BÀI TẬP LỚN MÔN: TỐI ƯU VÔ TUYẾN CHO CÁC MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI-2-11

Hỗ trợ cho MBSFN mạng đơn tần số truyền đa điểm cho Mobile TV 2 Giao diện vô tuyến LTE Đường xuống: Lớp vật lý E-UTRA sử dụng phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

BÀI TẬP LỚN MÔN: TỐI ƯU VÔ TUYẾN CHO CÁC MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI-2-11

ĐỀ TÀI: Network planning LTE

Hà Nội, tháng 5/2012

Giảng viên hướng dẫn : TS Phạm Hải Đăng

Học viên thực hiện : ĐẶNG THỊ PHƯỢNG – MSHV: CB110891

LTE Planning in WinProp

Thiết lập Mạng LTE trong WinProp

V2.0 Tháng 1/2011 Phiên bản thứ 2 có sửa đổi ví dụ

V3.0 Tháng 2/2011 Phiên bản thứ 3 có cập nhật cho GUI và dữ liệu mẫu V4.0 Tháng 11/2011 Phiên bản thứ 4 có cập nhật sơ đồ đa truy cập

1 Động lực

3GPP Long Term Evolution (LTE), là chuẩn mới nhất cho mạng di động sau các công nghệ GSM/EDGE và UMTS/HsxPA Chỉ tiêu kĩ thuật LTE là tốc độ đỉnh đường xuống ít nhất là 100 Mbit/s và đường lên là 50 Mbit/s và thời gian truy cập mạng RAN nhỏ hơn 10ms LTE hỗ trợ nhiều băng tần, từ 1,4 MHz đến 20 MHz và hỗ trợ ghép kênh phân chia theo tần số (FDD) và ghép kênh phân chia theo thời gian (TDD)

Hình 1: Ưu điển chính của hệ thống LTE so với HSPA

Ưu điểm chính của LTE là lưu lượng lớn,độ dư thừa thấp, hiệu suất sử dụng phổ cao hơn, tích hợp, FDD và TDD trong cùng nền tảng, hỗ trợ người dùng và kiến trúc đơn giản với chi phí vận hành thấp LTE cũng hỗ trợ các mạng thế hệ trước như GSM,

cdmaOne, UMTS và CDMA2000 Bước phát triển tiếp theo của LTE là LTE Advance

và hiện nay cũng đang được chuẩn hóa trong 3GPP bản 10

E-UTRA là giao diện vô tuyến của 3GPP's Long Term Evolution (LTE) cải tiến các đường cho mạng di động Đó là sự rút gọn cho UMTS Terrestrial Radio Access Network và đường đơn cho

o GSM/EDGE

o UMTS/HSPA

o CDMA2000/EV-DO

o TD-SCDMA

Giao diện vô tuyến LTE có những đặc trưng sau:

Tốc độ tải đỉnh xuống hơn 300 Mbps với trường hợp t4x4 anten, hơn 170 Mbps với trường hợp 2x2 anten (tại băng tần 20 MHz)

Tốc độ up đỉnh hơn 75 Mbps với mỗi phổ tần 20 MHz, sử dụng 1 anten

Tăng cường hỗ trợ các băng tần từ nhỏ như 1.4 MHz đến lớn như 20 MHz

Hỗ trợ một cell tối ưu kích thước 5 km (vùng nông thôn), và ô kích thướng 100

km với chất lượng chấp nhận được, ô trong nội thành kích thước nhỏ hơn 1 km

Tính di động tốt, ví dụ dữ liệu dùng tốt với tốc độ di chuyển 350 km/h

Hỗ trợ cho MBSFN ( mạng đơn tần số truyền đa điểm) cho Mobile TV

2 Giao diện vô tuyến LTE

Đường xuống:

Lớp vật lý E-UTRA sử dụng phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) cho đường xuống có đặc điểm sau:

o Tiền tố vòng 4.7μs để bù hiện tượng đa đường (với tiền tố vòng mở rộng là 16.6 μs)

o Độ dài khung miền thời gian là 10 ms gồm 10 khung nhỏ, mỗi khung 1 ms

o Mỗi khung nhỏ lại gồm 2 slot 0.5 ms

o Khoảng cách giữa các sóng mang con miền tần số là 15 kHz

o 12 sóng mang con tạo (trên mỗi slot) thành 1 block dữ liệu, 1 block dữ liệu là

180 kHz

o 6 khối dữ liệu ứng với sóng mang 1.4 MHz

o 50 (25, 100) khối dữ liệu ứng với sóng mang 10 MHz (5 MHz, 20 MHz)

