TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

NGHIÊN CỨU VỀ CHUYỂN GIAO TRONG
MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE
Sinh viên thực hiện
Lớp

: Võ Đình Sự
: 48K ĐTVT

Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa

NGHỆ AN, 01-2012

i


MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................iv
TÓM TẮT ĐỒ ÁN...........................................................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG..............................................................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ........................................................viii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT..............................................................xi

3.4.1 Thủ tục chuyển giao.....................................................................31
3.4.2 Báo hiệu.......................................................................................33
3.4.3 Phép đo chuyển giao....................................................................36
3.4.4 Quan hệ láng giềng tự động.........................................................36
3.4.5 Chuyển giao liên hệ thống............................................................38
3.5 Đo đạc chuyển giao và bộ lọc..............................................................39
3.5.1 Đo đạc chuyển giao và trung bình miền tần số............................41
3.5.2 Trung bình miền thời gian (bộ lọc lớp 3).....................................43
3.5.3 Độ chính xác đo đạc chuyển giao................................................44
3.5.4 Quyết định và báo cáo chuyển giao.............................................45
3.6 Chuyển giao trong mạng hỗn tạp 4G...................................................51
3.6.1 Phân loại chuyển giao..................................................................52
3.6.2 Chuyển giao trong mạng hỗn tạp 4G...........................................55
3.6.3 Quá trình chuyển giao..................................................................57
3.6.4 Chuyển đổi kết nối vô tuyến........................................................59
3.6.5 Cấp phát kênh...............................................................................60
3.6.6 Chuyển giao tự nguyện và cưỡng bức..........................................60
3.6.7 Hàm quyết định chuyển giao dọc.................................................62
3.6.8 Đánh giá hiệu suất........................................................................64
CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH CHUYỂN GIAO....66
4.1 Mô phỏng thuật toán chuyển giao........................................................66
4.1.1 Chuyển giao nội mạng LTE.........................................................66
4.1.2 Chuyển giao dọc giữa LTE và WLAN........................................68
4.2 Giao diện chính chương trình...............................................................69
iii


4.2.1 Chuyển giao nội mạng LTE.........................................................70
4.2.2 Chuyển giao dọc giữa LTE và WLAN........................................73
KẾT LUẬN.....................................................................................................79

người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn giúp em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp.
Các thầy cô trong hội đồng đã giúp em hoàn thiện đồ án này.
Tuy nhiên do LTE là công nghệ đang được nghiên cứu, phát triển và
hoàn thiện cũng như là do những kiến thức của em còn hạn chế nên đồ án tốt
nghiệp không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được nhiều
v


sự góp ý của thầy cô và các bạn để em có thể hoàn thiện hơn cho đồ án của
mình.
Đồ án của em trình bày bao gồm bốn chương với nội dung khái quát
như sau:
Chương 1 Các hệ thống thông tin di động và xu hướng phát triển.
Chương này sẽ trình bày khái quát về sự phát triển của các hệ thống thông tin
di động, sự phát triển từ các mạng thế hệ thứ nhất lên các mạng vượt trên 3G
trong đó có LTE. Đồng thời chương 1 cũng đưa ra các xu hướng phát của các
hệ thống thông tin di động.
Chương 2 Giới thiệu về công nghệ và mục tiêu thiết kế LTE. Chương
trình này khái quát về công nghệ LTE, sau đó sẽ giới thiệu về các mục tiêu
thiết kế LTE.
Chương 3 Nghiên cứu về chuyển giao trong mạng thông tin di động
LTE. Chương này trình bày các khía cạnh khác nhau của chuyển giao trong
mạng thông tin di động LTE và tập trung vào các quá trình chuyển giao nội
mạng LTE và chuyển liên hệ thống giữa các hệ thống thông tin di động.
Chương 4 Phân tích và đánh giá mô hình chuyển giao. Chương này mô
phỏng quá trình chuyển giao nội mạng LTE cũng như quá trình chuyển giao
dọc giữa LTE và WLAN.
Nghệ An, Ngày 2 tháng 1 năm 2012
Sinh viên thực hiện
Võ Đình Sự

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các thông số lớp vậy lý LTE...........................................................13
Bảng 2.2 Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp.........................................................13
Bảng 2.3 Các yêu cầu thông lượng của người sử dụng và hiệu suất sử dụng
phổ tần.............................................................................................................16
Bảng 2.4 Các yêu cầu thời gian gián đoạn, LTE-GSM và LTE-WCDMA.....18
Bảng 3.1 Độ lệch chuẩn của các sai số đo đạc................................................45
Bảng 4.1 Kịch bản mô phỏng chuyển giao nội mạng LTE.............................66
Bảng 4.2 Kịch bản mô phỏng chuyển giao dọc giữa LTE và WLAN.............68
Bảng 4.3 Handover Margin và độ trễ chuyển giao..........................................73
Bảng 4.4 Handover Margin và độ trễ chuyển giao..........................................78

