Đồ Án 3GPP Long Term Evolution

LỜI NÓI ĐẦU
Thông tin di động từ lâu đã trở thành một phương tiện hữu hiệu và thuận tiện trong cuộc sống ngày nay. Nó vẫn đang và sẽ tiếp tục phát triển nhanh chóng theo nhu cầu ngày càng tăng của xã hội. Trong những năm cuối của thế kỷ 20 và đầu những năm của thế kỷ 21 thì hệ thống thông tin di động GSM đã được các nhà khai thác viễn thông hàng đầu triển khai rộng khắp trên phạm vi toàn thế giới. Và đến nay, hệ thống thông tin di động đã bước vào thế hệ thứ 3, WCDMA và HSPA, đã cải tiến được những nhược điểm của 2G. Không chỉ dừng lại ở đó, các nhà khai thác mạng luôn luôn hướng tới một công nghệ di động hoàn toàn dựa trên nền tảng chuyển mạch gói, giao thức Internet và tốc độ dữ liệu cao lên tới hàng trăm Mbps. 4G là mục tiêu tiến đến của hệ thống thông tin di động ngày nay, và bước tiền đề làm bàn đạp cho nó là LTE (Long Term Evolution) được chuẩn hoá bởi 3GPP. LTE là một công nghệ vượt trội hơn hẳn 3G WCDMA, có thể thoả mãn được những yêu cầu đa dịch vụ của người sử dụng. LTE được dự kiến sẽ được ra mắt vào năm 2009 – 2010 sắp tới.
Với những ưu điểm vợt trội và khả năng mà LTE có thể đạt được, em đã thực hiện đồ án với đề tài “3GPP Long Term Evolution” nhằm nghiên cứu về công nghệ này và giới thiệu cho mọi người cùng biết tầm quan trọng của nó.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Thầy giáo Vương Hoàng Nam bộ môn Hệ Thống Viễn Thông, khoa Điện Tử Viễn Thông, trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã hướng dẫn và giúp đỡ em tận tình trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện đồ án này; Các thầy cô trong hội đồng đã góp ý giúp em hoàn thiện đồ án này.
Do kiến thức của em còn hạn chế, nên đồ án này còn nhiều thiếu xót. Em rất mong nhận được nhiều sự góp ý của các thầy cô để em có thể hoàn thiện hơn cho đồ án của mình.

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Long Term Evolution (LTE) là công nghệ được chuẩn hoá cho mạng băng rộng di động không dây. Nó được phát triển và bảo dưỡng bởi 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Những mạng LTE có thể cung cấp lưu lượng dữ liệu cao cho những thiết bị đầu cuối di động so với những công nghệ hiện thời. Tốc độ đỉnh đường xuống có thể lên tới 100Mbps và đường lên là 50Mbps trong băng tần 20 MHz. LTE là cấu trúc mạng dựa trên hoàn toàn giao thức internet (IP) và được thiết kế để hỗ trợ cho dịch vụ thoại trong miền gói.
Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) là phương pháp đa truy nhập được dựa trên nền tảng FDMA đa sóng mang, trong đó mỗi người dùng sẽ được gán một bộ ngẫu nhiên các kênh con trực giao. Với nhiều lợi ích như thực hiện tốt trong kênh fading lựa chọn tần số, thiết bị thu không phức tạp, hiệu suất sử dụng phổ tốt, có thể triển khai trên nhiều dải thông .OFDMA đã được sử dụng cho truy nhập đường xuống LTE. Đa truy nhập phân chia theo tần số sóng mang đơn (SC-FDMA), về nguyên lý cũng giống như OFDMA chỉ khác ở chỗ là các tín hiệu SC-FDMA được điều chế mang tính chất sóng mang đơn. Do vậy SC-FDMA được sử dụng cho đường lên LTE.
Cùng với kỹ thuật đa truy nhập, công nghệ đa anten (MIMO) được áp dụng cho LTE, giúp tăng tốc độ dữ liệu đến mức mong muốn. Sử dụng công nghệ đa anten giúp chống lại fading đa đường, tăng phạm vi và khả năng sử dụng.
Cấu trúc mạng lõi và mạng truy nhập là một đặc điểm quan trọng cần nói đến trong một hệ thống thông tin di động. Mạng lõi thực hiện chức năng chuyển mạch, thực hiện cuộc gọi và kết nối số liệu. Mạng truy nhập thực hiện các chức năng liên quan đến đường truyền vô tuyến. LTE sử dụng cấu trúc mạng truy nhập đơn giản (cấu trúc E-UTRAN), cấu trúc mạng lõi tiến hoá (EPC – Evolved Packet Core). Với cấu trúc mạng kiểu mới này, LTE có chi phí vận hành thấp hơn so với các mạng 3G trước đó, giúp quá trình truy nhập và chuyển giao trong hệ thống đơn giản hơn.


