Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (tt)

Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (tt)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (tt)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (tt)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (tt)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (tt)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (tt)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (tt)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (tt)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (tt)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (tt)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (tt)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (tt)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (tt)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (tt)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (tt)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (tt)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (tt)

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS N uyễn Việt Hưn

Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

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

MỞ ĐẦU

Hiện nay 4G/LTE đang được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên toàn thế giới 4G/LTE là công nghệ hứa hẹn tạo ra những bước đột phá mới về dịch vụ viễn thông và công nghệ thông tin Bên cạnh những trải nghiệm khác biệt đối với người sử dụng, 4G còn là điều kiện phát triển các ứng dụng, giải pháp cho doanh nghiệp, chính quyền trong một kỷ nguyên “Internet kết nối mọi thứ” Việc triển khai 4G sẽ mang lại rất nhiều lợi ích cho cả người dùng lẫn nhà mạng Công nghệ 4G/LTE cung cấp băng thông rộng hơn, truyền tải dữ liệu nhanh hơn, dung lượng lớn hơn, được đánh giá là điều kiện lý tưởng để hiện thực hóa mục tiêu mọi lúc- mọi nơi- mọi người khi cung cấp các dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao

Lựa chọn đúng về công nghệ để tránh đầu tư sai hướng, vận hành khai thác được hệ thống mới một cách có hiệu quả, xây dựng một hệ thống mới đảm bảo chất lượng dịch vụ một cách hiệu quả nhất đồng thời đem đến cho người dùng các loại hình dịch vụ mới, đa dạng và khai thác được ưu thế của mạng 4G Khi triển khai 4G cần lựa chọn công nghệ, quy hoạch mạng, đầu tư thiết bị như thế nào cho đúng hướng là một vấn đề hết sức quan trọng

Do đó luận văn đi sâu nghiên cứu về 4G để có được những căn cứ khoa học để xây dựng phương án thiết kế, triển khai mạng thông tin di động LTE/4G trên nền mạng 3G Tìm phương pháp quy hoạch, thiết kế và tối ưu mạng thông tin di động 4G/LTE làm căn cứ để xây dựng phương án triển khai mạng 4G/LTE trên nền mạng GSM/3G, cụ thể là cho VNPT tỉnh Lạng Sơn

Luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ MẠNG 4G/LTE

Chương 2: CÔNG NGHỆ 4G/ LTE

Chương 3: QUY HOẠCH MẠNG 4G/LTE CHO VNPT

C ươn 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI

1990, công nghệ TDMA được dùng cho hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM ở châu Âu

Đến giữa thập kỷ 1990, đa truy nhập phân chia theo mã CDMA trở thành loại

hệ thống 2G thứ 2 khi người Mỹ đưa ra tiêu chuẩn nội địa IS-95

1.1.3 Hệ t ốn t ôn tin di độn t ế ệ t ứ b 3G

Mạng 3G (Third-generation technology) là thế hệ thứ ba của chuẩn công

nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh ) 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh Với công nghệ 3G, các nhà cung cấp có thể mang đến cho khách hàng các dịch vụ đa phương tiện Ở thế hệ thứ 3 này các hệ thống thông tin

di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s hiện vẫn được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu với tốc độ trung bình 1,5 Mbps

1.2 Tổn qu n về 4G

4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMT

Advanced) được định nghĩa bởi ITU-R

Hìn 1.1: Lộ trìn p át triển lên 4G

Các công nghệ tiềm năng tiến tới 4G

Di động WiMAX (IEEE 802 16e-2005) là chuẩn truy cập di động không dây băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ bít đỉnh đường xuống là 128 Mbps

và 56 Mbps cho đường xuống với độ rộng băng thông hơn 20 MHz

UMB (Ultra Mobile Broadband) : UMB được phát triển từ nền tảng CDMA UMB có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz đến 20 MHz và làm việc ở nhiều dải tần số, với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288 Mbps cho luồng xuống và 75 Mbps cho luồng lên với độ rộng băng tần sử dụng là 20 MHz Các kĩ thuật Multiple radio và antena tiên tiến MIMO, đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA, kỹ thuật beamforming atena

