Tổng quan về công nghệ LTE

Cùng với sự phát triển cũng như đòi hỏi cũa xã hội ngành khoa học trong lĩnh vực truyền dẫn viễn thông cũng luôn phát triển để đáp ứng những yêu cầu đó

Chương I: Tổng quan về công nghệ LTE I.1: Giới thiệu I.2: Tổng quan về công nghệ LTE I.3: Các tính năng và yêu cầu thiết kế I.4: Đa truy nhập I.5: Khả năng ứng dụng Chương II: Cấu trúc hệ thống II.1 Truy nhập vô tuyến mặt đất E-UTRAN II.3 Hệ thống mạng lõi Chương III : Truy nhập vô tuyến III.1 TRuy nhập đường xuống III.2: Truy nhập đường lên III.3: ARQ kiểm soát lỗi và kế hợp mềm III.4: Đa truy nhập MIMO III.5: Cấu trúc khungTDD và FDD Chương I: Tổng quan về công nghệ LTE 1 I.1 Giới thiệu +Cùng với sự phát triển cũng như đòi hỏi cũa xã hội ngành khoa học trong lĩnh vực truyền dẫn viễn thông cũng luôn phát triển để đáp ứng những yêu cầu đó. + Đặc biệt là trong xã hội ngày nay nhu cầu về trao đổi thông tin , truyền dữ liệu, các dịch vụ trên các thiết bị di động liệu ngày càng cao. Các hệ thống thông tin di động 2g, 2,5g và đặc biệt la 3g vẫn đang hoạt động khá trơn chu và ngày càng phát triển với những thế mạnh của mình tuy nhiên chúng vẫn phần nào chưa đáp ứng được mong đợi của những khách hàng có nhu cầu sử dụng truyền dữ liệu tốc độ cao. Hệ thông thông tin di động sử dụng công nghệ LTE được phát triển sẽ giải quyết được những khó khăn trên. I.2 Tổng quan về công nghệ LTE + LTE là từ viết tắt của Long term evolution miêu tả công việc chuẩn hóa của 3GPP để xác định phương thức truy nhập vô tuyến tốc độ cao mới cho hệ thống truyền thông di động. + LTE là bước tiếp theo dẫn đến hệ thống thông tin di động thứ 4 hay còn gọi là 4g. hệ thống này được kỳ vọng có nhũng tiến bộ vượt bậc về công nghệ cũng như những tính năng so với thế hệ 3g trước đó. Hình 1 : Cấu trúc mạng LTE I.3 : Tính năng và yêu cầu của LTE I.3.1 Tính năng 2 Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz: Tải xuống: 100 Mbps; Tải lên: 50 Mbps - 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; Tải lên: gấp 2 đến 3 lần. - Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0 – 15 km/h. Vẫn hoạt động tốt với tốc độ từ 15 – 120 km/h. Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120 – 350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng tần) - Băng tấn sử dung: Lte có thể được triển khai ở nhiều băng tần khác nhau như ở tần số 700Mhz, 900Mhz, 1800Mhz, 1900Mhz, 2300Mhz… Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng 1.4Hz, 3MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống. Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không + LTE cung cấp các tốc độ dữ liệu cao hơn cho cả đường lên và đường xuống. + Ngoài làm tăng tốc độ số liệu thực LTE còn làm giảm trễ gói. + Tăng cường giao diện không gian cho phép tăng tốc độ số liệu. LTE được xác định trên mạng truy nhập vô tuyến hoàn toàn mới dựa trên công nghệ OFDM cho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên. + Hiệu quả sử dụng phổ tần cuả OFDM được nâng cao nhờ sử dụng kỹ thuật điều chế bậc cao 64QAM. Mã hóa turbo, mã hóa xoắn cùng với các kỹ thuật vô tuyến bổ xung như kỹ thuật MIMO kết quả là thông lượng trung bình tăng lên 5 lần so với HSPA. + Môi trường toàn IP. LTE là sự chuyển dịch tới mạng lõi toàn IP với giao diện mở và kiến trúc đơn giản hóa. Đây là bước chuyển đổi của 3GPP tù hệ thống mạng lõi đang tồn tại kết hợp song song trước đó la chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói sang mạng lõi chi sử dụng chuyển mạch gói. I.3.2 Yêu cầu thiết kế và băng tần sử dụng + Chất lượng dịch vụ: Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS cho các thiết bị. VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, độ trễ ở mức tối thiểu (thời gian chờ gần như không có) thông qua các mạng chuyển mạch UMTS Liên kết mạng: Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các hệ thống không thuộc 3GPP (non-3GPP) cũng sẽ được đảm bảo. Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN sẽ nhỏ hơn 300ms cho dịch vụ thời gian thực và không quá 500ms cho các dịch vụ còn lại Hiệu quả sử dụng phổ tần cao Trễ được giảm xuống còn <10ms - I.4 triển vọng 3 - Trên thế giới đã có nhiều hãng viễn thông lớn triển khai hoạt động mạng LTE Mạng NTT DoCoMo của Nhật sẽ đi tiên phong khi đặt mục tiêu khai trương dịch vụ vào năm 2009. Các mạng Verizon Wireless, Vodafone, và China Mobile tuyên bố hợp tác thử nghiệm LTE vào năm nay. Việc triển khai cơ sở hạng tầng cho LTE sẽ bắt đầu vào nửa sau của năm 2009 và kế hoạch cung cấp dịch vụ sẽ bắt đầu vào năm 2010. - Đầu tháng ngày 8 tháng 10 năm 2010 vừa rồi, hãng viễn thông Ericsson Việt Nam đã phối hợp với Cục Tần số Vô tuyến điện của Bộ Thông tin và Truyền thông trình diễn công nghệ LTE – công nghệ tiền 4G trước sự chứng kiến của đại diện của Bộ cùng các mạng di động Việt Nam. Chuyên gia của Ericsson cho biết, nếu như tốc độ của dịch vụ ADSL được cung cấp tại Việt Nam trung bình từ 1,5Mbps – 6Mbps đã là băng rộng thì với LTE, thế vẫn chưa là gì. Công nghệ TD-LTE có tốc độ lý tưởng lên đến 110 Mbps với cấu hình tương tự . Đợt thử nghiệm vừa rồi diễn ra ở băng tần 2300-2400Mhz . Kết thúc cuộc thử nghiêm tốc độ đo được tốc độ tải xuống đạt 80Mbps tải lên đạt 20Mbps. Vượt xa tốc độ truy nhập của ADSL hiện nay. 1.5 quản lý tài nguyên vô tuyến Những yêu cầu về quản lý tài nguyên vô tuyến được chia ra như sau: hỗ trợ nâng cao cho chất lượng dịch vụ đầu cuối tới đầu cuối, hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn, và hỗ trợ cho việc chia sẻ tải cũng như là quản lý chính sách thông qua các công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau. Việc hỗ trợ nâng cao chất lượng dịch vụ dầu cuối tới đầu yêu cầu cải thiện sự giữa thích ứng giữa dịch vụ, ứng dụng và các điều kiện về giao thức (bao gồm báo hiệu lớp cao hơn) với tài nguyên RAN và các đặc tính vô tuyến. Việc hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn đòi hỏi LTE RAN phải có khả năng cung cấp cơ cấu để hỗ trợ truyền dẫn hiệu suất cao và hoạt động của các giao thức ở lớp cao hơn qua giao tiếp vô tuyến, chẳng hạn như quá trình nén tiêu đề IP (IP header). 4 Việc hỗ trợ chia sẻ tải và quản lý chính sách thông qua các công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau đòi hỏi phải xem xét đến việc lựa chọn lại các cơ cấu để định hướng các thiết bị đầu cuối di động theo các dạng công nghệ truy cập vô tuyến thích hợp đã được nói rõ cũng như là hỗ trợ QoS end to end trong quá trình chuyển giao giữa các công nghệ truy cập vô tuyến. 5 Chương II: Cấu trúc hệ thống Hình 2.1 cấu trúc của mạng Hệ thống LTE được chia làm hai phần LTE được phat triển thành 2 phần kết hợp lại Phần truy nhập vô tuyến mặt đất và hệ thống mạng lõi II.1 Truy nhập vô tuyến mặt đất E-UTRAN E-UTRAN bao gồm các eNB, cung cấp các mặt phẳng sử dụng E-UTRA và giao thức điều khiển mặt phẳng giao tiếp đối với UE • Hoàn toàn phân phối kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến eNB có thể được kết nối với nhau bằng các phương tiện của giao diện X2 • X2 hỗ trợ di động tăng cường, quản lý nhiễu giữa các tế bào, và các chức năng SON eNB được kết nối bằng phương tiện của giao diện S1 cho Evolved Packet Core (EPC II.1.1 E NodB ENodB ( Evoled