Luận văn thạc sĩ kiến trúc giao diện vô tuyến trong lte

LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại ngày nay, chúng ta ai cũng thấy được tầm quan trọng của thông tin di động với khả năng kết nối mọi lúc mọi nơi nó luôn thể hiện những tiện ích và ngày càng không thể thiếu đối với người sử dụng. Cùng với sự phát triển mọi mặt của đời sống xã hội, các ngành khoa học kĩ thuật có những bước tiến mạnh mẽ mang tính đột phá thì ngành công nghiệp viễn thông cũng không nằm ngoài xu hướng đó. Nhụ cầu sử dụng của con người ngày càng khắt khe hơn về cả số lượng lẫn chất lượng: Chất lượng dịch vụ của người sử dụng ngày càng cao, các ứng dụng yêu cầu băng thông lớn, thời gian tương tác nhanh hơn. Từ những yếu tố như vậy sẽ làm cho tài nguyền mạng bị cạn kiệt điều đó dẫn đến các sự cố như là tốc độ mạng chậm, tắc nghẽn hoặc không đáp ứng được các dịch vụ cho người sử dụng. Để có thể chấm dứt tình trạng đó đòi hỏi sự nỗ lực nhằm phát triển những mạng thông di động mới.Thông tin di động từ khi ra đời đã trải qua nhiều thể hệ và hiện nay mạng thông tin di động 3G đang được sử dụng rộng rãi với các giải pháp kĩ thuật công nghệ được sử dụng để có thể khai thác tài nguyên vô tuyến như là TDMA, FDMA, SDMA và CDMA nhưng thực tế cho thấy chưa tìm thấy ở các hệ thống thông tin di động trước đây một phương pháp nào có thể tối ưu hóa phổ tần, một tài nguyên vô cùng quan trọng trong thông tin vô tuyến. Mạng thông tin di động 3G đang được ửng dụng hiện nay đã có thể giải quyết một phần nào đó nhu cầu của người sử dụng về băng thông cũng như chất lượng dịch vụ. Song trong tương lai không xa với sự phát triển không ngừng của công nghệ như hiện nay thì mạng 3G cũng không thể đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng với những yếu điểm đang còn tồn tại trong mạng 3G. Để giải quyết vấn đề này thì bên cạnh việc nâng cấp cơ sở hạ tầng của các mạng cũ thì các nhà cung cấp mạng cũng đã và đang nghiên cứu tiến hành và xây dựng một mô hình mạng mới để có thể phục vụ cho tương lai không xa và mạng thông tin di động được nhắc đến ở đây là mạng thông tin di động tiền 4G (LTE) của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hom, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và bằng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối. LTE được xây dựng dựa trên nền tảng IP và sử dụng kĩ thuật OFDM đây là giải pháp công nghệ tiên tiến có thể khắc phục được nhược điểm về hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của các hệ thống di động trước đây. Chu kỳ kí hiệu lớn cho phép công nghệ OFDM có thể truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh vô tuyến và nó sử dụng các sóng mang con trực giao để truyền dữ liệu vì thể có thể tối ưu băng tần sử dụng. Mục tiêu thiết kế của LTE nhằm đạt được tốc độ truyền dẫn đường xuống tối đa là 100 Mbps và tốc độ đường lên là 50 Mbps. Người sử dụng sẽ cảm thấy điện thoại của họ được kết nổi mọi lúc. Chính vì những ưu điểm mang tính thực tế rất cao và rất cần thiết đối với mỗi sinh viên như vậy nên em đã chọn đề tài đồ án tốt nghiệp của mình là: “Kiến trúc giao diện vô tuyến trong LTE”. Nội dung đồ án gồm 3 chương: Chương I: Tổng quan về sự phát triển của 3G và lộ trình phát triển lên 4G. Chương II: Các công nghệ then chốt của