Tiểu Luận - Mạng Thế Hệ Mới Ngn - Đề Tài - Tìm Hiểu Công Nghệ 3G( Hspa) – 4G( Lte - Long Tearn Evolution)

HO CHI MINH17KẾT LUẬN W-CDMA là một công nghệ đem lại tốc độ vượt trội so với các công nghệ di động trước đây. Thế hệ thứ ba ra đời và phát triển cải thiện được chất lượng dịch vụ, giá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

MẠNG THẾ HỆ MỚI NGN

TOPIC 2

TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ 3G( HSPA) – 4G( LTE: Long Tearn Evolution)

1

1.1 Sơ đồ phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào

I Sự phát tiển của công nghệ 1G đến 4G

Hình 1.1

1.2 Sự thay đổi bản chất công nghệ

4

Hình 1.3 : Sơ đồ tóm lược quá trình phát triển của mạng thông tin di động tế bào

II Hệ thống thông tin di động 3G

 3G (Third-generation Technology) là chuẩn

và công nghệ truyền thông thế hệ thứ ba.

 3G được ITU định nghĩa chung là gồm các yếu tố chính cho dịch vụ viễn thông di động quốc tế 2000 (IMT-2000).

2.1 Yêu cầu 3G

Dung lượng lớn.

Tương thích nền tảng 2G.

Hỗ trợ đa phương tiện

Dịch vụ dữ liệu tốc độ cao đáp ứng các tiêu

chuẩn sau:

2Mbps tại môi trường cố định hoặc trong nhà.

384 kbps tại khu nội thành hay đông dân cư.

144 kbps tại khu vực nông thôn hay ngoại thành.

• 3rd Generation Partnership Project 2

• W-CDMA (Wideband Code Divison Multiple Access) là chuẩn liên lạc di động 3G song hành cùng với chuẩn GSM

• W-CDMA là công nghệ nền tảng cho các công nghệ 3G khác như UMTS và OFDMA.

• UMTS được thiết kế trên cơ sở sử dụng lại các phần tử lõi 2G (GSM/GPRS) Hỗ trợ cả HSDPA

và HSUPA.

• CDMA2000 là công nghệ 3G đầu tiên được chính thức triển khai.

2.3 Cấu trúc mạng 3G WCDMA UMTS

Hình 2.3: Cấu trúc mạng 3G WCDMA UMTS

2.3 Cấu trúc mạng 3G WCDMA UMTS

04/2014 11

3 Công Nghệ Di Động 3G W-CDMA

UMTS

TP HO CHI MINH

 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN -UMTS

Terrestrial Radio Network

 Mạng lõi - Core Network

 Thiết bị người dùng UE ( User Equipment ) –

thiết bị đầu cuối di động.

04/2014 TP HO CHI MINH 12

Thiết bị người dùng UE

 Thiết bị di động (ME: Mobile Equipment): Gồm đầu cuối vô tuyến và các đấu nối đến mạng qua giao diện Uu Các đầu cuối di động ban đầu ít nhất phải là song mode và có khả năng hỗ trợ cả WCDMA cũng như GSM/GPRS, vì giai đoạn đầu vùng phủ của W-CDMA UMTS còn hạn chế.

 Module nhận dạng thiết bị UMTS(USIM):

Là một thẻ thông minh chứa nhận dạng thuê bao

để thực hiện các thuật toán nhận thực, lưu giữ các khoá nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối.

2.3 Công Nghệ Di Động 3G

W-CDMA UMTS

04/2014 13

Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN

TP HO CHI MINH

- RNC: bộ điều khiển mạng vô

tuyến - Vai trò như BSC ở

kết nối vô tuyến vật lý giữa

thiết bị đầu cuối với nó, cho

phép tăng , giảm công suất thu

phát vô tuyến.

04/2014 TP HO CHI MINH 14

Mạng lõi - Core Network

Mạng lõi CN được chia làm 3

15

04/2014 TP HO CHI MINH 16

CÁC GIẢI PHÁP KỶ THUẬT

Truy nhập

gói WCDMA

Mã Hóa

2.4 Các Giải Pháp Kỹ Thuật Trong 3G W-CDMA

UMTS

Điều chế BIT/SK và QPSK

Trải phổ trong WCDMA

04/2014 TP HO CHI MINH 17

KẾT LUẬN

 W-CDMA là một công nghệ đem lại tốc độ vượt trội so với các công nghệ di

động trước đây.

 Thế hệ thứ ba ra đời và phát triển cải thiện được chất lượng dịch vụ, giá cước

và phần lớn hạn chế của thế hệ thứ hai, mở ra kỷ nguyên ứng dụng đa phượng tiện cho các thiết bị di động.