NodeB) 6 Là trạm gốc được tăng cường mới, có tên là Evolved NodeB dựa trên chuẩn 3GPP. Nó là một BTS được tăng cường cung cấp giao diện không gian LTE và thực hiện quản lý tài nguyên vô tuyến cho hệ thống truy nhập tiên tiến. chức năng của ENodB : • Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến • Nén IP header và mã hoá dòng dữ liệu người sử dụng Quản lý dữ liệu truyền tải một cách tự lập Bảo đảm chất lượng dịch vụ Thực hiên các cuộc chuyển giao với các UE II.2 Hệ thống mạng lõi EPC (evoled packet core) Đặc điểm Hệ thống mạng lõi của LTe đã cải tiến và phát triển chỉ sử dụng duy nhất một phương thức là chuyển mạch gói. Và truyền dữ liệu ,xác định vị trí thuê bao bằng phương thức định tuyến IP trong toàn bộ hệ thống Kiến trúc mạng được rút gọn hơn so với mạng 3G góp phần làm giảm giá thành khi triển khai mạng. Chức năng của các khối II.2.1 PDN Gateway PDN GW cung cấp kết nối cho UE tới các mạng dữ liệu gói bên ngoài tại các điểm vào ra của lưu lượng cho UE. Một UE có thể đồng thời kết nối với nhiều hơn một PDN GW để truy nhập nhiều PDN. Chức năng của PDN GW gồm có: Quản lý một quý địa chỉ IP và cấp phát các địa chỉ IP cho các UE + Thực hiện sự cưỡng bức chính sách (Policy enforcement). + Lọc gói cho mỗi user.(Per-user based packet filtering (by e.g. deep packet inspection) + Hỗ trợ tính cước. + Ngăn chặn hợp pháp (Lawful Interception) + Packet screening + Định vị địa chỉ UE IP + Chức năng DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) + Transport level packet marking in the uplink and downlink, e.g. setting the DiffServ Code Point, based on the QCI of the associated EPS bearer II.2.2 Cổng phục vụ :Serving Gateway(S GW) Là một node kết thúc trong giao diện hướng tới EUTRAN. Chức năng của SGW bao gồm: Truyền tải dữ liệu người dùng giũa mạng vô tuyến và mạng lõi thong qua giao thức GTP + SGW định tuyến và hướng các gói dữ liệu dữ liệu người sử dụng. + EUTRAN ngừng bộ đệm gói đường xuống và bắt đầu mạng thúc đẩy thủ tục yêu 7 cầu dịch vụ. + Khi các UE ở trạng thái rỗi, SGW kết thúc đường dữ liệu Downlink và kích hoạt tìm gọi khi dữ liệu downlink chuyển tới UE. + Quản lý và lưu trữ các văn cảnh của UE, + Thực hiện sao chép của lưu lượng sử dụng trong trường hợp ngăn chặn hợp pháp. II.2.3 Thực thể quản lý di động MME (Mobility Management Entity) MME là node điều khiển quan trọng của mạng truy nhập LTE. MME quản lý tính lưu động, xác nhận UE và những tham số bảo mật. Chức năng của MME bao gồm: + Báo hiệu NAS (Non Access Stratum) hoàn thành tại MME, và nó cũng chịu trách nhiệm về sự phát sinh và sự định vị của sự nhận dạng tạm thời các UE. + MME cung cấp chức năng điều khiển phẳng cho tính lưu động giữa LTE và mạng truy nhập 2G/3G. + Trạng thái UE rỗi – Idle theo dõi và khả năng liên lạc (bao gồm điều kiển và thực hiện các chuyển tiếp tìm gọi). + Theo dõi quản lý danh sách vùng. + Kiểm tra tính xác thực của UE đến trạm trên dịch vụ của nhà cung cấp PLMN và giám sát việc thi hành sự giới hạn Roaming cho UE. + Lựa chọn GW (sự lựa chọn Serving GW và PDN GW). + Lựa chọn MME cho chuyển giao khi thay đổi MME. + Lựa chọn SGSN chuyển giao tới các mạng truy nhập 2G, 3G, 3GPP + Nó chịu trách nhiệm chứng thực các user (bằng cách tương tác với HSS – Home Subscriber Service). + MME là điểm cuối cùng trong mạng để thực hiện việc dịch mật mã, bảo vệ toàn diện cho báo hiệu NAS và vận hành quản lý khoá bảo mật. II.3Các giao diện liên kết Giao diện : S1 Giao diện S1 là giao diện phân cách giữa E-UTRAN và EPC. Nó được chia thành hai phần: S1-U, có thể mang theo dữ liệu giao thông giữa các-eNode B và các