Đề tài Kiến trúc giao thức của 4G-LTE

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AMPS Advanced Mobile Phone Sytem Hệ thống điện thoại di động tiên tiến BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá DCCH Dedicated Control Channel Kên

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 2

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU 3

BẢNG PHÂN CÔNG THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 4

LỜI MỞ ĐẦU 5

PHẦN NỘI DUNG 6

CHƯƠNG 1: TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TỪ 1G LÊN 4G 6

1.1.Mạng thông tin di động 1G : 6

1.2.Mạng thông tin di động 2G: 7

1.3.Mạng thông tin di động 2,5 G 9

1.4.Mạng thông tin di động 3G : 10

1.5.Mạng thông tin di động thế hệ 3.5G : 12

1.6.Mạng thông tin di động 4G : 12

CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ MỤC TIÊU THIẾT KẾ LTE 15

2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE: 15

2.2 Mục tiêu thiết kế LTE : 16

2.3 Lộ trình phát triển công nghệ LTE và các công nghệ khác: 18

2.3.1.WiMAX 18

2.3.2.So sánh công nghệ kỹ thuật dùng trong WiMAX và 3G LTE: 20

2.3.3.Dịch vụ, ứng dụng và tương lai không xa cho công nghệ LTE: 22

CHƯƠNG 3 : KIẾN TRÚC GIAO THỨC CỦA 4G-LTE 25

3.1 PDCP: Packet Data Convergence Protocol - Giao thức hội tụ số liệu gói 27

3.2 RLC: radio link control - điều khiển liên kết vô tuyến 28

3.3 Điều khiển truy nhập môi trường MAC(Medium Access Control) 30

3.3.1 Các kênh logic và các kênh truyền tải 30

3.3.2 Hoạch định đường lên 32

3.3.3 Hoạch định đường xuống 34

3.3.4 Hybrid ARQ 37

3.4 PHY: physical layer - lớp vật lý 41

KẾT LUẬN 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO: 45

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AMPS Advanced Mobile Phone Sytem Hệ thống điện thoại di động tiên

tiến

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá

DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển dành riêng

DL-SCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống

EDGE Enhanced Data Rates for GSM

Evolution

Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung

HSCSD High Speed Circuit Switched Data Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ

MIMO Multiple input Multiple Output Đa nhập đa xuất

MTCH Multicast Traffic Channel Kênh lưu lượng multicast

PCCH Paging Control Channel Kênh điều khiển tìm gọi

PDCP Packet Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ số liệu gói

PDU Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức

DTCH Dedicated Traffic Channel Kênh lưu lượng dành riêng

RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô tuyến

SDU Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ

TACS Total Access Communication

Sytem

Hệ thống giao tiếp truy cập tổng

hợp UL-SCH Uplink shared channel Kênh chia sẻ đường lên

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

Hình 1: Lộ trình phát triển thông tin di động từ 1G lên 4G……… 12

Hình 2.1: Kiến trúc mô hình LTE theo TR 23.822 ……….15

Hình 2.2: Lộ trình phát triển thông tin di động từ 1G lên 4G……… 18

Hình 2.3: Lộ trình phát triển thông tin di động từ 1G lên 4G……… 19

Hình 3.1 – Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống)……… 25

Hình 3.2: Sơ đồ mô tả các thành phần của phần mềm PDCP:……… 26

Hình 3.3: Phân đoạn và hợp đoạn RLC……… 27

Hình 3.4:Thí dụ về sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải ……….31

Hình 3.5 : Việc lựa chọn đinh dạng truyền dẫn trong đường xuông (bên trái ) và đường lên ( bên phải )……… 32

Hình 3.6 Giao thức hybrid-ARQ đồng bộ và không đồng bộ……… 38

Hình 3.7 : Nhiều tiến trình hybrid – ARQ song song……… 38

Hình 3.8 – Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho DL-SCH……….41

Hình 3.9 – Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho UL-SCH ……… 42

Bảng 2 : So sánh công nghệ kỹ thuật dùng trong WiMAX và 3G LTE………19

Bảng 3 Dịch vụ và ứng dụng của LTE ……….21

BẢNG PHÂN CÔNG THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

1 ĐÀM THẢO PHƯƠNG L10CQVT11B

+ Chương 1 + Chương 2 + Hoàn thiện slide

NT

0947266518

+ Mở đầu chương 3 và 3.1 + 3.2

+ Hoàn thiện bản text

0944582179

+ Chương 2 : 3.3 và 3.4

+ In ấn

0947266484

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay ngành viễn thông có những bước phát triển rất nhanh, hình thành môi trường cạnh tranh lớn giữa các nhà khai thác mạng phục vụ nhu cầu về thông tin cho con người ngày càng đòi hỏi cao hơn Chất lượng các dịch vụ ngày càng trở thành chìa khóa để có thể dẫn tới thành công Song song với xu thế này, nhu cầu ngày càng gia tăng đối với các dịch vụ truyền thông mới, đủ khả năng đáp ứng việc cung cấp dịch vụ hoặc tăng tính cạnh tranh

