Đề tài Công nghệ mạng 4G

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN MẠNG KHÔNG DÂY ĐỀ TÀI: CÔNG NGHỆ MẠNG 4G Giảng viên hướng dẫn : MAI XUÂN PHÚ Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THẾ VŨ - 11276371 LÊ ĐÌNH THỚI - 11320781 TỪ KỶ - 11262121 Lớp : DHTH7BLT Khoá : 07 TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012 MỤC LỤC Lời nói đầu Ngành công nghệ đã phát triển ngoạn mục trong những năm gần đây . Khi sự ra đời của công nghệ 3G chưa kịp khằng định vị thế của mình trên toàn cầu, người ta đã bắt đầu nói về công nghệ 4G (Fourth Generation) từ nhiều năm gần đây. Thế nhưng, nói một cách chính xác thì 4G là gì? Liệu có một định nghĩa thống nhất cho thế hệ. Ngược dòng thời gian Trong hơn một thập kỷ qua, thế giới đã chứng kiến sự thành công to lớn của mạng thông tin di động thế hệ thứ hai 2G. sự thành công của mạng 2G là do dịch vụ và tiện ích mà nó mạng lại cho người dùng, tiêu biểu là chất lượng thoại và khả năng di động.Tiếp nối thế hệ thứ 2, mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G đã và đang được triển khai nhiều nơi trên thế giới. Cải tiến nổi bật nhất của mạng 3G so với Mạng 2G là khả năng cung ứng truyền thông gói tốc độ cao nhằm triển khai các dịch vụ truyền thông đa phương tiện. Tuy nhiên, cũng có một số nhược điểm như: chưa đáp ứng được yêu cầu của khách hàng vì tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất là 2Mbps, khả năng đáp ứng các dịch vụ thời gian thực như hội nghị truyền hình là chưa cao, rất khó trong việc download các file dữ liệu lớn,…chưa đáp ứng được các yêu cầu như: khả năng tích hợp với các mạng khác (Ví dụ: WLAN, WiMAX,…) chưa tốt, tính mở của mạng chưa cao, khi đưa một dịch vụ mới vào mạng sẽ gặp khó khăn do tốc độ mạng thấp, tài nguyên băng tần ít… Trong bối cảnh đó người ta đã chuyển hướng sang nghiên cứu hệ thống thông tin di động mới có tên gọi là 4G. Sự ra đời của hệ thống này mở ra khả năng tích hợp tất cả các dịch vụ, cung cấp băng thông rộng, dung lượng lớn, truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao, cung cấp cho người sử dụng những hình ảnh video màu chất lượng cao, các trò chơi đồ hoạ 3D linh hoạt, các dich vụ âm thanh số. Việc phát triển công nghệ giao thức đầu cuối dung lượng lớn, các dịch vụ gói dữ liệu tốc độ cao, công nghệ dựa trên nền tảng phần mềm công cộng mang đến các chương trình ứng dụng download, công nghệ truy nhập vô tuyến đa mode, và công nghệ mã hoá media chất lượng cao trên nền các mạng di động. Tuy nhiên, đặc tính hàng đầu được kỳ vọng nhất của mạng 4G là cung cấp khả năng kết nối ABC (Always Best Connected - luôn được kết nối tốt nhất). Để thỏa mãn được điều đó, mạng 4G sẽ là mạng hỗn hợp, bao gồm nhiều công nghệ mạng khác nhau, kết nối, tích hợp trên nền toàn IP. Thiết bị di động của 4G sẽ là đa công nghệ (multi-technology), đa chức năng (multi-mode) để có thể kết nối với nhiều loại mạng truy nhập khác nhau. Phần 1:Giới thiệu về hệ thống thông tin di động Thông tin di động hiện là một lĩnh vực vô cùng quan trọng đời sống văn hóa của con người trong thế kỷ 21 . cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ thế hệ di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triển trên thế giới - thế hệ 4. 1. 1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý tưởng về thiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di động sau này. Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ. Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đến lĩnh vực thông tin di động. Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin di động đã cải thiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được. Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết hợp được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải được bài toán khó về dung lượng. Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào 1. 2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G) Sự khởi đầu giản đơn (chỉ có chức năng nghe và gọi) 1G là chữ viết tắt của công nghệ điện thoại không dây thế hệ đầu tiên (1st Generation). Các điện thoại chuẩn analog sử dụng công nghệ 1G với tín hiệu sóng analog được giới thiệu trên thị trường vào những năm 1980. Một trong những công nghệ 1G phổ biến là NMT (Nordic Mobile Telephone) được sử dụng ở các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga. Cũng có một số công nghệ khác như AMPS (Advanced Mobile Phone System - hệ thống điện thoại di động tiên tiến) được sử dụng ở Mỹ và Úc; TACS (Total Access Communication System - hệ thống giao tiếp truy cập tổng hợp) được sử dụng ở Anh, C-45 ở Tây Đức, Bồ Đào Nha và Nam Phi. Điểm yếu của 1G là: dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọi không tin cậy, chất lượng âm thanh kém, không có chế độ bảo mật… Khi số lượng các thuê bao trong mạng ngày càng tăng lên, các nhà nghiên cứu nhận thấy cần có biện pháp nâng cao dung lượng của mạng, chất lượng cuộc thoại cũng như thêm các dịch vụ bổ sung cho mạng. Người ta nghĩ đến việc số hóa các hệ thống điện thoại di động dẫn đến sự ra đời của hệ thống di động thứ 2. 1. 3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G) Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở châu Âu và có tên gọi là GSM. Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ 2 lúc đó đã đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số. Hệthống 2G hấp dẫn hơn hệ thống 1G bởi vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống này còn có khả năng cung cấp một số dịch vụ truyền dữ liệu và các dịch vụ bổ sung khác. Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm 1993, hiện nay đang được Công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả với hai mạng thông tin di động số VinaPhone và MobiFone theo tiêu chuẩn GSM. Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đều sử dụng kỹ thuật điều chế số. Và chúng sử dụng 2 phương pháp đa truy cập: Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access - TDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau. Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau. 1. 4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một giai đoạn trung gian là thế hệ 2, 5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiều khe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể chồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng đã được đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x. Ở thế hệ thứ 3 này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s. Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 gọi là các hệ thống thông tin di động băng rộng. Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó 2 hệ thống W-CDMA và CDMA2000 đã được ITU chấp thuận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu của những thập kỷ 2000. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ 3. 