hệ thống thông tin di động 4g lte

Các dịch vụ của điện thoại di động cho đến đầu những năm 1960 mới xuất hiện, các hệthống điện thoại di động đầu tiên này chưa tiện lợi và dung lượng rất thấp so vớicác hệ thống hiện nay.

Đề tài : 4G – LTE

Mã học phần: 280214101

Mục lục

I Giới thiệu về hệ thống thông tin di động 3

1 Các thế hệ mạng di động 3

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) 3

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 ( 2G và 2.5 G ) 4

1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 ( 3G và 3.5G ) 5

1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 ( 4G ) 6

2 Tổng quan về mạng 4G 7

II Công nghệ 4G – LTE 7

1 Công nghệ LTE 8

1.1 Giới thiệu 8

1.2 Các giai đoạn phát triển LTE 9

1.3 Tình hình triển khai LTE trên thế giới 10

2 So sánh dịch vụ 3G với 4G – LTE 10

3 Cấu trúc LTE và các vấn đề liên quan 14

3.1 Thông số yêu cầu LTE 14

3.2 Cấu trúc LTE 17

3.3 So sánh cấu trúc LTE với các mạng khác 20

3.4 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN 24

4 Yêu cầu kĩ thuật của LTE 26

I.Giới thiệu về hệ thống thông tin di động.

Thông tin di động là hệ thống thông tin liên lạc thông qua sóng điện Các dịch

vụ của điện thoại di động cho đến đầu những năm 1960 mới xuất hiện, các hệthống điện thoại di động đầu tiên này chưa tiện lợi và dung lượng rất thấp so vớicác hệ thống hiện nay

1 Các thế hệ mạng di động

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

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất 1G, sử dụng công nghệ analoggọi là đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) để truyền kênh thoại trên sóng vôtuyến đến thuê bao điện thoại di động Các hệ thống này phát triển ở cả Châu Âu,Bắc Mỹ và Nhật Bản

 Năm 1967, Nhật Bản đưa vào hệ thống di động tổ ong tương tự đầu tiêncủa hãng NTT

 Năm 1981, hệ thống điện thoại di động của Bắc Âu (NMT-NordicMobile Telephone) được đưa vào khai thác Hệ thống này hoạt động ở cảhai băng tần 450-900MHz

 Tiếp đó năm 1983, Mỹ cho ra đời hệ thống thông tin di động tiên tiến(AMPS-Advance Mobile Phone System)

 Năm 1985, hệ thống thông tin truy nhập toàn phần (TACS-Total AccessCommunication) được bắt đầu sử dụng ở nước Anh và sau đó là ở Đức.

 Năm 1991, Mỹ phát triển hệ thống AMPS thành hệ thống AMPS băng hẹpN-AMPS (Narrowband AMPS) Với một số thay đổi về băng tần, hệthống N-AMPS có thể phục vụ nhiều thuê bao hơn mà không cần thêmcác cell mới Vào thời điểm này ở Mỹ cũng đã đưa vào thử nghiệm hệthống số đầu tiên là IS-54 nhưng không thành công

Hầu hết các hệ thống này đều là hệ thống tương tự và dịch vụ truyền chủ yếu

là thoại Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba Nhượcđiểm chủ yếu của thế hệ 1G là dung lượng thấp, vùng phủ sóng hẹp, xác suất rớtcuộc 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 sửdụng

Vào cuối thập niên 1980, các hệ thống thế hệ thứ 2 (2G) sử dụng công nghệ

số đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) ra đời Các hệ thống này có ưuđiểm là sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát, đảm bảo chất lượng truyền dẫnyêu cầu, đảm bảo được an toàn thông tin, cho phép chuyển mạng quốc tế…Đếnđầu thập niên 1990, công nghệ TDMA được dùng cho hệ thống thông tin di độngtoàn cầu GSM ở Châu Âu Đến giữa thập kỷ 1990, đa truy cập phân chia theo mã

(CDMA) trở thành loại hệ thống 2G thứ 2 khi người Mỹ đưa ra tiêu chuẩn nội địaIS-95

