HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG TRẦN ĐẠI NGHĨA NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP RELAY TRONG MẠNG LTE Chuyên ngành : Kỹ Thuật Viễn Thông Mã Số : 60.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2013 Luận văn được hoàn thành tại : HỌC VIỆN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học :TS. VŨ TRƯỜNG THÀNH Phản biện 1: ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Phản biện 2 : ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………. Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn Thạc sỹ tại Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông. Vào lúc :… Giờ…… ngày……tháng….năm 2013 Có thể tìm hiểu luận văn tại : -Thư viện của Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông. MỞ ĐẦU Thông tin di động ngày nay đã trở thành một lĩnh vực 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 sự nghiên cứu và phát triển các hệ thống thông tin di động mới trong tương lai. Mặc dù các hệ thống thông tin di động 3G vẫn đang phát triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã tiến hành triển khai thử nghiệm và đã chuẩn hóa chuẩn di động 4G. Công nghệ 4G mang lại những tiện ích vượt trội cho người dùng mọi lúc, mọi nơi kể cả khi đang di chuyển với tốc độ cao.Đó chính là điểm khác biệt giữa mạng di động thế hệ thứ ba (3G) và mạng di động thế hệ thứ tư (4G). Nhằm mục tiêu cung cấp dịch vụ truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao cho các thuê bao di động sau 3G, 3GPP đã nghiên cứu đưa ra công nghệ di động LTE bắt đầu từ 3GPP Release 8. LTE là một chuẩn cho công nghệ truyền thông dữ liệu không dây và là một sự tiến hóa của các chuẩn GSM/UMTS. Đề tài “Giải pháp Relay trong mạng LTE” đã được lựa chọn để nghiên cứu và triển khai trong mạng LTE.Với khuôn khổ hạn hẹp với thời gian và trình độ học vấn. Mục đích chính của đề tài đưa ra hoạt động cơ bản của hệ thống mạng LTE, tìm hiểu các công nghệ di động mới tiên tiến, các giải pháp cải thiện về chất lượng dịch vụ để đảm bảo đáp ứng ngày càng cao nhu cầu của người sử dụng. Nội dung luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Tổng Quan Mạng Di Dộng LTE. Chương 2: Giới Thiệu Cộng Nghệ Mạng Relay LTE. Chương 3: Nghiên Cứu Hoạt Động Của Relay Trong Mạng LTE Kết luận: Tóm tắt kết quả nghiên cứu, các đề xuất, kiến nghị CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MẠNG DI ĐỘNG LTE 1.1 Giới Thiệu Chương. Để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng ngày càng cao về các dịch vụ truy nhập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao băng rộng mọi nơi, mọi lúc, mọi dịch vụ, mọi thời điểm mạng di động thế hệ thứ tư – 4G (Fourth Generation) đã được đề xuất nghiên cứu và triển khai trên thế giới. Trong chương này trình bày tổng quan về mạng di động LTE, tiêu chuẩn chất lượng mạng LTE và các giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống trong mạng LTE. 1.2. Tổng Quan Mạng LTE. LTE là một trong các con đường tiến tới 4G. LTE sẽ tồn tại trong giai đoạn đầu của 4G, tiếp theo đó sẽ là IMT-Advanced. 