QUY HOẠCH tối ưu MẠNG 4g LTE TRONG mô HÌNH WALFISH IKEGAMI (có code)

QUY HOẠCH tối ưu MẠNG 4g LTE TRONG mô HÌNH WALFISH IKEGAMI (có code) QUY HOẠCH tối ưu MẠNG 4g LTE TRONG mô HÌNH WALFISH IKEGAMI (có code) QUY HOẠCH tối ưu MẠNG 4g LTE TRONG mô HÌNH WALFISH IKEGAMI (có code) QUY HOẠCH tối ưu MẠNG 4g LTE TRONG mô HÌNH WALFISH IKEGAMI (có code) QUY HOẠCH tối ưu MẠNG 4g LTE TRONG mô HÌNH WALFISH IKEGAMI (có code)

QUY HOẠCH TỐI ƯU MẠNG 4G LTE TRONG MÔ HÌNH WALFISH-IKEGAMI

BẢNG 2-1: BẢNG SO SÁNH GIỮA 3G VÀ 4G 9

BẢNG 2-3: TỐC ĐỘ ĐỈNH DỰA THEO TIÊU CHUẨN TỪNG LỚP 10

BÀNG 2-4: SỐ KHỐI TÀI NGUYÊN THEO BĂNG THÔNG

KÊNH TRUYỀN 14

BẢNG 3-1: BẢNG HƯỚNG TRUYỀN LÊN VỚI TỐC ĐỘ 64KBPS 26

BẢNG 3-2: BẢNG HƯỚNG TRUYỀN XUỐNG VỚI TỐC ĐỘ 1MBPS 27

BẢNG 4-1: BẢNG THÔNG SỐ TÍNH BÁN KÍNH CELL THEO MÔ HÌNH WALFISH-IKEGAMI 28

2G Second Generation Thế hệ thứ hai

ba

mã

tần số

tốc độ cao

tốc độ cao

IP Internet Protocol Giao thức Internet

Subsystem

UE User Equipment Thiết bị người dùng

Với tốc độ phát triển khoa học kỹ thuật chóng mặt như hiện nay Việc phát triển hệthống thông tin di động càng được chú trọng , đẩy nhanh giúp cuộc sống con ngườitrở nên tiện lợi mọi người có thể liên lạc với nhau từ khắp nơi trên thế giới, bất cứnơi nào, bất cứ khi nào

Bắt đầu với 1G với những cuộc gọi thoại đơn giản nhưng chất lượng cực kém thời

đó không lâu sau đó tiến đến 2G với tên gọi GSM cho chất lượng cuộc gọi thoại tốthơn và có thể nhắn tin SMS Trước khi phát triển lên 3G, 2G trải qua thêm vài giaiđoạn phát triển như là GPRS, EDGE với mục đích đưa dịch vụ truyền dữ liệu vào

hệ thống di động nhưng thời điểm đó tốc độ rất chậm và chi phí sử dụng đắt và thiết

bị hỗ trợ chưa nhiều Sau khi phát triển các giai đoạn tiền đề trước 3G rồi đến năm

2005, mạng di động thế hệ thứ 3 được giới thiệu và phát triển ở nhiều nơi đem đếncác dịch vụ data tốc độ nhanh hơn và các thiết bị hỗ trợ cũng nhiều hơn, một số dịch

vụ mới như video call, hội thoại qua ứng dụngv.v… Năm 2009 công nghệ 4Gđược giới thiệu với mong muốn nó là một cuộc cách mạng về truyền dữ liệu di độngvới tốc độ cực nhanh, băng thông cực rộng Năm 2014, 4G đã được triển khai ởnhiều nơi trên thế giới cho tốc độ truyền cực nhanh thậm chí nhanh hơn cả cápquang vào thời điểm đó Đến nay 4G đã có mặt rất nhiều nước trên thế giới, ở mỗinước có băng tần khác nhau nên tốc độ truyền nhanh chậm khác nhau nhưng tốc độ4G đã cái thiện rất nhiều so với công nghệ 3G đến 4G hiện tại và chúng ta chuẩn bịbước vào cách mạng 5G 5G đang được thử nghiệm ở Hàn Quốc

