Tổng quan về hệ thống thông tin di động 4G LTE

Tổng quan về hệ thống thông tin di động 4G LTE

Ngày 18/1/2012 tại Geneva, phiên họp toàn thể của Hội đồng thông tin vô tuyến (Radiocommunication Assembly - ITU-R) đã nhất trí phê chuẩn khuyến nghị ITU-R M.2012 về chuẩn giao diện IMT-Advanced hay còn được nhắc đến như là chuẩn 4G hệ thống thông tin băng rộng.  Nhưng định nghĩa chuẩn 4G có tốc độ lên đến 1Gb/s, tức là cao hơn gấp 500 lần chuẩn 3G. IMT-Advanced sẽ cung cấp các dịch vụ băng thông rộng với chất lượng cao hơn, tốc độ lớn hơn so với những công nghệ hiện có. Tốc độ dữ liệu đường xuống cao nhất là 100Mbit/s trong trường hợp di chuyển nhanh và 1Gbit/s cho các kết nối trong khi di chuyển chậm. Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụ như điện thoại IP, truy cập internet băng rộng, các dịch vụ game và dòng HDTV đa phương tiện…

3GPP LTE được xem là tiền thân của hệ thống 4G, những phiên bản đầu của 3GPP LTE chưa đáp ứng được những tính năng của IMT- advanced. LTE có tốc độ đường xuống là 100Mbps và 50Mbps ở đường lên với băng thông 20MHz (theo lý thuyết).

          4G LTE là một chuẩn cho truyền thông không dây tốc độ dữ liệu cao dành cho điện thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ liệu. Nó dựa trên các công nghệ mạng GSM/EDGE và UMTS/HSPA. LTE sử dụng phương thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM). LTE sử dụng phổ tần một cách thích hợp và mềm dẻo, nó có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25MHz cho tới 20MHz.[12]

1.1.1    Các đặc tính cơ bản của LTE

·        Hoạt động ở băng tần : 700 MHz-2,6 GHz.

·        Tốc độ:

-         DL : 100Mbps( ở BW 20MHz).

-         UL : 50 Mbps với 2 anten thu một anten phát.

·        Độ trễ : nhỏ hơn 5ms.

·        Độ rộng băng thông linh hoạt :1,4 MHz; 3 MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15 MHz; 20MHz. Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không.

·        Tính di động : Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15 km/h nhưng vẫn hoạt động tốt với tốc độ di chuyển từ 15-120 km/h, có thể lên đến 500 km/h tùy băng tần.

·        Phổ tần số:

-         Dung lượng 200 user/cell ở băng tần 5Mhz.

-         Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD.

-         Độ phủ sóng từ 5-100 km.

·        Chất lượng dịch vụ và liên kết mạng:

-         Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS.

-         VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng UMTS.

-         Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các hệ thống không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo.

-         Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN sẽ nhỏ hơn 300ms cho các dịch vụ thời gian thực và 500ms các dịch vụ cong lại

-         Chi phí: chi phí triển khai và vận hành giảm.

1.1.2    Kiến trúc mạng 4G LTE

Hình1.7 miêu tả kiến trúc và các thành phần mạng trong cấu hình kiến trúc nơi chỉ có 1 E-UTRAN tham gia. Hình này cũng cho thấy sự phân chia kiến trúc mạng 4G LTE thành bốn thành phần chính: thiết bị người dùng (UE), UTRAN phát triển (E-UTRAN), mạng lõi gói phát triển (EPC) và các vùng dịch vụ.

                        Hình1 : Kiến trúc mạng 4G LTE

E-UTRAN và EPC đại diện cho các giao thức internet (IP) ở lớp kết nối. Đây là một phần của hệ thống được gọi là hệ thống gói phát triển (EPS). Chức năng chính của lớp này là cung cấp kết nối dựa trên IP và nó được tối ưu hóa cao cho mục tiêu duy nhất. Tất cả các dịch vụ được cung cấp dựa  trên  IP,  tất cả các nút chuyển mạch và các giao diện được nhìn thấy trong kiến trúc 3GPP trước đó không có mặt ở E-UTRAN và EPC. Công nghệ IP chiếm ưu thế  trong truyền tải, nơi mà mọi thứ được thiết kế để hoạt động và truyền tải trên IP. 

