Đồ án Khảo sát mạng 4G – LTE (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Khảo sát mạng 4G – LTE (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG KHẢO SÁT MẠNG 4G – LTE GVHD: Ts. Phan Văn Ca SVTH: Cao Phạm Minh Hùng MSSV: 09917410 SVTH: Nguyễn Thị Huyền Trang MSSV: 09917431 S K L 0 0 3 2 8 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG   ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Đề tài: KHẢO SÁT MẠNG 4G – LTE GVHD: Ts. Phan Văn Ca SVTH: Cao Phạm Minh Hùng 09917410 Nguyễn Thị Huyền Trang 09917431 TP.HCM, 8 / 2014
3. PHẦN A: GIỚI THIỆU
4. Đồ án tốt nghiệp Trang i TRƢỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Khoa Điện - Điện Tử Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Bộ Môn Điện Tử Viễn Thông Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Cao Phạm Minh Hùng Lớp: 09917LD MSSV: 09917410 Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Thị Huyền Trang Lớp:09917LD MSSV:09917431 1. Tên đề tài: KHẢO SÁT MẠNG 4G - LTE 2. Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu): 3. Ngày giao nhiệm vụ ĐATN: 4. Ngày bảo vệ 50% ĐATN:
5. Đồ án tốt nghiệp Trang ii 5. Ngày hoàn thành và nộp về khoa: 6. Giáo viên hƣớng dẫn: Phần hƣớng dẫn: . Nội dung và yêu cầu ĐATN đã thông qua Khoa và Bộ môn Ngày tháng năm 2014 TRƢỞNG KHOA GV HƢỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) (Ký và ghi rõ họ và tên) GV PHẢN BIỆN (một hoặc hai) CN BỘ MÔN (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)
6. Đồ án tốt nghiệp Trang iii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TRƢỜNG ĐẠI HỌC SPKT TP. HỒ CHÍ MINH QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI Họ và tên sinh viên: Cao Phạm Minh Hùng 09917410 Nguyễn Thị Huyền Trang 09917431 Ngành: Kỹ thuật Công nghệ Điện tử - Viễn thông Tên đề tài: KHẢO SÁT MẠNG 4G - LTE 1. Cơ sở ban đầu: 2. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: 3. Các mô phỏng:
7. Đồ án tốt nghiệp Trang iv Giáo viên hƣớng dẫn : TS. Phan Văn Ca 4. Ngày giao nhiệm vụ: 5. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: TP.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 Giáo viên hƣớng dẫn: TS. Phan Văn Ca
8. Đồ án tốt nghiệp Trang v NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN . . . . . . . . . . . . Ngày tháng năm 2014 Giáo viên hƣớng dẫn: TS. Phan Văn Ca
9. Đồ án tốt nghiệp Trang vi NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN . . . . . . . . . . . Ngày tháng năm 2014 Giáo viên phản biện:
10. Đồ án tốt nghiệp Trang vii NHẬT KÝ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP STT Tuần /ngày Nội dung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
11. Đồ án tốt nghiệp Trang viii 15 16 17 18 19 20 Sinh viên thực hiện:
12. Đồ án tốt nghiệp Trang ix LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện đồ án môn học lần này nhóm thực hiện đề tài trải qua không ít khó khăn. Đầu tiên, nhóm thực hiện đề tài xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Phan Văn Ca – Giáo viên hướng dẫn đồ án đã hết lòng chỉ bảo, dẫn dắt nhóm trong suốt thời gian làm đồ án, để nhóm thực hiện đồ án có những hướng đi đúng đắn để hoàn thành đề tài. Nhóm thực hiện đề tài xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các thầy cô trong bộ môn Điện tử -Viễn thông cũng như các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh, đã luôn nhiệt tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học tập tại trường, là nền tảng giúp nhóm có thể thực hiện đề tài tốt nghiệp này. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến các bạn bè trong lớp, các bạn sinh viên đã nhiệt tình giúp đỡ luôn ở bên cạnh khích lệ nhóm thực hiện trong suốt quá trình hoàn thành đề tài. TP.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 Sinh viên thực hiện đề tài: Cao Phạm Minh Hùng Nguyễn Thị Huyền Trang
13. Đồ án tốt nghiệp Trang x MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI III NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN V NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN VI NHẬT KÝ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP VII LỜI CẢM ƠN IX MỤC LỤC X DANH SÁCH CÁC HÌNH XIII DANH SÁCH CÁC BẢNG XVIII LIỆT KÊ CÁC TỪ VIẾT TẮT XIX TÓM TẮT XXIX ABSTRACT XXX CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU MẠNG DI ĐỘNG 4G - LTE 1 1.1 GIỚI THIỆU 1 1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G) 2 1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G) 2 1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) 2 1.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G) 3 1.2 MỤC ĐÍCH – MỤC TIÊU, PHẠM VI NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 13 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT LTE 14
14. Đồ án tốt nghiệp Trang xi 2.1 KIẾN TRÚC MẠNG LTE 14 2.1.1 Kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến (Radio Access Network) 18 2.1.2 Mạng lõi EPC 20 2.2 GIAO DIỆN VÀ GIAO THỨC LTE 27 2.3 KỸ THUẬT TRONG LTE 28 2.3.1 Truyền dẫn đƣờng xuống – Kỹ thuật truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM 28 2.3.2 Truyền dẫn đƣờng lên - Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số sóng mang đơn SC- FDMA 35 2.3.3 Điều phối nhiễu liên cell (Inter-cell Interference Coordination) 37 2.3.4 ARQ hỗn hợp với việc kết hợp mềm (Hybrid ARQ with soft combining) 37 2.3.5 Kỹ thuật MIMO 37 2.3.6 Multicast và Broadcast 42 2.3.7 Phổ linh hoạt 42 2.4 MỘT SỐ ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN 43 2.5 CHUYỂN GIAO ĐỐI VỚI LTE 52 2.5.1 Mục đích chuyển giao 52 2.5.2 Chuyển giao trong LTE 53 CHƢƠNG 3 PHƢƠNG PHÁP TIẾP CẬN MÔ PHỎNG 58 3.1 GIỚI THIỆU MÔI TRƢỜNG MÔ PHỎNG GIẢ ĐỊNH 58 3.1.1 Tiêu chu n thiết kế 58 3.1.2 C u trúc 63 3.2 MÔ PHỎNG KIẾN TRÚC LIÊN KẾT VÀ CÁC THÔNG SỐ 71 3.2.1 Mô phỏng kiến trúc liên kết (Topology) 71 3.2.2 Các thông số 75 3.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG 79 CHƢƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH 80
15. Đồ án tốt nghiệp Trang xii 4.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH 80 4.1.1 Mô h nh đa UE 80 4.1.2 Mô h nh đa eNB 98 4.1.3 Mô h nh đa mạng 101 4.2 KẾT LUẬN CHƢƠNG 104 CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 PHỤ LỤC 108
