Nghiên cứu hệ thống lte advanced và đề xuất hướng triển khai tại viettel đồng nai,luận văn thạc sỹ kỹ thuật điện tử

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC Họ tên học viên: Nguyễn Văn Dũng Năm sinh: 1984 Cơ quan công tác: Tập Đồn Viễn Thơng Qn Đội Khố: 19 Chun ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 Cán hướng dẫn: TS Nguyễn Cảnh Minh Bộ môn: Kỹ thuật điện tử Tên đề tài luận văn : Nghiên cứu hệ thống LTE-Advanced đề xuất hướng triển khai Viettel Đồng Nai Mục đích nghiên cứu đề tài: Tìm hiểu cơng nghệ LTE-Advanced đề xuất hướng triển khai vào mạng 4G Viettel Đồng Nai Phương pháp nghiên cứu kết đạt được: Tìm hiểu tổng quan mạng thơng tin di động 4G LTE, công nghệ kỹ thuật sử dụng Từ làm tảng nghiên cứu bước phát triển hệ thống thông tin di động gọi chuẩn 4G với tên gọi LTE-Advanced Trong phát hành Rel 10 số kỹ thuật giống LTE LTE-Advanced bổ sung số tính nhằm nâng cao hiệu suất so với LTE, khả tương tích ngược với mạng hữu kết việc thử nghiệm thành công LTE Viettel giúp cho người thực có định hướng đề xuất triển khai công nghệ LTE-Advanced Viettel Đồng Nai nơi người thực công tác Điểm bình qn mơn học: Điểm bảo vệ luận văn: Ngày tháng Học viên Xác nhận cán hướng dẫn: Xác nhận Bộ mơn: -1- năm 2013 LỜI NĨI ĐẦU Nhu cầu khách hàng tác động lớn đến đời, tồn phát triển công nghệ Hiện nay, nhiều nước giới, phiên chuẩn LTE hồn thành tâm điểm ý chuyển sang phát triển công nghệ này, LTE-Advanced Một mục tiêu trình chuyển tiếp để đạt tới chí vượt xa yêu cầu IMT-Advanced nhằm cải thiện cách đáng kể mặt hiệu so với hệ thống kể hệ thống LTE phiên nhằm đạt tốc độ download 100Mbps di chuyển nhanh 1Gbps sử dụng chế độ tĩnh Tại Việt Nam 3G nhà mạng đầu tư mở rộng với quy mô lớn nhằm đáp ứng với nhu cầu sử dụng Internet di động ngày cao Tuy nhiên để tạo cho người dùng có cảm nhận tốc độ ổn định mạng hữu tuyến 3G chưa thật đáp ứng nhu cầu ấy, ngày với xuất ngày nhiều loại thiết bị thơng minh smart phone, máy tính bảng với mức chi phí hợp lý tạo sở cho nhu cầu sử dụng liệu ngày tăng 4G cần thiết tạo điều kiện để nhiều ứng dụng thiết thực công nghệ thông tin vào sống tương lai, có lợi cho người tiêu dùng, cho xã hội, cho nhà mạng, cho nhà cung cấp dịch vụ nội dung Tại Viettel Đồng Nai với nhu cầu lưu lượng sử dụng 3G thiết bị di động đứng thứ tồn quốc sau TPHCM Hà Nội việc người thực chọn đề tài “ Nghiên cứu hệ thống LTE-Advanced đề xuất hướng triển khai Viettel Đồng Nai “, khơng đơn tìm hiểu cơng nghệ mà qua người thực muốn định hướng cụ thể vào điều kiện thực tế mạng di động mà LTE-Advanced đối tượng nghiên cứu đề xuất hướng triển khai công nghệ 4G cho mạng di động Viettel Đồng Nai sở thử nghiệm thành công LTE Viettel Nội dung đề tài bao gồm chương: Chương 1: Tổng quan mạng thông tin di động