Đồ án Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE (Long Term Evolution)

5 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, mạng không dây ngày càng trở nên phổ biến với sự ra đời của hàng loạt những công nghệ khác nhau nhƣ Wi-Fi (802.1x), WiMax (802.16)... Cùng với đó là tốc độ phát triển nhanh, mạnh của mạng viễn thông phục vụ nhu cầu sử dụng của hàng triệu ngƣời mỗi ngày. 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 trƣờng viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung lƣợng 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 nhƣ WCDMA hay HSPA là một tất yếu để có thể đáp ứng đƣợc nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của ngƣời sử dụng. Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G hay 3G vẫn đang phát triển không ngừng nhƣng 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 tƣơng 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 thƣơng mại hóa LTE đã đến rất gần. Trƣớc đây, muốn truy cập dữ liệu, phải cần có 1 đƣờng dây cố định để kết nối. Trong tƣơng lai không xa với LTE, có thể truy cập tất cả các dịch vụ mọi lúc mọi nơi trong khi vẫn di chuyển: xem phim chất lƣợng 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 động thế hệ thứ tƣ (4G). Tuy vẫn còn khá mới mẻ nhƣng mạng di động băng rộng 4G đang đƣợc kỳ vọng sẽ tạo ra nhiều thay đổi khác biệt so với những mạng di động hiện nay. Chính vì vậy, em đã lựa chọn làm đồ án tốt nghiệp về đề tài “Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE (Long Term Evolution)”. Đồ án đi vào tìm hiểu tổng quan về công nghệ LTE cũng nhƣ là những kỹ thuật và thành phần đƣợc 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 và tình hình triển khai công nghệ này trên thế giới và tại VIỆT NAM . 6 Đề tài gồm 6 chƣơng : CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ LTE CHƢƠNG 2: KIẾN TRÚC MẠNG VÀ GIAO THỨC CHƢƠNG 3: TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE CHƢƠNG 4: LỚP VẬT LÝ LTE CHƢƠNG 5: CÁC THỦ TỤC TRUY NHẬP CHƢƠNG 6: TRIỂN KHAI LTE TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM Để thực hiện đồ án tốt nghiệp này, em đã sử dụng những kiến thức đƣợc trang bị trong 5 năm đại học và những kiến thức chọn lọc từ các tài liệu của các thầy giáo, cô giáo trong và ngoài trƣờng . Ngoài ra, đồ án còn sử dụng những tài liệu phổ biến rộng rãi trên Internet. Mặc dù đã rất cố gắng, nhƣng do hạn chế về thời gian cũng nhƣ những hiểu biết có hạn của một sinh viên nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót. Để đồ án đƣợc hoàn thiện hơn, em rất mong nhận đƣợc các ý kiến đóng góp của các thầy giáo, cô giáo cũng nhƣ các bạn sinh viên. Sinh viên thực hiện : Nguyễn Tuấn Anh 7 MỤC LỤC TỜ BÌA.....................................................................................................1 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP…………………………………3 LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................. 5 MỤC LỤC……………………………………………………………………7 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT........................................................................ 11 DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................ 18 DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................... 21 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG & GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE ........................................................ 22 1.1. Tổng quan về hệ thống thông tin di động ................................................... 22 1.1.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất ( 1G) .................................... 22 1.1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai ( 2G) ...................................... 23 1.1.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 ( 3G) ......................................... 25 1.2. Giới thiệu về công nghệ LTE ....................................................................... 27 CHƢƠNG 2 – KIẾN TRÚC MẠNG VÀ GIAO THỨC ............................ 30 2.1. Kiến trúc mạng LTE .................................................................................... 30 2.1.1. Tổng quan về cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống.................................... 31 2.1.2. Thiết bị ngƣời dùng ( UE) ........................................................................ 32 2.1.3. E-UTRAN nodeB (eNodeB) .................................................................... 33 2.1.4. Thực thể quản lý tính di động (MME) ..................................................... 34 2.1.5. Cổng phục vụ ( S-GW) ............................................................................. 36 2.1.6. Cổng mạng dữ liệu gói( P-GW) ............................................................... 38 2.1.7. Chức năng chính sách và tính cƣớc tài nguyên ( PCRF) ......................... 