tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu, ứng dụng công nghệ PON để quy hoạch, nâng cấp và tối ưu hóa việc phân bổ vị trí và tần số mạng truyền dẫn 3g

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này mô tả công nghệ PON, 3G và phát triểncủa mạng truyền dẫn GSM/UMTS để hỗ trợ EDGE vàUMTS, nghiên cứu một cấu trúc tối ưu với trọng tâm là cáckỹ thuật công nghệ PON nhằm làm giảm sự lãng phí tàinguyên dải thông trên mạng truyền dẫn 3G để tiết kiệmđường dải thông, tối ưu mạng truyền dẫn di động 3G.

Xuất phát từ ý tưởng muốn tìm hiểu công nghệ CDMA, mạng W-CDMA và công nghệ PON tôi đã thựchiện luận văn: “Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ PON đểquy hoạch, nâng cấp và tối ưu hóa việc phân bổ vị trí và tầnsố mạng truyền dẫn 3G”.

W-Luận văn này tôi trình bày 3 chương, với nội dungchính là chương 2, chương 3, gồm có:

Chương 1: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 CDMA.

W-Chương 2: Công nghệ PON và các chuẩn hóa PON.

Chương 3: Ứng dụng PON để phân bổ vị trí và quy hoạchtần số trong mang 3G tại khu vực TP Bắc Giang.

CHƯƠNG 1

CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG THẾ HỆ BA W-CDMA

W-CDMA (Wideband CDMA) là công nghệ thông tindi động thế hệ ba (3G) giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệucho hệ thống GSM bằng cách dùng kỹ thuật CDMA hoạtđộng ở băng tần rộng thay thế cho TDMA Trong các côngnghệ thông tin di động thế hệ ba thì W-CDMA nhận đượcsự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lýtrong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt làdịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình.

* W-CDMA có các tính năng cơ sở sau :

- Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz.- Lớp vật lý mềm dẻo để tích hợp được tất cả thông tintrên một sóng mang.

- Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1.

- Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến.

Nhược điểm chính của W-CDMA là hệ thống khôngcấp phép trong băng TDD phát

liên tục cũng như không tạo điều kiện cho các kỹ thuậtchống nhiễu ở các môi trường làm việc khác nhau.

Hệ thống thông tin di động thế hệ ba W-CDMA có thểcung cấp các dịch vụ với tốc độ bit lên đến 2MBit/s Baogồm nhiều kiểu truyền dẫn như truyền dẫn đối xứng vàkhông đối xứng, thông tin điểm đến điểm và thông tin đađiểm Với khả năng đó, các hệ thống thông tin di động thế

hệ ba có thể cung cấp dể dàng các dịch vụ mới như : điệnthoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh, ngoài ra nó còn cung cấpcác dịch vụ đa phương tiện khác

Các mạng

RNCNode B

Node B

RNCNode B

 Các mạng ngoài

 Các giao diện vô tuyến

1.2.1 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN

1.2.1.1 Đặc trưng của UTRAN

Các đặc tính của UTRAN là cơ sở để thiết kế cấu trúcUTRAN cũng như các giao thức UTRAN có các đặc tínhchính sau:

-Hỗ trợ các chức năng truy nhập vô tuyến, đặc biệt làchuyển giao mềm và các thuật toán quản lý tài nguyên đặcthù của W-CDMA.

-Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lí số liệu chuyểnmạch kênh và chuyển mạch gói bằng cách sử dụng các giaothức vô tuyến duy nhất để kết nối từ UTRAN đến cả haivùng của mạng lõi.

-Đảm bảo tính chung nhất với GSM.

-Sử dụng cơ chế truyền tải ATM là cơ chế truyền tảichính ở UTRAN

1.2.1.2 Bộ điều khiển mạng vô tuyến UTRAN1.2.1.3 Node B

1.2.2 Giao diện vô tuyến

1.2.2.1 Giao diện UTRAN – CN, IU

1.2.2.2 Giao diện RNC – RNC, IUr

- Hỗ trợ tính di động cơ sở giữa các RNC.- Hỗ trợ kênh lưu lượng riêng.

- Hỗ trợ kênh lưu lượng chung.

- Hỗ trợ quản lý tài nguyên vô tuyến toàn cầu.

