ENODEB trong LTE

Kiến trúc eNodeB là một phần quan trọng trong hệ thống thông tin di động LTE, nhiệm vụ của eNodeB là một nút vật lý phát và thu các tín hiệu vô tuyến trên một hay nhiều anten để phủ sóng

Trang 1

-

PHẠM THỊ THANH LOAN

ENODEB TRONG LTE

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

Mã số: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2013

Trang 2

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học:

Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Trang 3

MỞ ĐẦU

Công nghệ LTE đang được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên thế giới, LTE cung cấp cho người dùng tốc độ truy cập dữ liệu nhanh, cho phép phát triển thêm nhiều dịch vụ truy cập sóng vô tuyến mới dựa trên nền tảng hoàn toàn IP, có thể đáp ứng được nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của người dùng Kiến trúc eNodeB là một phần quan trọng trong hệ thống thông tin di động LTE, nhiệm vụ của eNodeB là một nút vật lý phát và thu các tín hiệu vô tuyến trên một hay nhiều anten để phủ sóng cho một ô

Để chuẩn bị tiến tới công cuộc 4G/LTE trong thời gian tới, với hạ tầng mạng của các nhà mạng Việt Nam không ngừng phát triển, thay đổi cả về công nghệ lẫn mô hình cấu trúc thì việc tìm hiểu về kiến trúc thiết bị để đưa ra các đánh giá và lựa chọn thiết bị phù hợp với hệ thống hạ tầng viễn thông ở Việt Nam là mối quan tâm hàng đầu của các nhà mạng

Luận văn có 4 chương, trong đó 3 chương là quan trọng nhất, tập trung nghiên cứu về cấu trúc tổng quan các yêu cầu chung về kiến trúc máy thu, máy phát eNodeB, xét các yêu cầu chất lượng tín hiệu phát, công suất đầu ra máy phát, các phát xạ không mong muốn, tỷ lệ dò kênh lân cận đồng thời xét mức độ nhập tham chuẩn, dải động, độ nhậy đối với nhiễu của máy thu, phát xạ máy thu, và xét hiệu năng giải điều chế của eNodeB; về tổng quan về kiến trúc cơ sở, cấu trúc phần cứng, phần mềm eNodeB, đưa ra các tiêu chí chung thiết kế eNodeB làm cơ sở lựa chọn nhà cung cấp thiết bị,

và nghiên cứu cụ thể về thiết bị eNodeB của Huawei; bên cạnh đó, phân thích tình hình triển khai eNodeB trên thế giới và ở Việt Nam Luận văn gồm các chương:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN LTE

Chương 2: KIẾN TRÚC THU PHÁT SÓNG TRONG CÁC HỆ THỐNG

THÔNG TIN DI ĐỘNG MỚI

Chương 3: KIẾN TRÚC ENODEB TRONG LTE

Chương 4: NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI ENODEB TRONG LTE TRÊN THẾ

GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM

Trang 4

Chương 1- TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN TRONG LTE

1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE

LTE là công nghệ có khả năng cung cấp cho người dùng tốc độ truy cập dữ liệu nhanh, cho phép các nhà khai thác có thể phát triển thêm nhiều dịch vụ truy cập sóng vô tuyến mới dựa trên nền tảng hoàn toàn IP với: tốc độ truyền dữ liệu cao, độ trễ thấp và công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu về:

- Hiệu quả sử dụng phổ - Trễ (latency)

- Chất lượng dịch vụ (QoS) - Tốc độ dữ liệu

1.2 Các giao thức trên giao diện vô tuyến LTE

Giao diện vô tuyến giữa UE và eNodeB được ký hiệu là LTE Uu Các chức năng trong eNodeB có thể xử lý nhanh hơn các thay đổi trên đường truyền vô tuyến nhanh hơn Ngoài ra mạng lõi là mạng lõi gói phát triển được xây dựng trên nền IP

Hình 1.1 Kiến trúc mạng 4G LTE 1.3 Các kênh trên giao diện vô tuyến của LTE

Mạng truy nhâp vô tuyến LTE đựơc đơn giản hóa và giảm xuống chỉ còn eNodeB và giao diện vô tuyến là giao diện giữ UE và eNodeB Giao diện vô tuyến gồm lớp 1: lớp các kênh vật lý, lớp 2: lớp các kênh truyền tải để điều khiển truy nhập môi trường và lớp 3: lớp các kênh logic để điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC)

LTE Uu

Trang 5

Cấu trúc các kênh của LTE được đơn giản hóa so với 3G Trừ các kênh điều khiển RACH và BCH được sắp xếp các kênh vật lý riêng (PRACH/PBCH), tất cả các kênh còn lại đều đựơc sắp xếp lên kênh vật lý chia sẻ: PDSCH/PUSCH

