quy hoẠch mẠng 4g lte -...

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài:

QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE

GVHD: TS. Lê Quang Tuấn SVTH: Nguyễn Thị Thùy Dương MSSV: 06117013

TP.Hồ Chí Minh - Tháng 1/ 2011

PHẦN A

GIỚI THIỆU

Đồ án tốt nghiệp Trang i

LỜI CẢM ƠN

Sau khoảng thời gian học tập tại trường, đây là khoảng thời gian khó quên đối với chúng em. Thầy cô đã chỉ bảo tận tình để giúp cho

chúng em trang bị kiến thức để vững vàng bước vào đời.

Để được như ngày hôm nay, em xin gởi lời cảm ơn đến các thầy

cô trong bộ môn Điện Tử Viễn Thông cũng như các thầy cô trong khoa

Điện-Điện tử đã hướng dẫn, truyền đạt kiến thức cho chúng em. Em xin

gởi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy TS. Lê Quang Tuấn, công ty Viễn

Thông Quốc nội (VTN), người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn để em có

thể hoàn thành đề tài này.

Xin gởi lời cám ơn đến ba má đã động viên giúp đỡ cả về vật chất và tinh thần cho con bao nhiêu năm qua, đồng cảm ơn đến bạn bè đã

luôn luôn ở bên cạnh mình .

Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc Người thực hiện

Nguyễn Thị Thùy Dương

Đồ án tốt nghiệp Trang ii

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Thùy Dương

MSSV: 06117013

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Tên đề tài: QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE VÀ ÁP DỤNG CHO TP.HCM

1) Cơ sở ban đầu: ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... .......................................................................................................................

2) Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... .......................................................................................................................

3) Các bản vẽ: ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... .......................................................................................................................

4) Giáo viên hướng dẫn: TS. Lê Quang Tuấn

5) Ngày giao nhiệm vụ:

6) Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘICHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Giáo viên hướng dẫn

TS. Lê Quang Tuấn

Ngày ….. tháng ….. năm 2011 Chủ nhiệm bộ môn

Đồ án tốt nghiệp Trang iii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

Ngày ….. tháng ….. năm 2011 Giáo viên hướng dẫn

TS. Lê Quang Tuấn

Đồ án tốt nghiệp Trang iv

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

..................................................................................................................................

Ngày ….. tháng ….. năm 2011 Giáo viên phản biện 2

Ngày ….. tháng ….. năm 2011 Giáo viên phản biện 1

Đồ án tốt nghiệp Trang v

LỜI NÓI ĐẦU

Ngành công nghệ viễn thông đã chứng kiến những phát triển ngoạn mục

trong những năm gần đây. Khi mà công nghệ mạng thông tin di động thế hệ thứ ba

3G chưa có đủ thời gian để khẳng định vị thế của mình trên toàn cầu, người ta đã

bắt đầu nói về công nghệ 4G (Fourth Generation) từ nhiều năm gần đây. Thế nhưng,

nói một cách chính xác thì 4G là gì? Liệu có một định nghĩa thống nhất cho thế hệ

mạng thông tin di động tương lai 4G?

Ngược dòng thời gian...

Trong hơn một thập kỷ qua, thế giới đã chứng kiến sự thành công to lớn của

mạng thông tin di động thế hệ thứ hai 2G. Mạng 2G có thể phân ra 2 loại: mạng 2G

dựa trên nền TDMA và mạng 2G dựa trên nền CDMA. Đánh dấu điểm mốc bắt đầu

của mạng 2G là sự ra đời của mạng D-AMPS (hay IS-136) dùng TDMA phổ biến ở

Mỹ. Tiếp theo là mạng CdmaOne (hay IS-95) dùng CDMA phổ biến ở châu Mỹ và

một phần của châu Á, rồi mạng GSM dùng TDMA, ra đời đầu tiên ở Châu Âu và

hiện được triển khai rộng khắp thế giới. Sự thành công của mạng 2G là do dịch vụ

và tiện ích mà nó mạng lại cho người dùng, tiêu biểu là chất lượng thoại và khả

năng di động.

Hình : Sơ đồ tóm lược quá trình phát triển của mạng thông tin di động tế bào

Tiếp nối thế hệ thứ 2, mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G đã và đang

được triển khai nhiều nơi trên thế giới. Cải tiến nổi bật nhất của mạng 3G so với

mạng 2G là khả năng cung ứng truyền thông gói tốc độ cao nhằm triển khai các

dịch vụ truyền thông đa phương tiện. Mạng 3G bao gồm mạng UMTS sử dụng kỹ

Đồ án tốt nghiệp Trang vi

thuật WCDMA, mạng CDMA2000 sử dụng kỹ thuật CDMA và mạng TD-SCDMA

được phát triển bởi Trung Quốc. Gần đây công nghệ WiMAX cũng được thu nhận

vào họ hàng 3G bên cạnh các công nghệ nói trên. Tuy nhiên, câu chuyện thành công

của mạng 2G rất khó lặp lại với mạng 3G. Một trong những lý do chính là dịch vụ

mà 3G mang lại không có một bước nhảy rõ rệt so với mạng 2G. Mãi gần đây người

ta mới quan tâm tới việc tích hợp MBMS (Multimedia broadcast and multicast

service) và IMS (IP multimedia subsystem) để cung ứng các dịch vụ đa phương tiện.

Khái niệm 4G bắt nguồn từ đâu?

Có nhiều định nghĩa khác nhau về 4G, có định nghĩa theo hướng công nghệ,

có định nghĩa theo hướng dịch vụ. Đơn giản nhất, 4G là thế hệ tiếp theo của mạng

thông tin di động không dây. 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 hiện thể của 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.

Theo dòng phát triển…

Ở Nhật, nhà cung cấp mạng NTT DoCoMo định nghĩa 4G bằng khái niệm đa

phương tiện di động (mobile multimedia) với khả năng kết nối mọi lúc, mọi nơi,

khả năng di động toàn cầu và dịch vụ đặc thù cho từng khách hàng. NTT DoCoMo

xem 4G như là một mở rộng của mạng thông tin di động tế bào 3G. Quan điểm này

được xem như là một “quan điểm tuyến tính” trong đó mạng 4G sẽ có cấu trúc tế

bào được cải tiến để cung ứng tốc độ lên trên 100Mb/s. Với cách nhìn nhận này thì

4G sẽ chính là mạng 3G LTE , UMB hay WiMAX 802.16m. Nhìn chung đây cũng

là khuynh hướng chủ đạo được chấp nhận ở Trung Quốc và Hàn Quốc.

Bên cạnh đó, mặc dù 4G là thế hệ tiếp theo của 3G, nhưng tương lai không

hẳn chỉ giới hạn như là một mở rộng của mạng tế bào. Ví dụ ở châu Âu, 4G được

xem như là khả năng đảm bảo cung cấp dịch vụ liên tục, không bị ngắt quãng với

Đồ án tốt nghiệp Trang vii

khả năng kết nối với nhiều loại hình mạng truy nhập vô tuyến khác nhau và khả

năng chọn lựa mạng vô tuyến thích hợp nhất để truyền tải dịch vụ đến người dùng

một cách tối ưu nhất. Quan điểm này được xem như là “quan điểm liên đới”. Do đó,

khái niệm “ABC-Always Best Connected” (luôn được kết nối tốt nhất) luôn được

xem là một đặc tính hàng đầu của mạng thông tin di động 4G. Định nghĩa này được

nhiều công ty viễn thông lớn và nhiều nhà nghiên cứu, nhà tư vấn viễn thông chấp

nhận nhất hiện nay. Dù theo quan điểm nào, tất cả đều kỳ vọng là mạng thông tin di

động thế hệ thứ tư 4G sẽ nổi lên vào khoảng 2010-2015 như là một mạng vô tuyến

băng rộng tốc độ siêu cao. Ở Việt Nam , hiện nay 3G đang phát triển rầm rộ và để

tiến lên 4G không còn xa nữa. Theo tin từ Tập đoàn Bưu chính viễn thông Việt

Nam (VNPT), đơn vị này vừa hoàn thành việc lắp đặt trạm BTS sử dụng cho dịch

vụ vô tuyến băng rộng công nghệ LTE (Long Term Evolution), công nghệ tiền 4G

đầu tiên tại Việt Nam và Đông Nam Á.

