Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 lte advanced

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG - LÊ THANH BÌNH HỆ THỐNG THƠNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ LTE-ADVANCED Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2012 LỜI MỞ ĐẦU LTE-Advanced (Long Term Evolution-Advanced) tiến hóa tƣơng lai cơng nghệ LTE, bƣớc chuẩn bị lên 4G Chính vậy, để hịa nhập với xu chung, đề tài “Hệ thống thông tin di động hệ thứ – LTE-Advanced” đƣợc lựa chọn để có hội nghiên cứu, tìm hiểu kĩ công nghệ Với khuôn khổ hạn hẹp thời gian trình độ, mục tiêu đồ án nêu hoạt động hệ thống LTE-Advanced, tìm hiểu cơng nghệ mới, cải tiến chất lƣợng dịch vụ để đảm bảo đáp ứng đƣợc yêu cầu ngày cao ngƣời dùng mạng di động Ngoài luận văn đƣa nghiên cứu khả áp dụng triển khai mạng 4G sở mạng Việt Nam, dựa khảo sát thử nghiệm triển khai giới Luận văn tập trung vào nghiên cứu kiến trúc mạng LTE-Advanced, công nghệ đƣợc sử dụng LTE-Advanced nhằm đạt đến, chí vƣợt qua yêu cầu IMT-Advanced Về nội dung, luận văn đƣợc chia làm chƣơng: Chƣơng 1: Giới thiệu chung hệ thống thơng tin di động LTE Chƣơng 2: Trình bày hoạt động hệ thống thông tin di động LTE-Advanced, bao gồm cấu trúc, đặc điểm bật khác biệt so với hệ thống LTE, qua vấn đề tồn LTE để đáp ứng đƣợc yêu cầu IMT-Advanced cho thấy LTE-Advanced phát triển đƣợc chờ đợi LTE Chƣơng 3: Đây nội dung trình bày luận văn Chƣơng trình bày thành phần cơng nghệ đƣợc sử dụng LTE-Advanced nhằm đạt tới chí vƣợt xa yêu cầu IMTAdvanced Chƣơng 4: Khảo sát tìm hiểu tình hình thử nghiệm LTE-Advanced giới tìm hiểu khả triển khai Việt Nam Các thử nghiệm nhà mạng lớn, hãng sản xuất thiết bị viễn thông chứng tỏ lực cơng nghệ LTE-Advanced khả thƣơng mại hóa LTE-Advanced đến gần CHƢƠNG - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE 1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động Các công nghệ thông tin di động đƣợc chia thành ba hệ: thứ nhất, thứ hai, thứ ba thứ tƣ đƣợc viết tắt 1G, 2G, 3G 4G LTE đƣờng tiến tới 4G LTE tồn giai đoạn đầu 4G, IMT-Advanced 3GPP bắt đầu hƣớng đến IMTAdvance dƣới tên LTE-Advanced 1.2 Giới thiệu công nghệ LTE LTE đƣợc xem nhƣ thệ thứ tƣ, hệ tƣơng lai chuẩn UMTS 3GPP phát triển Năm 2008, phiên phát hành cuối 3GPP 8, mang lại nhiều cải tiến HSDPA HSUPA, đƣợc xem nhƣ phát hành LTE 3GPP phiên tập trung vào mở rộng LTE Mục tiêu LTE cung cấp dịch vụ liệu tốc độ cao, độ trễ thấp, gói liệu đƣợc tối ƣu, cơng nghệ vô tuyến hỗ trợ băng thông cách linh hoạt triển khai Đồng thời kiến trúc mạng đƣợc thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lƣu lƣợng chuyển mạch gói với tính di động linh hoạt, chất lƣợng dịch vụ, thời gian trễ tối thiểu Các đặc điểm LTE phát hành 9: - Tăng tốc độ truyền