Lời nói đầu
Thông tin liên lạc là một nhu cầu của bất kỳ một xã hội phát triển nào.
Để đáp ứng nhu cầu liên lạc ngày càng cao của xã hội, thông tin di động đã
được nghiên cứu và phát triển từ rất sớm, bắt đầu với các hệ thống thông tin
di động sử dụng công nghệ analog, cho đến nay các mạng di động sử dụng
công nghệ số đang được ứng dụng rộng rãi và phát triển vô cùng mạnh mẽ.
Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G hay 3G vẫn đang
phát triển không ngừng nhưng 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 tương 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 thương mại
hóa LTE đã đến rất gần.
Trước đây, muốn truy cập dữ liệu, bạn phải cần có 1 đường dây cố định
để kết nối. Trong tương lai không xa với LTE, bạn có thể truy cập tất cả các
dịch vụ mọi lúc mọi nơi trong khi vẫn di chuyển: Xem phim chất lượng 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 tư (4G).
Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là:
“Truy nhập vô tuyến trong công nghệ LTE”. Đề tài sẽ đi vào tìm hiểu tổng
quan về công nghệ LTE cũng như là những kỹ thuật và thành phần được 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. Đề tài của em bao gồm 3 chương:
Chương 1. Lịch sử phát triển của thông tin di động
Chương 2. Tổng quan về công nghệ LTE
Chương 3. Truy nhập vô tuyến LTE
1
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn
2.2. Cấu trúc hệ thống LTE.............................................................................26
2.2.1. Truy nhập vô tuyến mặt đất E-UTRAN..........................................27
2.2.2. EPC (evoled packet core )...............................................................28
2.2.2.1. PDN Gateway (Packet Data Network Gateway)..................28
2.2.2.2. Serving Gateway (SGW)......................................................28
2.2.2.3. MME (Mobility Management Entity)..................................29
2.2.3. Các giao diện liên kết......................................................................30
2.2.4. Giao thức giao diện vô tuyến..........................................................30
2.2.5. Kênh chuyển tải...............................................................................33
2.2.5.1. Kênh chuyển tải đường xuống.............................................34
2.2.5.2. Kênh chuyền tải đường lên..................................................34
2.2.6. Kênh logic.......................................................................................35
2.2.6.1. Các loại kênh logic điều khiển.............................................35
2.2.6.2. Kênh logic lưu lượng............................................................36
3
2.2.7. Kênh vật lý......................................................................................36
2.2.7.1. Các loại kênh vật lý đường xuống........................................36
2.2.7.2. Các loại kênh vật lý đường lên.............................................37
Chương 3. Truy nhập vô tuyến trong công nghệ trong LTE...........................
38..........................................................................................................................
3.1. Truy nhập đường xuống...........................................................................38
3.1.1. Khái quát về công nghệ OFDM......................................................38
3.1.2. Nguyên lý cơ bản của OFDM.........................................................40
3.1.3. Các kỹ thuật điều chế trong OFDM................................................45
3.1.3.1. Điều chế BPSK.....................................................................46
3.1.3.2. Điều chế QPSK....................................................................47
3.1.3.3. Điều chế QAM.....................................................................50
Danh mục hình vẽ
Hình 1.1. Quá trình phát triển của thông tin di động.......................................21
Hình 2.1. Kiến trúc của mạng LTE.................................................................26
Hình 2.2. Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống).........................................31
Hình 2.3. Phân đoạn và hợp đoạn RLC...........................................................32
Hình 2.4. Mối liên hệ giữa các kênh trong đường xuống................................33
Hình 2.5. Các kênh trong đường lên...............................................................33
Hình 3.1. OFDM và SC-FDMA......................................................................38