1.4 Quản lý di động trong LTE

1.4.1 Vùng đeo bám, TA

Vị trí của UE được MME nhận biết với độ chính xác đến vùng theo bám (TA: Tracking Area) Khi UE ở trạng thái rỗi, mỗi lần chuyển dịch từ một TA này sang một TA khác nó phải thực hiện thủ tục TA để thông báo cho MME về TA mới

1.4.2 Chuyển giao nội LTE

Các chuyển giao trong E-UTRAN được xây dừng trên các nguyên tắc sau:

 Các chuyển giao được mạng điều khiển

 Chuyển giao theo các kết quả đo của UE

 Các chuyển giao trong UE với chủ đích không tổn thất bằng cách chuyển lưu lượng giữa eNodeB nguồn và eNodeB gói

 Kết nối S1 của mạng lõi chỉ được cập nhật khi chuyển giao vô tuyến

đã hoàn thành

1.4.2.1 Báo hiệu cho chuyển giao

Các thủ tục báo hiệu được chia thành ba giai đoạn: chuẩn bị chuyển giao, thực hiện chuyển giao và hoàn thành chuyển giao

1.4.2.2 Đo chuyển giao

Khi thỏa mãn điều kiện ngưỡng để báo cáo, UE gửi các kết quả đo chuyển giao đến eNodeB

1.4.2.3 Chuyển giao giữa các hệ thống

Tất cả các thông tin từ hệ thống đích được truyền trong suốt qua hệ thống nguồn đến UE Số liệu của người sử dụng có thể được truyền từ nguồn đến hệ thống đích để tránh mất số liệu

Trang 6

1.5 Cấu trúc tài nguyên truyền dẫn trong LTE

1.5.1 Quy hoạch tần số cho 4G/LTE

Bảng 1.4 liệt kê các băng tần hiện thời được quy định cho LTE

1.5.2 Tổ chức kênh tần số trong LTE

1.5.2.1 Băng thông kênh và cấu hình băng thông truyền dẫn

Độ rộng sóng mang LTE được định nghĩa bằng các khái niệm băng thông kênh (Bchannel) và cấu hình băng thông truyền dẫn (Bconfig)

Trang 7

Bảng 1.2 Cấu hình băng thông truyền dẫn B config trong LTE

Băng thông kênh

Khoảng cách giữa các sóng mang sẽ phụ thuộc vào kịch bản triển khai, kích thước của khối tần số khả dụng và các băng thông kênh Khoảng cách kênh chuẩn giữa hai sóng mang LTE được xác định như sau:

Khoảng cách kênh chuẩn = (Bchannel1 - Bchannel2)/2 (1.1)

1.6 Kết luận chương

Mạng LTE LTE ra đời đã thể hiện những ưu điểm vượt trội so với các mạng thế hệ trước Để đạt được các mục tiêu, LTE sẽ phải sử dụng các kỹ thuật mới: OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Truy cập đa phân chia theo tần số trực giao) cho hướng DL và SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access - Truy cập đa phân chia theo tần số sóng mang đơn) cho hướng UL, thêm vào đó, việc sử dụng thiêt bị ở phần truy nhập E-UTRAN của LTE, đơn giản chỉ là mạng gồm các eNodeB cũng là một yêu cầu tất yếu Chương này đã trình bày đặc điểm cơ bản của công nghệ LTE, tổng quan kiến trúc mạng LTE LTE

và những nghiên cứu về giao thức trên giao diện vô tuyến LTE… để làm cơ sở cho những chương sau nghiên cứu về thiết bị của LTE, cụ thể ở đây là thiết bị eNodeB trong LTE

Trang 8

Chương 2- KIẾN TRÚC THU PHÁT SÓNG TRONG CÁC HỆ

THỐNG THÔNG TIN DI DỘNG MỚI

2.2 Kiến trúc máy thu

2.2.1 Mức độ nhạy tham chuẩn

Mức độ nhậy tham chuẩn là công suất thu trung bình tối thiểu tại connectơ anten mà tại đó yêu cầu thông lượng vẫn được thực hiện

Mục đích của yêu cầu này là để kiểm tra hệ số tạp âm của máy thu

Đối với các băng thông kênh ≤ 5MHz, kênh đo tham chuẩn được định nghĩa trên cơ sở tất cả các khối tài nguyên được ấn định cho băng thông kênh này Đối với các băng thông > 5MHz, độ nhạy được đo bằng cách sử dụng các khối liên tục gồm 25RB Độ nhạy được tính như sau:

3 , max 1

2.2.2 Dải động

Yêu cầu dải động là một số đo khả năng máy thu thu được tín hiệu khi có mặt tín hiệu nhiễu trong kênh tần số thu mà tại đó yêu cầu về thông lượng vẫn được đảm bảo

Mục đích của yêu cầu này là đảm bảo rằng trạm gốc vẫn có thể thu được thông lượng cao khi có mặt nhiễu tăng và các mức tín hiệu mong muốn cao

Công suất tín hiệu nhiễu được xác định như sau:

I 174 / 10lg RB.180  20 (2.2) Biết nhiễu ta có thể tính được công suất tín hiệu mong muốn như sau:

mm IM

req mm

M I

dBm p

m I

Trang 9

tín hiệu LTE, nhiễu có cùng băng thông với tín hiệu mong muốn nhưng lớn nhất là 5MHz

Hình 2.1 Các yêu cầu đối với độ nhạy cảm của máy thu đối với tín hiệu liên quan đến: chặn, chọn lọc kênh lân cận (ACS), và chọn lọc trong băng (ICS)

b) Chọn lọc trong băng (ICS)

Yêu cầu chọn lọc trong băng (ICS: In channel Selectivity) là số đo khả năng máy thu thu được tín hiệu mong muốn tại các khối tài nguyên được ấn định cho nó khi có mặt tín hiệu nhiễu thu được tại mật độ phổ công suất lớn hơn mà vẫn đảm bảo yêu cầu thông lượng cực đại đối với kênh đo tham chuẩn được đặc tả

Mục đích của yêu cầu này là để đảm bảo độ chọn lọc khối tài nguyên lân cận trong băng

Công suất tín hiệu nhiễu được xác định như sau:

I[dBm]=-174dBm/Hz +101g(NRB.180kHz)+NF+ req,3 +16dB (2.4) Biết nhiễu ta có thể tính được công suất tín hiệu mong muốn như sau:

Pmm[dBm] = -174dBm +101g(NRB.180kHz)+NF+ req,3 + Dsen+MIM (2.5)

c) Chọn lọc kênh lân cận (ACS) và nhiễu chặn băng hẹp

Yêu cầu chọn lọc kênh lân cận (ACS) và chặn băng hẹp là số đo khả năng máy thu thu được tín hiệu mong muốn tại tần số được ấn định cho nó khi có mặt tín hiệu gây nhiễu kênh lân cận mà vẫn đảm bảo yêu cầu thông lượng

Mục đích của yêu cầu này là để kiểm chứng độ chọn lọc kênh lân cận Độ chọn lọc và chặn băng hẹp có tầm quan trọng để tránh nhiễu giữa các nhà khai thác

ACS là hiệu số giữa công suất tín hiệu gây nhiễu trung bình (Pmin) và công suất nhiễu cực đại cho phép (Imax) được tính toán như sau:

Kịch bản ICS

Trang 10

3 max

Mục đích của yêu cầu này là để kiểm tra độ chọn lọc tại các tần số khác nhau ngoại trừ kênh lân cận

e) Phát xạ giả của máy thu

Công suất phát xạ giả là công suất được tạo ra hay được khuếch đại trong máy thu và xuất hiện tại connecto anten thu trạm gốc

Yêu cầu tối thiểu đối với phát xạ giả máy thu được cho trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Yêu cầu tối thiểu đối với phát xạ giả máy thu

f) Điều chế giao thoa máy thu

Loại bỏ đáp ứng điều chế giao thoa là một số đo khả năng máy thu thu được tín hiệu mong muốn tại tần số kênh được ấn định cho nó khi có mặt hai tín hiệu gây nhiễu có quan hệ tần số đặc biệt với tín hiệu mong muốn mà vẫn đảm bảo yêu cầu thông lượng

Yêu cầu hiệu năng điều chế giao thoa quy định, công suất trung bình của tín hiệu mong muốn bằng Pmin + 6dB, công suất trung bình của tín hiệu gây nhiễu bằng -52dBm, dịch tần giữa tần số tín hiệu nhiễu CW với biên kênh tín hiệu mong muốn bằng 1,5 băng thông kênh tín hiệu gây nhiễu LTE và kiểu tín hiệu

2.3 Kiến trúc máy phát và các bộ khuếch đại công suất

2.3.1 Công suất phát đầu ra

Công suất đầu ra ảnh hưởng trực tiếp lên nhiễu giữa các ô sử dụng cùng kênh

và biên độ phát xạ bên ngoài băng công tác Vì thế nó ảnh hưởng đến khả năng hệ

Trang 11

thống LTE đạt được hiệu xuất phổ tần cực đại và đây chính là lý do cần đặt chính xác công suất phát ra của máy phát