1.2.2.3 Giao diện RNC – Node B, IUb

- Chức năng thiết lập, bổ sung, giải phóng và tái thiếtlập một kết nối vô tuyến đầu tiên của một UE và chọn điểmkết cuối lưu lượng.

- Khởi tạo và báo cáo các đặc thù ô, node B, kết nối vôtuyến.

- Xữ lý các kênh riêng và kênh chung.- Xữ lý kết hợp chuyển giao.

- Quản lý sự cố kết nối vô tuyến.

1.3 Kết luận chương

Chương này đã giới thiệu được công nghệ W-CDMA,cấu trúc mạng W-CDMA, mạng truy nhập vô tuyếnUTRAN và các giao diện vô tuyến Đặc điểm mới nổi bật

của UMTS là tốc độ bit người sử dụng cao hơn: có thể đạtđược tốc độ của kết nối chuyển mạch kênh 384kbps, kếtnối chuyển mạch gói lên tới 2Mbps Tốc độ bit dữ liệu caohơn cung cấp các dịch vụ mới như điện thoại hình, và tảidữ liệu nhanh hơn

So với GSM và các mạng di động đang tồn tại, UMTScung cấp các đặc tính mới và quan trọng, đó là nó cho phépthoả thuận các đặc tính của một bộ mang vô tuyến Cácthuộc tính định nghĩa đặc trưng của chuyển vận bao gồm:thông lượng, trễ truyền, và tỷ số lỗi dữ liệu Là một hệthống hoàn hảo, UMTS phải hỗ trợ rất nhiều các dịch vụcó các yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau Hiệntại, ta cũng không dự đoán được hết các đặc điểm và cáchsử dụng của rất nhiều các dịch vụ đó và cũng khó có thể tốiưu các dịch vụ UMTS thành chỉ một tập hợp các ứng dụng.

Cho nên các bộ mang UMTS phải có đặc điểm chung, đểhỗ trợ các ứng dụng đang tồn tại đồng thời thuận tiện choviệc cho việc phát triển các ứng dụng mới Hỗ trợ các chứcnăng truy nhập vô tuyến, đặc biệt là chuyển giao mềm vàcác thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù của W-CDMA.Từ đó có thể thấy mạng 3G vẫn còn nguồn tài nguyên rấtphong phú cho các nhà mạng khai thác từ các ứng dụng mởcủa nó bằng việc quy hoạch và tối ưu mạng, nhằm mang laichất lượng phục vụ tốt và chi phí lắp đặt tối ưu Nội dungcủa toàn chương một là cơ sở cho việc ứng dụng mạng kếthợp PON – 3G tại chương 3 dưới đây.

Chương 2:

CÔNG NGHỆ PON VÀ CÁC CHUẨN HÓA PON

Trong hệ thống PON, kết nối mạng quang ONT có khảnăng hỗ trợ kết nối dịch vụ điện thoại truyền thống quagiao diện POTS (Plain Old Telephone Service) và các giaotiếp truyền dữ liệu tốc độ cao như Ethernet và DSL Đầucuối đường dây quang OLT bao gồm các khối giao tiếpPON, một kết cấu chuyển mạch dữ liệu và các phần tử điềukhiển NE (Network Element) Thiết bị OLT (thiết bị kếtcuối kênh quang) được đặt ở phía nhà cung cấp dịch vụ,còn các thiết bị ONT (thiết bị kết cuối mạng quang) đượcđặt phía nguời sử dụng Thiết bị OLT cung cấp nhiều kênhquang, mỗi kênh quang đuợc truyền trên một tuyến cápquang trên đó có bộ chia Nhiệm vụ của bộ chia là thu vànhận các tín hiệu quang đuợc nhận và phát bởi OLT

Cáp sợi quang truyền từ OLT sẽ trải dài và kết nỗi tớimỗi ONT Các bước sóng truyền 1490 nm (hoặc 1550 nm

tùy theo lựa chọn) đuợc dùng cho băng thông chiều xuốngtừ OLT, trong đó các bước sóng 1310 nm sẽ đuợc truyềntheo huớng lên bởi mỗi thiết bị ONT Hệ thống cung cấpđịa chỉ, cung cấp băng thông một cách tự động tự độngcũng như việc mã hóa được sử dung để truy trì và phântách lưu lựợng giữa OLT và ONT.

