TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
_____________________________
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
CÔNG NGHỆ LTE
VÀ QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE
Sinh viên thực hiện:
NGUYỄN HỮU SƠN
Lớp 47K ĐTVT
Niên khóa:
2006 - 2011
Giảng viên hướng dẫn: TS. NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA
Nghệ An, 5 - 2011
Mục lục
Lời nói đầu
Tóm tắt đồ án
Danh mục sơ đồ hình vẽ
Danh mục bảng biểu
Thuật ngữ và viết tắt
Chương 1. Tổng quan quá trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G......2
2.4. Sự hỗ trợ nhiều anten (Multiple antenna support)................................28
2.5. Hỗ trợ multicast và broadcast ..............................................................29
2.6. Các vấn đề liên quan đến việc triển khai..............................................30
2.7. Độ linh hoạt phổ và việc triển khai......................................................31
2.8. Kết luận chương ..................................................................................32
Chương 3. Các kỹ thuật trong mạng 4G LTE............................................33
3.1. Các hạn chế cơ bản đối với truyền dẫn vô tuyến băng rộng và giải pháp. .33
3.1.1. Phân tích các hạn chế trên cơ sở công thức dung lượng của
Shannon......................................................................................33
3.1.2. Phân tích hạn chế truyền dẫn vô tuyến băng rộng theo điều kiện
truyền sóng...................................................................................34
3.2. ARQ hỗn hợp với việc kết hợp mềm (Hybrid ARQ with soft
combining) ...........................................................................................34
3.3. Các giao thức và các kênh trên giao diện vô tuyến của 4G LTE.........35
3.3.1. Các giao thức trên giao diện vô tuyến........................................35
3.3.2. Các kênh trên giao diện vô tuyến của 4G LTE..........................36
3.3.3. Cấu trúc tài nguyên truyền dẫn..................................................37
3.4. Tổ chức kênh tần số trong LTE............................................................40
3.4.1. Băng thông kênh và cấu hình băng thông truyền dẫn................40
3.4.2. Sắp xếp kênh tần số....................................................................41
3.5. Điều chế trong 4G LTE........................................................................42
3.5.1 Xử lý kênh truyền tải đường xuống............................................42
3.5.2. Xử lý kênh truyền tải đường lên.................................................43
3.6. Báo hiệu điều khiển L1/L2 ..................................................................44
3.6.1. Báo hiệu điều khiển L1/L2 đường xuống...................................44
3.6.2. Báo hiệu điều khiển L1/L2 đường lên........................................46
3.7. Chuyển giao trong 4G LTE..................................................................48
3.7.1. Chuyển giao nội LTE.................................................................48
3.7.2. Báo hiệu cho chuyển giao..........................................................48
4
Lời nói đầu
Thông tin di động số đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới
với những ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, trong dịch vụ và
trong cuộc sống hằng ngày. Các kĩ thuật không ngừng được hoàn thiện đáp
ứng nhu cầu của người tiêu dùng. Để đáp ứng nhu cầu băng thông lớn, tốc độ
ngày càng cao của con người thì 3G cũng như phát triển lên 4G ngày càng trở
lên vô cùng cấp thiết.
Có nhiều định nghĩa khác nhau về 4G, có định nghĩa theo hướng công
nghệ, có định nghĩa theo hướng dịch vụ. 4G là một giải pháp để vượt lên
những giới hạn và những điểm yếu của mạng 3G. Thực tế, vào giữa năm
2002, 4G là một khung nhận thức để thảo luận những yêu cầu của một mạng
băng rộng tốc độ siêu cao trong tương lai mà cho phép hội tụ với mạng hữu
tuyến cố định. 4G còn là thể hiện ý tưởng, hy vọng của những nhà nghiên cứu
ở các trường đại học, các viện, các công ty như Motorola, Qualcomm, Nokia,
Ericsson, Sun, HP, NTT DoCoMo và nhiều công ty viễn thông khác với mong
muốn đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện mà mạng 3G không thể đáp ứng
được. Xuất phát từ ý tưởng muốn tìm hiểu công nghệ và mạng 4G LTE em đã
thực hiện đồ án: “Công nghệ LTE và quy hoạch mạng 4G LTE”. Đồ án này
em trình bày 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về quá trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G
Chương 2: Kiến trúc mạng 4G LTE.
