Nghiên cứu công nghệ và ứng dụng 3GGPP LTE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ HỒNG GIANG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ ỨNG DỤNG LTE Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS, TS: PHAN HỮU HUÂN Hà Nội – Năm 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu Học viên biên soạn, thông tin, số liệu trình bày luận văn trung thực chưa công bố Học viên thực Lê Hồng Giang i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii LỜI MỞ ĐẦU iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH VẼ ix DANH MỤC BẢNG xi Chương1: TỔNG QUAN MỤC TIÊU THIẾT KẾ HỆ THỐNG LTE 1 Mở đầu Các tiêu chuẩn kỹ thuật LTE 2.1 Các khả 2.2 Hiệu hệ thống 2.3 Các vấn đề liên quan đến triển khai 2.4 Kiến trúc chuyển dịch 2.5 Quản lý tài nguyên vô tuyến 2.6 Mức độ phức tạp 10 2.7 Các vấn đề chung 10 Các mục tiêu thiết kế SAE 10 3.1 Khả hoạt động SAE 11 3.2 Khả chuyển mạng: 11 3.3 Yêu cầu hiệu 11 3.4 Yêu cầu SAE đến dịch vụ 11 3.5 Yều cầu QoS 12 3.7 Yêu cầu tính cước 12 Chương 2: TRUY NHÂP VÔ TUYẾN, KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN VÀ LỚP VẬT LÝ TRONG LTE 14 Truy nhập vô tuyến LTE 14 1.1 Tổng quan truy nhập vô tuyến LTE 14 1.2 Lập biểu phụ thuộc kênh thích ứng tốc độ 15 1.3 HARQ với kết hợp mềm 18 1.4 Hỗ trợ đa anten 18 1.5 Hỗ trợ quảng bá đa phương 19 1.6 Linh hoạt phổ 20 Kiến trúc giao thức LTE 22 2.1 Tổng quan kiến trúc giao thức LTE cho DL 22 2.2 Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC): 24 2.3 Điều khiển truy nhập môi trường (MAC) 25 2.4 Yêu cầu phát lại tự động linh hoạt (HARQ) 31 2.5 Cấu trúc xử lý lớp MAC: 33 2.6 Luồng số liệu 37 Lớp vật lý 38 3.1 Cấu trúc tổng thể miền thời gian 38 3.2 Sơ đồ truyền dẫn DL LTE 40 3.3 Sơ đồ truyền dẫn UL LTE 57 Chương 3: CÁC THỦ TỤC TRUY NHẬP LTE, PHÁT TRIỂN KIẾN TRÚC HỆ THỐNG SAE 69 Các thủ tục truy nhập LTE 69 1.1 Tìm ô: 69 1.2 Truy nhập ngẫu nhiên 74 1.3 Tìm gọi 79 Phát triển kiến trúc hệ thống - SAE 80 ii 2.1 Mở đầu: 80 2.2 Chức mạng truy nhập vô tuyến mạng lõi 81 2.3 Mạng truy nhập vô tuyến LTE 84 2.4 Cấu trúc mạng lõi 92 2.4.2 Mạng lõi “SAE” (Lõi gói phát triển – EPC) 97 Chương 4: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG VÀ QŨY ĐƯỜNG TRUYỀN LTE 102 Đánh giá hiệu 102 1.1 Giới thiệu chung 102 1.2 Hiệu từ góc độ người sử dụng 103 1.3 Hiệu từ góc độ nhà khai thác: 105 1.4 Cấu hình tiêu chí thực mô để đánh giá 106 Đánh giá hiệu phát 108 2.1 Mở đầu: 108 2.2 Các mô hình giả thiết 108 2.3 Các giá trị hiệu LTE sử dụng sóng mang MHZ FDD 111 Đánh giá LTE GPP dựa mô hình động 114 3.1 Các yêu cầu hiệu LTE 114 3.2 Đánh giá hiệu LTE 115 3.3 Hiệu LTE với sóng mang FDD băng thông 20MHZ 116 KẾT LUẬN CHUNG 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO 119 iii LỜI MỞ ĐẦU Thông tin di động ngày trở thành ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh mang lại nhiều lợi nhuận cho nhà khai thác Sự phát triển thị trường viễn thông di động thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu triển khai hệ thống thông tin băng rộng tương lai Hệ thống di động hệ thứ hai, với GSM CDMA ví dụ điển hình phát triển mạnh mẽ nhiều quốc gia Tuy nhiên, thị trường viễn thông mở rộng thể rõ hạn chế dung lượng băng thông hệ thống thông tin di động hệ thứ hai Sự đời hệ thống di động hệ thứ ba với công nghệ tiêu biểu WCDMA hay HSPA tất yếu để đáp ứng nhu cầu truy cập liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng người sử dụng Mặc dù hệ thống thông tin di động hệ 3G hay 3.5G bắt đầu phát triển Việt Nam giới, nhà khai thác nước tiến hành triển khai thử nghiệm chuẩn di động hệ có nhiều tiềm trở thành chuẩn di