Nghiên cứu định cỡ mạng truy nhập vô tuyến trong mạng di động thế hệ thứ 4 LTE

1 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG NGUYỄN VĂN SAN NGHIÊN CỨU ĐỊNH CỠ MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 4 LTE Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.70 Người hướng dẫn khoa học: TS. Dư Đình Viên TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2012 2 GIỚI THIỆU VỀ LUẬN VĂN  Lý do chọn đề tài Theo số liệu thống kê từ bộ Thông Tin và Truyền Thông 2011 lượng thuê bao di động của nước ta đã đạt 111.570.201 thuê bao đạt mức 127,68 máy trên di động trên 100 dân. Trong đó thị phần thuê bao GSM chiếm chủ đạo với gần 98% thuê bao di động(GSM: Viettel 36,72%, MobiFone 29,11 %, VinaPhone 28,71%, VNM 3,18%, Gtel 0,53%. CDMA: EVNTelecom 1,59%, STP 0,53%)[1]. Như vậy chúng ta có thể thấy GSM đang chiếm vai trò quan trọng trong hệ thống thống thông tin di động của nước ta. LTE là tiêu chuẩn mới nhất trong nhóm công nghệ di động của 3GPP, là phiên bản kế tiếp cho các mạng di động. LTE với nhiều cải tiến lớn có thể cung cấp tốc độ đường xuống lên tới 100 Mbit/s, đường lên cao nhất là 50 Mbit/s. Công nghệ LTE hỗ trợ sóng mang từ 1,4 MHz tới 20 MHz và hỗ trợ đa truy nhập phân chia theo tần số (FDD) hoặc theo thời gian TDD. Do vậy việc nghiên cứu định cỡ mạng truy nhập vô tuyến tạo tiền đề cho quá trình triển khai LTE tại nước ta, nên đề tài: “Nghiên cứu định mạng truy nhập vô tuyến trong mạng di động thế hệ thứ 4 – LTE” là cần thiết thực đối với thạc sỹ kỹ thuật viễn thông.  Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết quá trình định cỡ mạng vô tuyến, và quá trình thực hiện định cỡ mạng truy nhập trong LTE. Đồng thời tập 3 trung nghiên cứu chi tiết định cỡ vùng phủ sóng cũng như dung lượng. Tìm hiểu hiện trạng mạng di động tại nước ta đồng thời nghiên cứu triển vọng cũng như xu thế phát triển lên LTE, kết hợp với các kết quả định cở để có được những dự tính ban đầu cho mạng LTE tại Việt Nam trong những năm tới.  Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Công nghệ di động LTE, lý thuyết định cỡ, và các chuẩn hóa bởi 3GPP.  Phương pháp nghiên cứu Tổng hợp tài liệu, kết quả các công trình nghiên cứu LTE trên thế giới, các tiêu chuẩn của 3GPP. Điều tra, tổng hợp việc sử dụng băng tần, giấy phép của các nhà khai thác tại Việt nam. Tìm hiểu các ứng dụng và công cụ sử dụng trong việc quy hoạch mạng LTE, cũng như các tham số cần thiết cho qua trình tính toán. Áp dụng vào thực tiễn của mạng viễn thông Việt Nam nói chung và các mạng di động nói riêng. Đề xuất một số kết quả định cỡ góp phần từng bước phát triển công nghệ mạng di động LTE ở Việt Nam.  