Nghiên cứu định cỡ mạng truy nhập vô tuyến trong mạng di động thế hệ thứ 4 lte (tt)

1 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - NGUYỄN VĂN SAN NGHIÊN CỨU ĐỊNH CỠ MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ LTE Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.70 Người hướng dẫn khoa học: TS Dư Đình Viên TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2012 GIỚI THIỆU VỀ LUẬN VĂN  Lý chọn đề tài Theo số liệu thống kê từ Thông Tin Truyền Thông 2011 lượng thuê bao di động nước ta đạt 111.570.201 thuê bao đạt mức 127,68 máy di động 100 dân Trong thị phần thuê bao GSM chiếm chủ đạo với gần 98% thuê bao di động(GSM: Viettel 36,72%, MobiFone 29,11 %, VinaPhone 28,71%, VNM 3,18%, Gtel 0,53% CDMA: EVNTelecom 1,59%, STP 0,53%)[1] Như thấy GSM chiếm vai trị quan trọng hệ thống thống thơng tin di động nước ta LTE tiêu chuẩn nhóm cơng nghệ di động 3GPP, phiên cho mạng di động LTE với nhiều cải tiến lớn cung cấp tốc độ đường xuống lên tới 100 Mbit/s, đường lên cao 50 Mbit/s Cơng nghệ LTE hỗ trợ sóng mang từ 1,4 MHz tới 20 MHz hỗ trợ đa truy nhập phân chia theo tần số (FDD) theo thời gian TDD Do việc nghiên cứu định cỡ mạng truy nhập vô tuyến tạo tiền đề cho trình triển khai LTE nước ta, nên đề tài: “Nghiên cứu định mạng truy nhập vô tuyến mạng di động hệ thứ – LTE” cần thiết thực thạc sỹ kỹ thuật viễn thông  Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết trình định cỡ mạng vơ tuyến, q trình thực định cỡ mạng truy nhập LTE Đồng thời tập trung nghiên cứu chi tiết định cỡ vùng phủ sóng dung lượng Tìm hiểu trạng mạng di động nước ta đồng thời nghiên cứu triển vọng xu phát triển lên LTE, kết hợp với kết định cở để có dự tính ban đầu cho mạng LTE Việt Nam năm tới  Đối tượng phạm vi nghiên cứu Công nghệ di động LTE, lý thuyết định cỡ, chuẩn hóa 3GPP  Phương pháp nghiên cứu Tổng hợp tài liệu, kết cơng trình nghiên cứu LTE giới, tiêu chuẩn 3GPP Điều tra, tổng hợp việc sử dụng băng tần, giấy phép nhà khai thác Việt nam Tìm hiểu ứng dụng cơng cụ sử dụng việc quy hoạch mạng LTE, tham số cần thiết cho qua trình tính tốn Áp dụng vào thực tiễn mạng viễn thơng Việt Nam nói chung mạng di động nói riêng Đề xuất số kết định cỡ góp phần bước phát triển công nghệ mạng di động LTE Việt Nam  Kết nghiên cứu đạt Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu trình định cỡ mạng truy nhập, đồng thời xây dựng cơng cụ định cỡ vùng phủ sóng góp phần vào trình quy hoạch mạng LTE Việt Nam 4 21 Chương KẾT LUẬN GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LTE 1.1 Giới thiệu 1.2 Mạng di động tiên tiến LTE 3GPP phát triển hệ mạng di động thứ – LTE với bước tiến dài mặt công nghệ Thành công LTE minh chứng tộc độ triển khai mạng nhanh chưa thấy 3GPP bắt đầu làm việc hệ tiến hóa hệ thống di hệ mạng trước đó, thời gian ngắn LTE sử dụng động 3G từ tháng 11 năm 2004 Nhân dịp khai trương triễn lãm rộng khắp phạm vi toàn giới Ở Việt Nam có mạng truy nhập Toronto, 3GPP giới thiệu tất tổ chức nhiều nghiên cứu thử nghiệm ban đầu để tiến tới hệ quan tâm, thành viên không thuộc thành viên 