Đề tài thực tập tốt nghiệp: Tìm hiểu mạng thông tin di động 4G

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỀ TÀI THỰC TẬP TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G GVHD: Nguyễ Thị Diệu Linh SVTH: Nguyễn Quốc Thắng MSSV: 0841050245 BỘ BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc PHIẾU GIAO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Họ tên sinh viên:Nguyễn Quốc Thắng Lớp: Điện Tử Khóa:8 Khoa, Trung tâm: Điện tử Tên đề tài: Tìm hiểu mạng thơng tin di động 4G Giảng viên hướng dẫn: TS.Nguyễn Thị Diệu Linh Nội dung yêu cầu TT Nội Dung Tổng quan hệ thống thông tin di động hệ thống 4G Cấu trúc mạng 4G Quy hoạch mạng 4G Ngày giao đề tài:26/12/2016 Giảng viên hướng dẫn Nguyễn Thị Diệu Lịnh Ngày hoàn thành: / /2017 Trưởng khoa NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Hà Nội, ngày ….tháng… năm 2017 Giáo viên hướng dẫn Nguyễn Thị Diệu Linh MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Chương 1:TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG .1 1.1 Giới thiệu tổng quan .1 1.1.1 Khái quát lịch sử phát triển 1.2 Cấu trúc tế bào 1.3 Phân lớp giao thức mạng di động .8 1.3.1 Phân lớp mạng di động 1.3.2 Phân lớp giao thức 10 CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC MẠNG 4G 11 2.1 Tổng quan mạng 4G .11 2.2.Các công nghệ sử dụng 4G 14 2.2.1 Kĩ thuật truyền dung dượng lớn tốc độ cao 15 2.2.1.1 Các kĩ thuật đa truy cập (Multiple Access Techniques) 15 2.2.1.2 Kỹ thuật điều chế/giải điều chế hiệu suất cao 18 2.2.1.3 Kỹ thuật đa sóng mang (Multi-Carrier Techniques) 20 2.2.2.Kỹ thuật không dây đa hệ thống (Multi-system Wireless Techniques) 23 2.2.2.1.Khả cấu hình lại End-to-End (E2R: End-to-End Reconfigurability) .23 2.2.2.2 Kỹ thuật sóng vơ tuyến định nghĩa mềm (SDR – Software Defined Radio) 25 2.2.3 Điều khiển chuyển giao/tính di động 27 2.2.3.1 Kỹ thuật chuyển giao liên tục 28 2.2.3.2 Kỹ thuật điều khiển tính di động 29 2.2.3.3 Tính di động mạng NEMO (Network Mobility) 31 CHƯƠNG 3: QUI HOẠCH MẠNG 4G 34 Khái quát trình quy hoạch mạng 4G 34 3.2 Dự báo lưu lượng phân tích vùng phủ .34 Dự báo lưu lượng 34 2 Phân tích vùng phủ .35 3 Quy hoạch chi tiết 36 3 Quỹ đường truyền 36 3 Các mơ hình truyền sóng 44 3.3 Tính bán kính cell 46 3.3.4 Qui hoạch dung lượng 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO .50 PHỤ LỤC : CÁC TỪ VIẾT TẮT 51 LỜI MỞ ĐẦU Ngành công nghệ viễn thông chứng kiến phát triển ngoạn mục năm gần Khi mà công nghệ mạng thông tin di động hệ thứ ba 3G chưa có đủ thời gian để khẳng định vị tồn cầu, nhà khai thác viễn thơng lớn giới bắt đầu thiến hành nghiên cứu phát triển khai thác thử nghiệm số chuẩn di động hệ có nhiều tiềm thành chuẩn cho mạng di động 4G (Fourth Generation) từ nhiều năm gần đây.Trong tương lai khơng xa,chúng ta truy cập tất dịch vụ lúc nơi di chuyển: xem phim chất lượng cao HDTV, video call,chơi game , nghe nhạc trực tuyến,tải sở liệu v.v… với tốc độ “ siêu tốc”.Tuy nhiên công nghệ 4G Từ tiềm to lớn mạng 4G mạng lại, em lựa chọn đề tài thực tốt nghiệp là: “ Tìm hiểu hệ thống thông tin di động 4G ”.