Mạng 4G - LTE Long Term Evolution sử dụng công nghệ OFDM với một kênh tần số băng rộng chia ra cho một vài kênh có các sóng mang con sử dụng để truyền dữ liệu tốc độ cao cho nhiều người
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
ĐỖ CHUNG HIẾU
QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE
Ngành: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60520203
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ
ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
HÀ NỘI – 2014
Trang 2TÓM TẮT LUẬN VĂN
Mặc dù phân chia tần số trực giao (OFDM) không phải là một kỹ thuật mới, nó đã được đề xuất trong cuối các năm 1960, nhưng gần đây khi kỹ thuật xử lý tín hiệu tốt hơn làm cho OFDM trở nên thực tế hơn Công nghệ mạng không dây 802.11 là công nghệ thành công nhất cho đến nay sử dụng kĩ thuật OFDM để truyền tín hiệu qua kênh không dây OFDM chuyển đổi một kênh tần số có chọn lọc vào một
bộ tập các tần số phẳng với các kênh con truyền song song Các sóng mang con có sự tách biệt tần số tối thiểu cần thiết để duy trì tính trực giao của dạng sóng theo miền thời gian tương ứng, nhưng phổ các tín hiệu tương ứng với các sóng mang con khác nhau chồng lên nhau ở tần số Do đó, băng thông được sử dụng rất hiệu quả Nếu hiểu biết
về kênh có sẵn ở máy phát thì tín hiệu phát OFDM có thể thích nghi
để phù hợp với kênh
Mạng 4G - LTE (Long Term Evolution) sử dụng công nghệ OFDM với một kênh tần số băng rộng chia ra cho một vài kênh có các sóng mang con sử dụng để truyền dữ liệu tốc độ cao cho nhiều người dùng với các dịch vụ khác nhau [1] Hiện nay, LTE đã được kích hoạt trên một số thiết bị di động như smartphones , laptops, tablets, … giúp người dùng truy nhập Internet với tốc độ cao và sử du ̣ng đa dịch vụ
Về mặt kỹ thuật , LTE có thể hoạt động trên dải tần rộng từ 1.4Mhz lên đến 20Mhz, cải thiện dung lượng và vùng phủ của hệ thống, hỗ trợ truyền đa anten (MIMO), giảm chi phí trên đường truyền và có thể tích hợp với các hệ thống mạng di động đang tồn tại sẵn
Các bài toán liên quan đến quy hoạch mạng LTE đang được đưa ra nhằm xây dựng mạng LTE đạt hiệu năng cao, được tối ưu hóa khi vận hành Trong đó quy hoạch lưu lượng với tối đa hóa thông lượng trong vùng phủ sóng được xem xét vì so với bài toán lưu lượng của các mạng trước đó như 2G/3G, thông lượng mạng LTE không chỉ phụ thuộc vào diện tích vùng phủ sóng, số lượng dân cư (hay mật độ dân cư trong vùng) mà còn phụ thuộc vào loại dịch vụ được sử dụng,
Trang 3chất lượng dịch vụ (QoS) mạng được yêu cầu, nhất là phụ thuộc vào
cả các giải thuật lập lịch được sử dụng
Mục đích của luận văn là xem xét việc chia xẻ nguồn tài nguyên vô tuyến cho các người dùng theo các yêu cầu dịch vụ và QoS mạng khác nhau Bốn giải thuật lập lịch (chỉ thị chất lượng kênh (CQI), Round Robin, Proportional Fair và tốc độ Craving Greedy (RCG)) được sử dụng để cung cấp nguồn tài nguyên vô tuyến và tham chiếu nhằm phân tích thông lượng cũng như độ trễ (tham số QoS) và mức