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào..................1
Hình 2.1 Cấp phát phổ băng ‘lõi’ IMT-2000 tại 2GHz...................................19
Hình 2.2 Ví dụ về quá trình chuyển dịch từng bước của LTE vào vùng phổ
WCDMA hiện đã triển khai............................................................................19
Hình 2.3 Phân chia chức năng giữa mạng truy cập và mạng lõi.....................21
Hình 3.1 Các trạng thái của LTE.....................................................................25
Hình 3.2 Tín hiệu đồng bộ thứ nhất và thứ hai...............................................27
Hình 3.3 Thủ trục truy nhập ngẫu nhiên.........................................................29
Hình 3.4 Sự tiếp nhận không liên tục (DRX) cho tìm gọi...............................30

dùng là 120kmph, Hm=2dB, Tm=150ms và Tu=3000ms..................................49
Hình 3.21 Chuyển giao dựa trên đo đạc RSS và CIR đối với tốc độ người
dùng băng thông đo đạc 1,25MHz với Hm=2dB và Tu=300ms.......................50
Hình 3.22 Chuyển giao dựa trên đo đạc RSS và CIR đối với biên chuyển giao
(handover margin) đối với tốc độ người dùng khác nhau ở băng thông đo đạc
1,25MHz với Hm=2dB và Tu=300ms...............................................................51
Hình 3.23 Cây phân loại chuyển giao.............................................................52
Hình 3.24 Chuyển giao ngang và chuyển giao dọc.........................................56
Hình 3.25 Sơ đồ phân loại đề xuất các quyết định chuyển giao dọc...............62
Hình 3.26 Topology của mạng được mô phỏng..............................................64
Hình 3.27 Tác động của lưu lượng nền đến tổng thông lượng của mạng.......65
Hình 4.1 Mô hình chuyển giao nội mạng LTE................................................66
Hình 4.2 Sơ đồ khối thuật toán chuyển giao intra-frequency LTE.................67
Hình 4.3 Mô hình chuyển giao dọc giữa LTE và WLAN...............................68
Hình 4.4 Cường độ tín hiệu nhận được (RSS) từ hai eNodeB của mạng LTE...
.........................................................................................................................70
Hình 4.5 Trạng thái UE trong mạng LTE với tốc độ UE=5kmph và không có
Handver Margin..............................................................................................71
Hình 4.6 Trạng thái UE trong mạng LTE với tốc độ UE=5kmph, Handover
Margin=3dB, 6dB............................................................................................72
x


Hình 4.7 Trạng thái UE trong mạng LTE với tốc độ UE=5kmph, Handover
Margin=9dB....................................................................................................73
Hình 4.8 Cường độ tín hiệu nhận được từ eNodeB LTE và WLAN...............74
Hình 4.9 Trạng thái của UE trong hai mạng LTE và WLAN với tốc độ
UE=10kmph và không có Handover Margin..................................................75
Hình 4.10 Trạng thái của UE trong hai mạng LTE và WLAN với tốc độ
UE=10kmph, Handover Margin=3dB, 6dB....................................................76