Đề tài vào tìm hiểu tổng quan hệ thống thơng tin di đông, cấu trúc qui hoạch mạng 4G để có nhìn tổng qt mạng di động ,cũng hiểu rõ thêm tiềm hấp dẫn ,những bước đột phá cơng nghệ tiện ích mà mạng 4G mang lại cho sống tương lai Lời cuối em xin chân thành cảm ơn tất người giúp đỡ em, đặc biệt Khoa Điện Tử cô Nguyễn Thị Diệu Linh người tận tình hướng dẫn em hồn thành đề lần thời gian qui định Tìm hiểu mạng thơng tin di động 4Gu mạng thơng tin di động 4Gng thông tin di động 4Gng 4G Chương 1:TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Như nhận thấy sống phát triển cần thông tin đồng thời thơng tin làm chất xúc tác cho sống phát triển ngày cao Trong nhiều lĩnh vực thơng tin thơng tin di động vấn đề phát triển nhanh nhất, ngày thông tin di động phổ biến rộng rãi sâu rộng Từ nhận thức việc tìm hiểu kỹ thuật cơng nghệ chuyên ngành thông tin di động yêu cầu tất yếu sinh viên chuyên ngành thông tin liên lạc sau Hệ thống thông tin di động hệ thống viễn thơng phức tạp có nhiều ứng dụng rộng rãi, từ điện thoại di động đến truyền số liệu di động triển khai rộng khắp 1.1 Giới thiệu tổng quan Hiện giới nói chung có Việt Nam tồn hai hệ thống thơng tin di động mạng điện thoại di động tổ ong GSM (Global System for Mobile Communication) mạng di động sử dụng công nghệ CDMA (Code Division Multipe Acess) Mỗi hệ thống có đặc tính riêng, có ưu nhược điểm đặc trưng mà hệ thống cịn lại khơng (hoặc chưa) thay Trong chương đề cập đến hai hệ thống nói theo đặc tính chung riêng chúng 1.1.1 Khái quát lịch sử phát triển Cột mốc đánh dấu đời phát triển thông tin di động phải xét đến kể từ James Clerk Maxwell đưa lý thuyết sóng điện từ vào năm 1861, tảng lý thuyết quan trọng kỹ thuật thơng tin khơng dây nói chung có thông tin di động Tuy nhiên để áp dụng lý thuyết vào thực tế chặng đường lâu dài Cho đến thập niên đầu kỹ XIX, dạng thông tin di động phát triển để phục vụ cho qn dịch vụ an tồn cơng cộng chiến thứ Sau chiến thứ hai, thông tin di động bắt đầu phát triển cho mục đích thương mại, xây dựng Mỹ hệ thống điện thoại di động MTS (Mobile Telephone System) vào năm 1946; mạng cho phép truyền Nguyễn Quốc Thắngn Quốc Thắngc Thắngng Trang Tìm hiểu mạng thơng tin di động 4Gu mạng thông tin di động 4Gng thông tin di động 4Gng 4G đơn công sử dụng chuyển mạch nhân công Mãi đến 1969 hệ thống điện thoại di động song công sử dụng chuyển mạch tự động phát triển thành công IMTS (Improved Mobile Telephone System) Mạng điện thoại sử dụng dãi tần 450MHz chuẩn hóa Mỹ lại khơng thể đáp ứng nhu cầu phát triển Vào cuối thập kỷ 70, phịng thí nghiệm Bell LaBTS phát triển thành công hệ thống AMPS đưa thương mại hóa hãng AT&T vào năm 1983; hệ thống sử dụng dãi tần 800MHz với hướng lên khoảng 824-846MHz hướng xuống 869-894MHz Trong AMPS sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự FM với khoảng dịch tần cực đại 12KHz cho kênh thoại khoảng cách tần số 30KHz; phân bố tần số mạng tuân theo nguyên lý chia ô AMPS chia cho hai nhà cung cấp với 832 kênh Các kênh chia cho nhà cung cấp dịch vụ, khu vực địa lý, với 42 kênh mang thông tin mạng (kênh báo hiệu chung) Song song với AMPS Mỹ Châu Âu thực hệ thống di động cho vào 01/10/1981 