Đồ án tốt nghiệp Kỹ Thuật LTE Và Các Ứng Dụng

Đồ án tốt nghiệp Kỹ Thuật LTE Và Các Ứng Dụng Trong hơn một thập kỷ qua, thế giới đã chứng kiến sự thành công to lớn của mạng thông tin di động thế hệ thứ hai 2G. Mạng 2G có thể phân ra 2 loại: GSM và CDMA. Sự thành công của mạng 2G là do dịch vụ và tiện ích mà nó mạng lại cho người dùng, tiêu biểu là chất lượng thoại và khả năng di động. Tiếp nối thế hệ thứ 2, mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G đã và đang được triển khai nhiều nơi trên thế giới. Cải tiến nổi bật nhất của mạng 3G so với mạng 2G là khả năng cung ứng truyền thông gói tốc độ cao nhằm triển khai các dịch vụ truyền thông đa phương tiện. Mạng 3G bao gồm mạng UMTS sử dụng kỹ thuật WCDMA, mạng CDMA2000 sử dụng kỹ thuật CDMA và mạng TD-SCDMA được phát triển bởi Trung Quốc. Tuy nhiên, câu chuyện thành công của mạng 2G rất khó lặp lại với mạng 3G. Một trong những lý do chính là dịch vụ mà 3G mang lại không có một bước nhảy rõ rệt so với mạng 2G. Mãi gần đây người ta mới quan tâm tới việc tích hợp MBMS (Multimedia broadcast and multicast service) và IMS (IP multimedia subsystem) để cung ứng các dịch vụ đa phương tiện.

Kỹ Thuật LTE Và Các Ứng Dụng GVHD. ThS Nguyễn Thái Hùng 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ CÔNG NGHỆ 4G Giới thiệu Trong hơn một thập kỷ qua, thế giới đã chứng kiến sự thành công to lớn của mạng thông tin di động thế hệ thứ hai 2G. Mạng 2G có thể phân ra 2 loại: GSM và CDMA. Sự thành công của mạng 2G là do dịch vụ và tiện ích mà nó mạng lại cho người dùng, tiêu biểu là chất lượng thoại và khả năng di động. Tiếp nối thế hệ thứ 2, mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G đã và đang được triển khai nhiều nơi trên thế giới. Cải tiến nổi bật nhất của mạng 3G so với mạng 2G là khả năng cung ứng truyền thông gói tốc độ cao nhằm triển khai các dịch vụ truyền thông đa phương tiện. Mạng 3G bao gồm mạng UMTS sử dụng kỹ thuật WCDMA, mạng CDMA2000 sử dụng kỹ thuật CDMA và mạng TD-SCDMA được phát triển bởi Trung Quốc. Tuy nhiên, câu chuyện thành công của mạng 2G rất khó lặp lại với mạng 3G. Một trong những lý do chính là dịch vụ mà 3G mang lại không có một bước nhảy rõ rệt so với mạng 2G. Mãi gần đây người ta mới quan tâm tới việc tích hợp MBMS (Multimedia broadcast and multicast service) và IMS (IP multimedia subsystem) để cung ứng các dịch vụ đa phương tiện. 4G là một giải pháp để vượt lên những giới hạn và những điểm yếu của mạng 3G. Thực tế, vào giữa năm 2002, 4G là một khung nhận thức để thảo luận những yêu cầu của một mạng băng rộng tốc độ siêu cao trong tương lai mà cho phép hội tụ với mạng hữu tuyến cố định. Tốc độ dữ liệu cao hơn của những mạng di động trong tương lai sẽ đạt được bằng cách cải thiện hiệu quả phổ. 4G sử dụng kỹ thuật OFDMA cho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên ,các kỹ thuật này có đặc Kỹ Thuật LTE Và Các Ứng Dụng GVHD. ThS Nguyễn Thái Hùng 2 điểm nổi trội như sử dụng phổ tần hiệu quả, khả năng chống lại nhiễu ISI và multipath , truyền tốc độ cao sẽ là 1 giải pháp cho việc cải thiện những vấn đề này trong thông tin di động. 1.1. TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI: 1.1.1. Lịch sử phát triển của các hệ thống thông tin di động: 1.1.1.1. Thế hệ 1G (First Generation) Đây là hệ thống thông tin di động tương tự sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA và điều chế tần số FM với các đặc điểm:  Phương thức truy nhập: FDMA.  Dịch vụ đơn thuần là thoại.  Chất lượng thấp.  Bảo mật kém. Một số hệ thống điển hình:  NMT (Nordic Mobile Telephone): sử dụng băng tần 450Mhz triển khai tại các nước Bắc Âu vào năm 1981.  