liệu: - Đảm bảo hiệu suất di chuyển - Giảm độ trễ mặt phẳng người sử dụng mặt phẳng điều khiển - Không cịn chuyển mạch kênh - Độ phủ sóng từ 5-100km 1.3 Kiến trúc mạng LTE LTE đƣợc thiết kế để hỗ trợ cho dịch vụ chuyển mạch gói, hƣớng đến cung cấp kết nối IP UE (User Equipment) PDN (Packet Data Network) Phƣơng pháp chuyển mạch gói cho phép hỗ trợ tất dịch vụ bao gồm thoại thông qua kết nối gói Kết kiến trúc phẳng hơn, đơn giản với loại nút cụ thể nút B phát triển (eNode B) thực thể quản lý di động/cổng (MME/GW - (Mobility Management Entity/Gateway) Điều hồn tốn trái ngƣợc với nhiều nút mạng kiến trúc mạng phân cấp hành hệ thống 3G Hình 1.1: Kiến trúc hệ thống cho mạng có E- UTRAN Hình 1.1 miêu tả kiến trúc thành phần mạng cấu hình kiến trúc tổng quát mạng 4G LTE/SAE sở với mạng truy nhập EUTRAN Hình cho thấy phân chia kiến trúc thành bốn vùng chính: thiết bị ngƣời dùng (UE) ; UTRAN phát triển (E-UTRAN); mạng lõi gói phát triển (EPC); vùng dịch vụ 1.3.1 Kiến trúc mạng lõi LTE Mạng lõi chịu trách nhiệm điều khiển tổng thể UE thiết lập kênh mang Các nút logic mạng lõi là: - Thực thể quản lý di động (MME) - Cổng phục vụ (S-GW) - Cổng mạng số liệu gói (P-SW) + Thực thể quản lý tính di động (MME): Thực thể quản lý tính di động (MME) thành phần điều khiển EPC Các chức MME: - An ninh nhận thực - Quản lý di động - Quản lý hồ sơ thuê bao kết nối dịch vụ + Cổng phục vụ (S-GW): EPC kết cuối nút này, đƣợc kết nối đến E-UTRAN thông qua giao diện S1-U Mỗi UE đƣợc liên kết tới S-GW SGW điểm neo cho chuyển giao liên nút B phát triển nội vùng tính di động mạng 3GPP, thực chức định tuyến chuyển tiếp gói tin + Cổng mạng số liệu gói (P-SW): Nút cho phép UE truy nhập đến mạng liệu gói (PDN) cách gán địa IP từ mạng PDN vào UE, cung cấp khả kết nối bảo mật UE đƣợc kết nối từ mạng truy nhập không tin cậy, 3GPP tới EPC cách sử dụng đƣờng hầm IPSec + Chức sách tính cước tài nguyên (PCRF): phần tử mạng chịu trách nhiệm cho việc điều khiển sách tính cƣớc (PCC: Plolicy and Charging Control) + Server thuê bao nhà (HSS): Là lƣu giữ số liệu thuê bao cho tất số liệu cố định ngƣời sử dụng HSS lƣu hồ sơ thuê bao chứa thông tin dịch vụ áp dụng cho ngƣời sử dụng bao gồm thông tin kết nối PDN đƣợc phép có đƣợc phép chuyển đến mạng khác hay không 1.3.2 Mạng truy nhập E-UTRAN Mạng truy nhập 4G LTE, E-UTRAN, có eNodeB Vì kiến trúc E-UTRAN đƣợc gọi phẳng Sau ta xét đến kiến trúc giao thức EUTRAN: + Mặt phẳng ngƣời sử dụng: Giao thức mặt phẳng ngƣời dùng E-UTRAN, bao gồm lớp PDCP (Packet Data Convergence Protocol), RLC (Radio Link Control) MAC (Medium Access Control) - PDCP (Packet Data Convergence Protcol: giao thức hội tụ số liệu gói): đảm bảo nén tiêu đề giao thức thực mật mã hoá số liệu - RLC (Radio Link Control: điều khiển liên kết vô tuyến): chịu trách nhiệm truyền số liệu tin cậy, lớp lớp Hình 1.2: Ngăn xếp giao thức mặt phẳng ngƣời sử dụng điều khiển - MAC (Medium Access Control: điều khiển môi trƣờng): chịu trách nhiệm lập biểu phát lại nhanh, lớp lớp + Mặt phẳng điều khiển: Vùng màu xám giao thức tầng truy cập Các lớp thấp hoạt động với chức nhƣ bên mặt phẳng ngƣời dùng, khác chỗ không nén Header 15 Có nghĩa cơng nghệ LTE-Advanced phải có tính tƣơng thích ngƣợc LTE, giúp cho thiết bị LTE hoạt động đƣợc Hiệu tốc độ liệu lớn thiết bị không bị tác động phát triển LTE-Advanced nhƣng thiết bị nên sử dụng dịch vụ cần thiết Điều đƣợc giải thích phần dựa vào kiến trúc mạng LTE-Advanced LTE có thành phần tƣơng đồng Các thành phần mạng lõi EPC LTE LTEAdvanced bao gồm có MME, S-GW, PDNGW… Phần truy nhập vô tuyến E-UTRAN có phần tử Nút B phát triển eNodeB với lớp xử lí giống Điều khác biệt LTE LTE-Advanced LTE-Advanced có chứa chức mở rộng so với LTE nhƣ hỗ trợ băng tần lớn thay đổi đƣờng lên đƣờng xuống; ra, LTE-Advanced sử dụng kĩ thuật MIMO việc truyền tải số liệu nhƣ LTE nhƣng có mở rộng khả sử dụng cấu hình 8x8 cho đƣờng xuống 4x4 cho đƣờng lên 16 CHƢƠNG - CÁC CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG LTE-ADVANCED 3.1 Kết hợp sóng mang phổ tần Hình 3.1: Kết hợp sóng mang LTE-Advanced Kết hợp sóng mang (CA) chức quan trọng LTE-Advanced Phƣơng pháp CA để mở rộng băng tần tối đa đƣờng lên đƣờng xuống cách kết hợp nhiều sóng mang lại với Các sóng mang đƣợc kết hợp lại sóng mang sở phát hành 8, điều yếu tố khiến cho LTE-Advanced dễ dàng khả tƣơng thích ngƣợc Một thiết bị đầu cuối trƣớc phát hành 10 dễ dàng truy nhập vào sóng mang 17 thành phần UE có khả kết hợp sóng mang hoạt động nhiều thành phần sóng mang Hiệu kết hợp sóng mang Việc sử dụng kết hợp sóng mang đem lại lợi ích cho hiệ hệ thống theo hai cách sau: - Tốc độ liệu đỉnh tăng lên thực kết hợp phổ từ hai hay nhiều băng tần tần số Tốc độ liệu đỉnh theo lí thuyết từ việc kết hợp sử dụng kết hợp sóng mang với tổng cộng phổ tần 40MHz ăngten đạt tới 1,2Gbps cho đƣờng xuống 600Mbps cho đƣờng lên (với công nghệ truyền dẫn đa ăngten đƣờng lên) Với phổ tần 100MHz sóng mang đƣợc kết hợp, tốc độ liệu đạt đến 3Gbps cho đƣờng xuống 1,5Gbps cho đƣờng lên - Tăng thơng lƣợng trung bình ngƣời dung, đặc biệt số lƣợng ngƣời dùng lớn Lập lịch sóng mang chung Nút B phát triển cho phép lựa chọn sóng mang tối ƣu dẫn đến hiệu tốt cân tải tốt sóng mang 3.2 Kết nối chuyển tiếp 18 Hình 3.2: Kiến trúc tổng quan kết nối chuyển tiếp Một thành phần công nghệ phát hành 10 cho LTE-Advanced kết nối chuyển tiếp (Relay) LTE-Advanced sử dụng kết nối chuyển tiếp để tăng hiệu mạng LTE bằng cách thêm vào nút mạng vùng, nơi có vấn đề định vùng phủ Các nút