Nghiên cứu quy trình thiết kế và quy hoạch mạng LTE/4G

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIEN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THONG

Phản biện Ì: cccc c2 22c cà

Phản biện 2: 2c c2 2222222,

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đông châm luận văn thạc sĩ tạiHọc viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Có thê tìm hiêu luận văn tại:

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

LỜI NÓI ĐẦU

Ngay từ giai đoạn đầu của quá trình phát triển một hệ thống mạng thông

tin đi động, công tác thiết kế qui hoạch là một khâu hết sức quan trọng để có

được một hệ thống mạng tốt nhất với chỉ phí tối ưu.

Các hệ thống thông tin di động 2G, 2,5G và đặc biệt la 3G vẫn đang hoạt

động khá trơn chu và ngày càng phát triển với những thế mạnh của mình tuy nhiên chúng vẫn phần nào chưa đáp ứng được mong đợi của những khách hàng có nhu cầu sử dụng truyền đữ liệu tốc độ cao Hệ thông thông tin di động sử

dụng công nghệ LTE 4G được phát triển sẽ giải quyết được những khó khăn

Mạng 4G sẽ là một sự hội tụ của nhiều công nghệ mạng hiện có và đang phát triển như 2G, 3G, WiMAX, Wi-Fi, IEEE 802.20, IEEE 802.22, pre-4G, RFID, UWB, satellite dé cung cấp một kết nối vô tuyến đúng nghĩa rộng khắp

(ubiquitous), mọi lúc, mọi nơi, không kê mạng thuộc nhà cung cấp nào, không kế người dùng đang dùng thiết bị di động gì Người dùng trong tương lai sẽ

thực sự sống trong một môi trường “tự do”, có thê kết nối mạng bất cứ nơi đâu

với tốc độ cao, giá thành thấp, dịch vụ chất lượng cao và mang tính đặc thù cho

từng cá nhân.

Ở Việt Nam, hiện nay 3G đang phát triển rằm rộ và dé tiến lên 4G không còn xa nữa Việc nghiên cứu thiết kế dé triển khai mạng thông tin di động

LTE/4G cần được đặt ra ngay từ thời điểm hiện nay để từng bước tiếp cận và theo sát sự phát triển công nghệ mới trên thế giới, cung cấp sở cứ khoa học

cho việc xây dựng triển khai mạng 4G trong giai đoạn tiếp theo Ngoài ra, thực tế triển khai mạng 3G cho thấy, việc nghiên cứu các phương pháp qui hoạch, thiết kế và ứng dụng hệ thống qui hoạch, quản lý và cung cấp dịch vụ cũng như

quản lý điều hành mạng cần được nghiên cứu giải quyết ngay từ đầu đề thiết lập mạng 4G một cách hiệu qua nhất Do vậy việc thực hiện đề tài luận văn

“Nghiên cứu quy trình thiết kế và quy hoạch mạng LTE/4G” là hết sức cần thiết Luận văn gồm 3 chương sau:

Chương 1: Tổng quan về mạng LTE/4G

Chương 2: Các yếu tố liên quan đến thiết kế quy hoạch mạng LTE/4G Chương 3: Các bước quy hoạch và tối ưu hóa mạng LTE/4G

CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE MẠNG LTE/4G

Công nghệ LTE dang được nghiên cứu và phát triển rộng rai trên thé 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 nên tảng

hoàn toàn IP, có thé đáp ứng được nhu cau truy cập đữ liệu, âm thanh, hình

ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của người dùng Chương này sẽ trình bày hệ thống di động 4G LTE :các đặc điềm kỹ thuật, dịch vụ mạng, cầu trúc mạng 4G LTE sẽ như thế nào, nó liên kết với các mạng khác ra sao và các giao thức

trong LTE/4G.

1.1: Đặc điểm, dịch vụ mạng LTE/4G 1.1.1: Đặc điểm.

+ LTE là từ viết tắt của Long term evolution miêu tả công việc chuẩn hóa của 3GPP để xác định phương thức truy nhập vô tuyến tốc độ cao mới cho hệ

thống truyền thông di động.

+ LTE là bước tiếp theo dẫn đến hệ thống thông tin di động thứ 4 hay còn gọi là 4G Hệ thống này được kỳ vọng có nhũng tiến bộ vượt bậc về công nghệ cũng như những tính năng so với thế hệ 3G trước đó.

+ Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz: Tải xuống: 100 Mbps; Tải lên: 50 Mbps

+ Dung lượng đữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1 MHz

so với mạng HSDPA Rel 6:

Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần; Tải lên: gấp 2 đến 3 lần.