 Ưu điểm vượt trội của CDMA với nhà khai thác là có chi phí triển khai thấp với

hiệu suất sử dụng tần số cao, với người sử dụng là chất lượng thoại tốt, bảo mật tuyệt đối và cung cấp các tiện ích cao cấp mà các mạng GSM không thể làm được CDMA đã được nghiên cứu, chuẩn hóa và triển khai rộng rãi trên toàn thế giới với hàng trăm triệu thuê bao.

 Cải thiện được vấn đề về băng thông với nhu cầu thuê bao di động ngày càng

tăng cao hiện nay.

 Cùng với sự góp mặt của HSPA đã đưa W-CDMA lên một tầm cao mới với tốc

độ truy nhập vượt trôi.

2.5 Truy nhập gói tốc độ cao HSPA

• HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) được 3GPP chuẩn hóa trong R5 (năm 2002)

• HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access) được 3GPP chuẩn hóa trong R6 (năm 2004)

• HSDPA và HSUPA được gọi chung là HSPA

Cấu trúc mạng 3G (HSPA)

- HSPA được triển khai trên WCDMA hoặc trên cùng một sóng mang hoặc sử dụng một sóng mang khác để đạt được dung lượng cao.

2.5 Truy nhập gói tốc độ cao HSPA

2.5.1 Nguyên lý hoạt động của HSDPA

2.5.2 Kiến trúc của

HSDPA

 Cấu trúc kênh

2.5.3 Cấu trúc kênh HSDPA kết hợp

WCDMA

 Những cải tiến của HSDPA so với WCDMA

 Trong WCDMA, điều khiển công suất nhanh nhằm giữ ổn định chất lượng tín hiệu nhận được (Eb/No) bằng cách tăng công suất phát nhằm chống lại sự suy hao của tín hiệu thu được

 HSDPA không sử dụng điều khiển công suất Với kỹ thuật AMC điều chế và tỉ lệ mã hóa được thích ứng 1 cách liên tục với chất lượng kênh truyền

 Tăng dung lượng của toàn mạng.

2.5.4 CÁC CHỨC NĂNG MỚI TRONG CÁC PHẦN TỬ

WCDMA KHI ĐƯA RA HSPA

• Cơ chế lai yêu cầu tự

động truyền lại (H-ARQ)

• Chọn lựa cell nhanh (FCS

– Fast Cell Selection)

 Kiến trúc giao diện vô tuyến của HSDPA

2.5.5 Mã hóa và điều chế thích nghi (AMC):

• Khi UE gửi các đo đạc về

đường truyền xuống

trong luồng dữ liệu lên,

Node-B tính toán và

quyết định chọn phương

thức mã hóa và điều chế

nào phù hợp cho TTI

• Nếu đường truyền xấu thì

2.4.7 Kênh vật lý chia sẻ đường xuống tốc độ cao: HS-PDSCH

Trong kênh này thời gian và mã hoá được chia sẻ giữa những người sử dụng gắn liền với Node-B Đây là cơ cấu truyền tải cho các kênh logic được thêm vào:

• Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS-DSCH (HS-Downlink Shared Channel)

• Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao HS-SCCH (HS-Shared Control Channel).

Kênh điều khiển vật lý tốc độ cao

HS-DPCCH

• Đây là kênh đường lên, được sử dụng mang tín hiệu báo nhận (ACK) đến NodeB trên mỗi block

• Nó cũng được dùng để chỉ thị chất lượng kênh CQI (Channel Quality), là yếu tố được sử dụng trong AMC.

TRUY CẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG LÊN

HSUPA

• HSUPA được giới thiệu trong phiên bản 6 của 3GPP , còn có tên gọi là E-DCH (Enhanced Uplink Dedicated Channel)

Các kĩ thuật được sử dụng trong HSUPA:

• Tại UE: MAC-es/e đảm nhận việc

truyền lại theo HARQ , phân định

thời gian và MAC-e cũng thực

hiện ghép kênh, chọn TFC

• Tại Node B: MAC-e được thêm

vào thực hiện chức năng tương tự

• Đường lên cũng được cải tiến

bằng cách thay đổi kịch bản giao

tiếp UTRAN Iub/Iur: một UE

thực hiện Soft Hand Over (SHO)

với 2 Node-B và được quản lí bởi

RNC.

Thay đổi trong mô hình phân lớp:

 Để tăng chất lượng đường truyền người ta

thực hiện cải tiến ở các mặt sau:

• Truyền nhận vô tuyến giữa các UE

• Truyền nhận vô tuyến giữa các BTS

• Kiểm tra chất lượng các BTS

• Yêu cầu về quản lý tài nguyên vô tuyến

3.1 Giới thiệu

 4G là tên gọi được IEEE (Institute of

Electrical and Electronics Engineers - Học

viện kỹ nghệ điện và điện tử) đặt ra nhằm

phân biệt với các chuẩn mạng trước đó là

3G và 2G

 Về cơ bản, 4G được hiểu là thế hệ mạng

tiếp theo của 3G, là công nghệ truyền thông

không dây thứ 4 cho phép tốc độ tải cao

nhất đạt xấp xỉ 100Mbps tại các thiết bị,

phương tiện, có tính di động cao (như tàu

lửa, xe hơi) và 1Gbps tại các vật thể,

phương tiện, thiết bị có tính di động thấp

(như người sử dụng điện thoại di động

đang đứng yên một chỗ, hoặc đang đi bộ

chậm).

