Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 4G/LTE VÀ BLUETOOTH 1. Tình hình hiện nay Từ năm 2012, trên thế giới, công nghệ 4G đã có sự phát triển vượt bậc và từng bước chiếm thị phần của công nghệ 3G. Theo số liệu thống kê vào tháng 4 năm 2015, trên thế giới đã có hơn 646 đơn vị kinh doanh dịch vụ viễn thông tại hơn 181 quốc gia đã cung cấp dịch vụ 4G/LTE. Trong đó, khu vực châu Á có 61 đơn vị thuộc 25 quốc gia.
Riêng khu vực Đông Nam Á có 17 đơn vị cung cấp dịch vụ 4G tại 8 quốc gia là Singapore, Malaysia, Indonesia, Philippines, Brunei, Thái Lan, Lào và Campuchia. Trong đó, trừ các quốc gia đã có nền tảng công nghệ cao như Singapore, Malaysia hay các quốc gia có điều kiện địa lý thuận lợi như Bruei… đã triển khai thành công công nghệ 4G thì hầu hết các quốc gia khác vẫn còn đang trong giai đoạn thử nghiệm. Tuy nhiên, theo nghiên cứu tổng thể của công ty Seed Planning, số lượng người sử dụng công nghệ 4G trong khu vực châu Á-Thái Bình Dương sẽ tăng từ 100 triệu người năm 2013 lên hơn 1 tỷ người trong năm 2018. Tại Hội thảo Quốc tế 4G LTE “Quy hoạch tổng thể, tối ưu hóa công nghệ, đa dạng hóa dịch vụ hướng tới đông nhất công nghệ 4G tại tiểu vùng sông Mekong” diễn ra ngày 26/3 tại Hà Nội, Bộ TT&TT xác định năm 2015 là thời điểm thích hợp để triển khai công nghệ 4G tại Việt Nam.
Dự kiến Việt Nam sẽ tổ chức triển khai cấp phép 4G từ đầu năm 2016. Trên cơ sở đánh giá về nhu cầu thị trường, công nghệ , thiết bị và các điều kiện khác, Việt Nam sẽ cấp phép 4G với mục tiêu sử dụng hiệu quả băng tần cao, LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 khả năng dùng chung, chia sẻ mạng. tạo một môi trường viễn thông ngày càng cạnh tranh và phát triển, tạo động lực cho phát triển kinh tế của đất nước. Quá trình phát triển Thế hệ mạng di động đầu tiên (1G) được phát triển vào những năm 1980, cung cấp dịch vụ gọi thoại qua tần số 900 MHz và kĩ thuật tương tự đến khi được thay thế bằng mạng truyền vô tuyến số 2G.
Những hệ thống mạng 2G thì có dung lượng lớn hơn những hệ thống mạng thế hệ thứ nhất. Một kênh tần số thì đồng thời được chia ra cho nhiều người dùng (bởi việc chia theo mã hoặc chia theo thời gian). Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-2000 (International Mobil Telecommunication -2000) cho hệ thống 3G với các ưu điểm chính được mong đợi đem lại bởi hệ thống 3G như: cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện, truy cập internet,…[2]. Hình 1-1: Quá trình phát triển mạng thông tin di động LTE là thế hệ thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển.
UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới. Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, 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 Long Term Evolution (LTE). 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Các đặc điểm chính của công nghệ 4G/LTE Mục tiêu của LTE là cung cấp 1 dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, độ trễ thấp, các gói dữ liệu được tối ưu, công nghệ vô tuyến hỗ trợ băng thông một cách linh hoạt khi triển khai. Đồng thời kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu 28 lượng chuyển mạch gói cùng với tính di động linh hoạt, chất lượng của dịch vụ, thời gian trễ tối thiểu. Các đặc tính cơ bản của 4G/LTE: Hoạt động ở băng tần: 700 MHz – 2.6 GHz Độ trễ: < 5ms Độ rộng băng thông linh hoạt: 1,4 MHz; 3 MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15 MHz; 20 MHz. Hỗ trợ cả hai trường hợp độ dài băng thông lên và xuống bằng nhau hoặc không.
