Tácgiả giới thiệu tổng quan về sự phát triển của 3G lên 4G được thể hiện ở chương 1[1] LTE được xây dựng dựa trên nền tảng IP và sử dụng kỹ thuật OFDM đây làgiải pháp công nghệ tiên tiế
Trang 1Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái N
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Thanh Hà
Chuyên Ngành: Kỹ thuật đo điện
Đơn vị công tác: Đại học Thái Nguyên
Phản biện 1: TS Đào Huy Du
§¹i häc Th¸i Nguyªn TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN
Trang 2Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp TháiNguyên
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Thanh Hà
Chuyên Ngành: Kỹ thuật đo điện
Đơn vị công tác: Đại học Thái Nguyên
Phản biện 1: TS Đào Huy Du
Phản biện 2: PGS TS Lại Khắc Lãi
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại:
HT 201A8 – Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên
Vào hồi 15 giờ15 phút đến 16 giờ 00 phút ngày 18 tháng 04 năm 2014
Trang 3LỜI MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, thông tin di động phát triển một cách mạnh mẽkhông chỉ ở các nước phát triển mà hầu hết các quốc gia trên thế giới Dịch vụthông tin di động ngày nay không chỉ hướng tới khách hàng giàu có mà hướng tớitất cả mọi đối tượng có nhu cầu về thông tin liên lạc Với khả năng đáp ứng nhu cầuthông tin"mọi lúc, mọi nơi", thông tin di động ngày càng thu hút nhiều người sửdụng
Thông tin di động từ khi ra đời đã trải qua nhiều thế hệ và hiện nay mạngthông tin di động 3G đang được sử dụng rộng rãi với các giải pháp kỹ thuật côngnghẹ được sử dụng để có thể khai thác tài nguyên vô tuyến như là TDMA, FDMA,SDMA và CDMA nhưng thực tế cho thấy chưa tìm thấy ở các thông tin di độngtrước đây một phương pháp nào có thể tối ưu hóa phổ tần, một tài nguyên vô cùngquan trọng trong thông tin vô tuyến
Để đáp ứng được nhu cầu sử dụng của con người trong thời đại ngày nay thìcác nhà cung cấp phải nâng cấp cơ sở hạ tầng của mình Bên cạnh việc nâng cấp cơ
sở hạ tầng của các mạng cũ thì các nhà cung cấp mạng cũng đã và đang nghiên cứutiến hành và xây dựng một mô hình mạng mới để có thể phục vụ cho tương lai đó làmạng thông tin di động tiền 4G (LTE) của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển Tácgiả giới thiệu tổng quan về sự phát triển của 3G lên 4G được thể hiện ở chương 1[1]
LTE được xây dựng dựa trên nền tảng IP và sử dụng kỹ thuật OFDM đây làgiải pháp công nghệ tiên tiến có thể khắc phục được nhược điểm về hiệu quả sửdụng phổ tần thấp của các hệ thống di động trước đây Chu kỳ ký hiệu lớn cho phépcông nghệ OFDM có thể truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh vô tuyến và nó sử dụngcác sóng mang con trực giao để truyền dữ liệu vì thế có thể tối ưu băng tần sử dụng
Kỹ thuật OFDM là một công nghệ then chốt được tác giả trình bày ở chương 2 [1] ,[2] ,[3] Mục tiêu thiết kế của LTE nhằm đạt được tốc độ truyền dẫn đường xuốngtối đa là 100Mbps Người sử dụng sẽ cảm thấy điện thoại của họ được kết nối mọilúc
Chính vì vậy tôi đã đề xuất ứng dụng triển khai mạng 4G cho Phú Thọ và nộidung này được thể hiện ở chương 3 [1] ,[3] thực tế có thể xem xét để thay đổi cho
Trang 4phù hợp với điều kiện và sự phát triển thực tế, dự kiến trong năm 2015 là thời điểmchín muồi để có thể triển khai dịch vụ 4G Do đó tôi đã chọn đề tài luận văn là:
“Nghiên cứu, phân tích công nghệ then chốt nhằm ứng dụng cho mạng di đông thế
hệ sau”
Nội dung của luận văn này bao gồm có 3 chương:
Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin di động
Chương II: Các công nghệ then chốt của mạng di động thế hệ sau
Chương III: Triển khai mạng 4G/LTE
2 Mục tiêu nghiên cứu
