Tài liệu Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4g lte (long term evolution)

5 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, mạng không dây ngày càng trở nên phổ biến với sự ra đời của hàng loạt những công nghệ khác nhau nhƣ Wi-Fi (802.1x), WiMax (802.16)... Cùng với đó là tốc độ phát triển nhanh, mạnh của mạng viễn thông phục vụ nhu cầu sử dụng của hàng triệu ngƣời mỗi ngày. Hệ thống di động thế hệ thứ hai, với GSM và CDMA là những ví dụ điển hình đã phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia. Tuy nhiên, thị trƣờng viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung lƣợng và băng thông của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai. Sự ra đời của hệ thống di động thế hệ thứ ba với các công nghệ tiêu biểu nhƣ WCDMA hay HSPA là một tất yếu để có thể đáp ứng đƣợc nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của ngƣời sử dụng. Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G hay 3G vẫn đang phát triển không ngừng nhƣng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã bắt đầu tiến hành triển khai thử nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng và có thể sẽ trở thành chuẩn di động 4G trong tƣơng lai, đó là LTE (Long Term Evolution). Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này đã chứng tỏ năng lực tuyệt vời của công nghệ LTE và khả năng thƣơng mại hóa LTE đã đến rất gần. Trƣớc đây, muốn truy cập dữ liệu, phải cần có 1 đƣờng dây cố định để kết nối. Trong tƣơng lai không xa với LTE, có thể truy cập tất cả các dịch vụ mọi lúc mọi nơi trong khi vẫn di chuyển: xem phim chất lƣợng cao HDTV, điện thoại thấy hình, chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu v.v… với một tốc độ “siêu tốc”. Đó chính là sự khác biệt giữa mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) và mạng di động thế hệ thứ tƣ (4G). Tuy vẫn còn khá mới mẻ nhƣng mạng di động băng rộng 4G đang đƣợc kỳ vọng sẽ tạo ra nhiều thay đổi khác biệt so với những mạng di động hiện nay. Chính vì vậy, em đã lựa chọn làm đồ án tốt nghiệp về đề tài “Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE (Long Term Evolution)”. Đồ án đi vào tìm hiểu tổng quan về công nghệ LTE cũng nhƣ là những kỹ thuật và thành phần đƣợc sử dụng trong công nghệ này để có thể hiểu rõ thêm về những tiềm năng hấp dẫn mà công nghệ này sẽ mang lại và tình hình triển khai công nghệ này trên thế giới và tại VIỆT NAM . 6 Đề tài gồm 6 chƣơng : CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ LTE CHƢƠNG 2: KIẾN TRÚC MẠNG VÀ GIAO THỨC CHƢƠNG 3: TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE CHƢƠNG 4: LỚP VẬT LÝ LTE CHƢƠNG 5: CÁC THỦ TỤC TRUY NHẬP CHƢƠNG 6: TRIỂN KHAI LTE TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM Để thực hiện đồ án tốt nghiệp này, em đã sử dụng những kiến thức đƣợc trang bị trong 5 năm đại học và những kiến thức chọn lọc từ các tài liệu của các thầy giáo, cô giáo trong và ngoài trƣờng . Ngoài ra, đồ án còn sử dụng những tài liệu phổ biến rộng rãi trên Internet. Mặc dù đã rất cố gắng, nhƣng do hạn chế về thời gian cũng nhƣ những hiểu biết có hạn của một sinh viên nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót. Để đồ án đƣợc hoàn thiện hơn, em rất mong nhận đƣợc các ý kiến đóng góp của các thầy giáo, cô giáo cũng nhƣ các bạn sinh viên. Sinh viên thực hiện : Nguyễn Tuấn Anh 7 MỤC LỤC TỜ BÌA.....................................................................................................1 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP…………………………………3 LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................. 5 MỤC LỤC……………………………………………………………………7 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT........................................................................ 11 DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................ 18 DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................... 21 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG & GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE ........................................................ 22 1.1. Tổng quan về hệ thống thông tin di động ...................................................22 1.1.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất ( 1G) ....................................22 1.1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai ( 2G) ......................................23 1.1.