Đề tài: CÔNG NGHỆ MẠNG 4G pot

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

MẠNG KHÔNG DÂY
ĐỀ TÀI:

CÔNG NGHỆ MẠNG 4G

Giảng viên hướng dẫn
Sinh viên thực hiện
Lớp
Khoá

: DHTH7BLT
: 07

: MAI XUÂN PHÚ
: NGUYỄN THẾ VŨ
LÊ ĐÌNH THỚI
TỪ KỶ

- 11276371
- 11320781
- 11262121


TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012

MỤC LỤC

Lời nói đầu
Ngành cơng nghệ đã phát triển ngoạn mục trong những năm gần đây . Khi sự ra
đời của công nghệ 3G chưa kịp khằng định vị thế của mình trên tồn 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.

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. 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.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 thơng gói tốc độ cao nhằm triển khai các dịch vụ
truyền thơng đa phương tiện. Tuy nhiên, cũng có một số nhược điểm như: chưa đáp ứng
được yêu cầu của khách hàng vì tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất là 2Mbps, khả năng đáp
ứng các dịch vụ thời gian thực như hội nghị truyền hình là chưa cao, rất khó trong việc
download các file dữ liệu lớn,…chưa đáp ứng được các yêu cầu như: khả năng tích hợp
với các mạng khác (Ví dụ: WLAN, WiMAX,…) chưa tốt, tính mở của mạng chưa cao,
khi đưa một dịch vụ mới vào mạng sẽ gặp khó khăn do tốc độ mạng thấp, tài nguyên
băng tần ít…


Trong bối cảnh đó người ta đã chuyển hướng sang nghiên cứu hệ thống thơng tin di động
mới có tên gọi là 4G. Sự ra đời của hệ thống này mở ra khả năng tích hợp tất cả các dịch
vụ, cung cấp băng thông rộng, dung lượng lớn, truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao, cung cấp
cho người sử dụng những hình ảnh video màu chất lượng cao, các trị chơi đồ hoạ 3D
linh hoạt, các dich vụ âm thanh số. Việc phát triển công nghệ giao thức đầu cuối dung
lượng lớn, các dịch vụ gói dữ liệu tốc độ cao, công nghệ dựa trên nền tảng phần mềm

công cộng mang đến các chương trình ứng dụng download, cơng nghệ truy nhập vơ tuyến
đa mode, và cơng nghệ mã hố media chất lượng cao trên nền các mạng di động. Tuy
nhiên, đặc tính hàng đầu được kỳ vọng nhất của mạng 4G là cung cấp khả năng kết nối
ABC (Always Best Connected - luôn được kết nối tốt nhất). Để thỏa mãn được điều đó,
mạng 4G sẽ là mạng hỗn hợp, bao gồm nhiều công nghệ mạng khác nhau, kết nối, tích
hợp trên nền tồn IP. Thiết bị di động của 4G sẽ là đa công nghệ (multi-technology), đa
chức năng (multi-mode) để có thể kết nối với nhiều loại mạng truy nhập khác nhau.

Phần 1:Giới thiệu về hệ thống thông tin di động
Thông tin di động hiện là một lĩnh vực vơ cùng quan trọng đời sống văn hóa của con
người trong thế kỷ 21 . 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.
1. 1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động
Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vơ 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 cơng, đã giải được bài tốn khó về dung lượng.


Lộ trình phát triển của hệ thống thơng tin di động tế bào

1. 2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G)
Sự khởi đầu giản đơn (chỉ có chức năng nghe và gọi) 1G là chữ viết tắt của công nghệ
điện thoại không dây thế hệ đầu tiên (1st Generation). Các điện thoại chuẩn analog sử
dụng công nghệ 1G với tín hiệu sóng analog được giới thiệu trên thị trường vào những

