Quy hoạch mạng vô tuyến sử dụng công nghệ LTE của NOKIA SIMENS NETWORKS

MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, mạng không dây ngày càng trở nên phổ biến với sự ra đời hàng loạt những công nghệ khác nhau như Wi-Fi 802.1x, WiMax 802.16, … Cùng với đó là tốc độ phát t

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

HOÀNG VĂN AN

QUY HOẠCH MẠNG VÔ TUYẾN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ LTE CỦA

NOKIA SIEMENS NETWORKS

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60.52.70

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2012

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS.Phạm Việt Hà

(Ghi rõ học hàm, học vị)

Phản biện 1: TS.Nguyễn Chiến Trinh

Phản biện 2: TS Đỗ Quốc Trinh

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: 14 giờ 00 phút ngày 20 tháng 01 năm 2012

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

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

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, mạng không dây ngày càng trở nên phổ biến với sự ra đời hàng loạt những công nghệ khác nhau như Wi-Fi (802.1x), WiMax (802.16), … Cùng với

đó là tốc độ phát triển nhanh, mạnh mẽ của mạng viễn thông phục vụ nhu cầu sử dụng của hàng triệu người mỗi ngày trên thế giới Hệ thống di động thứ hai với GSM và CDMA là những ví dụ điển hình đã phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam Tuy nhiên thị trường viễn thông càng mở rộng thì càng thể hiện rõ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai Sự ra đời của

hệ thống di động thứ ba với các công nghệ tiêu biểu như WCDMA hay HSPA là một tất yếu

để 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

Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 2G hay 3G vẫn đang hoạt động và phát triển Tuy nhiên để đáp ứng được các nhu cầu ngày càng tăng về dịch vụ băng rộng thì các nhà mạng trên thế giới đã và đang triển khai thử nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng và có thể sẽ trở thành chuẩn di động 4G trong tương lai đó là LTE (Long Term Evolution) Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này đã chứng tỏ được năng lực tuyệt vời của công nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE rộng rãi trên toàn cầu

Khi triển khai công nghệ LTE sẽ có thể đáp ứng được các dịch vụ băng rộng mọi lúc mọi nơi trong khi vẫn di chuyển chẳng hạn như: video conference, dịch vụ tương tác chất lượng cao, xem phim chất lượng cao HDTV, điện thoại có hình, game trực tuyến, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu… với một tốc độ siêu tốc Đó chính là sự khác biệt giữa mạng

di động thế hệ thứ 3 (3G) và mạng di động thế hệ thứ 4 (4G)

Hiện tại, nhà cung cấp thiết bị viễn thông Nokia Siemens Networks là người đi đầu trong việc phát triển và thương mại hóa thiết bị công nghệ LTE hàng đầu thế giới Đã cung cấp và triển khai thiết bị công nghệ LTE cho 11 nhà mạng trên thế giới và được đánh giá cao về chất lượng và hiệu suất mạng đem lại

Hiện nay, em đang công tác tại công ty Nokia Siemens Networks và cũng chuẩn bị được cử đi tập huấn và đào tạo về thiết bị 4G LTE Chính vì vậy, em đã lựa chọn luận văn

nghiên cứu về công nghệ LTE có tên là: “Quy hoạch mạng di động sử dụng công nghệ

LTE của Nokia Siemens Networks” để tìm hiểu sâu hơn về công nghệ và thiết bị của

Nokia Siemens Networks phục vụ cho mục đích nghiên cứu và công việc của bản thân tốt hơn Luận văn gồm 3 chương chính sau:

Chương I: Tổng quan về công nghệ LTE của Nokia Siemen Network

Chương II:Quy hoạch mạng di động sử dụng công nghệ LTE của Nokia Siemen Network Chương III: Tình hình triển khai công nghệ LTE tại Việt Nam

Chương 1- TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE CỦA NOKIA

SIEMENS NETWORKS

1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động

Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý tưởng về thiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di động sau này Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đến lĩnh vực thông tin di động Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin di động đã cải thiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được

