Đồ án tốt nghiệp tìm hiểu về hệ thống thông tin di động 4g – LTE môn Cơ sở dữ liệu | Đại học Sư phạm Hà Nội

lOMoAR cPSD| 57855709
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN
----------
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CHUYÊN
NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG TÊN ĐỀ TÀI:
TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G - LTE
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN : PGS. TS Nguyễn Quốc Trung
SINH VIÊN THỰC HIỆN : Phạm Quang Trung MÃ SINH VIÊN : 11219969 Hưng Yên – Năm 2023 lOMoAR cPSD| 57855709 MỤC LỤC
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ....................................................................................... 4
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. 5
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................... 6
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................... 9
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ 11
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 12
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ GIỚI
THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE ..................................................................................... 13
1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ................................... 13
1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) ........................................... 13
1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) ............................................. 14
1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 ( 3G) ............................................... 16
1.2 Giới thiệu về công nghệ LTE ................................................................................ 18
CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC HỆ THỐNG MẠNG 4G LTE VÀ GIAO THỨC .............. 22
2.1 TỔNG QUAN ....................................................................................................... 22
2.1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE .......................................................................... 22
2.1.2 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax và những triển vọng cho .... 23
công nghệ LTE ......................................................................................................... 23
2.2 Kiến trúc mạng LTE .............................................................................................. 24
2.2.1 Tổng quan về cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống .......................................... 25
2.2.2 Các giao diện và giao thức trong cấu hình kiến trúc cơ bản của hệ thống ..... 38
CHƯƠNG 3. TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE ............................................... 47
3.1 Các Chế Độ Truy Nhập Vô Tuyến ........................................................................ 47
3.2 Băng Tần Truyền Dẫn ........................................................................................... 47
3.3 Các Băng Tần Được Hỗ Trợ ................................................................................. 47
3.4 KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP CHO ĐƯỜNG XUỐNG OFDMA .................... 49 lOMoAR cPSD| 57855709
3.4.1 Các tham số OFDMA ..................................................................................... 51
3.4.2 Truyền dẫn dữ liệu hướng xuống ................................................................... 53
3.5 KỸ THẬT ĐA TRUY CẬP ĐƯỜNG LÊN LTE SC-FDMA ............................... 55
3.5.1 SC-FDMA .......................................................................................................... 56
3.5.2 Các tham số SC-FDMA ..................................................................................... 57
3.5.3 Truyền dữ liệu hướng lên ............................................................................... 58
3.6 So sánh ofdma và SC - FDMA ............................................................................. 59
3.7 Tổng quan về kỹ thuật đa ăng ten MIMO ............................................................. 61
3.7.1 Đơn đầu vào Đơn đầu ra (SISO) .................................................................... 62
3.7.2 Đơn đầu vào đa đầu ra (SIMO) ...................................................................... 62
3.7.3 Đa đầu vào đơn đầu ra (MISO) ...................................................................... 62
3.7.4 Đầu vào đa đầu ra (MIMO) ............................................................................ 63
KẾT LUẬN .................................................................................................................... 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 67 lOMoAR cPSD| 57855709
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
Hưng yên, ngày tháng năm 2023 Giảng viên hướng dẫn lOMoAR cPSD| 57855709 LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các thầy cô trong bộ môn tin học
viễn thông cũng như các thầy cô trong khoa điện điện tử đã luôn nhiệt tình hướng dẫn,
truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học tập tại trường, là nền tảng giúp em có thể
thực hiện đề tài tốt nghiệp này.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Quốc Trung, người đã hết lòng hướng
dẫn, chỉ bảo trong suốt thời gian làm đồ án, giúp người thực hiện có những hướng đi
đúng đắn để có thể hoàn thành đề tài.
Xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến những người bạn đã luôn hết lòng giúp đỡ người thực hiện trong thời gian qua.
Một lần nữa xin chân thành cảm ơn!!
