Nghiên cứu triển khai mạng thông tin vô tuyến băng rộng 4g trên băng tần 700 MHZ (LV thạc sĩ)

Nghiên cứu triển khai mạng thông tin vô tuyến băng rộng 4G trên băng tần 700 MHZNghiên cứu triển khai mạng thông tin vô tuyến băng rộng 4G trên băng tần 700 MHZNghiên cứu triển khai mạng thông tin vô tuyến băng rộng 4G trên băng tần 700 MHZNghiên cứu triển khai mạng thông tin vô tuyến băng rộng 4G trên băng tần 700 MHZNghiên cứu triển khai mạng thông tin vô tuyến băng rộng 4G trên băng tần 700 MHZNghiên cứu triển khai mạng thông tin vô tuyến băng rộng 4G trên băng tần 700 MHZ

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG - - NGUYỄN VĂN HIẾU NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG 4G TRÊN BĂNG TẦN 700 MHZ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI - 2016 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG - - NGUYỄN VĂN HIẾU NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG 4G TRÊN BĂNG TẦN 700 MHZ CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 60.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐINH CHÍ HIẾU HÀ NỘI - 2016 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình TÁC GIẢ Nguyễn Văn Hiếu ii LỜI CẢM ƠN Qua luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn TS.Đinh Chí Hiếu – Bộ Thông tin & Truyền thông tận tình giúp đỡ, động viên, định hướng, hướng dẫn Tôi nghiên cứu hoàn thành luận văn Tôi xin cảm ơn thầy cô giáo Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông, thầy cô giáo khoa Viễn thông Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông, giảng dạy giúp đỡ Tôi hai năm học qua, cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình bạn đồng nghiệp Trong trình nghiên cứu mình, hướng dẫn nhiệt tình, đầy trách nhiệm TS.Đinh Chí Hiếu thầy cô giáo Học viện Công nghệ Bưu Chính Viễn thông với nỗ lực cá nhân tránh thiếu sót Tác giả chân thành mong nhận ý kiến đóng góp từ quý Thầy, Cô bạn bè đồng nghiệp Trân trọng cảm ơn iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN .ii MỤC LỤC iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG 4G 1.1 Tổng quan mạng 4G LTE 1.1.1 Giới thiệu mạng 4G 1.1.2 Giới thiệu công nghệ LTE 1.1.3 Quy hoạch mạng 4G LTE 13 1.2 Nhu cầu bổ sung phổ tần số cho thông tin vô tuyến băng rộng 4G .15 1.2.1 Quy hoạch mạng 4G LTE 15 1.2.2 Tăng trưởng thuê bao di động Việt Nam .19 1.2.3 Đánh giá nhu cầu phát triển vô tuyến băng rộng Việt Nam 21 1.3 Xu hướng quy hoạch băng tần 700 MHz .25 1.3.1 Các kết nghiên cứu APT 25 1.3.2 Các kết nghiên cứu ITU-R WP5D .25 1.3.3 Thị trường thiết bị đầu cuối mạng sử dụng băng tần 700/800 cho IMT 27 1.3.4 Quy hoạch băng tần 700/800 MHz Việt Nam 28 1.4 Kết luận chương .29 CHƢƠNG 2: GIẢI PHÁP TRIỂN KHAI .30 2.1 Xu hướng triển khai mạng thông tin vô tuyến băng rộng 4G 30 2.1.1 Băng tần 1800 MHz 31 2.1.2 Băng tần 900 MHz 32 2.1.3 Băng tần 700 MHz 33 2.2 Phân