Xây dựng hệ thống thử nghiệm đánh giá chất lượng vùng phủ sóng 3G

Mục tiêu của việc nghiên cứu đánh giá chất lượng, hiệu quả đầu tư xây dựng hệ thống tự động đo đạc thông số về mạng di động tại nhiều địa điểm khác nhau tại cùng một thời điểm và truyền

ĐINH VĂN MẠNH

XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ

CHẤT LƯỢNG VÙNG PHỦ SÓNG 3G Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 60.52.02.08

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐẶNG HOÀI BẮC

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI – 2013

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Như chúng ta đã biết, việc kiểm tra chất lượng của mạng thông tin

di động là nhu cầu và cũng là yêu cầu bắt buộc đối với các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động Trong đó việc khảo sát chất lượng phủ sóng của mạng là một trong những yếu tố quan trọng nhất Nhưng hiện tại, để tiến hành việc khảo sát này đang cần đến việc sử dụng các máy móc chuyên dụng rất đắt tiền và mất rất nhiều nhân công cũng như thời gian di chuyển máy tới từng địa bàn để đo đạc, các kết quả đo đạc được mang tính tức thời, không thể hiện được cả quá trình khảo sát trong một thời gian dài

Bên cạnh đó, các thiết bị phục việc kiểm tra này chỉ được cung cấp bởi một vài hãng lớn như Sony Ericson, Motorola nhưng đều là các thiết bị rất đắt tiền, chỉ phù hợp cho đo kiểm tra chất lượng mạng lưới, không phù hợp với việc khảo sát đánh giá chất lượng phủ sóng diện rộng như đã nêu ở trên

2 Mục đích nghiên cứu:

Xuất phát từ các vấn đề nêu trên, việc nghiên cứu xây dựng hệ thống thử nghiệm đánh giá chất lượng phủ sóng mạng thông tin di động 3G là rất cần thiết Mục tiêu của việc nghiên cứu đánh giá chất lượng, hiệu quả đầu tư xây dựng hệ thống tự động đo đạc thông số về mạng di động tại nhiều địa điểm khác nhau tại cùng một thời điểm và truyền kết quả về trung tâm Nó cho phép khảo sát chất lượng phủ sóng mạng thông tin di động nhanh chóng, chính xác, linh động và tiết kiệm Là cơ sở để xây dựng, phát triển thêm các tính năng khác như kiểm tra chất lượng dịch vụ, các hệ thống đo đạc, điều khiển tương tự trong ngành viễn thông và các ngành công nghiệp khác

Kết quả đề tài và tài liệu tham khải để các cơ quan quản lý, các doanh nghiệp viễn thông có định hướng phát triển và lựa chọn áp dụng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu đánh giá về sự cần thiết của việc đánh giá chất lượng vùng phủ sóng

- Nghiên cứu về việc thiết kế thiết bị thu thập thông tin mạng 3G

- Nghiên cứu về mô hình thu thập dữ liệu qua mạng GPRS

- Nghiên cứu việc thiết kế cơ sở dữ liệu và Web

- Nghiên cứu đưa ra đánh giá dự kiến về hiệu quả đầu tư của dự án

- Khuyến nghị về khả năng ứng dụng trên mạng thông tin di động ở Việt Nam

Chương 1 CÁC THÔNG SỐ VỀ CHẤT LƯỢNG PHỦ SÓNG MẠNG DI ĐỘNG 1.1 Sự cần thiết của việc đánh giá chất lượng vùng phủ

1.1.1 Khái niệm về vùng phủ

Trong viễn thông, vùng phủ của một trạm vô tuyến có thể được hiểu là một vùng địa lý mà trạm có thể giao tiếp với các thiết bị thu/phát Ta cũng có thể hiểu, vùng phủ là vùng mà tín hiệu vô tuyến có thể vươn tới Vùng phủ của một trạm vô tuyến phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như: địa hình, địa vật của tuyến truyền sóng (ví dụ như núi, tòa nhà…), kỹ thuật và tần số vô tuyến sử dụng

