Tài liệu Nghiên cứu các kỹ thuật định vị trong mạng 4g lte

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI --------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã ngành: 60520203 ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ TRONG MẠNG 4G-LTE HỌC VIÊN THỰC HIỆN: LÊ THẾ TUẤN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS. LÊ NHẬT THĂNG Hà Nội, 5/2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những gì viết trong luận văn là do sự tham khảo, tìm tòi, học hỏi của bản thân và sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS. Lê Nhật Thăng. Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của tác giả khác (nếu có) đều được trích dẫn cụ thể. Đề tài luận văn này cho đến nay chưa được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào và cũng chưa hề được công bố trên bất kỳ một phương tiện nào. Tôi xin chịu trách nhiệm về những lời cam đoan trên! Hà nội, ngày tháng 05 năm 2021 Người cam đoan Lê Thế Tuấn i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành cuốn luận văn này, trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình đến PGS.TS. Lê Nhật Thăng đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn. Tôi chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa, các Thầy Cô giáo Khoa Công nghệ Điện tử Thông tin Trường Đại học Mở Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả những người thân của tôi đã quan tâm động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Với khả năng nghiên cứu của bản thân còn nhiều thiếu sót, tôi xin kính mong được sự chỉ dẫn và đóng góp của các chuyên gia, các Thầy Cô và các bạn đồng nghiệp để đề tài này được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................................ v DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................. vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................. viii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN MẠNG 4G-LTE .......................................... 3 1.1 Lịch sử phát triển các hệ thống thông tin di động..............................................3 1.1.1 Hệ thống 1G (hệ thống tương tự) ................................................................ 3 1.1.1.1 Lịch sử phát triển ..................................................................................3 1.1.1.2 Đặc điểm của hệ thống .........................................................................3 1.1.2 Hệ thống 2G (Digital) .................................................................................3 1.1.2.1 Lịch sử phát triển [1] ............................................................................3 1.1.3 Mạng thông tin di động 3G .........................................................................4 1.1.3.1 Đặc điểm và các kỹ thuật chính............................................................ 4 1.1.4 Thế hệ 3.5G .................................................................................................5 1.2 Mạng thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G LTE) .................................................5 1.2.1 Tổng quan mạng 4G LTE ...........................................................................5 1.2.2 Kiến trúc, đặc điểm mạng 4G LTE ............................................................. 7 1.2.2.1 Kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến ......................................................7 1.2.2.2 Kiến trúc mạng lõi ................................................................................8 1.2.3 Các kỹ thuật cho truy nhập vô tuyến trong LTE [2] .................................12 1.2.3.1 Công nghệ đa truy nhập cho đường xuống OFDM và OFDMA........12 1.2.3.2 Công nghệ đa truy nhập cho đường lên SC-FDMA ........................... 