động 4G tương lai, LTE (Long Term Evolution) chuẩn bị nhà khai thác Việt Nam thử nghiệm Các thử nghiệm trình diễn chứng tỏ lực tuyệt vời công nghệ LTE khả thương mại hóa LTE đến gần Trước đây, muốn truy cập liệu, bạn phải cần có đường dây cố định để kết nối Công nghệ 3G đời cho phép bạn kết nối với tốc độ đa 2Mbps (UL) 10Mbps (DL) Trong tương lai không xa với LTE, bạn truy cập tất dịch vụ lúc nơi di chuyển: xem phim chất lượng cao HDTV, điện thoại thấy hình, chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải sở liệu v.v… với tốc độ “siêu tốc” Đó khác biệt mạng di động hệ thứ (4G) mang lại iv Tuy mẻ mạng di động băng rộng 4G kỳ vọng tạo nhiều thay đổi khác biệt so với mạng di động Xuất phát từ vấn đề trên, em lựa chọn đề tài tốt nghiệp là: “Nghiên cứu công nghệ ứng dụng LTE” Đề tài vào tìm hiểu tổng quan công nghệ LTE kỹ thuật thành phần sử dụng công nghệ qua nêu số cải tiến ứng dụng LTE so với hệ trước Đề tài em bao gồm chương: ϖ Chương Tổng quan mục tiêu thiết kế hệ thống LTE ϖ Chương Giao diện vô tuyến, kiến trúc truy nhập vô tuyến lớp vật lý hệ thống LTE ϖ Chương Các thủ tục truy nhập LTE; phát triển kiến trúc hệ thống SAE ϖ Chương Đánh giá hiệu quỹ đường truyền LTE Do LTE công nghệ trình thử nghiệm phát triển hoàn thiện giới hạn kiến thức người trình bày nên đồ án chưa đề cập hết vấn đề công nghệ LTE tránh khỏi thiếu sót Rất mong đóng góp ý kiến thầy cô bạn Trân trọng cảm ơn giúp đỡ P.GS, TS: Phan Hữu Huân thày cô giáo hướng dẫn em hoàn thiện đồ án Học viên thực Lê Hồng Giang v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3GPP Third Generation Partnership Project Tổ chức chuẩn hóa mạng di động hệ thứ ACK Acknowledgement (In ARQ Protocols) Báo nhận (trong giao thức ARQ) ARQ Automatic Repeat- Request Yêu cầu lặp lại tự động BCCH BCH Broadcast Control Channel Broadcast Channel Kênh điều khiển quảng bá Kênh quảng bá BM-SC Broadcast/Multicast Service Center Trung tâm dịch vụ broadcast/multicast BPSK BTC Binary Phase-Shift Keying Block Turbo Code Khóa dịch pha nhị phân Mã turbo khối CDMA Code Division Multiple Access CN CP Core Network Cyclic Prefix Continuous Packet Connectivity Đa truy nhập phân chia theo mã Mạng lõi Tiền tố tuần hoàn CPC Khả kết nối gói liên tục DL-SCH Channel Quality Indicator Cyclic Redundancy Check Dedicated Control Channel Dedicated Channel Discrete Fourier Transform Downlink Downlink Shared Channel DPCCH Dedicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý dành riêng DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý dành riêng DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh liệu vật lý dành riêng DTCH Dedicated Traffic Channel Kênh lưu lượng dành riêng E-DCH eNodeB EPC Kênh dành riêng nâng cao NodeB E-UTRAN Lõi gói cải tiến FDD Enhanced Dedicated Channel E-UTRAN NodeB Evolved Packet Core Frequency Division Duplex FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo CQI CRC DCCH DCH DFT DL Chỉ thị chất lượng kênh truyền Kiểm tra tính dư tuần hoàn Kênh điều khiển dành riêng Kênh dành riêng Biến đổi fourier rời rạc Đường xuống Kênh chia sẻ đường xuống vi Song công phân chia theo t/số tần số Biến đổi fourier nhanh FFT Fast Fourier Transform GERAN GSM EDGE RAN GPRS General Packet Radio Services GSM HARQ HLR Global Sytem For Mobile Communications Hybrid ARQ Home Location Register HS-DSCH High-Speed Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao HSDPA High Speed Downlink Packet Access Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao HSUPA High Speed Uplink Packet Access Truy nhập gói đường lên tốc độ cao IMS IP Multimedia Subsystem IR LTE Incremental