Hệ thống thiết kế quy hoạch cell cho mạng lte 4g

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - NGUYỄN TRUNG QUÂN HỆ THỐNG THIẾT KẾ QUY HOẠCH CELL CHO MẠNG LTE/4G Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2013 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN PHẠM ANH DŨNG Phản biện 1: …………………………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng LỜI MỞ ĐẦU Tháng năm 2010, Bộ thông tin truyền thông cấp phép cho doanh nghiệp thử nghiệm dịch vụ 4G gồm VNPT, Viettel, FPT Telecom, CMC VTC VNPT tiên phong ứng dụng công nghệ hợp tác với công ty Nga để thử LT E Hà Nội vào tháng Mười năm 2010.Trước đó, vào tháng Mười, VDC, thành viên VNPT, hoàn thành việc lắp đặt trạm LTE Hà Nội Sự kiện mô tả mở cho đua cung cấp dịch vụ 4G Việt Nam Việc nghiên cứu thiết kế để triển khai mạng thông tin di động LTE/4G cần đặt từ thời điểm để bước tiếp cận theo sát phát triển công nghệ giới, cung cấp sở khoa học cho việc xây dựng triển khai mạng 4G giai đoạn Ngoài ra, thực tế triển khai mạng 3G cho thấy, việc nghiên cứu phương pháp qui hoạch, thiết kế ứng dụng hệ thống qui hoạch, quản lý cung cấp dịch vụ quản lý điều hành mạng cần nghiên cứu giải từ đầu để thiết lập mạng 4G cách hiệu Do vậy, việc thực đề tài luận văn “Nghiên cứu xây dựng hệ thống Cell-Planning thiết kế, quy hoạch mạng LTE/4G” cần thiết Về nội dung, luận văn chia làm chương: Chương 1: Tổng quan LTE/4G Trình bày xu hướng phát triển cơng nghệ 4G giới, đồng thời đưa nghiên cứu công nghệ LTE/4G Chương 2: Nghiên cứu cụ thể vấn đề kỹ thuật việc thiết kế, quy hoạch mạng, vấn đề liên quan đến việc thiết kế quy hoạch chung cho hệ mạng GSM/3G LTE/4G Định cỡ mạng vô tuyến LTE vấn đề quan trọng quy hoạch Từ trình bày kiến trúc hệ thống Cell-Planning nhà mạng ứng dụng việc quy hoạch mạng Chương 3: Nội dung trình bày việc quy hoạch thiết kế cho Cell mạng LTE/4G triển khai thử nghiệm thực tế khu vực thuộc Hà Nội Sau đưa báo cáo tính tốn, đo đạt sở kết chạy công cụ quy hoạch (ASSET) CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ LTE/4G 1.1 Xu hướng phát triển công nghệ 4G giới 1.1.1 Thị trường thông tin di động giới Năm 2015, Châu Á TBD dự báo chiếm 40% lưu lượng liệu toàn cầu Băng rộng di động bùng nổ Châu Á TBD nhanh chóng trở thành phương tiện cho truy cập Internet, phần nhờ vào việc triển khai nhanh chóng dự án mạng 3G Chỉ số sẵn sàng băng rộng di động thêm vào, quốc gia tạo môi trường thuận lợi cho dịch vụ liệu di động phát triển có khả phát triển tồn kinh tế xã hội vượt bậc so với nước khác Hồng Kông Việt Nam nhảy lên trên, thể tập trung mạnh mẽ vào việc thúc đẩy phát triển băng rộng di động 1.1.2 Xu hướng phát triển công nghệ mạng di động từ 3G lên 4G Đối với nhà khai thác sử dụng công nghệ 3G UMTS, đường vạch cách rõ ràng sở kế thừa sở hạ tầng mạng GSM/UMTS có sẵn, giảm thiểu thay đổi, sử dụng công nghệ nhằm đảm bảo tốc độ truyền số liệu theo định nghĩa mạng 4G Một số công nghệ nhắc đến liên quan đến 4G như: UMB, OFDM, SDR, TDSCDMA, MIMO, WiMAX, LTE… Tất