Nghiên cứu các kỹ thuật đa truy nhập trong hệ thống thông tin di động 4g

Mục tiêu của đề tài là nêu ra được sự hỗ trợ cải tiến của các kỹ thuật đa truy nhập mới nhằm cải thiện và nâng cao các tính năng và chất lượng của một hệ thống di động mới-hệ thống thông

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP TRONG

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

HÀ NỘI Tháng 07 năm 2016

LỜI MỞ ĐẦU

Thông tin di động ngày nay đã trở thành ngành công nghiệp phát triển vô cùng nhanh chóng Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 hay 3.5G vẫn đang phát triển không ngừng nhưng các nhà mạng quốc tế đã và đang triển khai một chuẩn thế hệ mới đó là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư

Xuất phát từ vấn đề trên nhóm em đã chộn đề tài: “Nghiên cứu các kỹ thuật đa truy nhập trong hệ thống thông tin di động 4G” Mục tiêu của đề tài là nêu ra được sự hỗ trợ cải tiến của các kỹ thuật đa truy nhập mới nhằm cải thiện

và nâng cao các tính năng và chất lượng của một hệ thống di động mới-hệ thống thông tin di động 4G

Đề tài của nhóm em được chia thành 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về các hệ thống thông tin di động

Chương 2: Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư

Chương 3: Các kỹ thuật đa truy nhập trong hệ thống thông tin di đông 4G

Tuy nhiên do hệ thống thông tin di động 4G còn mới mẻ và đang được hoàn thiện cung như do giới hạn kiến thức và thời gian nên bài nghiên cứu khó tránh khỏi thiếu sót Rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 8

1.1 Lộ trình của các hệ thống thông tin di động 8

1.1.1 Hệ thống thông tin di động 1G 8

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 8

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) 9

1.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G) 10

1.2 Các kỹ thuật đa truy nhập trong hệ thống thông tin di động 4G 11

1.2.1 Kỹ thuật OFDMA 11

1.2.2 Kỹ thuật SC – FDMA 11

CHƯƠNG 2: CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 13

2.1 Hệ thống WIMAX 802.16m 13

2.1.1 Giới thiệu về hệ thống WIMAX 802.16m 13

2.1.2 Kiến trúc mạng WIMAX 802.16m 14

a Tổng thể kiến trúc mạng 14

b Mô hình tham chiếu hệ thống WIMAX 802.16m 17

2.2 LTE Advanced 19

2.2.1 Giới thiê ̣u 19

2.2.2 Kiến trúc và giao thức mạng 21

CHƯƠNG 3: CÁC KĨ THUẬT ĐA TRUY NHẬP TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 27

3.1 Các kĩ thuật đa truy nhập trong các hệ thống thông tin di động thế hệ trước 27

3.1.1 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA 27

3.1.2 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 28

3.1.3 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 29

3.1.4 Ưu điểm của kỹ thuật truy nhập dùng trong 4G 31

3.2 Kĩ thuật đa truy nhập OFDMA 31

3.2.1 Giới thiệu 31

3.2.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM 34

3.2.3 Tính trực giao ( Orthogonality) 38

a Trực giao trong miền thời gian 38

b Trực giao trong miền tần số 42

3.2.4 Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM 44

3.2.5 Các tham số OFDMA 45

3.3 Kỹ thuật đa truy nhập SC-FDMA 50

3.3.1 Giới thiệu 50

3.3.2 Nguyên lý truyền dẫn DFTS OFDM 52

a Sơ đồ hệ thống DFTS-OFDM 52

b Máy thu DFTS-OFDM 54

3.3.3 Sắp xếp sóng mang con SC-FDMA 55

3.3.4 Cấu trúc khung SC-FDMA 56

KẾT LUẬN 60

LỜI CÁM ƠN 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AMC Adaptive Modulation and Coding Điều chế thích ứng và mã

