ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG hệ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4g sử DỤNG CÔNG NGHỆ LTE (có code)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G SỬ DỤNG
CÔNG NGHỆ LTE

1


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................................IX
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU....................................................................................XIV
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT..................................................................................XV
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG.......................1
1.1

TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ NHẤT 1G...........................2

1.2

TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ HAI 2G..............................4

1.2.1

Hệ thống GSM....................................................................................................6

1.2.2

HSCSD................................................................................................................8

1.2.3

GPRS...................................................................................................................9

1.2.4

EDGE................................................................................................................10

1.3

TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ BA 3G.............................10

1.4

GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ 4G LTE.........................................................................13

1.4.1

Giới thiệu hệ thống thông tin di động 4G.........................................................13

1.4.2

Giới thiệu 4G LTE.............................................................................................14

1.4.3

Đánh giá hiệu năng của hệ thống 4G LTE so với 3G.......................................19

CHƯƠNG 2. CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G SỬ DỤNG
CÔNG NGHỆ LTE..............................................................................................................23
2.1

TỔNG QUAN KIẾN TRÚC MẠNG 4G LTE...................................................................23

2.2

THÀNH PHẦN KIẾN TRÚC CỦA MẠNG 4G LTE..........................................................26

2.2.1

Thiết bị người dùng UE....................................................................................26

2.2.2

E-UTRAN NodeB..............................................................................................27

2.2.3

Thực thể quản lý tính di động MME.................................................................29

2.2.4

Cổng phục vụ S-GW..........................................................................................31

2.2.5

Cổng mạng dữ liệu P-GW.................................................................................33

2.2.6

Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên PCRF.....................................35

2.2.7

Máy chủ thuê bao thường trú HSS....................................................................36

2.3

QUÁ TRÌNH CHUYỂN GIAO........................................................................................37

2


2.3.1

Chuyển giao là gì?............................................................................................37

2.3.2

Quá trình chuyển giao trong mạng di động 4G LTE........................................39

CHƯƠNG 3. TRUY CẬP VÔ TUYẾN VÀ CÁC KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG
4G LTE

........................................................................................................................44

3.1

CÁC CHẾ ĐỘ TRUY CẬP VÔ TUYẾN...........................................................................44

3.2

BĂNG TẦN TRUYỀN DẪN..........................................................................................45

3.3

CÁC DẢI TẦN HỖ TRỢ...............................................................................................46

3.4

TÌM HIỂU KỸ THUẬT OFDMA CHO ĐƯỜNG XUỐNG TRONG MẠNG 4G LTE............49

3.4.1

Một số khái niệm...............................................................................................49

3.4.2

Các thông số của kỹ thuật đa truy nhập OFDMA............................................51

3.4.3

Kỹ thuật đa truy nhập cho đường xuống OFDMA...........................................56

3.4.4

Thu phát tín hiệu OFDMA................................................................................57

3.4.5

Tỉ lệ lỗi bit BER................................................................................................72

3.5

TÌM HIỂU KỸ THUẬT SC-FDMA CHO ĐƯỜNG LÊN TRONG MẠNG 4G LTE..............75

3.5.1

Kỹ thuật SC-FDMA là gì?.................................................................................75

3.5.2

Quá trình thu phát tín hiệu SC-FDMA.............................................................76

3.5.3

Các thông số của kỹ thuật đa truy nhập SC-FDMA.........................................78

3.6

CÔNG NGHỆ ĐA ANTEN MIMO................................................................................79

3.6.1

Mô hình SISO....................................................................................................80

3.6.2

Mô hình SIMO..................................................................................................80

3.6.3

Mô hình MISO..................................................................................................81

3.6.4

Mô hình MIMO.................................................................................................82

3.6.5

Mô hình MIMO tổng quát.................................................................................83

3.6.6

Các kỹ thuật phân tập.......................................................................................85

3.6.7

Các độ lợi trong hệ thống MIMO.....................................................................87

3.7

MÔ HÌNH MIMO TRONG MẠNG DI ĐỘNG 4G LTE...................................................88

3.8

MÔ HÌNH MIMO-OFDM ALAMOUTI.......................................................................91

CHƯƠNG 4. CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 4G LTE.......................95
4.1

CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG OFDMA ĐƯỜNG XUỐNG TRONG MẠNG 4G LTE.........95

4.1.1

Quá trình thu phát OFDMA..............................................................................95

4.1.2

Tỉ số lỗi bit......................................................................................................102

3


4.2

CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG SC-FDMA ĐƯỜNG LÊN TRONG MẠNG 4G LTE.........105

4.3

MÔ HÌNH MIMO-OFDM ALAMOUTI.....................................................................109

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN.................................................................................................112
5.1

KẾT LUẬN...............................................................................................................112

5.1.1

Tỉ số lỗi bit của hệ thống 4G LTE...................................................................112

5.1.2

Chất lượng hệ thống truyền dẫn 4G LTE........................................................112

5.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................................................................................113

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................114
PHỤ LỤC A ......................................................................................................................116

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
HÌNH 1-1: ĐIỆN THOẠI ANALOG MOTOROLA DYNATAC 8000X [14]...............2
HÌNH 1-2: NGUYÊN LÝ FDMA TRONG HỆ THỐNG 1G [2].....................................3
HÌNH 1-3: NGUYÊN LÝ TDMA TRONG HỆ THỐNG 2G [2].....................................5
HÌNH 1-4: GSM PHÁT TRIỂN LÊN 2.5G VÀ 2.75G.....................................................5
HÌNH 1-5: GSM900 VÀ GSM1800.....................................................................................6
HÌNH 1-6: BĂNG TẦN GSM 900.......................................................................................7
HÌNH 1-7: BĂNG TẦN GSM1800......................................................................................8
HÌNH 1-8: GIỚI THIỆU 4G LTE [4]...............................................................................14
HÌNH 1-9: TỐC ĐỘ MẠNG DI ĐỘNG QUA CÁC THẾ HỆ [16]..............................19
HÌNH 2-1: KIẾN TRÚC MẠNG 3G UMTS [8]..............................................................23
HÌNH 2-2: KIẾN TRÚC MẠNG 4G LTE [8]..................................................................23
HÌNH 2-3: KIẾN TRÚC MẠNG LTE [22]......................................................................24
HÌNH 2-4: CÁC NÚT CƠ BẢN CỦA GIAO DIỆN LTE [22].......................................25
HÌNH 2-5: CÁC THIỆT BỊ NGƯỜI DÙNG [22]...........................................................26
HÌNH 2-6: KIẾN TRÚC E-UTRAN [22].........................................................................27

