Đồ án tốt nghiệp Điện tử truyền thông Nghiên cứu hệ thống thông tin di động 4G LTE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHỊNG ISO 9001:2015 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THƠNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỬ TRUYỀN THƠNG HẢI PHÒNG - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ISO 9001:2015 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG Sinh viên: Nguyễn Chiến Thắng Người hướng dẫn: Th.S Đỗ Anh Dũng HẢI PHÒNG - 2019 Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc o0o BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên : Nguyễn Chiến Thắng – MSV : 1412103003 Lớp : ĐT1801- Ngành Điện Tử Truyền Thông Tên đề tài : Nghiên cứu hệ thống thông tin di động 4G LTE CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AMPS Advanced Mobile Phone Sytem Hệ thống điện thoại di động tiên tiến BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển dành riêng DL- Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống Enhanced Data Rates for GSM Tốc độ số liệu tăng cường để Evolution phát triển GSM General Packet Radio Service Dịch vụ vơ tuyến gói chung SCH EDGE GPRS HSCSD High Speed Circuit Switched Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao Data HSDPA High Speed Downlink Package Truy nhập gói đường xuống tốc Access độ cao MAC Medium Access Control Điều khiển truy cập môi trường MCCH Multicast Control Channel Kênh điều khiển multicast MCH Multicast Channel Kênh multicast MIMO Multiple input Multiple Output Đa nhập đa xuất MTCH Multicast Traffic Channel Kênh lưu lượng multicast PCCH Paging Control Channel Kênh điều khiển tìm gọi PCH Paging channe Kênh tìm gọi PDCP Packet Data Convergence Giao thức hội tụ số liệu gói Protocol PDU Protocol Data Unit Đơn vị liệu giao thức PHY Physical layer Lớp vật lý DTCH Dedicated Traffic Channel Kênh lưu lượng dành riêng RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô tuyến SDU Service Data Unit Đơn vị liệu dịch vụ TACS Total Access Communication Hệ thống giao tiếp truy cập tổng Sytem hợp Uplink shared channel Kênh chia sẻ đường lên ULSCH MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 13 CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG & GIỚI THIỆU VỀ MẠNG 4G LTE 15 1.Tổng quan hệ thống thông tin di động: 15 1.1.1 Hệ thống thông tin di động hệ thứ ( 1G) 15 1.1.2 Hệ thống thông tin di động hệ thứ hai ( 2G) 17 1.1.3 Hệ thống thông tin di động hệ thứ ( 3G) 22 1.1 Giới thiệu mạng 4G LTE 24 CHƯƠNG - KIẾN TRÚC MẠNG VÀ GIAO THỨC 28 1.1 Kiến trúc mạng LTE 28 1.1.1 Tổng quan cấu hình kiến trúc hệ thống 29 1.1.2 Thiết bị người dùng ( UE) 30 1.1.3 E-UTRAN NodeB (eNodeB) 31 1.1.4 MME (Mobility Management Entity) : 33 1.1.5 Cổng phục vụ ( S-GW) 36 2.1.6 Cổng mạng liệu gó i( P-GW) 38 2.1.7 Chức sách tính cước tài nguyên ( PCRF) 