Đối với eNodeB, công suất phát ra cực đại phải duy trì trong dung sai khoảng 2dB so với công suất được nhà sản xuất thông báo

Đối với UE công suất phát ra cực đại là 23dBm và phải đảm bảo dung sai ± 2dB

2.3.2 Phát xạ không mong muốn của băng tần công tác

LTE định nghĩa các yêu cầu cho cả hai kiểu phát xạ không mong muốn, trong

đó yêu cầu đối với các phát xạ giả chặt chẽ hơn

Các phát xạ ngoài băng (OOB) nằm gần phát xạ mong muốn => tăng mức công suất phát mong muốn thường => tăng mức các phát xạ không mong muốn Trái lại giảm công suất phát thường là một giải pháp hiệu quả để giảm các phát xạ OOB và đây là một biện phát để đáp ứng các yêu cầu về hiệu năng

Trong LTE, các phát xạ OOB được định nghĩa bằng các yêu cầu về mặt nạ phổ phát xạ (SEM) và ACLR

2.3.3 Tỷ lệ rò kênh lân cận (ACLR)

a) Quy định ACLR và ACS

ACLR quy định tỷ số công suất phát của tín hiệu mong muốn trong băng thông kênh được ấn định với công suất phát xạ của tín hiệu không mong muốn trên kênh lân cận ACD định nghĩa khả năng máy thu lọc bỏ tín hiệu trên kênh lân cận Quan hệ giữa các thông số kênh lân cận được xác định theo phương trình như sau:

ACS ACLR

ACIR

1 1

Trang 12

EVM là số đo méo do các không hoàn thiện của phần vô tuyến gây ra trong thực hiện thực tế Các giá trị EVM phải thoả mãn các quy định cho bảng 2.2

16QAM 64QAM

17,5 12,5 8,0

b) Rút ra yêu cầu EVM

EVM yêu cầu nằm trong dải 10-6,3%

 Đối với chọn 64QAM MCSm ta được yêu cầu 7,9% EVM

 Đối với 16QAM: dải C/I từ 6 đến 12dB, điểm giữa C/I~9dB với yêu cầu EVM bằng 12,9%

 Đối với QPSK: dải C/I từ -8 đến 6db, điểm giữa C/I ~ -1dB với các yêu cầu EVM băng 29,6% và 16,3% (cho 6dB C/I)

 Các giá trị EVM yêu cầu đối với 64QAM, 16QAM và QPSK là 8%, 12,5% và 17,5%

2.4 Kết luận chương

Chương này đã xét các yêu cầu chung đối với eNodeB và trước hết xét các yêu cầu đối với máy phát eNodeB Liên quan đến các yêu cầu này, chương đã xét các yêu cầu chất lượng tín hiệu phát (EVM), công suất đầu ra máy phát, các phát xạ không mong muốn, tỷ lệ rò kênh lân cận, đồng tồn tại với các hệ thống khác trên các sóng mang lân cận trong cùng băng tần công tác cũng như trong các băng tần lân cận Chương đã xét các yêu cầu đối với máy thu eNodeB Liên quan đến vấn đề này chương đã xét: mức độ nhạy tham chuẩn, dải động, độ nhạy đối với nhiễu của máy thu, độ chọn lọc trong băng, chọn lọc kênh lân cận và nhiều chặn băng hẹp, nhiều chặn, phát xạ giá của máy thu, điều chế giao thoa ngoài ra chương cũng xét hiệu năng giải điều chế của eNodeB

Trang 13

Chương 3: KIẾN TRÚC ENODEB TRONG LTE

3.2 Giới thiệu chung về eNodeB cho LTE

3.2.1 Kiến trúc cơ sở của eNodeB:

3.2.1.1 Kiến trúc cơ sở

Kiến trúc eNode được thiết kế trên cơ sở phần cứng và phần mềm Phần cứng bao gồm 4 phần chính: đơn vị vô tuyến (RFU: Radio Frequency Units), đơn vị băng gốc (BBU: Baseband Unit), phần điều khiển và truyền dẫn như hình 3.1

Hình 3.1 Kiến trúc chung của một BTS

3.2.1.2 Kiến trúc phần mềm:

Kiến trúc phần mềm eNodeB được thể hiện trên hình 3.2

Inter – Cell RRM

Radio admission

Mobility control

Fault management Configuration

management

configuration Load balacing RRC

GTP-U DCP

RLC

STCP MAC