Tổ chức và quy hoạch mạng vô tuyến WCDMA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ MINH SƠN TỔ CHỨC VÀ QUY HOẠCH VÔ TUYẾN W-CDMA LUẬN VĂN THAC SỸ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VĂN KHANG HÀ NỘI - 2010 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan luận văn không giống hoàn toàn luận văn công trình có trước Học viên Lê Minh Sơn Lê Minh Sơn ĐTVT 2008-2010 LỜI NÓI ĐẦU Thông tin di động ngày trở thành ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh mang lại nhiều lợi nhuận cho nhà khai thác Sự phát triển thị trường viễn thông di động thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu triển khai hệ thống thông tin di động tương lai Hệ thống di động hệ hai, với GSM CDMA ví dụ điển hình phát triển mạnh mẽ nhiều quốc gia Tuy nhiên, thị trường viễn thông rộng mở thể rõ hạn chế dung lượng băng thông hệ thống thông tin di động hệ hai Sự đời hệ thống di động hệ ba W-CDMA tất yếu, theo hướng cung cấp dịch vụ đa phương tiện nhằm đáp ứng nhu cầu ngày tăng đa dạng người sử dụng Luận văn “Tổ chức quy hoạch mạng vô tuyến W-CDMA” trình bày vấn đề công nghệ W-CDMA Việc tổ chức quy hoạch mạng vô tuyến W-CDMA đòi hỏi kiến thức sâu rộng đầu tư thoả đáng thời gian Vì khuôn khổ luận văn chắn không tránh khỏi sai sót nhiều vấn đề chưa giải thoả đáng Rất mong nhận bảo thầy cô giáo, góp ý phê bình bạn Xin gửi lời biết ơn trân trọng tới PGS.TS Nguyễn Văn Khang tạo điều kiện tận tình hướng dẫn suốt thời gian thực luận văn Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè người thân - người giúp đỡ động viên thời gian qua Hà Nội, tháng 10 năm 2010 Học viên Lê Minh Sơn Lê Minh Sơn ĐTVT 2008-2010 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 10 1.1 Giới thiệu 10 1.2 Hệ thống thông tin di dộng hệ thứ 10 1.3 Hệ thống thông tin di dộng hệ thứ 11 1.3.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA 12 1.3.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA .12 1.4 Hệ thống thông tin di động hệ ba 13 1.5 Kiến trúc mạng W-CDMA 14 CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG THẾ HỆ BA W-CDMA 16 2.1 Giới thiệu công nghệ W-CDMA 16 2.2 Cấu trúc mạng W-CDMA 17 2.2.1 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN .20 2.2.1.1 Đặc trưng UTRAN 21 2.2.1.2 Bộ điều khiển mạng vô tuyến UTRAN 21 2.2.1.3 Node B 23 2.2.2 Giao diện vô tuyến .23 2.2.2.1 Giao diện UTRAN – CN, IU 24 2.2.2.2 Giao diện RNC – RNC, IUr 25 2.2.2.3 Giao diện RNC – Node B, IUb 25 2.3 Kết luận 26 Lê Minh Sơn ĐTVT 2008-2010 CHƯƠNG 3: CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT TRONG W-CDMA 27 3.1 Giới thiệu 27 3.2 Mã hóa 27 3.2.1 Mã vòng 27 3.2.2 Mã xoắn 29 3.2.3 Mã Turbo 29 3.3 Điều chế BIT/SK QPSK .29 3.3.1 Điều chế BIT/SK 29 3.3.2 Điều chế QPSK 31 3.4 Trải phổ W-CDMA 32 3.4.1 Giới thiệu 32 3.4.2 Nguyên lý trải phổ DSSS .34 3.4.3 Mã trải phổ 35 3.4.4 Các hàm trực giao 37 3.5 Các kênh WCDMA 38 3.5.1 Kênh vật lý 38 3.5.1.1 Kênh vật lý riêng đường lên 38 3.5.1.2 Kênh vật lý chung đường lên .41 3.5.1.3 Kênh vật lý riêng đường xuống (DPCH) .45 3.5.1.4 Kênh vật lý chung đường xuống 45 3.5.2 Kênh truyền tải 50 3.5.2.1 Kênh truyền tải riêng 50 