mạng di động thế hệ sau. Chương III: Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE. Do thời gian và trình độ bản thân còn nhiều hạn chế, bản đồ án khó có thể tránh khỏi những thiếu sót. Em mong sẽ nhận được sự góp ý của các thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy TS. Nguyễn Vũ Sơn, người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện tử viễn thông đã giúp đỡ em trong thời gian qua. Và xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, người thân - những người đã giúp đỡ động viên em trong quá trình học tập. Hà Nội, tháng 9 năm 2012 Học viên Nguyễn Ngọc Khánh TÓM TẤT ĐỒ ÁN CHƯƠNG I: TÔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA 3G VÀ LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN LÊN 4G Chương này ta sẽ trình bày các hoạt động nghiên cứu phát triển 3G và lộ trình phát triển lên 4G đang được tiến hành trong 3GPP là tổ chức quốc tế chịu trách nhiệm cho việc phát triển các tiêu chuẩn được phát hành của UMTIS UTRA (WCDMA và TD-SDMA). Quá trình nghiên cứu phát triển UMTS lên 3G và tiến dần lên 4G là việc đưa ra công nghệ HSPA và LTE ch(%phần vô tuyến và SAE cho phần mạng CHƯƠNG II : CÁC CÔNG NGHỆ THEN CHỐT CỦA MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ SAU Chương này sẽ xét nguyên lý của DFTS-OFDM và SC-FDMA ứng dụng trong LTE. CHƯƠNG III: KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE Chương này nghiên cứu kiến trúc phân lớp tổng quát của giao diện vô tuyến. Sau đó xét cụ thể cấu trúc của các lớp của kiến trúc này như: cấu trúc và xử lý lớp điều khiển liên kết vô tuyến (RLC), cấu trúc và xử lý lớp điều khiển truy nhập môi trường, cấu trúc và xử lý lớp vật lý. Ngoài ra chương này cũng xét một số vấn đề đặc thù của giao diện vô tuyến như: HARQ, các trạng thái LTE và cấu trúc luồng số liệu của LTE. ABSTRACTS CHAPTER I: OVERVIEW OF DEVELOPMENT OF 3G AND UP 4G roadmap This chapter will present the research roadmap for developing 3G and 4G is being developed in 3GPP is conducting intemational organizations responsible for developing standards issued by the UMTS UTRA (WCDMA and TD-SDMA). Process research and development of advanced 3G UMTS up gradually into a4G technology is making HSPA and LTE and SAE for the wireless networkshare CHAPTER II: THE TECHNOLOGY CRITICAL NEXT-GENERATION MOBILE NETWORK This chapter will review the principles of the DFTS-OFDM and SC-FDMA ỉn LTE applications. CHAPTER III: ARCHITECTURE LTE RADIO INTEFACE This chapter studies the general layered architecture of the radio interface. Then consider the specilic structure of the layers of this architecture, such as class structure and handling the radio link control (RLC) layer structure and handle access controsl environment, structure and handling physical layer. In additiọn, this chapter also reviews a number of specific issues of radio interface such as HARQ, LTE status and data flow structure of LTE. MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẤT ĐỒ ÁN MỤC LỤC THUẬT NGỮ VÀ VIẾT TẮT CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA 3G VÀ LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN LÊN 4G 1 1.1. Mở đầu 1 1.2 Quá trình tiêu chuẩn hoá WCDMA/ HSPA trong 3GPP 1 1.2.1. 