3GPP đã bắt đầu hướng đến IMT-Advance dưới cái tên LTE-Advanced. LTE được xem như là thế thệ thứ tư, thế hệ tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển.Năm 2008, phiên bản phát hành cuối cùng 3GPP 8, mang lại nhiều hơn sự cải tiến đối với HSDPA và HSUPA, được xem như là phát hành đầu tiên của LTE.3GPP phiên bản 9 tập trung vào những mở rộng đối với LTE. Mục tiêu của LTE là cung cấp 1 dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, độ trễ thấp, các gói dữ liệu được tối ưu, công nghệ vô tuyến hỗ trợ băng thông một cách linh hoạt khi triển khai. Các đặc điểm của LTE phát hành 9 - Tăng tốc độ truyền dữ liệu. - Đảm bảo hiệu suất khi di chuyển . - Giảm độ trễ đối với mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển. - Kỹ thuật chuyển mạch gói . - Độ phủ sóng từ 5-100km . Các đặc điểm nổi bật của công nghệ 4G là: 1.2.1. Hỗ trợ lưu lượng IP Sự xuất hiện của dịch vụ VoIP cho thấy việc truyền thoại có thể dễ dàng thực hiện qua mạng IP chuyển mạch gói.Kiến trúc mạng 4G được xây dựng với mục tiêu cung cấp dịch vụ IP chất lượng cao. 1.2.2. Hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyến khác nhau. Trong các hệ thống 4G, sử dụng nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau. Xu hướng hiện nay là sử dụng phổ tần trong băng tần không cần cấp phép ISM (Industrial, scientific and medical radio bands): công nghệ Bluetooth (IEEE 802.15.1), tiêu chuẩn IEEE 802.11b, IEEE 802.11a, IEEE 802.11g. Nút mạng 4G có thể thích ứng các khả năng để khai thác một cách hiệu quả cả các dải tần còn trống. 1.2.3. Hỗ trợ tính di động tốt. Trong các hệ thống 4G, người dùng sẽ di động trong một vùng có kích thước đáng kể và giao tiếp thông qua các thiết bị đầu cuối vô tuyến.Người dùng phải có khả năng liên lạc bằng một số nhận dạng duy nhất. Như vậy, mạng 4G sẽ phải có một phương tiện phù hợp để nhận dạng người dùng và cho phép người dùng điều khiển số nhận dạng và thực hiện ánh xạ một cách hiệu quả đến điểm đích chung. 1.2.4. Không cần liên kết điều khiển. Trong trường hợp của băng tần ISM thì có thể lập mạng Adhoc từ một nhóm nút, cho phép các nút giao tiếp trực tiếp với nhau, thậm chí các nút có thể cộng tác với nhau, chuyển tiếp lưu lượng của nhau. 1.2.5. Hỗ trợ bảo mật đầu cuối – đầu cuối. Trong các mạng 4G, yêu cầu về bảo mật lớn hơn rất nhiều so với mạng 3G do mạng 4G có kiến trúc mở. Do đó cần phải có một môđun bảo mật tích hợp để bảo vệ dữ liệu giữa các mạng khác nhau và hơn nữa là một mô hình bảo mật để bảo vệ nhiều thực thể. Các nút di động và cố định sẽ tương tác với nhau không cần liên hệ với điều hành mạng.Các giao thức và thủ tục phải có khả năng cho phép người dùng trong các nút mạng này nhận thực đủ thông tin để nhận dạng người dùng và có thể kết nối.