Khảo sát BER các giao thức và kỹ thuật trong truyền thông đa chặng của mạng LTE-ADVANCED

LỜI MỞ ĐẦU Ngày thông tin di động ngày phát triển có vai trò quan trọng sống ngày Từ đời năm 1979 đến nay, hệ thống thông tin di động trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ 1G đến 4G với tốc độ chất lượng dịch vụ ngày cao đáp ứng nhu cầu người sử dụng Do nội dung đồ án tìm hiểu nghiên cứu kỹ thuật 4G/LTE-ADVANCED nhằm nâng cao chất lượng hệ thống; kỹ thuật chuyển tiếp hệ thống thông tin di động Đồ án tập trung nghiên cứu giao thức kỹ thuật sử dụng trạm chuyển tiếp truyền thông đa chặng nhằm nâng cao chất lượng hệ thống, đảm bảo chất lượng đường truyền từ trạm gốc đến thuê bao Qua ta thấy lợi ích vượt trội mà kỹ thuật chuyển tiếp mang lại cho hệ thống thông tin di động thông qua phần lý thuyết phần mô mô Đồ án: “ Khảo sát BER giao thức kỹ thuật truyền thông đa chặng mạng LTE-ADVANCED ” giúp hiểu thêm công nghệ áp dụng để nâng cao chất lượng hệ thống Để hiểu rõ công nghệ đó, đồ án chia thành chương với nội dụng sau: - Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin di động Chương 2: Tổng quan trạm chuyển tiếp Chương 3: Các kỹ thuật sử dụng chuyển tiếp Chương 4: Khảo sát mô Sau tìm hiểu đồ án hiểu thêm vấn đề chuyển tiếp thông tin di động Hiểu ưu điểm giao thức kỹ thuật mang lại cho hệ thống thông tin đa chặng Hơn hết có nhìn tổng quan kỹ thuật chuyển tiếp truyền thông đa chặng mạng LTE-ADVANCED Đà Nẵng, tháng năm 2014 Trang Chương : Tổng quan hệ thống thông tin di động CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chương Trong chương đồ án nói sơ qua cho nhìn tổng quát hệ thống thông tin di động Chương bao gồm phần sau:  Lịch sử phát triển thông tin di động  Tổng quan LTE LTE-ADVANCED  Các công nghệ sử dụng LTE-ADVANCED 1.2 Sơ lược hệ thống thông tin di động Thông tin di động không ngừng phát triển ngày đòi hòi kỹ thuật tiên tiến công nghệ cao; nhánh quan trọng phát triển mạnh mẽ lĩnh vực truyền thông Việc sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông tin diễn lần vào cuối kỷ 19, kể từ trở thành công nghệ sử dụng rộng rãi Đến ngày quen với việc sử dụng thiết bị di động, dường chúng trở thành phần thiểu sống Để có ngày nay, hệ thống thông tin di động trải qua lịch sử phát triển lâu dài với bước ngoặt tương ứng với thời kì Sau nhiều năm phát triển, thông tin di động trải qua giai đoạn phát triển quan trọng Từ hệ thống thông tin di động tương tự hệ thứ đến hệ thống thông tin di động số thứ hai, hệ thống thông tin di động băng rộng hệ ba triển khai phạm vi toàn cầu hệ thống thông tin di động đa phương tiện hệ tư nghiên cứu, phát triển triển khai số nước Trang Chương : Tổng quan hệ thống thông tin di động Từ năm 1979 hệ thống 1G thương mại đời Nhật Bản, hệ thống ban đầu lúc đầu có tốc độ thấp, chủ yếu phục vụ cho thoại nhu cầu truyền số liệu tăng lên đòi hỏi nhà khai thác mạng phải nâng cấp