Đồ án nghiên cứu về Công nghệ 4G LTE là công nghệ còn mới mẻ và phù

hợp với thực trạng hiện nay của Việt Nam.

Nội dung của đồ án bao gồm 3 phần :

Phần A : Giới thiệu

Phần B : Nội dung

Chương 1: Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và tổng quan

về mạng 4G

Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan

Chương 3 : Quy hoạch mạng 4G LTE và áp dụng cho TP. HCM

Chương 4 : Mô phỏng

Phần C : Phụ lục và tài liệu tham khảo

Trong quá trình thực hiện đề tài, người thực hiện có những hạn chế về khả

năng và còn nhiều sai sót , rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô và bạn bè .

Đồ án tốt nghiệp Trang viii

MỤC LỤC

PHẦN A : GIỚI THIỆU

LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... i

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI ................................................................................ ii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .....................................................iii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ........................................................ iv

MỤC LỤC ........................................................................................................... viii

MỤC LỤC HÌNH .................................................................................................. xii

MỤC LỤC BẢNG................................................................................................. xv

PHẦN B : NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ TỔNG

QUAN VỀ MẠNG 4G ............................................................................................ 1

1. 1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động .................................................. 1

1. 1. 1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G) ............................................... 2




1. 2 Tổng quan về mạng 4G [12] .......................................................................... 8

1. 3 Sự khác nhau giữa 3G và 4G ....................................................................... 10

1. 3. 1 Ưu điểm nổi bật.................................................................................... 11

1.3.2 Các ứng dụng đã tạo nên ưu điểm của 4G LTE so với 3G ...................... 11

CHƯƠNG 2 : CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN .... 14

2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE........................................................................ 14

2.2 Cấu trúc của LTE [1] .................................................................................... 24

Đồ án tốt nghiệp Trang ix

2.3 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN .............................................................. 29

2.4 Giao thức của LTE (LTE Protocols) [2] ....................................................... 31

2.5 Một số đặc tính của kênh truyền .................................................................. 34

2.5.1 Trải trễ đa đường .................................................................................... 34

2.5.2 Các loại fading ....................................................................................... 34

2.5.3 Dịch tần Doppler .................................................................................... 35

2.5.4 Nhiễu MAI đối với LTE ......................................................................... 35

2.6 Các kỹ thuật sử dụng trong LTE .................................................................. 36

2.6.1 Kỹ thuật truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM [1] .................. 36

2.6.2 Kỹ thuật SC-FDMA [1] ......................................................................... 46

2.6.3 Kỹ thuật MIMO [1] ................................................................................ 48

2.6.4 Mã hóa Turbo [18] ................................................................................ 50

2.6.5 Thích ứng đường truyền [18] ................................................................. 51

2.6.6 Lập biểu phụ thuộc kênh [18] ................................................................ 52

2.6.7 HARQ với kết hợp mềm [18] ................................................................ 52

2.7 Chuyển giao ................................................................................................ 53

2.7.1 Mục đích chuyển giao ............................................................................ 53

2.7.2 Trình tự chuyển giao ............................................................................. 54

2.7.3 Các loại chuyển giao ............................................................................. 56

2.7.4 Chuyển giao đối với LTE [3] ................................................................ 59

2.8 Điều khiển công suất [3] .............................................................................. 60

2.8.1 Điều khiển công suất vòng hở [8] ........................................................... 61

2.8.2 Điều khiển công suất vòng kín [8] .......................................................... 62

CHƯƠNG 3 : QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE VÀ ÁP DỤNG CHO TP.HCM ..... 65

3. 1 Khái quát về quá trình quy hoạch mạng LTE ............................................. 65

Đồ án tốt nghiệp Trang x

3. 2 Dự báo lưu lượng và phân tích vùng phủ ..................................................... 66

3. 2. 1 Dự báo lưu lượng ................................................................................. 66

3. 2. 2 Phân tích vùng phủ ............................................................................... 67

3. 3 Quy hoạch chi tiết ....................................................................................... 67

3. 3. 1 Quy hoạch vùng phủ ............................................................................ 67

3. 3. 1. 1 Quỹ đường truyền [2] .................................................................... 68

3. 3. 1. 2 Các mô hình truyền sóng ............................................................... 77

3. 3. 1. 3 Tính bán kính cell ........................................................................ 83

3. 3. 2 Quy hoạch dung lượng ......................................................................... 85

3. 4 Quy hoạch cho TP Hồ Chí Minh ................................................................. 90

3.5 Tối ưu mạng ................................................................................................. 91

3.6 Điều khiển công suất kênh PUSCH của LTE [7] ......................................... 92

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ................................................................................... 95

4.1 Các lưu đồ .................................................................................................... 95

4.2 Quy hoạch mạng LTE .................................................................................. 96

4.2.1 Quy hoạch vùng phủ .............................................................................. 97

4.2.1.1 Quỹ đường truyền ............................................................................ 97

4.2.1.2 Các mô hình truyền sóng ................................................................. 98

4.2.1.3 Quy hoạch vùng phủ ...................................................................... 100

4.2.2 Quy hoạch dung lượng của LTE .......................................................... 100

4.2.3 Tối ưu số trạm ..................................................................................... 102

4.2.4 So sánh vùng phủ của LTE và WCDMA .............................................. 103

4.3. Chuyển giao và Điều khiển công suất ........................................................ 105

4.3.1 Giao diện chính .................................................................................... 105

4.3.2 Điều khiển công suất ............................................................................ 106

Đồ án tốt nghiệp Trang xi

4.3.3 Chuyển giao ........................................................................................ 109

4.3.3.1 Trường hợp chuyển giao thành công .............................................. 110

4.3.3.2 Trường hợp chuyển giao bị rớt ....................................................... 111

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ..................................... 113

PHẦN C: PHỤ LỤC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC 1 : CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................... 114

PHỤ LỤC 2 : HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG ........................................................... 119

CHƯƠNG TRÌNH .............................................................................................. 119

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 122

Đồ án tốt nghiệp Trang xii

MỤC LỤC HÌNH

Hình 2.1: So sánh về cấu trúc giữa UTMS và LTE ................................................ 24

Hình 2.2: Cấu trúc cơ bản của LTE ....................................................................... 25

Hình 2.3: Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập 3GPP ........................................... 27

Hình 2.4 : Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập3GPP và không phải 3GPP .......... 28

Hình 2.6: Giao thức của UTRAN .......................................................................... 31

Hình 2.7: Giao thức của E-UTRAN ....................................................................... 32

Hình 2.8: Phân phối chức năng của các lớp MAC, RLC, PDCP ............................. 32

Hình 2.9 : Truyền đơn sóng mang.......................................................................... 36

Hình 2.10 : Nguyên lý của FDMA ......................................................................... 36

Hình 2.11 : Nguyên lý đa sóng mang ..................................................................... 36

Hình 2.12 : So sánh phổ tần của OFDM với FDMA .............................................. 37

Hình 2.13 : Tần số-thời gian của tín hiệu OFDM ................................................... 37

Hình 2.14 : Các sóng mang trực giao với nhau ...................................................... 38

Hình 2.15 : Biến đổi FFT ....................................................................................... 39

Hình 2.16 : Thu phát OFDM ................................................................................. 39

Hình 2.17: Chuỗi bảo vệ GI .................................................................................. 40

Hình 2.18 Tác dụng của chuỗi bảo vệ ................................................................... 41

Hình 2.19 Sóng mang con OFDMA....................................................................... 42

Hình 2.20 OFDM và OFDMA ............................................................................... 42

Hình 2.21 : Chỉ định tài nguyên của OFDMA trong LTE ...................................... 43

Hình 2.22 : Cấu trúc của một khối tài nguyên ........................................................ 44

Hình 2.23 : Cấu trúc bố trí tín hiệu tham khảo ....................................................... 45

Hình 2.24: Đặc tính đường bao của tín hiệu OFDM ............................................... 45

Đồ án tốt nghiệp Trang xiii

Hình 2.25: PAPR cho các tín hiệu khác nhau ......................................................... 46

Hình 2.26: OFDMA và SC-FDMA ........................................................................ 47

Hình 2.28 Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO ...................................................... 49

Hình 2.29: Ghép kênh không gian ......................................................................... 50

Hình 2.30 Điều chế thích nghi .............................................................................. 51

Hình 2.31: Nguyên tắc chung của các thuật toán chuyển giao ................................ 55

Hình 2.32 : Chuyển giao mềm ............................................................................... 57

Hình 2.33 : Chuyển giao mềm - mềm hơn ............................................................. 58

Hình 2.34 : Chuyển giao cứng ............................................................................... 58

Hình 2.35: Các loại chuyển giao ............................................................................ 59

Hình 2.36: Điều khiển công suất vòng hở .............................................................. 62

Hình 2.37: Điều khiển công suất vòng kín ............................................................. 63

Hình 3. 1: Khái quát về quá trình quy hoạch mạng LTE ........................................ 65

Hình 3. 2 : Các tham số của mô hình Walfisch-Ikegami ........................................ 79

Hình 3. 3: Quan hệ giữa băng thông kênh truyền và băng thông cấu hình .............. 88

Hình 4.1 : Lưu đồ phần mô phỏng quy hoạch LTE ................................................ 95

Hình 4.2 : Lưu đồ phần chuyển giao và điều khiển công suất ................................ 96

Hình 4.3: Giao diện phần quy hoạch mạng LTE .................................................... 96

Hình 4.4: Quỹ đường truyền của LTE.................................................................... 97

Hình 4.5 Môi trường truyền sóng trong nhà ........................................................... 98

Hình 4.6 : Môi trường truyền sóng ngoài trời ........................................................ 99

Hình 4.7: Môi trường xe cộ ................................................................................... 99

Hình 4.8: Quy hoạch vùng phủ LTE .................................................................... 100

Hình 4.9 : Quy hoạc dung lượng LTE .................................................................. 101

Hình 4.10: Tính toán tốc độ đỉnh ......................................................................... 102

Đồ án tốt nghiệp Trang xiv

Hình 4.11: Tối ưu số trạm .................................................................................... 102

Hình 4.12 : So sánh quỹ đường truyền lên của LTE và WCDMA ........................ 103

Hình 4.13: So sánh quỹ đường truyền xuống của LTE và WCDMA .................... 103

Hình 4.14: So sánh vùng phủ của LTE và WCDMA ............................................ 104

Hình 4.15: Giao diện phần chuyển giao và điều khiển công suất.......................... 105

Hình 4.16: Nhập dữ liệu cho điều khiển công suất ............................................... 106

Hình 4.17: Điều khiển công suất ở LTE ............................................................... 107

Hình 4.18: Nhập liệu của WCDMA ..................................................................... 108

Hình 4.19: So sánh điều khiển công suất của LTE và WCDMA .......................... 109

Hình 4.20: Trường hợp chuyển giao thành công .................................................. 110

Hình 4.21: Trường hợp chuyển giao bị rớt ........................................................... 111

Đồ án tốt nghiệp Trang xv

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 2.1 : Các thông số lớp vật lý LTE ................................................................. 17

Bảng 2.2 : Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp .............................................................. 18

Bảng 2.3 : So sánh các dịch vụ của 3G so với 4G LTE .......................................... 19

Bảng 2.4 : So sánh giữa HSPA, WiMAX và LTE .................................................. 21

Bảng 2.5 : Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền ................................... 43

Bảng 3. 1 :Ví dụ về quỹ đường lên của LTE .......................................................... 71

Bảng 3. 2 : Ví dụ của quỹ đường xuống LTE ......................................................... 73

Bảng 3. 3 : So sánh quỹ đường truyền lên của các hệ thống ................................... 74

Bảng 3. 4 : So sánh về quỹ đường truyền xuống của các hệ thống ......................... 75

Bảng 3. 5 : Các giá trị K sử dụng cho tính toán vùng phủ sóng .............................. 85

Bảng 3. 6 : Tốc độ bit đỉnh tương ứng với từng tốc độ mã hóa và băng thông ........ 86

Bảng 3. 7 Giá trị của băng thông cấu hình tương ứng với băng thông kênh truyền[4]

.............................................................................................................................. 88

Bảng 3.8 Diện tích và dân số từng quận của TP.HCM [11] ................................ 90

Bảng 3.9 Các lớp công suất của UE [10] ............................................................... 93

PHẦN B

NỘI DUNG

Đồ án tốt nghiệp Trang 1

Chương 1 : Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI

ĐỘNG VÀ TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G

Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội. Xã

hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng lên và

thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của nó. Cho

đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ thế hệ

di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triển trên thế giới - thế hệ 4.

Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các đặc tính chung của các hệ thống

thông tin di động và tổng quan về mạng 4G.

1. 1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động

Khi các ngành thông tin quảng bá bằng 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 được bài toán khó về dung

lượng.



Hình 1: Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào

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 tự các kênh trong

lĩnh vực tần số. Trong trường hợp nếu số thuê bao nhiều vượt trội so với các kênh

tần số có thể, thì một số người bị chặn lại không được truy cập.

1. 1. 1. 1 Đặc điểm

Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến.

Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể.

Trạm thu phát gốc BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS trong

cell.

Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động tiên tiến AMPS.

1. 1. 1. 2 Những hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ 1

Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản. Tuy

nhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung

lượng và tốc độ. Nó bao gồm các hạn chế sau :

Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ.



Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi

trường fading đa tia.

Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạ tầng.

Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi.

Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở châu Âu, làm cho

thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở các nước khác.

Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp.

Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng kỹ

thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với kỹ thuật đa truy cập mới ưu

điểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp. Vì vậy đã xuất hiện

hệ thống thông tin di động thế hệ 2.


Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời

gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở châu Âu và có tên gọi là GSM.

Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ 2 lúc

đó đã đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số. Hệ

thống 2G hấp dẫn hơn hệ thống 1G bởi vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ

thống này còn có khả năng cung cấp một số dịch vụ truyền dữ liệu và các dịch vụ

bổ sung khác. Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động số GSM được đưa vào từ

năm 1993, hiện nay đang được Công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả với hai

mạng thông tin di động số VinaPhone và MobiFone theo tiêu chuẩn GSM.

Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đều sử dụng kỹ thuật điều chế số.

Và chúng sử dụng 2 phương pháp đa truy cập:

Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access - TDMA):

phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau.

Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA): phục

vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau.



1. 1. 2. 1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA:

Trong hệ thống TDMA phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia

thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho N kênh liên

lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian (Time slot) trong chu kỳ một khung. Tin

tức được tổ chức dưới dạng gói, mỗi gói có bit chỉ thị đầu gói, chỉ thị cuối gói, các

bit đồng bộ và các bit dữ liệu. Không như hệ thống FDMA, hệ thống TDMA truyền

dẫn dữ liệu không liên tục và chỉ sử dụng cho dữ liệu số và điều chế số.

Các đặc điểm của TDMA

- TDMA có thể phân phát thông tin theo hai phương pháp là phân định trước

và phân phát theo yêu cầu. Trong phương pháp phân định trước, việc phân phát các

cụm được định trước hoặc phân phát theo thời gian. Ngược lại trong phương pháp

phân định theo yêu cầu các mạch được tới đáp ứng khi có cuộc gọi yêu cầu, nhờ đó

tăng được hiệu suất sử dụng mạch.

- Trong TDMA các kênh được phân chia theo thời gian nên nhiễu giao thoa

giữa các kênh kế cận giảm đáng kể.

- TDMA sử dụng một kênh vô tuyến để ghép nhiều luồng thông tin thông qua

việc phân chia theo thời gian nên cần phải có việc đồng bộ hóa việc truyền dẫn để

tránh trùng lặp tín hiệu. Ngoài ra, vì số lượng kênh ghép tăng nên thời gian trễ do

truyền dẫn đa đường không thể bỏ qua được, do đó sự đồng bộ phải tối ưu.

1. 1. 2. 2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA

Đối với hệ thống CDMA, tất cả người dùng sẽ sử dụng cùng lúc một băng tần.

Tín hiệu truyền đi sẽ chiếm toàn bộ băng tần của hệ thống. Tuy nhiên, các tín hiệu

của mỗi người dùng được phân biệt với nhau bởi các chuỗi mã. Thông tin di động

CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng

kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi, mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau.

Kênh vô tuyến CDMA được dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh

này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN.

Trong hệ thống CDMA, tín hiệu bản tin băng hẹp được nhân với tín hiệu băng

thông rất rộng, gọi là tín hiệu phân tán. Tín hiệu phân tán là một chuỗi mã giả ngẫu



nhiên mà tốc độ chip của nó rất lớn so với tốc độ dữ liệu. Tất cả các users trong một

hệ thống CDMA dùng chung tần số sóng mang và có thể được phát đồng thời. Mỗi

user có một từ mã giả ngẫu nhiên riêng của nó và nó được xem là trực giao với các

từ mã khác. Tại máy thu, sẽ có một từ mã đặc trưng được tạo ra để tách sóng tín

hiệu có từ mã giả ngẫu nhiên tương quan với nó. Tất cả các mã khác được xem như

là nhiễu. Để khôi phục lại tín hiệu thông tin, máy thu cần phải biết từ mã dùng ở

máy phát. Mỗi thuê bao vận hành một cách độc lập mà không cần biết các thông tin

của máy khác.

Đặc điểm của CDMA

- Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz.

- Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.

- Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rất

nhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA, TDMA.

- Việc các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền

dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không còn vấn đề, chuyển

giao trở thành mềm, điều khiển dung lượng cell rất linh hoạt.

- Chất lượng thoại cao hơn, dung lượng hệ thống tăng đáng kể (có thể gấp từ 4

đến 6 lần hệ thống GSM), độ an toàn (tính bảo mật thông tin) cao hơn do sử dụng

dãy mã ngẫu nhiên để trải phổ, kháng nhiễu tốt hơn, khả năng thu đa đường tốt hơn,

chuyển vùng linh hoạt. Do hệ số tái sử dụng tần số là 1 nên không cần phải quan

tâm đến vấn đề nhiễu đồng kênh.

- CDMA không có giới hạn rõ ràng về số người sử dụng như TDMA và

FDMA. Còn ở TDMA và FDMA thì số người sử dụng là cố định, không thể tăng

thêm khi tất cả các kênh bị chiếm.

- Hệ thống CDMA ra đời đã đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn dịch vụ thông tin

di động tế bào. Đây là hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bit thông tin

của người sử dụng là 8-13 kbps.




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 hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả

năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/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 IMT-2000 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.

CDMA2000 là sự nâng cấp của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng

công nghệ CDMA: IS-95.

Yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3

Thông tin di động thế hệ thứ 3 xây dựng trên cơ sở IMT-2000 được đưa vào

phục vụ từ năm 2001. Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng

cũng đồng thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ 2.

Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau:

- 384 Kb/s đối với vùng phủ sóng rộng.

- 2 Mb/s đối với vùng phủ sóng địa phương.

Các tiêu chí chung để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G):



- Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:

Đường lên : 1885-2025 MHz.

Đường xuống : 2110-2200 MHz.

- Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến:

Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến.

Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông.

- Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài đường,

trên xe, vệ tinh.

- Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:

Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment) trên cơ

sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu.

Đảm bảo chuyển mạng quốc tế.

Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu

chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch theo gói.

- Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện.


Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sang thế hệ 4 qua giai đoạn trung gian là

thế hệ 3,5 có tên là mạng truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA. Thế hệ 4

là công nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ

tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 cho đến 1.5 Gbps. Công nghệ 4G được hiểu

là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây. Các nghiên cứu đầu tiên của NTT

DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbps khi di

chuyển và tới 1 Gbps khi đứng yên, cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên

hình ảnh động chất lượng cao. Chuẩn 4G cho phép truyền các ứng dụng phương

tiện truyền thông phổ biến nhất, góp phần tạo nên các những ứng dụng mạnh mẽ

cho các mạng không dây nội bộ (WLAN) và các ứng dụng khác.



Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giao

OFDM, là kỹ thuật nhiều tín hiệu được gởi đi cùng một lúc nhưng trên những tần số

khác nhau. Trong kỹ thuật OFDM, chỉ có một thiết bị truyền tín hiệu trên nhiều tần

số độc lập (từ vài chục cho đến vài ngàn tần số). Thiết bị 4G sử dụng máy thu vô

tuyến xác nhận bởi phần mềm SDR (Software - Defined Radio) cho phép sử dụng

băng thông hiệu quả hơn bằng cách dùng đa kênh đồng thời. Tổng đài chuyển mạch

mạng 4G chỉ dùng chuyển mạch gói, do đó, giảm trễ thời gian truyền và nhận dữ

liệu.

1. 2 Tổng quan về mạng 4G [12]

4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMT

Advanced) được định nghĩa bởi ITU-R. Tốc độ dữ liệu đề ra là 100Mbps cho thuê

bao di chuyển cao và 1Mbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linh động lên

đến 40MHz. Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụ như điện thoại IP,

truy cập internet băng rộng, các dịch vụ game và dòng HDTV đa phương tiện…

3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên của LTE

chưa đủ các tính năng theo yêu cầu của IMT Advanced. LTE có tốc độ lý thuyết lên

đến 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên đối với băng thông 20MHz.