40 2.1.8. Máy chủ thuê bao thƣờng trú (HSS) ........................................................ 41 2.2. Các giao diện và giao thức trong cấu hình kiến trúc cơ bản của hệ thống ............................................................................................................................... 41 2.3. QoS và kiến trúc dịch vụ mang chuyển ...................................................... 45 8 2.4. Giao thức trạng thái và chuyển tiếp trạng thái .......................................... 46 2.5. Hỗ trợ tính di động liên tục .......................................................................... 47 2.6. Kiến trúc hệ thống phát quảng bá đa điểm ................................................ 50 CHƢƠNG 3 - TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE ......................... 54 3.1. Các chế độ truy nhập vô tuyến .................................................................... 54 3.2. Băng tần truyền dẫn ..................................................................................... 54 3.3. Các băng tần đƣợc hỗ trợ ............................................................................ 55 3.4. Kỹ thuật đa truy nhập cho đƣờng xuống OFDMA ................................... 56 3.4.1. OFDM ...................................................................................................... 56 3.4.2. Các tham số OFDMA ............................................................................... 58 3.4.3. Truyền dẫn dữ liệu hƣớng xuống ............................................................. 61 3.5. Kỹ thuật đa truy nhập đƣờng lên LTE SC-FDMA ................................... 63 3.5.1. SC-FDMA ................................................................................................ 63 3.5.2. Các tham số SC-FDMA ........................................................................... 64 3.5.3. Truyền dẫn dữ liệu hƣớng lên .................................................................. 66 3.5.4. So sánh OFDMA và SC-FDMA .............................................................. 67 3.6. Tổng quan về kỹ thuật đa ăng ten MIMO .................................................. 69 3.6.1. Đơn đầu vào Đơn đầu ra (SISO) .............................................................. 70 3.6.2. Đơn đầu vào đa đầu ra (SIMO) ................................................................ 70 3.6.3. Đa đầu vào đơn đầu ra (MISO) ................................................................ 70 3.6.4. Đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) ................................................................. 70 3.6.5. Kế hoạch LTE đa ăng ten ......................................................................... 72 3.6.5.1. Chế độ truyền dẫn đa ăng ten đường xuống LTE .......................... 73 3.6.5.2. Chế độ đa ăng ten hướng lên LTE ............................................... 75 CHƢƠNG 4 - LỚP VẬT LÝ LTE ............................................................... 76 4.1. Các kênh truyền tải và ánh xạ của chúng tới các kênh vật lý .................. 76 4.2. Điều chế .......................................................................................................... 77 4.3. Truyền tải dữ liệu ngƣời sử dụng hƣớng lên ............................................. 78 4.4. Truyền dẫn dữ liệu ngƣời dùng hƣớng xuống ........................................... 83 9 4.5. Truyền dẫn tín hiệu lớp vật lý hƣớng lên ................................................... 87 4.5.1. Kênh điều khiển đƣờng lên vật lý ( PUCCH) .......................................... 88 4.5.2. Cấu hình PUCCH ..................................................................................... 89 4.5.3. Báo hiệu điều khiển trên PUSCH ............................................................. 89 4.6. Cấu trúc PRACH (Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý) ............................ 92 4.7. Truyền dẫn báo hiệu lớp vật lý hƣớng xuống ............................................ 93 4.7.1. Kênh chỉ thị định dạng điều khiển vật lý (PCFICH) ................................ 93 4.7.2. Kênh điều khiển hƣớng xuống vật lý ( PCDCH) .................................... 94 4.7.3. Kênh chỉ thị HARQ vật lý ( PHICH) ....................................................... 95 4.7.4. Các chế độ truyền dẫn hƣớng xuống ........................................................ 95 4.7.5. Kênh quảng bá vật lý ( PBCH) ................................................................. 96 4.7.6. Tín hiệu đồng bộ ....................................................................................... 97 4.8. Các thủ tục lớp vật lý .................................................................................... 