Nghiên cứu các thủ tục truy nhập trong LTE

Nghiên cứu các Thủ tục truy nhập trong LTE

Trang 1

SVTH: Đỗ Bảo Sơn GVHD: TS Trịnh Quang Khải

LỜI NÓI ĐẦU

Trước khi truyền dẫn số liệu đầu cuối di động cần phải kết nối với mạng Muốn kết nối truy nhập trong mạng ta cần thủ tục truy nhập mạng Mạng di động nào cũng vậy và LTE cũng không ngoại lệ Hai thủ tục được xét là: tìm ô và truy nhập ngẫu nhiên

Tìm ô là thủ tục mà một đầu cuối di động tìm một ô tiềm năng để kết nối Kết quả của thủ tục này là đầu cuối nhận được số nhận dạng và ước tính định thời khung của ô được nhận dạng Ngoài ra thủ tục tìm ô cũng cấp ước tính các thông số cần thiết để thu thông tin hệ thống trên kênh quảng bá, qua kênh này đầu cuối nhận được các thông số cần thiết để truy nhập hệ thống

Truy nhập ngẫu nhiên cho phép đầu cuối gửi yêu cầu thiết lập kết nối đến mạng Kết quả của truy nhập này là thiết lập đồng bộ đường lên và thiết lập một nhận dạng đầu cuối duy nhất, trong đó mạng và đầu cuối đều biết nhận dạng này Vì thế truy nhập ngẫu nhiên không chỉ được sử dụng cho truy nhập lần đầu, khi chuyển

từ LTE DETACHED hay LTE- IDLE vào LTE-ACTIVE mà còn cả sau các chu kì không tích cực khi đồng bộ đường lên bị mất trong LTE-ACTIVE

Ngày nay hệ thống thông tin di động phát triển không ngừng và các nhà viễn thông trên thế giới đã tiến hành thử nghiệm một chuẩn di động mới với nhiều ưu điểm nổi trội năng lực tuyệt vời cũng như khả năng thương mại hóa! Đó là LTE! Do vậy việc nghiên cứu tìm hiểu về các thủ tục truy nhập trong LTE là một yêu cầu bức thiết mang tính thời đại Xuất phát từ những suy nghĩ trên nên em lựa chọn đề tài:

Nghiên cứu các thủ tục truy nhập trong LTE

Kết cấu đồ án gồm 4 chương:

- Chương 1: Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động và tổng quan mạng 4G

- Chương 2: Tổng quan về công nghệ LTE và các vấn đề liên quan

- Chương 3: Lớp vật lý trong mạng LTE

- Chương 4: Các thủ tục truy nhập

Trang 2

Trong thời gian thực hiện đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế nên em rất mong nhận được sự đóng góp của thầy, cô và các bạn để đề tài được hòa thiện hơn

Hà Nội, Ngày Tháng Năm 2013

Đỗ Bảo Sơn

Trang 3

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

LỜI NÓI ĐẦU I MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VII DANH MỤC HÌNH VẼ XVIII DANH MỤC BẢNG BIỂU XXI CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G 1

1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động 1

1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G) 2

1 1 2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G) 3

1 2 Tổng quan về mạng 4G 8

1 3 Sự khác nhau giữa 3G và 4G 10

1 3 1 Ưu điểm nổi bật 11

1.3.2 Các ứng dụng đã tạo nên ưu điểm của 4G LTE so với 3G 11

Kết luận chương: 12

CHƯƠNG 2 : CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 13

2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE 13

2.2 Kiến trúc mạng LTE 20

2.2.1 Tổng quan về cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống 21

Trang 4

2.2.2 Thiết bị người dùng ( UE) 23

2.2.3 E-UTRAN nodeB (eNodeB) 24

2.2.4 Thực thể quản lý tính di động (MME) 25

2.2.5 Cổng phục vụ ( S-GW) 28

2.2.6 Cổng mạng dữ liệu gói( P-GW) 31

2.2.7 Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên ( PCRF) 33

2.2.8 Máy chủ thuê bao thường trú (HSS) 34

2.3 Các giao diện và giao thức trong cấu hình kiến trúc cơ bản của hệ thống 34

2.4 QoS và kiến trúc dịch vụ mang chuyển 39

2.5 Giao thức trạng thái và chuyển tiếp trạng thái 40

2.6 Hỗ trợ tính di động liên tục 41

2.7 Kiến trúc hệ thống phát quảng bá đa điểm 44

CHƯƠNG 3 - LỚP VẬT LÝ LTE 50

3.1 Các kênh truyền tải và ánh xạ của chúng tới các kênh vật lý 50

3.2 Truyền tải dữ liệu người sử dụng hướng lên 52

3.3 Truyền dẫn dữ liệu người dùng hướng xuống 56

3.4 Truyền dẫn tín hiệu lớp vật lý hướng lên 61

3.4.1 Kênh điều khiển đường lên vật lý ( PUCCH) 63

3.4.2 Cấu hình PUCCH 64

3.4.3 Báo hiệu điều khiển trên PUSCH 64

3.5 Cấu trúc PRACH (Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý) 68

3.6 Truyền dẫn báo hiệu lớp vật lý hướng xuống 69

3.6.1 Kênh chỉ thị định dạng điều khiển vật lý (PCFICH) 70

Trang 5

3.6.2 Kênh điều khiển hướng xuống vật lý ( PCDCH) 70

3.6.3 Kênh chỉ thị HARQ vật lý ( PHICH) 72

3.6.4 Các chế độ truyền dẫn hướng xuống 72

3.6.5 Kênh quảng bá vật lý ( PBCH) 73

3.6.6 Tín hiệu đồng bộ 74

3.7 Các thủ tục lớp vật lý 75

3.7.1 Thủ tục HARQ 75

3.7.2 Ứng trước định thời 76

3.7.3 Điều khiển công suất 77

3.7.4 Nhắn tin 78

3.7.5 Thủ tục báo cáo phản hồi kênh 79

3.7.6 Hoạt động chế độ bán song công 80

3.7.7 Các lớp khả năng của UE và các đặc điểm được hỗ trợ 80

3.8 Đo lường lớp vật lý 81

3.8.1 Đo lường eNodeB 81

3.8.2 Đo lường UE 82

3.9 Cấu hình tham số lớp vật lý 82

Kết luận chương 83

CHƯƠNG 4: CÁC THỦ TỤC TRUY NHẬP LTE 85

4.1 Tìm ô: 85

4.1.1 Thủ tục tìm ô: 86

4.1.2 Cấu trúc thời gian/tần số của các tín hiệu đồng bộ: 87

4.1.3 Tìm ô ban đầu và tìm ô lân cận: 89

4.2 Truy nhập ngẫu nhiên: 91

Trang 6

4.2.1 Bước 1: Truyền dẫn tiền tố truy nhập 92

4.2.2 Bước 2: Trả lời truy nhập ngẫu nhiên: 97

4.2.3 Bước 3: Nhận dạng đầu cuối: 98

4.2.4 Bước 4: Phân giải va chạm: 99

4.2.5 Tìm gọi: 100

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 103

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN VÀ ĐỌC DUYỆT 104

LỜI CẢM ƠN 105

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

Trang 7

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

3GPP Third Generation Partnership

ACF Analog Channel Filter Bộ lọc kênh tương tự

ACIR Adjacent Channel Interference

Rejection

Loại bỏ nhiễu kênh lân cận

ACLR Adjacent Channel Leakage

Ratio

Tỉ lệ dò kênh lân cận

ACS Adjacent channel selectivity Chọn lọc kênh lân cận

ADC Analog-to Digital Conversion Chuyển đổi tương tự - số

Subscriber Line

Đường dây thuê bao số không đối xứng

AMBR Aggregate Maximum Bit Rate Tốc độ bít tối đa cấp phát

AMD Acknowledged Mode Data Dữ liệu chế độ báo nhận

AMR Adaptive Multi-Rate Đa tốc độ thích ứng

Narrowband

Băng hẹp đa tốc độ thích ứng

AMR-WB Adaptive Multi-Rate Băng rộng đa tốc độ thích ứng

Trang 8

Wideband ARP Allocation Retention Priority Ưu tiên duy trì cấp phát

Bandwidth

Băng thông truyền dẫn thích nghi

AWGN Additive White Gaussian

Noise

Nhiễu Gauss trắng thêm vào

AMPS Advanced Mobile Phone

Sytem

Hệ thống điện thoại di động tiên tiến

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển phát quảng bá

AMPS Advanced Mobile Phone

Sytem

Hệ thống điện thoại di động tiên tiến

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

BSC Base Station Controller Điều khiển trạm gốc

BSR Buffer Status Report Báo cáo tình trạng bộ đệm

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

CAZAC Constant Amplitude Zero

Autocorrelation Codes

Mã tự tương quan zero biên độ không đổi

CBR Constant Bit Rate Tốc độ bít không đổi

CCE Control Channel Element Phần tử kênh điều khiển

CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung

CDD Cyclic Delay Diversity Phân tập trễ vòng

CDF Cumulative Density Function Chức năng mật độ tích lũy

CDM Code Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mã

Trang 9

CDMA Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

AIR Carrier to Interference Ratio Tỷ số sóng mang trên tập âm

CPICH Common Pilot Channel Kênh điều khiển chung

CQI Channel Quality Information Thông tin chất lượng kênh

CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra dư vòng

C-RNTI Ô Radio Network Temporary

Identiﬁer

Nhận dạng tạm thời mạng vô tuyến tế bào

CSCF Call Session Control Function Chức năng điều khiển phiên cuộc

gọi D-BCH Dynamic Broadcast Channel Kênh phát quảng bá động

DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng

DCI Downlink Control Information Thông tin điều khiển đường

xuống DFCHA Dynamic Frequency and

Channel Allocation

Cấp phát kênh và tần số động

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi fourier rời rạc

DL-SCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống

DPCCH Dedicated Physical Control

Channel

Kênh điều khiển vật lý riêng

DTX Discontinuous Transmission Truyền phát không liên tục

DwPTS Downlink Pilot Time Slot Khe thời gian điều khiển đường

xuống

Trang 10

EDGE Enhanced Data Rates for GSM

Evolution

Tốc độ dữ liệu tăng cường cho GSM phát triển

EPC Evolved Packet Core Mạng lõi gói phát triển

EPDG Evolved Packet Data Gateway Cổng dữ liệu gói phát triển

E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial

Radio Access

Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu phát triển

EDO Evolution Data Only Chỉ có dữ liệu phát triển

FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia tần số

Multiplexing

Ghép kênh phân chia tần số

FDPS Frequency Domain Packet

Scheduling

Lập biểu gói miền tần số

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi furier nhanh

FS Frequency Selective Lựa chọn tần số

GERAN GSM/EDGE Radio Access

Network

Mạng truy nhập vô tuyến GSM/EDGE

GGSN Gateway GPRS Support Node Nút cổng hỗ trợ GPRS

GPRS General packet radio service Dịch vụ vô tuyến gói chung

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

Encapsulation

Đống gói định tuyến chung

GSM Global System for Mobile

Communications

Hệ thống truyền thông di động toàn cầu

GTP GPRS Tunneling Protocol Giao thức đường hầm GPRS GTP-C GPRS Tunneling Protocol,

Control Plane

Mặt phẳng điều khiển, giao thức đường hầm GPRS

Trang 11

GUTI Globally Unique Temporary

HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

HS-PDSCH High Speed Physical

Downlink Shared Channel

Kênh chia sẻ đường xuống vật lý tốc độ cao

HSS Home Subscriber Server Máy chủ thuê bao thường trú HS-SCCH High Speed Shared Control

ICI Inter-carrier Interference Nhiễu liên sóng mang

ICIC Inter-ô Interference Control Điều khiển nhiễu liên ô

Transform

Biến đổi furier nhanh nghịch đảo

IMS IP Multimedia Subsystem Hệ thống con đa phương tiện IP

Telecommunications

Truyền thông di động quốc tế

Trang 12

ISDN Integrated Services Digital

Network

Mạng số dịch vụ tích hợp

ISI Inter Symbols Interference Nhiễu liên ký tự

LNA low noise amplifier Khuyêch đại âm nhiễu thấp

LTE Long Term Evolution Sự phát triển dài hạn

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MAP Mobile Application Part Phần ứng dụng di động