16. Đồ án tốt nghiệp Trang xiii DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1:Lộ tr nh phát triển của LTE và các công nghệ khác 3 Hình 2.1: RNC bị loại bỏ khỏi đƣờng truyền số liệu 14 Hình 2.2: Sự chuyển đổi trong c u trúc mạng từ UTRAN sang E-UTRAN 15 Hình 2.3:Kiến trúc mạng LTE 16 Hình 2.4: Kiến trúc ESP 17 Hình 2.5: Các thành phần trong mạng EPS 18 Hình 2.6: Kiến trúc mạng LTE khi ch có một E-UTRAN tham gia 18 Hình 2.7: eNodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính 20 Hình 2.8: MME kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính 22 Hình 2.9: Các kết nối S-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính 23 Hình 2.10: P-GW kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính 24 Hình 2.11: PCRF kết nối tới các nút logic khác & các chức năng chính 25 Hình 2.12: PCRF kết nối tới các nút logic khác & các chức năng chính 26 Hình 2.13: Các thành phần mạng chính, giao giao diện và giao thức 27 Hình 2.21: Truyền đơn sóng mang 29 Hình 2.22: Nguyên lý của FDMA 29 Hình 2.23: Nguyên lý đa sóng mang 29 Hình 2.24: So sánh phổ tần của OFDM với FDMA 30 Hình 2.25: Tần số-thời gian của tín hiệu OFDM 30
17. Đồ án tốt nghiệp Trang xiv Hình 2.26: Các sóng mang trực giao với nhau 32 Hình 2.27: Biến đổi FFT 32 Hình 2.28: Thu phát OFDM 32 Hình 2.29: Chuỗi bảo vệ GI 33 Hình 2.30: Không có GI 34 Hình 2.31: Có GI 34 Hình 2.32: Sơ đồ khối DFT-s-OFDM 35 Hình 2.33: Phƣơng pháp phân phối sóng mang con cho nhiều thuê bao (3 thuê bao, 12 sóng mang con, 4 sóng mang cho mỗi thuê bao) 36 Hình 2.34: Các chế độ truy nhập kênh vô tuyến 38 Hình 2.35: Mô h nh SU-MIMO và MU-MIMO 40 Hình 2.36: H nh minh họa MU-MIMO và SU-MIMO 41 Hình 2.37: Các chế độ chính trong MIMO 41 Hình 2.38: FDD vs. TDD. FDD: Frequency Division Duplex; TDD: Time Divison Duplex; DL:Downlink; UL: Uplink 42 Hình 2.39: Mô h nh truyền sóng trong không gian tự do 44 Hình 2.40: Hiện tƣợng che chắn trên đƣờng truyền tín hiệu 45 Hình 2.41: Giao thoa xuyên kênh 46 Hình 2.42: Hiện tƣợng truyền sóng đa đƣờng 46 Hình 2.43:Hai tín hiệu multipath 47 Hình 2.44:Hai tín hiệu multipath ngƣợc pha nhau 180 độ 47 Hình 2.45: Hiện tƣợng Doppler 48 Hình 2.46: Hàm truyền đạt của kênh 48 Hình 2.47: Mật độ phổ của tín hiệu thu 49
18. Đồ án tốt nghiệp Trang xv Hình 2.48: Hiện tƣợng Fading 51 Hình 2.49: Các loại chuyển giao 53 Hình 2.50: Điều khiển công su t vòng hở 56 Hình 2.51: Điều khiển công su t vòng kín 57 Hình 3.1: Mô h nh hệ thống LTE trong NS-3 59 Hình 3.2: Lớp vật lý và mô h nh kênh truyền của UE 64 Hình 3.3: C u trúc mặt ph ng d liệu và điều khiển UE 64 Hình 3.4: C u trúc mặt ph ng d liệu và điều khiển eNB 65 Hình 3.5: Lớp vật lý và mô h nh kênh truyền của eNB 65 Hình 3.6: Mặt ph ng d liệu giao thức ngăn xếp LTE-EPC 67 Hình 3.7: C u trúc mặt ph ng điều kiển ECP 67 Hình 3.8: Mô h nh mô phỏng kiến trúc liên kết truyền dẫn d liệu gi a một eNB với nhiều UE và một máy chủ từ xa 71 Hình 3.9: Mô h nh truyền dẫn d liệu với các eNB ở các cell khác nhau. 74 Hình 3.10: Mô h nh truyền d liệu gi a ue và các mạng khác nhau. 75 Hình 3.11: Một phần trích ra từ mô h nh Fading mô phỏng tạo ra dành cho ngƣời đi bộ (3kmph) 76 Hình 3.12: Một phần trích ra từ mô h nh Fading mô phỏng tạo ra dành cho môi trƣờng thành thị (3kmph) 76 Hình 3.13: Một phần trích ra từ mô h nh Fading mô phỏng tạo ra dành cho phƣơng tiện giao thông (60kmph) 77 Hình 4.1: Sơ đồ mô h nh thay đổi số ue 80 Hình 4.2: Thông lƣợng đƣờng truyền khi thay đổi số UEError! Bookmark not defined.