Và sẽ hơn nữa nếu MIMO, các anten mảng được sử dụng. LTE được phát triển đầu

tiên ở hai thủ đô Stockholm và Olso vào ngày 14/12/2009. Giao diện vô tuyến vật lý

đầu tiên được đặt tên là HSOPA (High Speed OFDM Packet Access), bây giờ có

tên là E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access). Thực tế cho thấy, hầu

hết các hãng sản xuất thiết bị viễn thông hàng đầu thế giới: Alcatel-Lucent, Ericsson,

Motorola, Nokia, Nokia Siemens Networks, Huawei, LG Electronics, Samsung,

NEC, Fujitsu. . . đã bắt tay với các nhà mạng lớn trên thế giới (Verizon Wireless,

AT&T, France Telecom-Orange, NTT DoCoMo, T-Mobile, China Mobile, ZTE. . . )

thực hiện các cuộc thử nghiệm quan trọng trên công nghệ LTE và đã đạt những

thành công đáng kể.

LTE Advanced là ứng viên cho chuẩn IMT-Advanced, mục tiêu của nó là

hướng đến đáp ứng được yêu cầu của ITU. LTE Advanced có khả năng tương thích

với thiết bị và chia sẻ băng tần với LTE phiên bản đầu tiên.



Di động WiMAX (IEEE 802. 16e-2005) là chuẩn truy cập di động không dây

băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ bít đỉnh đường xuống là 128

Mbps và 56 Mbps cho đường xuống với độ rộng băng thông hơn 20 MHz.

UMB (Ultra Mobile Broadband) : UMB được các tổ chức viễn thông của

Nhật Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hãng như Alcatel-

Lucent, Apple, Motorola, NEC và Verizon Wireless phát triển từ nền tảng CDMA.

UMB có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz đến 20 MHz và làm việc

ở nhiều dải tần số, với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288 Mbps cho luồng xuống và

75 Mbps cho luồng lên với độ rộng băng tần sử dụng là 20 MHz. Qualcomm là

hãng đi đầu trong nỗ lực phát triển UMB, mặc dù hãng này cũng đồng thời phát

triển cả công nghệ LTE.

Mục tiêu và cách tiếp cận

4G cung cấp QoS và tốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G đang tồn tại,

không chỉ là truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS), chat

video, TV di động mà còn các dịch vụ HDTV, các dịch vụ tối thiểu như thoại, dữ

liệu và các dịch vụ khác. Nó cho phép chuyển giao giữa các mạng vô tuyến trong

khu vực cục bộ và có thể kết nối với hệ thống quảng bá video số.

Các mục tiêu mà 4G hướng đến :

Băng thông linh hoạt giữa 5 MHz đến 20 MHz, có thể lên đến 40 MHz.

Tốc độ được quy định bởi ITU là 100 Mbps khi di chuyển tốc độ cao và 1 Gbps

đối với thuê bao đứng yên so với trạm.

Tốc độ dữ liệu ít nhất là 100 Mbps giữa bất kỳ hai điểm nào trên thế giới.

Hiệu suất phổ đường truyền là 15bit/s/Hz ở đường xuống và 6.75 bit/s/Hz ở

đường lên (có nghĩa là 1000 Mbps ở đường xuống và có thể nhỏ hơn băng

thông 67 MHz)/

Hiệu suất sử dụng phổ hệ thống lên đến 3 bit/s/Hz/cell ở đường xuống và 2.25

bit/s/Hz/cell cho việc sử dụng trong nhà.

Chuyển giao liền (Smooth handoff) qua các mạng hỗn hợp.



Kết nối liền và chuyển giao toàn cầu qua đa mạng.

Chất lượng cao cho các dịch vụ đa phương tiện như âm thanh thời gian thực,

tốc độ dữ liệu cao, video HDTV, TV di động…

Tương thích với các chuẩn không dây đang tồn tại

Tất cả là IP, mạng chuyển mạch gói không còn chuyển mạch kênh nữa.

Các điểm cần xét đến

Vùng bao phủ, môi trường vô tuyến, phổ, dịch vụ, mô hình thương mại và số

người sử dụng.

Các kỹ thuật được sử dụng

Kỹ thuật sử dụng lớp vật lý

- Không sử dụng CDMA

- MIMO : để đạt được hiệu suất phổ tần cao bằng cách sử dụng phân tập

theo không gian, đa anten đa người dùng.

- Sử dụng lượng tử hóa trong miền tần số, chẳng hạn như OFDM hoặc SC-

FDE (single carrier frequency domain equalization) ở đường xuống : để

tận dụng thuộc tính chọn lọc tần số của kênh mà không phải lượng tử

phức tạp.

- Ghép kênh trong miền tần số chẳng hạn như OFDMA hoặc SC-FDMA ở

đường xuống : tốc độ bit thay đổi bằng việc gán cho người dùng các kênh

con khác nhau dựa trên điều kiện kênh.

- Mã hóa sửa lỗi Turbo : để tối thiểu yêu cầu về tỷ số SNR ở bên thu.

Lập biểu kênh độc lập : để sử dụng các kênh thay đổi theo thời gian.

Thích nghi đường truyền : điều chế thích nghi và các mã sửa lỗi.

1. 3 Sự khác nhau giữa 3G và 4G

Hiện nay, công nghệ 3G cho phép truy cập Internet không dây và các cuộc

gọi có hình ảnh. 4G được phát triển trên các thuộc tính kế thừa từ công nghệ 3G. Về

mặt lý thuyết, mạng không dây sử dụng công nghệ 4G sẽ có tốc độ nhanh hơn mạng



3G từ 4 đến 10 lần. Tốc độ tối đa của 3G là tốc độ tải xuống 14Mbps và 5.8Mbps

tải lên. Với công nghệ 4G, tốc độ có thể đạt tới 100Mbps đối với người dùng di

động và 1Gbps đối với người dùng cố định. 3G sử dụng ở các dải tần quy định quốc

tế cho UL : 1885-2025 MHz; DL : 2110-2200 MHz; với tốc độ từ 144kbps-2Mbps,

độ rộng BW: 5 MHz. Đối với 4G LTE thì Hoạt động ở băng tần : 700 MHz-2,6

GHz với mục tiêu tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp, công nghệ truy cập sóng vô tuyến

gói dữ liệu tối ưu. Tốc độ DL :100Mbps( ở BW 20MHz), UL : 50 Mbps với 2 aten

thu một anten phát. Độ trễ nhỏ hơn 5ms với độ rộng BW linh hoạt là ưu điểm của

LTE so với WCDMA, BW từ 1.25 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20

MHz. Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần số người dùng/cell so với

WCDMA.

1. 3. 1 Ưu điểm nổi bật

Tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều lần so với 3G

Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trễ

Cấu trúc mạng sẽ đơn giản hơn, và sẽ không còn chuyển mạch kênh nữa

Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần user/cell so với WCDMA.

Độ rộng băng tần linh hoạt cũng là một ưu điểm quan trọng của LTE đối với

WCDMA

1.3.2 Các ứng dụng đã tạo nên ưu điểm của 4G LTE so với 3G

Hiệu suất phổ cao

- OFDM ở DL

Chống nhiễu đa đường

Hầu hết dữ liệu người dùng thì ít hơn di động

- SC-FDMA ở UL

PAPR thấp

Người dùng trực giao trong miền tần số

- MIMO



Tốc độ dữ liệu cao

-Phát nhiều dòng dữ liệu độc lập song song qua các anten riêng lẻ => tăng tốc độ dữ

liệu. (sử dụng MIMO)

Độ trễ thấp

-Thời gian cài đặt và thời gian trì hoãn chuyển tiếp ngắn

-Trễ HO và thời gian ngắt ngắn : TTI ngắn, trạng thái RRC đơn giản

Giá thành rẻ

-Cấu trúc mạng đơn giản, giảm các thành phần của mạng

Chất lượng dịch vụ cao

-Sử dụng các tần số cấp phép để đảm bảo chất lượng dịch vụ : LTE sử dụng các dải

tần số khác nhau : 2100 MHz, 1900 MHz, 1700 MHz, 2600 MHz, 900 MHz, 800

MHz.