Người thực hiện đề tài. Phạm Quang Trung lOMoAR cPSD| 57855709
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3GPP
Third Generation Partnership Project
Dự án các đối tác thế hệ thứ 3 ACK Acknowledgement Sự báo nhận
Hệ thống điện thoại di động AMPS Advanced Mobile Phone Sytem tiên tiến BB Baseband Băng gốc BCH Broadcast Channel Kênh phát quảng bá BPSK Binary phase shift keying Khóa dịch pha nhị phân BSC Base station controller Điều khiển trạm gốc BTS Base transceiver station Trạm thu phát gốc BW Bandwith Dải thông CDM Code Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo mã
Đa truy cập phân chia theo CDMA
Code Division Multiplexing Acces mã CP Cyclic Frefix Tiền tố vòng CQI Channel Quality Information
Thông tin chất lượng kênh
Nhận dạng tạm thời mạng vô C – RNTI
Radio Network Temporary Identifier tuyến tế bào DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng
Thông tin điều khiển đường DCI Downlink Control Information xuống DFT Disrete Fourier Transform
Biến đổi Fourier rời rạc DL Downlink Đường xuống UL Uplink Đường lên DTX Discontinuous Transmission
Truyền phát không liên tục
Khe thời gian điều khiển DwPTS Downlink Pilot Time Slot đường xuống lOMoAR cPSD| 57855709 Enhanced Data Rates fof GSM
Tốc độ dữ liệu tăng cường EDGE Evolution cho GSM phát triển EPC Evolved Packet Core Mạng lõi phát triển EPDG Ecolved Packet Date Gateway
Cổng dữ liệu gói phát triển E -
Evolved Universal Terrestrial Radio
Truy cập vô tuyến mặt đất UTRAN Access toàn cầu phát triển FD Frequency Domain Miền tấn số FDD Frequency Domain Duplex
Sông công phân chia tần số FDM
Frequency Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia tần số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh GGSN Gateway GPRS Support Node Nút cổng hỗ trợ GPRS GPRS General packket radio Service
Dịch vụ vô tuyến gói chung GPS Globanl Positioning Sytsem
Hệ thống định vị toàn cầu GTP GPRS Runneling Protocol
Đóng gói định tuyến chung
GPRS Runneling Protocol, Control
Mặt phẳng điều khiển, giao GTP - C Plane thức đường hầm GPRS
Nhận dạng tạm thời duy nhất GUTI
Globally Unique Temporary Identity toàn cầu GW Gateway Cổng
Yêu cầu lặp lại tự động hỗ HARQ
Hybrid Automatic Repeat reQuest hợp HO Hand Over Sự chuyển vùng
Truy cập gói đường xuống tốc HSDPA
High Speed Downlink Packet Access độ Cao
Kênh chia sẻ đường xuống
HS - DSCH High Speedd Downlink Share Channel tốc độ Cao
Số liệu chuyển mạch kênh tốc HSCSD
High Speedd Circuit Switched Data độ cao HSPA High Speed Packet Access
Truy nhập gói tốc độ cao lOMoAR cPSD| 57855709 HSS Home Subscriber Server
Máy chủ thuê bao thường trú
Truy nhập gói đường lên tốc HSUPA
High Speed Uplink packer Access độ cao ID Identity Nhận dạng
Biến đổi Fourier nhanh nghịch IFFT
Inverse Fast Fourier Transform đảo
Hệ thống con đa phương tiện IMS IP Multimedia Subsystem IP International Mobile IMT
Truyền thông di động quốc tế Telecommunications IP Internet Protocol Giao thức Internet ISDN Integrated Services Digital
Mạng số dịch vụ tích hợp lOMoAR cPSD| 57855709 DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.2 Sự phát triển từ 2G lên 2.5G ........................................................................ 15
Hình 2.1 Lộ trình phát triển của LTE và các công nghệ khác ..................................... 23
Hình 2.2 Phát triển kiến trúc 3GPP hướng tới kiến trúc phẳng hơn ............................ 25
Hình 2.3 Sự chuyển đổi trong cấu trúc mạng từ UTRANsang E-UTRAN .................. 25
Hình 2.4. Kiến trúc hệ thống cho mạng chỉ có E-UTRAN ......................................... 26
Hình 2.5 eNodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính .................... 29
Hình 2.6 MME kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính........................ 31
Hình 2.7. Các kết nối S-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính ............... 33
Hình 2.8. P-GW kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính ................... 36
Hình 2.9. PCRF kết nối tới các nút logic khác & các chức năng chính ....................... 37
Hình 2.10. Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển trong EPS ............................... 39