Năm 1993 tại Nhật Bản, NTT đưa ra tiêu chuẩn di động số đầu tiên của nướcnày (JPD-Japanish Personal Digital Cellular System) và phát triển hệ thống thôngtin di động số cá nhân (PDC-Personal Digital Cellular) với băng tần hoạt động là900-1400MHz Ở Mỹ tiếp tục phát triển hệ thống số IS54 thành phiên bản mới làIS-136 hay còn gọi là AMPS số (D-AMPS ) và đã đạt được nhiều thành công.Năm 1985 công nghệ CDMA ra đời, đó là công nghệ đa thâm nhập theo mã sửdụng kỹ thuật trải phổ được nghiên cứu và triển khai bởi hãng QualcommCommunication Công nghệ này trước đó được sử dụng chủ yếu trong quân sự vàđến nay đã được sử dụng rộng rãi nhiều nơi trên thế giới

Như vậy có 4 chuẩn chính đối với hệ thống 2G bao gồm: Hệ Thống ThôngTin Di Động Toàn Cầu (GSM) và những dẫn xuất của nó; AMPS số (D-AMPS);

Đa Truy Cập Phân Chia Theo Mã IS-95; và Mạng Tế Bào Số Hóa Cá Nhân (PDC).GSM đạt được thành công nhất và được sử dụng rộng rãi trong hệ thống 2G

Tuy nhiên GSM mới chỉ cung cấp được các dịch vụ thoại và nhắn tin ngắn,trong khi nhu cầu truy nhập internet và các dịch vụ từ người sử dụng là rất lớn nênGSM phát triển lên 2.5G

Quá trình phát triển 2.5G : GSM  HSCSD ( High Speed Circuit SwitchedData)  GPRS (General Packet Radio Service)  EDGE ( Enchanced Data Ratesfor GSM Evolution) Hệ thống 2.5G cho tốc độ bit Data cao hơn 2G, hỗ trợ kết nối

Internet và sử dụng phương thức chuyển mạch gói Mặc dù tiến bộ đáng kể nhưng

2.5G vẫn gặp phải các hạn chế sau: tốc độ thấp và tài nguyên hạn hẹp, vì thế cầnthiết phải chuyển đổi lên mạng thông tin di động thế hệ tiếp theo

1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 ( 3G và 3.5G )

Vào năm 1992 , ITU công bố chuẩn IMT-2000 (International MobilTelecommunication-2000) cho hệ thống 3G với các ưu điểm chính được mong đợiđem 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 nhac, )

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

 Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương thích toàncầu giữa các hệ thống

Để thỏa mãn các dịch vụ đa phương tiện cũng như đảm bảo khả năng truynhập cập Internet băng thông rộng, IMT-2000 hứa hẹn cung cấp băng thông2Mbps, nhưng thực tế triển khai chỉ ra rằng với băng thông này việc chuyển giaorất khó, vì vậy chỉ khi làm việc tại một chỗ mới được đáp ứng băng thông kết nốinày, còn khi đi bộ băng thông sẽ là 384Kbps, khi di chuyển bằng ô tô sẽ là144Kbps Các hệ thống 3G điển hình là:

 UMTS (Universal Mobile Telephone System): dựa trên công nghệ CDMA, là giải pháp được ưa chuộng cho các nước đang triển khai các hệthống GSM muốn chuyển lên 3G

W- CDMA2000: Một chuẩn quan trọng khác của 3G, chuẩn này là sự tiếp nốiđối với các hệ thống đang sử dụng công nghệ CDMA trong thế hệ 2

 TD-SCDMA: được phát triển tại Trung Quốc bởi các công ty Datang vàSiemens

Hệ thống 3,5G là sự nâng cấp của 3G sử dụng các công nghệ như công nghệtruy cập gói dữ liệu tốc độ cao HSPDA (High Speed Downlink Packet Acces),song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplex) và các công nghệđặc quyền như Flash OFDM Tại Nhật Bản, NTT Docomo đã có kế hoạch khaitrương các dịch vụ HSDPA vào 2005.