3GPP công nghệ truy cập hệ Điều dẫn đến tham gia 40 đề xuất từ hãng dịch vụ di động khác mạng viễn thông sau 3G Vì việc định cỡ mạng truy nhập vố tuyến mạng di động hệ thứ – LTE cần thiết Luận văn đạt số kết sau: - viện nghiên cứu hế thệ mạng truy nhập (Universal Terrestrial Giới thiệu tổng quan mạng nêu vắn tắt công nghệ tiến tiến mạng LTE Radio Access Network) Kiến trúc tổng quan mạng LTE thể - Giới thiệu quy trình định cỡ mạng truy nhập hình 1.6 - Xây dựng mơ hình mơ kênh truyền tải phần mềm Matlab Hình 1.1: Kiến trúc mạng LTE/SAE [13] - Xây dựng công cụ định cỡ vùng phủ sóng Excel - Tính tốn ban đầu cho mạng viễn thông Việt Nam 20 3.6 Kết luận chương 1.3 Kết luận chương Chương ba tập trung phân tích làm rõ xu phát triển LTE Chương trình bày vai trị tính cấp thiết việc phạm vi tồn giới từ khái qt chung tình hình phát định cỡ mạng truy nhập Với mục tiêu xây dựng công cụ định cỡ triển xu hướng lựa chọn công nghệ LTE phù hợp với bối mạng truy nhập đơn giản thuật tiện, dễ dàng sử dụng trình cảnh Đồng thời làm rõ nhu cầu thiết thực LTE quy hoạch tối ưu mạng truy nhập vơ tuyến LTE Ngồi nước ta phát triển dịch vụ nội dung nước nội dung chương nêu bật khía cạnh kỹ thuật liên quan để làm Ngoài nội dung chương đề cập số khó khăn việc tảng cho q trình xây dựng nghiên cứu phương pháp lựa chọn tần số nước ta kết định cỡ vùng phủ sóng với tính tốn phần Chương hai sâu nghiên cứu quy tham số đầu vào điển hình mạng LTE trình phương pháp định cỡ mạng truy nhập vô tuyến LTE 6 19 Chương KẾT QUẢ ĐỊNH CỠ Đầu vào NGUYÊN LÝ ĐỊNH CỠ MẠNG TRUY NHẬP Băng thông (MHz) Băng tần (MHz) Loại địa hình Mơ hình kênh 2.1 Nguyên lý định cỡ mạng vô tuyến Suy hao tối đa 2600 City Okumura-Hata dB 140.1572837 km Km2 Km2 Km2 0.846236339 1.861901448 2.420471882 3.630707823 Định cỡ đánh giá nhằm nhanh chóng xác định cấu Kết hình mạng vơ tuyến cần thiết bao gồm cấu phần mạng truy nhập vô tuyến mạng lõi Đối với mạng truy nhập cần xác định thông số: vùng phủ sóng số lượng trạm thu phát, dung lượng trạm, tốc độ liệu cho phép người sử dụng cấu hình giao diện mạng truy nhập với mạng lõi Và thực tiễn, quy hoạch trình lặp lặp lại khâu bao gồm phân tích, thiết kế, xây dựng triển khai hệ thống Với mục tiêu thiết yếu q trình quy Bán kính Omi directional site Bi-sector site Tri -sector site a) Mơ hình Okumura-Hata Đầu vào Băng thơng (MHz) Băng tần (MHz) Loại địa hình Mơ hình kênh City COST 231 Hata Suy hao tối đa dB 140.1572837 km Km2 Km2 Km2 0.235052988 0.143649759 0.186744687 0.28011703 2600 Kết hoạch cung cấp phương pháp thiết kế mạng di động không dây đạt yêu cầu đề Đây trình quan trọng việc triển khai mạng di động nói chung, tùy vào điều kiện thực tế có thay đổi xét tổng quan tồn q trình quy hoạch có khái qt bao gồm bước hình 2.1 Định cỡ Yêu cầu: vùng phủ sóng dung lượng Quy hoạch chi tiết QH vùng phủ sóng, lựa chọn BTS Yêu cầu dung lượng Tối ưu Cấu hình định cỡ Hình 2.1: trình quy hoạch mạng vơ tuyến [8] Phân tích chất lượng Bán kính Omi directional site Bi-sector site Tri -sector site b) Mơ hình COST 231 Hata Đầu vào Băng thơng (MHz) Băng