Quy hoạch vô tuyến cho mạng thông tin di động 3g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Họ tên tác giả luận văn CAO NGỌC HÒE TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Quy hoạch vô tuyến cho mạng thông tin di động 3G Chuyên ngành : Điện Tử Viễn Thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Điện Tử Viễn Thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Phạm Hải Đăng Hà Nội – 2010 Mục lục =========================================================== MỤC LỤC MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU .5 BẢNG TRA TỪ VIẾT TẮT PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG I .10 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THỨ WCDMA .10 1.1 Giới thiệu chương 10 1.2 Hệ thống thông tin di động hệ IMT-2000 .10 1.3 Hệ thống WCDMA 11 1.3.1 Khổi phát sửa lỗi CRC FEC 12 1.3.1.1 Mã CRC 12 1.3.1.2 Mã FEC 13 1.3.1.3 Mã chập 14 1.3.1.4 Mã Turbo .15 1.3.2 Điều chế QPSK 15 1.3.3 Trải phổ WCDMA .16 1.3.4 Mã Scrambling hay PN hệ thống WCDMA .16 1.4 Cấu trúc hệ thống WCDMA 17 1.5 Giao diện vô tuyến (Uu) 19 1.5.1 Cấu trúc giao thức Uu 19 1.5.2 Các kênh logic 20 1.5.3 Các kênh truyền tải 20 1.5.4 Các kênh vật lý .21 1.5.5 Chuyển đổi kênh truyền 25 1.6 Thủ tục tìm kiếm cell 25 1.7 Kết luận chương .26 CHƯƠNG II .27 ANTENNA 27 2.1 Giới thiệu chương 27 2.2 Giới thiệu Antenna 27 2.3 Các thông số antenna 28 2.3.1 Hệ số tăng ích G 28 2.3.1 Độ rộng búp sóng antenna (BW) 28 2.3.1 Góc phân cực: .29 2.3.1 Phân tập antenna .30 2.3.1 Dải tần hoạt động antenna 30 2.3.1 Góc ngiêng búp sóng .30 2.3.6.1 Chỉnh điện .31 2.3.6.2 Chỉnh .31 2.3.1 Tỉ số F/R 32 2.3.1 Trở kháng vào antenna .32 2.3.1 Hệ số sóng đứng VSWR 32 2.4 Các loại antenna thường sử dụng hệ thống WCDMA 33 2.5 Vùng phủ antenna .34 2.6 Kết luận chương .34 CHƯƠNG III .35 ========================================================= Mục lục =========================================================== QUY HOẠCH VÔ TUYẾN WCDMA .35 3.1 Tính tốn vùng phủ mạng 36 3.1.1 Tính tốn quỹ đường truyền vô tuyến 36 3.1.1.1 Đánh giá suy hao đường truyền 37 3.1.1.2 Công suất phát Node B 38 3.1.1.3 Công suất phát UE 40 3.1.1.4 Hệ số tăng ích anten 40 3.1.1.5 Suy hao feeder 40 3.1.1.6 Suy hao thể 41 3.1.1.7 Tăng ích xử lý 41 3.1.1.8 Giá trị Eb/No yêu cầu 42 3.1.1.9 Dự trữ nhiễu 43 3.1.1.10 Độ nhạy máy thu 44 3.1.1.11 Tăng ích chuyển giao mềm 45 3.1.1.12 Dự trữ điều khiển công suất 46 3.1.1.13 Dự trữ fading 46 3.1.1.14 Suy hao đâm xuyên .46 3.1.1.15 Ví dụ quỹ đường truyền vơ tuyến 47 3.1.2 Tính tốn vùng phủ ô 49 3.1.2.1 Mơ hình Modified Hata COST231 .50 3.1.2.4 Tính tốn bán kính phục vụ ô vùng phủ ô 53 3.2 Tính tốn dung lượng mạng 54 3.2.1 Phân tích dung lượng hướng lên 54 3.2.1.1 Mơ hình hạn chế nhiễu 54 3.2.1.2 Tham số tải hướng lên 56 3.2.2 Phân tích dung lượng hướng xuống 56 3.2.2.1 Tham số tải hướng xuống 56 3.2.2.2 Công suất phát tổng cộng Node B 57 3.2.3 Định cỡ dung lượng mạng 58 3.2.3.1 Thuật toán Campbell 58 3.2.3.2 Tính tốn số cần thiết 59 3.4 Tính tốn quy hoạch mạng với trường hợp cụ thể 63 CHƯƠNG IV 70 MÔ PHỎNG QUY HOẠCH MẠNG WCDMA 70 4.1 Giới thiệu chung .70 4.2 Giới thiệu công cụ mô Atoll 72 4.3 Q trình mơ 73 4.3.1 Dữ liệu địa lý 74 4.3.2 Thiết lập thông số mô 75 4.3.2.1 Mơ hình truyền sóng 75 4.3.2.2 Tham số mạng UMTS 76 4.3.2.3 Thiết lập thông số Node B 78 4.3.3 Kết mô 79 4.3.4 So sánh với thực tế TP Đà Nẵng 88 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG MỞ RỘNG 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO .93 ========================================================= Danh