ITU công bố chuẩn IMT-2000 cho hệ thống 3G năm 1992, tuy nhiên sau đó 4G mới là đích đến của truyền tải dữ liệu không dây

LTE được xem như “người kế thừa” xuất sắc của thế hệ công nghệ mạng 3G hiện tại, dựa trên nền tảng WCDMA, HSDPA, HSUPA, và HSPA LTE cập nhật công nghệ UMTS để cải thiện một cách đáng kể tốc độ truyền dữ liệu hai chiều

Nhận thấy công nghệ LTE là công nghệ mới triển vọng nhất cho việc tiến lên 4G nên nhóm chúng em chọn đề tài tìm hiểu về LTE : “ Kiến trúc giao thức của 4G – LTE ” Nội dung báo cáo gồm có:

 Chương 1: Tiến trình phát triển của các hệ thống thông tin di động từ 1G lên 4G

 Chương 2: Giới thiệu về công nghệ và mục tiêu thiết kế LTE

 Chương 3: Kiến trúc giao thức 4G-LTE

Chúng em xin trân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Viết Đảm, khoa Viễn thông 1, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông!

Trong quá trình làm đề tài do còn nhiều hạn chế về kiến thức nên nhóm chúng

em không tránh khỏi những thiếu sót, mong thầy cô và các bạn góp ý để đề tài nhóm chúng em được tốt hơn

Chúng em xin trân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 10/06/2012 Nhóm sinh viên thực hiện : ( Nhóm 25)

Nó sử dụng các ăng-ten thu phát sóng gắn ngoài, kết nối theo tín hiệu analog tới các trạm thu phát sóng và nhận tín hiệu xử lý thoại thông qua các module gắn trong máy di động Chính vì thế mà các thế hệ máy di động đầu tiên trên thế giới có kích thước khá to và cồng kềnh do tích hợp cùng lúc 2 module thu tín hiện và phát tín hiệu

Mặc dù là thế hệ mạng di động đầu tiên với tần số chỉ từ 150MHz nhưng mạng 1G cũng phân ra khá nhiều chuẩn kết nối theo từng phân vùng riêng trên thế giới: NMT (Nordic Mobile Telephone) được sử dụng ở các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga Một số công nghệ khác như AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem – hệ thống điện thoại di động tiên tiến) được sử dụng ở Mỹ và Úc; TACS (Total Access

Communication Sytem – hệ thống giao tiếp truy cập tổng hợp) được sử dụng ở Anh, C-45 ở Tây Đức, Bồ Đào Nha và Nam Phi, Radiocom 2000 ở Pháp; và RTMI ở Italia

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…do vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng

1.2.Mạng thông tin di động 2G:

Năm 1982, hội nghị quản lý bưu điện và viễn thông ở Châu Âu (CEPT – European Conference of Postal and Telecommunications ad minstrations) thành lập

1 nhóm nghiên cứu, GSM – Group Speciale Mobile, mục đích phát triển chuẩn mới

về thông tin di động ở Châu âu Năm 1987, 13 quốc gia ký vào bản ghi nhớ và đồng

ý giới thiệu mạng GSM vào năm 1991

Năm 1988, Trụ sở chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI – European Telecommunication Standards Institute ) được thành lập, có trách nhiệm biến đổi

nhiều tiến cử kỹ thuật GSM thành chuẩn European

Thế hệ thứ hai 2G của mạng di động chính thức ra mắt trên chuẩn GSM của

Hà Lan, do công ty Radiolinja (Nay là một bộ phận của Elisa) triển khai vào năm

1991

Sự phát triển kỹ thuật từ FDMA -1G, 2G - là kết hợp FDMA và TDMA.Tất

cả các chuẩn của thế hệ này đều là chuẩn kỹ thuật số và được định hướng thương mại, bao gồm: GSM, iDEN, D-AMPS, IS-95, PDC, CSD, PHS, GPRS, HSCSD, WiDEN và CDMA2000 (1xRTT/IS-2000) Trong đó khoảng 60% số mạng hiện tại

là theo chuẩn của châu Âu

Mạng 2G chia làm 2 nhánh chính: TDMA (Time Division Multiple Access-

đa truy cập phân chia theo thời gian) và CDMA ( đa truy cập phân chia theo tần số) cùng nhiều dạng kết nối mạng tuỳ theo yêu cầu sử dụng từ thiết bị cũng như hạ tầng từng phân vùng quốc gia:

 GSM (TDMA-based), khơi nguồn áp dụng tại Phần Lan và sau đó trở thành chuẩn phổ biến trên toàn 6 Châu lục Và hiện nay vẫn đang được sử dụng bởi hơn 80% nhà cung cấp mạng di động toàn cầu

 CDMA2000 – tần số 450 MHZ cũng là nền tảng di động tương tự GSM nói trên nhưng nó lại dựa trên nền CDMA và hiện cũng đang được cung cấp bởi 60 nhà mạng GSM trên toàn thế giới

 IS-95 hay còn gọi là cdmaOne, (nền tảng CDMA) được sử dụng rộng rãi tại Hoa Kỳ và một số nước Châu Á và chiếm gần 17% các mạng toàn cầu Tuy nhiên, tính đến thời điểm này thì có khoảng 12 nhà mạng đang chuyển dịch dần từ chuẩn mạng này sang GSM (tương tự như HT Mobile tại Việt Nam vừa qua) tại: Mexico, Ấn Độ, Úc và Hàn Quốc

 PDC (nền tảng TDMA) tại Japan

 iDEN (nền tảng TDMA) sử dụng bởi Nextel tại Hoa Kỳ và Telus Mobility tại Canada

 IS-136 hay còn gọi là D-AMPS, (nền tảng TDMA) là chuẩn kết nối phổ biến nhất tính đến thời điểm này và được cung cấp hầu hết tại các nước trên thế giới cũng như Hoa Kỳ

* Thuận lợi và khó khăn của 2G :

Ở công nghệ 2G tín hiệu kĩ thuật số được sử dụng để trao đổi giữa điện thoại

và các tháp phát sóng, làm tăng hiệu quả trên 2 phương diện chính :

- Thứ nhất, dữ liệu số của giọng nói có thể được nén và ghép kênh hiệu quả hơn so

với mã hóa Analog nhờ sử dụng nhiều hình thức mã hóa, cho phép nhiều cuộc gọi cùng được mã hóa trên một dải băng tần

- Thứ hai, hệ thống kĩ thuật số được thiết kế giảm bớt năng lượng sóng radio phát từ

điện thoại Nhờ vậy, có thể thiết kế điện thoại 2G nhỏ gọn hơn; đồng thời giảm chi phí đầu tư những tháp phát sóng

- Hơn nữa, mạng 2G trở nên phổ biến cũng do công nghệ này có thể triển khai một

số dịch vụ dữ liệu như Email và SMS Đồng thời, mức độ bảo mật cá nhân cũng cao hơn so với 1G

Tuy nhiên, hệ thống mạng 2G cũng có những nhược điểm, ví dụ, ở những nơi dân cư thưa thớt, sóng kĩ thuật số yếu có thể không tới được các tháp phát sóng.Tại những địa điểm như vậy, chất lượng truyền sóng cũng như chất lượng cuộc gọi sẽ bị giảm đáng kể

1.3.Mạng thông tin di động 2,5 G

2,5G chính là bước đệm giữa 2G với 3G trong công nghệ điện thoại không dây Khái niệm 2,5G được dùng để miêu tả hệ thống di động 2G có trang bị hệ thống chuyển mạch gói, bên cạnh hệ thống chuyển mạch kênh truyền thống.Trong khi các khái niệm 2G và 3G được chính thức định nghĩa thì khái niệm 2,5G lại không được như vậy Khái niệm này chỉ dùng cho mục đích tiếp thị

Trong đó :

 HSCSD = High Speed Circuit Switched Data: số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao

 GPRS = General Packet Radio Service: dịch vụ vô tuyến gói chung:

Hệ thống GPRS - bước đầu tiên hướng tới 3G Mở rộng kiến trúc mạng GSM Truy cập tốc độ cao và hiệu quả tới những mạng chuyển mạch gói khác (tăng tới 115kbps)

 EDGE = Enhanced Data Rates for GSM Evolution: tốc độ số liệu tăng cường 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 trường không lý

tưởng 384kbps tương ứng với 48kbps trên mỗi khe thời gian, giả sử một đầu cuối có

8 khe thời gian

2,5G cung cấp một số lợi ích của mạng 3G (ví dụ chuyển mạch gói), và có thể dùng cơ sở hạ tầng đang tồn tại của 2G trong các mạng GSM và CDMA GPAS là công nghệ được các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông GSM sử dụng Và giao thức, như EDGE cho GSM, và CDMA 2000 1x-RTT cho CDMA, có thể đạt chất lượng như các dịch vụ 3G (vì dùng tốc độ truyền dữ liệu 144Kb/s), nhưng vẫn được xem như dịch vụ 2,5G bởi vẫn chậm hơn vài lần so với dịch vụ 3G thật sự

