Nghiên cứu giải pháp tái phân bổ tần số UMTS 900 Vinaphone (tt)

Nghiên cứu giải pháp tái phân bổ tần số UMTS 900 Vinaphone (tt)Nghiên cứu giải pháp tái phân bổ tần số UMTS 900 Vinaphone (tt)Nghiên cứu giải pháp tái phân bổ tần số UMTS 900 Vinaphone (tt)Nghiên cứu giải pháp tái phân bổ tần số UMTS 900 Vinaphone (tt)Nghiên cứu giải pháp tái phân bổ tần số UMTS 900 Vinaphone (tt)Nghiên cứu giải pháp tái phân bổ tần số UMTS 900 Vinaphone (tt)Nghiên cứu giải pháp tái phân bổ tần số UMTS 900 Vinaphone (tt)Nghiên cứu giải pháp tái phân bổ tần số UMTS 900 Vinaphone (tt)Nghiên cứu giải pháp tái phân bổ tần số UMTS 900 Vinaphone (tt)Nghiên cứu giải pháp tái phân bổ tần số UMTS 900 Vinaphone (tt)Nghiên cứu giải pháp tái phân bổ tần số UMTS 900 Vinaphone (tt)Nghiên cứu giải pháp tái phân bổ tần số UMTS 900 Vinaphone (tt)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

MAI HUY KHÔI

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TÁI PHÂN BỔ TẦN SỐ

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Trương Trung Kiên

Phản biện 1 : ………

Phản biện 2 : ………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày tháng năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

LỜI MỞ ẦU

Thông tin di động ngày nay đã trở thành một nền công nghiệp phát triển vô cùng nhanh chóng Sự xuất hiện ngày càng nhiều loại thiết bị thông minh như smartphone, máy tính bảng, USB 3G… với mức giá hợp lý đã tạo cơ sở cho nhu cầu sử dụng dữ liệu ngày càng cao ở Việt Nam và 3G là môi trường thích hợp đáp ứng nhu cầu thực tế đó của người

sử dụng Để đáp ứng các nhu cầu ngày càng tăng về số lượng lẫn chất lượng dịch vụ đặc biệt là dịch vụ truyền số liệu đa phương tiện công nghệ băng rộng đã ra đời Với khả năng tích hợp nhiều dịch vụ, công nghệ băng rộng đã dần chiếm lĩnh thị trường viễn thông Hiện nay, công nghệ UMTS trong băng tần 1920-1980/2110-2170MHz đã phát triển rộng khắp, được nhiều nhà mạng xây dựng và đưa vào sử dụng Tuy nhiên, do suy hao về mặt truyền sóng do sử dụng băng tần cao gây không ít khó khăn về mặt đầu tư cũng như phát triển tại những vùng xa

Xuất phát từ những suy nghĩ như vậy nên tôi đã quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu giải pháp tái phân bổ tần số UMTS 900 Vinaphone” Nâng cao dung lượng hệ thống có

nhiều giải pháp như: Sử dụng băng tần 900 Mhz cho 3G (phân bổ tần số UMTS 900), nâng cấp cấu hình phần cứng, sử dụng sector kéo dài, điều khiển công suất, phân tập không gian thời gian, tăng tốc độ truyền tải dữ liệu bằng áp dụng công nghệ HSDPA, DC-HSDPA Do điều kiện giới hạn thời gian nên trong luận văn này chỉ đi nghiên cứu và triển khai thực tế giải pháp tái phân bổ tần số UMTS 900MHz Luận văn thực hiện nghiên cứu, phân tích, đánh giá kết quả thực tế khi triển khai UMTS 900 trên mạng di động Vinaphone tại khu vực

Hà Nội

Bố cục luận văn gồm 3 chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu chung về tổng quan công nghệ 3G

Chương 2: Giải pháp tái phân bổ tần số UMTS 900

Chương 3: Nghiên cứu giải pháp tái phân bổ tần số UMTS 900 và triển khai thực tế trên mạng Vinaphone

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ

THÔNG TIN DI ỘNG 3G 1.1 Tổng quan

WCDMA (Wideband CDMA) là công nghệ thông tin di động thế hệ 3, giúp tăng tốc

độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM bằng cách dùng kỹ thuật CDMA hoạt động ở băng tần rộng thay thế cho TDMA