HÌNH 2-7: CHỨC NĂNG ENODEB VÀ KẾT NỐI CHÍNH [1]..................................28
HÌNH 2-8: CHỨC NĂNG MME VÀ KẾT NỐI CHÍNH [1].........................................31
HÌNH 2-9: CHỨC NĂNG S-GW VÀ KẾT NỐI CHÍNH [1]........................................32
HÌNH 2-10: CHỨC NĂNG P-GW KẾT NỐI CHÍNH [1].............................................34
HÌNH 2-11: CHỨC NĂNG PCRF VÀ CÁC KẾT NỐI CHÍNH [1]............................35
HÌNH 2.12: MÔ HÌNH 3 CELL [22]................................................................................37
HÌNH 2-13: NGUYÊN TẮC CHUNG CỦA THUẬT TOÁN CHUYỂN GIAO [1]...38
HÌNH 2-14: QUÁ TRÌNH CHUYỂN GIAO GIAO DIỆN X2 [19]..............................40
HÌNH 2-15: QUÁ TRÌNH BÁO HIỆU CHUYỂN GIAO X2........................................41

5


HÌNH 2-16: CHUYỂN GIAO GIAO DIỆN S1 [19].......................................................43
HÌNH 2-17: QUÁ TRÌNH BÁO HIỆU CHUYỂN GIAO S1........................................43
HÌNH 3-1: FDD VÀ TDD [13]...........................................................................................44
HÌNH 3-2: THỐNG KÊ SỐ MẠNG 4G LTE THƯƠNG MẠI [5]...............................48
HÌNH 3-3: TẦN SỐ TRỰC GIAO [10]............................................................................49
HÌNH 3-4: TÍN HIỆU TRỰC GIAO [10]........................................................................49
HÌNH 3-5: PHỔ TẦN CỦA FDMA VÀ OFDM [15]......................................................50
HÌNH 3-6: SỰ KHÁC NHAU GIỮA OFDM VÀ OFDMA [9].....................................51
HÌNH 3-7: CẤU TRÚC KHUNG CỦA ĐƯỜNG XUỐNG 4G LTE [24]....................52
HÌNH 3-8: CẤU TRÚC KHE SỬ DỤNG TIỀN TỐ [24]...............................................52
HÌNH 3-9: CẤU TRÚC LƯỚI TÀI NGUYÊN LTE [24]...............................................54
HÌNH 3-10: CẤU TRÚC KHUNG LOẠI 2 CHO TDD [18].........................................55
HÌNH 3-11: MINH HỌA TỈ SỐ PAPR [1].......................................................................55
HÌNH 3-12: KỸ THUẬT OFDM [15]...............................................................................56
HÌNH 3-13: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MỘT HỆ THỐNG OFDM [11]................................57
HÌNH 3-14: SƠ ĐỒ MÁY PHÁT OFDMA......................................................................58
HÌNH 3-15: SƠ ĐỒ MÁY THU OFDMA........................................................................58

HINH 3.16: MÁY ĐIỀU CHẾ QPSK [1].........................................................................60
HÌNH 3-17: BIỂU DIỄN QPSK TRÊN TRỤC TỌA ĐỘ..............................................61
HÌNH 3-18: ĐIỀU CHẾ M-PSK [5]..................................................................................61
HÌNH 3-19: CHÒM SAO M-PSK [5]...............................................................................61
HÌNH 3-20: CHÒM SAO QPSK [5].................................................................................62
HÌNH 3-21: ĐIỀU CHẾ 8QAM [23].................................................................................64
HÌNH 3-22: BIỂU ĐỒ CHÒM SAO 8QAM [23]............................................................64
HÌNH 3-23: SƠ ĐỒ CHÒM SAO 16QAM......................................................................64
HÌNH 3-24: SƠ ĐỒ ĐIỀU CHẾ 16QAM [1]...................................................................65

6


HÌNH 3-25: BIỂU ĐỒ CHÒM SAO 64QAM [5]............................................................67
HÌNH 3-26: CHUYỂN ĐỔI S/P VÀ P/S [3].....................................................................68
HÌNH 3-27: CHỨC NĂNG IFFT [21]..............................................................................69
HÌNH 3-28: CHỨC NĂNG FFT [21]................................................................................69
HÌNH 3-29: KHOẢNG BẢO VỆ [3].................................................................................70
HÌNH 3-30: TẠP ÂM NHIỄU AWGN..............................................................................71
HÌNH 3-31: MÔ HÌNH RAYLEIGH FADING [4].........................................................72
HÌNH 3-32: BER CỦA OFDMA VỚI CÁC KIỂU ĐIỀU CHẾ SỐ.............................73
HÌNH 3-33: TỈ LỆ LỖI BIT KÊNH RAYLEIGH..........................................................74
HÌNH 3-34: SO SÁNH GIỮA OFDMA VÀ SC-FDMA [1]...........................................75
HÌNH 3-35: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA KỸ THUẬT SC-FDMA [11].....................................76
HÌNH 3-36: SẮP XẾP SÓNG MANG CON [24].............................................................77
HÌNH 3-37: ẤN ĐỊNH SÓNG MANG CHO THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI [1]....................78
HÌNH 3-38: CÁC CÔNG NGHỆ ĐA ANTEN [20].........................................................79
HÌNH 3-39: MÔ HÌNH SISO [20].....................................................................................80
HÌNH 3-40: MÔ HÌNH SIMO [20]...................................................................................81
HÌNH 3-41: MÔ HÌNH MISO [20]...................................................................................82