năm 1980. Một trong những công nghệ 1G phổ biến là NMT (Nordic Mobile Telephone)
được sử dụng ở các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga. Cũng có một số cơng nghệ khác như
AMPS (Advanced Mobile Phone System - hệ thống điện thoại di động tiên tiến) được sử
dụng ở Mỹ và Úc; TACS (Total Access Communication System - hệ thống giao tiếp truy
cập tổng hợp) được sử dụng ở Anh, C-45 ở Tây Đức, Bồ Đào Nha và Nam Phi. Điểm yếu
của 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… Khi số lượng các thuê bao
trong mạng ngày càng tăng lên, các nhà nghiên cứu nhận thấy cần có biện pháp nâng cao
dung lượng của mạng, chất lượng cuộc thoại cũng như thêm các dịch vụ bổ sung cho
mạng. Người ta nghĩ đến việc số hóa các hệ thống điện thoại di động dẫn đến sự ra đời
của hệ thống di động thứ 2.
1. 3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G)
Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian
(TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở châu Âu và có tên gọi là GSM. Với sự phát
triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ 2 lúc đó đã đáp ứng kịp
thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số. Hệthống 2G hấp dẫn hơn
hệ thống 1G bởi vì ngồi dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống này cịn có khả năng cung
cấp một số dịch vụ truyền dữ liệu và các dịch vụ bổ sung khác. Ở Việt Nam, hệ thống
thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm 1993, hiện nay đang được Công ty VMS
và GPC khai thác rất hiệu quả với hai mạng thông tin di động số VinaPhone và MobiFone
theo tiêu chuẩn GSM.
Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đều sử dụng kỹ thuật điều chế số. Và chúng sử


dụng 2 phương pháp đa truy cập:
Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access - TDMA): phục vụ
các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau.
Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA): phục vụ các
cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau.
1. 4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G)

Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một giai đoạn trung
gian là thế hệ 2, 5 sử dụng cơng nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiều khe hoặc nhiều tần số
hoặc sử dụng cơng nghệ CDMA trong đó có thể chồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu
không sử dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng đã được đưa vào sử dụng như: GPRS,
EDGE và CDMA2000-1x. Ở thế hệ thứ 3 này các hệ thống thông tin di động có xu thế
hồ nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụở tốc độ bit lên đến 2
Mbit/s. Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, các hệ thống
thông tin di động thế hệ 3 gọi là các hệ thống thông tin di động băng rộng.
Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 đã được đề xuất, trong
đó 2 hệ thống W-CDMA và CDMA2000 đã được ITU chấp thuận và đưa vào hoạt động
trong những năm đầu của những thập kỷ 2000. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ
CDMA, điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của
hệ thống thông tin di động thế hệ 3.
1.5 Thế hệ mạng di động tiền 4G
Hai công nghệ xem như là tiền 4G là chuẩn Wimax2 (802.11m) và Long Term Evolution
(LTE) vì chưa đáp ứng được chuần của 4G là cho phép truyền tải ở tốc độ 100
Megabyte/s khi di chuyển và tới 1 Gb/s khi đứng yên . Về bản chất, Wimax2 là một tiêu
chuẩn được phát triển bởi IEEE còn LTE là sản phẩm của 3GPP, một bộ phận của liên
minh các nhà mạng cung cấp dịch vụ GSM. Cả hai tiêu chuẩn Wimax2 và LTE đều sử
dụng công nghệ ăng-ten tiên tiến nhằm cải thiện khả năng tiếp nhận và thực hiện, tuy
nhiên lại hoạt động trên các băng tần khác nhau
Long Term Evolution (LTE) : công nghệ di động mới đang được phát triển và chuẩn
hóa bởi 3GPP , nhưng LTE đầu tiên phát hành không thực hiện đầy đủ các yêu cầu IMTAdvanced. LTE có tốc độ bit net lý thuyết là 100 Mbit/s cho download và 50 Mbit/s cho
upload
WiMax-2 : được phát triển bởi IEEE (IEEE 802.16m) , WiMax cung cấp khả năng kết
nối Internet không dây nhanh hơn so với WiFi, tốc độ up và down cao hơn, sử dụng được
nhiều ứng dụng hơn, và quan trọng là vùng phủ sóng rộng hơn, và khơng bị ảnh hưởng
bởi địa hình. WiMAX có thể thay đổi một cách tự động phương thức điều chế để có thể

