XÂY DỰNG QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TẠ TRUNG DŨNG XÂY DỰNG QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Truyền liệu Mạng máy tính Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội - 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TẠ TRUNG DŨNG XÂY DỰNG QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Truyền liệu Mạng máy tính Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Dương Lê Minh Hà Nội – 11/2016 1    MỞ ĐẦU Ngành công nghệ viễn thông chứng kiến phát triển ngoạn mục năm gần Khi mà công nghệ mạng thông tin di động hệ thứ ba 3G chưa đủ để đáp ứng, người ta bắt đầu chuyển công nghệ 4G (Fourth Generation) từ nhiều năm gần Hiện nay, 4G gần phủ sóng toàn cầu, Việt Nam gấp rút triển khai đưa vào khai thác mạng 4G Công nghệ LTE (Long Term Evolution) hứa hẹn nhiều tiềm cho thị trường viễn thông Việt Nam với khả thương mại sớm Các nhà khai thác di động công ty cung cấp giải pháp riết chuẩn bị cho việc xây dựng mạng 4G LTE dịch vụ tảng băng thông rộng nhằm đa dạng hóa dịch vụ tăng ưu cạnh tranh thị trường Theo tin từ Tập đoàn Bưu viễn thông Việt Nam (VNPT), đơn vị vừa hoàn thành việc lắp đặt trạm BTS sử dụng cho dịch vụ vô tuyến băng rộng công nghệ LTE cung cấp thức đến người dân vào năm 2018 sau đấu thầu xong băng tần Việc triển khai 4G LTE Việt Nam bước tiến tất yếu công nghệ viễn thông nước Khi triển khai sử dụng, mạng 4G LTE rút ngắn thời gian truyền tải dòng liệu lớn đến khỏi thiết bị đồng thời mang lại lợi ích cho giao tiếp có tính chất trao đổi liên tục game trực tuyến nhiều người chơi, gọi video call trở lên thực nhờ độ trễ âm hình ảnh rút ngắn…Xuất phát từ thực tế, đề tài vào nghiên cứu tìm hiểu công nghệ 4g LTE, tính toán xây dựng phần mềm quy hoạch mạng 4G LTE Nội dung luận văn trình bày 04 chương: Chương 1: Giới thiệu tổng quan công nghệ 4G LTE Chương 2: Cấu trúc mạng 4G LTE vấn đề liên quan Chương 3: Xây dựng quy hoạch mạng 4G LTE Chương 4: Kết mô thực nghiệm xây dựng quy hoạch mạng 4G LTE     2    CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 4G LTE Con đường phát triển công nghệ mạng di động 4G giới theo 03 hướng tương ứng với 03 tổ chức hỗ trợ là: + LTE với hỗ trợ 3GPP; + UMB với hỗ trợ 3GPP2; + WiMax với hỗ trợ IEEE; 1.1 Công nghệ UMB ( Ultra Mobile Broadband) Công nghệ UMB hệ mạng thông tin di động tiếp nối CDMA2000 phát triển 3GPP2 mà chủ lực Qualcomm UMB sánh ngang với công nghệ LTE 3GPP với kỳ vọng trở thành lựa trọn cho hệ di động thứ 4G UMB sử dụng OFDMA, MIMO, đa truy cập phân chia theo không gian kỹ thuật anten tăng khả mạng, tăng vùng phủ tăng chất lượng dịch vụ UMB cho tốc độ liệu đường xuống tới 280Mbit/giây liệu đường lên tới 75Mbit/giây 1.2 WiMAX IEEE 802.16 công bố phiên vào tháng 10/2004, thiết kế với tên gọi IEEE 802.16.2004 Phiên di động IEEE 802.16 phát triển dự án IEEE 802.16e biết rộng rãi với tên Mobile WiMAX, đặc biệt xem xét sử dụng OFDMA lớp PHY Tại họp ITU-R vào 5/2007 Mobile WiMAX khuyến cáo OFDMA TDD WMAN (mặc dù cần chấp nhận thức) để lại 50MHz băng tần quốc tế có sẵn dải 2.57 – 2.62 GHz phổ 3GHz TDD, quốc gia 1.3 Công nghệ 4G LTE Hiện nay, công nghệ LTE 3GPP tiếp tục nghiên cứu phát triển Phiên hoàn chỉnh đến thời điểm Rel-10 hoàn thiện vào năm 2011 cho phiên LTE-Advanced đáp ứng tiêu chuẩn 4G Hệ thống 3GPP LTE, bước cần hướng tới hệ thống mạng không dây 3G dựa công nghệ di động