98 4.8.1. Thủ tục HARQ ......................................................................................... 98 4.8.2. Ứng trƣớc định thời .................................................................................. 99 4.8.3. Điều khiển công suất .............................................................................. 100 4.8.4. Nhắn tin .................................................................................................. 101 4.8.5. Thủ tục báo cáo phản hồi kênh ............................................................... 101 4.8.6. Hoạt động chế độ bán song công ........................................................... 102 4.8.7. Các lớp khả năng của UE và các đặc điểm đƣợc hỗ trợ ......................... 102 4.9. Đo lƣờng lớp vật lý...................................................................................... 103 4.9.1. Đo lƣờng eNodeB ................................................................................... 103 4.9.2. Đo lƣờng UE .......................................................................................... 104 4.10. Cấu hình tham số lớp vật lý ..................................................................... 104 CHƢƠNG 5 – CÁC THỦ TỤC TRUY NHẬP ......................................... 106 5.1. Thủ tục dò tìm ô .......................................................................................... 106 5.1.1. Các bƣớc của thủ tục dò tìm ô ................................................................ 106 5.1.2. Cấu trúc thời gian/tần số của tín hiệu đồng bộ ....................................... 108 5.1.3. Dò tìm ban đầu và dò tìm ô lân cận ........................................................ 109 10 5.2. Truy nhập ngẫu nhiên ................................................................................ 110 5.2.1. Bƣớc 1 : Truyền dẫn phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên ...................... 111 5.2.2. Bƣớc 2 : Đáp ứng truy nhập ngẫu nhiên ................................................ 115 5.2.3. Bƣớc 3: Nhận dạng thiết bị đầu cuối ...................................................... 116 5.2.4. Bƣớc 4: Giải quyết tranh chấp ................................................................ 117 CHƢƠNG 6 – TÌNH HÌNH TRIỂN KHAI LTE TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM .......................................................................................... 118 6.1. Triển khai LTE trên thế giới ..................................................................... 118 6.2. Triển khai LTE tại VIỆT NAM ................................................................ 122 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .................................. 124 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ....................................... 125 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ĐỌC DUYỆT ........................................ 125 LỜI CẢM ƠN .............................................................................................. 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 127 11 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3GPP Third Generation Partnership Project Dự án các đối tác thế hệ thứ ba AAA Authentication, Authorization and Accounting Xác thực, cấp phép và tính cƣớc ACF Analog Channel Filter Bộ lọc kênh tƣơng tự ACIR Adjacent Channel Interference Rejection Loại bỏ nhiễu kênh lân cận ACK Acknowledgement Sự báo nhận ACLR Adjacent Channel Leakage Ratio Tỉ lệ dò kênh lân cận ACS Adjacent channel selectivity Chọn lọc kênh lân cận ADC Analog-to Digital Conversion Chuyển đổi tƣơng tự - số ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Đƣờng dây thuê bao số không đối xứng AM Acknowledged Mode Chế độ báo nhận AMBR Aggregate Maximum Bit Rate Tốc độ bít tối đa cấp phát AMD Acknowledged Mode Data Dữ liệu chế độ báo nhận AMR Adaptive Multi-Rate Đa tốc độ thích ứng AMR-NB Adaptive Multi-Rate Narrowband Băng hẹp đa tốc độ thích ứng AMR-WB Adaptive Multi-Rate Wideband Băng rộng đa tốc độ thích ứng ARP Allocation Retention Priority Ƣu tiên duy trì cấp phát ATB Adaptive Transmission Bandwidth Băng thông truyền dẫn thích nghi AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng thêm vào AMPS Advanced Mobile Phone Sytem Hệ thống điện thoại di động tiên tiến BB Baseband Băng gốc BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển phát quảng bá BCH Broadcast Channel Kênh phát quảng bá AMPS Advanced Mobile Phone Sytem Hệ thống điện thoại di động tiên tiến BPF Band Pass Filter Bộ lọc băng tần BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc BSC Base Station Controller Điều khiển trạm gốc BSR Buffer Status Report Báo cáo tình trạng bộ đệm BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc BW Bandwidth Dải thông CAZAC Constant Amplitude Zero Autocorrelation Codes Mã tự tƣơng quan zero biên