3rd Generation Partnership

Đề án các đối tác thế hệ thứ ba

Project
3GPP2

3rd Generation Partnership

Đề án đối tác thế hệ thứ ba - 2

Project 2
ACK

Acknowledgement

Tín hiệu xác nhận

AGW

Access Gateway

Cổng truy nhập

ARQ

Automatic Repeat-reQuest

Yêu cầu phát lại tự động


Access
CIR

Carrier to Interference

Tỷ lệ sóng mang trên nhiễu

Ratio
CPICH

Common Pilot channel

Kênh hoa tiêu chung

CS

Circuit Switch

Chuyển mạch kênh

DFT

Discrete Fourier Tranform

Biến đổi Fourier rời rạc

DL

Downlink



Nút B của E-UTRAN

E-UTRA

Evolved UTRA

Truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS
phát triển

E-

Evolved UMTS Terrestrial

Mạng truy nhập vô tuyến cải tiến

UTRAN

Radio Access

FACH

Forward Access Channel

FDD

Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần

Kênh truy nhập đường xuống
số


GI

Guard Interval

Khoảng bảo vệ

GPRS

General Packet Radio

Dịch vụ vô tuyến gói chung

Service
GSM

Global System for Mobile

Hệ thống di động toàn cầu

GW

Gateway

Cổng

HDTV

High Definition Television



Truy nhập gói tốc độ cao

HSS

Home Subscriber Server

Server thuê bao nhà

HSUPA

High Speed Uplink Packet

Truy nhập gói đường lên tốc độ cao

Access
IIR

Infinite Impulse Reponse

Phản ứng xung động vô hạn

IMS

IP Multimedia Subsystem

Phân hệ đa phương tiện IP

IMT


L1

Layer 1

Lớp vật lý 1

L3

Layer 3

Lớp vật lý 3

MBMS

Multimedia Broadcast

Dịch vụ quảng bá đa phương đa

Multicast Service

phương tiện

MIMO

Multi Input Multi Output

Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

MME



Probability Density

Chức năng xác suất mật độ

OFDMA

xiv


Function
PLMN

Public Land Mobile

Mạng di động mặt đất băng rộng

Network
PRB

Physical Resource Block

Khối tài nguyên vật lý

QoS

Quality of Services

Chất lượng dịch vụ


RSRP

Reference Signal Receive

Công suất thu tín hiệu tham khảo

Power
SAE

System Architecture

Phát triển kiến trúc mạng

Evolution
SC

Serving cell

Ô phục vụ

SC-

Single Carrier Frequency

Đa truy cập phân chia theo tần số

FDMA

Division multiple Access


TC

Target cell

Ô mục tiêu

TDD

Time Division Duplexing

Ghép song công phân chia theo thời
gian

TD-

Time Division-

Đa truy nhập phân chia theo mã

SCDMA

Synchronous Code

đồng bộ - phân chia theo thời gian

Division Multiple Acess
xv


TNL


Module
UTRA

UMTS Terrestrial Radio

Truy nhập vô tuyên mặt đất UMTS

Access
UTRAN

UTMS Terrestrial Radio

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất

Access Networks
VoIP

Voice over IP

Thoại sử dụng IP

WAN

Wide Area Network

Mạng diện rộng

WCDM


Mạng diện rộng không dây

Network

xvi


CHƯƠNG 1. CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ XU HƯỚNG
PHÁT TRIỂN
1.1 Sự phát triển của các hệ thống thông tin di động

Khi các ngành thông tin quảng bá về vô tuyến phát triển thì ý tưởng về
thiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di
động sau này. Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm
tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ.
Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn
đến lĩnh vực thông tin di động. Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin
di động đã cải thiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được.
Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết
hợp được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải quyết được bài toán
khó về dung lượng [5].

Hình 1.1 Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào [5]
1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G)

Những hệ thống thông tin di động đầu tiên, nay được gọi là thế hệ thứ
nhất (1G), sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số
(FDMA) để truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di
động. Với FDMA, người dùng được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật
1

dụng kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với kỹ thuật đa
truy nhập mới ưu điểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được
cung cấp. Vì vậy xuất hiện hệ thống thông tin di động thế hệ 2 [5].
2


1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G)

Với sự phát triển nhanh chóng về số lượng thuê bao, hệ thống thông tin
di động thế hệ thứ hai được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê
bao di động. Ở Châu Âu, hệ thống toàn cầu dành cho truyền thông di động có
tên gọi là GSM (Global System for Mobile Communications) được triển khai
để cung cấp một tiêu chuẩn mang tính thống nhất. Điều này cho phép các dịch
vụ không kết nối ra khỏi Châu Âu bằng phương thức chuyển vùng quốc tế.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai được giới thiệu vào cuối những năm
1980 của thế kỷ trước. Các nghiên cứu trong các nước Châu Âu khác nhau đã
kết luận rằng hệ thống số là phù hợp hơn hệ thống tương tự nên hệ thống
GSM sử dụng kỹ thuật truyền dẫn số. Do vậy, so với các hệ thống thông tin di
động thế hệ thứ nhất thì hiệu suất phổ của thế hệ thứ hai cao hơn, dịch vụ dữ
liệu và khả năng chuyển vùng tốt hơn.
Các đặc tả hệ thống GSM xuất hiện vào giữa năm 1988. Tuy nhiên, do
không thể xác định mọi đặc điểm của hệ thống để kịp buổi khai trương vào
năm 1991 nên đặc tả được chia thành 2 pha. Các đặc tả của Pha 1 (các dịch vụ
chung nhất) hoàn thành vào năm 1990. Pha 2 sẽ xác định các dịch vụ còn lại
đồng thời sửa lỗi và cải thiện chất lượng của hệ thống Pha 1. Theo yêu cầu
của Anh, một phiên bản của GSM hoạt động trong dải 1800MHz cũng được
đưa vào trong quá trình xây dựng đặc tả. Phiên bản này được gọi là hệ thống
tế bào số tại 1800MHz. Pha 2 hoàn thành năm 1993 và tiếp sau là Pha 2+,
gồm 1 số đặc điểm mới như mã hóa tiếng nói bán tốc, tăng tốc độ di chuyển
của máy di động (vẫn đảm bảo liên lạc).