LTE là một trong những công nghệ tiềm năng nhất cho 4G 3GPP LTE có khả năng cấp phát phổ tần linh động và hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện với tốc độ lên tới 100Mb/s Tốc độ đường lên đạt tới 10Mb/s Tốc độ này cao gấp 7 lần so với HSDPA Công nghệ này hỗ trợ các dịch vụ có dung lượng lớn, độ phân giải cao

LTE có nhiều ưu điểm nổi bật

1.3 C uẩn wim x và LTE

WiMax là kết nối không dây được phát triển bởi IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) còn LTE là chuẩn được phát triển bởi 3GPP Về công nghệ, LTE và WiMax có một số khác biệt nhưng cũng có nhiều điểm tương đồng Cả hai công nghệ đều dựa trên nền tảng IP Cả hai đều dùng kỹ thuật MIMO để cải thiện chất lượng truyền/nhận tín hiệu, đường xuống từ trạm thu phát đến thiết bị đầu cuối đều được tăng tốc bằng kỹ thuật OFDM hỗ trợ truyền tải dữ liệu đa phương tiện và video

Tuy nhiên LTE vẫn có lợi thế quan trọng so với WiMax LTE cho phép tận dụng dụng hạ tầng GSM có sẵn (tuy vẫn cần đầu tư thêm thiết bị) trong khi WiMax phải xây dựng từ đầu

1.4 Tìn ìn triển k i t ử n iệm

1.4.1 Trên t ế iới:

Nhận thấy tiềm năng to lớn của công nghệ này, ngành công nghiệp di động với các công ty viễn thông hàng đầu thế giới đang triển khai hệ thống LTE như : Samsung, NTT DoCoMo, Huawei, China mobile, Nokia, nokia Siemens Network, Ericson, ZTE, AT&T

Hoạt động triển khai thương mại công nghệ LTE ở các nước trên thế giới cũng rất khác biệt, cụ thể tại Hoa Kỳ và Canada, đã có 69 nhà mạng triển khai, tại khu vực Bắc Mỹ có 7 nhà mạng Và khu vực Bắc Mỹ hiện có khoảng 94 triệu kết nối tới Công nghệ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSPA) Tính đến quý 4/2015, khu vực châu Mỹ Latin có thêm 15 triệu kết nối tới công nghệ LTE, riêng Brazil có thêm 7 triệu Năm 2015, tổng lượng kết nối của công nghệ LTE tại khu vực châu Mỹ Latin là

54 triệu, so với 13 triệu của năm 2014

1.4.2 Tại Việt N m:

VNPT đã hợp tác với Alltech Telecom ngay sau khi nhận được giấy phép thử nghiệm và tần số để xây dựng và phát triển mạng và dịch vụ 4G/LTE tại Việt Nam Tốc độ truy cập Internet lên đến 70 Mbps khi thu phát trực tiếp, và đạt 20 Mbps khi tín hiệu đâm xuyên qua vật cản như tường nhà, bê-tông

Nửa đầu năm 2017, mạng 4G của Viettel đã có mặt rộng khắp ở tất cả các tỉnh thành trên cả nước, phủ sóng tới 704 quận, huyện, tương đương với gần 99% tổng số

quận, huyện của Việt Nam Sau nửa năm, nhà mạng đã lắp đặt xong hơn 36.000 trạm

để phủ sóng 4G toàn quốc

Theo đại diện VNPT VinaPhone, trong giai đoạn thử nghiệm, VNPT phủ sóng 4G toàn bộ huyện đảo Phú Quốc với 50 trạm và tại Hà Nội, TP Hồ Chí Minh với 200 trạm phát sóng 4G Kết quả đo kiểm công nghệ 4G của VinaPhone tại phòng Lab của VNPT tại tp HCM vào ngày 15/1 vừa qua, đạt tốc độ xấp xỉ 600Mb/giây Dự kiến cuối năm 2017, VNPT Net sẽ triển khai mạng lưới, đảm bảo phủ sóng 4G trên tất cả các tỉnh, thành phố cả nước với số lượng khoảng 15.000 trạm 4G

1.5 Kết luận c ươn

Chương 1 đã khái quát sự phát triển của các hệ thống thông tin di động thế hệ 1,

2 và 3, 4 đồng thời đã sơ lượt tổng quan của hệ thống thông tin di động thế hệ 4 Hai thông số quan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin và tính di động, ở các thế hệ tiếp theo các thông số này càng được cải thiện LTE là bước tiếp theo dẫn đến hệ thống thông tin di động 4G Mạng 4G/LTE có những ưu điểm vượt trội so với các thế hệ mạng thông tin di động trước đây, vì vậy việc triển khai là hết sức cần thiết