Multicast System

Hệ thống phát quảng bá đa điểm

đa phương tiện

Scheme

Sơ đồ mã hóa và điều chế

MIMO Multiple Input Multiple

Output

Đa đầu vào đa đầu ra

MM Mobility Management Quản lý tính di động

MME Mobility Management Entity Phần tử quản lý tính di động MPR Maximum Power Reduction Sự giảm công suất tối đa

MSC Mobile Switching Center Chung tâm chuyển mạch di động NACK Negative Acknowledgement Báo nhận không thành công

NAS Non-access Stratum Tầng không truy nhập

NAS Network Address Table Bảng địa chỉ mạng

Trang 13

NMT Nordic Mobile Telephone Điện thoại di động Bắc Âu

Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia tần số trực giao

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia tần số trực giao

O&M Operation and Maintenance Vận hành và bảo dưỡng

PAPR Peak to Average Power Ratio Tỉ lệ công suất đỉnh tới trung bình PAR Peak-to-Average Ratio Tỉ lệ đỉnh-trung bình

Convolution Coding

Mã xoắn ghép song song

PCCPCH Primary Common Control

PCI Physical Ô Identity Nhận dạng ô vật lý

PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã

PCRF Policy and Charging Resource

Dịch vụ truyền thông cá nhân

PDCCH Physical Downlink Control

Channel

Kênh điều khiển đường xuống vật

lý PDCP Packet Data Convergence

Protocol

Giao thức hội tụ dữ liệu gói

PDN Packet Data Network Mạng dữ liệu gói

PDU Payload Data Unit Đơn vị dữ liệu tải tin

Trang 14

PDSCH Physical Downlink Shared

Channel

Kênh chia sẻ đường xuống vật lý

P-GW Packet Data Network Gateway Cổng mạng dữ liệu gói

PHICH Physical HARQ Indicator

Channel

Kênh chỉ thị HARQ vật lý

PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng

PRACH Physical Random Access

Channel

Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý

PRB Physical Resource Block Khối tài nguyên vật lý

PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất

Kênh điều khiển hướng lên vật lý

PUSCH Physical Uplink Shared

Channel

Kênh chia sẻ hướng lên vật lý

Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QCI QoS Class Identiﬁer Nhận dạng cấp QoS

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc

RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

Trang 15

RAR Random Access Response Đáp ứng truy nhập ngẫu nhiên

RBG Radio Bearer Group Nhóm truyền tải vô tuyến

RLC Radio Link Control Điều khiển kết nối vô tuyến

RNC Radio Network Controller Điều khiển mạng vô tuyến

RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyến RRM Radio Resource Management Quản lý tài nguyên vô tuyến

RSCP Received Symbol Code Power Công suất mã ký hiệu nhận được RSRP Reference Symbol Received

Power

Công suất thu được ký hiệu chuẩn

RSRQ Reference Symbol Received

Chỉ thị cường độ tín hiệu thu được

SAE System Architecture Evolution Phát triển kiến trúc hệ thống SCCPCH Secondary Common Control

Physical Channel

Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp

SCM Spatial Channel Model Chế độ kênh không gian

SC-FDMA Single Carrier Frequency

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang

SCH Synchronization Channel Kênh đồng bộ

SCTP Stream Control Transmission

Protocol

Giao thức truyền dẫn điều khiển luồng

SDU Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ

SFBC Space Frequency Block Mã khối tần số không gian

Trang 16

Coding SFN System Frame Number Số khung hệ thống

SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS

SIB System Information Block Khối thông tin hệ thống

SIMO Single Input Multiple Output Đơn đầu vào đa đầu ra

SMS Short Message Service Dịch vụ bản tin ngắn

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu

SON Self Optimized Networks Mạng tự tối ưu

SR Scheduling Request Yêu cầu lập lịch biểu

S-RACH Short Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên ngắn SRB Signaling Radio Bearer Phần tử mang báo hiệu vô tuyến SRS Sounding Reference Signals Tín hiệu chuẩn thăm dò

S1AP S1 Application Protocol Giao thức ứng dụng S1

TBS Transport Block Size Kích thước khối truyền tải

TACS Total Access Communication

Sytem

Hệ thống truyền thông truy nhập toàn phần

TDD Time Division Duplex Song công phân chia thời gian TD-LTE Time Division Long Term

Trang 17

Access TPC Transmit Power Control Điều khiển công suất phát

TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền

UDP Unit Data Protocol Giao thức đơn vị dữ liệu

UL-SCH Uplink Shared Channel Kênh chia sẻ đường lên

WCDMA Wideband Code Division

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng

WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội bộ không dây

X1AP X1 Application Protocol Giao thức ứng dụng X1

Trang 18

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1: Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào 1

Hình 2.1 Phát triển kiến trúc 3GPP hướng tới kiến trúc phẳng hơn 21

Hình 2.2 Kiến trúc hệ thống cho mạng chỉ có E-UTRAN 22

Hình 2.3 eNodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính 25

Hình 2.4 MME kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính 28

Hình 2.5 Các kết nối S-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính 29

Hình 2.6 P-GW kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính 32

Hình 2.7 PCRF kết nối tới các nút logic khác & các chức năng chính 33

Hình 2.8 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển trong EPS 35

Hình 2.9 ngăn xếp giao thức mặt phẳng người dùng trong EPC 37

Hình 2.10 Các ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng cho giao diện X2 38

Hình 2.11 Kiến trúc dịch vụ mang truyền EPS 40

Hình 2.12 Trạng thái của UE và chuyển tiếp trạng thái 41

Hình 2.13 Hoạt động chuyển giao 43

Hình 2.14 Khu vực theo dõi cập nhật cho UE ở trạng thái RRC rảnh rỗi 44

Hình 2.15 Khu vực dịch vụ eMBMS và các khu vực MBSFN 46

Hình 2.16 Kiến trúc logic eMBMS 47

Hình 2.17 Kiến trúc mặt phẳng người dùng eMBMS cho đồng bộ nội dung 48

Hình 3.1 Ánh xạ của các kênh truyền tải hướng lên tới các kênh vật lý 51

Hình 3.2 Ánh xạ các kênh truyền tải hướng xuống tới các kênh vật lý 52 Hình 3.3 Cấp phát tài nguyên hướng lên được điều khiển bởi bộ lập biểu eNodeB 52