cơng nghệ chuẩn hóa tổ chức viễn thông giới, làm tảng cho việc sản xuất thiết bị, xây dựng hệ thống ứng dụng tích hợp xây dựng phát triển mạng 4G 1.1.3 Tổng quan công nghệ LTE Có cơng nghệ lựa chọn để phát triển lên mạng 4G bao gồm: LTE, WiMax UMB Tuy nhiên, vào năm 2009, tập đoàn Qualcomn, đơn vị tài trợ phát triển cơng nghệ UMB, thức tuyên bố chấm dứt hoạt động nghiên cứu cơng nghệ UMB Do thấy Qualcomn đặt dấu chấm hết cho công nghệ UMB tập trung phát triển công nghệ LTE Về bản, hai công nghệ LTE WiMax đề sử dụng kỹ thuật vô tuyến giống OFDMA Tuy nhiên, xuất phát điểm hai công nghệ lại khác WiMax phát triển tảng tiêu chuẩn 802 ITU, LTE phát triển từ tảng mạng 3G để đem lại tính tương thích hội tụ tốt công nghệ di động phổ biến sử dụng Do LTE có lợi WiMax tính tương thích với cơng nghệ sử dụng giai đoạn triển khai, WiMax gần phải đầu tư mạng hoàn toàn khả chuyển giao với công nghệ tương đối hạn chế, đặc biệt khả hỗ trợ thiết bị đầu cuối WiMax 1.2 Nghiên cứu công nghệ LTE/4G 1.2.1 Các mục tiêu lực hệ thống LTE thiết kế hỗ trợ tốc độ truy nhập liệu cao trễ thấp mô tả tóm tắt Bảng Dung lượng băng thơng UE đến 20 MHz cho phát thu (UL, DL) Tuy nhiên nhà cung cấp dịch vụ triển khai với băng tần khác Điều cho phép họ khả mềm dẻo triển khai, lựa chọn dải tần nhỏ với chi phí thấp thời gian đầu nâng cao dung lượng có u cầu Hình 1.1 Các u cầu lực LTE Hiệu suất băng tần LTE DownLink (DL) gấp đến lần so sánh với R6 HSDPA, UpLink (UL) gấp đến lần R6 HSUPA Thủ tục chuyển giao handover LTE hướng đến giảm thời gian gián đoạn (interruption time) so với handover mạng 2G 1.2.2 Các thành phần chức hệ thống LTE Hình 1.2 Hệ thống LTE Evolved Radio Access Network (RAN) Phần evolved RAN cho LTE gồm thiết bị nhất, eNodeB (eNB), giao diện với UE eNB chứa lớp PHYsical (PHY), Medium Access Control (MAC), Radio Link Control (RLC), Packet Data Control Protocol (PDCP) chức mã hóa nén mào đầu gói liệu user-plane Serving Gateway (SGW) SGW định tuyến chuyển tiếp gói liệu người dùng Packet Data Network Gateway (PDN GW) PDN GW cung cấp kết nối cho UE đến mạng gói ngồi với việc hoạt động cổng vào cho lưu lượng UE Một UE có nhiếu kết nối tới nhiều PDN GW để truy nhập đồng thời nhiều PDN Mobility Management Entity (MME) MME thực thể điều khiển đảm nhiệm thủ tục tìm kiếm UE trạng thái idle đánh thức (paging) bao gồm truyền tải lại Nó có vai trị q trình kích hoạt/giải hoạt phiên liệu lựa chọn SGW cho UE bắt đầu kết nối chuyển giao handover mạng LTE liên quan tới thay đổi node mạng lõi Chức sách tính cước tài nguyên (PCRF) PCRF phần tử mạng chịu trách nhiệm cho việc điều khiển sách tính cước (PCC: Plolicy and Charging 25 xử lý liệu sai lệch lỗi chủ quan người Việc sử dụng RANOPT khơng đảm bảo cho việc trì bảo vệ sở liệu, mà tăng cường suất lao động cách tối đa d Module lập kế hoạch mạng truyền dẫn CONNECT Phần mềm công cụ lập kế hoạch mạng truyền dẫn Connect thiết kế nhằm phục vụ công tác lập kế hoạch mạng truyền dẫn vi ba Công cụ cho phép người sử dụng thiết kế đánh giá phân tích mạng truyền dẫn vi ba Phần mềm Connect sử dụng thuật tốn xác để phân tích LOS, chất lượng tuyến xuyên nhiễu e Module quản lý CSDL DATASAFE DATASAFE công cụ phần mềm quản lý thay đổi tham số cấu hình mạng, cho phép người sử dụng thay đổi cập nhật thay đổi vào thiết bị mạng, Phần mềm hoàn toàn tương thích với cơng nghệ 2G/3G/4G 26 2.4.3 Phương án tích hợp với hệ thống CellPlanning 2G/3G Vinaphone a Phần cứng VNP ENTERPRISE CONFIGURATION – REMOTE DESKTOP CONNECTION HP – Compaq ML370G6 ENTERPRISE/DATASAFE/RANOPT Databases/File/License Server Router 3Com OfficeConnect Port 100T Switch Clients Access via Remote Desktop Connection HP – Compaq DL 380G6 RANOPT Mediation Server ASSET/ADVANTAGE/RANOPT Client (supporting maximum terminal sessions) HP – Compaq DL 380G6 DATASAFE Mediation Server/DATASAFE Client (supporting maximum terminal sessions) Router Regional Office VNP - WAN HP – Compaq DL 380G6 DATASAFE Client (supporting maximum terminal sessions) 100T Link + Spare HP – Compaq DL 380G6 ASSET/ADVANTAGE/RANOPT Client (supporting maximum terminal sessions) Router 3Com OfficeConnect Port 100T Switch Clients Access via Remote Desktop Connection 1000T 1000T Switch VNP Local Area Network UPLINK 1000T Regional Office Ericsson 2G/3G OMC Huawei 2G OMC Siemens 2G OMC Alcatel 2G OMC Clients Access via Remote Desktop Connection Motorola 2G/3G OMC ZTE 3G OMC Hanoi Office Figure F-1 Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống phần cứng b phần mềm Phần mềm sử dụng công cụ Enterprise hãng AIRCOM Hiện Vinaphone trang bị hệ thống phần mềm Enterprise với cơng nghệ 2G/3G đó, để phục vụ mục đích nghiên cứu, hãng AIRCOM cấp quyền dùng thử công nghệ LTE với tương đối đầy đủ tính cho việc qui hoạch mạng 27 CHƯƠNG – QUY HOẠCH THIẾT KẾ CHO CÁC CELL MẠNG LTE/4G TẠI MỘT KHU VỰC THUỘC HÀ NỘI 3.1 Xây dựng cân chỉnh mơ hình truyền sóng Mơ hình truyền sóng tập hợp cơng thức tốn học dùng để mơ tả cách xác suy hao đường truyền máy phát máy thu Mơ hình truyền sóng Macro Cell (MC3) sử dụng ASSET dựa vào mơ hình suy hao đường truyền Okumura Hata Do mơ hình MC3 mơ thành phần ảnh hưởng lên truyền sóng vơ tuyến: Suy hao đường truyền (Path loss) (dB) = K1 + K2 log(d) + K3 Hms + K4 log(Hms) + K5 log(Heff) + K6 log(Heff)log(d) + K7(Diffraction Loss) + Clutter Loss (3.1) 28 3.1.1 Quy trình triển khai thực a Khảo sát, nghiên cứu thực địa khu vực Hà Nội lân cận, nhằm xác định Phương trình truyền sóng chuẩn đặc trưng cho địa hình Việt Nam b Thực xác định vị trí trạm phát giả tiến hành khảo sát kỹ thuật cho vị trí c Thực tích hợp trạm phát giả tiến hành đo sóng d Thực phân tích cân chỉnh phương trình truyền sóng phần mềm ASSET (Enterprise) 3.1.2 Cân chỉnh mơ hình truyền sóng a Độ cao th bao Độ cao thuê bao đặt 1.5m theo khuyến nghị 3GPP Trong trường hợp K3 K4 có giá trị 0, nghĩa giá trị không cân chỉnh b Suy hao clutter Mơ hình truyền sóng MC3 có khả mơ ảnh hưởng suy hao đường truyền clutter khác