công nghệ lte cho mạng di động băng thông rộng

LỜI MỞ ĐẦU Thông tin di động ngày nay đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển rất nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác. Sự phát triển của thị trường viễn thông di động đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống thông tin di động mới trong tương lai. Hệ thống di động thế hệ thứ hai, với GSM và CDMA là những ví dụ điển hình đã phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia. Tuy nhiên, thị trường viễn thông ngày càng mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai. Sự ra đời của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba với các công nghệ tiêu biểu như WCDMA hay HSPA là một tất yếu để có thể đáp ứng được nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh, xem phin HDTV với tốc độ cao. Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G hay 3G vẫn đang phát triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã bắt đầu tiến hành triển khai thử nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng và có thể sẽ trở thành chuẩn di động 4G trong tương lai, đó là LTE (Long Term Evolution). Các cuộc thử nghiệm và trình diễn công nghệ LTE vừa qua đã chứng tỏ khả năng tuyệt vời của công nghệ này và khả năng thương mại hóa LTE đã đến rất gần. Trước đây, muốn truy cập dữ liệu, bạn phải cần có 1 đường dây cố định để kết nối. Trong tương lai không xa với LTE, bạn có thể truy cập tất cả các dịch vụ mọi lúc mọi nơi trong khi vẫn di chuyển như: xem phim chất lượng cao HDTV, điện thoại thấy hình, chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu… với một tốc độ “siêu tốc”. Đó chính là sự khác biệt giữa mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) và mạng di động thế hệ thứ tư (4G). Tuy vẫn còn khá mới mẻ nhưng mạng di động băng rộng 4G đang được kỳ vọng sẽ tạo ra nhiều thay đổi khác biệt so với những mạng di động hiện nay. Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đồ án môn học của mình là: “Công nghệ LTE cho mạng di động băng thông rộng”. Đề tài sẽ đi vào tìm hiểu tổng quan về công nghệ LTE cũng như là những kỹ thuật và thành phần được sử dụng trong công nghệ này để có thể hiểu rõ thêm về những tiềm năng hấp dẫn mà công nghệ này sẽ mang lại. Nội dung đề tài gồm 5 Chương: Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE Chương 2 TỔNG QUAN TRUY CẬP VÔ TUYẾN LTE Chương 3 KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE Chương 4 LỚP VẬT LÝ LTE Chương 5 CÁC THỦ TỤC TRUY CẬP LTE Tuy nhiên, do LTE là công nghệ vẫn đang được nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện cũng như do những giới hạn về kiến thức của người trình bày nên đồ án này chưa đề cập được hết các vấn đề của công nghệ LTE và không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự đóng góp ý kiến của Thầy Cô và Các Bạn. Sinh viên thực hiện Trần Thanh Tuất LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn Cô ThS Đào Thị Thu Thủy đã nhiệt tình chỉ dẫn đề tài, Em cũng xin chân thành cảm ơn Các Thầy Cô trong Khoa đã truyền thụ kiến thức, con cũng xin cảm ơn Bố Mẹ đã nuôi dưỡng và là điểm tựa tinh thần giúp con phấn đấu. Xin chân thành cảm ơn các báo đài, tạp chí viễn thông quốc tế và trong nước… đã cung cấp, hỗ trợ những tài liệu tham khảo quí giá. Sinh viên thực hiện Trần Thanh Tuất NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn) , Ngày … tháng … năm … NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện) , Ngày … tháng … năm … MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE 1 1.1. Giới thiệu về công nghệ LTE 1 1.2. So sánh công nghệ LTE với công nghệ WiMax 2 1.3. Những triển vọng cho công nghệ LTE 6 1.4. Những yêu cầu của mục tiêu thiết kế LTE 8 1.4.1. Tiềm năng công nghệ 8 1.4.2. Hiệu suất hệ thống 9 1.4.3. Các vấn đề liên quan đến việc triển khai 11 1.4.4. Kiến trúc và sự dịch chuyển 15 1.4.5. Quản lý tài nguyên vô tuyến 15 1.4.6. Độ phức tạp 16 1.4.7. Những vấn đề chung 16 Chương 2 TỔNG QUAN TRUY CẬP VÔ TUYẾN LTE 17 2.1. Hệ thống truyền dẫn: đường xuống OFDM và đường lên SC-FDMA 17 2.2. Hoạch định phụ thuộc kênh truyền và sự thích ứng tốc độ 18 2.2.1. Hoạch định đường xuống 20 2.2.2. Hoạch định đường lên 21 2.2.3. Điều phối nhiễu liên tế bào 21 2.3. ARQ hỗn hợp với việc kết hợp mềm 22 2.4. Sự hỗ trợ nhiều anten 23 2.5. Hỗ trợ Multicast và Broadcast 24 2.6. Tính linh hoạt phổ 25 2.6.1. Tính linh hoạt trong sắp xếp song công 25 2.6.2. Tính linh hoạt trong băng tần hoạt động 26 2.6.3. Tính linh hoạt về băng thông 27 Chương 3 KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE 28 3.1. Giới thiệu tổng quan 28 3.2. Điều khiển kết nối vô tuyến (RLC - Radio Link Control) 30 3.3. Điều khiển truy nhập môi trường (MAC - Medium Access Control) 32 3.3.1. Kênh logic và kênh truyền tải 32 3.3.2. Hoạch định đường xuống 36 3.3.3. Hoạch định đường lên 38 3.3.4. Hybrid ARQ 41 3.4. Lớp vật lý (PHY - Physical Layer) 45 3.5. Các trạng thái LTE 48 3.6. Luồng dữ liệu 50 Chương 4 LỚP VẬT LÝ LTE 52 4.1. Kiến trúc miền thời gian toàn phần 52 4.2. Sơ đồ truyền dẫn đường xuống 54 4.2.1. Tài nguyên vật lý đường xuống 54 4.2.2. Các tín hiệu tham khảo đường xuống 60 4.2.2.1. Các chuỗi tín hiệu tham khảo và việc nhận diện tế bào lớp vật lý 61 4.2.2.2. Nhảy tần tín hiệu tham khảo 62 4.2.2.3. Các tín hiệu tham khảo cho truyền dẫn đa anten 63 4.2.3. Xử lý kênh truyền tải đường xuống 64 4.2.3.1. Chèn CRC 67 4.2.3.2. Mã hóa kênh 67 4.2.3.3. Chức năng Hybrid ARQ lớp vật lý 68 4.2.3.4. Ngẫu nhiên hóa mức bit 68 4.2.3.5. Điều chế dữ liệu 70 4.2.3.6. Ánh xạ anten 70 4.2.3.7. Ánh xạ khối tài nguyên 71 4.2.4. Báo hiệu điều khiển L1/L2 đường xuống 72 4.2.5. Truyền dẫn nhiều anten đường xuống 76 4.2.5.1. Hai anten mã hóa khối không gian - tần số 77 4.2.5.2. Tạo dạng tia (Beam Forming) 78 4.2.5.3. Ghép kênh không gian 78 4.2.6. Multicast/Broadcast sử dụng MBFSN 80 4.3. Sơ đồ truyền dẫn đường lên 81 4.3.1. Tài nguyên vật lý đường lên 81 4.3.2. Tín hiệu tham khảo đường lên 86 4.3.2.1. Nhiều tín hiệu tham khảo 90 4.3.2.2. Tín hiệu tham khảo cho việc dò kênh 90 4.3.3. Xử lý kênh truyền tải đường lên 93 4.3.4. Báo hiệu điều khiển L1/L2 đường lên 94 4.3.5. Định thời sớm đường lên 98 Chương 5 CÁC THỦ TỤC TRUY CẬP LTE 101 5.1. Dò tìm tế bào (Cell Search) 101 5.1.1. Thủ tục dò tìm Cell 101 5.1.2. Cấu trúc thời gian – tần số của các tín hiệu đồng bộ 103 5.1.3. Dò tìm Cell ban đầu và kế cận 105 5.2. Truy cập ngẫu nhiên 106 5.2.1. Bước 1: Truyền dẫn Preamble truy cập ngẫu nhiên 108 5.2.2. Bước 2: Đáp ứng truy cập ngẫu nhiên 113 5.2.3. Nhận dạng đầu cuối 114 5.2.4. Giải quyết tranh chấp 115 5.3. Paging 116 KẾT LUẬN 118 CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO 126 DANH MỤC HÌNH VẼ Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE Hình 1.1: Kiến trúc của mạng LTE 1 Hình 1.2: Lộ trình phát triển của LTE và các công nghệ khác 3 Hình 1.3: Phân bố phổ băng tần lõi ở 2 GHz của nguyên bản IMT 2000 13 Hình 1.4: Một ví dụ về cách thức LTE thâm nhập từng bước 14 Chương 2 TỔNG QUAN TRUY CẬP VÔ TUYẾN LTE Hình 2.1: Hoạch định phụ thuộc kênh trong miền thời gian và tần số 20 Hình 2.2: Một ví dụ về điều phối nhiễu liên tế bào, 21 Hình 2.3: FDD và TDD 25 Chương 3 KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE Hình 3.1: Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống) 29 Hình 3.2: Phân đoạn và hợp đoạn RLC 31 Hình 3.3: Ví dụ về sự ánh xạ các kênh logic lên các kênh truyền dẫn 35 Hình 3.4: Việc lựa chọn định dạng truyền dẫn trong đường xuống và đường lên 39 Hình 3.5: Giao thức Hybrid ARQ đồng bộ và không đồng bộ 43 Hình 3.6: Nhiều tiến trình Hybrid ARQ song song 43 Hình 3.7: Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho DL-SCH 46 Hình 3.8: Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho UL-SCH 47 Hình 3.9: Các trạng thái LTE 49 Hình 3.10: Một ví dụ về luồng dữ liệu LTE 51 Chương 4 LỚP VẬT LÝ LTE Hình 4.1: Cấu trúc miền thời gian LTE 52 Hình 4.2: Các ví dụ về việc chỉ định khung phụ đường lên/đường xuống 54 Hình 4.3: Tài nguyên vật lý đường xuống LTE 55 Hình 4.4: Cấu trúc miền tần số đường xuống LTE 56 Hình 4.5: Cấu trúc khung phụ và khe thời gian đường xuống LTE 58 Hình 4.6: Khối tài nguyên đường xuống dành cho tiền tố chu trình bình thường 59 Hình 4.7: Cấu trúc tín hiệu tham khảo đường xuống LTE 60 Hình 4.8: Cấu trúc tín hiệu tham khảo trong trường hợp truyền dẫn nhiều anten 65 Hình 4.9: Xử lý kênh truyền tải đường xuống 66 Hình 4.10: Chèn CRC đường xuống 66 Hình 4.11: Khối mã hóa Turbo LTE 67 Hình 4.12: Chức năng Hybrid-ARQ lớp vật l ý 69 Hình 4.13: Ngẫu nhiên hóa đường xuống 69 Hình 4.14: Điều chế dữ liệu 70 Hình 4.15: Ánh xạ khối tài nguyên đường xuống 72 Hình 4.16: Chuỗi xử lý cho báo hiệu điều khiển L1/L2 đường xuống 74 Hình 4.17: Lưới thời gian/tần số LTE 74 Hình 4.18: Phần tử kênh điều khiển và các ứng cử kênh điều khiển 76 Hình 4.19: Ánh xạ anten LTE bao gồm ánh xạ lớp, tiếp theo là tiền mã hóa 76 Hình 4.20: Hai anten mã hóa khối không gian - tần số 77 Hình 4.21: Tạo dạng tia trong khung nhiều anten LTE 78 Hình 4.22: Ghép kênh không gian trong khung nhiều anten LTE 78 Hình 4.23: Các tín hiệu tham khảo chung tế bào và riêng tế bào 81 Hình 4.24: Kiến trúc cơ bản của truyền dẫn DFTS-OFDM 82 Hình 4.25: Kiến trúc miền tần số đường lên LTE 83 Hình 4.26: Khung phụ đường lên LTE và cấu trúc khe 84 Hình 4.27: Cấp phát tài nguyên đường lên LTE 85 Hình 4.28: Nhảy tần đường lên 86 Hình 4.29: Tín hiệu tham khảo đường lên được chèn vào trong khối thứ tư 87 Hình 4.30: Sự hình thành tín hiệu tham khảo đường lên miền tần số 87 Hình 4.31: Phương pháp tạo ra tín hiệu tham khảo đường lên 89 Hình 4.32: Truyền dẫn các tín hiệu tham khảo dò kênh đường lên 92 Hình 4.33: Xử lý kênh truyền tải đường lên LTE 93 Hình 4.34: Ghép kênh dữ liệu và báo hiệu điều khiển đường lên L1/L2 96 Hình 4.35: Kiến trúc tài nguyên được sử dụng cho báo hiệu điều khiển L1/L2 97 Hình 4.36: Đề xuất định thời đường lên 100 Chương 5 CÁC THỦ TỤC TRUY CẬP LTE Hình 5.1: Tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp 103 [...]... lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối Đặc tính kỹ thuật cho LTE đang được hoàn tất và dự kiến sản phẩm LTE sẽ... băng tần 700 MHz thứ 2 sau Verizon, mạng AT&T cũng lên kế hoạch sử dụng băng tần này cho LTE Hãng này tuyên bố có đủ băng thông 20 MHz dành cho LTE để phủ sóng 82% dân số của 100 thành phố hàng đầu của Mỹ Như vậy 2 mạng chiếm thị phần lớn nhất của Mỹ đều chọn LTE là giải pháp tiến lên 4G GVHD: ĐÀO THỊ THU THỦY 6 SVTH: TRẦN THANH TUẤT CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE Mạng Telstra của Úc gần đây cũng... nhận phát triển theo hướng LTE Hãng TeliaSonera, nhà cung cấp lớn nhất cho thị trường Bắc Âu và vùng Baltic cũng cam kết sẽ sử dụng công nghệ LTE cho các thị trường của mình Vào ngày 19/12/2007, hãng