Đồ án: Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE (Long Term Evolution)

Chia sẻ: Bui Trung Hung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:123

Thêm vào BST

Báo xấu

293
lượt xem 127
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong những năm gần đây, mạng không dây ngày càng trở nên phổ biến với sự ra đời của hàng loạt những công nghệ khác nhau như Wi-Fi (802.1x), WiMax (802.16)...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án: Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE (Long Term Evolution)

5 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, mạng không dây ngày càng trở nên phổ biến với sự ra đời của hàng loạt những công nghệ khác nhau nhƣ Wi-Fi (802.1x), WiMax (802.16)... Cùng với đó là tốc độ phát triển nhanh, mạnh của mạng viễn thông phục vụ nhu cầu sử dụng của hàng triệu ngƣời mỗi ngày. 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 trƣờng viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung lƣợng 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 nhƣ WCDMA hay HSPA là một tất yếu để có thể đáp ứng đƣợc nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của ngƣời sử dụng. Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G hay 3G vẫn đang phát triển không ngừng nhƣng 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 tƣơng 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 thƣơng mại hóa LTE đã đến rất gần. Trƣớc đây, muốn truy cập dữ liệu, phải cần có 1 đƣờng dây cố định để kết nối. Trong tƣơng lai không xa với LTE, có thể truy cập tất cả các dịch vụ mọi lúc mọi nơi trong khi vẫn di chuyển: xem phim chất lƣợng 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 tƣ (4G). Tuy vẫn còn khá mới mẻ nhƣng mạng di động băng rộng 4G đang đƣợc kỳ vọng sẽ tạo ra nhiều thay đổi khác biệt so với những mạng di động hiện nay. Chính vì vậy, em đã lựa chọn làm đồ án tốt nghiệp về đề tài “Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE (Long Term Evolution)”. Đồ án đi vào tìm hiểu tổng quan về công nghệ LTE cũng nhƣ là những kỹ thuật và thành phần đƣợc 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 và tình hình triển khai công nghệ này trên thế giới và tại VIỆT NAM .
6 Đề tài gồm 6 chƣơng : CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ LTE CHƢƠNG 2: KIẾN TRÚC MẠNG VÀ GIAO THỨC CHƢƠNG 3: TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE CHƢƠNG 4: LỚP VẬT LÝ LTE CHƢƠNG 5: CÁC THỦ TỤC TRUY NHẬP CHƢƠNG 6: TRIỂN KHAI LTE TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM Để thực hiện đồ án tốt nghiệp này, em đã sử dụng những kiến thức đƣợc trang bị trong 5 năm đại học và những kiến thức chọn lọc từ các tài liệu của các thầy giáo, cô giáo trong và ngoài trƣờng . Ngoài ra, đồ án còn sử dụng những tài liệu phổ biến rộng rãi trên Internet. Mặc dù đã rất cố gắng, nhƣng do hạn chế về thời gian cũng nhƣ những hiểu biết có hạn của một sinh viên nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót. Để đồ án đƣợc hoàn thiện hơn, em rất mong nhận đƣợc các ý kiến đóng góp của các thầy giáo, cô giáo cũng nhƣ các bạn sinh viên. Sinh viên thực hiện : Nguyễn Tuấn Anh
7 MỤC LỤC TỜ BÌA.....................................................................................................1 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP…………………………………3 LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................. 5 MỤC LỤC……………………………………………………………………7 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT........................................................................ 11 DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................ 18 DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................... 21 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG & GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE ........................................................ 22 1.1. Tổng quan về hệ thống thông tin di động ...................................................22 1.1.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất ( 1G) ....................................22 1.1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai ( 2G) ......................................23 1.1.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 ( 3G) .........................................25 1.2. Giới thiệu về công nghệ LTE .......................................................................27 CHƢƠNG 2 – KIẾN TRÚC MẠNG VÀ GIAO THỨC............................ 30 2.1. Kiến trúc mạng LTE ....................................................................................30 2.1.1. Tổng quan về cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống....................................31 2.1.2. Thiết bị ngƣời dùng ( UE) ........................................................................32 2.1.3. E-UTRAN nodeB (eNodeB) ....................................................................33 2.1.4. Thực thể quản lý tính di động (MME) .....................................................34 2.1.5. Cổng phục vụ ( S-GW) .............................................................................36 2.1.6. Cổng mạng dữ liệu gói( P-GW) ...............................................................38 2.1.7. Chức năng chính sách và tính cƣớc tài nguyên ( PCRF) .........................40 2.1.8. Máy chủ thuê bao thƣờng trú (HSS) ........................................................41 2.2. Các giao diện và giao thức trong cấu hình kiến trúc cơ bản của hệ thống ...............................................................................................................................41 2.3. QoS và kiến trúc dịch vụ mang chuyển ......................................................45