sách hình vẽ =========================================================== DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1 Các khu vực dịch vụ IMT-2000 11 Hình Cấu trúc khối phát hệ thống WCDMA .12 Hình Ảnh hưởng nhiễu lên tín hiệu .12 Hình Ví dụ mã CRC 13 Hình Đa thức sinh sử dụng WCDMA 13 Hình Mã chập 14 Hình Khối tạo từ mã chập1/2 14 Hình Khối tạo mã chập 1/3 14 Hình Khối tạo mã giải mã Turbo .15 Hình 10 Điều chế QPSK 15 Hình 11 Trải phổ trực tiếp 16 Hình 12 Khối tạo mã PN .16 Hình 13 Mã sambling 17 Hình 14 Cấu trúc hệ thống UMTS 18 Hình 15 Cấu trúc giao thức hệ thống UMTS 19 Hình 16 Cấu trúc đóng gói khung hệ thống WCDMA 20 Hình 17 Cấu trúc khung tổng quát kênh vật lý .21 Hình 18 Cấu trúc từ mã đồng PSCH .22 Hình 19 Cấu trúc từ mã đồng phụ cho nhóm mã Scrambling 22 Hình 20 Cấu trúc kênh PCCPCH .22 Hình 21 Cấu trúc kênh điều khiển vật lý chung dùng phụ SCCPCH 23 Hình 22 Cấu trúc khung kênh hao tiêu CPICH 23 Hình 23 Cấu trúc kênh số AICH 23 Hình 24 Cấu trúc kênh tìm gọi .24 Hình 25 Cấu trúc khung dành riềng đường xuống đường lên 24 Hình 26 Ánh xạ kênh logic kênh truyền tải 25 Hình 27 Ánh xạ kênh vật lý kênh truyền tải 25 Hình 28 Ví dụ đồng khung cell có mã Scrambling thuộc nhóm 1] 26 Hình Cấu trúc phần tử dipole 27 Hình 2 Hình dạng xạ lý thuyết loại antenna 27 Hình Ví dụ hệ số tăng ích G .28 Hình Độ rộng búp sóng antenna theo phương ngang 29 Hình Độ rộng búp sóng antenna theo phương thẳng đứng 29 Hình Các loại phân cực antenna .29 Hình Phân tập theo phân cực antenn 30 Hình Góc ngiêng búp sóng xạ 30 Hình Chỉnh điện, chỉnh 31 Hình 10 Chỉnh điện antenna 31 Hình 11 Chỉnh antenna 31 Hình 12 Bức xạ trước sau antenna 32 Hình 13 Hệ số phản xạ 32 Hình 14 Bán kính phủ antenna 34 ========================================================= Danh sách hình vẽ =========================================================== Hình 1:Quá trình quy hoạch mạng 35 Hình 2: Quỹ đường truyền vơ tuyến WCDMA 37 Hình 3: Công suất phát của kênh logic .39 Hình 4: Tăng ích xử lý với dịch vụ khác 41 Hình 5: Sự phụ thuộc dự trữ nhiễu với tải Node B 44 Hình 6: Tín hiệu nhiễu đầu vào đầu khuếch đại 45 Hình 7: Mơ hình suy hao đâm xun 46 Hình 8: Định nghĩa tham số mơ hình Walfisch-Ikegami 51 Hình 10: Quan hệ cơng suất phát số người dùng cho phép 58 Hình 1: Sơ đồ triển khai mạng thực tế .70 Hình 2: Khu vực khảo sát thực tế .72 Hình 3: Sơ đồ q trình mơ 73 Hình 4: Quan hệ công suất phát số người dùng cho phép 75 Hình 5: Thiết lập đặc tính dịch vụ thoại 76 Hình 6: Thiết lập đặc tính di động cho người di chuyển chậm (đi bộ) .77 Hình 7: Đặc tính người dùng tiêu chuẩn 77 Hình 8: Đặc tính mơi trường thành phố đơng đúc 77 Hình 9: Thơng tin mô tả sites 78 Hình 10: Thơng tin mơ tả transmitters 78 Hình 11: Thơng tin mơ tả cells .79 Hình 12: Vùng phủ transmitter ban đầu 79 Hình 13: Độ mạnh tín hiệu sóng mang ban đầu 80 Hình 14: Phân bố Ec/Io ban đầu 80 Hình 15: Vùng lặp cell ban đầu 81 Hình 16: Vùng phủ transmitter sau tối ưu 81 Hình 17: Độ mạnh sóng mang trước sau tối ưu 82 Hình 18: Tăng ích RSCP sau tối ưu 82 Hình 19: So sánh Ec/Io trước sau tối ưu .83 Hình 20: Tăng ích Ec/Io sau tối ưu .84 Hình 21: So sánh vùng lặp trước sau tối ưu 85 Hình 22: Tăng ích vùng lặp sau tối ưu 85 Hình 23: Hoạt động dịch vụ 87 Hình 24: Thống kê hoạt động mạng 87 Hình 25: Phân bố sites thực tế .88 Hình 26: Phân bố RSCP theo mô .88 Hình 27: Phân bố RSCP thực tế .89 Hình 28: Phân bố Ec/I0 theo mô 89 Hình 29: Phân bố Ec/I0 thực tế 90 ========================================================= Danh sách bảng