HÌNH 3-42: MÔ HÌNH ĐA ANTEN MIMO [17]...........................................................82
HÌNH 3-43: MÔ HÌNH MIMO TỔNG QUÁT [17].......................................................84
HÌNH 3-44: MÔ HÌNH KHÔNG GIAN MIMO HƯỚNG XUỐNG [12]...................88
HÌNH 3-45: MÔ HÌNH KHÔNG GIAN MIMO HƯỚNG LÊN [20]..........................89
HÌNH 3-46: MÔ HÌNH SU-MIMO...................................................................................89
HÌNH 3-47: MÔ HÌNH SU-MIMO ĐIỂN HÌNH [1].....................................................90
HÌNH 3-48: MÔ HÌNH MU-MIMO.................................................................................90
HÌNH 3-49: MÁY PHÁT MIMO-OFDM ALAMOUTI................................................91
HÌNH 3-50: MÁY THU MIMO-OFDM ALAMOUTI...................................................91

7


HÌNH 3-51: MÔ HÌNH MIMO-OFDM ALAMOUTI TỔNG QUÁT.........................92
HÌNH 3-52: STBC CODING.............................................................................................92
HÌNH 4-1: THU PHÁT TÍN HIỆU OFDMA ĐIỀU CHẾ BPSK.................................95
HÌNH 4-2: CÁC VỊ TRÍ TƯƠNG ỨNG CỦA TÍN HIỆU MÔ PHỎNG....................95
HÌNH 4-3: ĐIỀU CHẾ BPSK............................................................................................96
HÌNH 4-4: ĐIỀU CHẾ QPSK............................................................................................96
HÌNH 4-5: ĐIỀU CHẾ 16QAM.........................................................................................97
HÌNH 4-6: ĐIỀU CHẾ 64QAM.........................................................................................97
HÌNH 4-7: NGÕ RA KHỐI IFFT.....................................................................................98
HÌNH 4-8: TÍN HIỆU PHÁT OFDMA............................................................................98
HÌNH 4-9: TÍN HIỆU OFDMA TRÊN KÊNH TRUYỀN.............................................99
HÌNH 4-10: TÍN HIỆU OFDMA THU SAU KHI LOẠI BỎ CP.................................99
HÌNH 4-11: TÍN HIỆU SAU FFT ĐIỀU CHẾ BPSK..................................................100
HÌNH 4-12: TÍN HIỆU SAU FFT ĐIỀU CHẾ QPSK..................................................100
HÌNH 4-13: TỈ SỐ LỖI BIT CỦA OFDMA ĐIỀU CHẾ QPSK KÊNH AWGN......102
HÌNH 4-14: TỈ SỐ LỖI BIT CỦA OFDMA ĐIỀU CHẾ 16QAM KÊNH AWGN...102
HÌNH 4-15: TỈ SỐ LỖI BIT CỦA OFDMA ĐIỀU CHẾ 64QAM KÊNH AWGN...103

HÌNH 4-16: BER CỦA OFDMA ĐIỀU CHẾ QPSK KÊNH RAYLEIGH...............103
HÌNH 4-17: BER CỦA OFDMA ĐIỀU CHẾ 16QAM KÊNH RAYLEIGH............104
HÌNH 4-18: BER CỦA OFDMA ĐIỀU CHẾ 64QAM KÊNH RAYLEIGH............104
HÌNH 4-19: THU PHÁT TÍN HIỆU SC-FDMA ĐIỀU CHẾ BPSK..........................105
HÌNH 4-20: CÁC VỊ TRÍ TƯƠNG ỨNG CỦA TÍN HIỆU MÔ PHỎNG................105
HÌNH 4-21: TỈ SỐ LỖI BIT CỦA SC-FDMA ĐIỀU CHẾ QPSK KÊNH AWGN. .106
HÌNH 4-22: TỈ SỐ LỖI BIT CỦA SC-FDMA ĐIỀU CHẾ 16QAM KÊNH AWGN106
HÌNH 4-23: TỈ SỐ LỖI BIT CỦA SC-FDMA ĐIỀU CHẾ 64QAM KÊNH AWGN107
HÌNH 4-24: BER CỦA SC-FDMA ĐIỀU CHẾ QPSK KÊNH RAYLEIGH............107

8


HÌNH 4-25: BER CỦA SC-FDMA ĐIỀU CHẾ 16QAM KÊNH RAYLEIGH.........108
HÌNH 4-26: BER CỦA SC-FDMA ĐIỀU CHẾ 64QAM KÊNH RAYLEIGH.........108
HÌNH 4-27: BER MIMO-OFDM ALAMOUTI ĐIỀU CHẾ BPSK...........................109
HÌNH 4-28: BER MIMO-OFDM ALAMOUTI ĐIỀU CHẾ QPSK...........................110
HÌNH 4-30: BER MIMO-OFDM ALAMOUTI ĐIỀU CHẾ 16QAM........................110
HÌNH 4-31: BER MIMO-OFDM ALAMOUTI ĐIỀU CHẾ 64QAM........................111

9


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
BẢNG 1-1: ĐẶC ĐIỂM MẠNG 1G....................................................................................2
BẢNG 1-2: ĐẶC ĐIỂM CHÍNH CỦA MẠNG DI ĐỘNG 2G........................................4
BẢNG 1-3: GSM900 VÀ GSM1800 THỰC CHẤT LÀ GIỐNG NHAU.......................8
BẢNG 1-4: ĐẶC ĐIỂM MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G......................................11
BẢNG 1-5: BĂNG THÔNG TẢI XUỐNG VÀ LÊN CỦA CÁC LTE CAT................15
BẢNG 1-6: GIAO DIỆN 4G LTE......................................................................................16

