Tìm hiểu về mạng 4G [PDF]

Zitiervorschau

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ -- 🙠🕮🙢 –

ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ MẠNG 4G

Họ và tên sinh viên Mã số sinh viên Tên lớp học phần Mã lớp học phần Email liên hệ Số điện thoại

Hoàng Trần Thiện 19519351 DHDTVT15ATT [email protected] m 0984472184

Tp HCM, tháng 5 năm 2022

0

1

TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G 1. Giới thiệu 4G là thế hệ mạng tiếp theo của 3G, được IEEE đặt ra nhàm phân biệt với các chuẩn mạng trước đó (2G/3G) là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMT Advanced) định nghĩa bởi ITU-R. Hiện thế giới đang tồn tại 2 chuẩn công nghệ lõi của mạng 4G là Mobile WiMax và Long term Evolution (LTE). Cả WiMax và LTE đều sử dụng các công nghệ thu phát tiên tiến để nâng cao khả năng phát sóng và hoạt động của thiết bị, mạng lưới. 2. Các mục tiêu mà 4G hướng đến

-

Tốc độ dữ liệu đề ra 100Mbps cho thuê bao di chuyển cao và 1Gbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linh động lên đến 40MHz.

-

Băng thông linh hoạt giữa 5MHz đến 20MHz, có thể lên tới 40MHz.

-

Kết nối liền và chuyển giao toàn cầu mạng qua đa mạng.

3. Ưu điểm của 4G

-

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

-

Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trể

-

Cấu trúc mạng đơn giản và sẽ không còn chuyển mạch kênh nữa

-

Động rộng băng tần linh hoạt

-

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

4. Các kỹ thuật được áp dụng

-

MIMO: để đạt được hiệu suất phổ tần cao bằng cách sử dụng phân tập theo không gian, đa anten đa người dùng. 1

-

Sử dụng lưỡng tử hóa trong miền tần số, OFDM hoặc SCFDE: để tận dụng tính chọn lọc tần số của kênh mà không phải lượng tử phức tạp

-

Ghép kênh trong miền tần số như OFDMA hoặc SC-FDMA: Tốc độ bit thay đổi bằng việc gán cho người dùng các kênh con khác nhau dựa trên điều kiện kênh.

-

Mã hóa sửa lỗi Turbo: Để tối thiểu yêu cầu về tỷ số SNR bên thu.

-

Lâp biểu kênh độc lập: để sử dụng các kênh thay đổi theo thời gian

-

Thích nghi đường truyền: điều chế thích nghi và các mã sửa lỗi.

2

THÀNH PHẦN MẠNG 4G I.

Mobile WiMax

1. Tổng quan về Mobile WiMax. WiMax là hệ thống truy nhập vi ba có tính tương tác toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16. WiMax hoạt động gần giốn với Wi-Fi nhưng được được cải thiện khá nhiều để cá tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu. WiMax phục vụ chủ yếu cho mạng đô thị MAN. Mạng WiMax cũng như mạng đô thị hữu tuyến như mạng DSL đều được sử dụng để phục vụ các thuê bao trong vùng tới 50 km. 2. Một số đặc điểm chung của Mobile WiMax Công nghệ WiMax được đưa ra trong bộ chuẩn IEEE 802.16, công nghệ này có một số điểm chung như sau: -

Phạm vi hoạt động của WiMax có thể đạt đến 50km trong điều kiện tầm nhìn thẳng LOS.

-

Tốc độ truyền dữ liệu có thể thay đổi

-

Giao diện vô tuyến sử dụng công nghệ OFDM

-

Đa truy nhập OFDMA, chế độ song công cho phép sử dụng cả hai công nghệ song công phân chia theo thời gian

-

Tính bảo mật cao, hỗ trợ chuẩn mã mật dữ liệu DES và chuẩn mã mật tiên tiến AES

3. Hoạt động của WiMax Thiết lập một mạng WiMAX ta cần có các trạm phát BS (giống BTS của mạng thông tin di động). Nhiều BS sẽ được kết nối, quản lý bởi một mạng dịch vụ truy cập ASN gateway (Access Service Network). ASN Gateway này là thực thể miêu tả trong diễn đàn WiMAX, tuy nhiên trong các mạng triển khai thực tế thì người ta hay gọi là WAC (WiMAX Access Controller). Nhiều WAC tập hợp lại tạo thành một ASN. Nhiều ASN của cùng một operator tạo thành một NAP (Network Access Provider) rồi chúng sẽ cùng kết nối với một hoặc nhiều mạng dịch vụ kết nối CSN (Core Service Network). 3

ASN định nghĩa một đường biên logic và biểu diễn theo một cách thuận lợi để mô tả tập hợp các thực thể chức năng và các luồng bản tin tương ứng kết hợp với các dịch vụ truy cập. CSN được định nghĩa là một tập các chức năng mạng cung cấp các dịch vụ kết nối IP cho các thuê bao WiMAX.