Redundancy Long Term Evolution MAC Medium Access Control Hệ thống đa truyền thông IP Sự dư thừa gia tăng Sự phát triển dài hạn Điều khiển truy nhập môi trường MBMS Multimedia Broadcast/Multicast Service Broadcast đa truyền thông/dịch vụ multicast MIMO Multiple Input Multiple Ouput MSC Mobile Switching Center Nhiều đầu vào nhiều đầu Trung tâm chuyển mạch di động NAK NodeB OFDM OFDMA PCCH PCH PCI PDCCH Mạng truy nhập vô tuyến GSM EDGE Negative Acknowledgement (In ARQ Protocols) NodeB, a logical node handling transmission/reception in multiple cells Orthogonal Frequency Division Multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access Paging Control Channel Paging Channel Pre-coding Control Indication Physical Downlink Control Channel vii Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp Hệ thống truyền thông di động toàn cầu ARQ hỗn hợp Thanh ghi định vị thường trú Báo nhận thất bại (trong giao thức ARQ) Một node logic điều khiển việc phát thu nhiều tế bào Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao Kênh điều khiển tìm gọi Kênh tìm gọi Chỉ thị điều khiển tiền mã hóa Kênh điều khiển đường xuống vật lý PDCP Packet Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ liệu gói PDSCH Physical Downlink Shared Channel PDU PHY QAM Protocol Data Unit Physical layer Quadrature Amplitude Modulation Kênh chia sẻ đường xuống vật lý Đơn vị liệu giao thức Lớp vật lý QPSK RAN RB RLC Quadrature Phase Shift Keying Radio Access Network Resource Block Radio Link Protocol Khóa dịch pha cầu phương Mạng truy nhập vô tuyến Khối tài nguyên Giao thức liên kết vô tuyến RNC Radio Network Controller RRC Radio Resource Control Khối điều khiển mạng vô tuyến Điều khiển tài nguyên vô tuyến RSN SC-FDMA SIR SNR TDD Retransmission Sequence Number Single Carrier FDMA Signal To Interference Ratio Signal To Noise Ratio Time Division Duplex TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian TDSCDMA Time Division- Synchronous Code Division Multiple Access TF Transport Format Đa truy nhập phân chia theo mã đồng bộ, phân chia theo thời gian Định dạng truyền tải TFC Transport FormatCombination Sự kết hợp định dạng truyền tải TM Transparent Mode (RLC Configuration) TTI Transmission Time Interval Chế độ suốt (cấu hình RLC) Khoảng thời gian truyền dẫn UL UL-SCH Uplink Uplink Shared Channel Universal Terrestrial Radio Access Network Wideband Code Division Multiple Access Voice Over IP UTRAN WCDMA VoIP viii Điều chế biên độ cầu phương Số thứ tự truyền lại FDMA đơn sóng mang Hệ số tín hiệu nhiễu Hệ số tín hiệu tạp âm Song công phân chia thời gian Đường lên Kênh chia sẻ đường lên Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu Đa truy nhập băng rộng phân chia theo mã Thoại qua IP DANH MỤC HÌNH VẼ H.1.1: Cấp pháp phổ băng “lõi” IMT – 2000 2GHz .6 H.1.2: Thí dụ trình dịch chuyển phổ H.1 3: Phân chia chức mạng truy nhập mạng lõi .8 H.1.4: Kiến trúc SEA với cổng kết hợp .13 H.2.1: Lập biểu phụ thuộc kênh DL miền thời gian miền tần số .16 H.2.3: FDD TDD 21 H.2.4: Kiến trúc giao thức LTE DL 22 H.2.5: Phân đoạn móc nối RLC 25 H.2.6: Thí dụ xếp kênh logic lên kênh truyền tải .27 H.2.7: Chọn khuôn dạng truyền tải DL UL 30 H.2.8: Giao thức HARQ đồng không đồng .31 H.2.9: Nhiều xử lý HARQ 32 H.2.10: Mô hình đơn giản cấu trúc xử lý vật lý cho DL-SCH 34 H.2.11: mô tả xử lý lớp vật lý dạng đơn giản cho UL-SCH 35 H.2.13: Thí dụ trình chuyển luồng số liệu 38 H.2.14: Cấu trúc miền thời gian LTE 39 H.2.15: Các thí dụ ấn định khung DL/UL trường hợp .39 H.2.16: Tài nguyên vật lý DL LTE .40 H.2.17: Cấu trúc miền thời gian – tần số DL LTE 42 H.2.18: cho thấy cấu trúc miền thời gian cho truyền dẫn DL LTE .43 H.2.19: Mô tả khối tài nguyên: bình thường mở rộng 44 H.2.22: Xử lý khối truyền tải DL .45 H.2.23: Tính toán chèn CRC DL vào khối truyền tải 46 H.2.24: Bộ mã hóa turbo 47 H.2.26: Điều biến số liệu chuyển đổi n bit vào n/2 ký hiệu điều biến phức 49 H.2.27: Sắp xếp khối tài nguyên DL 49 H.2.28: Chuỗi xử lý cho báo hiệu điều khiển DL L1/L2 51 H.2.29: Lưới thời gian-tần số LTE 51 H.2.30: Các phần tử kênh điều khiển ứng cử kênh điều khiển .52 H.2.31: Sắp xếp anten LTE 53 H.2.32: Mã hóa khối không gian – tần số (SFB) 54 H.2.33: Tạo búp chương trình khung đa anten LTE 54 H.2.34: Ghép kênh không gian chương trình khung LTE (NL=3, NA=4) 55 H.2.35: Các tín hiệu tham khảo MBSFN 57 H.2.36: Cấu trúc sở truyền dẫn DFTS – OFDM hay SC-FDMA 58 ix có nhiễu từ người sử dụng khác, tốc độ số liệu giao diện vô tuyến thấp tốc độ số liệu đỉnh Ngoài ra, số gói bị trường hợp số liệu bị phải phát lại tốc độ số liệu hiệu dụng lại bị giảm (nhìn từ lớp cao hơn) Ngoài tốc độ số liệu hiệu dụng chí giảm khoảng cách từ đầu cuối đến trạm gốc tăng (do điều kiện truyền dẫn xấu biên ô) Tốc độ số liệu đạt lớp MAC sau chia sẻ kênh với người sử dụng khác gọi “thông lượng người sử dụng Giao thức điều khiển truyền dẫn (TCP: giao thức lớp truyền tải) giao thức thường sử dụng với lưu lượng IP Tuy nhiên giải thuật khởi đầu chậm nhạy cảm với trễ mạng nên gây trễ file nhỏ Giải thuật khởi đầu chậm đảm bảo tốc độ truyền dẫn từ nguồn không vượt khả nút giao diện mạng Trễ vòng mạng thời gian cần thiết để gói truyền từ client đến server quay ngược lại Trễ ảnh hưởng trực tiếp lên hiệu liên quan đến TCP Vì mục tiêu thiết kế quan trọng HSPA LTE giảm trễ vòng mạng Một tiêu chuẩn khác liên quan đến chất lượng (xét từ góc độ người sử dụng) thiết lập để khởi đầu, chẳng hạn phiên trình duyệt web 1.3 Hiệu từ góc độ nhà khai thác: Tài nguyên vô tuyến phải chia sẻ nhiều người sử dụng mạng, tất số liệu phải xếp hàng trước truyền điều hạn chế tốc độ số liệu hiệu dụng người sử dụng Bằng lập biểu, nhà khai thác cải thiện thông lượng hệ thống hay tổng số bit/s phát giao diện vô tuyến Một số đo phổ biến hiệu hệ thống “hiệu suất phổ tần”, thông lượng hệ thống/ MHZ phổ đoạn ô hệ thống Cả HSPA LTE sử dụng phương pháp lập biểu thông minh để tối ưu hóa hiệu (từ quan điểm người sử dụng từ quan điểm khai thác mạng) Một tiêu chuẩn đánh giá quan trọng nhà khai thác số lượng người sử dụng tích cực kết hợp đồng thời Nếu tài nguyên hệ thống bị hạn 105 chế cần cân đối số lượng người sử dụng tích cực chất lượng dịch vụ cảm nhận (thông lượng người sử dụng) 1.4 Cấu hình tiêu chí thực mô để đánh giá Phần chủ yếu xét đánh giá yêu cầu hiệu suất sử dụng phổ tần thông lượng cho công nghệ đa truy nhập HSPA LTE Đánh giá thực cho chế độ hoạt động băng tần rộng đến 20 MHZ + Đánh giá thực mô hình tham chuẩn: Các đánh giá ban đầu thực mô hình tham chuẩn sau: WCDMA R6 Một anten phát NodeB Hai anten thu UE Máy thu RAKE Băng thông MHZ + Các kết đánh giá: Các kết chuẩn hóa theo bit/s/Hz Các đánh giá thực dựa mô cho trường hợp cho bảng với cột: CF (Carrier Frequency): Tần số sóng mang ISD (Inter-site Distance): Băng thông Ploss (Penetration loss): Suy hao thâm nhập Speed: Tốc độ Bảng 5: Tập trường hợp tối thiểu mô WCDMA/HSPA LTE Mô CF ISD BW Ploss Speed Trường hợp (GHz) (m) (MHz) (dB) (km/h) 2,0 500 10 20 2,0 500 10 10 30 2,0 1732 10 20 0,9 1000 1,25 10 + Các thông số tham khảo để mô hệ thống ô vĩ mô Các thông số tham khảo để mô hệ thống ô vĩ mô cho bảng 106 Bảng 6: Các thông số tham khảo để mô hệ thống ô vĩ mô Thông số Giả thiết Lục giác đều, 19 điểm đặt