C ươn 2: CÔNG NGHỆ 4G/LTE

2.1 Mô ìn Kiến trúc mạn 4G LTE

Kiến trúc LTE theo 3GPP gồm:

-Một mạng lõi (CN), được gọi là evolved packet core network (EPC)

-Một mạng truy nhập vô tuyến radio access network (RAN), gọi là eUTRA -Thiết bị di động người dùng UE , bao gồm một modul nhận dạng thuê bao chung USIM, và một ứng dụng chat trên một hỗ trợ gọi là UICC USIM và UICC thay thế modul nhận dạng thuê bao SIM của GSM

Hình 2.1: Kiến trúc chung của LTE 2.1.1 EPC

EPC bao gồm các bộ định tuyến Các thành phần chính của EPC là:

- cổng PDN (P-GW): hay còn gọi là PDN-GW là bộ định tuyến biên giữa mạng EPC và các mạng dữ liệu gói bên ngoài

- Cổng phục vụ (S-GW): chức năng của S-GW là quản lý và chuyển mạch đường hầm dữ liệu người dùng

- Thực thể quản lý di động (MME): là thành phần điều khiển chính trong EPC,

nó chỉ hoạt động trong miền điều khiển CP mà không tham gia vào miền dữ liệu người dùng

Chức năng quy định chính sách và tính cước PCRF (Policy and charging rules function) là một node phần mềm hoạt động theo thời gian thực Nó truy cập cơ sở dữ

liệu của người đăng ký, hệ thống tính cước và các thiết bị liên quan khác áp dụng cho một thuê bao nhất định Nó được kết nối hệ thống thanh toán

Máy chủ thuê bao thường trú HSS: HSS là nơi chức dữ liệu cho tất cả thuê bao

Nó cũng ghi lại vị trí thuê bao như ở mức MME

2.1.2 Mạn truy n ập vô tuyến LTE: e-UTRAN

Mạng truy cập của LTE, được gọi là eUTRAN Bao gồm một mạng phẳng của eNodeB Nút duy nhất trong E-UTRAN là eNodeB (evolved Node B: Nút B phát triển) eNodeB là trạm gốc vô tuyến chịu trách nhiệm điều khiển tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến trong phần cố định của hệ thống eNodeB thông thường được phân bố trên các vùng phủ sóng của mạng, eNodeB được đặt gần các anten vô tuyến thực tế Về mặt chức năng eNodeB hoạt động như một cầu nối lớp 2 giữa UE và EPC

và là điểm kết cuối của tất cả các giao thức vô tuyến hướng đến UE và chuyển tiếp số liệu giữa kết nối vô tuyến và kết nối dựa trên IP tương ứng đến EPC

2.1.3 T iết b đầu cuối di độn

Trong 3GPP , thiết bị đầu cuối di động được gọi là UE UE là bất kỳ thiết bị nào được sử dụng trực tiếp bởi người dùng cuối để giao tiếp UE xử lý các nhiệm vụ sau đối với mạng lõi:

2.2 Quản lý di độn tron 4G/LTE

Vị trí của được MME nhận biết với độ chính xác đến vùng theo bám (TA: Tracking Area) Khi UE ở trạng thái rỗi, mỗi lần chuyển dịch từ một TA này sang một

TA khác nó phải thực hiện thủ tục TA để thông báo cho MME về TA mới Kích thước

TA phải được chọn hợp lý để không bị lớn quá (dể giảm tải báo hiệu tìm gọi) và không

bị nhỏ quá (đến tránh thường xuyên báo hiệu cập nhật vị trí) Cũng giống như vùng

định tuyến (RA: Routing Area) trong WCDMA/HSPA, TA trong LTE thông thường bao phủ vài trăm BTS

2.3 Truy n ập vô tuyến tron LTE: băn tần truyền dẫn, quy oạc tần số

LTE hỗ trợ nhiều băng tần khác nhau linh hoạt, cho phép các nhà mạng có thể lựa chọn một cách mềm dẻo và có khả năng tái sử dụng băng tần của công nghệ cũ và tối ưu chi phí đầu tư mạng Chi tiết được trình bày trong bảng 2.1 của luận văn

