Tìm hiểu ông nghệ small cell trong mạng di động lte và lte advanced

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - - ĐÀO HỒNG QUÂN TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ SMALL CELL TRONG MẠNG DI ĐỘNG LTE VÀ LTE - ADVANCED Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VƯƠNG HỒNG NAM Hà Nội - Năm 2018 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205253391000000 MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƢƠNG CÔNG NGHỆ LTE 1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động 1.1.1 Hệ thống thông tin di động hệ thứ (1G) .6 1.1.2 Hệ thống thông tin di động hệ thứ (2G) 1.1.3 Hệ thống thông tin di động hệ (3G) 1.1.4 Hệ thống thông tin di động hệ (4G) 10 1.2 Tổng quan công nghệ LTE 11 1.2.1 Giới thiệu công nghệ LTE 11 1.2.2 Tiềm công nghệ 12 1.2.3 Hiệu suất hệ thống 14 1.2.4 Quản lý tiềm vô tuyến 15 1.3 Kiến trúc mạng LTE 15 1.3.1 Tổng quan cấu hình kiến trúc hệ thống .17 1.3.2 Thiết bị người dùng (UE) 18 1.3.3 E-UTRAN NodeB (eNodeB) .19 1.3.4 Thực thể quản lý tính di động (MME) 21 1.3.5 Cổng phục vụ (S-GW) .24 1.3.6 Cổng mạng liệu gói (P-GW) 26 1.3.7 Chức sách tính cước tài nguyên (PCRF) 28 1.3.8 Máy chủ thuê bao thường trú (HSS) 29 1.4 Xử lý tín hiệu băng gốc đƣờng xuống trạm gốc LTE/LTE-A 30 1.4.1 Sơ đồ tổng quan xử lý băng gốc 30 1.4.2 Chức khối mã hóa nguồn 31 1.4.3 Quá trình xử lý giao diện vô tuyến .37 1.4.4 Phương pháp đa truy nhập OFDMA 44 1.5 Xử lý tín hiệu băng gốc đƣờng lên trạm gốc LTE/LTE-A .45 1.5.1 Sơ đồ tổng quan xử lý băng gốc đường lên trạm gốc di động 45 1.5.2 Đa truy nhập đơn sóng mang SC-FDMA 46 1.6 Kỹ thuật đa anten MIMO 49 1.7 Kết luận chƣơng 51 CHƢƠNG MẠNG DI ĐỘNG 4G LTE-ADVANCED .52 2.1 Sự phát triển LTE để tiến lên LTE-Advanced 52 2.2 Kiến trúc mạng LTE-Advanced .54 2.2.1 Mạng truy nhập LTE-Advanced E-UTRAN .54 2.2.2 Mạng lõi gói phát triển EPC 55 2.3 Các công nghệ sử dụng LTE-Advanced 55 2.3.1 Cộng gộp sóng mang (Carrier Aggregation) 55 2.3.2 Giải pháp đa anten .56 2.3.3 Truyền dẫn đa điểm phối hợp 57 2.3.4 Các lặp chuyển tiếp 57 2.4 Kết luận chƣơng 59 CHƢƠNG 3: CÔNG NGHỆ SMALL CELL TRONG MẠNG 4G LTE ADVANCED 60 3.1 Tổng quan công nghệ small cell 60 3.1.1 Giới thiệu chung small cell 60 3.1.2 Kiến trúc 4G small cell 62 3.1.3 Các vấn đề cần ý small cells 66 3.2 Femtocell .68 3.2.1 Giới thiệu chung Femtocell 68 3.2.2 Chế độ hoạt động thiết bị femtocell 71 3.2.3 Sơ đồ khối nguyên lý chung cho thiết bị Femtocell 73 3.2.4 Sơ đồ khối phân hệ RF 74 3.3 Picocell 75 3.3.1 Giới thiệu chung Picocell 75 3.3.2 Sơ đồ khối nguyên lý chung cho thiết bị Picocell 78 3.3.3 Sơ đồ khối phân hệ RF 79 3.4 Microcell 80 3.4.1 Giới thiệu chung Microcell 80 3.4.2 Sơ đồ khối nguyên lý chung cho thiết bị Microcell 82 3.4.3 Sơ đồ khối phân hệ RF 83 3.5 Kết luận chƣơng 83 KẾT LUẬN 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ 3G 4G 3GPP 3GPP2 BS BSS BSC BTS CDMA CRC CN CRN CoA EIRP FDD FDMA HSDPA CRN CoA EIRP FDD FDMA Tiếng Anh Third Generation Fourth Generation 3rd Generation partnership Project 3rd Generation partnership Project Base Station Base Station System Base Station Controller Base Tranciver Station Code Division Multiple Access Cyclic Redundancy Code Core Network Carrier to Noise Ratio Care of Address Effective Isotropically Radiated Power Frequency Division Duplex Frequency Divison MultiAccess High Speed Downlink Packet Access Carrier to Noise Ratio Care of Address Effective Isotropically Radiated Power Frequency Division Duplex Frequency Divison MultiAccess Tiếng Việt Thế hệ thứ ba Thế hệ thứ tƣ Đề án đối tác hệ thứ ba Đề án đối tác hệ thứ ba Trạm gốc Hệ thống trạm gốc Bộ điều khiển trạm gốc Trạm thu phát gốc Đa truy nhập phân chia theo mã Mã vòng dƣ Mạng lõi Tỉ số sóng mang tạp âm Địa tạm thời Cơng suất phát xạ đẳng hƣớng hiệu dụng Ghép song công phân chia theo tần số Đa truy cập phân chia theo tần số Hệ thống truy cập gói đƣờng xuống tốc độ cao Tỉ số sóng mang tạp âm Địa tạm thời Công suất phát xạ đẳng hƣớng hiệu dụng Ghép song công phân chia theo tần số Đa truy cập phân chia theo tần số HSDPA IP IPv6 ITU MAC MN MNN MS MSC MIMO MCCDMA NEMO NGN OSI OFDM QOS RNC RNS RO RR RINR TCP UMTS UWB WLAN High Speed Downlink Packet Access Internet Protocol Internet Protocol version International Telecommunication Union Medium Access Control Mobile Note Mobile Network Note Mobile Station Mobile Service Center Multi Input – Multi Output Multi Carrier CDMA Network Mobility Next Genaration Network Open Systems Interconnection Orthononal Frequency Division Multiplexing Quality of Service Radio Network Controller Radio Network Subsystem Route Optimization Return Routability Signal to Interference And Noise Power Ratio Transmision Control Protocol Universal Mobile Telecommunnication System Ultra Wide Band Wireless Lan Hệ thống truy cập gói đƣờng xuống tốc độ cao Giao thức internet Giao thức internet phiên Liên minh viễn thông quốc tế Điều khiển thâm nhập môi trƣờng Nút di động Nút mạng di động Trạm di động Trung tâm dịch vụ di động Ăng ten nhiều kênh vào- nhiều kênh Đa truy cập phân chia theo mã sóng mang Tính di động mạng Thế hệ mạng sau Mơ hình liên kết hệ thống mở Ghép kênh đa truy cập phân chia theo mã tần số trực giao Chất lƣợng dịch vụ Bộ điều khiển mạng vô tuyến Hệ thống mạng vô tuyến Tối ƣu hóa đƣờng Khả định tuyến đƣờng Tỉ số cơng suất tín hiệu nhiễu tạp âm Giao thức điều khiển truyền dẫn Hệ thống viễn thơng di động tồn cầu Băng tần cực rộng Mạng cục không dây DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ Loại Số Bảng Bảng Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ 1.1 3.1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ 1.16 1.17 1.18 1.19 Hình vẽ ấ 1.21 Minh họa nguyên lý tạo tín hiệu OFDM sử dụng điều chế QPSK sóng mang 1.22 Tín hiệu OFDM miền thời gian 1.23 OFDM OFDMA 1.24 Xử lý băng gốc đƣờng lên kênh PUSCH trạm gốc di động 1.25 Minh họa khác biệt OFDM SC-FDMA 1.26 Sơ đồ thực SC-FDMA Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Tên bảng hình vẽ Ánh xạ điều chế QPSK Đặc trƣng loại small cell khác macrocell Yêu cầu trễ mặt LTE Phát triển kiến trúc 3GPP hƣớng tới kiến trúc phẳng Kiến trúc hệ thống cho mạng có E-UTRAN eNodeB kết nối tới nút logic khác chức MME kết nối tới nút logic khác chức Các kết nối S-GW tới nút logic khác chức P-GW kết nối tới node logic khác chức PCRF kết nối tới nút logic khác chức Sơ đồ xử lý băng gốc L1 (đƣờng xuống) Phân nhỏ khối liệu Bộ mã hóa Turbo 1/3 Q trình điều chỉnh tốc độ Bộ đệm vịng Minh họa q trình rate-matching Chase Combining Minh họa trình rate-matching Incremental Redundancy Quá trình nối khối mã sau rate matching 16QAM Ánh xạ liệu vào hai lớp Layer Layer Minh họa thực tiền mã hóa q trình truyền phân tập Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ 1.27 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ Hình vẽ 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 MIMO 2×2 , khơng có tiền mã hóa Kiến trúc E-UTRAN LTE-Advanced Chồng giao thức Kết hợp sóng mang cơng nghệ Carrier Aggregation Truyền dẫn đa điểm phối hợp Chuyển tiếp LTE-Advanced Kiến trúc 4G small cell Kiến