Đây chính là tính năng bảo mật đầu cuối – đầu cuối. 1.3. Tiêu chuẩn chất lượng hệ thống mạng 4G. Bảng 1.1 liệt kê các yêu cầu của IMT – Advanced đặt ra bởi ITU: Hạng mục Tiêu chuẩn IMT – Advanced Peak Data Rate (Downlink) 1 Gbps Peak Data Rate (Uplink) 500 Mbps Cấp phát phổ tần > 40 MHz Độ trễ (User Plane) 10 ms Độ trễ (Control Plane) 100 ms Hiệu suất phổ đỉnh (Downlink) 15 bps/Hz (4x4) Hiệu suất phổ đỉnh (Uplink) 6,75 bps/Hz (2x4) Hiệu suất phổ trung bình (Downlink) 2,2 bps/Hz (4x2) Hiệu suất phổ trungbình (Uplink) 1,4 bps/Hz (2x4) Hiệu suất phổ tại biên tế bào(Downlink) 0,06 bps/Hz (4x2) Hiệu suất phổ tại biên tế bào (Uplink) 0,03 bps/Hz (2x4) Khả năng di chuyển Tới 350 km/h. 1.4 Kiến trúc mạng LTE. Hệ thống 3GPP LTE được thiết kế để đảm bảo rằng giao thức IP được kết nối giữa giao diện UE vào mạng lõi( core Network ). LTE hỗ trợ cho các dịch vụ chuyển mạch gói, hướng đến cung cấp các kết nối IP giữa các UE (User Equipment) và PDN (Packet Data Network).Phương pháp chuyển mạch gói cho phép hỗ trợ tất cả các dịch vụ bao gồm cả thoại thông qua các kết nối gói. 1.4.1. Mạng Lõi (Core Network). Lõi tiến hóa (EPC) là sự phát triển của mạng lõi GSM và WCDMA.Kiến trúc tầng của nó có thể đáp ứng được các dịch vụ thông lượng cao với độ trễ thấp hơn. EPC bao gồm các node logic khác nhau như: - Thực thể quản lý di động (MME). - Cổng phục vụ (S-GW). - Cổng mạng dữ liệu gói (P-GW). - Chức năng điều khiển chính sách và các quy luật tính cước (PCRF). - Server thuê bao tại nhà (HSS). - Các dịch vụ Mutilcast Broadcast đa phương tiện (MBMS). 1.4.2 Mạng truy nhập (Access Network). Mạng truy nhập vô tuyến LTE sở hữu kiến trúc tầng, bao gồm các nút NodeB tiến hóa (Enode B).Nó xử lý tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến của mạng di động.EnodeB sử dụng giao diện S1 để kết nối với lõi gói tiến hóa (EPC). 1.4.3. Kiến trúc giao thức vô tuyến ( Radio Protocol Architecture). - Giao thức S1-AP (S1 Application Protocol) được sử dụng trên mặt phẳng điều khiển giữa EnodeB và mạng lõi (Core Network), MME. - Giao thức đường hầm GPRS (GTP-U): được sử dụng trên các giao diện của mạng lõi (Core Network). - Tín hiệu điều khiển L1/L2 chứa gán lập lịch đường xuống và hỗ trợ lập lịch đường lên và báo nhận H-ARQ. - Giao thức hội tụ dữ liệu gói (PDCP): thực hiện nén tiêu đề gói tin IP, để truyền với số lượng bít ít hơn trên giao diện vô tuyến. - Lớp RLC: chịu trách nhiệm phân chia, ghép nối, truyền lại và sắp sếp chuỗi tiếp nhận tới các lớp cao hơn. - Lớp MAC: chịu trách nhiệm ghép kênh dữ liệu tử các tải tin vô tuyến khác nhau, truyền lại H-ARQ và lập lịch cho đường lên và đường xuống. - Lớp vật lý (PHY): chịu trách nhiệm mã hóa/giải mã hóa, điều chế/ giải điều chế, xử lý đa anten và lập bản đồ của tín hiệu đến các nguồn tài nguyên thời gian- tần số vật lý. 1.4.4 Enode B. - Mạng truy nhập vô tuyến của LTE chỉ bao gồm có các EnodeB (được gọi với các tên Trạm gốc BS) và RNs, nếu có. Khác với mạng truy nhập vô tuyến WCDMA (UMTS), nơi mà nhiều EnodeB liên kết với một điều khiển mạng vô tuyến đơn lẻ (RNC).Nhiệm vụ của EnodeB không chỉ kết nối thông qua giao diện vô tuyến, mà còn lập kế hoạch, cân bằng tải, quản lý di động, quản lý chuyển giao và quản lý nhiễu. 