Bài giảng hệ thống thông tin di động 4g LTE TS đỗ công hùng

ĐẠI HỌC FPT

BÀI GIẢNG
HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE
TS: Đỗ Công Hùng

Tháng 8 - 2015
05/07/16

TS Đỗ Công Hùng

1


Mục tiêu chương trình
- Nắm chắc các nội dung của các công nghệ viễn thông mới thế hệ 4G
- Làm cơ sở nghiên cứu và ứng dụng trong thực tiễn

Nội dung
• Sự ra đời , mục tiêu và các công nghệ của LTE (5 Tiết)
• Lớp vật lý đường xuống-OFDM và đường lên SC-FDMA
•
•

Mã kênh và thích nghi đường truyền(5

•
•

Tín hiệu tham chiếu và ước lượng kênh (5 Tiết)

05/07/16

Các kỹ thuật đa anten (MIMO) (5

Tiết)

Tiết)

Tổng quan về LTE- Advance(5 Tiết)

CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng

2


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ LTE
1.1. Các khái niệm cơ bản
LTE: Long term Evolution ( giải pháp dài hạn của UMTS)
UMTS: Universal Mobile Telecom System
Sự phát triển của các thế hệ TTDĐ:
1G: những năm 1980, bao gồm những HT độc lập, công nghệ Analog, FDMA
2G: Roaming toàn cầu, HT GSM ( Global System for Mobil Communication),
CN số, dưới sư ủng hộ của ETSI: European Telecom Standard Institude
3G:CDMA2000, là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95.
CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2, là tổ chức độc lập với 3GPP , tốc độ dữ liêu từ
144 kbit/s tới trên 3 Mbit/s, được ITU công nhận.

05/07/16

CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng

3


Khung cảnh ra đời của LTE (Hình 1.1)
Vai trò của ITU-R: International Telecom Union- Radiocom Sector
Thành viên IMT: International Mobile Telecom (bao gồm các HT 3G)

05/07/16

CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng

4


1.2. Khung cảnh ra đời của LTE (Hình 1.1)
Vai trò của ITU-R: International Telecom Union- Radiocom Sector
Thành viên IMT: International Mobile Telecom (bao gồm các HT 3G)
Dưới góc độ Công nghệ và Tiêu chuẩn:
Nhánh 1: Nhóm dự án hợp tác 3G ( 3GPP: Partnership Project) bao gồm:
Họ công nghệ phát triển từ 2 G: GSM/GPRS/ EDGE TDMA
Họ UMTS ‘3G’: CDMA/WCDMA
LTE: OFDMA, chuyển mạch gói, kiến trúc HT SAE System Architecture
Evolution, phiên bản 99 (5,6) của UMTS sử dụng công nghệ HSPA và phiên
bản 7 HSPA+ với bậc điều chế cao hơn và MIMO, phiên bản 8,9,10 với công
nghệ đa sóng mang MC 5 MHz, chế độ song công phân chia theo tần số và thời
gian (FDD ( Frequency Division Duplex) và TDD)
Phát triển chủ yếu cho thị trường Trung quốc
LTE Advance

05/07/16

CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng

5


Nhánh 2: Tổ chức hợp tác 3GPP2 : Mỹ, Hàn quốc, Nhật bản
Phát triển từ chuẩn IS- 95 với công nghệ CDMA lên CDMA 2000 theo hướng định
hướng dữ liệu EV-DO
Nhánh 3:Ủy ban tiêu chuẩn IEEE 802 LAN/MAN (LAN/Metropolitan Area Network)
- Họ IEEE 802.16, theo định hướng gói WiMAX phát triển từ 802.16-2014 cố định tới
802.16de cho di động
- Thế hệ 802.16 m cũng có các mục tiêu tương tự LTE advance
- Mục tiêu: Hướng tới các hệ thống đa dịch vụ, linh hoạt, định hướng gói tiệm cận tới
các chỉ tiêu tương tự cáp quang FTTH ( Fibre To The Home).

05/07/16

CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng

6


1.3. Yêu cầu và mục tiêu của LTE
1.3.1. Yêu cầu chung
Giảm độ trễ thiết lập kết nối và trễ truyền dẫn
Tăng tốc độ dữ liệu người dùng
Tăng tốc độ bít ở rìa tế bào

Giảm chi phí trên bít
Đơn giản hóa cấu trúc mạng
Di động liên tục cả với các công nghệ đa truy nhập khác nhau
Công suất di động hợp lý
1.3.2. Yêu cầu LTE phiên bản 6, 8 (Bảng 1.1)
Tốc độ dữ liệu đỉnh: Thông lượng cực đại trên người dùng, giả sử toàn bộ giải thông
được cấp cho 1 người dùng với sơ đồ mã hóa, điều chế cao nhất, số lượng
anten hỗ trợ cực đại: 100Mbps đường xuống, 50 Mbps đường lên trong dải
thông 20 MHz (gấp 4 lần dải thông sóng mang WCDMA)
Giả thiết EU có 2 anten thu và 1 anten phát, trạm gốc có 4 anten thu và 4 phát
Đánh giá chất lượng LTE bao quát các Macrocell với khoảng cách trạm gốc
500m-1.7 km, microcell sử dụng MIMO với khoảng cách trạm gốc 130m
05/07/16

CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng

7


Thông lượng tế bào và hiệu quả phổ:
Giả sử lưu lượng hàng đợi đầy đủ (không có sự thiếu dữ liệu để phát nếu người
dùng có cơ hội), tải HT tương đối cao ( 10 EU/Cell)
Các số đo:
Thông lượng tế bào trung bình (Bps/cell), Hiệu quả phổ người dùng trung bình
(Bps/Hz/cell),
Thông lượng người dùng trung bình (Bps/EU) và hiệu quả phổ người dùng trung
bình (Bps/Hz/EU)
Thông lượng người dùng và hiệu quả phổ người dùng trung bình Bps/Hz/EU) ở
rìa tế bào
Dung lượng thoại (yêu cầu lưu lượng như VoIP ràng buộc độ trễ chặt chẽ)

Là thách thức trong HT LTE dựa trên gói hoàn toàn, dựa vào lập lịch thích nghi
Người dùng VoIP coi là nghẽn mạch nếu hơn 2% gói IP không đến thành công
máy thu VT trong 50 ms và bị loại bỏ.
Giả thiết độ trễ end to end nhỏ hơn 200ms, dung lượng HT VoIP xác định hơn
95% người dùng hài lòng
Tăng gấp 2-4 lần so với phiên bản 6
05/07/16

CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng

8


Tính di động và Phạm vi tế bào
LTE yêu cầu hỗ trợ liên lạc với các di động tới 350 km/h tùy thuộc băng tần,
trong các tế bào điển hình có bán kính 5km, duy trì với các phạm vi tế bào đến
100km
Chất lượng ở chế độ quảng bá ( như TV di động, không chia sẻ với truyền dẫn
Unicast điểm- điểm)
Xác định trên cơ sở thông lượng hệ thống đạt được với hiệu quả phổ với giả thiết
phủ sóng 98 % vùng phủ danh định của HT ( vùng nghẽn chỉ chiếm 2%, có tỉ lệ
lỗi gói cao hơn 1%)
Phiên bản 8: ưu tiên cao cho các chế độ dịch vụ khác
Phiên bản 9: Kết hợp chế độ quảng bá sử dụng hoạt động mạng đơn tần trên
sóng mang unicast-quảng bá hỗn hợp
Độ trễ mặt phẳng người dùng
Số đo chất lượng đối với các dịch vụ thời gian thực và tương tác, được xác định
như thời gian trung bình giữa thời điểm truyền đầu tiên của gói dữ liệu và thời
điểm thu được xác lập lớp vật lý, bao gồm cả tốc độ truyền lại HARQ
LTE yêu cầu độ trễ gói DL 1 chiều lợp IP trên mạng truy nhập vô tuyến 5ms

05/07/16

CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng

9


Độ trễ mặt phẳng điểu khiển và Dung lượng
Thời gian cần thiết để chuyển đổi trạng thái trong LTE: rỗi- tích cực ít hơn 100ms
Độ trễ thiết lập cuộc gọi: ảnh hưởng thời gian liên lạc, tuổi thọ pin
LTE yêu cầu hỗ trợ ít nhất 200 người dùng/cell trên băng thông 5 MHz
Chi phí triển khai và tính tương tác
Phân bổ phổ và các chế độ song công: LTE có thể sử dụng phân bố phổ từ 1.420 MHz với đơn sóng mang, hoạt động được trên tất cả các băng tần hiện đã chỉ
định cho các HT IMT bởi ITU-R
Tương tác với các công nghệ truy nhập VT khác
Tương tác với các công nghệ khác nhau, nhất là với các công nghệ 3 GPP trước
đó (GSM/EDGE và UTRAN) và các công nghệ không phải là 3GPP (WiFI,
CDMA 2000 và WiMAX)
Độ phức tạp và giá thành máy di động
Giá thành rẻ, tiêu thụ công suất thấp, tuổi thọ pin trong chế độ chờ và tích cực

05/07/16

CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng

10


Các yêu cầu về kiến trúc mạng
Kiến trúc phẳng chỉ bao gồm 1 loại nút eNode B

Các giao thức hiệu quả để hỗ trợ các dịch vụ chuyển mạch gói
Các giao diện mở và tương thích thiết bị giữa nhiều nhà cung cấp
Cơ chế hiệu quả đối với hoạt động và bảo dưỡng, chức năng tự tối ưu
Dễ triển khai và định cấu hình (VD femto-cell cho trạm gốc gia đình)

