MẠNG THẾ HỆ MỚI NGN
ĐỀ TÀI :
MẠNG 4G – LTE
GVBM: ThS. PHÙ TRẦN TÍN
SVTH:
1.NGUYỄN NGỌC SINH
11031331
2.NGUYỄN QUỐC HIỀN
13023651
3. ĐẶNG THÁI SƠN
11070441
4. LÊ TUẤN ANH
13043461
5. HUỲNH MINH HIỂN
13047181
6. NGUYỄN MAI VĂN
12134261
MỤC LỤC
Contents
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ
TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G............................................................................4
I.
Giới Thiệu Về Hệ Thống Thông Tin Di Động.........................................4
1. Các thế hệ mạng di động...................................................................................5
1.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G).......................................5
1.1.1. Đặc điểm.........................................................................................................6
1.1.2. Những hạn chế...............................................................................................6
1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 ( 2G và 2.5G).............................7
1.3
Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 ( 3G và 3.5G ).................................11
1.4
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 ( 4G ).........................................14
II. Tổng Quan Về Mạng 4G.................................................................................15
CHƯƠNG 2:CÔNG NGHỆ MẠNG 4G – LTE..............................................19
1. Công nghệ LTE................................................................................................19
1.1
Giới thiệu.......................................................................................................19
1.2
Các giai đoạn phát triển LTE.........................................................................21
1.3
Tình hình triển khai LTE trên thế giới...........................................................21
2. So sánh dịch vụ 3G với 4G – LTE..................................................................22
3.
4.
CẤU TRÚC LTE VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN......................................25
3.1
Thông Số Yêu Cầu LTE.................................................................................25
3.2
Cấu trúc LTE..................................................................................................27
TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE..............................................30
Các chế độ truy nhập vô tuyến..............................................................................30
Băng tần truyền dẫn...............................................................................................31
Các băng tần được hỗ trợ......................................................................................32
4.1. Kỹ thuật đa truy nhập cho đường xuống OFDMA.......................................34
4.2. Kỹ thuật đa truy nhập đường lên LTE SC-FDMA.......................................49
4.2.1. SC-FDMA......................................................................................................49
4.2.2. Các tham số SC-FDMA.................................................................................50
4.2.3. Truyền dẫn dữ liệu hướng lên.......................................................................51
4.2.4. So sánh OFDMA và SC-FDMA....................................................................53
5. ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ MẠNG 4G...........................................................56
5.1. Ưu điểm của mạng 4G.................................................................................56
5.2. Hạn chế của mạng 4G LTE.........................................................................63
6. ỨNG DỤNG CỦA NGN..................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................69
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG
TIN DI ĐỘNG VÀ TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G
Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội.
Xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người
càng tăng lên và thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết
và tính tiện dụng của nó. Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã
trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ thế hệ di động thế hệ 1đến thế hệ
3 và thế hệ đang phát triển trên thế giới - thế hệ 4.
Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các đặc tính chung của các
hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G.
I. Giới Thiệu Về Hệ Thống Thông Tin Di Động.
Thông tin di động là hệ thống thông tin liên lạc thông qua sóng
điện. Các dịch vụ của điện thoại di động cho đến đầu những năm 1960
mới xuất hiện, các hệ thống điện thoại di động đầu tiên này chưa tiện
lợi và dung lượng rất thấp so với các hệ thống hiện nay.
Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý
tưởng về thiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của
mạng thông tin di động sau này. Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến
đầu tiên được thử nghiệm tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ.
Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh
hưởng lớn đến lĩnh vực thông tin di động. Ứng dụng các linh kiện bán
dẫn vào thông tin di động đã cải thiện một số nhược điểm mà trước đây
chưa làm được.
Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi
kết hợp được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công , đã giải được bài
toán khó về dung lượng.
1.
Các thế hệ mạng di động.
Hình 1: Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào
1.1.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G).
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất 1G, sử dụng công
nghệ analog gọi là đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) để truyền
kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di động. Các hệ
thống này phát triển ở cả Châu Âu, Bắc Mỹ và Nhật Bản.
Năm 1967, Nhật Bản đưa vào hệ thống di động tổ ong tương tự
đầu tiên của hãng NTT.