AMPS Advanced Mobile phone Sytem Hệ thống điện thoại di động

tiên tiến AMS Advance Mobile Station Trạm di động trước

ARQ Automatic Repeat Request Yêu cầu tự động lặp lại

ASN Access Service Network Kết nối mạng truy cập

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa chuyển pha 2 trạng

thái CDMA Code Division Mutiple Access Ghép kênh phân chia theo

mã

CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp

CSC Channel dependent scheduling Kênh phụ thuộc

CSN Connectivity Service Network Kết nối mạng dịch vụ

DFT Fast Fourier Transform Biến đổi fourier rời rạc

FDD Frequency Division Deplex Song công phân chia theo

tần số FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo

tần số FDMA Frequency Division Mutiple Access Ghép kênh phân chia theo

tần số FFT Fast Fourier Tranform Chuyển đổi furier nhanh

G Generation Thế hệ

GSM Information Systems global mobile Hệ thống thông tin di động

toàn cầu HARQ Hybid Automatic Repeat Request Yêu cầu phát lại tự động linh

hoạt ICI Inter-Channel Interface Nhiễu xuyên kênh

IDFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi fourier rời rạc

ngược IEEE Institute of Electrical and Học viện kỹ sư điện điện tử

Elextronic Engineers IFDMA Interleaved SC-FDMA SC-FDMA đan xen

IFFT Inverse Fast Fourier Tranform Chuyển đổi furier nhanh

ngược IMT International Mobile Thông tin di động quốc tế

Telecommucational ISI Inter-Symbol Interface Nhiễu xuyên ký tự

ITU International Telecommunications Union Liên minh viễn thông

quốc tế LFDMA Locallized SC-FDMA SC-FDMA khoanh vùng MAC Medium Access Control Điều khiển truy cập bắt buộc MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống nhiều đầu vào

nhiều đầu ra

MME/GW Mobility Management Cách tổ chức quản lý di

Entity/Gate Way động / cửa NLOS

NMT Nordic Mobile Telephone Điện thoại di động Bắc Âu NRM Network Reference Model Mô hình kiến trúc mạng OFDM Orthorganal Frequenc Ghép kênh phân chia theo

Division Multiplexing trực giao tần số OFDMA Orthorganal Frequency Đa truy nhập phân chia theo

Division Multiplexing Access tần số trực giao P/S Parallel Serial Song song/ Nối tiếp

PARR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trung

bình PDN Packet Data Networks Mạng gói dữ liệu

P-GW The Packet Data Network Gateway Gổng mạng gói dữ liệu

PHY Physical layer Lớp vật lý

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa chuyển vuông pha RLC Radio Link Control Kiểm soát kết nối vô tuyến RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô

tuyến RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển vô tuyến

S/P Serial Parallel Nối tiếp/ Song song

SC-FDMA Single Carrier-Frequency Đa truy nhập phân chia theo

Division Multiple Access tần số đơn sóng mang S-GW The Serving Gate Way Cổng phục vụ

TDD Time Division Deplex Song công phân chia theo

thời gian TDMA Time Division Mutiple Access Ghép kênh phân chia theo

thời gian TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền dẫn

UE User Equipment Thiết bị người sử dụng

UL/DL Uplink/ Downlink Đường lên/ Đường xuống

UMTS Universal Mobile Hệ thống viễn thông

Telecommunication System di động toàn cầu VoIP Voice over IP Thoại tên IP

WIMAX Worldwide Interoperability for Khả năng khai thác liên

Microwave Access mạng toàn cầu đối vi truy

cập vi ba

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI

ĐỘNG 1.1 Lộ trình của các hệ thống thông tin di động

1.1.1 Hệ thống thông tin di động 1G

1G là hệ thống thông tin di động thế hệ đầu tiên (1st Generation) Được triển khai rộng rãi vào những năm 1980 Phát triển ma ̣nh nhất là 2 hê ̣ thống NMT với băng tần 450Mhz (chuẩn thống nhất thông tin di động cho 5 nước Bắc Âu) và AMPS với băng tần 800Mhz (di ̣ch vu ̣ thông tin thoa ̣i di đô ̣ng được hoàn thiê ̣n của Mỹ.Hầu hết các hệ thống đều là hệ thống tương tự và dịch vụ truyền chủ yếu là thoại, tính di động thấp vì sử dụng điều chế tương tự và băng thông thấp Sử dụng kỹ thuật FDMA, không có tính tương thích toàn cầu và có Dung lượng <19kb/s Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba 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

