Bài giảng Hệ thống thông tin di động 4G LTE

*TS Đỗ Công Hùng*Tháng 8 - 2015HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE TS: Đỗ Công Hùng ĐẠI HỌC FPTBÀI GIẢNG **CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công HùngMục 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 tiễnNội 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 Tiết) Các kỹ thuật đa anten (MIMO) (5 Tiết) Tín hiệu tham chiếu và ước lượng kênh (5 Tiết) Tổng quan về LTE- Advance(5 Tiết)**CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công HùngChương 1 TỔNG QUAN VỀ LTE1.1. Các khái niệm cơ bảnLTE: Long term Evolution ( giải pháp dài hạn của UMTS)UMTS: Universal Mobile Telecom SystemSự 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 Institude3G: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.**CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công HùngKhung cảnh ra đời của LTE (Hình 1.1)Vai trò của ITU-R: International Telecom Union- Radiocom SectorThành viên IMT: International Mobile Telecom (bao gồm các HT 3G)**CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng1.2. Khung cảnh ra đời của LTE (Hình 1.1)Vai trò của ITU-R: International Telecom Union- Radiocom SectorThành 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 quốcLTE Advance**CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công HùngNhánh 2: Tổ chức hợp tác 3GPP2 : Mỹ, Hàn quốc, Nhật bảnPhát triển từ chuẩn IS- 95 với công nghệ CDMA lên CDMA 2000 theo hướng định hướng dữ liệu EV-DONhánh 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).**CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng1.3. Yêu cầu và mục tiêu của LTE1.3.1. Yêu cầu chungGiảm độ trễ thiết lập kết nối và trễ truyền dẫnTăng tốc độ dữ liệu người dùngTăng tốc độ bít ở rìa tế bàoGiảm chi phí trên bít Đơn giản hóa cấu trúc mạngDi động liên tục cả với các công nghệ đa truy nhập khác nhauCông suất di động hợp lý1.3.2. 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 phátĐánh 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 130mDải tốc độ di chuyển 3-30Km**CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công HùngThông 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 bàoDung 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 nghiNgười 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 lòngTăng gấp 2-4 lần so với phiên bản 6**CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công HùngTính di động và Phạm vi tế bàoLTE 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 100kmChất 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 khácPhiên bản 9: Kết hợp chế độ quảng bá sử dụng hoạt động mạng đơn tần trên sóng mang unicast-quảng bá hỗn hợpĐộ trễ mặt phẳng người dùngSố 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 HARQLTE yêu cầu độ trễ gói DL 1 chiều lợp IP trên mạng truy nhập vô tuyến 5ms trong ĐK tối ưu**CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công HùngĐộ trễ mặt phẳng điểu khiển và Dung lượngThời gian cần thiết để chuyển đổi trạng thái trong LTE: rỗi- tích cực ít hơn 100msĐộ trễ thiết lập cuộc gọi: ảnh hưởng thời gian liên lạc, tuổi thọ pinLTE yêu cầu hỗ trợ ít nhất 200 người dùng/cell trên băng thông 5 MHzChi phí triển khai và tính tương tácPhân bổ phổ và các chế độ song công: LTE có thể sử dụng phân bố phổ từ 1.4-20 MHz với đơn sóng mang, hoạt động được trên tất cả các băng tần hiện đã chỉ định cho các HT IMT bởi ITU-RTương tác với các công nghệ truy nhập VT khácTương 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 độngGiá thành rẻ, tiêu thụ công suất thấp, tuổi thọ pin trong chế độ chờ và tích cực**CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công HùngCác yêu cầu về kiến trúc mạngKiến trúc phẳng chỉ bao gồm 1 loại nút eNode BCác giao thức hiệu quả để hỗ trợ các dịch vụ chuyển mạch góiCác giao diện mở và tương thích thiết bị giữa nhiều nhà cung cấpCơ chế hiệu quả đối với hoạt động và bảo dưỡng, chức năng tự tối ưuDễ triển khai và định cấu hình (VD femto-cell cho trạm gốc gia đình)**CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng1.4.Các công nghệ cho LTE1.4.1. Đa sóng mang OFDMA cho đường xuống,SC-FDMA cho đường lênNhược 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 MIMOTăng ích phân tập: sử dụng phân tập không gian, cải thiện độ bền vững truyền dẫn với pha đinh đa đườngTăng 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 nhauTăng 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 sẵn1.4.3. Giao diện vô tuyến chuyển mạch góiLập lịch gói nhanh bởi HSDPA: Lập lịch thích nghi trên cả miền tần số và thời gianThích nghi cấu hình MIMOThích nghi tốc độ điều chế, mã hóa, từ mãChế độ báo cáo trạng thái kênh nhanh**CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng1.5. Sự phát triển LTE đến LTE advancePhiên 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 mạngPhiên bản LTE 10 (Advance): hoàn toàn thỏa mãn các yêu cầu của ITU-R cho IMT- Advanced:Kết hợp sóng mang, cho phép tăng tổng dải thông truyền dẫn lên đến 100 MHzTruyền MIMO đường lên với hiệu quả phổ đỉnh trên 7.5 Bps/hzTăng cường MIMO đường xuống, nhắm đến hiệu quả phổ 30Bps/HzHỗ 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.**CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công HùngChương 5 Giới thiệu LTE-Advanced1.1. Các mục tiêu chính cho LTE-ACác 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 phíTương thích của các dịch vụ trong IMT với các mạng cố định Khả năng tương tác với các HT truy nhập vô tuyến khácChất lượng dịch vụ di động cao, UE phù hợp sử dụng toàn cầu, thân thiện với người dùng, khả năng roaming toàn cầuTăng cường tốc độ đỉnh 1Gbps cho di chuyển với tốc độ thấp, 100Mbps cho di chuyển với tốc độ caoCác 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.**CN Viễn thông mới - TS Đỗ Công Hùng1.2. 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 nhất1.3. 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