nghiên cứu, ứng dụng công nghệ pon để quy hoạch, nâng cấp và tối ưu hóa mạng truyền dẫn 3g

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PON ĐỂ QUY HOẠCH, NÂNG CẤP VÀ TỐI ƢU HÓA MẠNG TRUYỀN DẪN 3G WCDMA Ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số : Học viên : NGÔ MINH ĐỨC Ngƣời HD khoa học : PGS.TS NGUYỄN THANH HÀ Thái Nguyên, năm 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PON ĐỂ QUY HOẠCH, NÂNG CẤP VÀ TỐI ƢU HÓA MẠNG TRUYỀN DẪN 3G WCDMA Học viên: NGÔ MINH ĐỨC Mã số: Ngƣời HD khoa học: PGS.TS NGUYỄN THANH HÀ Thái Nguyên, năm 2011 HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. NGUYỄN THANH HÀ HỌC VIÊN NGÔ MINH ĐỨC KHOA SAU ĐẠI HỌC BGH TRƢỜNG ĐHKTCN LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Trừ các phần tham khảo đã đƣợc nêu rõ trong Luận văn. Tác giả Ngô Minh Đức LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy giáo – PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà, ngƣời đã hƣớng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hƣớng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy cô trong khoa Điện tử viễn thông phòng Đào tạo, Khoa Sau đại học - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành Luận văn này. Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp. Học viên Ngô Minh Đức 1 Contents Lời nói đầu 2 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT 6 Chƣơng 1 : 14 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG THẾ HỆ BA W-CDMA 14 1.1 Giới thiệu công nghệ W-CDMA 14 1.2 Cấu trúc mạng W-CDMA 16 1.2.1 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN. 18 1.2.1.1 Đặc trƣng của UTRAN 19 1.2.1.2 Bộ điều khiển mạng vô tuyến UTRAN 19 1.2.1.3 Node B 20 1.2.2 Giao diện vô tuyến 20 1.2.2.1 Giao diện UTRAN – CN, IU 21 1.2.2.2 Giao diện RNC – RNC, I Ur 22 1.2.2.3 Giao diện RNC – Node B, IUb 22 1.3 Kết luận chƣơng . 23 Chƣơng 2: CÔNG NGHỆ PON VÀ CÁC CHUẨN HÓA PON. 23 2.1 Mạng quang tích cực AON và mạng quang thụ động PON 23 2.1.1 AON 23 2.1.2 Mạng PON 25 2.1.3 Các chuẩn trong mạng PON 28 2.1.3.1 B-PON 28 2.1.3.2 BPON và Gigabit PON 29 2.1.3.3 WDM-PON 32 2.1.3.4 CDMA-PON 33 2.1.4. Bộ tách/ghép quang và topo trong mạng PON 34 2.1.4.1 Bộ tách/ghép quang 34 2.1.4.2.Topo hình cây 37 2.1.4.3 Topo dạng bus 38 2.1.4.4 Topo dạng vòng 39 2.1.4.5 Topo hình cây kết hợp topo dạng vòng hoặc đƣờng tải phụ 40 2.1.5. PON MAC layer 41 2.1.5.1 Giao thức điều khiển đa điểm MPCP(Multi-Point Control Protocol) 41 2.1.5.2 PON với kiến trúc IEEE 802 46 CHƢƠNG 3: 50 ỨNG DỤNG PON 50 ĐỂ QUY HOẠCH, NÂNG CẤP, TỐI ƢU HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN CHO MẠNG 3G . 50 3.1 Giới thiệu: 50 3.2 Nhu cầu tối ƣu hóa mạng Backhaul 52 3.3 Quy hoạch mạng tích hợp PON-WCN 53 3.3.1 Mô hình hệ thống PON-WCN tích hợp 54 3.3.1.1 Các đối tƣợng chính trong PON-WCN tích hợp 55 3.3.1.2 Các chế độ tích hợp 55 3.3.2 Truyền dẫn kết hợp trong PON-WCN tích hợp. 56 3.3.3 Mô hình phủ và truyền sóng vô tuyến 57 Trong đó P là công suất của ONU-BS phối hợp gần nhất thu đƣợc tại SS. 58 3.3.4 Mô hình truyền dẫn trong sợi quang. 