960MHz) Trong đó băng tần cơ bản được chia làm 2 phần: Đường lên từ (890 –

915) MHz và đường xuống từ (935 – 960) Mhz GSM mới chỉ cung cấp được các dịch vụ thoại và nhắn tin ngắn

• Chuẩn: IS-95 sử dụng kỹ thuật truy nhập vô tuyến CDMA và điều chế BPSK/QPSK

Dịch vụ cơ bản của mạng di đông thệ thứ 2 là thoại và một số dịch vụ truyền dữ liệu và một số dịch vụ bổ sung đa dạng, dịc vụ thoại có chất lượng tốt,

dữ liệu tốc độ thấp 14.4Mb/s, có sự chuẩn hóa khu vực hoặc ở mức gần toàn cầu Tuy nhiên vẫn chưa có Internet Mặc dù hệ thống thông tin di động 2G được coi là những tiến bộ đáng kể nhưng vẫn gặp phải các hạn chế: Tốc độ thấp

và tài nguyên hạn hẹp

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3(3G)

Công nghệ 3G được nhắc đến như một chuẩn ITM-2000 của Tổ chức viễn thông thế giới (ITU) 3G sử dụng công nghệ đa truy nhập mới, truyền tải đa phương tiện trên Internet không dây: video streaming, email Công nghệ 3G có

hỗ trợ các dịch vụ số liệu gói tốc độ cao như: Di chuyển trên các phương tiện (Vehicles) 144kbps – Nacocell; Đi bộ, di chuyển chậm (Pedestreans) 384kbps – Microcell; Văn phòng (Indeer, stationary) 2Mbps – Picocell…

3G có 2 hướng phát triển chính là UMTS và CDMA 2000

 UMTS (Universal Mobile Telecommunication System )

UMTS dựa trên công nghệ đa truy nhâp W- CDMA 5MHz Có tốc độ lớn nhất như sau: Đường lên 50Mbit/s, Đường xuống 1000Mbit/s Về kỹ thuật điều chế thì sử dụng công nghệ điều chế QPSK/MPSK(DL) và BPSK/QPSK(UL)

 CDMA 2000:

Là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95 Dựa trên công nghệ

CDMA rộng, sử dụng điều chế số Bao gồm các chuẩn IS 85A và IS 85B Công nghệ điều chế có QPSK(DL) và BPSK(UL) Truy nhập vô tuyến toàn cầu, mang tính toàn cầu hóa, bảo mật tốt và băng thông rộng là những ưu điểm của CDMA

2000 Về mã hóa có 2 dạng là mã hóa xoắn (tốc độ thấp) và mã turbo (tốc độ cao)

1.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G)

Mạng thông tin di động 4G là công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ

tư cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lí tưởng lên tới 1,5Gbit/s Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bi không dây Kết nối ma ̣ng dựa trên giao thức hoàn toàn bằng IP.Với yêu cầu thông toin

rô ̣ng khắp, di đô ̣ng và liên tu ̣c Các nghiên cứu đầu tiên của Docomo cho biết điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100Mbit/s khi di chuyển và 1Gbit/s khi đứng yên, cho phép người sử dụng có thể truyền tải âm thanh, hình ảnh, video clips chất lượng cao

Hai công nghệ được xem như 4G là chuẩn Wimax2 (802.16m) và

LTE-advanced

 WiMAX 802.16m

Chuẩn Wimax 802.16m sử dụng công nghệ song công TDD và FDD.Về phương pháp đa truy nhập thì sử dụng phương pháp đa truy nhập OFDMA cho cả đường lên và đường xuống Với độ rộng băng thông: 5, 10, 20, 40 MHz Tốc độ tối đa cho đường lên và đường xuống: Downlink >350Mb/s, Uplink >200Mb/s Tốc

độ tối đa (hỗ trợ di động) là 350 km/h Độ trễ Truy cập nhỏ hơn 10ms, còn độ trễ chuyển giao thì nhỏ hơn 20ms Cấu hình MIMO Downlink:2x2,2x4,4x2,4x4, Uplink:1x2,1x4,2x2,2x4 Hệ thống có bán kính phủ là 1/5/30 km (chất lượng tốt

nhất ở 5km) Số người dùng VoIP cùng lúc: (>100 users/sector/FDD MHz>50 users/sector/TDD MHz)