BẢNG 1-7: TỐC ĐỘ DỮ LIỆU ĐỈNH CỦA CÁC MẠNG DI ĐỘNG........................17
BẢNG 3-1: DANH SÁCH BĂNG TẦN 4G LTE [24].....................................................46
BẢNG 3-2: THÔNG SỐ HỆ THỐNG OFDMA..............................................................53
BẢNG 3-3: TÍN HIỆU SAU MẠCH CÂN BẰNG..........................................................60
BẢNG 3-4: ÁNH XẠ CHÒM SAO QPSK.......................................................................63
BẢNG 3-5: BẢNG ĐIỀU CHẾ 16QAM...........................................................................65
BẢNG 3-6: ÁNH XẠ CHÒM SAO ĐIỀU CHẾ 16QAM...............................................66
BẢNG 3-7: TỈ SỐ LỖI BIT CỦA OFDMA KÊNH AWGN...........................................73
BẢNG 3-8: TỈ SỐ LỖI BIT CỦA OFDMA KÊNH RAYLEIGH.................................74
BẢNG 3-9: THÔNG SỐ SC-FDMA.................................................................................76
BẢNG 4-1: GIẢI ĐIỀU CHẾ QPSK..............................................................................101
BẢNG 4-2: GIẢI ĐIỀU CHẾ 16QAM...........................................................................101