Năm 1981, hệ thống điện thoại di động của Bắc Âu (NMTNordic Mobile Telephone) được đưa vào khai thác. Hệ thống
này hoạt động ở cả hai băng tần 450-900MHz.
Tiếp đó năm 1983, Mỹ cho ra đời hệ thống thông tin di động
tiên tiến (AMPS-Advance Mobile Phone System).
Năm 1985, hệ thống thông tin truy nhập toàn phần (TACS-Total
Access Communication) được bắt đầu sử dụng ở nước Anh và
sau đó là ở Đức.
Năm 1991, Mỹ phát triển hệ thống AMPS thành hệ thống
AMPS băng hẹp N-AMPS (Narrowband AMPS). Với một số
thay đổi về băng tần, hệ thống N-AMPS có thể phục vụ nhiều
thuê bao hơn mà không cần thêm các cell mới. Vào thời điểm
này ở Mỹ cũng đã đưa vào thử nghiệm hệ thống số đầu tiên là
IS-54 nhưng không thành công.
1.1.1.
Đặc điểm
Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông
tuyến.
Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể.
Trạm thu phát gốc BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc
với mỗi MS trong cell.
Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động
tiên tiến AMPS.
1.1.2.Những hạn chế
Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập
đơn giản. Tuy nhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu ngày
càng tăng của người dùng về cả dung lượng và tốc độ. Nó bao
gồm các hạn chế sau :
Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ.
Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển
dịch trong môi trường fading đa tia.
Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động
và cơ sở hạ tầng.
Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi.
Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở
châu Âu, làm cho thuê bao không thể sử dụng được máy di
động của mình ở các nước khác.
Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp.
Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển
sang sử dụng kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng
với kỹ thuật đa truy cập mới ưu điểm hơn về cả dung lượng và
các dịch vụ được cung cấp. Vì vậy đã xuất hiện Hệ thống
thông tin di động thế hệ 2.
1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 ( 2G và 2.5G).
Hệ thống di động thế hệ thứ 2 sử dụng truyền vô tuyến số cho
việc truyền tải. Những hệ thống mạng 2G thì có dung lượng lớn hơn
những hệ thống mạng thế hệ thứ nhất. Một kênh tần số thì đồng thời
được chia ra cho nhiều người dùng bởi việc chia theo mã (Code
Division Multiple Access - CDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các
chuỗi mã khác nhau hoặc chia theo thời gian (Time Division Multiple
Access - TDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác
nhau.
1.2.1.Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA:
Vào cuối thập niên 1980, các hệ thống thế hệ thứ 2 (2G) sử dụng
công nghệ số đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) ra đời. Các
hệ thống này có ưu điểm là sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát,
đảm bảo chất lượng truyền dẫn yêu cầu, đảm bảo được an toàn thông
tin, cho phép chuyển mạng quốc tế…Đến đầu thập niên 1990, công
nghệ TDMA được dùng cho hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM
ở Châu Âu.
Trong hệ thống TDMA phổ tần số quy định cho liên lạc di động
được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng
chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian
(Time slot) trong chu kỳ một khung. Tin tức được tổ chức dưới dạng
gói, mỗi gói có bit chỉ thị đầu gói, chỉ thị cuối gói, các bit đồng bộ và
các bit dữ liệu. Không như hệ thống FDMA, hệ thống TDMA truyền
dẫn dữ liệu không liên tục và chỉ sử dụng cho dữ liệu số và điều chế số.
Các đặc điểm của TDMA
- TDMA có thể phân phát thông tin theo hai phương pháp là
phân định trước và phân phát theo yêu cầu. Trong phương pháp phân
định trước, việc phân phát các cụm được định trước hoặc phân phát
theo thời gian. Ngược lại trong phương pháp phân định theo yêu cầu
các mạch được tới đáp ứng khi có cuộc gọi yêu cầu, nhờ đó tăng được
hiệu suất sử dụng mạch.
- Trong TDMA các kênh được phân chia theo thời gian nên nhiễu
giao thoa giữa các kênh kế cận giảm đáng kể.
