1

MỤC LỤC
MỤC LỤC 1

LỜI MỞ ĐẦU 3

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 10

1.1 Giới thiệu về hệ thống thông tin di động 10
1.1.1. Hệ thống 1G (hệ thống tương tự) 10
1.1.2. Hệ thống 2G ( Digital ) 10
1.1.3. Hệ thống 3G 14
1.1.4. Công nghệ 4G 18
1.2 Những tồn tại và khó khăn về kĩ thuật trong thông tin di động 20
1.3 Môi trường vô tuyến trong thông tin di động 21
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G_LTE 23

2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE 23
2.2 Kiến trúc mạng LTE 24
2.2.1 Tổng quan về cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống 26
2.2.2 Thiết bị người dùng ( UE) 28
2.2.3 E-UTRAN NodeB (eNodeB) 28
2.2.4 Thực thể quản lý tính di động (MME) 30
2.2.5 Cổng phục vụ ( S-GW) 33
2.2.6 Cổng mạng dữ liệu gói( P-GW) 36
2.2.7 Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên ( PCRF) 38
2.2.8 Máy chủ thuê bao thường trú (HSS) 40

3.7 Xây dựng hệ thống MIMO trong LTE 101
3.7.1 7 phương thức của MIMO trong LTE Error! Bookmark not defined.
3.7.2 Đa anten trong LTE 103
3.8 Áp dụng của MIMO trong hoạt động 110
KẾT LUẬN 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115 3

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, chúng ta ai cũng thấy rõ vai trò quan trọng của thông tin di động
bởi khả năng kết nối thông tin mọi lúc mọi nơi. Cùng với sự phát triển của xã hội,
sự bùng nổ thông tin thì thông tin di động cũng liên tục phát triển để đáp ứng
những nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng. Thông tin di động đã có lịch sử
phát triển hơn 30 năm với sự thay đổi mạnh mẽ về công nghệ. Mạng thông tin di
động thế hệ sau ra đời để khắc phục các hạn chế của các mạng thông tin di động
trước đó.
Như mạng thông tin di động thế hệ 3 (3G) của chuẩn UMTS ra đời để khắc
phục các hạn chế của các mạng thông tin di động trước đó và đang được triển khai

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Đào Ngọc Chiến, người đã trực
tiếp tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm Luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Đạo tạo sau Đại học –
Viễn Đại Học Mở Hà Nội đã giúp đỡ em trong thời gian qua.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè, đồng nghiệp và người thân - những người đã
giúp đỡ động viên tôi trong quá trình học tập và hoàn thiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, tháng 10 năm 2012
Đinh Hữu Thắng 5

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ
Đề tài: Ứng dụng Kỹ thuật MIMO trong thông tin di đông
4G_LTE
Tác giả luận văn: Đinh Hữu Thắng Khóa: 2010-2012

Người hướng dẫn: PGS.TS Đào Ngọc Chiến
1. Lý do chọn đề tài:
Mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G đã và đang được triển khai rộng rãi
trên toàn thế giới với nhiều cải tiến nổi bật với khả năng cung ứng truyền thông gói
tốc độ cao nhằm triển khai các dịch vụ truyền thông đa phương tiện.
Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của xã hội, sự bùng nổ thông tin dẫn đến

trực tiếp tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm Luận văn này.
Giáo viên hướng dẫn
PGS.TS Đào Ngọc Chiến

7

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt Tiếng Anh
1G / 2G First/ Second/– Generation wireless communication system
3G / 4G Third/ Fourth/– Generation wireless communication system
3GPP Third Generation Partnership Project
AF Application Functions
AMPS Advanced Mobi Phone System
AWGN Additive White Hau Gaussian Noise
BBERF
Bearer Binding and Event Reporting Function
BER
Bit Error Rate
BPSK Binary Phase Shift Keying
BS Base Station
BU Bad Urban

International Mobile Telecommunications 2000
IMS IP Multimedia Subsystem
IMSI International Mobile Subscriber Identity
LTE
Long Term Evolution
ISI
Inter-Symbol Interference
MIMO Multiple Input Multiple Output
MME Mobility Management Entity
MRC
Maximal Ratio Combining
OFDM
Orthogonal Ferquency Division Multiplexing
P-GW
Packet Data Network Gateway
PCEF
Policy Charging and Rules Function
PCRF
Policy charging and rules function
PDN/ PDN-GW
Packet Data Network/ Packet Data Network Gateway
PMIP
Proxy Mobile IP
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
RRM
Radio Resources Management
RNC Radio Network Controller
RTMI Radio Telefono Mobile Integrato
S-GW Serving Gateway