+ Phân tích quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động
+ Nghiên cứu, phân tích công nghệ then chốt (OFDM) nhằm ứng dụng cho
mạng di động thế hệ sau
+ Phân tích các khía cạnh liên quan đến triển khai mạng 4G/LTE
+ Nghiên cứu, phân tích giao diện vô tuyến trong mạng LTE
+ Đề xuất, ứng dụng triển khai mạng 4G/LTE
3 Đối tượng, phương pháp nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là quá trình phát triển của các hệ thống thông tin
di động, đặc điểm kỹ thuật công nghệ OFDM, giao diện vô tuyến trong mạng LTE
và ứng dụng cho mạng 4G/LTE
- Phương pháp nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu phân tích công nghệ then chốt (OFDM) nhằm ứng dụng chomạng di động thế hệ sau để từ đó đi sâu vào triển khai mạng 4G/LTE nhằm đạtđược tốc độ truyền dẫn đường xuống tối đa là 100Mbsp
4 Ý nghĩa của đề tài
- Ý nghĩa khoa học
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về 3G và lộtrình phát triển lên 4G Cấu trúc đặc điểm của OFDM và các cải tiến nâng cao nhưđiều chế, điều khiển tốc độ lập biểu đường lên, lập biểu đường xuống, … để có thểgiúp các nhà cung cấp dịch vụ lựa chọn đúng đắn giải pháp công nghệ nhằm đápứng các nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng
Trang 5- Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu của đề tài là bước tiến nhằm nâng cao tốc độ và khả năng cũngnhư giảm độ trễ trên đường truyền, công nghệ OFDM có thể truyền dữ liệu tốc độcao qua kênh vô tuyến và nó sử dụng các sóng mang con trực giao để truyền dữ liệu
vì thế có thể tối ưu băng tần sử dụng
5 Bố cục của luận văn
Nội dung của luận văn này bao gồm có 3 chương:
Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin di động
Chương II: Các công nghệ then chốt của mạng di động thế hệ sau
Chương III: Triển khai mạng 4G/LTE
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động
Ra đời đầu tiên vào cuối năm 1940, đến nay thông tin di động đã trải quanhiều thế hệ.Thế hệ không dây thứ 1 là thế hệ thông tin tương tự sử dụng côngnghệ đa truy cập phân chia phân chia theo tần số (FDMA).Thế hệ thứ 2 sử dụng kỹthuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chiatheo mã (CDMA).Thế hệ thứ 3 ra đời đánh giá sự nhảy vọt nhanh chóng về cả dunglượng và ứng dụng so với các thế hệ trước đó, và có khả năng cung cấp các dịch vụ
đa phương tiện gói là thế hệ đang được triển khai ở một số quốc gia trên thế giới LTE là một trong số các con đường tiến tới 4G LTE sẽ tồn tại trong giai đoạnđầu của 4G, tiếp theo nó sẽ là IMT-Adv LTE cho phép chuyển đổi từ 3G UMTSsang giai đoạn đầu của 4G sau đó sang IMT-Adv
Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động trên thế giới được thểhiện sự phát triển của hệ thống điện thoại tổ ong (CMTS : Cellular MobileTelephone System) và nhắn tin (PS : Paging System) tiến tới một hệ thống chungtoàn cầu trong tương lai
Trang 6Hình1.1: Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động 4G,[1]
1.2.Kiến trúc của LTE
Hình1.2 :Kiến trúc mô hình B1 của E-UTRAN cho trường hợp không chuyển mạng Trên mô hình kiến trúc (Hinh 1.2) các ký hiệu được sử dụng như sau: R1, R2,R3 là tên các điểm tham khảo Gx+ ký hiệu cho Gx phát triển hay mở rộng PCRF1(Policy and Charging Rules Function: Chức năng các qui tắc tính cước và chínhsách) thể hiện chức năng các qui tắc tính cước và chính sách phát triển Các đường
TriÓn khai LTE
LTE
ATM - Avd 4G
WCDMA CDMA 2001
Wifi/TEEE 802.11
< 10kbps
AMPS
TACS
Wimax/TEE E802.16e
C¸c IP tuú chän (IMS )
SGSN GERAN
UTRAN
E-RAN
Gb IuR3R1
R2Gn
Gi
Trang 7nối và các đường tròn không liên tục thể hiện các phần tử và các giao diện mới củakiến trúc LTE [1].
