Đồ án Công nghệ LTE cho mạng di động băng rộng

Đồ án tốt nghiệp Công nghệ LTE cho mạng di động băng rộng MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................................3 DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................................6 LỜI MỞ ĐẦU ......................................................................................................................7 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ MỤC TIÊU THIẾT KẾ LTE .............9 1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE ....................................................................................9 1.2 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax và những triển vọng cho công nghệ LTE ................................................................................................................................10 1.2.1 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax ...............................................10 1.2.2 Những triển vọng cho công nghệ LTE .............................................................13 1.3 Mục tiêu thiết kế LTE .............................................................................................15 1.3.1 Tiềm năng công nghệ .......................................................................................15 1.3.2Hiệu suất hệ thống .............................................................................................16 1.3.3 Các vấn đề liên quan đến việc triển khai .........................................................18 1.3.3.1 Độ linh hoạt phổ và việc triển khai ............................................................19 1.3.4 Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration) .........................................................21 1.3.5 Quản lý tài nguyên vô tuyến ............................................................................21 1.3.6 Độ phức tạp ......................................................................................................22 1.3.7 Những vấn đề chung ........................................................................................22 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE ....................23 2.1Hệ thống truyền dẫn: đường xuống OFDM và đường lên SC-FDMA .....................23 2.2Hoạch định phụ thuộc kênh truyền và sự thích ứng tốc độ (Channel-dependent scheduling and rate adaptation) .....................................................................................25 2.2.1 Hoạch định đường xuống ..................................................................................26 2.2.2 Hoạch định đường lên .......................................................................................27 2.2.3 Điều phối nhiễu liên tế bào (Inter-cell interference coordination) ...................28 2.3 ARQ hỗn hợp với việc kết hợp mềm (Hybrid ARQ with soft combining) ..............29 2.4 Sự hỗ trợ nhiều anten (Multiple antenna support) ...................................................29 2.5 Hỗ trợ multicast và broadcast ..................................................................................30 2.6 Tính linh hoạt phổ ...................................................................................................31 2.6.1 Tính linh hoạt trong sắp xếp song công ............................................................32 2.6.2 Tính linh hoạt trong băng tần hoạt động ...........................................................32 2.6.3 Tính linh hoạt về băng thông ............................................................................33 CHƯƠNG 3 KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE .............................................34 3.1 RLC: radio link control – điều khiển liên kết vô tuyến ...........................................37 3.2 MAC: điều khiển truy nhập môi trường (medium access control) ..........................38 3.2.2 Hoạch định đường xuống. .................................................................................41 3.2.3 Hoạch định đường lên. ......................................................................................43 3.2.4 Hybrid ARQ ......................................................................................................46 3.3 PHY: physical layer - lớp vật lý ...............................................................................50 3.4 Các trạng thái LTE ...................................................................................................53 3.5 Luồng dữ liệu ...........................................................................................................54 GVHD: ThS. Trần Xuân Trường SVTH: Nguyễn Minh Tâm1 Đồ án tốt nghiệp Công nghệ LTE cho mạng di động băng rộng