10


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
µs

Microsecond

1G

First-Generation

2G

Second-Generation

3G

Third-Generation

3GPP

The 3rd Generation Partnership Project

3GPP2

The 3rd Generation Partnership Project 2

4G

Fourth-Generation

ADC

Analog-to-Digital Converter

AF

Application Function

AMPS

Advanced Mobile Phone System

AuC

Authentication Center

AWGN

Additive White Gaussian Noise

BBERF

Bearer Binding and Event Reporting Function

BPSK

Binary Phase Shift Keying

CAT

Category

CDMA

Code Division Multiple Access

CN

Core Network

CP

Cyclic Prefix

DAC

Digital-to-Analog Converter

dB

Decibel

DL

Down Link

DVB-H

Digital Video Broadcasting - Handheld

EDGE

Enhanced Data Rates for GSM Evolution

E-GSM

Extended GSM

eMBMS

evolved Multimedia Broadcast Multicast Services

eNB

eNodeB

EPC

Evolved Packet Core

11


FDD

Frequency Division Duplex

FFT

Fast Fourier Transform

GB

Gigabyte

Gbps

Gigabits per second

GMSC

Gateway Mobile Switching Center

GMSC

Gateway Mobile Switching Center

GMSK

Gaussian Minimum Shift Keying

GPRS

General Packet Radio Service

GRE

Generic Routing Encapsulation

GSM

Global System for Mobile communications

GTP

GPRS Tunneling Protocol

GUTI

Globally Unique Temporary Identifier

GW

Gateway

HLR

Home Location Register

HSDPA

High-Speed Downlink Packet Access

HSPA

High-Speed Packet Access

HSS

High-speed steel

I

In-phase

IDTF

International Database Transport

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

IMSI

International Mobile Subscriber Identity

IMT-2000

International Mobile Telecommunications for the year 2000

IS95

Interim Standard 95

ISDN

Integrated Services Digital Network

ISI

Inter-Symbol Interference

JTAGS

The Joint Tactical Ground Station

Kbps

Kilobytes per second

kHz

kilohertz

12


km/h

kilometre per hour

LOS

Line Of Sight

LTE

Long Term Evolution

MBMS

Multimedia Broadcast Multicast Services

Mbps

Megabit per second

MEHO

Mobile Evaluated Handover

MHz

Megahertz

MIMO

Multi-Input Multi-Output

MME

Mobility Management Entity

MRC

Maximum-Ratio Combining

ms

Millisecond

MSC

Mobile Switching Center

MU-MIMO

Multiple Output MIMO

NEHO

Network Evaluated Handover

NMT

Nordic Mobile Telephone

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDMA

Orthogonal Frequency Division Multiple Access

P/S

Parallel to Serial

PAPR

Peak to Average Power Ratio

PCC

Policy Control and Charging

PCRF

Policy and Charging Rules Function

PDC-GSM

Personal Digital Cellular-GSM

PDN

Packet Data Network

P-GW

PDN Gateway

PMIP

Proxy Mobile IP

PSK

Phase Shift Keying

PSTN

Public Switched Telephone Network

Q

Quadrature

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

13


QoS

Quality of Service

RB

Resource Block

RNC

Radio Network Controller

RRC

Radio Resource Control

RRM

Radio Resource Management

S/P

Serial to Parallel

SAE

System Architecture Evolution

SC

Selection Combiner

SC-FDMA

Single Frequency Division Multiple Access

S-GW

Serving Gateway

SMS

Short Message Services

SNR

Signal-to-Noise Ratio

SU-MIMO

Single-User MIMO

TA

Timing Advance

TACS

Total Access Communications System

TC

Threshold Combining

TCP/IP

Transmission Control Protocol Internet Protocol

TDD

Time Division Duplex

TDMA

Time Division Multiple Access

TD-SCDMA

Time Division Synchronous Code Division Multiple Access

TTDĐ

Thông Tin Di Động

UE

User Equipment

UL

Up Link

UMTS

Universal Mobile Telecommunication System

UTRAN

UMTS Terrestrial Radio Access Network

V

Volt

WCDMA

Wideband Code Division Multiple Access

WiMAX

Worldwide Interoperability for Microwave Access

14

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 1/122

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Hiện nay, thuật ngữ “Thông tin di động” đã không còn xa lạ với đa số người sử
dụng trên thế giới. Hệ thống thông tin di động (mobile systems) là hệ thống thông
tin liên lạc với nhiều điểm truy cập khác nhau trên một vùng địa lý nhất định mà nó
phủ sóng được gọi là các cell. Các cell này thường có hình dạng lục giác đều, bán
kính của nó cũng phụ thuộc vào từng vùng địa lý nhất định như nông thôn hay
thành thị. Người sử dụng dịch vụ thông tin di động có thể di chuyển giữa các cell
mà vẫn đảm bảo được kết nối không bị gián đoạn.
Hệ thống thông tin di động bắt đầu vào những năm 20 của thế kỷ XX, đó là phương
tiện liên lạc giữa các cảnh sát Mỹ.
Vào năm 1982, tổ chức liên minh Châu Âu về bưu chính viễn thông – CEPT
(Conference of Europran Postal and Telecommunications Administrations) đã thành
lập nên nhóm đặc trách về di động được gọi tên là GSM (Groupe Spécial Mobile)
sau này được đổi tên thành hệ thống thông tin di động toàn cầu – GSM (Global
System for Mobile Communications). Nhóm này có nhiệm vụ phát triển một chuẩn
công nghệ di động thống nhất cho toàn Châu Âu. Việt Nam bắt đầu sử dụng GSM
từ năm 1993.
Năm 1991, công ty Qualcomm bắt đầu triển khai hệ thống thông tin di động dựa
trên cộng nghệ đa truy nhập phân chia theo mã – CDMA (Code Division Multiple
Access). Việt Nam bắt đầu triển khai hệ thống di động theo công nghệ CDMA và sử
dụng từ tháng 7 năm 2003.
Mạng di động 4G (Fourth-Generation) là mạng thông tin di động thế hệ thứ 4, cho
phép truyền tải với tốc độ cao, gồm 2 chuẩn chính là WiMAX và LTE (Long Term

Evolution). Hệ thống WiMAX được triển khai từ năm 2007 tại Hàn Quốc và LTE từ
năm 2009 ở Na Uy.
1.1 Tổng quan về mạng thông tin di động thế hệ thứ nhất 1G
Mạng thông tin di động 1G là mạng thông tin di động cơ bản đầu tiên trên thế giới,
được bắt đầu từ năm 1977 tại Chicago và từ năm 1979 tại Nhật Bản. Thông tin di

Đánh giá hiệu năng hệ thống thông tin di động 4G sử dụng công nghệ LTE


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 2/122

động 1G được kết nối qua tín hiệu dạng tương tự (analog), dịch vụ chủ yếu cung
cấp cho người dùng là thoại sử dụng các anten thu sóng ngoài. Chính vì vậy mà các
thiết bị di động 1G có anten thu sóng bên ngoài rất to.

Hình 1-1: Điện thoại analog Motorola DynaTAC 8000X [14]

Mạng thông tin di động thế hệ thứ nhất có các đặc điểm được miêu tả như trong
bảng sau:
Bảng 1-1: Đặc điểm mạng 1G

Mạng thông tin di động 1G
Năm bắt đầu
Tín hiệu
Tần số
Tốc độ tối đa
Kỹ thuật
Dịch vụ cung cấp

Đặc điểm
1977 - Chicago
Analog
Trên 150 MHz
1.9 kbps
FDMA
Thoại

Tần số sử dụng của mạng di động 1G là trên 150 MHz, sử dụng công nghệ đa truy
nhập phân chia theo tần số – FDMA (Frequency Division Multiple Access).
Gồm nhiều chuẩn kết nối khác nhau với từng khu vực được quy định như sau:
 NMT (Nordic Mobile Telephone) là chuẩn dành cho các nước Bắc Âu và Nga,
chuẩn này sử dụng băng tần 450 MHz từ năm 1981.
 AMPS (Advanced Mobile Phone System) là chuẩn tại Bắc Mỹ từ năm 1978
với băng tần 800 MHz.

Đánh giá hiệu năng hệ thống thông tin di động 4G sử dụng công nghệ LTE


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/122

 TACS (Total Access Communications System) chuẩn dành cho Anh vào năm
1985.
 JTAGS (The Joint Tactical Ground Station) tại Nhật Bản, Netz tại Tây Đức,
Radiocom 2000 tại Pháp, RTMI tại Ý.
Công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian (FDMA) sử dụng trong mạng di
động 1G được mô tả như hình sau:

Hình 1-2: Nguyên lý FDMA trong hệ thống 1G [2]

Các hạn chế của mạng thông tin di động 1G:
 Tính năng bảo mật thấp do thuật toán mã hóa kém.
 Dễ bị biến dạng do truyền bằng tín hiệu tương tự (analog).
 Không thích hợp với các tiêu chuẩn thông tin mới đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao
hơn.
 Dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao.
1.2 Tổng quan về mạng thông tin di động thế hệ thứ hai 2G
Mạng thông tin di động 2G là hệ thống thông tin di động mang tính cải cách cũng
như khác hoàn toàn so với hệ thống 1G ban đầu. Hệ thống 2G sử dụng tín hiệu kỹ
thuật số (digital) thay vì sử dụng tín hiệu analog như mạng di động 1G. Mạng di
động 2G được áp dụng lần đầu tại Phần Lan bởi nhà cung cấp Radiolinja vào năm
1991. Nó có phạm vi kết nối rộng hơn mạng di động thế hệ thứ nhất, đặc biệt mạng
2G còn có sự xuất hiện của tin nhắn văn bản SMS. Sự thuận tiện của SMS là không
thể bàn cãi ở thời điểm đó.
Đánh giá hiệu năng hệ thống thông tin di động 4G sử dụng công nghệ LTE


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 4/122

Hệ thống mạng di động 2G được chia thành hai nhánh chính tùy thuộc theo nhu cầu
sử dụng của người dùng cũng như cơ sở hạ tầng của từng khu vực, quốc gia và lãnh
thổ. Hai nhánh này gồm sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian –
TDMA (Time Division Multiple Access) và đa truy nhập phân chia theo mã –
CDMA (Code Division Multiple Access).
Các đặc điểm chính của mạng thông tin di động thế hệ thứ hai được mô tả như sau:
Bảng 1-2: Đặc điểm chính của mạng di động 2G