Băng tấn sử dung: LTE có thé được triển khai ở nhiều băng tần khác nhau như ở tần số 700MHz, 900MHz, 1800MHz, 1900MHz, 2300MHz

Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng 1.4Hz, 3MHz, 5

MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống Hỗ trợ cả 2 trường

hợp độ dài băng lên và băng xuống băng nhau hoặc không.

+ LTE cung cấp các tốc độ dữ liệu cao hơn cho cả đường lên và đường

+ Hiệu quả sử dụng phổ tan cua OFDM được nâng cao nhờ sử dụng kỹ thuật điều chế bậc cao 64QAM Mã hóa turbo, mã hóa xoắn cùng với các kỹ

thuật vô tuyến bổ xung như kỹ thuật MIMO kết quả là thông lượng trung bình

tăng lên 5 lần so với HSPA.

+ Môi trường toàn IP: LTE là sự chuyển dich tới mạng lõi toàn IP với

giao diện mở và kiến trúc đơn giản hóa Đây là bước chuyên đổi của 3GPP từ hệ thống mạng lõi đang tồn tại kết hợp song song trước đó là chuyên mạch kênh và chuyển mạch gói sang mạng lõi chi sử dụng chuyền mạch gói.

1.1.2: Tính năng dịch vụ.

Qua việc kết nối của đường truyền tốc độ rất cao, băng thông linh hoạt, hiệu

suất sử dụng phô cao và giảm thời gian trễ gói, LTE hứa hẹn sẽ cung cấp nhiều dịch vụ đa dạng hơn Đối với khách hàng, sẽ có thêm nhiều ứng dụng về dòng dữ liệu lớn, tải về và chia sẻ video, nhạc và nội dung đa phương tiện Tất cả các dịch vụ sẽ cần lưu lượng lớn hơn để đáp ứng đủ chất lượng dịch vụ, đặc biệt là với mong đợi của người dùng về đường truyền TV độ rõ nét cao Đối với khách

hàng là doanh nghiệp, truyền các tập tin lớn với tốc độ cao, chất lượng video hội

nghị tốt LTE sẽ mang đặc tính của "Web 2.0" ngày nay vào không gian di động lần đầu tiên Dọc theo sự bảo đảm về thương mại, nó sẽ băng qua những

ứng dụng thời gian thực như game đa người chơi và chia sẻ tập tin.

1.2: Kiến trúc mạng LTE/4G.

1.2.1: Cau trúc cơ bản của LTE.

Cấu trúc cơ bản SAE của LTE.

Hình 1.2: So sánh về cấu trúc giữa UTMS va LTE

Hình trên cho ta thấy sự khác nhau về cấu trúc của UTMS và LTE Song song với truy nhập vô tuyến LTE, mạng gói lõi cũng đang cải tiến lên cau trúc tầng SAE Cấu trúc mới này được thiết kế dé tối ưu hiệu suất mạng, cải thiện hiệu quả chi phí và thuận tiện thu hút phan lớn dich vụ trên nên IP.

1.2.2: Cầu trúc của LTE liên kết với các mạng khác Cầu trúc hệ thong cho mạng truy cập 3GPP

Cau trúc hệ thông cho mạng truy cập 3GPP và không phải 3GPP

Cấu trúc hệ thông cho mạng truy cập 3GPP và liên mạng với CDMA

1.3: Các giao thức.

Ở LTE chức năng của RLC đã được chuyên vào eNodeB, cũng như chức

năng của PDCP với mã hóa và chèn tiêu đề Vì vậy, các giao thức liên quan của

lớp vô tuyến được chia trước đây ở UTRAN là giữa NodeB và RNC bây giờ

chuyên thành giữa UE và eNodeB.

Giao thức của UTRAN.

Giao thức của E-UTRAN.

Giao thức của E-UTRAN phát triển thêm của UTRAN bằng cách thêm

L1 và MAC mới.

Chương 1 đã trình bày cho ta biết đặc điểm của mạng LTE/4G và các ưu điểm vượt trội về băng thông, tốc độ, khả năng phục vụ và tính năng dịch vụ.

Trong chương cũng cho ta biết về kiến trúc mạng LTE/4G, nó liên đới với các mạng khác như thé nào và cuối cùng là các giao thức sử dung trong mạng ra

Từ việc khái quát về LTE, kiến trúc mạng và các giao thức ta sé triển khai

các yếu tô liên quan đến thiết kế và quy hoạch mạng LTE/4G.