 LTE Advanced

Chuẩn LTE Advanced được hỗ trợ cả hai hệ thống dùng FDD và TDD cũng như FDD bán song công với cùng công nghệ truy nhập vô tuyến Sử dung OFDMA cho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên Độ rộng băng thông: 20-100 MHz Với tốc độ tối đa downlink: 299.6 Mb/s, Uplink: 75.4 Mb/s Và tốc độ tối

đa (hỗ trợ di động) lên đến 500 km/h Trễ truyền dẫn dữ liệu: <5ms, Cấu hình MIMO: UL: 4x4, 8x8, DL: SISO, 2x4 ,4x4 Hệ thống có số thiết bị hoạt động cùng lúc khoảng 600 thiết bị ở 5 MHz

1.2 Các kỹ thuật đa truy nhập trong hệ thống thông tin di động 4G

1.2.1 Kỹ thuật OFDMA

OFDMA là kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao được phát triển dựa trên kĩ thuật OFDM OFDMA có ưu điểm rất lớn về khả năng đề

kháng đối với việc truyền tín hiệu đa đường vì vậy nó được lựa chọn để hỗ trợ ở

cả đường xuống và đường lên trong WIMAX 802.16m còn trong LTE advance

hỗ trợ cho đường xuống

1.2.2 Kỹ thuật SC – FDMA

FDMA là kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang FDMA được tạo ra bằng kĩ thuật trải phổ DFT-S-OFDA Xử lí DFT là sự khác biệt cơ bản giữa tạo ra tín hiệu SC-FDMA Trong một tín hiệu SC-FDMA, mỗi sóng mang con được sử dụng cho việc truyền dẫn thông tin bao gồm tất cả các

SC-ký hiệu điều chế đuợc truyền, kể từ khi dòng dữ liệu đầu vào được lan truyền bởi sự biến đổi DFT qua các sóng mang con sẵn có Sử dụng SC-FDMA cho PAPR thấp nên tiêu thụ công suất ít hơn, tiết kiệm pin cho thiết bị đầu cuối

Trong LTE advance đường lên đã sử dụng kĩ thuật SC-FDMA thay cho

OFDMA ở WIMAX 802.16m làm tăng tốc độ đỉnh dữ liệu ở UL là 300Mbps

CHƯƠNG 2: CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

2.1 Hệ thống WIMAX 802.16m

2.1.1 Giới thiệu về hệ thống WIMAX 802.16m

Hệ thống WiMAX 802.16m được triển khai từ tháng 12/2006, phát triển dựa trên nền tảng của WiMAX 802.16e Và WIMAX 802.16m sử du ̣ng kĩ thuâ ̣t

đa truy nhâ ̣p phân chia theo tần số trực giao OFDMA ở cả đường lên và đường xuống.Chuẩn này được thiết kế nhằm đáp ứng các yêu cầu của IMT-Advance

So với WiMAX 802.16e thì WiMAX 802.16m có các ưu điểm như:

-Tăng vùng phủ sóng và hiệu suất phổ

-Tăng dung lượng cho dữ liệu và VoIP

-Độ trễ thấp hơn và cải thiện QoS

-Liên kết với các mạng không dây khác

-Dự trữ công suất

-Các tính năng nâng cao khác và các dịch vụ hỗ trợ

Để đạt được các ưu điểm trên, WiMAX 802.16m đã sử dụng các cải tiến sau:

+Mở rộng và cải thiện chế độ MIMO cho cả đường lên và đường xuống hỗ trợ lên đến 8 luồng dữ liệu cho đường xuống và 4 luồng dữ liệu cho đường lên +Cải thiện điều khiển công suất vòng kín, vòng hở

+Các kỹ thuật giảm thiểu nhiễu bao gồm tái sử dụng phân đoạn tần số và phối hợp các trạm

+Sử dụng phương pháp Điều chế và mã hóa thích ứng AMC tùy thuộc vào điều kiện kênh truyền