Hiện thế giới đang tồn tại 2 chuẩn công nghệ lõi của mạng 4G là WiMax vàLong Term Evolution (LTE) WiMax là chuẩn kết nối không dây được phát triểnbởi IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) còn LTE là chuẩn do

3GPP, một bộ phận của liên minh các nhà mạng sử dụng công nghệ GSM CảWiMax và LTE đều sử dụng các công nghệ thu phát tiên tiến để nâng cao khả năngbắt sóng và hoạt động của thiết bị, mạng lưới Tuy nhiên, mỗi công nghệ đều sửdụng một dải băng tần khác nhau.

Công nghệ 4G hiện tại vẫn chưa đạt được tốc độ mà chuẩn 4G chính thức đề ra và sẽ còn phảimất nhiều năm nữa mới có thể đạt được mức đó

4G – LTE là một chuẩn cho truyền thông không dây tốc độ dữ liệu cao dànhcho điện thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ liệu Nó dựa trên các công nghệmạng GSM/EDGE và UMTS/HSPA, LTE nhờ sử dụng các kỹ thuật điều chế mới

và một loạt các giải pháp công nghệ khác như lập lịch phụ thuộc kênh và thíchnghi tốc độ dữ liệu, kỹ thuật đa anten để tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu

Kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu “tiến hoá” các công nghệ truycập vô tuyến đê đảm bảo tính cạnh tranh của 3GPP trong khoảng thời gian 10 năm.Các yêu cầu cho LTE đã được định nghĩa và hoàn tất vào tháng 6/2015

Các yêu cầu của LTE:

 Giảm trễ cả về thiết lập kết nối và độ trễ truyền dẫn

 Tăng tỷ lệ dữ liệu người dùng.

 Tăng tốc độ bit, thống nhất về cùng cấp dịch vụ

 Hỗ trợ lên đến 200 người dùng hoạt động trong một cell (5MHz)

 Hiệu suất cao trong khoảng 15 – 120km/h

 Giảm chi phí trên bit dữ liệu, nâng cao hiệu qur phổ truyền dẫn

 Tính linh hoạt hơn trong việc sử dụng phổ tần, trong cả băng mới và băng

đã tồn tại

 Đơn giản hoá cấu trúc mạng

 Di động đồng nhất, bao gồm giữa các côg nghệ truy cập vô tuyến khácnhau

 Hợp lý điện năng tiêu thụ cho các thiết bị đầu cuối di động

Hệ thống băng thông linh hoạt hơn nhờ vào mô hình đa truy cập OFDMA vàSC-FDMA Thêm vào đó, FDD và TDD, bán song công FDD cho phép các UE cógiá thành thấp Không giống như FDD, bán song công FDD không yêu cầu phát vàthu tại cùng thời điểm điều này làm giảm giá thành cho bộ song công trong UE.Truy cập tuyến lên dựa vào đa truy cập phân chia theo tần số sóng mang, cho phéptăng vùng phủ tuyến lên, làm tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình thấp sovới OFDMA

LTE sử dụng tần số một cách linh động, có thể hoạt động ở băng tần có độrộng từ 1,25MHz cho tới 20MHz Tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất (về lý thuyết)của LTE có thể đạt tới 25Mbps khi độ rộng băng thông là 20MHz

1.2 Các giai đoạn phát triển LTE

Bắt đầu năm 2004, dự án LTE tập trung vào phát triển thêm UTRAN và tối ưucấu trúc truy cập vô tuyến của 3GPP

Mục tiêu hướng đến là dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của mộtngười dùng trên 1MHz so với mạng HSDPA Rel.6

• Tải xuống gấp 3 đến 4 lần (100Mbps)

• Tải lên gấp 2 đến 3 lần (50Mbps)

Năm 2007, LTE của kí thuật truy cập vô tuyến thế hệ thứ 3 “EUTRA” pháttriển từ những bước khả thi để đưa ra các đặc tính kĩ thuật được chấp nhận Cuối

2003, các kĩ thuật này được sử dụng trong thương mại

Các kĩ thuật OFDMA được sử dụng cho đường xuống và SC-FDMA được sửdụng cho đường lên

1.3 Tình hình triển khai LTE trên thế giới

Theo thống kê và dự báo trên trang www.gsacom.com thì đến tháng 9/2012 trênthế giới

