đồ án tốt nghiệp đại học tìm hiểu về hệ thống thông tin di động 4g lte

6 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3GPP Third Generation Partnership Project Dự án các đối tác thế hệ thứ 3 AMPS Advanced Mobile Phone Sytem Hệ thống điệtiên ti n n thoế ại di động BPSK Binary phase

TÌM HIỂ U V HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G - LTE Ề

Hưng Yên Năm 2023 –

2

MUC LUC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN 4

LỜI CẢM ƠN 5

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 9

DANH MỤC BẢNG BIỂU 11

MỞ ĐẦU 12

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ GIỚI : THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE 13

1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 13

1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) 13

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) 14

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 ( 3G) 16

1.2 Giới thiệu về công nghệ LTE 18

CHƯƠNG 2 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG MẠNG 4G LTE VÀ GIAO THỨC: 22

2.1 TỔNG QUAN 22

2.1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE 22

2.1.2 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax và những triển vọng cho công nghệ LTE 23

2.2 Kiến trúc mạng LTE 24

2.2.1 Tổng quan về cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống 25

2.2.2 Các giao diện và giao thức trong cấu hình kiến trúc cơ bản của hệ thống 38

CHƯƠNG 3 TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE 47

3.1 Các Chế Độ Truy Nhập Vô Tuyến 47

3.2 Băng Tần Truyền Dẫn 47

3.3 Các Băng Tần Được Hỗ Trợ 47

3.4 KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP CHO ĐƯỜNG XUỐNG OFDMA 49

3.4.1 Các tham số OFDMA 51

3.4.2 Truyền dẫn dữ liệu hướng xuống 53

3

3.5 KỸ THẬT ĐA TRUY CẬP ĐƯỜNG LÊN LTE SC-FDMA 55

3.5.1 SC-FDMA 55

3.5.2 Các tham số SC-FDMA 56

3.5.3 Truyền dữ liệu hướng lên 57

3.6 So sánh ofdma và SC - FDMA 59

3.7 Tổng quan về kỹ thuật đa ăng ten MIMO 60

3.7.1 Đơn đầu vào Đơn đầu ra (SISO) 61

3.7.2 Đơn đầu vào đa đầu ra (SIMO) 61

3.7.3 Đa đầu vào đơn đầu ra (MISO) 62

3.7.4 Đầu vào đa đầu ra (MIMO) 62

KẾT LUẬN 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

4

Hưng yên, ngày tháng năm 2023 Giảng viên hướng dẫn

5

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các thầy cô trong bộ môn tin học viễn thông cũng như các thầy cô trong khoa điện điện tử đã luôn nhiệt tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học tập tại trường, là nền tảng giúp em có thể thực hiện đề tài tốt nghiệp này

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Quốc Trung, người đã hết lòng hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt thời gian làm đồ án, giúp người thực hiện có những hướng đi đúng đắn để có thể hoàn thành đề tài

Xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến những người bạn đã luôn hết lòng giúp đỡ người thực hiện trong thời gian qua

Một lần nữa xin chân thành cảm ơn!!

Người thực hiện đề tài Phạm Quang Trung

6

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

3GPP Third Generation Partnership Project Dự án các đối tác thế hệ thứ 3

AMPS Advanced Mobile Phone Sytem Hệ thống điệtiên ti n n thoế ại di động

BPSK Binary phase shift keying Khóa d ch pha nh phân ị ị

BTS Base transceiver station Trạm thu phát g c ố

CDM Code Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mã CDMA Code Division Multiplexing Acces Đa truy cập phân chia theo mã

CQI Channel Quality Information Thông tin chất lượng kênh

C – RNTI Radio Network Temporary Identifier Nhận d ng t m th i m ng vô ạtuyến t bào ạ ế ờ ạDCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khi n riêng ểDCI Downlink Control Information Thông tin điềxuống u khiển đường DFT Disrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DTX Discontinuous Transmission Truyền phát không liên t c ụDwPTS Downlink Pilot Time Slot Khe thđường xuống ời gian điều khi n ểEDGE Enhanced Data Rates fof GSM Evolution Tốc độ dữ liệu tăng cường cho GSM phát tri n ể

7

EPDG Ecolved Packet Date Gateway Cổng dữ liệu gói phát tri n ể

FDD Frequency Domain Duplex Sông công phân chia t n s ầ ốFDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia t n s ầ ốFFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh GGSN Gateway GPRS Support Node Nút c ng hổ ỗ trợ GPRSGPRS General packket radio Service Dịch v vô tuy n gói chung ụ ếGPS Globanl Positioning Sytsem Hệ thống định vị toàn cầu GTP GPRS Runneling Protocol Đóng gói định tuyến chung GTP - C GPRS Runneling Protocol, Control Plane Mặt phthức đường hầm GPRS ẳng điều khi n, giao ểGUTI Globally Unique Temporary Identity Nhận d ng t m th i duy nhạ toàn c u ạ ầờ ất

HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yêu c u l p l i tầ ặ ạ ự độhợp ng h ỗ

HSDPA High Speed Downlink Packet Access Truy cập gói đường xuống

tốc độ Cao

HS - DSCH High Speedd Downlink Share Channel Kênh chia stốc độ Cao ẻ đường xu ng ốHSCSD High Speedd Circuit Switched Data Số liệu chuy n m ch kênh tể ạ ốc

độ cao HSPA High Speed Packet Access Truy nh p gói tậ ốc độ caoHSS Home Subscriber Server Máy chủ thuê bao thường trú HSUPA High Speed Uplink packer Access Truy nhập gói đường lên tốc

độ cao

8

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh nghịch đảo IMS IP Multimedia Subsystem Hệ thống con đa phương tiện IP

Telecommunications Truyền thông di động quốc tế

ISDN Integrated Services Digital Mạng số dịch vụ tích hợp

9

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.2 Sự phát triển từ 2G lên 2.5G 15

Hình 2.1 Lộ trình phát triển của LTE và các công nghệ khác 23

Hình 2.2 Phát triển kiến trúc 3GPP hướng tới kiến trúc phẳng hơn 25

Hình 2.3 Sự chuyển đổi trong cấu trúc mạng từ UTRANsang E-UTRAN 25

Hình 2.4 Kiến trúc hệ thống cho mạng chỉ có E-UTRAN 26

Hình 2.5 eNodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính 29

Hình 2.6 MME kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính 31

Hình 2.7 Các kết nối S GW tới các nút logic khác và các chức năng chính- 33

Hình 2.8 P-GW kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính 36

Hình 2.9 PCRF kết nối tới các nút logic khác & các chức năng chính 37

Hình 2.10 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển trong EPS 39

Hình 2.11 Năn xếp giao thức mặt phẳng người dùng trong EPC 41

Hình 2.12 Các ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng cho giao diện X2 42

Hình 2.13 Trạng thái của UE và chuyển tiếp trạng thái 43

Hình 2.14 Hoạt động chuyển giao 44

Hình 2.15 Khu vực theo dõi cập nhật cho UE ở trạng thái RRC rảnh rỗi 45

Hình 3.1 Biểu diễn tần số thời gian của một tín hiệu OFDM.- 49

Hình 3.2 Sự tạo ra ký hiệu OFDM có ích sử dụng IFFT 50

Hình 3.3 Sự tạo ra chuỗi tín hiệu OFDM 50

Hình 3.4 Cấp phát sóng mang con cho OFDM & OFDMA 51

Hình 3.5 Cấu trúc khung loại 1 51

Hình 3.6 Cấu trúc khung loại 2 52

Hình 3.7 Thể hiện cấu trúc của lưới tài nguyên đường xuống cho cả FDD và TDD 52

Hình 3.8 Ghép kênh thời gian tần số OFDMA- 53

Hình 3.9 Phát và thu OFDMA 54

Hình 3.10 Sơ đồ khối DFT-S-OFDM 56

Hình 3.11 Lưới tài nguyên đường lên 57

Hình 3.12 Phát & thu hướng lên LTE 58

Hình 3.13 So sánh OFDMA & SC-FDMA truyền một chuỗi các ký hiệu dữ liệu QPSK 60

10

Hình 3.14 Các chế độ truy nhập kênh vô tuyến 61 Hình 3.15 MIMO 2*2, không có tiền mã hóa 63 Hình 3.16 Ericsson phối hợp với Cục Tần số Vô tuyến điện thử nghiệm công nghệ LTE tại Hà Nội 64 Hình 3.17 Trạm gốc LTE 65

11

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các đặc điểm chính của công nghệ LTE 18Bảng 2.1 Tóm tắt các giao thức và giao diện trong cấu hình kiến trúc hệ thống cơ bản 42Bảng 3.1 Các băng tần vận hành cho E-UTRAN 48