8 2.4. Giao thức trạng thái và chuyển tiếp trạng thái..........................................46 2.5. Hỗ trợ tính di động liên tục ..........................................................................47 2.6. Kiến trúc hệ thống phát quảng bá đa điểm ................................................50 CHƢƠNG 3 - TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE ......................... 54 3.1. Các chế độ truy nhập vô tuyến ....................................................................54 3.2. Băng tần truyền dẫn .....................................................................................54 3.3. Các băng tần đƣợc hỗ trợ ............................................................................55 3.4. Kỹ thuật đa truy nhập cho đƣờng xuống OFDMA ...................................56 3.4.1. OFDM ......................................................................................................56 3.4.2. Các tham số OFDMA ...............................................................................58 3.4.3. Truyền dẫn dữ liệu hƣớng xuống .............................................................61 3.5. Kỹ thuật đa truy nhập đƣờng lên LTE SC-FDMA ...................................63 3.5.1. SC-FDMA ................................................................................................63 3.5.2. Các tham số SC-FDMA ...........................................................................64 3.5.3. Truyền dẫn dữ liệu hƣớng lên ..................................................................66 3.5.4. So sánh OFDMA và SC-FDMA ..............................................................67 3.6. Tổng quan về kỹ thuật đa ăng ten MIMO..................................................69 3.6.1. Đơn đầu vào Đơn đầu ra (SISO) ..............................................................70 3.6.2. Đơn đầu vào đa đầu ra (SIMO) ................................................................70 3.6.3. Đa đầu vào đơn đầu ra (MISO) ................................................................70 3.6.4. Đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) .................................................................70 3.6.5. Kế hoạch LTE đa ăng ten .........................................................................72 3.6.5.1. Chế độ truyền dẫn đa ăng ten đường xuống LTE .......................... 73 3.6.5.2. Chế độ đa ăng ten hướng lên LTE ............................................... 75 CHƢƠNG 4 - LỚP VẬT LÝ LTE ............................................................... 76 4.1. Các kênh truyền tải và ánh xạ của chúng tới các kênh vật lý ..................76 4.2. Điều chế ..........................................................................................................77 4.3. Truyền tải dữ liệu ngƣời sử dụng hƣớng lên .............................................78 4.4. Truyền dẫn dữ liệu ngƣời dùng hƣớng xuống ...........................................83
9 4.5. Truyền dẫn tín hiệu lớp vật lý hƣớng lên ...................................................87 4.5.1. Kênh điều khiển đƣờng lên vật lý ( PUCCH) ..........................................88 4.5.2. Cấu hình PUCCH .....................................................................................89 4.5.3. Báo hiệu điều khiển trên PUSCH .............................................................89 4.6. Cấu trúc PRACH (Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý) ............................92 4.7. Truyền dẫn báo hiệu lớp vật lý hƣớng xuống ............................................93 4.7.1. Kênh chỉ thị định dạng điều khiển vật lý (PCFICH) ................................93 4.7.2. Kênh điều khiển hƣớng xuống vật lý ( PCDCH) ....................................94 4.7.3. Kênh chỉ thị HARQ vật lý ( PHICH) .......................................................95 4.7.4. Các chế độ truyền dẫn hƣớng xuống ........................................................95 4.7.5. Kênh quảng bá vật lý ( PBCH) .................................................................96 4.7.6. Tín hiệu đồng bộ.......................................................................................97 4.8. Các thủ tục lớp vật lý....................................................................................98 4.8.1. Thủ tục HARQ .........................................................................................98 4.8.2. Ứng trƣớc định thời ..................................................................................99 4.8.3. Điều khiển công suất ..............................................................................100 4.8.4. Nhắn tin ..................................................................................................101 4.8.5. Thủ tục báo cáo phản hồi kênh ...............................................................101 4.8.6. Hoạt động chế độ bán song công ...........................................................102 4.8.7. Các lớp khả năng của UE và các đặc điểm đƣợc hỗ trợ .........................102 4.9. Đo lƣờng lớp vật lý......................................................................................103 4.9.1. Đo lƣờng eNodeB...................................................................................103 4.9.2. Đo lƣờng UE ..........................................................................................104 4.10. Cấu hình tham số lớp vật lý .....................................................................104 CHƢƠNG 5 – CÁC THỦ TỤC TRUY NHẬP ......................................... 