tần (MHz) Loại địa hình Mơ hình kênh Suy hao tối đa 2600 City COST 231 Walfisch-Ikegami NLOS dB 140.1572837 Kết Bán kính Omi directional site Bi-sector site Tri -sector site km Km2 Km2 Km2 0.19037602 0.094231876 0.122501438 0.183752157 c) Mơ hình COST 231 Walfsch-Ikegami Hình 3.6: Bán kính thu 18 2.2 Định cỡ mạng truy nhập LTE ĐỊNH CỠ VÙNG PHỦ SĨNG Q trình định cỡ LTE bắt đầu với việc tính tốn quỹ lượng Vietnamese Ngơn ngữ đường truyền LBR, nhằm xác định suy hao đường truyền cho phép Thông số hệ thống Băng thông (MHz) Băng tần (MHz) tối đa Kết bước phụ thuộc vào việc lựa chọn mơ hình 2600 truyền sóng sử dụng Từ giúp ước tính bán kính lớn Ước tính vùng phủ sóng phủ sóng quy đổi diện tích phủ sóng để xác định UL 23 0 DL 46 14 0 -174 -174 Phía thu Độ lợi ăng ten (dB) Hệ số nhiễu (dB) Độ lợi phân tập (dB) Suy hao thu (dB) 18 0 Xuyên nhiễn Tải ô lân cận (%) 50 Xác xuất vùng phủ sóng (%) 90 Quỹ lượng đường truyền Công suất phát (dBm) Độ lợi ăng ten (dB) Suy hao hệ thống (dB) Suy hao thu (dB) Nhiễu nhiệt (dB) Thông số khác Mơ hình kênh Loại địa hình Độ cao angten phát (m) Độ cao angten thu (m) Độ cao tịa nhà (m) Góc nhìn (độ) Khoảng cách tịa nhà (m) Độ rộng đường phố (m) lượng trạm thu phát gốc cần tính, tiếp đến ước tính sơ số lượng eNB yêu cầu, trình định cỡ thể hình 2.3 Hình 2.3: Quy trình định cỡ mạng truy nhập [9],[14] Okumura-Hata City 30 1.5 30 30 80 30 2.3 Định cỡ vùng phủ sóng Vùng phủ sóng thực dựa tính tốn RLB, xác định suy hao đường truyền tối đa cho phép Hay nói cách khác xác định khoảng cách lớn phép truyền để đảm bảo phía thu nhận tín hiệu mức cho phép Suy hao đường Hình 3.4: Thơng số đầu vào trình định cỡ truyền tối đa sử dụng để tính tốn khoảng cách tối đa cách sử dụng mơ hình truyền dẫn thích hợp Đây bán kính nhằm sử dụng để tính số lượng cần thiết để phủ sóng vùng cần quy hoạch 17 3.5 Kết định cỡ Trong phần minh họa áp dụng công cụ định cỡ để tính vùng phủ sóng với thơng số phù hợp với điều kiện nước ta Bộ tham số đầu vào lựa chọn để minh họa cơng cụ định cỡ hình 3.4 Kết thu bán kính hình 3.6 trang Ứng với mơ hình truyền sóng Okumura-Hata kết thu hình 3.6 a, COST 231 Hata tương ứng với hình 3.6 b kết hình 3.6 c tương ứng với mơ hình COST 231 Walfisch-Ikegami Bán kính sử dụng để tính số lượng ô cần dùng công thức 2.23 Kết cho thấy với mơ hình Okumura-Hata thu bán kính lớn Mơ hình COST 231 Hata với tham số hiệu chỉnh để phù hợp với tần số cao vùng phủ sóng bé Hình 2.2: Quỹ lượng đường truyền RLB [21] Đối với mơ hình COST 231 Walfisch-Ikegami bán kính thu bé Hình 2.2 minh họa việc tính tốn quỹ lượng đường truyền Từ kết trên, Việt Nam nên áp dụng mơ hình Okumura- Ăng ten phát xạ lượng theo hướng ăng-ten nhận Công Hata cho vùng nơng thơn, mơ hình COST 231 Hata cho suất nhận phía ăng ten thu phụ thuộc vào cơng suất phía thành phố với mật độ dân lớn Và thành phố lớn phát định hướng phía phát, ngồi cịn phụ thuộc vào việc Hà Nội Hồ Chí Minh với kiến trúc thị phức tạp nên sử dụng phân tập phát suy hao gặp phải mơi trường truyền bao mơ hình COST 231 Walfisch-Ikegami gồm suy hao