Giải pháp femtocell cho mạng thông tin di động trong tòa nhà cao tầng

ĐẠ I HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP TRẦN ĐỨC TỒN GIẢI PHÁP FEMTOCELL CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TRONG TÒA NHÀ CAO TẦNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ THÁI NGUYÊN - 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i ĐẠ I HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN ĐỨC TOÀN GIẢI PHÁP FEMTOCELL CHO MẠNG THƠNG TIN DI ĐỘNG TRONG TỊA NHÀ CAO TẦNG Chun ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 60 52 02 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Người hướng dẫn Khoa học: PGS-TS Bạch Nhật Hồng THÁI NGUYÊN - 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận văn Trần Đức Tồn ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập, nhận giúp đỡ tận tnh thầy cô giáo khoa điện tử - Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Đại học Thái Nguyên Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn thầy giáo Phòng đào tạo sau đại học giúp đỡ tận tình Tơi đặc biệt muốn cảm ơn PGS.TS Bạch Nhật Hồng tận tình giúp đỡ, hướng dẫn thời gian thực đề tài, cảm ơn giúp đỡ gia đình, bạn bè đồng nghiệp thời gian qua Mặc dù cố gắng nhiều, song điều kiện thời gian kinh nghiệm thực tế nhiều hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót Vi vậy, tơi mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô bạn bè, đồng nghiệp Tôi xin trân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Trần Đức Toàn MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii Trang iii DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG xi Trang xi DANH MỤC CÁC HÌNH xii DANH MỤC CÁC HÌNH xii Trang xii MỞ ĐẦU Chương .3 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 1.1 Quá trình phát triển mạng thông tin 1.2 Hệ thống thông tin di động CDMA .3 1.2.1 Cấu trúc hệ thống thông tin di động CDMA 1.2.1.1 Máy di động MS .4 1.2.1.2 Hệ thống trạm gốc BSS 1.2.1.3 Hệ thống chuyển mạch SS 1.2.1.4 Trung tâm vận hành bảo dưỡng OMC 1.3 Sự phát triển mạng di động 3G W- CDMA 1.4 Ứng dụng 4G LTE việc nâng cao chất lượng 1.4.1 Ứng dụng LTE 1.4.2 Nhu cầu chuyển đổi mạng 3G lên 4G/LTE .9 1.4.3 Phát triển dịch vụ di động 4G/LTE .11 1.4.4 Sự thay đổi mạng lõi 3G W-CDMA .13 1.5 Kết luận chương 14 Chương 15 NHỮNG GIẢI PHÁP CẦN TRIỂN KHAI FEMTOCELL .15 CHO MẠNG 3G VÀ NGUYÊN TẮC TỔ CHỨC HỆ THỐNG .15 TẾ BÀO NHỎ 15 2.1 Những giải pháp cần triển khai femtocell cho mạng 3G 15 2.1.1 Vai trò, cần thiết Femtocell 15 2.2 Lợi ích cần thiết femtocell 17 2.3 Kiến trúc kết nối femtocell tới mạng lõi 18 2.4 Những giải pháp kết nối femtocell đến mạng lõi .19 2.4.1 Nền tảng dựa UMTS 20 2.4.2 Kiến trúc UMA/GAN .24 2.4.3 Kiến trúc dựa IMS 25 2.5 Những nguyên tắc tổ chức hệ thống tế bào nhỏ .29 2.5.1 Nguyên tắc tế bào 29 2.5.2 Các kiểu tế bào lại có femtocell? 