nhiều tính cho mạng cung cấp dịch vụ giá trị gia tăng sở khai thác mạng có; khởi đầu cho trình phát triển mạnh mẽ Sau hệ thống 1G nhanh chóng thay hệ thống 2G, hệ thống có chất lượng tốt hơn, tốc độ nhanh hơn, cung cấp thêm dịch vụ truyền tin thay có thoại trước đây, từ hệ thống đặc trưng cho 2G GSM ngày sử dụng phổ biến Cùng với Internet, Intranet trở thành hoạt động kinh doanh ngày quan trọng Kéo theo phát triển thiết bị di động thông minh, đa chức đời ngày nhiều, với dịch vụ đa phương tiện phát triển mạnh mẽ, đồng thời nhu cầu truyền tải liệu tốc độ cao tăng nhanh, khiến cho hệ thống trước trở nên lỗi thời Những yêu cầu dẫn đến đời hệ di động sau này, hệ 3G, 4G đời ta biết, hệ thống cung cấp cho dịch vụ đa dạng gọi video, chơi game, xem tv Với tốc độ nhanh hẳn chất lượng tốt, hệ thông tin di động hứa hẹn đáp ứng nhu cầu tại, phát triển rộng rãi mai Hình 1.1: Quá trình phát triển công nghệ thông tin di động Trang Chương : Tổng quan hệ thống thông tin di động 1.3 Tổng quan công nghệ LTE 1.3.1 Giới thiệu công nghệ LTE LTE từ viết tắt Long Term Evolution miêu tả công việc chuẩn hóa 3GPP để xác định phương thức truy cập vô tuyến tốc độ cao cho hệ thống truyền thông di động LTE xem hệ thứ tư, hệ tương lai chuẩn UMTS 3GPP phát triển Năm 2008, phiên phat hành cuối 3GPP8, mang lại nhiều cải tiến HSDPA HSUPA, xem phiên LTE 3GPP phiên tập trung vào mở rộng LTE Mục tiêu LTE cung cấp dịch vụ liệu tốc độ cao, độ trễ thấp, gói liệu tối ưu, công nghệ vô tuyến hỗ trợ băng thông cách linh hoạt triển khai Đồng thời kiến trúc mạng thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói với tính di động linh hoạt, chất lượng dịch vụ, thời gian trễ tối thiểu Các ưu điểm bật hệ thống LTE: - Dung lượng truyền kênh đường xuống đạt 100 Mbps kênh đường lên đạt 50Mbps - Tăng tốc độ truyền liệu người sử dụng mặt phẳng điều khiển - Đảm bảo hiệu suất di chuyển, giảm độ trể - Không chuyển mạch kênh Tất dựa IP.VoIP dùng cho dịch vụ thoại - Độ phủ sóng từ 5-100km - Kiến trúc mạng đơn giản so với mạng 3G thời Tuy nhiên mạng 3GPP LTE tích hợp cách dễ dàng với mạng 3G 2G Điều quan trọng cho nhà cung cấp triển khai 3GPP LTE không cần thay đổi toàn sở hạ tầng mạng có - OFDMA MIMO sử dụng LTE thay CDMA 3G 1.3.2 Kiến trúc mạng LTE LTE thiết kế để hỗ trợ cho dịch vụ chuyển mạch gói, hướng đến cung cấp kết nối IP UE (User Equipment) PDN (Packet Data Network) Phương pháp chuyển mạch gói cho phép hỗ trợ tất dịch vụ bao Trang Chương : Tổng quan hệ thống thông tin di động gồm thoại thông qua kết nối gói Được xây dựng kiến trúc phẳng, đơn giản với loại nút B phát triển (eNode B) thực thể quản lý di động/cổng (MME/GW – Mobility Management Entity/Gateway) Hình 1.2: Kiến trúc hệ thống cho mạng LTE Hình 1.2 miêu tả kiến trúc thành phần mạng cấu hình kiến trúc tổng quát mạng LTE sở với mạng truy cập E-UTRAN Hình cho thấy phân chia kiến trúc thành bốn vùng chính: thiết bi người dùng (UE); UTRAN phát triển (E-UTRAN); mạng lõi gói phát triển (EPC); vùng dịch vụ 1.3.3 Kiến trúc mạng lõi LTE Mạng lõi EPC chịu trách nhiệm điều khiển tổng thể UE thiết lập thông báo Các nút logic mạng lõi EPC : - Thực thể quản lý di động (MME) Trang Chương : Tổng quan hệ thống thông tin di động - Cổng phục vụ (S-GW) Cổng mạng số liệu gói (P-GW) Hình 1.3: Kiến trúc mạng lõi LTE + Thực thể quản lý di động (MME) : Thực thể quản lý tính di động (MME) thành phần điều khiển EPC Điều khiển Node xử lý tín hiệu UE EPC Giao thức UE EPC Non-Access Stratum (NAS) Các chức MME phân loại sau :  Các chức liên quan đến quản lý thông báo: chức bao gồm thiết lập trì gởi thông báo điều khiển lớp quản lý phiên giao thức NAS  Các chức liên quan đến quản lý kết nối: bao gồm việc kết nối bảo mật mạng UE điều khiển lớp quản lý tính di động kết nối giao thức NAS + Cổng phục vụ (S-GW): tất gói IP người dùng chuyển thông qua S-GW, S-GW trạm di động địa phương cung cấp thông báo liệu UE di chuyển eNodeB Đối với UE, S-GW giữ lại thông tin thông báo UE tình trạng rỗi làm đệm tạm thời cho liệu hướng xuống MME bắt đầu nhắn tin thông báo thiết lập lại đến UE Thêm vào đó, S-GW thực chức điều khiển mạng khách thu thập thông tin để tính cước Trang Chương : Tổng quan hệ thống thông tin di động + Cổng mạng số liệu gói (P-GW): chịu trách nhiệm định vị địa IP cho UE, cho phép UE truy nhập đến mạng liệu gói (PDN) cách gắn địa IP từ mạng PDN vào UE; thực thi QoS, thực chức chọn lưu lượng lọc gói IP hướng xuống người sử dụng thông báo QoS khác Ngoài Node này, EPC gồm có Node chức vật lý khác HSS (Home Subscriber Server) PCRF (Policy Control Charging Rules Function) + Chức sách tính cước tài nguyên (PCRF): phần tử mạng chịu trách nhiệm cho việc điều khiển sách tính cước Nó tạo định cách xử lý dịch vụ QoS +Máy chủ thuê bao thường trú (HSS): kho liệu thuê bao cho tất liệu người dùng thường xuyên Nó ghi lại vị trí người sử dụng mức độ nút điều khiển mạng tạm trú Lưu trữ gốc hồ sơ thuê bao, chứa thông tin dịch vụ áp dụng cho người sử dụng bao gồm thông tin kết nối PDN cho phép có phép chuyển đến mạng khác hay không Trang Chương : Tổng quan hệ thống thông tin di động 1.3.4 Mạng truy cập E-UTRAN Mạng truy cập E-UTRAN bao gồm mạng lưới eNodeB Vì kiến trúc E-UTRAN gọi cấu trúc phẳng Các eNodeB kết nối với thông qua đường giao tiếp X2, kết nối với EPC đường giao tiếp S1 Giao tiếp S1 giao diện E-UTRAN EPC, mang liêu giao thông eNodeB S-GW; giao diện báo hiệu eNodeB MME Giao tiếp X2 giao diện eNodeB; đường giao tiếp dùng để chuẩn bị chuyển giao dùng để gữi chuyển tiếp liệu người dùng (các gói IP) từ mạng sở sang mạng sở để giảm thiểu liệu người dùng thất thoát trình chuyển giao Hình 1.4: Mạng truy cập E-UTRAN Mạng truy cập E-UTRAN chịu trách nhiệm chức liên quan đến vô tuyến, gồm có:     Quản lí nguồn tài nguyên vô tuyến Nén Header Bảo mật Kết nối EPC Về