Chương 3: Các kỹ thuật trong mạng 4G LTE.
Chương 4: Mô hình quy hoạch mạng 4G LTE
Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi sai sót, em rất mong sự chỉ dẫn
của các thầy cô giáo và sự góp ý của các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn cô, TS. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa và các thầy
network planning, fund primarily focused on transmission lines, cell capacity
and estimates of the tools and case studies for the LTE network size.
6
7
Danh mục sơ đồ hình vẽ
Hình 1.1. Tiến trình các phát hành trong 3GPP.................................................
Hình 1.2. Các kĩ thuật được xem xét nghiên cứu cho HSUPA.........................
Hình 1.3. Các kĩ thuật được lựa chọn cho danh mục nghiên cứu HSUPA......
Hình 1.4. Kế hoạch nghiên cứu tiêu chuẩn E-UTRAN...................................
Hình 1.5. Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G.........
Hình 1.6. Chuyển đổi trạng thái trong LTE ...................................................
Hình 1.7. Yêu cầu trễ mặt phẳng U trong LTE...............................................
Hình 2.1. Kiến trúc mạng LTE .......................................................................
Hình 2.2. Mạng lõi SAE (hình vẽ dạng đơn giản)...........................................
Hình 2.3. Kiến trúc mô hình LTE tổng quát theo TR 23. 822........................
Hình 2.4 Một ví dụ về cách thức LTE thâm nhập từng bước vào phân bổ phổ
của một hệ thống GSM đã được triển khai ....................................
Hình 3.1. Kiến trúc mạng 4G LTE..................................................................
Hình 3.2. Ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến của LTE............................
Hình 3.3. Các kênh logic, các kênh truyền tải, các kênh vật lý và sắp xếp các
kênh logic lên các kênh truyền tải, các kênh truyền tải lên các kênh
vật lý................................................................................................
Hình 3.4. Lưới tài nguyên thời gian-tần số cơ sở của LTE (độ dài CP bình
thường)............................................................................................
Hình 3.5. Lưới tài nguyên truyền dẫn không gian thời gian của LTE trong
Thuật ngữ và viết tắt
Từ viết tắt
Tiếng Anh
2G
Second Generation
3G
Third Generation
3GPP
3ird Generation Partnership
Tiếng Việt
Thế hệ thứ 2
Thế hệ thứ 3
Đề án các đối tác thế hệ thứ
3GPP2
Project
3ird Generation Partnership
ba
Đề án các đối tác thế hệ thứ
ACK
AM
ARQ
BCCH
BCH
BTS
Continuous Packet Connectivity
Channel Quality Indicator
Cyclic Redundancy Check
Dedicated Control Channel
Dedicated Channel
Discrete Fourier Transform
DFT-Spread OFDM
theo mã
Mạng lõi
Kết nối gói liên tục
Chỉ thị chất lượng kênh
Kiểm tra vòng dư
Kênh điều khiển riêng
Kênh riêng
Biến đổi Fourier rời rạc
OFDM trải phổ DFT
OFDM
DL
DRX
EDGE
Downlink
Discontinuous Reception
Enhanced Data for GSM
Đường xuống
Thu không liên tục
Phát triển tăng cường số
FDMA
Frequency Division Multiple
tần số
Đa truy nhập phân chia
GERAN
Access
GSM EDGE Radio Access
theo tần số
Mạng truy nhập vô tuyến
GGSN
GPRS
GPS
GSM
Network
Gateway GPRS Support Node
General Packet Radio Service
Global Positionning System
Global System For Mobile
GSM EDGE
Nút hỗ trợ GPRS cổng
Dịch vụ vô tuyến nói chung
xuống tốc độ cao
Truy nhập gói tốc độ cao
Server thuê bao nhà
Truy nhập gói đường lên
IMS
IMT-2000
Access
IP Multimedia Subsystem
International Mobile
tốc độ cao
Phân hệ đa phương tiện IP