1.1 Công nghệ LTE của NSN

1.2.1 Cấu trúc mạng LTE của NSN

Kiến trúc mạng LTE khác so với kiến trúc mạng 3G UMTS Nguyên tắc thiết kế kiến trúc mạng LTE dựa theo tiêu chuẩn 3GPP TS25.913

Kiến trúc LTE/EPC được hướng tới để tối ưu hóa hệ thống truyền tải dữ liệu gói Không có các thành phần chuyển mạch kênh Kiến trúc mạng LTE được gọi là kiến trúc phẳng: chỉ có duy nhất một thành phần mạng trong mặt phẳng người dùng (eNodeB) giữa mạng vô tuyến và mạng lõi Thành phần RNC không còn tồn tại trong kiến trúc khi mà eNodeB thực hiện các chức năng của RNC Các giao thức vô tuyến được kết cuối tại RNC trong 3G thì sẽ được kết cuối tại eNodeB trong hệ thống EPS

1.2.2 Các thành phần trong mạng

eNodeB: eNodeB là thành phần mạng duy nhất nằm ở phía vô tuyến, nó là sự kết hợp

giữa NodeB/RNC trong mạng UMTS và nó cung cấp tất cả các chức năng quản lý vô tuyến

Thực thể quản lý di động(MME): Thành phần báo hiệu trong suốt bên trong EPC Serving Gateway(S-GW): quản lý dữ liệu người dùng trong mạng lõi EPC Nhận và

gửi dữ liệu gói tới eNodeB

Packet Gateway(P-GW or PDN-GW): có nhiệm vụ kết nối giữa mạng lõi và các

mạng dữ liệu gói bên ngoài Có khả năng tương thích với các chức năng bên trong GGSN của mạng 2G/3G

PCRF( Policy and Charging Rule Function): có trách nhiệm cho việc thi hành các

chính sách tính cước và thương thảo chất lượng QoS với các mạng dữ liệu bên ngoài

HSS(Home Subscriber Server): là cơ sở dữ liệu thuê bao tập trung bao gồm cả dịch

vụ dữ liệu và tính di động của từng thuê bao Nó cũng chứa cả chức năng xác thực AuC

1.2.3 Giao diện trong mạng

Giao diện X2: là giao diện logic giữa các eNodeB bởi vì nó không cần các kết nối vật lý trực tiếp giữa site-to-site

Giao diện S1: giao diện S1 được chia thành hai loại

Giao diện S1-U: giao diện mặt phẳng người dùng giữa eNodeB và S-GW Giao diện này chỉ dùng cho dữ liệu

Giao diện S1-MME: giao diện mặt phẳng điều khiển giữa eNodeB và MME cho việc trao đổi các bản tin Non Access Stratum giữa MME và UE( chẳng hạn bản tin tìm gọi, cập nhật vị trí, xác thực)

1.3 Ưu điểm của LTE

Phạm vi đối với LTE như được định nghĩa trong chuẩn 3GPP là có tốc độ cao, độ trễ thấp và có công nghệ truy cập vô tuyến tối ưu đối với gói tin Ngoài ra chi phí lắp đặt và vận hành mạng cũng là một vấn đề cần quan tâm Khi so sánh với công nghệ 3G UMTS thì LTE

có một số khác biệt cơ bản sau

 Kỹ thuật truy cập vô tuyến mới (sử dụng OFDMA và SC-FDMA)

 Lập lịch miền tần số

 Độ linh hoạt tần số và băng thông

 Sử dụng các kỹ thuật đa truy cập đối với FDD và TDD trong LTE

 Kiến trúc phẳng và dựa trên nền gói

 Không có chuyển giao mềm và mềm hơn

 Không cần quy hoạch neighbor

 Công suất tiêu thụ năng lượng của UE giảm

1.4 Một số dòng sản phẩm của NSN

Hãng Nokia Siemens Networks có các dòng sản phẩm tương ứng với các thiết bị trong mạng 4G LTE Bao gồm:

 Flexi Multiradio BTS

 Flexi Network Server

 Flexi Network Gateway

1.5 Kết luận chương

Trong toàn bộ chương 1 đã giới thiệu qua về quá trình phát triển của mạng di động từ 1G lên đến 4G và xu hướng phát triển tương lai Ngoài ra nội dung chương 1 còn trình bày tổng quan về công nghệ LTE của hãng Nokia Siemens Networks bao gồm: kiến trúc mạng, các thành phần cơ bản trong mạng, giao diện tồn tại trong mạng cùng với việc giới thiệu qua một số dòng sản phẩm hiện thời mà Nokia Siemens Networks đang cung cấp trên thị trường viễn thông đó là Flexi NS, Flexi NG và Flexi Multiradio BTS

Chương 2- QUY HOẠCH MẠNG DI ĐỘNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ LTE CỦA NOKIA SIMENS NETWORKS

2.1 Khái niệm về quy hoạch mạng

Quy hoạch mạng LTE bao gồm 3 bước chính: định cỡ hay còn gọi là khởi tạo, quy hoạch chi tiết, vận hành và tối ưu hóa mạng

2.2 Các bước quy hoạch vô tuyến của Nokia Siemens Networks

 Dải tần sử dụng

 Chọn vị trí trạm

 Thiết kế trạm

 Tham số Antena và eNodeB

 Quy hoạch CellID lớp vật lý

 Quy hoạch tần số

 Quy hoạch Neighbor

 Quy hoạch vùng Tracking

 Quy hoạch PDCCH

2.3 Thiết kế trên nền tảng hạ tầng vô tuyến của mạng 2G/3G sẵn có

Khuyến nghị NSN:

 Quá trình thiết kế site nên cân nhắc các yêu cầu về độ cách ly giữa các hệ thống

 LTE và GSM850/900 BTS nên có ít nhất độ cách ly là 40dB

 LTE và DCS1800/PCS1900 BTS nên có độ cách ly ít nhất là 46dB

 LTE và UMTS BTS nên có ít nhất độ cách ly là 40dB

 LTE và WiMAX BTS nên có ít nhất độ cách ly là 60dB

 Yêu cầu cách ly đạt được bằng việc tính toán vị trí đặt của các antenna

2.4 Quy hoạch mạng lõi của Nokia Siemens Networks

2.4.1 Tổng quan về kiến trúc mạng lõi EPC của Nokia Siemens Networks

Giải pháp LTE EPC là phiên bản 3GPP R8, là thành phần kết nối mạng vô tuyến LTE tới các mạng dịch vụ và nội dung đồng thời hỗ trợ khả năng tương tác giữa mạng vô tuyến LTE và các mạng truy cập vô tuyến 2G/3G Ngoài ra còn cung cấp các giao diện kết nối cho việc quản lý dữ liệu thuê bao, xác thực, xác nhận người dùng và kiểm tra số liệu, hệ thống tính cước và hệ thống điều khiển chính sách

Giải pháp mạng lõi LTE của NSN cung cấp kết nối giữa mạng vô tuyến LTE và các mạng về dịch vụ và nội dung Nó còn xử lý tính di động thuê bao trong cùng mạng LTE và giữa mạng LTE với các mạng vô tuyến khác

2.4.2 Giải pháp triển khai mạng lõi LTE EPC

Mô hình triển khai overlay

Khi công nghệ LTE/SAE đưa ra, thì hướng triển khai đó là sử dụng LTE/SAE như là một giải pháp overlay Theo hướng này thì mạng hiện thời sẽ không bị thay đổi khi mà sử dụng công nghệ mới LTE/SAE

Mở rộng vùng phủ và dung lượng

LTE có sự thay đổi trong việc nâng cao tốc độ đối với các lưu lượng di động Kiến trúc mạng phẳng đã được Nokia Simens Networks chứng minh trong công nghệ 3G bằng công nghệ Direct Tunnel, sẽ thay đổi kiến trúc kết nối của S/P-GW EPC Trong quá trình chuyển giao giữa các hệ thống và trong cùng hệ thống sẽ được cập nhật tới S/P-GW Điều này sẽ

làm tăng lượng báo hiệu cho từng thuê bao Khi báo hiệu được kết hợp thêm các báo hiệu dành cho AAA, tính cước, điều khiển chính sách, sẽ làm cho toàn quá trình xử lý tăng lên đáng kể Cuối cùng, mật độ thuê bao sẽ rất cao bởi vị kết nối luôn luôn được duy trì, và tăng theo cấp số nhân khi số thuê bao kết nối vào mạng

