệ số phổ cell so với hệ thống HSPA Release 6.

Đặc tính cơ bản của hệ thống LTE :

-Tính di động : Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15 km/h nhưng vẫn hoạt động tốt với tốc

độ di chuyển từ 15-120 km/h, có thể lên đến 500 km/h tùy băng tần

• Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS.

• VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng UTMS

Ghép kênh không gian 1 lớp cho UL/UE

Lên đến 4 lớp cho DL/UE

Sử dụng MU-MIMO cho UL và DL

2.2 Cấu trúc của LTE.

Sự khác nhau giữa SAE và LTE

Trước tiên ta xem sự khác nhau về cấu trúc của UTMS và LTE Song song với truy nhập vô tuyến LTE, mạng gói lõi cũng đang cải tiến lên cấu trúc tầng SAE Cấu trúc mới này được thiết kế để tối ưu hiệu suất mạng, cải thiện hiệu quả chi phí

và thuận tiện thu hút phần lớn dịch vụ trên nền IP

Mạng truy nhập vô tuyến RAN (Radio Access Network): mạng truy nhập vô tuyến của LTE được gọi là E-UTRAN và một trong những đặc điểm chính của nó là tất cả các dịch vụ, bao gồm dịch vụ thời gian thực, sẽ được hỗ trợ qua những kênh gói được chia sẻ Phương pháp này sẽ tăng hiệu suất phổ, làm cho dung lượng hệ thống trở nên cao hơn Một kết quả quan trọng của việc sử dụng truy nhập gói cho tất cả các dịch vụ là sự tích hợp cao hơn giữa những dịch vụ đa phương tiện và giữa những dịch vụ cố định và không dây

Có nhiều loại chức năng khác nhau trong mạng tế bào Dựa vào chúng, mạng có

thể được chia thành hai phần: mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi Những chức năng như điều chế, nén, chuyển giao thuộc về mạng truy nhập Còn những chức năng khác như tính cước hoặc quản lý di động là thành phần của mạng lõi Với LTE, mạng truy nhập là E-UTRAN và mạng lõi là EPC.

Mục đích chính của LTE là tối thiểu hóa số node Vì vậy, người phát triển đã chọn một cấu trúc đơn node Trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong mạng truy nhập vô tuyến WCDMA/HSPA, và vì vậy được gọi là eNodeB (Enhance Node B) Những eNodeB có tất cả những chức năng cần thiết cho mạng truy nhập vô tuyến LTE, kể cả những chức năng liên quan đến quản lý tài nguyên vô tuyến

Giao diện vô tuyến sử dụng trong E-UTRAN bây giờ chỉ còn là S1 và X2 Trong đó S1 là giao diện vô tuyến kết nối giữa eNodeB và mạng lõi S1 chia làm hai loại là S1-U là giao diện giữa eNodeB và SAE –GW và S1-MME là giao diện giữa eNodeB và MME X2 là giao diện giữa các eNodeB với nhau

Mạng lõi: mạng lõi mới là sự mở rộng hoàn toàn của mạng lõi trong hệ thống 3G, và

nó chỉ bao phủ miền chuyển mạch gói Vì vậy, nó có một cái tên mới : Evolved Packet Core (EPC)

Cùng một mục đích như E-UTRAN, số node trong EPC đã được giảm EPC chia luồng dữ liệu người dùng thành mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển Một node cụ thể được định nghĩa cho mỗi mặt phẳng, cộng với Gateway chung kết nối mạng LTE với internet và những hệ thống khác EPC gồm có một vài thực thể chức năng

- MME (Mobility Management Entity): chịu trách nhiệm xử lý những chức năng mặt bằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao và quản lý phiên

- Gateway dịch vụ (Serving Gateway): là vị trí kết nối của giao tiếp dữ liệu gói với UTRAN Nó còn hoạt động như một node định tuyến đến những kỹ thuật 3GPP khác.