1.5 Thế hệ mạng di động tiền 4G Hai công nghệ xem như là tiền 4G là chuẩn Wimax2 (802.11m) và Long Term Evolution (LTE) vì chưa đáp ứng được chuần của 4G là cho phép truyền tải ở tốc độ 100 Megabyte/s khi di chuyển và tới 1 Gb/s khi đứng yên . Về bản chất, Wimax2 là một tiêu chuẩn được phát triển bởi IEEE còn LTE là sản phẩm của 3GPP, một bộ phận của liên minh các nhà mạng cung cấp dịch vụ GSM. Cả hai tiêu chuẩn Wimax2 và LTE đều sử dụng công nghệ ăng-ten tiên tiến nhằm cải thiện khả năng tiếp nhận và thực hiện, tuy nhiên lại hoạt động trên các băng tần khác nhau Long Term Evolution (LTE) : công nghệ di động mới đang được phát triển và chuẩn hóa bởi 3GPP , nhưng LTE đầu tiên phát hành không thực hiện đầy đủ các yêu cầu IMT-Advanced. LTE có tốc độ bit net lý thuyết là 100 Mbit/s cho download và 50 Mbit/s cho upload WiMax-2 : được phát triển bởi IEEE (IEEE 802.16m) , WiMax cung cấp khả năng kết nối Internet không dây nhanh hơn so với WiFi, tốc độ up và down cao hơn, sử dụng được nhiều ứng dụng hơn, và quan trọng là vùng phủ sóng rộng hơn, và không bị ảnh hưởng bởi địa hình. WiMAX có thể thay đổi một cách tự động phương thức điều chế để có thể tăng vùng phủ bằng cách giảm tốc độ truyền và ngược lại ,có tốc độ bit net lý thuyết là 128 Mbit/s cho download và 64 Mbit/s cho upload 1.6 Công nghệ không dây thế hệ thứ 4 được nghiên cứu và hứa hẹn sẽ là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây , Các dịch vụ di động 4G với khả năng cung cấp băng thông rộng, dung lượng lớn, truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao, cung cấp cho người sử dụng những hình ảnh video màu chất lượng cao, các trò chơi đồ hoạ 3D linh hoạt, các dịch vụ âm thanh số. Với sự xuất hiện của mạng 4G, nó sẽ giải quyết được : Hỗ trợ các dịch vụ tương tác đa phương tiện: truyền hình hội nghị, Internet không dây . Băng thông rộng hơn. Tính di động toàn cầu và tính di chuyển dịch vụ. Hạ giá thành. Tăng độ khả dụng của hệ thống thông tin di động. Một số công nghệ quan trọng của 4G : OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access : OFDM là một công nghệ cho phép tăng độ rộng ký hiệu truyền dẫn do đó dung sai đa đường lớn hơn rất nhiều so với các kỹ thuật đã sử dụng trước đây, cho phép khắc phục những nhược điểm căn bản của kỹ thuật đơn sóng mang OFDMA là  kỹ thuật đa truy cập vào kênh truyền OFDM ,một dạng cải tiến của OFDM. Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA chia băng tần thành các băng con, mỗi băng con là một sóng mang con. Khác với OFDM, trong OFDMA mỗi trạm thuê bao không sử dụng toàn bộ không gian sóng mang con mà không gian sóng mang con được chia cho nhiều thuê bao cùng sử dụng một lúc. Mỗi trạm thuê bao sẽ được cấp một hoặc vài sóng mang con gọi là kênh con hoá Khi các trạm thuê bao không sử dụng hết không gian sóng mang con thì tất cả công suất phát của trạm gốc sẽ chỉ tập trung vào số sóng mang con được sử dụng. Trong quá trình truyền dẫn mỗi trạm thuê bao được cấp phát một kênh con riêng MIMO - Multiple Input Multiple Output : MIMO là công nghệ truyền thông không dây, trong đó cả đầu nhận lẫn đầu phát tín hiệu đều sử dụng nhiều anten để tối ưu hóa tốc độ truyền và nhận dữ liệu, đồng thời giảm thiểu lỗi như nhiễu sóng, mất tín hiệu…MIMO tận dụng sự dội lại của sóng khi “đụng” phải những chướng ngại trên đường truyền khiến chúng có thể đến được