+Sử dụng HARQ thay cho ARQ truyền thống Phương pháp mới này làm giảm lượng bit thông tin cần truyền ai khi xảy ra lỗi, do đó sẽ tiêu hao năng lượng ít

và làm cho tốc độ tăng lên

+Sử dụng hệ thống Anten tương thích AAS để giảm nhiễu, tăng SNR, tăng vùng phủ…

2.1.2 Kiến trúc mạng WIMAX 802.16m

a Tổng thể kiến trúc mạng

Hình 2.1 Kiến trúc mạng wimax

Hình 2.2 Mô hình tham chiếu của WIMAX 802.16m

Mô hình tham chiếu mạng (NRM) là 1 đặc trưng của kiến trúc mạng Mô hình tham chiếu xác định các chức năng và điểm tham chiếu mà khả năng tương tác được thực hiện giữa các ddown vị chức năng Hình 2.1 minh họa cho mô

hình tham chiếu cho hệ thống bao gồm: AMS- trạm điện thoại di động, kết nối mạng dịch vụ - CSN, truy cập mạng dịch vụ-ASN

ASN được định nghĩa là 1 tập hợp đầy đủ các chức năng mạng cần thiết

để cung cấp truy cập vô tuyến đến 1 R1 MS/AMS ASN bao gồm các thành

phần mạng như 1 hoặc nhiều trạm gốc 1 hoặc nhiều cổng vào ASN, 1 ASN có thể được chia sẻ bởi nhiều hơn 1 CSN CSN được định nghĩa là 1 tập các chức năng mạng cung cấp dịch vụ kết nối người sử dụng tới R1 MS/AMS.Một CSN cung cấp các chức năng sau:

 Địa chỉ IP AMS và phân bổ thông số thiết bị đầu cuối cho người sử dụng

 AAA đại diện hoặc máy chủ

 Cách giải quyếtvà kiểm soát đầu vào dựa trên hồ sơ đăng ký sử dụng

 Hỗ trợ truyền liên mạng ASN-CSN

Hình 2.2 và bảng 2.1 cho thấy giao diện chuyển tiếp WIMAX 802.16m

đã được hỗ trợ và nó cũng chỉ ra cụ thể giao thức IEEE 802.16 được sử dụng để

hỗ trợ các giao diện cụ thể

Hình 2.2 Sự liên quan của các kết nối chuyển tiếp

Bảng 2.1 Mối liên hệ giữa các thực thể trong hình 2 và giao thức được sử dụng

b Mô hình tham chiếu hệ thống WIMAX 802.16m

Mô hình tham chiếu hệ thống WIMAX 802.16m tương tự như IEEE std 802.16 ngoại trừ phân lớp mềm của phân lớp MAC trong kiểm soát và quản lý tài

nguyên vô tuyến và chức năng kiểm soát truy cập trung bình

Hình 2.3: Mô hình tham chiếu hệ thống Chức năng của MAC và PHY có thể được chia thành 3 loại cụ thể: mức

dữ liệu, mức điều khiển, mức quản lý Mức dữ liệu bao gồm chức năng trong

đường xử lý dữ liệu như là đầu nén hay là chức năng xử lý gói dữ liệu Một tập các lớp 2(L2) chức năng kiểm soát là cần thiết để hỗ trợ những cấu hình tài

nguyên vô tuyến khác nhau, phối hợp, báo hiệu, quản lý Chức năng của tập này được gọi chung là chức năng điều khiển mức

2.2 LTE Advanced

2.2.1 Giới thiê ̣u

LTE–Advanced (Long Term Evolution–Advanced) là một chuẩn truyền thông di động, chính thức trở thành một ứng cử viên cho hệ thống thông tin di động 4G vào cuối năm 2009, đã được phê duyệt bởi ITU và được hoàn thành bởi 3GPP (dự án đối tác thế hệ thứ ba) và tháng 3 năm 2011 Thực sự là một công nghệ truyền thông di động 4G, LTE-Advenced có đầy đủ các đặc điểm tính năng cũng như ứng dụng của hệ thống di động 4G đã nêu trên

