Đồ án Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 theo công nghệ LTE và LTE phát triển

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 4 THEO CÔNG NGHỆ LTE VÀ LTE PHÁT TRIỂN GVHD: T.S LÊ QUANG TUẤN SVTH: PHAN THÁI HẰNG MSSV: 06117023 PHẦN A: GIỚI THIỆU Đồ án tốt nghiệp Trang i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, ngƣời thực hiện đề tài xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các thầy cô trong bộ môn Điện tử-Viễn thông cũng nhƣ các thầy cô trong khoa Điện-Điện tử đã luôn nhiệt tình hƣớng dẫn, truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học tập tại trƣờng, là nền tảng giúp ngƣời thực hiện có thể thực hiện đề tài tốt nghiệp này. Ngƣời thực hiện đề tài xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Lê Quang Tuấn, ngƣời đã hết lòng hƣớng dẫn, chỉ bảo trong suốt thời gian làm đồ án, giúp ngƣời thực hiện có những hƣớng đi đúng đắn để có thể hoàn thành đề tài. Xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến những ngƣời bạn đã luôn hết lòng giúp đỡ ngƣời thực hiện trong thời gian qua. Một lần nữa xin chân thành cảm ơn! Ngƣời thực hiện đề tài Phan Thái Hằng Đồ án tốt nghiệp Trang ii  QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI Họ và tên sinh viên: Phan Thái Hằng MSSV: 06117023 Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Tên đề tài: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 4 THEO CÔNG NGHỆ 4G LTE VÀ LTE PHÁT TRIỂN 1) Cơ sở ban đầu: ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... 2) Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... 3) Các bản vẽ: ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... 4) Giáo viên hƣớng dẫn: TS. Lê Quang Tuấn 5) Ngày giao nhiệm vụ: 6) Ngày hoàn thành nhiệm vụ: BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬTTP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Giáo viên hƣớng dẫn T.S Lê Quang Tuấn Ngày ….. tháng ….. năm 2011 Đồ án tốt nghiệp Trang iii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. Ngày ….. tháng ….. năm 2011 Giáo viên hƣớng dẫn 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 Tiếp theo mạng thông tin di động (TTDĐ) thế hệ thứ 3(3G), Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) đang hƣớng tới một chuẩn cho mạng di động tế bào mới thế hệ thứ 4 (4G). 4G có những tính năng vƣợt trội nhƣ: cho phép thoại dựa trên nền IP, truyền số liệu và đa phƣơng 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 1 Gb/s trong các điều kiện tĩnh. Nhu cầu của khách hàng luôn tác động lớn đến sự ra đời, tồn tại và phát triển của một công nghệ mới. Có thể nói, hiện nay có hai yếu tố từ nhu cầu của ngƣời dùng tác động đến sự phát triển của công nghệ 4G. Thứ nhất, đó là sự gia tăng về nhu cầu của các ứng dụng của mạng không dây và nhu cầu băng thông cao khi truy nhập internet. Thứ hai, ngƣời dùng luôn muốn công nghệ không dây mới ra đời vẫn sẽ cung cấp các dịch vụ và tiện ích theo cách tƣơng tự nhƣ mạng hữu tuyến, mạng không dây hiện có mà họ đang dùng với những thói quen của họ. Và hiển nhiên, nhu cầu về chất lƣợng dịch vụ cung cấp đƣợc tốt hơn, tốc độ cao hơn, tốc độ truy nhập Web, tải xuống các tài nguyên mạng nhanh hơn…là đích hƣớng 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 Bƣu 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. Để hòa nhập với xu thế chung, ngƣời thực hiện đã chọn đề tài “ Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 theo công nghệ LTE và LTE phát triển” để có cơ hội nghiên cứu, tìm hiểu kĩ hơn về công nghệ mới này. Đồ án tốt nghiệp Trang vi Nội dung của đồ án này gồm có 3 phần: Phần A: Giới thiệu Phần B: Nội dung  Chƣơng 1: Tổng quan các hệ thống thông tin di động  Chƣơng 2: Hệ thống 4G LTE  Chƣơng 3: Tổng quan mạng di động 4G LTE Advance  Chƣơng 4: Mô phỏng Phần C: Phụ lục và tài liệu tham khảo Trong quá trình thực hiện đề tài, do khả năng còn hạn chế của ngƣời thực hiện mà đề tài còn có nhiều thiếu sót, rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô và bạn bè. Đồ án tốt nghiệp Trang vii MỤC LỤC Phần A: Giới thiệu Lời cảm ơn ............................................................................................................... i Quyết định giao đề tài .............................................................................................. ii Nhận xét của giáo viên hƣớng dẫn ..........................................................................iii Nhận xét của giáo viên phản biện ........................................................................... iv Lời nói đầu ............................................................................................................. iv Mục lục ................................................................................................................ ivii Liệt kê bảng ............................................................................................................. x Liệt kê hình ............................................................................................................ xi Phần B: Nội dung CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ............... 1 1.1 Lịch sử phát triển của các hệ thống thông tin di động ........................................ 1 1.1.1 Thế hệ 1G (First Generation).................................................................... 1 1.1.2 Thế hệ 2G (Second Generation) ............................................................... 1 1.1.3 Thế hệ 3G (Third Generation) .................................................................. 2 1.2 Công nghệ 4G ........................................................................................................ 4 CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG 4G LTE ..................................................................... 13 2.1 Tổng quan ............................................................................................................ 13 2.1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE ................................................................. 13 2.1.2 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax và những triển vọng cho công nghệ LTE ............................................................................................... 14 2.1.2.1 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax ................................ 14 2.1.2.2 Những triển vọng cho công nghệ LTE ............................................. 18 2.1.3 Mục tiêu thiết kế LTE ............................................................................ 20 2.1.3.1 Tiềm năng công nghệ ....................................................................... 