phương diện mạng, eNodeB trạm gốc vô tuyến kiểm soát tất chức vô tuyến liên quan, phân bố toàn khu vực phủ sóng mạng; eNodeB quản lí số lượng cell định Khác với 2G hay 3G, LTE tích Trang Chương : Tổng quan hệ thống thông tin di động hợp chức điều khiển vô tuyến eNodeB Điều cho phép tương tác thích hợp lớp giao thức khác mạng truy cập vô tuyến, giảm trể cải thiện hiệu suất 1.3.5 Thiết bị người dùng UE UE thiết bị mà người dùng đầu cuối để liên lạc Thông thường thiết bị cầm tay điện thoại thông minh UE chứa có modun nhận dạng thuê bao toàn cầu (USIM), USIM sử dụng để nhận dạng xác thực người sử dụng để lấy khóa bảo mật nhằm bảo vệ việc truyển tải giao diện vô tuyến Các chức UE tảng cho ứng dụng truyền thông, mà có tín hiệu với mạng thiết lập, trì loại bỏ liên kết thông tin người dùng cần Điều bao gồm chức quản lý tính di động chuyển giao, báo cáo vị trí thiết bị, UE phải thực theo hướng dẫn mạng Có lẽ quan trọng UE cung cấp giao diện người sử dụng cho người dùng cuối để ứng dụng VoIP sử dụng để thiết lập gọi thoai 1.3.6 Vùng dịch vụ (Services) Bao gồm dịch vụ nhà mạng (IMS) Internet IMS kiến trúc mạng dùng để thao tác, quản lý điều khiển dịch vụ đa phương tiện đến người dùng cố định hay di động Nó lớp quản lý dịch vụ chung cho tất dịch vụ đa phương tiện, độc lập với mạng truy nhập mà người dùng kết nối Ngoài cung cấp cho việc sử dụng mạng Internet Internet cung cấp phương thức để người liên lạc, trao đổi, tương tác làm việc Trong mạng truy nhập vận tải liệu không cần thời gian thực internet dịch vụ thời gian thực với chất lượng dịch vụ QoS cao ngày phát triển rộng rãi Trang Chương : Tổng quan hệ thống thông tin di động 1.4 Các công nghệ sử dụng LTE-ADVANCED 1.4.1 Kết hợp sóng mang (Carrier Aggregation) Kết hợp sóng mang (CA) chức quan trọng LTE-ADVANCED; sử dụng kỹ thuật kết hợp sóng mang để truyền dẫn băng rộng chia sẻ phổ tần Độ rộng băng truyền dẫn cao hẳn so với LTE, UL 40MHz DL lên đến 100Mhz (Trong LTE đường 20MHz) Hình 1.5: Kết hợp sóng mang LTE-ADVANCED Các sóng mang kết hợp lại sóng mang sở phát hành 8, điều yếu tố khiến cho LTE-ADVANCED dể dàng khả tương thích ngược Việc sử dụng kết hợp sóng mang đem lại lợi ích cho hiệu hệ thống theo cách sau: + Tốc độ liệu đỉnh tăng lên thực kết hợp phổ từ hai hay nhiều băng tần tần số Tốc độ dử liệu đỉnh theo lí thuyết từ việc kết hợp sử dụng kết hợp sóng mang với tổng cộng phổ tần 40MHz anten đạt tới 1,2Gbps cho đường xuống Mbps cho đường lên (với công nghệ truyền dẫn đa anten đường lên) + Tăng thông lượng trung bình người dùng, đặc biệt số lượng người dùng lớn Lập lịch sóng mang chung eNodeB cho phép lựa chọn sóng mang tối ưu dẫn đến hiệu tốt cân tải tốt sóng mang Trang 10 Chương : Khảo sát mô Hình 4.9: Hệ thống sử dụng Network coding Bắt đầu Lưu đồ thuật toán Các thông số điều chế M Số lần lặp test=1000 min_SNR max_SNR Các thông số điều chế M Số lần lặp test=0:1:999 n