nguyên được chia sẻ.
Khi các hệ thống thông tin di động ngày càng phát triển, không chỉ số
lượng người sử dụng điện thoại di động tăng lên, mở rộng thị trường mà
người sử dụng còn đòi hỏi các dịch vụ tiên tiến hơn không chỉ là các dịch vụ
cuộc gọi truyền thống và dịch vụ số liệu tốc độ thấp hiện có trong mạng.
Những lý do trên thúc đẩy các tổ chức nghiên cứu phát triển hệ thống thông
tin di động đã nghiên cứu và áp dụng trong thực tế chuẩn mới cho hệ thống
thông tin di động đó là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba [7].
4


1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G)

Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một
giai đoạn trung gian là thế hệ 2,5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp
nhiều khe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể
chồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm
các mạng đã được đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x.
Ở thế hệ thứ 3 này các hệ thống thông tin di động có xu thế hòa nhập
thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến
2Mbit/s. Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay,
các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 gọi là các hệ thống thông tin di động
băng rộng. Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT2000 đã được đề xuất, trong đó 2 hệ thống W-CDMA và CDMA2000 đã
được ITU chấp thuận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu của những
thập kỷ 2000. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho
phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống
thông tin di động thế hệ 3.
- W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là sự nâng cấp
của các hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ
TDMA như: GSM, IS-136.

1.2 Xu hướng phát triển

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
nhiều so với các công nghệ của mạng di động hiện nay.
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
6


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.
HSDPA (High Speed Downlink Packet Access: truy nhập gói đường
xuống tốc độ cao) là một mở rộng của các hệ thống 3G WCDMA UMTS có
thể cung cấp tốc độ lên đến 10Mbps trên đường xuống. HSDPA là một chuẩn
tăng cường của 3GPP nhằm tăng dung lượng đường xuống bằng cách thay thế
điều chế QPSK trong 3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA. Các kỹ thuật
tương tự cũng được áp dụng cho đường lên trong chuẩn HSUPA (High
Speech Uplink Packet Access). Hai công nghệ truy nhập HSDPA và HSUPA
được gọi chung là HSPA (High Speed Packet Data). Để làm cho công nghệ

đường tiến tới 4G. LTE sẽ tồn tại trong giai đoạn đầu của 4G, tiếp theo nó sẽ
là IMT Adv. LTE cho phép chuyển đổi từ 3G UMTS sang giai đoạn đầu 4G
sau đó sang IMT Adv. Chuyển đổi từ LTE sang IMT Adv là chìa khóa của
thành công trên thị trường. Ngoài LTE của 3GPP ta cũng cần nghiên cứu các
hướng chuyển đổi khác sang 4G. 3GPP2 cũng đã và đang thực hiện kế hoạch
nghiên cứu LTE cho mình, hệ thống do 3GPP2 đề xuất là UMB (Ultra Mobile
Band) [10].
 UMB (Ultra Mobile Broadband)

Tổ chức chuẩn hóa công nghệ thông tin di động 3G CDMA2000
3GPP2 (3rd Generation Partnership Project 2) được thành lập và phát triển bởi
các tổ chức viễn thông của Nhật, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc đã đề
xuất phát triển UMB. Thành viên của 3GPP2, Qualcomm là người đi đầu
trong nỗ lực phát triển UMB, mặc dù công ty này cũng chú tâm cả vào việc
phát triển LTE.
UMB dựa trên CDMA có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ
1,25MHz đến 20MHz và làm việc ở nhiều dải tần số. UMB được đề xuất với
tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288Mbps cho luồng xuống và 75Mbps cho luồng
lên với độ rộng băng tần sử dụng là 20MHz. Công nghệ này sẽ cung cấp kết
8


nối thông qua các sóng mang dựa trên đa truy nhập phân chia theo mã CDMA
[7].
 IEEE 802.16m (WiMax II)

Như chúng ta đã biết, WiMax hay chuẩn 802.16 ban đầu được xây
dựng cho mục đích chính là cung cấp các dịch vụ mạng cố định. Chuẩn IEEE
802.16e được phát triển thêm tính năng di động từ các chuẩn WiMax trước
đó. IEEE 802.16 là một chuỗi các chuẩn do IEEE phát triển, chúng hỗ trợ cả