19 1.2.3.3 Điều phối nhiễu liên tế bào (Inter-cell interference coordination) .....21 1.2.4 Các băng tần hỗ trợ [2] ..............................................................................22 1.2.5 Công nghệ đa ăng ten MIMO trong LTE [2] ............................................22 1.2.6 Các kiến trúc giao thức trong mạng LTE [2] ............................................26 1.2.6.1 Điều khiển liên kết vô tuyến RLC (Radio Link Control) ...................26 1.2.6.2 Điều khiển truy nhập môi trường MAC (Medium Access Control) ..28 1.2.7 Các thủ tục truy nhập LTE [2] ..................................................................29 1.3 Kết luận chương 1 ............................................................................................ 32 CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ TRONG MẠNG 4G LTE .......................... 34 2.1 Hệ thống định vị toàn cầu được hỗ trợ (A-GNSS) ..........................................34 2.1.1 Hệ thống định vị toàn cầu GNSS .............................................................. 34 2.1.2 Hệ thống định vị toàn cầu được hỗ trợ (A-GNSS) [3] .............................. 36 iii 2.1.3 Đánh giá công nghệ định vị A-GNSS .......................................................38 2.2 Nhận dạng di động nâng cao (ECID) ............................................................... 38 2.3 Dấu vân tay vô tuyến (RF Fingerprinting) .......................................................40 2.4 Sự khác biệt thời gian đến quan sát được (OTDOA).......................................40 2.5 Kết hợp A-GNSS và OTDOA .........................................................................41 2.6 Độ chênh lệch thời gian tới của tín hiệu phát lên BS (UTDOA) .....................41 2.7 So sánh ưu nhược điểm các phương pháp định vị ...........................................42 2.8 Kết luận chương 2 ............................................................................................ 43 CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ TÍCH HỢP BỘ LỌC KALMAN .. 44 3.1 Phương pháp định vị OTDOA .........................................................................44 3.1.1 Phép đo chênh lệch thời gian của tín hiệu tham chiếu (RSTD) ................44 3.1.2 Bản đồ đo lường RSTD .............................................................................45 3.1.3 Phương trình định vị OTDOA cơ bản .......................................................45 3.1.4 Tín hiệu tham chiếu định vị (PRS) ............................................................ 46 3.1.5 Kiến trúc OTDOA trong mạng 4G-LTE ...................................................47 3.2 Giới thiệu Bộ lọc Kalman ................................................................................48 3.2.1 Một số lý thuyết về ước lượng ..................................................................48 3.2.1.1 Kỳ vọng (Expectation) .......................................................................48 3.2.1.2 Phương sai (Variance) ........................................................................48 3.2.1.3 Độ lệch chuẩn .....................................................................................49 3.2.1.4 Hiệp phương sai (Covariance)............................................................ 49 3.2.1.5 Ma trận hiệp phương sai .....................................................................50 3.2.2 Bộ lọc Kalman ........................................................................................... 51 3.3 Kỹ thuật định vị OTDOA có tích hợp Bộ lọc Kalman ....................................54 3.3.1 Mô hình mạng ........................................................................................... 