1 | P a g e Lời nói đầu Trong những năm gần đây, cellular telephone network (ngắn gọn hơn là cellular network) đã biến đổi thành những mạng truy cập chuyển gói rất mạnh mẽ, phục vụcho cả truyền thoại lẫn truy cập Internet. Các mạng 3.5G hiện tại, chẳng hạn nhƣ UMTS/HSPA cũng đã cung cấp những thông lƣợng lên đến vài Mbps cho những ngƣời dùng riêng rẽ, và khả năng truy cập di động vào Internet từ các thiết bị cầm tay và máy tính xách tay không còn đƣợc xem là thấp hơn một mối nối kết DSL hoặc cáp nữa. Thế nhƣng, yêu cầu về băng thông và dung lƣợng vẫn không ngừng tăng lên do bởi lƣợng ngƣời dùng gia tăng trongcác mạng ấy và do những ứng dụng đòi hỏi cao về băng thông chẳng hạn nhƣ truyền phim ảnh và truy cập Internet di động từ máy tính xách tay. Vì vậy, các nhà chế tạo mạng và các nhà điều hành mạng viễn thông cần tìm ra những phƣơng cách nào đó để làm tăng dung lƣợng và hiệu năng làm việc trên các mạng của họ, trong khi vẫn giữ giá thành thấp hay thậm chí còn giảm đi. Trong quá khứ, sự phát triển của mạng truyền thông không dây chủ yếu liên quan đến việc thiết kế các mạng truy nhập có dải tần cao hơn và thông lƣợng lớn hơn. Sau 3G, giờ đây có một sự phát triển còn nhanh hơn nữa ở các mạng lõi, và quan trọng nhất là ở các thiết bị và ứng dụng dành cho ngƣời dùng. Sự phát triển này tiếp tục những xu hƣớng công nghệ vốn đã “đụng trần” trong thế giới mạng Internet “đƣờng truyền cố định” hiện nay. Các hệ thống điện thoại chuyển kênh đang đƣợc thay thế bởi các công nghệVoIP, còn Web 2.0 thì khuyến khích ngƣời dùng trở thành những nhà sáng tạo nội dung và chia sẻ thông tin của mình với toàn thế giới. Trong tƣơng lai, các mạng không dây broadband sẽ cómột ảnh hƣởng rất quan trọng đối với xu hƣớng này, bởi lẽ điện thoại di động và máy tính xách tay là những công cụ lý tƣởng để sáng tạo và tiêu thụ nội dung. Phần lớn các điện thoại di động và máy tính xách tay hiện nay đều đã đƣợc trang bị những camera tiên tiến, và khả năng quay phim chụp ảnh của chúng ngày càng tốt hơn. Mặt khác, chúng ta đang chứng kiến các công nghệ mobile broadband ngày càng trở nên tƣơng đồng về mặt giao tiếp vô tuyến(air interface) và kiến trúc nối mạng (networking architecture); chúng đang đƣợc hội tụ thành một kiến trúc mạng dựa trên IP cùng với công nghệ giao tiếp vô tuyến dựa trên OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access _ Đa truycập phân tần trực giao). Mặc dù sự phát triển về kiến trúc mạng chƣa đạt đến mức hội tụ đầy đủ và thực sự, nhƣng các loại mạng truy cập không dây ở những giai đoạn khác nhau của quá trình phát triển này đamg đƣợc thiết kế để đáp ứng việc truyền các dịch vụ đa phƣơng tiện ở khắp nơi thông qua việc nối kết liên mạng. Tuy các xu hƣớng tiến hóa công nghệ này đã và đang diễn ra, có rất ít tài liệu mô tả chúng về mặt kỹ thuật, nhất là ở Việt Nam. Đề tài này cố gắng mô tả sự tiến hóa của công nghệ truyền thông LTE. Nó tập trung bàn về sự phát triển kỹ thuật truy cập vô tuyến và mạng truy nhập. Bao gồm các nội dung sau :giới thiệu về mạng LTE, động lực thúc đẩy sự phát triển của LTE; kiến trúc mạng LTE, các giao thức sử dụng trong công nghệ này và kỹ thuật MIMO trong lĩnh vực truyền thông. 