Bài giảng hệ thống thông tin di động 4g LTE TS đỗ công hùng

ĐẠI HỌC FPT BÀI GIẢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE TS: Đỗ Công Hùng Tháng - 2015 05/07/16 TS Đỗ Công Hùng Mục tiêu chương trình - Nắm nội dung công nghệ viễn thông hệ 4G - Làm sở nghiên cứu ứng dụng thực tiễn Nội dung • Sự đời , mục tiêu công nghệ LTE (5 Tiết) • Lớp vật lý đường xuống-OFDM đường lên SC-FDMA • • Mã kênh thích nghi đường truyền(5 • • Tín hiệu tham chiếu ước lượng kênh (5 Tiết) 05/07/16 Các kỹ thuật đa anten (MIMO) (5 Tiết) Tiết) Tổng quan LTE- Advance(5 Tiết) CN Viễn thông - TS Đỗ Công Hùng Chương TỔNG QUAN VỀ LTE 1.1 Các khái niệm LTE: Long term Evolution ( giải pháp dài hạn UMTS) UMTS: Universal Mobile Telecom System Sự phát triển hệ TTDĐ: 1G: năm 1980, bao gồm HT độc lập, công nghệ Analog, FDMA 2G: Roaming toàn cầu, HT GSM ( Global System for Mobil Communication), CN số, sư ủng hộ ETSI: European Telecom Standard Institude 3G:CDMA2000, hệ chuẩn 2G CDMA IS-95 CDMA2000 quản lý 3GPP2, tổ chức độc lập với 3GPP , tốc độ liêu từ 144 kbit/s tới Mbit/s, ITU công nhận 05/07/16 CN Viễn thông - TS Đỗ Công Hùng Khung cảnh đời LTE (Hình 1.1) Vai trò ITU-R: International Telecom Union- Radiocom Sector Thành viên IMT: International Mobile Telecom (bao gồm HT 3G) 05/07/16 CN Viễn thông - TS Đỗ Công Hùng 1.2 Khung cảnh đời LTE (Hình 1.1) Vai trò ITU-R: International Telecom Union- Radiocom Sector Thành viên IMT: International Mobile Telecom (bao gồm HT 3G) Dưới góc độ Công nghệ Tiêu chuẩn: Nhánh 1: Nhóm dự án hợp tác 3G ( 3GPP: Partnership Project) bao gồm: Họ công nghệ phát triển từ G: GSM/GPRS/ EDGE TDMA Họ UMTS ‘3G’: CDMA/WCDMA LTE: OFDMA, chuyển mạch gói, kiến trúc HT SAE System Architecture Evolution, phiên 99 (5,6) UMTS sử dụng công nghệ HSPA phiên HSPA+ với bậc điều chế cao MIMO, phiên 8,9,10 với công nghệ đa sóng mang MC MHz, chế độ song công phân chia theo tần số thời gian (FDD ( Frequency Division Duplex) TDD) Phát triển chủ yếu cho thị trường Trung quốc LTE Advance 05/07/16 CN Viễn thông - TS Đỗ Công Hùng Nhánh 2: Tổ chức hợp tác 3GPP2 : Mỹ, Hàn quốc, Nhật Phát triển từ chuẩn IS- 95 với công nghệ CDMA lên CDMA 2000 theo hướng định hướng liệu EV-DO Nhánh 3:Ủy ban tiêu chuẩn IEEE 802 LAN/MAN (LAN/Metropolitan Area Network) - Họ IEEE 802.16, theo định hướng gói WiMAX phát triển từ 802.16-2014 cố định tới 802.16de cho di động - Thế hệ 802.16 m có mục tiêu tương tự LTE advance - Mục tiêu: Hướng tới hệ thống đa dịch vụ, linh hoạt, định hướng gói tiệm cận tới tiêu tương tự cáp quang FTTH ( Fibre To The Home) 05/07/16 CN Viễn thông - TS Đỗ Công Hùng 1.3 Yêu cầu mục tiêu LTE 1.3.1 Yêu cầu chung Giảm độ trễ thiết lập kết nối trễ truyền dẫn Tăng tốc độ liệu người dùng Tăng tốc độ bít rìa tế bào Giảm chi phí bít Đơn giản hóa cấu trúc mạng Di động liên tục với công nghệ đa truy nhập khác Công suất di động hợp lý 1.3.2 Yêu cầu LTE phiên 6, (Bảng 1.1) Tốc độ liệu đỉnh: Thông lượng cực đại người dùng, giả sử toàn giải thông cấp cho người dùng với sơ đồ mã hóa, điều chế cao nhất, số lượng anten hỗ trợ cực đại: 100Mbps đường xuống, 50 Mbps đường lên dải thông 20 MHz (gấp lần dải thông sóng mang