Khi mà công nghệ mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G chưa có đủ thời gian để khẳng định vị thế của mình trên toàn cầu, người ta đã bắt đầu nói về công nghệ 4G Fourth Generation từ nh
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:
GVHD: TS Lê Quang Tu ấn SVTH: Nguyễn Thị Thùy Dương MSSV: 06117013
TP.Hồ Chí Minh - Tháng 1/ 2011
Trang 2
PH ẦN A
GI ỚI THIỆU
Trang 3LỜI CẢM ƠN
khó quên đối với chúng em Thầy cô đã chỉ bảo tận tình để giúp cho
Để được như ngày hôm nay, em xin gởi lời cảm ơn đến các thầy
Điện-Điện tử đã hướng dẫn, truyền đạt kiến thức cho chúng em Em xin
Người thực hiện
Trang 4
QUY ẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Thùy Dương
MSSV: 06117013
Ngành: Công ngh ệ Điện tử - Viễn thông Tên đề tài: QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE VÀ ÁP DỤNG CHO TP.HCM
1) Cơ sở ban đầu:
2) Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
3) Các bản vẽ:
4) Giáo viên hướng dẫn: TS Lê Quang Tuấn
5) Ngày giao nhiệm vụ:
6) Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP HỒ CHÍ MINH
CỘNG HÒA XÃ HỘICHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Giáo viên hướng dẫn
TS Lê Quang Tuấn
Ngày … tháng … năm 2011 Chủ nhiệm bộ môn
Trang 5NH ẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Ngày … tháng … năm 2011
Giáo viên hướng dẫn
TS Lê Quang Tuấn
Trang 6NH ẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Ngày … tháng … năm 2011
Giáo viên phản biện 2
Ngày … tháng … năm 2011
Giáo viên phản biện 1
Trang 7L ỜI NÓI ĐẦU
Ngành công nghệ viễn thông đã chứng kiến những phát triển ngoạn mục trong những năm gần đây Khi mà công nghệ mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G chưa có đủ thời gian để khẳng định vị thế của mình trên toàn cầu, người ta đã bắt đầu nói về công nghệ 4G (Fourth Generation) từ nhiều năm gần đây Thế nhưng, nói một cách chính xác thì 4G là gì? Liệu có một định nghĩa thống nhất cho thế hệ mạng thông tin di động tương lai 4G?
Ngược dòng thời gian
Trong hơn một thập kỷ qua, thế giới đã chứng kiến sự thành công to lớn của mạng thông tin di động thế hệ thứ hai 2G Mạng 2G có thể phân ra 2 loại: mạng 2G
dựa trên nền TDMA và mạng 2G dựa trên nền CDMA Đánh dấu điểm mốc bắt đầu của mạng 2G là sự ra đời của mạng D-AMPS (hay IS-136) dùng TDMA phổ biến ở
Mỹ Tiếp theo là mạng CdmaOne (hay IS-95) dùng CDMA phổ biến ở châu Mỹ và một phần của châu Á, rồi mạng GSM dùng TDMA, ra đời đầu tiên ở Châu Âu và hiện được triển khai rộng khắp thế giới Sự thành công của mạng 2G là do dịch vụ
và tiện ích mà nó mạng lại cho người dùng, tiêu biểu là chất lượng thoại và khả năng di động
Hình : Sơ đồ tóm lược quá trình phát triển của mạng thông tin di động tế bào Tiếp nối thế hệ thứ 2, mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G đã và đang được triển khai nhiều nơi trên thế giới Cải tiến nổi bật nhất của mạng 3G so với mạng 2G là khả năng cung ứng truyền thông gói tốc độ cao nhằm triển khai các dịch vụ truyền thông đa phương tiện Mạng 3G bao gồm mạng UMTS sử dụng kỹ
Trang 8thuật WCDMA, mạng CDMA2000 sử dụng kỹ thuật CDMA và mạng TD-SCDMA được phát triển bởi Trung Quốc Gần đây công nghệ WiMAX cũng được thu nhận vào họ hàng 3G bên cạnh các công nghệ nói trên Tuy nhiên, câu chuyện thành công
của mạng 2G rất khó lặp lại với mạng 3G Một trong những lý do chính là dịch vụ
mà 3G mang lại không có một bước nhảy rõ rệt so với mạng 2G Mãi gần đây người
ta mới quan tâm tới việc tích hợp MBMS (Multimedia broadcast and multicast service) và IMS (IP multimedia subsystem) để cung ứng các dịch vụ đa phương tiện
Khái niệm 4G bắt nguồn từ đâu?