E PE Gateway (Packet Data Network): là điểm đầu cuối cho những phiên hướng về mạng dữ liệu gói bên ngoài Nó cũng là Router đến mạng Internet

- PCRF (Policyand Charging Rules Function): điều khiển việc tạo ra bảng giá và cấu hình hệ thống con đa phương tiện IP IMS (the IP Multimedia Subsystem) cho mỗi người dùng

- HSS (Home Subscriber Server): là nơi lưu trữ dữ liệu của thuê bao cho tất cả dữ liệu của người dùng Nó là cơ sở dữ liệu chủ trung tâm trong trung tâm của nhà khai thác

Các miền dịch vụ bao gồm IMS (IP Multimedia Sub-system) dựa trên các nhà khai thác, IMS không dựa trên các nhà khai thác và các dịch vụ khác IMS là một kiến trúc mạng nhằm tạo sự thuận tiện cho việc phát triển và phân phối các dịch

vụ đa phương tiện đến người dùng, bất kể là họ đang kết nối thông qua mạng truy nhập nào IMS hỗ trợ nhiều phương thức truy nhập như GSM, UMTS, CDMA2000, truy nhập hữu tuyến băng rộng như cáp xDSL, cáp quang, cáp truyền hình, cũngnhư truy nhập vô tuyến băng rộng WLAN, WiMAX IMS tạo điều kiện cho các hệ thống mạng khác nhau có thể tương thích với nhau IMS hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích cho cả người dùng lẫn nhà cung cấp dịch vụ Nó đã và đang được tập trung nghiên cứu cũng như thu hút được sự quan tâm lớn của giới công nghiệp Tuy nhiên IMS cũng gặp phải những khó khăn nhất định và cũng chưa thật sự đủ độ chín để thuyết phục các nhà cung cấp mạng đầu từ triển khai nó Kiến trúc IMS được cho là khá phức tạp với nhiều thực thể và vô số các chức năng khác nhau

Cấu trúc LTE liên kết với mạng khác:

Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập 3GPP

Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập3GPP và không phải 3GPP

Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập3GPP và liên mạng với CDMA 2000

2.3 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN

Kênh vật lý : các kênh vật lý sử dụng cho dữ liệu người dùng bao gồm:

-PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) : phụ tải có ích (payload)

-PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) : PUSCH được dùng để mang dữ liệu

người dùng Các tài nguyên cho PUSCH được chỉ định trên một subframe cơ bản bởi việc lập biểu đường lên Các sóng mang được chỉ định là 12 khối tài nguyên (RB) và có thể nhảy từ subframe này đến subframe khác PUSCH có thể dùng các kiểu điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM

-PUCCH(Physical Uplink Control Channel): có chức năng lập biểu, ACK/NAK

-PDCCH(Physical Downlink Control Channel): lập biểu, ACK/NAK

-PBCH(Physical Broadcast Channel): mang các thông tin đặc trưng của cell

Kênh logic : được định nghĩa bởi thông tin nó mang bao gồm:

-Kênh điều khiển quảng bá (BCCH) : Được sử dụng để truyền thông tin điều khiển

hệ thống từ mạng đến tất cả máy di động trong cell Trước khi truy nhập hệ thống, đầu cuối di động phải đọc thông tin phát trên BCCH để biết được hệ thống được lập cấu hình như thế nào, chẳng hạn băng thông hệ thống

-Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH) : được sử dụng để tìm gọi các đầu cuối di động

vì mạng không thể biết được vị trí của chúng ở cấp độ ô và vì thế cần phát các bản tin tìm gọi trong nhiều ô (vùng định vị)

-Kênh điều khiển riêng (DCCH) : được sử dụng để truyền thông tin điều khiển tới/từ một đầu cuối di động Kênh này được sử dụng cho cấu hình riêng của các đầu cuối di động chẳng hạn các bản tin chuyển giao khác nhau

-Kênh điều khiển đa phương (MCCH) : được sử dụng để truyền thông tin cần thiết

để thu kênh MTCH.

-Kênh lưu lượng riêng (DTCH) : được sử dụng để truyền số liệu của người sử dụng đến/từ một đầu cuối di động Đây là kiểu logic được sử dụng để truyền tất cả số liệu đường lên của người dùng và số liệu đường xuống của người dùng không phải MBMS

-Kênh lưu lượng đa phương (MTCH) : Được sử dụng để phát các dịch vụ MBMS

Kênh truyền tải : bao gồm các kênh sau:

-Kênh quảng bá (BCH) : có khuôn dạng truyền tải cố định do chuẩn cung cấp

- Nó được sử dụng để phát thông tin trên kênh logic

-Kênh tìm gọi (PCH) : được sử dụng để phát thông tin tìm gọi trên kênh PCCH, PCH hỗ trợ thu không liên tục (DRX) để cho phép đầu cuối tiết kiệm công suất ắc quy bằng cách ngủ và chỉ thức để thu PCH tại các thời điểm quy định trước