05/07/16

CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng

11


1.4.Các công nghệ cho LTE
1.4.1. Đa sóng mang OFDMA cho đường xuống,SC-FDMA cho đường lên
Nhược điểm OFDM: tỷ số công suất đỉnh / trung bình (PAPR Peak to Average
Power Ratio) cao (chỉ phù hợp cho trạm gốc)
1.4.2. Công nghệ đa anten MIMO
Tăng ích phân tập: sử dụng phân tập không gian, cải thiện độ bền vững truyền
dẫn với pha đinh đa đường
Tăng ích dàn: Tập trung năng lượng theo một hay nhiều hướng thông qua
precoding hoặc beamforming, cho phép phục vụ đồng thời nhiều người dùng ở
các vị trí có hướng khac nhau
Tăng ích ghép không gian: Truyền nhiều luồng tín hiệu đến 1 người dùng trên
nhiều lớp không gian tạo bởi kết hợp các anten có sẵn
1.4.3. Giao diện vô tuyến chuyển mạch gói
Lập lịch gói nhanh bởi HSDPA:
Lập lịch thích nghi trên cả miền tần số và thời gian
Thích nghi cấu hình MIMO
Thích nghi tốc độ điều chế, mã hóa, từ mã
05/07/16

CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng

12


1.5. Sự phát triển LTE đến LTE advance
Phiên bản đầu tiên (phiên bản 8) của LTE 12/2007, đệ trình lên ITU như 1 thành
viên của IMT
Phiên bản tiếp theo của LTE (phiên bản 9); Hệ thống cảnh báo công cộng,
phương pháp định vị chính xác (ngay cả trong nhà, khi GPS không xác định
được), hỗ trợ quảng bá dựa trên truyền dẫn mạng đơn tần, phát triển MIMO hỗ
trợ 2 lớp không gian trực giao, xác định yêu cầu mới cho các trạm gốc pico và
trạm gốc gia đình, hỗ trợ tự tối ưu mạng…
Phiên bản LTE 10 (Advance): hoàn toàn thỏa mãn các yêu cầu của ITU-R cho IMTAdvanced:
Kết hợp sóng mang, cho phép tăng tổng dải thông truyền dẫn lên đến 100 MHz
Truyền MIMO đường lên với hiệu quả phổ đỉnh trên 7.5 Bps/hz
Tăng cường MIMO đường xuống, nhắm đến hiệu quả phổ 30Bps/Hz
Hỗ trợ chuyển tiếp (relaying), phối hợp nhiễu liên tế bào, cơ chế giảm thiểu thử
nghiệm thực tế nhờ báo cáo đo lường mở rộng từ các EU.

05/07/16

CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng

13


Chương 5
Giới thiệu LTE-Advanced

1.1. Các mục tiêu chính cho LTE-A
Các tính năng yêu cầu của IMT-A:
Độ tương đồng cao về chức năng trên phạm vi toàn cầu, hỗ trợ đa dịch
vụ, hiệu quả về chi phí
Tương thích của các dịch vụ trong IMT với các mạng cố định
Khả năng tương tác với các HT truy nhập vô tuyến khác
Chất lượng dịch vụ di động cao, UE phù hợp sử dụng toàn cầu, thân
thiện với người dùng, khả năng roaming toàn cầu
Tăng cường tốc độ đỉnh 1Gbps cho di chuyển với tốc độ thấp, 100Mbps
cho di chuyển với tốc độ cao
Các mục tiêu ( bảng 27-2):
Tốc độ dữ liệu đỉnh 1Gbps cho đường xuống, 500Mbps cho đường
lên( gấp 10 lần so với phiên bản 8)
ITU-R công nhận LTE-A là một công nghệ IMT-Advanced vào 10/2010.
05/07/16

CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng

14


1.2. Các tính năng chính của LTE-A
Kết hợp sóng mang (nhiều sóng mang thành phần 5 CCx20MHz cùng hoặc
khác băng tần)
Tăng cường truyền dẫn đa anten đường xuống.
Truyền dẫn đa anten đường lên
Chuyển tiếp
Hỗ trơ triển khai mạng không đồng nhất
1.3. Các giải pháp
Kết hợp sóng mang để tăng băng thông ( 5 sóng mang thành phần 20MHz)

Tăng số lượng anten tại eNodeB và UE, tăng số lượng cực đại các lớp
truyền dẫn không gian từ 4 ( phiên bản 8) lên 8 ở đường xuống và từ 1
( phiên bản 8) lên 4 ở đường lên.
Sơ đồ đa điểm phối hợp CoMP (Coordinated Multi Point): Phối hợp truyền
dẫn từ nhiều tế bào, lập lịch phối hợp cho một hay nhiều UE để giảm nhiễu
hoặc đạt tăng ích ghép kênh không gian
Sử dụng Relay Node
1.4. Các loại UE cho LTE-A
(Bảng 27-3)
Tốc độ dữ liệu đường xuống 300-3000Mbps, đường lên 50-1500Mbps

05/07/16

CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng

15