Kết quả nghiên cứu đạt được Nội dung của luận văn tập trung vào nghiên cứu quá trình định cỡ mạng truy nhập, đồng thời xây dựng công cụ định cỡ vùng phủ sóng góp phần vào quá trình quy hoạch mạng LTE tại Việt Nam. 4 Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LTE 1.1 Giới thiệu 1.2 Mạng di động tiên tiến LTE 3GPP bắt đầu làm việc về thế hệ tiến hóa của các hệ thống di động 3G từ tháng 11 năm 2004. Nhân dịp khai trương triễn lãm về mạng truy nhập tại Toronto, 3GPP đã giới thiệu tất cả các tổ chức quan tâm, các thành viên và không thuộc thành viên của 3GPP về công nghệ truy cập thế hệ kế tiếp. Điều này dẫn đến sự tham gia của hơn 40 đề xuất từ các hãng dịch vụ di động khác nhau cũng như các viện nghiên cứu về hế thệ mạng truy nhập (Universal Terrestrial Radio Access Network). Kiến trúc tổng quan mạng LTE được thể hiện như hình 1.6. Hình 1.1: Kiến trúc mạng LTE/SAE [13] 21 KẾT LUẬN 3GPP đã phát triển thế hệ mạng di động thứ 4 – LTE với những bước tiến dài về mặt công nghệ. Thành công của LTE đã được minh chứng bởi tộc độ triển khai mạng nhanh chưa từng thấy đối với các thế hệ mạng trước đó, chỉ trong thời gian ngắn LTE đã được sử dụng rộng khắp trên phạm vi toàn thế giới. Ở Việt Nam chúng ta đã có nhiều nghiên cứu cũng như thử nghiệm ban đầu để tiến tới thế hệ mạng viễn thông sau 3G. Vì vậy việc định cỡ mạng truy nhập vố tuyến trong mạng di động thế hệ thứ 4 – LTE là rất cần thiết. Luận văn đã đạt được một số kết quả chính như sau: - Giới thiệu tổng quan về mạng và nêu vắn tắt các công nghệ tiến tiến trong mạng LTE. - Giới thiệu quy trình định cỡ mạng truy nhập. - Xây dựng mô hình mô phỏng kênh truyền tải bằng phần mềm Matlab. - Xây dựng công cụ định cỡ vùng phủ sóng bằng Excel. - Tính toán ban đầu cho mạng viễn thông Việt Nam. 20 3.6 Kết luận chương Chương ba đã tập trung phân tích làm rõ xu thế phát triển LTE trên phạm vi toàn thế giới từ đó khái quát chung nhất tình hình phát triển cũng như xu hướng lựa chọn công nghệ LTE phù hợp với bối cảnh hiện nay. Đồng thời làm rõ nhu cầu thiết thực đối với LTE tại nước ta cũng như sự phát triển của các dịch vụ nội dung trong nước. Ngoài ra nội dung chương cũng đề cập một số khó khăn trong việc lựa chọn tần số tại nước ta và kết quả định cỡ vùng phủ sóng với bộ tham số đầu vào điển hình của mạng LTE. 5 1.3 Kết luận chương Chương một đã trình bày vai trò cũng như tính cấp thiết của việc định cỡ mạng truy nhập. Với mục tiêu xây dựng công cụ định cỡ mạng truy nhập đơn giản thuật tiện, dễ dàng sử dụng trong quá trình quy hoạch cũng như tối ưu mạng truy nhập vô tuyến LTE. Ngoài ra nội dung chương còn nêu bật các khía cạnh kỹ thuật liên quan để làm nền tảng cho quá trình xây dựng cũng như nghiên cứu phương pháp tính toán trong phần tiếp theo. Chương hai sẽ đi sâu nghiên cứu quy trình và phương pháp định cỡ mạng truy nhập vô tuyến LTE. 6 Chương 2 NGUYÊN LÝ ĐỊNH CỠ MẠNG TRUY NHẬP 2.1 Nguyên lý định cỡ mạng vô tuyến Định cỡ là đánh giá đầu tiên nhằm nhanh chóng xác định cấu hình mạng vô tuyến cần thiết bao gồm cả cấu phần mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi. Đối với mạng truy nhập cần xác định được các thông số: vùng phủ sóng và số lượng trạm thu phát, dung lượng của trạm, tốc độ dữ liệu cho phép đối với người sử dụng và cấu hình giao