Giải pháp Femtocell cho mạng thông tin di động trong tòa nhà cao tầng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  TRẦN ĐỨC TOÀN GIẢI PHÁP FEMTOCELL CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TRONG TÒA NHÀ CAO TẦNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ THÁI NGUYÊN - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  TRẦN ĐỨC TOÀN GIẢI PHÁP FEMTOCELL CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TRONG TÒA NHÀ CAO TẦNG Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 60. 52. 02. 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Ngƣời hƣớng dẫn Khoa học: PGS-TS Bạch Nhật Hồng THÁI NGUYÊN - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tác giả luận văn Trần Đức Toàn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo khoa điện tử - Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy cô giáo và Phòng đào tạo sau đại học vì sự giúp đỡ tận tình này. Tôi đặc biệt muốn cảm ơn PGS.TS Bạch Nhật Hồng đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn tôi trong thời gian thực hiện đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong thời gian qua. Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn nhiều hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót. Vi vậy, tôi rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng nhƣ bạn bè, đồng nghiệp. Tôi xin trân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Trần Đức Toàn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii Trang iii DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG xi Trang xi DANH MỤC CÁC HÌNH xii DANH MỤC CÁC HÌNH xii Trang xii MỞ ĐẦU 1 Chƣơng 1 3 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 3 1.1. Quá trình phát triển của mạng thông tin 3 1.2. Hệ thống thông tin di động CDMA 3 1.2.1. Cấu trúc của hệ thống thông tin di động CDMA 3 1.2.1.1. Máy di động MS 4 1.2.1.2. Hệ thống trạm gốc BSS 4 1.2.1.3. Hệ thống chuyển mạch SS 4 1.2.1.4. Trung tâm vận hành bảo dưỡng OMC 5 1.3. Sự phát triển của mạng di động 3G W- CDMA 5 1.4. Ứng dụng của 4G LTE trong việc nâng cao chất lƣợng 6 1.4.1. Ứng dụng LTE 6 1.4.2. Nhu cầu chuyển đổi mạng 3G lên 4G/LTE 9 1.4.3. Phát triển các dịch vụ di động trong 4G/LTE 11 1.4.4. Sự thay đổi mạng lõi trong 3G W-CDMA 13 1.5. Kết luận chƣơng 14 Chƣơng 2 15 NHỮNG GIẢI PHÁP CẦN TRIỂN KHAI FEMTOCELL 15 CHO MẠNG 3G VÀ NGUYÊN TẮC TỔ CHỨC HỆ THỐNG 15 TẾ BÀO NHỎ 15 2.1. Những giải pháp cần triển khai femtocell cho mạng 3G 15 2.1.1. Vai trò, sự cần thiết của Femtocell 15 2.2. Lợi ích và sự cần thiết của femtocell 17 2.3. Kiến trúc kết nối femtocell tới mạng lõi 18 2.4. Những giải pháp kết nối femtocell đến mạng lõi 19 2.4.1. Nền tảng dựa trên UMTS 20 2.4.2. Kiến trúc UMA/GAN 24 2.4.3. Kiến trúc dựa trên IMS 25 2.5. Những nguyên tắc tổ chức hệ thống tế bào nhỏ 29 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv 2.5.1. Nguyên tắc tế bào 29 2.5.2. Các kiểu tế bào và tại sao lại có femtocell? 30 2.5.3. Các hiệu quả cho phổ tần 31 2.5.4. Các phương án để hoàn thành vùng phủ trong nhà từ macro 33 2.5.5. Các thách thức trong đường trục 34 2.5.6. Các hệ số hình học 34 2.6. Một số hệ thống tế bào khác trong femtocell 35 2.6.1. Hệ thống anten phân tán 35 2.6.2. Picocell 36 2.6.3. Các hệ thống cục bộ không dây 36 2.6.4. Giải pháp tế bào nhỏ 37 2.7. Các yếu tố thành công cơ bản của femtocell 39 2.7.1. Các ứng dụng internet 39 2.7.2. Xử lý công xuất và chi phí 40 2.7.3. Chấp nhận những băng rộng 40 2.7.4. Sự thay thế cố định bằng di động 41 2.8. Kết luận 41 Chƣơng 3 42 CÁC KIẾN TRÚC MẠNG VÀ NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI FEMTOCELL TRONG