Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE

3.10

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Số hiệu

bảng

Tên bảng	Trang
1.1	Các đặc điểm chính của công nghệ LTE.	8
2.1	Tóm tắt các giao thức và giao diện trong cấu hình kiến trúc hệ thống cơ bản.	30
3.1	Các băng tần vận hành cho E-UTRAN	35

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 80 trang tài liệu này.

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài.

Tiếp theo mạng thông tin di động (TTDĐ) thế hệ thứ 3(3G), Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) đang hướng tới một chuẩn cho mạng di động tế bào mới thế hệ thứ 4 (4G). 4G có những tính năng vượt trội như: cho phép thoại dựa trên nền IP, truyền số liệu và đa phương tiện với tốc độ cao hơn rất nhiều so với các mạng di động hiện nay. Theo tính toán, tốc độ truyền dữ liệu có thể lên đến 100 Mb/s, thậm chí lên đến 1Gb/s trong các điều kiện tĩnh.

Chính vì vậy, việc nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE là cần thiết và có ý nghĩa thực tế, nhằm tăng tốc độ truyền dữ liệu của hệ thống mạng thông tin di động hiện nay.

2. Mục đích nghiên cứu.

Tìm hiểu kiến trúc hệ thống của mạng 4G LTE, các giao thức sử dụng trong mạng.

Các chế độ truy nhập vô tuyến trong mạng LTE

Mô phỏng hệ thống thu phát SC-FDMA, so sánh hiệu suất hệ thống khi thuê bao thay đổi trạng thái.

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, tìm hiểu hệ thống thông tin di động 4G LTE, các kiến trúc và các chế độ truy nhập vô tuyến sử dụng trong mạng.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

Đáp ứng nhu cầu của của người dùng các ứng dụng của mạng không dây và nhu cầu băng thông cao khi truy nhập internet. Nhu cầu về chất lượng dịch vụ cung cấp được tốt hơn, tốc độ cao hơn, tốc độ truy nhập Web, tải xuống các tài nguyên mạng nhanh hơn.. .là đích hướng tới của công nghệ di động 4G.

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, công nghệ tiền 4G đầu tiên tại Việt Nam và Đông Nam Á.

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 đầu tiên là công nghệ tương tự, là hệ thống truyền tín hiệu tương tự, là mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại, được khơi mào ở Nhật vào năm 1979. Đây là hệ thống thông tin di động tương tự sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA và điều chế tần số FM với các đặc điểm:

 Phương thức truy nhập: FDMA.

 Dịch vụ đơn thuần là thoại.

 Chất lượng thấp.

 Bảo mật kém. Một số hệ thống điển hình:

NMT (Nordic Mobile Telephone - Điện thoại di động Bắc Âu) sử dụng băng tần 450Mhz triển khai tại các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga vào năm 1981.

AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem - Hệ thống điện thoại di động tiên tiến) được sử dụng ở Mỹ và Úc vào năm 1978 tại băng tần 800Mhz.

TACS (Total Access Communication Sytem - Hệ thống truyền thông truy nhập toàn phần) được sử dụng ở Anh vào năm 1985.

Hình 1.1 Tiến trình phát triển của thông tin di động

Hầu hết 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 nghe trộm bởi bên thứ ba. 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, chất lượng âm thanh kém, không có chế độ bảo mật...do vậy 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 2 sử dụng truyền vô tuyến số cho việc truyền tải. Những hệ thống mạng 2G thì có dung lượng lớn hơn những hệ thống mạng thế hệ thứ nhất. Kỹ thuật này chiếm ưu thế hơn 1G với các đặc điểm sau:

 Dung lượng tăng.

 Chất lượng thoại tốt hơn.

 Hỗ trợ các dịch vụ số liệu (data).

 Phương thức truy nhập : TDMA, CDMA băng hẹp.

 Một số hệ thống điển hình:

 GSM (Global System for Mobile Phone) sử dụng phương thức truy cập TDMA được triển khai tại châu Âu.

 D-AMPS (IS-136-Digital Advance Mobile Phone System) sử dụng phương thức truy cập TDMA được triển khai tại Mỹ.