Trang 19

Hình 3.4 Cấu trúc khung LTE FDD 53

Hình 3.5 Tốc độ dữ liệu giữa các TTI theo hướng đường lên 54

Hình 3.6 Cấu trúc khe đường lên với tiền tố vòng ngắn và dài 54

Hình 3.7 Chuỗi mã hóa kênh PUSCH 56

Hình 3.8 Ghép kênh của thông tin điều khiển và dữ liệu 56

Hình 3.9 Cấp phát tài nguyên đường xuống tại eNodeB 57

Hình 3.10 Cấu trúc khe đường xuống cho băng thông 1,4MHz 58

Hình 3.11 Chuỗi mã hóa kênh DL-SCH 59

Hình 3.12 Ví dụ về chia sẻ tài nguyên đường xuống giữa PDCCH & PDSCH 60

Hình 3.13 Sự tạo thành tín hiệu hướng xuống 61

Hình 3.14 Tài nguyên PUCCH 63

Hình 3.15 Nguyên tắc điều chế dữ liệu và điều khiển 65

Hình 3.16 Cấp phát các trường dữ liệu & điều khiển khác nhau trên PUSCH 66

Hình 3.17 Các dạng phần mở đầu LTE RACH cho FDD 68

Bảng 3.1 Dạng PDCCH và kích thước của chúng 70

Hình 3.18 Vị trí PBCH tại các tần số trung tâm 73

Hình 3.19 các tín hiệu đồng bộ trong khung 74

Hình 3.20 Vận hành LTE HARQ với 8 tiến trình 76

Hình 3.21 Định thời LTE HARQ cho một gói tin đường xuống duy nhất 76

Hình 3.22 Điều khiển định thời hướng lên 77

Hình 3.23 Công suất hướng lên LTE với thay đổi tốc độ dữ liệu 78

Hình 3.24 Thủ tục báo cáo thông tin trạng thái kênh (CSI) 79

Hình 3.25 Tự cấu hình cho PCI 83

Hình 4.1 Các tín hiệu đổng bộ sơ cấp và thứ cấp 85

Trang 20

Hình 4.2 Lập biểu phụ thuộc đường xuống trong miền thời gian và tần số 88

Hình 4.3: Tạo tín hiệu đồng bộ trong miền tần số 89

Hình 4.4: Thủ tục truy nhập ngẫu nhiên 92

Hình 4.6: Minh họa nguyên lý truyền dẫn tiền tố ngẫu nhiên 94

Hình 4.6: Định thời tiền tố tại eNodeB cho các người sử dụng truy nhập ngẫu nhiên khác nhau 95

Hình 4.7: Tạo tiền tố truy nhập ngẫu nhiên 96

Hình 4.8: Phát hiện tiền tố truy nhập trong miền tần số 97

Hình 4.9: Thu không liên tục (DRX) đối với tìm gọi 101

Trang 21

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 : Các thông số lớp vật lý LTE 16

Bảng 2.2 : Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp 16

Bảng 2.3: So sánh các dịch vụ 3G so với 4G LTE 17

Bảng 2.4 : So sánh giữa HSPA, WiMAX và LTE 19

Bảng 2.5 Tóm tắt các giao thức và giao diện trong cấu hình kiến trúc hệ thống cơ bản 39

Bảng 3.1 Dạng PDCCH và kích thước của chúng 70

Bảng 3.2 Các loại thiết bị LTE 81

Trang 22

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ

TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G

Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội

Xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng lên và thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của

nó Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển,

từ thế hệ di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triển trên thế giới - thế hệ 4 Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các đặc tính chung của các hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G

1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động

Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý tưởng về thiết

bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di động sau này Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ

Hình 1: Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào

Trang 23

Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đến lĩnh vực thông tin di động Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin di động

đã cải thiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được

Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết hợp được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải được bài toán khó về dung lượng

1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G)

Những hệ thống thông tin di động đầu tiên, nay được gọi là thế hệ thứ nhất (1G), sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) để truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di động Với FDMA, người dùng được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số Trong trường hợp nếu số thuê bao nhiều vượt trội

so với các kênh tần số có thể, thì một số người bị chặn lại không được truy cập

1.1.1.1 Đặc điểm

 Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến

 Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể

 Trạm thu phát gốc BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS trong cell

 Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động tiên tiến AMPS

1.1.1.2 Những hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ 1

Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản Tuy nhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung lượng và tốc độ Nó bao gồm các hạn chế sau :

 Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ

 Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trường fading đa tia

 Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạ tầng

 Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi

Trang 24

 Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở châu Âu, làm cho thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở các nước khác

 Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp

Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với kỹ thuật đa truy cập mới ưu điểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp Vì vậy đã xuất hiện hệ thống thông tin di động thế hệ 2

1 1 2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G)

Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở châu Âu và có tên gọi là GSM Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế

hệ 2 lúc đó đã đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số Hệ thống 2G hấp dẫn hơn hệ thống 1G bởi vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống này còn có khả năng cung cấp một số dịch vụ truyền dữ liệu và các dịch vụ bổ sung khác Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm 1993, hiện nay đang được Công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả với hai mạng thông tin di động số VinaPhone và MobiFone theo tiêu chuẩn GSM

Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đều sử dụng kỹ thuật điều chế số Và chúng sử dụng 2 phương pháp đa truy cập:

 Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access - TDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau

 Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau

1.1.2.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA

Trong hệ thống TDMA phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian (Time slot) trong chu kỳ một khung Tin tức được tổ chức dưới dạng gói, mỗi gói có bit chỉ thị đầu gói, chỉ thị cuối gói,

Trang 25

các bit đồng bộ và các bit dữ liệu Không như hệ thống FDMA, hệ thống TDMA truyền dẫn dữ liệu không liên tục và chỉ sử dụng cho dữ liệu số và điều chế số