Tại hướng xuống, OLT phát quảng bá dữ liệu tới tất cảcác ONU Tín hiệu hướng xuống bao gồm dữ liệu chocác ONT, từ đầu Khai thác Quản lý và Bảo dưỡngOAM (Operation Administration and Maintenance) và cáctín hiệu đồng bộ cho các ONT gửi dữ liệu hướng lên.Dựa vào các thông tin về khe thời gian (kênh), địachỉ gói/tế bào, bước sóng, mã CDMA mà các ONT táchdữ liệu tương ứng với thuê bao của khách hàng.

Trong hướng lên, mỗi một ONU cần có giao thứcđiều khiển truy nhập môi trường MAC (MediumAccess Control) để chia sẻ PON Giao thức MAC thườngđược sử dụng trong PON là đa truy nhập phân chia theothời gian TDMA, khi đó mỗi ONT được cấp một khe thờigian (kênh) để gửi dữ liệu của mình tới OLT Ngoài ratrong hướng lên cần phải có khoảng thời gian bảo vệ giữacác nhóm gói dữ liệu của các ONT, khoảng thời gian nàyphải đảm bảo sao cho tại bộ thu OLT dữ liệu không bị trùmphủ lên nhau.

2.1.3 Các chuẩn trong mạng PON

Các chuẩn mạng PON có thể chia thành 2 nhóm: nhóm1 bao gồm các chuẩn theo phương thức truy nhập TDMA-PON như là B-PON (Broadband PON), E-PON (EthernetPON), G-PON (Gigabit PON) (đặc tính các của chuẩn

TDMA-PON được so sánh trong Bảng 1.1); nhóm 2 baogồm chuẩn theo các phương thức truy nhập khác nhưWDM-PON (Wavelength Division Multiplexing PON) vàCDMA-PON (Code Division Multiple Access PON)

WDM-PON là mạng quang thụ động sử dụng phươngthức đa ghép kênh phân chia theo bước sóng thay vì theothời gian như trong phương thức TDMA OLT sử dụng một

bước sóng riêng rẽ để thông tin với mỗi ONT theo dạngđiểm-điểm Mỗi một ONU có một bộ lọc quang để lựachọn bước sóng tương thích với nó, OLT cũng có một bộlọc cho mỗi ONU.

Nhiều phương thức khác đã được tìm hiểu để tạo ra cácbước sóng ONU như là:

- Sử dụng các khối quang có thể lắp đặt tại chỗ lựa chọncác bước sóng ONU

- Dùng các laser điều chỉnh được.- Cắt phổ tín hiệu.

- Các phương thức thụ động mà theo đó OLT cung cấptín hiệu sóng mang tới các ONU.

- Sử dụng tín hiệu hướng xuống để điều chỉnh bướcsóng đầu ra của laser ONU.

2.1.3.4 CDMA-PON

Công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMAcũng có thể triển khai trong các ứng dụng PON Cũnggiống như WDM-PON, CMDA-PON cho phép mỗi ONUsử dụng khuôn dạng và tốc độ dữ liệu khác nhau tương ứngvới các nhu cầu của khách hàng CDMA-PON cũng có thểkết hợp với WDM để tăng dung lượng băng thông.

CDMA-PON truyền tải các tín hiệu khách hàng vớinhiều phổ tần truyền dẫn trải trên cùng một kênh thông tin.Các ký hiệu từ các tín hiệu khác nhau được mã hóa và nhận

dạng thông qua bộ giải mã Phần lớn công nghệ ứng dụngtrong CDMA- PON tuân theo phương thức trải phổ chuỗitrực tiếp Trong phương thức này mỗi ký hiệu 0, 1 (tươngứng với mỗi tín hiệu) được mã hóa thành chuỗi ký tự dàihơn và có tốc độ cao hơn.

Kết luận:

Bằng sự kết hợp với chuẩn 802 cũ, mạng PON mở ramột hướng đi mới cho thế hệ mạng quang thụ động MạngPON sẽ sử dụng kết hợp 2 mô hình mạng điểm-điểm vàđiểm-đa điểm nhằm tối ưu hóa việc truyền tải dữ liệu vàcác dịch vụ video trong thời gian thực với chất lượng cao.