 Hai công nghệ xem như là tiền 4G là

chuẩn Wimax2 (802.11m) và Long Term

Evolution (LTE) công nghệ di động mới

đang được phát triển và chuẩn hóa bởi

3GPP.

• 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.

• Độ rộng băng tần linh hoạt cũng là một ưu điểm quan trọng của LTE

đối với WCDMA.

3.1 MÔ HÌNH THÔNG TIN MẠNG DI ĐỘNG 4G

Hình1: Mô hình cấu trúc mạng 4G

 Hoạt động ở chế độ FDD(Frequency Division) hoặc TDD(Time Division Duplexing)

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

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.

 Chi phí triển khai và vận hành giảm

• Kĩ thuật vô tuyến OFDMA (đa truy cập phân chia theo

tần số trực giao) Ở đường DL

• Kỹ thuật đa truy nhập đường lên LTE SC-FDMA (ở

UL)

• Kỹ thuật anten MIMO (đa nhập đa xuất)

• Ngoài ra hệ thống này sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP

(all-IP network), và hỗ trợ cả 2 chế độ FDD và TDD

• Các kĩ thuật về lập biểu, thích ứng đường truyền và yêu

cầu tự động phát lại, lai ghép, tái sử dụng tần số linh hoạt

 Kĩ thuật mới được áp dụng

 Kỹ thuật truy cập phân chia theo tần số trực giao

OFDM :

CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG LTE

• Phổ tín hiệu của các sóng

mang chồng lên nhau

bên thu vẫn khôi phục lại

T/H làm cho hệ thống

OFDM có hiệu suất phổ

cao hơn các hệ thống

khác.

• Loại bỏ được nhiễu

xuyên kí hiệu ISI

• Ở LTE chọn khoảng cách

giữa các sóng mang là

15KHz.

Kỹ thuật đa truy nhập đường lên LTE SC-FDMA

- Việc truyền OFDMA phải chịu một tỷ lệ công suất đỉnh-đến-trung bình (PAPR) cao, điều này có thể dẫn đến những hệ quả tiêu cực đối với việc thiết kế một bộ phát sóng nhúng trong UE

- Các tín hiệu SC-FDMA có tín hiệu Average Power Ratio) tốt hơn OFDMA Đây là một trong những lý do chính để chọn SC-FDMA cho LTE

PAPR(Peak-to Giống như trong OFDMA, các máy phát trong hệ thống SC-FDMA cũng sử dụng các tần số trực giao khác nhau để phát đi các ký hiệu thông tin Tuy nhiên các ký hiệu này phát đi lần lượt chứ không phải song song như trong OFDMA Vì thế các tín hiệu SC-FDMA có PAPR thấp hơn các tín hiệu OFDMA.

 Kỹ thuật SC-FDMA.

3.3.5 CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG LTE

 Kỹ thuật MIMO Trung tâm của LTE là ý tưởng của kỹ

thuật đa ăng ten, được sử dụng để tăng vùng phủ sóng

và khả năng của lớp vật lý

Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO

3.3.5 CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG LTE

 Kỹ thuật MIMO.

• Ghép kênh không gian lợi dụng các hướng không gian

của kênh truyền vô tuyến cho phép phát các dữ liệu khác nhau trên hai anten

• Phát phân tập

CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG LTE

 Các thông số lớp vật lý của LTE

Kỹ thuật truy cập UL DTFS-OFDM (SC-FDMA)

DL OFDMA

Băng thông 1.4MHz, 3 MHz , 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20

MHz

TTI tối thiểu 1ms

Khoảng cách sóng mang con 15KHz

Chiều dài CP Ngắn 4.7µs

Dài 16.7 µs

Điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM

Ghép kênh không gian 1 lớp cho UL/UE

Lên đến 4 lớp cho DL/UE

Sử dụng MU-MIMO cho UL và DL

Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp.

CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE

HÌnh 3.3.4 : Cấu trúc cơ bản của LTE.

 Giao thức của LTE (LTE Protocols).

 Mục đích của LTE là tối thiểu hóa số node: Chọn một cấu

trúc đơn node Trạm gốc phức tạp hơn Node B trong 3G

Và được gọi là E NodeB ( Enhance node B) E nodeB có đầy đủ các chức năng, kể cả quản lí tài nguyên vô tuyến

 Ở LTE chức năng của RLC(Radio Link Control) 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(User

Equipment) và eNodeB

CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE

 Có nhiều loại chức năng khác nhau trong

mạng tế bào:

 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 vô tuyến là

E-UTRAN và mạng lõi là EPC.

CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE

 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.

 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 (Enhance Node B) 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 truy nhập vô tuyến E-UTRAN

CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE

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).

IMS : Tạo điều kiện cho các hệ thống mạng khác có thể

tương thích với nhau.

IMS hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích cho người dùng lẫn các nhà cung cấp dịch vụ.

CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE

 Giao thức của LTE (LTE Protocols).

Giao thức của UTRAN

CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE

 Giao thức của LTE (LTE Protocols).

Giao thức của E-UTRANGiao thức của E-UTRAN phát triển thêm của UTRAN bằng cách thêm L1 và MAC(Medium Access Control) mới

CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE

• Tốc độ tối đa của 3G : tốc độ tải xuống 14Mbps và 5.8 Mbps tải lên.

• Với 4G tốc độ đạt tới 100Mbps đối với người dùng di động và 1Gbps

với người dùng cố định.

 Về băng tần :

 3G sử dụng băng tần theo chuẩn quy định của quốc tế cho UL : 1885

-2025Mhz, DL là 2110 – 2200 Mhz với tốc độ từ 144Kbps đến 2Mbps,

độ rộng băng thông tối đa 5Mhz.

 4G LTE thì hoạt động với băng tần 700 – 2,6Ghz tốc độ DL 100Mbps

băng thông 20Mhz , UL 50Mbps, với băng thông linh hoạt là ưu điểm của LTE so với WCDMA, BW từ 5Mhz, 10Mhz, 15Mhz, 20Mhz hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và 10 lần số người dùng /cell so với WCDMA

 Hiệu suất phổ cao:

 Được sử dụng ở 3G là CDMA và các biến thể của nó 4G cả hai công nghệ (LTE và WiMAX) sử dụng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) trong nhận

dữ liệu.

 ▪ Trong đường lên LTE sử dụng SC-FDMA (Single Carrier FDMA) và WiMAX tiếp tục sử dụng OFDMA trong khi mạng 3G sử dụng CDMA biến thể.

 MIMO : Multiple Input Multiple Output.

• Cả bên phát và bên thu tín hiệu đều sử dụng nhiều

ang-ten để tối ưu hóa tốc độ truyền và nhận dữ liệu, đồng thời làm giảm lỗi như nhiễu sóng, mất tín hiệu, mở

rộng tầm phủ sóng trên một băng thông, giảm chi phí truyền tải

 Cấu trúc mạng sẽ đơn giản hơn, công nghệ truy cập

sóng vô tuyễn gói dữ liệu tối ưu, và sẽ không còn

chuyển mạch kênh nữa

 Tăng hiệu quả sử dụng phổ và thời gian trễ độ trễ thấp,

độ trễ nhỏ hơn 5ms

 Tần số tái sử dụng linh hoạt

 Chất lượng dịch vụ cao

 Tầm quan trọng của công nghệ 3G và 4 G

trong hệ thống NGN tương lại

Tầm quan trọng của công nghệ mạng 3G và 4G chính là tốc độ truy cập của nó so với các thế hệ mạng thông tin di động tế báo trước Các hệ thống thông tin di động thế hệ 1G, 2G và 2,5G cho băng thông hẹp, tốc độ chậm

 Chỉ đáp ứng được các dịch vụ băng hẹp tốc độ thấp Còn thế hệ thứ 3 và thứ 4 có tốc độ lên đến Mbps đến hằng Gbps Đáp ứng các ứng các nhu cầu sử dụng dịch vụ ngày càng cao về dung

lượng và truyền dẫn tốc độ cao như: Các dịch vụ giải trí, âm

thanh số, thoại,… Giải quyết được :

 Các dịch vụ tương tác đa phương tiện : Truyền hình hội nghị, Internet không dây, tính di động toàn cầu và tính di chuyển dịch vụ.

 Hạ giá thành.

 Tăng độ khả dụng của hệ thống thông tin di động.

 Tầm quan trọng của công nghệ 3G và 4 G

trong hệ thống NGN tương lại

Tốc độ một số mạng thông tin di động

Hình 2.8

 Trong đo đạc ở mạng 4G, S/N tối đa là 30dB thì C tối đa tầm 70Mbps ở

mạng LTE 2x2MIMO Tuy nhiên khi S/N đạt hơn 25dB thì C cũng có thể đạt maximum Còn đạt bao nhiều % thì tùy môi trường, mình ko thể kết luận được

C=B*log2(1+S/N)

Trong đó:

C: dung lượng kênh truyền (bps)

B: bandwidth (Hertz) S: signal power (Watt) N: noise power (Watt)

Công thức Shannon