LTE – Advanced, như tên gọi của nó, thực chất chỉ là bản nâng cấp của LTE nhằm hướng đến thỏa mãn các yêu cầu của IMT – Advanced

Trong LTE-Advanced tâ ̣p trung vào công suất cao hơn: đô ̣ng lực để tiếp

tu ̣c phát triển LTE đối với LTE-Advanced là cung cấp bitrate cao hơn mô ̣t cách hiê ̣u quả chi phí và cùng mô ̣t lúc đáp ứng các yêu cầu của ITU cho IMT tiên tiến

• Hỗ trơ ̣ đô ̣ rô ̣ng băng tần lên đến và bao gồm 40MHz

• Hiê ̣u quả sử du ̣ng phổ tần đỉnh đường xuống tối thiểu là 15b/s/Hz

• Hiê ̣u quả sử du ̣ng phổ tần đỉnh đường lên tối thiểu là 6,75b/s/Hz

• Tốc đô ̣ thông lươ ̣ng lý thuyết là 1,5Gb/s

• Tăng tốc đô ̣ dữ liê ̣u đỉnh cao, DL 3Gbps, UL 1,5Gbps

• Hiê ̣u quả quang phổ cao hơn, tứ tối đa 16bps/Hz trong R8 30 bps/Hz trong R10

• Tăng số lươ ̣ng thuê bao đồng thời hoa ̣t đô ̣ng

• Hiê ̣u suất đươ ̣c cải thiê ̣n ở ca ̣nh di đô ̣ng

• Truyền dẫn băng rô ̣ng hơn và chia sẻ phổ tần

• Giải pháp đa anten

• Truyền dẫn đa điểm phối hơ ̣p

• Các bô ̣ lă ̣p và các bô ̣ chuyển tiếp OFDMA được dùng cho đường xuống, FDMA dùng cho đường lên để tiết kiệm công suất.Hỗ trợ cả hai hệ thống dùng FDD và TDD cũng như FDD bán song công với cùng công nghệ truy nhập vô tuyến

SC-Mục tiêu của LTE là cung cấp một tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp và gói tối ưu hóa công nghệ hỗ trợ triển khai băng thông linh hoạt Song song, mạng mới kiến trúc được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ giao thông chuyển mạch gói với liền mạch di động, chất lượng dịch vụ và độ trễ tối thiểu.Các thuộc tính liên

quan đến không gian giao diện của hệ thống LTE được tóm tắt trong Bảng sau:

Hình 2.4 Đặc tính của LTE advance Các hệ thống hỗ trợ băng thông linh hoạt nhờ OFDMA và các chương

Ngoài FDD và TDD, một nửa song công FDD được cho phép để hỗ trợ

UE chi phí thấp Không giống như FDD, trong hoạt động FDD bán song công một UE là không cần thiết để truyền và nhận cùng một lúc Điều này tránh sự cần thiết cho sự tốn kém trong UE Dữ liệu đường xuống trung bình tỷ lệ 100 Mbit /s trong các mạng diện rộng , và lên đến 1 gigabit / giây cho việc truy cập địa phương hoặc thấp kịch bản di động

Truy cập đường lên dựa trên duy nhất phân chia tần số sóng mang nhiều truy cập (SC-FDMA ) hứa hẹn bảo hiểm uplink tăng do tỷ lệ điện năng thấp đỉnh- trung bình (PAPR) so với OFDMA Ngoài viê ̣c cải tiến tốc độ dữ liệu cao điểm, hệ thống LTE cung cấp hai đến bốn lần cao hơn tế bào quang phổ hiệu quả tương đối so với hệ thống HSPA Release 6 Về độ trễ, LTE phát thanh giao diện và mạng lưới cung cấp khả năng dưới 10 ms độ trễ cho việc truyền tải một gói tin từ mạng cho UE