- TDMA sử dụng một kênh vô tuy ến để ghép nhiều luồng thông
tin thông qua việc phân chia theo thời gian nên cần phải có việc đồng
bộ hóa việc truyền dẫn để tránh trùng lặp tín hiệu. Ngoài ra, vì số
lượng kênh ghép tăng nên thời gian trễ do truy ền dẫn đa đường không
thể bỏ qua được, do đó sự đồng bộ phải tối ưu.
1.2.2.Đa truy cập phân chia theo mã CDMA
Năm 1985 công nghệ CDMA ra đời, đó là công nghệ đa thâm
nhập theo mã sử dụng kỹ thuật trải phổ được nghiên cứu và triển khai
bởi hãng Qualcomm Communication. Công nghệ này trước đó được
sử dụng chủ yếu trong quân sự và đến nay đã được sử dụng rộng rãi
nhiều nơi trên thế giới. Giữa thập kỷ 1990, đa truy cập phân chia theo
mã (CDMA) trở thành loại hệ thống 2G thứ 2 khi người Mỹ đưa ra
tiêu chuẩn nội địa IS-95.
Đối với hệ thống CDMA, tất cả người dùng sẽ sử dụng cùng lúc
một băng tần. Tín hiệu truyền đi sẽ chiếm toàn bộ băng tần của hệ
thống. Tuy nhiên, các tín hiệu của mỗi người dùng được phân biệt với
nhau bởi các chuỗi mã. Thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải
phổ cho nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến
đồng thời tiến hành các cuộc gọi, mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau.
Kênh vô tuyến CDMA được dùng lại mỗi cell trong toàn mạng,
và những kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu
nhiên PN.
Trong hệ thống CDMA, tín hiệu bản tin băng hẹp được nhân với
tín hiệu băng thông rất rộng, gọi là tín hiệu phân tán. Tín hiệu phân
tán là một chuỗi mã giả ngẫu nhiên mà tốc độ chip của nó rất lớn so với
tốc độ dữ liệu. Tất cả các users trong một hệ thống CDMA dùng chung
tần số sóng mang và có thể được phát đồng thời. Mỗi user có một từ
mã giả ngẫu nhiên riêng của nó và nó được xem là trực giao với các từ
mã khác. Tại máy thu, sẽ có một từ mã đặc trưng được tạo ra để tách
sóng tín hiệu có từ mã giả ngẫu nhiên tương quan với nó. Tất cả các mã
khác được xem như là nhiễu. Để khôi phục lại tín hiệu thông tin, máy
thu cần phải biết từ mã dùng ở máy phát. Mỗi thuê bao vận hành một
cách độc lập mà không cần biết các thông tin của máy khác.
Đặc điểm của CDMA
- Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz.
- Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.
- Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuy ến sử dụng có
cường độ trư ờng rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA,
TDMA.
- Việc các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho
thiết bị truyền dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số
không còn vấn đề, chuyển giao trở thành mềm, điều khiển dung lượng
cell rất linh hoạt.
- Chất lượng thoại cao hơn, dung lượng hệ thống tăng đáng kể
(có thể gấp từ 4 đến 6 lần hệ thống GSM), độ an toàn (tính bảo mật
thông tin) cao hơn do sử dụng dãy mã ngẫu nhiên để trải phổ, kháng
nhiễu tốt hơn, khả năng thu đa đường tốt hơn, chuy ển vùng linh hoạt.
Do hệ số tái sử dụng tần số là 1 nên không cần phải quan tâm đến
vấn đề nhiễu đồng kênh.
- CDMA không có giới hạn rõ ràng về số người sử dụng
như TDMA và FDMA. Còn ở TDMA và FDMA thì số người sử dụng
là cố định, không thể tăng thêm khi tất cả các kênh bị chiếm.
- Hệ thống CDMA ra đời đã đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn dịch
vụ thông tin di động tế bào. Đây là hệ thống thông tin di động băng
hẹp với tốc độ bit thông tin của người sử dụng là 8-13 kbps.
1.2.3.Quá trình phát triển 2.5G
Năm 1993 tại Nhật Bản, NTT đưa ra tiêu chuẩn di động số đầu
tiên của nước này (JPD-Japanish Personal Digital Cellular System) và
phát triển hệ thống thông tin di động số cá nhân (PDC-Personal Digital
Cellular) với băng tần hoạt động là 900-1400MHz. Ở Mỹ tiếp tục phát
triển hệ thống số IS54 thành phiên bản mới là IS-136 hay còn gọi là
AMPS số (D-AMPS ) và đã đạt được nhiều thành công.
