Thiết kế và quy hoạch mạng 4g LTE thực tế triển khai áp dụng tại trung tâm mạng lưới mobifone miền bắc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Phạm Văn Trưởng THIẾT KẾ VÀ QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE THỰC TẾ TRIỂN KHAI ÁP DỤNG TẠI TRUNG TÂM MẠNG LƯỚI MOBIFONE MIỀN BẮC Chuyên ngành : Kỹ thuật Viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Quốc Khương Hà Nội - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan thơng tin trích dẫn luận văn đƣợc rõ nguồn gốc Ngày 15 tháng năm 2018 Phạm Văn Trƣởng i LỜI CÁM ƠN Trong suốt trình học tập làm luận văn, nhận đƣợc hƣớng dẫn, giúp đỡ tận tình Thầy Cơ giáo bạn bè Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới: Thầy giáo TS Nguyễn Quốc Khƣơng, ngƣời tận tình dạy, giúp đỡ, động viên tơi suốt trình học tập làm luận văn Những dạy bảo, ý kiến nhận xét, đánh giá, góp ý mang tính gợi mở Thầy vơ q giá giúp hiểu đƣợc sâu sắc vấn đề học tập nghiên cứu công việc sau Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn Thầy Cô cán thuộc trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt khóa học làm luận văn tiến độ quy định Tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới Gia đình, đồng nghiệp bạn học viên lớp 16AKTVT ln động viên, giúp đỡ tơi suốt q trình học tập vừa qua ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii LỜI MỞ ĐẦU xi Chƣơng I Tổng quan mạng 4G LTE 1.1 Sự phát triển hệ thống thông tin di động 1.1.1 Hệ thống thông tin di động từ 1G đến 3G 1.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin di động hệ 2G/3G .2 1.2 Nhu cầu tiến lên 4G LTE 1.2.1 Tăng trƣởng liệu ngƣời dùng 1.2.2 Dung lƣợng hệ thống thông tin di động (lý thuyết shannon) 1.2.3 Tăng dung lƣợng hệ thống 1.2.4 Các yếu tố khác tiến lên LTE 1.3 Từ 3G tiến lên 4G LTE 10 1.3.1 LTE 10 1.3.2 Cải tiến phần mạng lõi .11 1.3.3 Hệ thống thông tin di động 4G 12 1.3.4 Các tiêu chuẩn 3GPP cho LTE 13 1.3.5 Sự khác biệt mạng 4G LTE 13 1.3.6 Sự tiến hóa LTE lên 4G .14 Chƣơng II Cấu trúc mạng thông tin di động 4G LTE 21 2.1 Kiến trúc LTE 21 2.1.1 Cấu trúc tổng quát .21 2.1.2 Thiết bị ngƣời dùng 21 iii 2.1.3 Mạng truy nhập vô tuyến tiên tiến 23 2.1.4 Mạng Core LTE .24 2.1.5 Cấu trúc roaming .26 2.1.6 Vùng mạng (network area) 27 2.1.7 Định danh, địa chỉ, đánh số .28 2.2 Các giao thức thông tin 30 2.2.1 Mơ hình giao thức .30 2.2.2 Các giao thức truyền tải giao diện vô tuyến 32 2.2.3 Các giao thức truyền tải giao diện mạng cố định 32 2.2.4 Các giao thức ngƣời dùng (user plane) .33 2.2.5 Các giao thức báo hiệu 33 2.3 Một vài ví dụ điều khiển gọi 35 2.3.1 Báo hiệu lớp truy nhập 35 2.3.2 Báo hiệu lớp truyền tải liệu 38 2.4 Quản lý tài nguyên 38 2.4.1 Kênh mang EPS .38 2.4.2 Kỹ thuật đƣờng hầm tunneling sử dụng GTP 41 2.4.3 Kỹ thuật đƣờng hầm sử dụng GRE PMIP 43 2.4.4 Kênh mang báo hiệu vô tuyến 43 2.5 Sơ đồ trạng thái 44 2.5.1 Quản lý trạng thái di động EPS 44 2.5.2 Quản lý kết nối EPS 45 2.5.3 Điều khiển tài nguyên vô tuyến .46 2.6 Ấn định phổ 48 2.7 Các kỹ thuật đƣợc dung 4G LTE 50 2.7.1 Ghép kênh theo tần số trực giao 50 2.7.2 OFDMA thông tin di động .56 2.7.3 Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang 65 iv Chƣơng III Quy hoạch mạng 4G LTE thực tiễn triển khai áp dụng mạng lƣới Mobifone Miền Bắc 69 3.1 Khái quát trình quy hoạch mạng LTE 69 3.2 Dự báo lƣu lƣợng phân tích vùng phủ 70 3.2.1 Dự báo lƣu lƣợng 70 3.2.2 Phân tích vùng phủ 71 3.3 Quy