Nghiên cứu, khuyến nghị áp dụng công nghệ LTE cho các công ty viễn thông việt nam

MỞ ĐẦU Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5 G hay 3G vẫn đang phát triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã bắt đầu tiến hành triển khai thử

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

Phạm Phú Kiên

NGHIÊN CỨU, KHUYẾN NGHỊ

ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ LTE CHO CÁC CÔNG TY

VIỄN THÔNG VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60.52.70

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2011

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Hữu Hậu

Phản biện 1: PGS.TS.Hoàng Thọ Tu Phản biện 2: PGS.TS Trần Hồng Quân

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: 08 giờ 30 ngày 11 tháng 02 năm 2012

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5 G hay 3G vẫn đang phát triển

không ngừng nhưng 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 tương lai Đó là công nghệ 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 thương mại hóa của công nghệ LTE đang đến

rất gần

Trong tương lai không xa, với LTE người sử dụng có thể truy cập tất cả các

dịch vụ mọi lúc, mọi nơi: Xem phim chất lượng cao HDTV, điện thoại thấy hình,

chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu…với một tốc độ ‘‘siêu tốc’’ Đó

chính là sự khác biệt giữa mạng di động thế hệ thứ ba (3G) và thế hệ thứ tư (4G) Tuy còn khá mới mẻ nhưng mạng di động băng rộng 4G được kỳ vọng sẽ tạo ra

nhiều thay đổi khác biệt so với những mạng di động hiện nay

Luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Tình hình phát triển mạng 3G/B3G của các công ty Viễn thông

Việt Nam

Chương này tìm hiểu hiện trạng mạng 3G/B3G của các Công ty Viễn thông Việt

Nam Các công nghệ mới sẽ được sử dụng trong mạng

Chương 2: Tổng quát về công nghệ LTE

Chương này giới thiệu về công nghệ LTE, chỉ rõ tính ưu việt của công nghệ

Trong chương này học viên cũng trình bày so sánh công nghệ LTE với các công

nghệ băng rộng

Chương 3: Khuyến nghị áp dụng công nghệ LTE cho các công ty Viễn thông

Việt Nam

Chương này, học viên sẽ trình bày lộ trình phát triển lên công nghệ LTE, vấn đề

chuyển đổi giữa các công nghệ, vấn đề phổ tần số vô tuyến điện…

Chương 1 TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG 3G/B3G CỦA CÁC CÔNG TY VIỄN THÔNG VIỆT NAM

Phiên bản thứ 2 của tầm nhìn IMT-2000 là các tiêu chuẩn do nhóm 3GPP2 soạn thảo, gọi là hệ thống CDMA2000 Các hệ thống này được phát triển từ hệ thống IS-

95 thế hệ 2; nó đã được triển khai ở Mỹ, Hàn Quốc, Nga, Nhật bản, Trung Quốc, Belarus, Romania Bảng 1.1 là các tiêu chuẩn cho các họ thông tin di động hiện có

Bảng 1.1 Các tiêu chuẩn cho các họ thông tin di động

0G (Radio telephony) Tương tự MTS, MTA, MTB, MTC, IMTS,

MTD, AMT, OLT

Khác NMT, Hicap, Mobitex, DataTAC

UMTS (UTRAN), FDD,WCDMA-TDD, UTRA-TDD, LCL (TD-SCDMA)

WCDMA-3GPP2 CDMA2000x1EV-DO (IS-856) 3G Traditional

(3.5G, 3,75G, 3.9G)

3GPP HSPDA, HSUPA, HSPA+LTE

(E-UTRAN) 3GPP2 EV-DO Rev.A, EV-DO Rev.B

- Khái niệm GERAN được sử dụng

- Tách MSC vào trong máy chủ của MSC và cổng Media cho dịch vụ tải tin độc lập với miền CS

- Sử dụng khái niệm Streaming media

- Bản tin Multimedia

3GPP-R5 II/2002

- Sử dụng IMS; IPv6 trong miền PS

- Truyền tải IP trong UTRAN

- Cải thiện QoS và ứng dụng thời gian thực

- HSPDA+ (Evolution) EDGE Evolution 3GPP-R8 I/2009

- Áp dụng cho LTE

- Áp dụng cấu trúc mạng UMTS (ALL IP)