Hình 2.11. Năn xếp giao thức mặt phẳng người dùng trong EPC ............................... 41
Hình 2.12. Các ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng cho
giao diện X2. ....................................................................................................... 42
Hình 2.13. Trạng thái của UE và chuyển tiếp trạng thái ............................................. 43
Hình 2.14. Hoạt động chuyển giao ............................................................................. 44
Hình 2.15. Khu vực theo dõi cập nhật cho UE ở trạng thái RRC rảnh rỗi. .................. 45
Hình 3.1 Biểu diễn tần số-thời gian của một tín hiệu OFDM. ..................................... 49
Hình 3.2 Sự tạo ra ký hiệu OFDM có ích sử dụng IFFT. ............................................ 50
Hình 3.3 Sự tạo ra chuỗi tín hiệu OFDM. .................................................................. 50
Hình 3.4 Cấp phát sóng mang con cho OFDM & OFDMA ........................................ 51
Hình 3.5 Cấu trúc khung loại 1 .................................................................................. 51
Hình 3.6 Cấu trúc khung loại 2 .................................................................................. 52
Hình 3.7 Thể hiện cấu trúc của lưới tài nguyên đường xuống cho cả FDD và TDD. .. 52
Hình 3.8 Ghép kênh thời gian - tần số OFDMA ......................................................... 53
Hình 3.9 Phát và thu OFDMA ................................................................................... 54
Hình 3.10 Sơ đồ khối DFT-S-OFDM. ........................................................................ 56
Hình 3.11 Lưới tài nguyên đường lên ........................................................................ 57
Hình 3.12 Phát & thu hướng lên LTE ........................................................................ 58
Hình 3.13 So sánh OFDMA & SC-FDMA truyền một chuỗi các ký hiệu dữ liệu QPSK lOMoAR cPSD| 57855709
.................................................................................................................................. 60
Hình 3.14 Các chế độ truy nhập kênh vô tuyến .......................................................... 61
Hình 3.15 MIMO 2*2, không có tiền mã hóa ............................................................. 63
Hình 3.16 Ericsson phối hợp với Cục Tần số Vô tuyến điện thử nghiệm công nghệ
LTE tại Hà Nội. ......................................................................................................... 64
Hình 3.17 Trạm gốc LTE ........................................................................................... 65 lOMoAR cPSD| 57855709
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các đặc điểm chính của công nghệ LTE. .................................................... 18
Bảng 2.1 Tóm tắt các giao thức và giao diện trong cấu hình kiến trúc hệ thống cơ bản
.................................................................................................................................. 42
Bảng 3.1. Các băng tần vận hành cho E-UTRAN ....................................................... 48 lOMoAR cPSD| 57855709 MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Sau thế hệ thứ 3 (3G) của mạng thông tin di động, Liên minh Viễn thông Quốc tế
(ITU) đang làm việc để phát triển các tiêu chuẩn cho thế hệ thứ 4 mới của mạng di động
(4G). 4G có những tính năng nổi bật như cho phép truyền tải thoại, dữ liệu và đa phương
tiện trên nền IP với tốc độ cao hơn nhiều so với các mạng di động hiện nay. Theo tính
toán, tốc độ truyền tải dữ liệu tĩnh có thể đạt tới 100Mb/s, thậm chí lên tới 1Gb/s. Vì
vậy, việc nghiên cứu hệ thống thông tin di động trước 4G LTE nhằm cải thiện tốc độ
truyền dữ liệu của mạng thông tin di động hiện nay là cần thiết và thiết thực.
2. Mục đích nghiên cứu.
Tìm hiểu kiến trúc hệ thống của mạng 4G LTE, các giao thức sử dụng trong mạng. Chế
độ truy cập vô tuyến trong mạng LTE Mô phỏng hệ thống thu phát SC-FDMA và so
sánh hiệu năng hệ thống khi trạng thái người dùng thay đổi.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
Hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE và chương trình mô phỏng.
