Quản lý mạng 4GLTE và áp dụng cho thành phố thái nguyên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - HOÀNG VĂN THỰC QUẢN LÝ MẠNG 4G/LTE VÀ ÁP DỤNG CHO THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà nội - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - HOÀNG VĂN THỰC QUẢN LÝ MẠNG 4G/LTE VÀ ÁP DỤNG CHO THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN QUỐC TRUNG Hà nội - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan viết hoàn toàn thống không chép, kết đo đạc mô có luận văn chưa công bố từ tài liệu hình thức Các thông tin sử dụng luận văn có nguồn gốc trích dẫn rõ ràng Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm có dấu hiệu chép kết từ tài liệu khác Hà Nội, ngày 17 tháng 03 năm 2016 TÁC GIẢ HOÀNG VĂN THỰC i LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập, nghiên cứu hoàn thiện luận văn, em nhận giúp đỡ tận tình chu đáo thầy cô giáo viện Điện tử – Viễn thông Trường Đại học bách khoa Hà Nội Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Quốc Trung, người tận tình hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp thạc sỹ suốt thời gian vừa qua Em xin cảm ơn quý thầy cô, anh chị bạn viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách khoa Hà Nội có góp ý kịp thời bổ ích, giúp đỡ em suốt trình nghiên cứu luận văn Ngoài ra, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè, người ủng hộ em suốt trình học tập hoàn thành chương trình đào tạo Thạc sỹ viện Điện tử – Viễn thông, Đại học Bách khoa Hà nội Mặc dù em nỗ lực cố gắng hoàn thiện luận văn tất nhiệt tình lực mình, nhiên tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp quý báu quý thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 17 tháng 03 năm 2016 HỌC VIÊN HOÀNG VĂN THỰC ii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Từ Viết Tắt 1G One Generation Cellular 2G Second Generation Cellular 3G Third Generation Cellular 4G Four Generation Cellular 3GPP Third Generation Patnership Project Dự án hợp tác hệ ACK Acknowledgement Tín hiệu xác nhận Tín hiệu xác nhận BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá BW Band Width Băng thông CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã CP Cycle Prefix Tiền tố lặp DL-SCH Downlink Share Channel Kênh chia sẻ đường xuống DL Downlink Hướng xuống EDGE Enhance Data rates for GSM Evolution EUTRAN Evolved UMTS Terrestrial Radio Mạng truy nhập vô tuyến cải Access tiến Evolved Packet Core Mạng lõi gói Enhance NodeB NodeB cải tiến Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần EPC Nghĩa Hệ thống thông tin di động hệ thứ Hệ thống thông tin di động hệ thứ hai Hệ thống thông tin di động hệ thứ ba Hệ thống thông tin di động hệ thứ tư Tốc độ liệu tăng cường cho mạng GSM cải tiến eNodeB FDMA iii số Ghép kênh phân chia theo tần FDD FrequencyDivision Duplexing FEC Forward Error Correction Sửa lỗi hồi tiếp GSM Global System for Mobile Hệ thống di động toàn cầu GERAN GSM/EDGE Radio Access Network GPRS General Packet Radio Service GI Guard Interval Khoảng bảo vệ HDTV High Definition Television Tivi có độ phân giải cao HSOPA High Speed OFDM Packet Access Truy cập gói OFDM tốc độ cao HO Handover Chuyển giao HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao Home Subscriber Server Quản lý thuê bao HSS số Mạng truy nhập vô tuyến GSM/EDGE Dịch vụ gói vô tuyến thông dụng Tỷ số công suất đỉnh công PAPR Peak-to-Average Power Ratio P2P Point to Point PDSCH Physical Downlink Shared Channel PUCCH Physical Uplink Control Channel PDCCH Physical Downlink Control Channel PBCH Physical Broadcast Channel Kênh vật lý quảng bá PCCH Paging Control Channel Kênh điều khiển tin nhắn PCH Paging Channel Kênh tin nhắn suất trung bình Điểm đến điểm iv Kênh vật lý chia sẻ đường xuống Kênh vật lý điều khiển đường lên Kênh vật lý điều khiển đường xuống QoS Quality of Services Chất lượng dịch vụ RLC Radio Link Control Điều khiển kết nối vô tuyến RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyến Resource Block Khối tài nguyên Resource Element Thành phần tài nguyên RB RE RSRP Reference Signal Receive Power Công suất thu tín hiệu tham khảo Receive Power Reference Signal Chất lượng thu tín hiệu tham Receive