Tìm hiểu về công nghệ LTE trọng mạng băng rộng
PHẦN A.GIỚI THIỆU
Đào Sĩ Tuân MSSV: 10374981
1
Tìm hiểu về công nghệ LTE trọng mạng băng rộng
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập tại trường, nhờ sự giúp đỡ và dạy dỗ của quý
thầy cô em đã tích lũy được một số kiến thức nền tảng cho nghề nghiệp sau này.
Với tấm lòng tôn sư trọng đạo và tri ân sâu sắc, em xin bày tỏ lòng biết ơn
đến thầy Hà Văn Kha Ly ,người đã tận tình hướng dẫn, góp ý,động viên em
trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Với phương pháp làm việc khoa học, kinh
nghiệm thực tiễn, thầy đã truyền đạt cho em những lời khuyên quí báu để đồ án
tốt nghiệp này hoàn thành tốt đẹp.
Em xin chân thành bày tỏ biết ơn sâu sắc đến tất cả các thầy trong trường
nói chung và thầy cô trong bộ môn Điện Tử Viễn Thông nói riêng.
Cảm ơn tất cả bạn bè, những người đã luôn động viên, khuyến khích, giúp
đỡ để đồ án này hoàn thành đúng tiến độ.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2012
Sinh viên thực hiện
Đào Sĩ Tuân MSSV: 10374981
2
GVHD
Đào Sĩ Tuân MSSV: 10374981
3
Tìm hiểu về công nghệ LTE trọng mạng băng rộng
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
CHƯƠNG I- GIỚI THIỆU HỆ THỐNG 4G LTE ....................................................................................... 9
1.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE ............................................................................................. 9
1.1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE. ..................................................................................................... 9
1.1.2 Những triển vọng cho công nghệ LTE. ...................................................................................... 10
1.1.3 Mục tiêu thiết kế LTE. ............................................................................................................... 11
1.1.3.1 Tiềm năng công nghệ. ........................................................................................................ 12
1.1.3.2 Hiệu suất hệ thống. ............................................................................................................ 13
1.1.3.3 Các vấn đề liên quan đến việc triển khai ............................................................................ 15
1.1.3.4 Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration) ............................................................................ 18
1.1.3.6 Độ phức tạp ........................................................................................................................ 19
1.1.3.7 Những vấn đề chung ........................................................................................................... 19
1.1.4 Các thông số lớp vật lý của LTE ............................................................................................... 20
1.1.5 Dịch vụ của LTE ....................................................................................................................... 21
1.1.6 Tình hình triển khai mạng LTE tại Việt Nam ............................................................................ 21
1.2 Cấu trúc mạng ................................................................................................................................... 23
1.2.1 Mạng lõi .................................................................................................................................... 25
1.2.2 Mạng truy cập ............................................................................................................................ 27
1.2.3 Đường giao tiếp giữa mạng lõi với mạng truy cập vô tuyến ...................................................... 29
1.2.4 Đường giao tiếp với cơ sở dữ liệu người dùng ........................................................................... 30
1.2.5 Cấu trúc chuyển vùng Roaming ................................................................................................ 31
1.2.6 Kết nối với các mạng khác ........................................................................................................ 31
1.3 Kiến trúc giao thức ........................................................................................................................... 32
1.3.1 Mặt phẳng người dùng ............................................................................................................... 32
Đào Sĩ Tuân MSSV: 10374981
6
Tìm hiểu về công nghệ LTE trọng mạng băng rộng
1.9.3 Dịch tần Doppler ....................................................................................................................... 58
1.9.4 Nhiễu MAI đối với LTE ............................................................................................................ 59
CHƯƠNG 2 -TỔNG QUAN MẠNG DI ĐỘNG 4G LTE ADVANCE ....................................................... 60
2.1 TỔNG QUAN VỀ LTE ADVANCE. .............................................................................................. 60
2.2 NHỮNG CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG LTE-ADVANCE ................................................................... 61
Đào Sĩ Tuân MSSV: 10374981
7
Tìm hiểu về công nghệ LTE trọng mạng băng rộng
2.2.1 Truyền dẫn băng rộng hơn và chia sẻ phổ tần ........................................................................... 61
2.2.2 Giải pháp đa anten ..................................................................................................................... 62
2.2.3 Truyền dẫn đa điểm phối hợp .................................................................................................... 62
2.2.4 Các bộ lặp và các bộ chuyển tiếp ............................................................................................... 63
2.2.5 MCMC CDMA ......................................................................................................................... 64
2.2.5.1 Hệ thống Multicarrier CDMA ............................................................................................ 64
2.2.5.2 Hệ thống Multicode CDMA ............................................................................................... 66
2.2.5.3 Hệ thống MCMC CDMA ................................................................................................... 70
CHƯƠNG 3- CÁC THỦ TỤC TRUY CẬP LTE ..................................................................................... 73
3.1 Dò tìm tế bào (cell search) ................................................................................................................ 73
3.1.1 Thủ tục dò tìm cell (cell search) ................................................................................................ 73
3.1.2 Cấu trúc thời gian/tần số của các tín hiệu đồng bộ ................................................................... 75
3.1.3 Dò tìm cell ban đầu và kế cận ................................................................................................... 77
3.2 Truy cập ngẫu nhiên ......................................................................................................................... 78
3.2.1 Bước 1: Truyền dẫn Preamble truy cập ngẫu nhiên ................................................................... 79
3.2.2 Bước 2: Đáp ứng truy cập ngẫu nhiên ....................................................................................... 82
3.2.3 Bước 3: Nhận dạng đầu cuối ..................................................................................................... 83
Tải lên: 50 Mbps.