1.4.Mạng thông tin di động 3G :

Là thế hệ truyền thông di động thứ ba, tiên tiến hơn hẳn các thế hệ trước đó

Nó cho phép người dùng di động truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại ( tải

dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh, âm thanh, video clips…

Với 3G, di động đã có thể truyền tải dữ liệu trực tuyến, online, chat, xem tivi theo kênh riêng Trong số các dịch vụ của 3G, điện thoại video thường được miêu tả như là lá cờ đầu Giá tần số cho công nghệ 3G rất đắt tại nhiều nước, nơi mà các cuộc bán đầu giá tần số mang lại hàng tỷ Euro cho các chính phủ Bởi vì chi phí cho bản quyền về các tần số phải trang trải trong nhiều năm trước khi các thu nhập từ mạng 3G đem lại, nên một khối lượng vốn đầu tư khổng lồ là cần thiết để xây dựng mạng 3G Nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đã rơi vào khó khăn về tài chính

và điều này đã làm chậm trễ việc triển khai mạng 3G tại nhiều nước ngoại trừ Nhật Bản và Hàn Quốc, nơi yêu cầu về bản quyền tần số được bỏ qua do phát triển hạ tâng cơ sở IT quốc gia được đặt lên làm vấn đề ưu tiên nhất Và cũng chính Nhật Bản là nước đầu tiên đưa 3G vào khai thác thương mại một cách rộng rãi, tiên phong bởi nhà mạng NTT DoCoMo Tính đến năm 2005, khoảng 40% các thuê bao tại Nhật Bản là thuê bao 3G, và mạng 2G đang dần dần đi vào lãng quên trong tiềm thức công nghệ tại Nhật Bản

Công nghệ 3G cũng được nhắc đến như là một chuẩn IMT-2000 của Tổ chức Viễn thông Thế giới (ITU) Ban đầu 3G được dự kiến là một chuẩn thống nhất trên thế giới,nhưng trên thực tế thế giới 3G đã bị chia thành 4 phần riêng biệt:

UMTS (W-CDMA)

 UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), dựa trên công nghệ truy cập vô tuyến W-CDMA, là giải pháp nói chung thích hợp với các nhà khai thác dịch vụ di động (Mobile network operator) sử dung GSM, tập trung chủ yếu ở châu Âu và một phần châu Á (trong đó có Việt Nam) UMTS được tiêu chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP, cũng là tổ chức chịu trách nhiệm định nghĩa chuẩn cho GSM, GPRS và EDGE

 FOMA, thực hiện bởi công ty viễn thông NTT DoCoMo Nhật Bản năm 2001, được coi như là một dịch vụ thương mại 3G đầu tiên Tuy là dựa trên công nghệ W-CDMA, nhưng công nghệ này vẫn không tương thích với UMTS (mặc

dù có các bước tiếp hiện thời để thay đổi lại tình thế này)

CDMA 2000

 Là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95 Các đề xuất của CDMA2000 được đưa ra bàn thảo và áp dụng bên ngoài khuôn khổ GSM tại Mỹ, Nhật Bản và Hàn Quốc CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2 – một tổ chức độc lập với 3GPP Và đã có nhiều công nghệ truyền thông khác nhau được sử dụng trong CDMA2000 bao gồm 1xRTT, CDMA2000-1xEV-DO và 1xEV-DV

 CDMA 2000 cung cấp tốc độ dữ liêu từ 144 kbit/s tới trên 3 Mbit/s Chuẩn này đã được chấp nhận bởi ITU

 Người ta cho rằng sự ra đời thành công nhất của mạng CDMA-2000 là tại KDDI của Nhận Bản, dưới thương hiệu AU với hơn 20 triệu thuê bao 3G Kể từ năm 2003, KDDI đã nâng cấp từ mạng CDMA2000-1x lên mạng CDMA2000-1xEV-DO với tốc độ dữ liệu tới 2.4 Mbit/s Năm 2006, AU nâng cấp mạng lên tốc

độ 3.6 Mbit/s SK Telecom của Hàn Quốc đã đưa ra dịch vụ CDMA2000-1x đầu tiên năm 2000, và sau đó là mạng 1xEV-DO vào tháng 2 năm 2002

TD-SCDMA :Chuẩn được ít được biết đến hơn là TD-SCDMA, được phát

triển riêng tại Trung Quốc bởi công ty Datang và Siemens

hệ thống 3G W-CDMA

HSDPA cho phép download dữ liệu về máy điện thoại có tốc độ tương đương tốc độ đường truyền ADSL, vượt qua những cản trở cố hữu về tốc độ kết nối của một điện thoại thông thường