biểu =========================================================== DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1: Công suất kênh dùng chung khơng có dịch vụ HSDPA 38 Bảng 2: Công suất kênh dùng chung có dịch vụ HSDPA 39 Bảng 3: Các lớp công suất UE 40 Bảng 4: Giá trị Eb/No số dịch vụ 43 Bảng 5: Quỹ đường truyền hướng lên với dịch vụ CS-64K 47 Bảng 6: Quỹ đường truyền hướng xuống với dịch vụ PS-128K 48 Bảng 7: Hằng số lệch với số hệ thống 52 Bảng 8: Giá trị hệ số ảnh hưởng K hệ thống UMTS 53 Bảng 9: Giá trị hệ số K tính tốn phủ sóng 54 Bảng 10: Ví dụ khả điều khiển mạng vơ tuyến 60 Bảng 11: Giải thích tham số dùng Phương trình (3.45) 61 Bảng 12: Giả thiết hướng lên dịch vụ 64 Bảng 13: Giả thiết hướng xuống dịch vụ 64 Bảng 14: Giả thiết quỹ đường truyền hướng lên 64 Bảng 15: Bán kính phủ sóng dịch vụ 65 Bảng 16: Mật độ tương đương dịch vụ 66 Bảng 1: Độ phân giải đồ số ứng với trường hợp 74 Bảng 2: Thống kê RSCP trước sau tối ưu 83 Bảng 3: Thống kê Ec/Io trước sau tối ưu 84 Bảng 4: Thống kê servers trước sau tối ưu .86 Bảng 5: Thông tin thay đổi site tối ưu 86 Bảng 6: Thống kê chất lượng trước sau tối ưu .86 Bảng 7: Thống kê RSCP mô thực tế 89 Bảng 8: Thống kê Ec/I0 mô thực tế 90 ========================================================= Chương 1: Tổng quan WCDMA =========================================================== BẢNG TRA TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt 1G First Generation Hệ thống thông tin di động hệ 2G Second Generation Hệ thống thông tin di động hệ 3G Third Generation Hệ thống thông tin di động hệ Authentication Centre Trung tâm nhận thực BHCA Busy Hours Call Attemp Nỗ lực gọi bận BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BS Basic Station Trạm gốc BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BSS Base Station System Hệ thống trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc A AuC B C CDMA C/I Code Division Multiple Access Carrier to Interference ratio Đa truy cập chia theo mã Tỷ số sóng mang nhiễu D DL DSSS Downlink Direct Sequence Spread Spectrum Đường lên Trải phổ chuỗi trực tiếp E EIR EIRP Equipment Identity Centre Trung tâm thị thiết bị Effective Isotropically Công suất phát xạ đẳng hướng hiệu Radiated Power dụng Frequence Division Đa truy cập phân chia theo tần số F FDMA ========================================================= Chương 1: Tổng quan WCDMA =========================================================== Multiple Access G GMSC Gateway MSC MSC cổng GoS Grade of Service Cấp độ phục vụ GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống thơng tin di động tồn cầu H HLR Home Location Register Thanh ghi định vị thường trú HO Hand over Chuyển giao I IS-95A Interim Standard 95A Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA cải tiến Mỹ (Qualcomm) L LA Location Area Khu vực định vị LAC Location Area Code Mã định vị LAI Location Area Identity Chỉ thị định vị M MAI ME MMS Multiple Access Interference Mobile Equipment Multimedia Messaging Service Nhiễu đa truy nhập Thiết bị di động Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện MS Mobile Station Trạm di động MSC Mobile Switching Centre Trung tâm chuyển mạch di động O O&M Operations and Maintenance Vận hành bảo dưỡng P PN Pseudo Noise Nhiễu giả ngẫu nhiên ========================================================= Chương 1: Tổng quan WCDMA =========================================================== PLMN PSTN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng Public Switched Mạng điện thoại chuyển mạch công