 Có 347 nhà cung cấp đang đầu tư phát triển LTE

 292 nhà mạng đang lên kế hoạch triển khai LTE ở 93 quốc gia

 55 nhà mạng trên 11 quốc gia khác cam kết và đang thử nghiệm côngnghệ LTE Trong đó có 3 nhà mạng của Việt Nam: VNPT, Viettel và FPT

Có 96 nhà mạng của 46 quốc gia đã tiền hành thương mại hoá dịch vụ trênnền LTE Đến tháng 6/2012 là khoảng 28 triệu thuê bao LTE Dự kiến hết năm

2012 sẽ có 152 nhà mạng cung cấp dịch vụ chính thức ở 65 quốc gia trên toàn thếgiới

Có 417 sản phẩm đầu cuối LTE được sản xuất bởi 67 nhà sản xuất

4G tốc độ tối đa có thể tải xuống là 100Mbps đối với người dùng di động và 1Gbpsđối với người dùng cố định.

3G sử dụng dải tần quy định cho UL là 1885 – 2025 MHz, DL là 2110 –

2200 MHz, với tốc độ từ 144kbps – 2Mbps, độ rộng BW là 5MHz 4G – LTE động

ở dải tần quy định cho UL là 50 Mbps và DL là 100 Mbps với tốc độ cao, độ trễ thấp, độ rộng BW là 20 MHz Đặc biệt, độ trễ nhỏ hơn 5ms và độ rộng linh hoạt của công nghệ LTE so với 3G

Dễ thấy, công nghệ 4G có tốc độ dữ liệu cao hơn rất hiều lần so với 3G Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trễ Cấu trúc mạng đơn giản hơn và hoàn toàn không có chuyển mạch kênh Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần

số người dùng/ cell so với WCDMA Ngoài ra, độ rộng băng tần linh hoạt cũng là

ưu điểm uan trọng của LTE đối với WCDMA

Với những ưu điểm trên, công nghệ 4G – LTE cung cấp nhiều dịch vụ đa dạng hơn Ứng dụng đa dạng về dòng dữ liệu lớn, tải về và chia sẻ video, nhạc và nội dung đa phương tiện Có thể so sánh dịch vụ như bảng dưới đây

3G 4G Thoại Âm thanh thời gian thực VoIP, video hội nghi chất

Duyệt siêu nhanh, tải các nội dung lên các mạng xã hội

Cước phí

Dựa trên tính cước chuẩn

Chính yếu là dựa trên thông tin văn bản

Tạp chí trực tuyến, dòng

âm thanh chất lượng cao

Game Tải về và chơi game trực

tuyến

Chơi trực tuyến trên cả mạng di động lẫn cố địnhNhạc Tải các track và các dịch

vụ âm thanh

Lưu trữ và tải nhạc chất lượng cao

Thương mại qua điện

vụ nhanh chóng

Mạng dữ liệu di động Truy cập đến các mạng

nội bộ và cơ sở dữ liệu

Chuyển đổi file P2P, các ứng dụng kinh doanh, chia sẻ, thông tin M2M,

di động intranet/ extranet

So sánh LTE, HSPA và WIMAX

LTE HSPA WiMAXPhiên bản 3GPP Rel.8 (3/2009) 3GPP Rel.6 802.16e (2005)

700MHz, 700MHz, 850MHz, 1.5GHz, 1.8GHz, 1.7/2.1GHz

2.5GHz, 2.6GHz, 3.5GHz, 3.65GHz, 5.8GHz

Các thông

số hướng

đến

Tốc độ dữ liệu lên 100Mbps/50Mbps đối cới kênh 100MHzvới 2x2 MIMO, bán kính cell lên đến 5km, lớn hơn 400 người dùng

Tốc độ dữ liệu lên 5.6Mbps đối với kênh 5MHz, bán kínhcell là 680m

Tốc độ dữ liệu lên 75Mbps/ 25Mbps đốivới kênh 10MHz với 2x2 MIMO, bán kínhcell lên đến 2-7km, 100-200 người dùng

Khả năng

tương thích

lùi

Kế thừa chuẩn 3GPP, nhưng khác kĩ thuật nên đòi hỏi thiết bị mới ở RAN nếu dãi tần khác nhau đc sử dụng

Tương thích với Rel.99

Không tương thích lùi với 3GPP hay 3GPP2

Về công nghệ LTE và WiMAX có nhiều điểm tương đồng

 Cả hai công nghẹ đều dựa trên nền tảng IP

 Đều dùng kĩ thuật MIMO để cải thiện chất lượng truyền /nhận tín hiệu, đường xuống từ trạm thu phát đến thiết bị đầu cuối đều đc tăng tốc độ bằng kĩ thuật OFDM hỗ trợ truyền tải dữ liệu đa phương tiện và video.