4

Hình 1. Mô hình tham chiếu mạng WiMax

-

Hỗ trợ khả năng chia sẻ ASN của nhà cung cấp NAP giữa các nhà cung cấp NSP

-

Hỗ trợ dịch vụ cung cấp NSP đơn lẻ trên nhiều ASN - được một hoặc nhiều NAP quản lý.

-

Hỗ trợ khả năng phát hiện và lựa chọn NSP khả nhập bởi một MS hoặc SS

-

Hỗ trợ NAP để triển khai một hoặc nhiều sơ đồ mạng ASN.

-

Hỗ trợ truy cập dịch vụ của nhà cung cấp hiện hành thông qua các chức năng liên mạng.

Kiến trúc WiMAX cũng cho phép cả dịch vụ IP và Ethernet trong một mạng tương thích IP di động chuẩn. Mạng WiMAX có những đặc tính chính sau đây:  Tính bảo mật: Kiến trúc mạng WiMAX end-to-end dựa trên một nền tảng bảo mật cho bất kỳ nhà khai thác nào và sơ đồ mạng ASN và áp dụng thông qua GreenField và các mô hình triển khai liên mạng  Di động và chuyển giao: Kiến trúc mạng WiMAX end-to-end có khả năng để hỗ trợ di động và chuyển giao (Mobility and handover)  Tính mềm dẻo, khả năng mở rộng và lựa chọn của nhà khai thác: Cho phép người sử dụng lựa chọn tự động hay thủ công các NAP và NSP sẵn có, cung cấp một số 5

công nghệ ASN bao gồm: hub-and-spoke, phân cấp (hierachical), và /hoặc kết nối multi –hop, hỗ trợ triển khai cơ sở hạ tầng ngày một phức tạp. 4. Kỹ thuật điều chế được áp dụng Để đạt được hiệu quả trải phổ tốt hơn và thông lượng kênh cao hơn, công nghệ WiMax áp dụng các kỹ thuật sau: -

Kỹ thuật phân chia tần số trực giao (OFDM) : WiMax sử dụng công nghệ OFDM ở giao diện vô tuyến để truyền tải dữ liệu và cho phép các thuê bao truy nhập kênh. OFDM sử dụng kỹ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền một ký tự lên nhiều lần

-

Kỹ thuật truy cập kênh OFDMA: sử dụng kỹ thuật này sẽ hỗ trợ WiMax truyền song công FDD và TDD, phương pháp này cho phép thay đổi độ rộng băng thông lên xuống dẫn đến có thể thay đổi tốc độ phát (upload) hoặc thu (download) dữ liệu chứ không cố định như ASDL hay CDMA. Kỹ thuật này sử dụng nhiều sóng mang con song song để truyền làm thời gian tồn tại của tín hiệu được dài hơn, hơn thế nữa kỹ thuật này giảm tối đa hiện tượng fading lựa chọn tần số ít ảnh hưởng đến tín hiệu nó cho phép tối ưu hóa mức điều chế trên mỗi kênh con dựa trên chất lượng tín hiệu

II.

LTE (Long Tern Evolution)

1. Tổng quan về LTE. LTE là bước tiếp theo dẫn đến hệ thống thông tin di động 4G. Xây dựng trên các nền tảng kỹ thuật của họ các thế hệ thống mạng tế bào 3GPP. LTE còn được gọi là E-UTRA hay E-UTRAN là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. 2. Đặc tính cơ bản của hệ thống LTE  Tốc độ: Max Downlink = 100Mbps, Uplink = 50Mbps cùng với hai anten thu một anten phát.  Tính di động:Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15km/h nhưng vẫn hoạt động tốt với tốc độ di chuyển từ 15-120km/h.  Phổ tần số: 6

-

Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD

-

Độ phủ sóng từ 5-100 km  Chất lượng dịch vụ:

-

Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS

-

Tiết kiệm chi phí triển khai và vận hành

3. Kiến trúc về mạng 4G LTE Kiến trúc của hệ thống 4G LTE gồm 4 vùng chính: thiết bị người dùng (UE), E-UTRAN, mạng lõi EPC và các vùng dịch vụ.

Kiến trúc tổng quan UE, E-UTRAN và EPC đại diện cho các giao thức internet (IP) ở lớp kết nối, là một phần của hệ thống được gọi là hệ thống gói phát triển (EPS). Chức năng của lớp này là cung cấp kết nối dựa trên IP và nó được tối ưu hóa cao. E-UTRAN tập chung vào một nút, nút B phát triển (eNode B), nó chỉ đơn giản là một mạng lưới của các eNodeB được kết nối tới các eNodeB lân cận với giao diện. Khu vực mạng lõi EPC không chứa vùng chuyển, không có kết nối trực tiếp với các mạng chuyển mạch 7

 Thiết bị người dùng (UE) -

Là thiết bị mà người dùng đầu cuối sử dụng để liên lạc, nó là những thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh hoặc một thẻ dư liệu như mọi người vẫn đang sử dụng.