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 ( 3G) .........................................25 1.2. Giới thiệu về công nghệ LTE .......................................................................27 CHƢƠNG 2 – KIẾN TRÚC MẠNG VÀ GIAO THỨC............................ 30 2.1. Kiến trúc mạng LTE ....................................................................................30 2.1.1. Tổng quan về cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống....................................31 2.1.2. Thiết bị ngƣời dùng ( UE) ........................................................................32 2.1.3. E-UTRAN nodeB (eNodeB) ....................................................................33 2.1.4. Thực thể quản lý tính di động (MME) .....................................................34 2.1.5. Cổng phục vụ ( S-GW) .............................................................................36 2.1.6. Cổng mạng dữ liệu gói( P-GW) ...............................................................38 2.1.7. Chức năng chính sách và tính cƣớc tài nguyên ( PCRF) .........................40 2.1.8. Máy chủ thuê bao thƣờng trú (HSS) ........................................................41 2.2. Các giao diện và giao thức trong cấu hình kiến trúc cơ bản của hệ thống ...............................................................................................................................41 2.3. QoS và kiến trúc dịch vụ mang chuyển ......................................................45 8 2.4. Giao thức trạng thái và chuyển tiếp trạng thái..........................................46 2.5. Hỗ trợ tính di động liên tục ..........................................................................47 2.6. Kiến trúc hệ thống phát quảng bá đa điểm ................................................50 CHƢƠNG 3 - TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE ......................... 54 3.1. Các chế độ truy nhập vô tuyến ....................................................................54 3.2. Băng tần truyền dẫn .....................................................................................54 3.3. Các băng tần đƣợc hỗ trợ ............................................................................55 3.4. Kỹ thuật đa truy nhập cho đƣờng xuống OFDMA ...................................56 3.4.1. OFDM ......................................................................................................56 3.4.2. Các tham số OFDMA ...............................................................................58 3.4.3. Truyền dẫn dữ liệu hƣớng xuống .............................................................61 3.5. Kỹ thuật đa truy nhập đƣờng lên LTE SC-FDMA ...................................63 3.5.1. SC-FDMA ................................................................................................63 3.5.2. Các tham số SC-FDMA ...........................................................................64 3.5.3. Truyền dẫn dữ liệu hƣớng lên ..................................................................66 3.5.4. So sánh OFDMA và SC-FDMA ..............................................................67 3.6. Tổng quan về kỹ thuật đa ăng ten MIMO..................................................69 3.6.1. Đơn đầu vào Đơn đầu ra (SISO) ..............................................................70 3.6.2. Đơn đầu vào đa đầu ra (SIMO) ................................................................70 3.6.3. Đa đầu vào đơn đầu ra (MISO) ................................................................70 3.6.4. Đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) .................................................................70 3.6.5. Kế hoạch LTE đa ăng ten .........................................................................72 3.6.5.1. Chế độ truyền dẫn đa ăng ten đường xuống LTE .......................... 73 3.6.5.2. Chế độ đa ăng ten hướng lên LTE ............................................... 75 CHƢƠNG 4 - LỚP VẬT LÝ LTE ............................................................... 76 4.1. Các kênh truyền tải và ánh xạ của chúng tới các kênh vật lý ..................76 4.2. Điều chế ..........................................................................................................77 4.3. Truyền tải dữ liệu ngƣời sử dụng hƣớng lên .............................................78 4.4. Truyền dẫn dữ liệu ngƣời dùng hƣớng xuống ...........................................83 9 4.5. Truyền dẫn tín hiệu lớp vật lý hƣớng lên ...................................................87 4.5.1. Kênh điều khiển đƣờng lên vật lý ( PUCCH) ..........................................88 4.5.2. Cấu hình PUCCH .....................................................................................89 4.5.3. Báo hiệu điều khiển trên PUSCH .............................................................89 4.6. Cấu trúc PRACH (Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý) ............................92 4.7. Truyền dẫn báo hiệu lớp vật lý hƣớng xuống ............................................93 4.7.1. Kênh chỉ thị định dạng điều khiển vật lý (PCFICH) ................................93 4.7.2. Kênh điều khiển hƣớng xuống vật lý ( PCDCH) ....................................94 4.7.3. Kênh chỉ thị HARQ vật lý ( PHICH) .......................................................95 4.7.4. Các chế độ truyền dẫn hƣớng xuống ........................................................95 