-Luôn luôn thử nghiệm ( giảm thời gian trễ trong điều khiển định tuyến)

-Giảm độ trễ khứ hồi ( round trip delay)

Tần số tái sử dụng linh hoạt

Giảm nhiễu liên cell với tần số tái sử dụng lớn hơn 1.

-Sử dụng hai dải tần số:

Dải 1 : hệ số tái sử dụng lớn hơn 1 => công suất phát cao hơn

Dải 2 : phổ còn lại

-Các user ở cạnh cell : sử dụng dải 1 => SIR tốt

-Các user ở trung tâm cell : sử dụng toàn bộ băng => tốc độ dữ liệu cao

Dung lượng và vùng bao phủ của WCDMA UL bị giới hạn bởi can nhiễu: can

nhiễu bên trong cell và can nhiễu liên cell. Nhưng đối với LTE thì : do tính trực

giao nên can nhiễu trong cùng một cell có thể không xét đến và giảm can nhiễu

inter-cell bằng tái sử dụng cục bộ, thêm các anten có thể triệt can nhiễu.



Chương 1 đã khái quát được những nét đặc trưng, ưu nhược điểm và sự

phát triển của các hệ thống thông tin di động thế hệ 1, 2 và 3, 4 đồng thời đã

sơ lượt tổng quan của hệ thống thông tin di động thế hệ 4. Hai thông số

quan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit

thông tin của người sử dụng và tính di động, ở các thế hệ tiếp theo các thông

số này càng được cải thiện. Nêu được ưu điểm của 4G so với 3G và các cơ

sở để hình thành ưu điểm đó. Để tìm hiểu thêm về 4G ta qua chương tiếp

theo.



CHƯƠNG 2 : CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE VÀ CÁC

VẤN ĐỀ LIÊN QUAN

Hệ thống 4G được xây dựng nhằm chuẩn bị một cơ sở hạ tầng di động

chung có khả năng phục vụ các dịch vụ hiện tại và tương lai. Cơ sở hạ tầng 4G

được thiết kế với điều kiện những thay đổi, phát triển về kỹ thuật có khả năng phù

hợp với mạng hiện tại mà không làm ảnh hưởng đến các dịch vụ đang sử dụng. Để

thực hiện điều đó, cần tách biệt giữa kỹ thuật truy cập, kỹ thuật truyền dẫn, kỹ thuật

dịch vụ (điều khiển kết nối) và các ứng dụng của người sử dụng. Chương này sẽ

trình bày hệ thống di động 4G LTE :các đặc điểm kỹ thuật, so sánh LTE với

WiMAX, cấu trúc mạng 4G LTE sẽ như thế nào, nó liên kết với các mạng khác ra

sao, các kênh sử dụng trong E-UTRAN, các kỹ thuật sử dụngcho đường lên, đường

xuống trong LTE, đồng thời khái quát về các thủ tục liên quan đến giao diện vô

tuyến bao gồm chuyển giao và điều khiển công suất.

2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE

Hệ thống 3GPP LTE, là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng

không dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là một trong những

công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G. Liên minh Viễn thông Quốc tế

(ITU) đã định nghĩa truyền thông di động thế hệ thứ 4 là IMT Advanced và chia

thành hai hệ thống dùng cho di động tốc độ cao và di động tốc độ thấp. 3GPP LTE

là hệ thống dùng cho di động tốc độ cao. Ngoài ra, đây còn là công nghệ hệ thống

tích hợp đầu tiên trên thế giới ứng dụng cả chuẩn 3GPP LTE và các chuẩn dịch vụ

ứng dụng khác, do đó người sử dụng có thể dễ dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền

dữ liệu giữa các mạng LTE và các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên

WCDMA. Kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu cung cấp lưu lượng

chuyển mạch gói với dịch vụ chất lượng, độ trễ tối thiểu. Hệ thống sử dụng băng

thông linh hoạt nhờ vào mô hình đa truy cập OFDMA và SC-FDMA. Thêm vào đó,

FDD (Frequency Division Duplexing) và TDD (Time Division Duplexing), bán

song công FDD cho phép các UE có giá thành thấp. Không giống như FDD, bán

song công FDD không yêu cầu phát và thu tại cùng thời điểm. Điều này làm giảm



giá thành cho bộ song công trong UE. Truy cập tuyến lên dựa vào đa truy cập phân

chia theo tần số đơn sóng mang (Single Carrier Frequency Division multiple Access

SC-FDMA) cho phép tăng vùng phủ tuyến lên làm tỷ số công suất đỉnh trên công

suất trung bình thấp (Peak-to-Average Power Ratio PAPR) so với OFDMA. Thêm

vào đó, để cải thiện tốc độ dữ liệu đỉnh, hệ thống LTE sử dụng hai đến bốn lần hệ số

phổ cell so với hệ thống HSPA Release 6.

Động cơ thúc đẩy

- Cần thế hệ tiếp theo để cải thiện các nhược điểm của 3G và đáp ứng nhu cầu

của người sử dụng

- Người dùng đòi hỏi tốc độ dữ liệu và chất lượng dịch vụ cao hơn

- Tối ưu hệ thống chuyển mạch gói

- Tiếp tục nhu cầu đòi hỏi của người dùng về giảm giá thành (CAPEX và

OPEX)

- Giảm độ phức tạp

- Tránh sự phân đoạn không cần thiết cho hoạt động của một cặp hoặc không

phải một cặp dải thông

Các giai đoạn phát triển của LTE

- Bắt đầu năm 2004, dự án LTE tập trung vào phát triển thêm UTRAN và tối

ưu cấu trúc truy cập vô tuyến của 3GPP.

- Mục tiêu hướng đến là dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một

người dùng trên 1 MHz so với mạng HSDPA Rel. 6: Tải xuống: gấp 3 đến 4

lần (100Mbps). Tải lên: gấp 2 đến 3 lần (50Mbps).

- Năm 2007, LTE của kỹ thuật truy cập vô tuyến thế hệ thứ 3 –“EUTRA”-

phát triển từ những bước khả thi để đưa ra các đặc tính kỹ thuật được chấp

nhận. Cuối năm 2008 các kỹ thuật này được sử dụng trong thương mại.

- Các kỹ thuật OFDMA được sử dụng cho đường xuống và SC-FDMA được

sử dụng cho đường lên.



Mục tiêu của LTE

- Tốc độ dữ liệu cao

- Độ trễ thấp

- Công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu

Các đặc tính cơ bản của LTE

- Hoạt động ở băng tần : 700 MHz-2,6 GHz.

- Tốc độ:

DL : 100Mbps( ở BW 20MHz)

UL : 50 Mbps với 2 aten thu một anten phát.

- Độ trễ : nhỏ hơn 5ms

- Độ rộng BW linh hoạt :1,4 MHz; 3 MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15 MHz; 20

MHz. Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc

không.

- Tính di động : Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15 km/h nhưng vẫn hoạt động tốt

với tốc độ di chuyển từ 15-120 km/h, có thể lên đến 500 km/h tùy băng tần.