Phổ tần số: Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD Độ phủ sóng: 5 – 100 km Dung lượng 200 user/cell ở băng tần 5 MHz. Tốc độ được quy định bởi ITU là 100 Mbs khi di chuyển tốc độ cao và 1 Gbps đối với thuê bao đứng yên so với trạm Tốc độ dữ liệu ít nhất là 100 Mbps giữa bất kì hai điểm nào trên thế giới Hiệu suất phổ đường truyền là 15bit/s/Hz ở đường xuống và 6.75 bit/s/Hz ở đường lên (có nghĩa là 1000 Mbps ở đường xuống và có thể nhỏ hơn băng thông 67 MHz) Hiệu suất sử dụng phổ hệ thống lên đến 3 bit/s/Hz/cell ở đường xuống và 2.25 bit/s/Hz/cell cho việc sử dụng trong nhà. Chuyển giao liền (Smooth handoff) qua các mạng hỗn hợp. Chất lượng dịch vụ Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng QoS VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng UMTS Liên kết mạng: Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các hệ thống không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 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 cho các dịch vụ còn lại. Tương thích với các chuẩn không dây đang tồn tại. Tất cả là IP, mạng chuyển mạch gói. Băng thông linh hoạt trong vùng từ 5 MHz đến 20 MHz, điều này có nghĩa là nó có thể hoạt động trong các dải băng tần của 3GPP.
Trong thực tế, hiệu suất thực sự của LTE tùy thuộc vào băng thông chỉ định cho các dịch vụ và không có sự lựa chọn cho phổ tần của chính nó. Điều này giúp đáng kể cho các nhà khai thác trong chiến lược về kinh tế và kỹ thuật. Triển khai tại các tần số cao, LTE là chiến lược hấp dẫn tập trung vào dung lượng mạng, trong khi tại các tần số thấp nó có thể cung cấp vùng bao phủ khắp nơi. Mạng LTE có thể hoạt động trong bất cứ dải tần được sử dụng nào của 3GPP.
Nó bao gồm băng tần lõi của IMT-2000 (1.9-2 GHz) và dải mở rộng (2.5 GHz), cũng như tại 850-900 MHz, 1800 MHz, phổ AWS (1.1 GHz)…Băng tần chỉ định dưới 5MHz được định nghĩa bởi IUT thì phù hợp với dịch vụ IMT trong khi các băng tần lớn hơn 5MHz thì sử dụng cho các dịch vụ có tốc độ cực cao. Tính linh hoạt về băng tần của LTE có thể cho phép các nhà sản xuất phát triển LTE trong những băng tần đã tồn tại của họ. Các kĩ thuật được sử dụng: MIMO: để đạt được hiệu suất phổ tần cao bằng cách sử dụng phân tập theo không gian, đa anten, đa người sử dụng. Sử dụng lượng tử hóa trong miền tần số, chẳng hạn như OFDM hoặc SCFDE ở đường xuống: để tận dụng thuộc tính chọn lọc tần số của kênh mà không phụ phải lượng tử phức tạp.
Ghép kênh trong miền tần số OFDMA hoặc DC-FDMA ở đường xuống: tốc độ bit thay đổi bằng việc gán cho người dùng các kênh khác nhau dựa trên điều kiện kênh. Mã hóa sửa lỗi Turbo: để tối thiểu yêu cầu về tỷ số SNR ở bên thu. Lập 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 Các thông số lớp vật lý của 4G/LTE LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 Bảng 1-1: Các thông số lớp vật lý của 4G/LTE UL DTFS-OFDM (SC-FDMA) Kỹ thuật truy cập DL OFDMA 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 15 MHz, 20 Băng thông MHz TTI tối thiểu 1ms Khoảng cách sóng mang con 15 KHz Ngắn 4, 7 s Chiều dài CP Dài 16, 7 s Điều chế QPSK, 16QAM, 64 QAM 1 lớp cho UL/UE Ghép kênh không gian Lên đến 4 lớp cho DL/UE Sử dụng MIMO cho UL và DL 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 thể đạt tới 100Mbps đối với người dùng di động và 1Gbps đối với người dùng cố định.
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 1.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần số người dùng/cell so với WCDMA. 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 sẽ đơn 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 Hiệu suất phổ cao - OFDM ở DL + Chống nhiễu đa đường + Hầu hết dữ liệu người dùng thì ít hơn di động - SC-FDMA ở UL + PAPR thấp + Người dùng trực giao trong miền tần số - MIMO Tốc độ dữ liệu cao + Phát nhiều dòng dữ liệu độc lập song song qua các anten riêng lẻ => tăng tốc độ dữ liệu.