 IS-95 (CDMA One) sử dụng phương thức truy cập CDMA được triển khai tại Mỹ và Hàn Quốc.

 PDC (Personal Digital Cellular) sử dụng phương thức truy cập TDMA được triển khai tại Nhật Bản.

GSM cơ bản sử dụng băng tần 900MHz. Sử dụng kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian TDMA. Hệ thống mô hình số 1800 (DCS 1800; cũng được biết như GSM 1800) và PCS 1900 (hay GSM 1900). Sau này chỉ được sử dụng ở Bắc Mĩ và Chilê, và DCS 1800 thì được sử dụng ở một số khu vực khác trên thê giới. Vì thế đồng thời cả 2 băng tần di động đều được sử dụng.

Hệ thống GSM 900 làm việc trong một băng tần hẹp, dài tần cơ bản từ (890- 960MHz). Trong đó băng tần cơ bản được chia làm 2 phần :

 Đường lên từ (890 - 915) MHz.

 Đường xuống từ (935 - 960)MHz.

Băng tần gồm 124 sóng mang được chia làm 2 băng, mỗi băng rộng 25MHz, khoảng cách giữa 2 sóng mang kề nhau là 200KHz. Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt cho 2 đường lên và xuống gọi là kênh song công. Khoảng cách giữa 2 tần số là không đổi bằng 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 vô tuyến thuộc giai đoạn trung gian, nhưng vẫn là hệ thống 3G nếu xét về mạng lõi. GPRS cung cấp các kết nối số liệu chuyển mạch gói với tốc độ truyền lên tới 171,2Kbps (tốc độ số liệu đỉnh) và hỗ trợ giao thức Internet TCP/IP và X25, nhờ vậy tăng cường đáng kể các dịch vụ số liệu của GSM. Công việc tích hợp GPRS vào mạng GSM đang tồn tại là một quá trình đơn giản. Một phần các khe trên giao diện vô tuyến dành cho GPRS, cho phép ghép kênh số liệu gói được lập lịch trình trước đối với một số trạm di động. Phân hệ trạm gốc chỉ cần nâng cấp một phần nhỏ liên quan đến khối điều khiển gói (PCU- Packet Control Unit) để cung cấp khả năng định tuyến gói giữa các đầu cuối di động các nút cổng (gateway). 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 đã định nghĩa 384kbps là giới hạn tốc độ dữ liệu cho dịch vụ để thực hiện chuẩn IMT-2000 trong môi trường không lý tưởng. 384kbps tương ứng với 48kbps trên mỗi khe thời gian, giả sử một đầu cuối có 8 khe thời gian.

EDGE là một kỹ thuật truyền dẫn 3G đã được chấp nhận và được triển khai trong

phổ tần hiện có của các nhà khai thác TDMA và GSM. EDGE tái sử dụng băng tần sóng mang và cấu trúc khe thời gian của GSM, và được thiết kê nhằm tăng tốc độ số liệu của người sử dụng trong mạng GPRS hoặc HSCSD bằng cách sử dụng các hệ thống cao cấp và công nghệ tiên tiên khác. Vì vậy, cơ sở hạ tầng và thiết bị đầu cuối hoàn toàn phù hợp với EDGE hoàn toàn tương thích với GSM và GRPS.

IS-95

Hệ thống mạng tế bào IS-95A được Qualcomm cho ra mắt vào những năm 1990 sử dụng kỹ thuật truy nhập vô tuyến CDMA. CDMA chia sẻ cùng một giải tần chung. Mọi khách hàng có thể nói đồng thời và tín hiệu được phát đi trên cùng một giải tần. Các kênh thuê bao được tách biệt bằng cách sử dụng mã ngẫu nhiên. Các tín hiệu của nhiều thuê bao khác nhau sẽ được mã hoá bằng các mã ngẫu nhiên khác nhau, sau đó được trộn lẫn và phát đi trên cùng một giải tần chung và chỉ được phục hồi duy nhất ở thiết bị thuê bao (máy điện thoại di động) với mã ngẫu nhiên tương ứng. IS 95A(2G) phát triển tiếp lên IS 95B(2.5G)

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

Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-2000 (International Mobil Telecommunication -2000) cho hệ thống 3G. Đây là thế hệ thứ ba của chuẩn công nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh...). 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh. Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio hoàn toàn khác so với hệ thống 2G hiện nay. Điểm mạnh của công nghệ này so với 2G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao đang di chuyển ở các tốc độ khác nhau.