Chương 3:

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PON-3G ĐỂ QUY TỐIƯU HOÁ VỊ TRÍ VÀ TẦN SỐ MẠNG TRUYỀN DẪN3G – WCDMA TẠI KHU VỰC TP BẮC GIANG

Để đạt được cả 2 mục tiêu là giảm giá thành và tăngdung lượng cần phải phát triển mạng backhaul với yêucầu: giảm OPEX (chủ yếu bao gồm mặt bằng triển khai vàmức tiêu thụ điện năng) trong dài hạn; Đạt được hiệu quảtrong CAPEX (bao gồm cả số của nút, các cổng hoạt động,

kĩ thuật triển khai xây dựng); Có khả năng mở rộng mạngtruyền tải; Tương thích với các công nghệ sẽ được sử dụng

toàn cục của việc phân bổ vị trí nhiều ONU trong mộtmạng lưới truy cập PON - WCDMA Chúng tôi so sánhhiệu suất của SA và HC với các thuật toán Greedy (thamlam), đề xuất trong [7], và kết luận rằng kết quả đạt được làkhá so sánh với những thuật toán từ SA và HC, nhưng yêucầu xử lý thấp hơn nhiều để ứng dụng công nghệ PON chonâng cấp, quy hoạch và tối ưu hóa vị trí trong mạng 3G.

3.3 Quy hoạch vị trí

Nhưng vấn đề của việc tìm kiếm các giải pháp tối ưuvới chi phí số liệu ở trên không có bất kỳ hình thức khépkín nào Như vậy, trong chương này, chúng tôi cải tạo vấnđề như là một vấn đề tối ưu hóa toàn cục và lựa chọn haithuật toán tối ưu tổ hợp phổ biến "Mô phỏng sự luyện kimSA" và “ Leo đồi HC" để giải quyết vấn đề Chúng tôi thấyrằng, mặc dù SA và HC có thể cải thiện cơ hội tiếp cận tốiưu toàn cục, thuật toán Greedy thực hiện khá tốt, kết hợpvới tối ưu hóa toàn cục.

3.4 Sự sắp xếp nhiều ONU: Thuật toán tham lamGreedy

Chúng tôi có được một bộ của người sử dụng cho ONUs chính,chúng ta gọi là những người sử dụng phí bảo hiểm người sửdụng (người sử dụng gần nhất để các ONU) cho rằng đấunối, và tối ưu hóa vị trí của mỗi ONU chính đối với ngườidùng cao cấp Đối với một tập hợp các người dùng cao cấp(xj, yj), ∀ j ∈ (1,2,3, , k), chúng ta đặt đấu nối chính củahọ, ONUi nghĩa là phí bảo hiểm người sử dụng được thểhiện qua tọa độ X / Y

Do đó

Thời gian của thuật toán Greedy là O(kN +kNlogN) = O(kNlogN) Với k >> N trong trường hợp thực tế, thuật toánGreedy sẽ chạy trong O(k), là tuyến tính với số lượngngười sử dụng.

3.5 Thuật toán để tối ưu hóa toàn cục

Mô phỏng thuật toán luyện kim Simulated Annealing(SA)

Mô phỏng (SA) là một sự tổng quát của phương pháp"Monte-Carlo" và được sử dụng rộng rãi như là một xácsuất siêu thuật toán (bởi vì các khối cơ bản của SA cónguồn gốc từ phương pháp Monte-Carlo) [8] Thuật toánnày có năm giai đoạn [8], [9], thể hiện trong thuật toán (1) SA có hai tiêu chuẩn hội tụ thu được từ tối ưu toàn cục:

1) Tiêu chuẩn vòng lặp bên trong (tức là, cho T, số lần lặplại cho đến khi giải pháp mới ngừng cải thiện

2) bên ngoài vòng lặp / dừng các tiêu chí: khi T ~ 0 (tức làmặt đất / băng).