tăng vùng phủ bằng cách giảm tốc độ truyền và ngược lại ,có tốc độ bit net lý thuyết là
128 Mbit/s cho download và 64 Mbit/s cho upload
1.6 Công nghệ không dây thế hệ thứ 4
được nghiên cứu và hứa hẹn sẽ là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây , Các dịch
vụ di động 4G với khả năng cung cấp băng thông rộng, dung lượng lớn, truyền dẫn dữ
liệu tốc độ cao, cung cấp cho người sử dụng những hình ảnh video màu chất lượng cao,
các trị chơi đồ hoạ 3D linh hoạt, các dịch vụ âm thanh số. Với sự xuất hiện của mạng
4G, nó sẽ giải quyết được :
• Hỗ trợ các dịch vụ tương tác đa phương tiện: truyền hình hội nghị, Internet khơng
dây .
• Băng thơng rộng hơn.
• Tính di động tồn cầu và tính di chuyển dịch vụ.
• Hạ giá thành.
• Tăng độ khả dụng của hệ thống thông tin di động.
Một số công nghệ quan trọng của 4G :
OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access :
OFDM là một công nghệ cho phép tăng độ rộng ký hiệu truyền dẫn do đó dung sai đa
đường lớn hơn rất nhiều so với các kỹ thuật đã sử dụng trước đây, cho phép khắc phục
những nhược điểm căn bản của kỹ thuật đơn sóng mang
OFDMA là kỹ thuật đa truy cập vào kênh truyền OFDM ,một dạng cải tiến của OFDM.
Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA chia băng tần thành các
băng con, mỗi băng con là một sóng mang con. Khác với OFDM, trong OFDMA mỗi
trạm thuê bao khơng sử dụng tồn bộ khơng gian sóng mang con mà khơng gian sóng
mang con được chia cho nhiều thuê bao cùng sử dụng một lúc. Mỗi trạm thuê bao sẽ
được cấp một hoặc vài sóng mang con gọi là kênh con hố
Khi các trạm th bao khơng sử dụng hết khơng gian sóng mang con thì tất cả công suất
phát của trạm gốc sẽ chỉ tập trung vào số sóng mang con được sử dụng. Trong q trình
truyền dẫn mỗi trạm thuê bao được cấp phát một kênh con riêng
MIMO - Multiple Input Multiple Output :
MIMO là công nghệ truyền thơng khơng dây, trong đó cả đầu nhận lẫn đầu phát tín hiệu

đều sử dụng nhiều anten để tối ưu hóa tốc độ truyền và nhận dữ liệu, đồng thời giảm
thiểu lỗi như nhiễu sóng, mất tín hiệu…MIMO tận dụng sự dội lại của sóng khi “đụng”
phải những chướng ngại trên đường truyền khiến chúng có thể đến được đầu nhận tín
hiệu bằng nhiều con đường khác nhau. Nói tóm lại, MIMO là kỹ thuật sử dụng nhiều
anten phát và nhiều anten thu để truyền và nhận dữ liệu
Ưu điểm: gia tăng tốc độ đường truyền dữ liệu và mở rộng tầm phủ sóng trên cùng một
băng thơng, giảm chi phí truyền tải. Cơng nghệ MIMO cho phép đầu nhận phân loại tín
hiệu và chỉ nhận tín hiệu đó