4. Phương pháp nghiên cứu.
Nghiên cứu lý thuyết để tìm hiểu các chế độ truy cập vô tuyến được sử dụng trong
các hệ thống, kiến trúc và mạng thông tin di động 4G LTE.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
Đáp ứng nhu cầu của người dùng về các ứng dụng mạng không dây và băng thông
cao khi lướt Internet. Chất lượng dịch vụ tốt hơn, tốc độ cao hơn, tốc độ truy cập web
nhanh hơn, tải tài nguyên mạng nhanh hơn... nhu cầu là mục tiêu của công nghệ di động
4G. Tại Việt Nam hiện nay 3G đang phát triển rất nhanh, tiến tới 4G không còn xa. Theo
Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT), đơn vị vừa hoàn thành việc lắp đặt
trạm BTS phục vụ dịch vụ vô tuyến băng rộng sử dụng công nghệ LTE, công nghệ tiền
4G đầu tiên tại Việt Nam và khu vực Đông và Nam Á. lOMoAR cPSD| 57855709
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
VÀ GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE
1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)
Công nghệ di động sớm nhất là công nghệ tương tự, hệ thống truyền dẫn tương tự,
mạng điện thoại di động đầu tiên của loài người, bắt đầu ở Nhật Bản vào năm 1979, đây
là hệ thống thông tin di động, cũng sử dụng đa truy cập phân chia tần số FDMA và điều
chế FM, có các đặc điểm sau:
Phương thức truy cập: FDMA.
Dịch vụ chỉ là thoại. Chất lượng thấp. Bảo mật kém.
Một số hệ thống tiêu biểu: NMT (Nordic Mobile Telephone) sử dụng băng tần
450Mhz được triển khai tại các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga vào năm 1981. AMPS
(Advanced Mobile Phone System) được giới thiệu trong băng tần 800Mhz ở Hoa Kỳ và
Úc vào năm 1978. TACS (Total Access Communication System) được sử dụng ở Anh vào năm 1985.
Hình 1.1 Tiến trình phát triển của thông tin di động
Hầu như các hệ thống đều là hệ thống tương tự và dịch vụ truyền chủ yếu là thoại. Với
hệ thống này, cuộc gọi có thể bị bên thứ 3 nghe lén. Những điểm yếu của thế hệ 1G là
dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọi không tin cậy và lOMoAR cPSD| 57855709
chất lượng âm thanh kém, không có chế độ bảo mật...cho nên hệ thống 1G không thể
đáp ứng được nhu cầu sử dụng.
1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)
Hệ thống di động thế hệ thứ hai sử dụng truyền dẫn vô tuyến kỹ thuật số để truyền
dẫn. Mạng 2G có dung lượng lớn hơn mạng thế hệ thứ nhất. Công nghệ này vượt trội
hơn 1G và có các đặc điểm sau: Dung lượng tăng.
Chất lượng âm thanh tốt hơn.
Hỗ trợ dịch vụ dữ liệu.
Chế độ truy cập: TDMA, CDMA băng hẹp. Một số hệ thống tiêu biểu:
GSM (Global System for Mobile Phones) thông qua phương thức truy cập
TDMA đưmợc triển khai ở Châu Âu. D-AMPS (IS-136-Digital Advance Mobile
Phone System) sử dụng phương thức truy cập TDMA được triển khai tại Hoa Kỳ.
IS-95 (CDMA One) sử dụng phương thức truy cập CDMA đã được triển khai tại Mỹ và Hàn Quốc.
PDC (Personal Digital Cellular) thông qua phương pháp truy cập TDMA
được triển khai tại Nhật Bản.
GSM cơ bản sử dụng băng tần 900MHz. Sử dụng đa truy cập dựa trên thời
gian (TDMA). System Model 1800 (DCS 1800; còn được gọi là GSM 1800) và PCS
1900 (hoặc GSM 1900). Loại thứ hai chỉ được sử dụng ở Bắc Mỹ và Chile, trong khi
DCS 1800 được sử dụng ở một số nơi khác trên thế giới. Do đó, hai băng tần di động
được sử dụng đồng thời.
Hệ thống GSM 900 hoạt động trong dải tần cơ bản hẹp và dài (890-960MHz).
Dải cơ sở được chia thành 2 phần:
Đường lên (890 - 915) MHz.
Đường xuống (935 - 960)MHz.