GSM/UMTS, công nghệ tiềm cho truyền thông 4G Liên     3    minh Viễn thông Quốc tế (ITU) định nghĩa truyền thông di động hệ thứ IMT Advanced 1.3.1 Động thúc đẩy - Cần hệ để cải thiện nhược điểm 3G đáp ứng nhu cầu người sử dụng - Người dùng đòi hỏi tốc độ liệu chất lượng dịch vụ cao - Tối ưu hệ thống chuyển mạch gói - Tiếp tục nhu cầu đòi hỏi người dùng giảm giá thành - Giảm độ phức tạp - Tránh phân đoạn không cần thiết cho hoạt động cặp cặp dải thông 1.3.2 Các giai đoạn phát triển LTE - Bắt đầu năm 2004, dự án LTE tập trung vào phát triển thêm UTRAN tối ưu cấu trúc truy cập vô tuyến 3GPP - Mục tiêu hướng đến dung lượng liệu truyền tải trung bình người dùng MHz so với mạng HSDPA Rel-6 tải xuống gấp đến lần (100Mbps) Tải lên gấp đến lần (50Mbps) - Năm 2007, LTE kỹ thuật truy cập vô tuyến hệ thứ "EUTRA"- phát triển từ bước khả thi để đưa đặc tính kỹ thuật chấp nhận Cuối năm 2008 kỹ thuật sử dụng thương mại - Các kỹ thuật OFDMA sử dụng cho đường xuống SCFDMA sử dụng cho đường lên 1.3.3 Các đặc tính LTE - Hoạt động băng tần : 700 MHz-2,6 GHz - Tố c đ ộ : DL 100Mbps (ở BW 20MHz), UL 50 Mbps với angten thu, angten phát - Độ trễ : nhỏ 5ms - Độ rộng BW linh hoạt :1,4 MHz; MHz; MHz; 10 MHz; 15 MHz; 20 MHz Hỗ trợ trường hợp độ dài băng lên băng xuống không - Tính di động : Tốc độ di chuyển tối ưu 0-15 km/h hoạt động tốt với tốc độ di chuyển từ 15-120 km/h, lên đến 500     4    km/h tùy băng tần - Phổ tần số: + Hoạt động chế độ FDD TDD + Độ phủ sóng từ 5-100 km + Dung lượng 200 user/cell băng tần 5Mhz - Chất lượng dịch vụ : + Hỗ trợ tính đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS + VoIP đảm bảo chất lượng âm tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng UMTS - Liên kết mạng: + Khả liên kết với hệ thống UTRAN/GERAN có hệ thống không thuộc 3GPP đảm bảo + Thời gian trễ việc truyển tải E-UTRAN UTRAN/GERAN nhỏ 300ms cho dịch vụ thời gian thực 500ms cho dịch vụ lại 1.3.4 Các thông số lớp vật lý LTE Trong phần này, tác giả nghiên cứu xây dựng tổng hợp 02 bảng, bảng 1.1 thông số lớp vật lý LTE bảng 1.2 tốc độ đỉnh LTE theo lớp dựng sở tìm hiểu nghiên cứu tài liệu chương 12 – tập sách Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G – TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, NXB Thông tin truyền thông, 2008) 1.3.5 Dịch vụ LTE Trong phần này, tác giả đưa bảng so sánh dịch vụ 3G so với 4G LTE so sánh LTE WiMax [1]     5    CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC CÔNG NGHỆ MẠNG 4G LTE 2.1 Cấu trúc mạng LTE Với mục tiêu thiết kế hệ thống toàn IP kiến trúc phẳng nhằm nâng cao tốc độ liệu, giảm trễ, LTE thiết kế hỗ trợ chuyển mạch gói (PS) mà không hỗ trợ chuyển mạch kênh (CS) hệ thống hệ trước Nó cung cấp kết nối IP thiết bị người dùng (UE) mạng liệu gói (PDN: Packet Data Network) Thuật ngữ LTE bao hàm mạng truy nhập vô tuyến E-UTRAN, kết hợp với mạng lõi Evolved Packet Core EPC LTE EPC kết hợp tạo thành hệ thống gói Evolved Packet System – EPS Hình 2.1 Cấu trúc LTE 2.1.1 Mạng truy cập vô tuyến E-UTRAN Chỉ có phần tử mạng truy nhập vô tuyến cải tiến E-UTRAN eNodeB Đây trạm gốc vô tuyến, điều khiển tất chức liên quan đến vô tuyến     6    2.1.2 Mạng lõi chuyển mạch gói LTE (EPC) Thực thể quản lý di động (MME): Thực thể quản lý di động (MME) thành phần điều khiển EPC Nó hoạn động miền điều khiển (CP) mà không tham gia vào miền liệu người dùng (UP) Các