1.2.Các sơ đồ truyền dẫn
1.2.1 Lập biểu phụ thuộc kênh và thích ứng tốc độ
Đối với LTE các quyết định lập biểu được thực hiện một lần trong1ms và tính hạt trong miền tần số là 180Khz Điều này cho phép bộ lập biểu bámtheo các thay đổi kênh khá nhanh [1]
Hình 1.3 : Lập biểu phụ thuộc kênh đường xuống trong miền thời gian và miền tần số
Lập biểu đường xuống
Trên đường xuống mỗi đầu cuối báo cao ước tính chất lượng kênh tức thờicho trạm gốc Các ước tính này nhận được bằng cách đo một tín hiệu tham khảo
Trang 8được phát đi từ trạm gốc và cũng được sử dụng cho mục đích giải điều chế Dựatrên ước tính chất lượng kênh bộ lập biểu đường xuống ấn định các tài nguyên chocác người sử dụng Về nguyên tắc đầu cuối được lập biểu có thể được ấn định một
tổ hợp bất kỳ gồm các khối tài nguyên rộng 180khz trong mỗi khoảng thời gian lậpbiểu 1ms
Lập biểu đường lên
Đường lên của LTE được xây dựng trên cơ sở phân tách trực giao các người
sử dụng và đây là nhiệm vụ của bộ lập biểu đường lên Bộ lập biểu đường lên ấnđịnh các tài nguyên cho các người sử dụng khác nhau (TDMA/FDMA) trong cảmiền thời gian và miền tần số Quyết định lập biểu được đưa ra mỗi 1ms một lần đểđiều khiển các đầu cuối nào được quyền phát trong ô trong khoảng thời gian chotrước và trên các tài nguyên tần số nào cũng như tốc độ số liệu đường lên là baonhiêu (khuôn dạng truyền tải) Lưu ý rằng các đầu cuối được ấn định một vùng tần
số liên tục do truyền dẫn đơn sóng mang được được sử dụng cho đường lên củaLTE
1.2.2 Điều phối nhiễu giữa các ô
Điều phối nhiễu giữa các biên ô là một chiến lược trong đó các tốc độ số liệutại biên ô được tăng nhờ xét đến nhiễu giữa các người sử dụng Về cơ bản đều phốinhiễu giữa các ô có nghĩa là đưa ra các hạn chế nhất định (miền thời gian) cho các
bộ lập biểu đường lên và đường xuống để điều khiển nhiễu giữa các ô Bằng cáchhạn chế công suất của một bộ phận trong ô, nhiễu trong các ô lân cận trong phầnphổ này sẽ giảm Phần phổ này có thể được sử dụng để cung cấp tốc độ số liệu caohơn cho các người sử dụng trong các ô lân cận Về thực chất hệ số tái sử dụng tần
số trên các phần khác nhau của ô sẽ khác nhau (hình 1.4)
Hình 1.4 : Thí dụ về điều phối nhiễu giữa các ô trong đó một số phần phổ bị hạn chếcông suất
Trang 9Lưu ý rằng điều phối nhiễu giữa các ô chủ yếu là một chiến lược lập biểu với xétđến tình trạng trong các ô lân cận Như vậy điều phối nhiễu ô lân cận là một vấn đềcủa thực hiện và có lẽ khó đưa vào các đặc tả Điều này cũng có nghĩa là điều phốinhiễu giữa các ô có thể được áp dụng chỉ cho một tập các ô được chọn phụ thuộcvào các yêu cầu của một triển khai cụ thể
1.3 Kiến trúc giao thức LTE
Tổng quan kiến trúc giao thức LTE cho đường xuống được minh hoạtrên( hình 1.5) Trong các phần trình bày dưới đây ta sẽ hiểu rằng không phải tất cảcác thực thể được minh hoạ trên (hình 1.5) là đều được áp dụng trong tất cả các tìnhhuống Chẳng hạn cả lập biểu MAC lẫn HARQ với kết hợp mềm đều không được
sử dụng cho quảng bá thông tin hệ thống Ngoài ra cấu trúc giao thức LTE liên quanđến truyền dẫn đường lên cũng giống với cấu trúc đường xuống trên (hình 1.5) Mặc
dù có một số điểm khác biệt liên quan đến chọn khuôn dạng truyền tải và truyền dẫn
đa ăng ten
Các kênh mang
Vô tuyến
Các kênh mang Logic
Các kênh mang Truyền tải
Trang 10Hình 1.5: Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống).