WCDMA) Giả thiết EU có anten thu anten phát, trạm gốc có anten thu phát Đánh giá chất lượng LTE bao quát Macrocell với khoảng cách trạm gốc 500m-1.7 km, microcell sử dụng MIMO với khoảng cách trạm gốc 130m 05/07/16 CN Viễn thông - TS Đỗ Công Hùng Thông lượng tế bào hiệu phổ: Giả sử lưu lượng hàng đợi đầy đủ (không có thiếu liệu để phát người dùng có hội), tải HT tương đối cao ( 10 EU/Cell) Các số đo: Thông lượng tế bào trung bình (Bps/cell), Hiệu phổ người dùng trung bình (Bps/Hz/cell), Thông lượng người dùng trung bình (Bps/EU) hiệu phổ người dùng trung bình (Bps/Hz/EU) Thông lượng người dùng hiệu phổ người dùng trung bình Bps/Hz/EU) rìa tế bào Dung lượng thoại (yêu cầu lưu lượng VoIP ràng buộc độ trễ chặt chẽ) Là thách thức HT LTE dựa gói hoàn toàn, dựa vào lập lịch thích nghi Người dùng VoIP coi nghẽn mạch 2% gói IP không đến thành công máy thu VT 50 ms bị loại bỏ Giả thiết độ trễ end to end nhỏ 200ms, dung lượng HT VoIP xác định 95% người dùng hài lòng Tăng gấp 2-4 lần so với phiên 05/07/16 CN Viễn thông - TS Đỗ Công Hùng Tính di động Phạm vi tế bào LTE yêu cầu hỗ trợ liên lạc với di động tới 350 km/h tùy thuộc băng tần, tế bào điển hình có bán kính 5km, trì với phạm vi tế bào đến 100km Chất lượng chế độ quảng bá ( TV di động, không chia sẻ với truyền dẫn Unicast điểm- điểm) Xác định sở thông lượng hệ thống đạt với hiệu phổ với giả thiết phủ sóng 98 % vùng phủ danh định HT ( vùng nghẽn chiếm 2%, có tỉ lệ lỗi gói cao 1%) Phiên 8: ưu tiên cao cho chế độ dịch vụ khác Phiên 9: Kết hợp chế độ quảng bá sử dụng hoạt động mạng đơn tần sóng mang unicast-quảng bá hỗn hợp Độ trễ mặt phẳng người dùng Số đo chất lượng dịch vụ thời gian thực tương tác, xác định thời gian trung bình thời điểm truyền gói liệu thời điểm thu xác lập lớp vật lý, bao gồm tốc độ truyền lại HARQ LTE yêu cầu độ trễ gói DL chiều lợp IP mạng truy nhập vô tuyến 5ms 05/07/16 CN Viễn thông - TS Đỗ Công Hùng Độ trễ mặt phẳng điểu khiển Dung lượng Thời gian cần thiết để chuyển đổi trạng thái LTE: rỗi- tích cực 100ms Độ trễ thiết lập gọi: ảnh hưởng thời gian liên lạc, tuổi thọ pin LTE yêu cầu hỗ trợ 200 người dùng/cell băng thông MHz Chi phí triển khai tính tương tác Phân bổ phổ chế độ song công: LTE sử dụng phân bố phổ từ 1.420 MHz với đơn sóng mang, hoạt động tất băng tần định cho HT IMT ITU-R Tương tác với công nghệ truy nhập VT khác Tương tác với công nghệ khác nhau, với công nghệ GPP trước (GSM/EDGE UTRAN) công nghệ 3GPP (WiFI, CDMA 2000 WiMAX) Độ phức tạp giá thành máy di động Giá thành rẻ, tiêu thụ công suất thấp, tuổi thọ pin chế độ chờ tích cực 05/07/16 CN Viễn thông - TS Đỗ Công Hùng 10 Các yêu cầu kiến trúc mạng Kiến trúc phẳng bao gồm loại nút eNode B Các giao thức hiệu để hỗ trợ dịch vụ chuyển mạch gói Các giao diện mở tương thích thiết bị nhiều nhà cung cấp Cơ chế hiệu hoạt động bảo dưỡng, chức tự tối ưu Dễ triển khai định cấu hình (VD femto-cell cho trạm gốc gia đình) 05/07/16 CN Viễn thông - TS Đỗ Công Hùng 11 1.4.Các công nghệ cho LTE 1.4.1 Đa sóng mang OFDMA cho đường xuống,SC-FDMA cho đường lên Nhược điểm OFDM: tỷ số công suất đỉnh / trung bình (PAPR Peak to Average Power Ratio) cao (chỉ phù