1.4.5 Giao diện vô tuyến Sơ đồ đa truy nhập Trạm BS kết nối với MS thông qua không khí, do đó các dòng bít có sẵn tại lớp MAC phải được điều chế để truyền thông qua giao diên vô tuyến. Theo hướng Downlink đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (O-FDMA) được chọn. Theo đường lên, 3GPP đã chọn đa truy nhập phân chia theo tần số sóng mang đơn (SC- FDMA). Ưu điểm của SC-FDMA so với O-FDMA là tỉ lệ công suất trung bình đỉnh (PAPR) nhỏ hơn do đó thiết kế bộ khuyếch đại công suất hiệu quả hơn. Ví dụ : băng thông sóng mang là 10 Mhz thì có khoảng 50 RB. 10 Mhz = 50RB* 180kHz (9MHz) + 1 MHz ( băng bảo vệ) (1.1) Khoảng thời gian của 1 RB được gọi là 1 khe cắm. 2 khe cắm gọi là 1 khung. 1.4.6 Các vấn đề về thu phát tín hiệu Trong phần này chúng ta đề cập đến các lý thuyết và mô hình tính toán liên quan đế thu phát tín hiệu 1.4.6.1 Chiều dài tín hiệu tiếp nhận Trước tiên chúng ta muốn biết công suất tiếp nhân Prx là một hàm của khoảng cách d và công suất chiều dài tính hiệu truyền Ptx . Khi giả định môi trường đô thị, Mô hình suy hao đường truyền Hata được xem xét : L(di ) = Lfix + 10a log10 (d) [dB] (1.2) Trong đó Lfix là một tham số phụ thuộc vào chiều cao anten, tần số truyền sóng a là tổn hao đường truyền theo quy luật hàm mũ, d là khoảng cách giữa MS với EnodeB (km). 1.4.6.2 Nhiễu và tạp âm Nhiễu Nhiễu là 1 điều không mong muốn từ các thiết bị trong các Cell phục vụ khác nhau. Bời vì trong Cấu trúc mạng LTE/E-UTRAN mỗi Cell sử dụng cùng băng tần giống nhau, điều này này sinh một vấn đề. Để ngăn chặn điều này các EnodeB phải giao tiếp với nhau VD: hai MS trên hai Cell phục vụ khác nhau sẽ không phát tần số giống nhau tại 1 thời điểm. Tạp âm Tạp âm là 1 biến ngẫu nhiên trong tín hiệu điện. Tồn tại nhiều nguồn tạp âm khác nhau như tạm âm do nhiệt độ, do bắn, tạp âm nhấp nháy và tạp âm nổ. Ở đây chúng ta quan tâm đến tạp âm do nhiệt được mô tả bởi phương trình: P= Kb T *∆f [W] (1.4) Hoặc có thể tính theo dBm: PdBm = 10 Log10 (Kb T ∆f *1000 ) = 10 Log10(Kb T *1000 ) + 10 Log10(∆f) (dBm). Với Kb = 1.38 × 10 -23 J / K , nhiệt độ phòng T= 293K PdBm = -174 + 10 Log10(∆f) [dBm] . 1.4.6.3 Tốc độ dữ liệu Theo định lý Shannon- Hartly : C=BW* Log2(1+S/N ) (1.5) Trong đó : C là tối đa khả năng kênh lỗi (b/s) BW băng thông (Hz) S Trung bình công suất tín hiệu N tiếng ồn Gauss trắng cộng Ở đây chúng ta thấy rằng với tỉ lệ S/N cao hơn, thì bạn có thể đạt được công suất tối đa C cao hơn.Sử dụng công nghê LTE, công suất tối đa này không được. Tuy nhiên theo 3GPP11 tốc độ dữ liệu sử dụng công nghệ LTE đường lên tỉ lệ thuận với công suất tối đa bằng cách sử dụng liên tục toán tử  = 0,4 Do đó mô hình tốc độ dữ liệu đường lên trở thành C= 0.4*180kHz* Log2 (1+S/N ) Mô hình này tính toán chính xác hơn tốc độ dữ liệu trong LTE/UTRAN. Ngoài tra trên thực tế tốc độ dữ liệu còn phục thuôc vào chỉ số riêng biệt MCS (sơ đồ điều chế và mã hóa), CQI (chất lượng kênh truyền) để mô phỏng tốc độ dữ liêu của MS. Điều chế sử dụng trong công nghệ LTE là 16QAM nhưng trong phiên bản LTE-advanced là 64QAM nhưng không phải tất cả MS đều hỗ trợ 64QAM. Nên 16 QAM được dùng để điều chế tối đa. 1.5. Giải pháp nâng cao dung lượng và chất lượng dịch vụ hệ thống 4G LTE 1.5.1. Kết hợp băng thông Giải pháp này nhằm mục đích đạt được yêu cầu về tốc độ dữ liệu đỉnh (peak data rate). Việc kết hợp băng thông ở các kênh tần số 20 MHz là phương án khả quan hơn vì dễ tìm kiếm phổ tần. Nó là một trong những chức năng quan trọng của LTE- Avanced. Hình 1.7 Kết hợp sóng mang trong mạng LTE-Advanced. 1.5.2. Hệ MIMO bậc cao và định hướng búp sóng LTE phiên bản 8 hỗ trợ tới 4 máy thu và máy phát trên eNB, tới 2 máy phát và 4 máy thu cho UE. Khả năng tăng độ lợi thu từ các hệ MIMO và từ điều khiển búp sóng (beamsteering) là hàm của số lượng các anten. Đề xuất có thể tăng con số này của hệ thống lên đến 8x8 với eNB và 4x4 cho UE. Tại eNB, anten 4x đang được sử dụng. Nếu tăng lên 8x phải lắp đặt thêm một số thiết bị trên cột để tránh chi phí khi tăng thêm cáp. Hình1.8 Hệ MIMO bậc cao 1.5.3. Hệ MIMO phối hợp Sự khác biệt giữa hệ MIMO tiêu chuẩn và hệ MIMO phối hợp được thể hiện trên hình sau: [...]... của mạng 4G IMT – Advanced của ITU và đưa ra một số giải pháp để nâng cao chất lượng hệ thống, trong đó có vấn đề Giải Pháp Relay trong mang LTE Trong chương 2, chúng ta sẽ phân tích giải pháp này trong hệ thống thông tin di động và trong mạng 4G LTE CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ MẠNG RELAY TRONG LTE 2.1 Giới Thiệu Chương Trong chương này chúng ta sẽ đề cập đến các vấn đề liên quan đến triển khai mạng. .. nhất Luận văn chỉ ra các khản năng ứng dụng của trạm Relay trong mạng LTE trong các môi trường, khu vực khác nhau 2.Kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo -Nghiên cứu, ứng dụng giải pháp Relay trong quá trình triển khai mạng 4G LTE trên thế giới nói chung và Việt nam nói riêng -Nghiên cứu các giải pháp khác khắc phục vùng phủ bên cạnh giải pháp Relay như Pico hay Femtocell… ... tiếp đang được nghiên cứu và phát triển trong phiên bản LTE. 10 để mở rộng vùng dịch vụ LTE một cách có hiệu quả và kịp thời CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU HOẠT ĐỘNG CỦA RELAY TRONG MẠNG LTE 3.1 Giới Thiệu Chương Một trong những thành phần công nghệ mới trong phát hành phiên bản cho LTEAdvanced đó chính là kết nối chuyển tiếp (Relay) .LTE- Advanced sử dụng kết nối chuyển tiếp để tăng hiệu năng của mạng LTE bằng bằng... khai mạng LTE, Các công nghệ mạng Relay, mục đích sử dụng, các ưu và nhược điểm của trạm Relay, phân loại trạm Relay trong mạng LTE Phân tích sự truy nhập vô tuyến và kiến trúc cho trạm Relay 2.2 Giới Thiệu Công Nghệ Mạng Relay Trong LTE Trong quá trình chuẩn hóa hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo, như là 3GPP LTE_ advanced, công nghệ trạm chuyển tiếp đang được xem xét và nguyên cứu Một cơ... hợp băng thông, Hệ MIMO bậc cao, Hệ MIMO phối hợp, sử dụng Relay, sử dụng Femtocell, mạng tự tối ưu hóa và điều phối và gạt nhiễu - Phân tích sâu giải pháp Relay trong mạng LTE về nguyên lý hoạt động, các ưu nhược điểm, phân loại các loại trạm chuyển tiếp và khản năng ứng dụng Relay trong mạng 4G LTE - Luận văn nghiên cứu tổng lượng đường lên và năng lực hệ thống Người ta thấy rằng các RS đặt ở 75% đối... nghiên cứu LTE và sau LTE trên thế giới trực tiếp dẫn đến các hệ thống sử dụng phổ tần hiệu quả - Chỉ ra được các đặc điểm kỹ thuật vượt trội mạng di động 4G LTE so với các mạng trước về tốc độ dữ liệu, khản năng đáp ứng tốt với các ứng dụng thời gian thực chất lượng cao - Phân tích các giải pháp nâng cao dung lượng hệ thống mạng 4G : Kết hợp băng thông, Hệ MIMO bậc cao, Hệ MIMO phối hợp, sử dụng Relay, ... bất kỳ các nút mới khác trong mạng LTE, Trạm chuyển tiếp mang lại những thách thức mới.Một trong những thách thức liên quan đến tính di động.Cụ thể hơn, truyền tải dữ liệu qua lạigiữa các trạm DeNB và nút Relay (RN) trong quá trình chuyển giao có thể xảy ra 2.2.3 Các ưu điểm và nhược điểm trong việc sử dụng trạm chuyển tiếp Relay 2.2.3.1 Các ưu điểm + Mục đích chính của giải pháp Relay là cung cấp tốc... và cho các khu vực Relay mức 25%, Relay mức 50%, Relay mức 75% và Relay mức 100% đối với bán kính biên Cell phủ sóng Hiệu suất đo lường được nghiên cứu trong thí nghiệm này là thời gian chuyển dữ liêu (file) trung bình Tại vị trí Relay mức 25% gần biên của cell có khu vực dịch vụ hợp lý vì Relay gần trạm gốc hơn cả nên ảnh hưởng của trạm Relay là sát giới hạn Với λ = 5 tại vị trí Relay mức 25% thời... chuyển giao được gửi đến trạm Relay thông qua EnodeB.Nếu trạm chuyển tiếp Relay có thể chấp nhận UE, một bản tin được chuyển tới UE để bắt đầu chuyển giao Dữ liệu đường xuống đến tại EnodeB nguồn tới UE được truyền đến trạm Relay 2.2.2 Mục đích sử dụng Relay trong Mạng LTE Mục đích sử dụng Relay trong mạng Long Term Evolution (LTE) là cung cấp mở rộng vùng phủ sóng và tốc độ cao hơn cho người dùng di... vô tuyến cho các trạm chuyển tiếp Relay 2.4.1 Cấu hình khung vô tuyến cho các trạm chuyển tiếp Một giải pháp đó là sử dụng mạng tần số đơn lẻ Muticast /Broadcast (MBSFN), cấu hình các khung con trong các khung con tiếp nhận bởi trạm chuyển tiếp tiếp nhận tín hiệu từ trạm gốc (BS) Trong phương pháp này một tín hiệu tham khảo và các tín hiệu điều khiển Relay loại 1/ Relay loại 2 được đặt tại rất nhiều . Mạng Di Dộng LTE. Chương 2: Giới Thiệu Cộng Nghệ Mạng Relay LTE. Chương 3: Nghiên Cứu Hoạt Động Của Relay Trong Mạng LTE Kết luận: Tóm tắt kết quả nghiên. di động LTE, tiêu chuẩn chất lượng mạng LTE và các giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống trong mạng LTE. 1.2. Tổng Quan Mạng LTE. LTE là một trong các