LTE Chương : Hệ thống di động LTE-Advanced -2- Chương : Đề xuất hướng triển khai công nghệ LTE-Advanced vào mạng di động Viettel Đồng nai LTE-Advanced công nghệ chưa triển khai thực tế Vì trình thực đề tài, người thực cịn có hạn chế khả cịn nhiều sai sót , mong đóng góp ý kiến q thầy bạn bè -3- MỤC LỤC Tờ Bìa Trích yếu luận văn cao học Lời nói đầu Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng biểu 12 Danh mục hình vẽ, đồ thị 13 CHƯƠNG 1.1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 16 LỊCH SỬ VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN 16 1.1.1 Hệ Thống Thông Tin Di Động Thế hệ Thứ ( 3G ) 16 1.1.2 Các giai đoạn phát triển UMTS 18 1.1.2.1 Tiền thân ReL99 18 1.1.2.2 ReL99 19 1.1.2.3 ReL4 19 1.1.2.4 ReL5 19 1.1.2.5 ReL6 20 1.1.2.6 ReL7 20 1.1.2.7 ReL8 21 1.1.2.8 Rel 21 1.1.2.9 ReL10 22 1.2 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG LTE 22 1.2.1 Tiến trình phát triển hệ thống UMTS đến LTE 22 1.2.2 Các đặc điểm LTE 23 1.2.3 Cấu trúc hệ thống LTE 25 1.2.3.1 Kiến trúc mạng lõi LTE 28 1.2.3.2 Mạng truy nhập E-UTRAN 30 1.2.3.3 Các kênh logic kênh truyền tải LTE 31 1.3 CÁC CÔNG NGHỆ CƠ BẢN SỬ DỤNG TRONG LTE 33 -4- 1.3.1 Kỹ thuật phân chia theo tần số trực giao ( OFDM ) 33 1.3.2 Kỹ thuật SC-FDMA 43 1.3.3 Kỹ thuật MIMO 44 1.3.4 Kỹ thuật mã hóa Turbo 47 1.3.5 Thích ứng đường truyền 48 1.3.6 Lập biểu phụ thuộc kênh 49 1.3.7 HARQ với kết hợp mềm 49 1.4 Kết luận 50 CHƯƠNG 2.1 HỆ THỐNG DI ĐỘNG LTE-ADVANCED 52 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA LTE ĐỂ TIẾN LÊN LTE-ADVANCED 52 2.2 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG VÀ CÁC CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG LTEADVANCED 54 2.2.1 Kiến trúc E-UTRAN LTE-Advanced 54 2.2.2 Các công nghệ sử dụng LTE-Advanced 55 2.2.2.1 Kết tập sóng mang ( CA ) 55 2.2.2.2 Giải pháp đa anten MIMO 58 2.2.2.3 Truyền dẫn đa điểm phối hợp 59 2.2.2.4 Các lặp chuyển tiếp 60 2.2.2.5 Mạng không đồng 62 2.2.2.6 Mạng tự tối ưu ( SON ) 63 2.2.2.7 Sử dụng Femtocell 64 2.3 CÁC THỦ TỤC TRUY NHẬP 66 2.3.1 Tìm Ơ 66 2.3.2 Thủ tục tìm 67 2.3.3 Cấu trúc thời gian/tần số tín hiệu đồng 68 2.3.4 Tìm ô ban đầu tìm ô lân cận 70 2.3.5 Truy nhập ngẫu nhiên 71 2.3.6 Tìm gọi 79 -5- 2.4 SO SÁNH GIỮA MẠNG 3G VÀ 4G – TÍNH TƯƠNG THÍCH NGƯỢC CỦA LTE-ADVANCED VỚI LTE 81 2.4.1 Sự khác biệt mạng 3G 4G 81 2.4.1.1 Ưu điểm bật 81 2.4.1.2 Các ứng dụng tạo nên ưu điểm 4G so với 3G 81 2.4.2 Tương thích ngược LTE-Advanced LTE 83 Kết Luận 84 2.5 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT HƯỚNG TRIỂN KHAI LTE-ADVANCED TẠI VIETTEL ĐỒNG NAI 85 3.1 HIỆN TRẠNG MẠNG VIỄN THÔNG ĐỒNG NAI 85 3.2 ĐỀ XUẤT CON ĐƯỜNG TIẾN LÊN LTE-ADVANCED 85 3.2.1 PHƯƠNG ÁN THỨ NHẤT 87 3.2.2 PHƯƠNG ÁN THỨ HAI 87 3.2.3 Đề xuất khu vực triển khai vị trí