Tiểu luận công nghệ di động 4g

Tiểu luận công nghệ di động 4g

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

-š›&š› -TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ MẠNG 4G LTE

Giáo viên hướng dẫn: Th.S Chu Tiến Dũng

Nhóm 2

Nha Trang, 09/2015

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, mạng không dây ngày càng trở nên phổ biến với

sự ra đời của hàng loạt những công nghệ khác nhau như Wi-Fi (802.1x),WiMax (802.16) Cùng với đó là tốc độ phát triển nhanh, mạnh của mạng viễnthông phục vụ nhu cầu sử dụng của hàng triệu người mỗi ngày Mặc dù các hệthống thông tin di động thế hệ 2.5G hay 3G vẫn đang phát triển không ngừngnhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã bắt đầu tiến hành triểnkhai thử nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng và có thể

sẽ trở thành chuẩn di động 4G trong tương lai, đó là LTE (Long Term

Evolution Chính vì vậy, em đã lựa chọn làm tiểu luận về đề tài "Công nghệ mạng 4G LTE (Long Term Evolution)" Tiểu luận đi vào tìm hiểu tổng quan về

công nghệ LTE cũng như là những kỹ thuật và thành phần được sử dụng trongcông nghệ này để có thể hiểu rõ thêm về những tiềm năng hấp dẫn mà công nghệnày sẽ mang lại và tình hình triển khai công nghệ này trên thế giới và tại VIỆTNAM

Trong quá trình làm tiểu luận nhóm của chúng em đã được sự hỗ trợ tận tình củathầy Chu Tiến Dũng Chúng em chân thành cảm ơn và mong thầy bổ sungnhững thiếu sót trong bài tiểu luận của chúng em

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

MỤC LỤC

I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE

1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất

2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai

3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba

4 Giới thiệu sự phát triển công nghệ LTE

5.Kiến trúc mạng 4G LTE

II LTE làm việc như thế nào

1 Chuẩn hóa mạng 4G (IMT-ADVANCED)

2.Băng tần trên LTE

3 Các tùy chọn nâng cấp lên LTE

II.1 Ưu điểm của công nghệ 4G LTE

II.2 Triển vọng

II.3 So sánh LTE và Wimax

III.Thực tiễn 4G ở Việt Nam và Thế giới 12

1.Thực tiễn 4G ở Việt Nam 12

1.1.Thống kê phát triển băng rộng: 12

1.2.Nhu cầu thị trường 13

1.3 Chỉ số Hạ tầng công nghệ thông tin và truyền thông 13

1 4.Mức độ sử dụng ICT 13

1.5.Chỉ số kỹ năng ICT 13

1.6.Đánh giá thị trường 13

2.Tình hình triển khai LTE trên thế giới 14

2.1.Tiến trình thương mại hóa của công nghệ LTE 14

2.2.Các dịch vụ triển khai trên nền mạng 4G LTE 14

3.Định hướng cấp phép mạng 4G LTE 14

3 1 Định hướng công nghệ: 14

3.2 Hình thức và mục tiêu cấp phép 15

IV Tình hình triển khai LTE trên thế giới và tại Việt Nam 15

1 Triển khai LTE trên thế giới 15

2 Triển khai LTE tại VIỆT NAM 17

I.TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE:

Trong những năm gần đây, mạng không dây ngày càng trở nên phổ biến

với sự ra đời của hàng loạt những công nghệ khác nhau như Wi-Fi(802.1x), WiMax (802.16) Cùng với đó là tốc độ phát triển nhanh, mạnh củamạng viễn thông phục vụ nhu cầu sử dụng của hàng triệu người mỗi ngày Hệthống di động thế hệ thứ hai, với GSM và CDMA là những ví dụ điển hình đãphát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia Tuy nhiên, thị trường viễn thông càng

mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung luợng và băng thông của các

hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai Sự ra đời của hệ thống di động thế hệthứ ba với các công nghệ tiêu biểu như WCDMA hay HSPA là một tất yếu để

có thể đáp ứng được nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độcao, băng thông rộng của người sử dụng Mặc dù các hệ thống thông tin diđộng thế hệ 2.5G hay 3G vẫn đang phát triển không ngừng nhưng các nhà

khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã bắt đầu tiến hành triển khai thử

nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng và có thể sẽ trởthành chuẩn di động 4G trong tương lai, đó là LTE (Long Term Evolution