Có nhiều định nghĩa khác nhau về 4G, có định nghĩa theo hướng công nghệ,
có định nghĩa theo hướng dịch vụ Đơn giản nhất, 4G là thế hệ tiếp theo của mạng thông tin di động không dây 4G là một giải pháp để vượt lên những giới hạn và
những điểm yếu của mạng 3G Thực tế, vào giữa năm 2002, 4G là một khung nhận thức để thảo luận những yêu cầu của một mạng băng rộng tốc độ siêu cao trong tương lai mà cho phép hội tụ với mạng hữu tuyến cố định 4G còn là hiện thể của ý tưởng, hy vọng của những nhà nghiên cứu ở các trường đại học, các viện, các công
ty như Motorola, Qualcomm, Nokia, Ericsson, Sun, HP, NTT DoCoMo và nhiều công ty viễn thông khác với mong muốn đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện mà mạng 3G không thể đáp ứng được
Theo dòng phát triển…
Ở Nhật, nhà cung cấp mạng NTT DoCoMo định nghĩa 4G bằng khái niệm đa phương tiện di động (mobile multimedia) với khả năng kết nối mọi lúc, mọi nơi,
khả năng di động toàn cầu và dịch vụ đặc thù cho từng khách hàng NTT DoCoMo xem 4G như là một mở rộng của mạng thông tin di động tế bào 3G Quan điểm này được xem như là một “quan điểm tuyến tính” trong đó mạng 4G sẽ có cấu trúc tế bào được cải tiến để cung ứng tốc độ lên trên 100Mb/s Với cách nhìn nhận này thì 4G sẽ chính là mạng 3G LTE , UMB hay WiMAX 802.16m Nhìn chung đây cũng
là khuynh hướng chủ đạo được chấp nhận ở Trung Quốc và Hàn Quốc
Bên cạnh đó, mặc dù 4G là thế hệ tiếp theo của 3G, nhưng tương lai không
hẳn chỉ giới hạn như là một mở rộng của mạng tế bào Ví dụ ở châu Âu, 4G được xem như là khả năng đảm bảo cung cấp dịch vụ liên tục, không bị ngắt quãng với
Trang 9khả năng kết nối với nhiều loại hình mạng truy nhập vô tuyến khác nhau và khả năng chọn lựa mạng vô tuyến thích hợp nhất để truyền tải dịch vụ đến người dùng một cách tối ưu nhất Quan điểm này được xem như là “quan điểm liên đới” Do đó, khái niệm “ABC-Always Best Connected” (luôn được kết nối tốt nhất) luôn được xem là một đặc tính hàng đầu của mạng thông tin di động 4G Định nghĩa này được nhiều công ty viễn thông lớn và nhiều nhà nghiên cứu, nhà tư vấn viễn thông chấp
nhận nhất hiện nay Dù theo quan điểm nào, tất cả đều kỳ vọng là mạng thông tin di động thế hệ thứ tư 4G sẽ nổi lên vào khoảng 2010-2015 như là một mạng vô tuyến băng rộng tốc độ siêu cao Ở Việt Nam , hiện nay 3G đang phát triển rầm rộ và để tiến lên 4G không còn xa nữa Theo tin từ Tập đoàn Bưu chính viễn thông Việt Nam (VNPT), đơn vị này vừa hoàn thành việc lắp đặt trạm BTS sử dụng cho dịch
vụ vô tuyến băng rộng công nghệ LTE (Long Term Evolution), công nghệ tiền 4G đầu tiên tại Việt Nam và Đông Nam Á
Đồ án nghiên cứu về Công nghệ 4G LTE là công nghệ còn mới mẻ và phù hợp với thực trạng hiện nay của Việt Nam
Nội dung của đồ án bao gồm 3 phần :
Phần A : Giới thiệu Phần B : Nội dung Chương 1: Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và tổng quan
về mạng 4G Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan Chương 3 : Quy hoạch mạng 4G LTE và áp dụng cho TP HCM Chương 4 : Mô phỏng
Phần C : Phụ lục và tài liệu tham khảo
Trong quá trình thực hiện đề tài, người thực hiện có những hạn chế về khả năng và còn nhiều sai sót , rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô và bạn bè
Trang 10M ỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN i
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI ii
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN iii
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iv