54 3.3.1.1 Cấu trúc liên kết mạng........................................................................54 3.3.1.2 Mô hình lan truyền sóng vô tuyến ......................................................54 3.3.1.3 Xác định vị trí UE bằng OTDOA .......................................................58 3.3.1.4 Áp dụng bộ lọc Kalman......................................................................61 3.4 Mô Phỏng .........................................................................................................62 3.4.1 Kết quả mô phỏng .....................................................................................62 3.4.2 Đánh giá, nhận xét .....................................................................................65 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 67 PHỤ LỤC I .................................................................................................................. 68 iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Kiến trúc mạng 4G LTE 6 Hình 1.2 Mạng truy nhập vô tuyến: Các nút và các giao diện 7 Hình 1.3 Kiến trúc EPS cơ bản. 8 Hình 1.4 Kiến trúc EPS phục vụ nút gỗ trợ GPRS/EDGE 9 Hình 1.5 Cấu hình cho EPS hỗ trợ của 3GPP bao gồm cả truy cập UMTS / HSPA 9 Hình 1.6 Kiến trúc chi tiết mạng lõi LTE 10 Hình 1.7 Khung dữ liệu OFDM 13 Hình 1.8 Sơ đồ thu phát OFDM cơ bản 16 Hình 1.9 Xử lý số liệu OFDM 17 Hình 1.10 Khoảng bảo vệ 18 Hình 1.11 Sơ đồ OFDMA 19 Hình 1.12 Điều chế SC-FDMA cho các cuộc truyền hướng lên 21 Hình 1.13 Danh sách băng tần LTE 22 Hình 1.14 Nguyên tắc của truyền MIMO 23 Hình 1.15 Kỹ thuật Beamforming 25 Hình 1.16 Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền 25 Hình 1.17 Phân tập không gian giúp cải thiện SNR 26 Hình 1.18 Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống) 26 Hình 1.19 Phân đoạn và móc nối 27 Hình 1.20 Thí dụ về sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải 29 Hình 1.21 Tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp 31 Hình 1.22 Tổng quan của thủ tục truy nhập ngẫu nhiên 32 Hình 2.1 Hệ thống định vị toàn cầu GPS 35 Hình 2.2 Định vị A-GNSS 37 Hình 2.3 Phương pháp định vị ECID 39 Hình 3.1 vị trí UE theo tính toán của 03 eNodeB 44 Hình 3.2 Tín hiệu tham chiếu định vị 46 Hình 3.3 Kiến trúc định vị OTDOA 47 Hình 3.4 Mô hình đo lường ước lượng của bộ lọc Kalman 51 Hình 3.5 Ví dụ về Tín hiệu thu trước và sau khi lọc Kalman 52 Hình 3.6 Sơ đồ khối bộ phát eNodeb 56 v Hình 3.7 Kênh pha đinh MIMO + nhiễu AWGN 57 Hình 3.8 Sơ đồ máy thu LTE (UE) 58 Hình 3.9 Minh họa xác định vị trí UE 59 Hình 3.10 Khởi tạo vị trí các eNB và UE 60 Hình 3.11 Tương quan tín hiệu các eNB tại vị trí UE nhận được 60 Hình 3.12 Giao điểm các đường Hybebol tại vị trí UE 61 Hình 3.13 Hai bước xử lý lọc Kalman 62 Hình 3.14 Khởi tạo 90 eNodeB 63 Hình 3.15 Kết quả mô phỏng OTDOA ước lượng vị trí UE 63 Hình 3.16 Vị trí chính xác, vị trí ước lượng OTDOA, và Kalman Filter 64 Hình 3.17 Vận tốc thực tế và vận tốc ước lượng 65 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 So sánh ưu/nhược điểm các phương pháp định vị .........................................42 Bảng 3.1 Ý nghĩa của các ký hiệu dùng trong thuật toán Kalman ................................ 53 Bảng 3.2 Cấu hình trễ EPA ........................................................................................... 