CHƯƠNG 4 LỚP VẬT LÝ LTE ......................................................................................56 4.1 Kiến trúc miền thời gian toàn phần (Overall time-domain structure) .....................56 4.2 Sơ đồ truyền dẫn đường xuống ................................................................................58 4.2.1 Tài nguyên vật lý đường xuống ........................................................................58 4.2.2 Các tín hiệu tham khảo đường xuống. ..............................................................63 4.2.2.1 Các chuỗi tín hiệu tham khảo và việc nhận dạng tế bào lớp vật lý (Reference signals sequences and physical layer cell identity) .............................64 4.2.2.2 Nhảy tần tín hiệu tham khảo (Reference signal frequency hopping) ........65 4.2.2.3 Các tín hiệu tham khảo cho truyền dẫn đa anten (Reference signals for multi-antenna transmission) ...................................................................................66 4.2.3 Xử lý kênh truyền tải đường xuống ..................................................................67 4.2.3.1 Chèn CRC ..................................................................................................70 4.2.3.2 Mã hóa kênh ...............................................................................................70 4.2.3.3 Chức năng Hybrid-ARQ lớp vật lý ...........................................................71 4.2.3.4 Ngẫu nhiên hóa mức độ bit ........................................................................71 4.2.3.5 Điều chế dữ liệu ........................................................................................73 4.2.3.6 Ánh xạ anten ..............................................................................................73 4.2.3.7 Ánh xạ khối tài nguyên ..............................................................................73 4.2.4 Báo hiệu điều khiển L1/L2 đường xuống .....................................................75 4.2.5 Truyền dẫn nhiều anten đường xuống ...........................................................77 4.2.5.1 Hai anten mã hóa khối không gian-tần số (SFBC) ....................................79 4.2.5.2 Tạo dạng tia (beam-forming) .....................................................................79 4.2.5.3 Ghép kênh không gian ...............................................................................80 4.2.6 Multicast/broadcast sử dụng MBSFN ...............................................................81 4.3 Scheme truyền dẫn đường lên .................................................................................82 4.3.1 Tài nguyên vật lý đường lên .............................................................................82 4.3.2 Tín hiệu tham khảo đường lên ..........................................................................86 4.3.2.1 Nhiều tín hiệu tham khảo ..........................................................................89 4.3.2.2 Tín hiệu tham khảo cho việc dò kênh ........................................................90 4.3.3 Xử lý kênh truyền tải đường lên .......................................................................93 4.3.4 Báo hiệu điều khiển L1/L2 đường lên ..............................................................95 4.3.5 Định thời sớm đường lên (Uplink timing advance) ..........................................98 CHƯƠNG 5 CÁC THỦ TỤC TRUY CẬP LTE ............................................................101 5.1 Dò tìm tế bào (cell search) .....................................................................................101 5.1.1 Thủ tục dò tìm cell (cell search) .....................................................................101 5.1.2 Cấu trúc thời gian/tần số của các tín hiệu đồng bộ ........................................103 5.1.3 Dò tìm cell ban đầu và kế cận .........................................................................105 5.2 Truy cập ngẫu nhiên ...............................................................................................106 5.2.1 Bước 1: Truyền dẫn Preamble truy cập ngẫu nhiên ........................................107 5.2.2 Bước 2: Đáp ứng truy cập ngẫu nhiên ............................................................111 5.2.3 Bước 3: Nhận dạng đầu cuối ...........................................................................112 5.2.4 Bước 4: Giải quyết tranh chấp ........................................................................113 5.3 Paging ....................................................................................................................114 KẾT LUẬN ......................................................................................................................116 CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT .........................................................................117 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................122 GVHD: ThS. Trần Xuân Trường SVTH: Nguyễn Minh Tâm2 Đồ án tốt nghiệp Công nghệ LTE cho mạng di động băng rộng DANH MỤC HÌNH VẼ 1.1 Kiến trúc của mạng LTE 1.2 Lộ trình phát triển của LTE và các công nghệ khác 1.3 Phân bố phổ băng tần lõi tại 2 GHz của nguyên bản IMT-2000 1.4 Một ví dụ về cách thức LTE thâm nhập từng bước vào phân bố phổ của một hệ thống GSM đã được triển khai 2.1 Hoạch định phụ thuộc kênh truyền đường xuống trong miền thời gian và tần số 2.2 Một ví dụ về điều phối nhiễu liên tế bào, nơi mà các phần phổ bị giới hạn bởi công suất truyền dẫn 2.3 FDD vs. TDD 3.1 Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống) 3.2 Phân đoạn và hợp đoạn RLC 3.3 Ví dụ về sự ánh xạ các kênh logic lên các kênh truyền dẫn 3.4 Việc lựa chọn định dạng truyền dẫn trong đường xuống (bên trái) và đường lên (bên phải) 3.5 Giao thức hybrid-ARQ đồng bộ và không đồng bộ 3.6 Nhiều tiến trình hybrid-ARQ song song 3.7 Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho DL-SCH 3.8 Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho DL-SCH 3.9 Các trạng thái LTE 3.10 Một ví dụ về luồng dữ liệu LTE 4.1 Cấu trúc miền thời gian LTE GVHD: ThS. Trần Xuân Trường SVTH: Nguyễn Minh Tâm3 Đồ án tốt nghiệp Công nghệ LTE cho mạng di động băng rộng 4.2 Các ví dụ về việc chỉ định khung phụ đường lên/đường xuống trong trường hợp TDD và sự so sánh với FDD 4.3 Tài nguyên vật lý đường xuống LTE 4.4 Cấu trúc miền tần số đường xuống LTE 4.5 Cấu trúc khung phụ và khe thời gian đường xuống LTE 4.6 Khối tài nguyên đường xuống dành cho tiền tố chu trình bình thường 4.7 Cấu trúc tín hiệu tham khảo đường xuống LTE dành cho tiền tố chu trình bình thường 4.8 Cấu trúc tín hiệu tham khảo trong trường hợp truyền dẫn nhiều anten đường xuống 4.9 Xử lý kênh truyền tải đường xuống 4.10 Chèn CRC đường xuống 4.11 Khối mã hóa Turbo LTE 4.12 Chức năng Hybrid-ARQ lớp vật lý 4.13 Ngẫu nhiên hóa đường xuống 4.14 Điều chế dữ liệu 4.15 Ánh xạ khối tài nguyên đường xuống 4.16 Chuỗi xử lý cho báo hiệu điều khiển L1/L2 đường xuống 4.17 Lưới thời gian/tần số LTE 4.18 Các phần tử kênh điều khiển và các ứng cử kênh điều khiển 4.19 Ánh xạ anten LTE bao gồm việc ánh xạ lớp sau quá trình tiền mã hóa 4.20 Mã hóa hai anten khối không gian-tần số trong kết cấu khung nhiều anten LTE 4.21 Tạo dạng tia (beam-forming) trong kết cấu khung nhiều anten LTE 4.22 Ghép kênh không gian trong kết cấu khung nhiều anten LTE 4.23 Những ký hiệu tham khảo riêng tế bào và chung tế bào trong các khung phụ MBSN 4.24 Kiến trúc cơ bản của truyền dẫn DFTS-OFDM 4.25 Kiến trúc miền tần số đường lên LTE 4.26 Cấu trúc khe thời gian và khung phụ đường lên LTE 4.27 Cấp phát tài nguyên đường lên LTE GVHD: ThS. Trần Xuân Trường SVTH: Nguyễn Minh Tâm4 Đồ án tốt nghiệp Công nghệ LTE cho mạng di động băng rộng 4.28 Nhảy tần đường lên 4.29 Tín hiệu tham khảo đường lên được chèn vào trong khối thứ tư của mỗi khe thời gian đường lên 4.30 Sự hình thành tín hiệu tham khảo đường lên miền tần số 4.31 Phương pháp tạo ra tín hiệu tham khảo đường lên từ chuỗi Zadoff-Chu có độ dài tốt nhất 4.32 Truyền dẫn các tín hiệu tham khảo thăm dò kênh đường lên 4.33 Xử lý kênh truyền tải đường lên LTE 4.34 Ghép kênh dữ liệu và báo hiệu điều khiển đường lên L1/L2 trong trường hợp truyền dẫn đồng thời UL-SCH và điều khiển L1/L2 4.35 Kiến trúc tài nguyên được sử dụng cho báo hiệu điều khiển L1/L2 đường lên trong trường hợp không truyền dẫn đồng thời UL- SCH 4.36 Đề xuất định thời đường lên 5.1 Tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp 5.2 Việc phát tín hiệu đồng bộ trong miền tần số 5.3 Tổng quan của thủ tục truy cập ngẫu nhiên 5.4 Miêu tả nguyên lý của truyền dẫn preamble truy cập ngẫu nhiên 5.5 Định thời Preamble ở eNodeB cho người sử dụng truy cập ngẫu nhiên khác nhau 5.6 Sự hình thành phần mở đầu truy cập ngẫu nhiên 5.7 Việc dò tìm phần mở đầu truy cập ngẫu nhiên trong miền tần số 5.8 Việc thu nhận không liên tục (DRX) cho tìm gọi (paging) GVHD: ThS. Trần Xuân Trường SVTH: Nguyễn Minh Tâm5 Đồ án tốt nghiệp Công nghệ LTE cho mạng di động băng rộng DANH MỤC BẢNG BIỂU 1.1 Tiến trình phát triển các chuẩn của 3GPP 1.2 LTE và WiMAX 1.3 Các yêu cầu về hiệu suất phổ và lưu lượng người dùng 1.4 Yêu cầu về thời gian gián đoạn, LTE-GSM và LTE-WCDMA GVHD: ThS. Trần Xuân Trường SVTH: Nguyễn Minh Tâm6 Đồ án tốt nghiệp Công nghệ LTE cho mạng di động băng rộng LỜI MỞ ĐẦU Thông tin di động ngày nay đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển rất nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác. Sự phát triển của thị trường viễn thông di động đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống thông tin di động mới trong tương lai. Hệ thống di động thế hệ thứ hai, với GSM và CDMA là những ví dụ điển hình đã phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia. Tuy nhiên, thị trường viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai. Sự ra đời của hệ thống di động thế hệ thứ ba với các công nghệ tiêu biểu như WCDMA hay HSPA là một tất yếu để có thể đáp ứng được nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của người sử dụng. Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G hay 3G vẫn đang phát triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã bắt đầu tiến hành triển khai thử nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng và có thể sẽ trở thành chuẩn di động 4G trong tương lai, đó là LTE (Long Term Evolution). Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này đã chứng tỏ năng lực tuyệt vời của công nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE đã đến rất gần. Trước đây, muốn truy cập dữ liệu, bạn phải cần có 1 đường dây cố định để kết nối. Trong tương lai không xa với LTE, bạn có thể truy cập tất cả các dịch vụ mọi lúc mọi nơi trong khi vẫn di chuyển: xem phim chất lượng cao HDTV, điện thoại thấy hình, chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu v.v… với một tốc độ “siêu tốc”. Đó chính là sự khác biệt giữa mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) và mạng di GVHD: ThS. Trần Xuân Trường SVTH: Nguyễn Minh Tâm7 Đồ án tốt nghiệp Công nghệ LTE cho mạng di động băng rộng động thế hệ thứ tư (4G). Tuy vẫn còn khá mới mẻ nhưng mạng di động băng rộng 4G đang được kỳ vọng sẽ tạo ra nhiều thay đổi khác biệt so với những mạng di động hiện nay. Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là: “Công nghệ LTE cho mạng di động băng rộng”. Đề tài sẽ đi vào tìm hiểu tổng quan về công nghệ LTE cũng như là những kỹ thuật và thành phần được sử dụng trong công nghệ này để có thể hiểu rõ thêm về những tiềm năng hấp dẫn mà công nghệ này sẽ mang lại. Đề tài của em bao gồm 5 chương:  Chương 1 Giới thiệu về công nghệ và mục tiêu thiết kế LTE  Chương 2 Tổng quan về truy cập vô tuyến trong LTE  Chương 3 Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE  Chương 4 Lớp vật lý LTE  Chương 5 Các thủ tục truy cập LTE Tuy nhiên do LTE là công nghệ vẫn đang được nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện cũng như là do những giới hạn về kiến thức của người trình bày nên đồ án này chưa đề cập được hết các vấn đề của công nghệ LTE và không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn. Sinh viên thực hiện Nguyễn Minh Tâm GVHD: ThS. Trần Xuân Trường SVTH: Nguyễn Minh Tâm8 Đồ án tốt nghiệp Công nghệ LTE cho mạng di động băng rộng CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ MỤC TIÊU THIẾT KẾ LTE 1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới. Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE). 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối. Đặc tả kỹ thuật cho LTE đang được hoàn tất và dự kiến sản phẩm LTE sẽ ra mắt thị trường trong 2 năm tới. Các mục tiêu của công nghệ này là: - Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz: o Tải xuống: 100 Mbps; Tải lên: 50 Mbps - Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1 MHz so với mạng HSDPA Rel. 6: o Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần; Tải lên: gấp 2 đến 3 lần. - Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0 – 15 km/h. Vẫn hoạt động tốt với tốc độ từ 15 – 120 km/h. Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120 – 350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng tần) - Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, giảm chút ít trong phạm vi đến 30km. Từ 30 – 100 km thì không hạn chế. GVHD: ThS. Trần Xuân Trường SVTH: Nguyễn Minh Tâm9 Đồ án tốt nghiệp Công nghệ LTE cho mạng di động băng rộng Hình 1.1 - Kiến trúc của mạng LTE - Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng 1.25 MHz, 1.6 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống. Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không. Để đạt được mục tiêu này, sẽ có rất nhiều kỹ thuật mới được áp dụng, trong đó nổi bật là kỹ thuật vô tuyến OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần số trực giao), kỹ thuật anten MIMO (Multiple Input Multiple Output - đa nhập đa xuất). Ngoài ra hệ thống này sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP (all-IP network), và hỗ trợ cả 2 chế độ FDD và TDD. 1.2 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax và những triển vọng cho công nghệ LTE 1.2.1 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax 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. Theo lý thuyết, chuẩn WiMax hiện tại (802.16e) cho tốc độ tải xuống tối đa là 70Mbps,