1.1.1.2 CDMA 2000

CDMA2000 là công nghệ phát triển lên 3G từ họ CDMAOne (IS-95) bởi 3GPP2

Đây là công nghệ cạnh tranh trực tiếp với công nghệ WCDMA trên thị trường thông tin di động

Bảng 1.3 Quá trính phát triển các phiên bản 3GPP2

khá phức tạp Xét theo kiến trúc dịch vụ, UMTS và CDMA2000 có những giới hạn

về khả năng lập trình Những giới hạn khác nhau cho UMTS, CDMA2000 và MWIF được tóm tắt trong Bảng 1.4

Bảng 1.4 Những hạn chế của 3 loại cấu trúc mạng 3G

Khả năng tích

hợp và tương

tác với Internet

Phức tạp, do có sự phân tách các miền,Nhóm giao thức và các vấn đề khác

Phức tạp, do có sự phân tách cácmiền Nhóm giao thức và các vấn đề khác

Đơn giản Tuy nhiên các đặc tính chưa đầy đủ và hệ thống chưa được triển khai

Sự Phân tách

giữa PS/CS

Tách biệt niền CS/PS/IMS

Tương tự như UMTS

Đồng nhất điều khiển cho mọi lưu lượng

Nhóm các

giao thức

Phức tạp, do IP qua ATM, chuyển nối tiếp bằng cách dùng GTP

Đơn giản hơn cho

dự liệu gói,

Sử dụng IP di động để quản lý di động

Đơn giản nhất, toàn dùng các giao thức

IP quen thuộc

Giá thành thiết

bị định tuyến

Sử dụng vận tải ATM có thể làm tăng giá thành so với

IP quen dung

Giá thành có thể thấp so với UMTS nếu sử dụng IP quen thuộc

Có thể là thấp nhất,

do tính kinh tế của các giải pháp IP chuẩn

Các dịch vụ dữ

liệu gói thời

gian thực

Vấn đề có tính hệ thống, do sử dụng SIP cải biên và các tiền ẩn khác

Chưa rõ ràng

Chưa rõ ràng, ví các giải pháp IP thông dụng không đảm bảo QoS

Tương tự UMTS

Không có địa chỉ

rõ ràng hoặc chi tiết

Tính thương

mại

Triển khai diện rộng tại vài nơi Triển khai rộng rãi Chưa triển khai

1.1.3 Hiện trạng mạng 3G/B3G của các Công ty Viễn thông Việt Nam

Hiện nay, tại Việt Nam băng tần I (2110 - 2170) Mhz đã được chia thành bốn khe và được cấp phát cho bốn nhà khai thác: VIETTEL, VMS, GPC, EVN

Ba nhà khai thác VMS, GPC, Viettel sử dụng công nghệ GSM Họ GSM bao gồm cả công nghệ 2,5G với dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS (General Packet Radio Service) và công nghệ 2,75G EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) với việc nâng cao tốc độ truyền dữ liệu cho GSM đã giải quyết được phần nào nhược điểm trong việc truyền dữ liệu tốc độ thấp của GSM ban đầu Với GSM, sự ra đời của công nghệ CDMA băng rộng 3G (WCDMA-UMTS)

và truy nhập gói tốc độ cao HSPA (High Speed Packet Access) là các giải pháp cho việc nâng cao hiệu năng của mạng Với công nghệ HSPA, các nhà mạng trên

đã và đang triển khai rộng khắp tại các thành phố lớn: Hà Nội, TP Hồ Chí Minh,

Đà Nẵng, Hải Phòng, Nha Trang…

Các mạng EVN Telecom, Sfone sử dụng công nghệ CDMA Thế hệ thứ 2G

sử dụng công nghệ CDMA2000 (IS-95); Thế hệ 3G/B3G dùng công nghệ CDMA2000x1EV-DO (IS-856)/ EV-DO Rev.A/ EV-DO Rev.B