Trong việc truyền thơng bằng sóng vơ tuyến, những chướng ngại vật trên đường truyền
từ đầu phát đến đầu nhận như các tòa nhà cao ốc, dây điện và những cấu trúc khác trong
khu vực đều có thể làm cho sóng bị phản xạ hoặc khúc xạ. Những yếu tố này làm cho
sóng bị nhiễu, yếu đi hoặc mất hẳn. Trong truyền thông kỹ thuật số, những yếu tố trên có
thể làm giảm tốc độ truyền cũng như chất lượng của dữ liệu
Trong cơng nghệ MIMO đầu phát sóng sử dụng nhiều anten để truyền sóng theo nhiều
đường khác nhau nhằm tăng lưu lượng thông tin. Dữ liệu truyền sau đó sẽ được tập hợp
lại ở đầu nhận theo những định dạng đã được ấn định. Điều này tương tự đôi tai của
chúng ta tiếp nhận đủ thứ âm thanh từ bên ngồi, sau đó não bộ sẽ lọc, phân loại những
âm thanh đó. Các sản phẩm Wifi sử dụng cơng nghệ MIMO được nhiều nhà sản xuất
quan tâm vì chúng có khả năng cải thiện tốc độ truyền dữ liệu, tầm phủ sóng và độ tin
cậy
1. 7 Sự khác nhau giữa 3G và 4G
Hiện nay, công nghệ 3G cho phép truy cập Internet không dây và các cuộc gọi có hình
ảnh. 4G được phát triển trên các thuộc tính kế thừa từ công nghệ 3G. Về mặt lý thuyết,
mạng khơng dây sử dụng cơng nghệ 4G sẽ có tốc độ nhanh hơn mạng 3G từ 4 đến 10 lần.
Tốc độ tối đa của 3G là tốc độ tải xuống 14Mbps và 5.8Mbps tải lên. Với công nghệ 4G,
tốc độ có thểđạt tới 100Mbps đối với người dùng di động và 1Gbps đối với người dùng
cốđịnh. 3G sử dụng ở các dải tần quy định quốc tế cho UL : 1885-2025 MHz; DL : 21102200 MHz; với tốc độ từ 144kbps-2Mbps, độ rộng BW: 5 MHz.Đối với 4G LTE thì Hoạt
động ở băng tần : 700 MHz-2,6 GHz với mục tiêu tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp, công

nghệ truy cập sóng vơ tuyến gói dữ liệu tối ưu. Tốc độ DL :100Mbps( ở BW 20MHz), UL
: 50 Mbps với 2 aten thu một anten phát. Độ trễ nhỏ hơn 5ms với độ rộng BW linh hoạt là
ưu điểm của LTE so với WCDMA, BW từ 1.25 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15
MHz, 20 MHz. Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần số người dùng/cell so với
WCDMA.

Phần 2: Công nghệ LTE
LTE (Long Term Evolution), là một hệ thống công nghệ được phát triển từ 3GPP , thuộc
họ công nghệ GSM/UMTS (WCDMA, HSPA) đang được nghiên cứu, thử nghiệm để tạo
nên một hệ thống truy cập băng rộng di động thế hệ mới, hướng đến thế hệ thứ 4 - 4G.
LTE sử dụng tần số một cách linh động, có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25
MHz cho tới 20 MHz. Tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất (về lý thuyết) của LTE có thể đạt
tới 250 Mb/s khi độ rộng băng tần là 20 MHz.
1. Quá trình phát triển LTE


•

Chuẩn LTE đầu tiên là phiên bản Release 8 của 3GPP vào tháng 12 năm 2008 dựa
vào nền tảng của cơng nghệ viễn thơng GSM (Global System for Mobile
Communications).

•

Chuẩn LTE: thế hệ thứ 4 của UMTS (Universal Mobile Telecommunications
System), tốc độ truyền dữ liệu cao, độ trễ thấp và công nghệ truy cập sóng vơ
tuyến gói dữ liệu tối ưu.

•

Chuẩn LTE-Advanced (3/2011): là một bước chuyển lớn của LTE, LTE
Advanced tương thích với các thiết bị của LTE phiên bản cũ, và dùng chung băng
tần với các LTE phiên bản cũ

2. Yêu cầu của LTE
 Tốc độ tối đa (peak data rate)
 100 Mbps tải xuống, 50 Mbps tải lên trên băng thông kênh truyền 20 MHz
 Hỗ trợ lên đến 200 người dùng hoạt động trong một cell (5 MHz)
 Tính lưu động


 Tối ưu hóa từ 0 ~ 15 km/h.
 Hiệu suất cao trong khoảng 15 ~ 120 km/h
 Hỗ trợ lên đến 350 km/h hoặc thậm chí lên đến 500 km/h.
 Tăng cường dịch vụ phát sóng đa phương tiện (E-MBMS)
 Độ trải phổ linh hoạt: 1,25 ~ 20 MHz
 Tăng cường hỗ trợ chất lượng dịch vụ đế người dùng đầu cuối
3. Kỹ thuật sử dụng LTE
 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
 Frequency domain equalization
 SC-FDMA (Single Carrier FDMA)
 MIMO (Multi-Input Multi-Output)
 Multicarrier channel-dependent resource scheduling
 Fractional frequency reuse

Chuẩn kỹ thuật LTE


•

eNB: Bastion host

•

MME (Mobility Management Entity): chịu trách nhiệm xử lý những chức năng
mặt bằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao và quản lý phiên.