Thông tin di động quốc tế
ITU
Telecommunications 2000
International
2000
Liên đoàn viễn thông quốc
ITU-R
Telecommunications Union
International
11
MAC
Medium Access Control
Điều khiển truy nhập môi
MBMS
Multimedia Broadcast Multicast
trường
Dịch vụ quảng bá đa
MBSFN
Service
Multicast Broadcast Single
phương đa phương tiện
Mạng đơn tần quảng bá đa
MCCH
MCH
MIMO
MTCH
OFDM
PDU
PHY
QAM
Protocol
Packet Data Unit
Physical Layer
Quadrature Amplitude
Đơn vị số liệu gói
Lớp vật lý
Điều chế biên độ vuông
QoS
RAN
RAT
Modulation
Quality of Service
Radio Access Network
Radio Access Technology
góc
Chất lượng dịch vụ
Mạng truy nhập vô tuyến
Công nghệ truy nhập vô
Radio Frequency
Radio Link Control
Radio Network Controller
theo tần số đơn sóng mang
Kênh đồng bộ
RF
RLC
RNC
RRC
RRM
12
SDU
SGSN
TDD
Service Data Unit
Serving GPRS Support Node
Time Division Duplex
Đơn vị số liệu dịch vụ
Nút hỗ trợ GPRS phục vụ
Ghép song công phân chia
Time Division Multiple Access
theo thời gian
Đa truy nhập phân chia
UMTS Terrestrial Radio Access
UMTS
Mạng truy nhập vô tuyến
TDMA
UTRAN
Uu
mặt đất UMTS
Giao diện được sử dụng để
WCDMA
thông tin giữa nút B và UE
Đa truy nhập phân chia
WG
VoIP
X2
Wideband Code Division
Multiple Access
Working Group
Voice over IP
theo mã băng rộng
Nhóm công tác
chuẩn hóa cho WCDMA - Một chuẩn cho hệ thống 3G đã được ITU chấp
nhận và đưa vào hoạt động.
14
Hoạt động tiêu chuẩn hóa của tổ chức 3GPP từ năm 1999 đến 2008
được tổng kết theo thời gian đưa ra các phát hành trên hình vẽ sau.
Hình 1.1. Tiến trình các phát hành trong 3GPP
1.3. Quá trình tiểu chuẩn hóa HSPA trong 3GPP
1.3.1. Chuẩn hóa 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 họp đoàn thể TSG RAN và kết
luận rằng các giải pháp được nghiên cứu cho thấy có lợi. Trong danh mục
nghiên cứu 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 Node đã được nghiên cứu cùng với mã hoá và
15
16
(Ghép song công phân chia theo tần số), TDD (Ghép song công phân chia theo
thời gian) cũng được đưa vào danh mục nghiên cứu HSDPA kể cả các giải
pháp tương tự trong cả hai chế độ TDD băng hẹp và băng rộng.
1.3.2. Chuẩn hóa 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 Uplink Dedicated
Channel). Nghiên cứu được tiến hành trong giai đoạn hiệu chỉnh HSDPA và
được bắt đầu bằng danh mục nghiên cứu 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 1.2):
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
Lập biểu nhanh đường
lên dựa trên nút B
TTI ngắn hơn
cho đường lên
HARQ cho
đường lên
HSUPA
HARQ cho
đường lên
Hình 1.3. Các kĩ thuật được lựa chọn cho danh mục nghiên cứu HSUPA
3GPP bắt đầu danh mục nghiên cứu “đường lên tăng cường FDD” để
đặc tả các tính năng của HSUPA theo khuyến nghị của báo cáo. Trong thời
gian này nghiên cứu TDD chưa được tiến hành, nhưng nó sẽ được nghiên cứu
trong kế hoạch R7.
Do nghiên cứu nền tảng chi tiết và tốt đã được thực hiện trong thời gian
nghiên cứu 18 tháng, cũng như không còn bận với công tác hiệu chỉnh các
18
phát hành trước, các đặc tả được tiến triển nhanh và phiên bản tính năng đầu
tiên đã được đưa ra cho các đặc tả lõi vào tháng 12 năm 2004. Phiên bản này
vẫn chưa phải là phiên bản hoàn thiện cuối cùng, nhưng nó chứa các chức
năng then chốt và trên cơ sở các chức năng này có thể tiếp tục tiến hành
nghiên cứu hiệu chỉnh và hoàn thiện chi tiết. Tháng 3 năm 2005, danh mục
nghiên cứu này đã chính thức được hoàn thiện cho các đặc tả chức năng,
nghĩa là đã có thể chuyển sang hiệu chỉnh tính năng này.