ZF Zero-Forcing 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1 Giới thiệu về hệ thống thông tin di động
1.1.1. Hệ thống 1G (hệ thống tương tự)
1.1.1.1. Lịch sử phát triển
Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tương tự, là hệ thống truyền tín hiệu
tương tự (analog), là mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại, được 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) được sử dụng ở các nước Bắc Âu,
Tây Âu và Nga. Cũng có một số công nghệ khác như AMPS (Advanced Mobile
Phone Sytem – hệ thống điện thoại di động tiên tiến) được sử dụng ở Mỹ và Úc;
TACS (Total Access Communication Sytem – hệ thống giao tiếp truy cập tổng
hợp) được sử dụng ở Anh, C-45 ở Tây Đức, Bồ Đào Nha và Nam Phi, Radiocom
2000 ở Pháp; và RTMI ở Italia.

khoảng cách giữa 2 sóng mang kề nhau là 200KHz. Mỗi kênh sử dụng 2 tần
sốriêng 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 thời gian là một kênh vật lý trao đổi thông tin giữa MS và mạng GSM.
Tốc độ mã từ (6.5- 13)Kbps, 125 kênh tần số được đánh số từ 0 đến 124 được gọi
là kênh tần số tuyệt đối ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number).
Ful(n) = 890 MHz + (0,2MHz) * n
Fdl(n) = Ful(n) + 45MHz
Với 1 <= n <= 124
- Sử dụng các phương pháp đa truy nhập chính là:
+ Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA - Frequency Division Multiple
Access ).

12

+ Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA – Time Division Multiple
Access).
+ Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA – Code Division Multiple Access).
1.1.2.2. Các hệ thống điển hình
Thế hệ thứ hai (2G) xuất hiện vào những năm 90 với mạng di động đầu tiên,
sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA). Trong thời kỳ của
thế hệ thứ hai, nền công nghệ thông tin di động đã tăng trưởng vượt trội cả về số
lượng thuê bao và các dịch vụ giá trị gia tăng. Các mạng thế thứ hai cho phép
truyền dữ liệu hạn chế trong khoảng từ 9.6 kbps đến 19.2 kbps. Các mạng này được
sử dụng chủ yếu cho mục đích thoại và là các mạng chuyển mạch kênh.
Tương tự như trong 1G, không tồn tại một chuẩn chung toàn cầu nào cho 2G,
hiện nay các hệ thống 2G dựa trên 3 chuẩn công nghệ chính sau:
- D- AMPS (Digital AMPS): Được sử dụng tại Bắc Mỹ. D-AMPS đang dần
được thay thế bởi GSM/GPRS và CDMA2000.
- GSM (Global System for Mobile Communications): Các hệ thống triển khai

độ cao.
- GPRS = General Packet Radio Service: dịch vụ vô tuyến gói chung.
Hệ thống GPRS - bước đầu tiên hướng tới 3G.Mở rộng kiến trúc mạng
GSM.Truy cập tốc độ cao và hiệu quả tới những mạng chuyển mạch gói khác
(tăng tới 115kbps)
- 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
GSM HSCSD
EDGE
GPRS

14

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. 2,5G cung cấp một số lợi ích của mạng 3G (ví dụ chuyển mạch gói),
và có thể dùng cơ sở hạ tầng đang tồn tại của 2G trong các mạng GSM và CDMA.
GPAS là công nghệ được các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông GSM sử dụng. Và
giao thức như EDGE cho GSM và CDMA 2000 1x-RTT cho CDMA có thể đạt
chất lượng như các dịch vụ 3G (vì dùng tốc độ truyền dữ liệu 144Kb/s) nhưng vẫn
được xem như dịch vụ 2,5G bởi vẫn chậm hơn vài lần so với dịch vụ 3G thật sự.
1.1.3. Hệ thống 3G
Các mạng 3G đã được đề xuất để khắc phục những nhược điểmcủa các mạng
2G và 2.5G đặc biệt ở tốc độ thấp và không tương thích giữa các công nghệ như
TDMA và CDMA giữa các nước. Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-2000
(International MobileTelecommunication-2000) cho hệ thống 3G với các ưu điểm
chính được mong đợi đem lại bởi hệ thống 3G là:
- Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao

không có khả năng tương thích với các hệ thống GSM hoặc D-AMPS của thế hệ
thứ 2.
- TD-SCDMA
Chuẩn được it biết đến hơn là TD-SCDMA đang được phát triển tại Trung
Quốc bởi các Công ty Datang và Siemens
1.1.3.1. Đặc điểm và các kỹ thuật chính
Đặc điểm nổi bật nhất của mạng 3G là khả năng hỗ trợ một lượng lớn các
khách hàng trong việc truyền tải âm thanh và dữ liệu - đặc biệt là ở các vùng đô thị
- với tốc độ cao hơn và chi phí thấp hơn mạng 2G.
3G sử dụng kênh truyền dẫn 5 MHz để chuyển dữ liệu. Nó cũng cho phép việc
truyền dữ liệu ở tốc độ 384 Kbps trong mạng di động và 2 Mbps trong hệ thống