40 2.1.8 Máy chủ thuê bao thường trú (HSS) 42 2.2.Các giao diện giao thức cấu hình kiến trúc hệ thống42 2.3 QoS kiến trúc dịch vụ mang chuyển 47 2.4 Giao thức trạng thái chuyển tiếp trạng thái 48 2.5 Hỗ trợ tính di động liên tục 49 2.6 Kiến trúc hệ thống phát quảng bá đa điểm 53 CHƯƠNG - TRUY CẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE………………….55 3.1 Các chế độ truy nhập vô tuyến 58 3.2 Băng tần truyền dẫn 58 3.3 Các băng tần hỗ trợ 59 3.4 Kỹ thuật đa truy nhập cho đường xuống OFDMA 61 3.4.1 OFDM 61 3.4.2 Các tham số OFDMA 64 3.4.3 Truyền dẫn liệu hướng xuống 67 1- Các kênh điều khiển hướng xuống 68 3.5 Kỹ thuật đa truy nhập đường lên LTE SC-FDMA 69 3.5.3 Truyền dẫn liệu hướng lên 72 3.6 Tổng quan kỹ thuật đa ăng ten MIMO 76 3.6.1 Đơn đầu vào Đơn đầu (SISO) 77 3.6.2 Đơn đầu vào đa đầu (SIMO) 78 3.6.3 Đa đầu vào đơn đầu (MISO) 78 3.6.4 Đa đầu vào đa đầu (MIMO) 78 3.6.5 Ăng ten MIMO 4G LTE 81 3.6.5.I Chế độ truyền dẫn đa ăng ten đường xuống LTE 82 3.6.5.2 Chế độ đa ăng ten hướng lên LTE 84 CHƯƠNG - LỚP VẬT LÝ LTE 86 4.1 Các kênh truyền tải ánh xạ chúng tới kênh vật lý 86 4.2 Điều chế 88 4.3 Truyền tải liệu người sử dụng hướng lên 89 4.4 Truyền dẫn liệu người dùng hướng xuống 95 4.5 Truyền dẫn tín hiệu lớp vật lý hướng lên 99 4.5.1 Kênh điều khiển đường lên vật lý ( PUCCH) 101 4.5.2 Cấu hình PUCCH 102 4.5.3 Báo hiệu điều khiển PUSCH 102 4.6 Cấu trúc PRACH (Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý) 106 4.7 Truyền dẫn báo hiệu lớp vật lý hướng xuống 108 4.7.1 Kênh thị định dạng điều khiển vật lý (PCFICH) 108 4.7.2 Kênh điều khiển hướng xuống vật lý ( PCDCH) 109 4.7.3 Kênh thị HARQ vật lý ( PHICH) 111 4.7.4 Các chế độ truyền dẫn hướng xuống 111 4.7.5 Kênh quảng bá vật lý ( PBCH) 112 4.7.6 Tín hiệu đồng 113 4.8.1 Thủ tục HARQ 114 4.8.2 Ứng trước định thời 116 4.8.3 Điều khiển công suất 117 4.8.4 Nhắn tin 118 4.8.5 Thủ tục báo cáo phản hồi kênh 118 4.8.6 Hoạt động chế độ bán song công 119 4.8.7 Các lớp khả UE đặc điểm hỗ trợ 120 4.9 Đo lường lớp vật lý 121 4.9.1 Đo lường eNodeB 121 4.9.2 Đo lường UE 122 4.10 Cấu hình tham số lớp vật lý 122 CHƯƠNG - CÁC THỦ TỤC TRUY NHẬP 124 5.1 Thủ tục dị tìm 124 5.1.1 Các bước thủ tục dị tìm 124 5.1.2 Cấu trúc thời gian/tần số tín hiệu đồng 126 5.1.3 Dị tìm ban đầu dị tìm lân cận 128 5.2 Truy nhập ngẫu nhiên 130 5.2.1 Bước : Truyền dẫn phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên 132 5.2.2 Bước : Đáp ứng truy nhập ngẫu nhiên 136 5.2.3 Bước 3: Nhận dạng thiết bị đầu cuối 137 5.2.4 Bước 4: Giải tranh chấp 138 KẾT LUẬN 140 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sự phân bố tần số hệ thống GSM 18 Hình 2.1 Phát triển kiến trúc 3GPP 28 Hình 2.2 Kiến trúc thành phần mạng 29 Hình 2.2 Kiến trúc hệ thống cho mạng có E-UTRAN 33 Hình 2.4 Nguyên tắc hoạt động MME 35 Hình 2.5 Kết nối