30 2.5.3 Các hiệu cho phổ tần 31 2.5.4 Các phương án để hoàn thành vùng phủ nhà từ macro 33 2.5.5 Các thách thức đường trục 34 2.5.6 Các hệ số hình học 34 2.6 Một số hệ thống tế bào khác femtocell .35 2.6.1 Hệ thống anten phân tán 35 2.6.2 Picocell 36 2.6.3 Các hệ thống cục không dây .36 2.6.4 Giải pháp tế bào nhỏ .37 2.7 Các yếu tố thành công femtocell 39 2.7.1 Các ứng dụng internet 39 2.7.2 Xử lý cơng xuất chi phí .40 2.7.3 Chấp nhận băng rộng 40 2.7.4 Sự thay cố định di động 41 2.8 Kết luận 41 Chương 42 CÁC KIẾN TRÚC MẠNG VÀ NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI FEMTOCELL TRONG MỘT TÒA NHÀ 42 3.1 Các kiến trúc mạng femtocell 42 3.1.1 Các yêu cầu kiến trúc mạng 42 3.1.2 Các thách thức kiến trúc mạng .43 3.1.3 Một số lựa chọn kiến trúc cho femtocell .44 3.1.3.1 Tích hợp mạng femtocell với mạng macro 44 3.1.3.2 Phân chia chức FAP FGW 45 3.1.3.3 Kết nối femtocell từ xa 46 3.1.3.4 Femtocell CDMA 47 3.1.3.5 Femtocell GSM 48 3.1.3.6 Femtocell LTE 48 3.1.3.7 Femtocell WiMAX 49 3.2 Nghiên cứu triển khai femtocell nhà 50 3.2.1 Giới thiệu chung hệ thống 50 3.2.2 Những vấn đề hạn chế việc phủ sóng di động nh 50 3.2.3 Nguyên lý hoạt động femtocell 51 3.2.4 Các chuẩn femtocell 51 3.2.5 Các giải pháp để phủ sóng femtoceell tồ nhà cao tầng .52 3.2.5.1 Nguyên tắc số lượng femtocell nhà cao tầng 53 3.2.5.2 Vị trí thiết kế lắp đặt femtocell .53 3.3 Các nguyên tắc femtocell .54 3.3.1 Phổ tần 54 3.3.2 Lan truyền nhiễu femtocell 56 3.3.3 Vùng phủ femtocell 58 3.3.4 Nhiễu đường xuống 59 3.3.5 Ảnh hưởng nhiễu việc giảm thiểu nhiễu 62 3.3.6 Nhiễu hệ thống femtocell 64 3.3.7 Đặc tính cao tần WCDMA 65 3.3.8 Thực hệ thống theo mức 67 3.4 Kết luận khuyến nghị 69 KẾT LUẬN .70 TÀI LIỆU THAM KHẢO .71 Nhìn bảng cho thấy có nhu cầu rõ ràng femtocell để thực kỹ thuật giảm nhiễu Bảng 3.3 Các kỹ thuật giảm nhiễu với femtocell Kỹ thuật Giải thích cách sử dụng giảm nhiễu Mạng gán cho thuê bao khơng nằn nhóm th bao Chuyển kênh femtocell tới kênh tch hợp Các thue bao macro ngăn chặn vùng chét femtocell Các thuê bao macro ngăn chăn vùng chết femtocell Các thuê bao femtocell gán tới kenh khác để ngăn chặn nhiễu vùng phủ chống lấn Công suất phát femtocell điều chỉnh đưa thoả Quản lý hiệp phù hợp vùng phủ nhiễu vị trí cho Điều có cơng suất thể thực sử dụng trực tiếp kết đo nhận từ đường femtocell thiết bị người dùng để cung cấp làm tăng độ xuống xác Các mức thay đổi theo thời gian đáp ứng với điều kiện thay đổi Chặn công Femtocell gửi tin quản bá tới máy chủ di động vùng suất thuê phủ để đảm bảo khơng vượt công suất phát bao cực đại cho trước Khi thuê bao rời khỏi vùng phủ femtocell, cơng suất ngăn từ ngun nhân nhiễu đường lên mức tới cực đại Định rõ macro vùng phủ Do thiết bị di động tiếp cận sát femtocell, tn hiệu khoẻ thử nghiệm điều khiển khả femtocell nên kiểm tra giới hạn thử nghiệp thích ứng 3.3.6 Nhiễu hệ thống femtocell ● ● ● ● ● ● ● ● 1= femto khởi nguồn ● ● ● ● ● ● ● 3 ● ● ● ● ● 4 Hình 3.10 Thử nghiệm triểm khai dày đặc femtocell, Hình tròn đen femtocell hình mũi tên lặp nhà Để làm rõ ràng femtocell với kỹ thuật giảm nhiễu đắn hoạt động kênh với macro để cung cấp nâng cao khả thực dung lượng, với biện pháp ngăn ngừa trường hợp tàn dư nhiễu trường hợp mức khác thường Tuy nhiên, triển khai femtocell trở nên dày đặc, có nghĩa sát khối nhà tồ nhà dày đặc, Hình 3.9 đưa triển khai thực tế tầng tồ nhà văn phòng Hai mươi điểm femtocell, toàn kênh, triển khai để bao phủ 2 văn phòng riêng biệt với diện tích nằm khoảng từ 12,5 m đến 50m Tầng 2 có tổng diện tích 