Đường xuống có 3 kênh vật lý chính là:

o Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) sử dụng để truyền toàn bộ dữ liệu

o Physical Multicast Channel (PMCH) sử dụng trong phát quảng bá sử dùng một SFN

o Physical Broadcast Channel (PBCH) sử dụng để truyền thông tin quan trọng của hệ thống

Hỗ trợ nhiều dạng điều chế QPSK, 16QAM and 64QAM Hệ thống MIMO có các dạng QPSK, 16QAM và 64QAM

Hình 2: Việc gán tần số trong LTE cho đường xuống và lên Đường lên

Đường lên LTE sử dụng pre-coded OFDM còn được gọi là đa truy nhập phân chi theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA) để tránh tỉ sổ công suẩt đỉnh trên trung bình (PAPR) cao của OFDM Điều này giúp giảm yêu cầu cho bộ khuếch đại tuyến tính do đó công suất tiêu thụ giảm

Đường lên có 3 kênh vật lý chính

o Physical Random Access Channel (PRACH) dùng khởi tạo truy nhập

o Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) mang dữ liệu

o Physical Uplink Control Channel (PUCCH) mang thông tin điều khiển

Dạng điều chế giống như đường xuống: QPSK, 16QAM và 64QAM

3 Mô phỏng trong WinProp

Việc xem xét giao diện vô tuyến LTE trong dự án quy hoạch mạng vô tuyến tương ứng WinProp LTE wst-file (wst kí hiệu vô tuyến) được sử dụng Tương ứng với các tham

số giao diện vô tuyến (hình 3) cho đa truy nhập, truyền song công, băng tần, sóng mang, chế độ truyền (điều chế và sơ đồ mã hóa), phân chia cell và trạm gốc Các thông số vô tuyến phụ thuộc vào băng tần và băng thông Công nghệ MIMO có thể hoạt động với nhiều tùy chọn nếu ghép kênh theo không gian được cân nhắc (tìm chi tiết trong kĩ thuật MIMO)

Hình 3: Giao diên vô tuyến cho LTE

Thiết lập đa nhập OFDM/SOFDMA được chọn như trên hình (hình 4)

Thiết lập công suất Tx(Đường xuống)

Công suất Tx được chia nhỏ cho những sóng mang con (mặc định mỗi sóng mang con có công suất như nhau) Trường hợp sóng mang con là pilot hoặc tín hiệu điều khiển công suất được thay đổi (giá trị âm có công suất lớn, giá trị dương có công suất nhỏ hơn) Công suất của tín hiệu pilot ảnh hưởng đến công suất gán cho cell Công suất cho phát pilot, điều khiển và truyền dữ liệu đều được biểu diễn tại đây, nó được tính toán bằng việc thiết lập ước lượng trong trường "Symbols"

Tải Cell

Dung lượng của ô được dùng để điều khiển "Công suất phát xuống" hoặc "số sóng mang con sử dụng" Nếu "điều khiển công suất cell đường xuống" được chọn thì tất cả các sóng mang con mang dữ liệu có cùng mức nhiễu (ví dụ: tất cả các sóng mang con đều

có cùng công suất bằng 50% công suất tối đa ) Nếu “điều khiển công suất trên từng sóng mang con” được chọn thì công suất trên từng sóng mang có thể truyền tối đa hoặc không truyền (ví dụ 50% số sóng mang được dùng để khảo sát cell 50% sóng mang còn lại thì sẽ không bị ảnh hưởng của nhiễu liên cell )

Sóng mang con

Dựa vào băng thông thứ tự FFT được chọn tự động và số sóng mang bảo vệ, số sóng mang con được định trước Khoảng cách giữa các sóng mang con và chu kỳ mẫu cũng được định trước

Ký hiệu (mẫu)

Trường này cho phép chia resources (mẫu và sóng mang con) gồm tín hiệu tham khảo, điều khiển và dữ liệu Nếu thiết lập cho từng mẫu được chọn thì việc chia có thể được thực hiện trên miền tần số bằng cách xác định số sóng mang con cho tín hiệu tham khảo, các sóng mang còn lại dùng truyền dữ liệu

Nếu thiết lập từng sóng mang con cho symbol được chọn thì việc gán resources có thể thực hiện cả trên miền tần số lẫn thời gian, đó là điều quan trọng trong mạng LTE vì nó ảnh hưởng đến công suất và nhiễu cho các tín hiệu tham khảo (RSRP, RSRQ, RSSI) Hình dưới đây biểu diễn việc chia dữ liệu, tín hiệu điều khiển và tham khảo

Hình 5: Thiết lập giao diện vô tuyến cho LTE Block dữ liệu

Nhóm các sóng mang con tạo thành một resource block "fractional load allowed" được chọn chỉ khi "cell load controls number of used sub-carriers" được chọn Trường hợp chế độ truyền bao gồm truyền một nhóm block dữ liệu song song (ví dụ 25 block với băng tần 5 MHz)

Tái sử dụng tần số

Việc tái sử dụng tần số là điều quan trọng với LTE để cải thiện dung lượng cell Bằng việc mỗi cell chỉ sử dụng một phần băng tần nên các sóng mang con có thể được tái sử dụng ở mỗi cell khác Thứ tự các factor tần số tái sử dụng được mặc định Chế độ truyền được phân tích với giảm số block dữ liệu (theo băng tần) giảm nhiễu phụ thuộc vào việc tái sử dụng tần số

Chế độ truyền

Trên giao diện vô tuyến liệt kê các chế độ truyền cùng với loại mã hóa, tốc độ mã, tốc độ dữ liệu Chế độ truyền cũng được định sẵn trong file wst Thiết lập cho từng chế

độ truyền được biểu thị trong hình 6

Hình 6: Chế độ truyền trong LTE

Những đặc điểm cho đường xuống (bên trái) và đường lên (bên phải) được xác định một cách độc lập, tuy nhiên mặc định là đường đối xứng (chú ý các thông số truyền, tỉ số SNIR yêu cầu và công suất phát) Ngoài ra có thể chuyển từ chế độ song hướng sang phân tích chỉ đường lên hoặc chỉ đường xuống

Block đầu tiên xác định truyền dữ liệu với chế độ điều chế, tốc độ mã, số block dữ liệu và

tỉ số định mức Những tham số đáp ứng cho chế độ truyền Số block dữ liệu được xác định theo băng tần (25 cho 5 MHz,50 cho 10 MHz và 100 cho 20 MHz) hoặc chỉ dùng 1

block dữ liệu.

Hình 7: Chỉ số SNIR dựa vào điều chế và mã hóa cho LTE.

Block thứ hai là mức ngưỡng cho từng chế độ truyền, ví dụ chỉ số SNIR ( như ví dụ hình 7) và công suất thu được định sẵn Công suất phát có thể được xác định tương ứng với chế độ điều chế Trường hợp điều chế QAM công suất back-off được đề suất Công suất phát back-off làm giảm chỉ số SNIR tương ứng cới chế độ truyền

Mô phỏng mạng LTE

Mô phỏng mạng LTE được tính toán từ chỉ số SNIR Ngoài ra công suất tín hiệu

có sẵn thì nhân tố quan trọng nhất là nhiễu xuyên kênh vì các người dùng trong cùng 1 cell chia sẽ tài nguyên tần số và thời gian

Mức nhiễu xuyên kênh (kênh lân cận) có thể ảnh hưởng đến việc mô phỏng các factor tương ứng (hình 8) Những giá trị trên được giả định công suất phát của từng cell lớn nhất Giá trị 100% nghĩa là công suất của cell liền kề đạt tối đa Ngược lại giá trị 0% có nghĩa là cell liền kề không hoạt động do đó chỉ có nhiễu

Nếu “điều khiển tải trên các sóng mang” được chọn thì các sóng mang khi được dùng sẽ truyền với công suất lớn nhất hoặc nó không được sử dụng Tương ứng với trường hợp x

% tải thì (1-x)% sóng mang con không bị nhiễu liên kênh Trường hợp tải khác (x,y) trong 2 cell, (1-max(x,y))% sóng mang con không bị nhiễu liên kênh Với min(x,y)% các sóng mang của 2 cell gây nhiễu lên nhau phần còn lại của băng tần thì chỉ 1 cell gây nhiễu

Ở đường lên phần trăm công suất phát được định trước, nó được dùng cho tính toán nhiễu đường lên (mặc định 3 dB)

Hình 8: Xác định các thông số mô phỏng

Các tải factor được khai báo toàn cục ở trang mô phỏng (như hình 6), tải được phân bố đều cho các cell hoặc tham số ("assumed mean Tx power in downlink") có thể xác định cho từng sóng mang trên từng các anten/cell

Nếu tải của từng cell chưa được xác định thì giá trị troàn cục trên được dùng

Hình 9: Xác định tải từng cell

4 Ví dụ

Phần này sẽ trình bày một ví dụ để có thể hiểu rõ ràng hơn về dung lượng LTE trong WinProp Hình 10 là ví dụ về hệ thống cho văn phòng gồm 3 anten Hai trong số đó

sử dụng cùng 1 sóng mang (site 1 và 2)- anten còn lại bị nhiễu liên kênh

Hình 10: Hệ thống cho văn phòng với 3 anten (có 2 sóng mang)

Các tham số chính của mạng như bảng dưới đây:

Tham só Giá trị

Công suất phát Công suất đầu ra10 dBm của PA

SNIR tối thiểu yêu cầu (phụ thuộc vào MSC)

Khoảng từ -5.4 và 17.2

Kết quả tính toán có thể được chia làm 5 loại:

Kết quả chung của việc gán cell và các chế độ truyền:

o Vùng cell

o Site cell

o Server

o Tốc độ tải tối đa (DL và UL)

o Dung lượng tối đa (DL và UL)

Gán cell:

o Công suất thu

o Site bên nhận

o Cell bên nhận

o Sóng mang bên nhau

o SNIR max (DL)

o Pilot: nhiễu

Tín hiệu tham chiếu:

o RSRP (DL)

o RSRQ (DL)

o RSSI (DL)

Tín hiệu tham chiếu:

o Công suất thu

o SNIR max (DL)

Với mỗi chế độ truyền (ví dụ: QAM 16 tốc độ mã 1/2)

o DL: Công suất nhỏ nhất tại BS để BS hoạt động

o DL: Công suất lớn nhất MS nhận được (công suất BS lớn nhất)

o DL: SNIR lớn nhất

o DL: xác suất đáp ứng

o DL: tốc độ dữ liệu lớn nhất trên mỗi user

o DL: Streams Nr

o DL: Dung lượng lớn nhất

o UL: công suất nhỏ nhất MS có thể hoạt động

o UL: công suất BS lớn nhất (khi công suất MS lớn nhất)

o UL: SNIR lớn nhất

o UL: tốc độ dữ liệu người dùng lớn nhất

o UL: Streams Nr

o UL: Dung lượng lớn nhất

Theo kết quả có 2 chế độ truyền bên phát Công suất tối thiểu cần thiết bên phát để hệ thống hoạt động với “công suất phát tối thiểu trạm BS” và “công suất phát tối thiểu tại MS” Hình 11-13 biểu diễn dung lượng tối đa của các chế độ truyền, sơ đồ site và vùng tín hiệu tốt của mạng Ở đây ảnh hưởng của gán sóng mang được thể hiện rõ 2 anten cùng sử dụng sóng mang 0 nên gây nhiễu cho nhau (giả sử tải tối đa) trong khi site 3 sử dụng sóng mang 1 nên dung lượng cao hơn Vì việc gán cell dựa trên công suất đỉnh máy thu (đường xuống) nên dung lượng bị giới hạn tại nơi site 1 và site 2 cùng phủ sóng (phía nam của site 1) Tại đây nhiễu làm hạn chế SNIR.

Hình 11: Tốc độ tối đa của mạng trong nhà (đường xuống) .

Hình 12: Sơ đồ phủ sóng các site trong nhà.

Hình 13: Biểu đồ lý tưởng cho mạng trong nhà

Hình 14 biểu diễn sơ đồ RSRP (công suất đầu thu tham khảo) và hình 15 là sơ đồ SNIR tối đa cho việc gán cell Trong khi sơ đồ RSRP ảnh hưởng bởi vị trí của các site, sơ đồ SNIR phụ thuộc vào việc gán sóng mang Mặc dù công suất máy thu cao quanh vị trí site

1 và 2 nhưng SNIR bị giới hạn bởi việc tái sử dụng tần số

Hình 14: Công suất đầu thu tham khảo (đường xuống)

Hình 15: Sơ đồ SNIR tối đa khi gán cell

Hình 16 và 17 là kết quả cho từng chế độ truyền, đầu tiên là công suất tối thiểu ở BS và thứ hai là tốc độ SNIR tối đa

Hình 16: Công suất tối thiểu yêu cầu ở BS cho chế độ truyền

Hình 17: Sơ đồ SNIR tối đa cho chế độ truyền

Để biểu diễn sự ảnh tưởng của các tải hình 18 biểu diễn số stram cho chế độ truyền cao hơn và hình 19 biểu thị việc tăng dung lượng dựa vào việc giảm tải

Hình 18: Tốc độ SNIR tối đa cho chế độ truyền (30% tải)

Hình 19: Tốc độ dữ liệu (DL) tối đa trong phòng (30% tải)

Hình bên dưới là ví dụ về phát triển LTE ở ngoại ô Hình 20 biểu diễn công suất máy thu của việc gán cell với mạng 6 site 3 sector

Hình 20: Công suất máy thu trong việc gán cell cho mạng ngoại ô

Hình 21 tốc độ máy thu tối đa cho mạng ngoại ô với 30% tải Tại luồng chính của các sector tốc độ dữ liệu phụ thuộc vào điều khiện nhiễu.

Hình 21: Tốc độ tối đa (DL) cho mạng ngoại ô (30% tải)