21 2.1.3.2 Hiệu suất hệ thống ........................................................................... 22 2.1.3.3 Các vấn đề liên quan đến việc triển khai .......................................... 24 2.1.3.4 Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration) .......................................... 28 2.1.3.5 Quản lí tài nguyên vô tuyến ............................................................. 28 2.1.3.6 Độ phức tạp ..................................................................................... 29 2.1.3.7 Những vấn đề chung ........................................................................ 29 Đồ án tốt nghiệp Trang viii 2.1.4 Các thông số lớp vật lý của LTE ............................................................ 29 2.1.5 Dịch vụ của LTE .................................................................................... 30 2.1.6 Tình hình triển khai mạng LTE tại Việt Nam: VNPT liên doanh triển khai mạng LTE (4G) .............................................................................................. 33 2.2 Cấu trúc mạng ..................................................................................................... 35 2.2.1 Mạng lõi ................................................................................................. 38 2.2.2 Mạng truy cập ........................................................................................ 41 2.2.3 Đƣờng giao tiếp giữa mạng lõi với mạng truy cập vô tuyến .................... 42 2.2.4 Đƣờng giao tiếp với cơ sở dữ liệu ngƣời dùng ........................................ 44 2.2.5 Cấu trúc chuyển vùng Roaming ............................................................. 44 2.2.6 Kết nối với các mạng khác ..................................................................... 45 2.3 Kiến trúc giao thức .............................................................................................. 46 2.3.1 Mặt phẳng ngƣời dùng ........................................................................... 46 2.3.2 Mặt phẳng điều khiển ............................................................................. 47 2.4 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN ................................................................... 50 2.4.1 Kênh vật lý : các kênh vật lý sử dụng cho dữ liệu ngƣời dùng bao gồm : 50 2.4.2 Kênh logic : đƣợc định nghĩa bởi thông tin nó mang bao gồm: ............... 50 2.4.3 Kênh vận chuyển: bao gồm các kênh sau ............................................... 51 2.5 Truyền dữ liệu hƣớng xuống .............................................................................. 51 2.5.1 Nguyên tắc cơ bản của OFDM ............................................................... 51 2.5.2 Giải điều chế OFDM .............................................................................. 55 2.5.3 Thực hiện OFDM sử dụng xử lý IFFT/FFT ............................................ 56 2.5.4 Chèn cyclic prefix .................................................................................. 58 2.5.5 Mô hình miền thời gian của truyền OFDM ............................................. 60 2.5.6 Sự ƣớc lƣợng kênh và những symbol tham chiếu. .................................. 61 2.5.7 Tính đa dạng tần số với OFDM: điều quan trọng của mã kênh ............... 62 2.5.8 Lựa chọn những thông số cơ bản của OFDM ......................................... 64 2.5.8.1 Khoảng cách sóng mang con OFDM ................................................ 64 2.5.8.2 Số sóng mang con ............................................................................ 65 2.5.8.3 Chiều dài cyclic prefix ..................................................................... 66 2.5.9 Sự biến đổi công suất truyền tức thời ..................................................... 67 2.5.10 OFDM nhƣ là kế hoạch đa truy nhập và ghép kênh .............................. 67 Đồ án tốt nghiệp Trang ix 2.5.11 Truyền broadcast/multicast đa cell và OFDM ....................................... 69 2.6 Truyền dữ liệu hƣớng lên ................................................................................... 71 2.7 MIMO .................................................................................................................. 73 2.7.1 Cơ bản về MIMO LTE ........................................................................... 73 2.7.2 SU-MIMO (Single user MIMO) ............................................................. 74 2.7.3 MU-MIMO ............................................................................................ 74 2.7.4 Ghép kênh không gian............................................................................ 76 2.8 MIMO-OFDM ..................................................................................................... 77 CHƢƠNG 3 TỔNG QUAN MẠNG DI ĐỘNG 4G LTE ADVANCE ................... 82 3.1 Tổng quan ............................................................................................................ 82 3.2 Những công nghệ thành phần đề xuất cho LTE-Advance................................ 83 3.2.1 Truyền dẫn băng rộng hơn và chia sẻ phổ tần ......................................... 83 3.2.2 Giải pháp đa anten .................................................................................. 84 3.2.3 Truyền dẫn đa điểm phối hợp ................................................................. 84 3.2.4 Các bộ lặp và các bộ chuyển tiếp ............................................................ 85 3.2.5 MCMC CDMA ...................................................................................... 86 3.2.5.1 Hệ thống Multicarrier CDMA .......................................................... 86 3.2.5.2 Hệ thống Multicode CDMA ............................................................. 90 3.2.5.3 Hệ thống MCMC CDMA ................................................................. 94 CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG .................................................................................... 98 4.1 Giao diện chính chƣơng trình ............................................................................. 98 4.2. Hệ thống thu phát SC-FDMA ......................................................................... 100 4.3 Mô phỏng hệ thống SCFDMA 10 user trong các trƣờng hợp: cố định, di chuyển chậm (đi bộ), di chuyển nhanh (đi xe)…………………………………108 4.4 So sánh hệ thống SC-FDMA và MCMC-CDMA ........................................... 108 Phần C: Phụ lục và tài liệu tham khảo Đồ án tốt nghiệp Trang x Đồ án tốt nghiệp Trang x LIỆT KÊ BẢNG Bảng 1.1 So sánh thông số đặc diểm của các hệ th