chuyển tiếp có cơng suất phát nhỏ so với Nút B phát triển có vùng phủ rộng lớn (các Nút B phát triển macro) đƣờng trục không dây, việc triển khai Nút chuyển tiếp dễ dàng đáng kể so với việc triển khai Nút B phát triển macro Do vậy, kết nối chuyển tiếp đƣợc sử dụng để xây dựng mạng LTE khu vực khó 19 để triển khai mạng đƣờng trục có dây Nút chuyển tiếp đƣợc kết nối đến eNodeB dẫn (Donor eNodeB), nút chịu trách nhiệm kết nối liệu đến mạng lõi Kến trúc – nguyên lý thiết kế kết nối chuyển tiếp phát hành 10 Việc mở rộng vùng phủ vơ tuyến đƣợc thực theo nhiều cách Một cách trực tiếp thực đƣợc sử dụng lặp lựa chọn tần số, đơn giản khuếch đại chuyển tiếp tín hiệu vài băng tần định Một phƣơng pháp khác sử dụng thiết bị nhƣ giải mã chuyển tiếp tín hiệu Trong trƣờng hợp này, tín mong muốn đƣợc phát nút chuyển tiếp sau đƣợc mã hóa trở lại lại chuyển tiếp đến UE DeNB Việc nút chuyển tiếp giải mã truyền tiếp đạt đƣợc nhiều lợi ích so với việc khuếch đại truyền tiếp, loại chuyển tiếp L2/L3 đƣợc lựa chọn DeNB hoạt động nhƣ proxy ẩn tồn RN phần lại mạng, RN đƣợc nhìn nhƣ DeNB 3.3 Đa anten đƣờng xuống mở rộng 20 MIMO mở rộng đƣợc xem nhƣ khía cạnh LTE-Advanced giúp cho phép hệ thống đáp ứng đƣợc yêu cầu tốc độ IMTAdvanced ITU-R MIMO có chế độ hoạt động chính, MIMO ngƣời sử dụng đơn (SU-MIMO), MIMO đa ngƣời sử dụng (MU-MIMO) MIMO hoạt động (Cooperative MIMO), đƣợc mơ tả nhƣ hình sau: Hình 3.3: Các chế độ MIMO LTE- Advanced Số lƣợng ăngten chiều phát nhận đƣợc tăng lên, từ cấu hình ăngten MIMO 4x4 trở thành cấu hình tối đa MIMO 8x8 để đạt đƣợc tốc độ đỉnh cao 21 3.4 Đa anten đƣờng lên Đƣờng lên MIMO LTE phtá hành 10 hỗ trợ ăngten cung cấp tốc độ liệu đỉnh lên đến gấp lần phát hành 3.5 Truyền dẫn đa điểm phối hợp Phát nhận (truyền dẫn) đa điểm phối hợp (Cooperative Multipoint Tx/Rx - CoMP LTE- Advanced đƣợc xem công cụ để tăng vùng phủ tốc độ liệu cao, thông lƣợng biên ô tăng thông lƣợng hệ thống Nhằm mục đích giảm ảnh hƣởng nhiễu xuyên ô tác động lên hiệu hệ thống, phƣơng pháp truyền dẫn phối hợp đƣợc sử dụng Truyền dẫn (truyền nhận) đa điểm phối hợp (CoMP) dùng để hệ thống nơi mà nút ăngten đƣợc phân bố tách biệt mặt địa lí phối hợp với nhằm mục đích tăng hiệu phục vụ ngƣời dùng vùng hoạt động chung 3.5.1 Kiến trúc CoMP 22 Phối hợp hoạt động Nút B phát triển đƣợc xem kĩ thuật hứa hẹn để giảm xuyên nhiễu ô mạng đƣờng xuống đƣờng lên CoMP đƣợc áp dụng đƣờng xuống cách thực truyền dẫn phối hợp từ trạm gốc, xuyên nhiễu đƣờng lên đƣợc giảm cách nhận phối hợp từ Nútt B phát triển Hầu hết phƣơng pháp CoMP chia sẻ yêu cầu thông tin lập biểu cần thiết Điều có nghĩa liên kết độ trễ rât thấp đƣợc yêu cầu chúng để thơng tin trao đổi Nút phối hợp hoạt động này, yêu cầu độ trễ phải cỡ ms Có hai loại kiến trúc