Số liệu cần phát trên đường xuống sẽ được đưa vào gói IP trêncác kênh SAE Trước khi được phát trên giao diện vô tuyến các gói IPđược đưa qua nhiều thực thể giao thức
Công nghệ điều chế sóng mang trực giao OFDM có nhiều tính năng vượt trội
so với điều chế đơn sóng mang truyền thống như khả năng thích hợp cho hệ thốngtốc độ cao, khả năng thích hợp với các hệ thống không dây cố định, tính hiệu quảtrong các môi trường đa đường truyền dẫn, khả năng chống fading chọn lọc tần số.Ngoài ra công nghệ này có thể loại bỏ được hầu hết giao thoa giữa các sóng mang
và giao thoa giữa các ký hiệu Đặc biệt OFDM có thể khắc phục hiện tượng không
có đường dẫn thẳng bằng tín hiệu đa đường dẫn Tuy nhiên OFDM không phải làkhông có nhược điểm, đó là nó đòi hỏi khắt khe về vấn đề đồng bộ vì sự sai lệch vềtần số, ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễugiao thoa tần số ICI (Inter Carrier Interference) mà kết quả là phá bỏ sự trực giaogiữa các tần số sóng mang và làm tăng tỷ số bit lỗi (BER) Ngoài ra OFDM chịuanht hưởng của nhiễu xung
OFDM đang chứng tỏ những ưu điểm của mình trong các hệ thống viễnthông trên thực tế, đặc biệt là trong các hệ thống vô tuyên đòi hỏi tốc độ cao nhưthông tin di động thế hệ tiếp theo, hệ thống truyền hình số và đặc biệt việc ứng dụngcông nghệ OFDM là một trong những vấn đề then chốt trong hệ thống 4G/LTE
Trang 11CHƯƠNG II: CÁC CÔNG NGHỆ THEN CHỐT CỦA MẠNG DI ĐỘNG
THẾ HỆ SAU 2.1 Mở đầu:
Trong chương này trước hết ta sẽ xét nguyên lý OFDM và ứng dụng của nótrong mô hình lớp vật lý OFDMA đường xuống của LTE OFDM đã được tiếp nhận
là sơ đồ truyền dẫn đường xuống cho LTE và cũng được sử dụng cho các công nghệkhông dây băng rộng khác như Wimax và các công nghệ truyền hình quảng báDVB
Đây là một công nghệ đầy hứa hẹn cho thông tin đường lên tốc độ cao trong các hệthống thông tin di động tương lai DFTS-OSDM có hiệu quả thông lượng và mức
độ phức tạp tương tự như OFDM Ưu điểm chính của DFTS – OFDM là tỷ số côngsuất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) thấp hơn OFDM LTE sử dụng DFTS -OFDM cho đa truy nhập đường lên với tên gọi SC-FDMA Chương này sẽ xétnguyên lý của DFTS-OFDM và SC-FDMA ứng dụng trong LTE
2.2 Tóm tắt nguyên lý OFDM
Truyền dẫn OFDM là một kiểu truyền dẫn đa sóng mang Một số đặc trưng
quan trọng của OFDM:
- Sử dụng nhiều sóng mang băng hẹp Chẳng hạn nếu một hệ thống WCDMA (WCDMA đa sóng mang) băng thông 20MHz sử dụng 4 sóng mang vớimỗi sóng mang có băng tần 5MHz, thì với băng thông như vậy OFDM có thể sửdụng 2048 sóng mang với băng thông sóng mang con 15MHz
- Các sóng mang con trực giao với nhau và khoảng cách giữa hai sóng mangcon liên kề bằng đại lượng nghịch đảo của thời gian ký hiệu điều chế sóng mangcon (hình 2.1) Vì thế các sóng mang con của OFDM được đặt gần nhau hơn so vớiFDMA