1.2 Các công nghệ mới sẽ được sử dụng trong mạng

Mạng 3G còn có một số hạn chế về tốc độ dữ liệu, khả năng cung cấp dịch vụ băng rộng qua Internet và đảm bảo mức QoS và độ trễ Để khắc phục các vấn đề này trong các mạng thế hệ kế tiếp ta cần áp dụng một số kỹ thuật - công nghệ mới

1.2.1 Kỹ thuật truy nhập điều chế OFDM và sau OFDM

1.2.2 Cấu trúc mạng truy nhập phi thông lệ (không truyền thống)

1.2.3 Kỹ thuật đa anten

1.2.4 Điều chế và mã hoá thích nghi (AMC)

1.2.5 Vô tuyến xác định theo phần mềm (SDR)

1.2.6 Vô tuyến trí tuệ (Cognitive radio)

1.2.7 Anten trí tuệ IA (Intelligent Antenna):

1.2.8 E-UTRAN

1.3 Kết luận chương

Chương 1 trình bày tổng quát về công nghệ 3G/B3G Tìm hiểu về hiện trạng mạng 3G/B3G của các công ty Viễn thông Việt Nam Chương này cũng chỉ rõ hạn chế của mạng 3G, đồng thới giới thiệu các công nghệ nổi trội sẽ được áp dụng cho mạng 3G/B3G

Chương 2

TỔNG QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ LTE

2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE

LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển Các đặc điểm của LTE bao gồm mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS phát triển (E-UTRAN), giao diện vô tuyến mặt đất UMTS phát triển (E-UTRA), gọi chung là 3GPP LTE E-UTRAN là mạng truy nhập không dây của 3GPP LTE được nâng cấp cho mạng di động Thuật ngữ eUTRAN (elvoved UMTS Terrestrial Radio Access Network) hay E-UTRA (Evolved Universal Terrestrial Radio Access) đều liên quan đến LTE Đó là chuẩn giao diện vô tuyến được phát triển từ các công nghệ UMTS, HSDPA và HSUPA trong 3GPP-R5 và các phiên bản kế tiếp Khác hẳn với HSPA, LTE’s E-UTRA là một hệ thống giao diện không gian hoàn toàn mới, không

có mối liên quan và không tương thích với W-CDMA Giao diện E-UTRA cung cấp tốc độ truy nhập dữ liệu cao, động trễ thấp và được tối ưu cho truyền dữ liệu gói Lần đầu tiên E-UTRA được thử nghiệm (2008) với kỹ thuật truy nhập vô tuyến OFDMA cho tuyến xuống và CS-FDMA cho tuyến lên

2.1.1 Các đặc điểm chính của E-UTRAN

E-UTRAN được phát triển trong các phiên bản 8/2008 (cho LTE), 9/2009 (cho MIMO) và 10 (cho tuyến lên SU-MIMO) Các phiên bản này đều tương thích ngược với mạng trước đó

Mạng truy nhập E-UTRAN có một số đặc điểm chung sau:

- Tốc độ đỉnh: Tải dữ liệu xuống là 292 Mbit/s, tải lên là 71 Mbit/s, cho băng thông 20 MHz, tốc độ này phụ thuộc vào loại thiết bị đối tượng sử dụng UE (User Equipment)

- Trễ truyền dữ liệu thấp (5 ms cho các gói IP nhỏ), trễ chuyển giao và

xác lập kết nối thấp hơn so với các loại công nghệ truy nhập trước đó

- Hỗ trợ các thiết bị đầu cuối có tốc độ di chuyển 350/500 km/h, tùy

thuộc băng tần sử dụng

Hỗ trợ các phương thức ghép đường FDD và TDD, FDD bán song công, với cùng loại công nghệ áp dụng

- Hỗ trợ tất cả các băng tần phân bổ cho IMT (ITU-R)

- Độ rộng băng thông linh hoạt: Các băng thông1,4; 3; 5; 15; 20 MHz

đều đã được chuẩn hóa

- Hỗ trợ các kích cỡ cell khác nhau, từ vài chục mét (femtocell, picocell) đến

100 km cho macrocell

- Cấu trúc đã được đơn giản hóa: Phía mạng của E-UTRAN được kết hợp chỉ bởi một loại nút enodeBs