diện mạng truy nhập với mạng lõi. Và trong thực tiễn, quy hoạch là một quá trình lặp đi lặp lại các khâu bao gồm phân tích, thiết kế, xây dựng và triển khai hệ thống. Với mục tiêu thiết yếu của quá trình quy hoạch là cung cấp một phương pháp thiết kế mạng di động không dây đạt được các yêu cầu đề ra. Đây là một quá trình rất quan trọng trong việc triển khai mạng di động nói chung, và tùy vào điều kiện thực tế có thể có các thay đổi nhưng xét tổng quan toàn bộ quá trình quy hoạch có khái quát bao gồm các bước như hình 2.1. Định cỡ Yêu cầu: vùng phủ sóng và dung lượng Quy hoạch chi tiết QH vùng phủ sóng, lựa chọn BTS Yêu cầu về dung lượng Cấu hình định cỡ Tối ưu Phân tích chất lượng Hình 2.1: trình quy hoạch mạng vô tuyến [8] 19 Đầu vào Băng thông (MHz) 5 Băng tần (MHz) 2600 Loại địa hình City Mô hình kênh Okumura-Hata Suy hao tối đa dB 140.1572837 Kết quả Bán kính ô km 0.846236339 Omi directional site Km2 1.861901448 Bi-sector site Km2 2.420471882 Tri -sector site Km2 3.630707823 KẾT QUẢ ĐỊNH CỠ a) Mô hình Okumura-Hata Đầu vào Băng thông (MHz) 5 Băng tần (MHz) 2600 Loại địa hình City Mô hình kênh COST 231 Hata Suy hao tối đa dB 140.1572837 Kết quả Bán kính ô km 0.235052988 Omi directional site Km2 0.143649759 Bi-sector site Km2 0.186744687 Tri -sector site Km2 0.28011703 b) Mô hình COST 231 Hata Đầu vào Băng thông (MHz) 5 Băng tần (MHz) 2600 Loại địa hình City Mô hình kênh COST 231 Walfisch-Ikegami NLOS Suy hao tối đa dB 140.1572837 Kết quả Bán kính ô km 0.19037602 Omi directional site Km2 0.094231876 Bi-sector site Km2 0.122501438 Tri -sector site Km2 0.183752157 c) Mô hình COST 231 Walfsch-Ikegami Hình 3.6: Bán kính ô thu được 18 Ngôn ngữ Vietnamese Băng thông (MHz) 5 Băng tần (MHz) 2600 Quỹ năng lượng đường truyền UL DL Công suất phát (dBm) 23 46 Độ lợi ăng ten (dB) 8 14 Suy hao hệ thống (dB) 0 0 Suy hao bộ thu (dB) 0 0 Nhiễu nhiệt (dB) -174 -174 Phía thu Độ lợi ăng ten (dB) 18 0 Hệ số nhiễu (dB) 4 8 Độ lợi phân tập (dB) 0 0 Suy hao bộ thu (dB) 1 0 Xuyên nhiễn Tải ô lân cận (%) 50 Xác xuất vùng phủ sóng (%) 90 Mô hình kênh Loại địa hình City Độ cao angten phát (m) 30 Độ cao angten thu (m) 1.5 Độ cao của tòa nhà (m) 30 Góc nhìn (độ) 30 Khoảng cách các tòa nhà (m) 80 Độ rộng đường phố (m) 30 Okumura-Hata Thông số hệ thống ĐỊNH CỠ VÙNG PHỦ SÓNG Ước tính vùng phủ sóng Thông số khác Hình 3.4: Thông số đầu vào quá trình định cỡ 7 2.2 Định cỡ mạng truy nhập LTE Quá trình định cỡ LTE bắt đầu với việc tính toán quỹ năng lượng đường truyền LBR, nhằm xác định suy hao đường truyền cho phép tối đa. Kết quả của bước này phụ thuộc vào việc lựa chọn mô hình truyền sóng được sử dụng. Từ đó giúp ước tính bán kính ô lớn nhất có thể phủ sóng được và quy đổi ra diện tích phủ sóng để xác định lượng trạm thu phát gốc cần tính, tiếp đến ước tính được sơ bộ số lượng eNB yêu cầu, quá trình định cỡ được thể hiện như hình 2.3. Hình 2.3: Quy trình định cỡ mạng truy nhập [9],[14] 2.3 Định cỡ vùng phủ sóng Vùng phủ sóng