Hiện tại, mạng di động 4G LTE đang được phát triển mạnh nhất với mức độ phủsóng gần như toàn cầu ở những nước đã phát triển và đang phát triển 4G được xemnhư một cuộc cách mạng về truyền dẫn không dây di động Nó cho chất lượng dịch

vụ tốt hơn, băng thông rộng hơn, tốc độ nhanh hơn, bảo mật cao hơn và có thể tận

Khái niệm 4G, 4G là thể hệ mạng di động thứ 4 khắc phục những hạn chế còn tồntại của mạng 3G 4G thể hiện ý tưởng và hy vọng của các nhà nghiên cứu ở cáctrường đại học, các hãng sản xuất như Qualcomm, Nokia, NTT Docomo, Motorola

và những công ty viễn thông khác với mong muốn có thể tạo ra công nghệ có thểđáp ứng các dịch vụ không dây mà 3G vẫn chưa thể làm được

Ở Việt Nam hiện nay, các nhà mạng tại Việt Nam đang dần phổ cập mạng 4G đếnvới mọi người dân, việc triển khai mạng 4G vô cùng nhanh chóng

 Hướng nghiên cứu

Có nhiều mô hình truyền trong không gian nhưng trong bài báo cáo này sẽ lựa chọn

mô hình Walfish-Ikegami để mô phỏng, tính toán quỹ đường truyền và dung lượng

hệ thống vì đây là mô hình tính toán sát với thực tế trong việc quy hoạch các đô thịthành phố lớn

Với mô hình này ta có thể tính toán suy hao không gian, suy hao do vật chắn và suyhao do tán xạ trong quá trình truyền

Kết hợp với kỹ thuật MIMO để giúp hiệu suất hệ thống truyền tốt hơn và nhanh hơn

 Cấu trúc bài báo cáo:

CHƯƠNG 1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Giới thiệu

Thông tin di động là một trong những lĩnh vực quan trọng và là xu thế phát triểncủa các quốc gia trên toàn thế giới Hiện tại, ở Hàn Quốc đã và đang nghiên cứuphát triển hệ thống mạng di động thế hệ thứ 5 được gọi là 5G Ở nước ta đã và đangnâng cấp cơ sở hạ tầng mạng viễn thông từ 3G lên 4G ở cả 3 nhà mạng trong nước

2G sử dụng kỹ thuật truy cập phân chia theo thời gian TDMA đầu tiên trên thế giới

và đa truy cập phân chia theo mã CDMA Mạng 2G có tên gọi là GSM

Hình 1-4: Điện thoại di động 3G[10]

Công nghệ 3G cũng được nhắc đến như một chuẩn IMT - 2000 của tổ chức viễnthông thế giới (ITU), các hệ thống riêng biệt của 3G:

thích hợp vói các nhà khai thác dịch vụ di động sử dụng GSM UMTS được tiêuchuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP

−

sử dụng trong CDMA 2000 bao gồm 1xRTT, CDMA 2000-1xEV-DO và1xEV-DV.

này đã được chấp nhận bởi ITU

Ưu điểm: bảo mật tốt, dung lượng lớn, hỗ trợ thoại và dữ liệu tốt hơn, dịch vụ đaphương tiện được mở rộng

Nhược điểm:đòi hỏi băng thông cực rộng, chi phí cao vận hành và phát triển hệthống cao Thiết bị hỗ trợ còn đắt

độ 100 Mbit/s khi di chuyển và tới 1 Gbit/s khi đứng yên, cho phép người sử dụng

có thể tải và truyền lên các hình ảnh, video chất lượng cao với tốc độ cực nhanh

Hình 1-5 Thiết bị sử dụng mạng 4G[2]

- Thông tin rộng lớn và liên tục ngay cả khi di chuyển

- Trễ truyền dẫn thấp hơn 5ms.

- Giá thành thấp hơn thế hệ trước

Hình 1-6: Sự phát triển từ 3G lên 4G[6]

LTE là công nghệ được chuẩn hóa bởi 3GPP

LTE dùng công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) Lợi thế của LTE là phát triển từ