2.4 Kỹ t uật đ truy n ập c o đườn xuốn OFDMA, kỹ t uật đ truy

n ập đườn lên LTE SC-FDMA

2.4.1 Kỹ t uật OFDMA (Ort o on l Frequency Division Multiple Access)

OFDMA gọi là Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao là công nghệ đa truy cập phân chia theo sóng mang, là một dạng nâng cao, là phiên bản đa người dùng của mô hình điều chế số OFDM Nguyên lý của máy phát trong bất kỳ hệ thống OFDMA nào là sử dụng các sóng mang con hẹp trực giao Máy phát của một hệ thống OFDMA sử dụng khối IFFT để tạo tín hiệu Nguồn dữ liệu nguồn cấp dữ liệu cho chuyển đổi hàng loạt-nối tiếp và xa hơn tới khối IFFT

2.4.2 Kỹ t uật đ truy n ập đườn lên LTE SC-FDMA

Lý do quan trọng nhất để lựa chọn kỹ thuật SC-FDMA cho hướng lên là giảm công suất tiêu thụ của các thiết bị đầu cuối Về mặt kỹ thuật, SCFDMA cho tỷ lệ giữa công suất đỉnh và công suất trung bình (PAPR) thấp hơn OFDMA giúp mang lại hiệu quả cao cho việc thiết kế các bộ khuếch đại của thiết bị đầu cuối theo đó giảm công suất tiêu thụ của máy đầu cuối

Giống như trong OFDMA, các máy phát trong hệ thống SC-FDMA cũng sử dụng các tần số trực giao khác nhau để phát đi các ký hiệu thông tin Tuy nhiên các ký hiệu này phát đi lần lượt chứ không phải song song như trong OFDMA Vì thế, cách sắp xếp này làm giảm đáng kể sự thăng giáng của đường bao tín hiệu của dạng sóng phát Vì thế các tín hiệu SC-FDMA có PAPR thấp hơn các tín hiệu OFDMA

2.5 Kỹ t uật đ ăn ten MIMO

MIMO là phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu cao về thông lượng và hiệu quả sử dụng phổ MIMO cho phép sử dụng nhiều anten ở máy phát và máy thu

Các công nghệ MIMO được đưa ra trong LTE như ghép kênh không gian, phân tập phát và tạo búp là các phần tử chính để cung cấp tốc độ số liệu đỉnh cao hơn và hiệu suất phổ tốt hơn

2.5.1 SU-MIMO đườn xuốn tron LTE

SU-MIMO được áp dụng cho kênh vật lý chia sẻ đường xuống PDSCH Bằng ghép kênh không gian sử dụng SU-MIMO, hệ thống LTE cung cấp tốc độ đường xuống 150Mbps với hai anten phát và 300Mbps với bốn anten phát Có hai chế độ ghép kênh không gian SU-MIMO là chế độ ghép kênh không gian vòng kín và ghép kênh không gian vòng hở

a.Mô hình truyền dẫn SU-MIMO đường xuống:

Mô hình truyền dẫn SU-MIMO tổng quát cho trường hợp truyền dẫn vòng kín.Mô hình sử dụng cấp hạng L với P cửa anten cho truyền dẫn SU-MIMO từ eNode

B đến UE (đường xuống) trên tài nguyên thời gian tần số được cấp phát riêng cho UE

Hìn 2.2: Mô ìn truyền dẫn SU-MIMO

b Xử lý tín hiệu số trong Su-MIMO đường xuống:

Ghép kênh không gian vòng kín với L lớp và P anten phát (p>L) được mô tả trên hình vẽ 2.3

Hìn 2.3: Xử lý tín iệu SU-MIMO vòng kín phía phát

c/ Quá trình xử lý tín hiệu số phía thu:

Xử lý thu tuyến tính có thể được sử dụng kết hợp với quá trình khôi phục tín hiệu ghép không gian Tuy nhiên hệ thống có thể đạt được hiệu năng giải điều chế tốt hơn nếu áp dụng xử lý thu phi tuyến trong trường hợp ghép kênh không gian