PLOT SUMMARY

Long Term Evolution (LTE) is a technological standard for wireless mobile broadband networks. It is developed and maintained by the 3GPP (3rd Generation Partnership Project) standards body. LTE networks can offer higher data throughput to mobile terminals than the technologies that are currently available. Expect peak downlink speeds of 100 Mbps and peak uplink speeds of 50 Mbps in 20 MHz channels. LTE assumes a full Internet Protocol (IP) network architecture and is designed to support voice in the packet domain.
Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) is based on multicarrier FDMA (Frequency Division Multiple Access), where each user is assigned to a set of randomly orthogonal subcarriers. With it’s benefit as good performance in frequency selective fading channels, low complexity of base-band receiver, good spectral properties and handling of multiple bandwidths, OFDMA is used for LTE downlink access. Single carrier FDMA (SC-FDMA) similar to the downlink OFDMA principle. However, unlike OFDM, SC-FDMA modulated symbols are single carrier property. So SC-FDMA is used for LTE uplink access.
With multiple access technologies, multi-antenna techniques (MIMO) is used to LTE. It help to increase data rate come to desired level. The use of multiple antennas help to overcome multi-path fading, and to increase coverage and capacity.
Core network and access network architecture is a important feature needed to mention in a mobile communication system. Core network is performed switching function, sep up call and connected data. Access network is performed function related to radio transmission. LTE uses simpled access network architecture (E-UTRAN), evolved core network architecture (EPC –Evolved Packet Core). With the new architecture, LTE has lower operation cost than previous 3G technologies, help to more simpler access and handover procedure in the system.


MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1
TÓM TẮT ĐỒ ÁN 2
MỤC LỤC 4
DANH SÁCH HÌNH VẼ 7
DANH SÁCH BẢNG BIỂU 9
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 10
PHẦN MỞ ĐẦU 16
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ LTE 18
1.1 Giới thiệu về LTE. 18
1.2 Những ưu điểm của LTE. 20
1.3 Những mục tiêu thiết kế LTE 21
1.3.1 Những khả năng của LTE 21
1.3.2 Chỉ tiêu hệ thống . 22
1.3.3 Những khía cạnh liên quan đến việc triển khai. 23
1.3.4 Quản lý tài nguyên vô tuyến. 25
CHƯƠNG II. NHỮNG KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG 3GPP LTE 27
2.1 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao: OFDM 27
2.1.1 Những nguyên lý cơ bản của OFDM. 27
2.1.2 Giải điều chế OFDM. 29
2.1.3 Sự thực thi OFDM sử dụng IFFT/FFT 30
2.1.4 Chèn khoảng bảo vệ chặn trước 32
2.2 Đa truy nhập phân chia theo tần sô trực giao: OFDMA 34
2.2.1 Các tham số 34
2.2.2 Tham số vật lý cho LTE. 35
2.3 Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang : SC-FDMA. 37
2.3.1 Cấu trúc truyền dẫn SC-FDMA 38
2.3.2. Tham số SC-FDMA cho LTE 41
2.4 MIMO 42
2.4.1 Tổng quan về kỹ thuật multi-antenna 42
2.4.2 Mã hoá thời gian – không gian trong hệ thống MIMO. 44
2.4.3 Ghép kênh không gian 45
2.4.4 MU-MIMO và SU-MIMO 46
2.4.4.1 Đường xuống 46
2.4.4.2 Đường lên. 47
2.5 Thích ứng liên kết và lập lịch phụ thuộc kênh 48
2.5.1 Thích ứng liên kết: Điều khiển công suất và tốc độ 48
2.5.2 Lập lịch phụ thuộc kênh. 50
2.5.2.1 Lập lịch đường xuống 50
2.5.2.2 Lập lịch đường lên 53
2.6. hybrid ARQ 54
2.7 Hệ số tái sử dụng tần số. 56
2.7.1 Phân tích hệ số tái sử dụng tần số. 56
2.7.2 Sơ đồ tái sử dụng tần số. 60
CHƯƠNG III. CẤU TRÚC MẠNG VÀ GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE 63
3.1 Cấu trúc mạng LTE 64
3.1.1. Cấu trúc mạng E-UTRAN 64
3.1.2 Cấu trúc mạng lõi EPC 65
3.1.2.1 Thực thể quản lý di động MME 66
3.1.2.2 Cổng dịch vụ S-GW 68
3.1.2.3 Cổng mạng dữ liệu gói PDN GW 69
3.1.2.4 Chức năng điều khiển chính sách và quy tắc tín cước PCRF 70
3.1.2.5 Máy chủ quản lý thuê bao thường trú HSS 70
3.1.2.4 Các giao diện trong mạng lõi 71
3.2. Giao diện vô tuyến 73
3.2.1 Cấu trúc phân lớp LTE 73
3.2.2 Ngăn xếp giao thức trong LTE 74
3.2.2.1 Giao thức NAS 75
3.2.2.2 Lớp điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC) 75
3.2.2.2 Giao thức hội tụ dữ liệu gói (PDCP) 75
3.2.2.3 Lớp điều khiển liên kết vô tuyến (RLC) 76
3.2.2.4 Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC) 77
3.2.2.5 Lớp vật lý 78
3.2.3 Các kênh vật lý 78
3.2.3.1 Kênh vật lý đường xuống. 78
3.2.3.2 Kênh vật lý đường lên. 79
3.2.4 Các kênh Vận Chuyển 79
3.2.5 Kênh logic 80
CHƯƠNG IV LỚP VẬT LÝ LTE 83
4.1 Cấu trúc khung. 83
4.2 Tài nguyên vật lý. 85
4.3 Sơ đồ truyền dẫn đường xuống 87
4.3.1 Cấu trúc tín hiệu tham khảo đường xuống. 87
4.3.2 Xử lý kênh vận chuyển đường xuống 89
4.3.2.1 Chèn CRC 90
4.3.2.2 Mã hoá kênh 91
4.3.2.3 Chức năng hybrid ARQ của lớp vật lý. 91
4.3.2.4 Xáo trộn cấp độ bit 92
4.3.2.5 Điều chế dữ diệu 93
4.3.2.6 Ánh xạ anten 93
4.3.2.7 Ánh xạ khối tài nguyên 93
4.3.3 Truyền dẫn đa anten đường xuống. 94
4.3.4 Truyền thông đa hướng và truyền thông quảng bá sử dụng MBSFN 95
4.4 Sơ đồ truyền dẫn đường lên. 96
4.4.1 Tín hiệu tham khảo đường lên. 96
4.4.2 Xử lý kênh vận chuyển đường lên 99
4.4.3 Sớm định thời đường lên. 100
CHƯƠNG V. QUẢN LÝ DI ĐỘNG LTE 103
5.1 Các trạng thái quản lý di động LTE 103
5.2 Các thủ tục truy cập LTE 104
5.2.1 Tìm cell 104
5.2.2 Truy nhập ngẫu nhiên 106
5.2.3 Tìm gọi 108
5.3 Chuyển giao 109
5.3.1 Chuyển giao trong LTE 109
5.3.1.1 Thủ tục chuyển giao. 109
5.3.1.2 Báo hiệu 111
5.3.1.3 Phép đo chuyển giao. 114
5.3.1.4 Quan hệ láng giềng tự động. 114
5.3.2 Chuyển giao liên hệ thống 116
CHƯƠNG VI. LTE VỚI CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN KHÁC 118
6.1 LTE và các hệ thống di động 3G trước đó. 118
6.2 WiMAX, đối thủ cạnh tranh của LTE trên con đường tiến tới mạng di động 4G. 121
KẾT LUẬN CHUNG 125
TÀI LIỆU THAM KHẢO. 126
BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ TIẾNG ANH 127