Các hệ thống con đa phương tiện IP (IMS) là một ví dụ tốt về máy móc thiết bị phục vụ có thể được sử dụng trong lớp kết nối dịch vụ để cung cấp các dịch vụ dựa trên kết nối IP được cung cấp bởi các lớp thấp hơn. Ví dụ, để hỗ trợ dịch vụ thoại thì IMS có thể cung cấp thoại qua IP (VoIP) và sự kết nối tới các mạng chuyển mạch cũ PSTN và ISDN thông qua các cổng  đa phương tiện của  nó điều khiển. 

Sự phát triển của E-UTRAN tập chung vào một nút, nút B phát triển (eNode B). Tất cả các chức năng vô tuyến kết thúc ở đó, tức là eNB là điểm kết thúc cho tất cả các giao thức vô tuyến có liên quan. E-UTRAN chỉ đơn giản là một mạng lưới của các eNodeB được kết nối tới các eNodeB lân cận với giao diện X2.

Một trong những thay đổi kiến trúc lớn là trong khu vực mạng lõi là EPC không có chứa một vùng chuyển mạch-mạch, và không có kết nối trực tiếp tới các mạng chuyển mạch mạch truyền thống như ISDN và PSTN là cần thiết trong lớp này. Các chức năng của EPC là tương đương với vùng chuyển mạch gói của mạng 3GPP hiện tại. Tuy nhiên những thay đổi đáng kể trong việc bố trí các nút chức năng và kiến trúc phần này nên được coi như là hoàn tòan mới.

LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G UMTS LÊN 4G LTE

LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G UMTS LÊN 4G LTE

1.1  Giới thiệu chung

Thông tin di động đã trở thành một thứ hàng hóa không thể thiếu trong đời sống. Trong những thập kỉ qua nó đã phát triển từ một công nghệ đắt tiền cho một vài cá nhân lựa chọn lên hệ thống phổ biến ngày nay được sử dụng bởi một phần lớn dân số thế giới. Kể từ khi ra đời vào cuối năm 1940 cho đến nay, thông tin di động đã phát triển qua nhiều thế hệ từ thế hệ thứ nhất 1G đến thế hệ thông tin di động 4G là một bước tiến dài trên con đường công nghệ nhằm đáp ứng nhu cầu liên lạc ngày càng cao trong thời đại công nghệ số. Trong chương này em sẽ trình bày tiến trình phát triển của hệ thống 3G UMTS đến 4G LTE, tổng quan về công nghệ 4G LTE, cấu trúc của mạng 4G LTE, thực trạng mạng 4G và công nghệ LTE trên thế giới và Việt Nam hiện nay.

1.2  Tiến trình phát triển của 3G UMTS lên 4G LTE

Tháng 11/2004, 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi LTE.

                   

             Hình 1.1: Các giai đoạn phát triển của UMTS.

1.2.1    Release 99

3GPP (Third Generation Partnership Projec) được thành lập vào năm 1998 là một sự hợp tác của các hiệp hội viễn thông thế giới trong dự án IMT- 2000 (International Mobile Telecommunications 2000) về các tiêu chuẩn trong hệ thống thông tin di động thế hệ 3G của Liên minh viễn thông Châu Âu (ITU). Hệ thống UMTS ra đời để đáp ứng những yêu cầu của IMT-2000. Đồng hành với sự ra đời của hệ thống UMTS là Rel99, nó cung cấp các kết nối chuyển mạch kênh 64Kbps và chuyển mạch gói 364 Kbps và tốc độ lớn nhất theo lý thuyết là 2Mbps.

  Hình 1.2: Kiến trúc hệ thống UMTS Release 99

1.2.2    Release 4

          Hình 1.3 miêu tả kiến trúc Release 4 với sự cải tiến trong mạng lõi và khái niệm về IP được biết đến. Các nhà cung cấp dịch vụ có thể triển khai mạng lưới dựa trên chuyển mạch mềm, tức là MSC được thay thế bởi máy chủ MSC và  MGW ( Media GateWays ).