700 m tường bên ngăn cách văn phòng mỏng nhẹ Cũng femtocell, có nhiễu macro đồng kênh loạt lặp nhà, góp phần làm cho mức nhiễu vượt -65 dBm Các thử nghiệm phép đo thuê bao kéo dài hệ thống kiểm soát với đánh giá đạt dựa số lượng mục tiêu thực Sự phản hồi nhà điều hành di động đánh giá dựa mục tiêu bảng 3.4 Femtocell tm để thích nghi tốt với việc cung cấp vùng phủ vùng mong muốn với thực tốt bất chấp diện nhiễu đồng kênh Bảng 3.4 Phản hồi nhà điều hành từ thử nghiệm femtocell dày đặc Mục tiêu để thực Femtocell tự động cấu hình hoạt động thành công diện Phản hồi Femtocell tự động thích nghi với mơi trường macro nhiễu macro mạnh khơng? Femtocell cung cấp đủ vùng phủ Femtocell có khả bao phủ vùng dịch vụ định vùng bên phòng có đặt cho chúng diện nhiễu chúng với mức nhiễu vượt -65 dBm macro mạnh khơng? HSDPA có thực tốt khơng? HSDPA vùng phủ femtocell hoạt động tốt Dung lượng cung cấp bao nhiêu? Ngay môi trường dày đặc có tải cực đại femtocell bên cạnh, femtocell có khả hỗ trợ dung lượng định trước cực đại 3.3.7 Đặc tính cao tần WCDMA Các chuẩn 3GPP WCDMA sử dụng ví dụ phân biệt đặc tính thực cao tần femto, chuẩn khác kết hợp chặt chẽ thực so sánh.Trong không gian, femto chất đồng với trạm gốc thời, cho phép thuê bao di động hiễn hữu hoạt động mà khơng có thay đổi Về bản, đặc trưng cao tần femtocell rõ WCDMA tương tư loại “ BS cục bộ” hình dung picocell Tuy nhiên,có vùng Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ mà số thay đổi đặc tính cao tần cho phép giảm chi phí bổ sung nơi mà đặc tính picocell mức cá ứng dụng Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ femto hay nơi có trạng thái nhiễu cụ thể để bảo vệ khỏi ảnh hưởng Nhưng khác rõ qua loại trạm gốc WCDMA mới, “BS gia đình” để đáp ứng cho diễn tiến femto Những khác biệt giữu BS cục BS gia đình làm rõ Thiết bị BS gia đình có cơng suất đầu cực đại +20dBm(100W) Đây mức cơng suất trung bình sóng mang đơn đầu nối an ten Lưu ý hệ số khuyết đại an ten làm tăng công suất phát xạ hiệu dụng vượt giá trị Nếu phát phân tập MIMO áp dụng thi công suất đầu nhỏ dB(+17 dBm 50mW) Sai số tần số 0,25 phần triệu (ppm), so với 0,05 ppm loại PS diện rộng ± 0,1 ppm loại BS cục trung bình Sự giản sức chị đựng cho phép tốc độ thuê bao sai lệch lớn chịu đựng trạm gốc mà khơng có tăng lên tổng thể giá trị lệch tần số nhận thiết bị người dùng Một số giới hạn bổ xung phát rõ bảng 3.11 bẳng 3.12, giới hạn tạp phát -82 dMm băng thông đo đạc 100 KHz Bảng 3.5 Giới hạn phổ bổ sung phát BS gia đình, công suất cực đại BS 6≤ P ≤ 20 dBm Bù tần số lọc Bù tần số lọc đo Yêu cầu Băng thông đo điểm -3dB, ∆f tần số trung tâm, f_ bù cộng thêm đo đạc 12,5 MHz ≤ ∆f ≤ ∆f max 13 MHz ≤ f bù < f_bùmax P-56 dBm MHz Bảng 3.6 Giới hạn phổ bổ sung phát BS gia đình, cơng suất cực đại BS 6≤ P ≤ dBm Bù tần số lọc đo Bù tần số lọc đo Yêu cầu Băng thông điểm -3dB, ∆f tần số trung tâm, f_ bù cộng thêm đo đạc Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 12,5 MHz ≤ ∆f ≤ ∆f max Số hóa Trung tâm Học liệu 13 MHz ≤ f bù < f_bùmax P-50 dBm MHz http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Độ nhạy tham chiếu máy thu BS gia đình -107 dBm, loại BS cục bộ, cao so với loại BS diện rộng BS trung