Hình 3.2. So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng
mang chồng xung (b)........................................................................................41
Hình 3.3. Sơ đồ hệ thống OFDM....................................................................42
Hình 3.4. Symbol OFDM với 4 subscriber....................................................44
Hình 3.5. Phổ của sóng mang con OFDM......................................................45
Hình 3.6. Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK.................................................47
Hình 3.7. Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK.......................................................49
Hình 3.8. Chùm tín hiệu M-QAM...................................................................51
Hình 3.9. Nguyên tắc của OFDMA đối với đường xuống..............................52
Hình 3.10. Cấu trúc khung trong miền thời gian LTE....................................52
Hình 3.11. Các ví dụ về việc chỉ định khung phụ đường lên/đường xuống
trong trường hợp TDD và sự so sánh với FDD..........................................53
Hình 3.12. Sơ đồ thời gian và tần số của tín hiệu OFDM...............................54
Hình 3.13. Cấu trúc miền tần số đường xuống LTE.......................................54
Hình 3.14. Cấu trúc khung phụ và khe thời gian đường xuống LTE..............55
6
Hình 3.15. Khối tài nguyên đường xuống dành cho tiền tố chu trình bình
thường.............................................................................................................57
Nghĩa tiếng Anh
Nghĩa tiếng Việt
1G
First Generation
2G
Second Generation
Hệ thống thông tin di động thế hệ 1
Hệ thống thông tin di động thế hệ 2
3G
Third Generation
Hệ thống thông tin di động thế hệ 3
4G
Fourth Generation
Hệ thống thông tin di động thế hệ 4
All IP Network
Tỉ lệ lỗi bít
BSC
Base Station Controller
Bộ điều khiển trạm gốc
BTS
Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc
CDMA
CMTS
CRC
DCCH
DCH
DFT
Code Division Multiple
Đa truy nhập phân chia theo mã
Access
Cellular
MobileTelephone System
Cyclic Redundancy
Hệ thống điện thoại di động tổ ong
DTCH
EDGE
eNodeB
EPC
FBSS
FDMA
FDM
OFDM trải phổ DFT, cũng được
xem
như là SC-FDMA
Tuyến xuống
DownLink
Downlink Shared Channe Kênh chia sẻ đường xuống
Dedicated Physical
Kênh điều khiển vật lý dành riêng
Control Channel
Dedicated Physical
Kênh vật lý dành riêng
Channel
Dedicated Traffic
Kênh lưu lượng dành riêng
FFT
Fast Fourrier Transform
Biến đổi Fourrier nhanh
FM
Frequency Modulation
Điều chế tần số
GERAN
GMSC
GPRS
Mạng truy nhập vô tuyến GSM
GSM EDGE RAN
EDGE
Gateway Mobile Services MSC cổng
General Packet Radio
Dịch vụ vô tuyến gói chung
Service
10
HSS
Home Subscriber Server
IFFT
ICI
IDFT
Inverse Fast Fourrier
Hệ thống máy chủ thuê bao thường
trú
Biến đổi Fourrier nhanh nghịch đảo
Transform
Inter Channel
Nhiễu xuyên kênh
Interference
Inverse Discrete Fourier
Sự Biến đổi Fourier ngược
Transform
International Mobile
Tiêu chuẩn thông tin di động toàn
Telecommunication
Long Term Evolution
Tiến hóa lâu dài
MAC
Media Access Control
Điều khiển truy nhập đa phương tiện
MDHO
MS
Macro Diversity Hand
Chuyển vùng phân tập vĩ mô
Over
Mobile Station
Trạm di động
11
MSC
MIMO
NAK
MT
OFDM
Đa truy nhập phân chia theo tần số
Division Multiple Access trực giao
Public Key management
Quản lý khoá công cộng
Paging System
Parallel to Serial
Single Carrier
Hệ thống nhắn tin
Chuyển song song sang nối tiếp
Sóng mang đơn
PUSC
Partially Used Sub Carrier
Sóng mang con được dùng một phần
PAPR
Peak to Average Power
Tỉ số công suất đỉnh trên công suất
Ratio
trung bình
TDMA
FDMA đơn sóng mang
Time Alignment Flag
Cờ đồng bộ thời gian
Time Division
Ghép kênh phân chia theo thời gian
Multiplexing
Time Division Multiple
Đa truy nhập phân chia theo thời
Access
gian
12
TE
Terminal Equipment
Thiết bị đầu cuối
UL
Network
13
Chương 1. Lịch sử phát triển của mạng
thông tin di động
1.1. Mạng thông tin di động 1G
∗ 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.
∗ Đặc điểm của hệ thống
Hầu hết các hệ thống ñều là hệ thống analog và yêu cầu chuyển dữ liệu
chủ yếu là âm thanh. Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên
thứ ba. Một số chuẩn trong hệ thống này là: NTM, AMPS, Hicap, CDPD,
Mobitex, DataTac. Những điểm yếu của thế hệ 1G là dung lượng thấp, xác suất
rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọi 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.