ThirdGeneration

FourthGeneration

CHƯƠNG 2 TIẾP MẠNG 4G LTE

2.1 Các thông số và đặc tính cơ bản của mạng 4G LTE

Hệ thống LTE phát triển trên nền tảng GSM/UTMS là một trong những công nghệtiềm năng nhất cho công nghệ 4G Hệ thống sử dụng băng thông linh hoạt nhờ vào

mô hình đa truy cập OFDMA và SC-FDMA

Thêm vào đó, FDD và TDD bán xong công FDD cho phép các UE có giá thànhthấp Không giống như TDD, bán song công FDD không yêu cầu thu và phát tạicùng thời điểm Điều này làm giảm giá thành cho bộ song công trong UE Truy cậptuyến lên dựa vào đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang cho phép tăngvùng phủ tuyến lên làm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình thấp PAPR sovới OFDMA.đến đích

trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không

với tốc độ di chuyển từ 15-120 km/h, có thể lên đến 500 km/h tùy băng tần

- VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạngUTMS

dụng MU-MIMO cho UL và DL

Mục đích chính của mạng 4G LTE là tối thiểu quá số Node Nên người ta đã pháttriển một cấu trúc đơn Node Trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong mạng truynhập vô tuyến WCDMA/HSPA vì vậy được gọi là eNodeB Những eNodeB có tất

cả các chức năng cần thiết cho mạng truy nhập vô tuyến LTE, kể cả chức năng quản

lý tài nguyên vô tuyến

Mạng truy cập vô tuyến RAN trong mạng truy nhập vô tuyến LTE được gọi là UTRAN và một trong những đặc điểm chính của nó là tất cả các dịch vụ bao gồmdịch vụ thời gian thực, sẽ được hỗ trợ qua những kênh gói được chia sẻ Phươngpháp này làm tăng hiệu suất phổ, làm cho dung lượng hệ thống trở nên cao hơn, tíchhợp cao hơn giữa những dịch vụ đa phương tiện và dịch vụ cố định, không dây

E-Bảng 2-1: So sánh kĩ thuật giữa mạng 3G và 4G[10]

Mobile TelecommunicationsSystem

Evolution

với 2 sóng mang(HSDPA), 10MHz với

SC-FDMA đường lên

QPSK, 16QAM, 64QAM

Hỗ trợ đường xuống 2x2 choHSPDA trong 3GPP R7

Không hỗ trợ cho đường lên

Hỗ trợ đường xuống 2x2, 4x4,LTE Advance 8x8

Bảng 2-2: Tốc độ đỉnh dựa theo tiêu chuẩn từng lớp[7]

Hình 2-1: So sánh mô hình truyền giữa 3G và 4G[3]

Giao diện sử dụng trong E-UTRAN bây giờ chỉ còn lại là S1 và X2 Trong đó S1 làgiao diện vô tuyến kế nối giữa eNodeB và mạng lõi S1 chia làm 2 loại:

S1-U là giao diện giữa eNodeB và SAE – GW

S1-MME là giao diện giữa eNodeB và MME

X2 là giao diện giữa các eNodeB với nhau

Hình 2-2: Mô hình truyền trong E-UTRAN[8]

Mạng lõi trong 4G LTE là sự mở rộng hoàn toàn của mạng lõi 3G và nó chỉ bao phủmiền chuyển mạch gói ta gọi là EPC (Evolved Packet Core)

EPC chia luồng dữ liệu người dùng thành mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điềukhiển Một node cụ thể sẽ định nghĩa cho mỗi mặt phẳng, cộng với Gateway kết nốichung mạng LTE với internet và những hệ thống khác EPC gồm có:

MME (Mobility Management Entity): chịu trách nhiệm xử lý những chức năng mặtbằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao và quản lý phiên

P-Gateway (Packet Data Network): là điểm đầu cuối cho những phiên hướng vềmạng dữ liệu gói bên ngoài Nó cũng là router đến mạng internet

PCRF (Policyand Charging Rules Function): điều khiển việc tạo ra bảng giá và cấuhình hệ thống con đa phương tiện IP IMS(the IP Multimedia Subsystem) cho mỗingười dùng

HSS (Home Subriber Server): là nơi lưu trữ dữ liệu của thuê bao cho tất cả dữ liệungười dùng Nó là cơ sỡ dữ liệu trung tâm trong trung tâm của nhà khai thác

Hình 2-3: Cấu trúc hệ thống 4G LTE[2]

OFDMA có nhiệm vụ chia luồng dữ liệu trước khi phát thành N luồng dữ liệu songsong có tốc độ thấp hơn và phát cho mỗi đường dữ liệu đó trên mỗi sóng mang conkhác nhau Các sóng mang con này trực giao với nhau Sử dụng dải tần rất hiệu quảcho phép chồng phổ giữa các sóng mang con Chống nhiễu fading đa đường tốt.Trong kỹ thuật này cho phép nhiều người dùng truy cập đồng thời vào một kênhbằng cách phân phia một nhóm các sóng mang con cho một người dùng tại một thờiđiểm Ở các thời điểm khác nhau các nhóm sóng mang con cho một người dùngkhác nhau Điều này cho phép truyền dữ liệu tốc độ thấp từ nhiều người dùng

