LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại ngày nay, chúng ta ai cũng thấy được tầm quan trọng của thông
tin di động với khả năng kết nối mọi lúc mọi nơi nó luôn thể hiện những tiện ích và
ngày càng không thể thiếu đối với người sử dụng. Cùng với sự phát triển mọi mặt
của đời sống xã hội, các ngành khoa học kĩ thuật có những bước tiến mạnh mẽ
mang tính đột phá thì ngành công nghiệp viễn thông cũng không nằm ngoài xu
hướng đó. Nhụ cầu sử dụng của con người ngày càng khắt khe hơn về cả số lượng
lẫn chất lượng: Chất lượng dịch vụ của người sử dụng ngày càng cao, các ứng dụng
yêu cầu băng thông lớn, thời gian tương tác nhanh hơn.
Từ những yếu tố như vậy sẽ làm cho tài nguyền mạng bị cạn kiệt điều đó dẫn
đến các sự cố như là tốc độ mạng chậm, tắc nghẽn hoặc không đáp ứng được các
dịch vụ cho người sử dụng. Để có thể chấm dứt tình trạng đó đòi hỏi sự nỗ lực
nhằm phát triển những mạng thông di động mới.Thông tin di động từ khi ra đời đã
trải qua nhiều thể hệ và hiện nay mạng thông tin di động 3G đang được sử dụng
rộng rãi với các giải pháp kĩ thuật công nghệ được sử dụng để có thể khai thác tài
nguyên vô tuyến như là TDMA, FDMA, SDMA và CDMA nhưng thực tế cho thấy
chưa tìm thấy ở các hệ thống thông tin di động trước đây một phương pháp nào có
thể tối ưu hóa phổ tần, một tài nguyên vô cùng quan trọng trong thông tin vô tuyến.
Mạng thông tin di động 3G đang được ửng dụng hiện nay đã có thể giải quyết một
phần nào đó nhu cầu của người sử dụng về băng thông cũng như chất lượng dịch
vụ. Song trong tương lai không xa với sự phát triển không ngừng của công nghệ
như hiện nay thì mạng 3G cũng không thể đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng
với những yếu điểm đang còn tồn tại trong mạng 3G.
Để giải quyết vấn đề này thì bên cạnh việc nâng cấp cơ sở hạ tầng của các mạng
cũ thì các nhà cung cấp mạng cũng đã và đang nghiên cứu tiến hành và xây dựng
một mô hình mạng mới để có thể phục vụ cho tương lai không xa và mạng thông
tin di động được nhắc đến ở đây là mạng thông tin di động tiền 4G (LTE) của
chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm
Nguyễn Ngọc Khánh
TÓM TẤT ĐỒ ÁN
CHƯƠNG I: TÔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA 3G VÀ LỘ
TRÌNH PHÁT TRIỂN LÊN 4G
Chương này ta sẽ trình bày các hoạt động nghiên cứu phát triển 3G và lộ trình
phát triển lên 4G đang được tiến hành trong 3GPP là tổ chức quốc tế chịu trách
nhiệm cho việc phát triển các tiêu chuẩn được phát hành của UMTIS UTRA
(WCDMA và TD-SDMA). Quá trình nghiên cứu phát triển UMTS lên 3G và tiến
dần lên 4G là việc đưa ra công nghệ HSPA và LTE ch(%phần vô tuyến và SAE cho
phần mạng
CHƯƠNG II : CÁC CÔNG NGHỆ THEN CHỐT CỦA MẠNG DI
ĐỘNG THẾ HỆ SAU
Chương này sẽ xét nguyên lý của DFTS-OFDM và SC-FDMA ứng dụng
trong LTE.
CHƯƠNG III: KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE
Chương này nghiên cứu kiến trúc phân lớp tổng quát của giao diện vô tuyến.