hoạch chi tiết 71 3.3.1 Quy hoạch vùng phủ 71 3.3.2 Quy hoạch dung lƣợng 73 3.4 Tối ƣu mạng 73 3.5 Thực tiễn triển khai 4G LTE mạng lƣới Mobifone Miền Bắc 73 3.5.1 Tình hình triển khai 4G LTE giới Việt Nam 73 3.5.2 Định hƣớng triển khai .75 3.5.3 Thực tiễn triển khai 4G LTE mạng MobiFone Miền Bắc 76 KẾT LUẬN 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 PHỤ LỤC – SƠ ĐỒ VÙNG PHỦ VÀ CHẤT LƢỢNG MẠNG 4G MOBIFONE MIỀN BẮC 89 Sơ đồ vùng phủ mạng MobiFone miền Bắc Error! Bookmark not defined v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Giải thích 2G 2nd Generation of Mobile Telephone Systems (GSM) 3GPP Third Generation Partnership Project 4G 4th Generation of Mobile Telephone Systems (LTE) eNodeB Base Station in LTE EPC Evolved Packet Core EUTRAN Evolved UTRAN GGSN Gateway GPRS Support Node GPRS General Packet Radio System / Service GW Gateway HLR Home Location Register HSPA High Speed Packet Access LTE Long Term Evolution (or 4G mobile networks) MME Mobility Management Entity MSC Mobile Switching Center OPEX Operational Expenditure / Operating Expense P-GW Packet Data Network Gateway PMIP Proxy Mobile IP QoS Quality of Service RNC Radio Network Controller (in 3G or UMTS) S5/S8 Interface between S-GW and P-GW SAE System Architechture Evolution SGSN Serving GPRS Support Node S-GW Serving Gateway UMTS Universal Mobile Telecommunication System UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Các điểm khác WCDMA LTE giao diện vô tuyến 11 Bảng 2: Các điểm khác UMTS LTE phần mạng CORE 12 Bảng 3: tiêu chuẩn 3GPP từ UMTS lên LTE 13 Bảng 1: Kênh mang báo hiệu vô tuyến 44 Bảng 2: Các băng tần TDD 49 Bảng 3: Các băng tần FDD 49 Bảng 1: Nâng cấp mạng lõi PS để triển khai LTE 80 Bảng 2: Quy hoạch số lƣợng eNode B LTE mạng Mobifone (Nguồn: Đề án quy hoạch mạng vô tuyến mobifone 2014 – 2020) 85 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1: Sự phát triển hệ thống thông tin di động .1 Hình 2: Cấu trúc mức cao GSM UMTS Hình 3: Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến UTRAN .4 Hình 4: Cấu trúc mạng Core 2G/3G Hình 5: Tăng trƣởng liệu ngƣời dùng thoại data từ 2007 đến 2011 .7 Hình 6: Dự báo lƣu lƣợng thoại data toàn giới .8 Hình 7: Dung lƣợng Shannon hệ thống truyền thông với băng thông 5, 10, 20 Mhz Hình 8: Sự phát triển cấu trúc hệ thống từ mạng GSM/UMTS lên LTE 10 Hình 9: LTE tiệm cận cách gọi tên chuẩn cơng nghệ 4G 14 Hình 10: LTE-Advanced - Thế hệ mạng viễn thông thứ 15 Hình 1: Cấu trúc lớp cao LTE 21 Hình 2: Cấu trúc bên UE, quy định ETSI .22 Hình 3: Kiến trúc mạng truy nhập vơ tuyến UMTS tiên tiến .24 Hình 4: Các phần mạng core LTE 25 Hình 5: Cấu trúc LTE cho thuê bao roaming 27 Hình 6: Mối quan hệ vùng tìm kiếm, vùng pool MME vùng dịch vụ SGW 28 Hình 7: Các định danh sử dụng MME 29 Hình 8: Các định danh tạm thời đƣợc sử dụng máy đầu cuối 29 Hình 9: Cấu trúc giao thức mức cao LTE 30 Hình 10: Các giao thức truyền tải sử dụng giao diện vơ tuyến 31 Hình 11: Mối quan hệ tầng truy nhập (access) tầng không truy nhập (nonaccess) giao diện vô tuyến 31 Hình 12: Các giao thức truyền tải sử dụng phần tử mạng cố định 32 Hình 13: Các giao thức user plan sử dụng LTE 33 Hình 14: Các giao thức báo hiệu sử dụng LTE 34 Hình 15: Thủ tục trao đổi lực UE 35 viii Hình 16: Ngăn xếp giao thức trao đổi tin báo hiệu RRC UE eNB 36 Hình 17: Thủ tục tái định GUTI (a) Các tin tầng non-access (b) truyền tải tin sử dụng tầng truy