Đồ án Tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE

Chia sẻ: Trạc Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:72

Thêm vào BST

Báo xấu

100
lượt xem 20
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là tìm hiểu kiến trúc hệ thống của mạng 4G LTE, các giao thức sử dụng trong mạng; các chế độ truy nhập vô tuyến trong mạng LTE, mô phỏng hệ thống thu phát SC-FDMA, so sánh hiệu suất hệ thống khi thuê bao thay đổi trạng thái.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Đồ án Tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE

LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, người thực hiện đề tài xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các thầy cô trong bộ môn tin học viễn thông cũng như các thầy cô trong khoa công nghệ thông tin ứng dụng đã luôn nhiệt tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học tập tại trường, là nền tảng giúp người thực hiện có thể thực hiện đề tài tốt nghiệp này. Người thực hiện đề tài xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Trần Trung Tín, người đã hết lòng hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt thời gian làm đồ án, giúp người thực hiện có những hướng đi đúng đắn để có thể hoàn thành đề tài. Xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến những người bạn đã luôn hết lòng giúp đỡ người thực hiện trong thời gian qua. Một lần nữa xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài. Đoàn Thanh Bình Trang i
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................i MỤC LỤC ..................................................................................................................... ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................................iv DANH MỤC HÌNH VẼ............................................................................................. viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ...........................................................................................x MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE ...................................................................................2 1.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ..............................2 1.1.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất ( 1G) .....................................2 1.1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai ( 2G) ......................................3 1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 ( 3G). ...........................................5 1.2. GIỚ THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE. ..............................................................7 CHƯƠNG 2 – KIẾN TRÚC HỆ THỐNG MẠNG 4G LTE VÀ GIAO THỨC ....11 2.1 TỔNG QUAN .....................................................................................................11 2.1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE .....................................................................11 2.1.2. So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax và những triển vọng cho công nghệ LTE......................................................................................................12 2.1.2.1. So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax. ....................................12 2.1.2.2. Những triển vọng cho công nghệ LTE ....................................................13 2.2. KIẾN TRÚC MẠNG LTE. ..............................................................................13 2.2.1. Tổng quan về cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống. .................................15 2.2.1.1. Thiết bị người dùng ( UE) ..........................................................................16 2.2.1.2. E-UTRAN NodeB (eNodeB) ......................................................................17 2.2.1.3 Thực thể quản lý tính di động (MME) ......................................................18 2.2.1.4 Cổng phục vụ ( S-GW).................................................................................21 2.2.1.5 Cổng mạng dữ liệu gói( P-GW) ..................................................................23 2.2.1.6 Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên ( PCRF). ......................25 2.2.1.7. Máy chủ thuê bao thường trú (HSS). .......................................................26 2.2.2. Các giao diện và giao thức trong cấu hình kiến trúc cơ bản của hệ thống. .....................................................................................................................26 Trang ii