3GPP 1 1.2.2. Chuẩn hoá HSDPA trong 3GPP 3 1.2.3. Chuẩn hoá HSUPA trong 3GPP 5 1.3. Kế hoạch nghiên cứu phát triển LTE 7 1.4. IMT-ADVANCED và lộ trình phát triển tới 4G 8 1.5.Tổng quan LTE 11 1.5.1 Tốc độ Số liệu đỉnh 11 1.5.2. Trễ mặt phẳng C và mặt phẳng U 12 1.5.3. Thông lượng số liệu 13 1.5.5. Hỗ trợ di động 15 1.5.6. Vùng phủ 15 l.5.7. MBMS tăng cường 16 1.5.8. Triển khai phổ tần 16 1.5.9. Đồng tồn tại và tương tác với các 3GPP RAT 17 1.5.10. Các vấn đề về mức độ phức tạp 18 1.6. Kiến trúc mô hình LTE 18 1.7. Tổng kết 21 CHƯƠNG II: CÁC CÔNG NGHỆ THEN CHÓT CỦA MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ SÁU 22 2.1. Mở đầu 22 2.2. Tóm tắt nguyên lý OFDM 22 2.2.1. Máy phát 24 2.2.2. Máy thu 28 2.4. Mã hoá kênh và phân tập tần số bằng OFDM 33 2.5. Lựa chọn các thông số OFDM cơ sở 35 2.5.1. Khoảng cách giữa các sóng mang con của OFDM 35 2.5.2. Số lượng các sóng mang con 36 2.5.3. Độ dài CP 36 2.6. Ảnh hưởng của thay đổi mức công suất tức thời 37 2.7. Sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập 38 2.8. Phát quảng bá và đa phương trong nhiều ô và OFDM 40 2.9. Tổng quan SC-FDMA 43 CHƯƠNG III: KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE 46 3.1. Các mục tiêu thiết kế LTE 46 3.1.1. Các khả năng 46 3.1.2. Hiệu năng hệ thống 47 3.1.3. Các khía cạnh liên quan đến triển khai 48 3.1.4. Kiến trúc và chuyển dịch 51 3.1.5. Quản lý tài nguyên vô tuyến 52 3.1.6. Mức độ phức tạp 52 3.1.7. Các khía cạnh chung 52 3.2. Truy nhập vô tuyến LTE 53 3.2.1. Các sơ đồ truyền dẫn 53 3.2.2. Lập biểu phụ thuộc kênh và thích ứng tốc độ 54 3.2.3. HARQ với kết hợp mềm 58 3.2.4. Hỗ trợ đa anten 58 3.2.5. Hỗ trợ quảng bá và đa phương 59 3.2.6. Linh hoạt phổ 60 3.3. Kiến trúc giao diện vô tuyến 62 3.3.1. Kiến trúc giao thức LTE 62 3.3.3. Điều khiển truy nhập môi trường, MAC 66 3.3.4. Lớp vật lý 76 3.3.5. Các trạng thái của LTE 79 3.3.6. Luồng số liệu 80 KẾT LUẬN CHUNG 82 TÀI LIÊU THAM KHẢO 83 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Mục tiêu của 4G 9 Bảng 1.2. So Sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phể tần giữa LTE trên đường xuống và HSDPA 14 Bảng 1.3. So Sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần giữa LTE trên đường lên và HSUPA 15 Bảng 3.1. Các yêu cầu thông lượng của người sử dụng và hiệu suất sử dụng phổ tần 47 Bảng 3.2. Các yêu cầu thời gian gián đoạn, LTE-GSM và LTE-WCDMA 49 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Lộ trình đưa ra các phát hành trong 3GPP 1 Hình 1.2. Cấu trúc 3GPP 2 Hình 1.3. Các kĩ thuật được xem xét nghiên cứu cho HSUPA 5 Hình 1.4. Các kĩ thuật được lựa chọn chọ danh mục nghiên cứu HSUPA 6 Hình 1.5. Kế hoạch nghiên cứu tiêu chuẩn E-UTRAN 7 Hình 1.6. Tổ chức của nhóm điều phối đề án 3GPP 8 Hình 1.7. Quá trình phát triển các công nghệ thống tin di động 4G 11 Hình 1.8. Thí dụ về chuyển đỗi trạng thái trong kiến trúc E-UTRAN 12 Hình 1.9. Trễ mặt phẳng U 13 Hình 1.10. Kiến trúc mô hình BI của E-UTRAN cho trường hợp không chuyển mạng 18 Hình 1.11. Kiến trúc mô hình B2 của E-UTRAN trong đó Rh đảm bảo chức năng chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt 19 Hình 1.12. Kiến trúc mô hình LTE theo TR 23.822 20 Hình 2.1. Kí hiệu điều chế và phổ của tín hiệu OFDM 23 Hình 2.2. Sơ đồ khối phát thu của hệ thống OFDM 24 Hình 2.3. Giải thích ý nghĩa