106 5.1. Thủ tục dò tìm ô ..........................................................................................106 5.1.1. Các bƣớc của thủ tục dò tìm ô ................................................................106 5.1.2. Cấu trúc thời gian/tần số của tín hiệu đồng bộ .......................................108 5.1.3. Dò tìm ban đầu và dò tìm ô lân cận........................................................109
10 5.2. Truy nhập ngẫu nhiên ................................................................................110 5.2.1. Bƣớc 1 : Truyền dẫn phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên ......................111 5.2.2. Bƣớc 2 : Đáp ứng truy nhập ngẫu nhiên ................................................115 5.2.3. Bƣớc 3: Nhận dạng thiết bị đầu cuối ......................................................116 5.2.4. Bƣớc 4: Giải quyết tranh chấp................................................................117 CHƢƠNG 6 – TÌNH HÌNH TRIỂN KHAI LTE TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM .......................................................................................... 118 6.1. Triển khai LTE trên thế giới .....................................................................118 6.2. Triển khai LTE tại VIỆT NAM ................................................................122 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .................................. 124 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ....................................... 125 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ĐỌC DUYỆT ........................................ 125 LỜI CẢM ƠN .............................................................................................. 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 127
11 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3GPP Third Generation Partnership Dự án các đối tác thế hệ thứ ba Project AAA Authentication, Authorization Xác thực, cấp phép và tính cƣớc and Accounting ACF Analog Channel Filter Bộ lọc kênh tƣơng tự ACIR Adjacent Channel Interference Loại bỏ nhiễu kênh lân cận Rejection ACK Acknowledgement Sự báo nhận ACLR Adjacent Channel Leakage Ratio Tỉ lệ dò kênh lân cận ACS Adjacent channel selectivity Chọn lọc kênh lân cận ADC Analog-to Digital Conversion Chuyển đổi tƣơng tự - số ADSL Asymmetric Digital Subscriber Đƣờng dây thuê bao số không đối Line xứng AM Acknowledged Mode Chế độ báo nhận AMBR Aggregate Maximum Bit Rate Tốc độ bít tối đa cấp phát AMD Acknowledged Mode Data Dữ liệu chế độ báo nhận AMR Adaptive Multi-Rate Đa tốc độ thích ứng AMR-NB Adaptive Multi-Rate Narrowband Băng hẹp đa tốc độ thích ứng AMR-WB Adaptive Multi-Rate Wideband Băng rộng đa tốc độ thích ứng ARP Allocation Retention Priority Ƣu tiên duy trì cấp phát ATB Adaptive Transmission Băng thông truyền dẫn thích nghi Bandwidth AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng thêm vào AMPS Advanced Mobile Phone Sytem Hệ thống điện thoại di động tiên tiến BB Baseband Băng gốc BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển phát quảng bá BCH Broadcast Channel Kênh phát quảng bá AMPS Advanced Mobile Phone Sytem Hệ thống điện thoại di động tiên tiến BPF Band Pass Filter Bộ lọc băng tần BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc BSC Base Station Controller Điều khiển trạm gốc BSR Buffer Status Report Báo cáo tình trạng bộ đệm BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc BW Bandwidth Dải thông CAZAC Constant Amplitude Zero Mã tự tƣơng quan zero biên độ Autocorrelation Codes không đổi
12 CBR Constant Bit Rate Tốc độ bít không đổi CCE Control Channel Element Phần tử kênh điều khiển CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung CDD Cyclic Delay Diversity Phân tập trễ vòng CDF Cumulative Density Function Chức năng mật độ tích lũy CDM Code Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mã CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã AIR Carrier to Interference Ratio Tỷ số sóng mang trên tập âm CP Cyclic Preﬁx Tiền tố vòng CPICH Common Pilot Channel Kênh điều khiển chung CQI Channel Quality Information Thông tin chất lƣợng kênh CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra dƣ vòng C-RNTI Ô Radio Network Temporary Nhận dạng tạm thời mạng vô tuyến Identiﬁer tế bào CS Circuit Switched Chuyển mạch kênh CSCF Call Session Control Function Chức năng điều khiển phiên cuộc gọi D-BCH Dynamic Broadcast Channel Kênh phát quảng bá động DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng DCI Downlink Control Information Thông tin điều khiển đƣờng xuống DFCHA Dynamic Frequency and Channel Cấp phát kênh và tần số động Allocation DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi fourier rời rạc DL Downlink Đƣờng xuống UL uplink Đƣờng lên DL-SCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đƣờng xuống DPCCH Dedicated Physical Control Kênh điều khiển vật lý riêng Channel DTX Discontinuous Transmission Truyền phát không liên tục DwPTS Downlink Pilot Time Slot Khe thời gian điều khiển đƣờng xuống E-DCH Enhanced DCH DCH đƣợc tăng cƣờng EDGE Enhanced Data Rates for GSM Tốc độ dữ liệu tăng cƣờng cho Evolution GSM phát triển EPC Evolved Packet Core Mạng lõi gói phát triển EPDG Evolved Packet Data Gateway Cổng dữ liệu gói phát triển E- Evolved Universal Terrestrial Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn UTRAN Radio Access cầu phát triển EDO Evolution Data Only Chỉ có dữ liệu phát triển FD Frequency Domain Miền tần số FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia tần số FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia tần số
13 FDPS Frequency Domain Packet Lập biểu gói miền tần số Scheduling FFT Fast Fourier Transform Biến đổi furier nhanh FS Frequency Selective Lựa chọn tần số GERAN GSM/EDGE Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến GSM/EDGE GGSN Gateway GPRS Support Node Nút cổng hỗ trợ GPRS GP Guard Period Khoảng bảo vệ GPRS General packet radio service Dịch vụ vô tuyến gói chung GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GRE Generic Routing Encapsulation Đống gói định tuyến chung GSM Global System for Mobile Hệ thống truyền thông di động Communications toàn cầu GTP GPRS Tunneling Protocol Giao thức đƣờng hầm GPRS GTP-C GPRS Tunneling Protocol, Mặt phẳng điều khiển, giao thức Control Plane đƣờng hầm GPRS GUTI Globally Unique Temporary Nhận dạng tạm thời duy nhất toàn Identity cầu GW Gateway Cổng HARQ Hybrid Automatic Repeat Yêu cầu lặp lại tự động hỗ hợp reQuest HO Handover Sự chuyển vùng HSDPA High Speed Downlink Packet Truy nhập gói đƣờng xuống tốc độ Access cao HS-DSCH High Speed Downlink Shared Kênh chia sẻ đƣờng xuống tốc độ Channel cao HSCSD High Speed Circuit Switched Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ Data cao HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao HS- High Speed Physical Downlink Kênh chia sẻ đƣờng xuống vật lý PDSCH Shared Channel tốc độ cao HSS Home Subscriber Server Máy chủ thuê bao thƣờng trú HS-SCCH High Speed Shared Control Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao Channel HSUPA High Speed Uplink Packet Truy nhập gói đƣờng lên tốc độ Access cao ICI Inter-carrier Interference Nhiễu liên sóng mang ICIC Inter-ô Interference Control Điều khiển nhiễu liên ô ID Identity Nhận dạng IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi furier nhanh nghịch đảo IMS IP Multimedia Subsystem Hệ thống con đa phƣơng tiện IP IMT International Mobile Truyền thông di động quốc tế Telecommunications
14 IP Internet Protocol Giao thức Internet ISDN Integrated Services Digital Mạng số dịch vụ tích hợp Network ISI Inter Symbols Interference Nhiễu liên ký tự LNA low noise amplifier Khuyêch đại âm nhiễu thấp LO Local Oscillator Bộ dao động nội LOS Line of Sight Tầm nhìn thẳng LTE Long Term Evolution Sự phát triển dài hạn MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trƣờng MAP Mobile Application Part Phần ứng dụng di động MBMS Multimedia Broadcast Multicast Hệ thống phát quảng bá đa điểm System đa phƣơng tiện MBR Maximum Bit Rate Tốc độ bít tối đa MCH Multicast Channel Kênh đa điểm MCS Modulation and Coding Scheme Sơ đồ mã hóa và điều chế MGW Media Gateway Cổng phƣơng tiện MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu ra MIP Mobile IP IP di động MM Mobility Management Quản lý tính di động MME Mobility Management Entity Phần tử quản lý tính di động MPR Maximum Power Reduction Sự giảm công suất tối đa MSC Mobile Switching Center Chung tâm chuyển mạch di động NACK Negative Acknowledgement Báo nhận không thành công NAS Non-access Stratum Tầng không truy nhập NAS Network Address Table Bảng địa chỉ mạng NB Narrowband Băng hẹp NMT Nordic Mobile Telephone Điện thoại di động Bắc Âu OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia tần số trực Multiplexing giao OFDMA Orthogonal Frequency Division Đa truy nhập phân chia tần số trực Multiple Access giao O&M Operation and Maintenance Vận hành và bảo dƣỡng PAPR Peak to Average Power Ratio Tỉ lệ công suất đỉnh tới trung bình PAR Peak-to-Average Ratio Tỉ lệ đỉnh-trung bình PC Power Control Điều khiển công suất PCCC Parallel Concatenated Mã xoắn ghép song song Convolution Coding PCCPCH Primary Common Control Kênh vật lý điều khiển chung sơ Physical Channel cấp PCFICH Physical Control Format Kênh chỉ thị dạng điều khiển vật lý Indicator Channel PCH Paging Channel Kênh nhắn tin