58 3.4 Giải pháp. 65 3.4.1 Chia tách các bài toán 66 3.4.2 Xấp xỉ tuyến tính dựa trên sự tái lập lại. 66 2 3.5 Các kết quả số học và các nghiên cứu điển hình. 69 3.6 Tổng kết 75 PHỤ LỤC 1 78 Chƣơng 4: 80 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TƢƠNG LAI 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 Lời nói đầu @ 3 Thông tin di động số đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới với những ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, trong dịch vụ và trong cuộc sống hằng ngày. Các kĩ thuật không ngừng đƣợc hoàn thiện đáp ứng nhu cầu của ngƣời tiêu dùng. Công nghệ điện thoại di động phổ biến nhất thế giới GSM đang gặp nhiều cản trở và sẽ sớm bị thay thế bằng những công nghệ tiên tiến hơn, hỗ trợ tối đa các dịch vụ nhƣ Internet, truyền hình Hệ thống viễn thông di động thế hệ hai là GSM và IS 95. Những công nghệ này ban đầu đƣợc thiết kế để truyền tải giọng nói và nhắn tin. Để tận dụng đƣợc tính năng của hệ thống 2G khi chuyển hƣớng sang 3G cần thiết có một giải pháp trung chuyển. Các nhà khai thác mạng GSM có thể bắt đầu chuyển từ GSM sang 3G bằng cách nâng cấp hệ thống mạng lên GPRS (Dịch vụ vô tuyến chuyển mạch gói), tiếp theo là EDGE (tiêu chuẩn 3G trên băng tần GSM và hỗ trợ dữ liệu lên tới 384kbit) và UMTS (công nghệ băng thông hẹp GSM sử dụng truyền dẫn CDMA), và WCDMA. 3G là một bƣớc đột phá của ngành di động, bởi vì nó cung cấp băng thông rộng hơn cho ngƣời sử dụng. Điều đó có nghĩa sẽ có các dịch vụ mới và nhiều thuận tiện hơn trong dịch vụ thoại và sử dụng các ứng dụng dữ liệu nhƣ truyền thông hữu ích nhƣ điện thoại truyền hình, định vị và tìm kiếm thông tin, truy cập Internet, truyền tải dữ liệu dung lƣợng lớn, nghe nhạc và xem video chất lƣợng cao,… Truyền thông di động ngày nay đã và đang đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống. Việc vẫn có thể giữ liên lạc với mọi ngƣời trong khi di chuyển đã làm thay đổi cuộc sống riêng tƣ và công việc của chúng ta. Tuy nhiên, thị trƣờng viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung lƣợng và băng thông của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai. Sự ra đời của hệ thống di động thế hệ thứ ba với các công nghệ tiêu biểu nhƣ WCDMA hay HSPA là một tất yếu để có thể đáp ứng đƣợc nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của ngƣời sử dụng. Trong lộ trình phát triển, các mạng GPRS/EDGE và tiếp theo là UMTS đƣợc triển khai trên nền mạng GSM truyền thống nhằm đem lại thêm tài nguyên vô tuyến để cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, và tăng chất lƣợng dịch vụ thoại. Quá trình phát triển này đòi hỏi dung lƣợng mạng truyền dẫn (backhaul) phải đƣợc mở rộng để 4 truyền tải lƣu lƣợng lớn hơn từ trạm gốc (BS) đến trung tâm chuyển mạch (MSC). Tuy nhiên, hệ thống truyền