2 | P a g e Đề tài gồm 4 chƣơng: CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE CHƢƠNG 2: CẤU TRÚC VẬT LÝ LTE CHƢƠNG 3: GIỚI THIỆU KỸ THUẬT MIMO CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG TRUYỀN DẪN Do khuôn khổ đề tài có hạn mà các lĩnh vực đề cập lại quá rộng lớn và mới mẻ, nên tôi không dám bàn sâu vào một số khía cạnh kỹ thuật nền tảng trong các công nghệ. Phần vì kiến thức còn hạn chế, đề tài này chắc chắn không tránh khỏi nhiều thiếu sót. Mong nhận đƣợc sự góp ý từ thầy và các bạn. Sinh viên thực hiện : Trần Đức Nhật 3 | P a g e Mục lục Lời nói đầu 1 Mục lục 3 Danh mục từ viết tắt 5 Danh mục hình vẽ 6 Danh mục bảng biểu 7 Chƣơng 1 : Tổng quan về công nghệ LTE 8 1.1 Động cơ thúc đẩy LTE 8 1.2 Quá trình phát triển của LTE 8 1.3 Những mục tiêu của LTE 9 1.3.1 Yếu tố cơ bản LTE 9 1.3.2 Các yêu cầu chính của LTE 10 1.4 Sự phát triển của UMTS FDD và TDD 10 Chƣơng 2 : Cấu trúc vật lý LTE 12 2.1 Các thông số chính trong LTE 12 2.2 OFDMA và cấu trúc khung downlink 13 2.2.1 Thế nào là OFDM ? 13 2.2.2 LTE downlink 15 2.3 SC-FDMA và cấu trúc khung uplink 18 2.3.1 Tín hiệu SC-FDMA 18 2.3.2 Tham số SC-FDMA (FDD và TDD) 18 2.4 Kiến trúc mạng và các giao thức 19 2.4.1 Kiến trúc mạng LTE 19 2.4.2 Protocol task 21 2.4.3 Mapping between logical and transport channels 23 2.5 Phân loại UE LTE 25 2.6 System performance 26 2.6.1 Các nhân tố ảnh hƣởng tới công suất hệ thống LTE 26 2.6.2 LTE Capacity Evaluation 29 4 | P a g e 2.6.3 LTE Coverage and Link Budget 33 2.7 LTE mobility 34 Chƣơng 3 : MIMO 36 3.1 Tìm hiểu tổng quan hệ thống MIMO đơn ngƣời dùng (single-user) và đa ngƣời dùng (multi-user) 36 3.2 Precoding 36 3.3 Hợp kênh không gian 37 3.4 Mã phân tập 37 3.4.1 Sơ lƣợc Space diversity, time diversity 38 3.4.2 Space time block code (STBC) 38 3.4.3 Space time trellis codes (STTC) 40 3.5 Ứng dụng của MIMO 41 Chƣơng 4 : Mô phỏng 43 4.1 Tóm tắt lý thuyết Error! Bookmark not defined. 4.2 Mô phỏng Matlab 44 5 | P a g e Danh mục từ viết tắt AS Access Stratum B(C)CH Broadcast (Control) Channel CCCH Common Control Channel CR Contention Resolution C-RNTI Cellular RNTI DCCH Dedicated Control Channel DL-SCH Downlink Shared Channel DTCH Dedicated Traffic Channel ECM EPS Connection Management eNB evolved Node B EPC Evolved Packet Core EPS Evolved packet system E-UTRAN Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network HARQ Hybrid Automatic Repeat Request MAC Medium Access Control MIMO Multiple Input Multiple Output MME Mobility Management Entity NAS Non-Access Stratum P(C)CH Paging (Control) Channel PDCP Packet Data Convergence Protocol PDN Packet Data Network P-GW Packet Data Network Gateway PRACH Physical Random Access Channel PHY Physical Layer RACH Random Access Channel RA-RNTI Random Access Radio Network Temporary Identity RB Radio Bearer RLC Radio Link Control RRC Radio Resource Control SAE System Architecture Evolution SDU Service Data Unit S-GW Serving Gateway TC-RNTI Temporary Cellular RNTI TTI Transmission Time