5.2.2 Kênh truyền tải chung 51 3.5.2.3 Sắp xếp kênh truyền tải lên kênh vật lý 52 3.6 Truy nhập gói W-CDMA 53 3.6.1 Tổng quan truy nhập gói W-CDMA .53 3.6.2 Lưu lượng số liệu gói 54 3.6.3 Các phương pháp lập biểu gói 55 3.6.3.1 Lập biểu phân chia theo thời gian 55 Lê Minh Sơn ĐTVT 2008-2010 3.6.3.2 Lập biểu phân chia theo mã 56 3.7 Kết luận 56 CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH MẠNG 3G WCDMA 57 4.1 Nguyên lý chung .57 4.2 Dự báo lưu lượng 58 4.2.1 Dự báo thuê bao 58 4.2.2 Dự báo sử dụng lưu lượng tiếng 58 4.2.3 Dự báo sử dụng lưu lượng số liệu 59 4.2.4 Dự phòng cho tương lai 60 4.3 Quy hoạch vùng phủ vô tuyến 60 4.3.1 Mục đích nhiệm vụ 60 4.3.2 Quỹ đường truyền 62 4.3.2.1 Khái niệm quỹ đường truyền 62 4.3.2.2 Một số điểm cần lưu ý tính quỹ đường truyền cho WCDMA 63 4.3.2.3 Các mô hình truyền sóng 64 4.3.2.4 Tính toán quỹ đường lên 68 4.3.2.6 Lặp đường lên đường xuống .70 4.4 Quy hoạch dung lượng vô tuyến 74 4.4.1 Tải ô đường lên 74 4.4.2 Tải ô đường xuống .77 4.4.3 Dung lượng mềm chia sẻ tải 78 4.4.3.1 Dung lượng Erlang 78 4.5 Quy hoạch mạng truy nhập vô tuyến 80 4.5.1 Định cỡ giao diện Iub 81 4.5.2 Định cỡ giao diện Iur 84 4.5.3 Định cỡ RNC .84 4.5.4 Quy hoạch mạng truyền dẫn UTRAN 88 4.6 Nhiễu nhiều nhà khai thác 89 4.6.1 Mở đầu .89 Lê Minh Sơn ĐTVT 2008-2010 4.6.2 Giải pháp chống nhiễu kênh lân cận .90 4.7 Tối ưu hoá mạng .91 CHƯƠNG 5: QUI HOẠCH MẠNG VÔ TUYẾN W-CDMA VINAPHONE KHU VỰC PHÍA NAM 93 5.1 Giới thiệu 93 5.2 Các tham số yêu cầu 93 5.2.1 Yêu cầu lưu lượng 93 5.2.2 Yêu cầu Node B 95 5.2.3 Yêu cầu RNC 95 5.2.4 Yêu cầu hệ thống nguồn cung cấp 96 5.2.5 Yêu cầu mạng vận chuyển truyền dẫn: 96 5.3 Qui hoạch mạng vô tuyến 97 5.3.1 Tính toán lưu lượng: 97 5.3.2 Qui hoạch Node B (RBS) 99 5.3.2.1 Định cỡ Node B 99 5.3.2.2 Phân bố Node B 99 5.3.3 Qui hoạch RNC 102 5.3.4 Tính toán hệ thống nguồn cung cấp: 105 5.3.5 Qui hoạch mạng vận chuyển (Transport Network) 106 5.3.5.1 Topology mạng vận chuyển: 106 5.3.5.2 Cấu hình Aggregation Nodes L2 Switch 107 KẾT LUẬN 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 110 Lê Minh Sơn ĐTVT 2008-2010 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AAL ATM Adaptation Layer Lớp thích ứng ATM AAL2 ATM Adaptation Layer type Lớp thích ứng ATM kiểu AAL5 ATM Adaptation Layer type Lớp thích ứng ATM kiểu ACCH Associated Control Channel Kênh điều khiển liên kết ALCAP Access Link Control Application Protocol Giao thức điều khiển đoạn nối thâm nhập BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá BS Base Station Trạm gốc BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BSS Base Station System Hệ thống trạm gốc CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung CCH Common Channel Kênh chung CCPCH Common Control Physical Channel Kênh vật lý điều khiển chung CCTrCH Coded Composite Transport Channel Kênh truyền tải hỗn hợp CRNC Controlling RNC RNC điều khiển DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng DCH Dedicated Channel Kênh riêng DPCH Dedicated Phycical Channel Kênh vật lý riêng DRNC Drift Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến trôi DRNS Drift RNS RNC trôi Eb Năng