đặt anten 4G 88 3.2.3.1 Đề xuất lắp anten 4G với trạm độc lập 88 3.2.3.2 Đề xuất với vị trí cosite với 2G/3G khác độ cao 89 3.2.3.3 Đề xuất với vị trí cosite với 2G/3G độ cao 89 3.2.3.4 Đề xuất vị trí lắp RRU trạm sử dụng phân tán 90 3.3 Những thách thức khó khăn 90 3.3.1 Đề xuất băng tần triển khai 91 3.3.2 Hỗ trợ dịch vụ thoại 92 3.3.3 Thiết bị đầu cuối 93 3.3.4 Hạ tầng truyền tải 93 3.3.5 Tài nguyên IP 94 3.3.6 Bảo mật 94 3.3.7 Khả tương tác 95 3.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LTE 95 3.4.1 Cơng suất thu tín hiệu tham khảo ( RSRP ) 95 3.4.2 Chất lượng thu tín hiệu tham khảo ( RSRQ ) ( SINR ) 98 -6- 3.4.3 DL UL Thoughtput 101 3.5 KẾT LUẬN 102 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN LỜI CẢM ƠN TÀI LIỆU THAM KHẢO -7- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Chữ viết tắt 1G One Generation Cellular 2G Second Generation Cellular 3G Third Generation Cellular 4G Four Generation Cellular 3GPP Third Generation Patnership Project Dự án hợp tác hệ ACK Acknowledgement Tín hiệu xác nhận BW Bandwith Băng thông CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CP Cycle Prefix Tiền tố lặp DL-SCH Downlink Share Channel Kênh chia đường xuống EDGE Nghĩa Enhance Data rates for GSM Evolution Hệ thống thông tin di động hệ thứ Hệ thống thông tin di động hệ thứ hai Hệ thống thông tin di động hệ thứ ba Hệ thống thông tin di động hệ thứ tư Tốc độ liệu E-UTRAN Evolved UMTS Terestrial Mạng truy nhập vô tuyến cải tiến EPC Evolved Packet Core Mạng lõi gói eNodeB Enhance NodeB NodeB cải tiến FDMA Frequency Division Multiple Access FDD Frequency Division Duplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi hồi tiếp GSM Global System for Mobile Hệ thống di động toàn cầu GERAN GSM/EDGE Radio Access Network -8- Đa truy nhập phân chia theo tần số Mạng truy nhập vô tuyến GSM/EDGE GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ gói vơ tuyến thông dụng GI Guard Interval Khoảng bảo vệ HSDPA High Speed Downlink Packet Access HSUPA High Speed Uplink Packet Access HSPA High Speed Packet Access Truy cập gói tốc độ cao HSS Home Subscriber Server Quản lý thuê bao ITU International Telecommunication Union IP Internet Protocol IMS IP Multimedia Sub-system IFFT Inverse Fast Fourier Transform Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao Truy nhập gói đường lên tốc độ cao Đơn vị viễn thông quốc tế Giao thức internet Hệ thống đa phương tiện sử dụng IP Biến đổi Fourier ngược LTE Long Term Evolution MIMO Multi Input Multi Output Đa ngõ vào đa ngõ MME Mobility Management Entity Quản lý tính di động MAC Medium Access Control Lớp điều khiển truy nhập MU-MIMO Multi User-MIMO OFDM OFDMA PAPR Orthogonal Frequency Division