bình Điều trì hội tốt để giảm nhu cầu công suất phát từ máy di động chiếm ngưỡng mạng femto Đặc tính khoá máy thu rõ tương tự BS cục bộ, nhu cầu BS gia đình định vị với DECT Wi- Fi bị giảm nghiên cứu xa khả mở rộng chi tiết phiên tương lai Mặt khác, cơng suất rò kênh liền kề BS gia đình cho phép cao tỷ số rò kênh liền kề bình thường (45 dB kênh liền kề đầu tiên) -50 dBm/MHz, cao thừa nhận công suất thấp femtocell, cơng suất rò kênh liền kề thực nhỏ, hỗ trợ thực máy phát mà khơng có giảm q mức đặc tính kênh liền kề Phạm vi động BS gia đình thử nghiệp 3GPP rõ số điều kiện truyền sóng liên quan đến trải trễ đa đường thay đổi chiều dài đường truyền đường phản xạ tán xạ liên quan đến tăng mức pha đinh kênh từ trải đốp- lơ BS gia đình đối diện với trường hợp đa đường dạng “tĩnh”, “trường hợp 1” “ đị A” giá trị trễ đa đường cực đại liên quan 976 ns tốc độ pha định cực đại tương ứng km/h băng 2,1 Ghz Điều so sánh với độ trễ lến đến 20.000 ns tốc độ pha đinh tương ứng 120/km/h kênh khác Điều cho phép làm giảm phức tạp xử lý tín hiệu máy thu femto nhờ máy thu Rake với số lượng lớn nhánh cửa sổ tìm kiếm tương quan rộng Các nhu cầu thực cao tần phản ánh đặc tính thử nghiệm pù hợp trạm gốc mà kết hợp với thử nghiệm loại BS gia đình 3.3.8 Thực hệ thống theo mức Các phân tích trước quan tâm chủ yếu đến thực femtocell xem xét môi trường xung quanh femtocell cho Để đánh Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ giá thực tổng thể cảu mạng femtocell triển khai quan trọng việc quản lý cách đầy đủ nghiên cứu hệ thống theo mức, bao gồm vị trí phân tán thức tế thuê bao điều kiện truyền sóng Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Theo kết mô chứng minh, có so sánh mạng thị dày đặc có macro với mạng bao gồm pha trộn macro femtoo Cả hai mạng nhằn tới phục vụ số lượng dân cư Các tham số mô chủ yếu là: - Macro femto hoạt động kênh; - Công suất kênh dẫn đường băng 10% công suất phát cực đại tất kênh chung chiếm 25%; - Một thuê bao femto tren femtocell; - Công suất phát femto điều chỉnh theo công suất đo macro vùng xung quanh Kết đem lại là, femto triển khai, có số trường hợp thuê bao mà giành dịch vụ từ femto, femto không đưa vào ngừng nghỉ hoàn toàn Trong thực tế, thuê bao macro chạm trán với nhiễu chuyển sang kênh khác tránh ngừng nghỉ từ fremto Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.11 Thơng lượng trung bình th bao có khơng có femtocell Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Bảng 3.7 Tổng dung lượng mạng (mbps) có khơng có femtocell Nội dung Giá trị thông lượng mong đợi thuê bao Số lượng thuê bao tế bào Giá trị thông lượng mong đợi macro (dung lượng mạng) Femtocell + Macro Chỉ riêng Macro 7,87 0,08 34 34 267,7 2,6 Tóm lại, mơ cho thấy việc triển khai femto với kỹ thuật giảm nhiễu phù hợp không cải thiện phân bố thông lượng mà cải thiện vùng phủ, điều thừa nhận nhiều nhà cung cấp dịch vụ 3.4 Kết luận khuyến nghị 3G triển khai Việt Nam năm, song thực tế tốc độ dịch vụ chậm so với yêu cầu dịch vụ 3G Đây nguyên nhân dẫn tới số lượng người dùng 3G Việt Nam chưa nhiều Với nghiên cứu lý thuyết kết đo kiểm trạm thử nghiệm cho thấy hồn tồn triển khai femtocell để tăng chất lượng phủ sóng, tăng