Kiến trúc mạng

Tất cả các giao diện mạng dựa trên giao thức IP.eNB được kết nối với nhau

bằng các giao diện X2 và kết nối với thực thể MME / GW bằng một giao diện

S1 như trong hình 2.5

Hình 2.5 Kiến trúc mạng Việc phân chia chức năng giữa eNB và MME / GW được thể hiện trong

hình 2.6

Hai thành phần cụ thể là cửa ngõ phục vụ (S -GW) và cổng mạng gói dữ

liệu (P- GW) được xác định S- GW hoạt động như một địa phương chuyển tiếp

di động chuyển tiếp và nhận.Các giao diện P- GW với gói bên ngoài mạng dữ

liệu (PDN) như Internet và IMS P- GW cũng thực hiện một số IP các chức

năng như phân bổ địa chỉ, thực thi chính sách, lọc gói và định tuyến MME chỉ

là một thực thể truyền tín hiệu và do đó IP gói người sử dụng không đi qua

MME một lợi thế của một thực thể mạng riêng biệt cho tín hiệu là năng lực

mạng lưới cho tín hiệu và lưu lượng truy cập có thể phát triển một cách độc lập

Các chức năng chính của MME areidle - chế độ UE reachability bao gồm cả

việc kiểm soát và thực hiện phân trang truyền lại, khu vực theo dõi danh sách quản lý chuyển vùng, xác thực , ủy quyền,lựa chọn P-GW/S-GW , , quản lý mang bao gồm thành lập mang chuyên dụng, các cuộc đàm phán an ninh và tín hiệu NAS , vv

Chức năng node- B cũng như các giao thức truyền thống thực hiện trong RNC Các chức năng chính của eNB là nén tiêu đề, mã khối và truyền chính xác các gói tin.ở phía bên kiểm soát , eNB kết hợp các chức năng như kiểm soát và quản lý tài nguyên vô tuyến Một số lợi ích của một nút duy nhất trong việc tiếp cận mạng được giảm độ trễ và sự phân bố tải trọng xử lý RNC vào nhiều eNB

Hình 2.6 Chức năng phân chia giữa Enb và MME/GM Người sử dụng giao thức mặt phẳng ngăn xếp được đưa ra trong hình 2.7

Hình 2.7 Người sử dụng giao thức mặt phẳng ngăn xếp Lưu ý rằng hội tụ dữ liệu gói giao thức (PDCP) và kiểm soát kết nối vô tuyến (RLC) các lớp truyền thống kết thúc trong RNC trên phía mạng hiện đang chấm dứt trong eNB

Hình 2.8 cho thấy các giao thức mặt phẳng điều khiển

Lưu ý rằng chức năng RRC truyền thống thực hiện trong RNC bây giờ được kết hợp vào eNB Các RLC và MAC lớp thực hiện các chức năng tương tự như họ làm cho mặt phẳng sử dụng Các chức năng được thực hiện bởi RRC bao gồm hệ thống phát sóng thông tin , nhắn tin, kiểm soát mang radio, kết nối RRC quản lý , chức năng vận động và đo lường UE báo cáo và kiểm soát Việc không truy cập tầng (NAS) giao thức chấm dứt trong các MME ở phía mạng và tại UE

trên bên thiết bị đầu cuối thực hiện các chức năng như EPS ( hệ thống gói phát triển ) quản lý không ghi tên, thẩm định và kiểm soát an ninh , vv

S1 và X2 giao diện ngăn xếp giao thức được thể hiện trong hình 2.9 và 2.10

Hình 2.9 :Giao diện người dùng S1 và mặt phẳng điều khiển

Hình 2.10: Giao diện người dùng X2 và mặt phẳng điều khiển

Lưu ý rằng các giao thức tương tự được sử dụng trên hai giao diện Giao diện người sử dụng mặt phẳng S1 (S1 -U) được định nghĩa giữa eNB và S- GW Giao diện S1- U sử dụng GTP- U (GPRS Đường hầm giao thức - sử dụng dữ

liệu đường hầm Vận chuyển UDP / IP và cung cấp không đảm bảo giao hàng của người sử dụng mặt phẳng PDU giữa eNB và S- GW