55 Bảng 3.3 Tần số Doppler tối đa .....................................................................................55 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 2G 2th Generation Thế hệ thứ 2 3G 3th Generation Thế hệ thứ 3 3GPP Third Generation Partnership Project Nhóm dự án đối tác thế hệ thứ 3 4G 4th Generation Thế hệ thứ 4 AGCH Access Grant Channel Kênh cho phép truy nhập ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền không đồng bộ AUC Authentication Center Trung tâm nhận thực BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá BSC Base Station Controller Bộ điểu khiển trạm gốc BSIC Basic station Indentity Code Mã nhận dạng trạm gốc BTS Base Transceiver station Trạm thu phát gốc CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CN Core Network Mạng lõi CP Control Plane Mặt phẳng điều khiển CPCH Common Physical Channel Kênh vật lý chung CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung CRC Cyclic Redundancy Check Mã dịch vòng CS Circuit Switch Chuyển mạch kênh CSCF Call state Controll Function Chức năng điều khiển cuộc gọi CSICH CPCH Status Indicator Channel Kênh chỉ thị trạng thái CPCH CSPDN Circuit Switch Public Data Network Mạng số liệu công cộng chuyển mạch kênh DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng DPCCH Dedicatde Physical Control Channel Kênh vật lý riêng DPCH Dedicate Physical Channel Downlink Kênh vật lý đường xuống DPDCH Physical Channel Dedicated Physical Kênh vật lý số liệu riêng DRNC Data Channel Drift Radio Network Bộ điều khiển mạng vô tuyến trôi DS SS Controller Direct Sequence Spread Trải phổ chuỗi trực tiếp viii DS-CDMA Spectrum Direct Sequence-Code Đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ chuỗi trực tiếp DSCH Division Multiple Access Downlink Kênh chia sẻ đường xuống EDGE Shared Channel Enhanced Data Rates for GSM Evolution Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM EIR Equipment Identity Register Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị ETSI European Telecommunication Standard Institute Fast Assocrated Viện tiêu chuẩn viễn thông châu âu FACCH Control Channel Forward Access Channel Kênh điều khiển liên kết nhanh GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ cổng GPRS GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu GTP GPRS Tunneling Protocol Giao thức xuyên hầm GPRS HLR Home Location Register Bộ định vị thường trú HSS Home Subscriber Server Dịch vụ thuê bao thường trú IF Intermediate Frequency Trung tần IMSI Internation Mobile Station Identity Nhận dạng trạm di động quốc tế IP Internet Protocol Giao thức Internet ISDN Integrated Sendee Digital Network Mạng số liên kết đa dịch vụ IWF Intel-working Function Chức năng tương tác mạng LAI Location Area Identity Nhận dạng vùng định vị MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập trung gian MCC Mobile Country Code Mã nước ME Mobile Equipment Thiết bị di động MME Mobile Managerment Entity Thực thể quản lý di động MGW Media Gateway Cổng các phương tiện MSC Mobile Service Switching Center Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di đông MS Mobile Station Trạm di động MSIN Mobile Station Identity Number Số nhận dạng trạm di động MSRN Mobile Station Random Number Số lưu động của trạm di động ix MT Mobile Terminal Máy di động OMC Operation and Management Center Hệ thông khai thác và bảo dưỡng mạng OTDOA Observed Time Difference Of Arrival Quan sát thời gian đến quan sát được PRS Positioning Reference Signal Tín hiệu tham chiếu định vị PACCH Packet Associated Control Channel Kênh điều khiển liên kiết gói PAGCH Packet Access Grant Channel Kênh cho phép truy nhập gói PCCCH Packet Common Control Channel Kênh điều khiển chung gói P-CCPCH Primary Common Control Physical Channel Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp PCH Paging Channel Kênh tìm gọi PCPCH Physical Common packet Channel Kênh vật lý gói chung PCU Packet Control Unit Khối điều khiển dữ liệu gói PDN Packet Data Network Mạng dữ liệu gói PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh vật lý chia sẻ đường xuống PDTCH Packet Data Traffic Channel Các kênh lưu lượng số liệu gói PICH Paging Indicator Channel Kênh chỉ thị tìm gọi PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động công cộng mặt đất PRACH Packet Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên gói PS Packet Switch Chuyên mạch gói PSTN Public Switch Telephone Network Mạng điện thoại chuyên mạch công cộng QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc UE User Equipment Thiết bị của người dùng UP User Plane Mặt phẳng người dùng RSTD Reference Signal Time Difference Sự khác biệt thời gian tín hiệu tham chiếu RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RANAP Radio Access Network Application Part Phần ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến x RF Radio Frequency Tần số vô tuyến (cao tần) RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến RSC Recursive Systematic Convoltional Bộ mã hóa xoắn hệ thống hồi quy R-SGW Roaming Signaling Gateway Cổng báo hiệu chuyển mạng SULP Secure User Plane Location Vị trí mặt phẳng người dùng an toàn SMLC Serving Mobile Location Center Trung tâm phục vụ vị trí di động S-CCPCH Secondary Common Control Physical Channel Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp SCH Synchronous Channel Kênh đồng bộ SF Spreading Factor Hệ số trải phổ SGSN Serving GPRS Support Note Điềm hồ trợ GPRS phục vụ SRNC Serving Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến dịch vụ TOA Time Of Arival Thời gian đến xi MỞ ĐẦU Dịch vụ định vị điện thoại di động hiện nay đã chiếm một vị trí rất quan trọng trong các loại hình dịch vụ gia tăng. Các doanh nghiệp viễn thông đang cố gắng phát triển các dịch vụ gia tăng để cung cấp nhiều hơn nữa những tiện ích cho khách hàng đồng thời mang lại nguồn lợi nhuận lớn hơn, bên cạnh đó giúp lực lượng an ninh quốc phòng (ANQP) thực hiện các biện pháp nghiệp vụ góp phần giữ gìn an ninh Quốc gia. Đối với các nhà khai thác mạng, họ có thể sử dụng dịch vụ định vị để triển khai rất nhiều các ứng dụng khác nhau như cứu hộ cứu nạn, theo dõi đối tượng, giám sát giao thông, các dịch vụ truy vấn dựa trên vị trí thuê bao khác ...Việc phát triển công nghệ định vị di động sẽ mở ra cơ hội cho rất nhiều thuê bao di động có thể sử dụng các tiện ích mà trước đây cần phải có các thiết bị GPS như: Tìm thấy vị trí của mình trên bản đồ, tìm thấy các quán ăn ưa thích, các máy ATM cũng như các siêu thị gần nhất… Trong tương lai mạng 5G việc định vị vị trí thuê bao là rất quan trọng, để có thể tối ưu hóa các tính năng của mạng, như phục vụ tốt hơn các phương tiện tự hành, nhà máy thông minh, thực tế tăng cường, thực tế ảo… Trong lĩnh vực ANQP, việc định vị các thiết bị di động sử dụng mạng 4G LTE có vai trò quan trọng. Đặc biệt vấn đề định vị, theo dõi, quản lý đối tượng là các thuê bao chuyên dụng, nghiệp vụ. Các trinh sát sử dụng thông tin di động khi thực hiện nhiệm vụ trong một số tình huống như chiến đấu, cứu hộ trong thảm họa, phòng chống khủng bố,… có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Trước nhu cầu thực tiễn đó, việc “Nghiên cứu các kỹ thuật định vị trong mạng 4G LTE” là vấn đề mang tính cấp thiết, khoa học và thực sự có ý nghĩa trong việc quản trị, khai thác và kinh doanh của các nhà mạng cũng như công tác nghiệp vụ của ANQP. Luận văn này, bao gồm 03 chương: Chương 1 nói về tổng quan về mạng 4G-LTE cho người đọc có cái nhìn nhận tổng quan hệ thống và cấu trúc mạng 4G-LTE với những ưu điểm vượt trội so với hệ thống thông di động 2G/3G trước đây. Chương 2 trình bày các kỹ thuật định vị trong mạng thông tin di động 4G-LTE, qua đó giúp ta có cái nhìn khái quát những ưu điểm nhược điểm của từng công nghệ khi