PHÁT TRIỂN MẠNG 4G (LTE) MỚI

lộ trình phát triển lên cong nghe 4g ltelộ trình phát triển lên cong nghe 4g ltelộ trình phát triển lên cong nghe 4g ltelộ trình phát triển lên cong nghe 4g ltelộ trình phát triển lên cong nghe 4g lte

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG THƯƠNG.TPHCM

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

MÔN: MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Đề Tài: LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN LÊN 4G

Giảng Viên : Phạm Minh Hoàng QuySVTH: Nhóm 18

1. Huỳnh Tấn Tài

MSSV: 2114230048

2. Nguyễn Tấn Bình

MSSV: 2114230003

NỘI DUNG:

PHẦN I QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG PHẦN 2 CÔNG NGHỆ 4G LTE

PHẦN 1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội Xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con

người càng tăng lên và thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của nó Cho đến nay, hệ thống thông tin

di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ thế hệ di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triển trên thế giới là thế hệ 4

Hình Sơ đồ tóm lược quá trình phát triển của mạng thông tin di động tế bào

1 Lịch sử phát triển

I THẾ HỆ 1G ( HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ )

Những hệ thống thông tin di động đầu tiên, nay được gọi là thế hệ thứ nhất (1G), sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập

phân chia theo tần số (FDMA) để truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di động Với FDMA, người dùng

được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số Trong trường hợp nếu số thuê bao nhiều vượt trội

so với các kênh tần số có thể, thì một số người bị chặn lại không được truy cập

 Hầu hết các hệ thống đều là hệ thống analog và yêu cầu chuyển dữ liệu chủ yếu là âm thanh Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba Một số chuẩn trong hệ thống này là: NTM, AMPS, Hicap, CDPD, Mobitex, DataTac

 Những điểm yếu của thế hệ 1G là dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọi không tin cậy, chất lượng âm thanh kém, không có chế độ bảo mật…do vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng

 Một số hệ thống điển hình:

o NMT: (Nordic Mobile Telephone) được sử dụng ở các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga Sử dụng bang tần 450 MHz

o AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem – hệ thống điện thoại di động tiên tiến) được sử dụng ở Bắc Mỹ và Úc sử dụng băng tần 800 MHz

o TACS (Total Access Communication Sytem – hệ thống giao tiếp truy cập tổng hợp) được sử dụng ở Anh vào năm 1985

2 Đặc điểm của hệ thống

Băng tần gồm 124 sóng mang được chia làm 2 băng, mỗi băng rộng 25MHz, khoảng cách giữa 2 sóng mang kề nhau là 200KHz Mỗi kênh sử dụng 2

tần số riêng biệt cho 2 đường lên và xuống gọi là kênh song công Khoảng cách giữa 2 tần số là không đổi bằng 45MHz Mỗi kênh vô tuyến mang 8 khe

thời gian TDMA và mỗi khe thời gian là một kênh vật lý trao đổi thông tin giữa MS và mạng GSM Tốc độ mã từ (6.5- 13)Kbps 125 kênh tần số được

đánh số từ 0 đến 124 được gọi là kênh tần số tuyệt đối

ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number).

Ful(n) = 890 MHz + (0,2MHz) * n

Fdl(n) = Ful(n) + 45MHz

Với 1 <= n <= 124

Sử dụng các phương pháp đa truy nhập chính là :

+ Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA - Frequency Division Multiple Access ) + Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA – Time Division Multiple Access) + Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA – Code Division Multiple Access).

2 Các hệ thống điển hình

Thế hệ thứ hai (2G) xuất hiện vào những năm 90 với mạng di động đầu tiên, sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Trong thời

kỳ của thế hệ thứ hai, nền công nghệ thông tin di động đã tăng trưởng vượt trội cả về số lượng thuê bao và các dịch vụ giá trị gia tăng Các mạng thế thứ hai cho phép truyền dữ liệu hạn chế trong khoảng từ 9.6 kbps đến 19.2 kbps

Các hệ thống:

 GSM: (Global System for Mobile Phone): Các hệ thống triển khai GSM được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới (ngoại trừ Bắc Mỹ, Nhật)

 D- AMPS (Digital AMPS): Được sử dụng tại Bắc Mỹ D-AMPS đang dần được thay thế bởi GSM/GPRS và CDMA2000.