Với các ưu điểm chính được mong đợi đem lại bởi hệ thống 3G là:

 Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao.

 Các dịch vụ tin nhắn (e-mail, fax, SMS, chat, ...).

 Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, xem truyền hình, nghe nhạc,...).

 Truy nhập Internet (duyệt Web, tải tài liệu, ...).

 Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương thích toàn cầu giữa các hệ thống.

Để thoả mãn các dịch vụ đa phương tiện cũng như đảm bảo khả năng truy cập Internet băng thông rộng, IMT-2000 hứa hẹn cung cấp băng thông 2Mbps, nhưng thực

tế triển khai chỉ ra rằng với băng thông này việc chuyển giao rất khó, vì vậy chỉ có những người sử dụng không di động mới được đáp ứng băng thông kết nối này, còn khi đi bộ băng thông sẽ là 384 Kbps, khi di chuyển bằng ô tô sẽ là 144Kbps. Các hệ thống 3G điển hình là:

Mạng 3G đặc trưng bởi tốc độ dữ liệu cao, capacity của hệ thống lớn, tăng hiệu quả sử dụng phổ tần và nhiều cải tiến khác. Có một loạt các chuẩn công nghệ di động 3G, tất cả đều dựa trên CDMA, bao gồm: UMTS (dùng cả FDD lẫn TDD). CDMA2000 và TD-SCDMA:

UMTS (đôi khi còn được gọi là 3GSM) sử dụng kỹ thuật đa truy cập WCDMA. UMTS được chuẩn hoá bởi 3GPP. UMTS là công nghệ 3G được lựa chọn bởi hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ GSM/GPRS để đi lên 3G. Tốc độ dữ liệu tối đa là 1920Kbps (gần 2Mbps). Nhưng trong thực tế tốc độ này chỉ tầm 384Kbps thôi. Để cải tiến tốc độ dữ liệu của 3G, hai kỹ thuật HSDPA và HSUPA đã được đề nghị. Khi cả 2 kỹ thuật này được triển khai, người ta gọi chung là HSPA. HSPA thường được biết đến như là công nghệ 3,5G.

HSDPA: Tăng tốc độ downlink (đường xuống, từ NodeB về người dùng di động). Tốc độ tối đa lý thuyết là 14,4Mbps, nhưng trong thực tế nó chỉ đạt tầm 1,8Mbps (hoặc tốt lắm là 3,6Mbps). Theo một báo cáo của GSA tháng 7 năm 2008, 207 mạng HSDPA đã và đang bắt đầu triển khai, trong đó 207 đã thương mại hoá ở 89 nước trên thế giới.

HSUPA: tăng tốc độ uplink (đường lên) và cải tiến QoS. Kỹ thuật này cho phép người dùng upload thông tin với tốc độ lên đến 5,8Mbps (lý thuyết). Cũng trong cùng báo cáo trên của GSA, 51 nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động đã triển khai mạng HSUPA ở 35 nước và 17 nhà cung cấp mạng lên kế hoạch triển khai mạng HSUPA.

CDMA2000: bao gồm CDMA2000 1xRTT (Radio Transmission Technology), CDMA2000 (Evolution -Data Optimized) và CDMA2000 EV-DV(Evolution -Data and Voice). CDMA2000 được chuẩn hoá bởi 3GPP2. CDMA2000 là công nghệ 3G được lựa chọn bởi các nhà cung cấp mạng CdmaOne.

CDMA2000 1xRTT: chính thức được công nhận như là một công nghệ 3G, tuy nhiên nhiều người xem nó như là một công nghệ 2,75G đúng hơn là 3G. Tốc độ của 1xRTT có thể đạt đến 307Kbps, song hầu hết các mạng đã triển khai chỉ giới hạn tốc độ peak ở 144Kbps.