4.7.5. Kênh quảng bá vật lý ( PBCH) .................................................................96 4.7.6. Tín hiệu đồng bộ.......................................................................................97 4.8. Các thủ tục lớp vật lý....................................................................................98 4.8.1. Thủ tục HARQ .........................................................................................98 4.8.2. Ứng trƣớc định thời ..................................................................................99 4.8.3. Điều khiển công suất ..............................................................................100 4.8.4. Nhắn tin ..................................................................................................101 4.8.5. Thủ tục báo cáo phản hồi kênh ...............................................................101 4.8.6. Hoạt động chế độ bán song công ...........................................................102 4.8.7. Các lớp khả năng của UE và các đặc điểm đƣợc hỗ trợ .........................102 4.9. Đo lƣờng lớp vật lý......................................................................................103 4.9.1. Đo lƣờng eNodeB...................................................................................103 4.9.2. Đo lƣờng UE ..........................................................................................104 4.10. Cấu hình tham số lớp vật lý .....................................................................104 CHƢƠNG 5 – CÁC THỦ TỤC TRUY NHẬP ......................................... 106 5.1. Thủ tục dò tìm ô ..........................................................................................106 5.1.1. Các bƣớc của thủ tục dò tìm ô ................................................................106 5.1.2. Cấu trúc thời gian/tần số của tín hiệu đồng bộ .......................................108 5.1.3. Dò tìm ban đầu và dò tìm ô lân cận........................................................109 10 5.2. Truy nhập ngẫu nhiên ................................................................................110 5.2.1. Bƣớc 1 : Truyền dẫn phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên ......................111 5.2.2. Bƣớc 2 : Đáp ứng truy nhập ngẫu nhiên ................................................115 5.2.3. Bƣớc 3: Nhận dạng thiết bị đầu cuối ......................................................116 5.2.4. Bƣớc 4: Giải quyết tranh chấp................................................................117 CHƢƠNG 6 – TÌNH HÌNH TRIỂN KHAI LTE TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM .......................................................................................... 118 6.1. Triển khai LTE trên thế giới .....................................................................118 6.2. Triển khai LTE tại VIỆT NAM ................................................................122 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .................................. 124 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ....................................... 125 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ĐỌC DUYỆT ........................................ 125 LỜI CẢM ƠN .............................................................................................. 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 127 11 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3GPP Third Generation Partnership Project AAA Authentication, Authorization and Accounting ACF Analog Channel Filter ACIR Adjacent Channel Interference Rejection ACK Acknowledgement ACLR Adjacent Channel Leakage Ratio ACS Adjacent channel selectivity ADC Analog-to Digital Conversion ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line AM Acknowledged Mode AMBR Aggregate Maximum Bit Rate AMD Acknowledged Mode Data AMR Adaptive Multi-Rate AMR-NB Adaptive Multi-Rate Narrowband AMR-WB Adaptive Multi-Rate Wideband ARP Allocation Retention Priority ATB Adaptive Transmission Bandwidth AWGN Additive White Gaussian Noise AMPS Advanced Mobile Phone Sytem BB BCCH BCH AMPS Baseband Broadcast Control Channel Broadcast Channel Advanced Mobile Phone Sytem BPF BPSK BS BSC BSR BTS BW CAZAC Band Pass Filter Binary Phase Shift Keying Base Station Base Station Controller Buffer Status Report Base Transceiver Station Bandwidth Constant Amplitude Zero Autocorrelation Codes Dự án các đối tác thế hệ thứ ba Xác thực, cấp phép và tính cƣớc Bộ lọc kênh tƣơng tự Loại bỏ nhiễu kênh lân cận Sự báo nhận Tỉ lệ dò kênh lân cận Chọn lọc kênh lân cận Chuyển đổi tƣơng tự - số Đƣờng dây thuê bao số không đối xứng Chế độ báo nhận Tốc độ bít tối đa cấp phát Dữ liệu chế độ báo nhận Đa tốc độ thích ứng Băng hẹp đa tốc độ thích ứng Băng rộng đa tốc độ thích ứng Ƣu tiên duy trì cấp phát Băng thông truyền dẫn thích nghi Nhiễu Gauss trắng thêm vào Hệ thống điện