chức MME kiến trúc hệ thống LTE/SAE sau: chức xác thực bảo mật, chức quản lý di động, chức quản lý lịch sử thuê bao kế nối dịch vụ Gateway phục vụ (S-GW): Trong cấu hình kiến trục hệ thống bản, chức S-GW quản lý chuyển mạch đường hầm liệu người dùng Gateway mạng liệu gói (P-GW): P-GW hay gọi PDN-GW định tuyến biên mạng EPC mạng liệu gói bên Chức quy định sách tính cước (PCRF): PCRF thành phần mạng chịu trách nhiệm điều khiển tính cước sách (PCC) Máy chủ thuê bao thường trú (HSS): HSS nơi chứa liệu cho tất thuê bao Nó ghi lại vị trí thuê bao mức MME 2.1.3 Miền dịch vụ ( Services domain) Miền dịch vụ bao gồm nhiều hệ thống chứa nhiều nút logic Dưới loại dịch vụ cung cấp loại sở hạ tầng cần để cung cấp dịch vụ : - Các dịch vụ mạng dựa IMS - Các dịch vụ mạng không dựa IMS - Những dịch vụ khác không cung cấp nhà mạng 2.2 Các kỹ thuật then chốt đặc điểm LTE 2.2.1 Kỹ thuật OFDMA hướng xuống Ý tưởng kỹ thuật OFDM việc chia luồng liệu trước phát thành N lường liệu song song có tốc độ thấp phát lường liệu sóng mang khác Các sóng mang trực giao với OFDM có khả thiết lập kênh bị tán xạ lớn Sử dung dải tần hiệu cho phép chồng phổ sóng mang Hạn chế ảnh hưởng fading hiệu ứng đường     7    chia kênh fading chọn lọc tần số thành kênh fading tương ứng với tần số sóng mang OFDM khác Chi tiết kỹ thuật OFDM theo hướng xuống trình bày hình 2.2 Kỹ thuật OFDM luận văn 2.2.2 SC-FDMA hướng lên Lý quan trọng để lựa chọn kỹ thuật SC-FDMA cho hướng lên giảm công suất tiêu thụ thiết bị đầu cuối Về mặt kỹ thuật, SCFDMA cho tỷ lệ công suất đỉnh công suất trung bình (PAPR) thấp OFDMA giúp mang lại hiệu cao cho việc thiết kế khuếch đại thiết bị đầu cuối theo giảm công suất tiêu thụ máy đầu cuối Chi tiết kỹ thuật OFDM theo hướng xuống trình bày hình 2.3 Kỹ thuật OFDMA SC FDMA luận văn 2.2.3 Kỹ thuật MIMO MIMO phần tất yếu LTE để đạt yêu cầu đầy tham vọng thông lượng hiệu sử dụng phổ MIMO cho phép sử dụng nhiều anten máy phát máy thu Với hướng DL, MIMO 2x2 (2 anten thiết bị phát, anten thiết bị thu) xem cấu hình bản, MIMO 4x4 đề cập đưa vào bảng đặc tả kỹ thuật chi tiết Hiệu đạt tùy thuộc vào việc sử dụng MIMO Trong đó, kỹ thuật ghép kênh không gian (spatial multiplexing) phát phân tập (transmit diversity) đặc tính bật MIMO công nghệ LTE Chi tiết kỹ thuật hình 2.4 Mô hình SUMIMO MU-MIMO luận văn 2.3 Cấu trúc khung liệu LTE (Radio frame) Cấu trúc khung liệu LTE giống cho hướng xuống hướng lên Mỗi khung liệu có độ dài 10ms (307200xTs, Ts đơn vị thời gian quy ước) bao gồm 10 khung (subframe) Mỗi khung bao gồm khe với symbol OFDM ( trường hợp sử dụng tiền tố lặp (CPCylic Prefix) ngắn) symbol OFDM( trường hợp sử dụng tiền tố lặp dài)     8    Hình 2.6 Cấu trúc khung liệu LTE 2.4 Băng tần LTE LTE hỗ trợ nhiều băng tần khác cách linh hoạt cho phép nhà mạng lựa chọn cách mềm dẻo, tối ưu quĩ tần số có khả tái sử dụng băng tần công nghệ cũ lưu lượng di chuyển (ví dụ 2G sang 3G) tối ưu chi phí đầu tư mạng Bảng 2.1 Băng tầng cho UMTS/ LTE luận văn mô tả chi tiết băng tần đường lên đường xuống cho LTE dự kiến cho công nghệ FDD 2.5 Lưới tài nguyên LTE Mỗi khe liệu tổ chức thành lưới tài nguyên (Resource grid) Như mô tả cấu trúc khung liệu, miền thời igan lưới tài nguyên kéo dài đến symbol OFDM Miền tần số tổng số song mang toàn băng tần hoạt động Thành phần nhỏ lưới tài nguyên gọi phần tử tài nguyên ( Resource element) Phần tài nguyên