nhau, không dựa loại clutter vị trí thuê bao (clutter 29 offset) mà tất loại clutter máy phát máy thu c Các thông số khác Mơ hình MC3 có thơng số cần cân chỉnh, với loại clutter có thơng số khác cân chỉnh 3.1.3 Kết cân chỉnh mơ hình truyền sóng khu vực Hà Nội Hình 3.1 Lựa chọn trạm phát sóng 30 Hình 3.2 Hệ số K suy hao clutter 3.2 Tính bán kính Cell, vùng phủ sóng cơng nghệ LTE/4G Dựa vào tham số quỹ đường truyền để xác định suy hao đường truyền tối đa cho phép Khi đó, dễ dàng tính bán kính cell biết mơ hình truyền sóng áp dụng với mơi trường khảo sát Suy cơng thức tính bán kính cell sau: (3.9) 31  Kết khảo sát thực tế khu vực nội thành thí điểm trạm 75 Đinh Tiên Hoàng: + Độ cao Antenđặt trạm 45m + Kết khảo sát đo trạm cho thấy khoảng cách phát sóng tối đa 1.2 km (có chắn tịa nhà)  Kết khảo sát độ bao phủ khu vực ngoại thành thí điểm trạm sân bay Nội Bài: + Với độ cao Anten trạm 35m + Khảo sát trạm cho thấy bán kính phủ sóng trạm khoảng cách xa đạt 5.4 km (trong điều kiện không bị che chắn) 3.3 Triển khai quy hoạch mạng dựa dung lượng bán kính vùng phủ sóng 3.3.1 Quy hoạch trạm LTE theo diện tích Theo tiêu chí kỹ thuật bán kính phủ sóng diện tích phủ sóng trung bình cơng nghệ LTE bảng dưới, việc thiết kế phân bố mạng LTE theo diện tích thực tổng diện tích phủ sóng khu vực, với tỷ lệ thành thị nông thôn 70:30 32 3.3.2 Quy hoạch LTE theo dân số Để quy hoạch phân bố mạng LTE theo dân số cần vào tham số kỹ thuật lưu lượng khả đáp ứng dịch vụ cho khách hàng công nghệ Với tiêu chuẩn: - Mỗi trạm LTE hỗ trợ tối đa 400 người dùng - Dung lượng tối đa đạt cho đường xuống 450 Mbps, đường lên 300Mbps 3.3.3 Quy hoạch tần số cho mạng LTE/4G Hệ thống LTE VNPT cấp tổng băng tần 20Mhz (10MHz cho DL + 10Mhz cho UL), sử dụng phương pháp phần kênh FDD, cụ thể: + Băng tần độ rộng 10 MHz sử dụng cho đường Up-Link: 2500 MHz đến 2530 MHz + Băng tần độ rộng 10 Mhz sử dụng cho đường Down-Link: 2620 Mhz đến 2650 MHz 33 3.4 Báo cáo triển khai thử nghiệm sở kết chạy công cụ quy hoạch 3.4.1 Mục tiêu triển khai thử nghiệm công nghệ LTE khu vực thuộc Hà Nội - Tốc độ đỉnh tức thời cho cell (20 MHz): Tải xuống: 150 Mbps; Tải lên: 50 Mbps - Lưu lượng tối đa cho eNodeB (20MHz): Tải xuống: 450Mbps; Tải lên: 300Mbps - Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển thuê bao – 15 km/h Vẫn hoạt động tốt với tốc độ từ 15 – 120 km/h Vẫn trì hoạt động thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120 – 350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng tần) - Các tiêu phải đảm bảo bán kính vùng phủ sóng 5km, giảm chút phạm vi đến 30km Từ 30 – 100 km khơng hạn chế - Độ dài băng thơng linh hoạt: hoạt động với băng 1.25 MHz, 1.6 MHz, 2.5 MHz, MHz, 10 MHz, 15 MHz 20 MHz chiều lên xuống Hỗ trợ trường hợp độ dài băng lên băng xuống không - Số lượng đầu cuối tối đa kết nối vào eNodeB (20Mhz): 400 thiết bị đầu cuối 34 3.4.2 Sử dụng ASSET mô cho trạm thử nghiệm Mô thử nghiệm việc thiết kế cho Cell trạm lắp đặt Huỳnh Thúc Kháng, sử dụng