Như vậy có 4 chuẩn chính đối với hệ thống 2G bao gồm: Hệ
Thống Thông Tin Di Động Toàn Cầu (GSM) và những dẫn xuất của nó;
AMPS số (D-AMPS); Đa Truy Cập Phân Chia Theo Mã IS-95; và
Mạng Tế Bào Số Hóa Cá Nhân (PDC). GSM đạt được thành công nhất
và được sử dụng rộng rãi trong hệ thống 2G.
Tuy nhiên GSM mới chỉ cung cấp được các dịch vụ thoại và nhắn
tin ngắn, trong khi nhu cầu truy nhập internet và các dịch vụ từ người
sử dụng là rất lớn nên GSM phát triển lên 2.5G.
Quá trình phát triển 2.5G : GSM HSCSD ( High Speed Circuit
Switched Data) GPRS (General Packet Radio Service) EDGE
( Enchanced Data Rates for GSM Evolution). Hệ thống 2.5G cho tốc
độ bit Data cao hơn 2G, hỗ trợ kết nối Internet và sử dụng phương thức
chuyển mạch gói. Mặc dù tiến bộ đáng kể nhưng 2.5G vẫn gặp phải các
hạn chế sau: tốc độ thấp và tài nguyên hạn hẹp, vì thế cần thiết phải
chuyển đổi lên mạng thông tin di động thế hệ tiếp theo.
1.3
Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 ( 3G và 3.5G ).
Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua
một giai đoạn trung gian là thế hệ 2,5 sử dụng công nghệ TDMA trong
đó kết hợp nhiều khe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ
CDMA trong đó có thể chồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử
dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng đã được đưa vào sử dụng như:
GPRS, EDGE và CDMA2000-1x. Ở thế hệ thứ 3 này các hệ thống
thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và
có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s. Để phân biệt với các
hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay , các hệ thống thông tin
di động thế hệ 3 gọi là các hệ thống thông tin di động băng rộng.
Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-2000 (International
Mobil Telecommunication-2000) cho hệ thống 3G với các ưu điểm
chính được mong đợi đem lại bởi hệ thống 3G là:
Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao.
Các dịch vụ tin nhắn ( e-mail, fax, SMS, chat,...).
Các dịch vụ đa phương tiện ( xem phim, xem truyền hình, nghe
nhac,...).
Truy nhập Internet ( duyệt Web, tải tài liệu,...).
Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương
thích toàn cầu giữa các hệ thống.
Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT2000 đã được đề xuất, trong đó 2 hệ thống W-CDMA và CDMA2000
đã được ITU chấp thuận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu
của những thập kỷ 2000. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ
CDMA, điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho
giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ 3.
W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access)
là sự nâng cấp của các hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử
dụng công nghệ TDMA như: GSM, IS-136. CDMA2000 là sự nâng
cấp của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ
CDMA: IS-95.
Yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3
Thông tin di động thế hệ thứ 3 xây dựng trên cơ sở IMT-2000
được đưa vào phục vụ từ năm 2001. Mục đích của IMT-2000 là đưa ra
nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời bảo đảm sự phát triển liên
tục của thông tin di động thế hệ 2.
Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau:
384 Kb/s đối với vùng phủ sóng rộng.
2 Mb/s đối với vùng phủ sóng địa phương.
Các tiêu chí chung để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ
ba (3G):
Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:
Đường lên : 1885-2025 MHz.
Đường xuống : 2110-2200 MHz.
Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình
thông tin vô tuyến:
Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến.
Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông.
Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở,
ngoài đường, trên xe, vệ tinh.
Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:
Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual Home
Environment) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân
và chuyển mạng toàn cầu.
Đảm bảo chuyển mạng quốc tế.
Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho
thoại, số liệu chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch
theo gói.
Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện.