CHƯƠNG 2: CÁC YEU TO LIÊN QUAN DEN THIET KE QUY HOẠCH

MANG LTE/4G

Hệ thong 4G được xây dựng nhằm chuẩn bị một cơ sở hạ tang di động chung có khả năng phục vụ các dịch vụ hiện tại và tương lại Cơ sở hạ tang 4G

được thiết kế với diéu kiện những thay đổi, phát triển về kỹ thuật có kha nang

phù hợp với mạng hiện tại mà không làm ảnh hưởng đến các dịch vụ đang sử dụng Dé thục hiện điều đó, can tách biệt giữa kỹ thuật truy cập, kỹ thuật truyền dan, kỹ thuật dịch vụ (điều khiển kết nối) và các ứng dụng của người sử dụng.

Chương này sẽ trình bày trên cơ sở đặc điểm công nghệ mạng và đặc điểm dich vụ mang LTE 4G chúng ta sẽ có các yếu tố và các tham số liên quan trong

quá trình quy hoạch mang là: lựa chọn băng tan và đa anten, đường truyền và ma trận phủ sóng, thiết lập chuyển giao giữa LTE-WCDMA-GSM và các tham số liên quan đến mô hình truyền sóng.

2.1: Đặc điểm công nghệ LTE

Các đặc điểm của công nghệ LTE đã được nghiên cứu trong chương 1,

trong chương này chỉ điểm lại một số đặc điểm nỗi bật liên quan đến việc thiết

kế, qui hoạch mạng.

- Kiến trúc hệ thống

Hinh 2.1: Kién trac mang LTE

10LTE toàn IP

Cấp phát dia chi IP cho UE

2.2: Cac tiéu chi yéu cau dich vu:

Trong phan này, luận văn sẽ mô tả sẽ mô tả chi tiết về các phương thức quan lý chất lượng dịch vụ QoS ở LTE thông qua các tiêu chuẩn được định nghĩa.

GBR va Non-GBR Bearer:

Bang 2.1: Các QCI đã được chuẩn hóa

Resource Packet delay Packet error

QCI type Priority budget (ms) loss rate Example services

4 GBR 3 50 10-3 Real time gaming

= Non-GBR 1 100 10-* IMS signalling

6 Non-GBR 7 100 104 Voice, video (live streaming},

interactive gaming

7 Non-GBR 6 300 10-¢ Video (butfered streaming)

& Non-GBR 8 300 10-* TCP-based (e.g WWW, e-mail)

chat, FTP p2p file sharing,progressive video, etc.

9 Non-GBR 9 300 10°

2.3: Lựa chọn băng tần và anten trong LTE

v A

2.3.1: Bang tan

Bang 2.2: Tân sô UMTS va LTE cho FDD

Band Uplink, Downlink, Band Gap Duplex UMTS LTE

Number (MHz) (MHz) (MHz) Separation(MHz) Usage Usage

Bảng 2.3: Dai tan số UMTS va LTE cho TDD

Band Fiow—Fhigh (MHz) UMTS LTE

LTE hỗ trợ việc sử dung nhiều anten ở cả đầu phát Tx và thu sóng Rx Công nghệ ma trận anten cho phép khai thác thêm chiều khoảng cách như là một chiều mới ngoai thời gian và tần số Việc sử dụng ma trận anten về lý thuyết có thé đạt được hiệu suất sử dụng băng tan tuyến tính với số anten thu và phát

trong môi trường truyền sóng thích hợp.

2.4: Tính toán quỹ đường truyền và ma trận vùng phủ.

Quỹ đường truyền được tính toán để ước lượng suy hao đường truyền

cho phép đôi với két nôi tới máy đâu cuôi Tat cả các thông sô như công suât

phát, độ lợi anten, suy hao hệ thống, độ lợi phân tập, dự phòng fading được

dùng dé tính quỹ đường truyền dé xác định mức suy hao cho phép lớn nhất giữa anten trạm phát và anten máy di động đầu cuối, để từ đó xác định bán kính vùng phủ bằng cách sử dụng mô hình truyền sóng tương ứng với mỗi khu vực

khác nhau.