MỘT TÒA NHÀ 42 3.1. Các kiến trúc mạng femtocell 42 3.1.1. Các yêu cầu trong kiến trúc mạng 42 3.1.2. Các thách thức kiến trúc mạng 43 3.1.3. Một số lựa chọn kiến trúc cơ bản cho femtocell 44 3.1.3.1. Tích hợp mạng femtocell với mạng macro 44 3.1.3.2. Phân chia chức năng giữa FAP và FGW 45 3.1.3.3. Kết nối femtocell từ xa 46 3.1.3.4. Femtocell CDMA 47 3.1.3.5. Femtocell GSM 48 3.1.3.6. Femtocell LTE 48 3.1.3.7. Femtocell WiMAX 49 3.2. Nghiên cứu triển khai femtocell trong toà nhà 50 3.2.1. Giới thiệu chung về hệ thống 50 3.2.2. Những vấn đề hạn chế trong việc phủ sóng di động trong toà nhà 50 3.2.3. Nguyên lý hoạt động của femtocell 51 3.2.4. Các chuẩn của femtocell 51 3.2.5. Các giải pháp để phủ sóng femtoceell trong toà nhà cao tầng 52 3.2.5.1. Nguyên tắc số lượng femtocell trong 1 toà nhà cao tầng 53 3.2.5.2. Vị trí thiết kế lắp đặt femtocell 53 3.3. Các nguyên tắc cơ bản của femtocell 54 3.3.1. Phổ tần 54 3.3.2. Lan truyền nhiễu trong femtocell 56 3.3.3. Vùng phủ trong femtocell 58 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v 3.3.4. Nhiễu đường xuống 59 3.3.5. Ảnh hưởng của nhiễu và việc giảm thiểu nhiễu 62 3.3.6. Nhiễu giữa hệ thống femtocell 64 3.3.7. Đặc tính cao tần trong WCDMA 65 3.3.8. Thực hiện hệ thống theo mức 67 3.4. Kết luận và khuyến nghị 69 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Ý nghĩa từ viết tắt 3GPP Third Generation Global Partneship Project Dự án hội nhập toàn cầu thế hệ 3 2G Second Genration Mobile Di động thế hệ thứ 2 3G Third Generation Thế hệ thứ 3 AAA Authentication, Authorization and Accounting Nhận thực, trao quyền và tính cƣớc ADSL Asymmetric Digital Sucsribre Line Đƣờng dây thuê bao số không đối xứng AGCH Access Grant Channel Kênh cho phép truy nhập ARFCH Absolute Radio Frequentcy Channel Kênh tần số AP Access point Điểm truy cập APRU Average Revenue Per User Thu nhập trung bình trên thuê bao AUC Authentication Center Trung tâm nhận thực AVDR Average Drop Call Rate Tỉ lệ rứt cuộc gọi BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quản bá BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá Bm Full Rate TCH Kênh lƣu lƣợng toàn tốc BS Base Station Trạm gốc BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BSIC Base Station Identity Code Mã nhận dạng trạm gốc BSS Base Station Subsystem Phân hệ trạm gốc BICC Bearer Independent Call Control Giao thức điều khiển cuộc gọi đọc lập kênh mang BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc C/A Carrier to Adjacent Tỷ số sóng mang/ nhiễu kênh lân cận CCBR SDCCH Blocking Rate Tỷ lệ nghẽn mạch trên SDCCH CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung CCDR SDCCH Drop Rate Tỷ lệ nghẽn mạch trên SDCCH CCH Control Channel Kênh điều khiển CCS7 Common Channel Signalling N o 7 Báo hiệu kênh chung số 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii Từ viết tắt Ý nghĩa từ viết tắt CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CELL Cellular Ô (tế bào) CI Cell Identity Nhận dạng ô CINR Carrier to Interference and Noise Ratio Giá trị tỉ số sóng mang trên nhiễu và tạp âm CPICH Common Pilot Channet Kênh hoa tiêu chung CN Core Network Mạng lõi C/I Carrier to Interference Tỷ số sóng mang/ nhiễu đồng kênh C/R Carrier to Reflection Tỷ số sóng mang/sóng phản xạ CSPDN Circuit Switch Public Data Network Mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói CSSR Call Successful Rate Tỷ lệ cuộc gọi thành công DECT Digitanl Enhanced Cordless Viễn thông không dây số tăng cƣờng DAC Distributed Antenna System Hệ thống an ten phân tán DL Downlinh Đƣờng xuống DTF Domain Transfer Function Chức năng chuyển