công cụ ASSET: Hình 3.3 Dữ liệu tham số trạm eNodeB ASSET Giải pháp cho thử nghiệm LTE sử dụng công nghệ hãng Huawei, sử dụng tích hợp thiết bị DBS3900 APM30H Thiết lập công suất phát 46 dBm điều chế 64QAM: 35 Hình 3.4 Thiết lập cơng suất phát điều chế + Bản đồ vùng phủ RSRP Hình 3.5 Dự đốn vùng phủ RSRP 36 + Tốc độ liệu dịch vụ LTE Kết đo kiểm thực tế (Outdoor) trạm phát sóng khác: Video Handover eNodeB DL UL Latency eNodeB Name RSRP SINR Streaming Cell in ID (mbps) (mbps) (ms) (mbps) enodeB LTE_Bo-HoHKM_HNI LTE_L-T-Kiet45-HKM_HNI LTE_BD-TuLiem-CGY_HNI LTE_VDC-N-PSac-IBSCGY_HNI LTE_H-TKhang-57ADDA_HNI LTE_N-CongTru-TD-N8HBG_HNI LTE_T-VVuong-7HBG_HNI -87 22 36 20 4.3 10 ok -80 19 28 20 4.3 11 ok -80 21 35 20 4.3 10 ok -79 21 33 20.8 4.3 10 ok -69 18 27 20 4.3 12 ok -87 22 40 19 4.3 10 ok -80 19 47 20.5 4.3 11 ok LTE_Nguyen- -77 21 37 20.5 4.3 10 ok Handover EnodeB to EnodeB HN_Melia HN_VDC_1 37 Trai-HDG_HTY 10 11 12 13 14 15 LTE_CumCang-HK-MienBac-SSN_HNI LTE_KS-ThienDang-THO_HNI LTE_Nghi-Tam1A-THO_HNI LTE_TDCiputraTHO_HNI LTE_TD-NgocTruc-TLM_HNI LTE_BDThuong-DinhTXN_HNI LTE_H-DaoThuy-Lo2CTXN_HNI -69 25 38 20 4.3 10 ok -59 24 41 20 4.3 10 ok HN_DTH -86 23 40 20 4.3 10 ok HN_So256NT -77 21 47 20 4.3 10 ok HN_So1NT -90 23 28 20 4.3 10 ok -83 20 40 20 4.3 10 ok -89 23 42 18 4.3 10 ok HN_165CG 38 KẾT LUẬN Nhu cầu sử dụng dịch vụ truy cập Internet tốc độ cao dành cho thiết bị di động ngày phát triển Vì nghiên cứu LTE/4G đòi hỏi thiết yếu, sở cho việc triển khai thực tế Trong khuôn khổ luận văn này, em mong muốn đưa vấn đề kiến trúc, nguyên lí LTE/4G Luận văn nghiên cứu hệ thống thiết kế, quy hoạch Cell cho mạng LTE/4G mà nhà mạng lớn nước sử dụng, nêu nhìn khái quát lộ trình triển khai LTE/4G mạng GSM/3G, vấn đề kỹ thuật liên quan đến việc thiết kế, quy hoạch mạng Hiện hệ thống LTE/4G giai đoạn thử nghiệm chưa cơng khai hồn tồn luận văn dừng lại mức đưa báo cáo mô phỏng, kết đo đạc tiến hành khu vực thuộc Hà Nội Tuy nhiên, trình độ thời gian có hạn, luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận góp ý thầy giáo để hồn thiện thêm kiến thức 39 Về phương hướng phát triển, em mong muốn hoàn thiện luận văn phạm vi đầy đủ với việc tập trung vào tìm hiểu nâng cấp hệ thống Cell-Planning tích hợp thêm chức phục vụ cơng tác tối ưu hóa, đo đạc cho mạng LTE/4G, vấn đề mà nhà mạng tiến hành nghiên cứu tương lai gần chắn gặp phải ... nghệ LTE/ 4G Chương 2: Nghiên cứu cụ thể vấn đề kỹ thuật việc thiết kế, quy hoạch mạng, vấn đề liên quan đến việc thiết kế quy hoạch chung cho hệ mạng GSM/3G LTE/ 4G Định cỡ mạng vô tuyến LTE vấn... đề quan trọng quy hoạch Từ trình bày kiến trúc hệ thống Cell- Planning nhà mạng ứng dụng việc quy hoạch mạng Chương 3: Nội dung trình bày việc quy hoạch thiết kế cho Cell mạng LTE/ 4G triển khai... dựa công cụ quy hoạch mạng vô tuyến Việc quy hoạch thông số chi tiết phần cuối quy trình quy hoạch mạng 2.2.3 Thách thức việc quy hoạch chung cho hệ mạng 2G/3G LTE/ 4G Vấn đề nhiễu LTE với 2G 3G