16

tĩnh. Người dùng hy vọng mạng 3G sẽ được phát triển hiệu quả hơn nữa, để các
khách hàng của các mạng 3G khác nhau trên toàn cầu có thể kết nối với nhau.
Kết cấu phân tầng: Hệ thống UMTS dựa trên các dịch vụ được phân tầng,
không giống như mạng GSM. Ở trên cùng là tầng dịch vụ, đem lại những ưu điểm
như triển khai nhanh các dịch vụ, hay các địa điểm được tập trung hóa. Tầng giữa
là tầng điều khiển, giúp cho việc nâng cấp các quy trình và cho phép mạng lưới có
thể được phân chia linh hoạt.Cuối cùng là tầng kết nối, bất kỳ công nghệ truyền dữ
liệu nào cũng có thể được sử dụng và dữ liệu âm thanh sẽ được chuyển qua
ATM/AAL2 hoặc IP/RTP.
CDMA được dùng trong mạng IMT-2000 3G là WCDMA (Wideband
CDMA) và CDMA 2000.
- WCDMA là đối thủ của CDMA2000 và là một trong 2 chuẩn 3G, trải phổ
rộng hơn đối với CDMA do đó có thể phát và nhận thông tin nhanh hơn và hiệu
quả hơn.
- Ở Châu Âu, mạng 3G WCDMA được biết như là UMTS (Universal Mobile
Telephony System) là một cái tên khác cho W-CDMA/dịch vụ 3G.

Chúng phát dịch vụ 3G khi chiếm dữ một phổ tần nhỏ (1,25 MHz mỗi sóng
mang)
Ưu điểm của công nghệ W-CDMA so với GSM:
- Tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến.
- Có khả năng truyền tải đa phương tiện.
- Thực hiện truyền tải dịch vụ hình ảnh tốc độ thấp cho đến tốc độ cao nhất là
2 Mbps.
- Tính bảo mật của cuộc thoại và mức độ hiệu quả khai thác băng tần cao hơn.
- Có khả năng chuyển mạch mềm, tích hợp được với mạng NGN.

18

- Chất lượng thoại được nâng lên và dung lượng mạng tăng lên 4-5 lần so với
GSM.
- CDMA có cơ chế giúp tiết kiệm năng lượng, giúp tăng thời gian thoại của
pin.
- Khả năng mở rộng dung lượng của CDMA dễ dàng và chi phí thấp hơn so
với GSM.
Thế hệ 3.5G :
3,5G là những ứng dụng được nâng cấp dựa trên công nghệ hiện có của 3G.
Công nghệ của 3,5G chính là HSDPA (High Speed Downlink Package Access).
Đây là giải pháp mang tính đột phá về mặt công nghệ, được phát triển trên cơ sở
của hệ thống 3G W-CDMA.
HSDPA cho phép download dữ liệu về máy điện thoại có tốc độ tương đương
tốc độ đường truyền ADSL, vượt qua những cản trở cố hữu về tốc độ kết nối của
một điện thoại thông thường.
HSDPA là một bước tiến nhằm nâng cao tốc độ và khả năng của mạng di
động tế bào thế hệ thứ 3 UMTS. HSDPA được thiết kế cho những ứng dụng dịch
vụ dữ liệu như: dịch vụ cơ bản (tải file, phân phối email), dịch vụ tương tác (duyệt
web, truy cập server, tìm và phục hồi cơ sở dữ liệu), và dịch vụ Streaming

1.1.4.2. Mạng 4G tổng quát
Dựa trên xu thế phát triển của thông tin di động, mạng 4G sẽ có băng
thôngrộng hơn, tốc độ dữ liệu cao hơn, chuyển giao nhanh hơn và không gián đoạn,
và đặc biệt cung cấp các dịch vụ liên tục giữa các hệ thống và các mạng.
Mạng 4G sẽ bao gồm tất cả các hệ thống của các mạng khác nhau, từ mạng
công cộng đến mạng riêng, từ mạng băng rộng có quản trị mạng đến mạng cá nhân
và các mạng khác. Các hệ thống 4G sẽ hoạt động kết hợp với các hệ thống 2G và

20

3G cũng như các hệ thống phát quảng bá băng rộng khác. Thêm vào đó, mạng 4G
sẽ là mạng Internet di động dựa trên IP hoàn toàn.
Hình (dưới) cho thấy một loạt các hệ thống mạng 4G sẽ tích hợp: vệ tinh băng
rộng, mạng tổ ong 2G, mạng tổ ong 3G, mạch vòng nội hạt vô tuyến (WLL) và
mạng cá nhân (PAN), dùng giao thức IP là giao thức tích hợp.