Dải tần này bao gồm 124 sóng mang, được chia thành 2 dải tần, độ rộng mỗi dải tần là
25MHz và khoảng cách giữa 2 sóng mang liền kề là 200KHz. Mỗi kênh sử dụng 2 tần
số riêng biệt cho 2 đường uplink và downlink và được gọi là kênh song công. lOMoAR cPSD| 57855709
Khoảng cách giữa hai tần số không đổi là 45MHz. Mỗi kênh vô tuyến mang 8 khe thời
gian TDMA và mỗi khe thời gian là một kênh vật lý trao đổi thông tin giữa MS và mạng
GSM. Tốc độ từ 6.5 - 13 Kbps.
GSM mới chỉ cung cấp được các dịch vụ thoại và nhắn tin ngắn, trong khi nhu cầu truy
nhập internet và các dịch vụ từ người sử dụng là rất lớn nên GSM phát triển lên 2.5G.
Hình 1.2 Sự phát triển từ 2G lên 2.5G
GPRS (General Packet Radio Service) - dịch vụ vô tuyến gói chung, GPRS là một hệ
thống không dây trung gian, nhưng vẫn thuộc hệ thống 3G về mặt mạng lõi. GPRS cung
cấp kết nối dữ liệu chuyển mạch gói với tốc độ truyền lên tới 171,2Kbps (tốc độ dữ liệu
cao nhất) và hỗ trợ các giao thức Internet TCP/IP và X25, tăng cường đáng kể các dịch
vụ dữ liệu của GSM. Tích hợp GPRS vào mạng GSM hiện có là một quá trình đơn giản.
Một số khe thời gian trên giao diện vô tuyến được sử dụng cho GPRS, cho phép ghép
kênh dữ liệu gói được sắp xếp trước cho các trạm di động nhất định. Hệ thống con của
trạm gốc chỉ yêu cầu nâng cấp nhỏ liên quan đến Bộ điều khiển gói (PCU) để cung cấp
khả năng định tuyến gói giữa các thiết bị đầu cuối di động và các nút cổng. Một nâng
cấp nhỏ về phần mềm cũng cần thiết để hỗ trợ các hệ thống mã hoá kênh khác nhau.
Mạng lõi GSM được tạo thành từ các kết nối chuyển mạch kênh được mở rộng bằng
cách thêm vào các nút chuyển mạch số liệu và gateway mới, được gọi là GGSN
(Gateway GPRS Support Node) và SGSN (Serving GPRS
Support Node). GPRS là một giải pháp đã được chuẩn hoá hoàn toàn với các giao diện
mở rộng và có thể chuyển thẳng lên 3G về cấu trúc mạng lõi.
EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution): Tốc độ số liệu tăng cường để phát
triển GSM, EDGE có thể phát nhiều bit gấp 3 lần GPRS trong một chu kỳ. Đây là lý do
chính cho tốc độ bit EDGE cao hơn. ITU định nghĩa 384kbps là tốc độ giới hạn dữ liệu
cho các dịch vụ triển khai tiêu chuẩn IMT-2000 trong môi trường không lý tưởng. Giả
sử thiết bị đầu cuối có 8 khe thời gian, 384kbps tương đương với 48kbps trên mỗi khe thời gian. lOMoAR cPSD| 57855709
EDGE là một công nghệ truyền dẫn 3G đã được thiết lập, được các nhà khai thác TDMA
và GSM triển khai trong phổ tần hiện có. EDGE sử dụng lại băng thông sóng mang và
cấu trúc khe thời gian của GSM và nhằm mục đích tăng tốc độ dữ liệu người dùng trong
các mạng GPRS hoặc HSCSD bằng cách sử dụng các hệ thống tiên tiến và công nghệ
tiên tiến. khác. Vì vậy, cơ sở hạ tầng và thiết bị đầu cuối hoàn toàn tuân thủ EDGE và
hoàn toàn tương thích với GSM và GRPS. IS-95
Hệ thống mạng di động IS-95A do Qualcomm ra mắt vào những năm 1990 đã áp dụng
công nghệ truy cập không dây CDMA. CDMA chia sẻ cùng một băng tần phổ biến.
1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 ( 3G).