được thực hiện dựa trên tính toán RLB, sẽ xác định được suy hao đường truyền tối đa cho phép. Hay nói cách khác chính là xác định khoảng cách lớn nhất được phép truyền đi để đảm bảo phía thu nhận được tín hiệu ở mức cho phép. Suy hao đường truyền tối đa được sử dụng để tính toán khoảng cách tối đa bằng cách 8 sử dụng các mô hình truyền dẫn thích hợp. Đây chính là bán kính của ô nhằm sử dụng để tính số lượng ô cần thiết để phủ sóng vùng cần quy hoạch. Hình 2.2: Quỹ năng lượng đường truyền RLB [21] Hình 2.2 minh họa việc tính toán quỹ năng lượng đường truyền. Ăng ten phát bức xạ năng lượng theo hướng của ăng-ten nhận. Công suất nhận được tại phía ăng ten thu phụ thuộc vào công suất của phía phát và định hướng của phía phát, ngoài ra còn phụ thuộc vào việc phân tập phát cũng như suy hao gặp phải do môi trường truyền bao gồm cả suy hao không gian tự do và chướng ngại vật như nhà cửa, cây cối …. Trong hình 2.2 suy hao không gian tự do được mô tả bởi đường màu xanh, suy hao trong nhà là đường màu hồng. Ngòai ra phải tính tới nhiễu do các nguồi khác gây ra cũng như nhiễu nhiệt của 17 3.5 Kết quả định cỡ Trong phần này sẽ minh họa áp dụng công cụ định cỡ để tính vùng phủ sóng với các thông số phù hợp với điều kiện tại nước ta. Bộ tham số đầu vào được lựa chọn để minh họa công cụ định cỡ như hình 3.4. Kết quả thu được bán kính ô như hình 3.6 ở trang tiếp theo. Ứng với mô hình truyền sóng Okumura-Hata kết quả thu được như hình 3.6 a, COST 231 Hata tương ứng với hình 3.6 b và kết quả hình 3.6 c tương ứng với mô hình COST 231 Walfisch-Ikegami. Bán kính ô sẽ được sử dụng để tính số lượng ô cần dùng như công thức 2.23. Kết quả cho thấy với mô hình Okumura-Hata thu được bán kính ô lớn nhất. Mô hình COST 231 Hata với các tham số được hiệu chỉnh để phù hợp hơn với tần số cao do vậy vùng phủ sóng cũng bé hơn. Đối với mô hình COST 231 Walfisch-Ikegami bán kính thu được bé nhất. Từ đó kết quả trên, Việt Nam nên áp dụng mô hình Okumura- Hata cho các vùng nông thôn, mô hình COST 231 Hata cho các thành phố với mật độ dân lớn hơn. Và đối với các thành phố lớn như Hà Nội và Hồ Chí Minh với kiến trúc đô thị phức tạp nên sử dụng mô hình COST 231 Walfisch-Ikegami. 16 3.3 Băng tần LTE tại Việt Nam 3.4 Thực hiện mô phỏng kênh truyền Để thực hiện xác định SINR yêu cầu cần tiến hành thực thi mô hình mô phỏng kênh truyền trong LTE bởi mô hình đã được mô tả chi tiết ở phần 2.3.3. Quá trình thực hiện mô phỏng với mức tỷ lệ mã 1/3 và mã hóa QPSK, đây là MCS yêu cầu giá trị BER thấp nhằm tăng vùng phủ sóng của ô và kênh truyền sử dụng cấu hình MIMO 2x2 để đơn giản hóa tính toán và đây cũng là một cấu hình thực tế phù hợp với các thiết bị di động, giá trị BER được tính toán như là kết quả mô phỏng ở hình 3.2. Hình 3.2: Thực thi mô phỏng kênh truyền. 