CoMP tập trung CoMP phân tán Trong kiến trúc tập trung, phần tử trung tâm đƣợc sử dụng để thu thập thông tin kênh từ tát thiết bị ngƣời sử dụng vùng đƣợc bao phủ Nút B phát triển hoạt động phối hợp Khi thông tin đƣợc thu thập, Nút B phát triển chuyển tiếp thông tin cho phần tử trung tâm, phần tử chịu trách nhiệm định tham số truyền dẫn lập biểu, thông tin đƣợc gửi đến cho Nút B phát triển khác 23 Kiến trúc phân tán giải pháp khác cho việc thực hoạt động phối hợp Dựa vào giả thiết việc lập biểu tất Nút B phát triển giống thông tin kênh dựa toàn phối hợp hoạt động Nút, liên kết truyền thông Nút B phát triển không cần thiết Do kiến trúc có thuận lợi đáng kể việc giảm tải hạ tầng giá giao thức tín hiệu liên quan đến liên kết phần tử xử lí trung tâm Thêm nữa, phản hồi vơ tuyến đến vài Nút nhận đƣợc mà khơng cần phải thêm vào mào đầu Thiết bị ngƣời sử dụng ƣớc lƣợng kênh từ tất Nút B phát triển phối hợp hoạt động theo cách giống nhƣ phƣơng pháp tập trung Các ƣớc lƣợng sau đƣợc gửi lại cho tất Nút B phối hợp hoạt động lập biểu đƣợc thực cách độc lập nhƣ đƣợc mơ tả hình sau: 24 CHƢƠNG - KHẢO SÁT VIỆC TRIỂN KHAI LTE-ADVANCED TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 4.1 Khảo sát tình hình triển khai LTE-Advanced giới Trƣớc hết cần phải khẳng định giới chƣa có nhà điều hành mạng viễn thông thực triển khai mạng di động hệ theo phát hành 10 LTEAdvanced, tất dừng LTE phát hành Tháng năm 2011, nhà khai thác mạng viễn thông Nhật NTT Docomo thực thử nghiệm cơng nghệ LTE-Advanced Docomo thực thử nghiệm liên quan đến kết hợp băng tần, sử dụng kênh 20MHz cho đƣờng xuống kênh 20MHz cho đƣờng lên Thêm nữa, thử nghiệm bao gồm việc sử dụng công nghệ đa ăngten đầu vào đầu cho đƣờng xuống đƣờng lên Thử nghiệm mô NTT Docomo đạt đƣợc kết tốc độ 1Gbps cho 25 đƣờng xuống với việc sử dụng ăngten trạm gốc ăngten thiết bị di động (sử dụng thiết bị di động) 200Mbps cho đƣờng lên với việc sử dụng ăngten phát ăngten thu kết hợp với kết hợp sóng mang Tháng năm 2010, Alcatel-Lucent thực thử nghiệm công nghệ truyền dẫn đa điểm phối hợp LTEAdvanced Mục đích thử nghiệm nhằm mở rộng hiệu phổ tần biên Tín hiệu đƣờng lên từ ngƣuời sử dụng đƣợc nhận nhiều ô Sự kết hợp quán tín hiệu đƣờng lên đƣợc tập trung đơn vị trung tâm, gọi Nút B phát triển LTE xử lí trung tâm Thông tin trạm đƣợc trao đổi thông qua giao diện X2 4.2 Khả triển khai LTE-Advanced Việt Nam Nền tảng cho phát triển hệ thống 2G/3G lên 4G phát triển mạng lõi hệ thống thông tin di động nhà khai thác mạng Việt Nam Hầu hết nhà khai thác mạng lớn Việt Nam nhƣ VinaPhone, MobiFone, Viettel phát triển thành phần 26 mạng lõi trở thành mạng hồn toàn dùng IP Hiện giao thức IP đƣợc sử dụng đến tận trạm phát sóng, Node B đƣợc cấu hình hồn tồn IP (full