Để thỏa mãn các dịch vụ đa phương tiện cũng như đảm bảo khả
năng truy nhập cập Internet băng thông rộng, IMT-2000 hứa hẹn cung
cấp băng thông 2Mbps, nhưng thực tế triển khai chỉ ra rằng với băng
thông này việc chuyển giao rất khó, vì vậy chỉ khi làm việc tại một chỗ
mới được đáp ứng băng thông kết nối này, còn khi đi bộ băng thông sẽ
là 384Kbps, khi di chuyển bằng ô tô sẽ là 144Kbps. Các hệ thống 3G
điển hình là:
UMTS (Universal Mobile Telephone System): dựa trên công
nghệ W-CDMA, là giải pháp được ưa chuộng cho các nước
đang triển khai các hệ thống GSM muốn chuyển lên 3G.
CDMA2000: Một chuẩn quan trọng khác của 3G, chuẩn này là
sự tiếp nối đối với các hệ thống đang sử dụng công nghệ
CDMA trong thế hệ 2
TD-SCDMA: được phát triển tại Trung Quốc bởi các công ty
Datang và Siemens
Hệ thống 3,5G là sự nâng cấp của 3G sử dụng các công nghệ như
công nghệ truy cập gói dữ liệu tốc độ cao HSPDA (High Speed
Downlink Packet Acces), song công phân chia theo thời gian TDD
(Time Division Duplex) và các công nghệ đặc quyền như Flash OFDM.
Tại Nhật Bản, NTT Docomo đã có kế hoạch khai trương các dịch vụ
HSDPA vào 2005.
1.4
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 ( 4G ).
Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sang thế hệ 4 qua giai đoạn
trung gian là thế hệ 3,5 có tên là mạng truy nhập gói đường xuống tốc
độ cao HSDPA. Thế hệ 4 là công nghệ truyền thông không dây thứ
tư, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý
tưởng lên tới 1 cho đ ến 1.5Gbps. Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn
tương lai của các thiết bị không dây. Các nghiên cứu đầu tiên của
NTT
DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ
100 Mbps khi di chuyển và tới 1 Gbps khi đứng yên, cho phép người
sử dụng có thể tải và truyền lên hình ảnh động chất lượng cao. Chuẩn
4G cho phép truyền các ứng dụng phương tiện truyền thông phổ biến
nhất, góp phần tạo nên các những ứng dụng mạnh mẽ cho các mạng
không dây nội bộ (WLAN) và các ứng dụng khác.
Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số
trực giao OFDM, là kỹ thuật nhiều tín hiệu được gởi đi cùng một lúc
nhưng trên những tần số khác nhau. Trong kỹ thuật OFDM, chỉ có một
thiết bị truyền tín hiệu trên nhiều tần số độc lập (từ vài chục cho đến
vài ngàn tần số). Thiết bị 4G sử dụng máy thu vô tuyến xác nhận bởi
phần mềm SDR (Software – Defined Radio) cho phép sử dụng băng
thông hiệu quả hơn bằng cách dùng đa kênh đồng thời. Tổng đài
chuyển mạch mạng 4G chỉ dùng chuyển mạch gói, do đó, giảm trễ thời
gian truyền và nhận dữ liệu.
II.
Tổng Quan Về Mạng 4G.
4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến
(IMT Advanced) được định nghĩa bởi ITU-R.Tốc độ dữ liệu đề ra là
100Mbps cho thuê bao di chuyển cao và 1Gbps cho thuê bao ít di
chuyển, băng thông linh động lên đến 40MHz. Sử dụng hoàn toàn trên
nền IP, cung cấp các dịch vụ như điện thoại IP, truy cập internet băng
rộng, các dịch vụ game và dòng HDTV đa phương tiện…
Hiện thế giới đang tồn tại 2 chuẩn công nghệ lõi của mạng 4G là
WiMax và Long Term Evolution (LTE). WiMax là chuẩn kết nối không
dây được phát triển bởi IEEE (Institute of Electrical and Electronics
Engineers) còn LTE là chuẩn do 3GPP, một bộ phận của liên minh các
nhà mạng sử dụng công nghệ GSM. Cả WiMax và LTE đều sử dụng
các công nghệ thu phát tiên tiến để nâng cao khả năng bắt sóng và hoạt
động của thiết bị, mạng lưới. Tuy nhiên, mỗi công nghệ đều sử dụng
một dải băng tần khác nhau.