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

Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tương tự, là hệ thống truyền tínhiệu tương tự, là mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại, được khơimào ở Nhật vào năm 1979 Những công nghệ chính thuộc thế hệ thứ nhất này cóthể kể đến là:

- NMT (Nordic Mobile Telephone - Điện thoại di động Bắc Âu) được sử dụng ở

các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga

- AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem - Hệ thống điện thoại di động tiên

tiến) được sử dụng ở Mỹ và Úc

- TACS (Total Access Communication Sytem - Hệ thống truyền thông truy

nhập toàn phần) được sử dụng ở Anh

Hầu hết các hệ thống đều là hệ thống tương tự và dịch vụ truyền chủ yếu làthoại Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba Nhữngđiểm yếu của thế hệ 1G là dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năngchuyển cuộc gọi không tin cậy, chất lượng âm thanh kém, không có chế độ bảomật…do vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng

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

Hệ thống di động thế hệ thứ 2 sử dụng truyền vô tuyến số cho việc truyềntải Những hệ thống mạng 2G thì có dung lượng lớn hơn những hệ thống mạngthế hệ thứ nhất Một kênh tần số thì đồng thời được chia ra cho nhiều người dùng(bởi việc chia theo mã hoặc chia theo thời gian) Sự sắp xếp có trật tự các tế bào,mỗi khu vực phục vụ thì được bao bọc bởi một tế bào lớn, những tế bào lớn vàmột phần của những tế bào đã làm tăng dung lượng của hệ thống xa hơn nữa

Có 4 chuẩn chính đối với hệ thống 2G: Hệ Thống Thông Tin Di Động ToànCầu (GSM) và những dẫn xuất của nó; AMPS số (D-AMPS); Đa Truy CậpPhân Chia Theo Mã IS-95; và Mạng tế bào Số Cá Nhân (PDC) GSM đạt đượcthành công nhất và được sử dụng rộng rãi trong hệ thống 2G

3.Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba ( 3G)

Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-2000 (International Mobil Telecommunication -2000) cho hệ thống 3G với các ưu điểm chính được mong đợi đem lại bởi hệ thống 3G là:

- Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao

- Các dịch vụ tin nhắn (e-mail, fax, SMS, chat, )

- Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, xem truyền hình, nghe nhạc, )

- Truy nhập Internet (duyệt Web, tải tài liệu, )

- Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương thích toàn cầu giữacác hệ thống

Để thoả mãn các dịch vụ đa phương tiện cũng như đảm bảo khả năng truycập Internet băng thông rộng, IMT-2000 hứa hẹn cung cấp băng thông 2Mbps,nhưng thực tế triển khai chỉ ra rằng với băng thông này việc chuyển giao rấtkhó, vì vậy chỉ có những người sử dụng không di động mới được đáp ứng băngthông kết nối này, còn khi đi bộ băng thông sẽ là 384 Kbps, khi di chuyểnbằng ô tô sẽ là 144Kbps

4 Giới thiệu sự phát triển công nghệ LTE:

LTE là viết tắt của Long Term Evolution hay “Sự phát triển dài hạn”.

LTE là bước tiếp theo dẫn đến hệ thống thông tin di động 4G Xây dựng trêncác nền tảng kỹ thuật của họ các hệ thống mạng tế bào 3GPP (bao gồmGSM, GPRS và EDGE, WCDMA và HSPA) LTE còn được gọi là E-UTRAhay E- UTRAN là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP pháttriển Đây là công nghệ có khả năng đáp ứng: Hiệu quả sử dụng phổ(Spectrum Efficiency); Độ trễ trong giao thức điều khiển nhỏ hơn 20ms và đốivới dịch vụ viễn thông nhỏ hơn 5ms; Hỗ trợ nhiều băng thông (5, 10, 15, 20,dưới 5 MHz); tốc độ dữ liệu: 100Mbps cho hướng DL, và 50 Mbps chohướng UL với băng thông sử dụng là 20MHz, tốc độ dữ liệu của Realase