1.2 Phổ tần 3G

ITU (International Telecommunication Union) đã phân bổ 230 MHz tần số cho các

hệ thống thông tin di động 3G IMT-2000: 1885 ~ 2025MHz ở đường lên và 2110 ~ 2200MHz ở đường xuống Trong đó, các dải tần số 1980MHz ~ 2010 MHz (uplink) và của

2170 ~ 2200MHz (downlink) được sử dụng cho các dịch vụ vệ tinh di động Hệ thống WCDMA sử dụng phổ tần số sau đây (các băng tần khác ngoài quy định của 3GPP cũng có thể được sử dụng): Uplink 1920 ~ 1980MHz và downlink 2110 ~ 2170MHz Mỗi tần số sóng mang có độ rộng 5MHz và khoảng cách song công là 190 MHz Tại Mỹ, các phổ tần

số được sử dụng là 1850 ~ 1910MHz trong đường lên đến 1930 ~ 1990 MHz ở đường xuống và khoảng cách song công là 80 MHz

Hình 1.1 Phổ tần số WCDMA cho các hệ thống thông tin di động

 Băng tần chính 2GHz: 1920 ~ 1980MHz / 2110 ~ 2170MHz Vinaphone đang

sử dụng băng C trong băng tần 3G

 Số tần số vô tuyến (UARFCN) = tần số trung tâm * 5 Đối với băng tần chính, tần số như sau:

+ UL: 9612 ~ 9888MHz

+ DL: 10562 ~ 10838MHz 3 tần số chính (DL) của mạng 3G Vinaphone là: f1:10788MHz, f2: 10813 MHz, f3: 10838MHz (uplink: 1965 –1980Mhz và downlink: 2155 – 2170Mhz)

1.3 Các phiên bản phát triển hệ thống thông tin di động thứ 3 UMTS

1.4 Cấu trúc hệ thống vô tuyến UMTS

RNC (Radio Network Control)

Điều khiển cuộc gọi vô tuyến (quản lý tài nguyên vô tuyến, điều khiển và quản lý chuyển giao cuộc gọi …)

RNC kết nối đến mạng lõi thông qua giao tiếp Iu, kết nối đến Node B qua giao tiếp Iub, kết nối đến RNC khác qua giao tiếp Iur

Các giao diện cơ bản của UMTS

- Giao diện Cu

- Giao diện Uu

- Giao diện Iu

- Giao diện Ỉur

- Giao diện Iub

1.5 Tổng kết chương

Trong chương này, chúng ta đã đề cập đến vấn đề: tổng quan mạng thông tin di dộng WCDMA, phổ tần sử dụng, các phiên bản phát triển của hệ thống thông tin di động thứ 3, các đặc điểm cơ bản của mạng thông tin di dộng WCDMA cũng như cấu trúc mạng, các thành phần trong mạng WCDMA

CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP TÁI PHÂN BỔ TẦN SỐ UMTS 900 2.1 Mục tiêu

Mục tiêu giải pháp phân bổ tần số UMTS 900 nhằm nâng cáo chất lượng dịch vụ 3G: + Cải thiện chất lượng cuộc gọi thoại và call video

+ Cải thiện tốc độ download và upload khi truy cập internet

+ Nâng cao chất lượng các dịch vụ giá tri gia tăng trên nền 3G như video streaming + Cải thiện, quy hoạch, nâng cao vùng phủ sóng 3G

2.2 Tổng quan tái phân bổ tần số

2.2.1 Khái niệm tái phân bổ tần số

Phân bổ tần số là một chiến lược mà các nhà khai thác viễn thông tái sử dụng lại tài nguyên tần số để triển khai công nghệ mạng vô tuyến mới nhằm cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần số và tốc độ dữ liệu Do đó phân bổ tần số 900MHz là dành riêng 5MHz của băng tần GSM 900MHz để triển khai UMTS 900MHz

2.2.2 Ưu điểm phân bổ tần số trên băng tần 900MHZ

Hiện nay các thiết bị hoạt động trên băng 900MHz được sử dụng rộng rãi Các thống

kê chỉ ra rằng tính đến cuối năm 2008 có khoảng 80% các thiết bị vô tuyến hoạt động trên băng 900MHz Cuối năm 2009, nhiều nhà cung cấp thiết bị đã bị hết hạn cấp phép GSM