đầu nhận tín hiệu bằng nhiều con đường khác nhau. Nói tóm lại, MIMO là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để truyền và nhận dữ liệu Ưu điểm: gia tăng tốc độ đường truyền dữ liệu và mở rộng tầm phủ sóng trên cùng một băng thông, giảm chi phí truyền tải. Công nghệ MIMO cho phép đầu nhận phân loại tín hiệu và chỉ nhận tín hiệu đó Trong việc truyền thông bằng sóng vô tuyến, những chướng ngại vật trên đường truyền từ đầu phát đến đầu nhận như các tòa nhà cao ốc, dây điện và những cấu trúc khác trong khu vực đều có thể làm cho sóng bị phản xạ hoặc khúc xạ. Những yếu tố này làm cho sóng bị nhiễu, yếu đi hoặc mất hẳn. Trong truyền thông kỹ thuật số, những yếu tố trên có thể làm giảm tốc độ truyền cũng như chất lượng của dữ liệu Trong công nghệ MIMO đầu phát sóng sử dụng nhiều anten để truyền sóng theo nhiều đường khác nhau nhằm tăng lưu lượng thông tin. Dữ liệu truyền sau đó sẽ được tập hợp lại ở đầu nhận theo những định dạng đã được ấn định. Điều này tương tự đôi tai của chúng ta tiếp nhận đủ thứ âm thanh từ bên ngoài, sau đó não bộ sẽ lọc, phân loại những âm thanh đó. Các sản phẩm Wifi sử dụng công nghệ MIMO được nhiều nhà sản xuất quan tâm vì chúng có khả năng cải thiện tốc độ truyền dữ liệu, tầm phủ sóng và độ tin cậy 1. 7 Sự khác nhau giữa 3G và 4G Hiện nay, công nghệ 3G cho phép truy cập Internet không dây và các cuộc gọi có hình ảnh. 4G được phát triển trên các thuộc tính kế thừa từ công nghệ 3G. Về mặt lý thuyết, mạng không dây sử dụng công nghệ 4G sẽ có tốc độ nhanh hơn mạng 3G từ 4 đến 10 lần. Tốc độ tối đa của 3G là tốc độ tải xuống 14Mbps và 5.8Mbps tải lên. Với công nghệ 4G, tốc độ có thểđạt tới 100Mbps đối với người dùng di động và 1Gbps đối với người dùng cốđịnh. 3G sử dụng ở các dải tần quy định quốc tế cho UL : 1885-2025 MHz; DL : 2110-2200 MHz; với tốc độ từ 144kbps-2Mbps, độ rộng BW: 5 MHz.Đối với 4G LTE thì Hoạt động ở băng tần : 700 MHz-2,6 GHz với mục tiêu tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp, công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu. Tốc độ DL :100Mbps( ở BW 20MHz), UL : 50 Mbps với 2 aten thu một anten phát. Độ trễ nhỏ hơn 5ms với độ rộng BW linh hoạt là ưu điểm của LTE so với WCDMA, BW từ 1.25 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 MHz. Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần số người dùng/cell so với WCDMA. Phần 2: Công nghệ LTE LTE (Long Term Evolution), là một hệ thống công nghệ được phát triển từ 3GPP , thuộc họ công nghệ GSM/UMTS (WCDMA, HSPA) đang được nghiên cứu, thử nghiệm để tạo nên một hệ thống truy cập băng rộng di động thế hệ mới, hướng đến thế hệ thứ 4 - 4G. LTE sử dụng tần số một cách linh động, có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz cho tới 20 MHz. Tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất (về lý thuyết) của LTE có thể đạt tới 250 Mb/s khi độ rộng băng tần là 20 MHz. Quá trình phát triển LTE Chuẩn LTE đầu tiên là phiên bản Release 8 của 3GPP vào tháng 12 năm 2008 dựa vào nền tảng của công nghệ viễn thông GSM (Global System for Mobile Communications). Chuẩn LTE: thế hệ thứ 4 của UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), tốc độ truyền dữ liệu cao, độ trễ thấp và công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu. Chuẩn LTE-Advanced (3/2011): là một bước chuyển lớn của LTE, LTE Advanced tương thích với các thiết bị của LTE phiên