-
Tải xuống: 100 Mbps.
Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1Mhz so
với mạng HSDPA Rel.6:
-
Tải lên: gấp 2 đến 3 lần.
-
Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần.
Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0-15 km/h. Vẫn
hoạt động tốt với tốc độ từ 15-120 km/h. Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê
bao di chuyển với tốc độ từ 120-350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng tần).
Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, giảm chút
ít
trong phạm vi đến 30km. Từ 30-100km thì không hạn
chế.
Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng tần 1.25Mhz,
Đào Sĩ Tuân MSSV: 10374981
9
Tìm hiểu về công nghệ LTE trọng mạng băng rộng
nhất của Mỹ đều chọn LTE là giải pháp tiến lên 4G.
Đào Sĩ Tuân MSSV: 10374981
10
Tìm hiểu về công nghệ LTE trọng mạng băng rộng
Mạng Telstra của Úc gần đây cũng đã xác nhận phát triển theo hướng LTE.
Hãng TeliaSonera, nhà cung cấp lớn nhất cho thị trường Bắc Âu và vùng Baltic
cũng cam kết sẽ sử dụng công nghệ LTE cho các thị trường của mình.
Ngày 11/6/2008, theo Financial Times, cổ phiếu của Nortel, nhà sản xuất viễn
thông nổi tiếng của Canada, đã tăng 13% khi hãng tuyên bố tập trung các nỗ lực
nghiên cứu không dây vào công nghệ LTE thay vì công nghệ đối thủ Wimax.
Tại các triễn lãm viễn thông quốc tế gần đây, các nhà sản xuất Huawei,
Motorola, Ericson… cũng đã biểu diễn LTE với các ứng dụng như xem tivi
chất lượng cao HDTV, chơi game online…
Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này đã chứng tỏ khả năng 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 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, điện thoại
thấy hình, chơi game trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu v.v… với tốc độ cao
1.1.3 Mục tiêu thiết kế LTE.
Hình 2.2 Mục tiêu thiết kế
-
Kiến trúc và sự dịch chuyển (migaration)
-
Độ phức tạp
-
Những vấn đề chung
1.1.3.1 Tiềm năng công nghệ.
Yêu cầu được đặt ra là việc đạt tốc độ dữ liệu đỉnh cho đường xuống là
100Mbit/s và cho đường lên là 50Mbit/s, khi hoạt động trong phân bố phổ 20
Mhz. Khi mà phân bố phổ hẹp hơn thì tốc độ dữ liệu đỉnh cũng sẽ tỉ lệ theo. Do
đó, điều kiện đặt ra là có thể biểu diễn được 5 bit/s/Hz cho đường xuống và 2.5
bit/s/Hz cho đường lên. Như sẽ được thảo luận dưới đây, LTE hỗ trợ cả chế độ
FDD và TDD. Rõ ràng, đối với trường hợp TDD, truyền dẫn đường lên và
đường xuống theo định nghĩa không thể xuất hiện đồng thời. Do đó mà yêu cầu
tốc độ dữ liệu đỉnh cũng không thể trùng nhau đồng thời. Mặt khác, đối với
trường hợp FDD, đặc tính của LTE cho phép quá trình phát và thu đồng thời
đạt được tốc độ dữ liệu đỉnh theo phần lý thuyết ở trên.