- Phổ tần số:

Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD

Độ phủ sóng từ 5-100 km

Dung lượng 200 user/cell ở băng tần 5Mhz.

- Chất lượng dịch vụ :

Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS.

VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng

UMTS.

- Liên kết mạng:



Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các

hệ thống không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo.

Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và

UTRAN/GERAN sẽ nhỏ hơn 300ms cho các dịch vụ thời gian thực và

500ms cho các dịch vụ còn lại.

- Chi phí: chi phí triển khai và vận hành giảm

Băng thông linh hoạt trong vùng từ 1.4 MHz đến 20 MHz, điều này có nghĩa

là nó có thể hoạt động trong các dải băng tần của 3GPP. Trong thực tế, hiệu suất

thực sự của LTE tùy thuộc vào băng thông chỉ định cho các dịch vụ và không có sự

lựa chọn cho phổ tần của chính nó. Điều này giúp đáng kể cho các nhà khai thác

trong chiến lược về kinh tế và kỹ thuật. Triển khai tại các tần số cao, LTE là chiến

lược hấp dẫn tập trung vào dung lượng mạng, trong khi tại các tần số thấp nó có thể

cung cấp vùng bao phủ khắp nơi. Mạng LTE có thể hoạt động trong bất cứ dải tần

được sử dụng nào của 3GPP. Nó bao gồm băng tần lõi của IMT-2000 (1.9-2 GHz)

và dải mở rộng (2.5 GHz), cũng như tại 850-900 MHz, 1800 MHz, phổ AWS (1.7-

2.1 GHz)…Băng tần chỉ định dưới 5MHz được định nghĩa bởi IUT thì phù hợp với

dịch vụ IMT trong khi các băng tần lớn hơn 5MHz thì sử dụng cho các dịch vụ có

tốc độ cực cao. Tính linh hoạt về băng tần của LTE có thể cho phép các nhà sản

xuất phát triển LTE trong những băng tần đã tồn tại của họ.

Các thông số lớp vật lý của LTE [14]

Bảng 2.1 : Các thông số lớp vật lý LTE

Kỹ thuật truy cập UL DTFS-OFDM (SC-FDMA)

DL OFDMA

Băng thông 1.4MHz, 3 MHz , 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20

MHz

TTI tối thiểu 1ms



Khoảng cách sóng mang con 15KHz

Chiều dài CP Ngắn 4.7µs

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 2.2 : Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp

Lớp 1 2 3 4 5

Tốc độ

đỉnh

Mbps

DL 10 50 100 150 300

UL 5 25 50 50 75

Dung lượng cho các chức năng lớp vật lý

Băng thông RF 20MHz

Điều chế DL QPSK, 16QAM, 64QAM

UL QPSK, 16QAM QPSK,

16QAM,

64QAM

Dịch vụ của LTE

Qua việc kết nối của đường truyền tốc độ rất cao, băng thông linh hoạt, hiệu

suất sử dụng phổ cao và giảm thời gian trễ gói, LTE hứa hẹn sẽ cung cấp nhiều dịch

vụ đa dạng hơn. Đối với khách hàng, sẽ có thêm nhiều ứng dụng về dòng dữ liệu

lớn, tải về và chia sẻ video, nhạc và nội dung đa phương tiện. Tất cả các dịch vụ sẽ



cần lưu lượng lớn hơn để đáp ứng đủ chất lượng dịch vụ, đặc biệt là với mong đợi

của người dùng về đường truyền TV độ rõ nét cao. Đối với khách hàng là doanh

nghiệp, truyền các tập tin lớn với tốc độ cao, chất lượng video hội nghị tốt…LTE sẽ

mang đặc tính của “Web 2.0” ngày nay vào không gian di động lần đầu tiên. Dọc

theo sự bảo đảm về thương mại, nó sẽ băng qua những ứng dụng thời gian thực như

game đa người chơi và chia sẻ tập tin.

Bảng 2.3 : So sánh các dịch vụ của 3G so với 4G LTE

Dịch vụ Môi trường (3G) Môi trường 4G

Thoai (rich voice) Âm thanh thời gian thực VoIP, video hội nghị chất

lượng cao

Tin nhắn P2F(P2F

messaging)

SMS, MMS, các email ưu tiên

thấp

Các tin nhắn photo, IM,

email di động, tin nhắn video

Lướt

web(browsing)

Truy cập đến các dịch vụ

online trực tuyến, Trình duyệt

WAP thông qua GPRS và

mạng 3G.

Duyệt siêu nhanh, tải các nội

dung lên các mạng xã hội.

Thông tin cước

phí(paid

information)

Người dùng trả qua hoặc trên

mạng tính cước chuẩn. Chính

yếu là dựa trên thông tin văn

bản.

Tạp chí trực tuyến, dòng âm

thanh chất lượng cao.

Riêng

tư(personalization)

Chủ yếu là âm thanh

chuông(ringtone), cũng bao

gồm màn hình chờ

(screensavers)và nhạc

chờ(ring tone) .

Âm thanh thực(thu âm gốc

từ người nghệ sĩ), các trang

web cá nhân.

Games Tải về và chơi game trực Kinh nghiệm game trực



tuyến. tuyến vững chắc qua cả

mạng cố định và di động.

Video/TV theo yêu

cầu (video/TV on

demand)

Chạy và có thể tải video. Các dịch vụ quảng bá tivi,

Tivi theo đúng yêu cầudòng

video chất lượng cao.

Nhạc Tải đầy đủ các track và các

dịch vụ âm thanh.

Lưu trữ và tải nhạc chất

lượng cao

Nội dung tin nhắn Tin nhắn đồng cấp sử dụng ba

thành phần cũng như tương

tác với các media khác.

Phân phối tỷ lệ rộng của các

video clip, dịch vụ karaoke,

video cơ bản quảng cáo di

động.

M-

comerce( thương

mại qua điện

thoại)

Thực hiện các giao dịch và

thanh toán qua mạng di động.

Điện thoại cầm tay như thiết

bị thanh toán, với các chi tiết

thanh toán qua mạng tốc độ

cao để cho phép các giao

dịch thực hiện nhanh chóng.

Mạng dữ liệu di

động(mobile data

netwoking)

Truy cập đến các mạng nội bộ

và cơ sở dữ liệu cũng như

cách sử dụng của các ứng

dụng như CRM.

Chuyển đổi file P2P, các ứng

dụng kinh doanh, ứng dụng

chia sẻ, thông tin M2M, di

động intranet/extranet.