- Hỗ trợ khai thác đồng thời với các hệ thống khác (GSM/EDGE,…)

- Giao diện vô tuyến loại chuyển mạch gói

2.1.1.9 Phối hợp hoạt động với 3GPP RAT

2.1.1.10 Cấu trúc mạng và sự chuyển đổi

2.1.1.11 Điều phối tài nguyên vô tuyến RR (Radio Resource)

2.1.1.12 Một số vấn đề phức tạp

2.1.2 Các vấn đề đang nghiên cứu

2.1.3 Lớp các giao thức cho giao diện E-UTRAN

2.1.3.1 Kiến trúc giao thức E-UTRAN

2.3 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax

IEEE 802.16m R2

Tính kế thừa GSM/GPRS/EDGE

/UMTS/HSPA

IEEE 802.16a đến d

IEEE 80216a đến

e Mạng lõi UTRAN tiến tới

mạng lõi E-UTRA

có IMS với cấu trúc SAE

Mạng WiMax forum hoàn toàn

IP

Mạng WiMax forum hoàn toàn

FDMA OFDMA

OFDMA OFDMA

Băng tần, MHz 800/900/1800/1900

800, 2620 MHz) 2,11GHz NLOS: 2,11GHz Băng thông, MHz 5; 3,5; 7; 8,75; 10 5; 10; 20; 40 Tốc độ, Mbit/s

2x2 1x2

2x2;2x4;4x2; 4x4 1x2; 1x4; 2x2; 2x4

> 50/user/sector FDD

> 25/user/sector TDD

> 100/user/sector FDD

> 50/user/sector TDD

So với 3G LTE, WiMax IEEE 802.16m hứa hẹn có nhiều điểm vượt trội Xét trên bình diện kỹ thuật truyền thông không dây thì LTE không có bất cứ một kỹ thuật cơ bản nào vượt trội WiMax di động Điểm khác biệt cơ bản của 3G LTE là

sử dụng kỹ thuật đa truy nhập SC-CDMA cho tuyến ngược, thay vì OFDMA như trong WiMax Song nhiều chuyên gia cho rằng sự khác biệt này lại là điểm yếu của 3G- LTE Thực tế SC-CDMA cho phép cải thiện PAPR (Peak-to-Average-Power Ratio) ở phía phát cỡ 2 dB, nhưng nó lại làm mất khoảng 2-3 dB về hiệu suất truyền thông trên kênh truyền có pha đinh ở phía thu Nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy thực tế SC-CDMA cho một hiệu suất trên kênh thấp hơn so với OFDMA

Lợi thế của WiMax so với 3G LTE là WiMax đã sẵn sàng cho việc triển khai

dịch vụ rộng khắp: Thiết bị mạng đã hoàn thiện, thiết bị đầu cuối sẽ có mặt trong năm tới, trong khi đó 3G LTE phải đợi thêm vài năm nữa WiMax cung cấp cả giải pháp cố định lẫn di động băng rộng với chi phí triển khai thấp, so với chi phí triển khai mạng 3G LTE hoàn toàn mới Do vậy WiMax thực sự gây được sự chú ý ở các nước đang phát triển mà ở đó chưa có 3G, mạng Internet tốc độ cao bằng cáp đồng DSL chưa phát triển rộng khắp

So với WiMax, 3G LTE đã có một công nghệ đi trước là 2G, 3G với số lượng

thuê bao lớn đã có sẵn Đây là một lợi thế khi triển khai 3G LTE Đặc biệt là thiết bị

3G LTE tương thích ngược với các mạng di động 2G GSM/GPRS/EDGE và UMTS

đang tồn tại Điều này cho phép các nhà cung cấp mạng 3G LTE có thể triển khai mạng dần dần, giống như họ nâng cấp 2G lên 3G, trong khi đó WiMax phải triển khai từ con số không