19. Đồ án tốt nghiệp Trang xvi Hình 4.3: Số gói tin truyền đi trong 1s khi thay đổi số UEError! Bookmark not defined. Hình 4.4: Tỷ lệ m t gói tin khi thay đổi số UE 83 Hình 4.5: Thời gian chậm trễ gi a các gói tin 84 Hình 4.6: Thông lƣợng quá tr nh truyền từ Host tới các UE trong các môi trƣờng Fading khác nhau 85 Hình 4.7:lƣợng gói tin truyền đi trong quá tr nh truyền từ host tới cac UE trong các môi trƣờng Fading khác nhau 86 Hình 4.8:Tỷ lệ m t gói tin của đƣờng truyền xuống trong các môi trƣờng Fading khác nhau 87 Hình 4.9:Thông lƣợng quá tr nh truyền từ UE tới Host trong các môi trƣờng Fading khác nhau 88 Hình 4.10: Số gói tin truyền đi trong quá tr nh truyền từ ue tới host trong các môi trƣờng Fading khác nhau 89 Hình 4.11:Tỷ lệ m t gói tin của đƣờng truyền lên trong các môi trƣờng Fading khác nhau 90 Hình 4.12: Độ trễ đƣờng xuống của ba môi trƣờng 90 Hình 4.13: Độ trễ đƣờng lên của ba môi trƣờng 91 Hình 4.14: Thông lƣợng khi thay đổi vận tốc trong moi trƣờng Fading EPA-ETU 92 Hình 4.15: Số gói tin truyền đi khi thay đổi vận tốc trong môi trƣờng 93 Hình 4.16: Tỷ lệ m t gói tin khi thay đổi vận tốc trong môi trƣờng Fading EPA- ETU Error! Bookmark not defined. Hình 4.17: Độ trễ đƣờng lên và đƣờng xuống của 5 UE trong hai môi trƣờng EPA và ETU 94 Hình 4.18: Thông lƣợng khi thay đổi vận tốc trong môi trƣờng Fading EVA 95
20. Đồ án tốt nghiệp Trang xvii Hình 4.19: Số gói tin truyền đi khi thay đổi vận tốc trong môi trƣờng Fading EVA 96 Hình 4.20: Tỷ lệ m t gói tin khi thay đổi vận tốc trong môi trƣờng Fading EVA 96 Hình 4.21: Độ trễ đƣờng lên và đƣờng xuống trong môi trƣờng EVA Error! Bookmark not defined. Hình 4.22: Sơ đồ mô h nh thay đổi nhiều eNB 98 Hình 4.23: Thông lƣợng của đƣờng truyền 99 Hình 4.24: Số gói tin truyền đi của đƣờng truyền 99 Hình 4.25: Tỷ lệ m t gói tin khi thay đổi số eNB 100 Hình 4.26: độ delay đƣờng xuống của mô h nh đa eNB 101 Hình 4.27: Sơ đồ mô h nh sử dụng nhiều mạng 101 Hình 4.28: Thông lƣợng của đƣờng truyền 102 Hình 4.29: số gói tin truyền đi trên các host 103 Hình 4.30: Tỷ lệ m t gói tin đối với các host ở vị trí khác nhau 103
21. Đồ án tốt nghiệp Trang xviii DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1.1:Các đặc điểm chính của công nghệ LTE 5 Bảng 1.2: Sự khác nhau gi a 3G và 4G 10 Bảng 1.3: So sánh công nghệ LTE với công nghệ WiMAX 11 Bảng 3.1: Thông số mô phỏng mạng LTE 72 Bảng 3.2: Thông số mạng Network 73
22. S K L 0 0 2 1 5 4