nhỏ cáp phát gọi khối tài nguyên ( Resource Block) 1Resource Block = (hoặc 6) symbol OFDM x 12 sóng mang Như sử dụng CP ngắn khối tài nguyên chiếm dải tần 180kHz (12x15kHz – với 15kHz băng tần cho sóng mang con) Hình 2.7 Lưới tài nguyên LTE Hầu hết giải pháp, thuật toán nhằm nâng cao hiệu mạng LTE chất lượng dịch vụ xoay quanh việc làm sử dụng cách hiệu quả, linh hoạt lưới tài nguyên     11    3.2.1.3 Dự báo sử dụng lưu lượng số liệu: Ta cần phân loại người sử dụng dịch vụ số liệu dự báo cho kiểu người sử dụng khối lượng thông lượng số liệu Ta cần dự báo thông lượng bắt đầu kết thúc 3.2.1.4 Dự phòng tương lai: Ta qui hoạch mạng cho dự kiến trước mắt mà cần qui hoạch mạng cho dự kiến tương lai để thuờng xuyên mở rộng mạng 3.2.2 Phân tích vùng phủ Để quy hoạch mạng vô tuyến cho hệ thống thông tin di động hệ thứ tư, bước ta cần khảo sát chi tiết nơi cần phủ sóng kiểu phủ sóng cần cung cấp cho vùng Trên sở phân tích vùng phủ sóng, tính toán quỹ đường truyền theo hướng lên xuống, ta tính bán kính cell vùng phủ sóng theo mô hình sau: Thông số đầu vào Tính suy hao truyền sóng cho phép (MAPL) Bán kính vùng phủ R yêu cầu theo mô hình truyền sóng Hính 3.2: Mô tả trình tính toán bán kính vùng phủ R 3.3 Quy hoạch chi tiết Ngoài việc dự báo dung lượng phân tích vùng phủ mục 3.2, để thực toán quy hoạch mạng hay nói cách khác xây dựng phần mềm tính toán quy hoạch mạng 4G LTE ta cần áp dụng hai điều kiện tối ưu sau cho tính toán quy hoạch mạng 4G LTE để xác định số trạm eNodeB cần lắp đặt 3.3.1 Điều kiện quy hoạch mạng 4G LTE Điều kiện tối ưu thứ 1: quy hoạch vùng phủ để xác định số trạm cần lắp đặt Bài toán dựa việc tính toán quỹ đường     12    truyền để biết suy hao tín hiệu cực đại, từ xác định bán kính ô phủ kết hợp mô hình truyền sóng thích hợp ta tính diện tích phủ sóng ô phủ Biết diện tích địa lý vùng phủ sóng ta tính số eNodeB lắp đặt cho vùng phủ Điều kiện tối ưu 2: quy hoạch lưu lượng dựa dân số vùng quy hoạch để ước lượng số thuê bao sử dụng với việc chọn tốc độ mã hóa điều chế MCS (Modulation and Coding Schem), băng thông kênh truyền, kỹ thuật anten sử dụng ta tính toán số trạm cần thiết lắp đặt Từ hai kết tính toán theo hai điều kiện tối ưu trên, ta lấy số eNodeB lớn số eNodeB cuối cần lắp đặt cho vùng phủ sóng 3.3.2 Quy hoạch vùng phủ Đối với mạng di động tế bào, ước lượng vùng phủ dùng để định vùng phủ trạm gốc, đưa vùng tối đa bao phủ trạm gốc Nhưng không cần thiết xác lập kết nối UE trạm gốc Tuy nhiên, trạm gốc phát UE vùng bao phủ Tính toán quỹ đường truyền ước lượng suy hao tín hiệu cho phép cực đại (pathloss) di động trạm gốc Tổn hao lớn cho phép cho ta ước lượng vùng phủ cell lớn với mô hình kênh truyền phù hợp Với vùng bao phủ cell cho ta tính toán số trạm gốc sử dụng để bao phủ vùng địa lý mong muốn  Tính toán quỹ đường lên cho LTE [3]  Mục đích phần nghiên cứu đưa công thức, thông số để tính toán quỹ đường truyền lên xuống LTE Từ xác định tổn hao tín hiệu cực đại đường lên xuống làm sở để xác định bán kinh vùng phủ biết mô hình truyền sóng phù hợp     13    Bảng ví dụ 1: Tính quỹ đường lên LTE cho 64Kbps với máy thu trạm gốc anten Máy phát (đầu cuối di động) Công suất phát (dBm) Khuyếch đại angten (dBi) Tổn hao phi + nối (dB) Suy hao thể MS đường lên (dB) Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương (dBm) Máy thu (BS) Hệ số tạp âm máy thu trạm gốc (dB) Công suất