trạm, đoạn ô Mô hình tổ ong trạm Khoảng cách trạm Inter-site distance Tổn hao đường truyền phụ thuộc khoảng Xem bảng L=I+37,6 lg (R), R (km) I=128,1 – 2GHz, I = 120,9 – 900MHz 35,5 cho mô tĩnh Che tối chuẩn log Tương tự UMTS 30.03, B1.4.1.4 Dịch chuẩn che tối dB Khoảng cách tương quan che tối 50m (xem D.4 UMTS 30.03) Tương quang che tối Giữa ô 0,5 Giữa đoạn ô 1,0 Tổn hao thâm nhập Xem bảng Mẫu phát xạ anten (mặt nằm ngang) ⎡ ⎛ θ A(θ ) = − ⎢12⎜⎜ ⎢⎣ ⎝ θ 3dB (Đối với ô đoạn với mẫu anten cố định) ⎤ ⎞ ⎟⎟ , Am ⎥ ⎥⎦ ⎠ θ 3dB = 70 độ, Am = 20 dB Tần số sóng mang/ Băng thông Mô hình kênh Tốc độ UE cần xét Tổng công suất máy phát BS Loại công suất UE Xem bảng Đô thị điển hình (TU) mô hình kênh không gian (SCM) 3km/h, 30km/h, 120km/h, 350km/h, (0km/h cho mô tĩnh) 43dB (20W) – sóng mang 1,25; MHz, 46dBm – sóng mang 10MHz 21dBm (125mW), 24dBm (250mW) UL: Mô hình tường minh (tất ô Mô hình nhiễu ô bị chiếm UE) DL: Mô hình tường minh công suất ô = Ptotal Khoảng cách tối thiểu UE trạm gốc ≥ 35m 107 Đánh giá hiệu phát 2.1 Mở đầu: Triển 3G LTE mô hình tĩnh Rất khó đánh giá hệ thống hoạt động tốt so sánh Đánh giá cần bao gồm WCDMA/HSPA R6 dùng làm tham chuẩn để so sánh Ta trình bày đánh giá so sánh ba hệ thống nói Đánh giá xây dựng mô hình tĩnh (đầu cuối không di động) mô động (đầu cuối di động) Ta ý rằng, đánh giá dựa kết mô tĩnh giá trị hiệu cho hệ thống R6 tham chuẩn, hệ thống HSPA phát triển cho LTE Hệ thống HSPA phát triển có máy thu tiên tiến, DL với 2x2 MIMO UL với 16 QAM Các kết tổng hợp cho phép đánh giá tương đối độ lợi liên quan đến OFDM MIMO, tính khác hệ thống LTE dựa OFDM hệ thống HSPA tiên tiến giống 2.2 Các mô hình giả thiết Ở phần giới thiệu mô hình giả thiết sử dụng để đánh giá hiệu Các mô hình giả thiết phân nhóm theo lưu lượng, mạng vô tuyến mô hình hệ thống xét Ba hệ thống khác nghiên cứu gồm: + Hệ thống chuẩn WCDMA R6 mô tả 3GPP sử dụng truyền dẫn đơn nguồn máy thu dựa RAKE tham chuẩn + Hệ thống HSPA phát triển có máy thu tiên tiến hơn, 2x2 MIMO cho DL 16 QAM cho UL + Hệ thống LTE lập cấu hình theo yêu cầu 3GPP, 2x2 MIMO cho DL Các mô hình giả thiết cho bảng Bảng 7: Các mô hình giả thiết cho đánh giá Các mô hình lưu lượng Phân bố người sử dụng Đều, trung bình 10 người ô Tốc độ đầu cuối km 108 Tạo số liệu Tắt bật với thừa số tích cực 5%, 10%, 20%, 40%, 60%, 80%, 100% Các mô hình mạng vô tuyến Suy hao theo khoảng cách L= 35,5+37,6 x log(R), R đo m Phading che tối Chuẩn log, lệch chuẩn 8dB Phading đa đường 3GPP đô thị điển hình người A Sơ đồ Ô Bán kính ô Lưới lục giác đều, trạm đoạn ô, tổng 57 đoạn ô 167m, khoảng cách ô 500m Các mô hình hệ thống Ấn định phổ 5MHz cho DL, 5MHz cho UL (FDD) Công suất đầu trạm gốc UE 20W 125mW vào anten Độ lợi anten cực đại 15dBi Các sơ đồ điều chế mã hóa Lập biểu QPSK 16QAM, mã hóa turbo theo WCDMA R6 Chỉ sử dụng QPSK cho WCDMA đường lên Quay vòng theo thời gian Các đặc tính sở WCDMA Sơ đồ phát Một luồng DL UL Phân tập anten hai nhánh với máy thu RAKE, kết Máy thu hợp tỷ lệ cực đại tất nhánh kênh, hệ số tạp âm 9dB UE, 5dB NodeB Các đặc tính WCDMA tiên tiến Sơ đồ phát DL: luồng PARC UL: luồng DL: GRAKE với loại nhiễu Máy thu UL: GRAKE với phân tập thu hai nhánh, chuyển giao mềm với kết hợp lựa chọn trạm Các đặc tính LTE Sơ đồ truyền dẫn Máy thu DL: luồng PARC UL: luồng đơn DL: MMSE với loại nhiễu 109 UL: MMSE với phân tập thu hai nhánh, chuyển giao mềm với kết hợp chọn lọc ô Để đơn giản, nhiều khía cạnh giao thức phía lớp vật lý mặt phẳng điều khiển mặt phẳng người sử dụng không xét đến mô hình kết nhận khả quan, LTE, thích ứng miền tần số cải thiện lớp cao không xét Phương pháp mô “tĩnh” đầu