Các đặc điểm của TDMA

 TDMA có thể phân phát thông tin theo hai phương pháp là phân định trước và phân phát theo yêu cầu Trong phương pháp phân định trước, việc phân phát các cụm được định trước hoặc phân phát theo thời gian Ngược lại trong phương pháp phân định theo yêu cầu các mạch được tới đáp ứng khi có cuộc gọi yêu cầu, nhờ đó tăng được hiệu suất sử dụng mạch

 Trong TDMA các kênh được phân chia theo thời gian nên nhiễu giao thoa giữa các kênh kế cận giảm đáng kể

 TDMA sử dụng một kênh vô tuyến để ghép nhiều luồng thông tin thông qua việc phân chia theo thời gian nên cần phải có việc đồng bộ hóa việc truyền dẫn để tránh trùng lặp tín hiệu Ngoài ra, vì số lượng kênh ghép tăng nên thời gian trễ do truyền dẫn đa đường không thể bỏ qua được, do đó sự đồng bộ phải tối ưu

1.1.2.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA

Đối với hệ thống CDMA, tất cả người dùng sẽ sử dụng cùng lúc một băng tần Tín hiệu truyền đi sẽ chiếm toàn bộ băng tần của hệ thống Tuy nhiên, các tín hiệu của mỗi người dùng được phân biệt với nhau bởi các chuỗi mã Thông tin

di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi, mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau

Kênh vô tuyến CDMA được dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN

Trong hệ thống CDMA, tín hiệu bản tin băng hẹp được nhân với tín hiệu băng thông rất rộng, gọi là tín hiệu phân tán Tín hiệu phân tán là một chuỗi mã giả ngẫu nhiên mà tốc độ chip của nó rất lớn so với tốc độ dữ liệu Tất cả các users trong một hệ thống CDMA dùng chung tần số sóng mang và có thể được phát đồng thời Mỗi user có một từ mã giả ngẫu nhiên riêng của nó và nó được xem là trực giao với các từ mã khác Tại máy thu, sẽ có một từ mã đặc trưng được tạo

Trang 26

ra để tách sóng tín hiệu có từ mã giả ngẫu nhiên tương quan với nó Tất cả các

mã khác được xem như là nhiễu Để khôi phục lại tín hiệu thông tin, máy thu cần phải biết từ mã dùng ở máy phát Mỗi thuê bao vận hành một cách độc lập

mà không cần biết các thông tin của máy khác

Đặc điểm của CDMA

 Chất lượng thoại cao hơn, dung lượng hệ thống tăng đáng kể (có thể gấp từ

4 đến 6 lần hệ thống GSM), độ an toàn (tính bảo mật thông tin) cao hơn do sử dụng dãy mã ngẫu nhiên để trải phổ, kháng nhiễu tốt hơn, khả năng thu đa đường tốt hơn, chuyển vùng linh hoạt Do hệ số tái sử dụng tần số là 1 nên không cần phải quan tâm đến vấn đề nhiễu đồng kênh

 CDMA không có giới hạn rõ ràng về số người sử dụng như TDMA

và FDMA Còn ở TDMA và FDMA thì số người sử dụng là cố định, không thể tăng thêm khi tất cả các kênh bị chiếm

 Hệ thống CDMA ra đời đã đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn dịch vụ thông tin di động tế bào Đây là hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bit thông tin của người sử dụng là 8-13 kbps

Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một giai đoạn trung gian là thế hệ 2, 5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiều khe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể chồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng đã được đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x Ở thế hệ thứ 3

Trang 27

này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s Để phân biệt với các

hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 gọi là các hệ thống thông tin di động băng rộng

Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó 2 hệ thống W-CDMA và CDMA2000 đã được ITU chấp thuận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu của những thập kỷ 2000 Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ 3

W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là sự nâng cấp của các

hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ TDMA như: GSM,

IS-136

CDMA2000 là sự nâng cấp của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ CDMA: IS-95

Yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3

Thông tin di động thế hệ thứ 3 xây dựng trên cơ sở IMT-2000 được đưa vào phục vụ từ năm 2001 Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ

2

 Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau:

 384 Kb/s đối với vùng phủ sóng rộng

 2 Mb/s đối với vùng phủ sóng địa phương

 Các tiêu chí chung để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G):

 Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:

Trang 28

Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông

 Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài đường, trên xe, vệ tinh

 Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:

Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment)

trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu

Đảm bảo chuyển mạng quốc tế

Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại,

số liệu chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch theo gói

 Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sang thế hệ 4 qua giai đoạn trung gian

là thế hệ 3,5 có tên là mạng truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA Thế

hệ 4 là công nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 cho đến 1.5 Gbps Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ

100 Mbps khi di chuyển và tới 1 Gbps khi đứng yên, cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên hình ảnh động chất lượng cao Chuẩn 4G cho phép truyền các ứng dụng phương tiện truyền thông phổ biến nhất, góp phần tạo nên các những ứng dụng mạnh mẽ cho các mạng không dây nội bộ (WLAN) và các ứng dụng khác

Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM, là kỹ thuật nhiều tín hiệu được gởi đi cùng một lúc nhưng trên những tần số khác nhau Trong kỹ thuật OFDM, chỉ có một thiết bị truyền tín hiệu trên nhiều tần số độc lập (từ vài chục cho đến vài ngàn tần số) Thiết bị 4G sử dụng máy thu vô tuyến xác nhận bởi phần mềm SDR (Software - Defined Radio) cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn bằng cách dùng đa kênh đồng thời Tổng

Trang 29

đài chuyển mạch mạng 4G chỉ dùng chuyển mạch gói, do đó, giảm trễ thời gian truyền và nhận dữ liệu

1 2 Tổng quan về mạng 4G

4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMT Advanced) được định nghĩa bởi ITU-R Tốc độ dữ liệu đề ra là 100Mbps cho thuê bao di chuyển cao và 1Mbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linh động lên đến 40MHz Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụ như điện thoại IP, truy cập internet băng rộng, các dịch vụ game và dòng HDTV đa phương tiện…

3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên của LTE chưa đủ các tính năng theo yêu cầu của IMT Advanced LTE có tốc độ lý thuyết lên đến 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên đối với băng thông 20MHz