              Hình 1.3: Kiến trúc hệ thống UMTS Release 4

1.2.3    Release 5

Rel5 là sự bổ sung quan trọng đầu tiên với giao diện vô tuyến UMTS với những cải thiện của giao diện vô tuyến (UMTS1800/1900). Nó bổ sung công nghệ IMS và HSDPA (High Speed ​​Downlink Packet Access), cải thiện năng lực và hiệu năng trải phổ. Một số tính năng chính trong phát hành này như điều chế thích nghi AM (Adaptive Modulation), ngoài kỹ thuật điều chế ban đầu trong UMTS như QPSK và HSDPA R5 cũng hỗ trợ 16QAM. Mã hóa linh hoạt - Dựa trên thông tin phản hồi nhanh từ điện thoại di động dưới hình thức chỉ thị chất lượng kênh CQI trạm gốc UMTS, tức là Node B có thể để thay đổi tỷ lệ mã hóa hiệu quả và do đó tăng hiệu năng của hệ thống. Lập biểu nhanh - HSDPA bao gồm một TTI là 2ms, cho phép lập biều tại Node B một cách nhanh chóng và hiệu quả phân bổ tài nguyên trên di động. HARQ - Trong trường hợp UE không nhận được một gói tin thành công, hệ thống sẽ sử dụng HARQ. Điều này nhằm cải thiện thời gian truyền lại, do đó đòi hỏi sự phụ thuộc ít hơn vào RNC.

               Hình 1.4: Kiến trúc (a) và dịch vụ (b) của hệ thống UMTS Release 5.

1.2.4    Release 6

Rel6 bổ sung thêm những thiếu sót trong IMS 3GPP Rel5 và đưa ra các tính năng khác nhau, trong đó HSUPA được quan tâm nhất trong sự phát triển mạng RAN, hoàn thiện IP hóa toàn mạng UMTS. Giống như HSDPA, HSUPA cũng có chức năng cải thiện tốc độ dữ liệu gói và có khả năng tự thay đổi mã hóa và nâng cao hiệu năng của hệ thống, áp dụng chế độ quảng bá dữ liệu MBMS. Xác định tích hợp mạng UMTS và WLAN: Một đặc điểm quan trọng  của HSUPA là lập biểu công suất nhanh, nó cung cấp 1 phương pháp lập biểu khác nhau giữa các đầu cuối. Sự lập biểu này có thể sử dụng TTI 2ms hoặc 10ms. HSUPA sử dụng HARQ như HSDPA tuy nhiện sự khác biệt chính là mối quan hệ thời gian để truyền lại.

  Hình1.5: Kiến trúc (a) và dịch vụ (b) của hệ thống UMTS Release 6

1.2.5    Release 7

3GPP Release 7 cung cấp một số cải tiến HSPA , nó cung cấp những cải tiến lớn đối với hiệu năng người sử dụng đầu cuối và hiệu quả của mạng lưới. Rel7 còn được gọi là sự tiến hóa HSPA hoặc HSPA+. Những tính năng chính trong Rel7 là: Điều chế 64QAM được triển khai tại đường DL và  cho phép HSPA+ hoạt động ở tốc độ lý thuyết là 21.6Mbps. Điều chế 16 QAM được triển khai tại đường UL và HSPA+ hoạt động ở tốc độ lý thuyết là 11.76Mbps. Sử dụng kỹ thuật MIMO ở phiên bản này giúp cho tốc độ HSPA+ tăng lên đáng kể ở điểm cao nhất cho đường DL có thể đạt được là 28.8Mbps. Khả năng kết nối liên tục Packet (CPC) bao gồm một loạt những tính năng mà mục đích là để tối ưu hóa sự hỗ trợ của các gói dữ liệu người dùng trong một mạng HSPA. Tăng hiệu quả sừ dụng phổ tần trong mạng truy nhập vô tuyến trên cơ sở sử dụng công nghệ MIMO. Tối ưu hóa khả năng MBMS nhờ sử dụng các chức năng mạng đơn tần quảng bá/đa dịch vụ MBSFN.

1.2.6    Release 8

Trong 3GPP Release 8 sự kết hợp của kỹ thuật điều chế 64QAM và kỹ thuật MIMO được giới thiệu nhằm tăng thông lượng cho người sử dụng trong phiên bản. Tốc độ dữ liệu UE tối đa khi kết hợp 2 tính năng này được tăng lên khoảng 42Mbps cho đường xuống và 23Mbps cho đường lên. DC-HSDPA (Dual Cell – HSDPA) là một tính năng trong R8, nó cho phép kết hợp 2 sóng mang và kỹ thuật nàysẽ được tăng cường trong Rel9, Rel 10. Đặc biệt trong 3GPP Release 8, giao diện vô tuyến cho LTE kết hợp điều chế dựa trên OFDMA và đa truy nhập cho đường xuống, cùng với SC-FDMA cho đườnglên.  

  Hình1.6: Kiến trúc (a) và dịch vụ (b) của hệ thống UMTS Release 8

1.2.7    Release 9

Rel9 tiếp tục phát triển giao diên vô tuyến LTE và HSPA+, sử dụng đồng thời 2 tần số sóng mang và kỹ thuật MIMO. Sự kết hợp hỗ trợ 2 tần số sóng mang ở đường xuống trong các băng tần khác nhau (không liền kề) HSPA+DC/DB (Dual cell/Dual Band) và MIMO cùng với kỹ thuật điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM làm tăng tốc độ dữ liệu ở đường Dowlink lên đến 84Mbps (theo lý thuyết). Như đã tìm hiểu trong Release 7, việc lựa chọn truyền 1 luồng dữ liệu ở MIMO trong chế độ Beamforming (“1 luồng MIMO” hoặc “ MIMO với 1 luồng hạn chế”). Theo hướng phát triển đó ở Rel 9 sử dụng kết hợp ở đường xuống 2 tần số sóng mang và công nghệ MIMO, trong đó 1 tần số sóng mang không sử dụng MIMO. Chế độ này có thề riêng biệt cho mỗi sóng mang và sử dụng đề truyền dữ liệu cho các thuê bao không MIMO.

1.2.8    Release 10

Rel10 được xây dựng dựa trên các chức năng của kỹ thuật MIMO giới thiệu trong Rel7, DC-HSPA ở Rel8 và kết hợp với MIMO trong Rel9. Cũng trong phát hành này 3GPP chính thức công nhận nó là chuẩn 4G hoàn thiện LTE (LTE Advanced) bao gồm một số kỹ thuật tăng cường so với các phát hành trước như sau: Tổng hợp các sóng mang (CA), Phối hợp đa điểm (CoMP), Trạm chuyển tiếp (RN), Mạng không đồng nhất (Hetnet), Đa anten cải tiến (MIMO), Sự phối hợp giữa các đầu cuối (D2D).

1.2.9    Release 11

Rel 11 đưa ra những cải tiến cho giao diện vô tuyến LTE bao gồm Co-ordinated Multi-Point (CoMP), nâng cao Carrier Aggregation (CA) và ICIC. ở HSPA+ trong Rel 11 3GPP cũng đưa ra những cải tiến cụ thể bao gồm 8-sóng mang HSDPA, Uplink dual antenna beamforming, MIMO và truyền đa điểm đường xuống

 1.2.10 Release 12

3GPP Release 12 tập trung vào phát triển hệ thống băng rộng thông tin di động 4G. Trong phát hành này, hệ thống anten MIMO tiếp tục được khai thác giúp cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần. Hỗ trợ triển khai hệ thống Small cells, giúp nhà mạng tối đa hóa hiệu quả về vùng phủ và năng lực mạng trong khi vẫn giúp giảm tải tín hiệu trên mạng lõi. Ngoài ra Rel12 còn hỗ trợ nhiều tính năng đặc biệt cho M2M như việc tiết kiệm năng lượng và tạo điều kiện tốt nhất cho triển khai mạng Internet of Things. Việc cải tiến các dịch vụ phát thanh truyền hình đa phương tiện (MBMS) cung cấp cho các nhà khai thác các công cụ mới để duy trì liên tục các dịch vụ khi một nút hoặc giao.