 Đường lên từ thiết bị đầu cuối đến trạm thu phát có sự khác nhau giữa 2 công nghệ

 WiMAX dùng OFDMA

 LTE dùng kĩ thuật SC-FDMA

Về lí thuyết SC-FDMA được thiết kế làm việc hiệu quả hơn và các thiết bị đầu cuối tiêu thụ năng lượng thấp hơn OFDMA

LTE còn có ưu thế hơn WiMAX

 LTE đc thiết kế tương thích với cả phương thức TDD và FDD

 WiMax hiện chỉ tương thích với TDDs

TDD truyền dữ liệu lên và xuống thông qua 1 kênh tần số (dùng phương thức phân chia thời gian)

FDD cho phép truyền dữ liệu lên và xuống thông qua 2 kênh tần số khác biệt

 Điều này có nghĩa LTE có nhiều phổ tần sử dụng hơn WiMax

So với WiMax, LTE có một lợi thế mạnh được cho là rất quan trọng

 LTE nếu đươc triển khia cho phép tận dụng hạ tang GSM có sẵn dù vẫn phải đầu tư thêm thiết bị

 WiMax nếu muốn triển khai thì phải xây dựng từ đầu một mạng mới

3 Cấu trúc LTE và các vấn đề liên quan

3.1 Thông số yêu cầu LTE

3.1.1 Thông số vật lí của LTE

Kỹ thuật truy cập UL DTFS-OFDM (SC-FDMA)

DL OFDMABăng thông 1.4MHz, 3 MHz , 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 MHz

Khoảng cách sóng mang con 15KHz

Chiều dài CP Ngắn 4.7µs

Dài 16.7 µs

Ghép kênh không gian

1 lớp cho UL/UELên đến 4 lớp cho DL/UE

 Dung lượng 200 user/cell ở băng tần 5Mhz.

- Chất lượng dịch vụ:

 Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS

 VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng UMTS

- Liên kết mạng

 Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các hệ thống không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo

 Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và

UTRAN/GERAN sẽ nhỏ hơn 300ms cho các dịch vụ thời gian thực và 500ms cho các dịch vụ còn lại

- Chi phí: chi phí triển khai và vận hành giảm

Băng thông linh hoạt trong vùng từ 1.4 MHz đến 20 MHz, điều này có nghĩa

là nó có thể hoạt động trong các dải băng tần của 3GPP Trong thực tế, hiệu suất thực sự của LTE tùy thuộc vào băng thông chỉ định cho các dịch vụ và không có

sự lựa chọn cho phổ tần của chính nó Điều này giúp đáng kể cho các nhà khai thác trong chiến lược về kinh tế và kỹ thuật Triển khai tại các tần số cao, LTE

là chiến lược hấp dẫn tập trung vào dung lượng mạng, trong khi tại các tần số thấp

nó có thể cung cấp vùng bao phủ khắp nơi Mạng LTE có thể hoạt động trong bất

cứ dải tần được sử dụng nào của 3GPP Nó bao gồm băng tần lõi của IMT-2000 (1.9-2 GHz) và dải m ở rộng (2.5 GHz), cũng như tại 850 -900 MHz, 1800 MHz, phổ AWS (1.7-2.1 GHz)…Băng tần chỉ định dưới 5MHz được định nghĩa bởi IUT thì phù hợp với dịch vụ IMT trong khi các băng tần lớn hơn 5MHz thì sử dụng cho các dịch vụ có tốc độ cực cao Tính linh hoạt về băng tần của LTE có thể cho phép các nhà sản xuất phát triển LTE trong những băng tần đã tồn tại của họ