HSDPA là một bước tiến nhằm nâng cao tốc độ và khả năng của mạng di động tế bào thế hệ thứ 3 UMTS HSDPA được thiết kế cho những ứng dụng dịch vụ

dữ liệu như: dịch vụ cơ bản (tải file, phân phối email), dịch vụ tương tác (duyệt web, truy cập server, tìm và phục hồi cơ sở dữ liệu), và dịch vụ Streaming

1.6.Mạng thông tin di động 4G :

Hay còn có thể viết là 4-G, 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 lý tưởng lên tới 1 - 1,5 Gbit/s Cách đây không lâu thì một nhóm gồm 26 công ty trong đó có Vodafone (Anh), Siemens (Đức), Alcatel (Pháp), NEC và DoCoMo (Nhật Bản), đã ký thỏa thuận cùng nhau phát triển một tiêu chí cao cấp cho ĐTDĐ, một thế hệ thứ 4 trong

kết nối di động – đó chính là nền tảng cho kết nối 4G sắp tới đây

Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbit/s khi di chuyển và tới 1 Gbit/s khi đứng yên, cũng như cho phép

người sử dụng có thể tải và truyền lên các hình ảnh, video clips chất lượng cao Với cách nhìn nhận này, 4G sẽ chính là mạng 3G LTE, UMB hay WiMAX 802.16m : cho phép người dùng truyền tải các dữ liệu HD, xem tivi tốc độ cao, trải nghệm web tiên tiến hơn cũng như mang lại cho người dùng nhiều tiện lợi hơn nữa từ chính chiếc di động của mình

Hình 1: Lộ trình phát triển thông tin di động từ 1G lên 4G

 LTE (Long Term Evolution - Sự tiến hóa trong tương lai xa) miêu tả công

việc chuẩn hóa của 3GPP để xác định phương pháp truy nhập vô tuyến tốc độ cao mới cho các hệ thống truyền thông di động LTE là bước tiếp theo dẫn đến hệ thống thông tin di động 4G Xây dựng trên các nền tảng kỹ thuật của

họ các hệ thống mạng tế bào 3GPP (bao gồm GSM, GPRS và EDGE, WCDMA và HSPA), LTE cung cấp một con đường tiến hóa đến các tốc độ cao hơn và độ trễ thấp hơn Cùng với sự hiệu quả hơn trong sử dụng phổ tần hữu hạn của các nhà khai thác, LTE cho một môi trường dịch vụ di động hấp dẫn và phong phú hơn

 UMB (Ultra Mobile Broadband- Mạng thông tin di động siêu băng rộng), là

thế hệ mạng thông tin di động tiếp nối của CDMA2000 được phát triển bởi 3GPP2 mà chủ lực là Qualcomm UMB được sánh ngang với công nghệ LTE của 3GPP UMB sử dụng OFDMA, MIMO, đa truy cập phân chia theo không gian cũng như các kỹ thuật angten hiện đại để tăng khả năng của mạng, tăng

vùng phủ và tăng chất lượng dịch vụ UMB có thể cho tốc độ dữ liệu đường xuống tới 280Mbit/giây và dữ liệu đường lên tới 75Mbit/giây

 WiMAX 802.16m (hay còn gọi là WiMAX II) được phát triển từ chuẩn IEEE

802.16e, là công nghệ duy nhất trong các công nghệ tiền 4G được xây dựng hoàn toàn dựa trên công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA (kỹ thuật đa truy cập vào kênh truyền OFDM) Công nghệ WiMAX

II sẽ hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên tới 100 Mb/s cho các ứng dụng di động

và có thể lên tới 1Gb/s cho các người dùng tĩnh Khoảng cách truyền của WiMAX II là khoảng 2 km ở môi trường thành thị và khoảng 10 km cho các khu vực nông thôn

CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ

VÀ MỤC TIÊU THIẾT KẾ LTE

2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE:

LTE là thế hệ thứ tư, tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự

án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối

• UTRAN Internet

GERAN

Lõi SGSN

PCFR2

Các server

IP tùy chọn (IMS, PSS,

Neo SAE IASA

S6 S1

2.2 Mục tiêu thiết kế LTE :

 Tăng tốc độ truyền dữ liệu : Trong điều kiện lý tưởng dung lượng truyền trên kênh đường xuống (downlink) có thể đạt 100 Mbps và trên kênh đường lên (uplink) có thể đạt 50 Mbps đối với băng thông 20MHz , khi làm việc ở các giải tần khác thì dung lượng truyền cũng tỉ lệ tương ứng

 Tải xuống gấp 3 đến 4 lần; Tải lên gấp 2 đến 3 lần

 Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng 1.25MHz, 1.6 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 Mhz cả chiều lên và xuống Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không