chuẩn NMT450 mạng di động tế bào chủ yếu phục vụ cho khu vực Bắc Âu NMT450 sử dụng dãi tần 450MHz với kỹ thuật FDMA/FM với khoảng dịch tần cực đại 5KHz khoảng cách tần hai kênh là25KHz sử dụng kỹ thuật điều chế khóa dịch tần FSK Sau hệ thống đượcnâng cấp để sử dụng khoảng tần 900MHz trở thành NMT900 vào năm 1986 sở cho việc phát triển mạng di động số hệ thứ phổ biến rộng rãi với tên gọi GSM (Global System Mobile) Dựa vào AMPS, Anh đưa chuẩn TACS (Total Access Communication System), hệ thống truyền thơng truy cập tồn thể, với thay đổi dãi tần kênh vô tuyến Hệ thống TACS sau phát triển nhiều nước Nhật JTACS, chuẩn mở rộng N-TACS TACS có dãi tần kênh 25kHz dãi tần 890915MHz cho đường lên 935-960MHz cho đường xuống với khoảng cách kênh 45MHz; ban đầu cấp dãi 25MHz, dự trữ 10MHz cho hệ thống pan_TACS Anh 16MHz cho chuẩn mở rộng N-TACS Trong hệ thống TACS sử dụng kênh điều khiển báo hiệu tốc độ 8kbps Cùng với phát triển cơng nghệ số hóa điện tử viễn thơng liên lạc việc chuyển đổi thơng tin di động có chuyển biến công nghệ, mạng tương tự dần thay mạng số hóa mà thành công hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM (Global System Mobile) Sự chuyển Nguyễn Quốc Thắngn Quốc Thắngc Thắngng Trang Tìm hiểu mạng thông tin di động 4Gu mạng thông tin di động 4Gng thông tin di động 4Gng 4G đổi từ mạng tương tự qua mạng số thường biết đến chuyển đổi hệ mạng di động, mà mạng thơng tin cơng nghệ tương tự xem hệ thứ (1G) mạng thông tin di động GSM hệ thứ (2G) Hiện thường nghe đến khái niệm 2.5G 3G hệ mạng thơng tin đề xuất phát triển để đáp ứng nhu cầu trao đổi tin ngày cao xã hội đại Trong hệ mạng sau chủ yếu nâng cấp kỹ thuật công nghệ để đáp ứng yêu cầu thơng tin đa phương tiện tốc độ cao (truyền hình,truyền số liệu tốc độ cao,…) Năm 1982, theo đề xuất Cty Nordic Telecom (Viễn thơng Bắc Âu), Netherlands, nhóm nghiên cứu Group Special Mobil (GSM) Tổ chức Bưu Viễn thơng Châu Âu – CEPT (Conference Euro Posts and Telecommunication) hình thành tiêu chuẩn cho hệ thống thơng tin di động xun Châu Âu Sau năm (1987) 13 nhà khai thác quản lý ký kết thỏa thuận đưa tiêu chuẩn GSM viết tắt theo tên tiếng Pháp Global System for Mobile Communication tiêu chuẩn sử dụng GSM sử dụng mã hóa tiếng nói dự đốn đặc tuyến xung kích tắc (PRE-LPC) phương thức TDMA phân chia theo thời gian Từ năm 1989 GSM chuyển nhượng cho Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI) viện phát triển qua nhiều giai đoạn đến năm 1997 hoàn thành tiêu chuẩn đầy đủ thành GSM 2G có kết hợp với dịch vụ số liệu chuyển mạch tốc độ cao (HSCSD) dịch vụ truyền sóng vơ tuyến gói đa dụng (GPRS) GSM sử dụng giao diện vô tuyến dãi tần 850MHz, cụ thể 890915MHz cho đường lên 935-960 cho đường xuống mạng di động (hiện sử dụng dãi tần 1800MHz) Kỹ thuật điều chế GSM GMSK (Khóa mã cực tiểu Gaussian) với giá trị BT 0.3 tốc độ liệu tổng 270kbps Điều đưa để cân đối tối ưu độ phức tạp thiết bị hiệu sử dụng phổ tần hệ thống Bảng 1.1 Tóm lược lịch sử phát triển GSM Năm Nguyễn Quốc Thắngn Quốc Thắngc Thắngng Sự kiện Trang Tìm hiểu mạng thơng tin di động 4Gu mạng thông tin di động 4Gng thông tin di động 