1.4. Kế hoạch nghiên cứu phát triển LTE
Nghiên cứu phát triển tiêu chuẩn LTE được tiến hành trong các EUTRAN TSG. Trong các cuộc họp của RAN TSG chỉ có một vài vấn đề kĩ
thuật là được tán thành. Thậm chí trong các cuộc họp sau các vấn đề này vẫn
được xem xét lại. 3GPP đã vạch ra kế hoạch làm việc chi tiết cho các nhóm
nghiên cứu TSG RAN. Các vấn đề nghiên cứu được thực hiện trong hai TSG:
1. TSG RAN: Nghiên cứu tiêu chuẩn cho giao diện vô tuyến
Quyết định chi tiết di
động và cấu trúc
kênh
2007
9
12
3
9
Thông qua TR
Hoàn thành giai đoạn 2:SAE
Hình 1.4. Kế hoạch nghiên cứu tiêu chuẩn E-UTRAN
19
6
1.5. IMT-ADVANCED và lộ trình phát triển tới 4G
Trong liên minh viễn thông quốc tế ITU, nhóm công tác 8F (ITU-R WP
8F) đang tiến hành nghiên cứu các hệ thống tiếp sau IMT-2000. Quá trình
định nghĩa IMT-Adv còn đang được khởi thảo trong WP8F và sẽ hoàn toàn
giống như quá trình nghiên cứu các khuyến nghị cho IMT-2000. Nó sẽ dựa
trên tập các yêu cầu kĩ thuật tối thiểu và các tiêu chí đánh giá và khởi đầu
giai đoạn đầu của 4G, tiếp theo nó sẽ là IMT-Adv. LTE cho phép chuyển đổi
dần từ 3G UMTS sang giai đoạn đầu của 4G sau đó sang IMT Adv. Chuyển
đổi dần từ LTE sang IMT-Adv là chìa khoá của thành công trên thị trường.
Ngoài LTE của 3GPP nghiên cứu các hướng chuyển đổi khác sang 4G. Còn
có Wimax cũng có kế hoạch tiến tới 4G.
20
♦ HSPA (High Speed Packet Data) - giai đoạn 3G+: gọi chung của hai
công nghệ truy nhập HSDPA (truy nhập gói đường xuống tốc độ cao) và
HSUPA (truy nhập gói đường lên tốc độ cao). HSDPA có thể cung cấp tốc độ
lên trên 10Mbps. Nó tăng dung lượng đường xuống bằng cách thay thế điều
chế QPSK trong 3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA. Hoạt động trên cơ
sở kết hợp ghép kênh theo thời gian (TDM) với ghép kênh theo mã và sử
dụng thích ứng đường truyền. Nó cũng đưa ra một kênh điều khiển riêng để
đảm bảo tốc độ truyền dẫn số liệu. Các kỹ thuật tương tự cũng được áp dụng
cho đường lên trong chuẩn HSUPA .
♦ LTE (Long Term Evolution) hay Super-3G - giai đoạn đầu của 4G:
trong giai đoạn này tốc độ số liệu đạt được 30-100Mbps với băng thông
20MHz.
♦ IMT-Adv (IMT tiên tiến) - giai đoạn phát triển của 4G. Đây là thời
kỳ tiếp sau của LTE. Tốc độ số liệu đạt được từ 100 đến 1000 Mbps và băng
thông 100MHz.
Ta có thể mô tả quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên
4G như trên hình 1.5:
Hình 1.5. Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G
1.6. Tổng quan LTE
Có thể tóm tắt các nhiệm vụ nghiên cứu LTE và SAE như sau:
Hình 1.6. Chuyển đổi trạng thái trong LTE [5]
LTE có thời gian chuyển đổi các trạng thái nhỏ hơn 100ms (như trong
chế dộ rỗi – Idle của R6) vào trạng thái tích cực (như trong R6 Cell_DCH).
Nó cũng cần đảm bảo thời gian chuyển đổi nhỏ hơn 50ms từ trạng thái ngủ
(như trong R6 Cell_PCH) sang trạng thái tích cực (như trong R6_DCH).