độ không đổi 12 CBR Constant Bit Rate Tốc độ bít không đổi CCE Control Channel Element Phần tử kênh điều khiển CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung CDD Cyclic Delay Diversity Phân tập trễ vòng CDF Cumulative Density Function Chức năng mật độ tích lũy CDM Code Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mã CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã AIR Carrier to Interference Ratio Tỷ số sóng mang trên tập âm CP Cyclic Prefix Tiền tố vòng CPICH Common Pilot Channel Kênh điều khiển chung CQI Channel Quality Information Thông tin chất lƣợng kênh CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra dƣ vòng C-RNTI Ô Radio Network Temporary Identifier Nhận dạng tạm thời mạng vô tuyến tế bào CS Circuit Switched Chuyển mạch kênh CSCF Call Session Control Function Chức năng điều khiển phiên cuộc gọi D-BCH Dynamic Broadcast Channel Kênh phát quảng bá động DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng DCI Downlink Control Information Thông tin điều khiển đƣờng xuống DFCHA Dynamic Frequency and Channel Allocation Cấp phát kênh và tần số động DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi fourier rời rạc DL Downlink Đƣờng xuống UL uplink Đƣờng lên DL-SCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đƣờng xuống DPCCH Dedicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý riêng DTX Discontinuous Transmission Truyền phát không liên tục DwPTS Downlink Pilot Time Slot Khe thời gian điều khiển đƣờng xuống E-DCH Enhanced DCH DCH đƣợc tăng cƣờng EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution Tốc độ dữ liệu tăng cƣờng cho GSM phát triển EPC Evolved Packet Core Mạng lõi gói phát triển EPDG Evolved Packet Data Gateway Cổng dữ liệu gói phát triển E- UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu phát triển EDO Evolution Data Only Chỉ có dữ liệu phát triển FD Frequency Domain Miền tần số FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia tần số FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia tần số 13 FDPS Frequency Domain Packet Scheduling Lập biểu gói miền tần số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi furier nhanh FS Frequency Selective Lựa chọn tần số GERAN GSM/EDGE Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến GSM/EDGE GGSN Gateway GPRS Support Node Nút cổng hỗ trợ GPRS GP Guard Period Khoảng bảo vệ GPRS General packet radio service Dịch vụ vô tuyến gói chung GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GRE Generic Routing Encapsulation Đống gói định tuyến chung GSM Global System for Mobile Communications Hệ thống truyền thông di động toàn cầu GTP GPRS Tunneling Protocol Giao thức đƣờng hầm GPRS GTP-C GPRS Tunneling Protocol, Control Plane Mặt phẳng điều khiển, giao thức đƣờng hầm GPRS GUTI Globally Unique Temporary Identity Nhận dạng tạm thời duy nhất toàn cầu GW Gateway Cổng HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yêu cầu lặp lại tự động hỗ hợp HO Handover Sự chuyển vùng HSDPA High Speed Downlink Packet Access Truy nhập gói đƣờng xuống tốc độ cao HS-DSCH High Speed Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đƣờng xuống tốc độ cao HSCSD High Speed Circuit Switched Data Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao HS- PDSCH High Speed Physical Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đƣờng xuống vật lý tốc độ cao HSS Home Subscriber Server Máy chủ thuê bao thƣờng trú HS-SCCH High Speed Shared Control Channel Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao HSUPA High Speed Uplink Packet Access Truy nhập gói đƣờng lên tốc độ cao ICI Inter-carrier Interference Nhiễu liên sóng mang ICIC Inter-ô Interference Control Điều khiển nhiễu liên ô ID Identity Nhận dạng IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi furier nhanh nghịch đảo IMS IP Multimedia Subsystem Hệ thống con đa phƣơng tiện IP IMT International Mobile Telecommunications Truyền thông di động quốc tế 14 IP Internet Protocol Giao thức Internet ISDN Integrated Services Digital Network Mạng số dịch vụ tích hợp ISI Inter Symbols Interference Nhiễu liên ký tự LNA low noise amplifier Khuyêch đại âm nhiễu thấp LO Local Oscillator Bộ dao động nội LOS Line of Sight Tầm nhìn thẳng LTE Long Term Evolution Sự phát triển dài hạn MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trƣờng MAP Mobile Application Part Phần ứng dụng di động MBMS Multimedia Broadcast Multicast System Hệ thống phát quảng bá đa điểm đa phƣơng tiện MBR Maximum Bit Rate Tốc độ bít tối đa MCH Multicast Channel Kênh đa điểm MCS Modulation and Coding Scheme Sơ đồ mã hóa và điều chế MGW Media Gateway Cổng phƣơng tiện MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu ra MIP Mobile IP IP di động MM Mobility Management Quản lý tính di động MME Mobility Management Entity Phần tử quản lý tính di động MPR Maximum Power Reduction Sự