1.2. Mạng thông tin di động 2G
∗ Lịch sử phát triển
Năm 1982, hội nghị quản lý bưu điện và viễn thông ở Châu Âu (CEPT
Phương pháp truy nhập
- Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA - Frequency Division Multiple
Access);
- 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).
∗ Các hệ thống điển hình
15
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 GSM được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới (ngoại trừ Bắc Mỹ,
Nhật). Hệ thống GSM dồn kênh phân chia tần số được sử dụng, với mỗi đầu
cuối di động truyền thông trên một tần số và nhận thông tin trên một tần số
khác cao hơn (chênh lệch 80MHz trong D-AMPS và 55MHz trong GSM).
Trong cả hai hệ thống, phương pháp dồn kênh phân chia thời gian lại được áp
dụng cho một cặp tần số, làm tăng khả năng cung cấp dịch vụ đồng thời của
hệ thống. Tuy nhiên, các kênh GSM rộng hơn các kênh AMPS (200kHz so
với 30kHz) qua đó GSM cung cấp độ truyền dữ liệu cao hơn D-AMPS
- CDMA (code Division Multiple Access): CDMA sử dụng công nghệ
tốc độ dự liệu truyền. Chính vì thế, để triển khai EDGE, các nhà cung cấp
mạng phải thay đổi trạm phát sóng BTS cũng như là thiết bị di động so với
mạng GPRS.
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.
1.3. Mạng thông tin di động 3G
Các mạng 3G đã được đề xuất để khắc phục những nhược điểm của 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-200 (International Mobile Telecommunication-2000) cho hệ
thống 3G với các ưu điểm chính được mong đợi đem lại bởi hệ thống 3G:
- 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);
17
- 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 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.
∗
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 CDMA2000.
- 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.
- UMTS sử dụng WCDMA, WCDMA như chuẩn phát vô tuyến. Nó có
băng thông kênh là 5 MHz, có thể mang 100 cuộc gọi cùng một lúc, hoặc nó
có thể mang dữ liệu tới 2Mbps. Tuy nhiên, với sự tăng cường HSDPA và
HSUPA chính là trong những release sau này (R99/R4/R5/R6) của chuẩn, tốc
độ phát dữ liệu tăng tới 14,4 Mbps.
- UMTS cho phép cả 2 chế độ FDD và TDD. Chế độ đầu tiên là FDD là
uplink và downlink trên các tần số khác nhau. Không gian giữa chúng là
190MHz cho mạng band1. Ở TDD uplink và downlink được chia theo thời
gian với những trạm cơ sở (base station) và sau đó di động phát lần lượt trên
cùng tần số, đặc biệt phù hợp tới nhiều loại ứng dụng khác nhau. Nó cũng
thực hiện ở những cell nhỏ. Thời gian bảo vệ được yêu cầu giữa phát và thu.
Hệ thống TDD có thể hiệu quả khi sử dụng trong picocell để mang dữ liệu
internet.
19
- Tần số: Hiện tại có 6 băng sử dụng cho UMTS/WCDMA, tập trung vào
UMTS tầnsố cấp phát trong 2 băng Uplink (1885 - 2025)MHz và Downlink
(2110 - 2200)MHz.
- UMTS sử dụng WCDMA như một cơ cấu vận chuyển vô tuyến. Điều
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]
t
1985
1995
GSM
CDMA One
2000
2005
WCDMA
CDMA 2001
3G
Wifi/IE
EE
Hình 1.1. Quá trình phát triển của thông tin di động [1]
1.4. Mạng thông tin di động 4G
Các nhà cung cấp dịch vụ và người dùng đều luôn mong muốn và
hướng tới các công nghệ không dây có thể cung cấp được nhiều loại hình dịch
vụ hơn với tính năng và chất lượng dịch vụ cao hơn. Với cách nhìn nhận này,
Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) đã và đang làm việc để hướng tới một
chuẩn cho mạng di động tế bào mới thế hệ thứ tư 4G. ITU đã lên kế hoạch để
có thể cho ra đời chuẩn này một vài năm tới. Công nghệ này sẽ cho phép
thoại dựa trên IP, truyền số liệu và đa phương tiện với tốc độ cao hơn rất
21
nhiều so với các công nghệ của mạng di động hiện nay. Về lý thuyết, theo
tính toán dự kiến tốc độ truyền dữ liệu có thể lên tới 288 Mb/s.