thoại di động tiên tiến Băng gốc Kênh điều khiển phát quảng bá Kênh phát quảng bá Hệ thống điện thoại di động tiên tiến Bộ lọc băng tần Khóa dịch pha nhị phân Trạm gốc Điều khiển trạm gốc Báo cáo tình trạng bộ đệm Trạm thu phát gốc Dải thông Mã tự tƣơng quan zero biên độ không đổi 12 CBR CCE CCCH CDD CDF CDM CDMA AIR CP CPICH CQI CRC C-RNTI CS CSCF D-BCH DCCH DCI DFCHA DFT DL UL DL-SCH DPCCH DTX DwPTS E-DCH EDGE EPC EPDG EUTRAN EDO FD FDD FDM Constant Bit Rate Control Channel Element Common Control Channel Cyclic Delay Diversity Cumulative Density Function Code Division Multiplexing Code Division Multiple Access Carrier to Interference Ratio Cyclic Prefix Common Pilot Channel Channel Quality Information Cyclic Redundancy Check Ô Radio Network Temporary Identifier Circuit Switched Call Session Control Function Dynamic Broadcast Channel Dedicated Control Channel Downlink Control Information Dynamic Frequency and Channel Allocation Discrete Fourier Transform Downlink uplink Downlink Shared Channel Dedicated Physical Control Channel Discontinuous Transmission Downlink Pilot Time Slot Enhanced DCH Enhanced Data Rates for GSM Evolution Evolved Packet Core Evolved Packet Data Gateway Evolved Universal Terrestrial Radio Access Evolution Data Only Frequency Domain Frequency Division Duplex Frequency Division Multiplexing Tốc độ bít không đổi Phần tử kênh điều khiển Kênh điều khiển chung Phân tập trễ vòng Chức năng mật độ tích lũy Ghép kênh phân chia theo mã Đa truy nhập phân chia theo mã Tỷ số sóng mang trên tập âm Tiền tố vòng Kênh điều khiển chung Thông tin chất lƣợng kênh Kiểm tra dƣ vòng Nhận dạng tạm thời mạng vô tuyến tế bào Chuyển mạch kênh Chức năng điều khiển phiên cuộc gọi Kênh phát quảng bá động Kênh điều khiển riêng Thông tin điều khiển đƣờng xuống Cấp phát kênh và tần số động Biến đổi fourier rời rạc Đƣờng xuống Đƣờng lên Kênh chia sẻ đƣờng xuống Kênh điều khiển vật lý riêng Truyền phát không liên tục Khe thời gian điều khiển đƣờng xuống DCH đƣợc tăng cƣờng Tốc độ dữ liệu tăng cƣờng cho GSM phát triển Mạng lõi gói phát triển Cổng dữ liệu gói phát triển Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu phát triển Chỉ có dữ liệu phát triển Miền tần số Song công phân chia tần số Ghép kênh phân chia tần số 13 FDPS FFT FS GERAN GGSN GP GPRS GPS GRE GSM Frequency Domain Packet Scheduling Fast Fourier Transform Frequency Selective Lập biểu gói miền tần số GSM/EDGE Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến GSM/EDGE Gateway GPRS Support Node Guard Period General packet radio service Global Positioning System Generic Routing Encapsulation Global System for Mobile Communications GTP GPRS Tunneling Protocol GTP-C GPRS Tunneling Protocol, Control Plane GUTI Globally Unique Temporary Identity GW Gateway HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest HO Handover HSDPA High Speed Downlink Packet Access HS-DSCH High Speed Downlink Shared Channel HSCSD High Speed Circuit Switched Data HSPA High Speed Packet Access HSHigh Speed Physical Downlink PDSCH Shared Channel HSS Home Subscriber Server HS-SCCH High Speed Shared Control Channel HSUPA High Speed Uplink Packet Access ICI Inter-carrier Interference ICIC Inter-ô Interference Control ID Identity IFFT Inverse Fast Fourier Transform IMS IP Multimedia Subsystem IMT International Mobile Telecommunications Biến đổi furier nhanh Lựa chọn tần số Nút cổng hỗ trợ GPRS Khoảng bảo vệ Dịch vụ vô tuyến gói chung Hệ thống định vị toàn cầu Đống gói định tuyến chung Hệ thống truyền thông di động toàn cầu Giao thức đƣờng hầm GPRS Mặt phẳng điều khiển, giao thức đƣờng hầm GPRS Nhận dạng tạm thời duy nhất toàn cầu Cổng Yêu cầu lặp lại tự động hỗ hợp Sự chuyển vùng Truy nhập gói đƣờng xuống tốc độ cao Kênh chia sẻ đƣờng xuống tốc độ cao Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao Truy nhập gói tốc độ cao Kênh chia sẻ đƣờng xuống vật lý tốc độ cao Máy chủ thuê bao thƣờng trú Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao Truy nhập gói đƣờng lên tốc độ cao Nhiễu liên sóng mang Điều khiển nhiễu liên ô Nhận dạng Biến đổi furier nhanh nghịch đảo Hệ thống con đa phƣơng tiện IP Truyền thông di động quốc tế 14 IP ISDN ISI LNA LO LOS LTE MAC MAP MBMS MBR MCH MCS MGW MIMO MIP MM MME MPR MSC NACK NAS NAS NB NMT OFDM OFDMA O&M PAPR PAR PC PCCC PCCPCH PCFICH PCH Internet Protocol Integrated Services Digital Network Inter Symbols Interference low noise amplifier Local Oscillator Line of Sight Long Term Evolution Medium Access Control Mobile Application Part Multimedia Broadcast Multicast System Maximum Bit Rate Multicast Channel Modulation and Coding Scheme Media Gateway Multiple Input Multiple Output Mobile IP Mobility Management Mobility Management Entity Maximum Power Reduction Mobile Switching Center Negative Acknowledgement Non-access Stratum Network Address Table Narrowband Nordic Mobile Telephone Orthogonal Frequency Division Multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access