Mục tiêu và cách tiếp cận
4G cung cấp QoS và tốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G
đang tồn tại, không chỉ là truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa
phương tiện (MMS), chat video,TV di động mà còn các dịch vụ HDTV,
các dịch vụ tối thiểu như thoại, dliệu và các dịch vụ khác Nó cho phép
chuyển giao giữa các mạng vô tuyến trong khu vực cục bộ và có thể kết
nối với hệ thống quảng bá video số.
Các mục tiêu mà 4G hướng đến :
Băng thông linh hoạt giữa 5 MHz đến 20 MHz, có thể lên
đến 40 MHz.
Tốc độ được quy định bởi ITU là 100 Mbps khi di chuy ển
tốc độ cao và 1 Gbps đối với thuê bao đứng yên so với
trạm.
Tốc độ dữ liệu ít nhất là 100 Mbps giữa bất kỳ hai điểm
nào trên thế giới.
Hiệu suất phổ đường truyền là 15bit/s/Hz ở đường xuống
và 6.75 bit/s/Hz ở đường lên (có nghĩa là 1000 Mbps ở
đường xuống và có thể nhỏ hơn băng thông 67 MHz)/
Hiệu suất sử dụng phổ hệ thống lên đến 3 bit/s/Hz/cell ở
đường xuống và 2.25 bit/s/Hz/cell cho việc sử dụng trong
nhà.
Chuyển giao liền (Smooth handoff) qua các mạng hỗn hợp.
Kết nối liền và chuyển giao toàn cầu qua đa mạng.
Chất lượng cao cho các dịch vụ đa phương tiện như âm
thanh thời gian thực, tốc độ dữ liệu cao, video HDTV, TV di
động…
Tương thích với các chuẩn không dây đang tồn tại
2.1
Tất cả là IP, mạng chuyển mạch gói không còn chuyển
mạch kênh nữa.
Các điểm cần xét đến
Vùng bao phủ, môi trường vô tuy ến, phổ, dịch vụ, mô hình
thương mại và sốngười s ử dụng.
Các kỹ thuật được sử dụng
Kỹ thuật sử dụng lớp vật lý:
- Không sử dụng CDMA
- MIMO : để đạt được hiệu suất phổ tần cao bằng cách sử
dụng phân tập theo không gian , đa anten đa người dùng.
- Sử dụng lượng tử hóa trong miền tần số, chẳng hạn như
OFDM hoặc SCFDE (single carrier frequency domain
equalization) ở đường xuống : để tận dụng thuộc tính chọn lọc
tần số của kênh mà không phải lượng tử phức tạp.
- Ghép kênh trong miền tần số chẳng hạn như OFDMA
hoặc SC-FDMA ở đường xuống : tốc độ bit thay đổi bằng việc
gán cho người dùng các kênh con khác nhau dựa trên điều kiện
kênh.
- Mã hóa sửa lỗi Turbo : để tối thiểu yêu cầu về tỷ số SNR
ở bên thu.
- Lập biểu kênh độc lập : để sử dụng các kênh thay đổi theo
thời gian.
- Thích nghi đường truyền : điều chế thích nghi và các mã
sửa lỗi.
Sự khác nhau giữa 3G và 4G
Hiện nay , công nghệ 3G cho phép truy cập Internet không
dây và các cuộc gọi có hình ảnh. 4G được phát triển trên các
thuộc tính kế th ừa từ công nghệ 3G. Về mặt lý thuy ết, mạng
không dây sử dụng công nghệ 4G sẽ có tốc độ nhanh hơn mạng
3G từ 4 đến 10 lần. Tốc độ tối đa của 3G là tốc độ tải xuống
14Mbps và 5.8Mbps tải lên . Với công nghệ 4G, tốc độ có thể
đạt tới 100Mbps đối với người dùng di động và 1Gbps đối với
người dùng cố định. 3G sử dụng ở các dải tần quy định quốc tế
cho UL : 1885-2025 MHz; DL : 2110-2200 MHz; với tốc độ từ
144kbps-2Mbps,độ rộng BW: 5 MHz. Đối với 4G LTE thì hoạt
động ở băng tần : 700 MHz-2,6 GHz với mục tiêu tốc độ dữ liệu
cao, độ trễ thấp, công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối
ưu. Tốc độ DL :100Mbps( ở BW 20MHz), UL : 50 Mbps với 2
aten thu một anten phát. Độ trễ nhỏ hơn 5ms với độ rộng BW
linh hoạt là ưu điểm của LTE so với WCDMA, BW từ 1.2 MHz,
2.5 MHz, 5MHz, 10 MHz, 15MHz, 20 MHz. Hiệu quả trải phổ
tăng 4 lần và tăng 10 lần số người dùng/cell so với
WCDMA.