Interval UE User Equipment UL-SCH Uplink Shared Channel 6 | P a g e Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Lƣợng thuê bao WCDMA/HSPA 8 Hình 1.2 Quá trình phát triển LTE 9 Hình 1.3 19 worldwide leading mobile operators 9 Hình 1.4 Quá trình phát triển của FDD và TDD 11 Hình 2.1 Kỹ thuật OFDM 13 Hình 2.2 Sơ đồ máy phát tín hiệu OFDM 14 Hình 2.3 So sánh OFDM và OFDMA 14 Hình 2.4 OFDMA thông thƣờng 15 Hình 2.5 OFDMA time - frequency multiplexing 16 Hình 2.6 Cấu trúc frame OFDMA loại 1 17 Hình 2.7 Cấu trúc frame OFDMA loại 2 17 Hình 2.8 Tạo tín hiệu SC-FDMA 18 Hình 2.9 Sub-carrier trong SC-FDMA và OFDM 18 Hình 2.10 Cấu trúc mạng truy cập vô tuyến thông qua E-UTRAN 20 Hình 2.11 Mạng LTE 21 Hình 2.12 Giao thức truyền dữ liệu user plane 22 Hình 2.13 Giao thức truyền dữ liệu trong control plane 23 Hình 2.14 Mapping between logical and transport channels 23 Hình 2.15 Hiệu quả phổ hƣớng downlink trong trƣờng hợp 1 và 3 31 Hình 2.16 Hiệu quả phổ hƣớng uplink trong trƣờng hợp 1 và 3 32 Hình 2.17 Dung lƣợng VoIP 33 Hình 2.18 Phạm vi phủ sóng LTE (10MHz , FDD) 33 Hình 3.16 Quá trình handover trong mạng LTE 35 Hình 3.1 Mô hình một hệ MIMO 4x4 36 Hình 4.1 Các hệ thống thông tin không dây 43 7 | P a g e Danh mục bảng biểu Bảng 2-1 Các thông số chính trong LTE 12 Bảng 2-2 Dải tần hoạt động của LTE 13 Bảng 2-3 Bảng cấu hình cyclic prefix 15 Bảng 2-4 Số lƣợng khối tài nguyên trong băng thông hệ thống 16 Bảng 2-5 Bảng cấu hình LTE FDD uplink 19 Bảng 2-6 LTE UE categories (downlink and uplink) 26 Bảng 2-7 Phần trăm overhead trong downlink FDD LTE (tính trên frame 10ms cho băng thông hệ thống 10Mhz) 29 Bảng 2-8 Phần trăm overhead trong downlink FDD LTE (tính trên frame 10ms cho băng thông hệ thống 10Mhz) 29 Bảng 2-9 Key parameters for 3GPP Case 1 and Case 3 models 30 Bảng 2-10 LTE link budget for Case 3 scenario with Non-Line-of-Sight (NLOS) 34 8 | P a g e Chương 1 : Tổng quan về công nghệ LTE Chương này ta sẽ giới thiệu về LTE cũng như sự hình thành động lực thúc đẩy tạo ra công nghệ LTE và các tiêu chuẩn sinh ra trong các giai đoạn phát triển. 1.1 Động cơ thúc đẩy LTE Tình hình thị trƣờng LTE dựa vào sự thành công của HSPA Sự tăng trƣởng HSPA đƣợc dựa trên sự hấp thu của các dịch vụ dữ liệu di động trên toàn thế giới. Hơn 250 mạng network trên toàn thế giới đã triển khai thƣơng mại HSPA. Lƣu lƣợng dữ liệu di động đƣợc phát triển theo cấp số nhân, đƣợc tạo ra bởi dịch vụ internet di động và số lƣợng ngƣời dùng các loại thiết bị mới. Số lƣợng thuê bao phát triển mạnh mẽ đƣợc mô ta qua hình 1.1. LTE đƣợc chấp nhận trên toàn thế giới nhƣ quan điểm phát triển lâu dài cho các mạng 2G và 3G dựa trên các công nghệ WCDMA / HSPA, GSM / EDGE, TD-SCDMA và CDMA2000. Hình 1.1 Lượng thuê bao WCDMA/HSPA 1.2 Quá trình phát triển của LTE LTE là thế hệ thứ tƣ của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã đƣợc triển khai trên toàn thế giới. Ðể đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tƣơng lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bƣớc phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution. 