bổ kênh băng tần 694 – 790 MHz 34 iv 2.2.1 Phân bổ kênh cho MFCN 34 2.2.2 Lựa chọn thay cho PMSE, PPDR, M2M dịch vụ khác 35 2.3 Các tham số tối thiểu 36 2.3.1 Phương pháp xác định các tham số tối thiểu 36 2.3.2 Xem xét thông số tồn bắt nguồn từ BEM 38 2.3.3 Thông số kỹ thuật chung cho trạm gốc 38 2.3.4 Thông số kỹ thuật chung cho thiết bị đầu cuối 45 2.4 Các yêu cầu 47 2.4.1 Các yêu cầu BS cho tần số đường lên FDD 47 2.4.2 Các yêu cầu cho trạm đầu cuối tần số sử dụng băng bảo vệ 49 2.4.3 PMSE băng tần 700 MHz 51 2.5 Kết luận chương .53 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 54 3.1 Tổng quan seamcat 54 3.1.1 Mô Monte-Carlo 54 3.1.2 Kịch 54 3.1.3 Phương pháp liên quan đến tiêu chí (C/I) 55 3.1.4 Các thành phần nhiễu .57 3.2 Mô tác động MFCN băng tần 700 MHz lên PMSE 59 3.2.1 Xây dựng kịch 59 3.2.2 Kết mô 61 3.3 Mô kịch tồn .61 3.3.1 Xây dựng kịch 61 3.3.2 Kết mô 67 3.4 Đánh giá kết mô 70 3.5 Kết luận chương .70 KẾT LUẬN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt APT ACLR BEM Tiếng Anh Asia-Pacific Telecommunity Adjacent Channel Leakage Ratio Block Edge Mask European Committee for CENELEC Standardisation/European Committee for Electrotechnical Standardisation European Conference of Postal CEPT and Telecommunications Administrations Tiếng Việt Liên minh Viễn thông Châu Á – Thái Bình Dương Tỷ lệ rò kênh lân cận giới hạn Mặt nạ biên khối Ủy ban Châu Âu tiêu chuẩn hóa/Ủy ban Châu Âu tiêu chuẩn kỹ thuật điện Hội nghị Châu Âu quản lý bưu viễn thông DL Downlink Đường xuống DTT Digital Terrestrial Television Truyền hình số mặt đất Digital Video Broadcasting - Quảng bá video số mặt đất hệ Terrestrial second generation thứ hai European Commission Ủy ban Châu Âu DVB-T2 EC ECC ECS e.i.r.p ETSI EPC Electronic Communications Committee Electronic Communications Service equivalent isotropically radiated power Ủy ban truyền thông điện tử Dịch vụ truyền thông điện tử Công suất phát xạ đẳng hướng European Telecommunication Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Standard Institute Âu Evolved Packet Core Mạng lõi gói phát triển vi E-UTRA FDD GSA HSS HSPA IMT LRTC Evolved UMTS Terrestrial Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn Radio Access cầu phát triển Frequency Duplex Division Song công phân chia tần số Global mobile Suppliers Hiệp hội nhà cung cấp di động Association toàn cầu Home Subscriber Server Máy chủ thuê bao High Speed Downlink Packet Access International Mobile Telecommunications Least Restrictive Technical Conditions Truy nhập gói tốc độ cao Viễn thông di động quốc tế Tham số kỹ thuật tối thiểu LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MFCN Mobile/Fixed Communication Network Mạng truyền thông di động/cố định MIMO Multiple Input Multiple Ouput Đa đầu vào đa đầu MME Mobility Management Entity Phần tử quản lý tính di động M2M Machine-to-machine