đa phương tiện trên nền IP với tốc độ cao hơn nhiều so với các mạng di động hiện nay Theo tính toán, tốc độ truy n t i dề ả ữ liệu tĩnh có thể đạ ớt t i 100Mb/s, th m chí ậlên t i 1Gb/s Vì v y, vi c nghiên c u hớ ậ ệ ứ ệ thống thông tin di động trước 4G LTE nhằm c i thi n t c ả ệ ố độ truy n dề ữ liệu của mạng thông tin di động hiện nay là cần thiết

và thi t thế ực

2 Mục đích nghiên cứu

Tìm hi u ki n trúc hể ế ệ thống c a m ng 4G LTE, các giao th c s d ng trong m ng ủ ạ ứ ử ụ ạChế độ truy c p vô tuy n trong m ng LTE Mô ph ng hậ ế ạ ỏ ệ thống thu phát SC-FDMA

và so sánh hiệu năng hệ thống khi trạng thái người dùng thay đổi

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE và chương trình mô phỏng

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên c u lý thuyứ ết để tìm hi u các chể ế độ truy c p vô tuyậ ến được s d ng ử ụtrong các hệ thống, ki n trúc và mế ạng thông tin di động 4G LTE

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đáp ứng nhu c u cầ ủa người dùng v các ng d ng mề ứ ụ ạng không dây và băng thông cao khi lướt Internet Chất lượng d ch v tị ụ ốt hơn, tốc độ cao hơn, tốc độ truy cập web nhanh hơn, tải tài nguyên mạng nhanh hơn nhu cầu là mục tiêu của công nghệ di động 4G Tại Việt Nam hiện nay 3G đang phát triển rất nhanh, tiến tới 4G không còn xa Theo Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT), đơn vị ừa vhoàn thành vi c lệ ắp đặt tr m BTS ph c v d ch v vô tuyạ ụ ụ ị ụ ến băng rộng sử dụng công nghệ LTE, công nghệ tiền 4G đầu tiên t i Vi t Nam và khu vạ ệ ực Đông và Nam Á

13

VÀ GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE

1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

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

Công nghệ di động s m nh t là công nghớ ấ ệ tương tự, hệ thống truy n dề ẫn tương

tự, mạng điện thoại di động đầu tiên của loài người, bắt đầ ở Nhậu t Bản vào năm

1979, đây là hệ thống thông tin di động, cũng sử ụng đa truy cậ d p phân chia tần số FDMA và điều chế FM, có các đặc điểm sau:

Phương thức truy cập: FDMA

và Úc vào năm 1978 TACS (Total Access Communication System) được sử dụng ở Anh vào năm 1985

Hình 1.1 Tiến trình phát triển của thông tin di động

Hầu như các hệ thống đều là hệ thống tương tự và dịch vụ truyền chủ yếu là thoại Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị bên thứ 3 nghe lén Những điểm yếu của thế hệ 1G là dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọi không tin cậy và chất lượng âm thanh kém, không có chế độ bảo mật cho nên hệ thống 1G không thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng

14

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)

Hệ thống di động thế hệ thứ hai sử dụng truyền dẫn vô tuyến kỹ thuật số để truyền d n Mẫ ạng 2G có dung lượng lớn hơn mạng th hế ệ thứ nhất Công ngh này ệvượt trội hơn 1G và có các đặc điểm sau:

Dung lượng tăng

Chất lượng âm thanh tốt hơn

Hỗ trợ d ch v dị ụ ữ liệu

Chế độ truy cập: TDMA, CDMA băng hẹp M t s hộ ố ệ thống tiêu bi u: ểGSM (Global System for Mobile Phones) thông qua phương thức truy cập TDMA đưmợc triển khai ở Châu Âu D-AMPS (IS-136-Digital Advance Mobile Phone System) s dử ụng phương thức truy cập TDMA được triển khai tại Hoa K IS-95 (CDMA One) s dỳ ử ụng phương thức truy cập CDMA đã được triển khai t i M và Hàn Quạ ỹ ốc

PDC (Personal Digital Cellular) thông qua phương pháp truy cập TDMA được triển khai tại Nhật Bản

GSM cơ bản sử dụng băng tần 900MHz Sử dụng đa truy cập dựa trên thời gian (TDMA) System Model 1800 (DCS 1800; còn được gọi là GSM 1800)

và PCS 1900 (hoặc GSM 1900) Loại thứ hai chỉ được sử dụng ở Bắc Mỹ và Chile, trong khi DCS 1800 được sử dụng ở một số nơi khác trên thế giới Do đó, hai băng tần di động được sử dụng đồng thời

Hệ thống GSM 900 hoạt động trong dải tần cơ bản hẹp và dài (890-960MHz) Dải cơ sở được chia thành 2 phần:

Đường lên (890 - 915) MHz

Đường xuống (935 - 960)MHz

Dải tần này bao gồm 124 sóng mang, được chia thành 2 dải tần, độ rộng mỗi dải tần là 25MHz và khoảng cách giữa 2 sóng mang liền kề là 200KHz Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt cho 2 đường uplink và downlink và được gọi là kênh song công