Operation and Maintenance Peak to Average Power Ratio Peak-to-Average Ratio Power Control Parallel Concatenated Convolution Coding Primary Common Control Physical Channel Physical Control Format Indicator Channel Paging Channel Giao thức Internet Mạng số dịch vụ tích hợp Nhiễu liên ký tự Khuyêch đại âm nhiễu thấp Bộ dao động nội Tầm nhìn thẳng Sự phát triển dài hạn Điều khiển truy nhập môi trƣờng Phần ứng dụng di động Hệ thống phát quảng bá đa điểm đa phƣơng tiện Tốc độ bít tối đa Kênh đa điểm Sơ đồ mã hóa và điều chế Cổng phƣơng tiện Đa đầu vào đa đầu ra IP di động Quản lý tính di động Phần tử quản lý tính di động Sự giảm công suất tối đa Chung tâm chuyển mạch di động Báo nhận không thành công Tầng không truy nhập Bảng địa chỉ mạng Băng hẹp Điện thoại di động Bắc Âu Ghép kênh phân chia tần số trực giao Đa truy nhập phân chia tần số trực giao Vận hành và bảo dƣỡng Tỉ lệ công suất đỉnh tới trung bình Tỉ lệ đỉnh-trung bình Điều khiển công suất Mã xoắn ghép song song Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp Kênh chỉ thị dạng điều khiển vật lý Kênh nhắn tin 15 PCI PCM PCRF PCS PDCCH PDCP PDN PDU PDSCH P-GW PHICH PHY PLL PLMN PMIP PN PRACH PRB PS PSD PSS PUCCH PUSCH QAM QCI QoS QPSK RACH RAN RAR RB RBG RF RI Physical Ô Identity Pulse Code Modulation Policy and Charging Resource Function Personal Communication Services Physical Downlink Control Channel Packet Data Convergence Protocol Packet Data Network Payload Data Unit Physical Downlink Shared Channel Packet Data Network Gateway Physical HARQ Indicator Channel Physical Layer Phase Locked Loop Public Land Mobile Network Proxy Mobile IP Phase Noise Physical Random Access Channel Physical Resource Block Packet Switched Power Spectral Density Primary Synchronization Signal Physical Uplink Control Channel Physical Uplink Shared Channel Quadrature Amplitude Modulation QoS Class Identifier Quality of Service Quadrature Phase Shift Keying Random Access Channel Radio Access Network Random Access Response Resource Block Radio Bearer Group Radio Frequency Rank Indicator Nhận dạng ô vật lý Điều chế xung mã Chức năng tính cƣớc tài nguyên và chính sách Dịch vụ truyền thông cá nhân Kênh điều khiển đƣờng xuống vật lý Giao thức hội tụ dữ liệu gói Mạng dữ liệu gói Đơn vị dữ liệu tải tin Kênh chia sẻ đƣờng xuống vật lý Cổng mạng dữ liệu gói Kênh chỉ thị HARQ vật lý Lớp vật lý Vòng khóa pha Mạng di động mặt đất công cộng IP di động ủy nhiệm Tiếng ồn pha Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý Khối tài nguyên vật lý Chuyển mạch gói Mật độ phổ công suất Tín hiệu đồng bộ sơ cấp Kênh điều khiển hƣớng lên vật lý Kênh chia sẻ hƣớng lên vật lý Điều chế biên độ cầu phƣơng Nhận dạng cấp QoS Chất lƣợng dịch vụ Khóa dịch pha vuông góc Kênh truy nhập ngẫu nhiên Mạng truy nhập vô tuyến Đáp ứng truy nhập ngẫu nhiên Khối tài nguyên Nhóm truyền tải vô tuyến Tần số vô tuyến Chỉ thị bậc 16 RLC RNC RRC RRM RS RSCP RSRP RSRQ RSSI SAE SCCPCH SCM SCFDMA SCH SCTP SDU SFBC SFN SGSN S-GW SIB SIMO SMS SNR SON SR S-RACH SRB SRS SSS SUMIMO S1AP TA TBS Radio Link Control Radio Network Controller Radio Resource Control Radio Resource Management Reference Signal Received Symbol Code Power Reference Symbol Received Power Reference Symbol Received Quality Received Signal Strength Indicator System Architecture Evolution Secondary Common Control Physical Channel Spatial Channel Model Single Carrier Frequency Division Multiple Access Synchronization Channel Stream Control Transmission Protocol Service Data Unit Space Frequency Block Coding System Frame Number Serving GPRS Support Node Serving Gateway System Information Block Single Input Multiple Output Short Message Service Signal to Noise Ratio Self Optimized Networks Scheduling Request Short Random Access Channel Signaling Radio Bearer Sounding Reference Signals Secondary Synchronization Signal Single User Multiple Input Multiple Output S1 Application Protocol Tracking Area Transport Block Size Điều khiển kết nối vô tuyến Điều khiển mạng vô tuyến Điều khiển tài nguyên vô tuyến Quản lý tài nguyên vô tuyến Tín hiệu chuẩn Công suất mã ký hiệu nhận đƣợc Công suất thu đƣợc ký hiệu chuẩn Chất lƣợng thu đƣợc ký hiệu chuẩn Chỉ thị cƣờng độ tín hiệu thu đƣợc Phát triển kiến trúc hệ thống Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp Chế độ kênh không gian Đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang Kênh đồng bộ Giao thức truyền dẫn điều khiển luồng Đơn vị dữ liệu dịch vụ Mã khối tần số không gian Số khung hệ thống Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS Cổng phục vụ Khối thông tin hệ thống Đơn đầu vào đa đầu ra Dịch vụ bản tin ngắn Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu Mạng tự tối ƣu Yêu cầu lập lịch biểu Kênh truy nhập ngẫu nhiên ngắn Phần tử mang báo hiệu vô tuyến Tín hiệu chuẩn thăm dò Tín hiệu đồng bộ thứ cấp Đơn ngƣời dùng - Đa đầu vào đa đầu ra Giao thức ứng dụng S1 Khu vực theo dõi Kích