TACS (Total Access Communication System): triển khai ở Anh vào năm 1985.  AMPS (Advance Mobile Phone System): triển khai tại Bắc Mỹ vào năm 1978 tại băng tần 800Mhz. 1.1.1.2. Thế hệ 2G (Second Generation) Hệ thống mạng 2G được đặc trưng bởi công nghệ chuyển mạch kỹ thuật số (digital circuit-switched). Kỹ thuật này chiếm ưu thế hơn 1G với các đặc điểm sau:  Dung lượng tăng.  Chất lượng thoại tốt hơn  Hỗ trợ các dịch vụ số liệu  Phương thức truy nhập : TDMA, CDMA băng hẹp. Một số hệ thống điển hình: Kỹ Thuật LTE Và Các Ứng Dụng GVHD. ThS Nguyễn Thái Hùng 3  GSM (Global System for Mobile Phone) sử dụng phương thức truy cập TDMA được triển khai tại châu Âu.  D-AMPS (IS-136-Digital Advance Mobile Phone System) sử dụng phương thức truy cập TDMA được triển khai tại Mỹ.  IS-95 (CDMA One) sử dụng phương thức truy cập CDMA được triển khai tại Mỹ và Hàn Quốc.  PDC (Personal Digital Cellular) sử dụng phương thức truy cập TDMA được triển khai tại Nhật Bản. 1.1.1.3. Thế hệ 3G (Third Generation) Đây là thế hệ thứ ba của chuẩn công nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh…). 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh. Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio hoàn toàn khác so với hệ thống 2G hiện nay. Điểm mạnh của công nghệ này so với 2G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao đang di chuyển ở các tốc độ khác nhau. Mạng 3G đặc trưng bởi tốc độ dữ liệu cao, capacity của hệ thống lớn, tăng hiệu quả sử dụng phổ tần và nhiều cải tiến khác. Có một loạt các chuẩn công nghệ di động 3G, tất cả đều dựa trên CDMA, bao gồm: UMTS (dùng cả FDD lẫn TDD), CDMA2000 và TD-SCDMA: UMTS (đôi khi còn được gọi là 3GSM) sử dụng kỹ thuật đa truy cậpWCDMA. UMTS được chuẩn hoá bởi 3GPP. UMTS là công nghệ 3G được lựa chọn bởi hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ GSM/GPRS để đi lên 3G. Tốc độ dữ liệu tối đa là 1920Kbps (gần 2Mbps). Nhưng trong thực tế tốc độ này chỉ tầm 384Kbps. Để cải tiến tốc độ dữ liệu của 3G, hai kỹ thuật HSDPA và HSUPA đã được đề nghị. Khi cả 2 kỹ thuật này được triển khai, người ta gọi chung là HSPA. HSPA thường được biết đến như là công nghệ 3,5G. HSDPA: Tăng tốc độ downlink (đường xuống, từ NodeB về người dùng di động). Tốc độ tối đa lý thuyết là 14,4Mbps, nhưng trong thực tế nó chỉ đạt tầm Kỹ Thuật LTE Và Các Ứng Dụng GVHD. ThS Nguyễn Thái Hùng 4 1,8Mbps (hoặc tốt lắm là 3,6Mbps). Theo một báo cáo của GSA tháng 7 năm 2008, 207 mạng HSDPA đã và đang bắt đầu triển khai, trong đó đã thương mại hoá ở 89 nước trên thế giới. HSUPA: tăng tốc độ uplink (đường lên) và cải tiến QoS. Kỹ thuật này cho phép người dùng upload thông tin với tốc độ lên đến 5,8Mbps (lý thuyết). Cũng trong cùng báo cáo trên của GSA, 51 nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động đã triển khai mạng HSUPA ở 35 nước và 17 nhà cung cấp mạng lên kế hoạch triển khai mạng HSUPA. CDMA2000: bao gồm CDMA2000 1xRTT (Radio Transmission Technology), CDMA2000 (Evolution -Data Optimized) và CDMA2000 EV- DV(Evolution -Data and Voice). CDMA2000 được chuẩn hoá bởi 3GPP2. CDMA2000 là công nghệ 3G được lựa chọn bởi các nhà cung cấp mạng CdmaOne. CDMA2000 1xRTT: chính thức được công nhận như là một công nghệ 3G, tuy nhiên nhiều người xem nó như là một công nghệ 2,75G đúng hơn là 3G. Tốc độ của 1xRTT có thể đạt đến 307Kbps, song hầu hết các mạng đã triển khai chỉ giới hạn tốc độ peak ở 144Kbps. CDMA2000 EV-DO: sử dụng một kênh dữ liệu 1,25MHz chuyên biệt và có thể cho tốc độ dữ liệu đến 2,4Mbps cho đường xuống và 153Kbps cho đường lên. 1xEV-DO Rev A hỗ trợ truyền thông gói IP, tăng tốc độ đường xuống đến 3,1Mbps và đặc biệt có thể đẩy tốc độ đường lên đến 1,2Mbps. Bên cạnh đó, 