900 do vậy họ cần tiến hành gia hạn cấp phép Tháng 7/2009, liên minh Châu Âu – EU đã thống nhất là băng GSM 900 có thể được sử dụng cho UMTS Do đó, một số nhà khai thác mạng có thể triển khai mạng UMTS mà không cần mua giấy phép sử dụng UMTS

2.2.3 Lợi ích vùng phủ của UMTS 900

Bên cạnh những thuận lợi nêu trên, so với băng tần 2100MHz, băng tần 900MHz thích hợp với môi trường vô tuyến hơn: khi truyền trong không gian tự do, suy hao băng tần 900MHz bé hơn 7dB so với băng tần 2100MHz; so với GSM thì UMTS có hiệu quả tần số cao hơn, độ nhậy cao hơn và có vùng phủ rộng hơn nhờ công nghệ trải phổ

Hình 2.1 dưới đây so sánh vùng phủ của UMTS 900, UMTS 2100, GSM 900 và DCS 1800 Trong hình chỉ ra với vùng phủ tương đương UMTS 2100 chỉ cần 30% số trạm UMTS 900 Do đó giảm được chi phí xây dựng trạm, cải thiện hiệu năng mạng

So với U2100, bán kính vùng phủ HSPA của U 900 cũng tăng 70% do đó vùng dịch

vụ HSPA được mở rộng làm sở cứ quan trọng để triển khai UMTS 900 cho vùng nông thôn Cùng vùng phủ tương đương GSM 900, UMTS đảm bảo tốc độ dữ liệu cao trên 1Mbit/s

Hình 2.1 So sánh vùng phủ của các loại mạng di động

Một ưu điểm quan trọng khác của UMTS 900 đó là: khả năng phủ tốt hơn nhiều so

với UMTS 2100 Số liệu thống kê đo kiểm chỉ ra rằng, mức suy hao thâm nhập của băng tần

900MHz thấp hơn 3dB so với băng tần 2100MHz Đặc biệt môi trường truyền sóng đường phố, suy hao thâm nhập của băng tần 900MHz thấp hơn 12dB so với băng tần 2100MHz Trong môi trường đô thị (urban), suy hao thâm nhập của băng tần 900MHz thấp hơn 20dB

so với băng tần 2100MHz Do vậy, trong kịch bản phủ vùng đô thị UMTS 900 cho vùng phủ indoor cho chất lượng tốt hơn nhiều so với UMTS 2100 Hình 2.2 dưới đây so sánh suy hao thâm nhập giữa UMTS 900 và UMTS 2100

Hình 2.2 So sánh suy hao thâm nhập giữa UMTS 900 và UMTS 2100

2.2.4 Lợi ích dung lượng UMTS 900

Với cùng băng thông, UMTS có hiệu quả sử dụng tần số tốt hơn, cho dung lượng cao hơn so với GSM Ngoài ra ở góc độ dung lượng, UMTS 900 cũng vượt trội so với UMTS

2100 Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng trong các môi trường ít can nhiễu (noise & inteference limited) chẳng hạn như indoor hoặc vùng nông thôn, UMTS 900 cũng cho tốc

độ throughput và dung lượng cao hơn UMTS 2100 Hình 2.3 dưới đây so sánh tốc độ throughput đỉnh giữa UMTS 900 và UMTS 2100 trong kịch bản phủ sóng indoor hay khu vực mật độ dân cư đông đúc

Hình 2.3.So sánh thông lƣợng đỉnh giữa UMTS 900 và UMTS 2100

trong khu vực đông dân cƣ

Hình 2.4 dưới đây minh họa so sánh dung lượng giữa UMTS900 và UMTS2100 trong kịch bản vùng nông thôn

Hình 2.4 So sánh thông lƣợng throughput cell giữa UMTS 900 và UMTS 2100 vùng nông thôn

2.3 Các trường tái phân bổ tần số mạng

2.3.1 Trường hợp trạm GU900 cùng vị trí (co-site)

Trường hợp trạm GU 900 cùng vị trí (co-located) có những ưu điểm: chi phí xây dựng trạm mới giảm do tận dụng được hạ tầng trạm cũ; vùng phủ của UMTS có thể chồng lấp với vùng phủ GSM bằng cách điều chỉnh mức công suất Trường hợp sử dụng antenna riêng, có thể tối ưu vùng phủ sóng của cả 2 hệ thống bằng cách điều chỉnh góc Tilt hoặc góc hướng Azimuth Tuy vậy, trạm GU900 cùng vị trí cũng có những nhược điểm: So với trường hợp trạm UMTS phân tách, trạm GU 900 co-located cần nhiều thiết bị UMTS