cuối di động phân bố mềm mạng vô tuyến kênh vô tuyến cặp anten trạm gốc UE tính toán theo mô hình truyền sóng phading Các giá trị thống kê ghi lại sau đầu cuối di động phân bố ngẫu nhiên cho bước Các mức tải hệ thống khác mô cách thiết lập tích cực ngẫu nhiên cho trạm gốc từ 5% đến 100%, lập biểu miền thời gian không phụ thuộc kênh sử dụng, tương ứng với lập biểu quay vòng Các ý: + Tỷ số tín hiệu nhiều công tạp âm (SINR) tính toán cho anten thu UE (hay trạm gốc) dựa thực kênh (các mẫu kênh) nguồn nhiễu tích cực Sau giá trị SINR chuyển đổi thành tốc độ số liệu đường truyền vô tuyến tích cực Ru cho người sử dụng u người lập biểu trường hợp MIMO, Ru lập mô tổng tốc độ số liệu đạt luồng MIMO Tốc độ đạt phía lớp MAC (sau chia kênh với người sử dụng khác) biểu thị thông lượng Su tính toán dựa thừa số tích cực Các trạm gốc tích cực người sử dụng tích cực khác lần lặp giá trị thống kê thu thập số lượng lặp lớn + Lưu lượng phục vụ đoạn ô T tính toán tổng tốc độ số liệu đường truyền vô tuyến tích cực cho người sử dụng tích cực đoạn ô với giả thiết người sử dụng lập biểu với khoảng thời gian Các giá trị thống kê chất lượng người sử dụng lấy từ phân bố 110 thông lượng người sử dụng giá trị trung bình (chất lượng trung bình) 5% (chất lượng biên ô) Khi tăng thừa số tích cực lưu lượng phục vụ đoạn ô tăng, tốc độ số liệu cá nhân (chất lượng người sử dụng) giảm giảm SINR truy nhập thưa đến kênh chia sẻ cho người sử dụng Thông lượng người sử dụng biên ô (Mbps) Thông lượng trung bình người sử dụng (Mbps) 2.3 Các giá trị hiệu LTE sử dụng sóng mang MHZ FDD H.4.2 Thông lượng người sử dụng DL trung bình biên ô phụ thuộc vào lưu lượng phục vụ (truyền sóng thành phố điển hình) Hình H.2 cho thấy thông lượng người sử dụng DL trung bình 5% (biên ô), DL Su phụ thuộc thông lượng phục vụ (T) điều kiện truyền sóng thành phố Các kết mô so sánh với hệ thống WCDMA LTE nhận cải thiện thông lượng đáng kể cho người sử dụng trung bình biên ô Rõ ràng hệ thống HSPA phát triển cho hiệu gần giống hệ thống LTE Các cải thiện tương đối thông lượng trung bình thông lượng biên ô đánh giá cách so sánh thông lượng đạt hệ thống khác tải lưu lượng Độ lợi thông lượng trung bình vượt hệ số 3x đạt dải rộng tải Thí dụ, lưu lượng phục vụ Mbps đoạn ô WCDMA sở đạt thông lượng người sử dụng trung bình khoảng 2,5 Mbps 111 so với 18 Mbps LTE Lưu ý rằng, hệ thống HSPA phát triển đạt 15 Mbps tải Các đường truyền vô tuyến nhanh hệ thống LTE HSPA tiên tiến ảnh hưởng đến thông lượng theo hai cách: + Đối với SINR cho trước, cho phép đạt thông lượng cao + Đối với thông lượng phục vụ, cho phép giảm mức độ sử dụng đường truyền vô tuyến nhiễu giảm dần đến SINR cao Ngoài độ lợi thông lượng biên ô vượt hệ số 2x cho dải rộng H.2 Có thể đánh giá độ lợi phổ tần cách so sánh lưu lượng phục vụ yêu cầu cho trước thông lượng biên ô Chẳng hạn, yêu cầu thông lượng biên ô Mbps, WCDMA phục vụ 2,5 Mbps đoạn ô, LTE Mbps, nghĩa trường hợp dộ lợi lớn 3x Tuy nhiên yêu cầu thông lượng thấp hơn, yêu cầu GPP LTE không đáp ứng Trong mạng đầy tải, lưu lượng phục vụ vào khoảng đến Thông lượng người sử dụng biên ô (Mbps) Thông lượng trung bình người sử dụng (Mbps) Mbps WCDMA sở LTE, độ lợi đạt với hệ số 2,25x H.4.3 Thông lượng người sử dụng DL trung bình biên ô phụ thuộc lưu lượng phục vụ (truyền sóng người A) HÌnh H.3 cho thấy kết tương tự kênh người phân tán thời gian Trong kênh phân tán thời gian hơn, WCDMA hoạt động tốt hơn, 112 hệ thống WCDMA sở không sử dụng máy thu tiên tiến Các độ lợi hiệu cao LTE so với WCDMA đạt được, độ lợi thông lượng trung bình người sử dụng 3x, cho thông lượng người sử dụng