9 | P a g e Các chi tiết kỹ thuật liên quan chính thức đƣợc gọi là E-UTRA (truy cập vô tuyến mặt đất) và E-UTRAN (mạng truy cập vô tuyến mặt đất). Hình 1.2 Quá trình phát triển LTE Các giai đoạn phát triển của LTE đƣợc thể hiện qua hình 1.2 và các hãng khai thác di động hàng đầu thế giới đã triển khai nhƣ hình 1.3. Hình 1.3 19 worldwide leading mobile operators 1.3 Những mục tiêu của LTE 1.3.1 Yếu tố cơ bản LTE Cơ bản thì LTE phải đáp ứng các yêu cầu sau: 10 | P a g e Giảm độ trễ. Tốc độ dữ liệu ngƣời dùng cao hơn. Cải thiện khả năng của hệ thống và phạm vi phủ sóng. Giảm chi phí. 1.3.2 Các yêu cầu chính của LTE Các đòi hỏi này đƣợc xác định qua các giai đoạn nghiên cứu. Nâng cao hiệu suất 100 Mbit/s peak downlink, 50 Mbit/s peak uplink. 1G for LTE Advanced. Faster cell edge performance. Reduced latency (to 10 ms) for better user experience. Scalable bandwidth up to 20 MHz. Khả năng tương thích Works with GSM/EDGE/UMTS systems. Utilizes existing 2G and 3G spectrum and new spectrum. Supports hand-over and roaming to existing mobile networks. Giảm vốn (CAPEX) và chi phi vận hành (OPEX) thông qua các kiến trúc đơn giản. Áp dụng rộng rãi TDD (unpaired) and FDD (paired) spectrum modes Mobility up to 350km/h Áp dụng với nhiều thiết bị đầu cuối khác nhau nhƣ điện thoại , máy tính có camera 1.4 Sự phát triển của UMTS FDD và TDD Những yêu cầu về tốc độ dữ liệu và độ trễ đã thúc đẩy sự phát triển của UMTS FDD và TDD đƣợc thể hiện qua hình 1.4. [...]... triển của FDD và TDD 11 | P a g e Chương 2 : Cấu trúc vật lý LTE Chương 2 mô tả cơ bản về công nghệ LTE bao gồm các thông số chính, cấu trúc một khung uplink và downlink, kiến trúc mạng và các giao thức sử dụng trongLTE 2.1 Các thông số chính trong LTE Các thuộc tính liên quan của hệ thống LTE cùng dải tần hoạt động đƣợc tóm tắt lần lƣợt trong các bảng 2-1 và và 2-2 Frequency Range Bảng 2-1 Các thông. .. để truyền tải các phần của SI, là các thông tin quan trọng để truy cập vào DL-SCH Dạng truyền tải này đƣợc cố định và dung lƣợng bị hạn chế DL-SCH (DownLink Shared Channel) Kênh này đƣợc dùng để truyền tải dữ liệu ngƣời dùng hƣớng downlink hoặc tin nhắn kiểm soát Ngoài ra, phần còn lại của SI không đƣợc truyền qua BCH sẽ đƣợc truyền tải trên DL-SCH MCH (Multicast Channel) Kênh này đƣợc dùng để truyền. .. Hình 2.5 mô tả kỹ thuật ghép kênh theo miền thời gian và tần số OFDMA Các sóng mang con trực giao giúp tận dụng tối đa băng thông hệ thống LTE – spectrum flexibility LTE lớp vật lý hỗ trợ bất kỳ băng thông từ 1,4 MHz đến 20 MHz theo từng bƣớc nhảy 180 kHz (tài nguyên khối) Đặc điểm kỹ thuật LTE hiện nay hỗ trợ một tập hợp con của 6 băng thông hệ thống khác nhau Tất cả các UE phải hỗ trợ băng thông tối... dùng để thông báo cho các UEs về một cuộc gọi đến hoặc sự thay đổi của SI Trong lớp RLC , nó gắn liền với bộ phận TM RLC MCCH (Multicast Control CHannel) Đây là kênh downlinh dùng để truyền tải thông tin điều khiển liên quan đến việc tiếp nhận các dịch vụ MBMS Trong lớp RLC, nó gắn liền với bộ phận UM RLC (Unacknowledged Mode RLC) DCCH (Dedicated Control CHannel) Kênh này đƣợc