vùng DHCP Dynamic Host Control Protocol Giao thức điều khiển hoạt động DSC Dynamic Cell Selection Lựa chọn tế bào động DNS Domani Namme Server Máy chủ tên miền DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển dành riêng EIR Equipment Identification Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị EM Electro – Magnetic Trƣờng điện tử EPC Evolved Packet Core Lõi gói tiến hoá ESP Encapsulation Security Payload Đóng gói bảo an tải EV- DO Evolution - Data Optimised Tối ƣu dữ liệu tiến hoá EDGE Enhanced Data Rates For Evolution Các tốc đọ dũ liệu tăng cƣờng cho sự tiến hoá ETSI European elecommunications Standard Institute Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu Fa FAP- FGW interface Giao diện FAP- FGW FAP Femtocell Access Point Điểm truy nhập Femtocell FAP - MS FAP Management System Hệ thống quản lý FAP Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii Từ viết tắt Ý nghĩa từ viết tắt FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số Fas IMS CN - femtocell AS interface Giao diện IMSCN-femto AS FACCH Fast Associated Control Channel Kênh điều khiển liên kết nhanh FDD Frequency Division Duplex Phƣơng thức song công phân chia theo tần số FCCH Frequency Correction Channel Kênh hiệu chỉnh tần số GMSC Gateway MSC Tổng đài di động cổng GPRS General Packet Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chung GAN Generic Access Network Mạng truy cập chung GGSN Gateway GPRS support Node Nút hỗ trợ cổng GPRS GOS Grade of Service Cấp độ phục vụ GSM Global System for Mobile Communication Thông tin di động toàn cầu HLR Home Location Register Bộ đăng định vị thƣờng trú HO Handover Chuyển giao HNP Home Node B Node B gia đình HeNB Home Manaevolved Node B Node B gia đình tiến hoá HGW Home Gateway Cổng gi đình HMS HNB Management System Hệ thống quản lý HeNB HSPA High Speed Downlink Packet Access Truy nhập gói đƣờng xuống tốc độ cao HSS Home Subscriber Server Server thuê bao mạng nhà HON Handover Number Số chuyển giao IHOSR Incoming Handover Successful Rate Tỷ lệ thành công chuyển giao đến IMSI International Mobile Subscriber Identity Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế IP Internet Protoco; Giao thức Internet Ipsec IP security Bảo an IP Iu RNC- MSC/SGSN interfamce Giao diện RNC- MSS/SGSN Iuh HNB - HNB GW interface Giao diện HNB- HNB GW Iub NodeB- RNC interface Giao diện NodeB - RNC HSDPA High Speed Downlink Paket Access Truy nhập gói đƣờng xuống tốc độ cao Iur Giao diện giữa 2 RNC [...]... năm tới Trong luận văn của mình, em lựa chọn đề tài "Giải pháp femtocell cho mạng thông tin di động trong tòa nhà cao tầng" là hướng nghiên cứu chính cho luận văn Tuy nhiên femtocell còn rất mới lạ tại nƣớc ta, để có thể triển khai trong thực tế cần có nghiên cứu kỹ lƣỡng về các vấn đề kỹ thuật, tác động lên mạng di động 3G 2 Mục tiêu đề tài - Luận văn sẽ đƣa ra giả pháp kết nối femtocell vào mạng 3G... vậy một giải pháp hiệu quả hơn đang đƣợc rất nhiều các nhà mạng trên thế giới hƣớng tới là triển khai các giải pháp giảm tải lƣu lƣợng thông qua các mạng trong nhà nhƣ Femtocell hay Wifi Đây là nền tảng quan trọng cho các chƣơng tiếp theo tiếp tục đi sâu nghiên cứu giải pháp Femtocell cho mạng thông tin di động 3G Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 15 Chƣơng 2 NHỮNG GIẢI PHÁP CẦN... bày trong 03 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về mạng thông tin di động 3G Chƣơng 2: Những giải pháp cần triển khai femtocell cho mạng 3G và nguyên tắc tổ chức hệ thống tế bào nhỏ Chƣơng 3: Các kiến trúc mạng và nghiên cứu triển khai femtocell trong một tòa nhà Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 