biên ô 2x Các độ lợi hiệu suất phổ vượt qua 3x với yêu cầu thông lượng người sử dụng biên ô lớn Mbps H.4.4 Thông lượng người sử dụng UL trung bình biên ô phụ thuộc lưu lượng phục vụ (truyền sóng thành phố điển hình) H.4.5 Thông lượng người sử dụng UL trung bình biên ô phụ thuộc lưu lượng phục vụ (truyền sóng người A) 113 Các kết tương ứng cho truyền sóng thành phố điển hình thể hình H.4.4 cho truyền sóng người A H.4.5 Các kết cho thấy độ lợi lớn 2c cho yêu cầu thông lượng trung bình thông lượng biên ô người sử dụng so với chuẩn tham chiếu WCDMA Đối với thông lượng biên ô độ lợi nhỏ thông lượng trung bình Đánh giá LTE GPP dựa mô hình động Các đánh giá dựa mô hình tĩnh, phần xét mô hình động 3.1 Các yêu cầu hiệu LTE + Các tiêu chuẩn đánh giá hiệu hệ thống LTE Các mục tiêu hiệu hệ thống LTE đạt định nghĩa GPP từ đầu năm 2005 trình bày GPP TR 25.913 với mục tiêu liên quan đến khả năng, tính phức tạp cấu trúc Các tiêu chuẩn đánh giá hiệu hệ thống là: Thông lượng người sử dụng trung bình: Được đo giá trị trung bình tổng thông lượng tất người sử dụng MHZ Thông lượng người sử dụng biên ô: Được đo 5% phân bố người sử dụng MHZ (95% số người sử dụng có hiệu tốt hơn) Hiệu suất phổ tần: Thông lượng hệ thống đoạn ô đo bps/MHZ/một trạm) Vùng phủ : Hiệu ô lớn + Các cấu hình DL UL lựa chọn cho mục tiêu LTE Trong công nghệ chi tiết LTE sở cho yêu cầu hiệu năng, số lượng anten thu phát (Rx Tx) lập cấu hình cho trạm gốc (BS) người sử dụng (UE) phải chấp nhận điều kiện tiên cho mục tiêu hiệu Lý phải giới hạn mức độ tăng số lượng anten giải pháp lựa chọn tăng mức độ phức tạp Về mặt lý thuyết chấp nhận độ lợi lớn phi thực tế sử dụng số lượng anten phi thực tế Vì cấu hình DL UL chọn cho mục tiêu đánh giá hiệu LTE: 114 DL LTE có cực đại anten phát eNodeB anten thu Rx UL LTE có cực đại anten phát UE anten thu eNodeB + Hệ thống tham chuẩn: Hiệu đánh giá riêng rẽ cho UL DL mục tiêu thiết lập tương đối so với hiệu tham chuẩn hệ thống tham chuẩn R6, gồm: DL tham chuẩn R6 dựa HSPA với anten phát eNodeB với máy thu kiểu I có hiệu tăng cường (các yêu cầu dựa phân tập anten kép) UL tham chuẩn R6 dựa tăng cường (HSUPA) với anten phát UE anten thu eNodeB Các tiêu chí hiệu LTE chấp thuận bảng Vì kỳ vọng thông lượng trung bình người sử dụng lẫn hiệu suất phổ tần hưởng lợi từ việc tăng lên anten phát DL, nên tăng mục tiêu thông lượng người sử dụng biên ô tiêu DL Bảng 7: Mục tiêu hiệu LTE TR 25.913 Tiêu chuẩn đánh giá hiệu DL so với tiêu chuẩn R6 Đích UL so với tiêu chuẩn WCDMA R6 WCDMA (3 ~ 4) x (2~3) x (2~3) x (2~3) x (3 ~ 4) x (2~3) x Đáp ứng yêu cầu Đáp ứng yêu cầu cho vùng phủ lên đến 5km cho vùng phủ lên đến 5km Thông lượng người sử dụng trung bình (trên MHz) Thông lượng người sử dụng biên ô (trên 1MHz, 5%) Hiệu suất phổ tần (bps/Hz/trạm) Vùng phủ 3.2 Đánh giá hiệu LTE Khi nghiên cứu tính khả thi 3GPP cho LTE, số khái niệm kênh vật lý DL UL LTE nghiên cứu công bố TR25.814 Các khái niệm chọn đánh giá theo thông lượng người sử dụng, hiệu suất phổ tần, vùng phủ thông số khác 115 Các giả thiết công nghệ thiết lập cho đánh giá 3GPP công bố với tổng kết kết (xem phần dưới) Đánh giá LTE thực cho 3GPP dựa phân bố ngẫu nhiên người sử dụng mô hình mạng vô tuyến sau người sử dụng chuyển dịch theo mô hình di động Truyền sóng phading mô hình hóa giá trị thống kê thu thập cho bước mô TTI Tất số liệu nhận đánh giá 3GPP dựa LTE sử dụng sóng mang băng thông MHZ, giá trị đặt quan hệ với chuẩn tham khảo R6 Các kết đánh giá trình bày cho kích thước ô thay đổi, phương pháp lập biểu khác (quay vòng công tỷ lệ) Các mô hình đa kênh băng thông khác Tạo số liệu lưu lượng lập