Tính bảo mật trong mạng lõi

Các yêu cầu về bảo mật được phát triển cùng với mạng và LTE/SAE cung đưa ra các yêu cầu mới cho các mạng lõi phát triển Các mạng truyền tải được nâng cấp từ mạng dựa trên ATM và ghép kênh phân chia theo thời gian tới mạng truyền tải trên nền IP Các kết nối

IP tạo ra nhiều thử thách về vấn đề bảo mật bởi việc quản lý tập trung các luồng lưu lượng Các nhà mạng phải bảo vệ khách hàng và bản thân mạng lưới của họ tránh khỏi việc tấn công từ các hệ thống bên trong và bên ngoài

2.5 Kết luận chương

Trong chương này đã trình bày về các bước chi tiết trong việc quy hoạch mạng LTE do Nokia Siemens Networks đưa ra đối với mạng vô tuyến và mạng lõi Ngoài ra nội dung chương cũng mô tả các thành phần chi tiết cần phải quy hoạch trong mạng vô tuyến, các khuyến nghị và yêu cầu trong việc triển khai đồng site với các trạm 2G/3G để tránh được việc gây nhiễu cho nhau Chương còn trình bày rõ các chức năng của các thành phần trong mạng lõi và mô hình triển khai mạng lõi theo kiểu overlay để tận dụng hạ tầng 2G/3G có sẵn Đưa ra được các dịch vụ băng thông rộng mà LTE có thể đáp ứng

Chương 3 - TÌNH HÌNH TRIỂN KHAI CÔNG NGHỆ LTE TẠI

VIỆT NAM

3.1 Xu hướng phát triển LTE trên thế giới

Nhanh hơn, nhiều hơn, tốt hơn … con người luôn muốn cải thiện điều kiện sống của mình và điều đó cũng chính xác với thế giới công nghệ Trong khi mạng 3G vẫn đang trong giai đoạn phát triển đầu tiên của mình trên toàn cầu thì các nhà sản xuất đã chuẩn bị giới thiệu đến người dùng mạng 4G Nhưng đâu sẽ là giải pháp thống nhất cho nhiều chuẩn mạng với các điều kiện hạ tầng, kỹ thuật khác nhau trên toàn thế giới? Liệu sẽ có một chuẩn mạng thống nhất trong tương lai hay không?

Nhiều nhà mạng trên toàn thế giới có lẽ đã tìm ra giải pháp chung khi chính thức xác nhận về việc triển khai hoặc chuẩn bị cho mạng LTE Những nhà cung cấp thiết bị đầu cuối cũng hứa hẹn sẽ giới thiệu nhiều sản phẩm phục vụ hệ mạng 4G này

3.1.1 Các nhà phát triển thiết bị và nội dung số nói gì ?

Cũng tại MWC, RIM – nhà sản xuất nổi tiếng với sản phẩm BlackBerry – xác nhận kết nối LTE sẽ được trang bị cho dòng sản phẩm mới PlayBook của mình từ giữa năm 2011

“PlayBook là máy tính bảng chuyên nghiệp đầu tiên dành cho người thực sự muốn hoàn tất mọi việc”- đại diện RIM cho biết Và với mong muốn giúp người dùng tận dụng được hết mọi chức năng của sản phẩm, một kết nối mạnh mẽ như LTE chính là yêu cầu không thể thiếu cho PlayBook

Trong khi đó, với khoảng 170 thiết bị di động đang chính thức hoạt động trên hệ điều hành Android Google ủng hộ mạnh mẽ LTE Eric Schmidt –CEO của Google – cho rằng

“LTE sẽ là nền tảng cho những ứng dụng mạnh mẽ mà hiện giờ chúng ta chỉ mới tưởng tưởng đến” Ông tin tưởng rằng thiết bị di động với hệ điều hành mở (như Android), điện toán đám mây, và hạ tầng LTE chính là những điều kiện đưa con người bước vào giai đoạn mới của sự phát triển công nghệ

