Giải pháp femtocell cho mạng thông tin di động 3g

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Trần Mạnh Đạt GIẢI PHÁP FEMTOCELL CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2013 1 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS Vũ Trường Thành Phản biện 1: …………………………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………………………… Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 2 MỞ ĐẦU Lưu lượng dữ liệu trên mạng di động 3G đang tăng với tốc độ chóng mặt và dự báo sẽ còn tiếp tục tăng mạnh trong nhiều năm tới. Điều này đang tạo áp lực lớn lên hạ tầng mạng di động. Trong bối cảnh đó, Femtocell nổi lên như một công nghệ giảm tải dữ liệu cho mạng 3G, tăng cường phủ sóng trong nhà khi được tích hợp vào mạng này. Tuy nhiên Femtocell là một công nghệ còn khá mới tại Việt Nam và do vậy để có thể triển khai trong thực tế cần có những nghiên cứu kỹ lưỡng về các vấn đề kỹ thuật, tác động của chúng lên mạng di động 3G hiện tại cũng như đo kiểm các thông số tại các trạm thử nghiệm để làm cơ sở cho triển khai. Trong bối cảnh đó, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo, TS Vũ Trường Thành tôi lựa chọn đề tài luận văn: "Giải pháp Femtocell cho mạng thông tin di động 3G". CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 3G TẠI VIỆT NAM VÀ VẤN ĐỀ LƯU LƯỢNG 1.1. Tổng quan về mạng di động 3G tại Việt Nam Đến nay Việt Nam đang có 3 nhà mạng chính thức cung cấp dịch vụ 3G tới khách hàng là Vinaphone, Mobifone và Viettel. Cả 3 nhà mạng này đều xuất phát từ nền tảng công nghệ 2G GSM và do đó các công nghệ 3G mà họ triển khai đều là công nghệ WCDMA. Hình 1.2 là kiến trúc hiện trạng mạng di động của hai nhà mạng Vinaphone và Mobifone ở thời điểm tháng 12/2012. Về cơ bản có thể thấy kiến trúc này tuân thủ đúng kiến trúc chung của một mạng 3G WCDMA. 3 CS CORE RAN BSC MSC-S PSTN/PLMN MSC-S MSC-S MSC-S MSC-S MGw BSC RNC MSC MSC MSC MSC MGwMGw MGw MGw SGSN SGSN SGSN GGSN Internet/Packet core network WAP GW MMSC SMSC SCP/ SDP SCP/ SDP SCP/ SDP VAS PRBT MCA BSC BSC RNC BTS/NodeBBTS/NodeB GGSN PS CORE Operation support system - OSS Billing and CRM HRL/AUC/AAA Hình 1.2 Hiện trạng mạng di động Vinaphone, Mobifone (Tháng 12/2012) – Nguồn: Ban viễn thông Tập đoàn VNPT Trong kiến trúc mạng 3G này, các phần tử mạng được phân thành 3 thành phần: thiết bị người dùng (UE), mạng vô tuyến UMTS (UTRAN) và mạng lõi (CN). Trong đó, UE và UTRAN đều bao gồm các giao thức hoàn toàn mới, việc thiết kế chúng dựa trên nhu cầu của công nghệ vô tuyến WCDMA mới. Còn mạng lõi thì ngược lại, có các thành phần được kế thừa từ mạng lõi GSM, GPRS/EDGE trước đó. 1.2 Lộ trình tiến lên 4G LTE 1.2.1. Giới thiệu về LTE Một lộ trình dự báo chung cho LTE được thể hiện như trong hình 1.4: Hình 1.4: Lộ trình phát triển cho LTE tới 2014. 