MỤC LỤC viii
MỤC LỤC HÌNH xii
MỤC LỤC BẢNG xv
PH ẦN B : NỘI DUNG CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G 1
1 1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động 1
1 1 1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G) 2
1 1 2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G) 3
1 1 3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) 6
1 1 4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G) 7
1 2 Tổng quan về mạng 4G [12] 8
1 3 Sự khác nhau giữa 3G và 4G 10
1 3 1 Ưu điểm nổi bật 11
1.3.2 Các ứng dụng đã tạo nên ưu điểm của 4G LTE so với 3G 11
CHƯƠNG 2 : CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 14
2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE 14
2.2 Cấu trúc của LTE [1] 24
Trang 112.3 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN 29
2.4 Giao thức của LTE (LTE Protocols) [2] 31
2.5 Một số đặc tính của kênh truyền 34
2.5.1 Trải trễ đa đường 34
2.5.2 Các loại fading 34
2.5.3 Dịch tần Doppler 35
2.5.4 Nhiễu MAI đối với LTE 35
2.6 Các kỹ thuật sử dụng trong LTE 36
2.6.1 Kỹ thuật truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM [1] 36
2.6.2 Kỹ thuật SC-FDMA [1] 46
2.6.3 Kỹ thuật MIMO [1] 48
2.6.4 Mã hóa Turbo [18] 50
2.6.5 Thích ứng đường truyền [18] 51
2.6.6 Lập biểu phụ thuộc kênh [18] 52
2.6.7 HARQ với kết hợp mềm [18] 52
2.7 Chuyển giao 53
2.7.1 Mục đích chuyển giao 53
2.7.2 Trình tự chuyển giao 54
2.7.3 Các loại chuyển giao 56
2.7.4 Chuyển giao đối với LTE [3] 59
2.8 Điều khiển công suất [3] 60
2.8.1 Điều khiển công suất vòng hở [8] 61
2.8.2 Điều khiển công suất vòng kín [8] 62
CHƯƠNG 3 : QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE VÀ ÁP DỤNG CHO TP.HCM 65
3 1 Khái quát về quá trình quy hoạch mạng LTE 65
Trang 123 2 Dự báo lưu lượng và phân tích vùng phủ 66
3 2 1 Dự báo lưu lượng 66
3 2 2 Phân tích vùng phủ 67
3 3 Quy hoạch chi tiết 67
3 3 1 Quy hoạch vùng phủ 67
3 3 1 1 Quỹ đường truyền [2] 68
3 3 1 2 Các mô hình truyền sóng 77
3 3 1 3 Tính bán kính cell 83
3 3 2 Quy hoạch dung lượng 85
3 4 Quy hoạch cho TP Hồ Chí Minh 90
3.5 Tối ưu mạng 91
3.6 Điều khiển công suất kênh PUSCH của LTE [7] 92
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG 95
4.1 Các lưu đồ 95
4.2 Quy hoạch mạng LTE 96
4.2.1 Quy hoạch vùng phủ 97
4.2.1.1 Quỹ đường truyền 97
4.2.1.2 Các mô hình truyền sóng 98
4.2.1.3 Quy hoạch vùng phủ 100
4.2.2 Quy hoạch dung lượng của LTE 100
4.2.3 Tối ưu số trạm 102
4.2.4 So sánh vùng phủ của LTE và WCDMA 103
4.3 Chuyển giao và Điều khiển công suất 105
4.3.1 Giao diện chính 105
4.3.2 Điều khiển công suất 106
Trang 134.3.3 Chuyển giao 109
4.3.3.1 Trường hợp chuyển giao thành công 110
4.3.3.2 Trường hợp chuyển giao bị rớt 111
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 113
PH ẦN C: PHỤ LỤC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 1 : CÁC TỪ VIẾT TẮT 114
PHỤ LỤC 2 : HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG 119
CHƯƠNG TRÌNH 119
TÀI LIỆU THAM KHẢO 122
Trang 14M ỤC LỤC HÌNH
Hình 2.1: So sánh về cấu trúc giữa UTMS và LTE 24
Hình 2.2: Cấu trúc cơ bản của LTE 25
Hình 2.3: Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập 3GPP 27
Hình 2.4 : Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập3GPP và không phải 3GPP 28
Hình 2.6: Giao thức của UTRAN 31
Hình 2.7: Giao thức của E-UTRAN 32
Hình 2.8: Phân phối chức năng của các lớp MAC, RLC, PDCP 32
Hình 2.9 : Truyền đơn sóng mang 36
Hình 2.10 : Nguyên lý của FDMA 36