Trang 12Hình2 1: Ký hiệu điều chế và phổ của tín hiệu OFDM
Ta ký hiệu N là tổng số các sóng mang con của hệ thống truyền dẫn OFDM và
Nc là số sóng mang con mà một máy phát trong hệ thống có thể sử dụng
2.3 Ước tính kênh và các ký hiệu tham khảo
Do biết trước được các ký hiệu tham khảo này nên máy thu có thể ước tính kênhmiền tần số xung quanh vị trí ký hiệu tham khảo Các ký hiệu tham khảo phải cómật độ đủ lớn cả trong miền thời gian và miền tần số để có thể đảm bảo các ướctính kênh cho toàn bộ lưới thời gian tần số ngay cả trong trường hợp các kênh vôtuyến bị phading chọn lọc tần số và thời gian cao [1]
Hình2 2: Các ký hiệu tham khảo trên trục thời gian tần số
2.4 Mã hóa kênh và phân tập tần số bằng OFDM
Chất lượng kênh vô tuyến bị phading chọn lọc tần số luôn luôn thay đổi trongmiền tần số
2.5 Lựa chọn các thông số OFDM cơ sở
Thời gian Tần số
Ký hiệu tham khảo
Trang 13Để sử dụng OFDM cho truyền dẫn thông tin di động, cần lựa chọn các thông
số cơ sở dưới đây:
- Khoảng cách giữa các sóng mang con f
- Số sóng mang con N cùng với khoảng cách giữa sóng mang con quyết định
toàn bộ băng thông truyền dẫn của tín hiệu OFDM
- Độ dài CP: TCP Cùng với khoảng cách giữa các sóng mang f = 1/
TFFT,TCP quyết định độ dài ký hiệu OFDM: T = TCP + TFFT hay tốc độ ký
hiệu OFDM 1]
2.5.1 Khoảng cách giữa các sóng mang con của OFDM
Tồn tại hai tiêu chí cần cân nhắc trong việc chọn sóng mang con:
- Khoảng cách giữa các sóng mang con càng nhỏ càng tốt (TFFT càng lớn
cáng tốt) để giảm thiểu tỷ lệ chi phí cho CP: TCP/(TFFT + TCP)
- Khoảng cách giữa các sóng mang con quá nhỏ sẽ tăng sự nhạy cảm của
truyền dẫn OFDM đối với trải Doppler
2.5.2 Số lượng các sóng mang con
Sau khi đã chọn được khoảng cách giữa các sóng mang con theo môi trường (dựa
trên cân nhắc giữa trải Doppler và tán thời), số lượng các sóng mang con được xác
định dựa trên băng thông khả dụng và phát xạ ngoài băng
2.6 Ảnh hưởng của thay đổi mức công suất tức thời.
Một trong số các nhược điểm của truyền dẫn OFDM là sự biến động lớn
trong công suất phát tức thời dẫn đến giảm hiệu suất bộ khuyếch đại công suất và
tiêu thụ công suất của đầu cuối di động cao hơn hoặc phải giảm công suất phát ra
dẫn đến giảm cự ly phủ sóng
2.7 Sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập
Hình 2.3 mô tả sử dụng OFDM cho đa truy nhập OFDM để có thể truyền dẫn đồng
thời đến và từ các máy đầu cuối bằng phân chia tần số Phương pháp này được gọi
là ghép kênh các người sử dụng cho đường xuống (từ trạm gốc tới các trạm đầu
cuối di động) và đa truy nhập cho đường lên(từ các máy đầu cuối di động đến trạm gốc)
a)đường xuống, b) đường lên