thƣớc khối truyền tải 17 TACS TD TDD TD-LTE TDSCDMA TPC TRX TTI UDP UE UL UL-SCH UMTS UpPTS USIM UTRA UTRAN V-MIMO VoIP WCDMA WLAN X1AP Total Access Communication Sytem Time Domain Time Division Duplex Time Division Long Term Evolution Time Division Synchronous Code Division Multiple Access Transmit Power Control Transceiver Transmission Time Interval Unit Data Protocol User Equipment Uplink Uplink Shared Channel Universal Mobile Telecommunications System Uplink Pilot Time Slot Universal Subscriber Identity Module Universal Terrestrial Radio Access Universal Terrestrial Radio Access Network Virtual MIMO Voice over IP Wideband Code Division Multiple Access Wireless Local Area Network X1 Application Protocol Hệ thống truyền thông truy nhập toàn phần Miền thời gian Song công phân chia thời gian Phân chia theo thời gian - LTE Phân chia theo thời gian – đa truy nhập phân chia theo mã đồng bộ Điều khiển công suất phát Bộ thu phát Khoảng thời gian truyền Giao thức đơn vị dữ liệu Thiết bị đầu cuối Đƣờng lên Kênh chia sẻ đƣờng lên Hệ thống thông tin di động toàn cầu Khe thời gian dẫn hƣớng đƣờng lên Modun nhận dạng thuê bao toàn cầu Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu MIMO ảo Thoại qua IP Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng Mạng nội bộ không dây Giao thức ứng dụng X1 18 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tiến trình phát triển của thông tin di động ............................................ 22 Hình 2.1 Phát triển kiến trúc 3GPP hƣớng tới kiến trúc phẳng hơn ...................... 30 Hình 2.2. Kiến trúc hệ thống cho mạng chỉ có E-UTRAN ................................... 31 Hình 2.3 eNodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính ............... 34 Hình 2.4 MME kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính .................. 36 Hình 2.5. Các kết nối S-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính .......... 37 Hình 2.6 P-GW kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính ............... 39 Hình 2.7 PCRF kết nối tới các nút logic khác & các chức năng chính .................. 40 Hình 2.8 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển trong EPS ............................ 42 Hình 2.9 ngăn xếp giao thức mặt phẳng ngƣời dùng trong EPC ........................... 44 Hình 2.10 Các ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng ngƣời dùng cho giao diện X2…………………………………………………………………...44 Hình 2.11 Kiến trúc dịch vụ mang truyền EPS .................................................... 46 Hình 2.12. Trạng thái của UE và chuyển tiếp trạng thái ....................................... 47 Hình 2.13. Hoạt động chuyển giao ..................................................................... 48 Hình 2.14. Khu vực theo dõi cập nhật cho UE ở trạng thái RRC rảnh rỗi ............. 49 Hình 2.15. Khu vực dịch vụ eMBMS và các khu vực MBSFN ........................... 51 Hình 2.16 Kiến trúc logic eMBMS ..................................................................... 52 Hình 2.17 Kiến trúc mặt phẳng ngƣời dùng eMBMS cho đồng bộ nội dung ......... 53 Hình 3.1 Biểu diễn tần số-thời gian của một tín hiệu OFDM ............................... 57 Hình 3.2 Sự tạo ra ký hiệu OFDM có ích sử dụng IFFT ...................................... 57 Hình 3.3 Sự tạo ra chuỗi tín hiệu OFDM ............................................................ 58 Hình 3.4 Cấp phát sóng mang con cho OFDM & OFDMA .................................. 58 Hình 3.5 Cấu trúc khung loại 1 ........................................................................... 59 Hình 3.6 Cấu trúc khung loại 2 ........................................................................... 59 19 Hình 3.7 lƣới tài nguyên đƣờng xuống ............................................................... 60 Hình 3.8 Ghép kênh thời gian – tần số OFDMA.................................................. 61 Hình 3.9 Phát và thu OFDMA ............................................................................ 62 Hình 3.10 Sơ đồ khối DFT-S-OFDM ................................................................. 64 Hình 3.11 Lƣới tài nguyên đƣờng lên ................................................................. 65 Hình 3.12 Phát & thu hƣớng lên LTE ................................................................. 67 Hình 3.14 Các chế độ truy nhập kênh vô tuyến ................................................... 69 Hình 3.15 MIMO 2×2 , không có tiền mã hóa ..................................................... 71 Hình 3.16 Xử lý tín hiệu cho phân tập phát và ghép kênh không gian (MIMO).…73 Hình 3.17 Đa ngƣời sử dụng MIMO trong hƣớng lên .......................................... 75 Hình 4.1 Ánh xạ của các kênh truyền tải hƣớng lên tới các kênh vật lý ................ 77 Hình 4.2 Ánh xạ các kênh truyền tải hƣớng xuống tới các kênh vật lý .................. 77 Hình 4.3 Các chòm điểm điều chế trong LTE ..................................................... 