Multiple Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Orthogonal Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao Peak-to-Average Power Radio PDSCH Physical Downlink Shared Channel PUCCH Physical Uplink Control Channel PDCCH Physical Downlink Control Channel -9- Tỷ số cơng suất đỉnh cơng suất trung bình Kênh vật lý chia sẻ đường xuống Kênh vật lý điều khiển đường lên Kênh vật lý điều khiển đường xuống PBCH Physical Broadcast Channel Kênh vật lý quảng bá PCCH Paging Control Channel Kênh điều khiển tìm gọi QoS Quality of Services Chất lượng dịch vụ RLC Radio Link Control Điều khiển kết nối vô tuyến RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyến RB Resource Block Khối tài nguyên RE Resource Element Thành phần tài nguyên RSRP RSRQ RS Reference Signal Receive Power Cơng suất thu tín hiệu tham khảo Reference Signal Receive Chất lượng thu tín hiệu tham Quality khảo Reference Signal Tín hiệu tham khảo Single Carrier Frequency Đa truy cập phân chia theo tần Division multiple Access số trực giao đơn sóng mang System Architecture Enhance Cấu trúc hệ thống tăng cường SINR SC-FDMA SAE SU-MIMO Single User Multi Input Multi Output Đơn user-Đa ngõ vào đa ngõ Time Division Multiple Đa truy cập phân chia theo thời Access gian TTI Time Transmit Interval Khoảng thời gian phát TDD Time Division Duplexing UMB Ultra Mobile Broadband TDMA UTRAN UMTS UTMS Terrestrial Radio Access Networks Universal Telecommunication Mobile System -10- Ghép kênh phân chia theo thời gian Di động băng rộng mở rộng Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất TRIỂN KHAI LTE-ADVANCED 2690 MHz Bộ Thông tin Truyền thông cấp phép cho VNPT, Viettel, thử nghiệm mạng LTE Các hãng sản xuất thiết bị Ericsson, Qualcomm cho Việt Nam nên sử dụng chung xu hướng băng tần 2600 MHz cho LTE với nước khác giới để giảm chi phí thiết bị, chi phí đầu tư cho nhà mạng Vì vậy, thời điểm việc lựa chọn băng tần 2500-2690 MHz để thử nghiệm mạng 4G LTE/SAE đắn 3.3.2 Hỗ trợ dịch vụ thoại Một ưu việt LTE-Advanced yếu tố hội tụ Nó thiết kế để truyền tải loại lưu lượng IP Tuy nhiên, đến thời điểm này, hầu hết tiêu chuẩn lại tập trung vào khía cạnh liệu tiêu chuẩn cho thoại dường bị bỏ quên Một số giải pháp đưa cho dịch vụ thoại triển khai LTEAdvanced sau: Circuit Switch Fallback : Đây lựa chọn cho nhà khai thác tận dụng mạng GSM/UMTS có sẵn để mang lưu lượng thoại Với CS Fallback thuê bao nhận thực gọi, thiết bị LTE đình việc kết nối liệu thiết lập kết nối thoại thơng qua mạng GSM/UMTS có sẵn Có thể nói giải pháp rẻ dễ thực Nhưng vấn đề nằm chỗ tính tốn chiến lược dài hạn lại gặp khó khăn nhà mạng có triển khai 4G phải trì 2G/3G để phục vụ dịch vụ thoại Hơn giải pháp không phát huy tính hội tụ, yếu tố ưu việc LTE VoIP dựa IMS : Tùy chọn IMS hỗ trợ giải vấn đề thoại liên tục di chuyển từ vùng phủ vùng