10 - LTE Advanced đường xuống có thể đạt được trên 1 Gbps

4G LTE là một chuẩn cho truyền thông không dây tốc độ dữ liệu cao

dành cho điện thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ liệu Nó dựa trên cáccông nghệ mạng GSM/EDGE và UMTS/HSPA, LTE nhờ sử dụng các kỹ thuậtđiều chế mới và một loạt các giải pháp công nghệ khác như lập lịch phụ thuộckênh và thích nghi tốc độ dữ liệu, kỹ thuật đa anten để tăng dung lượng và tốc

độ dữ liệu.Các tiêu chuẩn của LTE được tổ chức 3GPP (Dự án đối tác thế hệthứ 3) ban hành và được quy định trong một loạt các chỉ tiêu kỹ thuật của Phiênbản 8 (Release 8),với những cải tiến nhỏ được mô tả trong Phiên bản 9.Côngnghệ 4G chia ra hai "trường phái" là LTE và Wimax Cũng giống như Blu-Ray

và HD DVD, giữa hai "trường phái" công nghệ di động này có một cuộc chiếnkhông tiếng súng diễn ra vô cùng ác liệt.Tuy nhiên, cuộc chiến này hiện đã bắtđầu ngã ngũ với chiến thắng nằm chắc trong tay LTE

Dịch vụ LTE thương mại đầu tiên trên thế giới được hãng TeliaSonera giới

thiệu ở Oslo và Stockholm vào ngày 14/12/2009 LTE là hướng nâng cấp tự nhiên cho các sóng mang với các mạng GSM/UMTS, nhưng ngay cả các nhà mạng dựa trên công nghệ CDMA như Verizon Wireless và au by KDDI ở

Nhật cũng tuyên bố họ sẽ chuyển lên công nghệ LTE

5 Kiến trúc mạng 4G LTE:

Kiến trúc của mạng 4G LTE/SAE gồm thành phần chính như sau:

1 Mạng truy cập vô tuyến tiên tiến RAN gồm eNodeB (eNB) cung cấp

giao tiếp vô tuyến với các UE.

2 Thực thể quản lý di động (MME) là phần tử điều khiển chính trong EPC

3 PDN GW cung cấp kết nối giữa các UE và mạng dữ liệu gói bênngoài, là một điểm neo khi di động giữa các mạng 3GPP và các mạng khôngphải 3GPP khác

4 Server thuê bao nhà (HSS) chứa số liệu đăng ký thuê bao của người

sử dụng; thông tin về các PDN (mạng số liệu gói); lưu thông tin động như

số nhận dạng MME mà hiện thời UE đang đăng nhập hay đăng ký; cũng cóthể liên kết với trung tâm nhận thực

II LTE làm việc như thế nào:

Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz

- Tải lên: 50 Mbps

- Tải xuống: 100Mbps

Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1MHz

so với mạng HSDPA Rel.6:

- Tải lên: gấp 2 đến 3 lần

- Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần

Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0-15 km/h Vẫnhoạt động tốt với tốc độ từ 15-120 km/h Vẫn duy trì được hoạt động khi thuêbao di chuyển với tốc độ từ 120-350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng tần) Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, giảmchút ít trong phạm vi đến 30km Từ 30-100km thì không hạn chế

Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng tần 1.25MHz,1.6 MHz, 10MHz, 15MHz và 20MHz cả chiều lên và chiều xuống Hỗ trợ cảhai trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không

Để đạt được mục tiêu này, sẽ có rất nhiều kĩ thuật mới được áp dụng, trong

đó nổi bật là kĩ thuật vô tuyến OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần số trựcgiao), kĩ thuật anten MIMO (Multiple Input Multiple Output) Ngoài ra hệthống này sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP (all-IP Network), và hỗ trợ cả hai chế

độ FDD và TDD

1 Chuẩn hóa mạng 4G (IMT-ADVANCED):

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn IMT – Advanced

Peak Data Rate (Downlink) 1 Gbps

Peak Data Rate (Uplink) 500 Mbps

Cấp phát phổ tần > 40 MHz

Độ trễ (User Plane) 10 ms

Độ trễ (Control Plane) 100 ms

Hiệu suất phổ đỉnh (Downlink) 15 bps/Hz (4x4)

Hiệu suất phổ đỉnh (Uplink) 6,75 bps/Hz (2x4)

Hiệu suất phổ trung bình (Downlink) 2,2 bps/Hz (4x2)