Telephone Network cộng Quality of Service Chất lượng dịch vụ Q QoS QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vng góc R RLB Radio Link Budgets Quỹ lượng đường truyền Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu S SNR T TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian U UE User Equipment Thiết bị người sử dụng UL Uplink Đường lên Visitor Location Register Thanh ghi định vị thường trú V VLR ========================================================= Phần mở đầu =========================================================== PHẦN MỞ ĐẦU -||| -Cùng với phát triển ngành công nghệ điện tử, tin học, thông tin di động năm qua phát triển mạnh mẽ cung cấp loại hình dịch vụ đa dạng đáp ứng nhu cầu ngày cao người sử dụng Kể từ đời vào cuối năm 1940 thông tin di động phát triển qua nhiều hệ khẳng định vị trí, tầm quan trọng Phát triển từ hệ thống thông tin di động tương tự 1G, hệ thống thông tin di động số hệ đời đánh dấu thành công công nghệ GSM với 70% thị phần thông tin di động toàn cầu Tuy nhiên GSM đáp ứng tốt dịch vụ thoại nhu cầu dịch vụ số liệu ngày gia tăng Hệ thống thông tin di động hệ đời nhằm đáp ứng nhu cầu truyền số liệu “Quy hoạch vô tuyến cho mạng thông tin di động 3G” nhằm đảm bảo đưa đến chuẩn bị tốt để triển khai hệ thống mạng hoạt động tốt, tin cậy đáp ứng kịp thời nhu cầu người sử dụng, với chi phí tối ưu Trong đồ án em tập trung tìm hiểu sở lý thuyết quy trình q trình quy hoạch vơ tuyến, làm rõ mục tiêu, nhiệm vụ đạt trình quy hoạch Nội dung đồ án chủ yếu nói bước để quy hoạch mạng vơ tuyến từ việc tính tốn quỹ đường truyền vơ tuyến, xác định vùng phủ ô đến định cỡ dung lượng mạng để từ tính tốn đưa số lượng trạm phát cần thiết cấu hình trạm Nội dung đồ án gồm chương Chương 1: trình bày tổng quan hệ thống thơng tin di động WCDMA Chương 2: trình bày thơng số ảnh hưởng tới vùng phủ antenna Chương 3: trình bày quy hoạch vơ tuyến cho mạng thơng tin di động 3G Chương 4: trình bày mơ quy hoạch mạng WCDMA Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn TS Phạm Hải Đăng tận tình hướng dẫn, giúp đỡ kiến thức chuyên môn cung cấp cho em tài liệu tham khảo cần thiết để em hồn thành đồ án tốt nghiệp Hà Nội, tháng 10 năm 2010 Học viên thực Cao Ngọc Hòe ========================================================= Chương 4: Mơ quy hoạch mạng WCDMA =========================================================== Hình 11: Thông tin mô tả cells 4.3.3 Kết mô Sau thiết lập tham số mô phỏng, ta tiến hành cho chương trình mơ thực phân tích đưa kết mơ Nếu kết mô không đáp ứng số, ta tối ưu mơ cách thay đổi thông số tải thơng số cấu hình cho Site để đạt chất lượng mạng mong muốn Dưới số kết mơ chính: Trước tối ưu: Hình 12: Vùng phủ transmitter ban đầu ========================================================= 79 Chương 4: Mô quy hoạch mạng WCDMA =========================================================== Hình 13: Độ mạnh tín hiệu sóng mang ban đầu Hình 14: Phân bố Ec/I0 ban đầu Ec/I0 số mơ tả tỷ số mức tín hiệu phục vụ nhiễu Chỉ số ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng dịch vụ hệ thống Nếu số cell vùng lặp số cao ngược lại ========================================================= 80 Chương 4: Mơ quy hoạch mạng WCDMA =========================================================== Hình 15: Vùng lặp cell ban đầu Bản đồ vùng lặp cell (Overlapping zone) thị số lượng cell có chất lượng tín hiệu tương đồng vị trí Nếu số lượng cell nhiều nhiễu lớn, ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ, đồng thời dung lượng hệ thống bị suy giảm Sau