 Giảm thời gian chuyển đổi trạng thái trên mặt phẳng điều khiển : + Giảm thời gian để một thiết bị đầu cuối ( UE - User Equipment) chuyển từ trạng thái nghỉ sang nối kết với mạng, và bắt đầu truyền thông tin trên một kênh truyền.Thời gian này phải nhỏ hơn 100ms Vì chính thời gian chuyển đổi này làm cho người dùng có thể cảm nhận được độ trễ khi truy cập một dich vụ trên internet sau một khoảng thời gian không hoạt động LTE có thể hỗ trợ ít nhất 200 thiết bị đầu cuối di động ở trạng thái nối kết khi hoạt động ở dải tần 5 MHz Trong mỗi băng tần rộng hơn 5 MHz, thì ít nhất có 400 thiết bị đầu cuối được hỗ trợ Số lượng thiết bị đầu cuối ở trạng thái nghỉ trong cell không nói rõ là bao nhiêu nhưng có thể là cao hơn một cách đáng kể

+ Giảm độ trễ ở mặt phẳng người dùng: Nhược điểm của các mạng tổ ong (cell) hiện nay là độ trễ truyền cao hơn nhiều so với các mạng đường dây cố định Điều này ảnh hưởng lớn đến các ứng dụng như thoại và chơi game …,vì cần thời gian thực Yêu cầu đối với LTE là độ trễ trên giao tiếp vô tuyến phải khoảng chừng 5 ms

để độ trễ truyền từ UE này đến UE kia tương đương với độ trễ ở các mạng đường dây cố định

 Sẽ không còn chuyển mạch kênh : Tất cả sẽ dựa trên IP Một trong những tính năng đáng kể nhất của LTE là sự chuyển dịch đến mạng lõi hoàn toàn dựa trên IP với giao diện mở và kiến trúc đơn giản hóa Sâu xa hơn, phần lớn công việc chuẩn hóa của 3GPP nhắm đến sự chuyển đổi kiến trúc mạng lõi đang tồn tại sang hệ thống toàn IP Trong 3GPP.Chúng cho phép cung cấp các dịch vụ linh hoạt hơn và sự liên hoạt động đơn giản với các mạng di động phi 3GPP và các mạng cố

định EPC dựa trên các giao thức TCP/IP – giống như phần lớn các mạng số liệu cố định ngày nay- vì vậy cung cấp các dịch vụ giống PC như thoại, video, tin nhắn và các dịch vụ đa phương tiện Sự chuyển dịch lên kiến trúc toàn gói cũng cho phép cải thiện sự phối hợp với các mạng truyền thông không dây và cố định khác.VoIP sẽ dùng cho dịch vụ thoại

 Độ phủ sóng từ 5-100km : Trong vòng bán kính 5km LTE cung cấp tối

ưu về lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ và độ di động Phạm vi lên đến 30km thì

có một sự giảm nhẹ cho phép về lưu lượng người dùng còn hiệu suất phổ thì lại giảm một cách đáng kể hơn nhưng vẫn có thể chấp nhận được, tuy nhiên yêu cầu về độ di động vẫn được đáp ứng Bị giới hạn trong các cell có bán kính lên đến 100km Dung lượng thì khoảng hơn 200 người/cell (với băng thông 5MHz)

 Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời Tuy nhiên mạng LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G hiện tại Điều này hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai LTE vì không cần thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có

 OFDMA ,SC-FDMA và MIMO được sử dụng trong LTE thay vì CDMA như trong 3G

 Giảm chi phí : Yêu cầu đặt ra cho hệ thống LTE là giảm thiểu được chi phí trong khi vẫn duy trì được hiệu suất nhằm đáp ứng được cho tất cả các dịch vụ.Các vấn đề đường truyền,hoạt động và bảo dưỡng cũng liên quan đến yếu tố chi phí,chính vì vậy không chỉ giao tiếp mà việc truyền tải đến các trạm gốc và hệ thống quản lý cũng cần xác định rõ, ngoài ra một số vấn đề cũng được yêu cầu như là độ phức tạp thấp,các thiết bị đầu cuối tiêu thụ ít năng lượng

 Cùng tồn tại với các chuẩn và hệ thống trước: Hệ thống LTE phải cùng tồn tại và có thể phối hợp hoạt động với các hệ thống 3GPP khác Người sử dụng LTE sẽ có thể thực hiện các cuộc gọi từ thiết bị đầu cuối của mình và thậm chí khi

họ không nằm trong vùng phủ sóng của LTE Do đó, cho phép chuyển giao các dịch

vụ xuyên suốt, trôi chảy trong khu vực phủ sóng của HSPA, WCDMA hay

GSM/GPRS/EDGE Hơn thế nữa, LTE hỗ trợ không chỉ chuyển giao trong hệ thống, liên hệ thống mà còn chuyển giao liên miền giữa miền chuyển mạch gói và miền chuyển mạch kênh