Hình 2-4: Phân chia sử dụng sóng mang con cho các user[3]

Hình 2-5: Cấu trúc khung OFDM trong LTE[6]

Tài nguyên thời gian tần số được chia như sau:

1 radio frame có chiều dài 10ms Trong 1 radio frame có 10 subframe với chiều dài1ms Trong mỗi subframe có 2 khe thời gian, mỗi khe có chiều dài 0.5ms trong đó

có 7 kí tự OFDM trong trường hợp CP ngắn và 6 kí tự OFDM trong trường hợp CP

mở rộng Mỗi kí tự có chiều dài thời gian 0.071ms đối với CP ngắn và 0.083ms đốivới CP mở rộng

Trong OFDMA thì việc chỉ định số sóng mang không dựa vào từng sóng mangriêng lẻ mà dựa vào khối tài nguyên RB (Resource Block) Mỗi khối RB bao gồm

12 sóng mang con cho khoảng thời gian 1 slote và khoảng cách giữa các sóng mangcon là 15 Khz dẫn đến băng thông tối thiểu của 1 RB là 180KHz

Hình 2-6: Chỉ định khối tài nguyên của OFDMA trong LTE[3]

Bảng 2-3: Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền.

Băng thông kênh truyền

Để điều chế tín hiệu OFDMA (dạng nâng cao của OFDM) sử dụng biến đổi FFT vàIFFT cho biến đổi giữa miền thời gian và miền tần số

Hình 2-7: Mô hình thu phát tín hiệu OFDMA[3]

 Kỹ thuật SC-FDMA cho đường lên

Lý do để chọn kỹ thuật SC-FDMA cho đường lên là vì nó sẽ giảm tối đa công suấttiêu thụ cho đầu cuối SC-FDMA cho tỷ lệ công suất đỉnh PAPR thấp hơn so với kỹthuật OFDMA Đây là lí do chính để chúng ta lựa chọn kỹ thuật này Giống nhưtrong OFDMA, các máy phát trong hệ thống SC-FDMA cũng sử dụng các tần sốtrực giao khác nhau để phát đi các ký hiệu thông tin Tuy nhiên, các ký hiệu nàyđược phát đi lần lượt chứ không song song như OFDMA Vì thế cách sắp xếp nàylàm giảm đáng kể sự thăng giáng của đường bao tín hiệu của dạng sóng phát Tuynhiên trong các hệ thống thông tin di động bị ảnh hưởng của truyền dẫn đa đường,SC-FDMA được thu tại BTS bị nhiễu giữa các ký tự khá lớn BTS sử dụng bộ cânbằng thích ứng miền tần số để loại bỏ nhiễu này

Hình 2-8: Mô hình thu phát của SC-FDMA[3]

Hình 2-9: So sánh giữa OFDMA và SC-FDMA[9]

Trên hình ta có thể thấy được mỗi người sử dụng được phân làm 4 sóng mang con(P = 4) với băng thông mỗi băng con bằng 15Khz trong đó mỗi ký hiệu OFDMAhoặc SC-FDMA truyền 4 ký hiệu số liệu được điều chế QPSK cho mỗi người sửdụng Đối với OFDMA 4 ký hiệu số này được truyền đồng thời với băng tần mỗi kíhiệu là 15Khz trong mỗi khoảng thời gian hiệu dụng TFFT của một kí hiệu OFDMA,trong khi đó đối với SC-FDMA, 4 ký hiệu này truyền lần lượt trong khoảng thờigian bằng 1/P thời gian hiệu dụng ký hiệu SC-FDMA với băng tần con bằngPx15Khz cho mỗi kí hiệu

 Chuyển giao trong LTE

Trong LTE chuyển giao được sử dụng là chuyển giao cứng vì thế nó giúp đơn giảnhóa việc chuyển giao giữa các eNodeB Các bước thực hiện chuyển giao

Bước 1: Trong suốt quá trình liên lạc, thiết bị cầm tay UE sẽ luôn đo năng lượng thuđược từ eNodeB đang nối kết và của cả các eNodeB xung quanh nó UE thườngxuyên gửi báo cáo về tình hình đo đạc này về trạm phát sóng eNodeB