Hình 2.11 : Nguyên lý đa sóng mang 36
Hình 2.12 : So sánh phổ tần của OFDM với FDMA 37
Hình 2.13 : Tần số-thời gian của tín hiệu OFDM 37
Hình 2.14 : Các sóng mang trực giao với nhau 38
Hình 2.15 : Biến đổi FFT 39
Hình 2.16 : Thu phát OFDM 39
Hình 2.17: Chuỗi bảo vệ GI 40
Hình 2.18 Tác dụng của chuỗi bảo vệ 41
Hình 2.19 Sóng mang con OFDMA 42
Hình 2.20 OFDM và OFDMA 42
Hình 2.21 : Chỉ định tài nguyên của OFDMA trong LTE 43
Hình 2.22 : Cấu trúc của một khối tài nguyên 44
Hình 2.23 : Cấu trúc bố trí tín hiệu tham khảo 45
Hình 2.24: Đặc tính đường bao của tín hiệu OFDM 45
Trang 15Hình 2.25: PAPR cho các tín hiệu khác nhau 46
Hình 2.26: OFDMA và SC-FDMA 47
Hình 2.28 Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO 49
Hình 2.29: Ghép kênh không gian 50
Hình 2.30 Điều chế thích nghi 51
Hình 2.31: Nguyên tắc chung của các thuật toán chuyển giao 55
Hình 2.32 : Chuyển giao mềm 57
Hình 2.33 : Chuyển giao mềm - mềm hơn 58
Hình 2.34 : Chuyển giao cứng 58
Hình 2.35: Các loại chuyển giao 59
Hình 2.36: Điều khiển công suất vòng hở 62
Hình 2.37: Điều khiển công suất vòng kín 63
Hình 3 1: Khái quát về quá trình quy hoạch mạng LTE 65
Hình 3 2 : Các tham số của mô hình Walfisch-Ikegami 79
Hình 3 3: Quan hệ giữa băng thông kênh truyền và băng thông cấu hình 88
Hình 4.1 : Lưu đồ phần mô phỏng quy hoạch LTE 95
Hình 4.2 : Lưu đồ phần chuyển giao và điều khiển công suất 96
Hình 4.3: Giao diện phần quy hoạch mạng LTE 96
Hình 4.4: Quỹ đường truyền của LTE 97
Hình 4.5 Môi trường truyền sóng trong nhà 98
Hình 4.6 : Môi trường truyền sóng ngoài trời 99
Hình 4.7: Môi trường xe cộ 99
Hình 4.8: Quy hoạch vùng phủ LTE 100
Hình 4.9 : Quy hoạc dung lượng LTE 101
Hình 4.10: Tính toán tốc độ đỉnh 102
Trang 16Hình 4.11: Tối ưu số trạm 102
Hình 4.12 : So sánh quỹ đường truyền lên của LTE và WCDMA 103
Hình 4.13: So sánh quỹ đường truyền xuống của LTE và WCDMA 103
Hình 4.14: So sánh vùng phủ của LTE và WCDMA 104
Hình 4.15: Giao diện phần chuyển giao và điều khiển công suất 105
Hình 4.16: Nhập dữ liệu cho điều khiển công suất 106
Hình 4.17: Điều khiển công suất ở LTE 107
Hình 4.18: Nhập liệu của WCDMA 108
Hình 4.19: So sánh điều khiển công suất của LTE và WCDMA 109
Hình 4.20: Trường hợp chuyển giao thành công 110
Hình 4.21: Trường hợp chuyển giao bị rớt 111
Trang 17M ỤC LỤC BẢNG
Bảng 2.1 : Các thông số lớp vật lý LTE 17
Bảng 2.2 : Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp 18
Bảng 2.3 : So sánh các dịch vụ của 3G so với 4G LTE 19
Bảng 2.4 : So sánh giữa HSPA, WiMAX và LTE 21
Bảng 2.5 : Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền 43
Bảng 3 1 :Ví dụ về quỹ đường lên của LTE 71
Bảng 3 2 : Ví dụ của quỹ đường xuống LTE 73
Bảng 3 3 : So sánh quỹ đường truyền lên của các hệ thống 74
Bảng 3 4 : So sánh về quỹ đường truyền xuống của các hệ thống 75
Bảng 3 5 : Các giá trị K sử dụng cho tính toán vùng phủ sóng 85
Bảng 3 6 : Tốc độ bit đỉnh tương ứng với từng tốc độ mã hóa và băng thông 86
Bảng 3 7 Giá trị của băng thông cấu hình tương ứng với băng thông kênh truyền[4] 88
Bảng 3.8 Diện tích và dân số từng quận của TP.HCM [11] 90
Bảng 3.9 Các lớp công suất của UE [10] 93
Trang 18PH ẦN B
N ỘI DUNG
Trang 19Chương 1 : Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G
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 1 đến 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
1 1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động
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