Hình 2.5 Can nhiễu trong trường hợp trạm GU cùng vị trí

2.3.2 Trường hợp trạm GU 900 phân tách

Trường hợp trạm UMTS 900 độc lập có các ưu điểm sau: so với GSM 900, UMTS

900 có vùng phủ rộng hơn Nên nếu sử dụng các trạm UMTS 900 phân tách (khác vị trí), số lượng trạm UMTS 900 triển khai sẽ ít và do đó giảm được chi phí đầu tư Tuy nhiên trạm UMTS phân tách cũng có những hạn chế: kiến trúc cell của mạng cũ bị phá vỡ, không tận dụng được hạ tầng sẵn có của các trạm cũ, chi phí xây các trạm UMTS 900 mới Ngoài ra can nhiễu hai chiều giữa GSM và UMTS cũng tăng và rất khó kiểm soát Hình 2.6 minh họa

ảnh hưởng can nhiễu giữa hai hệ thống GSM và UMTS do hiệu ứng Near-far

Hình 2.6 Hiệu ứng gần - xa khi các trạm phân tách

UE or MS (Can nhiễu)

2.4 Áp dụng kịch bản và chiến lƣợc triển khai

2.4.1 Mở rộng vùng phủ sóng UMTS vùng nông thôn ( rual)

Ở kịch bản này, nhà mạng đã triển khai mạng 2G được một thời gian bao gồm băng GSM 900 hoặc GSM 900 kết hợp DCS 1800, trong khi đó thuê bao 2G tương đối ổn định Nhà mạng cũng đã triển khai 3G UMTS 2100 ở khu vực đông dân cư và các thành phố trung tâm Khi nhu cầu mở rộng mạng lưới cao, nhà mạng mong muốn mở rộng vùng phủ UMTS ở những nơi mà truy cập mạng băng rộng hạn chế Đó là những vùng nông thôn (rural) hoặc vùng ngoại thành (suburban) vùng phủ 3G hạn chế và có lưu lượng GSM thấp

Hệ quả phân bổ tần số 900Mhz cần được triển khai, tái phân bổ một phần tần số cho UMTS

để mở rộng dịch vụ 3G bằng cách triển khai mạng UMTS 900 mới UMTS 900 đem lại vùng phủ rộng hơn UMTS 2100 và sẽ giúp nhà mạng giảm các chi phí triển khai 3G

2.4.2 Phủ sóng hostpot trong vùng đô thi urban

Kịch bản thứ 2 cho phân bổ tần số được triển khai trong khu vực trung tâm thành thị (urban) xử lý các điểm nóng về vùng phủ Trong kịch bản này, xuất phát từ việc tài nguyên 3G băng tần 2100MHz được nhà nước cấp phát hạn hẹp, trong khi nhu cầu cạnh tranh UMTS khốc liệt, nhà mạng thực hiện phân bổ lại băng tần GSM 900MHz để triển khai phân

bổ tần số

Quá trình triển khai phân bổ tần số trong kịch bản này sẽ bắt đầu từ vùng đô thị (urban) và lan rộng phủ vùng nông thôn (rural) Hình 2.8 dưới đây mình họa mô hình của kịch bản này

Hình 2.7 Phủ sóng điểm nóng hotspot bằng UMTS900

Trong kịch bản này, do lưu lượng thoại GSM trong vùng đô thị là rất cao, khi một phần băng tần số 900MHz được dùng cho UMTS, vấn đề thâm hụt dung lượng nảy sinh cần

có các kỹ thuật cải thiện như: kỹ thuật tái sử dụng tần số, kỹ thuật hạn chế can nhiễu, kích hoạt HR/AMR HR hoặc bổ sung thêm trạm DCS1800

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP PHÂN BỔ TẦN SỐ UMTS 900 VÀ TRIỂN KHAI THỰC TẾ TRÊN MẠNG

VINAPHONE 3.1 Tổng quan mạng Vinaphone hiện tại

3.1.1 Hiện trạng sử dụng tài nguyên tần số băng 900MHZ và những hạn chế UMTS 2100 trên mạng Vinaphone

3.1.2 Hạn chế của UMTS 2100, nguyên nhân tái phân bổ tần số UMTS 900 mạng

Vinaphone

Nền tảng công nghệ UMTS 2100 đang gặp nhiều khó khăn do: vùng phủ UMTS

2100 nhỏ hơn rất nhiều so với UMTS 900 (cùng vùng phủ UMTS 2100 thì UMTS 900 chỉ cần 30% số trạm là đảm bảo) do đó nếu triển khai phân bổ tần số UMTS 900 sẽ tiết kiệm rất nhiều chi phí đầu tư mở rộng mạng 3G