9 bản thân hệ thống máy thu. Sau khi tính toán tất cả các yếu tố trên, các độ lợi được cộng vào và suy hao trừ đi chúng ta có được công suất nhận được ở phía thu. 2.4 Công cụ định cỡ Excel được lựa chọn để thực hiện định cỡ vùng phủ sóng mạng Long Term Evolution (LTE). Phần mềm sẽ thực hiện những tính toán cần thiết để đưa ra kết quả cuối cùng là bán kính ô cũng như số lượng trạm thu phát gốc cần thiết. Excel được lựa chọn là công cụ chính, kết hợp với sự hỗ trợ mô phỏng của MATLAB để thực hiện quá trình định cỡ. Excel là một ứng dụng bảng tính với các tính năng đặc biệt để thực hiện tính toán và cung cấp một loạt các đồ họa thân thiện cũng như dễ sử dụng đối với người dùng, chính điều đó đã tạo nên tính phổ biến rộng rãi của ứng dụng này [20]. Bảng tính được thiết kế riêng biệt từng trang, các tính toán trung gian và công thức chi tiết được đặt trên các trang tách biệt. Do đó, người dùng có thể sử dụng công cụ mà không cần thiết đi vào chi tiết từng công thức. Lý tưởng nhất, người dùng chỉ phải nhập thông số đầu vào ở trang yêu cầu đầu vào và thu được kết quả đầu ra ở trang kết quả cuối cùng. Ngoài ra bảng tính còn được xây dựng với hai ngôn ngữ là tiếng Anh và tiếng Việt, người sử dụng có thể lựa chọn ngôn ở trang nhập dữ liệu đầu tiên để thiết lập ngôn ngữ trong toàn bảng tính. Giao diện đầu vào như hình 2.12, tính toán RLB như hình 2.13 và kết quả đầu ra như hình 2.14. 10 Hình 2.12: Thông số đầu vào công cụ định cỡ 15 Tốc độ tăng trưởng thuê bao sử dụng dịch vụ 3G khá cao, chỉ sau một năm đi vào hoạt động cứ 10 thuê bao thì có 1 thuê bao sử dụng dịch vụ 3G đó là một tỷ lệ ấn tượng so với mặt bằng chung của các nước trong khu vực. Trong đó có một số dịch vụ đạt được tỷ lệ sử dụng đáng chú ý như bảng 3.1. Với hơn một trăm triệu thuê bao di động, cộng với sự phát triển ngày càng tăng của các nội dung số, dịch vụ dữ liệu trên nền điện thoại di động hứa hẹn sẽ mạng lại doanh thu to lớn trong những năm tới. Bảng 3.1: Thống kê một số dịch vụ dữ liệu [23] Dịch vụ Tỷ lệ Mobile Internet 5% Tải nhạc chuông 5% Tải hình ảnh 4% Nghe nhạc trực tuyến 4% Tải bản nhạc hoàn chỉnh 3% Tín nhắn MMS 2% Tin nhắn cập nhật 2% Chat 2% Tải nội dung lên 1% Tải trò chơi 1% Xem video trên điện thoại 1% [...]... toàn thế 2.5 Kết luận chương giới đã có 42 nhà mạng khai trương dịch vụ LTE Và dự báo đến hết Chương hai đã tập trung phân tích làm rõ phương pháp định cỡ năm 2012 sẽ khoảng 150 nhà mạng trên 64 quốc gia hoàn thành triển mạng truy nhập cũng như vai trò của định cỡ trong quá trình quy khai LTE Cũng theo số liệu từ hiệp hội các nhà cung cáp dịch vụ di hoạch mạng vô tuyến Đặc biệt đi sâu nghiên cứu quy... 139.558 13.101 143 .36 0 6.5 3.9 L Hình 2.13: Quỹ năng lượng đường truy n RLB 139 .46 12 13 KẾT QUẢ ĐỊNH CỠ Chương 3 ỨNG DỤNG TRONG LTE TẠI VIỆT NAM Đầu vào Băng thông (MHz) Băng tần (MHz) Loại địa hình Mô hình kênh Suy hao tối đa 5 2600 City Okumura-Hata dB 3.1 Xu thế phát triển LTE trên thế giới Công nghệ di động LTE mang lại nhiều cải tiến vượt trội như: LTE đạt mức tải xuống 100Mb/giây trong khi tốc... ô Người dùng di động có nhiều cơ hội tiếp cận với nhiều lựa chọn 18 4 1 13 50 3.0103 SINR yêu cầu MSC Kết quả mô phỏng SINR yêu cầu tại biên ô -1 74 -107 .47 a b c d e D=a+b-c+d-e bps/Hz dB 5 DL 46 14 0 0 0 60 2600 5 90 4. 