dẫn của UMTS dựa trên công nghệ truyền dẫn IP hoặc ATM, trong khi của mạng GSM truyền thống dựa trên công nghệ TDM. Vậy yêu cầu đặt ra là cần phải nâng cấp mạng TDM của GSM. Việc xây dựng hai mạng riêng biệt cho GSM và UMTS là không hiệu quả, đặc biệt khi các nhà khai thác di động hy vọng UMTS sẽ dần thay thế GSM, và nhƣ vậy mạng truyền dẫn GSM dần dần sẽ bị xoá bỏ. Trong hệ thống PON, kết nối mạng quang (ONT) có khả năng hỗ trợ kết nối dịch vụ điện thoại truyền thống qua giao diện POTS (Plain Old Telephone Service) và các giao tiếp truyền dữ liệu tốc độ cao nhƣ Ethernet và DSL. Đầu cuối đƣờng dây quang (OLT) bao gồm các khối giao tiếp PON, một kết cấu chuyển mạch dữ liệu và các phần tử điều khiển NE (Network Element). Tại hƣớng xuống, OLT phát quảng bá dữ liệu tới tất cả các ONU. Tín hiệu hƣớng xuống bao gồm dữ liệu cho các ONT, từ mào đầu Khai thác Quản lý và Bảo dƣỡng (Operations Administration and Maintenance - OAM) và các tín hiệu đồng bộ cho các ONT gửi dữ liệu hƣớng lên. Dựa vào các thông tin về khe thời gian (kênh), địa chỉ gói/tế bào, bƣớc sóng, mã CDMA mà các ONT tách dữ liệu tƣơng ứng với thuê bao của khách hàng. Trong hƣớng lên, mỗi một ONU cần có giao thức điều khiển truy nhập môi trƣờng MAC (Medium Access Control) để chia sẻ PON. Giao thức MAC thƣờng đƣợc sử dụng trong PON là đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), khi đó mỗi ONT đƣợc cấp một khe thời gian (kênh) để gửi dữ liệu của mình tới OLT. Ngoài ra trong hƣớng lên cần phải có khoảng thời gian bảo vệ giữa các nhóm gói dữ liệu của các ONT, khoảng thời gian này phải đảm bảo sao cho tại bộ thu OLT dữ liệu không bị trùm phủ lên nhau. Thông thƣờng các hệ thống TDMA PON gán trƣớc một tỷ lệ phân chia cố định băng thông hƣớng lên cho các ONT mà không quan tâm có bao nhiêu dữ liệu đƣợc gửi đi. Một giải pháp để phân bổ băng thông cho các ONT là sử dụng giao thức phân bổ băng thông động (Dynamic Bandwidth Allocation - DBA). DBA là giao thức cho phép các ONT gửi yêu cầu về băng thông tới OLT nhằm sử dụng hiệu quả băng thông hƣớng lên. Các thông tin yêu cầu có thể là các mức đầy hàng đợi đầu vào cho các lớp dịch vụ khác nhau. OLT đánh giá các yêu cầu từ các ONT và gán băng thông cho gửi dữ liệu hƣớng lên ở lần kế tiếp theo. OLT cũng có thể tích hợp chức năng thỏa thuận 5 mức dịch vụ SLA (Service Level Agreement) để kết hợp với DBA trong việc phân bổ băng thông. Thông thƣờng các hệ thống PON truyền dữ liệu cả hƣớng xuống và hƣớng lên trong cùng một sợi quang. Trên mỗi sợi mặc dù các bộ nối định hƣớng cho phép sử dụng cùng một bƣớc sóng cho cả 2 hƣớng, tuy nhiên đối với các hệ thống truyền tải tốc độ cao để đảm bảo chất lƣợng thì thông thƣờng mỗi hƣớng sử dụng một bƣớc sóng riêng. Trong các mạng PON các bƣớc sóng đƣợc sử dụng là 1490nm hoặc 1550nm cho hƣớng xuống và 1310nm cho tín hiệu đƣờng lên. Luận văn này xem xét một giải pháp sử dụng cùng một mạng truyền dẫn có thể hỗ trợ cho cả UMTS và GSM với GPRS/EDGE. Giải pháp này làm giảm yêu cầu dung lƣợng cần truyền dẫn của mạng backhaul bằng việc sử dụng phƣơng pháp nén tiên tiến cho lƣu lƣợng thoại GSM, lƣu lƣợng dữ liệu và phƣơng pháp ghép lƣu lƣợng thoại và dữ liệu của cả hai mạng GSM và UMTS. Luận văn này mô tả công nghệ PON, 3G và phát triển của mạng truyền dẫn GSM/UMTS để hỗ trợ EDGE và UMTS, nghiên cứu một cấu trúc tối ƣu với trọng tâm là các kỹ thuật công nghệ PON nhằm làm giảm sự lãng phí tài nguyên dải thông trên mạng truyền dẫn 3G để tiết kiệm dải thông, tối ƣu mạng truyền dẫn di động 3G. Xuất phát từ ý tƣởng muốn tìm hiểu công nghệ W-CDMA, mạng W-CDMA và công nghệ PON tôi đã thực hiện luận văn: “Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ PON để quy hoạch, nâng cấp và tối ƣu hóa mạng truyền dẫn 3G”. Luận văn này tôi trình bày 3 chƣơng, với nội dung chính là chƣơng 2, chƣơng 3, gồm có : Chƣơng 1 : Hệ thống thông tin di động thê hệ thứ 3 W-CDMA, Chƣơng 2 : Công nghệ PON và các chuẩn hóa PON, Chƣơng 3 : Ứng dụng PON để quy hoạch, nâng cấp và tối ƣu hóa mạng truyền dẫn 3G, [...]... này đã giới thiệu đƣợc công nghệ W-CDMA , cấu trúc mạng WCDMA, mạng truy nhập vô tuyến UTRAN và giao diện vô tuyến Chương 2: CÔNG NGHỆ PON VÀ CÁC CHUẨN HÓA PON 2.1 Mạng quang tích cực AON và mạng quang thụ động PON 2.1.1 AON Mạng quang tích cực sử dụng một số thiết bị quang tí ch cƣc để phân chia tín hiệu là ̣ : switch, router và multiplexer Mỗi tín hiệu đi ra từ phía nhà cung cấp chỉ đƣợc đƣa trực... nghiệm của B -PON và EPON Mặc dù G -PON hỗ trợ truyền tải tin ATM, nhƣng nó cũng đƣa vào một cơ chế thích nghi tải tin mới mà đƣợc tối ƣu hóa cho truyền tải các khung Ethernet đƣợc gọi là phƣơng thức đóng gói G -PON (GEM – GPON Encapsulation Method) GEM là phƣơng thức dựa trên thủ tục đóng khung chung trong khuyến nghị G.701 ngoại trừ việc GEM tối ƣu hóa từ mào đầu để phục vụ cho ứng dụng của PON, cho phép... 2.1.3 Các chuẩn trong mạng PON Các chuẩn mạng PON có thể chia thành 2 nhóm: nhóm 1 bao gồm các chuẩn theo phƣơng thức truy nhập TDMA -PON nhƣ là B -PON (Broadband PON) , E -PON (Ethernet PON) , G -PON (Gigabit PON) (đặc tính các của chuẩn TDMA -PON đƣợc so sánh trong Bảng 3.1); nhóm 2 bao gồm chuẩn theo các phƣơng thức truy nhập khác nhƣ WDM -PON (Wavelength Division Multiplexing PON) và CDMA -PON (Code Division... sở mạng GPRS Về mặt chức năng có thể chia cấu trúc mạng W-CDMA ra làm hai phần : mạng lõi (CN) và mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN), trong đó mạng lõi sử dụng toàn bộ cấu trúc phần cứng của mạng GPRS còn mạng truy nhập vô tuyến là phần nâng cấp của W-CDMA Ngoài ra để hoàn thiện hệ thống, trong W-CDMA còn có thiết bị ngƣời sử dụng (UE) thực hiện giao diện ngƣời sử dụng với hệ thống Từ quan điểm chuẩn hóa, ... các công nghệ truyền dẫn khác nhau nhƣ SONET, STM-1 hay E1 để thực hiện lớp vật lý - Ngăn xếp giao thức phía điều khiển : Gồm RANAP