Cho đến hiện nay, chưa có một chuẩn nào rõ ràng cho 4G được thông
qua. Tuy nhiên, những công nghệ phát triển cho 3G hiện nay sẽ làm tiền đề
cho ITU xem xét để phát triển cho chuẩn 4G. Các sở cứ quan trọng để ITU
thông qua cho chuẩn 4G đó chính là từ hỗ trợ của các công ty di động toàn
cầu. Các tổ chức chuẩn hóa và đặc biệt là sự xuất hiện của ba công nghệ cho
việc phát triển mạng di động tế bào LTE (Long-Term Evolution), UMB
(Ultramobile Broadband) và WiMAX II (IEEE 802.16m). Ba công nghệ này
có thể được xem là các công nghệ tiền 4G. Chúng sẽ là các công nghệ quan
trọng giúp ITU xây dựng các phát hành cho chuẩn 4G trong thời gian tới.
∗ LTE (Long-Term Evolution)
Tổ chức chuẩn hóa công nghệ mạng thông tin di động 3G UMTS 3GPP
bao gồm các tổ chức chuẩn hóa của các nước châu Á, châu Âu và Bắc Mỹ đã
bắt đầu chuẩn hóa thế hệ tiếp theo của mạng di động 3G là LTE.
LTE được xây dựng trên nền công nghệ GSM, vì thế nó dễ dàng thay
gọi với một tên khác là WiMAX. WiMAX hoạt động trong dải tần từ 10GHz
đến 66 GHz.
IEEE 802.16m hay còn gọi là WiMAX II là công nghệ duy nhất trong
các công nghệ tiền 4G được xây dựng hoàn toàn dựa trên công nghệ đa truy
nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA. WiMAX II được phát triển lên
từ chuẩn IEEE 802.16e. Công nghệ WiMAX II sẽ hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu
lên tới 100Mb/s cho các ứng dụng di động và có thể lên tới 1Gb/s cho các
người dùng tĩnh. Khoảng cách truyền cho WiMAX II sẽ khoảng 2 km ở môi
trường thành thị và là khoảng 10 km cho các khu vực nông thôn.
23
Chương 2. Tổng quan về công nghệ LTE
2.1. Giới thiệu về công nghệ LTE
LTE (Long Term Evolution) còn được gọi là EUTRA (Evolved UMTS
Terrestrial Radio Access) hay E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio
Access Network) là công nghệ có khả năng cung cấp cho người dùng tốc độ
truy cập dữ liệu nhanh, cho phép các telco có thể phát triển thêm nhiều dịch
vụ truy cập sóng vô tuyến mới dựa trên nền tảng IP tối ưu, và đặc biệt thuận
tiện cho việc nâng cấp mạng từ 3G lên 4G.
∗ Các đặc điểm của công nghệ
Tăng cường giao diện không gian cho phép tăng tốc độ số liệu: LTE
được xây dựng trên một mạng truy nhập vô tuyến hoàn toàn mới dựa trên
công nghệ OFDM. Được chỉ rõ trong 3GPP Release 8, giao diện không gian
LTE kết hợp đa truy nhập và điều chế dựa trên OFDMA cho đường xuống,
cùng với SC-FDMA cho đường lên. OFDM chia phổ tần khả dụng thành hàng
nghìn sóng mang con cực hẹp, mỗi trong số chúng mang một phần của tín
hiệu. Ở LTE, hiệu quả sử dụng phổ tần của OFDM được tăng cường lên nhờ
đến các dịch vụ số liệu cơ sở, thậm chí khi họ nằm trong vùng không phủ
sóng LTE. Do đó, cho phép chuyển giao các dịch vụ xuyên suốt, liền, trôi
chảy trong khu vực phủ sóng của HSPA, WCDMA hay GSM/GPRS/EDGE.
Hơn thế nữa, LTE/SAE 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;
- Thời gian chuyển mạch trong LTE được rút ngắn hơn so với mạng
2G, LTE được nâng cấp lên từ mạng 2G, 3G;
- Băng tấn sử dụng: LTE có thể được triển khai ở nhiều băng tần khác
nhau như ở tần số 700Mhz, 900Mhz, 1800Mhz, 1900Mhz, 2300Mhz;
25
Copyright: Tài liệu đại học ©