lượng bit EDGE Energy of bit Enhanced Data rates for GSM Evolution FACH Forward Access Channel Kênh truy cập đường xuống FDD Frequency Division Duplex Chế độ truyền song công theo tần số GoS Grade of Service Cấp dịch vụ GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu Lê Minh Sơn Tốc độ liệu tăng cường để phát triển GSM ĐTVT 2008-2010 IMSI International Mobile Subscriber Identity Nhận dạng thuê bao di động quốc tế IMT-2000 International Mobile Telecommunication - 2000 Viễn thông di động quốc tế 2000 ITU International Telecommunication Union Liên minh viễn thông quốc tế Iub Giao diện Node B với RNC Iur Giao diện RNC LAC Link Access Control Điều khiển truy cập LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp LOS Tầm nhìn thẳng MA Line of Sight Multiple Access MGW Media Gateway Cổng phương tiện MGC Media Gateway Controler Thiết bị điều khiển cổng phương tiện NBAP Node B Application Protocol Giao thức ứng dụng Node B NGN Next Generation Network Mạng hệ sau NGWN Next Generation Wireless Network Mạng di động hệ sau NMT Nordic Mobile Telephone Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu NRT Non-Real Time Không thời gian thực OAM Vận hành, khai thác bảo dưỡng OSI Operation, Administration and Maintenance Open Systems Interconnection OSS Operation and Support Subsystem Phân hệ hỗ trợ vận hành PCCH Paging Control Channel Kênh điều khiển tìm gọi PCH Paging Channel Kênh tìm gọi PCPCH Physical Common Packet Channel Kênh vật ký gói chung PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh vật lý chia sẻ đường xuống PG Processing Gain Độ lợi xử lý PHS Personal Handyphone System Hệ thống điện thoại cầm tay cá nhân QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế cầu phương (Điều chế Lê Minh Sơn Đa truy nhập Liên kết hệ thống mở ĐTVT 2008-2010 biên độ vuông góc) Chất lượng dịch vụ QPSK Quality of Service Quadrature Phase Shift Keying RAB Radio Access Bearer Vật mang truy nhập vô tuyến RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên RANAP Radio Access Network Application Part Phần ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNS Radio Network Subsystem Hệ thống mạng vô tuyến RNSAP Radio Network Subsystem Application Part Phần ứng dụng hệ thống mạng vô tuyến RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyến RRM Radio Resource Management Quản lý tài nguyên vô tuyến SRNC Serving RNC RNC phục vụ SRNS Serving RNS RNS phục vụ SSC Secondary Synchronization Code Total Access Communication System Mã đồng thứ cấp QoS TACS Khóa chuyển pha vuông góc Hệ thống truyền thông truy nhập toàn phần TCAP Transaction Capabilities Application Phần ứng dụng khả giao dịch Part TCH Traffic Channel Kênh lưu lượng TCP Transmision Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TrCH Transport Channel Kênh truyền tải UE User Equipment Thiết bị người sử dụng UIM User Identity Module Môđun nhận dạng người sử dụng UL UpLink Đường lên UMTS Universal Mobile Telecommunication System Hệ thống viễn thông di động toàn cầu UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS VLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú W-CDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa thâm nhập phân chia theo mã băng rộng Lê Minh Sơn ĐTVT 2008-2010 + SESR < 0,00016 + BBER < 0,000008 5.3 Qui hoạch mạng vô tuyến 5.3.1 Tính toán lưu lượng: Để định cỡ cho toàn mạng 3G, bước tính toán lưu lượng hoạt động mạng W-CDMA Dựa công thức tính toán yêu cầu lưu lượng ta tính toán tham số: - Số lượng thuê bao: 2.200.000 [1] - Traffic/user/BH = 500 bps = 225 kB/BH [2] - BH/ngày = 10 [3] - BH ngày/tháng: 30 ngày [4] - Traffic/user/Tháng: [2] * 3600/8 *[3]*[4]= 67.5 MB/tháng [5] - Tỷ số UL/DL 15%/85%, ta có: + Yêu cầu cho UL: 15% *[5] =33,75 kByte/BH [6] + Yêu cầu cho DL: 85%*[5] = 191,25 kByte/BH [7] - Tỷ số HS/PS uplink 10%/90%: Lê Minh Sơn 97 ĐTVT 2008-2010 + Yêu cầu cho UL PS: 90% * 33,75 = 30,375 kByte/BH [8] + Yêu cầu cho UL HSPDA: 10%* 33,75 = 3,375 kByte/BH [9] - Tỷ số HS/PS downlink 38,5%/61,5%: + Yêu cầu cho DL PS: 61,5%*191,25 = 117,62 kByte/BH [10] + Yêu cầu cho DL HSDPA: 38,5%*191,25=73,63 kByte/BH [11] - Phần trăm PS 64/128/384 65%/20%/15%: + Yêu cầu cho PS 64/64: 65%* 30,375/117,62 = 19,74/76,45 kByte/BH [12] + Yêu cầu cho PS 64/128: 20% * 30,375/117,62 = 6,08/23,52 kByte/BH [13] + Yêu cầu cho PS 64/384: 15% * 30,375/117,62 = 4,56/17,64 kByte/BH [14] - Yêu cầu CS Data: + CS data traffic 2,5 mErl [15] + Tỷ số CS data: 30% [16] Yêu cầu CS data với tỷ số 100% 30%*2,5 mErl = 0,075 mErl [17] CS Traffic UL DL Đơn vị Voice Call 25 25 mErl CS Data 0,75 0,75 mErl Lê Minh Sơn 98 ĐTVT 2008-2010 PS Traffic UL DL Đơn vị PS 64/64 19,75 76,46 kByte/BH PS 64/128 6,08 23,53 kByte/BH PS 64/384 4,56 17,65 kByte/BH PS 64/HSDPA 3,38 73,64 kByte/BH Bảng 5.3 CS Traffic PS traffic 5.3.2 Qui hoạch Node B (RBS) 5.3.2.1 Định cỡ Node B Với tổng số thuê bao 2.200.000 thuê bao, dựa tính toán lưu lượng ta có bảng sau: Cấu hình CE (DL/UL) Số lượng Cell carier Số thuê bao 3x1 128/128 2037 6111 850 3x2 256/256 248 1488 1700 3x3 256/256 50 450 2550 2335 8049 2.200.000 Tổng Bảng 5.4 Số thuê bao site 5.3.2.2 Phân bố Node B - Với số lượng 2335 Node B phân bố 22 tỉnh khu vực phía Nam tập trung chủ yếu tỉnh, thành phố lớn (Tp Hồ Chí Minh, Bình Dương, Đồng Nai, Cần Thơ,…), đường quốc lộ khu du lịch… Lê Minh Sơn 99 ĐTVT 2008-2010 Hình 5.1 Bản đồ phân bố Node B khu vực phía Nam - Theo địa lý khu vực phía Nam ta chia thành loại sau: + Urban: Các thành phố lớn: Hồ Chí Minh, Cần Thơ, Bình Dương + Suburban: Các vùng ngoại ô, thị xã thị trấn + Rural: Các khu vực lại - Chi tiết phân bố Node B theo bảng sau: Lê Minh Sơn 100 ĐTVT 2008-2010 Bảng 5.5 Phân bố Node B theo tỉnh, thành Bảng 5.6 Phân bố Node B theo địa hình Lê Minh Sơn 101 ĐTVT 2008-2010 5.3.3 Qui hoạch RNC - Việc thiết kế RNC phụ thuộc vào tham số sau: + IuCS traffic (Erlang) + IuPS throughput (Mbps) + Iub throughput (Mbps) + Số lượng Node B lớn quản lý Bảng 5.7 Thông lượng lưu lượng RNC Lê Minh Sơn 102 ĐTVT 2008-2010 Hình 5.2 Cấu hình RNC Kết định cỡ RNC: Sử dụng RNC loại 500 Mbps, số lượng lớn NodeB/Cell: 640/1920; số lượng RNC: 15 Dịch vụ Thông lượng/RNC Số lượng RNC Tổng Voice + CS Data 3776,66 15 56650 Thông lượng Iu- 94 15 1410 165 15 2475 PS Thông lượng Iub Bảng 5.8 Thông lượng lưu lượng