4 1.2.2. Những thay đổi trong hạ tầng mạng Hệ thống 4G LTE sẽ mang lại nhiều lợi ích về dung lượng xử lí cho các trạm gốc. Với nhiều cải tiến mới, kiến trúc mạng 4G LTE sẽ phẳng hơn với ít node hơn, do đó có độ thấp hơn trễ. Kết quả dẫn đến yêu cầu về một mạng lõi toàn IP để hỗ trợ thông lượng dữ liệu tốc độ cao và nhìn chung có thể truy cập vào bởi các mạng truy nhập vô tuyến khác nhau thông qua các giao diện cổng. 1.2.3. Những thay đổi trong mạng lõi Khi nâng cấp lên 4G LTE, cần thay thế trạm gốc và Node B của mạng 3G bằng Node B cải tiến (eNode B). Ngoài ra, các mạng lõi chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh của WCDMA cũng được thay thế bằng lõi gói cải tiến EPC (Evolved Packet Core). EPC bao gồm 4 chức năng khác nhau - cổng thông tin phục vụ (SGW - Serving Gateway), cổng mạng dữ liệu gói (PDN - Packet Data Network Gateway), thực thể quản lý di động (MME - Mobility Management Entity) và chức năng các quy tắc tính cước chính sách (PCRF - Policy Charging Rules Function). 1.3. Một số vấn đề về quá tải lưu lượng trong triển khai và vận hành mạng 3G Theo dự đoán của Cisco System, trong giai đoạn 2010-2015, dữ liệu di động sẽ tăng trưởng ở mức 108% hằng năm (Hình 1.6), và hầu hết doanh thu của các công ty di động đang được tạo ra chỉ bởi một phần nhỏ cơ sở người dùng của họ. Một dự báo khác của Gartner cho thấy khu vực châu Á – TBD tiếp tục là nơi có mức tăng trưởng và số lượng thuê bao di động lớn nhất toàn cầu trong giai đoạn 2010-2015. Điều này đang tạo áp lực lớn cho các nhà mạng viễn thông và buộc họ phải nghĩ tới các giải pháp cho vấn đề này 1.4. Kết luận chương Chương 1 của luận văn đã giới thiệu tổng quan nhất về hiện trạng mạng 3G tại Việt Nam, xu hướng phát triển lên 4G LTE cũng như một số vấn đề về lưu lượng trên mạng di động. Đây là nền tảng quan trọng cho các chương tiếp theo của luận văn tiếp tục đi sâu nghiên cứu giải pháp Femtocell cho mạng thông tin di động 3G. 5 CHƯƠNG II: GIẢI PHÁP TRIỂN KHAI FEMTOCELL CHO MẠNG 3G 2.1. Tổng quan về Femtocell Femtocell là một trạm phát sóng nhỏ của mạng thông tin di động tế bào được dùng để nâng cao chất lượng dịch vụ và cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng ở phạm vi gia đình hay văn phòng, công sở. Femtocell được xem như trạm phát sóng trong nhà (Home Base Station) hay điểm truy nhập mạng tế bào giống điểm truy nhập WiFi. 2.2. Sự cần thiết của femtocell  Giảm chi phí gọi điện thoại di động tại nhà.  Có một kết nối tốt, chất lượng dịch vụ tốt hơn, tốc độ cao hơn.  