1.1.2 Mối quan hệ giữa dung lượng, chất lượng và vùng phủ

Dung lượng mạng vô tuyến trong các mạng di động tế bào có thể được hiểu

là số lượng người dùng tại một thời điểm trong mỗi tế bào.Thông thường, dung lượng cung cấp tỉ lệ thuận với độ rộng băng tần sử dụng Chính vì thế, với các hệ

nguyên băng thông là các vấn đề được quan tâm Tuy nhiên, trong hệ thống thông tin di động thế hệ 3, sử dụng băng tần lại không phải là vấn đề cần phải quan tâm hàng đầu Công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA - Code Division Multiple Access) trong mạng này sử dụng kỹ thuật trải phổ cho phép nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến tại cùng một thời điểm để yêu cầu dịch vụ sẽ đảm bảo được hiệu quả sử dụng băng tần ngay cả khi phổ của mỗi tín hiệu được trải rộng hàng trăm lần trước khi đưa lên đường truyền Người dùng còn được phục vụ chừng nào còn kênh lưu lượng ở trạm gốc Mặt khác, hệ

số tái sử dụng tần số trong các mạng CDMA bằng 1, có nghĩa là các trạm gốc gần nhau có thể sử dụng chung một tần số Chính vì điều này mà các mạng CDMA được coi là có dung lượng cao hơn so với các mạng sử dụng công nghệ khác

Tuy nhiên, vấn đề này sinh trong các mạng 3G sử dụng công nghệ CDMA

là sự ảnh hưởng của nhiễu đa người sử dụng (MUI - Multiple User Interference) hay còn được gọi là nhiễu đa truy cập (MAI - Multiple Access Interference) Nhiễu MAI làm tỉ số tín hiệu trên tạp âm giảm mạnh có thể làm cho máy thu không tách được tín hiệu của mình Điều này đồng nghĩa với việc, khi dung lượng mạng tăng, tải mạng sẽ tăng nhưng mức nhiễu tăng lên, chính vì vậy mà chất lượng dịch vụ sẽ giảm.Để giảm nhiễu giao thoa chúng ta có thể hoặc là giảm số người sử dụng hoặc là giảm công suất phát của các trạm gốc Với cách thứ nhất thì rõ ràng dung lượng mạng sẽ bị giảm Cách thứ hai, ngoài việc làm giảm mức công suất thu được ở các máy thu và vì thế mà làm chất lượng cuộc gọi bị ảnh hưởng thì nó còn kéo theo vùng phủ của trạm gốc cũng bị thay đổi Ngược lại, nếu muốn tăng độ rộng vùng phủ, thì để đảm bảo tỉ số tín hiệu trên tạp âm trong ngưỡng cho phép (tức là đảm bảo chất lượng dịch vụ) ta buộc phải

giảm dung lượng mạng Tùy theo từng điều kiện cụ thể mà ta có các giải pháp xử

lý cho thật phù hợp

Qua việc phân tích trên ta nhận thấy rằng đánh giá chất lượng vùng phủ của một mạng di động là cần thiết

1.2 Các thông số cơ bản đánh giá chất lượng vùng phủ và mạng

Chất lượng vùng phủ có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mạng.Ngược lại, chất lượng mạng cũng phản ánh chất lượng vùng phủ.Vì vậy, để đánh giá chất lượng vùng phủ của mạng thông tin di động có thể xem xét thông qua các thông số sau

1.2.1 Rxlev (Received signal level)

Rxlev: là cường độ tín hiệu thu được tính theo dBm Trong các hệ thống

thông tin di động, Rxlev là mức công suất tín hiệu thu được tại UE (User Equipment) (hướng xuống) hoặc BTS (hướng lên)

Rxlev là một tham số có thể được dùng để đánh giá vùng phủ của một trạm gốc cũng như đánh giá khả năng kết nối giữa(UE) và trạm gốc Rxlev càng lớn thì mức thu càng tốt