Quỹ đường truyền (RLB) có thé được mô ta đơn giản qua công thức sau:

PathLos yy = Tưower„„ +TXGAINS gp — Tửosses,„ — RequiredSINR „ + RxGains,„ — RxLosses„„ — RxNoise,„

Ở hệ thống LTE, chỉ số chất lượng tín hiệu cơ bản nhất chính là yêu cầu

SINR Suy hao cực đại cho phép của đường truyền được tính phải thỏa mãn 2

điều kiện sau:

[ SINR 2 RequiredSINR

AveRxPower _ AveRxPower

Interference+ RxNoise OwnCellInterference + OtherCellInterference + RxNoise

| SINR =

Đối với đường xuống, giả sử công suất phát tối đa được chia đều cho băng thông của cell, khi đó công suất thu trung bình (AveRxPowerDL) trong băng thông được cấp được tính như sau:

AveTxPower _ MavNodeBTxPower AllocatedBandwidthAveRxPowerDL = — = or ;

LinkLossDL CellBandwidth LinkLossDL

Đối voi đường lên, giả định không có điều khiển công suất, công suất

trung bình tín hiệu thu (AveRxPowerUL) là:

LinkLoss UL

AveRxPowerUL =

Trong do:

- MaxUETxPower = công suất phát cực đại của thiết bị đầu cuối;

- LinkLossUL = Tổng suy hao đường lên.

Suy hao đường truyền có thê được tính như sau:

RxGains : TYŒqinš

Linkloss "”“¬—-.ẽ-ẶẶ= =: ALF oes

Pathlass -RxLoasses -TxLosses - OtherLasses

Công suất thu tạp âm (W) được tính như sau

RxNoise = ThermalNoise - ReceiverNoiseFigure

= (ThermalNoiseDensity: AllocatedBandwidth) - ReceiverNoiseFigure

ThermalNoise = Thermal Noise (WV)

ReceiverNoiseFigure = Receiver Noise FigureThermal Noise Density = -174 dBm

Ở đường xuống, do có sử dụng kỹ thuật OFDM nên ta có thé giả định là

không có nhiễu nội tại của cell (Own Cell Interference bằng 0) Other Cell

Interference là trung bình của công suất nhận được từ các cell lân cận trong băng thông được cấp phát Tương tự như vậy ở đường lên, nhiễu (còn gọi là tăng nhiễu) là công suất nhận được từ các thiết bị đầu cuối truyền trên cùng một

tần số của các cell lân cận (Other Cell Interference).

Như vậy ta sẽ có:

SINR = AveRxPwr(own) _ AveRxPur(own) _ LinkLoss(own)

I+N Loner + N = AveTxPwitk) - N

iS, LinkLoss(k) `

Suy ra

HP LinkLoss(own)

kzom LinkLoss(k) MaxTxPwr

Với điều kiện SINR >= RequiredSINR, ta suy ra: 1

PathLoss(own) $=

| 2 Pathlos® + NoiseComponent |-RequiredSINR

Nhiéu cell lân cận gây ra cho cell phục vụ:

Dé tinh hiệu ứng nhiễu, chúng ta can phải xem xét nhiễu do các cell lân cận gây ra cho cell phục vụ ở đường xuống

SINR yéu cau:

Mức SINR yêu cầu là chi số chất lượng chính trong LTE Biên cell được định nghĩa theo mức SINR yêu cầu đối với tốc độ dữ liệu cần thiết kế Do đó việc xác định chính xác yêu cầu SINR chính là yếu tố then chốt trong việc định

cỡ mạng Mức SINR yêu cầu sẽ phụ thuộc các yếu tố sau:

- Mức điều chế và mã hóa; - Mô hình kênh truyền.

Mức điều chế và mã hóa càng cao thì yêu cầu SINR càng cao và ngược lại.

2.5: Chuyén giao giữa LTE, WCDMA va GSM

Chuyên giao giữa mang LTE và UMTS/GSM được thực hiện qua giao thức GTP giữa MME, SGW phía LTE và SGSN, SGW phía UMTS Ta có thể chia thành 2 trường hợp là chuyển giao từ E-UTRAN sang UTRAN và từ

UTRAN sang E-UTRAN.

2.5.1: Chuyển giao Inter-RAT: Chế độ E-UTRAN tới UTRAN Iu

Em mũ

4 Packets DL/UL

RRC: Meas Proc

GTP Fwd Reloc Re

RANAP Relogation Request

GTP Create Session Reg

GTP Create Sdssion Resp _

GTP: Create ind Dath Fwd Tunn Req

BTP- Fwd Reloc Resp |«—_STP Create IndDatd Fwd Tunn Resp _|

GTP: Create Ind Gata Fwd Tunn Req

GTP Create ind Ofta Fwd Tunn Resp

Hình 2.3: Chuyển giao Inter-RAT E-UTRAN tới UTRAN giai đoạn chuẩn bị

te DLAULUser Data Đaok

GILAE- Hand Over Crd

[be indirect Fer Ohta }

Direet Fwd Di:

| Fwd 3eluc Comp A

GTP: Modify Baarer Req

| _GTP: Mil Beaver Resp ——

GTP: Delete Session Req

G7P Delete Bession Resp

User Data Packets DU/UL

lo SIAE UE Chet Rel Cmd

SIAP UE Ctpt Ret Comp ị

Hình 2.4: Chuyén giao Inter-RAT E-UTRAN tới UTRAN giai đoạn thực

hiện

2.5.2: Chuyển giao Inter-RAT: UTRAN to E-UTRAN

Packets DULL

OTP HE

GTP m Reloc Req Rep

GTP Ind DaFed Tunn Crt Req

L _ GTP Ind Dat Find Tunn Gt Rap

GTP Fwd Reloc Comp _|

GTP |Fwe Roloc Comp Agh

RANAP: ¡4 Rel ErndRANAP- Id Reel Comp

Leer Date Pacteste OLA

Hinh 2.6: Chuyén giao Inter-RAT UTRAN to E-UTRAN giai doan thuc

2.6: Các tham số liên quan đến mô hình truyền sóng 2.6.1: Các mô hình lan truyền

Mô hình lan truyên sóng cân phải điêu chỉnh theo môi trường nơi các

trạm phát sóng được xây dựng Điều này có nghĩa là các đo kiểm về chất lượng

truyền sóng và điều chỉnh mô hình được khuyến nghị khi triển khai thực tế Tuy nhiên, ở giai đoạn thiết kế các mô hình chuẩn cần được sử dụng ban đầu.

Mô hình COST 231 Hata với một vài điều chỉnh được sử dụng dé đánh

giá vùng phủ với các băng tần cung cấp Mô hình lan truyền mặc định cho các

cell Macro được gọi là ‘1 đoạn, có thé áp dung cho các cell có kích cỡ lớn hơn 1 km Đối với các cell nhỏ, mô hình ‘2 đoạn” được sử dụng Trong các cell nhỏ,

độ cao ăng-ten thường dưới 1 chút hay sap sỉ đỉnh tòa nhà, vì vậy suy hao 64 đường truyền phụ thuộc chủ yếu vào sự khúc xạ sóng và phân tán sóng tại các

2.6.2: Mô hình truyền sóng sử dung trong hệ thống quy hoạch thiết kế mang Ngày nay có nhiều mô hình truyền sóng được sử dụng, tuy nhiên trong

phạm vi đề tài này mô hình truyền sóng được sử dụng có công thức suy hao

đường truyền là:

Suy hao đường truyền (Path loss) (đB) = KI + K2 log(đ) + K3 Hms + K4

log(Hms) + K5 log(Heff) + K6 log(Heff)log(d) + K7(Diffraction Loss) +Clutter Loss

2.6.3: Phương pháp tính cường độ tín hiệu

Đối với mô hình truyền sóng ở trên, mức thu tín hiệu được tính bởi công

thức sau:

Prx(dBm) = EIRP+x - LwaAs(9,0) 7 Lp2.6.4: Tinh toán suy hao xuyên clutter

weight = 0 d through weight = 1

Hình 2.7: Khoảng cach tính suy hao xuyên clutter

dttrough }

Weight = max! 0,

1-Trong đó: d là khoảng cách từ máy thu đến điểm anh cần tính.

2.6.5: Các phương pháp tính độ cao anten hiệu dung

Mô hình truyền sóng được sử dụng trong phần mềm bao gồm các phương

pháp tính độ cao anten hiệu dụng như sau:

- Phương pháp tuyệt đối,

- Phương pháp trung bình;

- Phương pháp tương doi;

- Phương pháp Slope;

- Phương pháp Knife-Edge.

Chương 2 đã nói rõ các tiêu chỉ để đánh giá dịch vụ đó là GBR và non-GBR bearer dựa trên các OCI đã được chuẩn hóa, cách sử dụng băng tan và

da anten giúp tăng độ lợi, tính toán đường truyền và ma trận phủ sóng giúp ta thấy được các loại suy hao và các loại nhiễu, tạp âm khác nhau Việc chuyển

giao giữa LTE-WCDMA-GSM cho ta thấy được các bản tin và cách thức

chuyển giao giữa các công nghệ Các tham số liên quan đến môi trường truyén sóng cho ta biết bán kính phục vụ của Cell, tính uy hao và tinh độ cao anten

Từ việc đánh giá, tính toán các tham số và chuyển giao giữa các mạng ta sẽ có các bước dé tiễn hành quy hoạch mang LTE 4G.