không gian tự chướng ngại vật nhà cửa, cối … Trong hình 2.2 suy hao khơng gian tự mô tả đường màu xanh, suy hao nhà đường màu hồng Ngịai phải tính tới nhiễu nguồi khác gây nhiễu nhiệt 16 3.3 Băng tần LTE Việt Nam thân hệ thống máy thu Sau tính toán tất yếu tố trên, 3.4 Thực mô kênh truyền độ lợi cộng vào suy hao trừ có cơng Để thực xác định SINR yêu cầu cần tiến hành thực thi mơ hình mơ kênh truyền LTE mơ hình mơ tả suất nhận phía thu 2.4 Cơng cụ định cỡ chi tiết phần 2.3.3 Q trình thực mơ với mức tỷ lệ mã Excel lựa chọn để thực định cỡ vùng phủ sóng mạng 1/3 mã hóa QPSK, MCS yêu cầu giá trị BER thấp nhằm Long Term Evolution (LTE) Phần mềm thực tính tốn tăng vùng phủ sóng ô kênh truyền sử dụng cấu hình MIMO cần thiết để đưa kết cuối bán kính số lượng 2x2 để đơn giản hóa tính tốn cấu hình thực tế trạm thu phát gốc cần thiết Excel lựa chọn cơng cụ chính, phù hợp với thiết bị di động, giá trị BER tính tốn kết hợp với hỗ trợ mô MATLAB để thực q trình kết mơ hình 3.2 định cỡ Excel ứng dụng bảng tính với tính đặc biệt để thực tính tốn cung cấp loạt đồ họa thân thiện dễ sử dụng người dùng, điều tạo nên tính phổ biến rộng rãi ứng dụng [20] Bảng tính thiết kế riêng biệt trang, tính tốn trung gian cơng thức chi tiết đặt trang tách biệt Do đó, người dùng sử dụng công cụ mà không cần thiết vào chi tiết công thức Lý tưởng nhất, người dùng phải nhập thông số đầu vào trang yêu cầu đầu vào thu kết đầu trang Hình 3.2: Thực thi mơ kênh truyền kết cuối Ngồi bảng tính cịn xây dựng với hai ngôn ngữ tiếng Anh tiếng Việt, người sử dụng lựa chọn ngôn trang nhập liệu để thiết lập ngơn ngữ tồn bảng tính Giao diện đầu vào hình 2.12, tính tốn RLB hình 2.13 kết đầu hình 2.14 10 15 Tốc độ tăng trưởng thuê bao sử dụng dịch vụ 3G cao, sau năm vào hoạt động 10 th bao có th bao sử dụng dịch vụ 3G tỷ lệ ấn tượng so với mặt chung nước khu vực Trong có số dịch vụ đạt tỷ lệ sử dụng đáng ý bảng 3.1 Với trăm triệu thuê bao di động, cộng với phát triển ngày tăng nội dung số, dịch vụ liệu điện thoại di động hứa hẹn mạng lại doanh thu to lớn năm tới Bảng 3.1: Thống kê số dịch vụ liệu [23] Dịch vụ Hình 2.12: Thơng số đầu vào cơng cụ định cỡ Tỷ lệ Mobile Internet 5% Tải nhạc chuông 5% Tải hình ảnh 4% Nghe nhạc trực tuyến 4% Tải nhạc hồn chỉnh 3% Tín nhắn MMS 2% Tin nhắn cập nhật 2% Chat 2% Tải nội dung lên 1% Tải trò chơi 1% Xem video điện thoại 1% 14 11 Thơng số Hình 3.1: Thống kê LTE toàn cầu [24] 3.2 Nhu cầu phát triển LTE VIỆT NAM Kể từ khai trương dịch vụ 3G Việt Nam (WCDMS / UMTS, WCDMA/HSPA, WCDMA/HSPA+) tới lượng thuê bao lưu lượng sử dụng dịch vụ liệu không ngừng gia tăng Đơn vị 23 0 31 Băng tần Băng thông Độ hiệu dung Băng tần Băng tần khả dụng Tổng số sóng mang Mhz Mhz % Mhz 2600 90 4.5 300 Mật độ nhiễu nhiệt Tổng nhiễu nhiệt dBm/Hz dBm Độ lợi ăng ten Hệ số nhiễu Suy hao phía thu UE (độ lợi, suy hao) dB dB dB dB Tải ô lân cận Nhiễu từ ô lân cận SINR yêu cầu MSC Kết mô SINR yêu cầu biên ô dB SINR yêu cầu Tổn thất dB yêu cầu dịch vụ với trải nghiệm cao Các dịch vụ trước Tổn thất SD of SF Dự trữ fading dB/Km dB dB Tổng suy