phủ Cuộc gọi VoIp LTE chuyển giao miền chuyển mạch kênh thông qua hỗ trợ mạng lõi IMS Giải pháp thực mạnh, phát huy tính hội tụ giúp cho nhà khai thác giải toán ngắn hạn cho dịch vụ thoại LTE xây dựng chiến lược dài hạn đường phát triển tiến tới mạng hội tụ đầy đủ Cái giá phải trả đòi hỏi đầu tư lớn Nhà khai thác triển khai IMS có định hướng hợp lý nắm tay ưu cạnh tranh lớn - 92- TRIỂN KHAI LTE-ADVANCED VoLGA ( Voice over LTE via Generic Access ) : Về VoLGA mở rộng việc ứng dụng tiêu chuẩn GAN 3GPP để truyền thoại Cách tiếp cận có sức hút nhà khai thác mạng triển khai loại hình dịch vụ UMA ( Unlicensed Mobile Access ) Tóm lại với giải pháp nêu nhà mạng nước chọn giải pháp hầu hết thiết bị đầu cuối việt nam sử dụng dịch vụ 2G/3G truyền thống 3.3.3 Thiết bị đầu cuối Khi triển khai LTE Advanced điều mà nhà mạng quan tâm thiết bị đầu cuối có xu hướng ? hỗ trợ băng tần ? yếu tố tác động đến sách phổ tần nha khai thác Một yếu tố cần xem xét thiết bị đầu cuối LTE tương thích với mạng 2G/3G hữa đến đâu ? Rõ ràng với tần số 2.6Ghz lắp đặt vị trí 2G/3G vùng phủ khơng thể phủ khơng thể đảm bảo không triển khai lắp đặt thêm trạm Vấn đề đầu cuối liên quan chặt chẽ đến lộ trình dịch vụ mà nhà khai thác cung cấp Nếu nhà mạng bắt đầu với việc cung cấp dịch vụ hướng liệu phải quan sát đánh giá thị trường USB LTE, bắt đầu cung cấp dịch vụ đầy đủ tính cho thiết bị cầm tay thơng minh: thoại, liệu, video mảng cần quan tâm thiết bị cầm tay Hiện dịng thiết bị cầm tay thơng minh smartphone, máy tỉnh bảng hệ phát triển nhanh có tích hợp 4G lợi cho nhà khai thác mạng việt nam 3.3.4 Hạ tầng truyền tải Các dịch vụ băng rộng LTE-Advanced, đặc biệt dịch vụ thời gian thực ( realtime ) IP địi hỏi băng thơng lớn khơng truy nhập vơ tuyến mà cịn hạ tầng truyền dẫn Để đáp ứng điều này, thông thường nhà mạng phải sẵn có hạ tầng truyền tải IP mạnh rộng khắp - 93- TRIỂN KHAI LTE-ADVANCED Trên mạng 3G 4G (các dịch vụ liệu video cần băng thông lớn), lưu lượng truyền tải liệu có khác biệt lớn so với mạng 2G (chỉ thiên thoại) Do tối ưu hóa chi phí mạng backhaul trở thành vấn đề then chốt hầu hết nhà khai thác mạng Tuy nhiên, giải pháp tối ưu đáp ứng điều này, chúng cần phải đảm bảo yếu tố tương thích với hệ thống sẵn có, đáp ứng kỳ vọng chiến lược mở rộng nhà mạng Kiến trúc LTE-Advanced phẳng, điều làm đơn giản kiến trúc mạng lại mang đến thách thức Lưu ý với công nghệ LTEAdvanced, eNodeB cần phải giao tiếp với eNodeB ngang hàng để thực chức chuyển giao mặt phẳng điều khiển mặt phẳng liệu Tại nhà mạng nước mảng truyền dẫn Viettel chiếm lợi với hạ trầng mạng truyền dẫn quang 100% Do triển khai LTEAdvanced chì cần nâng cấp card 10GE truyền dẫn siterouter mà 3G sử dụng 1GE 3.3.5 Tài nguyên IP Nhu cầu địa IP lớn triển khai LTE-Advanced phụ thuộc