2.1.1.Ưu điểm nổi bật
Tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều lần so với 3G.
Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trễ.
Cấu trúc mạng sẽ đơn giản hơn, và sẽ không còn chuyển mạch
kênh nữa.
Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần user/cell so với
WCDMA .
Độ rộng băng tần linh hoạt cũng là một ưu điểm quan trọng của
LTE đối với WCDMA
2.1.2.Các ứng dụng đã tạo nên ưu điểm của 4G LTE so với 3G
Hiệu suất phổ cao
- OFDM ở DL
Chống nhiễu đa đường
Hầu hết dữ liệu người dùng thì ít hơn di động
- SC-FDMA ở UL
PAPR thấp
Người dùng trực giao trong miền tần số
- MIMO
Tốc độ dữ liệu cao
-Phát nhiều dòng dữ liệu độc lập song song qua các anten
riêng lẻ => tăng tốc độ dữ liệu. (sử dụng MIMO)
Độ trễ thấp
-Thời gian cài đặt và th ời gian trì hoãn chuyển tiếp ngắn.
-Trễ HO và thời gian ngắt ngắn : TTI ngắn, trạng thái RRC
đơn giản
Giá thành rẻ
-Cấu trúc mạng đơn giản, giảm các thành phần của mạng.
Chất lượng dịch vụ cao
-Sử dụng các tần số cấp phép để đảm bảo chất lượng dịch
vụ: LTE sử dụng các dải tần số khác nhau : 2100MHz, 1900MHz,
1700MHz, 2600MHz, 900MHz, 800MHz.
-Luôn luôn thử nghiệm ( giảm thời gian trễ trong điều khiển
định tuyến)
-Giảm độ trễ khứ hồi ( round trip delay)
Tần số tái sử dụng linh hoạt
Giảm nhiễu liên cell với tần số tái sử dụng lớn hơn 1.
-Sử dụng hai dải tần số:
Dải 1 : hệ số tái sử dụng lớn hơn 1 => công suất phát cao
hơn
Dải 2: phổ còn lại
-Các user ở cạnh cell : sử dụng dải 1 => SIR tốt
-Các user ở trung tâm cell : sử dụng toàn bộ băng => tốc độ
dữ liệu cao
Dung lượng và vùng bao phủ của WCDMA UL bị
giới hạn bởi can nhiễu: can nhiễu bên trong cell và can nhiễu liên cell.
Nhưng đối với LTE thì: do tính trực giao nên can nhiễu trong cùng một
cell có thể không xét đến và giảm can nhiễu inter-cell bằng tái sử dụng
cục bộ, thêm các anten có thể triệt can nhiễu.
Chương 1 đã khái quát được những nét đặc trưng, ưu
nhược điểm và sự phát triển của các hệ thống thông tin di động thế hệ
1, 2 và 3, 4 đồng thời đã sơ lượt tổng quan của hệ thống thông tin
di động thế hệ 4. Hai thông số quan trọng đặc trưng cho các hệ
thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin của người sử
dụng và tính di động, ở các thế hệ tiếp theo các thông số này càng
được cải thiện. Nêu được ưu điểm của 4G so với 3G và các cơ sở để
hình thành ưu điểm đó. Để tìm hiểu thêm về 4G ta qua chương
tiếp theo .
CHƯƠNG 2:CÔNG NGHỆ MẠNG 4G – LTE
1. Công nghệ LTE.
1.1 Giới thiệu.
LTE (viết tắt của cụm từ Long Term Evolution, có nghĩa là Tiến
hóa dài hạn), công nghệ này được coi như công nghệ di động thế hệ thứ
4 (4G, nhưng thực chất LTE mới chỉ được coi như 3,9G).