Hiệu suất phổ trung bình (Uplink) 1,4 bps/Hz (2x4)

Hiệu suất phổ tại biên tế bào(Downlink) 0,06 bps/Hz (4x2)

Hiệu suất phổ tại biên tế bào (Uplink) 0,03 bps/Hz (2x4)

Khả năng di chuyển Tới 350 km/h

2.Băng tần trên LTE:

Công nghệ LTE phù hợp triển khai trên độ rộng băng tần trong phạm vi

từ 1.25 MHz đến 20 MHz, hơn thế nữa, nó có thể hoạt động trong tất cả các băng tần 3GPP theo cặp phổ tần hoặc không theo cặp phổ tần

3 Các tùy chọn nâng cấp lên LTE:

LTE cung cấp con đường tiến hóa cho các nhà khai thác triển khai tất cả cáccông nghệ 3GPP và phi 3GPP

Song song với giao diện vô tuyến mới cấp cao của nó, LTE yêu cầu sự tiếnhóa từ các mạng chuyển mạch lai kênh/gói hiện nay trở thành một môi trườngđơn giản hóa, toàn IP Dựa trên họ chuẩn UMTS/HSPA, LTE sẽ tăng cườngcác khả năng của các công nghệ mạng tế bào hiện tại để thỏa mãn yêu cầu ngàycàng cao của khách hàng có thói quen với các dịch vụ băng rộng cố định Nhưvậy, nó hợp nhất môi trường định hướng thoại của các mạng di động hiện nayvới các khả năng dịch vụ tập trung số liệu cho Internet cố định

II.1 Ưu điểm của công nghệ 4G LTE:

- 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 đượcxác định trên mạng truy nhập vô tuyến hoàn toàn mới dựa trên công nghệOFDM cho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên.

- Hiệu quả sử dụng phổ tần của OFDM được nâng cao nhờ sử dụng kỹ thuậtđiều chế bậc cao 64QAM Mã hóa turbo, mã hóa xoắn cùng các kỹ thuật vôtuyến bổ sung như kỹ thuật MIMO kết quả là thông lượng trung bình tăng lên 7lần 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 từ hệ thốngmạng lõi đang tồn tại kết hợp song song trước đó là chuyển mạch kênh vàchuyển mạch gói sang mạng lõi chỉ sử dụng chuyển mạch gói

- Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần so với WCDMA

- Độ rộng băng tần linh hoạt

- Có thể cùng tồn tại với các chuẩn và hệ thống trước giúp giảm chi phí khitriển khai

II.2 Triển vọng:

- Trên thế giới đã có nhiều hãng viễn thông lớn triển khai hoạt động mạngLTE Mạng NTT DoCoMo của Nhật sẽ đi tiên phong khi đặt mục tiêu khaitrương dịch vụ vào năm 2009

- Các mạng Verizon Wireless, Vodafone, China Mobile tuyên bố hợp tác thửnghiệm LTE vào năm nay Việc triển khai cơ sở hạ tầng cho LTE đã bắt đầunửa sau của năm 2009 và cung cấp dịch vụ vào năm 2010

- Mạng Telstra của Úc gần đây cũng đã xác nhận phát triển theo hướng LTE.Hãng TeliaSonera, nhà cung cấp lớn nhất cho thị trường Bắc Âu và vùng Balticcũng cam kết sẽ sử dụng công nghệ LTE cho các thị trường của mình

- Ngày 11/6/2008, theo Financial Times, cổ phiếu của Nortel, nhà sản xuất viễnthông nổi tiếng của Canada, đã tăng 13% khi hãng tuyên bố tập trung các nỗlực nghiên cứu không dây vào công nghệ LTE thay vì công nghệ đối thủWimax

- Vào ngày 19/12/2007, hãng Nokia Siemens Networks đã công bố thử nghiệmthành công công nghệ LTE với tốc độ lên đến 173 Mb/s trong môi trường đôthị với nhiều thuê bao cùng lúc Trên băng tần 2.6 Ghz với 20 MHz băngthông, tốc độ này đã vượt xa tốc độ yêu cầu là 100 Mbps

- Cuộc gọi thoại đầu tiên giữa 2 điện thoại LTE đã được trình diễn vào Hộinghị Thế giới di động (Mobile World Congress) được tổ chức vào tháng2/2008 tại Barcelona, Tây Ban Nha Vào tháng 3 vừa qua, mạng NTT DoCoMo