Đường hầm giao thức IP dựa cho phép nhiều đường hầm giữa mỗi tập hợp các điểm kết thúc Các kiểm soát S1 giao diện máy bay ( S1- MME) được định nghĩa là giữa eNB và MME Tương tự như mặt phẳng sử dụng , lớp mạng lưới giao thông vận tải được xây dựng trên IP và có lưu lượng chịu trách nhiệm của bản tin báo hiệu SCTP ( giao thức truyền dẫn kiểm soát dòng ) được sử dụng trên đầu trang của IP Giao thức SCTP hoạt động Tương tự TCP đảm bảo đáng tin cậy , giao thông vận tải trong chuỗi Các tin nhắn với kiểm soát tắc nghẽn Các giao thức báo hiệu lớp ứng dụng là tương ứng

CHƯƠNG 3: CÁC KĨ THUẬT ĐA TRUY NHẬP TRONG HỆ THỐNG

THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 3.1 Các kĩ thuật đa truy nhập trong các hệ thống thông tin di động thế hệ trước

3.1.1 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA

Đa truy nhập FDMA là phương thức đa truy nhập mà trong đó mỗi kênh được cấp phát 1 tần số cố định Phương pháp đa truy nhập này:

 Chia băng thông thành các băng con và khoảng bảo vệ

 Mỗi user sử dụng hoàn toàn 1 băng con

 Ứng dụng: hệ thống điện thoại không dây, thông tin vệ tinh

Ưu điểm của kỹ thuật FDMA là không cần đồng bộ vì vậy nó được chọn cho hệ thống thông tin di động đầu tiên

Tuy nhiên ở kỹ thuật này có các nhược điểm đó là:

 Băng tần bị giới hạn

 Tốn kém

 Nhiễu giao thoa giữa các kênh lân cận, đồng thời cũng không thể tránh khỏi các loại nhiễu khác như nhiễu xuyên âm và bị ảnh hưởng của các tạp âm do dây truyền tải thường làm bằng dây trần

 Chưa tận dụng triệt để dải tần (những khoảng bảo vệ không dùng

để truyền tin) do đó FDMA chỉ dùng cho các hệ thống có băng tần được cấp phát rộng như thông tin vệ tinh

3.1.2 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

Vì vậy để khắc phục những nhược điểm của FDMA người ta đã sử dụng

kỹ thuật đa truy nhập TDMA ở thế hệ thứ 2 Phương pháp này:

 Chia tín hiệu thành các cụm và ghép thành các khung thời gian

 Mỗi sóng mang mang 1 cụm chiếm toàn bộ băng thông => tiết kiệm tần số

 Cần phải đảm bảo tính đồng bộ nghiêm ngặt

Ưu điểm của TDMA so với FDMA là sử dụng triệt để hơn dải tần số cấp phát (toàn bộ dải tần đều được sử dụng).Tuy nhiên nó yêu cầu cao về tính đồng

bộ và có một khoảng thời gian bảo vệ nhất định không dùng để truyền tin

Đồng bộ trong TDMA:

Mục đích là đảm bảo cụm lấy ra phía thu tương ứng với cụm phát phía

phát và được thưc hiện bằng cách chèn vào đầu khung là các cụm tham chiếu

mang thông tin để máy thu xác định đúng điểm bắt đầu cụm

Do các khung phát trên cùng một dải tần, phát tại các thời điểm khác

nhau Do đó cần phải có sự đồng bộ ở phía phát và thu Một khung TDMA

ngoài tín hiệu tin tức còn có những phần dành để chèn tín hiệu báo hiệu và đồng

bộ Máy thu sẽ tham chiếu vào nội dung này để xác định xem có đúng là khung phía phát tương ứng hay không

3.1.3 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 sử dụng kỹ thuật đa truy nhập

CDMA, các thuê bảo của CDMA chia sẻ cùng một giải tần chung, các user

được mã hóa trực giao nhau và cho phép nhiều user phát đồng thời trên toàn bộ băng thông tại cùng một thời điểm

Do các user dùng chung băng tần, và đồng thời có thể phát cùng thời điểm với nhau nên tận dụng tối đa tài nguyên về thời gian và tần số => nâng cao dung lượng hệ thống Các user phân biệt nhau bằng mã Thường dùng mã giả ngẫu nhiên có tính trực giao tốt để tránh can nhiễu lên nhau

So với FDMA và TDMA ta thấy CDMA có những ưu điểm:

 Dung lượng cao,có giới hạn mềm