Tăng chất lượng phủ sóng trong các công trình cũng như tăng dung lượng và các dịch vụ giá trị gia tăng cho người dùng. 2.3. Kiến trúc chung mạng Femtocell Kiến trúc kết nối Home NodeB (HNB) hay Femtocell tới mạng lõi của 3GPP được thể hiện như trong hình 2.1. Hình 2.1 : Kiến trúc kết nối Femtocell tới mạng lõi (Nguồn : 3GPP) 2.4. Các giải pháp kết nối từ Femtocell đến mạng lõi di động 2.4.1. Kiến trúc dựa trên UMTS Giải pháp Iub trên IP 6 Trong giải pháp này, Femtocell đóng vai trò của một Node B, còn FGW sẽ nằm giữa femtocell và RNC như minh họa ở hình 2.4. Giải pháp này thích hợp khi có ít người kết nối với Femtocell cùng lúc (ví dụ trong gia đình hay văn phòng ít người). Hình 2.4 : Kiến trúc giải pháp Iub-trên-IP Giải pháp Iu trên IP Trong giải pháp này, các femtocell sẽ được tích hợp với mạng lõi di động thông qua các FGW như minh họa ở hình 2.6. Những chức năng của RNC và Node B sẽ được cài đặt trên femtocell và do đó femtocell sẽ liên lạc với FGW thông qua giao diện 3G Iu trên IP. Hình 2.6: Kiến trúc giải pháp Iu trên IP 2.4.2 Kiến trúc dựa trên giải pháp UMA/GAN Giải pháp UMA/GAN có thể được mở rộng đế hỗ trợ giải pháp femtocell bằng cách tích hợp thêm các chức năng của FGW vào trong bộ điều khiển GANC. Hướng giải pháp này rất phù hợp cho những nhà cung cấp mạng đã triển khai hạ tầng GAN/UMA để cung cấp thêm các dịch vụ giá trị gia tăng của công nghệ HSPA (High Speed Packet Access). Kiến trúc kết nối sẽ giống như ở hình 2.6. Tuy nhiên 7 các liên lạc giữa femtocell và FGW sẽ được thực hiện trên giao diện Up của giải pháp UMA. 2.4.3 Kiến trúc dựa trên IMS Giải pháp này nhằm kết nối femtocell trực tiếp với mạng lõi IMS (IP Multimedia Subsystem). Một giải pháp thay thế trong cùng hướng này là dùng softwitch trong đó các femtocell được kết nối với các softwitch thông qua giao diện SIP (Session Initiation Protocol). Hình 2.9 : Kiến trúc giải pháp dựa trên IMS/SIP 2.5. Vấn đề nhiễu 2.5.1. Nhiễu đồng lớp 2.5.1.1. Giới thiệu 2.5.1.2. Các vấn đề do nhiễu đồng lớp Femtocell gây ra Các vấn đề chính do nhiễu đồng lớp femtocell gây ra được tổng hợp trong hình 2.12. Hình 2.12: Các vấn đề chính gây ra bởi nhiễn đồng lớp femtocell 8 2.5.1.3. Giải pháp khắc phục nhiễu đồng lớp trong femtocell Các giải pháp khắc phục nhiễu đồng lớp được tổng hợp trong hình 2.14. Hình 2.14: Các giải pháp chống nhiễu đồng lớp 2.5.2. Nhiễu xuyên lớp Nhiễu xuyên lớp xảy ra khi các thuê bao nằm trong vùng phủ của cả Macrocell và Femtocell hoặc trong vùng phủ của hai Femtocell trong hệ thống mạng. Ví dụ, sự biến đổi do hoạt động của điểm truy cập femtocell thuộc lớp Femtocell, tại đường xuống của một hay một vài macrocell thuộc lớp Macrocell rõ ràng sẽ là một nhiễu xuyên lớp (Hình 2.17). Hình 2.17: Nhiễu xuyên lớp 2.6. Vấn đề ấn định phổ tần số 2.6.1 Ấn định kênh trực giao Ấn định kênh trực giao là một phương pháp tiếp cận hiệu quả để triệt tiêu nhiễu xuyên lớp. Phổ tần được chia thành hai phần, một thuộc về Macrocell và một nửa kia thuộc sự sử dụng của Femtocell. Việc ấn định phổ tần có thể được thực hiện bởi một trong hai phương pháp là ấn định kênh trực giao tĩnh và ấn định kênh trực giao động. 2.6.2. Ấn định đồng kênh 9 Ấn định đồng kênh là một phương pháp khác để đối phó với nhiễu. Các