Một thực tế khác mạng Vinaphone đang đối mặt đó là sóng 3G trên nền tảng UMTS

2100 suy hao nhanh dẫn đến vùng phủ sóng trong nhà (indoor) không đảm bảo nhất là khu vực thành thị (suburban/urban) do mật độ xây dựng cao Điều này làm cho nhà mạng ngày càng có nhiều khách hàng phàn nản về tốc độ truy nhập dữ liệu và phản ánh chất lượng dịch

vụ sóng 3G Đây cũng là khó khăn gây nhiều áp lực cho mạng Vinaphone

3.2 Giải pháp phân bổ tần số UMTS 900 MHz

3.2.1 Quan hệ tần số và (U) ARFCN

3.2.2 Ứng dụng băng thông UMTS không tiêu chuẩn (Non-Standard)

3.2.3 Phân bổ tần số cho GU (GSM-UMTS)

Có hai giải pháp phân bổ tần số số là: phân bổ tần số kiểu sandwich và phân bổ tần

số kiểu edge Tùy thuộc hiện trạng sử dụng tài nguyên tần số của nhà khai thác mạng lựa chọn giải pháp phân bổ tần số GU phù hợp

3.2.3.1 Phân bổ tần số kiểu sandwich

Trong giải pháp này, UMTS được lấy ở giữa băng, hai bên là GSM Nếu phân tách tần số trung tâm f1 hoặc f2 nhỏ hơn 2.6MHz, GSM và UMTS có thể chia sẻ tài nguyên tần

số với vùng mật độ phổ thấp hai sườn phổ của UMTS Như vậy giải pháp này, tần số GSM dùng được thêm gấp đôi so với giải pháp kiểu edge

GSM f1 f2 GSM

Hình 3.4 Phân bổ tần số kiểu Sandwich

- Ưu điểm: Đối với nhà mạng việc sử dụng giải pháp tần số sandwich loại bỏ được

nhiễu GSM có băng tần lân cận của các nhà mạng khác Trong thực tế, đi kèm giải pháp này còn sử dụng vùng đệm (buferzone) và do đó hoạt động của cả GSM và UMTS sẽ được đảm bảo không ảnh hưởng can nhiễu lên nhau

- Nhược điểm: Nếu sử dụng giải pháp tần số sandwich sau này nếu nâng cấp mở

rộng UMTS, tần số trung tâm của cả UMTS và GSM phải điều chỉnh theo Tuy vậy điều này có thể được giải quyết nếu xác định trước dải tần cho UMTS theo chiến lược

3.2.3.2 Phân bổ tần số kiểu Edge cho GU

GSM f1 UMTS f2 mạng GSM khác

Hình 3.5 Phân bổ tần số kiểu Edge

Trong giải pháp này UMTS và GSM được chọn xen kẽ nhau Trong đó phân tách tần

số trung tâm (f1) giữa UMTS và GSM của cùng nhà mạng được cấu hình tối thiếu Còn phân tách tần số trung tâm (f2) giữa UMTS và GSM của nhà mạng khác phải đảm bảo tối thiểu 2.6 MHz

- Ưu điểm: Nếu lựa chọn giải pháp thiết kế tần số kiểu Edge và phân tách tần số trung

tâm giữa UMTS và GSM của mạng cũng như phân tách tần số giữa UMTS và GSM của mạng khác được kiểm soát Khi đó do phổ GSM được cấp là liên tục, Refarming sẽ không làm gia tăng độ phức tạp trong việc thiết kế lại tần số Và trong tương lai khi mở rộng tần số

thứ 2 sẽ không thay đổi nhiều

3.2.3.3 Khả năng phân bổ tần số GU linh động trong thiết bị SRAN

3.2.3.4 Phân bổ tần số GU 900 MHz băng không tiêu chuẩn

3.3 Phân tích nhiễu GU giữa hai loại hệ thống GSM-UMTS