tạp âm nhiệt đầu vào máy thu (dBm) Công suất tạp âm máy thu (dBm) Dự trữ nhiễu (dB) Tổng tạp âm + giao thoa (dBm) Tỷ số SNR yêu cầu (dB) Độ nhạy máy thu (dBm) 24,0 PTxm 0,0 0,0 0,0 Gm 24,0 EIPRm = PTxm + Gm + Lfm Lbody Lfm - Lbody 2,0 NF -118,4 Ni = 30 + 10lgk + -116,4 10log290K + 10lgB 360KHz) N = Ni + NF 2,0 -114,4 -7 -121,4 Mi (N+I) (dBm) = N + Mi SNRr, từ mô Pmin = (N + I) (dBm) + SNRr Khuếch đại angten (dBi) Tổn hao phi + nối trạm gốc Khuếch đại MHA (dB) Tổn hao đường truyền cực đại (dB) 18,0 2,0 Gb Lf 2,0 163,4 GMHA Lmax = EIRPm - Pmin + Gb - Lf + GMHA     14     Tính toán quỹ đường xuống cho LTE Bảng ví dụ 2: Tính quỹ đường xuống LTE cho 1Mbps với máy thu trạm gốc angten Máy phát (trạm gốc) Công suất phát (dBm) 46,0 PTxm Khuyếch đại angten (dBi) Tổn hao phi + nối (dB) Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương (dBm) Máy thu (đầu cuối di động) Hệ số tạp âm máy thu (dB) Công suất tạp âm nhiệt đầu vào máy thu (dBm) 18,0 2,0 62,0 Gb Lf EIRPm = PTxm + Gb - Lf 7,0 -104,5 NF Ni = 30 + 10lgk + Công suất tạp âm máy thu (dBm) Dự trữ nhiễu (dB) Bổ sung nhiễu kênh điều khiển Tổng tạp âm + giao thoa (dBm) -97,5 10lg290K + 10lgB (9KHz) N = Ni + NF 3,0 1,0 -93,5 Tỷ số SNR yêu cầu (dB) Độ nhạy máy thu (dBm) -10 -103,5 Mi Mcch (N+I) (dBm) = N + Mi + Mcch SNRr, từ mô Pmin = (N + I) (dBm) + SNRr Khuếch đại angten (dBi) Tổn hao phi + nối trạm gốc Suy hao thể MS đường lên (dB) Tổn hao đường truyền cực đại (dB) Gb Lf Lbody 165,4 Lmax = EIRPb - Pmin + Gm - Lfm - Lbody     0,0 0,0 0,0 15    3.3.3 Các mô hình truyền sóng Mô hình truyền sóng thích hợp kết hợp với quỹ đường truyền ta tính bán kính phủ sóng Vì đặc điểm kênh truyền dẫn vô tuyến có tính chất ngẫu nhiên, không nhìn thấy được, đòi hỏi có nghiên cứu phức tạp Một số mô hình thực nghiệm đề xuất sử dụng để dự đoán tổn hao truyền sóng Các mô hình đề xuất để đánh giá công nghệ truyền dẫn xét nhiều đặc tính môi trường gồm thành phố lớn, thành phố nhỏ, vùng ngoại ô, vùng nhiệt đới, vùng nông thôn sa mạc Các công thức, thông số, kết phần trích dẫn từ báo cáo kỹ thuật Hata-okumura Các thông số môi trường bao gồm: + Trễ truyền lan, cấu trúc thay đổi + Quy tắc tổn hao địa lý tổn hao đường truyền bổ sung + Pha định che tối + Các đặc tính pha đinh nhiều đường cho hình bao kênh + Tần số làm việc Ta phân tích mô hình sau: 3.3.2.1 Mô hình Hata-Okumura Trong mô hình này, ban đầu suy hao đường truyền tính cách tính hệ số hiệu chỉnh anten cho vùng đô thị hàm khoảng cách trạm gốc, trạm di động tần số Kết điều chỉnh hệ số cho độ cao anten trạm gốc trạm di động Các biểu thức toán học sử dụng mô hình Hata-Okumura để xác định tổn hao trung bình L: Lp= A + Blgfc - 13,82lghb - a(hm) + (44,9 - 6,55lghb)lgr - C (3.13) + Dải thông số sử dụng cho mô hình Hata là: 150fc  2000 MHz; 30  hb  200 m;  hm  10 m;  r  20 km a(hm) hệ số hiệu chỉnh cho độ cao anten di động tính sau: - Đối với thành phố nhỏ trung bình: a(hm) = (1,1lgfc -0,7)hm - (1,56lgfc - 0,8) dB (3.14)     16    - Đối với thành phố lớn: a(hm) = 8,29(lg1,54hm)2 - 1,1 dB ; fc 200 MHz (3.15) hay: a(hm) = 3,2(lg11,75hm)2 - 4,97 dB ; fc  400 MHz (3.16) - Đối với vùng ngoại ô: Với vùng ngoại ô hệ số hiệu chỉnh suy hao so với vùng thành phố là:   f    Ln.