trúc Dedicated HeNB-GW Kiến trúc tích hợp hoàn toàn HeNB-GW Kiến trúc sử dụng HeNB-GW cho C-plane Handover cho small cell Thiết bị femtocell Mơ hình triển khai thiết bị femtocell Sơ đồ khối nguyên lý thiết bị Femtocell Sơ đồ khối phân hệ RF Thiết bị picocell Kịch mạng cho đƣờng truyền di động picocell 60 GHz đô thị đƣợc hỗ trợ đầy đủ với sở hạ tầng cáp quang đa dạng Sơ đồ khối nguyên lý thiết bị Picocell Sơ đồ khối phân hệ RF Thiết bị microcell Kiến trúc microcell với UE macrocell Sơ đồ khối nguyên lý thiết bị Microcell Sơ đồ khối phân hệ RF MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Tiếp theo mạng thông tin di động (TTDĐ) hệ thứ (3G), Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) hƣớng tới chuẩn cho mạng di động tế bào hệ thứ (4G) 4G có tính vƣợt trội nhƣ: cho phép thoại dựa IP, truyền số liệu đa phƣơng tiện với tốc độ cao nhiều so với mạng di động Theo tính tốn, tốc độ truyền liệu lên đến 100 Mb/s, chí lên đến Gb/s điều kiện tĩnh Trong bối cảnh ngƣời ta chuyển hƣớng sang nghiên cứu hệ thống thông tin di động có tên gọi 4G mà tảng công nghệ LTE LTE-Advanced Nhu cầu khách hàng tác động lớn đến đời, tồn phát triển cơng nghệ Có thể nói, có hai yếu tố từ nhu cầu ngƣời dùng tác động đến phát triển nghệ 4G Thứ nhất, gia tăng nhu cầu ứng dụng mạng không dây nhu cầu băng thông cao truy nhập internet Thứ hai, ngƣời dùng muốn công nghệ không dây đời cung cấp dịch vụ tiện ích theo cách tƣơng tự nhƣ mạng hữu tuyến, mạng khơng dây có mà họ dùng với thói quen họ Và hiển nhiên, nhu cầu chất lƣợng dịch vụ cung cấp đƣợc tốt hơn, tốc độ cao hơn, tốc độ truy nhập Web, tải xuống tài nguyên mạng nhanh hơn,… đích hƣớng tới cơng nghệ di động 4G Ngày nay, thiết bị di động thƣờng gặp vấn đề tắc nghẽn mạng làm việc gây ảnh hƣởng đến nhu cầu sử dụng thuê bao, đặc biệt tòa nhà trung tâm thành phố nhƣng khơng nằm vùng phủ sóng tháp di động truyền thống, tòa nhà nhiều bê tơng cốt thép Từ đó, sản phẩm cơng nghệ small cell (phủ sóng diện hẹp) đời để khắc phục đƣợc nhƣợc điểm trên, đáp ứng nhu cầu nâng cao chất lƣợng mạng trải nghiệm tốt cho ngƣời dùng, đồng thời đảm bảo chi phí đầu tƣ vận hành mức hợp lý tối ƣu Mặc dù công nghệ 4G LTE khiến mạng di động băng thông rộng 3G sử dụng trở nên lỗi thời, nhƣng với mạng LTE Advanced, tốc độ truyền tải liệu đƣợc đẩy lên chạm mốc 1Gbps, nhanh gấp 10 lần so với tốc độ mạng 4G LTE Xuất phát từ thực tiễn trên, chọn đề tài “ Tìm hiểu cơng nghệ small cell (phủ sóng diện hẹp) mạng 4G-LTE Advanced” để nghiên cứu viết luận văn thạc sĩ Lịch sử nghiên cứu: từ tháng 09 năm 2017 đến tháng 09 năm 2018 Mục đích nghiên cứu, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu: - Tìm hiểu tổng quan hệ thống thông tin di động 4G-LTE 4G-LTE Advanced - Nghiên cứu công nghệ small cell mạng 4G LTE-Advanced ứng dụng thực tiễn Đối tƣợng nghiên cứu - Hệ thống thông tin di động 4G-LTE 4G LTE-Advanced - Nguyên lý trạm gốc di động tổng quan dạng small cell Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu nằm phạm vi tìm hiểu, trau dồi nâng cao kiến thức công nghệ phát triển sử dụng hệ thống thông tin di động Các luận điểm đóng góp luận văn - Nắm đƣợc kiến thức công nghệ sử dụng mạng di động - Tìm hiểu, nghiên cứu cơng nghệ small cell sử dụng mạng 4G LTE Advanced Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến chuyên gia có kinh nghiệm để từ làm sở hồn thành luận văn - Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu: Tìm kiếm, thu thập tài liệu liên quan mạng Internet, thƣ viện, từ trích lọc thơng tin cần thiết phục vụ cho thực luận văn