tốc độ truy cập sử dụng dịch vụ 3G nhà Tuy nhiên, triển khai thực tế cần tính tốn kỹ đến nhiễu xuyên lớp macro femto để tránh ảnh hưởng tiêu cực lẫn Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ KẾT LUẬN Với thời gian ngắn tìm hiểu, phân tích tổng hợp, luận văn giải số vấn đề sau: Định nghĩa giải thích rõ khái niệm liên quan đến femtocell, thuộc tính, chuẩn kiểu femtocell Phân tích làm rõ vấn đề băng thông rộng di động theo yêu cầu, phát triển nhu cầu tương lai Khả phát triển femtocell ứng dụng hiệu hứa hẹn cho công nghệ tương lai Vấn đề tế bào nhỏ đáp ứng nhu cầu cung cấp vùng phủ, dung lượng, tốc độ vùng hạn chế giải pháp di động thông thường tồ nhà, văn phòng, gia đình Luận văn đề cập phân tích cụ thể vấn đề vô tuyến femtocell giải pháp giảm nhiễu chúng với mạng tại, làm tưng hiệu phổ tần cải thiện dung lượng tốc độ liệu Một vấn đề giải cấu trúc mạng femtocell sở mạng di động hành, kết nối chúng với với mạng lõi, giao diện cung giao thức riêng biệt công nghệ mạng khác đảm bảo linh hoạt, tin cậy, an toàn Bên cạnh vấn đề giải luận văn hạn chế: khơng có điều kiện thực nghiệm, kiểm chứng thử nghiệm cụ thể nên vấn đề đề cập dừng lại sở tổng hợp, phân tch lý thuyết dựa tài liệu nhà cung cấp di động mà khơng có số liệu nghiên cứu, khảo sát cụ thể Ngoài hạn chế luận văn việc phân tích cơng nghệ femtocell sở cơng nghệ di động hữu sơ sài, chưa có tnh thuyết phục Tuy nhiên, trình độ thời gian có hạn, luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận góp ý thầy giáo, đồng nghiệp để hồn thiện thêm kiến thức Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Song với cố gắng nỗ lực thân, mong thời gian tới tiếp tục tm hiểu, trau dồi thêm mặt số liệu phân tch mô để có đánh giá xác thực, chi tiết công nghệ này, làm sở cho việc quảng bá, ứng dụng triển khai hiệu mạng lưới di động hành Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Giáo trình Thông Tin Di Động.(2003) [2] TS Trần Hồng Quân, PGS TS Nguyễn Bích Lân, KS Lê Xn Cơng, KS Phạm Hồng Ký, Thơng tin di động.(2010) [3] Nguyễn Quốc Bình(2001), kỹ thuật truyền dẫn số, Nxb QĐND [4] Vũ Thị Minh Nguyệt, Giải pháp phủ sóng di động cơng trình đặc biệt, tapchibcvt.gov.vn.(2010) [5] Nguyễn Phan Anh Dũng(2001), thông tin di động hệ 3, Nxb Bưu điện Tiếng Anh: [1] Hsiao-Hwa Chen and Mohsen Guizani(2006), Next generation Wireless Systems and networks,John Wiley & Sons Ltd [2] Michel Daoud Yacoub(2002), Wireless Technology,CTC Press LLC [3] Simon R.Saunders,Stuart Carlaw, Andrea Glustina, Ravi Raj Bhat, Challenges for Business and Technology, John Wiley & Souns Ltd Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 1.1 Q trình phát triển mạng thơng tin 1.2 Hệ thống thông tin di động CDMA .3 1.2.1 Cấu trúc hệ thống thông tin di động CDMA 1.2.1.1 Máy di động. .. femtocell tòa nhà Chương TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 1.1 Q trình phát triển mạng thơng tin Thông tin đời vào cuối năm 1940, hệ thống thơng tin di động điều vận Đến thông tin di động trải... khai thực tế femtocell tòa nhà nhằm mục tiêu: Giảm tải liệu cho mạng thông tin di động, hướng tới giải pháp cho hội tụ cố định - di động ,đề xuất mơ hình tích hợp femtocell vào mạng làm việc