kênh con được chia sẻ giữa lớp macrocell và lớp femtocell, tạo nên một cách sử dụng hiệu quả phổ tần hơn mặc dù khá phức tạp trong triển khai thực hiện. 2.7. Vấn đề truyền tải đa điểm phối hợp CoMP 2.7.1. Kế hoạch CoMP trong đường xuống 2.7.1.1. Kế hoạch phối hợp/Beamforming: Lập kế hoạch phối hợp đạt được bằng cách “bịt miệng” các trạm gốc mà có nhiễu hướng tới UE và chỉ cho phép truyền tải tín hiệu từ BS đang phục vụ. Nói cách khác, trạm di động MS1 nhận được các dữ liệu chỉ từ một trạm gốc. Hình 2.19 là một mô hình hệ thống của hai người dùng. Hình 2.18: Lập kế hoạch phối hợp 2.7.1.2. Đồng xử lý (Joint Processing) Trong đồng xử lý (JP), nhiều eNB chịu trách nhiệm cho việc truyền tải dữ liệu cho một UE cụ thể để nâng cao chất lượng của tín hiệu nhận được và/hoặc hủy bỏ nhiễu cho các thiết bị đầu cuối khác. Các tế bào khác nhau chia sẻ dữ liệu dành cho một UE cụ thể và dữ liệu được phối hợp xử lý tại các tế bào này. Do đó, tín hiệu nhận là tín hiệu được kết hợp tại các thiết bị đầu cuối di động kết hợp hoặc không kết hợp. JP được phân loại thành hai tiểu thể loại cụ thể là, phối hợp truyền tải (JT – Joint Transmission) và lựa chọn tế bào động (DSC Dynamic Cell Selection). (Hình 2.20 ) [...]... dịch vụ qua femtocell 2.8.1 Dịch vụ shopping 11 Hình 2.22 : Mô hình dịch vụ shopping qua femtocell 2.8.2 Bảo tàng Hình 2.23 : Mô hinh ứng dụng femtocell trong bảo tàng 2.8.3 Hội tụ thoại trên di động và cố định Hình 2.24 : Mô hình ứng dụng femtocell trong hội tụ di động – cố định 12 2.8.4 Mạng dùng cho các thiên tai, thảm họa thiên nhiên Hình 2.25 : Ứng dụng femtocell trong việc xây dựng mạng chống... để Femtocell thực sự “mạnh” như trên lý thuyết Song những kết quả đo kiểm cho thấy đây thực sự là một công nghệ có thể mang lại chất lượng dịch vụ tốt hơn, đặc biệt là đối với các trung tâm thương mại Thông lượng tối đa dù chỉ đạt 70% mức lý thuyết đề ra song nếu so với tốc độ tại của mạng 3G khi không có Femtocell thì đây vẫn là mức lý tưởng Luận văn đã trình bày các giải pháp triển khai Femtocell cho. .. Một hoặc hai femtocell là không đủ để cung cấp vùng phủ tốt cho 1 tầng Vòng tròn đen là vị trí các femtocell Công suất CPICH Ec/Io ở mức -16dB hoặc lớn hơn là một dấu hiệu cho thấy vùng phủ tốt Giải pháp cho những vấn đề này là triển khai số lượng femtocell lớn hơn mức nhỏ nhất yêu cầu, với sự tính toán cẩn thận về công suất phát Với số lượng femtocell lớn hơn, 3 vấn đề quan trọng sau sẽ đạt được: 15... mạng Macrocell cũng nhưng nhiễu giữa các Femtocell với nhau Chương III đã tập trung phân tích và giải quyết các vấn đề này Đây là vấn đề quan trọng cho triển khai Femtocell vào thực tiễn 17 CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ ĐO THỬ TRẠM 3G FEMTOCELL TẠI TRỤ SỞ TẬP ĐOÀN VNPT 4.1 Các thiết bị đo 4.2 Nội dung đo kiểm 4.3 Phương pháp đo kiểm và đánh giá Hình 4.1: Sơ đồ đo