Quality khảo RS Reference Signal Tín hiệu tham khảo SDR Software - Defined Radio Phần mềm nhận dạng vô tuyến Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu Single Carrier Frequency Division Đa truy cập phân chia theo tần multiple Access số trực giao đơn sóng mang SMS Short Message Service Tin nhắn ngắn SAE System Architecture Enhance Cấu trúc hệ thống tăng cường SGSN Serving GPRS Support Node Nút cung cấp dịch vụ GPRS SUMIMO Single User Multi Input Multi Output Đơn user-Đa ngõ vào đa ngõ RSRQ SNR SCFDMA TDMA TTI TDD Time Division Multiple Access Time Transmit Interval Time Division Duplexing v Đa truy cập phân chia theo thời gian Khoảng thời gian phát Ghép kênh phân chia theo thời gian TPC Transmit Power Command Lệnh công suất phát UMB Ultra Mobile Broadband Di động băng rộng mở rộng UL Uplink Đường lên UTRAN UTMS Terrestrial Radio Access Mạng truy nhập vô tuyến mặt Networks đất UTMS Universal Telecommunication Mobile System Hệ thống thông tin di động UE User Equipment Thiết bị người dùng (Di động) VHE Virtual Home Environment Voice IP Môi trường nhà ảo VoIP Voice IP Thoại sử dụng IP WCDMA Wideband Code Division Multiple Đa truy cập phân chia theo mã Access băng rộng Wireless Applicaion protocol Giao thức ứng dụng không dây WAP vi MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT iii MỤC LỤC vii DANH MỤC BẢNG .ix DANH MỤC HÌNH ẢNH x LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1.Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động .2 1.1.1 Thế hệ 1G (First Generation) 1.1.2 Thế hệ 2G (Second Generation) 1.1.3 Thế hệ 3G (Third Generation) 1.1.4 Công nghệ 4G 1.2 Giới thiệu công nghệ LTE .6 1.2.1 Một số tính mạng LTE .7 1.2.1.1 Tốc độ liệu đỉnh 1.2.1.2 Độ trễ 1.2.1.3 Thông lượng người dùng 1.2.1.4 Khả di động 1.2.1.5 Sự linh hoạt băng thông phổ tần số 1.2.1.6 Vùng bao phủ 1.2.2 Tổng quan đường downlink LTE 10 1.2.2.1 Mô hình đường xuống LTE 10 1.2.2.2 Phương thức đa truy nhập OFDMA 12 1.2.2.3 Kiến trúc khung gói tin 13 1.2.2.4 Kênh vật lý downlink LTE 15 1.2.3 Ước lượng kênh truyền LTE 18 1.2.3.1 Mô hình tín hiệu 19 vii 1.2.3.2 Hỗ trợ thử nghiệm ước lượng kênh 20 1.2.3.2.1 Ước tính tham số Least Square 20 1.2.3.2.2 Ước lượng quy tắc LS 21 1.2.3.3 Cân 21 1.2.4 Mô hình kênh truyền đa anten MIMO 22 2.1.Định cỡ mạng không dây 25 2.1.1 Định cỡ truy cập mạng LTE 26 2.1.1.1.Định cỡ đầu vào LTE 26 2.1.1.2 Định cỡ đầu LTE 27 2.1.1.3 Quá trình định cỡ LTE 28 2.2 Quản lý chi tiết mạng LTE 29 Quản lý vùng phủ sóng 31 2.4 Quản lý dung lượng 45 2.4.1 Định cỡ thông lượng di động trung bình 46 2.4.2 Ước lượng lưu lượng truy cập yếu tố vượt 48 2.4.3 Tính toán site dựa dung lượng .48 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG QUẢN LÝ MẠNG LTE CHO VÙNG THÁI NGUYÊN .51 3.1 Giới thiệu .51 3.2 Quản lý dung lượng 53 3.2.1 Các số liệu thống kê khu vực khảo sát 53 3.2.2 Lưu lượng cell 55 3.3 Quản lý vùng phủ áp dụng cho thành phố Thái Nguyên 58 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 PHỤ LỤC 69 viii KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Công nghệ LTE công nghệ mới, tiếp tục nghiên cứu triển khai toàn giới, với khả truyền tải tốc độ cao kiến trúc mạng đơn giản, sử dụng băng tần hiệu hoàn toàn tương thích với hệ thống trước ( GSM& WCDMA ) dựa mạng toàn IP LTE trở thành hệ thống thông tin di động toàn cầu tương lai.Vì việc tìm hiểu công nghệ LTE cần thiết có ý nghĩa thực tế Trong luận văn đề cập cách tổng quan công nghệ LTE, trọng tâm gồm phần : - Tìm hiểu trình phát triển hệ thống thông tin di động nay, giới thiệu công nghệ LTE - Tìm hiểu kiến trúc mạng LTE, thành phần giao thức sử dụng - Tình hình triển khai LTE giới VIỆT NAM - So sánh hiệu suất hệ thống MIMO-OFDM (tuyến xuống) SC-FDMA (tuyến lên) với hệ thống MCMC-CDMA- phương thức truyền đưa LTE phát triển - Tuy nhiên, thời gian có hạn khả người thực hạn chế mà luận văn dừng lại mức độ tìm hiểu LTE thực so sánh SC-FDMA với MCMC-CDMA, minh họa trình quản lý mạng LTE khu vực Thái Nguyên chưa đưa đánh giá hiệu suất hay khả sử dụng mạng - Nghiên cứu thực mô để so sánh hệ thống MIMO-OFDM với MCMC-CDMA, thực với MIMO 2x2, từ mở rộng với MIMO 4x4, 8x8 LTE công nghệ phát triển sau so với