Với sự hậu thuẫn từ nhiều phía, LTE có thể sẽ rất nhanh chóng trở thành chuẩn mạng 4G thống nhất trên toàn thế giới Tuy nhiên, với sự phát triển rất nhanh chóng của công nghiệp di động toàn cầu, người tiêu dùng có lẽ đã có thể bắt đầu đặt câu hỏi về sự xuất hiện của mạng 5G nào đó trong nay mai

3.1.2 Tình hình triển khai LTE trên thế giới

Tính đến 05/01/2012, đã có 49 nhà mạng đã triển khai và cung cấp dịch vụ di động 4G LTE Cụ thể, năm 2009 có 2 nhà cung cấp dịch vụ LTE đầu tiên là TeliaSonera ở Na-Uy và Thụy Điển Năm 2010 có 15 nhà cung cấp dịch vụ LTE Năm 2011 có thêm 29 nhà mạng LTE Đầu năm 2012, 3 nhà mạng cung cấp dịch vụ LTE mới là Viva Bahrain, T-Mobile Hungary và KT Hàn Quốc

Tổ chức GSA dự báo từ nay đến cuối năm 2012 sẽ có 110 nhà cung cấp dịch vụ LTE trên hơn 50 nước trên thế giới Năm 2012 hứa hẹn là năm của công nghệ LTE

3.2 Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ LTE vào Việt Nam

3.2.1 Xu hướng nhu cầu sử dụng tại Việt Nam

Internet là phương tiện thông tin phổ biến nhất tại Việt Nam, tỷ lệ người sử dụng Internet tại Việt Nam là 31.5 % tại thời điểm tháng 1 năm 2011 Tỷ lệ này khá tương tự với các quốc gia khác như Trung Quốc, Philippines và Thái Lan

Tại các khu vực thành thị khoảng hơn 60% dân số có truy cập Internet Tỷ lệ sử dụng Internet ở Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh thậm chí còn cao hơn Internet thường được truy cập tại nhà hay nơi làm việc Nhóm tuổi trẻ thường sử dụng tại dịch vụ Internet công cộng/quán cà phê nhiều hơn

3.2.2 Tình hình triển khai LTE tại Việt Nam

Đầu tháng 10/2011 vừa rồi, hãng viễn thông Ericsson Việt Nam đã phối hợp với Cục Tần số Vô tuyến điện của Bộ Thông tin và Truyền thông trình diễn công nghệ LTE - công nghệ tiền 4G trước sự chứng kiến của đại diện của Bộ cùng các mạng di động Việt Nam Chuyên gia của Ericsson cho biết nếu như tốc độ của dịch vụ ADSL được cung cấp tại Việt Nam trung bình từ 1,5Mbps -6Mbps đã là băng rộng thì với LTE, thế vẫn chưa là gì Công nghệ TD-LTE có tốc độ lý tưởng lên đến 110Mbps với cấu hình 4.1 tương tự như FDD-LTE Đợt trình diễn công nghệ lần vừa rồi được thực hiện trên băng tần 2300MHz-2400MHz

Cùng dịp này, Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam VNPT đã công bố triển khai

và lắp đặt thành công trạm BTS công nghệ LTE đầu tiên tại Việt Nam Là một trong năm doanh nghiệp được Bộ Thông tin và Truyền thông cấp giấy phép thử nghiệm dịch vụ công nghệ 4G với thời hạn giấy phép là 1 năm, ngay sau khi có được giấy phép, VNPT đã khẩn trương tiến hành thực hiện Dự án thử nghiệm cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng công nghệ LTE

Trạm BTS công nghệ LTE đầu tiên của VNPT/VDC được đặt tại nhà Internet, lô 2A, làng Quốc tế Thăng Long, Cầu Giấy, Hà Nội (trụ sở của công ty Điện toán và truyền số liệu VDC)

Với thử nghiệm của mình, các chuyên gia VDC cho hay, LTE có thể đạt tốc độ tải xuống là 100Mbps, tốc độ tải lên đạt 50Mbps với băng thông 20MHz; hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0-15km/h; vẫn hoạt động tốt với tốc độ di chuyển thuê bao