trên đỉnh giao diện SS7 băng rộng và các lớp ứng dụng là phần điều khiển kết nối báo hiệu SCCP, phần truyền bản tin MTP3-b, và lớp thích ứng báo hiệu ATM cho các giao diện mạng SAAL-NNI - Ngăn xếp giao thức phía điều khiển mạng truyền tải : Gồm các giao thức báo hiệu để. .. TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG THẾ HỆ BA W-CDMA 1.1 Giới thiệu công nghệ W-CDMA Chƣơng này sẽ giới thiệu về công nghệ W-CDMA, cấu trúc mạng W-CDMA, mạng truy nhập vô tuyến UTRAN, các giao diện vô tuyến và đặc trƣng riêng của chúng, ta sẽ có cái nhìn tổng quan về mạng W-CDMA 3G WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access - truy cập đa phân mã băng rộng) là công nghệ 3G hoạt động dựa trên CDMA và có khả... truyền 100Mbps song công tới khách hàng và tiến tới cung cấp đƣờng truyền 1Gbps song công Hình 3.1 dƣới đây là kiến trúc đơn giản của mạng AON 24 Hình 3.1 -Mạng Active Ethernet (trên ) và mạng AON (dƣới) Một nhƣợc điểm rất lớn của mạng quang tích cực chính là ở thiết bị chuyển mạch Với công nghệ hiện tại, thiết bị chuyển mạch bắt buộc phải chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện để phân tích thông... tích cực này sử dụng chuyển mạch Ethernet quang để phân phối tín hiệu cho ngƣời sử dụng; nhờ đó, cả phía nhà cung cấp và khách hàng đã tham gia vào một kiến trúc mạng chuyển mạch Ethernet tƣơng tự nhƣ mạng máy tính Ethernet sử dụng trong các trƣờng học Tuy nhiên, 2 mạng này cũng có sự khác biệt đó là Ethernet trong trƣờng học mục đích chủ yếu là liên kết giữa máy tính và máy in còn mạng chuyển mạch... Multiple Access PON) 2.1.3.1 B -PON Mạng quang thụ động băng rộng B -PON đƣợc chuẩn hóa trong chuỗi các khuyến nghị G.938 của ITU-T Các khuyến nghị này đƣa ra các tiêu chuẩn về các khối chức năng ONT và OLT, khuôn dạng và tốc độ khung của luồng dữ liệu hƣớng lên và hƣớng xuống, giao thức truy nhập hƣớng lên TDMA, các giao tiếp vật lý, các giao tiếp quản lý và điều khiển ONT và DBA Trong mạng B -PON, dữ liệu... thời gian mẫu, mẫu này là giá trị của bộ đệm cục bộ của ONU tƣơng ứng Tốc độ truyền dữ liệu E -PON có thể đạt tới 1Gbit/s Một chuẩn khác cũng cùng họ với E -PON là chuẩn Gbit/s Ethernet PON (IEEE 802.3av – Gbit/s PON) Chuẩn này là phát triển của E -PON tại tốc độ 10Gbit/s và đƣợc ứng dụng chủ yếu trong các mạng quảng bá video số Gbit/s PON cho phép phân phối nhiều dịch vụ đòi hỏi băng thông lớn, độ phân . 3 W-CDMA, Chƣơng 2 : Công nghệ PON và các chuẩn hóa PON, Chƣơng 3 : Ứng dụng PON để quy hoạch, nâng cấp và tối ƣu hóa mạng truyền dẫn 3G, 6 Chƣơng 4 : Kết luận và hƣớng mở của luận văn TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PON ĐỂ QUY HOẠCH, NÂNG CẤP VÀ TỐI ƢU HÓA MẠNG TRUYỀN DẪN 3G WCDMA Ngành : KỸ. W-CDMA và công nghệ PON tôi đã thực hiện luận văn: Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ PON để quy hoạch, nâng cấp và tối ƣu hóa mạng truyền dẫn 3G . Luận văn này tôi trình bày 3 chƣơng, với