LTE được 3GPPS nghiên cứu và phát triển với sự hậu thuẫn của các đại gia trong làng viễn thông thế giới như Alcatel-Lucent, Ericsson, Motorola, Nokia, Nokia Siemens Networks, Huawei, LG Electronics, Samsung, NEC, Fujitsu…

2.3 Lộ trình phát triển công nghệ LTE và các công nghệ khác:

Hiện nay, công nghệ truyền thông phát triển như vũ bão tạo thành những cuộc chiến cạnh tranh các công nghệ Trong đó nổi trội là cuộc cạnh tranh giữa công nghệ LTE và công nghệ WiMax

Hình 2.2 : Lộ trình phát triển LTE và các công nghệ khác

2.3.1.WiMAX

WiMAX là tên thông dụng thường dùng để chỉ công nghệ truy nhập không dây băng rộng sử dụng giao diện của chuẩn IEEE 802.16 Gần đầy WiMAX đã được ITU-R chính thức công nhận là một chuẩn 3G trong họ IMT-2000 Điều này có ý

nghĩa rất lớn đối với tương lai của WiMAX vì nó sẽ thúc đẩy sự triển khai rộng khắp của WiMAX, đặc biệt trên băng tần 2.5-2.69GHz, để cung cấp dịch vụ Internet băng rộng, bao hàm cả VoIP và nhiều dịch vụ thông qua kết nối Internet

Trong họ IEEE 802.16 nổi bật nhất là chuẩn 802.16e-2005 với khả năng đáp ứng

cả các ứng dụng cố định cũng như các dịch vụ di động, nên còn được gọi là WiMAX

di động Chuẩn này đã và đang được thử nghiệm ở nhiều nước Hiện tại, WiMAX di động "Wave 2" dùng 2 ăng-ten phát và 2 ăng-ten thu đã cho tốc độ tối đa tầm

75Mbps Bên cạnh đó, nhóm làm việc IEEE 802.16 đang phát triển phiên bản

802.16j trong đó nghiên cứu triển khai các trạm relay (tiếp sức) bên cạnh các trạm phát sóng BS để sử dụng kênh truyền một cách hiệu quả, tăng tốc độ truyền dẫn và

mở rộng vùng phủ sóng

Nhóm IEEE 802.16 cũng đang nghiên cứu phiên bản 802.16m với mục đích đẩy tốc độ dữ liệu của WiMAX lên hơn nữa trong khi vẫn tương thích với WiMAX cố định và di động đã và đang được triển khai Phiên bản này theo dự kiến sẽ được hoàn thiện vào cuối năm 2009, như là một bước tiến để vượt trội hơn LTE Phiên bản 802.16m sẽ vẫn dựa trên kỹ thuật ăng-ten MIMO trên nền công nghệ đa truy nhập OFDMA với số lượng ăngten phát và thu nhiều hơn WiMAX di động « Wave

2 » 802.16m trang bị 4 ăng-ten phát và 4 ăng-ten thu sẽ có thể đẩy tốc độ truyền lên lớn hơn 350Mbps Theo dự kiến, WiMAX Release 2 với sự hoàn thiện của 802.16m

sẽ hoàn thành vào cuối năm 2009 và có thể bắt đầu triển khai dịch vụ từ 2010 (xem hình 3)

Hình 2.3 : Sơ đồ phát triển của công nghệ WiMax Nói tới WiMax , người ta có thể nghĩ tới rất nhiều giải pháp thay thế mà công nghệ này có thể mang lại Đó chính là khả năng thay thế đường xDSL giúp tiếp cận nhanh hơn các đối tượng người dùng băng rộng mà không cần phải đầu tư lớn Đặc biệt WiMAX rất hữu ích để cung cấp dịch vụ băng thông rộng ở những vùng xa xôi mà giải pháp ADSL hoặc cáp quang là rất tốn kém Bên cạnh các dịch vụ cố định, WiMAX còn cung ứng các dịch vụ di động giống như những dịch vụ của mạng 3G : thoại VoIP, internet di động, TV di động…

2.3.2.So sánh công nghệ kỹ thuật dùng trong WiMAX và 3G LTE:

Tính năng

3GPP LTE RAN1 802.16e / Mobile

WiMax R1

802.16e/ Mobile WiMax R2

Băng tần dự kiến 700MHz – 2,6 GHz 2,3GHz; 2,5GHz;

3,3- 3,8GHz

2,3GHz; 2,5GHz; 3,3- 3,8GHz Tốc độ tối đa

( Download/

Upload)