Và sẽ hơn nữa nếu MIMO, các anten mảng được sử dụng LTE được phát triển đầu tiên ở hai thủ đô Stockholm và Olso vào ngày 14/12/2009 Giao diện vô tuyến vật lý đầu tiên được đặt tên là HSOPA (High Speed OFDM Packet Access), bây giờ có tên là E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access) Thực tế cho thấy, hầu hết các hãng sản xuất thiết bị viễn thông hàng đầu thế giới: Alcatel-Lucent, Ericsson, Motorola, Nokia, Nokia Siemens Networks, Huawei,

LG Electronics, Samsung, NEC, Fujitsu đã bắt tay với các nhà mạng lớn trên thế giới (Verizon Wireless, AT&T, France Telecom-Orange, NTT DoCoMo, T-Mobile, China Mobile, ZTE ) thực hiện các cuộc thử nghiệm quan trọng trên công nghệ LTE và đã đạt những thành công đáng kể

LTE Advanced là ứng viên cho chuẩn IMT-Advanced, mục tiêu của nó là hướng đến đáp ứng được yêu cầu của ITU LTE Advanced có khả năng tương thích với thiết bị và chia sẻ băng tần với LTE phiên bản đầu tiên

Di động WiMAX (IEEE 802 16e-2005) là chuẩn truy cập di động không dây băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ bít đỉnh đường xuống

là 128 Mbps và 56 Mbps cho đường xuống với độ rộng băng thông hơn 20 MHz

Trang 30

UMB (Ultra Mobile Broadband) : UMB được các tổ chức viễn thông của Nhật Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hãng như Alcatel- Lucent, Apple, Motorola, NEC và Verizon Wireless phát triển từ nền tảng CDMA UMB có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz đến 20 MHz và làm việc ở nhiều dải tần số, với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288 Mbps cho luồng xuống và 75 Mbps cho luồng lên với độ rộng băng tần sử dụng là

20 MHz Qualcomm là hãng đi đầu trong nỗ lực phát triển UMB, mặc dù hãng này cũng đồng thời phát triển cả công nghệ LTE

Mục tiêu và cách tiếp cận

4G cung cấp QoS và tốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G đang tồn tại, không chỉ là truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS), chat video, TV di động mà còn các dịch vụ HDTV, các dịch vụ tối thiểu như thoại,

dữ liệu và các dịch vụ khác Nó cho phép chuyển giao giữa các mạng vô tuyến trong khu vực cục bộ và có thể kết nối với hệ thống quảng bá video số

Các mục tiêu mà 4G hướng đến:

 Băng thông linh hoạt giữa 5 MHz đến 20 MHz, có thể lên đến 40 MHz

 Tốc độ được quy định bởi ITU là 100 Mbps khi di chuyển tốc độ cao và 1 Gbps đối với thuê bao đứng yên so với trạm

 Tốc độ dữ liệu ít nhất là 100 Mbps giữa bất kỳ hai điểm nào trên thế giới

 Hiệu suất phổ đường truyền là 15bit/s/Hz ở đường xuống và 6.75 bit/s/Hz ở đường lên (có nghĩa là 1000 Mbps ở đường xuống và có thể nhỏ hơn băng thông 67 MHz)

 Hiệu suất sử dụng phổ hệ thống lên đến 3 bit/s/Hz/cell ở đường xuống và 2.25 bit/s/Hz/cell cho việc sử dụng trong nhà

 Chuyển giao liền (Smooth handoff) qua các mạng hỗn hợp

 Kết nối liền và chuyển giao toàn cầu qua đa mạng

 Chất lượng cao cho các dịch vụ đa phương tiện như âm thanh thời gian thực, tốc độ dữ liệu cao, video HDTV, TV di động…

 Tương thích với các chuẩn không dây đang tồn tại

Trang 31

 Tất cả là IP, mạng chuyển mạch gói không còn chuyển mạch kênh nữa

Sử dụng lượng tử hóa trong miền tần số, chẳng hạn như OFDM hoặc SC- FDE (single carrier frequency domain equalization) ở đường xuống :

để tận dụng thuộc tính chọn lọc tần số của kênh mà không phải lượng tử phức tạp

Ghép kênh trong miền tần số chẳng hạn như OFDMA hoặc FDMA ở đường xuống : tốc độ bit thay đổi bằng việc gán cho người dùng các kênh con khác nhau dựa trên điều kiện kênh

SC-Mã hóa sửa lỗi Turbo : để tối thiểu yêu cầu về tỷ số SNR ở bên thu

 Lập biểu kênh độc lập : để sử dụng các kênh thay đổi theo thời gian

 Thích nghi đường truyền : điều chế thích nghi và các mã sửa lỗi

1 3 Sự khác nhau giữa 3G và 4G

Hiện nay, công nghệ 3G cho phép truy cập Internet không dây và các cuộc gọi có hình ảnh 4G được phát triển trên các thuộc tính kế thừa từ công nghệ 3G Về mặt lý thuyết, mạng không dây sử dụng công nghệ 4G sẽ có tốc độ nhanh hơn mạng 3G từ 4 đến 10 lần Tốc độ tối đa của 3G là tốc độ tải xuống 14 Mbps

và 5,8 Mbps tải lên Với công nghệ 4G, tốc độ có thể đạt tới 100Mbps đối với người dùng di động và 1 Gbps đối với người dùng cố định 3G sử dụng ở các dải tần quy định quốc tế cho UL: 1885-2025 MHz; DL: 2110-2200 MHz; với tốc độ

từ 144kbps-2Mbps, độ rộng BW: 5 MHz Đối với 4G LTE thì Hoạt động ở

Trang 32

băng tần: 700 MHz-2,6 GHz với mục tiêu tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp, công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu Tốc độ DL :100Mbps (ở BW 20MHz), UL : 50 Mbps với 2 aten thu một anten phát Độ trễ nhỏ hơn 5ms với