15 PCI Physical Ô Identity Nhận dạng ô vật lý PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã PCRF Policy and Charging Resource Chức năng tính cƣớc tài nguyên và Function chính sách PCS Personal Communication Dịch vụ truyền thông cá nhân Services PDCCH Physical Downlink Control Kênh điều khiển đƣờng xuống vật Channel lý PDCP Packet Data Convergence Giao thức hội tụ dữ liệu gói Protocol PDN Packet Data Network Mạng dữ liệu gói PDU Payload Data Unit Đơn vị dữ liệu tải tin PDSCH Physical Downlink Shared Kênh chia sẻ đƣờng xuống vật lý Channel P-GW Packet Data Network Gateway Cổng mạng dữ liệu gói PHICH Physical HARQ Indicator Kênh chỉ thị HARQ vật lý Channel PHY Physical Layer Lớp vật lý PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng PMIP Proxy Mobile IP IP di động ủy nhiệm PN Phase Noise Tiếng ồn pha PRACH Physical Random Access Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý Channel PRB Physical Resource Block Khối tài nguyên vật lý PS Packet Switched Chuyển mạch gói PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất PSS Primary Synchronization Signal Tín hiệu đồng bộ sơ cấp PUCCH Physical Uplink Control Channel Kênh điều khiển hƣớng lên vật lý PUSCH Physical Uplink Shared Channel Kênh chia sẻ hƣớng lên vật lý QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu phƣơng Modulation QCI QoS Class Identiﬁer Nhận dạng cấp QoS QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RAR Random Access Response Đáp ứng truy nhập ngẫu nhiên RB Resource Block Khối tài nguyên RBG Radio Bearer Group Nhóm truyền tải vô tuyến RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RI Rank Indicator Chỉ thị bậc
16 RLC Radio Link Control Điều khiển kết nối vô tuyến RNC Radio Network Controller Điều khiển mạng vô tuyến RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyến RRM Radio Resource Management Quản lý tài nguyên vô tuyến RS Reference Signal Tín hiệu chuẩn RSCP Received Symbol Code Power Công suất mã ký hiệu nhận đƣợc RSRP Reference Symbol Received Công suất thu đƣợc ký hiệu chuẩn Power RSRQ Reference Symbol Received Chất lƣợng thu đƣợc ký hiệu chuẩn Quality RSSI Received Signal Strength Chỉ thị cƣờng độ tín hiệu thu đƣợc Indicator SAE System Architecture Evolution Phát triển kiến trúc hệ thống SCCPCH Secondary Common Control Kênh vật lý điều khiển chung thứ Physical Channel cấp SCM Spatial Channel Model Chế độ kênh không gian SC- Single Carrier Frequency Đa truy nhập phân chia tần số đơn FDMA Division Multiple Access sóng mang SCH Synchronization Channel Kênh đồng bộ SCTP Stream Control Transmission Giao thức truyền dẫn điều khiển Protocol luồng SDU Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ SFBC Space Frequency Block Coding Mã khối tần số không gian SFN System Frame Number Số khung hệ thống SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS S-GW Serving Gateway Cổng phục vụ SIB System Information Block Khối thông tin hệ thống SIMO Single Input Multiple Output Đơn đầu vào đa đầu ra SMS Short Message Service Dịch vụ bản tin ngắn SNR Signal to Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SON Self Optimized Networks Mạng tự tối ƣu SR Scheduling Request Yêu cầu lập lịch biểu S-RACH Short Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên ngắn SRB Signaling Radio Bearer Phần tử mang báo hiệu vô tuyến SRS Sounding Reference Signals Tín hiệu chuẩn thăm dò SSS Secondary Synchronization Tín hiệu đồng bộ thứ cấp Signal SU- Single User Multiple Input Đơn ngƣời dùng - Đa đầu vào đa MIMO Multiple Output đầu ra S1AP S1 Application Protocol Giao thức ứng dụng S1 TA Tracking Area Khu vực theo dõi TBS Transport Block Size Kích thƣớc khối truyền tải
17 TACS Total Access Communication Hệ thống truyền thông truy nhập Sytem toàn phần TD Time Domain Miền thời gian TDD Time Division Duplex Song công phân chia thời gian TD-LTE Time Division Long Term Phân chia theo thời gian - LTE Evolution TD- Time Division Synchronous Code Phân chia theo thời gian – đa truy SCDMA Division Multiple Access nhập phân chia theo mã đồng bộ TPC Transmit Power Control Điều khiển công suất phát TRX Transceiver Bộ thu phát TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền UDP Unit Data Protocol Giao thức đơn vị dữ liệu UE User Equipment Thiết bị đầu cuối UL Uplink Đƣờng lên UL-SCH Uplink Shared Channel Kênh chia sẻ đƣờng lên UMTS Universal Mobile Hệ thống thông tin di động toàn Telecommunications System cầu UpPTS Uplink Pilot Time Slot Khe thời gian dẫn hƣớng đƣờng lên USIM Universal Subscriber Identity Modun nhận dạng thuê bao toàn Module cầu UTRA Universal Terrestrial Radio Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn Access cầu UTRAN Universal Terrestrial Radio Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất Access Network toàn cầu V-MIMO Virtual MIMO MIMO ảo VoIP Voice over IP Thoại qua IP WCDMA Wideband Code Division Đa truy nhập phân chia theo mã Multiple Access băng rộng WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội bộ không dây X1AP X1 Application Protocol Giao thức ứng dụng X1