tối ưu: Hình 16: Vùng phủ transmitter sau tối ưu ========================================================= 81 Chương 4: Mô quy hoạch mạng WCDMA =========================================================== Hình 17: Độ mạnh sóng mang trước sau tối ưu (Chú ý: Chỉ số RSCP biểu thị độ mạnh tín hiệu sóng mang.) Hình 18: Tăng ích RSCP sau tối ưu ========================================================= 82 Chương 4: Mô quy hoạch mạng WCDMA =========================================================== Chỉ số RSCP trước sau tối ưu cải thiện rõ rệt Ở hình 4-17, số vùng có số RSCP thấp ( thể màu vàng đỏ) sau tối ưu giảm đáng kể so với ban đầu, vùng số RSCP sau tối ưu cải thiện nhiều thể rõ Hình 4-18: vùng có màu đỏ (chất lượng RSCP cải thiện lớn 9dB) Tỷ lệ % vùng có số RSCP cao tăng lên, đồng thời tỷ lệ % vùng có số RSCP thấp giảm bớt, điều làm giảm bớt số vùng có chất lượng tín hiệu yếu làm ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ cung cấp hệ thống Chất lượng tối ưu thể rõ Bảng 4-2 đây, thống kê số RSCP trước sau tối ưu: Bảng 2: Thống kê RSCP trước sau tối ưu Mức RSCP (dBm) RSCP >= -65 -65 > RSCP >= -75 -75 > RSCP >= -85 -85 > RSCP >= -95 -95 > RSCP >= -105 RSCP = -5 -5 > Ec/Io >= -8 -8 > Ec/Io >= -10 -10 > Ec/Io >= -12 -12 > Ec/Io >= -14 -14 > Ec/Io >= -16 Ec/Io = Servers >= Servers >= Servers >= Ban đầu (%) 4.5 24.5 68 Sau tối ưu (%) 0.4 3.8 18.2 77.6 Việc giảm số lượng vùng lặp có số server phục vụ lớn làm giảm bớt nhiễu hệ thống, giảm tượng pilot pollution, đồng thời tăng dung lượng phục vụ hệ thống Chú ý: Hiện tượng pilot poluttion tượng mà điểm có nhiều cell có chất lượng tín hiệu tương đương (cùng yếu mạnh) thời điểm, dẫn đến khơng có cell chủ đạo phục vụ sử dụng dịch vụ,UE dễ bị rớt gọi Dưới thông tin tổng hợp thay đổi thông số tối ưu: Bảng 5: Thông tin thay đổi site tối ưu Change Statistics Reconfiguration Antenna Change Electrical Tilt Change Azimuth Change Mechanical Tilt Change Height Change Power Change 32 32 0 Bảng 6: Thống kê chất lượng trước sau tối ưu Result Layer: Objective Computation zone RSCP Computation zone EcIo Interference Minimization UMTS 2110 / Initial Final Improvement 99.94 100.00 0.06 ACHIEVED 99.95 100.00 0.05 ACHIEVED 7.64 Từ kết ta thấy chất lượng tín hiệu vùng khảo sát cải thiện đáng kể, điều giúp tăng chất lượng dịch vụ cung cấp dung lượng mạng ========================================================= 86 Chương 4: Mô quy hoạch mạng WCDMA =========================================================== Mô hoạt động dịch vụ: Hình 23: Hoạt động dịch vụ Hình 24: Thống kê hoạt động mạng ========================================================= 87 Chương 4: Mô quy hoạch mạng WCDMA =========================================================== 4.3.4 So sánh với thực tế TP Đà Nẵng Tại TP Đà Nẵng, mạng thông tin di động 3G dựa cơng nghệ WCDMA Vinaphone thức triển khai vào tháng 10/2009 Giai đoạn dự án, số lượng sites 134 trạm Phân bố trạm thể hình vẽ đây: Hình 25: Phân bố sites thực tế Dựa vào kết driving test thực thế, ta đưa số so sánh vùng phủ thực tế so với mô công cụ quy hoạch sau: Hình 26: Phân bố RSCP theo mô ========================================================= 88 Chương 4: Mô quy hoạch mạng WCDMA =========================================================== Hình 27: Phân bố RSCP thực tế Bảng 7: Thống kê RSCP mô thực tế Mức RSCP (dBm) RSCP >= -65 -65 > RSCP >= -75 -75 > RSCP >= -85 -85 > RSCP >= -95 -95 > RSCP >= -105 RSCP = -5 -5 > Ec/Io >= -8 -8 > Ec/Io >= -10 -10 > Ec/Io >= -12 -12 > Ec/Io >= -14 -14 > Ec/Io >= -16 Ec/Io