chèn CP 27 Hình 2.4. Biểu diễn tín hiệu truyền dẫn OFDM trong không gian hai chiều (tần số - thời gian) 31 Hình 2.5. Mô hình OFDM trong miền tần số 31 Hình 2.6: Mộ hình kênh phát thu OFDM miền tần số với bộ cân bằng một nhánh 32 Hình 2.7. Các ký hiệu tham khảo trên trục thời gian tần số 33 Hình 2.8. Giải thích vai trò của mã hoá kênh trong OFDM 34 Hình 2.9. Phổ của tín hiệu OFDM cơ sở 5MHz 36 Hình 2.10. OFDM được sử dụng cho sơ đồ ghép kênh/đa truy nhập: a) đường xuống, b) đường lên 38 Hình 2.11. Ghép kênh người sử dụng/OFDMA phân bố 39 Hình 2.12. Điều khiển định thời phát đường lên 40 Hình 2.13. Phát quảng bá đa ô, đơn ô và phát đơn phương 41 Hình 2.14. Tương đương giữa phát quảng bá đa ô được đồng bộ và truyền dẫn đa đường 42 Hình 2.15. SC-FDMA trên cơ sở DFTS-OFDM 44 Hình 2.16. Các phương pháp ấn định sóng mang con cho nhiều người sử dụng 45 Hình 2.17. Sơ đồ sắp xếp 45 Hình 3.1. Cấp phát phổ băng “lõi” IMT-2000 tại 2Ghz. 50 Hình 3.2 Thí dụ về quá trình dịch chuyển từng bước của LTE vào vụng phể của GSM hiện đã triển khai 50 Hình 3.3. Lập biểu phụ thuộc kênh đường xuống trong miền thời gian và miền tần số 56 Hình 3.4. Thí dụ về điều phổi nhiễu giữa các ô, trong đó một số phần phổ bị hạn chế công suất 57 Hình 3.5. FDD và TDD 60 Hình 3.6. Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống) 63 Hình 3.7. Phân đoạn và móc nối RLC 65 Hình 3.8. Thí dụ về sắp xếp các kềnh logic lên các kênh truyền tải 68 Hình 3.9. Chọn khuôn dạng truyền tải trên đường xuống (trái), trên đường lên (phải) 72 Hình 3.10. Giao thức HARQ đồng bộ và khồng đồng bộ 74 Hình 3.11. Nhiều xử lý HARQ 75 Hình 3.12. Mô tả đơn giản cấu trúc và xử lý lớp vật lý cho DL-SCH 77 Hình 3.13. Xử lý lóp vật lý ở dạng được đơn giản hóa cho UL-SCH 78 Hình 3.14. Các trạng thái của LTE 79 Hình 3.15. Thí dụ về luồng số liệu 81 [...]... trình phát tri n c a LTE g n li n v i l trình phát tri n c a 3GPP Các v n nghiên c u ư c th c hi n trong hai TSG : 1 TSG RAN: Nghiên c u tiêu chu n cho giao di n vô tuy n 2 TSG SA: Nghiên c u ki n trúc m ng K ho ch nghiên c u phát tri n tiêu chu n LTE ư c cho trên hình 1.5 Hình 1.5 K ho ch nghiên c u tiêu chu n E-UTRAN Quá trình nghiên c u ư c ti n hành trong các nhóm TSG 3GPP LTE/ SAE dư i s i u hành... hư ng 3GPP2 cũng ang ti n t i n xu t cho IMT-Adv trong 802.16m Tương t xu t cho IMT-Adv LTE là m t trong s các con ư ng ti n t i 4G LTE s t n t i trong giai o n u c a 4G, ti p theo nó s là IMT Adv LTE cho phép chuy n UMTS sang giai o n u c a 4G sau ó sang IMT Adv Chuy n i t t t 3G i t t t LTE sang IMT Adv là chìa khoá c a thành công trên th trư ng Ngoài LTE c a 3GPP ta cũng c n nghiên c u các hư ng chuy... 100ms), (hình 1.8) Hình 1.8 Thí d v chuy n LTE ph i có th i gian chuy n i tr ng thái trong ki n trúc E-UTRAN i tr ng thái nh hơn lOOms (như trong ch r i R6) vào tr ng thái tích c c (như trong R6 Cell DCH) Nó cũng c n th i gian chuy n mb o i nh hơn 50ms tò tr ng thái ng (như trong R6 Celi PCH) vào tr ng thái tích c c (như trong R6 Cell DCH) 12 C n m b o tr trong m t ph ng u nh hơn 10ms Tr m t ph ng... lư ng cũng ph i tăng M t khác thông lư ng ư ng lên trong LTE cũng g p hai n ba l n thông lư ng ư ng lên trong R6 HSUPA tính trung bình trên m t Mhz Trong ó gi thi t r ng R6 HSUPA s d ng m t anten