1xEV-DO Rev B cho phép nhà cung cấp mạng gộp đến 15 kênh 1,25MHz lại để truyền dữ liệu với tốc độ 73,5Mbps. CDMA2000 EV-DV: tích hợp thoại và dữ liệu trên cùng một kênh 1,25MHz. CDMA2000 EV-DV cung cấp tốc độ peak đến 4,8Mbps cho đường xuống và đến 307Kbps cho đường lên. Tuy nhiên từ năm 2005, Qualcomm đã dừng vô thời hạn việc phát triển của 1xEV-DV vì đa phần các nhà cung cấp mạng CDMA như Verizon Wireless và Sprint đã chọn EV-DO. TD-SCDMA là chuẩn di động được đề nghị bởi "China Communications Standards Association" và được ITU duyệt vào năm 1999. Đây là chuẩn 3G của Kỹ Thuật LTE Và Các Ứng Dụng GVHD. ThS Nguyễn Thái Hùng 5 Trung Quốc. TD-SCDMA dùng song công TDD. TD-SCDMA có thể hoạt động trên một dãi tần hẹp 1,6MHz (cho tốc độ 2Mbps) hay 5MHz (cho tốc độ 6Mbps). Ngày xuất hành của TD-SCDMA đã bị đẩy lùi nhiều lần. Nhiều thử nghiệm về công nghệ này đã diễn ra từ đầu năm 2004 cũng như trong thế vận hội Olympic gần đây. 1.2. HỆ THỐNG 4G LTE: 1.2.1. Tổng quan: 1.2.1.1. Giới thiệu về công nghệ LTE: LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới. Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE). 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối. Các mục tiêu của công nghệ này là:  Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20Mhz.  Tải lên: 50 Mbps.  Tải xuống: 100 Mbps.  Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1Mhz so với mạng HSDPA Rel.6.  Tải lên: gấp 2 đến 3 lần.  Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần.  Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0-15 km/h. Vẫn hoạt động tốt với tốc độ từ 15-120 km/h. Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120-350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng tần).  Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, giảm chút ít trong phạm vi đến 30km. Từ 30-100km thì không hạn chế. Kỹ Thuật LTE Và Các Ứng Dụng GVHD. ThS Nguyễn Thái Hùng 6  Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng tần 1.25Mhz, 1.6 Mhz, 10Mhz, 15Mhz và 20Mhz cả chiều lên và chiều xuống. Hỗ trợ cả hai trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không. Để đạt được mục tiêu này, sẽ có rất nhiều kĩ thuật mới được áp dụng, trong đó nổi bật là kĩ thuật vô tuyến OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần số trực giao), kĩ thuật anten MIMO (Multiple Input Multiple Output). Ngoài ra hệ thống này sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP (all-IP Network), và hỗ trợ cả hai chế độ FDD và TDD. 1.2.1.2. So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax và những triển vọng của LTE: 1.2.1.2.1. So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax Về công nghệ, LTE và Wimax có một số khác biệt nhưng cũng có nhiều điểm tương đồng. Cả hai công nghệ đều dựa trên nền tảng gói IP. Cả hai 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 đầu được tăng tốc bằng kĩ thuật OFDM hỗ trợ truyền tải dữ liệu đa phương tiện và video. Theo lý thuyết, chuẩn Wimax hiện tại (802.16e) cho tốc độ tải xuống tối đa là 70Mbps, còn LTE dự kiến có thể cho tốc độ đến 300Mbps. Tuy nhiên, khi LTE được triển khai ra thị trường có thể Wimax cũng sẽ được nâng cấp lên chuẩn 802.16m (còn được gọi là Wimax 2.0) có tốc độ tương đương hoặc cao hơn. Kỹ Thuật LTE Và Các Ứng Dụng GVHD. ThS Nguyễn Thái Hùng 7 Hình 1.1 Lộ trình phát triển của LTE và các công nghệ khác Đường lên từ thiết bị đầu cuối đến trạm thu phát có sự khác nhau giữa 2 công nghệ. WiMax dùng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access – một biến thể của OFDM), còn LTE dùng kỹ thuật SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access). Về lý 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 