Yêu cầu tối thiểu của Rxlev đối với một hệ thống di động mặt đất là -110 dBm, được chia thành 64 mức khác nhau từ 0 đến 63 Khi mức thu Rxlev < -110 dBm thì được quy về mức Rxlev = 0, còn khi mức thu Rxlev > -47 dBm sẽ được quy về mức Rxlev = 63

1.2.2 RxQual (Receiver signal quality):

RxQual là mức chất lượng tín hiệu thu được, được sử dụng để phản ánh chất lượng sóng vô tuyến và được thể hiện thông qua tỷ lệ lỗi bit BER

RxQual được chia thành 8 mức có giá trị từ 0 đến 7, mỗi mức tương ứng

EC/I0 là tỷ số năng lượng chip trên mật độ phổ công suất nhiễu, đơn vị là dB

Tỷ số EC/I0 được đo tại máy thu để xác định mức độ “sạch” của một tín hiệu Đây là tham số quan trọng được sử dụng trong việc quyết định chuyển giao

để nâng cao chất lượng đường truyền

Giá trị của EC/I0 luôn thay đổi đối với bất kỳ hệ thống vô tuyến nào Nếu mức EC/I0 quá thấp thì không thể thực hiện được kết nối hoặc là bị rớt cuộc gọi ngay cả khi mức tín hiệu thu được là tốt

Trong các mạng vô tuyến nói chung, mạng di động 3G nói riêng, mức

EC/I0>-10 dBm được coi là tốt Tỷ số EC/I0 phụ thuộc rất nhiều vào hoạt động điều khiển công suất của mạng Cụ thể, nếu điều khiển công suất tốt, MAI nhỏ thì I0 nhỏ sẽ làm cho EC/I0 tăng lên và ngược lại

Trong mạng thông tin di động 3G, người ta thường quan tâm là tỷ số EC/I0

của kênh hoa tiêu (CPICH Ec/I0)

1.2.4 Tỷ lệ chuyển giao cứng thành công (HHOSR - Hard Handover Success Ratio)

Chuyển giao cứng là thủ tục chuyển giao mà tất cả các liên kết vô tuyến cũ kết nối đến UE được giải phóng trước khi một kết nối mới được thiết lập

Chuyển giao cứng có thể được chia thành: chuyển giao cứng nội tần ferquency Hard Handover) và chuyển giao cứng liên tần (Inter-frequency Hard Handover)

(Intra-a Chuyển giao cứng nội tần (Intra- frequency Hard Handover):

Liên kết vô tuyến cũ và liên kết vô tuyến mới sử dụng chung một tần số Chuyển giao cứng nội tần chỉ sử dụng trong các điều kiện sau :

- Không có giao diện Iur giữa nguồn và RNC (Radio Network Controller) mục tiêu

- UE đang sử dụng PS RAB (Packet Switching Radio Access Bearer) tại tốc độ lớn hơn ngưỡng đặt trước

b Chuyển giao cứng liên tần (Inter-frequency Hard Handover)

Trong chuyển giao cứng liên tần, các liên kết vô tuyến cũ và mới sử dụng các tần số khác nhau Nó bao gồm các loại:

- Chuyển giao dựa trên vùng phủ: UE có thể rời khỏi vùng phủ của tần số hiện tại trong khi di chuyển Trong trường hợp này, RNC phải thực hiện việc chuyển giao liên tần để không bị rớt cuộc gọi

- Chuyển giao dựa vào tải: mục đích là để cân bằng bằng tải giữa các tần

số của các cell

- Chuyển giao dựa trên tốc độ: Trong trường hợp này, hoạt động chuyển giao dựa trên thuật toán dự đoán tốc độ của HCS (Hierarchical Cell Structure) UE có tốc độ cao sẽ được chuyển giao đến cell có vùng phủ rộng để giảm tần số chuyển giao, UE có tốc độ thấp được chuyển tới cell

có vùng phủ nhỏ hơn và dung lượng lớn hơn để tăng dung lượng hệ thống

Để đánh giá chất lượng mạng người ta có thể đánh giá qua tham số HHOSR:

Trong đó: - Intra-freq Hard HO là chuyển giao cứng nội tần

- Inter-freq Hard HO là chuyển giao cứng liên tần

Người ta cũng có thể đánh giá chất lượng mạng trực tiếp qua tỷ lệ chuyển

giao cứng liên tần thành công Inter-Freq Handover Success Rate:

1.2.5 Tỷ lệ thành công chuyển giao cứng giữa các công nghệ truy nhập vô tuyến (Inter-RAT Hard Handover Succes Rate - Inter-RAT Hard HO SR)

Inter-RAT Hard Handover là thủ tục chuyển giao để chuyển kết nối UE từ công nghệ truy nhập vô tuyến (RAT - Radio access technology) (ví dụ UTRAN) tới một công nghệ truy nhập vô tuyến khác (ví dụ GSM)

RNC hỗ trợ cho cả chuyển giao từ GSM đến UTRAN và ngược lại trong cả miềm chuyển mạch kênh (CS) và miền chuyển mạch gói (PS)

Các loại và điều kiện chuyển giao từ UMTS đến GSM gồm:

- Chuyển giao dựa vào vùng phủ: Khi CPICH EC/N0 hoặc CPICH RSCP (Received Signal Code Power) nhỏ hơn ngưỡng yêu cầu trong khi GSM

có RSSI(Received signal strength indicator) lớn hơn mức ngưỡng đặt trước

- Chuyển giao dựa vào tải: Khi tải trong cell UMTS mà UE kết nối đến lớn hơn mức ngưỡng và lớn hơn của GSM, thêm vào đó, tất cả các dịch

vụ của UE được hỗ trợ bởi GSM thì chuyển giao dựa trên tải từ UMTS đến GSM được thực hiện

- Chuyển giao dựa trên dịch vụ: khi một dịch vụ được thiết lập, mạng lõi (CN - Core Network) yêu cầu chuyển giao dịch vụ tới GSM

Inter-RAT Hard HO SR được tính theo công thức:

1.2.6 Tỷ lệ chuyển giao mềm thành công (SHOSR - Soft Handover Success Ratio)

Chuyển giao mềm và mềm hơn là thủ tục chuyển giao dựa trên nguyên tắc: tất cả các liên kết vô tuyến cũ được kết nối đến các UE được giải phóng sau khi một kết nối mới được thiết lập

Chuyển giao mềm và mềm hơn sử dụng nhiều kết nối từ một UE đến nhiều nút B Danh sách các nút B tham gia kết nối với các UE trong trường hợp này được gọi là tập tích cực - “active set”

Thực chất của chuyển giao mềm và mềm hơn là một quá trình mà trong đó một ô (hay đoạn ô) hoặc được kết nạp hoặc bị loại ra khỏi tập tích cực

Chuyển giao mềm cũng có ảnh hưởng đến tỷ lệ rớt cuộc gọi Tỷ lệ chuyển giao mềm thành công (SHOSR - Soft HandOver Success Rate) được tính theo công thức:

1.2.7 Tỷ lệ thiết lập cuộc gọi thành công (CSSR - Call Setup Success Rate)

Quá trình thiết lập một cuộc gọi được thực hiện thông qua ba bước chính sau:

Non Access Stratum

Establish RRC Connection

Radio Access Bearer

Hình 1.2 Quá trình thiết lập cuộc gọi

Đầu tiên, UE phải truy nhập UTRAN và thiết lập một kết nối RRC (Radio Resource Control) Sau khi kết nối này được hoàn thành, các bản tin NAS (Non Access Stratum) được trao đổi giữa UE và mạng lõi (CN - Core Network), ví dụ như: yêu cầu dịch vụ, nhận thực, bảo mật…Cuối cùng là quá trình thiết lập kênh mang truy nhập vô tuyến (RAB: Radio Access Bearer)giữa CN và UE