2.2.2.1. Giao thức trạng thái và chuyển tiếp trạng thái.......................................30 2.2.2.2. Hỗ trợ tính di động liên tục ........................................................................31 CHƯƠNG 3 – TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE. ......................................34 3.1. CÁC CHẾ ĐỘ TRUY NHẬP VÔ TUYẾN. ...................................................34 3.2. BĂNG TẦN TRUYỀN DẪN. ...........................................................................34 3.3. CÁC BĂNG TẦN ĐƯỢC HỖ TRỢ. ...............................................................34 3.4. KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP CHO ĐƯỜNG XUỐNG OFDMA. ............36 3.4.1. Các tham số OFDMA. ...............................................................................38 3.4.2. Truyền dẫn dữ liệu hướng xuống. ............................................................40 3.5. KỸ THẬT ĐA TRUY CẬP ĐƯỜNG LÊN LTE SC-FDMA. .......................42 3.5.1. SC-FDMA. ..................................................................................................42 3.5.2. Các tham số SC-FDMA. ............................................................................43 3.5.3 Truyền dữ liệu hướng lên. ..........................................................................44 3.6. SO SÁNH OFDMA VÀ SC-FDMA. ................................................................46 3.7. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐA ĂNG TEN MIMO. ...............................48 3.7.1. Đơn đầu vào Đơn đầu ra (SISO). .............................................................48 3.7.2. Đơn đầu vào đa đầu ra (SIMO). ...............................................................48 3.7.3. Đa đầu vào đơn đầu ra (MISO). ...............................................................49 3.7.4. đầu vào đa đầu ra (MIMO). ......................................................................49 3.8 TINH HÌNH TRIỂN KHAI LTE TẠI VIỆT NAM. .......................................51 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG .........................................................................................53 4.1 GIAO DIỆN CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH. .......................................................53 4.2. HỆ THỐNG THU PHÁT SC-FDMA. ............................................................54 4.3. SO SÁNH HIỆU SUẤT KHI THUÊ BA THAY ĐỔI TRẠNG THÁI. .......59 KẾT LUẬN ..................................................................................................................60 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................xi NHÂN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ............................................................. xii Trang iii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3GPP Third Generation Partnership Dự án các đối tác thế hệ thứ ba Project ACK Acknowledgement Sự báo nhận AMPS Advanced Mobile Phone Sytem Hệ thống điện thoại di động tiên tiến BB Baseband Băng gốc BCH Broadcast Channel Kênh phát quảng bá BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BSC Base Station Controller Điều khiển trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc BW Bandwidth Dải thông CDM Code Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mã CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CP Cyclic Prefix Tiền tố vòng CQI Channel Quality Information Thông tin chất lượng kênh C-RNTI Radio Network Temporary Nhận dạng tạm thời mạng vô tuyến Identifier tế bào DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng DCI Downlink Control Information Thông tin điều khiển đường xuống DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi fourier rời rạc DL Downlink Đường xuống UL uplink Đường lên DTX Discontinuous Transmission Truyền phát không liên tục DwPTS Downlink Pilot Time Slot Khe thời gian điều khiển đường xuống EDGE Enhanced Data Rates for GSM Tốc độ dữ liệu tăng cường 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 FD Frequency Domain Miền tần số Trang iv
FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia tần số FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia tần số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi furier nhanh GGSN Gateway GPRS Support Node Nút cổng hỗ trợ GPRS 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 Đóng gói định tuyến chung GSM Global System for Mobile Hệ thống truyền thông di động toàn Communications cầu GTP GPRS Tunneling Protocol Giao thức đường hầm GPRS GTP-C GPRS Tunneling Protocol, Mặt phăng điều khiển, giao thức Control Plane đường hầm GPRS GUTI Globally Unique Temporary Nhận dạng tạm thời duy nhất toàn Identity cầu GW Gateway Cổng HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yêu cầu lặp lại tự động hỗ hợp HO Handover Sự chuyển vùng HSDPA High Speed Downlink Packet Truy nhập gói đường xuống tốc độ Access cao HS-DSCH High Speed Downlink Shared Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ Channel cao HSCSD High Speed Circuit Switched Data Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao HSS Home Subscriber Server Máy chù thuê bao thường trú HSUPA High Speed Uplink Packet Access Truy nhập gói đường lên tốc độ cao ID Identity Nhận dạng IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi furier nhanh nghịch đảo IMS IP Multimedia Subsystem Hệ thống con đa phương tiện IP IMT International Mobile Truyền thông di động quốc tế Telecommunications IP Internet Protocol Giao thức Internet ISDN Integrated Services Digital Mạng số dịch vụ tích hợp Trang v
Network LNA low noise ampliíler Khuyêch đại âm nhiễu thấp LO Local Oscillator Bộ dao động nội LTE Long Term Evolution Sự phát triển dài hạn MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MAP Mobile Application Part Phần ứng dụng di động MBMS Multimedia Broadcast Multicast Hệ thống phát quảng bá đa điểm đa System phương tiện MBR Maximum Bit Rate Tốc độ bít tối đa MGW Media Gateway Cổng phương 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 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 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 PCCPCH Primary Common Control Kênh vật lý điều khiển chung sơ Physical Channel cấp PCFICH Physical Control Format Indicator Kênh chỉ thị dạng điều khiển vật lý Channel PCM Pulse Code Modulation Điều chê xung mã PCRF Policy and Charging Resource Chức năng tính cước tài nguyên và Function chính sách PCS Personal Communication Services Dịch vụ truyền thông cá nhân Trang vi
PDCCH Physical Downlink Control Kênh điều khiên đường xuống vật Channel lý PDCP Packet Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ dữ liệu gói PDN Packet Data Network Mạng dữ liệu gói PDU Payload Data Unit Đơn vị dữ liệu tải tin P-GW Packet Data Network Gateway Cổng mạng dữ liệu gói PHICH Physical HARQ Indicator Channel Kênh chỉ thị HARQ vật lý PHY Physical Layer Lớp vật lý PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng PMIP Proxy Mobile IP IP di động ủy nhiệm PRACH Physical Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý PS Packet Switched Chuyên mạch gói PUCCH Physical Uplink Control Channel Kênh điều khiên hướng lên vật lý PUSCH Physical Uplink Shared Channel Kênh chia sẻ hướng lên vật lý QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chê biên độ cầu phương QCI QoS Class Identifier Nhận dạng cấp QoS QoS Quality of Service Chất lượng 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 tuyên RAR Random Access Response Đáp ứng truy nhập ngẫu nhiên RB Resource Block Khối tài nguyên RBG Radio Bearer Group Nhóm truyền tải vô tuyên RF Radio Frequency Tần số vô tuyên Trang vii
DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu Tên hình Trang hình 1.1 Tiến trình phát triển của thông tin di động 2 2.1 Lộ trình phát triển của LTE và các công nghệ khác 12 2.2 Phát triển kiến trúc 3GPP hướng tới kiến trúc phẳng hơn 14 2.3 Sự chuyển đổi trong cấu trúc mạng từ UTRANsang E-UTRAN 15 2.4 Kiến trúc hệ thống cho mạng chỉ có E-UTRAN 15 2.5 eNodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính 18 2.6 MME kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính 20 2.7 Các kết nối S-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính 22 2.8 P-GWkết nối tới các node logic khác và các chức năng chính 24 2.9 PCRF kết nối tới các nút logic khác & các chức năng chính 25 2.10 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển trong EPS 27 2.11 Năn xếp giao thức mặt phẳng người dùng trong EPC 29 Các ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng 2.12 29 người dùng cho giao diện X2. 2.13 Trạng thái của UE và chuyển tiếp trạng thái 31 2.14 Hoạt động chuyển giao 32 2.15 Khu vực theo dõi cập nhật cho UE ở trạng thái RRC rảnh rỗi 33 3.1 Biểu diễn tần số-thời gian của một tín hiệu OFDM 36 3.2 Sự tạo ra ký hiệu OFDM có ích sử dụng IFFT 37 3.3 Sự tạo ra chuỗi tín hiệu OFDM 37 3.4 Cấp phát sóng mang con cho OFDM & OFDMA 38 3.5 Cấu trúc khung loại 1 38 3.6 Cấu trúc khung loại 2 39 Thể hiện cấu trúc của lưới tài nguyên đường xuống cho cả fdd 3.7 39 và tdd 3.8 Ghép kênh thời gian - tần số OFDMA 40 3.9 Phát và thu OFDMA 41 Trang viii
3.10 Sơ đồ khối DFT-S-OFDM 43 3.11 Lưới tài nguyên đường lên 44 3.12 Phát & thu hướng lên LTE 45 So sánh OFDMA & SC-FDMA truyền một chuỗi các ký hiệu 3.13 47 dữ liệu QPSK 3.14 Các chế độ truy nhập kênh vô tuyến 48 3.15 MIMO 2*2 , không có tiền mã hóa 50 Ericsson phối hợp với Cục Tần số Vô tuyến điện thử nghiệm 3.16 51 công nghệ LTE tại Hà Nội Trang ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu Tên bảng Trang bảng 1.1 Các đặc điểm chính của công nghệ LTE. 8 Tóm tắt các giao thức và giao diện trong cấu hình kiến trúc hệ 30 2.1 thống cơ bản. 3.1 Các băng tần vận hành cho E-UTRAN 35 Trang x
Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài. Tiếp theo mạng thông tin di động (TTDĐ) thế hệ thứ 3(3G), Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) đang hướng tới một chuẩn cho mạng di động tế bào mới thế hệ thứ 4 (4G). 4G có những tính năng vượt trội như: cho phép thoại dựa trên nền IP, truyền số liệu và đa phương tiện với tốc độ cao hơn rất nhiều so với các mạng di động hiện nay. Theo tính toán, tốc độ truyền dữ liệu có thể lên đến 100 Mb/s, thậm chí lên đến 1Gb/s trong các điều kiện tĩnh. Chính vì vậy, việc nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE là cần thiết và có ý nghĩa thực tế, nhằm tăng tốc độ truyền dữ liệu của hệ thống mạng thông tin di động hiện nay. 2. Mục đích nghiên cứu. Tìm hiểu kiến trúc hệ thống của mạng 4G LTE, các giao thức sử dụng trong mạng. Các chế độ truy nhập vô tuyến trong mạng LTE Mô phỏng hệ thống thu phát SC-FDMA, so sánh hiệu suất hệ thống khi thuê bao thay đổi trạng thái. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE và chương trình mô phỏng. 4. Phương pháp nghiên cứu. Nghiên cứu lý thuyết, tìm hiểu hệ thống thông tin di động 4G LTE, các kiến trúc và các chế độ truy nhập vô tuyến sử dụng trong mạng. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Đáp ứng nhu cầu của của người dùng các ứng dụng của mạng không dây và nhu cầu băng thông cao khi truy nhập internet. Nhu cầu về chất lượng dịch vụ cung cấp được tốt hơn, tốc độ cao hơn, tốc độ truy nhập Web, tải xuống các tài nguyên mạng nhanh hơn.. .là đích hướng tới của công nghệ di động 4G. Ở Việt Nam, hiện nay 3G đang phát triển rầm rộ và để tiến lên 4G không còn xa nữa. Theo tin từ Tập đoàn Bưu chính viễn thông Việt Nam (VNPT), đơn vị này vừa hoàn thành việc lắp đặt trạm BTS sử dụng cho dịch vụ vô tuyến băng rộng công nghệ LTE, công nghệ tiền 4G đầu tiên tại Việt Nam và Đông Nam Á. SVTH: Đoàn Thanh Bình – Lớp ccvt 03B Trang 1
Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ 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 tương tự, là hệ thống truyền tín hiệu tương tự, là mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại, được khơi mào ở Nhật vào năm 1979. Đây là hệ thống thông tin di động tương tự sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA và điều chế tần số FM với các đặc điểm:  Phương thức truy nhập: FDMA.  Dịch vụ đơn thuần là thoại.  Chất lượng thấp.  Bảo mật kém. Một số hệ thống điển hình: NMT (Nordic Mobile Telephone - Điện thoại di động Bắc Âu) sử dụng băng tần 450Mhz triển khai tại các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga vào năm 1981. AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem - Hệ thống điện thoại di động tiên tiến) được sử dụng ở Mỹ và Úc vào năm 1978 tại băng tần 800Mhz. TACS (Total Access Communication Sytem - Hệ thống truyền thông truy nhập toàn phần) được sử dụng ở Anh vào năm 1985. Hình 1.1 Tiến trình phát triển của thông tin di động Hầu hết các hệ thống đều là hệ thống tương 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 lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọi SVTH: Đoàn Thanh Bình – Lớp ccvt 03B Trang 2
Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE không tin cậy, chất lượng âm thanh kém, không có chế độ bảo mật...do vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng . 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 lượng lớn hơn những hệ thống mạng thế hệ thứ nhất. Kỹ thuật này chiếm ưu thế hơn 1G với các đặc điểm sau:  Dung lượng tăng.  Chất lượng thoại tốt hơn.  Hỗ trợ các dịch vụ số liệu (data).  Phương thức truy nhập : TDMA, CDMA băng hẹp.  Một số hệ thống điển hình:  GSM (Global System for Mobile Phone) sử dụng phương thức truy cập TDMA được triển khai tại châu Âu.  D-AMPS (IS-136-Digital Advance Mobile Phone System) sử dụng phương thức truy cập TDMA được triển khai tại Mỹ.  IS-95 (CDMA One) sử dụng phương thức truy cập CDMA được triển khai tại Mỹ và Hàn Quốc.  PDC (Personal Digital Cellular) sử dụng phương thức truy cập TDMA được triển khai tại Nhật Bản. GSM cơ bản sử dụng băng tần 900MHz. Sử dụng kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian TDMA. Hệ thống mô hình số 1800 (DCS 1800; cũng được biết như GSM 1800) và PCS 1900 (hay GSM 1900). Sau này chỉ được sử dụng ở Bắc Mĩ và Chilê, và DCS 1800 thì được sử dụng ở một số khu vực khác trên thê giới. Vì thế đồng thời cả 2 băng tần di động đều được sử dụng. Hệ thống GSM 900 làm việc trong một băng tần hẹp, dài tần cơ bản từ (890- 960MHz). Trong đó băng tần cơ bản được chia làm 2 phần :  Đường lên từ (890 - 915) MHz.  Đường xuống từ (935 - 960)MHz. Băng tần gồm 124 sóng mang được 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 đường 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 SVTH: Đoàn Thanh Bình – Lớp ccvt 03B Trang 3
Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE 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 được các dịch vụ thoại và nhắn tin ngắn, trong khi nhu cầu truy nhập internet và các dịch vụ từ người sử dụng là rất lớn nên GSM phát triển lên 2.5G. Hình 1.2 Sự phát triển từ 2G lên 2.5G GPRS (General Packet Radio Service) - Dịch vụ vô tuyến gói chung, GPRS là một hệ thống vô tuyến thuộc giai đoạn trung gian, nhưng 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 cường 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 được lập lịch trình trước 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 được tạo thành từ các kết nối chuyển mạch kênh được mở rộng bằng cách thêm vào các nút chuyển mạch số liệu và gateway mới, được gọi là GGSN (Gateway GPRS Support Node) và SGSN (Serving GPRS Support Node). GPRS là một giải pháp đã được 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 cường 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 trường không lý tưởng. 384kbps tương ứng với 48kbps trên mỗi khe thời gian, giả sử một đầu cuối có 8 khe thời gian. EDGE là một kỹ thuật truyền dẫn 3G đã được chấp nhận và được triển khai trong SVTH: Đoàn Thanh Bình – Lớp ccvt 03B Trang 4
Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE phổ tần hiện có của các nhà khai thác TDMA và GSM. EDGE tái sử dụng băng tần sóng mang và cấu trúc khe thời gian của GSM, và được thiết kê nhằm tăng tốc độ số liệu của người sử dụng trong mạng GPRS hoặc HSCSD bằng cách sử dụng các hệ thống cao cấp và công nghệ tiên tiên khác. Vì vậy, cơ sở hạ tầng và thiết bị đầu cuối hoàn toàn phù hợp với EDGE hoàn toàn tương thích với GSM và GRPS.  IS-95 Hệ thống mạng tế bào IS-95A được Qualcomm cho ra mắt vào những năm 1990 sử dụng kỹ thuật truy nhập vô tuyến CDMA. CDMA chia sẻ cùng một giải tần chung. Mọi khách hàng có thể nói đồng thời và tín hiệu được phát đi trên cùng một giải tần. Các kênh thuê bao được tách biệt bằng cách sử dụng mã ngẫu nhiên. Các tín hiệu của nhiều thuê bao khác nhau sẽ được mã hoá bằng các mã ngẫu nhiên khác nhau, sau đó được trộn lẫn và phát đi trên cùng một giải tần chung và chỉ được phục hồi duy nhất ở thiết bị thuê bao (máy điện thoại di động) với mã ngẫu nhiên tương ứng. IS 95A(2G) phát triển tiếp lên IS 95B(2.5G) 1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 ( 3G). Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-2000 (International Mobil Telecommunication -2000) cho hệ thống 3G. Đây là thế hệ thứ ba của chuẩn công nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh...). 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh. Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio hoàn toàn khác so với hệ thống 2G hiện nay. Điểm mạnh của công nghệ này so với 2G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao đang di chuyển ở các tốc độ khác nhau. Với các ưu điểm chính được mong đợi đem lại bởi hệ thống 3G là:  Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao.  Các dịch vụ tin nhắn (e-mail, fax, SMS, chat, ...).  Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, xem truyền hình, nghe nhạc,...).  Truy nhập Internet (duyệt Web, tải tài liệu, ...).  Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương thích toàn cầu giữa các hệ thống. Để thoả mãn các dịch vụ đa phương tiện cũng như đảm bảo khả năng truy cập Internet băng thông rộng, IMT-2000 hứa hẹn cung cấp băng thông 2Mbps, nhưng thực SVTH: Đoàn Thanh Bình – Lớp ccvt 03B Trang 5
Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE tế triển khai chỉ ra rằng với băng thông này việc chuyển giao rất khó, vì vậy chỉ có những người sử dụng không di động mới được đáp ứng băng thông kết nối này, còn khi đi bộ băng thông sẽ là 384 Kbps, khi di chuyển bằng ô tô sẽ là 144Kbps. Các hệ thống 3G điển hình là: Mạng 3G đặc trưng bởi tốc độ dữ liệu cao, capacity của hệ thống lớn, tăng hiệu quả sử dụng phổ tần và nhiều cải tiến khác. Có một loạt các chuẩn công nghệ di động 3G, tất cả đều dựa trên CDMA, bao gồm: UMTS (dùng cả FDD lẫn TDD). CDMA2000 và TD-SCDMA: UMTS (đôi khi còn được gọi là 3GSM) sử dụng kỹ thuật đa truy cập WCDMA. UMTS được chuẩn hoá bởi 3GPP. UMTS là công nghệ 3G được lựa chọn bởi hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ GSM/GPRS để đi lên 3G. Tốc độ dữ liệu tối đa là 1920Kbps (gần 2Mbps). Nhưng trong thực tế tốc độ này chỉ tầm 384Kbps thôi. Để cải tiến tốc độ dữ liệu của 3G, hai kỹ thuật HSDPA và HSUPA đã được đề nghị. Khi cả 2 kỹ thuật này được triển khai, người ta gọi chung là HSPA. HSPA thường được biết đến như là công nghệ 3,5G. HSDPA: Tăng tốc độ downlink (đường xuống, từ NodeB về người dùng di động). Tốc độ tối đa lý thuyết là 14,4Mbps, nhưng trong thực tế nó chỉ đạt tầm 1,8Mbps (hoặc tốt lắm là 3,6Mbps). Theo một báo cáo của GSA tháng 7 năm 2008, 207 mạng HSDPA đã và đang bắt đầu triển khai, trong đó 207 đã thương mại hoá ở 89 nước trên thế giới. HSUPA: tăng tốc độ uplink (đường lên) và cải tiến QoS. Kỹ thuật này cho phép người dùng upload thông tin với tốc độ lên đến 5,8Mbps (lý thuyết). Cũng trong cùng báo cáo trên của GSA, 51 nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động đã triển khai mạng HSUPA ở 35 nước và 17 nhà cung cấp mạng lên kế hoạch triển khai mạng HSUPA. CDMA2000: bao gồm CDMA2000 1xRTT (Radio Transmission Technology), CDMA2000 (Evolution -Data Optimized) và CDMA2000 EV-DV(Evolution -Data and Voice). CDMA2000 được chuẩn hoá bởi 3GPP2. CDMA2000 là công nghệ 3G được lựa chọn bởi các nhà cung cấp mạng CdmaOne. CDMA2000 1xRTT: chính thức được công nhận như là một công nghệ 3G, tuy nhiên nhiều người xem nó như là một công nghệ 2,75G đúng hơn là 3G. Tốc độ của 1xRTT có thể đạt đến 307Kbps, song hầu hết các mạng đã triển khai chỉ giới hạn tốc độ peak ở 144Kbps. SVTH: Đoàn Thanh Bình – Lớp ccvt 03B Trang 6
Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE CDMA2000 EV-DO: sử dụng một kênh dữ liệu 1,25MHz chuyên biệt và có thể cho tốc độ dữ liệu đến 2,4Mbps cho đường xuống và 153Kbps cho đường lên. 1xEV- DO Rev A hỗ trợ truyền thông gói IP, tăng tốc độ đường xuống đến 3,1Mbps và đặc biệt có thể đẩy tốc độ đường lên đến 1,2Mbps. Bên cạnh đó, 1xEV-DO Rev B cho phép nhà cung cấp mạng gộp đến 15 kênh 1,25MHz lại để truyền dữ liệu với tốc độ 73,5Mbps. CDMA2000 EV-DV: tích hợp thoại và dữ liệu trên cùng một kênh 1,25MHz. CDMA2000 EV-DV cung cấp tốc độ peak đến 4,8Mbps cho đường xuống và đến 307Kbps cho đường lên. Tuy nhiên từ năm 2005, Qualcomm đã dừng vô thời hạn việc phát triển của 1xEV-DV vì đa phần các nhà cung cấp mạng CDMA như Verizon Wireless và Sprint đã chọn EV-DO. TD-SCDMA là chuẩn di động được đề nghị bởi "China Communications Standards Association" và được ITU duyệt vào năm 1999. Đây là chuẩn 3G của Trung Quốc. TD-SCDMA dùng song công TDD. TD-SCDMA có thể hoạt động trên một dãi tần hẹp 1,6MHz (cho tốc độ 2Mbps) hay 5MHz (cho tốc độ 6Mbps). Ngày xuất hành của TD-SCDMA đã bị đẩy lùi nhiều lần. 1.2. GIỚ THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE. LTE là một trong các con đường tiến tới 4G. là thế hệ thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới. LTE sẽ tồn tại trong giai đoạn đầu của 4G, tiếp theo đó sẽ là IMT Adv. LTE cho phép chuyển đổi dần từ 3G UMTS sang giai đoạn đầu của 4G sau đó sang IMT Adv. LTE-Advance là một phần của 3GPP Release 10 và IMT-Advance sẽ được triển khai vào năm 2013 hoặc sau đó. Ngoài ra Wimax cũng có kế hoạch tiến tới 4G. Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE). 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối. Giao diện không gian và các thuộc tính liên quan của hệ thông LTE được tóm tắt trong bảng 1.1. SVTH: Đoàn Thanh Bình – Lớp ccvt 03B Trang 7
Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE Bảng 1.1 Các đặc điểm chính của công nghệ LTE. Băng tần 1,25 - 20 MHz Song công FDD , TDD , bán song công FDD Di động 350km/h Đa truy nhập Đường xuống OFDMA Đường lên SC-FDMA MIMO Đường xuống 2 * 2 ; 4 * 2 ; 4 * 4 Đường lên 1 * 2 ; 1 * 4 Tốc độ dữ liệu đỉnh Đường xuống : 173 và 326 Mb/s tương ứng với cấu hình trong 20MHz MIMO 2 * 2và 4 * 4 Điều chế Đường;lên QPSK 16 :QAM 86Mb/s và với cấu hình 1 * 2 anten 64 QAM Mã hóa kênh Mã tubo Các công nghệ khác Lập biểu chính xác kênh; liên kết thích ứng ; điều khiển công suất ; ICIC và ARQ hỗn hợp Tăng tốc độ truyền dữ liệu: 3GPP LTE có khả năng cấp phát phổ tần linh động và hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện với tốc độ trên 100Mb/s khi di chuyển ở tốc độ 3km/h, và đạt 30Mb/s khi di chuyển ở tốc độ cao 120km/h thì tốc độ truyền là trên 30 Mb/s. Tốc độ này nhanh hơn gấp 7 lần so với tốc độ truyền dữ liệu của công nghệ HSDPA (truy nhập gói dữ liệu tốc độ cao). Do công nghệ này cho phép sử dụng các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao trong khi di chuyển ở bất kỳ tốc độ nào nên nó có thể hỗ trợ sử dụng các dịch vụ nội dung có dung lượng lớn với độ phân giải cao ở cả điện thoại di động, máy tính bỏ túi PDA, điện thoại thông minh... Dải tần co giãn được: Dải tần vô tuyến của hệ thống LTE có khả năng mở rộng từ 1.4 MHz, 3MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống. Điều này dẫn đến sự linh hoạt sử dụng được hiệu quả băng thông. Mức thông suất cao hơn khi hoạt động ở băng tần cao và đối với một số ứng dụng không cần đến băng tần rộng chỉ cần một băng tần vừa đủ thì cũng được đáp ứng. Đảm bảo hiệu suất khi di chuyển : LTE tối ưu hóa hiệu suất cho thiết bị đầu cuối di chuyển từ 0 đến 15km/h, vẫn hỗ trợ với hiệu suất cao khi di chuyển từ 15 đến 120km/h, đối với vận tốc trên 120 km/h thì hệ thống vẫn duy trì được kết nối trên toàn mạng tế bào, chức năng hỗ trợ từ 120 đến 350km/h hoặc thậm chí là 500km/h tùy thuộc vào băng tần.  Giảm độ trễ trên mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển :  Giảm thời gian chuyển đổi trạng thái trên mặt phẳng điều khiển: Giảm thời SVTH: Đoàn Thanh Bình – Lớp ccvt 03B Trang 8
Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE gian để một thiết bị đầu cuối (UE - User Equipment) chuyển từ trạng thái nghỉ sang nối kết với mạng, và bắt đầu truyền thông tin trên một kênh truyền.Thời gian này phải nhỏ hơn 10ms.  Giảm độ trễ ở mặt phẳng người dùng: Nhược điểm của các mạng tổ ong (ô) hiện nay là độ trễ truyền cao hơn nhiều so với các mạng đường dây cố định. Điều này ảnh hưởng lớn đến các ứng dụng như thoại và chơi game vì cần thời gian thực. Giao diện vô tuyến của LTE và mạng lưới cung cấp khả năng độ trễ dưới 10ms cho việc truyền tải 1 gói tin từ mạng tới UE. Sẽ không còn chuyển mạch kênh: Tất cả sẽ dựa trên IP. Một trong những tính năng đáng kể nhất của LTE là sự chuyển dịch đến mạng lõi hoàn toàn dựa trên IP với giao diện mở và kiến trúc đơn giản hóa. Sâu xa hơn, phần lớn công việc chuẩn hóa của 3GPP nhắm đến sự chuyển đổi kiến trúc mạng lõi đang tồn tại sang hệ thống toàn IP. Trong 3GPP. Chúng cho phép cung cấp các dịch vụ linh hoạt hơn và sự liên hoạt động đơn giản với các mạng di động phi 3GPP và các mạng cố định. EPC dựa trên các giao thức TCP/IP giống như phần lớn các mạng số liệu cố định ngày nay vì vậy cung cấp các dịch vụ giống PC như thoại, video, tin nhắn và các dịch vụ đa phương tiện. Sự chuyển dịch lên kiến trúc toàn gói cũng cho phép cải thiện sự phối hợp với các mạng truyền thông không dây và cố định khác. VolP sẽ dùng cho dịch vụ thoại. Độ phủ sóng từ 5-100km: Trong vòng bán kính 5km LTE cung cấp tối ưu về lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ và độ di động. Phạm vi lên đến 30km thì có một sự giảm nhẹ cho phép về lưu lượng người dùng còn hiệu suất phổ thì lại giảm một cách đáng kể hơn nhưng vẫn có thể chấp nhận được, tuy nhiên yêu cầu về độ di động vẫn được đáp ứng. dung lượng hơn 200 người/ô (băng thông 5 MHz). Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời. Tuy nhiên mạng LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G hiện tại. Điều này hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai LTE vì không cần thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có. OFDMA, SC-FDMA và MIMO được sử dụng trong LTE: Hệ thống này hỗ trợ băng thông linh hoạt nhờ các sơ đồ truy nhập OFDMA & SC-FDMA. Ngoài ra còn có song công phân chia tần số FDD và song công phân chia thời gian TDD. Bán song công FDD được cho phép để hỗ trợ cho các người sử dụng với chi phí thấp. không giống như FDD, trong hoạt động bán song công FDD thì một UE không cần thiết SVTH: Đoàn Thanh Bình – Lớp ccvt 03B Trang 9
Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE truyền & nhận đồng thời .Truy nhập đường lên về cơ bản dựa trên đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang SC-FDMA hứa hẹn sẽ gia tăng vùng phủ sóng đường lên do tỉ số công suất đỉnh-trung bình thấp (PARR) liên quan tới OFDMA. Giảm chi phí: Yêu cầu đặt ra cho hệ thống LTE là giảm thiểu được chi phí trong khi vẫn duy trì được hiệu suất nhằm đáp ứng được cho tất cả các dịch vụ. Các vấn đề đường truyền, hoạt động và bảo dưỡng cũng liên quan đến yếu tố chi phí, chính vì vậy không chỉ giao tiếp mà việc truyền tải đến các trạm gốc và hệ thống quản lý cũng cần xác định rõ, ngoài ra một số vấn đề cũng được yêu cầu như là độ phức tạp thấp, các thiết bị đầu cuối tiêu thụ ít năng lượng. Cùng tồn tại vói các chuẩn và hệ thống trước: Hệ thống LTE phải cùng tồn tại và có thể phối hợp hoạt động với các hệ thống 3GPP khác. Người sử dụng LTE sẽ có thể thực hiện các cuộc gọi từ thiết bị đầu cuối của mình và thậm chí khi họ không nằm trong vùng phủ sóng của LTE. Do đó, cho phép chuyển giao các dịch vụ xuyên suốt, trôi chảy trong khu vực phủ sóng của HSPA, WCDMA hay GSM/GPRS/EDGE. Hơn thế nữa, LTE hỗ trợ không chỉ chuyển giao trong hệ thống, liên hệ thống mà còn chuyển giao liên miền giữa miền chuyển mạch gói và miền chuyển mạch kênh. SVTH: Đoàn Thanh Bình – Lớp ccvt 03B Trang 10