1.1 Quá trình phát triển của mạng. .. thuyết mạng thông tin di động - Vấn đề nghiên cứu của đề tài có ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn bởi vì các hệ thống thông tin rất đƣợc phổ biến trong thực tế - Nhằm tăng hiệu quả kinh tế, nâng cao chất lƣợng và dung lƣợng mạng di động b Ý nghĩa thực tiễn Nghiên cứu tìm hiểu các vấn đề liên quan khi triển khai thực tế femtocell trong một tòa nhà nhằm mục tiêu: Giảm tải dữ liệu cho mạng thông tin di động, ... FEMTOCELL CHO MẠNG 3G VÀ NGUYÊN TẮC TỔ CHỨC HỆ THỐNG TẾ BÀO NHỎ 2.1 Những giải pháp cần triển khai femtocell cho mạng 3G 2.1.1 Vai trò, sự cần thiết của Femtocell Trong mạng thông tin di động tế bào, sóng radio đƣợc phủ nhờ vào các trạm phát sóng BTS Mỗi một BTS sẽ phủ một vùng gọi là cell (tế bào) Nhiều cell đƣợc thiết kế cận kề nhau để phủ sóng trên di n rộng Chính vì cấu trúc này mà mạng thông tin. .. khai mạng di động Chính sự hội tụ cố định - di động (FMC) cũng nhƣ những tiềm năng về những dịch vụ đa phƣơng tiện multimedia trong tƣơng lai chính là đòn bẩy cho việc triển khai femtocell Femtocell là một giải pháp thay thế cho giải pháp điện thoại Twin/Unik dùng công nghệ UMA mà có vẻ gặp không ít khó khăn để xâm nhập thị trƣờng tính đến thời điểm này Femtocell là một giải pháp cho hội tụ cố định - di. .. thống và tăng tốc độ truyền thông Hình 2.1 Sơ đồ mô hình ứng dụng Femtocell Điểm nổi bật của femtocell là nó sẽ đƣợc kết nối trực tiếp vào mạng chuyển mạch gói công cộng xDSL Các dịch vụ lúc đó sẽ truyền tải trên nền mạng cố định chứ không phải trên mạng lõi riêng của mạng thông tin di động truyền thống Giải pháp này cung cấp kết nối di động tốc độ cao bên trong các tòa nhà, và đặc biệt là Số hóa bởi... di động, cung cấp kết nối tốc độ cao cho ngƣời dùng trong nhà Những tiềm năng về dịch vụ đa phƣơng tiện trong tƣơng lai chính là đòn bẩy cho việc triển khai femtocell Đây là một giải pháp thay thế cho giải pháp hội tụ cố định -di động UMA (Unlicensed Mobile Access) hiện gặp không ít khó khăn trong việc thu hút ngƣời dùng Sự khác biệt lớn nhất giữa UMA và femtocell là femtocell sử dụng cùng giao di n... dữ liệu trên mạng di động 3G đang tăng với tốc độ chóng mặt và dự báo sẽ còn tiếp tục tăng mạnh trong những năm tới Điều này đang tạo áp lực lớn lên hạ tầng mạng di động Trong bối cảnh đó, Femtocell nổi lên nhƣ một công nghệ giảm tải (offloading) dữ liệu cho mạng 3G khi đƣợc tích hợp vào mạng này Lợi ích mà femtocell mang đến cho người sử dụng: - Giảm chi phí gọi điện thoại di động tại nhà - Một kết... tử, tin học, công nghệ thông tin di động trong những năm qua đã phát triển rất mạnh mẽ cung cấp các loại hình dịch vụ đa dạng đáp ứng ngày càng cao của ngƣời sử dụng Kể từ khi ra đời vào cuối năm 1940 cho đến nay thông tin di động đã phát triển qua nhiều thế hệ và đã tiến một bƣớc dài trên con đƣờng công nghệ Với nhu cầu nhƣ vậy, ngày nay thông tin di động đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông . VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 3 1.1. Quá trình phát triển của mạng thông tin 3 1.2. Hệ thống thông tin di động CDMA 3 1.2.1. Cấu trúc của hệ thống thông tin di động CDMA 3 1.2.1.1. Máy di động. tăng nhanh trong nhiều năm tới. Trong luận văn của mình, em lựa chọn đề tài " ;Giải pháp femtocell cho mạng thông tin di động trong tòa nhà cao tầng& quot;là hướng nghiên cứu chính cho luận. HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  TRẦN ĐỨC TOÀN GIẢI PHÁP FEMTOCELL CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TRONG TÒA NHÀ CAO TẦNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