Như vậy, tỷ lệ thiết lập cuộc gọi thành công phụ thuộc vào cả tỷ lệ thành công thiết lập RRC và RAB và được tính theo công thức sau:

Tùy vào loại hình dịch vụ tac có thể chia tỉ lệ thiết lập cuộc gọi thành công làm hai loại chính: CS CSSR (Circuit Switching CSSR) và PS CSSR (Packet Switching CSSR) Trong CS CSSR lại có thể được chia thành CSV CSSR (đối với cuộc gọi thoại) và CSD CSSR (đối với cuộc gọi Video)

1.2.8 Tỷ lệ rớt cuộc gọi (CDR - Call Drop Rate)

Tỷ lệ rớt cuộc gọi là một trong các đặc trưng của mạng vô tuyến Rớt cuộc gọi là hiện tượng một cuộc gọi bị gián đoạn mà nguyên nhân không phải do các bên tham gia cuộc gọi gây nên Cuộc gọi bị rớt có thể là do vùng phủ sóng, do nhiễu hoặc cũng có thể do thiếu tài nguyên Số cuộc gọi bị rớt có thể được tính toán nhờ hệ thống hoặc cũng có thể dựa vào thử nghiệm truyền dẫn để xác định

vị trí có vấn đề

Tỷ lệ rớt cuộc gọi được chia thành hai loại: CS CDR (Circuit Switching CDR) và PS CDR (Packet Switching CDR) và được tính theo các công thức sau đây:

Tỷ lệ rớt cuộc gọi chuyển mạch kênh lại được chia thành hai loại nhỏ là tỷ

lệ rớt cuộc gọi thoại (CSV Drop Rate) và tỷ lệ rớt cuộc gọi video (CSD Drop Rate).Tỷ lệ rớt cuộc gọi chuyển mạch gói còn được gọi là PSD Drop Rate

1.2.9 Một số thông tin về mạng

Thông tin về mạng nhằm chỉ các thông tin về trạng thái của mạng.Các thông tin này được trao đổi giữa mạng và các UE Một số thông tin về mạng như sau:

- System Mode: Chế độ hoạt động của hệ thống Có hai chế độ:

 Online: UE đang hoạt động

 Factory Test Mode: Chế độ kiểm tra cấu hình gốc

 Reset

 Low Power Mode: hoạt động ở chế độ công suất thấp

- MCC (Mobile Country Code): mã nước di động Đây là thông tin về

phần đầu tiên của mã PLMN

- MNC (Mobile Network Code): mã mạng di động Đây là thông tin về

phần tiếp theo của mã PLMN

- LAC (Location Area Code): mã vị trívùng

- Cell ID: thông tin nhận dạng cell dịch vụ

- Frequency Band: thông tin về dải tần số tập tích cực

- Frequency: tần số đường xuống của tập tích cực

1.2.10 Bảng tham số chất lượng phủ sóng của một số nhà mạng

a Một số chỉ tiêu PKI của Vinaphone

Bảng 1.2 Một số chỉ tiêu PKI của Vinaphone

1

CPICH Ec/No Ec/No của Pilot

97% số mẫu có CPICH Ec/Io ≥–12dB

5

CSV Access Failure Rate

Tỷ lệ lỗi thiết lập cuộc gọi thoại miền CS ≤ 2.0 %

1 CSD Access Failure Rate

Tỷ lệ lỗi thiết lập cuộc gọi dữ liệu miền CS ≤ 2.0 %

2

0 PSD Access Failure Rate

Tỷ lệ lỗi thiết lập cuộc gọi dữ liệu miền PS ≤ 2.0 %

2

1 PSD Drop Rate

Tỷ lệ rơi cuộc gọi dữ