300Mbps / 100Mbps

70Mbps / 70Mbps 300Mbps/100Mbps

Bảng 2 : So sánh công nghệ kỹ thuật dùng trong WiMAX và 3G LTE

Hiện tại WiMAX di động Rel 1 (802.16e) đã có đủ sức cạnh tranh về mặt công nghệ so với LTE Tuy nhiên, nếu nhìn kỹ trên bảng so sánh thì ta thấy công nghệ LTE vẫn vượt hơn 802.16e về cả tính năng di động và tốc độ truyền dự liệu Song, đổi với những nhà phát triển WiMAX thì họ không chấp nhận so sánh LTE với 802.16e mà phải là 802.16m (cột thứ 3 trên bảng 1) Nhìn vào đây ta thấy

WiMAX di động Rel 2 hứa hẹn những tính năng vượt trội so với LTE

Ngày nay tất cả đều đóng ý với nhau rằng để đạt được tốc độ dữ liệu cao chỉ

có thể nhờ vào công nghệ ăngten MIMO và kỹ thuật đa truy cập OFDMA LTE ra đời muộn hơn WiMAX và nó cũng không thể nào không dùng MIMO và OFDMA

Do vậy, nếu xét trình bình diện kỹ thuật truyền thông không dây (wireless

communication) thì LTE không có bất cứ một kỹ nghệ cơ bản nào vượt trội so với WiMAX di động Nếu nhìn lại bảng so sánh ở trên sẽ thấy điểm khác nhau nổi bật là LTE sử dụng kỹ thuật đa truy nhập SC-FDMA cho đường lên thay vì OFDMA như trong WiMAX Song, theo nhiều chuyên gia thì sự khác biệt này lại là một điểm yếu của LTE Thực tế SC-FDMA cho phép cải tiến PAR (Peak-to-Average power Ratio) tầm 2 dB ở máy phát Tuy nhiên nó lại gây mất tầm 2-3 dB về hiệu suất

(performance) truyền thông trên kênh truyền nhiễu phading ở đầu máy thu Nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy SC-FDMA thực tế cho một hiệu suất trên kênh lên thấp hơn so với OFDMA

Nhìn chung về mặt kỹ thuật, hai công nghệ WiMAX và LTE dường như ngang tài ngang sức với nhau Song, công nghệ mạnh nhất, vượt trội nhất đôi khi

không phải là công nghệ giành chiến thắng mà một công nghệ thành công là một công nghệ phù hợp nhất, hòa hợp nhất Lợi thế dành cho LTE khi LTE được các nhà khai thác GSM ( GSM Asociation ) chấp nhận là công nghệ băng rộng di động tương lai của hệ di động hiện đang thống trị thị trường di động toàn cầu với khoảng 2,5 tỉ thuê bao ( theo Informa Telecoms & Media ) và trong 3 năm tiếp theo có thể chiếm thị phần tới 89% ( theo Gartner) – những con số “ trong mơ “ đối với WiMax.Hơn nữa, LTE cho phép tận dụng hạ tầng GSM có sẵn ( tuy vẫn đầu tư thêm thiết bị ) trong khi WiMax phải xây dựng từ đầu

Nhận thấy lợi thế của LTE, nhiều nhà khai thác mạng đã cân nhắc lại việc triển khai WiMax và chuyển sang LTE, đáng kể trong số đó có 2 tên tuổi lớn nhất tại

Mỹ là AT&T và Verizon Wireless Theo một khảo sát do RCR Wireless News và Yankee Group thực hiện gần đây, có đến 56% nhà khai thác di động chọn LTE, chỉ

có 30% đi theo 802.16e Khảo sát cho thấy các nhà khai thác di động ở Bắc Mỹ và Tây Auu nghiêng về LTE, trong khi các nước mới phát triển ( đặc biệt ở khu vực châu Á – Thái Bình Dương ) thì ủng hộ WiMax

Trong cuộc đua 4G, WiMax và LTE hiện là hai công nghệ sáng giá nhất.Liệu hai công nghệ này có thể cùng tồn tại độc lập hay sẽ sát nhập thành một chuẩn

chung? Hiệu năng của WiMax và LTE tương đương nhau, do vậy việc quyết định hiện nay phụ thuộc vào yếu tố sẵn sàng và khả năng thâm nhập thị trường

2.3.3.Dịch vụ, ứng dụng và tương lai không xa cho công nghệ LTE:

Các dịch vụ LTE :

Tốc độ truyền đường xuống (và đường lên) rất cao với sự linh hoạt hơn, hiệu quả sử dụng phổ tần và giảm trễ gói, LTE hứa hẹn tăng cường việc phân phối các dịch vụ băng rộng di động và thêm tính năng cho các dịch vụ giá trị gia tăng mới đang tồn tại