Hình 1.2 Kết nối liên tục giữa các mạng
1.2 Những tồn tại và khó khăn về kĩ thuật trong thông tin di động
Dung lượng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ 1 và 2 bị hạn chế
nhiều do sử dụng các kỹ thuật đa truy cập FDMA, TDMA hoặc CDMA. Các kỹ
thuật này xác định người dùng bằng việc cấp phát một tần số hoặc một khe thời

21

gian hoặc một mã trải phổ duy nhất khi họ đăng nhập vào hệ thống. Nhưng phổ tần
dành cho thông tin di động thì có hạn. CDMA cũng làm tăng dung lượng hệ thống
đáng kể nhưng nó lại dẫn đến sự gia tăng nhiễu đồng kênh và nhiễu xuyên kênh do
mật độ phân bố cao của người dùng trong một cell. Do đó dung lượng hệ thống
không cao.
Bên cạnh đó chất lượng dịch vụ của người dùng cũng giảm do fading và nhiễu

thể, biên độ, pha và sự phân cực của sóng tới tại điểm nhiễu xạ. Mặc dù cường độ
trường giảm nhanh khi bộ thu đi vào vùng chắn (vùng tối), cường độ nhiễu xạ cũng
có và thường là đáng kể để tạo tín hiệu có ích.
Sự tán xạ: xuất hiện khi sóng lan truyền qua môi trường mà độ dài của các vật
thể là nhỏ so với bước sóng và số vật cản trên đơn vị thể tích môi trường là rất lớn.
Các bề mặt nhấp nhô, những vật thể nhỏ, sự thay đổi bất thường của kênh truyền
tạo ra sóng tán xạ. Thực tế thì tán lá rậm, bảng đường, cột điện tạo ra hiện tượng
tán xạ trong thông tin di động…
23

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G_LTE
2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE
LTE là thế hệ thứ tư (4G) tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển.
UMTS thế hệ thứ ba (3G) dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới.
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 giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh

2.2 Kiến trúc mạng LTE
Nhiều các mục tiêu với ngụ ý rằng một kiến trúc phẳng sẽ cần được phát triển
kiến trúc phẳng với ít nút tham gia sẽ làm giảm độ trễ và cải thiện hiệu suất. Phát
triển theo hướngng này đã được bắt đầu từ phiên bản 7. Nơi ý tưởng đường hầm
trực tiếp cho phép mặt phẳng nguời dùng (UP) bỏ qua SGSN.

25 mặt phẳng điều khiển
mặt phẳng người dùng
Hình 2.2: Phát triển kiến trúc 3GPP hướng tới kiến trúc phẳng hơn
Kiến trúc mạng LTE được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch
gói với tính di động linh hoạt, chất lượng dịch vụ (QoS) và độ trễ tối thiểu. Một
phương pháp chuyển mạch gói cho phép hỗ trợ tất cả các dịch vụ bao gồm cả thoại
thông qua các kết nối gói. Kết quả là trong một kiến trúc phẳng hơn, rất đơn giản
chỉ với 2 loại nút cụ thể là nút B phát triển ( eNB) và phần tử quản lý di động/cổng
(MME/GW). Điều này hoàn toán trái ngược với nhiều nút mạng trong kiến trúc
mạng phân cấp hiện hành của hệ thống 3G. Một thay đổi lớn nữa là phần điều
khiển mạng vô tuyến (RNC) được loại bỏ khỏi đường dữ liệu và chức năng của nó
hiện nay được thành lập ở eNB. Một số ích lợi của một nút duy nhất trong mạng
truy nhập là giảm độ trễ và phân phối của việc xử lý tải RNC vào nhiều eNB. Việc
loại bỏ RNC ra khỏi mạng truy nhập có thể một phần do hệ thống LTE không hỗ
trợ chuyển giao mềm.
Phiên bản 6
GGSN
SGNS
RNC
Node B
Phiên bản 7