2.3.2.8 Phân tích thị trường

IEEE 802.16d và e đã được thử nghiệm và thương mại hóa trên toàn cầu EEE 802.16m và LTE đang trong giai đoạn thử nghiệm LTE phát triển từ mạng UMTS/HSPA còn WiMax cho ta các mô hình giá thành thấp

2.3.2.9 Kết luận

ITU đã xác định các yêu cầu cho 4G với tên gọi IMT Advanced, gồm 2 loại công nghệ: WiMax và LTE Cả hai công nghệ này đều giống nhau về kỹ thuật truy nhập, phương thức truy nhập vô tuyến, kích thước FFT, băng thông kênh, bán kính phủ sóng, cấu hình anten, mức QoS, hỗ trợ di động và mạng hoàn toàn IP Tuy nhiên, xét về mặt thị trường hai công nghệ có khác nhau về tính kế thừa, thời gian thương mại hóa WiMax đã được triển khai trên toàn cầu trong khi đó LTE đang giai đoạn hoàn thiện

Đối với các nhà mạng mới thì lựa chọn WiMax là hợp lý Các nhà mạng đang

sở hữu 3GPP UMTS/HSPA nên lựa chọn LTE là cách tốt nhất để phát triển lâu dài lên 4G Đối với các nhà mạng đang sử dụng GSM/EDGE hoặc cdma2000 thì có thể chọn WiMax hoặc LTE Việc lựa chọn công nghệ nào tùy thuộc vào lợi thế về thời gian của công nghệ và mạng kế thừa của nhà cung cấp dịch vụ

Chương 3 KHUYẾN NGHỊ ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ LTE CHO CÁC CÔNG TY VIỄN THÔNG VIỆT NAM

3.1 Lộ trình phát triển

Con đường tiến tới di động băng rộng tương lai có một vài hướng đi và mỗi nhà khai thác di động sẽ có thời gian biểu và các lý do cho việc lựa chọn những con đường đi khác nhau Tuy nhiên có vẻ tất cả cùng thống nhất một kết quả cuối cùng - một mạng vô tuyến toàn IP hiệu quả có khả năng cung cấp các dịch vụ thoại, video

và dữ liệu Việc lựa chọn giao diện vô tuyến phù hợp nhất để tương thích với các dịch vụ dựa trên nền IP trong tương lai là chìa khóa quan trọng để đạt tới kết quả

đó Ngoài ra để phù hợp với các mạng lõi và truy nhập của chính họ thì các nhà khai thác mạng cũng phải lựa chọn chúng sao cho đồng bộ với sự phát triển của các thành phần vô tuyến khác như thiết bị, các ứng dụng và dịch vụ

Trong nhiều năm nay một chuẩn di động toàn cầu là một trong những mục tiêu của ngành viễn thông Các nhà khai thác theo công nghệ GSM chiếm ưu thế trong các công nghệ thứ 2 (2G), tuy nhiên vẫn có sự chia sẻ với các mạng phát triển theo công nghệ CDMA và TDMA (ví dụ như mạng số tổ hợp nâng cao iDEN – Integrated Digital Enhanced Network) Với việc chuyển đổi sang hệ thống thông tin

di động thế hệ thứ 3 (3G), thì hầu hết các nhà khai thác TDMA được chuyển đổi theo hướng công nghệ họ GSM Khi đó ngành thông tin di động chỉ còn phân chia theo 2 dòng công nghệ họ GSM và CDMA

Cùng với bước tiếp theo của sự tiến hóa công nghệ mà cơ hội đã xuất hiện cho một công nghệ chuẩn toàn cầu Nhiều nhà khai thác phủ sóng dựa trên công nghệ

mà họ tin tưởng sẽ đem lại cho họ và khách hàng của mình nhiều lợi ích nhất Công nghệ đó chính là LTE (Long Term Evolution - Tiến hóa lâu dài) Lần đầu tiên trên thế giới, một chuẩn công nghệ tương lai được mở rộng ở Mỹ, châu Âu, châu Á với những cam kết của các nhà khai thác hàng đầu trong kế hoạch triển khai LTE và một sự nhất trí toàn cầu rằng LTE sẽ trở thành một công nghệ chủ đạo cho thế hệ kế tiếp của di động băng rộng