So sánh LTE với HSPA và WiMAX [17]

Bảng 2.4 : So sánh giữa HSPA, WiMAX và LTE

Các tiêu chí HSUPA WiMAX LTE

Phiên bản 3GPP release 6 802.16e (2005) 3GPP release 8 (3/2009)

Cơ sở hạ

tầng và các

thiết bị có

giá trị

Bắt đầu năm

2007

Bắt đầu năm 2007 Bắt đầu năm 2010

Dải tần hoạt

động

700MHz, 850

MHz,1.5 GHz,

1.8 GHz,

1.7/2.1 GHz

2.5GHz, 2.6GHz,

3.5GHz, 3.65 GHz, 5.8

GHz,

700MHz, 850 MHz,1.5

GHz, 1.8 GHz, 1.7/2.1

GHz, 2.1GHz, 2.3GHz,

2.6GHz

Các thông

số hướng

đến

Tốc độ dữ liệu

lên 5.6 Mbps

đối với kênh

5MHz, bán

kính cell là

680m

Tốc độ dữ liệu lên

75Mbps/25 Mbps đối

với kênh 10MHz với

2x2 MIMO, bán kính

cell lên đến 2-7Km,

100-200 người dùng

Tốc độ dữ liệu lên

100Mbps/50 Mbps đối

với kênh 10MHz với

2x2 MIMO, bán kính

cell lên đến 5Km, lớn

hơn 400 người dùng

Khả năng

tương thích

lùi

Tương thích lùi

với Release 99

Không tương thích lùi

với 3GPP hoặc 3GPP2

Kế thừa chuẩn 3GPP,

nhưng khác kỹ thuật nên

đòi hỏi thiết bị mới ở

RAN nếu dải tần khác

nhau được sử dụng

Về công nghệ, LTE và WiMax có một số khác biệt nhưng cũng có nhiều

điểm tương đồng. Cả hai công nghệ đều dựa trên nền tảng IP. Cả hai đều dùng kỹ



thuật MIMO để cải thiện chất lượng truyền/nhận tín hiệu, đường xuống từ trạm thu

phát đến thiết bị đầu cuối đều được tăng tốc bằng kỹ thuật OFDM hỗ trợ truyền tải

dữ liệu đa phương tiện và video.

Đường lên từ thiết bị đầu cuối đến trạm thu phát có sự khác nhau giữa 2

công nghệ. WiMax dùng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple

Access – một biến thể của OFDM), còn LTE dùng kỹ thuật SC-FDMA (Single

Carrier - Frequency Division Multiple Access). Về lý thuyết, SC-FDMA được thiết

kế làm việc hiệu quả hơn và các thiết bị đầu cuối tiêu thụ năng lượng thấp hơn

OFDMA.

LTE còn có ưu thế hơn WiMax vì được thiết kế tương thích với cả phương

thức TDD (Time Division Duplex) và FDD (Frequency Division Duplex). Ngược

lại, WiMax hiện chỉ tương thích với TDDs. TDD truyền dữ liệu lên và xuống thông

qua 1 kênh tần số (dùng phương thức phân chia thời gian), còn FDD cho phép

truyền dữ liệu lên và xuống thông qua 2 kênh tần số riêng biệt. Điều này có nghĩa

LTE có nhiều phổ tần sử dụng hơn WiMax. Tuy nhiên, sự khác biệt công nghệ

không có ý nghĩa quyết định trong cuộc chiến giữa WiMax và LTE.

Trên thế giới, 4G dù chưa phải phổ biến song cũng đã có quốc gia và các

hãng viễn thông triển khai. Chẳng hạn như Ericsson. Tháng 1/2009, Ericsson và nhà

mạng tại Thụy Điển đã triển khai thương mại TeliaSonera mạng LTE/4G đầu tiên

tại Thụy Điển. Tới tháng 1/2010 đã triển khai diện rộng mạng TeliaSonera trên toàn

quốc ở Na Uy và Thụy Điển. Ngoài ra, Ericsson đã ký hợp đồng triển khai LTE

trong thời gian tới với các nhà mạng AT&T (Mỹ), MetroPCS, Verizon Wireless

(Mỹ), NTT Docomo (Nhật). Ericsson cũng đã tiến hành các thử nghiệm LTE/4G

với các mạng Telstra, SingTel, T-Mobile Hungary, Zain Saudia Arabia.

Với Việt Nam, ở thời điểm này, cơ quan quản lý nhà nước chưa đưa ra quyết

định sẽ đi lên 4G bằng Wimax hay LTE mà quan điểm sẽ tổ chức một hội thảo giữa

Bộ với các doanh nghiệp để tìm ra sự lựa chọn hợp lý nhất. Theo phân tích của các

chuyên gia, hiện tại Wimax có lợi thế đi trước LTE. Không chỉ trên thế giới mà

ngay cả ở Việt Nam, mạng Wimax đã được triển khai cung cấp thử nghiệm từ năm

2004 tới giờ. Còn LTE, lại được cho rằng phải tới khoảng năm 2012-2013 mới trở



nên phổ biến. Xong, so với Wimax, LTE lại có một thế mạnh được cho là rất quan

trọng. LTE nếu được triển khai cho phép tận dụng dụng hạ tầng GSM có sẵn dù vẫn

phải đầu tư thêm thiết bị. Còn Wimax, nếu muốn triển khai thì phải xây dựng từ đầu

một mạng mới. Với Việt Nam, trong bối cảnh hiện nay, theo nhiều chuyên gia, vẫn

chưa đến thời điểm chín muồi để phát triển 4G cho dù đó là Wimax hay LTE. Ở

thời điểm này, Việt Nam vẫn chưa có kế hoạch triển khai 4G. Nếu có, phải ít nhất là

năm 2012. Và với mốc thời gian này, biết đâu, LTE lại thắng thế hơn Wimax?

Nhưng dù có lựa chọn công nghệ gì đi chăng nữa, điều quan trọng nhất mà người

dùng Việt đặt kỳ vọng ở các nhà khai thác mạng, cung cấp dịch vụ đó là làm sao

đáp ứng được ba tiêu chuẩn. Một chuyên gia của Ericsson chia sẻ.Thứ nhất, đó là

tính thân thiện và đơn giản của dịch vụ công nghệ cung cấp. Đa số người dùng

trước đây chưa biết nhiều về Internet do đó tính thân thiện giúp họ sử dụng lần đầu

tiên mà không bị nhầm lẫn là điều rất quan trọng. Thứ hai đó chính là những nội

dung tiếng Việt mà họ có thể hưởng thụ từ dịch vụ.Và thứ ba, là giá cả hợp lý. Đặc

biệt là dịch vụ trả trước. Có thể nói, đa số người sử dụng không hiểu về sự liên quan

giữa Megabyte và giá cả nên chính sách giá phải dễ hiểu.



2.2 Cấu trúc của LTE [1]

Cấu trúc cơ bản SAE của LTE

Hình 2.1: So sánh về cấu trúc giữa UTMS và LTE

Hình trên cho ta thấy sự khác nhau về cấu trúc của UTMS và LTE. Song

song với truy nhập vô tuyến LTE, mạng gói lõi cũng đang cải tiến lên cấu trúc tầng

SAE. Cấu trúc mới này được thiết kế để tối ưu hiệu suất mạng, cải thiện hiệu quả

chi phí và thuận tiện thu hút phần lớn dịch vụ trên nền IP.

Mạng truy nhập vô tuyến RAN (Radio Access Network): mạng truy nhập vô

tuyến của LTE được gọi là E-UTRAN và một trong những đặc điểm chính của nó là

tất cả các dịch vụ, bao gồm dịch vụ thời gian thực, sẽ được hỗ trợ qua những kênh

gói được chia sẻ. Phương pháp này sẽ tăng hiệu suất phổ, làm cho dung lượng hệ

thống trở nên cao hơn. Một kết quả quan trọng của việc sử dụng truy nhập gói cho

tất cả các dịch vụ là sự tích hợp cao hơn giữa những dịch vụ đa phương tiện và giữa

những dịch vụ cố định và không dây.



Có nhiều loại chức năng khác nhau trong mạng tế bào. Dựa vào chúng, mạng

có thể được chia thành hai phần: mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi. Những chức

năng như điều chế, nén, chuyển giao thuộc về mạng truy nhập. Còn những chức

năng khác như tính cước hoặc quản lý di động là thành phần của mạng lõi. Với

LTE, mạng truy nhập là E-UTRAN và mạng lõi là EPC.

Mục đích chính của LTE là tối

quy hoẠch mẠng 4g lte -...

Documents