•

S-GW: là vị trí kết nối của giao tiếp dữ liệu gói với E-UTRAN. Nó cịn hoạt
động như một node định tuyến đến những kỹ thuật 3GPP khác

•

P-GW (Packet Data Network): là điểm đầu cuối cho những phiên hướng về mạng
dữ liệu gói bên ngồi. Nó cũng là Router đến mạng Internet.


Chức năng mạng truy nhập vơ tuyến:
-Có khả năng tích hợp giữa các thiết bị đầu cuối
-Đảm bảo tốc độ dịch vụ
Chức năng của mạng lõi:
-Kết nối các mạng khác nhau: mạng khơng dây và mạng có dây.
-Truyền tải traffic trên các tuyến từ nơi gửi đến đích an tồn.
-Định tuyến lưu lượng
-Chuyển đổi dạng dữ liệu tất cả IP
Chức năng điều khiển:
-Cung cấp nền tảng hạ tầng kết nối mạng dịch vụ

-Điều khiển hệ thống:
+ Báo hiệu
+ Lưu lượng
+ Bảo mật (Security)
+ Billing
+ Mobity và Roaming
Dịch vụ: Cung cấp dịch vụ sử dụng cho người dùng

Phần 3: Tóm tắt


Ưu điểm nổi bật
•
•

Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trễ

•

Cấu trúc mạng sẽđơn giản hơn, và sẽ khơng cịn chuyển mạch kênh nữa

•

Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần user/cell so với WCDMA.

•



Tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều lần so với 3G

Độ rộng băng tần linh hoạt cũng là một ưu điểm quan trọng của LTE đối với
WCDMA

Các ứng dụng đã tạo nên ưu điểm của 4G LTE so với 3G

Tốc độ dữ liệu cao : Phát nhiều dòng dữ liệu độc lập song song qua các anten riêng lẻ => tăng
tốc độ dữ liệu. (sử dụng MIMO)
Độ trễ thấp
Thời gian cài đặt và thời gian trì hỗn chuyển tiếp ngắn
Trễ HO và thời gian ngắt ngắn : TTI ngắn, trạng thái RRC đơn giản
Giá thành rẻ
Cấu trúc mạng đơn giản, giảm các thành phần của mạng
Chất lượng dịch vụ cao
Sử dụng các tần số cấp phép đểđảm bảo chất lượng dịch vụ : LTE sử dụng các dải


tần số khác nhau : 2100 MHz, 1900 MHz, 1700 MHz, 2600 MHz, 900 MHz, 800 MHz.
Giảm độ trễ hồi đáp ( round trip delay)
Tần số tái sử dụng linh hoạt
Giảm nhiễu liên cell với tần số tái sử
dụng lớn hơn 1.
Sử dụng hai dải tần số:
Dải 1 : hệ số tái sử dụng lớn hơn 1 => công suất phát cao hơn
Dải 2 : phổ còn lại
-

Các user ở cạnh cell : sử dụng dải 1 => SIR tốt
Các user ở trung tâm cell : sử dụng toàn bộ băng => tốc độ dữ liệu cao
Dung lượng và vùng bao phủ của WCDMA UL bị giới hạn bởi can nhiễu: can

nhiễu bên trong cell và can nhiễu liên cell. Nhưng đối với LTE thì : do tính trực
giao nên can nhiễu trong cùng một cell có thể khơng xét đến và giảm can nhiễu
inter-cell bằng tái sử dụng cục bộ, thêm các anten có thể triệt can nhiễu.