phát t i UE và hai anten thu t i nút B; còn ư ng lên trong LTE s d ng c c i hai anten phát t i UE và hai anten thu t i nút B 1.5.4 Hi u su t ph t n LTE ph i trong khi v n m b o tăng áng k hi u su t ph t n và... các giao th c, gi m thi u s lư ng các th t c, các thông s và tính h t Các yêu c u i v i LTE ph i gi m thi u m c n kích thư c, tr ng lư ng và dung lư ng acqui (ch nhưng v n ph c t p c a ƯE liên quan ch và ch tích c c) m b o các d ch v tiên ti n c a LTE 1.6 Ki n trúc mô hình LTE Hình 1.10 Ki n trúc mô hình BI c a E-UTRAN cho trư ng h p không chuy n m ng 18 Hình 1.11 Ki n trúc mô hình B2 c a E-UTRAN trong. .. chính trong ITU-R n a liên quan nh ph t n s d ng i u này s n IMT-2000 Adv là v n ư c ti n hành trong WRC’07(H i ngh vô tuy n th gi i) Trong gi i nghiên c u, m t s án nghiên c u ang ư c ti n hành trong IMT-2000 Avd và th h sau c a truy nh p vô tuy n Ch ng h n 9 án Winner ư c h tr m t ph n kinh t t liên minh Châu Âu là án dành cho nghiên c u v v n này Khái ni m Winner có r t nhi u các ph n t g n v i LTE. .. WCDMA/HSPA Hình 1.9 Tr m t ph ng U 1.5.3 Thông lư ng s li u Thông lư ng ư ng xu ng trong LTE s g p ba n b n l n thông lư ng ư ng xu ng trong R6 HSDPA tính trung bình trên m t Mhz C n lưu ý r ng thông lư ng HSDPA trong R6 ư c xét cho trư ng h p m t anten t i nút B v i tính năng tăng cư ng và m t máy thu trong UE; trong khi ó LTE s d ng c c i hai anten t i nút B và hai anten t i UE Ngoài ra cũng c n lưu... ng truy nh p vô tuy n) TSG RAN t p trung lên giao di n vô tuy n và các giao di n bên trong gi a các tr m thu phát g c (BTS)/các b i u khi n tr m g c (RNC) cũng như giao di n gi a RNC và m ng lõi TSG RAN ch u trách nhi m cho các tiêu chu n HSDPA và HSUPA TSG CT (lõi và các u cu i) TSG CT t p chung lên các v n cũng như báo hi u gi a m ng lõi và các m ng lõi u cu i TSG SA (d ch v và ki n trúc h th ng)... i gian ng t chuy n giao các d ch v th i gian th c gi a LTE và UTRAN/GERAN không ư c quá 300ms Th i gian ng t chuy n giao các d ch v phi th i gian th c gi a LTE và UTRAN/GERAN không ư c quá 500ms Các thi t b u cu i không tích c c (ch ng h n t i tr ng thái R6 Cell PCH) h tr UTRAN/GERAN có b sung thêm LTE không nh t thi t ch giám sát các b n tin tìm g i t m t trong s UTRAN, GERAN và LTE 17 1.5.10 Các v... ng truy nh p vô tuy n m t t toàn càu tăng cư ng), ơn gi n trong tài li u này ta s g i chung là LTE Trong các ph n dư i ây ta s xét t ng quan ki n trúc LTE và k ho ch nghiên c u nó trong 3GPP 1.5.1 T c S li u LTE s h tr t c theo kích thư c c a ph nh nh t c th i tăng áng k T c ư c n nh 11 này ư c nh c tuỳ LTE s mb ot c s li u khi băng thông ư c c p phát c c nh t c th i ư ng xu ng lên i là 20Mhz (5bps/Hz) . CHƯƠNG III: KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE Chương này nghiên cứu kiến trúc phân lớp tổng quát của giao diện vô tuyến. Sau đó xét cụ thể cấu trúc của các lớp của kiến trúc này như: cấu trúc và. 3.3. Kiến trúc giao diện vô tuyến 62 3.3.1. Kiến trúc giao thức LTE 62 3.3.3. Điều khiển truy nhập môi trường, MAC 66 3.3.4. Lớp vật lý 76 3.3.5. Các trạng thái của LTE 79 . mạng truy nhập vô tuyến) . TSG RAN tập trung lên giao diện vô tuyến và các giao diện bên trong giữa các trạm thu phát gốc (BTS)/các bộ điều khiển trạm gốc (RNC) cũng như giao diện giữa RNC và