kiểm trạm 3G - Femto 4.4 Tổng hợp kết quả đo kiểm... thực tế về che chắn, nhiễu và gần như chưa có biện pháp gì để giảm can nhiễu từ mạng macro vào femtocell thì việc đạt 70% năng lực tối đa là có thể chấp nhận được - Thông lượng tối đa khi kết nối trực tiếp tới NodeB không qua Femtocell chỉ đạt bằng 1/9 so với khi có Femtocell Khuyến nghị có thể triển khai Femtocell để phủ sóng, tăng đốc độ truy cập cho người dùng trong các tòa nhà - Chuyển giao giữa... nhà trong mạng macro sẽ quyết định mức nhiễu đồng kênh mà một femtocell phải vượt qua để cung cấp vùng phủ sóng (theo bộ chỉ thị RSSI) Hình 3.4 thể hiện sự khác biệt của RSSI trong tòa nhà khi tòa nhà nằm tại trung tâm và tại biên một tế bào của mạng di động 14 Hình 3.4: Sự khác biệt về nhiễu đồng kênh trong tòa nhà trong trường hợp nằm tại trung tâm và tại biên của một cell trong mạng di động 3.4... dụng femtocell trong việc xây dựng mạng chống thiên tai 2.9 Kết luận Chương II đã giới thiệu các giải pháp để tích hợp và triển khai công nghệ Femtocell vào mạng di động cũng như những vấn đề về kỹ thuật cần được xử lý khi đưa công nghệ này vào thực tiễn đặc biệt là các vấn đề về nhiễu và đưa ra hướng giải quyết Phần cuối của chương đưa ra mô hình chung nhất của một số ứng dụng đã được triển khai trong... tính trên cả hai chiều 4 cuộc - Tỷ lệ cuộc gọi rơi là 0,4% 4.5.5 Thông lượng tối đa - Thông lượng download tối đa 2.183 Mbps - Thông lượng upload tối đa 0.7092 Mbps - Thấp hơn 70% năng lực tối đa của trạm femtocell (DL: 4Mbps; UL: 1,4 Mbps) 4.5.6 Thông lượng tối đa khi kết nối trực tiếp tới NodeB - Thông lượng download tối đa 0.192 Mbps - Thông lượng upload tối đa 71.2 kbps 4.5.7 Dung lượng tối đa Femto... KHI TRIỂN KHAI FEMTOCELL CHO MỘT TÒA NHÀ 3.1 Mô hình tổng quan tòa nhà thương mại 3.1.1 Mô hình RF và tổn hao đường truyền 3.1.2 Mô hình tòa nhà thương mại lớn 3.2 Vấn đề Fading và người sử dụng di chuyển 3.3 Các vấn đề cần xem xét khi phủ sóng femtocell trong tòa nhà 3.3.1 Tổng quan về các vấn đề cần quan tâm khi lập kế hoạch vùng phủ cho đường xuống và đường lên Vị trí của tòa nhà trong mạng macro Biến... lượng femtocell [6]: Số lượng Femtocell = S (m2)/V Trong đó: S: Di n tích tòa nhà (m2) V: Vùng phủ của 1 femtocell và nằm trong khoảng 900-1100m2 3.6 Nguyên tắc quyết định vị trí femtocell Do đó để đảm bảo vùng phủ và nhiễu, một số nguyên tắc sau cần được áp dụng khi xác định vị trí femtocell: - Đầu tiên, các femtocell có thể được đặt đối xứng trên sàn tòa nhà - Thứ 2, các femtocell nằm ở biên của tòa . " ;Giải pháp Femtocell cho mạng thông tin di động 3G& quot;. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 3G TẠI VIỆT NAM VÀ VẤN ĐỀ LƯU LƯỢNG 1.1. Tổng quan về mạng. mạng di động. Đây là nền tảng quan trọng cho các chương tiếp theo của luận văn tiếp tục đi sâu nghiên cứu giải pháp Femtocell cho mạng thông tin di động