ô = Lp(thành phố) –  lg c    5,4 (dB) (3.17)   28    - Đối với vùng nông thôn Lnt = Lp(thành phố) - 4.78 lg + 18.33(lg fc ) - 40.49 (dB) (3.18) 3.3.2.2 Mô hình Walfish-Ikegami Mô hình sử dụng để đánh giá tổn hao đường truyền môi trường thành phố cho hệ thống thông tin di động tổ ong Mô hình chứa phần tử tổn hao không gian tự do, nhiễu xạ mái nhà, tổn hao tán xạ tổn hao nhiều vật chắn Mô hình Walfisch-Ikegami dựa vào giả thiết truyền lan sóng truyền mái nhà trình nhiễu xạ Các biểu thức sử dụng cho mô hình sau: Lp= Lf + Lrts + Lmsd (3.19) hay Lp = Lf Lrts + Lmsd  (3.20) + Tổn hao không gian tự Lf xác định: Lf = 32,4 +20lgr + 20lgfc (dB) (3.20) + Nhiễu xạ mái nhà - phố tổn hao phân tán tính sau: Lrts = (-16,7) -10lgW + 10lgfc + 20lg∆hm + Lori (dB) (3.21) Lmsd = Lbsh + ka + kdlgr + kflgfc - 9lgb (3.22) - Với trường hợp tia nhìn thẳng (LOS): Lp = 42,6 + 26lgr + 20lgfc (3.23) - Với trường hợp tia không nhìn thẳng (NLOS):     17    Lp = 32,4 + 20lgr + 20lgfc + Lrts + Lmsd (3.24) + Dải thông số cho mô hình Walfisch – Ikegami phải thỏa mãn: 800  fc  2000 MHz;  hb  50 m;  hm  m; 0,02  r  km 3.3.4 Tính bán kính ô phủ (cell) Trước tiên, dựa vào tham số quỹ đường truyền để xác định suy hao đường truyền tối đa cho phép Khi đó, dễ dàng tính bán kính cell biết mô hình truyền sóng áp dụng với môi trường khảo sát (Lp = Lmax) Suy công thức tính bán kính cell sau: R = 10(Lp - L)/X (3.31) cell LP = L + X *lgR (3.32) Sau tính kích thước cell, dễ dàng tính diện tích vùng phủ với ý diện tích vùng phủ phụ thuộc vào cấu hình phân đoạn trạm gốc Diện tích vùng phủ cell có cấu trúc lục giác sau: Hình: Ba loại site khác (ommi, 2-sector, 3-sector) S = K r (3.43) Trong đó: S diện tích vùng phủ, r bán kính cực đại cell, K số Cấu hình trạm Ommi (vô hướng) 2-sector 3-sector 6-sector K 2,6 1,3 1,95 2,6 Bảng 3.5 Các giá trị K sử dụng cho tính toán vùng phủ sóng 3.3.5 Quy hoạch dung lượng Dung lượng lý thuyết mạng bị giới hạn số eNodeB đặt mạng     18    Dung lượng mạng bị ảnh hưởng yếu tố mức can nhiễu, thực thi lập biểu, kỹ thuật mã hóa điều chế cung cấp Sau công thức dùng để tính số eNodeB tính khía cạnh dung lượng ộ ố độ ữ ệ Số eNodeB = ượ (3.44) Trong site capacity bội số thông lượng cell (cell throughput), tùy thuộc vào cấu hình cell site Tính toán cell throughput: Để tính toán cell throughput trước tiên ta xét tốc độ bit đỉnh (peak bit rate) Tương ứng với mức MCS (điều chế mã hóa) với có kết hợp MIMO hay không tạo tốc độ bit đỉnh khác Tốc độ bit đỉnh tính theo công thức sau: Tốc độ bit đỉnh = ố x Số sóng mang x ố ý ự (3.45) Bảng 3.6 Tốc độ bit đỉnh tương ứng với tốc độ mã hóa băng thông Tốc độ bit đỉnh sóng mang / băng Kỹ thông MCS thuật 72/1.4 180/3.0 300/5.0 600/10 1200/20 anten MHz MHz MHz MHz MHz Dòng QPSK1/2 0.9 2.2 3.6 7.2 14.4 đơn Dòng 16QAM1/2 1.7 4.3 7.2 14.4 28.8 đơn Dòng 16QAM3/4 2.6 6.5 10.8 21.6 43.2 đơn Dòng 64QAM3/4 3.9 9.7 16.2 32.4 64.8 đơn Dòng 64QAM4/4 5.2 13.0 21.6 43.2 86.4 đơn 2x2 64QAM3/4 7.8 19.4 32.4 64.8 129.6 MIMO 2x2 64QAM4/4 10.4 25.9 43.2 86.4 172.8 MIMO     19    Tương ứng với MCS tốc độ bit đỉnh mức SINR, ta xét điều kiện kênh truyền AWGN nên SNR dùng thay cho SINR, tốc độ bit đỉnh xem dung lượng kênh Dựa vào công thức dung lượng kênh Shannon: C1 = BW1 log2(1+SNR) (3.46) Ta suy SNR : (C1/BW1)-1 SNR = (lần) (3.47) Trong BW1 băng thông hệ thống (chẳng hạn 1.4 MHz, 3MHz20MHz) + Từ SNR tìm ta tính thông lượng cell (cell throughput) qua công thức sau: C = F*BW log2(1+SNR) (3.48) Băng thông cấu hình tính theo công thức sau: BW = (3.49) Tsub