Công nghệ LTE cho mạng di động băng rộng

Thông tin di động ngày nay đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển rất nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác. Sự phát triển của thị trường viễn thông di động đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống thông tin di động mới trong tương lai. Hệ thống di động thế hệ thứ hai, với GSM và CDMA là những ví dụ điển hình đã phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia. Tuy nhiên, thị trường viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai. Sự ra đời của hệ thống di động thế hệ thứ ba với các công nghệ tiêu biểu như WCDMA hay HSPA là một tất yếu để có thể đáp ứng được nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của người sử dụng. Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G hay 3G vẫn đang phát triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã bắt đầu tiến hành triển khai thử nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng và có thể sẽ trở thành chuẩn di động 4G trong tương lai, đó là LTE (Long Term Evolution). Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này đã chứng tỏ năng lực tuyệt vời của công nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE đã đến rất gần. Trước đây, muốn truy cập dữ liệu, bạn phải cần có 1 đường dây cố định để kết nối. Trong tương lai không xa với LTE, bạn có thể truy cập tất cả các dịch vụ mọi lúc mọi nơi trong khi vẫn di chuyển: xem phim chất lượng cao HDTV, điện thoại thấy hình, chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu v.v… với một tốc độ “siêu tốc”. Đó chính là sự khác biệt giữa mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) và mạng di động thế hệ thứ tư (4G). Tuy vẫn còn khá mới mẻ nhưng mạng di động băng rộng 4G đang được kỳ vọng sẽ tạo ra nhiều thay đổi khác biệt so với những mạng di động hiện nay. Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là: “Công nghệ LTE cho mạng di động băng rộng”. Đề tài sẽ đi vào tìm hiểu tổng quan về công nghệ LTE cũng như là những kỹ thuật và thành phần được sử dụng trong công nghệ này để có thể hiểu rõ thêm về những tiềm năng hấp dẫn mà công nghệ này sẽ mang lại.

Đồ án tốt nghiệp Công nghệ LTE cho mạng di động băng rộng MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ .3 DANH MỤC BẢNG BIỂU .6 LỜI MỞ ĐẦU 7 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ MỤC TIÊU THIẾT KẾ LTE .9 1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE .9 1.2 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax và những triển vọng cho công nghệ LTE .10 1.2.1 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax 10 1.2.2 Những triển vọng cho công nghệ LTE 13 1.3 Mục tiêu thiết kế LTE .15 1.3.1 Tiềm năng công nghệ .15 1.3.2Hiệu suất hệ thống .16 1.3.3 Các vấn đề liên quan đến việc triển khai .18 1.3.3.1 Độ linh hoạt phổ và việc triển khai .19 1.3.4 Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration) .21 1.3.5 Quản lý tài nguyên vô tuyến 21 1.3.6 Độ phức tạp 22 1.3.7 Những vấn đề chung 22 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE 23 2.1Hệ thống truyền dẫn: đường xuống OFDM và đường lên SC-FDMA 23 2.2Hoạch định phụ thuộc kênh truyền và sự thích ứng tốc độ (Channel-dependent scheduling and rate adaptation) .25 2.2.1 Hoạch định đường xuống .26 2.2.2 Hoạch định đường lên .27 2.2.3 Điều phối nhiễu liên tế bào (Inter-cell interference coordination) 27 2.3 ARQ hỗn hợp với việc kết hợp mềm (Hybrid ARQ with soft combining) 28 2.4 Sự hỗ trợ nhiều anten (Multiple antenna support) .29 2.5 Hỗ trợ multicast và broadcast 30 2.6 Tính linh hoạt phổ .30 2.6.1 Tính linh hoạt trong sắp xếp song công .31 2.6.2 Tính linh hoạt trong băng tần hoạt động 32 2.6.3 Tính linh hoạt về băng thông 32 CHƯƠNG 3 KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE 34 3.1 RLC: radio link control – điều khiển liên kết vô tuyến .36 3.2 MAC: điều khiển truy nhập môi trường (medium access control) .38 3.2.2 Hoạch định đường xuống .41 3.2.3 Hoạch định đường lên .43 3.2.4 Hybrid ARQ 45 3.3 PHY: physical layer - lớp vật lý 49 3.4 Các trạng thái LTE .52 3.5 Luồng dữ liệu .53 GVHD: ThS. Trần Xuân Trường SVTH: Nguyễn Minh Tâm 1 Đồ án tốt nghiệp Công nghệ LTE cho mạng di động băng rộng CHƯƠNG 4 LỚP VẬT LÝ LTE .55 4.1 Kiến trúc miền thời gian toàn phần (Overall time-domain structure) .55 4.2 Sơ đồ truyền dẫn đường xuống .57 4.2.1 Tài nguyên vật lý đường xuống 57 4.2.2 Các tín hiệu tham khảo đường xuống .62 4.2.2.1 Các chuỗi tín hiệu tham khảo và việc nhận dạng tế bào lớp vật lý (Reference signals sequences and physical layer cell identity) 63 4.2.2.2 Nhảy tần tín hiệu tham khảo (Reference signal frequency hopping) .64 4.2.2.3 Các tín hiệu tham khảo cho truyền dẫn đa anten (Reference signals for multi-antenna transmission) .65 4.2.3 Xử lý kênh truyền tải đường xuống .66 4.2.3.1 Chèn CRC 68 4.2.3.2 Mã hóa kênh .68 4.2.3.3 Chức năng Hybrid-ARQ lớp vật lý 69 4.2.3.4 Ngẫu nhiên hóa mức độ bit .69 4.2.3.5 Điều chế dữ liệu 71 4.2.3.6 Ánh xạ anten 71 4.2.3.7 Ánh xạ khối tài nguyên 71 4.2.4 Báo hiệu điều khiển L1/L2 đường xuống 73 4.2.5 Truyền dẫn nhiều anten đường xuống 75 4.2.5.1 Hai anten mã hóa khối không gian-tần số (SFBC) .77 4.2.5.2 Tạo dạng tia (beam-forming) .77 4.2.5.3 Ghép kênh không gian .78 4.2.6 Multicast/broadcast sử dụng MBSFN 79 4.3 Scheme truyền dẫn đường lên 80 4.3.1 Tài nguyên vật lý đường lên .80 4.3.2 Tín hiệu tham khảo đường lên 84 4.3.2.1 Nhiều tín hiệu tham khảo .87 4.3.2.2 Tín hiệu tham khảo cho việc dò kênh .88 4.3.3 Xử lý kênh truyền tải đường lên .91 4.3.4 Báo hiệu điều khiển L1/L2 đường lên 92 4.3.5 Định thời sớm đường lên (Uplink timing advance) .96 CHƯƠNG 5 CÁC THỦ TỤC TRUY CẬP LTE .99 5.1 Dò tìm tế bào (cell search) .99 5.1.1 Thủ tục dò tìm cell (cell search) .99 5.1.2 Cấu trúc thời gian/tần số của các tín hiệu đồng bộ .101 5.1.3 Dò tìm cell ban đầu và kế cận 103 5.2 Truy cập ngẫu nhiên .104 5.2.1 Bước 1: Truyền dẫn Preamble truy cập ngẫu nhiên .105 5.2.2 Bước 2: Đáp ứng truy cập ngẫu nhiên 109 5.2.3 Bước 3: Nhận dạng đầu cuối 110 5.2.4 Bước 4: Giải quyết tranh chấp 111 5.3 Paging .112 KẾT LUẬN 114 CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO .119 GVHD: ThS. Trần Xuân Trường