nhập .36 Hình 18: Ngăn xếp giao thức sử dụng để trao đổi tin báo hiệu tầng nonaccess máy đầu cuối MME 37 Hình 19: Ngăn xếp giao thức sử dụng để trao đổi liệu máy đầu cuối server bên mạng sử dụng giao diện S5/S8 dựa GTP 38 Hình 20: Kênh mang EPS dành riêng mặc định sử dụng S5/S8 dựa GTP 40 Hình 21: Cấu trúc kênh mang LTE, sử dụng giao diện S5/S8 dựa GTP 40 Hình 22: Triển khai đƣờng hầm đƣờng xuống sử dụng giao diện S5/S8 dựa GTP 41 Hình 23: Triển khai đƣờng hầm đƣờng xuống sử dụng giao diện S5/S8 dựa PMIP 42 Hình 24: Sơ đồ trạng thái quản lý di động EPS (EMM) .45 Hình 25: Sơ đồ trạng thái quản lý kết nối EPS (ECM) 45 Hình 26: Sơ đồ trạng thái điều khiển tài nguyên vô tuyến 48 Hình 27: Giảm ISI cách truyền thơng tin nhiều sóng mang 50 Hình 28: Các bƣớc xử lý máy phát analog OFDM đơn giản .51 Hình 29: Các bƣớc xử lý máy phát OFDM số .53 Hình 30: Sơ đồ khối ban đầu máy thu máy phát OFDM 56 Hình 31: Triển khai đa truy nhập phân chia theo tần số thời gian sử dụng OFDMA 57 Hình 32: Ví dụ triển khai tái sử dụng tần số sử dụng OFDMA (a) sử dụng miền tần số (b) kết quy hoạch mạng 59 Hình 33:Sơ đồ khối hoàn chỉnh máy phát máy thu OFDMA 60 Hình 34: Hoạt động chèn tiền tố cyclic 61 Hình 35: Hoạt động chèn tiền số cyclic sóng mang đơn lẻ .62 ix Tốc độ đƣờng xuống (DL Throughput): Tốc độ đƣờng lên (UL Throughput): (Nguồn: Trung tâm Mạng lưới Mobifone Miền Bắc) 98 Hƣng Yên Sơ đồ kết nối mạng: (Nguồn: Trung tâm Mạng lưới Mobifone Miền Bắc) 99 Tốc độ đƣờng xuống (DL Throughput): Tốc độ đƣờng lên (UL Throughput): (Nguồn: Trung tâm Mạng lưới Mobifone Miền Bắc) 100 Nam Định Sơ đồ kết nối mạng: (Nguồn: Trung tâm Mạng lưới Mobifone Miền Bắc) 101 Tốc độ đƣờng xuống (DL Throughput): Tốc độ đƣờng lên (UL Throughput): (Nguồn: Trung tâm Mạng lưới Mobifone Miền Bắc) 102 Nghệ An Sơ đồ kết nối mạng: (Nguồn: Trung tâm Mạng lưới Mobifone Miền Bắc) 103 Tốc độ đƣờng xuống (DL Throughput): Tốc độ đƣờng lên (UL Throughput): (Nguồn: Trung tâm Mạng lưới Mobifone Miền Bắc) 104 Quảng Bình Sơ đồ kết nối mạng: (Nguồn: Trung tâm Mạng lưới Mobifone Miền Bắc) 105 Tốc độ đƣờng xuống (DL Throughput): Tốc độ đƣờng lên (UL Throughput): (Nguồn: Trung tâm Mạng lưới Mobifone Miền Bắc) 106 Thái Bình Sơ đồ kết nối mạng: (Nguồn: Trung tâm Mạng lưới Mobifone Miền Bắc) 107 Tốc độ đƣờng xuống (DL Throughput): Tốc độ đƣờng lên (UL Throughput): (Nguồn: Trung tâm Mạng lưới Mobifone Miền Bắc) 108 10 Thanh Hóa Sơ đồ kết nối mạng: (Nguồn: Trung tâm Mạng lưới Mobifone Miền Bắc) 109 Tốc độ đƣờng xuống (DL Throughput): Tốc độ đƣờng lên (UL Throughput): (Nguồn: Trung tâm Mạng lưới Mobifone Miền Bắc) 110 11 Vĩnh Phúc Sơ đồ kết nối mạng: (Nguồn: Trung tâm Mạng lưới Mobifone Miền Bắc) 111 Tốc độ đƣờng xuống (DL Throughput): Tốc độ đƣờng lên (UL Throughput): (Nguồn: Trung tâm Mạng lưới Mobifone Miền Bắc) 112 ... nhận đề tài tốt nghiệp là: ? ?Thiết kế quy hoạch mạng 4G LTE Thực tế triển khai áp dụng Trung tâm Mạng lƣới Mobifone Miền Bắc? ?? Hiện nhà mạng Mobifone triển khai mạng 3G, 4G LTE rộng khắp toàn lãnh... trúc mạng thông tin di động 4G LTE - Chƣơng 3: Quy hoạch mạng 4G LTE thực tiễn triển khai áp dụng mạng lƣới Mobifone Miền Bắc xii Chương Tổng quan mạng 4G LTE CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G LTE. .. sóng mang 65 iv Chƣơng III Quy hoạch mạng 4G LTE thực tiễn triển khai áp dụng mạng lƣới Mobifone Miền Bắc 69 3.1 Khái quát trình quy hoạch mạng LTE 69 3.2 Dự báo lƣu lƣợng