thời gian khung con, thông thường 1ms Bảng 3.7 Giá trị băng thông cấu hình tương ứng với băng thông kênh truyền F hệ số sửa lỗi, F tính toán theo công thức sau: F= / x / (3.50) Overalldatarate tính toán theo công thức sau: Overalldatarate = Số user x Tốc độ bit đỉnh x Hế số OBF (3.51) Hệ số OBF tính toán theo công thức sau: OBF = PAPR × Hệ số utilisation (3.52) Sau tính toán số eNodeB theo vùng phủ số eNodeB theo dung lượng, ta tối ưu số eNodeB lại cách lấy số eNodeB lớn hai trường hợp Số eNodeB số eNodeB cuối lắp đặt vùng định sẵn Áp dụng quy hoạch cho số quận huyện thành phố Hà Nội Áp dụng công thức, bảng thông số tác giả xây dựng phần mềm tính toán quy hoạch vùng phủ quy hoạch lưu lượng cho số quận huyện thành phố Hà Nội     20    CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THỰC NGHIỆM QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE Chương trình bày kết mô quy hoạch mạng 4G LTE sử dụng phần mềm Matlab R2016a, phần mềm cung cấp môi trường tính toán số lập trình 4.1 Lưu đồ quy hoạch mạng 4G LTE Form quy Quy hoạch dung Quy hoạch vùng Quỹ đường truyền Tối ưu số Mô hình truyền 4.2 Kết mô quy hoạch vùng phủ Luận văn xây dựng giao diện phần mềm cho tính toán quỹ đường truyền 4G LTE từ tìm suy hao tín hiệu cực đại cho đường lên Lmax= 163.4, đường xuống Lmax = 165.4 4.2.1 Kết mô quỹ đường truyền lên xuống LTE Quỹ đường truyền lên tính toán cho tốc độ 64 kbps, tương ứng với tốc độ có số khối tài nguyên (RB) phát đi, tương ứng với có băng thông định Chẳng hạn, tốc độ 64 kbps đường lên có RB phát tương ứng với băng thông 360 KHz (0.36 MHz) Mô quỹ đường xuống LTE cho 1Mbps với máy thu trạm gốc angten: 1Mbps đường xuống tương đương với 50 RB phát băng thông tương ứng MHz     21    Hình: Giao diện phần mềm quỹ đường truyền lên xuống 4G LTE 4.2.2 Kết mô mô hình truyền sóng 4.2.2.1 Kết mô mô hình truyền sóng Hata-Okumura Walfish-Ikegami + Dải thông số sử dụng cho mô hình Hata là: 150fc  2000 MHz; 30  hb  200 m;  hm  10 m;  r  20 km + Dải thông số cho mô hình Walfisch – Ikegami phải thỏa mãn: 800  fc  2000 MHz;  hb  50 m;  hm  m; 0,02  r  km Với giả thiết tính suy hao tín hiệu cực đại cho đường lên Lmax= 163.4, đường xuống Lmax = 165.4, f = 1950, hb = 30m, hm=1.5m ta tính thông số mô hình suy hao Hata -okumura Walfisch – Ikegami, ta nhập vào phần mềm cho kết bán kính cell phù hợp với mô hình truyền sóng Từ kết tính bán kính cell, ta xác định diện tích phủ cell S = K r2 ( K số loại ô ommi, 2- sector, 3- sector tương ứng 2.6, 1.3, 1.95) từ tính số eNodeB = Splan/ S     22    Hình: Giao diện phần mềm tính toán bán kính cell số eNodeB cần lắp đặt cho vùng phủ 4.3 Mô quy hoạch dung lượng Trong phần này, luận văn thiết lập giao diện phần mềm cho tính toán quy hoạch dung lượng lấy ví dụ quy hoạch dung lượng cho quận Ba Đình Tp Hà Nội Đây vùng trung tâm với mật độ thuê bao lớn, yêu cầu dịch vụ cao, ta sử dụng kiểu mã hóa điều chế 64QMA khoảng cách đến thuê bao ngắn, mức độ yêu cầu đầu cuối cao, băng thông sử dụng 20M Ta thiết lập toán giả định với toán giả định dung lượng ô có sắn 30Mbps, tốc độ cao điểm 50Kbps, đoạn ô có sector, tải trung bình cao điểm 50% Dựa vào công thức ta tính số thuê bao site truy cập đồng thời 1050, tương tự với điều kiên với Rsub = 1,2Mbps ta tính số thuê bao sử dụng đồng thời cao điểm 525 Nhập thông số vào phần mềm, phầm mềm tính cho ta số eNodeB cần lắp đặt 11 