-

Các chức năng của UE là nền tảng cho các ứng dụng truyền thông, mà có tín hiệu với mạng để thiết lập, duy trì và loại bỏ các liên kết thông tin người dùng cần

 Truy cập vô tuyến mặt đất E-UTRAN -

Mạng truy nhập vô tuyến của LTE được gọi là E-UTRAN và một trong những đặc điểm chính của nó là tất cả các dịch vụ, bao gồm dịch vụ thời gian thực, sẽ được hỗ trợ qua những kênh gói được chia sẻ,.

-

Mục đích chính của LTE là tối thiểu hóa số node, trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong mạng truy cập vô tuyến

-

Giao diện vô tuyến sử dụng trong E-UTRAN là S1 và X2. Trong đó S1 là giao diện vô tuyến kết nối giữa eNodeB và mạng lõi, X2 là giao diện giữa các eNodeB với nhau

-

E-UTRAN chịu trách nhiệm về các chức năng liên quan tới vô tuyến: quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến, nén header, bảo mật, kết nối đến mạng lõi EPC

 Mạng lõi EPC -

Là sự mở rộng hoàn toàn của mạng lõi trong hệ thống 3G và nó chỉ bao phủ miền chuyển mạch gói.

-

EPC chia luồng dữ liệu người dùng thành mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển

-

Thực thể của EPC bao gồm: + MME (Mobility Management Entity): là thực thể quản lý di động, điều khiển các Node xử lý tín hiệu giữa UE và mạng lõi. MME là phần tử điều khiển chính trong EPC thực hiện các chúc năng liên quan đến thông báo như thiết lập, duy trì và gửi đi các thông báo và chức năng liên quan đến quản lý kết nối như việc kết nối và bảo mật giữa mạng và UE 8

+ S-Gateway: là vị trí kết nối của giao tiếp dữ liệu gói với E-UTRAN + P-Gateway: là điểm đầu cuối cho những phiên hướng về mạng dữ liệu gói bên ngoài. + PCRF: điều khiển việc tạo ra bảng giá và cấu hình hệ thống con đa phương tiện IP IMS cho mỗi người dùng + HSS: là nơi lưu trữ dữ liệu của thuê bao cho tất cả dữ liệu của người dùng. 4. Các kỹ thuật sử dụng rong 4G LTE LTE sử dụng kỹ thuật OFDMA cho truy cập đường xuống và SC-FDMA cho truy cập đường lên kết hợp đồng thời với MIMO.  Kỹ thuật đa truy nhập đường xuống OFDMA -

Kỹ thuật điều chế OFDMA về cơ bản là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng.

-

LTE sử dụng OFDM trong kỹ thuật truy cập dường xuống vì chúng có những ưu điểm sau:  OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI  Thực hiện việc chuyển đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song ên thời gian symbol tăng lên do đó sự phân tán theo thời gian gây bởi trải  Tối ưu hiệu quả phổ tần do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con  Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng  Cấu trúc máy thu đơn giản

 Kỹ thuật đa truy cập đường lên SC-FDMA Khi truyền dữ liệu từ UE đến mạng, cần có một bộ khuếch đại công suất để nâng tín hiệu từ UE đến mạng, cần có một bộ khuếch đại công suất để nâng tín hiệu đến lên một mức đủ cao để mạng thu được 3GPP đã tìm một phương án truyền dẫn khác cho hướng lên LTE. SC-FDMA được chọn bởi vì nó kết hợp các kỹ thuật với PAPR thấp của các hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang. 9

 Kỹ thuật MIMO -

Là kỹ thuật sử dụng sự phân tách không gian thông qua việc sử dụng ghép kênh theo không gian và sự tạo chum tia.

-

Sử dụng hai hoặc nhiều máy phát và hai hoặc nhiều máy thu. MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu đầy tham vọng về thông lượng và hiệu quả sử dụng phổ. MIMO cho phép sử dụng nhiều anten ở máy phát và máy thu. Với hướng tải xuống, MIMO 2x2 được xem là cấu hình cơ bản, và MIMO 4x4 cũng được đề cập và đưa vào bảng đặc tả kỹ thuật chi tiết

-

MIMO lợi dụng tín hiệu đa đường giữa máy phát và máy thu để cái thiện dung lượng có sẵn cho bởi kênh truyền. Bằng cách sử dụng nhiều anten ở bên phát và thu với việc xử lý tín hiệu số, kỹ thuật MIMO có thể tao ra các dòng dữ liệu trên cùng một kênh truyền, từ đó làm tăng dung lượng kênh truyền.

10