2.5.2 MIMO đ n ười dùn - MU MIMO

2.5.2.1 MIMO đa người dùng đường xuống

Hình 2.4 trình bày mô hình MU-MIMO với tạo búp dựa trên bảng mã cho nhiều

UE sử dụng cùng tài nguyên thời gian, tần số Trong các phiên bản đầu của 4G, chỉ có

1 chế độ được sử dụng cho MU-MIMO đó là TM5 (Transmission Mode 5: Chế độ truyền dẫn số 5) Khi được lập cấu hình trong TM5, UE coi rằng truyền dẫn đường xuống của eNodeB được thực hiện trên cùng một kênh chia sẻ bằng một luồng ( một lớp) Đối với truyền dẫn 2 cửa anten 2 luồng số liệu (L=2) được phát đồng thời đến

UE trên cùng một tài nguyên thời gian tần số với 4 bộ tiền mã hóa được sử dụng theo

bảng mã

Hình 2.4: MU-MIMO với tạo búp dựa trên bảng mã cho nhiều UE sử

dụng cùng tài nguyên thời gian tần số

2.5.2.2 MIMO đa người sử dụng ( MU-MIMO) đường lên

Trong phiên bản đầu tiên của 4G, UE sử dụng một anten phát và nhiều anten thu Vì thế SU-MIMO không thể sử dụng cho đường lên, nhưng có thể sử dụng MU-MIMO cho đường lên Hỗ trợ nhiều anten phát ở UE chỉ có thể áp dụng cho LTE-Advanced Kênh không gian giữa UE 1 và eNodeB rất khác kênh không gian giữa

UE2 và eNodeB, cả hai UE đều có thể sử dụng cùng một tài nguyên không gian tần số

Hình 2.5: MU-MIMO đườn lên 2.6 Các t ủ tục truy n ập

Trước khi truyền dẫn số liệu, đầu cuối di động cần phải kết nối với mạng Trong phần này ta sẽ xét các thủ tục cần thiết cho một đầu cuối di động để nó có thể truy nhập mạng LTE

2.6.1 Tìm ô

Tìm ô là thủ tục mà một đầu cuối di động tìm một ô tiềm năng để kết nối Một phần của thủ tục tìm ô là đầu cuối nhận được số nhận dạng vả ước tính định thời khung của ô được nhận dang Thủ tục tìm ô cũng cung cấp ước tính các thông số cần thiết để thu thông tin hệ thống trên kênh quảng bá Thông lin hệ thống chứa các thông

số cần thiết để truy nhập hệ thống

2.6.2 Truy nhập ngẫu nhiên

Tổng thể thủ tục truy nhập ngẫu nhiên bao gồm bốn bước:

1 Bước một gồm truyền dẫn một tiền tố truy nhập ngẫu nhiên để cho phép eNodeB ước tính định thời truyền dẫn của đầu cuối

2 Bước thứ hai bao gồm phát lệnh định thời phát trước để điều chỉnh định thời phát của đầu cuối dựa trên các kết quả đo định thời bước một

3.Bước ba bao gồm truyền dẫn nhận dạng đầu cuối di động đến mạng bằng kênh UL-SCH giống như số liệu được lập biểu thông thường

4.Bước thứ tư và là bước cuối cùng bao gồm truyền dẫn một bản tin phân giải xung đột từ mạng đến đầu cuối trên DL-SCH

2.6.3 Tìm ọi

Tìm gọi được sử dụng để thiết lập một kết nối được khởi đầu bởi mạng Một thủ tục tìm gọi hiệu quả phải cho phép đầu cuối ngủ để máy thu không phải thực hiện xử lý trong hầu hết thời gian và chỉ thức giấc trong các khoảng thời gian ngắn quy định trước để giám sát thông tin tìm gọi từ mạng

2.7 Kết luận c ươn

Chương 2 đã trình bày khái quát cấu trúc mạng 4G LTE, các công nghệ sử dụng trong 4G Mạng 4G LTE có ưu điểm vượt trội về tốc độ, thời gian trễ nhỏ, hiệu suất sử dụng phổ cao cùng với việc sử dụng băng thông linh hoạt, cấu trúc đơn giản Để đạt được các ưu điểm này, 4G LTE đã sử dụng nhiều kỹ thuật Trong đó, nó sử dụng kỹ