Nokia Siemens Networks đã công bố thử nghiệm thành công công nghệ LTE với tốc độ lên đến 173 Mbps trong môi trường đô thị với nhiều thuê bao cùng lúc Trên băng tần 2,6 GHz ở băng thông 20MHz, tốc độ này đã... cầu về thời gian gián đoạn, LTE- GSM và LTE- WCDMA 12 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE 1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) do 3GPP phát triển UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA/HSPA đã được triển khai trên toàn thế giới Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương... hiệp hội các nhà khai thác GSM (GSM Association) chấp nhận là công nghệ băng rộng di động tương lai của hệ di động hiện đang thống trị thị trường di động toàn cầu với khoảng 2,5 tỉ thuê bao (theo Informa Telecoms & Media) và trong 3 năm tới có thể chiếm thị phần đến 89% (theo Gartner) - những con số “trong mơ” đối với WiMax Hơn nữa, LTE cho phép tận dụng dụng hạ tầng GSM có sẵn tuy vẫn cần đầu tư thêm... NGHỆ LTE Vấn đề cùng tồn tại và có thể hoạt động phối hợp với các hệ thống 3GPP khác và những yêu cầu tương ứng đã thiết lập ra những điều kiện về tính linh động giữa LTE và GSM, và giữa LTE và WCDMA/HSPA cho thiết bị đầu cuối di động hỗ trợ những công nghệ này Bảng 1.4 liệt kê những yêu cầu về sự gián đoạn, đó là, thời gian gián đoạn dài nhất trong liên kết vô tuyến khi phải di chuyển giữa các công nghệ. .. biểu gần đây đều cho rằng WiMax có thể “hoà hợp” với LTE Trong cuộc đua 4G, WiMax và LTE hiện là hai công nghệ sáng giá nhất Liệu hai công nghệ này có thể cùng tồn tại độc lập hay sẽ sát nhập thành một chuẩn chung? Hiệu năng của WiMax và LTE tương đương nhau, do vậy việc quyết định hiện nay phụ thuộc vào yếu tố sẵn sàng và khả năng thâm nhập thị trường 1.3 Những triển vọng cho công nghệ LTE Nhận thấy... trúc của mạng LTE Các mục tiêu của công nghệ này là: - Tốc độ đỉnh tức thời ở băng thông 20 MHz: Tải xuống: 100 Mbps; Tải lên: 50 Mbps GVHD: ĐÀO THỊ THU THỦY 1 SVTH: TRẦN THANH TUẤT CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE - Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1 MHz so với mạng HSDPA Rel 6: Tải xuống gấp 3 đến 4 lần; Tải lên gấp 2 đến 3 lần - Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển... sản xuất viễn thông nổi tiếng của Canada, đã tăng 13% khi hãng tuyên bố tập trung các nỗ lực nghiên cứu không dây vào công nghệ LTE thay vì công nghệ WiMax Giám đốc kỹ thuật của hãng, ông Stephan Scholz phát biểu: “Khi thế giới tiến gần đến con số 5 tỉ thuê bao vào năm 2015, theo tiên đoán của chúng tôi, các nhà cung cấp dịch vụ di động sẽ phải sử dụng tất cả các băng tần với một cấu trúc mạng đơn giản... quan trọng cho khái niệm về LTE Cuộc gọi thoại đầu tiên giữa 2 điện thoại LTE đã được trình di n vào Hội Nghị Thế Giới Di Động (Mobile World Congress) được tổ chức vào tháng 2/2008 tại Barcelona, Tây Ban Nha Vào tháng 3 vừa qua, mạng NTT DoCoMo đã thử nghiệm LTE đạt đến tốc độ 250Mbps Tại các triển lãm viễn thông quốc tế gần đây, các nhà sản xuất Huawei, Motorola, Ericsson… cũng đã biểu di n LTE với . VỀ CÔNG NGHỆ LTE 1 1.1. Giới thiệu về công nghệ LTE 1 1.2. So sánh công nghệ LTE với công nghệ WiMax 2 1.3. Những triển vọng cho công nghệ LTE 6 1.4. Những yêu cầu của mục tiêu thiết kế LTE. mình là: Công nghệ LTE cho mạng di động băng thông rộng . Đề tài sẽ đi vào tìm hiểu tổng quan về công nghệ LTE cũng như là những kỹ thuật và thành phần được sử dụng trong công nghệ này để. mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai. Sự ra đời của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba với các công nghệ