TIỂU LUẬN môn học kỹ THUẬT TRẢI PHỔ và ỨNG DỤNG công nghệ LTE

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC TIỂU LUẬN MÔN HỌC KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ ỨNG DỤNG Công nghệ LTE Giảng viên: Học viên Lớp KTVT16A: Hà Nội, tháng 3/2017 MỤC LỤC GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE 1.1 Giới thiệu công nghệ LTE 1.2 Các dịch vụ triển khai LTE 1.3 Quản lý tài nguyên vô tuyến 10 CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC MẠNG LTE 11 CHƯƠNG 3: TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE 15 3.1 Các chế độ truy nhập vô tuyến .15 3.2 Băng tần truyền dẫn .15 3.3 Kỹ thuật đa truy nhập 15 3.4 Kỹ thuật đa anten MIMO .17 CHƯƠNG 4: LỚP VẬT LÝ LTE .20 4.1 Điều chế .20 4.2 Truyền tải liệu người sử dụng hướng lên 20 4.3 Truyền tải liệu người sử dụng hướng xuống 24 CHƯƠNG 5: CÁC THỦ TỤC TRUY NHẬP LTE 28 5.1 Dị tìm tế bào .28 5.2 Truy nhập ngẫu nhiên 28 KẾT LUẬN 29 LỜI CẢM ƠN 30 GIỚI THIỆU Trước trình bày vấn đề nghiên cứu chủ đề lần này, nhóm xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hữu Trung tận tình hướng dẫn, cung cấp kiến thức, thơng tin, tài liệu hữu ích để nhóm hồn thiện phần nghiên cứu Giới thiệu công nghệ LTE Sự tăng trưởng mạnh mẽ kinh tế - xã hội năm gầnđây tác động không nhỏ tới nhu cầu cách thức giao tiếp, giải trí tiếp cận thơng tin người Sự bùng nổ khoa học, kỹ thuật công nghệ tạo điều kiện cho nhu cầu phát triển ngày nhanh, với yêu cầu ngày cao đa dạng loại hình dịch vụ, phong phú thiết bị đầu cuối chất lượng dịch vụ  phải không ngừng cải thiện Theo xu đó, hệ thống thơng tin di động phục vụ nhu cầu kết nối không dây liên tục phát triển từ 1G lên 2G, 3G 4G với  thay đổi vượt  bậc khía cạnh cơng nghệ khía cạnh dịch vụ Với xu hướng hội tụ cố định – di động hội tụ viễn thông – internet, cấu trúc mạng dần tách biệt hạ tầng dịch vụ Trong mạng 4G, thân LTE không bao gồm dịch vụ mà đơn phần hạ tầng nhằm đảm bảo truyền dẫn liệu thông suốt thiết bị đầu cuối mạng lõi Với yêu cầu dịch vụ tiên tiến chất lượng cao, 4G/LTEđược thiết kế hướng tới dịch vụ liệu cách cung cấp kết nối tốc độ cao chuyển mạch gói sử dụng IP Mục đích, tính cấp thiết việc nghiên cứu LTE Lý chọn đề tài Cơng nghệ LTE phát triển dựa tiêu chuẩn nhóm cơng nghệ di động 3GPP Cơng nghệ LTE cung cấp tốc độ đường xuống lên tới 100 Mbit/s, đường lên cao 50 Mbit/s Công nghệ LTE hỗ trợ sóng mang từ 1,4 MHz tới 20 MHz hỗ trợ đa truy nhập phân chia theo tần sô (FDD) theo thời gian TDD Mạng lõi công nghệ LTE – SAE thành phần quan trọng công nghệ LTE hệ thống thông tin di động LTE Trong chứa đựng cơng nghệ then chốt giao thức định tính ưu việt công nghệ LTE so với công nghệ trước Xuất phát từ nhu cầu thực tế việc phát triển mạng 3G lên mạng 4G nay, đề tài nghiên cứu: “Công nghệ LTE” cần thiết Kết nghiên cứu, nguồn tham khảo, phục vụ cho việc triển khai thực tế mạng viễn thơng Việt Nam nói chung mạng di động nói riêng Là tiền đề cho đề xuất lộ trình phát triển cho cơng nghệ mạng di động, LTE Việt Nam Bố cục tiểu luận Tiểu luận gồm phần: - Phần 1: Tổng quan công nghệ LTE – Giới thiệu công nghệ LTE, Các dịch vụ triển khai LTE yêu cầu quản lý tài nguyên vô tuyến - Phần 2: Kiến trúc mạng LTE - Trình bày cấu trúc mạng LTE - Phần 3: Truy nhập vô tuyến LTE – Trình bày chế độ truy nhập LTE - Phần 4: Lớp vật lý LTE – Các phương pháp điều chế, truyền tải liệu LTE - Phần 5: Các thủ tục truy nhập LTE – Thủ tục để truy nhập mạng LTE CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE 1.1 Giới thiệu công nghệ LTE Công nghệ LTE hướng phát triển nâng cấp lên công nghệ băng rộng di động có 3G nghiên cứu triển khai từ năm 2004 Đến thời điểm nước giới chủ yếu đánh giá thử nghiệm lập kế hoạch cho việc thương mại hóa cơng nghệ LTE Hình Định hướng phát triển hệ mạng di động (nguồn ITU) Theo sơ đồ phát triển định hướng phát triển mạng hệ ngày rút ngắn khoảng cách hệ từ 4G đến 5G khoảng thời gian từ đến năm, việc cập nhật triển khai công nghệ bắt buộc doanh nghiệp có chuẩn bị gắt gao vòng năm Trên giới nhìn chung quan quản lý viễn thơng, nhà sản suất thiết bị, doanh nghiệp viễn thông lớn Châu Âu ủng hộ công nghệ LTE, cịn Bắc Mỹ Châu Á theo hai xu hướng LTE WiMAX LTE (Long Term Evolution) gọi EUTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access) hay E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network) hệ thứ tư tương lai chuẩn UMTS 3GPP phát triển Đây cơng nghệ có khả cung cấp cho người dùng tốc độ truy cập liệu nhanh, cho phép nhà khai thác phát triển thêm nhiều dịch vụ truy cập sóng vơ tuyến dựa tảng hoàn toàn IP Mục tiêu chủ yếu việc phát triển LTE là: tốc độ truyền liệu cao, độ trễ thấp công nghệ truy cập sóng vơ tuyến gói liệu tối ưu Cụ thể: - Tốc độ liệu: Tốc độ đỉnh liệu 100Mbps cho hướng DL, 50 Mbps cho hướng UL với băng thông sử dụng 20Mhz - Hiệu sử dụng phổ (Spectrum Efficiency): Cho hướng DL gấp đến lần, cho hướng UL gấp đến lần so với phiên 6, sử dụng băng tần cũ băng tần - Trễ (latency): Độ trễ giao thức điều khiển nhỏ 20ms dịch vụ viễn thơng nhỏ 5ms Hình Các định hướng phát triển phiên LTE - Băng thông: Hỗ trợ nhiều băng thông (5, 10, 15, 20 Mhz Mhz) với bước biến đổi 180Khz (một khối băng thông danh định 180 Khz 12 sóng mang con, độ rộng sóng mang 15Khz) Có thể sử dụng băng tần có băng tần mở rộng Hình Cấu trúc tổ chức mạng băng thơng - Tính tương tác: Có thể tương tác với hệ thống sử dụng (hệ thống WCDMA (3G) hệ thống GSM (2G)) hệ thống cho phép triển khai TDD FDD - Giá thành: Giảm giá thành đầu tư CAPEX OPEX kiến trúc đơn giản, giao diện mở để tương thích với nhiều nhà sản xuất - Tính di động: Tối ưu cho tốc độ thấp từ đến 15km/h, hỗ trợ cho tốc độ di động cao (lên tới 350km/h) - Chất lượng dịch vụ (QoS): Hỗ trợ QoS End to End Đối với công nghệ di động 3G, người dùng duyệt Internet gửi mail cách sử dụng notebook có cơng nghệ HSPA, thay modem DSL cố định họ modem HSPA USB, họ gửi nhận đoạn video file âm điện thoại 3G Đối với