Máy-Máy Peak-to-Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh công suất PAPR trung bình thấp Policyand Charging Rules Chức tính cước tài nguyên Function sách Packet Data Network Gateway Cổng mạng liệu gói PAPR PCRF P-GW PMSE PPDR Programme Making and Special Sản xuất chương trình tổ chức Events kiện đặc biệt Public Protection and Disaster Bảo vệ công cộng ứng cứu thiên Relief tai vii QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến SAE System Architecture Evolution Phát triển kiến trúc hệ thống SEM Spectrum Emission Mask Mặt nạ phát xạ phổ RLC Radio Link Control Điều khiển kết nối vô tuyến SDL Supplemental Downlink Bổ sung đường xuống TDD Time Division Duplex Song công phân chia thời gian TRP Total Radiated Power Tổng công suất xạ TS Terminal Station Trạm đầu cuối UE User Equipment Thiết bị đầu cuối UL Uplink Đường lên UMB Ultra Mobile Broadband Siêu băng rộng di động Universal Mobile Hệ thống thông tin di động toàn Telecommunications System cầu Universal Terrestrial Radio Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn Access cầu Universal Terrestrial Radio Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất Access Network toàn cầu Wireless broadband Vô tuyến băng rộng World Radiocommunications Hội nghị vô tuyến giới năm Conference 2015 2015 UMTS UTRA UTRAN WBB WRC-15 viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các thông số lớp vật lý LTE Bảng 1.2: Tốc độ đỉnh LTE theo lớp Bảng 1.3: Lưu lượng liệu sử dụng loại thiết bị theo năm 18 Bảng 1.4: Tổng nhu cầu phổ tần tới năm 2020 19 Bảng 2.1: Các thành phần BEM BS 39 Bảng 2.2: Giới hạn công suất khối BS 40 Bảng 2.3: Yêu cầu BS 41 Bảng 2.4: Yêu cầu BS dải tần 733-788 MHz 42 Bảng 2.5: Các yêu cầu chuyển tiếp BS 788 MHz 42 Bảng 2.6: Yêu cầu BS cho phần khoảng cách song công không sử dụng SDL 43 Bảng 2.7: Các yêu cầu BS cho băng bảo vệ 44 Bảng 2.8: Các yêu cầu BS phổ tần DTT 44 Bảng 2.9: Giới hạn phát xạ không mong muốn khối TS 45 Bảng 2.10: Yêu cầu TS cho băng bảo vệ (694-703 MHz) 45 Bảng 2.11: Các yêu cầu TS cho khoảng cách song công (733-758 MHz) 46 Bảng 2.12: Các yêu cầu phát xạ không mong muốn cho TS tần số bị chiếm phát truyền hình 46 Bảng 2.13: Các tham số cho tính toán MCL BS đến BS gây nhiễu 48 Bảng 2.14: Tổng hợp mặt nạ phổ phát xạ không mong muốn E-UTRA 49 Bảng 2.15: Mức độ phát xạ không mong muốn đưa 50 Bảng 2.16: Các yêu cầu tần số sử dụng băng bảo vệ 50 Bảng 2.17: Hạn chế công suất cho thiết bị microphone cầm tay 52 Bảng 2.18: Hạn chế công suất microphone đeo người 52 Bảng 3.1: Kịch tồn PMSE LTE UE [12] 59 Bảng 3.2: Các tham số cho UE MFCN 60 Bảng 3.3: Các giá trị điều khiển công suất UE MFCN 60 Bảng 3.4: Các tham số thiết bị nhận PMSE 60 Bảng 3.5: Thiết bị DVB-T thu đặt mái nhà cố định 62 Bảng 3.6: Mặt nạ DTT Tx (GE06) 64 Bảng 3.7: Tham số hệ thống UL MFCN 65 Bảng 3.8: Mặt nạ thu BS LTE 10MHz [9] 66 Bảng 3.9: Mô hình truyền dẫn sử dụng mô 66 Bảng 3.10: Kết trường hợp mặt nạ Tx DTT quan trọng 69 Bảng 3.11: Kết trường hợp mặt nạ Tx DTT không quan trọng 69 59 Hình 3.8: Ví dụ kết hợp phát xạ không mong muốn chặn máy thu SEAMCAT 3.2 Mô tác động MFCN băng tần 700 MHz lên PMSE 3.2.1 Xây dựng kịch Để đánh giá tác động thiết bị đầu cuối MFCN lên máy thu PMSE 694 MHz, ta thực mô Monte-Carlo Kịch thông số lấy từ báo cáo ECC 191 [12] Trong báo cáo ECC 191, số kịch xem xét, quan trọng có liên quan luận văn Kịch 12 (xem Bảng 3.1:) Bảng 3.1: Kịch tồn PMSE LTE UE [12] Phạm vi Trong nhà/Ngoài trời Tác nhân Nạn nhiễu nhân Khoảng khoảng cách cách (Mô (MCL) Monte- Mô hình truyền Carlo) IEEE 802.11 Trong nhà LTE UE PMSE 5m 5…50 m Model C, điểm chuyển tiếp 5m Thông số mô tóm tắt Bảng 3.2: 60 Bảng 3.2: Các tham số cho UE MFCN Tham số Đơn vị Giá trị Chú thích Băng thông kênh MHz 10 Băng thông truyền dẫn (BW) MHz Chiều cao angten m 1.5 Tổn hao thể dB Độ lợi angten dBi -4 Giá trị trung bình hướng Omni Công suất phát tối đa dBm 23 ETSI TS 136 101, Bảng 6.2.2-1 Kích thước cell m 350 Xem xét môi trường đô thị ETSI TS 136 101, Bảng 7.3.1-2 Trong mô điều khiển công suất UE MFCN xem xét giá trị Bảng 3.3: sử dụng Bảng 3.3: Các giá trị điều khiển công suất UE MFCN Tham số Đơn vị Giá trị Kích thước bước điều khiển công suất dB Ngưỡng tối thiểu dBm -101.5 Phạm vi hoạt động dB 63 Chú thích Độ nhạy BS MFCN Trong nghiên cứu này, xem xét UE MFCN gửi ngẫu nhiên (phân bố đồng đều) – 10 mét xung quanh PMSE nhận Các thông số khác sử dụng mô lấy từ Báo cáo ECC 191 [12] Bảng 3.4: Các tham số thiết bị nhận PMSE Tham số Đơn vị Giá trị Băng thông (BW) MHz 0.2 Độ nhạy chuẩn dBm -90 Tạp âm (NF) dB Sàn tạp âm (N) dBm -115 Khử nhạy chuẩn DSTANDARD dB Chiều cao angten m Độ lợi angten dBi C/(N+I) dB 25 61 3.2.2 Kết mô Trong mô tín hiệu yêu cầu tối thiểu -90 dBm (độ nhạy) với xác suất vị trí 95 % sử dụng Các điều kiện fading đoạn mô phân bố Gaussian với độ lệch chuẩn 12 dB Sự phân bố tín hiệu mong muốn mô tả Phụ lục 1, phần A1.2.1 Báo cáo ECC 191 [12] Tổn hao không gian tự sử dụng mô hình truyền sóng.Sau đó,ta xem xét xác suất nhiễu tùy thuộc vào khoảng cách cho OOBE -51 dBm/MHz (tương ứng với -42 dBm/8 MHz), hình 3.9 Hình 3.9: Đồ thị xác suất nhiễu theo khoảng cách Có thể kết luận khoảng cách xa mét, xác suất nhiễu không đáng kể cho OOBE -51 dBm/MHz (tương ứng với -42 dBm/8MHz), giới hạn công suất không thực cường độ tín hiệu liên kết PMSE thấp 3.3 Mô kịch tồn 3.3.1 Xây dựng kịch Việc phân bổ tần số xem xét mô nhiễu từ DTT đến đường lên MFCN thể Hình 3.10 Có thể thấy việc phân tích mô tập trung vào can nhiễu từ DTT kênh 48 (686-694 MHz) đến khối UL MFCN (703 – 713 MHz) 62 Hình 3.10: Phân bổ tần số đƣợc xem xét phân tích can nhiễu từ DTT đến đƣờng lên MFCN Kịch tồn cho phân tích nhiễu từ DTT đến đường lên MFCN minh họa Hình 3.11 