 CDMA (code Division Multiple Access): CDMA sử dụng công nghệ đa truy cập thông qua mã Nhờ công nghệ này mà CDMA có thể nâng

cao dung lượng cung cấp đồng thời các cuộc gọi trong một cell cao hơn hẳn so với hai công nghệ trên

 PDC (Personal Digital Cellular): Là chuẩn được phát triển và sử dụng duy nhất tại Nhật Bản Giống như D-AMPS và GSM, PDC sử dụng

TDMA

III THẾ HỆ 2.5 G

Các dịch vụ số liệu cải tiến:

 Tốc độ bit data cao hơn

 Hỗ trợ kết nối Internet

Phương thức chuyển mạch:

 Chuyển mạch gói -Packet Switching

2,5G cung cấp một số lợi ích của mạng 3G (ví dụ chuyển mạch gói), và có thể dùng cơ sở hạ tầng đang tồn tại của 2G trong các mạng GSM và CDMA

GPAS là công nghệ được các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông GSM sử dụng Và giao thức, như EDGE cho GSM, và CDMA 2000 1x-RTT cho CDMA,

có thể đạt chất lượng như các dịch vụ 3G (vì dùng tốc độ truyền dữ liệu 144Kb/s), nhưng vẫn được xem như dịch vụ 2,5G bởi vẫn chậm hơn vài lần so

với dịch vụ 3G thật sự

IV THẾ HỆ 2.75G

GSM phát triển lên 2.75G

Trong đó :

-HSCSD = High Speed Circuit Switched Data: số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao:

-GPRS = General Packet Radio Service: dịch vụ vô tuyến gói chung:

Hệ thống GPRS - bước đầu tiên hướng tới 3G Mở rộng kiến trúc mạng GSM Truy cập tốc độ cao và hiệu quả tới những mạng chuyển mạch gói khác (tăng tới 115kbps)

-EDGE = Enhanced Data Rates for GSM Evolution: tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM:

EDGE có thể phát nhiều bit gấp 3 lần GPRS trong một chu kỳ Đây là lý do chính cho tốc độ bit EDGE cao hơn ITU đã định nghĩa 384kbps là giới hạn tốc độ dữ liệu cho dịch vụ để thực hiện chuẩn IMT-2000 trong môi trường không lý tưởng 384kbps tương ứng với 48kbps trên mỗi khe thời gian, giả sử một đầu cuối có 8 khe thời gian

V THẾ HỆ 3G

 Các mạng 3G đã được đề xuất để khắc phục những nhược điểm của các mạng 2G và 2.5G đặc biệt ở tốc độ thấp và không tương thích giữa các công nghệ như TDMA và CDMA giữa các nước Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-2000 (International Mobile 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 giữa các hệ thống

 IMT-2000 hứa hẹn cung cấp băng thông 2Mbps, thực tế khi triển khai chỉ ra rằng với băng thông này việc chuyển giao rất khó, vì vậy chỉ có những người sử dụng không di động mới được đáp ứng băng thông kết nối này, còn khi đi bộ băng thông sẽ là 384 Kbps, khi di chuyển bằng

ô tô sẽ là 144Kbps

Hai hướng tiêu chuẩn cho mạng 3G:

 W-CDMA (UTMS): Phát triển từ hệ thống GSM, GPRS, hoạt động ở băng thông 5MHz Tần số: hiện tại có 6 băng sử dụng cho

UMTS/WCDMA, tập trung vào UMTS tần số cấp phát trong 2 băng Uplink (1885 – 2025)MHz và Downlink (2110 – 2200)MHz

 CDMA 2000: Phát triển từ hệ thống CDMA IS-95

 3,5G là những ứng dụng được nâng cấp dựa trên công nghệ hiện có của 3G Công nghệ của 3,5G chính là HSDPA (High Speed Downlink Package Access) Đây là giải pháp mang tính đột phá về mặt công nghệ, được phát triển trên cơ sở của hệ thống 3G W-CDMA.

 HSDPA cho phép download dữ liệu về máy điện thoại có tốc độ tương đương tốc độ đường truyền ADSL, vượt qua những cản trở cố hữu về tốc độ kết nối của một điện thoại thông thường HSDPA là một bước tiến nhằm nâng cao tốc độ và khả năng của mạng di động tế bào thế hệ thứ 3 UMTS

HSDPA được thiết kế cho những ứng dụng dịch vụ dữ liệu như: dịch vụ cơ bản (tải file, phân phối email), dịch vụ tương tác (duyệt web, truy cập

server, tìm và phục hồi cơ sở dữ liệu), và dịch vụ Streaming

VI THẾ HỆ 3.5G

• 4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMT Advanced) được định nghĩa bởi ITU-R Tốc độ dữ liệu đề ra là 100Mbps cho thuê bao di chuyển cao và 1Mbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linh động lên đến 40MHz Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch

vụ như điện thoại IP, truy cập internet băng rộng, các dịch vụ game và dòng HDTV đa phương tiện

• Và sẽ hơn nữa nếu MIMO, các anten mảng được sử dụng LTE được phát triển đầu tiên ở hai thủ đô Stockholm và Olso vào ngày 14/12/2009 Giao diện vô tuyến vật lý đầu tiên được đặt tên là HSOPA (High Speed OFDM Packet Access), bây giờ có tên là E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial

Radio Access)

• Hiện thế giới đang tồn tại 2 chuẩn công nghệ lõi của mạng 4G là WiMax và Long Term Evolution (LTE):

o 3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên của LTE chưa đủ các tính năng theo yêu cầu của IMT Advanced LTE có tốc độ lý thuyết lên đến 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên đối với băng thông 20MHz

o Di động WiMAX (IEEE 802 16e-2005) là chuẩn truy cập di động không dây băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ bít đỉnh đường xuống là 128 Mbps và 56 Mbps cho đường xuống với độ rộng băng thông hơn 20 MHz

• Băng thông linh hoạt giữa 5 MHz đến 20 MHz, có thể lên đến 40 MHz.

• Tốc độ được quy định bởi ITU là 100 Mbps khi di chuyển tốc độ cao và 1 Gbps đối với thuê bao đứng yên so với trạm

• Tốc độ dữ liệu ít nhất là 100 Mbps giữa bất kỳ hai điểm nào trên thế giới

• Hiệu suất phổ đường truyền là 15bit/s/Hz ở đường xuống và 6.75 bit/s/Hz ở đường lên (có nghĩa là 1000 Mbps ở đường xuống và có thể nhỏ hơn băng thông 67 MHz)

• Kết nối liền và chuyển giao toàn cầu qua đa mạng

• Chất lượng cao cho các dịch vụ đa phương tiện như âm thanh thời gian thực, tốc độ dữ liệu cao, video HDTV, TV di động…

• Tương thích với các chuẩn không dây đang tồn tại

• Tất cả là IP, mạng chuyển mạch gói không còn chuyển mạch kênh nữa

2.Đặc điểm

3.Các kỹ thuật được sử dụng

• Kỹ thuật sử dụng lớp vật lý

 Không sử dụng CDMA - MIMO : để đạt được hiệu suất phổ tần cao bằng cách sử dụng phân tập theo không gian, đa anten đa người dùng

 Sử dụng lượng tử hóa trong miền tần số

 Ghép kênh trong miền tần số chẳng hạn như OFDMA hoặc SC-FDMA ở đường xuống : tốc độ bit thay đổi bằng việc gán cho người dùng các kênh con khác nhau dựa trên điều kiện kênh

 Mã hóa sửa lỗi Turbo : để tối thiểu yêu cầu về tỷ số SNR ở bên thu

• Lập biểu kênh độc lập : để sử dụng các kênh thay đổi theo thời gian

• Thích nghi đường truyền : điều chế thích nghi và các mã sửa lỗi

PHẦN 2 CÔNG NGHỆ 4G LTE

 LTE (Long Term Evolution: phát triển dài hạn) là tên dành cho tiêu chuẩn mới do 3GPP phát trển để đáp ứng các yêu cầu không ngừng tăng về tốc độ số liệu để đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện IP LTE là bước phát triển tiếp sau của các hệ thống 2G và 3G để tiến đến cung cấp mức độ

chất lượng tương tự như các mạng hữa tuyển hiện nay

 Các giao thức trên giao diện vô tuyến, cấu trúc tài nguyên truyền dẫn, hay kỹ thuật đa anten gúp chúng ta hiểu được nguyên lý cơ bản trong LTE, với công nghệ có tốc độ đường truyền lớn

1 Mô hình mạng thông tin di động 4G/LTE

Mô hình cấu trúc mạng 4G/LTE

 Nút duy nhất trong E-UTRAN là eNodeB (evolved Node B: Nút B phát triển) eNodeB là trạm gốc vô tuyến chịu trách nhiệm điều khiển tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến trong phần cố định của hệ thống eNodeB thông thường được phân bố trên các vùng phủ sóng của

mạng, eNodeB được đặt gần các anten vô tuyến thực tế

 Về mặt chức năng eNodeB hoạt động như một cầu nối lớp 2 giữa UE và EPC và là điểm kết cuối của tất cả các giao thức vô tuyến hướng đến