độ công bằng giữa các người dùng (yêu cầu dịch vụ), cho thấy ảnh hưởng của số người dùng, loại dịch vụ, chất lượng dịch vụ và giải thuật lập lịch tới thông lượng mạng LTE Hiệu năng mạng (thông lượng) được phân tích dựa trên các kết quả mô phỏng MATLAB Nhằm đáp ứng cho việc triển khai LTE tại Việt Nam, luận văn nghiên cứu về: “Quy hoạch mạng 4G LTE” sau khi hoàn thành sẽ nhìn tổng quan về lưu lượng mạng 4G LTE, do đó nội dung luận văn được chia thành bốn (04) chương như sau:
Chương I: Tổng quan về LTE
Chương II: Ước lượng dung lượng kênh LTE
Chương III: Quy hoạch lưu lượng LTE
Chương IV: Tính toán mô phỏng quy hoạch dung lượng LTE
Kết luận và đưa ra những đề xuất trong tương lai cho những vấn đề được thực hiện tiếp theo, đồng thời liệt kê những nguồn tài liệu tham khảo khi thực hiện luận văn
Trang 4Chương 1.Tổng quan về LTE 1.1 Giới thiệu
Mạng truyền thông không dây luôn là ngành có sự phát triển nhanh nhất trong ngành công nghiệp truyền thông Vì vậy, nó đã luôn chiếm được sự quan tâm của các phương tiện truyền thông và sự chú
ý của công chúng Hệ thống di động đã trải qua sự tăng trưởng theo cấp số nhân trong những năm qua Thật vậy, điện thoại di động không những trở thành một ngành kinh doanh quan trọng mà còn là một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày ở hầu hết các nước phát triển Sự tăng trưởng bùng nổ trong những năm gần đây của hệ thống mạng không dây cùng với sự gia tăng của máy tính xách tay, máy tính bảng và điện thoại thông minh đã chỉ ra một tương lai tươi sáng cho các mạng không dây, cả hai đều là những hệ thống độc lập và còn là một phần của cơ sở hạ tầng mạng lớn hơn Tuy nhiên, vẫn còn rất nhiều thách thức kỹ thuật trong việc thiết kế một mạng không dây mạnh mẽ mà mang lại hiệu năng cần thiết để
hỗ trợ cho các ứng dụng đang phát triển
Hình 1.1: Sự phát triển của hệ thống TDMA và OFDM
1.2 Các vấn đề cơ bản
Trang 5Hình 1.2: Tổng thể kiến trúc E-UTRAN
1.2.2 Giao diện vô tuyến
Đa truy nhập được dựa trên việc sử dụng SC-FDMA với tiền tố vòng (Cyclic Prefixed) trong đường lên và đường xuống OFDMA
SC-FDMA với điều chế M-QAM kết hợp với việc bổ sung các tiền
tố vòng Công nghệ này mang lại một số lợi ích mà nhờ có tiền tố vòng thì nhiễu giữa các kí hiệu (ISI) giảm xuống nhiều hay có thể được loại bỏ, cho phép máy thu với bộ cân bằng có độ phức tạp thấp Ngay cả PAR được chi phối bởi điều chế trong sử dụng và SC-FDMA có khả năng đạt được hiệu suất tương tự OFDMA, khi giả thiết sử dụng cùng bộ cân bằng
1.3 Lớp vật lý LTE
Trang 61.3.1 Giới thiệu
Lớp vật lý LTE được thiết kế để cung cấp truyền dữ liệu gói tốc độ cao, độ trễ thấp,với công nghệ truy cập vô tuyến được tối ưu hóa và khả năng giao diện vô tuyến được cải thiện Có khả năng truy cập internet không dây băng thông rộng và các dịch vụ mới sẽ được cung cấp bằng công nghệ này
1.3.2 Mục tiêu lớp vật lý LTE