Yêu cầu trễ mặt phẳng người sử dụng đảm bảo trễ nhỏ hơn 10ms. Trễ
mặt phẳng U được định nghĩa là trễ một chiều giữa một gói tại lớp IP trong
UE (hoặc Node biên của UTRAN) đến lớp IP trong Node biên của UTRAN
(hoặc UE), Node biên của UTRAN là giao diện UTRAN với mạng lõi. Chuẩn
đảm bảo trễ măt phẳng U của LTE nhỏ hơn 5ms trong điều kiện không tải
(nghĩa là một người sử dụng với một luồng số liệu đối với gói nhỏ (chẳng hạn
tải tin bằng không cộng với tiêu đề ).
Hình 1.7. Yêu cầu trễ mặt phẳng U trong LTE[5]
1.6.3. Thông lượng số liệu
Thông lượng đường xuống trong LTE sẽ gấp ba đến bốn lần thông
lượng đường xuống trong R6 HSDPA tính trung bình trên một Mhz. Cần lưu
ý rằng thông lượng HSDPA trong R6 được xét cho trường hợp một anten tại
nút B với tính năng tăng cường và một máy thu trong UE; trong khi đó LTE
sử dụng cực đại hai anten tại nút B và hai anten tại UE. Ngoài ra cũng cần lưu
ý rằng khi băng thông cấp phát tăng, thông lượng cũng phải tăng.
Mặt khác thông lượng đường lên trong LTE cũng gấp hai đến ba lần
thông lượng đường lên trong R6 HSUPA tính trung bình trên một Mhz. Trong
đó giả thiết rằng R6 HSUPA sử dụng một anten phát tại UE và hai anten thu
23
100
Hiệu suất phổ tần (bit/Hz/s)
0,75
1,84
3-4 lần HSDPA/ đã đạt 2,5
0,006
0,0148
2-3 lần HSDPA/ đạt 2,5
Thông lượng người sử dụng
biên ô
Bảng 1.3. So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần giữa LTE trên
đường lên và HSUPA[1]
Tốc độ đỉnh
(Mbps)
Hiệu suất phổ tần
(bit/Hz/s)
HSUPA (R6)
LTE
Hiệu nay LTE cần được tối ưu hoá cho người sử dụng di động tại các
tốc độ thấp từ 0 đến 15km/h. Cho người di động tại các tốc độ cao từ 15 đến
120 km/h cần được đảm bảo hiệu năng cao thoả mãn. Cũng cần hỗ trợ di động
tại các tốc độ từ 120 km/h đến 350 km/h ( thậm chí đến 500km/h phụ thuộc
vào băng tần được cấp phát). Việc đảm bảo tốc độ 350km/h cần thiết để duy
trì chất lượng dịch vụ chấp nhận được cho các người sử dụng cần được cung
cấp dịch vụ trong các hệ thống xe lửa tốc độ cao. Trong trường hợp này cần
sử dụng các giải pháp và mô hình kênh đặc biệt. Khi thiết lập các thông số lớp
vật lý, LTE cần có khả năng duy trì kết nối tại tốc độ lên tới 350 km/h thậm
chí lên đến 500km/h phụ thuộc băng tần được cấp phát.
LTE cũng cần hỗ trợ các kĩ thuật cũng như các cơ chế để tối ưu hoá trễ
và mất gói khi chuyển giao trong hệ thống. Các dịch vụ thời gian thực như
tiếng được hỗ trợ trong miền chuyển mạch kênh trước đây phải được EUTRAN hỗ trợ trong miền chuyển mạch gói với chất lượng tối thiểu phải
bằng với chất lượng được hỗ trợ bởi UTRAN ( chẳng hạn tốc độ bit đảm bảo)
trên toàn bộ dải tốc độ. Ảnh hưởng của chuyển giao trong hệ thống lên chất
lượng (thời gian ngắt) phải nhỏ hơn hay bằng chất lượng được cung cấp trong
miền chuyển mạch kênh của GERAN[1].
1.6.6. Vùng phủ
LTE phải hỗ trợ linh hoạt các kịch bản phủ sóng khác nhau trong khi
vẫn đảm bảo các mục tiêu đã nêu trong các phần trên với giả thiết sử dụng lại
các đài trạm UTRAN và tần số sóng mang hiện có.
Thông lượng, hiệu suất sử dụng phổ tần và hỗ trợ di động nói trên phải
đáp ứng các ô có bán kính 5km và giảm nhẹ chất lượng đối với các ô có bán
kính 30km. LTE phải hoạt động trong các băng thông 1,25 Mhz; 2,5 Mhz;
25
Copyright: Tài liệu đại học ©