vì được thiết kế tương thích với cả phương thức TDD (Time Division Duplex) và FDD (Frequency Division Duplex). Ngược lại, WiMax hiện chỉ tương thích với TDD (theo một báo cáo được công bố đầu năm nay, WiMax Forum đang làm việc với một phiên bản Mobile WiMax tích hợp FDD). TDD truyền dữ liệu lên và xuống thông qua 1 kênh tần số (dùng phương thức phân chia thời gian), còn FDD cho phép truyền dữ liệu lên và xuống thông qua 2 kênh tần số riêng biệt. Điều này có nghĩa LTE có nhiều phổ tần sử dụng hơn Wimax. Tuy nhiên, sự khác biệt về công nghệ không có ý nghĩa quyết định trong cuộc chiến giữa WiMax và LTE. Kỹ Thuật LTE Và Các Ứng Dụng GVHD. ThS Nguyễn Thái Hùng 8 Hiện tại WiMax có lợi thế đi trước LTE: mạng WiMax đã được triển khai và thiết bị WiMax cũng đã có mặt trên thị trường, còn LTE thì sớm nhất cũng phải đến năm 2010 người dùng mới được trải nghiệm. Tuy nhiên LTE vẫn có lợi thế quan trọng so với WiMax. LTE được hiệp hội các nhà khai thác GSM (GSM Association) chấp nhận là công nghệ băng rộng di động tương lai của hệ di động hiện đang thống trị thị trường di động toàn cầu với khoảng 2,5 tỉ thuê bao (theo Informa Telecoms & Media) và trong 3 năm tới có thể chiếm thị phần đến 89% (theo Gartner). Hơn nữa, LTE cho phép tận dụng dụng hạ tầng GSM có sẵn (tuy vẫn cần đầu tư thêm thiết bị) trong khi WiMax phải xây dựng từ đầu. Kỹ Thuật LTE Và Các Ứng Dụng GVHD. ThS Nguyễn Thái Hùng 9 CHƢƠNG 2: KIẾN TRÚC MẠNG LTE Chương này giới thiệu về kiến trúc mạng LTE , các phần tử và chức năng của các phần tử đó trong mạng.Kiến trúc về mạng lõi và mạng truy nhập của LTE. Các giao thức của mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người sử dụng. Qua đó hiểu được hoạt động của mạng LTE. 2.1. KIẾN TRÚC MẠNG LTE Như đã đề cập, LTE được thiết kế để hỗ trợ cho các dịch vụ chuyển mạch gói, đối lập với chuyển mạch kênh truyền thống. Nó hướng đến cung cấp các kết nối IP giữa các UE (User Equipment) và PDN (Packet Data Network), mà không có bất kì sự ngắt quãng nào đối với những ứng dụng của người dùng trong suốt quá trình di chuyển. Trong khi thuật ngữ LTE đề cập quanh sự tiến triển việc truy cập vô tuyến thông qua E-UTRAN (Evolved-UTRAN), nó còn được kết hợp cùng với các phương diện cải tiến “ không vô tuyến” dưới thuật ngữ SAE (System Architecture Evolution)_bao gồm mạng lõi gói cải tiến EPC (Evolved Packet Core). LTE cùng với SAE tạo thành hệ thống gói cải tiến EPS (Evolved Packet System). Kỹ Thuật LTE Và Các Ứng Dụng GVHD. ThS Nguyễn Thái Hùng 10 Hình 2.1 Sự chuyển đổi cấu trúc UTRAN sang E-UTRAN Hình 2.1 cho thấy các thành phần chính của một mạng lõi và mạng truy nhập vô tuyến LTE. So sánh với UMTS, mạng vô tuyến ít phức tạp hơn. Mục đích chính của LTE là tối thiểu hóa số Node. Vì vậy, người ta đã quyết định rằng các RNC nên được gỡ bỏ, và chức năng của chúng đã được chuyển một phần sang các trạm cơ sở và một phần sang nút Gateway của mạng lõi. Để phân biệt với các trạm cơ sở UMTS, các trạm cơ sở của LTE được gọi là Enhanced NodeB (eNodeB). Bởi vì không còn phần tử điều khiển ở trung ương trong mạng vô tuyến nữa nên giờ đây các trạm cơ sở thực hiện chức năng quản lí dữ liệu truyền tải một cách tự lập, và bảo đảm chất lượng dịch vụ. Tuy nhiên các RNC vẫn điều khiển các kênh truyền tải dành cho dịch vụ thoại chuyển kênh. . bằng cách cải thiện hiệu quả phổ. 4G sử dụng kỹ thuật OFDMA cho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên ,các kỹ thuật này có đặc Kỹ Thuật LTE Và Các Ứng Dụng. riêng được UE sử dụng. Kỹ Thuật LTE Và Các Ứng Dụng GVHD. ThS Nguyễn Thái Hùng 20 Hình 2.6. Các kết nối S-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính