Tìm Hiểu Công Nghệ 4g LTE Advanced - Tài Liệu Text - 123doc

Tải bản đầy đủ (.doc) (76 trang)

1. Trang chủ
>>
2. Kỹ Thuật - Công Nghệ
>>
3. Kĩ thuật Viễn thông

Tìm hiểu công nghệ 4g LTE advanced

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.7 MB, 76 trang )

Đồ án tốt nghiệp Đại họcLời cảm ơnLỜI CẢM ƠNLời đầu tiên em xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo đã giảng dậy emtại trường Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã giúp em học tập kiến thức vàrèn luyện trong khoa Viễn thông cùng với sự hướng dẫn tận tình của TS. Nguyễn ĐứcThủy giúp em hoàn thiện đồ án này.Trước sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của các dịch vụ số liệu, trước xu hướngtích hợp và IP hoá đã đặt ra các yêu cầu mới đối với công nghiệp Viễn thông di động.Mạng thông tin di động thế hệ ba ra đời đã khắc phục được các nhược điểm của cácmạng thông tin di động thế hệ trước đó. Tuy nhiên, mạng di động này cũng có một sốnhược điểm như: Tốc độ truyền dữ liệu vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu ngày càng caocủa người dùng, khả năng đáp ứng các dịch vụ thời gian thực như hội nghị truyền hìnhlà chưa cao, rất khó trong việc download các file dữ liệu lớn, khi đưa một dịch vụ mớivào mạng sẽ gặp rất nhiều vấn đề do tốc độ mạng thấp, tài nguyên băng tần ít,…Trong bối cảnh đó các nhà nghiên cứu đã chuyển hướng sang nghiên cứu hệthống thông tin di động mới có tên gọi là 4G. Sự ra đời của hệ thống này mở ra khảnăng tích hợp tất cả các dịch vụ, cung cấp băng thông rộng, dung lượng lớn, truyềndẫn dữ liệu tốc độ cao, cung cấp cho người sử dụng những hình ảnh video màu chấtlượng cao, các trò chơi đồ hoạ 3D linh hoạt, các dich vụ âm thanh số. Việc phát triểncông nghệ giao thức đầu cuối dung lượng lớn, các dich vụ gói dữ liệu tốc độ cao, côngnghệ dựa trên nền tảng phần mềm công cộng mang đến các chương trình ứng dụngchất lượng cao trên nền các mạng di động.Hiện nay thị trường di động Việt Nam có số thuê bao không ngừng tăng, nhucầu về việc sử dụng các dịch vụ và các dịch vụ đa phương tiện ngày càng cao và càngđòi hỏi cao hơn trong tương lai. Do đó việc triển khai một công nghệ mới như 4G LTEAdvanced để đáp ứng các nhu cầu thị trường trong tương lai là rất cần thiết.Sau một thời gian tìm hiểu, cùng với sự hướng dẫn của tiến sĩ Nguyễn ĐứcThủy, em đã hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Tìm hiểu công nghệ 4GLTE -Advanced” . Nội dung báo cáo gồm những phần chính sau:Chương 1: Giới thiệu về các hệ thống thông tin di động, tổngquan về mạng 4G LTEAdvancedChương 2: Kiến trúc và các kỹ thuật sử dụng trong 4G LTEChương 3: Triển khai 4G tại Việt NamDo 4G LTE-Advanced là một công nghệ tiên tiến, mới triển khai ở Việt Namcùng với khả năng tìm hiểu còn hạn chế, chưa được đầy đủ và xác thực nên đồ án cònnhiều thiếu sót, mong được sự đóng góp ý kiến của thầy cô để bài viết được hoàn thiệnhơn.Em xin chân thành cảm ơn!SVTH: Phan Văn Hoàn-L14VTiĐồ án tốt nghiệp Đại họcMục lụcMỤC LỤCLỜI CẢM ƠN............................................................................................................................................iMỤC LỤC.................................................................................................................................................iiDANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH....................................................................................................ivKÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT..............................................................................................................viCHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG, TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G LTE......1CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC VÀ CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG 4G LTE-ADVANCED...............................172.1.Công nghệ mạng 4G LTE.................................................................................................................172.1.1.Kiến trúc mạng LTE..............................................................................................................172.1.2. Truy nhập vô tuyến trong LTE............................................................................................182.1.3.Kỹ thuật đa truy nhập..........................................................................................................192.1.4.Kỹ thuật đa anten MIMO.....................................................................................................222.1.5.Lớp vật lý LTE ......................................................................................................................242.1.6.Các thủ tục truy nhập LTE....................................................................................................352.2.CÔNG NGHỆ LTE – ADVANCED TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG....................................................372.2.1.Băng thông và phổ tần.........................................................................................................382.2.2.Giải pháp đa anten..............................................................................................................392.2.3.Truyền dẫn đa điểm phối hợp .............................................................................................392.2.4 Các bộ lặp và chuyển tiếp....................................................................................................402.2.5.MCMC CDMA ......................................................................................................................412.2.5.Hệ thống Multicode CDMA..................................................................................................45CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI 4G LTE TẠI VIỆT NAM.....................................................................................553.1.Những yếu tố thúc đẩy phát triển 4G LTE tại Việt Nam..............................................................553.1.1.Tình hình thế giới và trong nước.........................................................................................55DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................69SVTH: Phan Văn Hoàn-L14VTiiĐồ án tốt nghiệp Đại họcSVTH: Phan Văn Hoàn-L14VTMục lụciiiĐồ án tốt nghiệp Đại họcDanh mục các bảng, sơ đồ, hìnhDANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNHHình 1.1: Sự phát triển của các hệ thống thông tin di động...................................................................1Hình 1.2: DynaTAC 8000x: Điện thoại 1G của Motorola sản xuất năm 1974..........................................2Hình 1.3: Cấu trúc cơ bản hệ thống GSM...............................................................................................4Bảng 1.1: Các yêu cầu đối với LTE phiên bản đầu có so sánh với HSPA................................................10Bảng 1.2: Các mục tiêu của mạng 4G....................................................................................................12Bảng 1.3: So sánh các yêu cầu của IMT-Advanced với các yêu cầu LTE-Advanced...............................14Hình 2.1: Kiến trúc mạng 4G LTE..........................................................................................................17Hình 2.2: Phát triển kiến trúc 3GPP hướng tới kiến trúc phẳng hơn...............................................18Hình 2.3: OFDMA và SC-FDMA truyền một chuỗi ký hiệu dữ liệu QPSK...............................................21Hình 2.4: Các chế độ truy nhập kênh vô tuyến....................................................................................22Hình 2.5: MIMO 2x2 không có tiền mã hóa..........................................................................................23Hình 2.6: Các chòm điểm điều chế trong LTE.......................................................................................25Hình 2.7: Cấp phát tài nguyên hướng lên được điều khiển bởi bộ lập biểu eNodeB............................26Hình 2.8: Cấu trúc khung LTE FDD........................................................................................................27Hình 2.9: Tốc độ dữ liệu giữa các TTI theo hướng lên..........................................................................27Hình 2.11: Chuỗi mã hóa kênh PUSCH..................................................................................................29Hình 2.12: Ghép kênh của thông tin điều khiển và dữ liệu..................................................................30Hình 2.13: Cấp phát tài nguyên đường xuống tại eNodeB....................................................................31Hình 2.14: Cấu trúc khe đường xuống cho băng thông 1.4 MHz..........................................................32Hình 2.15: Chuỗi mã hóa kênh DL-SCH.................................................................................................32Hình 2.16: Ví dụ về chia sẻ tài nguyên đường xuống giữa....................................................................33Hình 2.17: Sự tạo thành tín hiệu hướng xuống....................................................................................34Hình 2.18: Thủ tục truy nhập ngẫu nhiên.............................................................................................37Hình 2.19: Ví dụ về khối tập kết sóng mang.........................................................................................39Hình 2.20: Truyền dẫn đa điểm phối hợp.............................................................................................40Hình 2.21: Chuyển tiếp trong LTE-Advanced........................................................................................41Hình 2.22: Sự tạo tín hiệu MC-CDMA cho một người dùng..................................................................42Hình 2.23: Nguyên tắc tạo tín hiệu MC- CDMA....................................................................................43Hình 2.24: Máy phát MC-CDMA tuyến xuống.......................................................................................44Hình 2.25: Sơ đồ khối bộ phát Multi-code CDMA kiểu truyền song song......................................46Hình 2.26: Sơ đồ khối bộ thu Multi-code CDMA kiểu truyền song song...............................................47Hình 2.27: Mô hình bộ phát và thu hệ thống Multi-code CDMA kiểu truyền M-ary............................48Hình 2.28: Mô hình Multi-code CDMA tổng quát.................................................................................49Hình 2.29: Sự tạo tín hiệu rời rạc PMC-MC-CDMA...............................................................................51SVTH: Phan Văn Hoàn-L14VTivĐồ án tốt nghiệp Đại họcDanh mục các bảng, sơ đồ, hìnhHình 2.30: Sơ đồ rút gọn cho sự tạo tín hiệu rời rạc PMC-MC-CDMA..................................................51Hình 2.31: Sự tạo tín hiệu rời rạc MMC-MC-CDMA..............................................................................52Hình 3.1: Lộ trình triển khai LTE Advanced và LTE Advanced Pro.........................................................55Hình 3.2: Số lượng mẫu thiết bị hỗ trợ người dùng LTE qua các năm..................................................57Hình 3.3: Tốc độ đo thử nghiệm 4G Viettel tại Vũng Tàu.....................................................................59Hình 3.4: Tốc độ đo và so sánh 4G với 3G của Vinaphone trong lần đầu thử nghiệm tại thành phố HồChí Minh...............................................................................................................................................60Hình 3.5: Tốc độ đo thử nghiệm của Mobifone....................................................................................61Bảng 3.1: Các gói cước 4G của Viettel..................................................................................................62Bảng 3.2: Giá cước 4G của Vinaphone..................................................................................................63Bảng 3.3: Các gói cước 4G của Mobifone.............................................................................................63Hình 3.6: Điện thoại 4G vẫn có giá thành khá đắt so với thu nhập người dân......................................64Hình 3.7: Mạng 4G Mobifone...............................................................................................................66Bảng 3.4: 4G Mobifone tuân thủ 3GPP Release 10 trở lên...................................................................67SVTH: Phan Văn Hoàn-L14VTvĐồ án tốt nghiệp Đại họcChương 1: Giới thiệu về các hệ thống thông tindi động, tổng quan về mạng 4G LTEKÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT1GOne Generation CellularHệ thống thông tin di độngthế hệthứ nhất2GSecond Generation CellularHệ thống thông tin di độngthế hệthứ hai3GThird Generation CellularHệ thống thông tin di độngthế hệthứ ba4GFour Generation CellularHệ thống thông tin di độngthế hệthứ tư3GPPThird Generation PatnershipProjectDự án hợp tác thế hệ 3ACKAcknowledgementTín hiệu xác nhậnBCCBroadcast Control ChannelKênh điều khiển quảng báBCBroadcast ChannelKênh quảng báBWBand WidthBăng thôngCDMACode Division Multiple AccessĐa truy cập phân chia theo mãCPCycle PrefixTiền tố lặpDSCDownlink Share ChannelKênh chia sẻ đường xuốngDLDownlinkHướng xuốngEDRSEEnhance Data rates for GSMEvolutionTốc độ dữ liệu tăng cường cho mạngE-UTRANEvolved UMTS Terrestrial RadioAccessMạng truy nhập vô tuyến cải tiếnEPCEvolved Packet CoreMạng lõi góie NodeBEnhance NodeBNodeB cải tiếnFDMAFrequency Division Multiple AccessĐa truy cập phân chia theo tần sốFDFrequencyDivisionGhép kênh phân chia theo tần sốDFECDuplexing Forward Error CorrectionSửa lỗi hồi tiếpGSMGPRSGlobal System for MobileGeneral Packet Radio ServiceHệ thống di động toàn cầuGIGuard IntervalKhoảng bảo vệDịch vụ gói vô tuyến thông dụngHSDPAHigh Speed Downlink Packet Access Truy nhập gói đường xuống tốc độcaoHSOPAHigh Speed OFDM Packet AccessSVTH: Phan Văn Hoàn-L14VTTruy cập gói OFDM tốc độ caoviĐồ án tốt nghiệp Đại họcChương 1: Giới thiệu về các hệ thống thông tindi động, tổng quan về mạng 4G LTEHSPAHigh Speed Packet AccessTruy nhập gói tốc độ caoHSSHome Subscriber ServerQuản lý thuê baoITUĐơn vị viễn thông quốc tếIPInternational TelecommunicationUnionInternet ProtocolIPSIP Multimedia Sub-systemHệ thống đa phương tiện sử dụng IPISIInter-Symbol InterferenceNhiễu liên ký tựIFFTInverse Fast Fourier TransformBiến đổi Fourier ngượcLTELong Term EvolutionPhát triển dài hạnMSMobile StationTrạm di độngBSBase StationTrạm gốcMIMOMulti Input Multi OutputĐa ngõ vào đa ngõ raMNEMobility Management EntityQuản lý tính di độngMACMedium Access ControlĐiều khiển trung nhập trung bìnhMU-MIMOMulti User – MIMOĐa người dùng - MIMOMCSModulation Coding SchemeKỹ thuật mã hóa và điều chếOFDMPAPROrthogonal Frequency DivisionMultiplePeak-to-Average Power RatioPDSCPUCCPhysical Downlink Shared ChannelPhysical Uplink Control ChannelGhép kênh phân chia theo tần sốtrực giaoTỷ số công suất đỉnh trên công suấttrung bìnhKênh vật lý chia sẻ đường xuốngKênh vật lý điều khiển đường lênPDCCKênh vật lý điều khiển đường xuốngPBCPhysical Downlink ControlChannelPhysical Broadcast ChannelPCCPaging Control ChannelKênh điều khiển tin nhắnQoSQuality of ServicesChất lượng dịch vụRLCRadio Link ControlĐiều khiển kết nối vô tuyếnRRCRadio Resource ControlĐiều khiển tài nguyên vô tuyếnRBResource BlockKhối tài nguyênREResource ElementThành phần tài nguyênGiao thức internetKênh vật lý quảng báRSRPReference Signal Receive PowerCông suất thu tín hiệu tham khảoRSRQReference Signal Receive QualityChất lượng thu tín hiệu tham khảoSDRSoftware - Defined RadioPhần mềm nhận dạng vô tuyếnSNRSignal to Noise RatioTỷ số tín hiệu trên nhiễuSCFDMASingle Carrier Frequency Divisionmultiple AccessĐa truy cập phân chia theo tần sốtrực giao đơn sóng mangSMSShort Message ServiceTin nhắn ngắnSVTH: Phan Văn Hoàn-L14VTviiĐồ án tốt nghiệp Đại họcChương 1: Giới thiệu về các hệ thống thông tindi động, tổng quan về mạng 4G LTESAESystem Architecture EnhanceCấu trúc hệ thống tăng cườngSGPRSServing GPRS Support NodeNút cung cấp dịch vụ GPRSSUMIMOTDMASingle User Multi Input MultiOutputTime Division Multiple AccessĐơn user MIMOTTITime Transmit IntervalKhoảng thời gian phátTDDTime Division DuplexingGhép kênh phân chia theo thời gianTPCTransmit Power CommandLệnh công suất phátUMBUltra Mobile BroadbandDi động băng rộng mở rộngULUplinkĐường lênUTRANMạng truy nhập vô tuyến mặt đấtUEUTMS Terrestrial Radio AccessNetworksUniversal TelecommunicationMobile SystemUser EquipmentVHEVirtual Home EnvironmentMôi trường nhà ảoWCDMAWideband Code Division MultipleAccessĐa truy cập phân chia theo mã băngrộngWAPWireless Applicaion ProtocolGiao thức ứng dụng không dâyUTMSSVTH: Phan Văn Hoàn-L14VTĐa truy cập phân chia theo thời gianHệ thống thông tin di động toàn cầuThiết bị người dùng (Di động)viiiĐồ án tốt nghiệp Đại họcChương 1: Giới thiệu về các hệ thống thông tindi động, tổng quan về mạng 4G LTECHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG,TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G LTE.Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng của đời sống xã hội. Nhờ có sựbùng nổ thông tin di động tại Việt Nam đã đem lại sự tiện ích, phát triển về nhiều mặtkinh tế, xã hội, chính trị… Từ khi hình thành và phát triển, công nghệ thông tin diđộng đã trải qua các thế hệ: 1G (First Generation), 2G (Second Generation), 3G(Third Generation), 4G (Fourth Generation), 5G (đang nghiên cứu). Tại Việt Nam, cácnhà mạng Viettel, Vinaphone, Mobiphone đã thử nghiệm, xây dựng cơ sở hạ tầng vàbước đầu triển khai hệ thống di động 4G LTE.1.1. Sự phát triển của hệ thống thông tin di độngKhi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý tưởng về cácthiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di động saunày. Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm tại ST Louis,bang Missouri của Mỹ.Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đến lĩnhvực thông tin di động. Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin di động đã cảithiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được và linh kiện bán dẫn ngày nayđóng vai trò không thể thiếu trong các thiết bị di động của người dung.Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết hợp đượccác vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải được bài toán khó về dung lượng.Hình 1.1: Sự phát triển của các hệ thống thông tin di độngSVTH: Phan Văn Hoàn-L14VT1Đồ án tốt nghiệp Đại họcChương 1: Giới thiệu về các hệ thống thông tindi động, tổng quan về mạng 4G LTE1.1.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ 1G (First Generation)Những hệ thống thông tin di động đầu tiên, nay được gọi là thế hệ thứ nhất(1G), dịch vụ đơn thuần là thoại. Các hệ thống 1G đảm bảo truyền dẫn tương tự dựatrên FDM với kết nối mạng lõi dựa trên TDM. Với FDMA, người dùng được cấp phátmột kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số. Trong trường hợpnếu số thuê bao nhiều vượt trội so với các kênh tần số có thể, thì một số người bị chặnlại không được truy cập.Đặc điểm của hệ thống 1G là mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thờigian thông tuyến, nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau đáng kể.Trạm thuphát gốc BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS trong cell. Hệ thống sửdụng phương pháp đa truy nhập đơn giản do đó khi nhu cầu người dùng tăng về cả vềsố lượng, dung lượng, tốc độ thì nó bộc lộ các hạn chế bao gồm:- Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ.- Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịchtrong môi trường fading đa tia.- Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi.- Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở châuÂu, làm cho thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở cácnước khác.- Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động vàcơ sở hạ tầng.Hình 1.2: DynaTAC 8000x: Điện thoại 1G của Motorola sản xuất năm 1974Một số hệ thống điển hình:SVTH: Phan Văn Hoàn-L14VT2Đồ án tốt nghiệp Đại họcChương 1: Giới thiệu về các hệ thống thông tindi động, tổng quan về mạng 4G LTENMT (Nordic Mobile Telephone System) : Hệ thống điện thoại diđộng Bắc Âu sử dụng băng tần 900 MHz triển khai tại các nước Bắc Âu vàonăm 1981.TACS (Total Access Communication System): Hệ thống thôngtin truy nhập tổng thể được triển khai tại Anh vào năm 1985.AMPS (Advanced Mobile Phone System): Hệ thống điện thoạitiên tiến được triển khai ở Bắc Mỹ năm 1978 hoạt động trên băng tần 800 MHz.Thông thường, các công nghệ 1G được triển khai tại một nước hoặc nhóm cácnước, không được tiêu chuẩn hóa bởi các cơ quan tiêu quốc tế và không có ý địnhdành cho sử dụng quốc tế.1.1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ 2G (Second Generation)Khác với hệ thống thông tin di động 1G, các công nhệ 2G được thiết kế để triểnkhai quốc tế. Thiết kế 2G nhấn mạnh hơn lên tính tương thích, khả năng chuyển mạchphức tạp và sử dụng truyền dẫn tiếng số hóa trên vô tuyến. Tính năng cuối cùng chínhlà yêu cầu đối với 2G. Là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách cũng nhưkhác hoàn toàn so với thế hệ đầu tiên. Thế hệ 2G sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số thaycho tín hiệu analog của thế hệ 1G và được áp dụng lần đầu tiên tại Phần Lan bởiRadiolinja (hiện là nhà cung cấp mạng con của tập đoàn Elisa Oyj) trong năm 1991.Mạng 2G mang tới cho người sử dụng di động ba lợi ích tiến bộ trong suốt một thờigian dài: mã hoá dữ liệu theo dạng kỹ thuật số, phạm vi kết nối rộng hơn 1G và đặcbiệt là sự xuất hiện của tin nhắn dạng văn bản đơn giản – SMS. Theo đó, các tin hiệuthoại khi được thu nhận sẽ đuợc mã hoá thành tín hiệu kỹ thuật số dưới nhiều dạng mãhiệu (codecs), cho phép nhiều gói mã thoại được lưu chuyển trên cùng một băngthông, tiết kiệm thời gian và chi phí. Song song đó, tín hiệu kỹ thuật số truyền nhậntrong thế hệ 2G tạo ra nguồn năng lượng sóng nhẹ hơn và sử dụng các chip thu phátnhỏ hơn, tiết kiệm diện tích bên trong thiết bị hơn…Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thờigian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở châu Âu và có tên gọi là GSM. Vớisự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ 2 lúc đó đãđáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số. Hệ thống2G hấp dẫn hơn hệ thống 1G bởi vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống nàycòn có khả năng cung cấp một số dịch vụ truyền dữ liệu và các dịch vụ bổ sung khác.Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm 1993. Hiệnnay, các mạng di động Viettel, Vinaphone, Mobiphone, Vietnammobile…vẫn đangkhai thác rất hiệu quả dịch vụ 2G theo tiêu chuẩn GSM. Tuy nhiên, hiện này Viettel đãcó đề xuất muốn khai tử mạng 2G để sử dụng lại băng tần cho 4G.SVTH: Phan Văn Hoàn-L14VT3Đồ án tốt nghiệp Đại họcChương 1: Giới thiệu về các hệ thống thông tindi động, tổng quan về mạng 4G LTEHình 1.3: Cấu trúc cơ bản hệ thống GSMTất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đều sử dụng kỹ thuật điều chế số. Vàchúng sử dụng 2 phương pháp đa truy cập:Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division MultipleAccess - TDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau.Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access CDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau.A.Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMATrong hệ thống TDMA phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chiathành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho N kênh liênlạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian (Time slot) trong chu kỳ một khung. Tin tứcđược tổ chức dưới dạng gói, mỗi gói có bit chỉ thị đầu gói, chỉ thị cuối gói, các bitđồng bộ và các bit dữ liệu. Không như hệ thống FDMA, hệ thống TDMA truyền dẫndữ liệu không liên tục và chỉ sử dụng cho dữ liệu số và điều chế số.Các đặc điểm của TDMATDMA có thể phân phát thông tin theo hai phương pháp là phânđịnh trước và phân phát theo yêu cầu. Trong phương pháp phân định trước,việc phân phát các cụm được định trước hoặc phân phát theo thời gian. Ngượclại trong phương pháp phân định theo yêu cầu các mạch được tới đáp ứng khicó cuộc gọi yêu cầu, nhờ đó tăng được hiệu suất sử dụng mạch.SVTH: Phan Văn Hoàn-L14VT4Đồ án tốt nghiệp Đại họcChương 1: Giới thiệu về các hệ thống thông tindi động, tổng quan về mạng 4G LTETrong TDMA các kênh được phân chia theo thời gian nên nhiễugiao thoa giữa các kênh kế cận giảm đáng kể.TDMA sử dụng một kênh vô tuyến để ghép nhiều luồng thông tinthông qua việc phân chia theo thời gian nên cần phải có việc đồng bộ hóa việctruyền dẫn để tránh trùng lặp tín hiệu. Ngoài ra, vì số lượng kênh ghép tăng nênthời gian trễ do truyền dẫn đa đường không thể bỏ qua được, do đó sự đồng bộphải tối ưu.B.Đa truy cập phân chia theo mã CDMAĐối với hệ thống CDMA, tất cả người dùng sẽ sử dụng cùng lúc một băng tần.Tín hiệu truyền đi sẽ chiếm toàn bộ băng tần của hệ thống. Tuy nhiên, các tín hiệu củamỗi người dùng được phân biệt với nhau bởi các chuỗi mã. Thông tin di động CDMAsử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vôtuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi, mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau.Kênh vô tuyến CDMA được dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và những kênhnày cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN.Trong hệ thống CDMA, tín hiệu bản tin băng hẹp được nhân với tín hiệu băngthông rất rộng, gọi là tín hiệu phân tán. Tín hiệu phân tán là một chuỗi mã giả ngẫunhiên mà tốc độ chip của nó rất lớn so với tốc độ dữ liệu. Tất cả các users trong một hệthống CDMA dùng chung tần số sóng mang và có thể được phát đồng thời. Mỗi usercó một từ mã giả ngẫu nhiên riêng của nó và nó được xem là trực giao với các từ mãkhác. Tại máy thu, sẽ có một từ mã đặc trưng được tạo ra để tách sóng tín hiệu có từmã giả ngẫu nhiên tương quan với nó. Tất cả các mã khác được xem như là nhiễu. Đểkhôi phục lại tín hiệu thông tin, máy thu cần phải biết từ mã dùng ở máy phát. Mỗithuê bao vận hành một cách độc lập mà không cần biết các thông tin của máy khác.Đặc điểm của CDMA:Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz.Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độtrường rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA, TDMA.Việc các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến chothiết bị truyền dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không cònvấn đề, chuyển giao trở thành mềm, điều khiển dung lượng cell rất linh hoạt.Chất lượng thoại cao hơn, dung lượng hệ thống tăng đáng kể (cóthể gấp từ 4 đến 6 lần hệ thống GSM), độ an toàn (tính bảo mật thông tin) caohơn do sử dụng dãy mã ngẫu nhiên để trải phổ, kháng nhiễu tốt hơn, khả năngthu đa đường tốt hơn, chuyển vùng linh hoạt. Do hệ số tái sử dụng tần số là 1nên không cần phải quan tâm đến vấn đề nhiễu đồng kênh.CDMA không có giới hạn rõ ràng về số người sử dụng nhưTDMA và FDMA. Còn ở TDMA và FDMA thì số người sử dụng là cố định,không thể tăng thêm khi tất cả các kênh bị chiếm.SVTH: Phan Văn Hoàn-L14VT5Đồ án tốt nghiệp Đại họcChương 1: Giới thiệu về các hệ thống thông tindi động, tổng quan về mạng 4G LTEHệ thống CDMA ra đời đã đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn dịchvụ thông tin di động tế bào. Đây là hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốcđộ bit thông tin của người sử dụng là 8-13 kbps.Một số hệ thống điển hình:GSM (Global System for Mobile Communication: Thông tin diđộng toàn cầu) sử dụng phương thức truy nhập TDMA được triển khai tại ChâuÂuD-AMPS (IS-136- Digital Advanced Mobile Phone System: Hệthống điện thoại di động tiên tiến số) được triển khai tại MỹIS 95 (CDMA one) sử dụng phương thức truy nhập CDMA đượctriển khai tại Mỹ và Hàn QuốcPDC (Personal Digital Cellular: Điện thoại di động số cá nhân) sửdụng phương pháp đa truy nhập TDMA được triển khai tại Nhật Bản.1.1.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3G (Th Generation)Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một giai đoạntrung gian là thế hệ 2,5G sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiều khe hoặcnhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể chồng lên phổ tần củathế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng đã được đưa vào sửdụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x.GPRS (General Packet Radio Service: Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp) là mộtdịch vụ dữ liệu di động dạng gói dành cho những người dùng hệ thống thông tin diđộng toàn cầu (GSM) và điện thoại di động IS-136. Nó cung cấp dữ liệu ở tốc độ từ 56đến 114 kbps. GPRS có thể được dùng cho những dịch vụ như truy cập Giao thức Ứngdụng Không dây (WAP), Dịch vụ tin nhắn ngắn (SMS), Dịch vụ nhắn tin đa phươngtiện (MMS), và với các dịch vụ liên lạc Internet như email và truy cập World WideWeb. Dữ liệu được truyền trên GPRS thường được tính theo từng megabyte đi qua,trong khi dữ liệu liên lạc thông qua chuyển mạch truyền thống được tính theo từngphút kết nối, bất kể người dùng có thực sự đang sử dụng dung lượng hay đang trongtình trạng chờ. GPRS là một dịch vụ chuyển mạch gói nỗ lực tối đa, trái với chuyểnmạch, trong đó một mức Chất lượng dịch vụ (QoS) được bảo đảm trong suốt quá trìnhkết nối đối với người dùng cố định.Các hệ thống di động 2G kết hợp với GPRS thường được gọi là "2.5G", cónghĩa là, một công nghệ trung gian giữa thế hệ điện thoại di động thứ hai (2G) và thứba (3G). Nó cung cấp tốc độ truyền tải dữ liệu vừa phải, bằng cách sử dụng các kênhĐa truy cập theo phân chia thời gian (TDMA) đang còn trống, ví dụ, hệ thống GSM.Trước đây đã có suy nghĩ sẽ mở rộng GPRS để bao trùm những tiêu chuẩn khác,nhưng thay vào đó những mạng đó hiện đang được chuyển đổi để sử dụng chuẩnGSM, do đó GSM là hình thức mạng duy nhất sử dụng GPRS. GPRS được tích hợpvào GSM Release 97 và những phiên bản phát hành mới hơn. Ban đầu nó được ViệnSVTH: Phan Văn Hoàn-L14VT6Đồ án tốt nghiệp Đại họcChương 1: Giới thiệu về các hệ thống thông tindi động, tổng quan về mạng 4G LTEtiêu chuẩn Viễn thông châu Âu (ETSI) đặt tiêu chuẩn, nhưng nay là Dự án Đối tác Thếhệ thứ ba (3GPP).Thông thường, dữ liệu GPRS được tính theo kilobyte thông tin truyền nhận,trong khi kết nối dữ liệu theo dạng chuyển mạch được tính theo giây. Cách tính saukhông phù hợp vì ngay cả khi không có dữ liệu truyền dẫn, những người dùng tiềmnăng khác vẫn không thể tận dụng được băng thông.Phương pháp đa truy cập dùng trong GSM kết hợp GPRS dựa trên song côngchia theo tần số (FDD) và đa truy cập theo phân chia thời gian (TDMA). Trong suốtmột phiên kết nối, người dùng được gán cho một cặp kênh tần số tải lên và tải xuống.Cái này sẽ phối hợp với ghép kênh thống kê theo miền thời gian, có nghĩa là liên lạctheo chế độ gói tin, điều này sẽ giúp cho vài người dùng có thể chia sẻ cùng một kênhtần số. Các gói này có độ dài cố định, tùy theo khoảng thời gian GSM. Tải xuống sửdụng định thời gói theo cơ chế tới trước làm trước (FIFO), trong khi tải lên sử dụngmô hình rất giống với reservation ALOHA. Điều này có nghĩa là slotted Aloha (SALOHA) được dùng để tham vấn chỗ trống trong bước tranh chấp, và sau đó dữ liệuthật sự được truyền bằng cách sử dụng TDMA động với định thời đến trước làm trước.3G là thuật ngữ dùng để chỉ các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (ThirdGeneration). Đã có rất nhiều người nhầm lẫn một cách vô ý hoặc hữu ý giữa hai kháiniệm 3G và UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems). Mạng 3G(Third-generation technology) là thế hệ thứ ba của chuẩn công nghệ điện thoại diđộng, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tinnhắn nhanh, hình ảnh...). 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và chuyểnmạch kênh. Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio hoàn toàn khác so với hệthống 2G hiện nay. Điểm mạnh của công nghệ này so với công nghệ 2G và 2.5G làcho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê baocố định và thuê bao đang di chuyển ở các tốc độ khác nhau. Với công nghệ 3G, cácnhà cung cấp có thể mang đến cho khách hàng các dịch vụ đa phương tiện, như âmnhạc chất lượng cao; hình ảnh video chất lượng và truyền hình số; Các dịch vụ định vịtoàn cầu (GPS); E-mail;video streaming; High-ends games;...Quốc gia đầu tiên đưa mạng 3G vào sử dụng rộng rãi là Nhật Bản. Vào năm2001, NTT Docomo là công ty đầu tiên ra mắt phiên bản thương mại của mạng WCDMA. Năm 2003 dịch vụ 3G bắt đầu có mặt tại châu Âu. Tại châu Phi, mạng 3Gđược giới thiệu đầu tiên ở Maroc vào cuối tháng 3 năm 2007 bởi Công ty Wana.Để hiểu thế nào là công nghệ 3G, hãy xét qua đôi nét về lịch sử phát triển củacác hệ thống điện thoại di động. Mặc dù các hệ thống thông tin di động thử nghiệmđầu tiên được sử dụng vào những năm 1930 - 1940 trong các sở cảnh sát Hoa Kỳnhưng các hệ thống điện thoại di động thương mại thực sự chỉ ra đời vào khoảng cuốiSVTH: Phan Văn Hoàn-L14VT7Đồ án tốt nghiệp Đại họcChương 1: Giới thiệu về các hệ thống thông tindi động, tổng quan về mạng 4G LTEnhững năm 1970 đầu những năm 1980. Các hệ thống điện thoại thế hệ đầu sử dụngcông nghệ tương tự và người ta gọi các hệ thống điện thoại kể trên là các hệ thống 1G.Khi số lượng các thuê bao trong mạng tăng lên, người ta thấy cần phải có biệnpháp nâng cao dung lượng của mạng, chất lượng các cuộc đàm thoại cũng như cungcấp thêm một số dịch vụ bổ sung cho mạng. Để giải quyết vấn đề này người ta đã nghĩđến việc số hoá các hệ thống điện thoại di động, và điều này dẫn tới sự ra đời của cáchệ thống điện thoại di động thế hệ 2. Ở châu Âu, vào năm 1982 tổ chức các nhà cungcấp dịch vụ viễn thông châu Âu (CEPT – Conférence Européene de Postes etTelécommunications) đã thống nhất thành lập một nhóm nghiên cứu đặc biệt gọi làGroupe Spéciale Mobile (GSM) có nhiệm vụ xây dựng bộ các chỉ tiêu kỹ thuật chomạng điện thoại di động toàn châu Âu hoạt động ở dải tần 900 MHz. Nhóm nghiêncứu đã xem xét nhiều giải pháp khác nhau và cuối cùng đi đến thống nhất sử dụng kỹthuật đa truy nhập phân chia theo thời gian băng hẹp (Narrow Band TDMA). Năm1988 phiên bản dự thảo đầu tiên của GSM đã được hoàn thành và hệ thống GSM đầutiên được triển khai vào khoảng năm 1991. Kể từ khi ra đời, các hệ thống thông tin diđộng GSM đã phát triển với một tốc độ hết sức nhanh chóng, có mặt ở 140 quốc gia vàcó số thuê bao lên tới gần 1 tỷ. Lúc này thuật ngữ GSM có một ý nghĩa mới đó là Hệthống thông tin di động toàn cầu (Global System Mobile). Cũng trong thời gian kểtrên, ở Mỹ các hệ thống điện thoại tương tự thế hệ thứ nhất AMPS được phát triểnthành các hệ thống điện thoại di động số thế hệ 2 tuân thủ tiêu chuẩn của hiệp hội viễnthông Mỹ IS-136. Khi công nghệ CDMA (Code Division Multiple Access – IS-95) rađời, các nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di động ở Mỹ cung cấp dịch vụ mode songsong, cho phép thuê bao có thể truy cập vào cả hai mạng IS-136 và IS-95.Các tiêu chuẩn 3G thương mại: Công nghệ 3G được nhắc đến như là mộtchuẩn IMT-2000 của Tổ chức Viễn thông Thế giới (ITU), thống nhất trên thế giới.Tuy nhiên, trên thực tế các nhà sản xuất thiết bị viễn thông lớn trên thế giới đã xâydựng thành 4 chuẩn 3G thương mại chính:W-CDMA: Tiêu chuẩn W-CDMA là nền tảng của chuẩn UMTS(Universal Mobile Telecommunication System), dựa trên kỹ thuật CDMA trảiphổ dãy trực tiếp, trước đây gọi là UTRA FDD, được xem như là giải phápthích hợp với các nhà khai thác dịch vụ di động (Mobile network operator) sửdụng GSM, tập trung chủ yếu ở châu Âu và một phần châu Á (trong đó có ViệtNam). UMTS được tiêu chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP, cũng là tổ chức chịu tráchnhiệm định nghĩa chuẩn cho GSM, GPRS và EDGE. FOMA, thực hiện bởicông ty viễn thông NTT DoCoMo Nhật Bản năm 2001, được coi như là mộtdịch vụ thương mại 3G đầu tiên. Tuy nhiên, tuy là dựa trên công nghệ WCDMA, công nghệ này vẫn không tương thích với UMTS (mặc dù có các bướctiếp hiện thời để thay đổi lại tình thế này).CDMA 2000: Một chuẩn 3G quan trọng khác là CDMA2000, làthế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95. Các đề xuất của CDMA2000nằm bên ngoài khuôn khổ GSM tại Mỹ, Nhật Bản và Hàn Quốc. CDMA2000SVTH: Phan Văn Hoàn-L14VT8Đồ án tốt nghiệp Đại họcChương 1: Giới thiệu về các hệ thống thông tindi động, tổng quan về mạng 4G LTEđược quản lý bởi 3GPP2, là tổ chức độc lập với 3GPP. Có nhiều công nghệtruyền thông khác nhau được sử dụng trong CDMA2000 bao gồm 1xRTT,CDMA2000-1xEV-DO và 1xEV-DV. CDMA 2000 cung cấp tốc độ dữ liêu từ144 kbit/s tới trên 3 Mbit/s. Chuẩn này đã được chấp nhận bởi ITU. Người tacho rằng sự ra đời thành công nhất của mạng CDMA-2000 là tại KDDI củaNhật Bản, dưới thương hiệu AU với hơn 20 triệu thuê bao 3G. Kể từ năm 2003,KDDI đã nâng cấp từ mạng CDMA2000-1x lên mạng CDMA2000-1xEV-DO(EV-DO) với tốc độ dữ liệu tới 2.4 Mbit/s. Năm 2006, AU dự kiến nâng cấpmạng lên tốc độ Mbit/s. SK Telecom của Hàn Quốc đã đưa ra dịch vụCDMA2000-1x đầu tiên năm 2000, và sau đó là mạng 1xEV-DO vào tháng 2năm 2002.TD-CDMA: Chuẩn TD-CDMA, viết tắt từ Time-division-CDMA,trước đây gọi là UTRA TDD, là một chuẩn dựa trên kỹ thuật song công phânchia theo thời gian (Time-division duplex). Đây là một chuẩn thương mại ápdụng hỗn hợp của TDMA và CDMA nhằm cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơncho truyền thông đa phương tiện trong cả truyền dữ liệu lẫn âm thanh, hình ảnh.Chuẩn TD-CDMA và W-CMDA đều là những nền tảng của UMTS, tiêu chuẩnhóa bởi 3GPP, vì vậy chúng có thể cung cấp cùng loại của các kênh khi có thể.Các giao thức của UMTS là HSDPA/HSUPA cải tiến cũng được thực hiện theochuẩn TD-CDMA.TD-SCDMA: Chuẩn được ít biết đến hơn là TD-SCDMA (TimeDivision Synchronous Code Division Multiple Access) đang được phát triển tạiTrung Quốc bởi các công ty Datang và Siemens, nhằm mục đích như là mộtgiải pháp thay thế cho W-CDMA. Nó thường xuyên bị nhầm lẫn với chuẩn TDCDMA. Cũng giống như TD-CDMA, chuẩn này dựa trên nền tảng UMTS-TDDhoặc IMT 2000 Time-Division (IMT-TD). Tuy nhiên, nếu như TD-CDMA hìnhthành từ giao thức mang cũng mang tên TD-CDMA, thì TD-SCDMA phát triểndựa trên giao thức của S-CDMA.1.2.Tổng quan về hệ thống thông tin di động 4G LTELTE (Long Term Evolution: Phát triển dài hạn) là tên danh cho tiêu chuẩn mớido 3GPP phát triển để đáp ứng các yêu cầu không ngừng tang về tốc độ số liệu để đápứng các dịch vụ đa phương tiện IP. LTE là bước phát triển tiếp sau của các hệ thống2G và 3G để tiến đến cung cấp mức độ chất lượng tương tự như các hệ thống hữutuyến hiện nay.Các mục tiêu chính của LTE bao gồm:Hệ thống phải hỗ trợ tốc độ đỉnh đường lên là 100Mbps và đườngxuống là 50Mbps trong bang thong 20 MHz hay tương đương với các giá trịhiệu suất phổ tần đinh là 5bps/Hz đường lên. Hệ thống tham chuẩn có 2 antentrong UE đường xuống và 1 anten cho UE đường lênTại điểm 5% CDF (xác suất 5% mất thông tin), thông lượng trungbình của người sử dụng lên 1 MHz gấp từ hai đến ba lần R6 HSPA.SVTH: Phan Văn Hoàn-L14VT9Đồ án tốt nghiệp Đại họcChương 1: Giới thiệu về các hệ thống thông tindi động, tổng quan về mạng 4G LTEHiệu suất phổ tần đường xuống gấp từ ba đến bốn lần R6 HSPAvà đường lên gấp từ hai đến ba lần R6 HSPA trong mạng có tảiTốc độ di động lên tới 350 km/hSử dụng phổ linh hoạt, đồng tồn tại các công nghệ đi trước vàgiảm độ phức tạp cũng như giá thànhHSPA R6TrễLTEMặt CP