18 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tiến trình phát triển của thông tin di động ............................................ 22 Hình 2.1 Phát triển kiến trúc 3GPP hƣớng tới kiến trúc phẳng hơn ...................... 30 Hình 2.2. Kiến trúc hệ thống cho mạng chỉ có E-UTRAN ................................... 31 Hình 2.3 eNodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính ............... 34 Hình 2.4 MME kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính .................. 36 Hình 2.5. Các kết nối S-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính .......... 37 Hình 2.6 P-GW kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính ............... 39 Hình 2.7 PCRF kết nối tới các nút logic khác & các chức năng chính .................. 40 Hình 2.8 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển trong EPS ............................ 42 Hình 2.9 ngăn xếp giao thức mặt phẳng ngƣời dùng trong EPC ........................... 44 Hình 2.10 Các ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng ngƣời dùng cho giao diện X2…………………………………………………………………...44 Hình 2.11 Kiến trúc dịch vụ mang truyền EPS .................................................... 46 Hình 2.12. Trạng thái của UE và chuyển tiếp trạng thái ....................................... 47 Hình 2.13. Hoạt động chuyển giao ..................................................................... 48 Hình 2.14. Khu vực theo dõi cập nhật cho UE ở trạng thái RRC rảnh rỗi ............. 49 Hình 2.15. Khu vực dịch vụ eMBMS và các khu vực MBSFN ........................... 51 Hình 2.16 Kiến trúc logic eMBMS ..................................................................... 52 Hình 2.17 Kiến trúc mặt phẳng ngƣời dùng eMBMS cho đồng bộ nội dung ......... 53 Hình 3.1 Biểu diễn tần số-thời gian của một tín hiệu OFDM ............................... 57 Hình 3.2 Sự tạo ra ký hiệu OFDM có ích sử dụng IFFT ...................................... 57 Hình 3.3 Sự tạo ra chuỗi tín hiệu OFDM ............................................................ 58 Hình 3.4 Cấp phát sóng mang con cho OFDM & OFDMA .................................. 58 Hình 3.5 Cấu trúc khung loại 1 ........................................................................... 59 Hình 3.6 Cấu trúc khung loại 2 ........................................................................... 59
19 Hình 3.7 lƣới tài nguyên đƣờng xuống ............................................................... 60 Hình 3.8 Ghép kênh thời gian – tần số OFDMA.................................................. 61 Hình 3.9 Phát và thu OFDMA ............................................................................ 62 Hình 3.10 Sơ đồ khối DFT-S-OFDM ................................................................. 64 Hình 3.11 Lƣới tài nguyên đƣờng lên ................................................................. 65 Hình 3.12 Phát & thu hƣớng lên LTE ................................................................. 67 Hình 3.14 Các chế độ truy nhập kênh vô tuyến ................................................... 69 Hình 3.15 MIMO 2×2 , không có tiền mã hóa ..................................................... 71 Hình 3.16 Xử lý tín hiệu cho phân tập phát và ghép kênh không gian (MIMO).…73 Hình 3.17 Đa ngƣời sử dụng MIMO trong hƣớng lên .......................................... 75 Hình 4.1 Ánh xạ của các kênh truyền tải hƣớng lên tới các kênh vật lý ................ 77 Hình 4.2 Ánh xạ các kênh truyền tải hƣớng xuống tới các kênh vật lý .................. 77 Hình 4.3 Các chòm điểm điều chế trong LTE ..................................................... 78 Hình 4.4 Cấp phát tài nguyên hƣớng lên đƣợc điều khiển bởi bộ lập biểu eNodeB 79 Hình 4.5 Cấu trúc khung LTE FDD .................................................................... 79 Hình 4.6 Tốc độ dữ liệu giữa các TTI theo hƣớng đƣờng lên ............................... 80 Hình 4.7 Cấu trúc khe đƣờng lên với tiền tố vòng ngắn và dài ............................. 80 Hình 4.8 Chuỗi mã hóa kênh PUSCH ................................................................. 82 Hình 4.9 Ghép kênh của thông tin điều khiển và dữ liệu ...................................... 82 Hình 4.10 Cấp phát tài nguyên đƣờng xuống tại eNodeB .................................... 83 Hình 4.11 Cấu trúc khe đƣờng xuống cho băng thông 1,4MHz ............................ 84 Hình 4.12 Chuỗi mã hóa kênh DL-SCH.............................................................. 84 Hình 4.13 Ví dụ về chia sẻ tài nguyên đƣờng xuống giữa PDCCH & PDSCH ...... 85 Hình 4.14 Sự tạo thành tín hiệu hƣớng xuống ..................................................... 86 Hình 4.15 Tài nguyên PUCCH ........................................................................... 88 Hình 4.16 Nguyên tắc điều chế dữ liệu và điều khiển .......................................... 90 Hình 4.17 Cấp phát các trƣờng dữ liệu & điều khiển khác nhau trên PUSCH ....... 90 Hình 4.18 Các dạng phần mở đầu LTE RACH cho FDD ..................................... 92