GW phục vụ, và các S1-MME, mà là một giao diện báo hiệu chỉ giữa các-eNode B và các MME Giao diện X2 : Giao diện X2 là giao diện giữa các eNode-B, gồm hai phần:-X2 C là các mặt phẳng điều khiển giao diện giữa eNode-B, trong khi U-X2 là giao diện người dùng máy bay giữa eNode-B. Người ta cho rằng luôn luôn tồn tại một giao diện X2 giữa eNode-B rằng cần phải giao tiếp với nhau, ví dụ, để hỗ trợ bàn giao Giao dịên S3: - là giao diện giữa S GW và cổng SGSN của mạng 2G,3G .Nó cho phép người sử dụng và trao đổi thông tin ghi tên cho liên mạng di động 3GPP truy cập ở trạng thái nhàn rỗi và / hoặc hoạt động 8 Hình 2.2:chức năng phân chia giữa E-UTRAN và lõi tiến hóa gói II.4 Giao thức giao diện vô tuyến Dữ liệu được truyền trên đường xuống dưới dạng các gói IP trên một trong những tải tin SAE (SAE bearers). Trước khi truyền đi qua giao diện vô tuyến, những gói IP đến (incoming IP packets) sẽ đi qua nhiều phần tử, được tổng kết dưới đây và được mô tả chi tiết hơn trong những phần sau: Điều khiển tài nguyên vô tuyến Radio Resource Control (RRC): Các lớp RRC thực hiện chức năng kiểm soát bao gồm duy trì mặt phẳng, nhắn tin và phát hành xử lý kết nối di động, bảo mật, và quản lý QoS. Giao thức hội tụ số liệu gói (Packet Data Convergence Protocol -PDCP): thực hiện việc nén tiêu đề IP (IP header) để làm giảm số lượng bit cần thiết cho việc truyền dẫn thông qua giao diện vô tuyến. 9 Điều khiển liên kết vô tuyến (Radio Link Control - RLC): đảm nhiệm việc phân đoạn / ghép nối, điều khiển việc truyền lại, và phân phát lên các lớp cao hơn theo thứ tự. Không giống như WCDMA, giao thức RLC được định vị trong eNodeB vì chỉ có một loại node đơn trong kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến LTE (LTE radio access network architecture). RLC cung cấp các dịch vụ cho PDCP dưới dạng các tải tin vô tuyến. Chỉ có một phần tử RLC trên một tải tin vô tuyến được cấu hình cho một thiết bị đầu cuối di động. Điều khiển truy cập môi trường (Medium Access Control - MAC): điều khiển việc truyền lại hybrid-ARQ và hoạch định đường lên, đường xuống. Chức năng hoạch định được định vị trong eNodeB, và nó chỉ có một phần tử MAC cho một tế bào, cho cả đường lên và đường xuống. Phần giao thức hybrid ARQ có mặt trong cả đầu cuối phát và thu của giao thức MAC. Khối MAC cung cấp các dịch vụ cho RLC dưới dạng các kênh logic. Lớp vật lý (Physical layer – PHY): điều khiển việc mã hóa / giải mã, điều chế / giải điều chế, ánh xạ đa anten (multi antenna mapping), và các chức năng lớp vật lý tiêu biểu khác. Lớp vật lý cung cấp dịch vụ cho lớp MAC dưới dạng các kênh chuyển tải (transport channels). Hình 2.3 mối lien hệ giữa các kênh theo dương xuống Hình 2.4 đường lên 10 [...]... được cao như vậy thì công nghệ LTE cũng yêu cầu những cải tiến trong phần angten Công nghệ MIMO là một giải pháp phù hợp cho những yêu cầu đó Hình 3.4 ví dụ về công nghệ mimo III.4.1 MIMO (multi input multi output) hay còn gọi là kỹ thuật sử dụng nhiều ăng ten phát và nhiều ăng ten thu để truyền và nhận dữ liệu MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu đầy tham vọng về thông lượng và hiệu... Các lĩnh vực này đã được quy định tại TD-SCDMA và được duy trì ở chế độ TDD LTE để cung cấp bảo vệ thời gian đủ lớn cho các thiết bị để chuyển đổi giữa phát và thu 25 VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ- THÔNG TIN BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Khóa 2007-2011/ hệ đại học chính quy 26 Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ mạng LTE Thầy hướng dẫn : Nguyễn Hải Đăng Sinh viên thực hiện: Ngô Văn Tiến