hao dB di động Việc phát triển dịch vụ liệu động lực để phát triển công nghệ LTE Việt Nam 18 13 a b c d e D=a+b-c+d-e Eff_BW=BW*BW_eff G=No * W h i j K=h-i-j l m QPSK 1/3 đầu cuối người dùng không ngừng tăng người dùng ln thực máy tính, thực đầu cuối -174 -107.47 50 3.0103 thơng cịn tiếp tục tăng nhanh thời gian tới khả xử lý phong phú dịch vụ với chất lượng tốt Và yêu cầu băng Mô tả dBm dB dB dB dB dB Cơng thức Shannon Số bít giây (Kb/s) Tỷ lệ mã Độ hiệu duụng tần số Alpha SINR yêu cầu biên ô Người dùng di động có nhiều hội tiếp cận với nhiều lựa chọn UL Công suất phát Độ lợi ăng ten Suy hao hệ thống Độ lợi phân tập Suy hao khác EIRP bps/Hz dB DL 46 14 0 60 2600 90 4.5 300 -174 -107.47 -8 50 3.0103 64QAM 1/3 S 12 8400 0.33333 0.56 0.38 2.49761 p 25200 q 0.3333 SE=1000*p*q/BW 1.68 Alph 0.38 S=10*log10(2^(SE/Alph)-1) 13.101 143.458 S L1=D-G+K-S 6.5 3.9 139.558 13.101 143.36 6.5 3.9 L Hình 2.13: Quỹ lượng đường truyền RLB 139.46 12 13 KẾT QUẢ ĐỊNH CỠ Chương ỨNG DỤNG TRONG LTE TẠI VIỆT NAM Đầu vào Băng thông (MHz) Băng tần (MHz) Loại địa hình Mơ hình kênh Suy hao tối đa 2600 City Okumura-Hata dB 3.1 Xu phát triển LTE giới Công nghệ di động LTE mang lại nhiều cải tiến vượt trội như: LTE đạt mức tải xuống 100Mb/giây tốc độ tối đa 3G 7,2Mb/giây, đạt độ trễ thấp (10 - 20 ms) có khả Kết Bán kính ô Omi directional site Bi-sector site Tri -sector site km Km2 Km2 Km2 sử dụng nhiều băng tần khác [12] Bên cạnh đó, LTE phát triển dựa kiến trúc mạng có nên giảm thiểu chi phí đầu tư xây dựng mạng Chính LTE đạt tốc độ tăng trưởng nhanh hẳn so với mạng trước 2G hay 3G Hình 2.14: Kết đầu Cho tới tính riêng năm 2012 phạm vi tồn 2.5 Kết luận chương giới có 42 nhà mạng khai trương dịch vụ LTE Và dự báo đến hết Chương hai tập trung phân tích làm rõ phương pháp định cỡ năm 2012 khoảng 150 nhà mạng 64 quốc gia hoàn thành triển mạng truy nhập vai trị định cỡ q trình quy khai LTE Cũng theo số liệu từ hiệp hội nhà cung cáp dịch vụ di hoạch mạng vô tuyến Đặc biệt sâu nghiên cứu quy trình định cỡ động GSA (Global Mobile Suppiers Association), có vùng phủ sóng thơng số liên quan tới q trình tính khoảng 338 nhà mạng 101 quốc gia tồn giới đầu tư tốn định cỡ vùng phủ sóng, đồng thời xây dựng cơng cụ định cỡ dựa mạng LTE, thành tựu đáng kinh ngạc sau bốn năm LTE phần mềm tính tốn Excel Trong chương tập trung vào thực tiễn [31] Hình 3.1 thể tranh tồn cảnh LTE phân tích khả ứng dụng LTE nước ta bước đầu toàn giới định cỡ  ... khai LTE nước ta, nên đề tài: ? ?Nghiên cứu định mạng truy nhập vô tuyến mạng di động hệ thứ – LTE? ?? cần thiết thực thạc sỹ kỹ thuật viễn thơng  Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết q trình định. .. Vì việc định cỡ mạng truy nhập vố tuyến mạng di động hệ thứ – LTE cần thiết Luận văn đạt số kết sau: - viện nghiên cứu hế thệ mạng truy nhập (Universal Terrestrial Giới thiệu tổng quan mạng nêu... định cỡ mạng vơ tuyến, q trình thực định cỡ mạng truy nhập LTE Đồng thời tập trung nghiên cứu chi tiết định cỡ vùng phủ sóng dung lượng Tìm hiểu trạng mạng di động nước ta đồng thời nghiên cứu