đã thử nghiệm LTE đạt đến tốc độ 250 Mbps

- Đầu tháng 10/2010, hãng viễn thông Ericsson Việt Nam đã phối hợp với cụcTần số Vô tuyến điện của Bộ Thông tin và Truyền thông trình diễn công nghệLTE – công nghệ tiền 4G trước sự chứng kiến của Bộ cùng các mạng di độngViệt Nam

- Đợt thử nghiệm vừa rồi diễn ra ở băng tần 2300 – 2400 MHz Kết thúc cuộcthử nghiệm tốc độ đo được tốc độ tải xuống đạt 80 Mbps, tải lên đạt 20 Mbps.Vượt xa tốc độ truy nhập của ADSL hiện nay

- Thuê bao LTE trên toàn cầu cũng đã được tăng ở mức ấn tượng, từ 75 triệutrong tháng 12 năm 2012 lên 126 triệu vào tháng 6 năm 2013

II.3 So sánh LTE và Wimax:

- Về công nghệ, LTE và Wimax có một số khác biệt nhưng cũng có nhiều điểmtương đồng Cả hai công nghệ đều dựa trên nền tảng IP Cả hai đều dùng kĩthuật MIMO để cải thiện chất lượng truyền/nhận tín hiệu, đường xuống từ trạmthu phát đến thiết bị đầu cuối đầu được tăng tốc bằng kĩ thuật OFDM hỗ trợtruyền tải dữ liệu đa phương tiện và video

- Theo lý thuyết, chuẩn Wimax hiện tại (802.16e) cho tốc độ tải xuống tối đa là70Mbps, còn LTE dự kiến có thể cho tốc độ đến 300Mbps Tuy nhiên, khi LTEđược triển khai ra thị trường có thể Wimax cũng sẽ được nâng cấp lên chuẩn802.16m (còn được gọi là Wimax 2.0) có tốc độ tương đương hoặc cao hơn

- Đường lên từ thiết bị đầu cuối đến trạm thu phát có sự khác nhau giữa 2 côngnghệ WiMax dùng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access– một biến thể của OFDM), còn LTE dùng kỹ thuật SC-FDMA (Single Carrier

- Frequency Division Multiple Access)

- Về lý thuyết, SC-FDMA được thiết kế làm việc hiệu quả hơn và các thiết bịđầu cuối tiêu thụ năng lượng thấp hơn OFDMA

- TE còn có ưu thế hơn WiMax vì được thiết kế tương thích với cả phương thứcTDD (Time Division Duplex) và FDD (Frequency Division Duplex) Ngượclại, WiMax hiện chỉ tương thích với TDD (theo một báo cáo được công bố đầunăm nay, WiMax Forum đang làm việc với một phiên bản Mobile WiMax tíchhợp FDD) TDD truyền dữ liệu lên và xuống thông qua 1 kênh tần số (dùngphương thức phân chia thời gian), còn FDD cho phép truyền dữ liệu lên vàxuống thông qua 2 kênh tần số riêng biệt Điều này có nghĩa LTE có nhiều phổtần sử dụng hơn WiMax

Tuy nhiên, sự khác biệt công nghệ không có ý nghĩa quyết định trong cuộcchiến giữa WiMax và LTE

- Hiện tại WiMax có lợi thế đi trước LTE: mạng WiMax đã được triển khai vàthiết bị WiMax cũng đã có mặt trên thị trường, còn LTE thì sớm nhất cũng phảiđến năm 2010 người dùng mới được trải nghiệm

- Tuy nhiên LTE vẫn có lợi thế quan trọng so với WiMax LTE được hiệp hộicác nhà khai thác GSM (GSM Association) chấp nhận là công nghệ băng rộng

di động tương lai của hệ di động hiện đang thống trị thị trường di động toàncầu với khoảng 2,5 tỉ thuê bao (theo Informa Telecoms & Media) và trong 3năm tới có thể chiếm thị phần đến 89% (theo Gartner)

- Hơn nữa, LTE cho phép tận dụng dụng hạ tầng GSM có sẵn (tuy vẫn cần đầu

tư thêm thiết bị) trong khi WiMax phải xây dựng từ đầu