IP) Hình 4.1 mơ tả kết nối hồn tồn IP thuộc mạng lõi hệ thống mạng di động MSS GARP3 ETMFG1-19 GARP2 GARP1 ETMFG1-20 GARP0 ETMFG2-19 ETMFG2-20 MGW-TSS Hình 4.1: Kết nối mạng lõi cho tổng đài MSS/TSS mạng VinaPhone Tuy nhiên để mạng di động Việt Nam phát triển lên 4G, đặc biệt LTE-Advanced cần phải có chặng đƣờng thay đổi phát triển dài Hiện có 27 hai đƣờng phát triển lên hệ thống di động 4G, thứ phát triển hệ thống thông tin di động 3G/HSPA+ lên mạng LTE phát hành 9, với tƣ cách hệ thống tiệm cận 4G nhƣng có phát triển lớn tốc độ liệu cao Mạng LTE hứa hẹn mở hội tăng lƣu lƣợng thông qua ứng dụng di động Theo kỳ vọng LTE đạt tốc độ trung bình từ 50100Mb/s Đây gia tăng đáng kể so với hệ thống 2G/3G xa giúp tăng cƣờng dung lƣợng truyền tải với giá thành thấp từ tăng hiệu truyền tải Hƣớng phát triển thứ hai tiến thẳng lên hệ thống 4G LTE-Advanced bỏ qua trình phát triển lên LTE phát hành với thay đổi đáng kể thiết bị lẫn cơng nghệ Hình 4.5 4.6 mô tả chung cho trạng mạng thông tin di động Việt Nam Các Node B đƣợc kết nối đến RNC, RNC đến MSS GSNs thông qua thiết bị truyền dẫn lớp 2/3 Switch/Router tất hoàn toàn sử dụng kết nối IP 28 KẾT LUẬN Cùng với yêu cầu ngày tăng chất lƣợng đa dạng dịch vụ ngày trở nên rõ ràng nhằm cung cấp dịch vụ tốt nhất, thuận tiện cho khách hàng Nhu cầu sử dụng dịch vụ truy cập Internet tốc độ cao dành cho thiết bị di động ngày phát triển Vì nghiên cứu LTE-Advanced đòi hỏi thiết yếu, sở cho việc triển khai thực tế Trong khuôn khổ luận văn này, em mong muốn đƣa vấn đề kiến trúc, nguyên lí cải tiến LTE-Advanced so với hệ thống mạng 3G LTE, để thấy đƣợc LTE-Advanced bƣớc phát triển tƣơng lai hệ thống thông tin di động giới nhƣ Việt Nam Đây kết trình học tập việc tìm hiểu vấn đề qua tài liệu có liên quan từ nhiều nguồn tƣ liệu đƣợc tổng hợp lại Tuy nhiên, trình độ thời gian có hạn, đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đƣợc 29 góp ý thầy giáo để hồn thiện thêm kiến thức Về phƣơng hƣớng phát triển, em mong muốn hoàn thiện đồ án phạm vi đầy đủ với việc tìm hiểu, nghiên cứu ứng dụng hệ thống LTE-Advanced với việc triển khai thực tế ... gần 3 CHƢƠNG - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE 1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động Các công nghệ thông tin di động đƣợc chia thành ba hệ: thứ nhất, thứ hai, thứ ba... bày hoạt động hệ thống thông tin di động LTE- Advanced, bao gồm cấu trúc, đặc điểm bật khác biệt so với hệ thống LTE, qua vấn đề tồn LTE để đáp ứng đƣợc yêu cầu IMT -Advanced cho thấy LTE- Advanced. .. ĐẦU LTE- Advanced (Long Term Evolution -Advanced) tiến hóa tƣơng lai cơng nghệ LTE, bƣớc chuẩn bị lên 4G Chính vậy, để hịa nhập với xu chung, đề tài ? ?Hệ thống thông tin di động hệ thứ – LTE- Advanced? ??