hợp cho trạm gốc) 1.4.2 Công nghệ đa anten MIMO Tăng ích phân tập: sử dụng phân tập không gian, cải thiện độ bền vững truyền dẫn với pha đinh đa đường Tăng ích dàn: Tập trung lượng theo hay nhiều hướng thông qua precoding beamforming, cho phép phục vụ đồng thời nhiều người dùng vị trí có hướng khac Tăng ích ghép không gian: Truyền nhiều luồng tín hiệu đến người dùng nhiều lớp không gian tạo kết hợp anten có sẵn 1.4.3 Giao diện vô tuyến chuyển mạch gói Lập lịch gói nhanh HSDPA: Lập lịch thích nghi miền tần số thời gian Thích nghi cấu hình MIMO Thích nghi tốc độ điều chế, mã hóa, từ mã 05/07/16 CN Viễn thông - TS Đỗ Công Hùng 12 1.5 Sự phát triển LTE đến LTE advance Phiên (phiên 8) LTE 12/2007, đệ trình lên ITU thành viên IMT Phiên LTE (phiên 9); Hệ thống cảnh báo công cộng, phương pháp định vị xác (ngay nhà, GPS không xác định được), hỗ trợ quảng bá dựa truyền dẫn mạng đơn tần, phát triển MIMO hỗ trợ lớp không gian trực giao, xác định yêu cầu cho trạm gốc pico trạm gốc gia đình, hỗ trợ tự tối ưu mạng… Phiên LTE 10 (Advance): hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu ITU-R cho IMTAdvanced: Kết hợp sóng mang, cho phép tăng tổng dải thông truyền dẫn lên đến 100 MHz Truyền MIMO đường lên với hiệu phổ đỉnh 7.5 Bps/hz Tăng cường MIMO đường xuống, nhắm đến hiệu phổ 30Bps/Hz Hỗ trợ chuyển tiếp (relaying), phối hợp nhiễu liên tế bào, chế giảm thiểu thử nghiệm thực tế nhờ báo cáo đo lường mở rộng từ EU 05/07/16 CN Viễn thông - TS Đỗ Công Hùng 13 Chương Giới thiệu LTE-Advanced 1.1 Các mục tiêu cho LTE-A Các tính yêu cầu IMT-A: Độ tương đồng cao chức phạm vi toàn cầu, hỗ trợ đa dịch vụ, hiệu chi phí Tương thích dịch vụ IMT với mạng cố định Khả tương tác với HT truy nhập vô tuyến khác Chất lượng dịch vụ di động cao, UE phù hợp sử dụng toàn cầu, thân thiện với người dùng, khả roaming toàn cầu Tăng cường tốc độ đỉnh 1Gbps cho di chuyển với tốc độ thấp, 100Mbps cho di chuyển với tốc độ cao Các mục tiêu ( bảng 27-2): Tốc độ liệu đỉnh 1Gbps cho đường xuống, 500Mbps cho đường lên( gấp 10 lần so với phiên 8) ITU-R công nhận LTE-A công nghệ IMT-Advanced vào 10/2010 05/07/16 CN Viễn thông - TS Đỗ Công Hùng 14 1.2 Các tính LTE-A Kết hợp sóng mang (nhiều sóng mang thành phần CCx20MHz khác băng tần) Tăng cường truyền dẫn đa anten đường xuống Truyền dẫn đa anten đường lên Chuyển tiếp Hỗ trơ triển khai mạng không đồng 1.3 Các giải pháp Kết hợp sóng mang để tăng băng thông ( sóng mang thành phần 20MHz) Tăng số lượng anten eNodeB UE, tăng số lượng cực đại lớp truyền dẫn không gian từ ( phiên 8) lên đường xuống từ ( phiên 8) lên đường lên Sơ đồ đa điểm phối hợp CoMP (Coordinated Multi Point): Phối hợp truyền dẫn từ nhiều tế bào, lập lịch phối hợp cho hay nhiều UE để giảm nhiễu đạt tăng ích ghép kênh không gian Sử dụng Relay Node 1.4 Các loại UE cho LTE-A (Bảng 27-3) Tốc độ liệu đường xuống 300-3000Mbps, đường lên 50-1500Mbps 05/07/16 CN Viễn thông - TS Đỗ Công Hùng 15 [...]