độ rộng BW linh hoạt là ưu điểm của LTE so với WCDMA, BW từ 1.25 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 MHz Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần

và tăng 10 lần số người dùng/cell so với WCDMA

1 3 1 Ƣu điểm nổi bật

 Tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều lần so với 3G

 Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trễ

 Cấu trúc mạng sẽ đơn giản hơn, và sẽ không còn chuyển mạch kênh nữa

 Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần user/cell so với WCDMA

 Độ rộng băng tần linh hoạt cũng là một ưu điểm quan trọng của LTE đối với WCDMA

1.3.2 Các ứng dụng đã tạo nên ƣu điểm của 4G LTE so với 3G

Hiệu suất phổ cao

- OFDM ở DL

+ Chống nhiễu đa đường

+ Hầu hết dữ liệu người dùng thì ít hơn di động

 Thời gian cài đặt và thời gian trì hoãn chuyển tiếp ngắn

 Trễ HO và thời gian ngắt ngắn : TTI ngắn, trạng thái RRC đơn giản

Giá thành rẻ

Trang 33

 Cấu trúc mạng đơn giản, giảm các thành phần của mạng

Chất lượng dịch vụ cao

 Sử dụng các tần số cấp phép để đảm bảo chất lượng dịch vụ : LTE sử dụng các dải tần số khác nhau : 2100 MHz, 1900 MHz, 1700 MHz, 2600 MHz, 900 MHz, 800MHz

 Luôn luôn thử nghiệm ( giảm thời gian trễ trong điều khiển định tuyến)

 Giảm độ trễ khứ hồi ( round trip delay)

Tần số tái sử dụng linh hoạt

 Giảm nhiễu liên cell với tần số tái sử dụng lớn hơn 1

 Sử dụng hai dải tần số:

Dải 1 : hệ số tái sử dụng lớn hơn 1 => công suất phát cao hơn

Dải 2 : phổ còn lại

 Các user ở cạnh cell : sử dụng dải 1 => SIR tốt

 Các user ở trung tâm cell : sử dụng toàn bộ băng => tốc độ dữ liệu cao

Dung lượng và vùng bao phủ của WCDMA UL bị giới hạn bởi can nhiễu: can nhiễu bên trong cell và can nhiễu liên cell Nhưng đối với LTE thì : do tính trực giao nên can nhiễu trong cùng một cell có thể không xét đến và giảm can nhiễu inter-cell bằng tái sử dụng cục bộ, thêm các anten có thể triệt can nhiễu

Kết luận chương:

Chương 1 đã khái quát được những nét đặc trưng, ưu nhược điểm và

sự phát triển của các hệ thống thông tin di động thế hệ 1, 2 và 3, 4 đồng thời đã sơ lược tổng quan của hệ thống thông tin di động thế hệ 4 Hai thông số quan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin của người sử dụng và tính di động, ở các thế hệ tiếp theo các thông số này càng được cải thiện Nêu được ưu điểm của 4G so với 3G và các cơ sở để hình thành

ưu điểm đó Để tìm hiểu thêm về 4G ta qua chương tiếp theo

Trang 34

SVTH: Đỗ Bảo Sơn GVHD: TS: Trịnh Quang Khải

CHƯƠNG 2 : CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN

Hệ thống 4G được xây dựng nhằm chuẩn bị một cơ sở hạ tầng di động

chung có khả năng phục vụ các dịch vụ hiện tại và tương lai Cơ sở hạ tầng

4G được thiết kế với điều kiện những thay đổi, phát triển về kỹ thuật có khả năng

phù hợp với mạng hiện tại mà không làm ảnh hưởng đến các dịch vụ đang sử

dụng Chương này sẽ trình bày hệ thống di động 4G LTE: so sánh LTE với

WiMAX, cấu trúc mạng 4G LTE sẽ như thế nào nó bao gồm những phần tử nào

2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE

Hệ thống 3GPP LTE, là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng

không dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là một trong

những công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G Liên minh Viễn thông

Quốc tế (ITU) đã định nghĩa truyền thông di động thế hệ thứ 4 là IMT

Advanced và chia thành hai hệ thống dùng cho di động tốc độ cao và di động tốc

độ thấp 3GPP LTE là hệ thống dùng cho di động tốc độ cao Ngoài ra, đây còn

là công nghệ hệ thống tích hợp đầu tiên trên thế giới ứng dụng cả chuẩn 3GPP

LTE và các chuẩn dịch vụ ứng dụng khác, do đó người sử dụng có thể dễ dàng

thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa các mạng LTE và các mạng

GSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên WCDMA 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 Thêm vào đó, để cải

Trang 35

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

Động cơ thúc đẩy

 Cần thế hệ tiếp theo để cải thiện các nhược điểm của 3G và đáp ứng

nhu cầu của người sử dụng

 Người dùng đòi hỏi tốc độ dữ liệu và chất lượng dịch vụ cao hơn

 Tối ưu hệ thống chuyển mạch gói

 Tiếp tục nhu cầu đòi hỏi của người dùng về giảm giá thành

(CAPEX và OPEX)

 Tránh sự phân đoạn không cần thiết cho hoạt động của một cặp hoặc

không phải một cặp dải thông

Các giai đoạn phát triển của LTE

 Bắt đầu năm 2004, dự án LTE tập trung vào phát triển thêm UTRAN

và tối ưu cấu trúc truy cập vô tuyến của 3GPP

 Mục tiêu hướng đến là 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 (100Mbps) Tải lên: gấp 2 đến 3 lần (50Mbps)

 Năm 2007, LTE của kỹ thuật truy cập vô tuyến thế hệ thứ 3 –

“EUTRA”- phát triển từ những bước khả thi để đưa ra các đặc tính kỹ thuật được

chấp nhận Cuối năm 2008 các kỹ thuật này được sử dụng trong thương mại

 Các kỹ thuật OFDMA được sử dụng cho đường xuống và SC-FDMA

được sử dụng cho đường lên

Mục tiêu của LTE

 Tốc độ dữ liệu cao

 Công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu

Các đặc tính cơ bản của LTE-

 Hoạt động ở băng tần : 700 MHz-2,6 GHz

Trang 36

DL: 100 Mbps( ở BW 20MHz) UL: 50 Mbps với 2 anten thu một anten phát

Độ trễ : nhỏ hơn 5ms

Độ rộng BW linh hoạt :1,4 MHz; 3 MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15 MHz; 20 MHz Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau

hoặc không

 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

Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD

Độ phủ sóng từ 5-100 km Dung lượng 200 user/cell ở băng tần 5Mhz

 Chất lượng dịch vụ :