ứng dụng vào thực thế để tăng khả năng định vị chính xác vị trí của thuê bao di động trong mạng 4G-LTE. 1 Chương 3 trình bày về phương pháp định vị OTDOA có tích hợp bộ lọc Kalman, từ đó đánh giá, nhận xét về khả năng ưu, nhược điểm của phương pháp trong việc định vị vị trí thuê bao trong thực tế. 2 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN MẠNG 4G-LTE Nội dung chương 1 sẽ trình bày sơ lược về lịch sử phát triển, đặc điểm công nghệ các mạng thông tin di động 1G/2G/3G/4G-LTE và trình bày tổng quan về mạng thông tin di động 4G-LTE, đặc điểm về công nghệ, cấu trúc mạng của công nghệ 4G-LTE và các ưu điểm của công nghệ 4G-LTE so với các công nghệ trước đây. 1.1 Lịch sử phát triển các hệ thống thông tin di động 1.1.1 Hệ thống 1G (hệ thống tương tự) 1.1.1.1 Lịch sử phát triển Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tương tự, là hệ thống truyền tín hiệu tương tự (analog) là mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại, được khơi mào ở Nhật vào năm 1979. Những công nghệ chính thuộc thế hệ thứ nhất này có thể kể đến là: NMT (Nordic Mobile Telephone) được sử dụng ở các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga. Cũng có một số công nghệ khác như AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem – hệ thống điện thoại di động tiên tiến) được sử dụng ở Mỹ và Úc; TACS (Total Access Communication Sytem – hệ thống giao tiếp truy cập tổng hợp) được sử dụng ở Anh, C- 45 ở Tây Đức, Bồ Đào Nha và Nam Phi, Radiocom 2000 ở Pháp; và RTMI ở Italia. [1] 1.1.1.2 Đặc điểm của hệ thống Hầu hết các hệ thống nếu là hệ thống analog và yêu cầu chuyển dữ liệu chủ yếu là âm thanh. Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba. Một số chuẩn trong hệ thống này là: NTM, AMPS, Hicap, CDPD, Mobitex, DataTac. Những điểm yếu của thế hệ 1G là dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọi không tin cậy, chất lượng âm thanh kém, không có chế độ bảo mật…do vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng. [1] 1.1.2 Hệ thống 2G (Digital) 1.1.2.1 Lịch sử phát triển [1] Năm 1982, hội nghị quản lý bưu điện và viễn thông ở Châu Âu (CEPT – European Conference of Postal and Telecommunications ad minstrations) thành lập 1 nhóm nghiên cứu, GSM – Group Speciale Mobile, mục đích phát triển chuẩn mới về thông tin di động ở Châu âu. Năm 1987, 13 quốc gia ký vào bản ghi nhớ và đồng ý giới thiệu mạng GSM vào năm 1991. - Hệ thống GSM làm việc trong một băng tần hẹp, dài tần cơ bản từ (890960MHz). Băng tần được chia làm 2 phần: + Uplink band từ (890 – 915) MHz 3 + Downlink ban từ (935 – 960) MHz Băng tần gồm 124 sóng mang được chia làm 2 băng, mỗi băng rộng 25MHz, khoảng cách giữa 2 sóng mang kề nhau là 200KHz. Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt cho 2 đường lên và xuống gọi là kênh song công. Khoảng cách giữa 2 tần số là không đổi bằng 45MHz. Mỗi kênh vô tuyến mang 8 khe thời gian TDMA và mỗi khe thời gian là một kênh vật lý trao đổi thông tin giữa MS và mạng GSM. Tốc độ mã từ (6.5-13)Kbps. 125 kênh tần số được đánh số từ 0 đến 124 được gọi là kênh tần số tuyệt đối ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number). [1] - Sử dụng các phương pháp đa truy nhập chính là: + Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA - Frequency Division Multiple Access). + Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA – Time Division Multiple Access). + Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA – Code Division Multiple Access). 1.1.3 Mạng thông tin di động 3G Mạng 3G đã được đề xuất để khắc phục những nhược điểm của các mạng 2G và 2.5G đặc biệt ở tốc độ thấp và không tương thích giữa các công nghệ như TDMA và CDMA giữa các nước. Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-200 (International Mobile Telecommunication-2000) cho hệ thống 3G với các ưu điểm chính được mong đợi đem lại bởi hệ thống 3G là: [2] - 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 nhạc,...) - 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. 1.1.3.1 Đặc điểm và các kỹ thuật chính Đặc điểm nổi bật nhất của mạng 3G là khả năng hỗ trợ một lượng lớn các khách hàng trong việc truyền tải âm thanh và dữ liệu – đặc biệt là ở các vùng đô thị - với tốc độ cao hơn và chi phí thấp hơn mạng 2G. 3G sử dụng kênh truyền dẫn 5 MHz để chuyển dữ liệu. Nó cũng cho phép việc truyền dữ liệu ở tốc độ 384 Kbps trong mạng di động và 2 Mbps trong hệ thống tĩnh. Người dùng hy vọng mạng 3G sẽ được phát triển hiệu quả hơn nữa, để các khách hàng của các mạng 3G khác nhau trên toàn cầu có thể kết nối với nhau. [2] 4 Kết cấu phân tầng: Hệ thống UMTS dựa trên các dịch vụ được phân tầng, không giống như mạng GSM. Ở trên cùng là tầng dịch vụ, đem lại những ưu điểm như triển khai nhanh các dịch vụ, hay các địa điểm được tập trung hóa. Tầng giữa là tầng điều khiển, giúp cho việc nâng cấp các quy trình và cho phép mạng lưới có thể được phân chia linh hoạt. Cuối cùng là tầng kết nối, bất kỳ công nghệ truyền dữ liệu nào cũng có thể được sử dụng và dữ liệu âm thanh sẽ được chuyển qua ATM/AAL2 hoặc IP/RTP. CDMA được dùng trong mạng IMT-2000 3G là WCDMA (Wideband CDMA) và cdma2000. - WCDMA là đối thủ của CDMA2000 và là một trong 2 chuẩn 3G, trải phổ rộng hơn đối với CDMA do đó có thể phát và nhận thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn. Tần số: có 6 băng sử dụng cho UMTS/WCDMA, tập trung vào UMTS tần số cấp phát trong 2 băng Uplink (1885 – 2025)MHz và Downlink (2110 – 2200) MHz. UMTS sử dụng WCDMA như một cơ cấu vận chuyển vô tuyến. Điều chế trên đường uplink và downlink là khác nhau. Downlink sử dụng dịch khóa pha cầu phương (QPSK) cho tất cả những kênh vận chuyển. Tuy nhiên, Uplink sử dụng 2 kênh riêng biệt để thực hiện quay vòng của bộ phát ở trạng thái on và off để không gây ra nhiễu trên đường audio, những kênh đôi (dual channel phase chifl keying) dùng để mã hóa dữ liệu người dùng tới I hoặc đầu vào In-phase tới bộ điều chế DQPSK, và điều khiển dữ liệu đã được mã hóa bằng việc sử dụng mã khác nhau tới đầu vào Q hoặc quadrature tới bộ điều chế. [2] 1.1.4 Thế hệ 3.5G 3,5G là những ứng dụng được nâng cấp dựa trên công nghệ hiện có của 3G. Công nghệ của 3,5G chính là HSDPA (High Speed Downlink Package Access). Đây là giải pháp mang tính đột phá về mặt công nghệ, được phát triển trên cơ sở của hệ thống 3G W-CDMA. HSDPA cho phép download dữ liệu về máy điện thoại có tốc độ tương đương tốc độ đường truyền ADSL, vượt qua những cản trở cố hữu về tốc độ kết nối của một điện thoại thông thường. [2] HSDPA là một bước tiến nhằm nâng cao tốc độ và khả năng của mạng di động tế bào thế hệ thứ 3 UMTS. HSDPA được thiết kế cho những ứng dụng dịch vụ dữ liệu như: dịch vụ cơ bản (tải file, phân phối email), dịch vụ tương tác (duyệt web, truy cập server, tìm và phục hồi cơ sở dữ liệu), và dịch vụ Streaming. [2] 1.2 Mạng thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G LTE) 1.2.1 Tổng quan mạng 4G LTE LTE là thế hệ thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới. 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho 5 LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối. Các mục tiêu của công nghệ này là: [2] - Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz: Tải xuống: 100 Mbps; Tải lên: 50 Mbps. - Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1 MHz so với mạng HSDPA Rel. 6: Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần; Tải lên: gấp 2 đến 3 lần. - Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0 – 15 km/h. Vẫn hoạt động tốt với tốc độ từ 15 – 120 km/h. Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120 – 350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng tần). - Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, giảm chút ít trong phạm vi đến 30km. Từ 30 – 100 km thì không hạn chế. - Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng 1.25 MHz, 1.6 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống. Hình 1.1 Kiến trúc mạng 4G LTE Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không. Để đạt được mục tiêu này, sẽ có rất nhiều kỹ thuật mới được áp dụng, trong đó nổi bật là kỹ thuật vô tuyến OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần số trực giao), kỹ thuật ăng ten MIMO (Multiple Input Multiple Output – nhiều đầu vào nhiều đầu ra). 6 Ngoài ra hệ thống này sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP (all-IP network), và hỗ trợ cả 2 chế độ FDD và TDD. Những hoạt động của 3GPP trong việc cải tiến mạng 3G vào năm 2005 đã xác định đối tượng, những yêu cầu và mục tiêu cho LTE. Những mục tiêu và yêu cầu này được dẫn chứng bằng tài liệu trong văn bản 3GPP TR 25.913. 1.2.2 Kiến trúc, đặc điểm mạng 4G LTE 1.2.2.1 Kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến a. Các chức năng của mạng truy nhập vô tuyến - Mã hóa đan xen, điều chế và các chức năng lớp vật lý điển hình khác. - ARQ nén tiêu đề và các chức năng lớp liên kết điển hình khác. - Các chức năng an ninh (mật mã hóa và bảo vệ tính toàn vẹn). - Các chức năng quản lí tài nguyên, chuyển giao và các chức năng điều khiển tài nguyên vô tuyến điển hình khác. Hình 1.2 Mạng truy nhập vô tuyến: Các nút và các giao diện Hình 1.2 cho thấy tổng quan mạng truy nhập vô tuyến LTE RAN với các nút và giao diện.Khác với WCDMA/HSPA RAN, LTE Ran chỉ có 1 kiểu nút. Như vậy trong LTE không có nút tương đương với RNC.Lý do chủ yếu là không có hỗ trợ phân tập vĩ mô đường lên, đường xuống cho lưu lượng riêng của người sử dụng và triết lý là giảm thiểu số lượng nút. eNodeB chịu trách nhiệm cho một tập các ô. Tương tự như nút B trong kiến trúc WCDMA/HSPA không cần sử dụng cùng 1 trạm ăng ten. eNodeB thừa hưởng các 7 chức năng của RNC, eNodeB phức tạp hơn nút B, eNodeB chịu trách nhiệm quản lý tài nguyên vô tuyến của 1 ô, các quyết định chuyển giao, lập biểu cho cả đường lên và đường xuống trong các ô của mình. * Giao diện giữa eNodeB với mạng lõi và với các eNodeB khác: - eNodeB được nối tới mạng lõi thông qua giao diện S1. Giao diện S1 giống như giao diện Iu nối giữa mạng lõi và RNC trong WCDMA/HSPA. - Giữa các eNodeB có giao diện X2 giống như giao diện Iur trong WCDMA/HSPA.Giao diện X2 chủ yếu được sử dụng để hỗ trợ di động chế độ tích cực. * Vai trò và chức năng của eNodeB, eNodeB có cùng chức năng như NodeB và ngoài ra nó còn có hầu hết chức năng RNC của WCDMA/HSPA.Với những chức năng như: - Thực hiện quyết định lập biểu cho cả đường lên và đường xuống. - Quyết định chuyển giao. - Chịu trách nhiệm về tài nguyên vô tuyến trong các ô của mình. - Thực hiện các chức năng lớp vật lý thông thường như mã hóa, giải mã,điều chế,giải điều chế,đan xen,giải đan xen… - Thực hiện cơ chế phát lại HARQ. 1.2.2.2 Kiến trúc mạng lõi Khi bắt đầu xây dựng tiêu chuẩn LTE RAN, công tác chuẩn hóa mạng lõi cũng được bắt đầu. Công tác này được gọi là phát triển kiến trúc hệ thống (SAE: System Architecturre Evolution). Mạng lõi được định nghĩa trong công tác SAE là sự phát triển triệt để từ mạng lõi GSM/GPRS và vì thế có tên gọi mới: lõi gói phát triển (EPC: Elvolved Packet Core). Phạm vi SAE chỉ bao gồm chuyển mạch gói không có miền chuyển mạch kênh, các cấu hình ESP cơ bản được mô tả như Hình 1.3 dưới đây: [2] Hình 1.3 Kiến trúc EPS cơ bản. 8