Sau đó xét cụ thể cấu trúc của các lớp của kiến trúc này như: cấu trúc và xử lý lớp
điều khiển liên kết vô tuyến (RLC), cấu trúc và xử lý lớp điều khiển truy nhập môi
trường, cấu trúc và xử lý lớp vật lý. Ngoài ra chương này cũng xét một số vấn đề
đặc thù của giao diện vô tuyến như: HARQ, các trạng thái LTE và cấu trúc luồng số
liệu của LTE. ABSTRACTS
CHAPTER I: OVERVIEW OF DEVELOPMENT OF 3G AND UP 4G roadmap
THUẬT NGỮ VÀ VIẾT TẮT
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA 3G VÀ LỘ
TRÌNH PHÁT TRIỂN LÊN 4G 1
1.1. Mở đầu 1
1.2 Quá trình tiêu chuẩn hoá WCDMA/ HSPA trong 3GPP 1
1.2.1. 3GPP 1
1.2.2.
Chuẩn hoá HSDPA trong 3GPP 3
1.2.3.
Chuẩn hoá HSUPA trong 3GPP 5
1.3.
Kế hoạch nghiên cứu phát triển LTE 7
1.4. IMT-ADVANCED và lộ trình phát triển tới 4G 8
1.5.Tổng quan LTE 11
1.5.1
2.1.
Mở đầu 22
2.2.
Tóm tắt nguyên lý OFDM 22
2.2.1.
Máy phát 24
2.2.2. Máy thu 28
2.4.
Mã hoá kênh và phân tập tần số bằng OFDM 33
2.5.
Lựa chọn các thông số OFDM cơ sở 35
2.5.1.
Khoảng cách giữa các sóng mang con của OFDM 35
2.5.2.
Số lượng các sóng mang con 36
Hiệu năng hệ thống 47
3.1.3.
Các khía cạnh liên quan đến triển khai 48
3.1.4.
Kiến trúc và chuyển dịch 51
3.1.5.
Quản lý tài nguyên vô tuyến 52
3.1.6.
Mức độ phức tạp 52
3.1.7.
Các khía cạnh chung 52
3.2.
Truy nhập vô tuyến LTE 53
3.2.1.
Các sơ đồ truyền dẫn 53
Lớp vật lý 76
3.3.5.
Các trạng thái của LTE 79
3.3.6.
Luồng số liệu 80
KẾT LUẬN CHUNG 82
TÀI LIÊU THAM KHẢO 83
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Mục tiêu của 4G 9
Bảng 1.2. So Sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phể tần giữa LTE trên
đường xuống và HSDPA 14
Bảng 1.3. So Sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần giữa LTE
trên đường lên và HSUPA 15
Bảng 3.1. Các yêu cầu thông lượng của người sử dụng và hiệu suất
Hình 1.12. Kiến trúc mô hình LTE theo TR 23.822 20
Hình 2.1. Kí hiệu điều chế và phổ của tín hiệu OFDM 23
Hình 2.2. Sơ đồ khối phát thu của hệ thống OFDM 24
Hình 2.3. Giải thích ý nghĩa chèn CP 27
Hình 2.4. Biểu diễn tín hiệu truyền dẫn OFDM trong không gian hai chiều
(tần số - thời gian) 31
Hình 2.5. Mô hình OFDM trong miền tần số 31
Hình 2.6: Mộ hình kênh phát thu OFDM miền tần số với bộ cân bằng một
nhánh 32
Hình 2.7. Các ký hiệu tham khảo trên trục thời gian tần số 33
Hình 2.8. Giải thích vai trò của mã hoá kênh trong OFDM 34
Hình 2.9. Phổ của tín hiệu OFDM cơ sở 5MHz 36
Hình 2.10. OFDM được sử dụng cho sơ đồ ghép kênh/đa truy nhập: a) đường
xuống, b) đường lên 38
Hình 2.11. Ghép kênh người sử dụng/OFDMA phân bố 39
Hình 2.12. Điều khiển định thời phát đường lên 40
Hình 3.9. Chọn khuôn dạng truyền tải trên đường xuống (trái), trên đường
lên (phải) 72
Hình 3.10. Giao thức HARQ đồng bộ và khồng đồng bộ 74
Hình 3.11. Nhiều xử lý HARQ 75
Hình 3.12. Mô tả đơn giản cấu trúc và xử lý lớp vật lý cho DL-SCH 77
Hình 3.13. Xử lý lóp vật lý ở dạng được đơn giản hóa cho UL-SCH 78
Hình 3.14. Các trạng thái của LTE 79
Hình 3.15. Thí dụ về luồng số liệu 81
THUẬT NGỮ VÀ VIẾT TẮTTừ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
2G Second Generation Thế hệ thứ 2
3G Third Generation Thế hệ thứ 3
3GPP
3
ird
Generation Partnership
Project
Đề án các đối tác thế hệ thứ ba
3GPP2
Kết nối gói liên tục
CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung
CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh
CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra vòng dư
CS Circuit Switch Chuyền mạch kênh
DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng DCH Dedicated Channel Kênh riêng
DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc
DFTS-
OFDM
DFT-Spread OFDM OFDM trải phổ DFT
DL Downlink Đường xuông
DPCCH
Dedicated Physical Control
Channel
Kênh điều khiển vật lý riêng
DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng
DPDCH
Dedicated Physical Data
Channel
Kênh sô liệu vật lý riêng
DRX Discontinuous Reception Thu không liên tục
DSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuông
DTX Discontinuous Transmission Phát không liên tục
EDGE
Enhanced Data for GSM
Evolution
Phát triển tăng cường số liệu cho
FFT Fast Fourier Transform Biên đôi Fourier nhanh GERAN
GSM EDGE Radio Access
Network
Mạng truy nhập vô tuyên
GSMEDGE
GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng
GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyên nói chung
GPS Global Positionning System Hệ thống định vị toàn cầu
GSM
Global System For Mobile
Communication
Hệ thống thông tin di động toàn cầu
HARQ
Hybrid Automatic Repeat
request
Yêu cầu phát lại tự độíig linh
hoạt
HCR High Chip Rate Tốc độ chip cao
HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường ọhú
HSDPA
High Speed Downlink Packet
Access
Truy nhập gói đường xuông tốc
độ cao
HSPA High-Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao
HSS Home Subscriber Server Server thuê bao nhà
HSUPA
phận vô tuyến Iu
Giao diện để thông tin giữa
RNC và mạng lõi
Iub
Giao diện được sử dụng để
thông tin giữa nút B và RNC
Iur
Giao diện được sử dụng để
thông tin giữa các RNC
LCR Low Chip Rate Tốc độ chíp thấp
LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn
MAC Mediụm Access Control Điều khiển truy nhập môi trường
MBMS
Multimedia Broadcast Multicast
Service
Dịch vụ quảng bá đa phương đa
phương tiện
MBS Multicast Broadcast Service Dịch vụ quảng bá đa phương
MBSFN
Multicast Broadcast Single
Frequency Network
Mạng đơn tân quảng bá đa
phương
MCCH MBMS Control Channel Kênh điều khiển MBMS
Tỷ sô công suât đỉnh trên công
suất trung bình
PAR Peak to Average Ratio Tỷ số đỉnh trên trung bình
PDCCH
Physical Dedicate Control
Channel
Kênh điều khiển riêng vật lý
PDCP
Packet-Data Convergence
Protocol
Giao thức hội tụ số liệụ gói
PDSCH
Physical Dovralink Shared
Channel
Kênh chia sẻ đường xuông vật lý
PDU Packet Data Unit Đơn vị sô liệu gói
PHY Physical Layer Lớp vật lý
PS Packet Switch Chuyển mạch gói
PSTN
Public Switched Telephone
Network
Mạng điện thoại chuyển mạch
công cộng
QAM
Quadrature Amplitude
Modulation
Điêu chê biên độ vuông góc
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
RAB Radio Access Bearer Kênh mang truy nhập vô tuyến
RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyên
không gian
SDƯ Service Data Unit Đơn vị sô liệu dịch vụ
SF Spreading Factor Hệ số trải phổ
SFBC Space Frequency Block Code Mã khối không gian tần số
SFN Single Frequency Network Mạng tần số đon
SGSN Serving GPRS Support Node Nút hô trợ GPRS phục vụ
SIC
Sucessive Interference
Combining
Kết hợp loại bỏ nhiễu lần lượt
SIM Subscriber Identiíy Module Modun nhận dạng thuê bao
SINR
Signal to Interference plus
Noise Ratio
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp
âm
SMS Short Message Service Dịch vụ tin nhắn ngán
SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
SRNS
Serving Radio Network
Subsystem
Phân hệ mạng vô tuyên phục vụ
STBC Space Time Block Code Mã khôi không gian thời gian
STC Space Time Code Mã không gian thời gian
STTD Space Time Transmit Diversity
Phân tập phát không gian thời
gian
TCP Transmission Control Protocol Giao thức điểu khiển truyền dẫn
TD-CDMA
Time Division-Code Division
Diversity
Phân tập phát chuyển mạch theo
thời gian
TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian phát
UE User Equipment Thiêt bị người sử dụng
ƯL Uplink Đường lên
UM ưnacknowledged Mode Chê độ không công nhận
UMTS
Universal Mobile
Telecommunications System
Hệ thống thông tin di động toàn
cầu
UTRA UMTS Terrestrial Radio Access
Truy nhập vô tuyên mặt đât
UMTS
UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access
Mạng truy nhập vô tuyên mặt đất
UMTS
ưu
Giao diện được sử dụng để
thông tin giữa nút B và UE
WCDMA
Wideband Code Division
Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
băng rộng
WG Working Group Nhóm công tác
chức quốc tế này đã được giao nhiệm vụ tiêu chuẩn hoá WCDMA. Hoạt động tiêu
chuẩn hoá cho WCDMA/HSPA của tổ chức này từ năm 1999 đến năm 2006 được
tổng kết theo thời gian đưa ra các phát hành trên hình 1.1.