Mạng thông tin di động 2G

Năm bắt đầu sử dụng
Tín hiệu
Băng tần
Tốc độ tối đa
Kỹ thuật
Dịch vụ cung cấp

Đặc điểm
1991
Digital
900 MHz hoặc 1800 MHz
14.4 kbps
TDMA hoặc CDMA
Thoại, nhắn tin ngắn SMS

Công nghệ đa truy nhập được sử dụng trong mạng các hệ thống thông tin di động
2G như sau:
 Kỹ thuật TDMA (Time Division Multiple Access ) là công nghệ đa truy nhập
phân chia theo thời gian, mỗi tài nguyên thông tin chia làm nhiều khung, mỗi
khung chia làm nhiều khe, mỗi khe cho phép một người sử dụng.

Hình 1-3: Nguyên lý TDMA trong hệ thống 2G [2]

 CDMA (Code Division Multiple Access) là kỹ thuật đa truy nhập phân chia
theo mã, sử dụng một công nghệ là trải phổ (spread spectrum) để tối ưu hóa

Đánh giá hiệu năng hệ thống thông tin di động 4G sử dụng công nghệ LTE


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 5/122

việc sử dụng băng thông. Nó cho phép nhiều bộ gửi nhận tín hiệu thông tin
cùng lúc thông qua một kênh truyền duy nhất. Hay các thuê bao sẽ chia sẻ
chung một dải tần số rộng dùng cho mục đích truyền tải dữ liệu. Mỗi một cuộc
gọi sẽ được gán cho một khóa độc nhất hay key trước khi truyền đi, sau đó nó
sẽ được giải mã bởi thiết bị nhận tín hiệu để tách thành những cuộc gọi riêng
lẻ cho từng thuê bao.
Mạng di động 2G có 4 chuẩn chính là hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM),
AMPS số, đa truy nhập phân chia theo mã IS-95, mạng tế bào số cá nhân (PDC).
Trong đó GSM là hệ thống được sử dụng rộng rãi nhất thế giới với hơn hai tỉ người
sử dụng toàn cầu.
Tuy nhiên, hệ thống GSM chỉ mới cung cấp các dịch vụ thoại và nhắn tin ngắn,
trong khi nhu cầu truy cập internet và các dịch vụ từ người sử dụng là rất lớn nên
GSM được phát triển lên 2.5G, 2.75G bao gồm các loại như HSCSD, GPRS, và
EDGE.

GSM

HSCSD

GPRS

EDGE

Hình 1-4: GSM phát triển lên 2.5G và 2.75G

Hệ thống GSM
Hệ thống thông tin di động toàn cầu – GSM (Global System for Mobile
1.1.1

communications) là chuẩn di động phổ biến nhất cho các thiết bị điện thoại di động
trên thế giới với khả năng phủ sóng rộng. Hệ thống GSM được thiết kế gồm nhiều
tế bào được gọi là các cell, các máy di động kết nối với mạng bằng cách tìm kiếm
cell gần nó nhất. Mạng di động GSM có thể hoạt động trên 4 tần số khác nhau.
Nhưng hầu hết hoạt động ở tần số 900 MHz và 1800 MHz. Vài nước ở Châu Mỹ thì
sử dụng tần số 850 MHz và 1900 MHz do tần số 900 MHz và 1800 MHz ở nơi này
đã được sử dụng trước đó.

Đánh giá hiệu năng hệ thống thông tin di động 4G sử dụng công nghệ LTE


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/122

Hình 1-5: GSM900 và GSM1800

Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM900:
 Băng tần sử dụng là 900 MHz, sử dụng công nghệ đa truy nhập theo thời gian
(TDMA).
 Tốc độ truyền tải là 6.5 – 13 kbps.
 Hệ thống GSM900 làm việc trong một băng tần hẹp có giải tần từ 890 đến 960
MHz. Được chia thành hai đường với độ rộng mỗi đường 25 MHz. Đường lên
có tần số từ 890 đến 915 MHz còn đường xuống là từ 935 đến 960 MHz.
Khoảng cách song công của GSM900 (giữa đường lên và đường xuống cho
một thuê bao) là 45 MHz. Tức là khi người sử dụng dùng đường lên có tần số
là 900 MHz thì đường xuống là 945 MHz.

Hình 1-6: Băng tần GSM 900

Đánh giá hiệu năng hệ thống thông tin di động 4G sử dụng công nghệ LTE


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/122

 Băng tần gồm 124 sóng mang hay các kênh, khoảng cách giữa hai sóng mang
kề nhau là 200 kHz hay bề rộng của mỗi sóng mang là 200 kHz. Mỗi kênh sử
dụng hai tần số riêng biệt cho hai đường lên và xuống (kênh song công).
 Mỗi kênh vô tuyến mang được chia thành 8 khe thời gian và mỗi khe thời gian
là một kênh vật lý trao đổi thông tin giữa trạm di động – MS (Mobile Station)
và mạng GSM. Giữa hai sóng mang còn sử dụng một khoảng bảo vệ, khoảng
này được chia từ 200 kHz băng thông cho đều 124 kênh.
 Ở một số quốc gia khác, băng tần chuẩn GSM900 được mở rộng thành băng
tần E-GSM, nhằm đạt được giải tần số rộng hơn. E-GSM sử dụng dải tần từ
880 đến 915 MHz cho đường lên và dải tần 925 đến 960 MHz cho đường
xuống. Như vậy, E-GSM có thêm đến 50 kênh so với băng tần GSM900 ban
đầu.
Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM1800:
 Hệ thống GSM1800 làm việc trong một băng tần hẹp có giải tần từ 1710 đến
1880 MHz. Được chia thành hai đường như GSM900 nhưng với độ rộng mỗi
đường 75 MHz. Đường lên có dải tần số từ 1710 đến 1785 MHz còn đường
xuống là từ 1805 đến 1880 MHz. Khoảng cách song công là 95 MHz.