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 UMTS

Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có

và các hệ thống không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo

Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN sẽ

nhỏ hơn 300ms cho các dịch vụ thời gian thực và 500ms cho các dịch vụ còn lại

 Chi phí: chi phí triển khai và vận hành giảm

Trang 37

Các thông số lớp vật lý của LTE

Khoảng cách sóng mang con 15KHz

Chiều dài CP

Ngắn 4.7µs

Dài 16.7 µs

Ghép kênh không gian

1 lớp cho UL/UE Lên đến 4 lớp cho DL/UE

Băng thông linh hoạt trong vùng từ 1.4 MHz đến 20 MHz, điều này có

nghĩa là nó có thể hoạt động trong các dải băng tần của 3GPP Trong thực tế,

Trang 38

hiệu suất thực sự của LTE tùy thuộc vào băng thông chỉ định cho các dịch vụ và

không có sự lựa chọn cho phổ tần của chính nó Điều này giúp đáng kể cho các

nhà khai thác trong chiến lược về kinh tế và kỹ thuật Triển khai tại các tần số

cao, LTE là chiến lược hấp dẫn tập trung vào dung lượng mạng, trong khi tại các

tần số thấp nó có thể cung cấp vùng bao phủ khắp nơi Mạng LTE có thể hoạt

động trong bất cứ dải tần được sử dụng nào của 3GPP Nó bao gồm băng tần lõi

của IMT-2000 (1.9-2 GHz) và dải mở rộng (2.5 GHz), cũng như tại 850-900

MHz, 1800 MHz, phổ AWS (1.7 - 2.1 GHz)…Băng tần chỉ định dưới 5MHz được

định nghĩa bởi IUT thì phù hợp với dịch vụ IMT trong khi các băng tần lớn hơn

5MHz thì sử dụng cho các dịch vụ có tốc độ cực cao Tính linh hoạt về băng

tần của LTE có thể cho phép các nhà sản xuất phát triển LTE trong những băng

tần đã tồn tại của họ

Bảng 2.3: So sánh các dịch vụ 3G so với 4G LTE

Thoại (rich voice) Âm thanh thời gian thực VoIP, video hội nghị chất

lượng cao Tin nhắn P2F

Lướt web (browsing) Truy cập đến các dịch vụ

online trực tuyến, trình duyệt WAP thông qua GPRS và mạng 3G

Duyệt siêu nhanh, tải các nội dung lên các mạng xã hội

Thông tin cước phí

(paid information)

Người dùng trả qua hoặc trên mạng tính cước chuẩn Chủ yếu là dựa trên thông tin văn bản

Tạp trí trực tuyến, dòng âm thanh chất lượng cao

Trang 39

bao gồm màn hình chờ (screensaver) và nhạc chờ (ring tone)

Video/TV theo yêu cầu

(Video/TV on demand)

Chạy và có thể tải Video Các dịch vụ quảng bá tivi,

Tivi theo đúng yêu cầu dòng video chất lượng cao

Nhạc Tải đầy đủ các track và

các dịch vụ âm thanh

Lưu trữ và tải nhạc chất lượng cao

Nội dung tin nhắn Tin nhắn đồng cấp sử

dụng 3 thành phần cũng như tương tác với các media khác

Phân phối tỷ lệ rộng của các video clip, dịch vụ karaoke, video cơ bản quảng cáo di động

Điện thoại cầm tay như thiết

bị thanh toán, với các chi tiết thanh toán qua mạng tốc

độ cao cho phép các giao dịch thực hiện nhanh chóng

Chuyển đổi file P2P, các ứng dụng kinh doanh, ứng dụng chia sẻ, thông tin

intranet/extranet

 So sánh LTE với HSPA và WiMAX [17]

Về công nghệ, LTE và WiMax có một số khác biệt nhưng cũng có nhiều

điểm tương đồng Cả hai công nghệ đều dựa trên nền tảng IP Cả hai đều dùng kỹ

thuật MIMO để cải thiện chất lượng truyền/nhận tín hiệu, đường xuống từ trạm thu

Trang 40

phát đến thiết bị đầu cuối đều được tăng tốc bằng kỹ thuật OFDM hỗ trợ truyền

tải dữ liệu đa phương tiện và video

Bảng 2.4 : So sánh giữa HSPA, WiMAX và LTE

Phiên bản 3GPP realease 6 802.16e (2005) 3GPP release 8

2.5GHz, 2.6 GHz, 3.5GHz, 3.65 GHz, 5.8 GHz,

700MHz, 850 MHz, 1.5 GHz, 1.8 GHz, 1.7/2.1 GHz, 2.1GHz, 2.3 GHz, 2.6GHz

Các thông số

hướng đến

Tốc độ dữ liệu lên 5.6 Mbps đối với kênh 5MHz, bán kính cell 680m

Tốc độ dữ liệu lên 7Mbps/25 Mbps đối với kênh 10MHz với 2x2 MIMO, bán kính cell lên đến 2-7Km, 100-200 người dùng

Tốc độ dữ liệu lên 100Mbps/50 Mbps đối với kênh 10MHz với 2x2 MIMO, bán kính cell lên đến 5Km, lớn hơn 400 người dùng

Kế thừa chuẩn 3GPP nhưng khác kỹ thuật nên đòi hỏi thiết bị mới ở RAN nều dải tần khác nhau được

Định dạng
Số trang	127
Dung lượng	3,24 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
1. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng (2010), Lộ trình phát triển thông tin di động từ 3G lên 4G, Nhà xuất bản Thông tin và truyền thông.Tiếng Anh	Khác
2. Harri Holma, Antti Toskala (2009) , LTE for UMTS – OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access, John Wiley & Sons Ltd	Khác
3. Agilent Technologies (2009), 3GPP Long Term Evolution: System -Overview, Product Development,and Test Challenges	Khác
4. Farooq Khan (2009), LTE for 4G Mobile Broadband: Air Interface Technologies and Performance, Cambridge University Press	Khác
5. C.Gessner (2008), UMTS Long Term Evolution (LTE) Technology Introduction, Rohde-Schwarz	Khác
6. Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skửld, Per Beming (2007), 3G EVOLUTION: HSPA and LTE FOR for mobile broadband, Academic Press	Khác