Khoảng cách giữa hai tần số không đổi là 45MHz Mỗi kênh vô tuyến mang 8 khe thời gian TDMA và mỗi khe thời gian là một kênh vật lý trao đổi thông tin giữa

MS và mạng GSM Tốc độ từ 6.5 - 13 Kbps

46

Đối với việc quản lý tính di động trong trạng thái RRC rảnh rỗi, khái niệm khu vực theo dõi (TA) được đưa ra Một khu vực theo dõi thường bao gồm nhiều eNB như được miêu tả trong hình 2.15 Một UE có thể phát hiện được sự thay đổi của khu vực theo dõi khi nó nhận được một TAI khác so với trong ô hiện tại Các UE cập nhật MME cùng với thông tin TA mới của nó khi nó di chuyển qua TA khác Khi P-GW nhận dữ liệu của một UE, nó lưu các gói vào bộ đệm và hỏi MME về vị trí của UE Sau đó MME sẽ nhắn tin tới UE trong hầu hết các TA hiện tại của nó Một UE có thể được đăng ký đồng thời ở nhiều TA Điều này cho phép tiết kiệm năng lượng cho các

UE trong điều kiện cơ động cao bởi vì nó không cần liên tục cập nhật vị trí của nó với các MME

47

3.1 Các Chế Độ Truy Nhập Vô Tuyến

Giao diện không gian LTE hỗ trợ cả hai chế độ là song công phân chia theo tần

số (FDD) và song công phân chia theo thời gian (TDD), mỗi chế độ có một cấu trúc khung riêng Chế độ bán song công FDD cho phép chia sẻ phần cứng giữa đường lên

và đường xuống vì đường lên và đường xuống không bao giờ sử dụng đồng thời Kỹ thuật này được sử dụng trong một số dải tần và cũng cho phép tiết kiệm chi phí và băng thông

Giao diện không gian LTE cũng hỗ trợ phát đa phương tiện và các dịch vụ phát quảng bá đa điểm (MBMS) Một công nghệ tương đối mới cho nội dung phát sóng như truyền hình kỹ thuật số tới UE bằng cách sử dụng các kết nối điểm đa điểm Các - thông số kỹ thuật 3GPP cho MBMS đầu tiên được xuất hiện trong UMTS phiên bản 6 LTE xác định là một cấp cao hơn dịch vụ MBMS phát triển (eMBMS) Công nghệ này giúp cho LTE có hiệu suất cao cho truyền tải MBMS Các dịch vụ eMBMS

sẽ được xác định đầy đủ trong thông số kỹ thuật của 3GPP phiên bản 9

3.2 Băng Tần Truyền Dẫn

LTE phải hỗ trợ thị trường không dây quốc tế , các quy định về phổ tần trong khu vực và phổ tần sẵn có Để đạt được điều này các thông số kỹ thuật bao gồm băng thông kênh biến đổi có thể lựa chọn từ 1,4 tới 20MHz Với khoảng cách giữa các sóng mang con là 15kHz Khoảng cách giữa các sóng mang con là một hằng số và nó không phụ thuộc vào băng thông của kênh 3GPP đã xác định giao diện vô tuyến của LTE là băng thông không thể biết, nó cho phép giao diện vô tuyến thích ứng với băng thông kênh khác nhau với ảnh hưởng nhỏ nhất vào hoạt động của hệ thống

Giá trị nhỏ nhất của tài nguyên có thể được phân bố ở đường lên và đường xuống được gọi là một khối tài nguyên (RB) Một RB có độ rộng là 180kHz và kéo dài trong một khe thời gian là 0,5ms Với LTE tiêu chuẩn thì một RB bao gồm 12 sóng mang con với khoảng cách giữa các sóng mang con là 15kHz, và một RB gồm 24 sóng mang con cho 0,5ms

48

chéo giữa một vài băng tần đang tồn tại, nhưng điều này không cần thiết phải đơn giản hóa các thiết kế từ khi có thể có các yêu cầu về hiệu suất băng tần cụ thể dựa trên các nhu cầu của khu vực không có sự nhất trí nào về việc băng tần LTE đầu tiên sẽ được triển khai Sự thiếu đồng thuận này nó dẫn tới một sự phức tạp đáng kể cho các nhà sản xuất thiết bị, trái ngược với sự khởi đầu của GSM và WCDMA, cả hai đều đã được xác định với chỉ một băng tần Các băng tần vận hành cho E UTRAN được chỉ ra -trong bảng 3.1

Bảng 3.1 Các băng tần vận hành cho E-UTRAN

Băng tân vận hành Băng tần vận hành Băng tần vận hành Chế độ song E-UTRAN đường lên (UL) ; BS đường xuống (DL); công