nhiều vào khách hàng dịch vụ mà nhà mạng cung cấp Về nguyên tắc, đầu cuối LTE cấp địa IP public dùng chung cho tất dịch vụ Như dịch vụ đòi hỏi online liên tục thoại mà triển khai trực tiếp địi hỏi tài nguyên IP lớn Mặc dù để giải vấn đề IP cá nhà mạng sử dụng kỹ thuật NAT, mà số thuê bao lớn với độ chiếm dụng IP cao khơng thể trì giải pháp có tăng chi phí đầu tư vận hành Vì nhà mạng mà kho IP gần cạn kiệt triển khai LTE thách thức lớn Do IPV6 cần triển khai nhu cầu tất yếu cho nhà mạng muốn triển khai LTEAdvanced 3.3.6 Bảo mật - 94- TRIỂN KHAI LTE-ADVANCED Ngày đầu cuối thông minh xuất ngày nhiều với nhiều tảng khác Xét kết nối LTE, thiết bị không khác PC kết nối cố định băng rộng Chính đặc điểm nói lên tất nguy gặp phải mạng IP băng rộng cố định có khả xuất mạng LTE Thậm chí số nguy cịn tiềm ẩn nguy hiểm nhiều so với mạng IP hệ trước số lượng đầu cuối lớn, online thường xuyên mà người sử dụng chư ý thức điều Ngoài ra, vấn đề bảo mật liên quan đến loại hình dịch vụ mà nhà mạng định cung cấp LTE-Advanced Các dịch vụ mạng di động trước thường an toàn thoại triển khai LTE lại đối mặc với nhiều nguy tương tự VoiP Tóm lại vấn đề bảo mật thách thức không nhỏ nhà khai thác toán mà nhà mạng cần phải tính tốn thật kỹ qua trình triển khai 3.3.7 Khả tương tác Một thách thức lớn cho nhà khai thác triển khai LTE đảm bảo tính tương tác thiết bị hãng khác Ngay GSM 3G công nghệ chuẩn hóa thực tế Abis Iub chưa thực tiêu chuẩn Tình hình LTE cịn phức tạp nhiều Giao diện S1 trạm gốc LTE ( gọi eNodeB ) mạng lõi LTE chuẩn hóa chặt chẽ giao diện X2 eNode B chưa thống 3GPP Vấn đề phức tạp xem xét góc độ chuẩn hóa tương tác với cơng nghệ có GSM, WCDMA, Wimax 3.4 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG LTE 3.4.1 Cơng suất thu tín hiệu tham khảo ( RSRP ) RSRP cơng suất thu tín hiệu tham khảo, trung bình cơng suất tất thành phần tài nguyên (mang tín hiệu tham khảo) qua tồn băng thơng Nó đo lường tín hiệu OFDM mang tín hiệu tham khảo Đo lường RSRP cung - 95- TRIỂN KHAI LTE-ADVANCED cấp cường độ tín hiệu cụ thể cell Đo lường sử dụng làm ngõ vào cho chuyển giao định chọn lại cell Bảng 3.2: Quy định mức thu cho phép vùng Location RSRP Range Typical Cell Centre > -80 dBm -80 dBm Cell Middle -80 ~ -100 dBm -90 dBm Cell Edge < -100 dBm Evaluate Good Acceptable -100 dBm Bad Căn vào kết thử nghiệm LTE HCM, tiến hành mơ dự đốn mức thu tín hiệu tham khảo đường DL theo mơ hình Cost-231 [10] cho cell 2.6Ghz sau Hình 3.8: Các vị trí triển khai thử nghiệm LTE - 96- TRIỂN KHAI LTE-ADVANCED Trên hình 3.8 vị trí đưa vào thử nghiệm LTE mức thu tín hiệu tham khảo nhận từ kết mơ hình 3.9 Bán kính mơ 9.67km2 với 40 trạm phân bố hình 3.9 Trong kết mơ tín hiệu tham khảo chấp nhận chiếm 40% diện tích vùng phủ thể mức thu màu vàng (-100