Yêu cầu đặt ra cho tốc độ dữ liệu đỉnh cho đường xuống là 100Mbps và đường lên là 50Mbps với phổ là 20MHz, có thể biểu diễn hiệu suất phổ được 2.5bit/s/Hz cho đường lên và hiệu suất phổ 5bit/s/Hz cho đường xuống, tăng tốc độ bít ở biên của vùng phủ sóng Hỗ trợ khi di chuyển với tốc độ lên đến 350km/h, thậm chí lên đến 500km/h
Trên mặt phẳng điều khiển: Giảm thời gian để một thiết bị đầu cuối
(UE) chuyển từ trạng thái nghỉ sang trạng thái kết nối với mạng, và bắt đầu truyền thông tin trên một kênh truyền Thời gian này phải nhỏ hơn 100 ms
Trên mặt phẳng sử dụng: Khả năng độ trễ dưới 10ms để cung cấp
các dịch vụ tương tác thời gian thực như video chất lượng cao, hội nghị truyền hình, chơi game, …
Dải tần vô tuyến LTE có khả năng mở rộng từ 1.25MHz, 2.5MHz, 5MHz, 10MHz, 20MHz dẫn đến sự linh hoạt trong việc sử dụng băng thông một cách hiệu quả và cho phép tồn tại cùng với các tiêu chuẩn khác
Như vậy LTE còn cung cấp hiệu suất phổ hơn 2 đến 4 lần HSPA Release 6
1.3.3 Cấu trúc khung LTE
1.3.3.1 Cấu trúc khung Type-1
Trang 7Cấu trúc khung Type-1 được thiết kế để phân chia tần song công (FDD) và cấu trúc khung Type-2 được thiết kế để phân chia thời gian song công (TDD) Khung Type-1 có thời gian kéo dài 10ms bao gồm 20 khe kích thước bằng nhau, mỗi khe 0.5ms Mỗi khung con (sub-frame) có 2 khe, do đó một khungvô tuyến có 10 khung con Trong chế độ FDD, một nửa số khung con sử dụng cho đường xuống và một nửa sử dụng cho đường lên
1.3.3.2 Cấu trúc khung Type-2
Cấu trúc khung Type-2 thích hợp với TDD, một khung vô tuyến bao gồm 2 nửa khung có thời gian 5ms giống hệt nhau Mỗi nửa khung được chia làm 5 khung con có thời gian 1ms Mỗi khung con bình thường gồm 2 khe 0.5ms Các loại khung con đặc biệt bao gồm 3 trường Downlink Pilot Timeslot (DwPTS), GP (Guard Period) và Uplink Pilot Timeslot (UpPTS) Bảy cấu hình UL-DL được hỗ trợ với cả 2 loại (10ms và 5ms) của chuyển đổi chu kì DL sang UL Trong loại 5ms của chuyển đổi chu kì DL sang UL, khung con đặc biệt được sử dụng cả trong 2 nửa khung Trong loại 10ms của chuyển đổi chu kì DL sang UL, khung đặc biệt chỉ được sử dụng trong nửa khung đầu tiên Đối với truyền dẫn đường xuống khung đặc biệt 0, 5 và DwPTS luôn được dành riêng UpPTS và khung con bên cạnh các khung con đặc biệt luôn dành riêng cho thông tin đường xuống
1.3.4 Tài nguyên vật lý và cấu trúc khe thời gian
Trong mỗi khe thời gian cho trước, tín hiệu truyền có thể được xem như tại một lưới tần số-thời gian, nơi mà mỗi yếu tố tài nguyên (RE) trong lưới tương ứng với một sóng mang con ODFM Số lượng các sóng mang con xác định băng thông truyền tải Đối với tiền tố vòng, mỗi khe thời gian chứa bảy kí hiệu OFDM và trong trường hợp tiền
tố vòng mở rộng, 6 kí hiệu OFDM được nằm trong khe trong mỗi khe thời gian
1.3.5 Cấu trúc tín hiệu đường xuống LTE