LTE, người dùng phục vụ tốt LTE đáp ứng tốt yêu cầu băng thông, tốc độ, chất lượng cho ứng dụng truyền thống cho dịch vụ truyền hình tương tác, video blogging, game online dịch vụ chuyên nghiệp khác Hình Kiến trúc mạng LTE 1.2 Các dịch vụ triển khai LTE Hệ thống thơng tin di động LTE đáp ứng tốc độ truy nhập lên tới 200Mb/s, hỗ trợ roaming toàn cầu dựa mạng lõi IP, tương tác mạnh với mạng khác tồn tại… Nhờ hứa hẹn cung cấp nhiều dịch vụ phong phú đa dạng Cũng giống hệ thống thông tin di dộng hệ 3, hệ thống thông tin di động hệ (LTE) cung cấp loại dich vụ: di động, viễn thông internet với tốc độ cao lên đến 200 Mbit/s điều đáng quan tâm dịch vụ đa phương tiện Với khả cung cấp dịch vụ tốc độ bit cao, hệ thống thông tin di động hệ dễ dàng cung cấp dịch vụ điện thọai hình, tải liệu nhanh, dịch vụ thơng tin vị trí, dịch vụ thương mại di động, dịch vụ phân phối nội dung, dịch vụ hỗ trợ tải liệu, dịch vụ điều khiển từ xa, dịch số liệu tốc độ bít thấp, dịch vụ số liệu bít cao Nói chung dịch vụ phân thành hai loại dịch vụ sở dịch vụ đa phương tiện qui vào hình thức dịch vụ: dịch vụ thời gian thực thời gian không thực, dịch vụ nội dung, dịch vụ quản lý Một số dịch vụ điển hình: � liệu người sử dụng tương tự hướng lên Theo lý thuyết hệ thống OFDM sử dụng điều chế khác cho sóng mang Để có kênh thơng tin chất lượng (và báo hiệu) với độ chi tiết khả thi dẫn đến chi phí mức Nếu điều chế riêng sóng mang có nhiều bít hướng đường xuống dành cho báo nhận tham số sóng mang hướng đường lên phản hồi thị chất lượng kênh (CQI) cần phải chi tiết để đạt mức độ chi tiết sóng mang để thích ứng Ngồi khóa dịch pha nhị phân (BPSK) xác định cho kênh điều khiển, sử dụng BPSK QPSK cho truyền dẫn thông tin điều khiển 4.2 Truyền tải liệu người sử dụng hướng lên Dữ liệu người sử dụng hướng lên mang PUSCH, cấu trúc khung 10ms dựa cấp phát tài nguyên miền thời gian miền tần số với 1ms khoảng chia 180kHz Việc phân bổ tài nguyên kèm từ lập biểu đặt eNodeB, minh họa hình 12: 21 Hình 12 Cấp phát tài nguyên hướng lên điều khiển lập biểu eNodeB Do khơng có cố định nguồn tài ngun cho thiết bị, khơng cần tín hiệu trước từ eNodeB nguồn tài nguyên cần truy nhập ngẫu nhiên sử dụng Đối với mục đích thiết bị có nhu cầu cần phải cung cấp thông tin cho lập lịch biểu đường lên yêu cầu truyền dẫn (bộ đệm trạng thái) có dựa nguồn tài ngun cơng suất truyền tải sẵn có Cấu trúc khung thông qua cấu trúc khe 0,5ms sử dụng khe (1 khung con) thời gian cấp phát Chu kỳ cấp phát ngắn 0,5ms có qua cường độ tín hiệu với số lượng lớn người sử dụng Cấu trúc khung 10ms minh họa hình 13 Cấu trúc khung phù hợp cho hai chế độ FDD TDD, chế độ TDD có phần bổ sung cho điểm chuyển tiếp đường lên/đường xuống khung Hình 13 Cấu trúc khung LTE FDD Trong khe 0,5ms có ký hiệu tham chiếu ký hiệu liệu người sử dụng Tốc độ liệu người dùng tạm thời thay đổi chức phân bổ tài nguyên đường lên tùy thuộc vào băng thông tạm thời cấp phát Băng thông cấp phát 20MHz bậc 180kHz Cấp phát