RNC Lê Minh Sơn 103 ĐTVT 2008-2010 - Phân bố Node B RNC: Bảng 5.9 Kết phân bố Node B RNC Lê Minh Sơn 104 ĐTVT 2008-2010 Hình 5.3 Sơ đồ kết nối RNC 1-15 5.3.4 Tính toán hệ thống nguồn cung cấp: Bảng 5.10 Công suất tiêu thụ Node B RNC Lê Minh Sơn 105 ĐTVT 2008-2010 5.3.5 Qui hoạch mạng vận chuyển (Transport Network) 5.3.5.1 Topology mạng vận chuyển: Mạng vận chuyển cung cấp kết nối ATM IP cho lưu lượng Iub từ Node B đến RNC Hình 5.4, 5.5 Topology mạng vận chuyển Lê Minh Sơn 106 ĐTVT 2008-2010 Hình 5.6 Tổng quan Topology 5.3.5.2 Cấu hình Aggregation Nodes L2 Switch Hình 5.7 Cấu hình Aggregation Node Lê Minh Sơn 107 ĐTVT 2008-2010 Hình 5.8 Cấu hình L2 Switch Lê Minh Sơn 108 ĐTVT 2008-2010 KẾT LUẬN Công nghệ WCDMA bước đột phá ngành viên thông, cung cấp băng thông rộng cho người sử dụng Điều có nghĩa có dịch vụ nhiều thuận tiện dịch vụ thoại sử dụng ứng dụng liệu truyền thông hữu ích điện thoại truyền hình, định vị tìm kiếm thông tin, truy cập Internet, truyền tải liệu dung lượng lớn, nghe nhạc xem video chất lượng cao,…Truyền thông di động ngày đóng vai trò quan trọng sống Sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu quy hoạch mạng vô tuyến WCDMA hoàn thành luận văn Luận văn trình bày tổng quan hệ thống thông tin di động, trình bày giải pháp kỹ thuật mạng W-CDMA, trình bày phương pháp tổ chức quy hoạch mạng vô tuyến W-CDMA, quy hoạch mạng vô tuyến W-CDMA Vinaphone khu vực phía Nam Việc nghiên cứu công nghệ quy hoạch mạng vô tuyến W-CDMA đòi hỏi kiến thức sâu rộng đầu tư thoả đáng thời gian Vì khuôn khổ luận văn chắn không tránh khỏi sai sót nhiều vấn đề chưa giải thoả đáng Rất mong nhận bảo thầy cô giáo, góp ý phê bình bạn Lê Minh Sơn 109 ĐTVT 2008-2010 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Thông tin di động hệ (2 tập),” Nhà xuất bưu điện, 2005 [2] Minh ngọc – Phú Thành, “Mạng viễn thông chuyển giao dịch vụ mạng,” Nhà xuất thống kê, 2002 [3] LGIC - Tổng cục bưu điện, “Thông tin di động (2 tập),” Nhà xuất KHKT, 1997 [4] Tổng cục bưu điện, “Thông tin di động số,” Nhà xuất KHKT, 1993 [5] Vũ Đức Thọ, “Thông tin di động số Cellular,” Nhà xuất giáo dục, 1997 [6] Clint Smith, Daniel Collins, “3G Wireless networks,” McGraw-Hill Telecom, 2002 [7] M.R.Karim and M.Sarrap, “W-CDMA and CDMA 2000 for 3G Mobile Networks,” McGraw-Hill Telecom professional, 2002 [8] Ericsson, “WCDMA Network Planning,” Ericsson White Paper, 2009 [9] Harri Holma and Antti Toskala “WCDMA for UMTS”, John Wiley & Sons, Ltd, 2008 Lê Minh Sơn 110 ĐTVT 2008-2010 Lê Minh Sơn 111 ĐTVT 2008-2010 ... cầu ngày tăng đa dạng người sử dụng Luận văn Tổ chức quy hoạch mạng vô tuyến W-CDMA” trình bày vấn đề công nghệ W-CDMA Việc tổ chức quy hoạch mạng vô tuyến W-CDMA đòi hỏi kiến thức sâu rộng đầu... mặt chức chia cấu trúc mạng W-CDMA làm hai phần : mạng lõi (CN) mạng truy Lê Minh Sơn 17 ĐTVT 2008-2010 nhập vô tuyến (UTRAN), mạng lõi sử dụng toàn cấu trúc phần cứng mạng GPRS mạng truy nhập vô. .. giới thiệu công nghệ W-CDMA, cấu trúc mạng W-CDMA, mạng truy nhập vô tuyến UTRAN, giao diện vô tuyến đặc trưng riêng chúng, ta có nhìn tổng quan mạng W-CDMA 3G WCDMA (Wideband Code Division Multiple