4Gng 4G 1982 Nhóm nghiên cứu di động đặc biệt CEPT thành lập (GSM đời) 1986 Dãi tần 900MHz dành riêng cho GSM chấp thuận EC Telecom Có sơ đồ truyền dẫn sóng vô tuyến khác khác tốc độ mã hóa âm quốc gia khác 1987 Các thơng số sở chuẩn hóa GSM chấp thuận vào tháng 1988 Đặc tả chi tiết GSM pha hoàn thành cho sở hạ tầng mạng 1989 Nhóm di động đặc biệt chuyển sang cho ETSI thành hệ thống thơng tin di động tồn cầu (GSM nay) thành chuẩn hóa quốc tế cho mạng dịch vụ thoại di động cấu trúc tế bào 1990 GSM bước đầu tương thích cho hoạt động băng tần DSC1800 1991 Mạng GSM xây dựng Phần Lan 1992 Lần việc đăng ký chuyển vùng quốc tế thực Viễn thông Phần Lan (Telecom Finland) Vodafone (Vương quốc Anh) Bản tin SMS gửi 1993 Telstra Australia trở thành mạng Châu Âu vào hoạt động Mạng GSM hoạt động dãi tần DCS1800 (GSM1800) Vương quốc Anh 1994 GSM pha (cho dịch vụ mạng thông tin số liệu / fax) ban hành Số lượng thành viên MoU GSM vượt qua số 100, thuê bao GSM tiến đến số hàng triệu 1995 Mạng GSM hoạt động Nga Trung Quốc Số lượng thuê bao GSM tiến đến số 50 triệu 1997 Máy cầm tay băng công bố 1998 Số thuê bao GSM toàn cầu vượt qua 100 triệu 1999 WAP bắt đầu triển khai thử nghiệm Pháp Italia 2000 Các dịch vụ GPRS thương mại công bố, máy cầm tay GPRS đưa thị trường Năm tỉ tin SMS gửi tháng 2001 Mạng 3G GSM vào sống Số lượng lượng thuê bao GSM toàn giới vượt xa 500 triệu 2003 Mạng EDGE vào hoạt động Số lượng thành viên hiệp hội GSM vượt qua 200 quốc gia Hơn tỉ máy cầm tay sản xuất năm Nguyễn Quốc Thắngn Quốc Thắngc Thắngng Trang Tìm hiểu mạng thơng tin di động 4Gu mạng thông tin di động 4Gng thông tin di động 4Gng 4G 2008 Con số thuê bao GSM vượt qua ngưỡn tỉ Hiện song song với hệ thống điện thoại di động tế bào GSM cịn có cơng nghệ mới, trước sử dụng cho mục đích quân CDMA đưa thương mại hãnh Qualcomm IS-95 (Interim Standard – 95A) với tên gọi CDMA- ONE vào năm 1991 IS-95 sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) tảng cho mở rộng dung lượng thuê bao, hạn chế công suất phát để chống nhiễu nâng cao hiệu suất sử dụng dãi tần hạn chế Công nghệ CDMA đời hứa hẹn đột phá phát triển hệ thống thông tin di động khả chống nhiễu tốc độ truyền tin cao đáp ứng cho yêu cầu dịch vụ đa phương tiện Hệ thống thông tin di động hệ nghiên cứu để phát triển dịch vụ cải thiện chất lượng dịch vụ truyền thống nâng cao tính hiệu sử dụng băng tần vơ tuyến Trong nhiều hệ thống hệ ba bật là: Hệ thống thông tin di động đa UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) CEPT đề xuất; hệ thống thông tin di động mặt đất công cộng tương lai FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunication Systems) ITU-R phát triển Và nghiên cứu xu OFDM để triển khai cho mạng thông tin di động tương lai, hay gọi 4G Với mạng di động sử dụng kỹ thuật OFDM cho phép liên kết tốc độ cao điều kiện nhiễu lớn di chuyển tốc độ cao Tuy nhiên với OFDM kỹ thuật điều chế cịn có kết hợp ghép kênh đa thâm nhập phức tạp phải nghiên cứu thử nghiệm thời gian tới 1.1.2 Cấu trúc chung hệ thống Một hệ thống thông tin di động gồm thành phần H-1.1 sau Nguyễn Quốc Thắngn Quốc Thắngc Thắngng Trang