S-GW tới nút logic khác 37 Hình 2.6: P-GW kết nối tới node logic khác chức 40 Hình 2.7: PCRF kết nối tới nút logic khác & chức 41 Hình 2.8: Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển EPS 43 Hình 2.9: Ngăn xếp giao thức mặt phẳng người dùng EPC 45 Hình 2.10: Các ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển mặt phẳng người dùng cho giao diện X2 46 Hình 2.11 Kiến trúc dịch vụ mang truyền EPS 48 Hình 2.12 Trạng thái UE chuyển tiếp trạng thái 49 Hình 2.13 Hoạt động chuyển giao 51 Hình 2.14 Khu vực theo dõi cập nhật cho UE trạng thái RRC rảnh rỗi 52 Hình 2.15 Khu vực dịch vụ eMBMS khu vực MBSFN 54 Hình 2.16 Kiến trúc logic eMBMS 55 Hình 2.17 Kiến trúc mặt phẳng người dùng eMBMS cho đồng nội dung 56 Bảng 3.1 Các băng tần vận hành E-UTRAN ( TS 36.101 ) 61 Hình 3.1 Biểu diễn tần số-thời gian tín hiệu OFDM 62 Hình 3.2 Sự tạo ký hiệu OFDM có ích sử dụng IFFT 62 Hình 3.3 Sự tạo chuỗi tín hiệu OFDM 63 Hình 3.4 Cấp phát sóng mang cho OFDM & OFDMA 63 Hình 3.5 Cấu trúc khung loại 64 Hình 3.6 Cấu trúc khung loại 65 Hình 3.7 Tài nguyên đường xuống 65 Hình 3.8 Ghép kênh thời gian – tần số OFDMA 67 Hình 3.9 Phát thu OFDMA 68 Hình 3.10 Sơ đồ khối DFT-S-OFDM 70 Hình 3.11 Tài nguyên đường lên 71 Bảng 3.4 Các tham số cấu trúc khung đường lên ( FDD&TDD) 72 Hình 3.12 Phát & thu hướng lên LTE 74 Hình 3.13 So sánh OFDMA & SC-FDMA truyền chuỗi ký hiệu liệu QPSK 75 Hình 3.14 Các chế độ truy nhập kênh vơ tuyến 77 Hình 3.15 MIMO 2×2 , chưa có tiền mã hóa 79 Hình 3.16 Xử lý tín hiệu cho phân tập phát ghép kênh không gian (MIMO) 81 Hình 3.17: Ăng ten MIMO chế độ hướng lên 85 Hình 4.1 Ánh xạ kênh truyền tải hướng lên tới kênh vật lý 87 Hình 4.3: Các chịm điểm điều chế LTE 88 Hình 4.4: Cấp phát tài nguyên hướng lên điều khiển lập biểu eNodeB 90 Hình 4.5 Cấu trúc khung LTE FDD 91 Hình 4.5: Cấu trúc khung LTE FDD 91 Hình 4.7: Cấu trúc khe đường lên với tiền tố vòng ngắn dài 92 Hình 4.8 Chuỗi mã hóa kênh PUSCH 94 Hình 4.9 Ghép kênh thông tin điều khiển liệu 94 Hình 4.10 Cấp phát tài nguyên đường xuống eNodeB 95 Hình 4.11 Cấu trúc khe đường xuống cho băng thơng 1,4MHz 96 Hình 4.12 Chuỗi mã hóa kênh DL-SCH 96 Hình 4.13 Ví dụ chia sẻ tài ngun đường xuống PDCCH & PDSCH 97 10 ... chức nghiên cứu phát triển hệ thống thông tin di động giới tiến hành nghiên cứu áp dụng thực tế chuẩn cho hệ thống thông tin di động: Thông tin di động 3G 1.1.3 Hệ thống thông tin di động hệ thứ... VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG & GIỚI THIỆU VỀ MẠNG 4G LTE 15 1.Tổng quan hệ thống thông tin di động: 15 1.1.1 Hệ thống thông tin di động hệ thứ ( 1G) 15 1.1.2 Hệ thống thông tin. .. Các hệ thống di động tiện lợi dung lượng thấp so với hệ thống 1.1.1 Hệ thống thông tin di động hệ thứ ( 1G) Những năm cuối thập niên 70, hệ thống điện thoại di động hệ thứ phát triển, hệ thống thông