Trang 8Để thực hiện giải điều chế trong đường xuống LTE, ước lượng kênh cần thiết ở thiết bị thu cuối Trong trường hợp phát kí hiệu tham chiếu được biết trước được thêm vào lưới tân số OFDM để ước lượng kênh Những tín hiệu này được gọi là tín hiệu tham chiếu đường xuống LTE Đối với miền thời gian, tín hiệu tham chiếu được gắn vào khe tại điểm thứ nhất và cuối cùng thứ ba của lưới tài nguyên, trong khi đó, tín hiệu tham chiếu được chèn trên trên mỗi sáu sóng mang con trong miền tần số Để ước lượng kênh chính xác trên toàn lưới và giảm nhiễu trong ước tính kênh, phép nội suy và tính trung bình 2 chiều thời gian-tần số cần thiết trên nhiều ký hiệu tham chiếu Mỗi một tín hiệu tham chiếu được truyền từ mỗi anten
để đánh giá chất lượng kênh tương ứng với mỗi đường dẫn khi cơ chế đa anten được áp dụng Trong trường hợp này, các tín hiệu tham chiếu được ánh xạ vào sóng mang con khác nhau của lưới tài nguyên cho các anten khác nhau để giảm giao thoa Các yếu tố nguồn lực được sử dụng để truyền tín hiệu tham khảo tại antenna-1 không tái sử dụng cho antenna-2 để truyền dữ liệu
1.3.6 Thông số đường xuống LTE
LTE có khả năng mở rộng băng thông, vì vậy số lượng sóng mang con cũg thay đổi trong khi vẫn giữ khoảng cách sóng mang con lên đến 15kHz Tùy thuộc vào trễ lan truyền, 2 loại chiều dài tiền tố vòng (ngắn và mở rộng) được phép sử dụng Nó nhằm mục đích hỗ trợ các trường hợp khác nhau, trong nhà, đô thị, ngoại ô và nông thôn cho cả 2 loại điều kiện di động (thấp và cao) của thiết bị di động đầu cuối khác nhau, từ 350km/h đến 500km/h Trong khi sử dụng cấu hình FDD cấu trúc khung và các thông số được sử dụng trong đường lên và đường xuống Các thông số này được tóm tắt trong bảng dưới
1.3.7 Kỹ thuật đa anten
Kỹ thuật đa anten sử dụng nhiều anten ở máy phát và/hoặc máy thu kết hợp với xử lý tín hiệu thích ứng để cung cấp xử lý mảng thông
Trang 9minh, kết hợp phân tập hoặc khả năng ghép kênh không gian của hệ
thống không dây Trước đây, trong các hệ thống truyền tín hiệu,
anten thông thường chỉ khai thác miền thời gian và tần số Hiện nay,
với hệ thống đa anten thì chúng ta khai thác thêm một miền con -
chiều không gian Nhờ việc sử dụng các mô hình không gian với kỹ
thuật đa anten đáp ứng các yêu cầu LTE; cải thiện vùng phủ sóng
(khả năng cho các tế bào lớn hơn), nâng cao dung năng của hệ thống
(số người sử dụng/cell di động), chất lượng dịch vụ (QoS) và tốc độ
mong muốn đạt được có được bằng cách sử dụng kỹ thuật đa anten
Kỹ thuật đa anten được tích hợp vào thông số kỹ thuật LTE bởi các
yêu cầu ví dụ như như tốc độ dữ liệu đỉnh người dùng không thể đạt
được nếu không dùng cơ chế đa anten
Các liên kết vô tuyến bị ảnh hưởng bởi hiện tượng fading gây nhiễu
ở người nhận Bằng cách áp dụng nhiều anten ở máy phát hoặc ở
phía người nhận, nhiều đường tín hiệu radio được thành lập giữa mỗi
anten truyền và nhận Bằng cách này, cho dù nhiều đường khác nhau
vẫn sẽ chịu ảnh hưởng bởi fading, nhưng nhờ kĩ thuật phân tập
không gian mà ảnh hưởng của fading sẽ giảm xuống khi truyền tin
giữa máy phát tới máy thu Để các đường không tương quan với
nhau, các vị trí tương đối của anten trong cấu hình đa anten nên đặt