UE và chuyển tiếp số liệu giữa kết nối vô tuyến và kết nối dựa trên IP tương ứng đến EPC Trong vai trò này, eNodeB thực hiện mật mã

hóa/giải mật mã hóa số liệu và đồng thời nén/giải nén tiêu đề IP eNodeB cũng chịu trách nhiệm cho nhiều chức năng của mặt phẳng điều

khiển

2 Các giao thức trên giao diện vô tuyến LTE

 Giao diện vô tuyến được ký hiệu là LTE Uu 4G LTE không sử dụng RNC Các chức năng trước đây của RNC được đặt ngay trong eNodeB để có thể

xử lý nhanh hơn các thay đổi trên đường truyền vô tuyến nhanh hơn Ngoài ra mạng lõi là mạng lõi gói phát triển được xây dựng trên nền IP Giao diện

vô tuyến giữa UE và eNodeB được ký hiệu là LTE Uu

3 Quản lý di động trong 4G LTE

 Vị trí của được MME nhận biết với độ chính xác đến vùng theo bám (TA: Tracking Area) Khi UE ở trạng thái rỗi, mỗi lần chuyển dịch từ một TA này sang một TA khác nó phải thực hiện thủ tục TA để thông báo cho MME về TA mới Kích thước TA phải được chọn hợp lý để không bị lớn quá (dể giảm

tải báo hiệu tìm gọi) và không bị nhỏ quá (đến tránh thường xuyên báo hiệu cập nhật vị trí

4 Cấu trúc tài nguyên truyền dẫn trong LTE

Các tài nguyên trong LTE có các kích thước thời gian, tần số và không gian Kích thước không gian được đo bằng ‘lớp’ và đựơc truy nhập bởi nhiều anten

phát và nhiều anten thu

Các thông số của khối tài nguyên RB số các sóng mang trong một khối tài nguyên NRC là 12 hoặc 24 đối với các trường hợp băng thông sóng mang con bằng

15 kHz và 7,5KHz Băng thông sóng mang con 7,5kHz chỉ được sử dụng cho truyền dẫn MBSFN (MB Single Frequency Network) Mỗi khe bao gồm 7 ký

hiệu OFDM trong trường hợp độ dài CP bình thường hoặc 6 ký hiệu OFDM trong trường hợp độ dài CP mở rộng và được lập cấu hình theo đặc điểm của ô

Theo quy định số RB tối thiểu trong miền tần số là 6 và số RB cực đại trong trong miền tần số

5 Tần số trong LTE

6 Các nút chuyển tiếp

Hình Nút chuyển tiếp

 Các nút chuyển tiếp (RN: Relay Node) rất hấp dẫn vì chúng cho phép lắp đặt đơn giản và là giải pháp kinh tế cho các triển khai mật độ ô cao vì

không cần đường trục hữu tuyến Có thể đạt đựơc thông lượng cao trên các đường truy nhập vô tuyến nhờ RN ở gần và vùng phủ sóng nhỏ hơn

của nó Đường trục từ RN đến eNodeB cũng hưởng lợi từ vị trí RN tốt hơn so với UE được phục vụ và vì thế cho phép eNodeB thông qua RN

cung cấp vùng phủ tốt hơn với hiệu suất phổ tần cao hơn

 Về căn bản, xét từ góc độ đầu cuối, RN lớp 2 sẽ hoạt động giống như một eNodeB bình thường bao gồm cả lập biểu và quản lý tài nguyên, nhưng

đường trục được thực hiện bởi một đường truyền LTE đến eNodeB bằng cách sử dụng một băng tần bổ sung (ngoài băng) hay cùng băng (trong

băng) cho đường truy nhập này

 LTE sử dụng đa anten với các công nghệ MIMO khác nhau bao gồm SUMIMO (Single-User MIMO: MIMO đơn người sử dụng), MU-MIMO (MultiUser MIMO: MIMO đa người sử dụng, tiền mã hóa vòng kín Các sơ đồ SU-MIMO được đặc tả cho cấu hình hai hay bốn anten phát trên đường

xuống để hỗ trợ truyền dẫn nhiều lớp không gian (lên đến bốn lớp) cho một UE

 Công nghệ SU-MIMO hiện có được mở rộng để hỗ trợ cấu hình với tám anten phát trên đường xuống và bốn anten phát trên đường lên

 LTE hỗ trợ di động trên toàn mạng và được tối ưu hóa cho tốc độ di động thấp từ 0 đến 15km/giờ Tốc độ di động cao hơn từ 15 đến 120 km/giờ cũng đựơc hỗ trợ với hiệu năng cao Ngoài ra LTE cũng có thể hỗ trợ tốc độ từ 120 đến 350km/giờ (thậm chí lên đến 500 km/giờ)

7 Kỹ thuật đa anten trong LTE

7.1 SU-MIMO đường xuống trong LTE

Sơ đồ SU-MIMO được áp dụng cho PDSCH (kênh vật lý chia sẻ đường xuống) Bằng ghép kênh không gian của SU-MIMO, hệ thống LTE cung

cấp tốc độ đường xuống 150Mbps với hai anten phát và 300Mbps với bốn anten phát Tồn tại hai chế độ khai thác trong ghép kênh không gian

SU-MIMO: chế độ ghép kênh không gian vòng kín và ghép kênh không gian vòng hở