Yêu cầu về độ trễ được chia thành: yêu cầu độ trễ mặt phẳng điều khiển và
yêu cầu độ trễ mặt phẳng người dùng. Yêu cầu độ trễ mặt phẳng điều khiển xác
định độ trễ của việc chuyển từ trạng thái thiết bị đầu cuối không tích cực khác
nhau sang trạng thái tích cực, khi đó thiết bị đầu cuối di động có thể gửi và
nhận dữ liệu. Có hai cách xác định: cách xác định thứ nhất được thể hiện qua
thời gian chuyển tiếp từ trạng thái tạm trú (camped state) chẳng hạn như trạng
thái Release 6 Idle mode, khi đó thì thủ tục chiếm 100ms; cách xác định thứ
không nói rõ là bao nhiêu nhưng có thể là cao hơn một cách đáng kể.
1.1.3.2 Hiệu suất hệ thống.
Các mục tiêu thiết kế công năng hệ thống LTE sẽ xác định lưu lượng người
dùng, hiệu suất phổ, độ linh động, vùng phủ sóng, và MBMS nâng cao.
Nhìn chung, các yêu cầu đặc tính LTE có liên quan đến hệ thống chuẩn sử
dụng phiên bản 6 HSPA. Đối với trạm gốc, giả định có một anten phát và hai anten
thu, trong khi đó thì thiết bị đầu cuối có tối đa là một anten phát và hai anten thu.
Tuy nhiên, một điều quan trọng cần lưu ý là những đặc tính nâng cao như là một
phần của việc cải tiến HSPA thì không được bao gồm trong tham chiếu chuẩn.
Vì thế, mặc dù thiết bị đầu cuối trong hệ thống chuẩn được giả định là có hai
Đào Sĩ Tuân MSSV: 10374981
13
Tìm hiểu về công nghệ LTE trọng mạng băng rộng
anten thu thì một bộ thu RAKE đơn giản vẫn được áp dụng. Tương tự, ghép
kênh không gian cũng không được áp dụng trong hệ thống chuẩn.
Yêu cầu lưu lượng người dùng được định rõ theo hai điểm: tại sự phân bố
người dùng trung bình và tại sự phân bố người dùng vị thứ 5 (khi mà 95% người
dùng có được chất lượng tốt hơn). Mục tiêu hiệu suất phổ cũng được chỉ rõ, và
trong thuộc tính này thì hiệu suất phổ được định nghĩa là lưu lượng hệ thống theo
tế bào tính theo bit/s/Mhz/cell. Những mục tiêu thiết kế này được tổng hợp trong
bảng 2.3
Bảng 2.3 Các yêu cầu về hiệu suất phổ và lưu lượng người dùng
Yêu cầu về độ linh động chủ yếu tập trung vào tốc độ di chuyển của các
khoảng 300 kbit/s trong mỗi phân bố phổ tần 5 Mhz. Hơn nữa, nó có thể cung cấp
dịch vụ MBMS với chỉ một dịch vụ trên một sóng mang, cũng như là kết hợp các
dịch vụ non-MBMS khác. Và như vậy thì đương nhiên đặc tính kĩ thuật của LTE có
khả năng cung cấp đồng thời cả dịch vụ thoại và dịch vụ MBMS.
1.1.3.3 Các vấn đề liên quan đến việc triển khai
Các yêu cầu liên quan đến việc triển khai bao gồm các kịch bản triển khai,
độ linh hoạt phổ, trải phổ, sự cùng tồn tại và làm việc với nhau giữa LTE với các
công nghệ truy cập vô tuyến khác của 3GPP như GSM và WCDMA/HSPA.
Những yêu cầu về kịch bản triển khai bao gồm: trường hợp mà hệ thống LTE được
triển khai như là một hệ thống độc lập và trường hợp mà LTE được triển khai đồng
thời với WCDMA/HSPA hoặc GSM. Do đó mà yêu cầu này sẽ không làm giới hạn
các tiêu chuẩn thiết kế
Vấn đề cùng tồn tại và có thể hoạt động phối hợp với các hệ thống 3GPP
khác và những yêu cầu tương ứng đã thiết lập ra những điều kiện về tính linh
động giữa LTE và GSM, và giữa LTE và WCDMA/HSPA cho thiết bị đầu cuối di
động hỗ trợ những công nghệ này. Bảng 2.4 liệt kê những yêu cầu về sự gián đoạn,
đó là, thời gian gián đoạn dài nhất trong liên kết vô tuyến khi phải di chuyển
giữa các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau, bao gồm cả dịch vụ thời gian
thực và phi thời gian thực. Có một điều đáng chú ý là những yêu cầu này không
được chặt chẽ cho lắm đối với vấn đề gián đoạn trong chuyển giao và hi vọng khi
triển khai thực tế thì sẽ đạt được những giá trị tốt hơn đáng kể.