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
Phát hành
3 (R3),
12/99
Phát hành 4
(R4),
03/01
Phát hành
5 (R5),
03/02
B
Phát hành 6
(R6), 12/04
Phát hành
7 (R7),
09/06
Hình 1.1. Lộ trình đưa ra các phát hành trong 3GPP
2
Mốc phát triển đầu tiên cho WCDMA đã đạt được vào cuối năm 1999 khi phát
hành R3 được công bố chứa đựng toàn bộ các đặc tả WCDMA. Phát hành R4 được
đưa ra sau đó vào năm 2001. Tiếp theo là R5 được đưa ra vào năm 2002 và R6 vào
năm 2004. Phát hành R7 được đưa ra vào nửa cuối năm 2007. 3GPP lúc đầu có
bốn nhóm đặc tả kĩ thuật(TSG) khác nhau và sau đó là năm nhóm chuyển từ các
Liên hiệp các tiêu chuẩn thông tin Trung Quốc (CCSA)
Liên hiệp giới công nghiệp và kinh doanh vô tuyến (ARIB)
Uỷ ban cộng nghệ viễn thông (TTC)
Liên hiệp công nghệ viễn thông (TTA)
3GPP tạo lập nội dung kĩ thuật của các đặc tả, nhưng chính các đối tác có tổ
chức sẽ công bố công việc này. Điều này cho phép có được các tập đặc tả giống
nhau tại tất cả các vùng trên thế giới và vì thế đảm bảo phổ biến trên tất cả các lục
địa. Ngoài các đối tác có tổ chức, còn có các đối tác được gọi là đại diện thị trường
như UMTS Forum, là bộ phận của 3GPP.
1.2.2.
Chuẩn hoá HSDPA trong 3GPP
Khi phát hành R3 hoàn thành, HSDPA và HSUPA vẫn chưa được đưa vào kế
hoạch nghiên cứu. Trong năm 2000, khi thực hiện hiệu chỉnh WCDMA và nghiên
cứu R4 kể cả TD-SCDMA, người ta nhận thấy rằng cần có một số cải thiện cho truy
nhập gói. Để cho phép phát triển này, nghiên cứu khả thi cho HSDPA được khởi
đầu vào tháng 3 năm 2000. Nghiên cứu này được bắt đầu theo các nguyên tắc của
3GPP (phải có ít nhất bốn hãng ủng hộ). Các hãng đầu tiên ủng hộ nghiên cứu
HSDPA gồm Motorola và Nokia thuộc phía các nhà bán máy và BT/Cellnet, T-
Mobile và NTTDoCoMo thuộc phía các nhà khai thác.
Nghiên cứu khả thi đã kết thúc tại phiên hợp đoàn thể TSG RAN và kết luận
rằng các giải pháp được nghiên cứu cho thấy có lợi. Trong danh mục nghiên cứu 4
HSDPA này có các vấn đề được nghiên cứu để cải thiện truyền dẫn số liệu gói
đường xuống so với các đặc tả R3. Các chuyên đề như phát lại lớp vật lý và lập biểu
dựa trên BTS đã được nghiên cứu cùng với mã hoá và điều chế thích ứng. Nghiên
cứu cũng bao hàm cả một số nghiên cứu về công nghệ phát thu nhiều anten dưới
tiêu đề “Nhiều đầu vào nhiều đầu ra” (MIMO) cùng với chọn ô nhanh (FCS).