4G – LTE là một chuẩn cho truyền thông không dây tốc độ dữ liệu
cao dành cho điện thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ liệu. Nó
dựa trên các công nghệ mạng GSM/EDGE và UMTS/HSPA, LTE nhờ
sử dụng các kỹ thuật điều chế mới và một loạt các giải pháp công nghệ
khác như lập lịch phụ thuộc kênh và thích nghi tốc độ dữ liệu, kỹ thuật
đa anten để tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu.
Kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu “tiến hoá” các công
nghệ truy cập vô tuyến đê đảm bảo tính cạnh tranh của 3GPP trong
khoảng thời gian 10 năm. Các yêu cầu cho LTE đã được định nghĩa và
hoàn tất vào tháng 6/2015.
Các yêu cầu của LTE:
Giảm trễ cả về thiết lập kết nối và độ trễ truyền dẫn
Tăng tỷ lệ dữ liệu người dùng.
Tăng tốc độ bit, thống nhất về cùng cấp dịch vụ.
Hỗ trợ lên đến 200 người dùng hoạt động trong một cell
(5MHz).
Hiệu suất cao trong khoảng 15 – 120km/h.
Giảm chi phí trên bit dữ liệu, nâng cao hiệu qur phổ truyền dẫn.
Tính linh hoạt hơn trong việc sử dụng phổ tần, trong cả băng
mới và băng đã tồn tại.
Đơn giản hoá cấu trúc mạng.
Di động đồng nhất, bao gồm giữa các côg nghệ truy cập vô
tuyến khác nhau.
Hợp lý điện năng tiêu thụ cho các thiết bị đầu cuối di động.
Hệ thống băng thông linh hoạt hơn nhờ vào mô hình đa truy cập
OFDMA và SC-FDMA. Thêm vào đó, FDD và TDD, bán song công
FDD cho phép các UE có giá thành thấp. Không giống như FDD, bán
song công FDD không yêu cầu phát và thu tại cùng thời điểm. điều này
làm giảm giá thành cho bộ song công trong UE. Truy cập tuyến lên dựa
vào đa truy cập phân chia theo tần số sóng mang, cho phép tăng vùng
phủ tuyến lên, làm tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình thấp
so với OFDMA.
LTE sử dụng tần số một cách linh động, có thể hoạt động ở băng
tần có độ rộng từ 1,25MHz cho tới 20MHz. Tốc độ truyền dữ liệu lớn
nhất (về lý thuyết) của LTE có thể đạt tới 25Mbps khi độ rộng băng
thông là 20MHz.
1.2 Các giai đoạn phát triển LTE.
Bắt đầu năm 2004, dự án LTE tập trung vào phát triển thêm
UTRAN và tối ưu cấu trúc truy cập vô tuyến của 3GPP.
Mục tiêu hướng đến là dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình
của một người dùng trên 1MHz so với mạng HSDPA Rel.6.
• Tải xuống gấp 3 đến 4 lần (100Mbps)
• Tải lên gấp 2 đến 3 lần (50Mbps).
Năm 2007, LTE của kí thuật truy cập vô tuyến thế hệ thứ 3
“EUTRA” phát triển từ những bước khả thi để đưa ra các đặc tính kĩ
thuật được chấp nhận. Cuối 2003, các kĩ thuật này được sử dụng trong
thương mại.
Các kĩ thuật OFDMA được sử dụng cho đường xuống và SCFDMA được sử dụng cho đường lên.
1.3 Tình hình triển khai LTE trên thế giới.
Theo thống kê và dự báo trên trang www.gsacom.com thì đến
tháng 9/2012 trên thế giới.
Có 347 nhà cung cấp đang đầu tư phát triển LTE.
292 nhà mạng đang lên kế hoạch triển khai LTE ở 93 quốc gia.
55 nhà mạng trên 11 quốc gia khác cam kết và đang thử nghiệm
công nghệ LTE. Trong đó có 3 nhà mạng của Việt Nam: VNPT,
Viettel và FPT.
- Xem thêm -