Hình 1-7: Băng tần GSM1800

 Băng tần GSM1800 bao gồm 374 sóng mang hay kênh, mỗi băng rộng,
khoảng cách giữa hai sóng mang kề nhau là 200 kHz. Mỗi kênh sử dụng hai
tần số riêng biệt cho hai đường lên và xuống (kênh song công). Mỗi kênh vô
tuyến mang 8 khe thời gian và mỗi khe thời gian là một kênh vật lý trao đổi

thông tin giữa MS và mạng GSM cũng như hệ thống GSM900. Giữa hai kênh

Đánh giá hiệu năng hệ thống thông tin di động 4G sử dụng công nghệ LTE


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/122

còn sử dụng một khoảng bảo vệ, khoảng này được chia từ 200 kHz băng thông
cho đều 374 kênh.
Bảng 1-3: GSM900 và GSM1800 thực chất là giống nhau

Đặc điểm
Băng tần
Số kênh tần
Độ rộng kênh
Phương thức truy nhập
Công suất phát

GSM900
890 – 960 MHz
124
200 kHz
TDMA
0.8/2/5 W

GSM1800
1710 – 1880 MHz
374
200 kHz

TDMA
0.25/1 W

HSCSD
Dữ liệu chuyển mạch tốc độ cao – HSCSD (High-Speed Circuit-Switched Data), là
1.1.2

phiên bản mở rộng của mạch chuyển dữ liệu – CSD (Circuit Switched Data), chính
là cơ chế truyền dữ liệu của mạng di động toàn cầu (GSM). Có thể nói CSD là GSM
thường, còn HSCSD được gọi là GSM mở rộng.
Với hệ thống GSM đơn giản thì tốc độ truyền dẫn chậm là một vấn đề quan trọng
cần giải quyết, với việc phát triển lên HSCSD ta có thể nâng tốc độ truyền dẫn lên
gấp 4 lần so với hệ thống GSM thông thường, với tốc độ tối đa có thể đạt được là
38.4 kbps với điều kiện lý tưởng nhất, tuy nhiên tốc độ có thể đạt được thực tế còn
phụ thuộc rất nhiều vào đường truyền vô tuyến.
Với hệ thống CSD, cấp phát kênh được thực hiện trong chế độ chuyển mạch. Sự
khác biệt với HSCSD là từ việc sử dụng các phương thức mã hóa trong chế độ đa
phân chia mã theo thời gian để gia tăng tốc độ tải dữ liệu.
Một trong những cải tiến quan trọng khác trong HSCSD là khả năng sử dụng nhiều
khe thời gian cùng một lúc để tăng tốc độ truyền dẫn lên nhiều lần tương đương với
số khe thời gian được sử dụng đó. Với việc sử dụng tối đa là bốn khe thời gian, ta
có thể được cung cấp tốc độ truyền tải tối đa lên đến 57.6 kbps (tức là 4×14.4 kbps).
Với điều kiện truyền phát xấu cần sử dụng sửa lỗi thì vẫn có thể cung cấp tốc độ
tăng bốn lần so với CSD (đạt tốc độ 38.4 kbps so với 9.6 kbps). Bằng cách kết hợp
đến tám khe thời gian một lúc GSM có thể được tăng tốc độ truyền lên đến 115
kbps.
Trong các ứng dụng thương mại cung cấp cho người sử dụng, thông thường có thể
sử dụng được tối đa 4 khe thời gian, một khe thời gian có thể sử dụng tốc độ 9.6

Đánh giá hiệu năng hệ thống thông tin di động 4G sử dụng công nghệ LTE

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/122

kbps hoặc 14.4 kbps tùy thuộc vào điều kiện đường truyền. Đây là cách không tốn
kém mà có thể tăng dung lượng dữ liệu bằng cách nâng cấp phần mềm của thiết bị
di động. Tuy nhiên, nó có nhược điểm lớn là cách sử dụng tài nguyên vô tuyến sao
cho hợp lý với lượng người dùng ngày càng nhiều. Và một nhược điểm nữa của nó
là HSCSD cung cấp hình thức chuyển mạch kênh, nó chỉ định việc sử dụng các khe
thời gian một cách liên tục, thậm chí ngay cả khi không có tín hiệu trên đường
truyền.
GPRS
Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp – GPRS (General Packet Radio Service) là một dịch
1.1.3

vụ dữ liệu di động dạng gói dành cho những người dùng hệ thống thông tin di động
toàn cầu (GSM). GPRS còn là hệ thống vô tuyến thuộc giai đoạn trung gian giữa 2G
và 3G, nhưng nó vẫn là hệ thống thông tin di động 3G nếu xét về mạng lõi. GPRS
cung cấp các kết nối số liệu chuyển mạch gói với tốc độ truyền tối đa lên tới 171.2
kbps và hỗ trợ giao thức Internet TCP/IP và X25.
EDGE
Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM – EDGE (Enhanced Data Rates for
1.1.4

GSM Evolution), hay còn gọi là Enhanced GPRS (EGPRS), là một công nghệ di
động được nâng cấp từ GPRS cho phép truyền dữ liệu với tốc độ tối đa lên đến 384
kbps cho người dùng cố định hoặc di chuyển chậm và 144 kbps cho người dùng di
chuyển ở tốc độ cao như ô tô, tàu điện... Trên con đường tiến đến mạng di động thế
hệ thứ 3, EDGE được biết đến như một công nghệ 2.75G.