Bước 2: Nếu chất lượng đường truyền từ trạp phát hiện tại kết nối đến UE bị giảmmạnh dưới một mức nào đó, thì mạng sẽ quyết định tiến hành chuyển giao Mạng sẽchọn ra một cái eNodeB lân cận mà cho chất lượng đường truyền tốt nhất để UE nốikết vào

Bước 3: Tài nguyên dành riêng cho UE ở trạm cũ sẽ được giải phóng (ngắt kết nối)

và UE thiết lập nối kết với trạm mới

2.2 Kỹ thuật MIMO trong 4G LTE

Trước khi có MIMO, các router Wi-Fi và các thiết bị kết nối WiFi xài SISO Single In Single Out - tức là trên router chỉ có 1 ăng-ten để giao tiếp với chỉ 1 ăng-ten trên thiết bị nhận Sau đó người ta phát triển kĩ thuật MISO với đa anten phátnhưng thiết bị đầu cuối vẫn chỉ có một anten thu điều đó vẫn làm hạn chế tốc độnhận dữ liệu của thiết bị đầu cuối

-Hình 2-10: Hệ thống MISO[8]

Sau đó người ta tiếp tục phát triển lên MIMO với đa anten phát và đa anten thu giúpcho lượng dữ liệu truyền được nhiều hơn và nhanh hơn

Hình 2-11: Hệ thống MIMO[8]

Việc MIMO ra đời đã giúp cho việc truyền thông tin vô tuyến ngày càng nhanh hơnnhờ lợi dụng fading đa đường để ta tăng tín hiệu SNR sẽ giúp ta nhận được:

Có hai loại cấu hình thường dùng trong MIMO là SU-MIMO và MU-MIMO Trong

đó SU-MIMO dành cho đường lên, MU-MIMO dành cho đường xuống

Ghép kênh trong không gian cho phép phát chuỗi bit dữ liệu khác nhau trên cùngmột khối tài nguyên tuyến xuống Những dòng dữ liệu này có thể là một người dùng(SU-MIMO) hoặc những người dùng khác nhau(MU-MIMO) Trong khi SU-MIMO

Hình 2-12: So sánh giữa SU-MIMO với MU-MIMO[8]

CHƯƠNG 3 QUY HOẠCH DUNG LƯỢNG 4G LTE TRONG MÔ

HÌNH WALFISH-IKEGAMI

3.1 Quy hoạch dung lượng

Trong một hệ thống thong tin di động dung lượng hệ thống vô cùng quan trọng đốivới việc cung cấp dịch vụ của nhà mạng cho người dung Việc tính toán, khảo sátdân số, diện tích, địa hình từng vùng là một điều vô cùng quan trong việc thiết lậpcác trạm phát sóng Sau khi khảo sát được những dữ liệu cần thiết thì người ta bắtđầu tính toán dung lượng từng user với những trường hợp sử dụng khác nhau vànhững thời điểm khác nhau để có thể đưa ra những dự báo thích hợp.

3.2 Dự trữ dung lượng

Việc dữ trữ dung lượng vô cùng quan trọng trong việc phát triển hạ tầng viễn thông

Đa phần các nhà mạng luôn tính toán dự trữ khoảng 50% dung lượng trạm và dunglượng tối đa không vượt quá 75% để tạo sự ổn định cho hệ thống Tùy từng quyhoạch mà ta có thể điều chỉnh việc dự trữ dung lượng cho thích hợp

3.3 Mô hình truyền Walfish-Ikegami

Mô hình truyền Walfish-Ikegami này được sử dụng dùng để đánh giá tổn hao đườngtruyền ở môi trường thành phố cùng hệ thống thông tin di động tổ ong Mô hình nàychứa các phần tử như tổn hao không gian tự đo, nhiễu xạ mái nhà, tổn hao tán xạ,tổn hao nhiều vật chắn

Hình 3-1: Mô hình tuyền hệ thống Walfish-Ikegami[7]

( )

(3.1)Trong đó:

Pmin: Cường độ tín hiệu tối thiểu

Lcp: Suy hao đường truyền cho phép (dB)

Pm: Công suất phát xạ hiệu dụng MS (dB)

Gb: Hệ số khuếch đại của anten phát (dB)

Lc: Tổn hao cáp anten thu BS (dB)

Lb: tổn hao cơ thể MS (dB)

Lh: tổn hao truy nhập tòa nhà (dB)

WalFish-Ikegami

L = L + L + L

(3.3)