20 Hình 4.19 Vị trí PBCH tại các tần số trung tâm ................................................... 96 Hình 4.20 Các tín hiệu đồng bộ trong khung ....................................................... 97 Hình 4.21 Vận hành LTE HARQ với 8 tiến trình ................................................ 98 Hình 4.22 Định thời LTE HARQ cho một gói tin đƣờng xuống duy nhất ............. 99 Hình 4.23 Điều khiển định thời hƣớng lên .......................................................... 99 Hình 4.24 Công suất hƣớng lên LTE với thay đổi tốc độ dữ liệu ........................ 100 Hình 4.25 Thủ tục báo cáo thông tin trạng thái kênh (CSI) ................................ 101 Hình 4.26 Tự cấu hình cho PCI ........................................................................ 104 Hình 5.1 Các tín hiệu đồng bộ sơ cấp & thứ cấp ……………………………...…104 Hình 5.2 Sự hình thành tín hiệu đồng bộ trong miền tần số ................................ 108 Hình 5.3 Tổng quan về thủ tục truy nhập ngẫu nhiên ......................................... 111 Hình 5.4 Minh họa cơ bản cho truyền dẫn phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên .... 113 Hình 5.5 Định thời phần mở đầu tại eNodeB cho các ngƣời sử dụng truy nhập ngẫu nhiên khác nhau…………………………………………………………………..113 Hình 5.6 Sự phát hiện phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên trong miền tần số ...... 114 Hình 6.1 Samsung Craft - Chiếc điện thoại 4G sử dụng mạng LTE đầu tiên trên thế giới………………………………………………………………………………..118 Hình 6.2 Laptop X430 ..................................................................................... 122 Hình 6.3 Ericsson phối hợp với Cục Tần số Vô tuyến điện thử nghiệm công nghệ LTE tại Hà Nội……………………………………………………………………122 Hình 6.4 Trạm gốc LTE ................................................................................... 123
21 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1 Các đặc điểm chính của công nghệ LTE………………………………..27 Bảng 2.1 Các giao thức và giao diện LTE…………………………………………45 Bảng 3.1 Các băng tần vận hành E-UTRAN…………...………………………….55 Bảng 3.2 số lƣợng các khối tài nguyên cho băng thông LTE khác nhau……..…...60 Bảng 3.3 Tham số cấu trúc khung đƣờng xuống (FDD & TDD)…………...……..61 Bảng 3.4 Các tham số cấu trúc khung đƣờng lên (FDD&TDD)………...………....65 Bảng 4.1 Dạng PDCCH và kích thƣớc của chúng…………..……………………..94 Bảng 4.2 Các loại thiết bị LTE……………….……………………………….. 103
22 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG & GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE 1.1. Tổng quan về hệ thống thông tin di động 1.1.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất ( 1G) Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tƣơng tự, là hệ thống truyền tín hiệu tƣơng tự, là mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại, đƣợc khơi mào ở Nhật vào năm 1979. Những công nghệ chính thuộc thế hệ thứ nhất này có thể kể đến là:  NMT (Nordic Mobile Telephone – Điện thoại di động Bắc Âu) đƣợc sử dụng ở các nƣớc Bắc Âu, Tây Âu và Nga.  AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem – Hệ thống điện thoại di động tiên tiến) đƣợc sử dụng ở Mỹ và Úc.  TACS (Total Access Communication Sytem – Hệ thống truyền thông truy nhập toàn phần) đƣợc sử dụng ở Anh. Hình 1.1 Tiến trình phát triển của thông tin di động Hầu hết các hệ thống đều là hệ thống tƣơng tự và dịch vụ truyền chủ yếu là thoại. Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba. Những điểm yếu của thế hệ 1G là dung lƣợng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọi không tin cậy, chất lƣợng âm thanh kém, không có chế độ bảo mật…do vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng .
23 1.1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai ( 2G) Hệ thống di động thế hệ thứ 2 sử dụng truyền vô tuyến số cho việc truyền tải. Những hệ thống mạng 2G thì có dung lƣợng lớn hơn những hệ thống mạng thế hệ thứ nhất. Một kênh tần số thì đồng thời đƣợc chia ra cho nhiều ngƣời dùng (bởi việc chia theo mã hoặc chia theo thời gian). Sự sắp xếp có trật tự các tế bào, mỗi khu vực phục vụ thì đƣợc bao bọc bởi một tế bào lớn, những tế bào lớn và một phần của những tế bào đã làm tăng dung lƣợng của hệ thống xa hơn nữa. Có 4 chuẩn chính đối với hệ thống 2G: Hệ Thống Thông Tin Di Động Toàn Cầu (GSM) và những dẫn xuất của nó; AMPS số (D-AMPS); Đa Truy Cập Phân Chia Theo Mã IS-95; và Mạng tế bào Số Cá Nhân (PDC). GSM đạt đƣợc thành công nhất và đƣợc sử dụng rộng rãi trong hệ thống 2G.  GSM GSM cơ bản sử dụng băng tần 900MHz. Sử dụng kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian TDMA. nhƣng ở đây cũng có một số những phát sinh, 2 vấn đề quan trọng là hệ thống mô hình số 1800 (DCS 1800; cũng đƣợc biết nhƣ GSM 1800) và PCS 1900 (hay GSM 1900). Sau này chỉ đƣợc sử dụng ở Bắc Mĩ và Chilê, và DCS 1800 thì đƣợc tìm thấy ở một số khu vực khác trên thế giới. Nguyên do đầu tiên về băng tần số mới là do sự thiếu dung lƣợng đối với băng tầng 900 MHz. Băng tần 1800MHz có thể đƣợc sử dụng ý nghĩa và phổ biến hơn đối với ngƣời sử dụng. vì thế nó đã trở nên hoàn toàn phổ biến, đặc biệt trong những khu vực đông dân cƣ. Vì thế đồng thời cả 2 băng tần di động đều đƣợc sử dụng, ở đây điện thoại sử dụng băng tần 1800MHz khi có thành phần khác sử dụng lên trên mạng 900MHz. Hệ thống GSM 900 làm việc trong một băng tần hẹp, dài tần cơ bản từ (890- 960MHz). Trong đó băng tần cơ bản đƣợc chia làm 2 phần : + Đƣờng lên từ (890 – 915) MHz. + Đƣờng xuống từ (935 – 960)MHz. Băng tần gồm 124 sóng mang đƣợc chia làm 2 băng, mỗi băng rộng 25MHz,khoảng cách giữa 2 sóng mang kề nhau là 200KHz. Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt cho 2 đƣờng lên và xuống gọi là kênh song công. Khoảng cách giữa 2 tần số là không đổi bằng 45MHz. Mỗi kênh vô tuyến mang 8 khe thời gian TDMA và mỗi khe thời gian là một kênh vật lý trao đổi thông tin giữa MS và mạng GSM. Tốc độ từ 6.5 – 13 Kbps. GSM mới chỉ cung cấp đƣợc các dịch vụ thoại và nhắn tin ngắn, trong khi nhu cầu truy nhập internet và các dịch vụ từ ngƣời sử dụng là rất lớn nên GSM phát triển lên 2.5G.