Lớp... tín hiệu băng thông tổng thể LTE Nó cũng bao gồm một khe cắm trong khung thời gian Điều này có nghĩa là khác nhau băng thông tín hiệu LTE sẽ có các số khác nhau của khối tài nguyên Hình 2.3 Khối tài nguyên với 12 sóng mang phụ III.2: Truy nhập đường lên Đối với các đường lên LTE, một khái niệm khác nhau được sử dụng cho các kỹ thuật truy cập Mặc dù vẫn còn sử dụng một dạng của công nghệ OFDMA, việc thực... việc tuyên truyền tín hiệu đa đường được hiện diện trong tất cả các thông tin liên lạc trên mặt đất MIMO đang được sử dụng ngày càng nhiều công nghệ tốc độ dữ liệu cao bao gồm cả Wi-Fi và các công nghệ không dây và di động khác để cung cấp mức độ cải thiện hiệu quả Về cơ bản MIMO sử dụng nhiều anten trên máy thu và máy phát để 21 sử dụng các hiệu ứng đa đường dẫn mà luôn luôn tồn tại để truyền tải dữ... Channel (PUSCH) Đây kênh vật lý được tìm thấy trên các đường lên LTE là bản sao đường lên của PDSCH + Kênh truy nhập ngẫu nhiên Physical Random Access Channel (PRACH) kênh này được sử dụng cho chức năng truy cập ngẫu nhiên Chương III : Truy nhập vô tuyến 13 Chương này sẽ giúp chúng ta hiểu được các phương thức truy nhập vô tuyến của mạng Công nghệ LTE hỗ trợ truy nhập dường lên và đường xuống theo hai phương... trong lĩnh vực tần số, mỗi với 10 sóng mang phụ Trong hoạt động bán song công FDD, các UE không thể truyền và nhận cùng một lúc trong khi không có hạn chế như đầy đủ song công FDD Tuy nhiên, song công FDD cần thiết bị đầu cuối chất lượng cao và đắt tiền song RF-bộ lọc để uplink riêng và các kênh đường xuống, trong khi bán song công FDD cho phép chia sẻ phần cứng giữa đường lên và đường xuống, trong... lượng thông tin trên được trải ra cho N sóng mang, chu kỳ của mỗi bit sẽ được tăng lên N lần, lúc đó việc xử lý vấn đề định thời, đa đường sẽ đơn giản hơn III.1.2 OFDM trong LTE Hệ thống truyền dẫn đường xuống của LTE dựa trên công nghệ OFDM Như đã biết thì OFDM là một hệ thống truyền dẫn đường xuống hấp dẫn với nhiều lý do khác nhau Vì thời gian ký tự OFDM tương đối dài trong việc kết hợp với một tiền... tiết Hiệu năng đạt được tùy thuộc vào việc sử dụng MIMO Trong đó, kỹ thuật ghép kênh không gian (spatial multiplexing) và phát phân tập (transmit diversity) là các đặc tính nổi bật của MIMO trong công nghệ LTE Ghép kênh không gian (Spatial Multiplexing): Ghép kênh không gian cho phép phát các chuỗi dữ liệu khác nhau đồng thời nhằm tận dụng triệt để tài nguyên sóng của kênh vô tuyến Các chuỗi dữ liệu... dụng các bộ khuếch đại công suất hiệu quả RF Kết quả là nó là cần thiết để sử dụng một phương thức truyền tải mà đã là gần một mức công suất không đổi khi hoạt động Thật không may OFDM có một đỉnh cao tỷ lệ trung bình Trong khi đây không phải là vấn đề đối với các trạm gốc nơi quyền lực không phải là một vấn đề cụ thể, nó là không thể chấp nhận cho các điện thoại di động Kết quả là, LTE sử dụng một chương... DL-SCH và UL-SCH Giao thức hybrid ARQ trong LTE giống với giao thức tương ứng được sử dụng cho HSPA, đó là việc sử dụng nhiều tiến trình stop-and-wait song song Trong lúc tiếp nhận những khối truyền tải, đầu thu sẽ tìm cách giải mã khối truyền tải và khai báo cho đầu phát về kết quả của hoạt động giải mã thông qua một bit đơn ACK/NAK để chỉ thị việc giải mã có thành công hay không hoặc truyền lại khối truyền . Chương I: Tổng quan về công nghệ LTE I.1: Giới thiệu I.2: Tổng quan về công nghệ LTE I.3: Các tính năng và yêu cầu thiết. thông tin di động sử dụng công nghệ LTE được phát triển sẽ giải quyết được những khó khăn trên. I.2 Tổng quan về công nghệ LTE + LTE là từ viết tắt của