dùng để truyền tải thông. .. -4.8 2.7 LTE mobility Handover (Intra-MME/Serving Gateway) LTE giới thiệu khả năng bổ sung mạng HSPA với tốc độ dữ liệu đỉnh cao hơn, tính linh hoạt lớn hơn cho mạng không đồng nhất và kiến trúc mạng phẳng All-IP Đây là một sự thay đổi đáng kể mà hiểu đơn giản có nghĩa là LTE sẽ xử lý tất cả mọi thứ nó truyền tải, ngay cả giọng nói, nhƣ dữ liệu Sự thay đổi lớn khác liên quan đến việc sử dụng công nghệ. .. (DFT-s-OFDM) Khác với mỗi sub-carrier OFDM chỉ chứa thông tin của 1 symbol cụ thể liên quan thì sub-carrier SC-FDMA mang thông tin của tất cả symbol đƣợc truyền đi nhƣ hình 2.9 Hình 2.9 Sub-carrier trong SC-FDMA và OFDM 2.3.2 Tham số SC-FDMA (FDD và TDD) LTE FDD Giống nhƣ downlink, đƣợc tóm tắt lại qua bảng 2-5 18 | P a g e Bảng 2-5 Bảng cấu hình LTE FDD uplink LTE TDD Việc dùng UL phụ thuộc vào việc chọn... subframe (1ms) khác nhau cho uplink truyền tải, tham số cho những subframes, có nghĩa là số symbol SC-FDMA giống nhƣ đối với FDD và tùy thuộc vào CP 2.4 Kiến trúc mạng và các giao thức 2.4.1 Kiến trúc mạng LTE LTE bao gồm sự phát triển của: Truy cập vô tuyến thông qua E-UTRAN nhƣ hình 2.10 Hữu tuyến theo SAE (System Architecture Evolution) Toàn bộ hệ thống bao gồm LTE và SAE gọi là EPS (Evolved Packet... để truyền tải thông tin phân trang cho UE, và thông báo cho các UEs về bản cập nhật của và tin nhắn PWS (Public Warning System) Uplink Transport Channel UL-SCH (UpLink Shared Channel) Dùng để truyền dữ liệu ngƣời dùng hƣớng uplink hoặc tin điều khiển RACH (Random Access CHannel) Để truy cập vào mạng khi UE không có đồng bộ hóa thời gian uplink chính xác, hoặc khi các UE không có nguồn tài nguyên truyền. .. năng của một máy thu IRC để ngăn chặn sự nhiễu là một chức năng của nhiều yếu tố bao gồm số lƣợng và độ lớn của các tín hiệu nhiễu và số antenna thu 2.6.1.7 Layer 1 and Layer 2 Overhead Bất kỳ phần nào của các nguồn tài nguyên truyền dẫn tần số thời gian không đƣợc sử dụng trực tiếp để truyền dữ liệu cấu thành một nguyên cần thiết khi xem xét hiệu suất phổ tổng thể Một thiết kế tiêu chuẩn cho LTE là... trao đổi các thông điệp để thiết lập cuộc gọi hoặc các thông điệp cập nhật vị trí chẳng hạn User plane Hình 2.12 cho thấy việc truyền dữ liệu trong giao thức user plane Các gói IP đƣợc truyền thông qua nhiều giao thức : PDCP (Packet Data Convergence Protocol) – giao thức hội tụ dữ liệu gói Nén ip header dựa trên ROHC (Robust Header Compression) Mã hóa và bảo vệ tính toàn vẹn của dự liệu đƣợc truyền RLC . xu hƣớng tiến hóa công nghệ này đã và đang diễn ra, có rất ít tài liệu mô tả chúng về mặt kỹ thuật, nhất là ở Việt Nam. Đề tài này cố gắng mô tả sự tiến hóa của công nghệ truyền thông LTE. Nó. quan về công nghệ LTE 8 1.1 Động cơ thúc đẩy LTE 8 1.2 Quá trình phát triển của LTE 8 1.3 Những mục tiêu của LTE 9 1.3.1 Yếu tố cơ bản LTE 9 1.3.2 Các yêu cầu chính của LTE 10 1.4 Sự phát. sử dụng trong công nghệ này và kỹ thuật MIMO trong lĩnh vực truyền thông. 2 | P a g e Đề tài gồm 4 chƣơng: CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE CHƢƠNG 2: CẤU TRÚC VẬT LÝ LTE CHƢƠNG