24 Trong đó :  HSCSD ( High Speed Circuit Switched Data) - Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao: Một vấn đề quan trọng lớn nhất đối với GSM đơn giản là về tốc độ dữ liệu chậm. GSM cơ sở có thể cải thiện tốc độ ngƣời dùng trƣớc chỉ là 9.6Kbps. Sau đó theo lý thuyết tốc độ ngƣời dùng đã là 14.4Kbps, mặc dù nó không đƣợc thông dụng cho lắm. HSCSD là cách đơn dàng nhất cho mọi thứ đƣợc tải lên. Những phƣơng pháp này chính là sự thay thế một khe thời gian, một tram di động có thể sử dụng nhiều khe thời gian cho một kết nối dữ liệu.Những bổ sung trong dòng thƣơng mại, giá trị tối đa thƣờng là 4 khe thời gian. Một khe thời gian có thể sử dụng tốc độ 9.6Kbps hoặc 14.4Kbps. Toàn bộ tốc độ chính là số khe thời gian nhân với tốc độ dữ liệu của một khe thời gian. Đây chính là mối tƣơng quan không phức tạp để nâng cấp dung lƣợng của hệ thống, vì nó chỉ là những yêu cầu trong việc nâng cấp phần mềm đối với mạng nhƣng nó có nhiều trở ngại. Vấn đề quan trọng nhất trong việc sử dụng tài nguyên sóng vô tuyến một cách khan hiếm. Bởi vì nó là chuyển mạch- mạch, HSCSD phân bố việc sử dụng khe thời gian một cách liên tục ngay cả khi không có bất cứ thứ gì đƣợc truyên đi.  GPRS (General Packet Radio Service) - Dịch vụ vô tuyến gói chung: GPRS là một hệ thống vô tuyến thuộc giai đoạn trung gian, nhƣng vẫn là hệ thống 3G nếu xét về mạng lõi. GPRS cung cấp các kết nối số liệu chuyển mạch gói với tốc độ truyền lên tới 171,2Kbps (tốc độ số liệu đỉnh) và hỗ trợ giao thức Internet TCP/IP và X25, nhờ vậy tăng cƣờng đáng kể các dịch vụ số liệu của GSM. Công việc tích hợp GPRS vào mạng GSM đang tồn tại là một quá trình đơn giản. Một phần các khe trên giao diện vô tuyến dành cho GPRS, cho phép ghép kênh số liệu gói đƣợc lập lịch trình trƣớc đối với một số trạm di động. Phân hệ trạm gốc chỉ cần nâng cấp một phần nhỏ liên quan đến khối điều khiển gói (PCU- Packet Control Unit) để cung cấp khả năng định tuyến gói giữa các đầu cuối di động các nút cổng (gateway). Một nâng cấp nhỏ về phần mềm cũng cần thiết để hỗ trợ các hệ thống mã hoá kênh khác nhau. Mạng lõi GSM đƣợc tạo thành từ các kết nối chuyển mạch kênh đƣợc mở rộng bằng cách thêm vào các nút chuyển mạch số liệu và gateway mới, đƣợc gọi là GGSN (Gateway GPRS Support Node) và SGSN (Serving GPRS Support Node). GPRS là một giải pháp đã đƣợc chuẩn hoá hoàn toàn với các giao diện mở rộng và có thể chuyển thẳng lên 3G về cấu trúc mạng lõi.  EDGE ( Enhanced Data Rates for GSM Evolution): Tốc độ số liệu tăng cƣờng để phát triển GSM: EDGE có thể phát nhiều bit gấp 3 lần GPRS trong một chu kỳ. Đây là lý do chính cho tốc độ bit EDGE cao hơn. ITU đã định nghĩa 384kbps là giới hạn tốc độ dữ liệu cho dịch vụ để thực hiện chuẩn IMT-2000 trong môi trƣờng không lý tƣởng. 384kbps tƣơng ứng với 48kbps trên mỗi khe thời gian, giả sử một đầu cuối có 8 khe thời gian.