xa nhau Cho dù fading tương quan hay không tương quan cần thiết
phụ thuộc vào những gì sẽ làm với cấu hình đa anten (phân tập,
hướng búp sóng và ghép kênh không gian) Nhìn chung, kỹ thuật đa
anten có thể được chia thành 3 loại tùy thuộc vào lợi ích khác nhau
Trang 10Chương II Ước lượng dung lượng kênh LTE
2.1 Mô hình đường xuống LTE
Để cung cấp mô tả chi tiết của đường xuống LTE, mô hình hệ thống dựa trên mô hình đa anten phát và OFDM là yếu tố chính trong chương này Sự kết hợp của công nghệ mới, ví dụ như MIMO-OFDM được sử dụng để thực hiện các yêu cầu của giao diện vô tuyến LTE Kỹ thuật MIMO được coi là phương pháp quan trọng nhất để cung cấp hiệu quả băng thông cần thiết và tốc độ dữ liệu cao trong sự phát triển của các hệ thống thông tin di động trong tương lai Mặt khác, OFDM là mô hình truyền đa sóng mang đặc biệt, rất hấp dẫn để thực hiện điều chế đa sóng mang để chống ISI trong môi trường fading đa đường với hiệu suất phổ cao cho đường xuống LTE OFDM sử dụng nhiều tín hiệu chồng chéo nhưng chỉ sử dụng trực giao tín hiệu sóng mang duy nhất để đạt được hiệu suất phổ cao và tốc độ dữ liệu cao Các mô hình đường xuống LTE được sử dụng trong mô phỏng và được mô tả ở hình dưới với hai anten truyền và hai anten nhận
Bộ chuyển đổi
nối tiếp
sang song song
Mapping tài nguyên vật lý Zero Padding
Zero Padding
FFT Xóa
bỏ Anten De- Mapping Tính toán
BRE
De-Mapping tài nguyên vật lý
Trích xuất pilot
Trang 11Hình 2.1: Mô hình hệ thống đường xuống LTE với MIMO 2x2
2.2 Mô hình truyền sóng
2.2.1 Giới thiệu
Ngay từ khi xuất hiện, thông tin liên lạc không dây có yêu cầu cao đối với kênh di động có fading Lý do cho tầm quan trọng này là mô hình kênh rất cần thiết cho việc phân tích, thiết kế và triển khai các
hệ thống thông tin liên lạc cho việc truyền thông tin tin cậy giữa hai bên Mô hình kênh cũng rất quan trọng để thử nghiệm, tối ưu hóa thông số và hiệu năng của hệ thống thông tin liên lạc Hiệu năng và
độ phức tạp của xử lý thuật toán tín hiệu, thiết kế anten thu phát thông minh, … được sử dụng trong hệ thống thông tin di động trong tương lai, phụ thuộc nhiều vào phương pháp thiết kế, được sử dụng
để mô hình hóa kênh fading di động Vì vậy, kiến thức về kênh fading di động là điều kiện tiên quyết cho việc thiết kê trung tâm của
hệ thống thông tin liên lạc không dây
Những khó khăn trong việc mô hình hóa một kênh không dây là do quá trình truyền sóng phức tạp Một tín hiệu truyền đến ở máy thu thông qua cơ chế lan truyền khác nhau thể hiện ở hình 2.2 Các cơ chế lan truyền liên quan đến các cơ chế cơ bản sau:
- Không gian tự do hoặc tầm nhìn lan truyền
- Phản xạ do tương tác của sóng điện từ với mặt phẳng và bề mặt nhẵn có kích thước lớn so với bước sóng của sóng điện từ tiếp xúc
- Nhiễu xạ gây ra bởi sự uốn cong của sóng điện từ xung quanh góc của tòa nhà
- Khuếch tán hoặc tán xạ do tiếp xúc với các đối tượng có bề mặt không đều
- Lan truyền qua vật thể hấp thụ một phần của năng lượng