... chuyển mạch gói Các giao di n mở và tương thích thiết bị giữa nhiều nhà cung cấp Cơ chế hiệu quả đối với hoạt động và bảo dưỡng, chức năng tự tối ưu Dễ triển khai và định cấu hình (VD femto-cell cho trạm gốc gia đình) 05/07/16 CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng 11 1.4.Các công nghệ cho LTE 1.4.1 Đa sóng mang OFDMA cho đường xuống,SC-FDMA cho đường lên Nhược điểm OFDM: tỷ số công suất đỉnh / trung bình... 1.4.3 Giao di n vô tuyến chuyển mạch gói Lập lịch gói nhanh bởi HSDPA: Lập lịch thích nghi trên cả miền tần số và thời gian Thích nghi cấu hình MIMO Thích nghi tốc độ điều chế, mã hóa, từ mã 05/07/16 CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng 12 1.5 Sự phát triển LTE đến LTE advance Phiên bản đầu tiên (phiên bản 8) của LTE 12/2007, đệ trình lên ITU như 1 thành viên của IMT Phiên bản tiếp theo của LTE (phiên... vụ di động cao, UE phù hợp sử dụng toàn cầu, thân thiện với người dùng, khả năng roaming toàn cầu Tăng cường tốc độ đỉnh 1Gbps cho di chuyển với tốc độ thấp, 100Mbps cho di chuyển với tốc độ cao Các mục tiêu ( bảng 27-2): Tốc độ dữ liệu đỉnh 1Gbps cho đường xuống, 500Mbps cho đường lên( gấp 10 lần so với phiên bản 8) ITU-R công nhận LTE- A là một công nghệ IMT-Advanced vào 10/2010 05/07/16 CN Viễn thông. .. dải thông truyền dẫn lên đến 100 MHz Truyền MIMO đường lên với hiệu quả phổ đỉnh trên 7.5 Bps/hz Tăng cường MIMO đường xuống, nhắm đến hiệu quả phổ 30Bps/Hz Hỗ trợ chuyển tiếp (relaying), phối hợp nhiễu liên tế bào, cơ chế giảm thiểu thử nghiệm thực tế nhờ báo cáo đo lường mở rộng từ các EU 05/07/16 CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng 13 Chương 5 Giới thiệu LTE- Advanced 1.1 Các mục tiêu chính cho LTE- A... ở đường lên Sơ đồ đa điểm phối hợp CoMP (Coordinated Multi Point): Phối hợp truyền dẫn từ nhiều tế bào, lập lịch phối hợp cho một hay nhiều UE để giảm nhiễu hoặc đạt tăng ích ghép kênh không gian Sử dụng Relay Node 1.4 Các loại UE cho LTE- A (Bảng 27-3) Tốc độ dữ liệu đường xuống 300-3000Mbps, đường lên 50-1500Mbps 05/07/16 CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng 15 ... IMT-Advanced vào 10/2010 05/07/16 CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng 14 1.2 Các tính năng chính của LTE- A Kết hợp sóng mang (nhiều sóng mang thành phần 5 CCx20MHz cùng hoặc khác băng tần) Tăng cường truyền dẫn đa anten đường xuống Truyền dẫn đa anten đường lên Chuyển tiếp Hỗ trơ triển khai mạng không đồng nhất 1.3 Các giải pháp Kết hợp sóng mang để tăng băng thông ( 5 sóng mang thành phần 20MHz) Tăng số lượng... công suất đỉnh / trung bình (PAPR Peak to Average Power Ratio) cao (chỉ phù hợp cho trạm gốc) 1.4.2 Công nghệ đa anten MIMO Tăng ích phân tập: sử dụng phân tập không gian, cải thiện độ bền vững truyền dẫn với pha đinh đa đường Tăng ích dàn: Tập trung năng lượng theo một hay nhiều hướng thông qua precoding hoặc beamforming, cho phép phục vụ đồng thời nhiều người dùng ở các vị trí có hướng khac nhau Tăng... IMT Phiên bản tiếp theo của LTE (phiên bản 9); Hệ thống cảnh báo công cộng, phương pháp định vị chính xác (ngay cả trong nhà, khi GPS không xác định được), hỗ trợ quảng bá dựa trên truyền dẫn mạng đơn tần, phát triển MIMO hỗ trợ 2 lớp không gian trực giao, xác định yêu cầu mới cho các trạm gốc pico và trạm gốc gia đình, hỗ trợ tự tối ưu mạng… Phiên bản LTE 10 (Advance): hoàn toàn thỏa mãn các yêu cầu