Đào Sĩ Tuân MSSV: 10374981
15
Tìm hiểu về công nghệ LTE trọng mạng băng rộng
Yêu cầu về việc cùng tồn tại và có thể làm việc với nhau cũng xác định việc
Mhz và 2010-2025 Mhz dành cho truy cập vô tuyến TDD. Chú ý là có thể vì
những
qui định của địa phương và vùng mà việc sử dụng phổ của IMT-2000 có thể khác
so với những gì được trình bày ở đây.
Hình 2.3 Phân bố phổ băng tần lõi tại 2 Ghz của nguyên bản IMT-2000
Cặp phân bố cho FDD trong hình 2.3 là 2x60 Mhz, nhưng phổ khả dụng cho
một nhà khai thác mạng đơn lẻ có thể chỉ là 2x20 Mhz hoặc thậm chí là 2x10
Mhz. Trong những băng tần khác phổ khả dụng có thể còn ít hơn nữa. Ngoài ra,
sự dịch chuyển của phổ đang được sử dụng cho những công nghệ truy cập vô
tuyến khác cần phải diễn ra một cách từ từ để chắc chắn rằng lượng phổ còn lại
phải đủ để hỗ trợ cho những người dùng hiện tại. Vì vậy, lượng phổ ban đầu được
dịch chuyển tới LTE có thể tương đối nhỏ, nhưng sau đó có thể tăng lên từ từ, được
thể hiện trong hình 2.4. Sự khác nhau của những diễn tiến phổ có thể xảy ra sẽ
dẫn đến một yêu cầu về độ linh hoạt phổ cho LTE dưới dạng băng thông truyền dẫn
được hỗ trợ.
Hình 2.4 Một ví dụ về cách thức LTE thâm nhập từng bước vào phân bố phổ
của một hệ thống GSM đã được triển khai
Đào Sĩ Tuân MSSV: 10374981
17
Tìm hiểu về công nghệ LTE trọng mạng băng rộng
Yêu cầu về độ linh hoạt phổ đòi hỏi LTE phải có khả năng mở rộng trong miền
tần số và có thể hoạt động trong nhiều băng tần khác nhau. Yêu cầu về độ linh
hoạt trong tài liệu tham khảo được liệt kê thành danh sách các phân bố phổ của
Tìm hiểu về công nghệ LTE trọng mạng băng rộng
LTE RAN có thể được thiết kế theo lối làm giảm biến đổi trễ (delay
variation-jitter)
đối với lưu lượng cần độ jitter thấp.
1.1.3..5 Quản lí tài nguyên vô tuyến
Những yêu cầu về quản lí tài nguyên vô tuyến được chia ra như sau: hỗ trợ nâng
cao cho QoS end to end, hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn, và hỗ
trợ cho việc chia sẻ tải cũng như là quản lí chính sách thông qua các công nghệ
truy cập vô tuyến khác nhau.
Việc hỗ trợ nâng cao cho QoS end to end yêu cầu cải thiện sự thích ứng giữa
dịch vụ, ứng dụng và các điều kiện về giao thức (bao gồm báo hiệu lớp cao hơn)
với tài nguyên RAN và các đặc tính vô tuyến.
Việc hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn đòi hỏi LTE RAN phải có khả
năng cung cấp cơ cấu để hỗ trợ truyền dẫn hiệu suất cao và hoạt động của các
giao thức ở lớp cao hơn qua giao tiếp vô tuyến, chẳng hạn như quá trình nén tiêu
đề IP (IP header).
Việc hỗ trợ chia sẻ tải và quản lí chính sách thông qua các công nghệ truy cập vô
tuyến khác nhau đòi hỏi phải xem xét đến việc lựa chọn lại các cơ cấu để
định hướng các thiết bị đầu cuối di động theo các dạng công nghệ truy cập vô
tuyến thích hợp đã được nói rõ cũng như là hỗ trợ QoS end to end trong quá trình
chuyển giao giữa các công nghệ truy cập vô tuyến.
1.1.3.6 Độ phức tạp
Yêu cầu về độ phức tạp trong LTE xác định độ phức tạp của toàn hệ thống
cũng như là độ phức tạp của thiết bị đầu cuối di động. Về cơ bản thì những yêu
cầu này đề cập đến số lượng những tùy chọn để có thể tối thiểu hóa với những
đặc tính dư thừa không bắt buộc. Điều này cũng đưa đến việc tối giản những
trường hợp kiểm thử cần thiết.