78 Hình 4.4 Cấp phát tài nguyên hƣớng lên đƣợc điều khiển bởi bộ lập biểu eNodeB 79 Hình 4.5 Cấu trúc khung LTE FDD .................................................................... 79 Hình 4.6 Tốc độ dữ liệu giữa các TTI theo hƣớng đƣờng lên ............................... 80 Hình 4.7 Cấu trúc khe đƣờng lên với tiền tố vòng ngắn và dài ............................. 80 Hình 4.8 Chuỗi mã hóa kênh PUSCH ................................................................. 82 Hình 4.9 Ghép kênh của thông tin điều khiển và dữ liệu ...................................... 82 Hình 4.10 Cấp phát tài nguyên đƣờng xuống tại eNodeB .................................... 83 Hình 4.11 Cấu trúc khe đƣờng xuống cho băng thông 1,4MHz ............................ 84 Hình 4.12 Chuỗi mã hóa kênh DL-SCH.............................................................. 84 Hình 4.13 Ví dụ về chia sẻ tài nguyên đƣờng xuống giữa PDCCH & PDSCH ...... 85 Hình 4.14 Sự tạo thành tín hiệu hƣớng xuống ..................................................... 86 Hình 4.15 Tài nguyên PUCCH ........................................................................... 88 Hình 4.16 Nguyên tắc điều chế dữ liệu và điều khiển .......................................... 90 Hình 4.17 Cấp phát các trƣờng dữ liệu & điều khiển khác nhau trên PUSCH ....... 90 Hình 4.18 Các dạng phần mở đầu LTE RACH cho FDD ..................................... 92 20 Hình 4.19 Vị trí PBCH tại các tần số trung tâm ................................................... 96 Hình 4.20 Các tín hiệu đồng bộ trong khung ....................................................... 97 Hình 4.21 Vận hành LTE HARQ với 8 tiến trình ................................................ 98 Hình 4.22 Định thời LTE HARQ cho một gói tin đƣờng xuống duy nhất ............. 99 Hình 4.23 Điều khiển định thời hƣớng lên .......................................................... 99 Hình 4.24 Công suất hƣớng lên LTE với thay đổi tốc độ dữ liệu ........................ 100 Hình 4.25 Thủ tục báo cáo thông tin trạng thái kênh (CSI) ................................ 101 Hình 4.26 Tự cấu hình cho PCI ........................................................................ 104 Hình 5.1 Các tín hiệu đồng bộ sơ cấp & thứ cấp ……………………………...…104 Hình 5.2 Sự hình thành tín hiệu đồng bộ trong miền tần số ................................ 108 Hình 5.3 Tổng quan về thủ tục truy nhập ngẫu nhiên ......................................... 111 Hình 5.4 Minh họa cơ bản cho truyền dẫn phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên .... 113 Hình 5.5 Định thời phần mở đầu tại eNodeB cho các ngƣời sử dụng truy nhập ngẫu nhiên khác nhau…………………………………………………………………..113 Hình 5.6 Sự phát hiện phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên trong miền tần số ...... 114 Hình 6.1 Samsung Craft - Chiếc điện thoại 4G sử dụng mạng LTE đầu tiên trên thế giới………………………………………………………………………………..118 Hình 6.2 Laptop X430 ..................................................................................... 122 Hình 6.3 Ericsson phối hợp với Cục Tần số Vô tuyến điện thử nghiệm công nghệ LTE tại Hà Nội……………………………………………………………………122 Hình 6.4 Trạm gốc LTE ................................................................................... 123 21 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1 Các đặc điểm chính của công nghệ LTE………………………………..27 Bảng 2.1 Các giao thức và giao diện LTE…………………………………………45 Bảng 3.1 Các băng tần vận hành E-UTRAN…………...………………………….55 Bảng 3.2 số lƣợng các khối tài nguyên cho băng thông LTE khác nhau……..…...60 Bảng 3.3 Tham số cấu trúc khung đƣờng xuống (FDD & TDD)…………...……..61 Bảng 3.4 Các tham số cấu trúc khung đƣờng lên (FDD&TDD)………...………....65 Bảng 4.1 Dạng PDCCH và kích thƣớc của chúng…………..……………………..94 Bảng 4.2 Các loại thiết bị LTE……………….……………………………….. 103 22 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG & GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE 1.1. Tổng quan về hệ thống thông tin di động 1.1.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất ( 1G) Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tƣơng tự, là hệ thống truyền tín hiệu tƣơng tự, là mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại, đƣợc 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 – Điện thoại di động Bắc Âu) đƣợc sử dụng ở các nƣớc Bắc Âu, Tây Âu và Nga.  AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem – Hệ thống điện thoại di động tiên tiến) đƣợc sử dụng ở Mỹ và Úc.  TACS (Total Access Communication Sytem – Hệ thống truyền thông truy nhập toàn phần) đƣợc sử dụng ở Anh. Hình 1.1 Tiến trình phát triển của thông tin di động Hầu hết các hệ thống đều là hệ thống tƣơng tự và dịch vụ truyền chủ yếu là thoại. Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba. Những điểm yếu của thế hệ 1G là dung lƣợng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọi không tin cậy, chất lƣợng âm thanh kém, không có chế độ bảo mật…do vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng . 23 1.1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai ( 2G) 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 lƣợng lớn hơn những hệ thống mạng thế hệ thứ nhất. Một kênh tần số thì đồng thời đƣợc chia ra cho nhiều ngƣời dùng (bởi việc chia theo mã hoặc chia theo thời gian). Sự sắp xếp có trật tự các tế bào, mỗi khu vực phục vụ thì đƣợc bao bọc bởi một tế bào lớn, những tế bào lớn và một phần của những tế bào đã làm tăng dung lƣợng của hệ thống xa hơn nữa. Có 4 chuẩn chính đối với hệ thống 2G: 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 Cá Nhân (PDC). GSM đạt đƣợc thành công nhất và đƣợc sử dụng rộng rãi trong hệ thống 2G.  GSM GSM cơ bản sử dụng băng tần 900MHz. Sử dụng kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian TDMA. nhƣng ở đây cũng có một số những phát sinh, 2 vấn đề quan trọng là hệ thống mô hình số 1800 (DCS 1800; cũng đƣợc biết nhƣ GSM 1800) và PCS 1900 (hay GSM 1900). Sau này chỉ đƣợc sử dụng ở Bắc Mĩ và Chilê, và DCS 1800 thì đƣợc tìm thấy ở một số khu vực khác trên thế giới. Nguyên do đầu tiên về băng tần số mới là do sự thiếu dung lƣợng đối với băng tầng 900 MHz. Băng tần 1800MHz có thể đƣợc sử dụng ý nghĩa và phổ biến hơn đối với ngƣời sử dụng. vì thế nó đã trở nên hoàn toàn phổ biến, đặc biệt trong những khu vực đông dân cƣ. Vì thế đồng thời cả 2 băng tần di động đều đƣợc sử dụng, ở đây điện thoại sử dụng băng tần 1800MHz khi có thành phần khác sử dụng lên trên mạng 900MHz. Hệ thống GSM 900 làm việc trong một băng tần hẹp, dài tần cơ bản từ (890960MHz). Trong đó băng tần cơ bản đƣợc chia làm 2 phần : + Đƣờng lên từ (890 – 915) MHz. + Đƣờng xuống từ (935 – 960)MHz. Băng tần gồm 124 sóng mang đƣợc 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 đƣờng 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 từ 6.5 – 13 Kbps. GSM mới chỉ cung cấp đƣợc các dịch vụ thoại và nhắn tin ngắn, trong khi nhu cầu truy nhập internet và các dịch vụ từ ngƣời sử dụng là rất lớn nên GSM phát triển lên 2.5G. 24 Trong đó :  HSCSD ( High Speed Circuit Switched Data) - Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao: Một vấn đề quan trọng lớn nhất đối với GSM đơn giản là về tốc độ dữ liệu chậm. GSM cơ sở có thể cải thiện tốc độ ngƣời dùng trƣớc chỉ là 9.6Kbps. Sau đó theo lý thuyết tốc độ ngƣời dùng đã là 14.4Kbps, mặc dù nó không đƣợc thông dụng cho lắm. HSCSD là cách đơn dàng nhất cho mọi thứ đƣợc tải lên. Những phƣơng pháp này chính là sự thay thế một khe thời gian, một tram di động có thể sử dụng nhiều khe thời gian cho một kết nối dữ liệu.Những bổ sung trong dòng thƣơng mại, giá trị tối đa thƣờng là 4 khe thời gian. Một khe thời gian có thể sử dụng tốc độ 9.6Kbps hoặc 14.4Kbps. Toàn bộ tốc độ chính là số khe thời gian nhân với tốc độ dữ liệu của một khe thời gian. Đây chính là mối tƣơng quan không phức tạp để nâng cấp dung lƣợng của hệ thống, vì nó chỉ là những yêu cầu trong việc nâng cấp phần mềm đối với mạng nhƣng nó có nhiều trở ngại. Vấn đề quan trọng nhất trong việc sử dụng tài nguyên sóng vô tuyến một cách khan hiếm. Bởi vì nó là chuyển mạch- mạch, HSCSD phân bố việc sử dụng khe thời gian một cách liên tục ngay cả khi không có bất cứ thứ gì đƣợc truyên đi.  GPRS (General Packet Radio Service) - Dịch vụ vô tuyến gói chung: GPRS là một hệ thống vô tuyến thuộc giai đoạn trung gian, nhƣng vẫn là hệ thống 3G nếu xét về mạng lõi. GPRS cung cấp các kết nối số liệu chuyển mạch gói với tốc độ truyền lên tới 171,2Kbps (tốc độ số liệu đỉnh) và hỗ trợ giao thức Internet TCP/IP và X25, nhờ vậy tăng cƣờng đáng kể các dịch vụ số liệu của GSM. Công việc tích hợp GPRS vào mạng GSM đang tồn tại là một quá trình đơn giản. Một phần các khe trên giao diện vô tuyến dành cho GPRS, cho phép ghép kênh số liệu gói đƣợc lập lịch trình trƣớc đối với một số trạm di động. Phân hệ trạm gốc chỉ cần nâng cấp một phần nhỏ liên quan đến khối điều khiển gói (PCU- Packet Control Unit) để cung cấp khả năng định tuyến gói giữa các đầu cuối di động các nút cổng (gateway). Một nâng cấp nhỏ về phần mềm cũng cần thiết để hỗ trợ các hệ thống mã hoá kênh khác nhau. Mạng lõi GSM đƣợc tạo thành từ các kết nối chuyển mạch kênh đƣợc mở rộng bằng cách thêm vào các nút chuyển mạch số liệu và gateway mới, đƣợc gọi là GGSN (Gateway GPRS Support Node) và SGSN (Serving GPRS Support Node). GPRS là một giải pháp đã đƣợc chuẩn hoá hoàn toàn với các giao diện mở rộng và có thể chuyển thẳng lên 3G về cấu trúc mạng lõi.  EDGE ( Enhanced Data Rates for GSM Evolution): Tốc độ số liệu tăng cƣờng để phát triển GSM: EDGE có thể phát nhiều bit gấp 3 lần GPRS trong một chu kỳ. Đây là lý do chính cho tốc độ bit EDGE cao hơn. ITU đã định nghĩa 384kbps là giới hạn tốc độ dữ liệu cho dịch vụ để thực hiện chuẩn IMT-2000 trong môi trƣờng không lý tƣởng. 384kbps tƣơng ứng với 48kbps trên mỗi khe thời gian, giả sử một đầu cuối có 8 khe thời gian.