liên tục truyền dẫn đường lên FDMA điều chế với ký hiệu truyền thời điểm Băng thông khe điều chỉnh TTI liên tiếp minh họa hình 14 Nơi mà tăng 22 gấp đôi tốc độ liệu kết tăng gấp đôi băng thông sử dụng Các ký hiệu tham chiếu chiếm không gian miền thời gian tốc độ liệu cao kết tăng tương ứng với tốc độ liệu ký hiệu tham chiếu Hình 14 Tốc độ liệu TTI theo hướng lên Tiền tố vòng (Cyclic Prefix) sử dụng đường lên có hai giá trị phụ thuộc vào việc tiền tố vòng ngắn dài áp dụng Các thông số khác không thay đổi khe 0,5ms chứa ký hiệu hình 15 Các tải trọng liệu bị giảm bớt tiền tố vòng mở rộng sử dụng Nhưng khơng sử dụng thường xun thường có lợi hiệu suất có ký hiệu lớn nhiều so với suy giảm có từ nhiễu liên ký tự trễ kênh dài so với tiền tố vịng Hình 15 Cấu trúc khe đường lên với tiền tố vòng ngắn dài Kết tốc độ liệu hướng lên tức thời khung 1ms chức điều chế, số lượng khối tài nguyên cấp phát, tổng số chi phí cho thơng tin điều khiển tốc độ mã hóa kênh áp dụng Phạm vi tốc độ liệu đỉnh hướng lên tức thời tính tốn từ nguồn tài nguyên lớp vật lý khoảng từ 700kbps tới 86Mbps Khơng có đa anten cho truyền tải hướng lên xác định phiên Tốc độ liệu tức thời cho UE phụ thuộc vào đặc điểm đường lên LTE từ yếu tố sau: - Phương thức điều chế áp dụng: với 2, bits ký hiệu điều chế tùy thuộc vào trình tự điều chế với QPSK, 16QAM 64QAM tương ứng - Băng thông áp dụng: 1,4MHz có chi phí lớn có kênh chung tín hiệu đồng Băng thơng tạm thời kênh biến đổi cấp phát tối thiểu 12 sóng mang (một khối tài nguyên 180kHz) băng thơng hệ thống lên đến 1200 sóng mang với băng thông 20MHz 23 - Bước thứ tư bước cuối bao gồm truyền dẫn thông điệp phân giải tranh chấp từ mạng tới thiết bị đầu cuối kênh DL-SCH Bước giải tranh chấp có nhiều thiết bị đầu cuối cố gắng để truy nhập vào hệ thống cách sử dụng tài nguyên truy nhập hệ thống Hình 23 Thủ tục truy nhập ngẫu nhiên KẾT LUẬN Qua phần tìm hiểu kiến trúc, lớp vật lý thủ tục truy nhập LTE Tuy nhiên, LTE gọi với tên khơng thức 3,9G chưa đủ đáp ứng yêu cầu hệ thống thông tin di động thứ tư LTE sử dụng kỹ thuật truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA đường xuống Trong đường lên LTE sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang SC-FDMA Vậy để thức gọi hệ thống thơng tin di động hệ thứ tư, cần tiếp tục tìm hiểu cơng nghệ LTE-Advanced 30 LỜI CẢM ƠN 31 ... trình phát triển cho công nghệ mạng di động, LTE Việt Nam Bố cục tiểu luận Tiểu luận gồm phần: - Phần 1: Tổng quan công nghệ LTE – Giới thiệu công nghệ LTE, Các dịch vụ triển khai LTE yêu cầu quản... Mạng lõi công nghệ LTE – SAE thành phần quan trọng công nghệ LTE hệ thống thơng tin di động LTE Trong chứa đựng công nghệ then chốt giao thức định tính ưu việt cơng nghệ LTE so với cơng nghệ trước... Các thủ tục truy nhập LTE – Thủ tục để truy nhập mạng LTE CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE 1.1 Giới thiệu công nghệ LTE Công nghệ LTE hướng phát triển nâng cấp lên cơng nghệ băng rộng di động