20 MHz
TTI tối thiểu
1ms
Khoảng cách sóng mang con
15KHz
Ngắn 4.7µs
Chiều dài CP
Dài
16.7 µs
Điều chế
QPSK, 16QAM, 64QAM
Ghép kênh không gian
1 lớp cho UL/UE
Lên đến 4 lớp cho DL/UE
Sử dụng MU-MIMO cho UL và DL
Bảng 2.5 Các thông số lớp vật lí của LTE
Lớp
25
50
50
75
Mbps
Dung l ợng cho các chức năng lớp vật lý
Băng thông RF
20MHz
Đào Sĩ Tuân MSSV: 10374981
20
Tìm hiểu về công nghệ LTE trọng mạng băng rộng
Điều chế
DL
QPSK, 16QAM, 64QAM
UL
VNPT là một trong năm doanh nghiệp được Bộ Thông tin và Truyền thông cấp
giấy phép thử nghiệm dịch vụ công nghệ 4G với thời hạn giấy phép là 1 năm.
Đào Sĩ Tuân MSSV: 10374981
21
Tìm hiểu về công nghệ LTE trọng mạng băng rộng
Ngay sau
khi có được giấy phép này, VNPT đã khẩn trương tiến hành thực hiện dự án thử
nghiệm cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng công nghệ LTE.
Chỉ sau 39 ngày nỗ lực triển khai với sự ủng hộ của các cơ quan quản lí Nhà nước,
vào ngày 10/10 vừa qua, trạm BTS LTE đầu tiên đã được lắp đặt. Đây không chỉ là
trạm BTS công nghệ LTE đầu tiên ở Việt Nam mà còn là đầu tiên trong khu vực
các nước Đông Nam Á.
Trạm BTS công nghệ LTE này được đặt tại nhà Internet, lô 2A, làng Quốc tế Thăng
Long, Cầu Giấy, Hà Nội (trụ sở của công ty Điện toán và truyền số liệu VDC).
Với tốc độ truy cập Internet lên đến 60Mb/s, dịch vụ truy cập Internet vô tuyến
LTE hứa hẹn sẽ mang tới cho khách hàng các ứng dụng đòi hỏi băng thông lớn
như video, HDTV, giải trí trực tuyến,…
Theo dự kiến, giai đoạn 1 dự án thử nghiệm cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng
công nghệ LTE của VNPT-VDC sẽ phủ sóng toàn bộ khu vực Hà Nội trước ngày
26/10, ngày khai mạc hội nghị thượng đỉnh về Thương mại và Đầu tư ASEAN
(ASEAN BIS)2010.
Hình 2.5 Bộ thu phát sóng
Đào Sĩ Tuân MSSV: 10374981
LTE là tối thiểu hóa số Node. Vì vậy, người ta đã quyết định rằng các RNC nên
được gỡ bỏ, và chức năng của chúng đã được chuyển một phần sang các trạm cơ sở
và một phần sang nút Gateway của mạng lõi. Để phân biệt với các trạm cơ sở
UMTS, các trạm cơ sở của LTE được gọi là Enhanced NodeB (eNodeB). Bởi vì
không còn phần tử điều khiển ở trung ương trong mạng vô tuyến nữa nên giờ đây
các trạm cơ sở thực hiện chức năng quản lí dữ liệu truyền tải một cách tự lập, và
bảo đảm chất lượng dịch vụ. Tuy nhiên các RNC vẫn điều khiển các kênh truyền tải
dành cho dịch vụ thoại chuyển kênh.
Hình 2.8 Cấu trúc EPS
EPS dùng khái niệm “EPS bearers” tạm dịch là thông báo EPS để định tuyến IP từ
Gateway trong PDN đến UE. Một thông báo là một gói IP được gọi là QoS (Quality
of Service) giữa Gateway và UE.
Đào Sĩ Tuân MSSV: 10374981
24
Tìm hiểu về công nghệ LTE trọng mạng băng rộng
Hình 2.9 Các thành phần trong mạng EPS
EPS cung cấp cho người dùng một kết nối IP đến một PDN để truy cập Internet,
cũng như là thực thi các dịch vụ như VoIP. Một thông báo EPS điển hình được kết
hợp với một QoS. Nhiều thông báo có thể được thiết lập cho một người dùng để
cung cấp nhiều dòng QoS khác nhau hoặc để kết nối đến các PDN khác nhau. Ví dụ
như, người dùng vừa thực hiện cuộc gọi VoIP, vừa duyệt Web hoặc download FTP
(File Transfer Protocol). Một thông báo VoIP sẽ cung cấp QoS cần thiết cho cuộc
gọi thoại, trong khi một thông báo best-effort sẽ thích hợp cho duyệt Web hoặc
Copyright: Tài liệu đại học ©