3.5.2 Áp dụng vấn đề bố trí nhiều ONU theo

SA

3.5.3 Hiệu suất học

Chúng tôi nghiên cứu nhiều vấn đề vị trí đấu nối sửdụng SA để quan sát các vị trí tối ưu có thể đạt được trêntoàn cục Chúng tôi đã sắp xếp các yếu tố đầu vào, thay đổi

số lượngONUs

vuông m2

(1000x1000, 2500x2500, 5000x5000, 7500x7500,10000x10000), và số lượng các nút(100,250,500,750,1000) Mỗi cấu hình được lặp đi lặp lại 20lần (đối với tổng cộng 2000 thí nghiệm) Bảng 3.1 chothấy sự lựa chọn các thông số mô phỏng của chúng tôi

3.5.4 Thuật toán leo đồi (Hill-Climbing Algorithm (Steepest Descent))

Chúng tôi cũng cho thấy hiệu suất của thuật toánGreedy Chúng tôi thay thế ONUs với 100 người sử dụngtrong diện tích 1000x1000 m2 Bảng 3.2 cho thấy SA vàHC đều đạt cùng một mức tối thiểu, cũng là mức tối thiểutoàn cầu và rất gần với các giải pháp trả về bởi Greedy Bảng này cho thấy tọa độ X / Y nơi 4 ONUs được triểnkhai

KẾT LUẬN

Hiện nay việc thiết kế quy hoạch mạng là rất phức tạpvà phụ thưộc nhiều vào thực tế tại từng khu vực Việc triểnkhai thực tế mạng vô tuyến PON - 3G không thể áp dụngtheo một lộ trình cứng nhắc nào, điều đó tùy thuộc vàohoàn cảnh cụ thể, vào điều kiện phát triển của thị trường vàthị phần của nhà khai thác đó Trong chương này đã trìnhbày: Ứng dụng công nghệ PON để quy hoạch, nâng cấp,tốiưu hóa việc phân bổ vị trí và tần số mạng truyền dẫn 3G

tại khu vực Tp Bắc Giang Qua dự báo số lượng thuê bao3G mạng Vinaphone tại Tp Bắc Giang, tiến hành khảo sátnhu cầu tại các khu vực Quận/huyện từ đó đưa ra các kếtquả yêu cầu phủ sóng và định cỡ dung lượng mạng Sau khiđịnh cỡ mạng, quy hoạch vùng phủ sẽ đi đến quy hoạch chitiết, tính toán số lượng các node, chọn vị trí đặt trạm và tiếnhành khảo sát sơ bộ các vị trí cần lắp đặt và chương nàymới nêu về thuật toán mới để áp dụng cho tính toán việc

chọn vị trí và đi dây cho công nghệ PON – 3G Vì vậy cáccông việc khác vẫn có thể quy hoạch như công nghệ 3Gthông thường Việc nghiên cứu mới dừng ở lý thuyết vàtính toán mô phỏng và cần một lộ trình cụ thể cho việc triểnkhai thực tế Chúng tôi điều tra sự bố trí của nhiều ONUsbằng cách sử dụng các thuật toán tối ưu hóa toàn cục, đó là,mô phỏng SA và leo đồi HC Chúng tôi đo độ chính xáccủa thuật toán Greedy trong mục [7] với tối ưu hóa toàncục Chúng tôi thấy rằng giải thuật Greedy thực hiện rất tốttrong việc giảm thiểu chi phí mạng, đạt được một kết quảgần đến mức tối thiểu toàn cục, nhưng yêu cầu tiến trìnhthấp hơn nhiều so với các phương pháp quy hoạch vẫn thựchiện trước đây.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

Sau hơn 6 tháng thực hiện, luận án này “Ứng dụngcông nghệ PON để quy hoạch, nâng cấp,tối ưu hóa việcphân bổ vị trí và tần số mạng truyền dẫn 3G khu vực TpBắc Giang" đã hoàn thành

Đề tài với mục đích nghiên cứu tìm hiểu và đưa ra giảipháp quy hoạch nâng cấp, tối ưu hoá việc phân bổ vị trí vàtần số mạng PON – 3G là vô cùng cấp thiết đối với việckinh doanh và phát triển của các mạng trong thời gian đến.Và công tác quy hoạch thiết kế chi tiết sẽ giúp các nhà kinhdoanh mạng tối ưu về tài nguyên xử lý hệ thống, chất lượngmạng và chi phí đầu tư mạng 3G Tuy nhiên do đây mới chỉlà việc thực hiện tối ưu hóa vị trí các ONUs mạng bằngcách sử dụng các thuật toán trong quá trình sử dụng Do đóviệc thu thập số liệu đo kiểm và phân tích các thông số hoạtđộng của mạng trong thời gian mạng đi vào hoạt động cùng