biểu sử dụng khác với phần mô tĩnh Ngoài có số khác biệt kích thước ô mô hình truyền sóng Cũng sử dụng cấu hình 2x2 để đánh giá LTE tạo búp luồng DL Kết cho thấy thông lượng trung bình người sử dụng tải lưu lượng cao thông lượng người sử dụng biên ô tất tải cải thiện so với kết 2x2 MIMO, tất mục tiêu đáp ứng sử dụng cấu hình anten bảng Các kết đánh giá cho thấy cấu hình tạo búp nhiều luồng 4x2 vượt trội 2x2 MIMO cấu hình tạo búp luồng tất tải Kết luận nghiên cứu khả thi, hiệu LTE thông báo so sánh với chuẩn tham khảo WCDMA TR25.912 thông báo khẳng định tiêu chí đáp ứng 3.3 Hiệu LTE với sóng mang FDD băng thông 20MHZ Phần trước đánh giá kết mô tĩnh đánh giá 3GPP dựa mô động dựa sóng mạng băng thông MHZ LTE hỗ trợ dải rộng băng thông sóng mang lên đến 20 MHZ Băng thông cao tốc độ số liệu đỉnh cao cho người sử dụng thông lượng trung bình người sử dụng cao Các kết nhận dựa mô động với giả thiết giống đánh giá 3GPP, ngoại trừ thông số bảng 116 Công suất trạm gốc 40W (20MHZ) 20W (5MHZ) Mô hình truyền sóng Vĩ mô ngoại ô (mô hình kênh không gian) Khoảng cách trạm 50m Lập biểu Công tỷ lệ miền thời gian tần số Bảng Các giả thiết cho kết H.6 140 LTE 2x2 (2 luồng) 5MHz LTE 4x4 (4 luồng) 20MHz LTE 2x2 (2 luồng) 5MHz LTE 4x4 (4 luồng) 20MHz Thông lượng trung bình người sử dụng (Mbps) 120 100 80 60 40 20 4x4 2x2 0,5 2,5 1,5 Hiệu suất phổ tần (Mbps/MHz) 3,5 H.4.6 Thông lượng trung bình người sử dụng phụ thuộc hiệu suất phổ tần sóng mang băng thông MHZ 20 MHZ Các giá trị hiệu H.6 cho thấy thông lượng trung bình người sử dụng sóng mang băng thông 20 MHZ vào khoảng lần lớn sóng mang băng thông MHZ lưu lượng cao thấp Mặc dù sóng mang băng thông 20MHZ tăng tốc số liệu lần, hiệu suất phổ tần (Mbps/MHZ) cực đại không đổi Các giá trị cho 4x4 MIMO cho phép tăng hiệu suất phổ tần hai lần so với 2x2 MIMO 117 KẾT LUẬN CHUNG Luận văn tập trung nghiên cứu nội dung như: - Tổng quan mục tiêu thiết kế hệ thống LTE - Tìm hiểu giao diện vô tuyến, kiến trúc truy nhập vô tuyến lớp vật lý hệ thống LTE - Các thủ tục truy nhập LTE; phát triển kiến trúc hệ thống SAE - Và cuối đánh giá hiệu quỹ đường truyền LTE Hướng phát triển; - Nghiên cứu phát triển giải pháp quản lý tài nguyên vô tuyến phân hoạch liệu cho mạng không dây sử dụng công nghệ OFDM LTE - Nghiên cứu việc phân phối kênh động theo thỏa thuận QoS LTE 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Sköld and Per Beming, “3G Evolution HSPA and LTE for Mobile Broadband”, Academic Press, 2007 [2] Rysavy Research, “EDGE, HSPA and LTE broadband innovation”, 3G Americas, 2008 [3] “The mobile broadband evolution: 3GPP Release and beyond HSPA+, SAE/LTE and LTE-advanced”, 3G Americas, 2009 [4] H Ekström, A Furuskär, J Karlsson, M Meyer, S Parkvall, J Torsner and M Wahlqvist, “Technical Solutions for the 3G Long-term Evolution”, IEEE Communications Magazine, March 2006 [5] “WiMax LTE: Chiến hay hòa?”, Tạp chí PCWorld Việt Nam, 2008 [6] www.tapchibcvt.gov.vn [7] www.thongtincongnghe.com [8] www.ieee.org [9] www.3gpp.org 119 ... đề tài tốt nghiệp là: Nghiên cứu công nghệ ứng dụng LTE Đề tài vào tìm hiểu tổng quan công nghệ LTE kỹ thuật thành phần sử dụng công nghệ qua nêu số cải tiến ứng dụng LTE so với hệ trước Đề... phép LTE sử dụng công nghệ then chốt khác Trong truyền dẫn LTE, thời điểm, lập biểu điều khiển việc người sử dụng ấn định tài nguyên chia sẻ Nó định tốc độ số liệu sử dụng cho liên kết thích ứng. .. cầu tương ứng đặt yêu cầu tính di động LTE GSM, LTE WCDMA/HSPA cho đầu cuối hỗ trợ công nghệ Bảng liệt kê yêu cầu gián đoạn cho phép Cực đại đường truyền vô tuyến chuyển sang hai công nghệ truy