WIMAX, với đặc tính tuyệt vời mà đem lại, nên có nhiều nhà mạng lớn giới ủng hộ lựa chọn để triển khai.Các nhà chế tạo thiết bị đầu cuối tiến hành tích hợp công nghệ LTE vào sản phẩm mình.Tại việt nam nhà mạng tiến hành thử ngiệm công nghệ LTE đạt kết khả quan Do vậy, việc nắm bắt công nghệ LTE cần thiết 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Harri Holma, Antti Toskala (2009) ,LTE for UMTS – OFDMA and SCFDMA Based Radio Access, John Wiley & Sons Ltd [2] Agilent Technologies (2009), 3GPP Long Term Evolution: System Overview, Product Development,and Test Challenges [3] C Ikuno, M Wrulich, M Rupp, “System level simulation of LTE networks”, in Proc 2010 IEEE 71st Vehicular Technology Conference, Taipei, Taiwan, May 2010 Available at: http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_184908.pdf [4] C.Gessner (2008), UMTS Long Term Evolution (LTE) Technology Introduction, Rohde-Schwarz [5] Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Sköld, Per Beming (2007), 3G EVOLUTION: HSPA and LTE FOR for mobile broadband, Academic Press [6] Sauter, Martin , “From GSM to LTE:an introduction to mobile networks and mobile broadband”, John Wiley & Sons, Ltd, 2011 [7] TS 36.213-820 Section 7.1, page 12, Technical Specification Group RAN, “E-UTRA; physical channels and modulation,” 3GPP, Tech Rep TS 36.211 Version 8.7.0, May 2009 [8] Z Sun, C Yin, and G Yue, “Reduced-complexity proportional fair scheduling for ofdma system,” in Proc 2006 International Conference on Communications, Circuits and Systems Proceedings, June 2006 [9] O Iosif, I Banica, “On the analysis of of packet scheduling in downlink 3GPP LTE system”, CTRQ 2011, The Fourth International Conference on Communication Theory, Reliability and Quality of Service, pp 99-102, 2011 [10] Giuseppe Piro, Luigi Alfredo Grieco, Gennaro Boggia, and Pietro Camarda, “A Two-level Scheduling Algorithm for QoS Support in the Downlink of LTE cellular networks”, Research paper, February 2010 [11] L Hentil¨ a, P Ky ¨ osti, M K¨ aske, M Narandzic, and M Alatossava, “MATLAB implementation of the WINNER Phase II Channel Model ver1.1”, 67 December 2007 [Online] Available: https://www.ist-winner.org/phase model.html [12] F Capozzi, D Laselva, F Frederiksen, J Wigard, I.Z Kovacs, P.E Mogensen, “UTRAN LTE Downlink System Performance under Realistic Control Channel Constraints”, IEEE 70 Vehicular Technology Conference Fall (VTC 2009-Fall), pp 1-5, 2009 [13] 3GPP TR 25.913v8.0.0 Release 8, “Requirements for evolved UTRA (EUTRA) and evolved UTRAN (E-UTRAN)” [14] Motorola, Long Term Evolution (LTE): Overview of LTE Air-Interface, White Paper [15] Dr Jayesh Kotecha, Jason Wong, “LTE: MIMO Techniques in 3GPP-LTE, Freescale Semiconductors”, Presentation, Nov 5, 2008 [16] Jim Zyren, Dr Wes McCoy, Technical Editor, “Overview of the 3GPP Long Term Evolution Physical Layer”, Freescale Semiconductors, July 2007 [17] Elias Yaacoub, Hussein AI-Asadi, and Zaher Dawy, “Algorithms for the LTE Uplink”, Research paper, 2009 [18] Sajid Hussain, “Dynamic Radio Resource Management in 3GPP LTE”, MSc Thesis, Blekinge Institute of Technology, January 2009 [19] A Gyasi-Agyei and S.-L Kim, "Comparison of Opportunistic Scheduling Policies in Time-Slotted AMC Wireless Networks", 1st International Symposium on Wireless Pervasive Computing, 2006 [20] Các website tham khảo : www.Thongtincongnghe.com www.Vntelecom.org www.Tapchibcvt.gov.vn www.Tudiencongnghe.net www.Xahoithongtin.com 68 PHỤ LỤC % Các thuật toán sử dụng mô phỏng: function varargout = ngoaitroi(varargin) % Bắt đầu khởi tạo mã gui_Singleton = 1; gui_State = struct('gui_Name', mfilename, 'gui_Singleton', gui_Singleton, 'gui_OpeningFcn', @ngoaitroi_OpeningFcn, 'gui_OutputFcn', @ngoaitroi_OutputFcn, 'gui_LayoutFcn', [] , 'gui_Callback', []); if nargin && ischar(varargin{1}) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1}); end if nargout [varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); else gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); end function ngoaitroi_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) % Chọn dòng lệnh mặc định đầu cho môi trường trời handles.output = hObject; % Cập nhật xử lý cấu trúc guidata(hObject, handles); % - Kết dòng lệnh function varargout = ngoaitroi_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) % Nhận dòng lệnh mặc định từ cấu trúc xử lý varargout{1} = handles.output; function edit5_Callback(hObject, eventdata, handles) 69 % - Thiết lập tất thuộc tính trình tạo đối xứng function edit5_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function edit6_Callback(hObject, eventdata, handles) % - Thiết lập tất thuộc tính trình tạo đối xứng function edit6_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function edit7_Callback(hObject, eventdata, handles) function edit7_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function popupmenu2_Callback(hObject, eventdata, handles) function popupmenu2_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function edit8_Callback(hObject, eventdata, handles) function edit8_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) 70 set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function edit9_Callback(hObject, eventdata, handles) % - Thiết lập tất thuộc tính trình tạo đối xứng function edit9_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function edit10_Callback(hObject, eventdata, handles) function edit10_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end % - Thực thi thay đổi lựa chọn popup menu function popupmenu3_Callback(hObject, eventdata, handles) function popupmenu3_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) function edit1_Callback(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function edit1_Callback(hObject, eventdata, handles) % - Thiết lập tất thuộc tính trình tạo đối xứng function edit1_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','red'); 71 end function edit2_Callback(hObject, eventdata, handles) function edit2_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function edit3_Callback(hObject, eventdata, handles) % - Thiết lập tất thuộc tính trình tạo đối xứng function edit3_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) % xem ISPC Máy tính if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end % - Thực thi thay đổi lựa chọn popup menu function popupmenu1_Callback(hObject, eventdata, handles) % - Thiết lập tất thuộc tính trình tạo đối xứng function popupmenu1_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function edit19_Callback(hObject, eventdata, handles) function edit19_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end 72 function edit20_Callback(hObject, eventdata, handles) % - Thiết lập tất thuộc tính trình tạo đối xứng function edit20_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end % - Thực thi nút bấm pushbutton function pushbutton6_Callback(hObject, eventdata, handles) close % - Thực thi nút bấm pushbutton function pushbutton7_Callback(hObject, eventdata, handles) close suyhao function edit23_Callback(hObject, eventdata, handles) % - Thiết lập tất thuộc tính trình tạo đối xứng function edit23_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function edit24_Callback(hObject, eventdata, handles) % - - Thiết lập tất thuộc tính trình tạo đối xứng function edit24_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end % - Thực thi nút bấm pushbutton 73 function pushbutton5_Callback(hObject, eventdata, handles) fc =str2double(get(handles.edit5,'string')); goc =str2double(get(handles.edit6,'string')); b =str2double(get(handles.edit7,'string')); hb =str2double(get(handles.edit8,'string')); hm =str2double(get(handles.edit9,'string')); hr =str2double(get(handles.edit10,'string')); S =str2double(get(handles.edit19,'string')); K =str2double(get(handles.edit20,'string')); Lmax1 =str2double(get(handles.edit23,'string')); Lmax2 =str2double(get(handles.edit24,'string')); str=get(handles.popupmenu3,'string'); val=get(handles.popupmenu3,'value'); switch str{val} case 'NLOS' if hb>hr Lbsh=-18*log10(1+hb-hr) ka=54; kd=18-15*(hb-hr)/hr; else Lbsh=0; ka=54-0.8*hb; kd=18; end str=get(handles.popupmenu2,'string'); val=get(handles.popupmenu2,'value'); switch str{val} case 'Thành phố lớn' kf=-4+1.5*(fc/925-1) 74 case 'Thành phố nhỏ trung bình' kf=-4+0.7*(fc/925-1) end if goc