Thực tế bên cạnh điều chế GMSK (4 mức, điều chế 2 bit thành 1 symbol), EDGE
dùng phương thức điều chế 8PSK (điều chế 3 bit thành 1 symbol để truyền đi) để
tăng tốc độ dữ liệu truyền lên gấp 3 lần thông thường. Chính vì thế, để triển khai
EDGE, các nhà cung cấp mạng cần phải thay đổi trạm phát sóng BTS cũng như là
thiết bị di động so với mạng GPRS. Như vậy, hệ thống EDGE sẽ cung cấp cho
chúng ta một tốc độ dữ liệu gấp 3 lần tốc độ GPRS.
Hệ thống EDGE sử dụng cấu trúc khung dữ liệu, kênh logic, băng thông sóng mang
(200 kHz) giống như TDMA dùng trong mạng di động GSM, cho phép nó phủ sóng
trực tiếp trên nền GSM hiện có. Đối với một số mạng GSM/GPRS, EDGE thực chất

Đánh giá hiệu năng hệ thống thông tin di động 4G sử dụng công nghệ LTE


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/122

chỉ là một sự nâng cấp phần mềm. Hệ thống EDGE cho phép truyền tải các dịch vụ
di động tiên tiến như tải video, nhạc, tin nhắn đa phương tiện, truy cập internet,
email di động tốc độ cao, phục vụ kịp thời nhu cầu ngày càng cao của người sử
dụng.
1.3 Tổng quan về mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G
Mạng thông tin di động 3G là thế hệ thứ ba của chuẩn công nghệ điện thoại di động,
cho phép truyền cả dữ liệu thoại và các dữ liệu khác như tài liệu, gửi email, tin nhắn
nhanh, hình ảnh... Mạng di động 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói
và chuyển mạch kênh, nó yêu cầu một mạng truy cập vô tuyến hoàn toàn khác so
với hệ thống 2G hiện hữu.
Quốc gia đầu tiên đưa mạng thông tin di động 3G vào sử dụng rộng rãi là Nhật Bản.
Vào năm 2001, nhà mạng NTT Docomo là công ty đầu tiên ra mắt phiên bản
thương mại của mạng W-CDMA. Năm 2003 dịch vụ mạng di động 3G bắt đầu có
mặt tại Châu Âu. Tại châu Phi, mạng di động 3G được giới thiệu đầu tiên ở Maroc

vào cuối tháng 3 năm 2007 bởi Công ty Wana.
Vào năm 1992, liên minh viễn thông quốc tế – ITU (International
Telecommunication Union) công bố chuẩn IMT-2000 (International Mobile
Telecommunications for the year 2000) cho hệ thống 3G với các ưu điểm được
mong đợi đem lại bởi hệ thống 3G là:






Cung cấp các dịch vụ thoại chất lượng cao.
Các dịch vụ tin nhắn như email, fax, SMS, chat...
Các dịch vụ đa phương tiện như truyền hình, xem phim, nghe nhạc...
Truy cập Internet tốc độ cao.
Sử dụng chung một công nghệ thống nhất trên toàn cầu, đảm bảo sự tương
thích giữa các hệ thống.

Các đặc điểm cơ bản của mạng di động 3G như sau:
Bảng 1-4: Đặc điểm mạng thông tin di động 3G

Mạng thông tin di động 3G
Năm bắt đầu
Tín hiệu
Băng tần

Đặc điểm
1992
Digital
UL (1885-2025 MHz), DL (2110-2200 MHz)

Đánh giá hiệu năng hệ thống thông tin di động 4G sử dụng công nghệ LTE


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/122

Độ rộng băng thông
Tốc độ tối đa
Kỹ thuật
Dịch vụ cung cấp

5 MHz
2 Mbps
CDMA (W-CDMA, TD-SCDMA)
Thoại chất lượng cao, nhắn tin, đa phương tiện,
Internet...

IMT-2000 cung cấp tốc độ đỉnh tối đa lên tới 2 Mbps, nhưng thực tế triển khai chỉ
những người sử dụng cố định mới có thể đạt được tốc độ này, còn đang di chuyển
chỉ đạt tốc độ là 382 kbps với đi bộ và di chuyển nhanh hơn như ô tô chỉ đạt được
tốc độ là 144 kbps.
Mạng di động 3G có 3 hệ thống chính là: UMTS (W-CDMA), CDMA2000, TDSCDMA.
 Hệ thống UMTS (W-CDMA)
Hệ thống viễn thông di động toàn cầu – UMTS (Universal Mobile
Telecommunications Systems) dựa trên nền tảng CDMA băng rộng (WCDMA),
được chuẩn hóa bởi tổ chức các đối tác phát triển 3G là 3GPP (The 3rd Generation
Partnership Project). Hệ thống UMTS đôi khi còn được gọi là 3GSM, chính là sự
kết hợp giữa công nghệ 3G với hệ thống GSM tiêu chuẩn truyền thống. UMTS hoạt
động ở băng thông rộng là 5 MHz, cho phép các cuộc gọi có thể chuyển giao một

cách hoàn hảo giữa các hệ thống UMTS và GSM đã có.
Hệ thống UMTS có những đặc điểm như sau:
 W-CDMA sử dụng kênh truyền dẫn băng rộng 5 Mhz để truyền dữ liệu, nó
cũng cho phép việc truyền dữ liệu ở tốc độ 384 kbps cho người dùng di động
và 2 Mbps trong cho người dùng cố định.
 UMTS sử dụng 6 băng tần nhưng chủ yếu sử dụng dải tần số cho đường lên từ
1885 đến 2025 MHz còn đường xuống là 2110 đến 2200 MHz.
 Hệ thống HSXPA chính là sự phát triển lên 3.5G từ WCDMA.
 Hệ thống CDMA2000.
CDMA2000 còn được gọi là IMT đa sóng mang – IMT-MC (IMT Multi-Carrier) là
một chuẩn 3G quan trọng, là thế hệ kế tiếp đối với các hệ thống đang sử dụng công

Đánh giá hiệu năng hệ thống thông tin di động 4G sử dụng công nghệ LTE