Vì nghiên cứu khả thi cho thấy có thể đạt được cải thiện đáng kể với mức độ
1.2.3.
Chuẩn hoá HSUPA trong 3GPP
Mặc dù HSUPA là thuật ngữ được sử dụng rộng rãi trên thị trường, trong quá
trình chuẩn hoá HSUPA thuật ngữ này được sử dụng dưới cái tên “kênh riêng
đường lên tăng cường” (E-DCH : Enhanced Ưplink Dedicated Channel). Nghiên
cứu được tiến hành trong giai đoạn hiệu chỉnh HSDPA và được bắt đầu bằng danh
mục nghiên cửu về “ tăng cường đường lên cho các kênh truyền tải” vào tháng 9
năm 2002. Từ phía các nhà bán máy, Motorola, Nokia, và Ericsson là các hãng ủng
hộ khởi xướng nghiên cứu cho vấn đề này trong 3GPP.
Các kỹ thuật được nghiên cứu cho HSUPA (E-DCH) bao gồm (xem hình 1.3):
HARQ lớp vật lý nhanh cho đường lên
Lập biểu nhanh đường lên dựa trên nút B
Độ dài thời gian truyền dẫn (TTI) đường lên ngắn hơn
Thiết lập TTI nhanh
Hình 1.3. Các kĩ thuật được xem xét nghiên cứu cho HSUPA
Sau một thời gian nghiên cứu dài và chi tiết báo cáo kết quả nghiên cứu đã làm
sáng tỏ các lợi ích của các kĩ thuật được nghiên cửu. Báo cáo cho thấy rằng không 6
có lợi ích tiềm năng khi sử dụng điều chế bậc cao cho đường lên vì thế điều chế
thích ứng đã không được đưa vào danh mục nghiên cứu thực tế.
Danh mục nghiên cứu này được kết thúc vào tháng 3 năm 2004 với khuyến
nghị việc bắt đầu danh mục nghiên cứu trong 3GPP để đặc tả HARQ lớp vật lý
nhanh và cơ chế lập biểu dựa trên nút B cho đường lên cũng như độ dài TTI ngắn
hơn. Ngoài ra cơ chế thiết lập các kênh DCH nhanh hơn không được đưa vào
khuyến nghị, nhưng các vẩn đề này đã được đề cập trong các danh mục nghiên cứu
khác đối với phát hành 3GPP R6 dựa trên các kết quả nhận được trong giai đoạn
danh mục nghiên cứu này. Hình 1.4 cho thấy các kĩ thuật được chọn cho danh mục
TSG RAN: Nghiên cứu tiêu chuẩn cho giao diện vô tuyến
2.
TSG SA: Nghiên cứu kiến trúc mạng
Kế hoạch nghiên cứu phát triển tiêu chuẩn LTE được cho trên hình 1.5
Hình 1.5. Kế hoạch nghiên cứu tiêu chuẩn E-UTRAN
Quá trình nghiên cứu được tiến hành trong các nhóm TSG 3GPP LTE/SAE
dưới sự điều hành của PCG (Project Coordination Group: nhóm điều phổi đề án
3GPP) được cho trên hình 1.6.
8
Hình 1.6. Tổ chức của nhóm điều phối đề án 3GPP
Như trên hình 1.6 ta thấy PCG điều hành bốn nhóm TSG sau : (1) SA (dịch vụ
và hệ thống), (2) CT(mạng lõi và đầu cuối), (3) GERAN (mạng truy nhập vô tuyến
GSM EDGE), (4) RAN (mạng truy nhập vô tuyến).
1.4. IMT-ADVANCED và lộ trình phát triển tới 4G
Trong ITƯ, nhóm công tác 8F(ITU-R WP 8F) đang tiến hành nghiên cứu các
hệ thống tiếp sau IMT-2000. Bảng 1.1 Cho thấy mục tiêu của 4G
Copyright: Tài liệu đại học ©