trạm     23    Hình: Mô giao diện tính toán số eNodeB theo dung lượng 4.4 Kết luận chương Trong chương luận văn xây dựng phần mềm mô thực nghiệm để thực công việc: + Tính toán quỹ đường truyền 4G LTE xác định suy hao tín hiệu cực đại đường lên đường xuống LTE Từ kết ta xác định bán kính cell ô phủ kết hợp với mô hình truyền sóng Hata-okumura, Walfish-Ikegaml Biết bán kính ô phủ ta tính diện tích ô phủ kết với diện tích địa lý vùng phủ ta tính số trạm cần lắp đặt cho vùng phủ + Xây dựng phần mềm tính toán tốc độ bit đỉnh tương ứng với tốc độ mã hóa băng thông khác làm sở để xác định tốc độ liệu (Overalldatarate), xác định thông lượng ô phủ (Cell through put) theo công thức dung lượng kênh Shannon từ xác định tổng dung lượng site Cuối ta xác định số eNodeB cần lắp đặt theo quy hoạch dung lượng eNodeB = Over all data rate/ Site capaccity Tuy nhiên, phần mô dung lượng tác giả thực toán giả định để xác định số user đồng thời sử dụng dịch vụ để làm để tính tốc độ liệu đưa vào phần mềm để xác định số eNodeB cần lắp đặt cho quy hoạch dung lượng     24    KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Với ưu điểm công nghệ LTE cung cấp cho người sử dụng tốc độ liệu chất lượng dịch vụ cao so với 3G nhờ áp dụng công nghệ vô tuyến với kỹ thuật tiên tiến sử dụng kỹ thuật OFDMA, SC-FDMA, MIMO thiết kế đơn giản hóa kiến trúc mạng nên công nghệ LTE có tiềm lớn để ứng dụng cho phát triển hệ thống thông tin di động 4G Tác giả chọn luận văn nhằm nâng cao hiểu biết công nghệ 4G LTE, đề tài phù hợp với thực tế nghiên cứu Việt Nam Nội dung luận văn nghiên cứu gồm hai phần: Về phần lý thuyết: chương 1, luận văn trình bày tổng quan công nghệ 4G LTE, cấu trúc mạng 4G LTE Chương nghiên cứu đưa biểu thức thông số để xây dựng phần mềm quy hoạch mạng 4G LTE Về phần mô thực nghiệm: Ở chương 4, luận văn xây dựng giao diện phần mềm dựa ngôn ngữ lập trình Matlab để thực công việc: + Tính toán quỹ đường truyền LTE + Tính toán bán kính, diện tích ô phủ với mô hình truyền sóng phù hợp để tính số eNodeB cần lắp đặt cho vùng phủ + Xây dựng phần mềm tính tốc độ bít định xác định số trạm eNodeB theo quy hoạch dung lượng Hạn chế luận văn thực hiện: + Hiện tại, Việt Nam chưa tiến hành xây dựng quy hoạch đưa vào sử dụng mạng 4G, thông số đưa để tính toán quy hoạch số liệu thực tế nhà mạng, thông số đưa phần mô dựa vào sách [3] làm thông số tham khảo + Chưa có đồ truyền sóng thực tế, phần tối ưu mạng chưa nghiên cứu đề cập đến luận văn Hướng phát triển luận văn: Nghiên cứu hoàn thiện công cụ phần mềm kiểm tra tính tin cậy, đắn phần mềm dịch vụ 4G LTE triển khai thực tế có số liệu cụ thể nhà mạng đưa vào phần mềm, xây dựng phần mềm tối ưu mạng cho 4G LTE     25        ... 3: Xây dựng quy hoạch mạng 4G LTE Chương 4: Kết mô thực nghiệm xây dựng quy hoạch mạng 4G LTE     2    CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 4G LTE Con đường phát triển công nghệ mạng di động 4G giới... chuyển giao công nghệ 4G LTE với mạng khác     10    CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE Phương án nghiên cứu chương kết hợp nghiên cứu lý thuyết quy hoạch mạng 4G LTE đến quy hoạch chi tiết cách... QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE Chương trình bày kết mô quy hoạch mạng 4G LTE sử dụng phần mềm Matlab R2016a, phần mềm cung cấp môi trường tính toán số lập trình 4.1 Lưu đồ quy hoạch mạng 4G LTE Form quy