bản cũ, và dùng chung băng tần với các LTE phiên bản cũ Yêu cầu của LTE Tốc độ tối đa (peak data rate) 100 Mbps tải xuống, 50 Mbps tải lên trên băng thông kênh truyền 20 MHz Hỗ trợ lên đến 200 người dùng hoạt động trong một cell (5 MHz) Tính lưu động Tối ưu hóa từ 0 ~ 15 km/h. Hiệu suất cao trong khoảng 15 ~ 120 km/h Hỗ trợ lên đến 350 km/h hoặc thậm chí lên đến 500 km/h. Tăng cường dịch vụ phát sóng đa phương tiện (E-MBMS) Độ trải phổ linh hoạt: 1,25 ~ 20 MHz Tăng cường hỗ trợ chất lượng dịch vụ đế người dùng đầu cuối Kỹ thuật sử dụng LTE OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Frequency domain equalization SC-FDMA (Single Carrier FDMA) MIMO (Multi-Input Multi-Output) Multicarrier channel-dependent resource scheduling Fractional frequency reuse Chuẩn kỹ thuật LTE eNB: Bastion host MME (Mobility Management Entity): chịu trách nhiệm xử lý những chức năng mặt bằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao và quản lý phiên. S-GW: là vị trí kết nối của giao tiếp dữ liệu gói với E-UTRAN. Nó còn hoạt động như một node định tuyến đến những kỹ thuật 3GPP khác P-GW (Packet Data Network): là điểm đầu cuối cho những phiên hướng về mạng dữ liệu gói bên ngoài. Nó cũng là Router đến mạng Internet. Chức năng mạng truy nhập vô tuyến: -Có khả năng tích hợp giữa các thiết bị đầu cuối -Đảm bảo tốc độ dịch vụ Chức năng của mạng lõi: -Kết nối các mạng khác nhau: mạng không dây và mạng có dây. -Truyền tải traffic trên các tuyến từ nơi gửi đến đích an toàn. -Định tuyến lưu lượng -Chuyển đổi dạng dữ liệu tất cả IP Chức năng điều khiển: -Cung cấp nền tảng hạ tầng kết nối mạng dịch vụ -Điều khiển hệ thống: + Báo hiệu + Lưu lượng + Bảo mật (Security) + Billing + Mobity và Roaming Dịch vụ: Cung cấp dịch vụ sử dụng cho người dùng Phần 3: Tóm tắt Ưu điểm nổi bật Tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều lần so với 3G Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trễ Cấu trúc mạng sẽđơn giản hơn, và sẽ không còn chuyển mạch kênh nữa Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần user/cell so với WCDMA. Độ rộng băng tần linh hoạt cũng là một ưu điểm quan trọng của LTE đối với WCDMA Các ứng dụng đã tạo nên ưu điểm của 4G LTE so với 3G Tốc độ dữ liệu cao : Phát nhiều dòng dữ liệu độc lập song song qua các anten riêng lẻ => tăng tốc độ dữ liệu. (sử dụng MIMO) Độ trễ thấp Thời gian cài đặt và thời gian trì hoãn chuyển tiếp ngắn Trễ HO và thời gian ngắt ngắn : TTI ngắn, trạng thái RRC đơn giản Giá thành rẻ Cấu trúc mạng đơn giản, giảm các thành phần của mạng Chất lượng dịch vụ cao Sử dụng các tần số cấp phép đểđảm bảo chất lượng dịch vụ : LTE sử dụng các dải tần số khác nhau : 2100 MHz, 1900 MHz, 1700 MHz, 2600 MHz, 900 MHz, 800 MHz. Giảm độ trễ hồi đáp ( round trip delay) Tần số tái sử dụng linh hoạt Giảm nhiễu liên cell với tần số tái sử dụng lớn hơn 1. Sử dụng hai dải tần số: Dải 1 : hệ số tái sử dụng lớn hơn 1 => công suất phát cao hơn Dải 2 : phổ còn lại Các user ở cạnh cell : sử dụng dải 1 => SIR tốt Các user ở trung tâm cell : sử dụng toàn bộ băng => tốc độ dữ liệu cao Dung lượng và vùng bao phủ của WCDMA UL bị giới hạn bởi can nhiễu: can nhiễu bên trong cell và can nhiễu liên cell. Nhưng đối với LTE thì : do tính trực giao nên can nhiễu trong cùng một cell có thể không xét đến và giảm can nhiễu inter-cell bằng tái sử dụng cục bộ, thêm các anten có thể triệt can nhiễu.