Năm 1992, ITU đưa ra tiêu chuẩn IMT-2000 (International Mobile
Telecommunications-2000) cho hệ thống 3G. Đây là chuẩn công nghệ điện thoại di động
thế hệ thứ ba cho phép truyền dữ liệu thoại và phi thoại (tải dữ liệu, gửi e-mail, tin nhắn
nhanh, hình ảnh...). 3G cung cấp các hệ thống chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh.
Các hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập vô tuyến hoàn toàn khác so với các hệ
thống 2G hiện tại. Ưu điểm của công nghệ này so với 2G là cho phép truyền và nhận dữ
liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao với nhiều tốc độ khác nhau cho người dùng cố
định và di động. Những ưu điểm chính được mong đợi từ các hệ thống 3G là:
Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao.
Dịch vụ nhắn tin (email, fax, SMS, chat...).
Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, xem TV, nghe nhạc…).
Truy cập Internet (duyệt web, download file,...).
Sử dụng công nghệ chung để đảm bảo tính tương thích toàn cầu giữa các hệ thống.
Để đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện và đảm bảo khả năng truy cập Internet băng
thông rộng, IMT-2000 hứa hẹn cung cấp băng thông 2Mbps, nhưng thực tế triển khai
cho thấy băng thông này rất khó truyền dẫn nên chỉ những người dùng không sử dụng
di động mới đáp ứng được băng thông kết nối này, và băng thông đi bộ là 384 Kbps
Băng thông là 144Kbps. hệ thống 3G điển hình là:
Mạng 3G được đặc trưng bởi tốc độ dữ liệu cao, dung lượng hệ thống lớn, tăng hiệu suất
phổ và nhiều cải tiến khác. Có một số tiêu chuẩn công nghệ di động 3G, tất cả đều dựa
trên CDMA, bao gồm: UMTS (sử dụng cả FDD và TDD). CDMA2000 và TDSCDMA: lOMoAR cPSD| 57855709
UMTS (đôi khi được gọi là 3GSM) sử dụng công nghệ đa truy cập WCDMA.
UMTS được chuẩn hóa bởi 3GPP. UMTS là công nghệ 3G được hầu hết các nhà cung
cấp dịch vụ GSM/GPRS lựa chọn để nâng cấp lên 3G. Tốc độ dữ liệu tối đa là 1920Kbps
(gần 2Mbps). Nhưng trên thực tế, tốc độ này chỉ khoảng 384Kbps. Để tăng tốc độ dữ
liệu của 3G, hai công nghệ HSDPA và HSUPA đã được đề xuất. Khi hai công nghệ này
được triển khai, chúng được gọi chung là HSPA. HSPA thường được biết đến là công nghệ 3.5G.
HSDPA: Tăng tốc độ đường xuống (đường xuống, từ NodeB đến người dùng di
động). Tốc độ tối đa theo lý thuyết là 14,4Mb/giây, nhưng trên thực tế, tốc độ này chỉ có
thể lên tới 1,8Mb/giây (hoặc tối đa là 3,6Mb/giây). Theo một báo cáo năm 2008 của
GSA, 207 mạng HSDPA đã hoặc đang được triển khai rộng rãi, 207 trong số đó đã được
thương mại hóa ở 89 nước trên thế giới.
HSUPA: Cải thiện tốc độ đường lên (uplink) và cải thiện QoS. Công nghệ này
cho phép người dùng tải thông tin lên với tốc độ lên đến 5,8Mbps (giá trị lý thuyết).
CDMA2000: Bao gồm CDMA2000 1xRTT (Công nghệ truyền dẫn vô tuyến),
CDMA2000 (Dữ liệu tiến hóa được tối ưu hóa) và CDMA2000 EV-DV (Dữ liệu tiến
hóa và giọng nói). CDMA2000 được chuẩn hóa bởi 3GPP2. CDMA2000 là công nghệ
3G được nhà cung cấp mạng CdmaOne lựa chọn.
CDMA2000 1xRTT: Chính thức được công nhận là công nghệ 3G, nhưng nhiều
người coi đây là công nghệ 2,75G chứ không phải 3G. 1xRTT có khả năng đạt tốc độ
lên tới 307Kb/giây, nhưng hầu hết các mạng được triển khai đều giới hạn tốc độ cao nhất ở mức 144Kb/giây.