Hình 3.11: Kịch tồn Như thể Hình 3.11, mạng LTE (21 cell chia thành cụm sector) đặt cách khoảng D (giữa máy phát DTT cụm cell tham khảo) Các thông số DTT cung cấp Bảng 3.5, mặt nạ không giới hạn phía phát DTT đưa bảng 3.6:, thông số hệ thống UL MFCN tóm tắt Bảng 3.7: Bảng 3.5: Thiết bị DVB-T thu đặt mái nhà cố định Tham số kết nối DVB-T cho phía nhận đặt cố định mái nhà độ cao 10 m Trƣờng hợp phát đơn lẻ (Thử nghiệm) Đường xuống Đường xuống tất môi Tham số DVB-T Đơn môi trường (Công trường (Công Chú thích suất phát mức suất phát mức trung bình) cao) 63 Tần số trung tâm MHz 690.00 690.00 BW kênh MHz 8.00 8.00 BW tác động MHz 7.61 7.61 Tạp âm (F) dB 7 Ws/K 1.38E-23 1.38E-23 K 290 290 dBm -98.16 -98.16 SNR biên cell dB 21 21 Độ nhạy thu (Pmin) dBm -77.16 -77.16 % 95 95 % 1.645 1.645 dB 5.50 5.50 dB 0.00 0.00 dB 5.50 5.50 sT = SQRT(σ2 + σw2) Tổn hao lề (Lm) 95% 9.05 9.05 Lm =µ95%* σT Pmean (95%) dBm -68.11 -68.11 Pmean = Pmin + Lm Cƣờng độ trƣờng dBµV/m 56.72 Hằng số Boltzmann (k) Nhiệt độ tuyệt đối (T) Công suất tạp âm (Pn) Khả phủ sóng biên cell Channel 48 Pn(dBm) = F+10log(k*T*B*106)+30 Pmin = Pn(dBm) +SNR(dB) Hệ số Gaussian cho 95% khả phủ sóng biên cell (µ995%) Độ lệch chuẩn tổn thất bóng (σ) Độ lệch chuẩn tổn hao vào tòa nhà (σw) Độ lệch chuẩn tổng tổn hao (σT) 56.72 64 trung bình tối thiểu E.i.r.p dBm 69.15 85.15 Chiều cao angten m 150.00 300.00 Tổn hao cáp (Lcable) dB 4.00 4.00 Độ lợi angten (Giso) dBi 13.15 13.15 Giso-Lcable dBi 9.15 9.15 dB 0.00 0.00 Tương ứng với 200 kW ERP Tổn hao trung bình vào tòa nhà (Lwall) Tổn hao đƣờng tối đa cho phép (Lpmax) Bán kính phủ sóng DVB-T tính mô hình JTG 5-6 Lpmax = e.i.r.p + (GisodB 146.42 162.42 Lcable) - Lwall -Lbody -Pmean km 12.62 39.5 Urban (Đô thị) km 32.11 70.53 Suburban (Ngoại ô) km 32.11 70.53 Rural (Nông thôn) Bảng 3.6: Mặt nạ DTT Tx (GE06) Mặt nạ DTT Tx cho kênh MHz Không giới hạn Giới hạn Tần số tương đối Mức độ tương đối Mức độ tương đối (MHz) (dB) (dB) –12 –110 –120 –6 –85 –95 –4.2 –73 –83 –3.9 –32.8 –32.8 +3.9 –32.8 –32.8 +4.2 –73 –83 +6 –85 –95 +12 –110 –120 65 Bảng 3.7: Tham số hệ thống UL MFCN Tham số hệ thống UL MFCN Băng thông kênh 10 MHz Độ cao angten BS 30 m Độ lợi angten BS 15 dBi bao gồm tổn hao feeder Mẫu angten BS ITU-R F1336 với k=0.7 Góc nghiêng xuống angten BS 6° (đô thị) Công suất Tx UE 23 dBm Độ lợi angten UE -3 dB Tổn hao thể/tay -4 dB MCL UE cho BS 70 dB Số người dùng hoạt động UE/cell cell Bán kính cell km (đô thị) Trong mô nhiễu từ DTT đến UL MFCN, sử dụng angten phát DTT có mô hình đa hướng chiều ngang, mô hình angten thẳng đứng lấy từ angten phát DTT thực tế Trong mô phỏng, cell tạo UE LTE trời Tổn hao thông lượng cụm mạng LTE nhiễu từ DTT mô Mặt nạ nhận BS LTE lấy từ 3GPP TS36.104 [9], đưa Bảng 3.8: 66 Bảng 3.8: Mặt nạ thu BS LTE 10MHz [9] Mặt nạ thu BS LTE 10 MHZ (5 dB tạp âm) Độ lệch tần (MHz) Loại bỏ (dB)