-Kênh chia sẻ đường xuống (DL-SCH) : là kênh truyền tải để phát số liệu đường xuống trong LTE Nó hỗ trợ các chức năng của LTE như thích ứng tốc độ động và lập biểu phụ thuộc kênh trong miền thời gian và miền tần số Nó cũng hổ trợ DRX để giảm tiêu thụ công suất của đầu cuối di động mà vẫn đảm bảo cảm giác luôn kết nối giống như cơ chế CPC trong HSPA DL-DCH TTI là 1ms

-Kênh đa phương (MCH) : được sử dụng để hỗ trợ MBMS Nó được đặc trưng bởi khuôn dạng truyền tải bán tĩnh và lập biểu bán tĩnh Trong trường hợp phát đa ô

sử dụng MBSFN, lập biểu và lập cấu hình khuôn dạng truyền tải được điều phối giữa các ô tham gia phát MBSFN

2.4 Giao thức của LTE (LTE Protocols)

Ở LTE chức năng của RLC đã được chuyển vào eNodeB, cũng như chức năng của PDCP với mã hóa và chèn tiêu đề Vì vậy, các giao thức liên quan của lớp

vô tuyến được chia trước đây ở UTRAN là giữa NodeB và RNC bây giờ chuyển thành giữa UE và eNodeB

Giao thức của UTRAN

Giao thức của E-UTRAN

Phân phối chức năng của các lớp MAC, RLC, PDCPChức năng của MAC(Medium Access Control) bao gồm :

-Lập biểu

-Điều khiển ưu tiên (Priority handling)

-Ghép nhiều kênh logic khác nhau trên một kênh truyền đơn RLC

Chức năng của PDCP bao gồm:

-Mã hóa (ciphering)

-Chèn tiêu đề

CHƯƠNG III : TRUY CẬP VÔ TUYẾN VÀ CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG

TRONG LTE

3.1 Các chế độ truy nhập vô tuyến

Giao diện không gian LTE hỗ trợ cả hai chế độ là song công phân chia theo tần

số ( FDD) và song công phân chia theo thời gian ( TDD), mỗi chế độ có một cấu trúc khung riêng Chế độ bán song công FDD cho phép chia sẻ phần cứng giữa đường lên và đường xuống vì đường lên và đường xuống không bao giờ sử dụng đồng thời Kỹ thuật này được sử dụng trong một số dải tần và cũng cho phép tiết kiệm chi phí trong khi giảm một nửa khả năng truyền dữ liệu

Giao diện không gian LTE cũng hỗ trợ phát đa phương tiện và các dịch vụ phát quảng bá đa điểm (MBMS) Một công nghệ tương đối mới cho nội dung phát sóng như truyền hình kỹ thuật số tới UE bằng cách sử dụng các kết nối điểm- đa điểm Các thông số kỹ thuật 3GPP cho MBMS đầu tiên được xuất hiện trong UMTS phiên bản 6 LTE xác định là một cấp cao hơn dịch vụ MBMS phát triển (eMBMS), mà nó

sẽ hoạt động qua một mạng đơn tần số phát quảng bá / đa điểm(MBSFN), bằng cách

sử dụng một dạng sóng đồng bộ thời gian chung mà có thể truyền tới đa ô trong một khoảng thời gian nhất định MBSFN cho phép kết hợp qua vô tuyến của truyền đa

ô tới UE, sử dụng tiền tố vòng (CP) để bảo vệ các sự sai khác do trễ khi truyền tải, để

các UE truyền tải nhƣ là từ một tế bào lớn duy nhất Công nghệ này giúp cho LTE có hiệu suất cao cho truyền tải MBMS Các dịch vụ eMBMS sẽ đƣợc xác định đầy đủ trong thông số kỹ thuật của 3GPP phiên bản 9.

3.2 Các kỹ thuật sử dụng trong LTE

LTE sử dụng kỹ thuật OFDMA cho truy cập đường xuống và SC-FDMA cho truy cập đường lên Kết hợp đồng thời với MIMO, các kỹ thuật về lập biểu, thích ứng đường truyền và yêu cầu tự động phát lại lai ghép

3.2.1 Kỹ thuật truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM

Truyền đơn sóng mang

Nguyên lý của FDMA

Nguyên lý đa sóng mang

Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với nhau Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu Sựchồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớnhơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường.

So sánh phổ tần của OFDM với FDMA