CDMA2000 EV-DO: Sử dụng kênh dữ liệu 1,25MHz chuyên dụng, nó có thể cung
cấp tốc độ dữ liệu đường xuống lên tới 2,4Mbps và tốc độ dữ liệu đường lên 153Kbps.
1xEV-DO Rev A hỗ trợ giao tiếp gói IP, tăng tốc độ của đường xuống lên 3,1Mbps và
đặc biệt tốc độ đường lên lên 1,2Mbps. Ngoài ra, 1xEV-DO Rev B cho phép các nhà
cung cấp mạng gộp tối đa 15 kênh 1,25 MHz để truyền dữ liệu với tốc độ 73,5 Mb/giây.
CDMA2000 EV-DV: Tích hợp thoại và dữ liệu trên cùng một kênh 1,25MHz.
CDMA2000 EV-DV cung cấp tốc độ đỉnh lên tới 4,8Mbps cho đường xuống và tốc độ
đỉnh lên tới 307Kbps cho đường lên. Kể từ năm 2005, Qualcomm đã ngừng phát triển lOMoAR cPSD| 57855709
1xEV-DV vô thời hạn, vì hầu hết các nhà cung cấp mạng CDMA như Verizon Wireless và Sprint đã chọn EV-DO.
TD-SCDMA là một tiêu chuẩn di động được "Hiệp hội Tiêu chuẩn Truyền thông
Trung Quốc" đề xuất và được ITU phê duyệt vào năm 1999. TD-SCDMA sử dụng song
công TDD. TD-SCDMA có thể hoạt động trên băng tần hẹp 1,6MHz (cho
2Mbps) hoặc 5MHz (cho 6Mbps).
1.2 Giới thiệu về công nghệ LTE
LTE là một trong những con đường dẫn đến 4G. Đây là tiêu chuẩn UMTS thế hệ
thứ tư do 3GPP xây dựng. UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai
trên toàn cầu. LTE cho phép chuyển đổi dần từ 3G UMTS sang giai đoạn đầu của 4G và
sau đó là IMT Adv. LTE-Advance là một phần của 3GPP Release 10 và IMTAdvance sẽ
được triển khai vào năm 2013 trở đi. Ngoài ra, Wimax cũng có dự định tiến tới 4G. Để
đảm bảo khả năng cạnh tranh trong tương lai của hệ thống, vào tháng 11 năm 2004,
3GPP đã khởi động một dự án nhằm xác định sự phát triển lâu dài của công nghệ di động
UMTS, được gọi là Tiến hóa dài hạn (LTE). 3GPP đã đưa ra các yêu cầu cao đối với
LTE, bao gồm cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các dải tần hiện có và dải tần
mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng thông qua giao tiếp mở và giảm đáng kể mức tiêu thụ
năng lượng của thiết bị đầu cuối.
Giao diện không gian và các thuộc tính liên quan của hệ thông LTE được tóm tắt trong bảng 1.1.
Bảng 1.1 Các đặc điểm chính của công nghệ LTE. lOMoAR cPSD| 57855709 Băng tần 1,25 - 20 MHz Song công
TDD, FDD , bán song công FDD Di động 350km/h Đa truly nhập
Đường xuống OFDMA Đường lên SC-FDMA MIMO
Đường xuống 2 * 2 ; 4 * 2 ; 4 * 4 Đường lên 1 * 2 ; 1 * 4
Tốc độ dữ liệu đỉnh Đường xuống : 173 và 326 Mb/s tương ứng với cấu hình trong 20MHz MIMO 2 * 2và 4 * 4 Điều chế QPSK ; 16 QAM và 64 QAM Mã hóa kênh Mã tubo
Lập biểu chính xác kênh; liên kết thích ứng ; điều khiển Các công nghệ khác
công suất ; ICIC và ARQ hỗn hợp
Tăng tốc độ truyền dữ liệu: Phân bổ phổ 3GPP LTE linh hoạt và hỗ trợ các dịch vụ đa
phương tiện.Tốc độ truyền vượt quá 100Mbps ở 3km/h, 30Mbps ở 3km/h và hơn 30
Mbyte/s ở 120km/h. Tốc độ này nhanh gấp 7 lần tốc độ truyền dữ liệu của công nghệ
HSDPA. Vì công nghệ này cho phép sử dụng các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao khi
đang di chuyển ở bất kỳ tốc độ nào nên nó có thể hỗ trợ sử dụng tốc độ cao các dịch vụ
nội dung dung lượng lớn, độ phân giải cao. Bao gồm điện thoại di động, PDA, điện thoại thông minh...
