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

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 tố

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 tại Học 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 tuynhiên 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

trên.

Mạng 4G sẽ là một sự hội tụ của nhiều công nghệ mạng hiện có và đangphát 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

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 lậpmạng 4G một cách hiệu qua nhất Do vậy việc thực hiện đề tài luận văn

CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE MẠNG LTE/4GCông nghệ LTE dang được nghiên cứu và phát triển rộng rai trên thégiới, LTE cung cấp cho người dùng tốc độ truy cập dữ liệu nhanh, cho phépphát 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 mạng4G LTE sẽ như thế nào, nó liên kết với các mạng khác ra sao và các giao thức

+ 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 nhaunhư 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

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

xuống

+ Hiệu quả sử dụng phổ tan cua OFDM được nâng cao nhờ sử dụng kỹthuật 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 nhiềudịch 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 cácdịch vụ sẽ cần lưu lượng lớn hơn để đáp ứng đủ chất lượng dịch vụ, đặc biệt làvới 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 diđộng 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

1.2.2: Cầu trúc của LTE liên kết với các mạng khác.

Cầu trúc hệ thong cho mạng truy cập 3GPPCau 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

2000

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 ưuđiểm 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 cácmạng khác như thé nào và cuối cùng là các giao thức sử dung trong mạng ra

sao.

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

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 sửdụng Dé thục hiện điều đó, can tách biệt giữa kỹ thuật truy cập, kỹ thuật truyềndan, 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 điểmdich vụ mang LTE 4G chúng ta sẽ có các yếu tố và các tham số liên quan trongquá 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

10 LTE 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

Bearer:

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

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 giữaanten trạm phát và anten máy di động đầu cuối, để từ đó xác định bán kínhvùng 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:

AveTxPower _ MavNodeBTxPower AllocatedBandwidth AveRxPowerDL = — = 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:

MaxUETxPower

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

Where,

ThermalNoise = Thermal Noise (WV) ReceiverNoiseFigure = Receiver Noise Figure Thermal 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 trongbăng thông được cấp phát Tương tự như vậy ở đường lên, nhiễu (còn gọi làtăng 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:

AveTxPwr(own)

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

I+N Loner + N = AveTxPwitk) - N

iS, LinkLoss(k) `

Suy ra

—_1

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 lâncận 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 đượcđịnh nghĩa theo mức SINR yêu cầu đối với tốc độ dữ liệu cần thiết kế Do đóviệc 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 giaothức GTP giữa MME, SGW phía LTE và SGSN, SGW phía UMTS Ta có thểchia 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 DLAUL User Data Đaok

GILAE- Hand Over Crd

[be indirect Fer Ohta }

Direet Fwd Di:

STF

| 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 Da Fed Tunn Crt Req

L _ GTP Ind Dat Find Tunn Gt Rap

RACH

GTP Fwd Reloc Comp _|

GTP |Fwe Roloc Comp Agh

RANAP: ¡4 Rel Ernd RANAP- Id Reel Comp

Leer Date Pacteste OLA

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

hién

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 Tuynhiên, 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 64đường truyền phụ thuộc chủ yếu vào sự khúc xạ sóng và phân tán sóng tại các

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 Lp 2.6.4: Tinh toán suy hao xuyên clutter

/\

lù = ` KA

weight = 0 d through weight = 1

Hình 2.7: Khoảng cach tính suy hao xuyên clutter

d 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,

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 truyénsóng 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

lượng dịch vụ và hỗ trợ gia tăng số lượng của người sử dụng trong hệ thong

của họ Vì lượng phổ tan số có sẵn cho thông tín liên lạc điện thoại di động làrất hạn chế, sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên tân số là cần thiết Hiện nay,

thiết kế hệ thống di động là thách thức bởi sự cân thiết cho một chất lượng dịch

vụ tốt hon và sự can thiết để phục vụ cho một số gia tăng của thuê bao Chương

nay sẽ trình bày về việc thiết kế chỉ tiết và quy hoạch mạng LTE/4G và việc tối

uu sau triển khai

3.1: Tổng quan về tiến trình quy hoạch mạng

Quy trình quy hoạch mạng bao gồm nhiều bước bắt đầu từ việc thiết lập

các chỉ tiêu, các dữ liệu đầu vào, định cỡ mạng, thiết kế chi tiết, triển khai.Tiéntrình quy hoạch mạng gồm 6 bước cơ bản sau:

Hình 3.1: Tiến trình quy hoạch mạng

3.2: Dữ liệu đầu vào/ra ở bước chuẩn bị

Ở bước này, các kết quả tính toán và phân tích được sử dụng dé định kích

cỡ mạng Dé có được kết quả việc định kích cỡ, chúng ta cần có một số đữ liệuđầu vào Về cơ bản, các dữ liệu đầu vào có thể chia thành 2 nhóm là dữ liệu từ

khách hàng và thông số hệ thống

Các yêu cầu từ khách hang có thé chia thành 3 nhóm nhỏ là vùng phủ,dung lượng và chất lượng Ở bước này, các kết quả tính toán và phân tích được

sử dụng để định kích cỡ mạng Các yếu tố sau cần được xem xét:

Hình thai dân cư (clutter)

Diện tích khu vực

Hệ thống anten

3.2.1: Dung lượng mang

Phân tích về vùng phủ và dung lượng, trên cơ sở kết quả tính toán quỹ

đường truyền sẽ tính ra được số lượng và phân bồ trạm, cũng như các cấu hình

cụ thé của trạm mới quy hoạch

Tân số và băng thông hoạt động

Tải lưu lượng của cell

3.2.2: Tính toán quỹ đường truyền

Các tham số cơ bảnĐầu phát

3.3.1: Phương án xây dựng hệ thống Cell Planning LTE/4G

3.3.1.1: Mô hình hệ thống Cell Planning LTE/4G