5 300 -1 74 -107 .47 0 8 0 -8 50 3.0103 64QAM 1/3 S 12 840 0 0.33333 0.56 0.38 2 .49 761 p 25200 q 0.3333 SE=1000*p*q/BW 1.68 Alph 0.38 S=10*log10(2^(SE/Alph)-1) 13.101 5 143 .45 8 S L1=D-G+K-S... nghiên cứu quy trình định cỡ động GSA (Global Mobile Suppiers Association), hiện nay có vùng phủ sóng cũng như các thông số liên quan tới quá trình tính khoảng 338 nhà mạng tại 101 quốc gia trên toàn thế giới đang đầu tư toán định cỡ vùng phủ sóng, đồng thời xây dựng công cụ định cỡ dựa mạng LTE, đó là một thành tựu đáng kinh ngạc sau bốn năm LTE đi trên phần mềm tính toán Excel Trong chương tiếp theo... Bán kính ô Omi directional site Bi-sector site Tri -sector site km Km2 Km2 Km2 năng sử dụng nhiều băng tần khác nhau [12] Bên cạnh đó, LTE được phát triển dựa trên kiến trúc mạng hiện có nên giảm thiểu chi phí đầu tư xây dựng mạng Chính vì vậy LTE đạt được tốc độ tăng trưởng nhanh hơn hẳn so với các thế mạng trước đó như 2G hay 3G Hình 2. 14: Kết quả đầu ra Cho tới nay chỉ tính riêng trong năm 2012... thất 2 SD of SF Dự trữ fading dB/Km dB dB Tổng suy hao dB phong phú về dịch vụ với chất lượng tốt hơn Và yêu cầu về băng chỉ có thể thực hiện trên máy tính, nay có thể thực hiện trên đầu cuối di động Việc phát triển các dịch vụ dưới dữ liệu mới sẽ là động lực để phát triển công nghệ LTE tại Việt Nam Eff_BW=BW*BW_eff G=No * W h i j K=h-i-j l m QPSK 1/3 Công thức Shannon Số bít trong mỗi giây (Kb/s) Tỷ... kinh ngạc sau bốn năm LTE đi trên phần mềm tính toán Excel Trong chương tiếp theo sẽ tập trung vào thực tiễn [31] Hình 3.1 thể hiện bức tranh toàn cảnh về LTE trên phân tích khả năng ứng dụng LTE tại nước ta cũng như bước đầu toàn thế giới hiện nay định cỡ ... Băng tần Băng thông Độ hiệu dung Băng tần Băng tần khả dụng Tổng số sóng mang con Hình 3.1: Thống kê LTE trên toàn cầu [ 24] dBm dB dB dB dB dB dBm/Hz dBm Độ lợi ăng ten Hệ số nhiễu Suy hao phía thu UE (độ lợi, suy hao) dB dB dB dB Tải ô lân cận Nhiễu từ các ô lân cận dB thông sẽ còn tiếp tục tăng nhanh trong thời gian tới do khả năng xử lý của đầu cuối người dùng không ngừng tăng nền và người dùng luôn... 14 11 Thông số Đơn vị UL Mô tả Công suất phát Độ lợi ăng ten Suy hao hệ thống Độ lợi phân tập Suy hao khác EIRP Kể từ khi khai trương dịch vụ 3G ở Việt Nam (WCDMS / UMTS, WCDMA/HSPA, WCDMA/HSPA+) tới nay lượng thuê bao cũng như lưu lượng sử dụng dịch vụ dữ liệu không ngừng gia tăng Mhz Mhz % Mhz 2600 5 90 4. 5 300 Mật độ nhiễu nhiệt Tổng nhiễu nhiệt 3.2 Nhu cầu phát triển LTE tại VIỆT NAM . HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG NGUYỄN VĂN SAN NGHIÊN CỨU ĐỊNH CỠ MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 4 LTE Chuyên ngành:. cho quá trình triển khai LTE tại nước ta, nên đề tài: Nghiên cứu định mạng truy nhập vô tuyến trong mạng di động thế hệ thứ 4 – LTE là cần thiết thực