Dải tần số linh hoạt: Dải tần số vô tuyến của hệ thống LTE có thể được mở
rộng từ 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz. Điều này dẫn đến sự
linh hoạt để sử dụng băng thông hiệu quả. Khi làm việc với băng thông cao thì thông
lượng càng cao, đối với một số ứng dụng không yêu cầu băng thông rộng thì chỉ cần đủ dải tần là đủ.
Đảm bảo hiệu suất khi di chuyển: LTE tối ưu hóa hiệu suất cho thiết bị đầu cuối di
chuyển từ 0 đến 15km/h, vẫn hỗ trợ với hiệu suất cao khi di chuyển từ 15 đến 120km/h,
đối với vận tốc trên 120 km/h thì hệ thống vẫn duy trì được kết nối trên toàn mạng tế lOMoAR cPSD| 57855709
bào, chức năng hỗ trợ từ 120 đến 350km/h hoặc thậm chí là 500km/h tùy thuộc vào băng tần.
Giảm độ trễ trên mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển
Giảm thời gian chuyển đổi trạng thái trên mặt phẳng điều khiển
Giảm thời gian để một thiết bị đầu cuối (UE - User Equipment) chuyển từ trạng thái
nghỉ sang nối kết với mạng, và bắt đầu truyền thông tin trên một kênh truyền. Thời gian này phải nhỏ hơn 10ms.
Giảm độ trễ ở mặt phẳng người dùng: Nhược điểm của các mạng tổ ong (ô) hiện nay là
độ trễ truyền cao hơn nhiều so với các mạng đường dây cố định. Điều này ảnh hưởng
lớn đến các ứng dụng như thoại và chơi game vì cần thời gian thực.
Giao diện vô tuyến của LTE và mạng lưới cung cấp khả năng độ trễ dưới 10ms cho việc
truyền tải 1 gói tin từ mạng tới UE. Sẽ không còn chuyển mạch kênh: Tất cả sẽ dựa trên
IP. Một trong những tính năng đáng kể nhất của LTE là sự chuyển dịch đến mạng lõi
hoàn toàn dựa trên IP với giao diện mở và kiến trúc đơn giản hóa. Sâu xa hơn, phần lớn
công việc chuẩn hóa của 3GPP nhắm đến sự chuyển đổi kiến trúc mạng lõi đang tồn tại
sang hệ thống toàn IP. Trong 3GPP. Chúng cho phép cung cấp các dịch vụ linh hoạt hơn
và sự liên hoạt động đơn giản với các mạng di động phi 3GPP và các mạng cố định. EPC
dựa trên các giao thức TCP/IP giống như phần lớn các mạng số liệu cố định ngày nay vì
vậy cung cấp các dịch vụ giống PC như thoại, video, tin nhắn và các dịch vụ đa phương
tiện. Sự chuyển dịch lên kiến trúc toàn gói cũng cho phép cải thiện sự phối hợp với các
mạng truyền thông không dây và cố định khác. VolP sẽ dùng cho dịch vụ thoại.
Độ phủ sóng từ 5-100km: Trong vòng bán kính 5km LTE cung cấp tối ưu về lưu lượng
người dùng, hiệu suất phổ và độ di động. Phạm vi lên đến 30km thì có một sự giảm nhẹ
cho phép về lưu lượng người dùng còn hiệu suất phổ thì lại giảm một cách đáng kể hơn
nhưng vẫn có thể chấp nhận được, tuy nhiên yêu cầu về độ di động vẫn được đáp ứng.
dung lượng hơn 200 người/ô (băng thông 5 MHz).
Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời. Tuy nhiên mạng LTE vẫn
có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G hiện tại. Điều này hết sức quan
trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai LTE vì không cần thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng
mạng đã có. OFDMA, SC-FDMA và MIMO được sử dụng trong LTE: Hệ thống này hỗ
trợ băng thông linh hoạt nhờ các sơ đồ truy nhập OFDMA & SCFDMA. Ngoài ra còn