SVTH: Nguyễn Minh Tâm 2 Đồ án tốt nghiệp Công nghệ LTE cho mạng di động băng rộng DANH MỤC HÌNH VẼ 1.1 Kiến trúc của mạng LTE 1.2 Lộ trình phát triển của LTE và các công nghệ khác 1.3 Phân bố phổ băng tần lõi tại 2 GHz của nguyên bản IMT-2000 1.4 Một ví dụ về cách thức LTE thâm nhập từng bước vào phân bố phổ của một hệ thống GSM đã được triển khai 2.1 Hoạch định phụ thuộc kênh truyền đường xuống trong miền thời gian và tần số 2.2 Một ví dụ về điều phối nhiễu liên tế bào, nơi mà các phần phổ bị giới hạn bởi công suất truyền dẫn 2.3 FDD vs. TDD 3.1 Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống) 3.2 Phân đoạn và hợp đoạn RLC 3.3 Ví dụ về sự ánh xạ các kênh logic lên các kênh truyền dẫn 3.4 Việc lựa chọn định dạng truyền dẫn trong đường xuống (bên trái) và đường lên (bên phải) 3.5 Giao thức hybrid-ARQ đồng bộ và không đồng bộ 3.6 Nhiều tiến trình hybrid-ARQ song song 3.7 Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho DL-SCH 3.8 Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho DL-SCH 3.9 Các trạng thái LTE 3.10 Một ví dụ về luồng dữ liệu LTE 4.1 Cấu trúc miền thời gian LTE GVHD: ThS. Trần Xuân Trường SVTH: Nguyễn Minh Tâm 3 Đồ án tốt nghiệp Công nghệ LTE cho mạng di động băng rộng 4.2 Các ví dụ về việc chỉ định khung phụ đường lên/đường xuống trong trường hợp TDD và sự so sánh với FDD 4.3 Tài nguyên vật lý đường xuống LTE 4.4 Cấu trúc miền tần số đường xuống LTE 4.5 Cấu trúc khung phụ và khe thời gian đường xuống LTE 4.6 Khối tài nguyên đường xuống dành cho tiền tố chu trình bình thường 4.7 Cấu trúc tín hiệu tham khảo đường xuống LTE dành cho tiền tố chu trình bình thường 4.8 Cấu trúc tín hiệu tham khảo trong trường hợp truyền dẫn nhiều anten đường xuống 4.9 Xử lý kênh truyền tải đường xuống 4.10 Chèn CRC đường xuống 4.11 Khối mã hóa Turbo LTE 4.12 Chức năng Hybrid-ARQ lớp vật lý 4.13 Ngẫu nhiên hóa đường xuống 4.14 Điều chế dữ liệu 4.15 Ánh xạ khối tài nguyên đường xuống 4.16 Chuỗi xử lý cho báo hiệu điều khiển L1/L2 đường xuống 4.17 Lưới thời gian/tần số LTE 4.18 Các phần tử kênh điều khiển và các ứng cử kênh điều khiển 4.19 Ánh xạ anten LTE bao gồm việc ánh xạ lớp sau quá trình tiền mã hóa 4.20 Mã hóa hai anten khối không gian-tần số trong kết cấu khung nhiều anten LTE 4.21 Tạo dạng tia (beam-forming) trong kết cấu khung nhiều anten LTE 4.22 Ghép kênh không gian trong kết cấu khung nhiều anten LTE 4.23 Những ký hiệu tham khảo riêng tế bào và chung tế bào trong các khung phụ MBSN 4.24 Kiến trúc cơ bản của truyền dẫn DFTS-OFDM 4.25 Kiến trúc miền tần số đường lên LTE 4.26 Cấu trúc khe thời gian và khung phụ đường lên LTE 4.27 Cấp phát tài nguyên đường lên LTE 4.28 Nhảy tần đường lên GVHD: ThS. Trần Xuân Trường SVTH: Nguyễn Minh Tâm 4 . tốt nghiệp Công nghệ LTE cho mạng di động băng rộng DANH MỤC HÌNH VẼ 1.1 Kiến trúc của mạng LTE 1.2 Lộ trình phát triển của LTE và các công nghệ khác 1.3. Trường SVTH: Nguyễn Minh Tâm 1 Đồ án tốt nghiệp Công nghệ LTE cho mạng di động băng rộng CHƯƠNG 4 LỚP VẬT LÝ LTE. ........................................................................................55