ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE GVHD: SVTH: MSSV: TS Lê Quang Tuấn Nguyễn Thị Thùy Dương 06117013 TP.Hồ Chí Minh - Tháng 1/ 2011 PHẦN A GIỚI THIỆU Đồ án tốt nghiệp Trang i LỜI CẢM ƠN Sau khoảng thời gian học tập trường, khoảng thời gian khó quên chúng em Thầy bảo tận tình để giúp cho chúng em trang bị kiến thức để vững vàng bước vào đời Để ngày hôm nay, em xin gởi lời cảm ơn đến thầy cô môn Điện Tử Viễn Thông thầy cô khoa Điện-Điện tử hướng dẫn, truyền đạt kiến thức cho chúng em Em xin gởi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy TS Lê Quang Tuấn, công ty Viễn Thông Quốc nội (VTN), người trực tiếp tận tình hướng dẫn để em hồn thành đề tài Xin gởi lời cám ơn đến ba má động viên giúp đỡ vật chất tinh thần cho năm qua, đồng cảm ơn đến bạn bè luôn bên cạnh Xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc Người thực Nguyễn Thị Thùy Dương Đồ án tốt nghiệp Trang ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘICHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc  QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI Sinh viên thực hiện: MSSV: Ngành: Nguyễn Thị Thùy Dương 06117013 Công nghệ Điện tử - Viễn thông Tên đề tài: QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE VÀ ÁP DỤNG CHO TP.HCM 1) Cơ sở ban đầu: 2) Nội dung phần thuyết minh tính tốn: 3) Các vẽ: 4) Giáo viên hướng dẫn: TS Lê Quang Tuấn 5) Ngày giao nhiệm vụ: 6) Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Giáo viên hướng dẫn TS Lê Quang Tuấn Ngày … tháng … năm 2011 Chủ nhiệm môn Đồ án tốt nghiệp Trang iii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Ngày … tháng … năm 2011 Giáo viên hướng dẫn TS Lê Quang Tuấn Đồ án tốt nghiệp Trang iv NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Ngày … tháng … năm 2011 Giáo viên phản biện Ngày … tháng … năm 2011 Giáo viên phản biện Đồ án tốt nghiệp Trang v LỜI NĨI ĐẦU Ngành cơng nghệ viễn thơng chứng kiến phát triển ngoạn mục năm gần Khi mà công nghệ mạng thông tin di động hệ thứ ba 3G chưa có đủ thời gian để khẳng định vị tồn cầu, người ta bắt đầu nói cơng nghệ 4G (Fourth Generation) từ nhiều năm gần Thế nhưng, nói cách xác 4G gì? Liệu có định nghĩa thống cho hệ mạng thơng tin di động tương lai 4G? Ngược dịng thời gian Trong thập kỷ qua, giới chứng kiến thành công to lớn mạng thông tin di động hệ thứ hai 2G Mạng 2G phân loại: mạng 2G dựa TDMA mạng 2G dựa CDMA Đánh dấu điểm mốc bắt đầu mạng 2G đời mạng D-AMPS (hay IS-136) dùng TDMA phổ biến Mỹ Tiếp theo mạng CdmaOne (hay IS-95) dùng CDMA phổ biến châu Mỹ phần châu Á, mạng GSM dùng TDMA, đời Châu Âu triển khai rộng khắp giới Sự thành công mạng 2G dịch vụ tiện ích mà mạng lại cho người dùng, tiêu biểu chất lượng thoại khả di động Hình : Sơ đồ tóm lược q trình phát triển mạng thơng tin di động tế bào Tiếp nối hệ thứ 2, mạng thông tin di động hệ thứ ba 3G triển khai nhiều nơi giới Cải tiến bật mạng 3G so với mạng 2G khả cung ứng truyền thơng gói tốc độ cao nhằm triển khai dịch vụ truyền thông đa phương tiện Mạng 3G bao gồm mạng UMTS sử dụng kỹ Đồ án tốt nghiệp Trang vi thuật WCDMA, mạng CDMA2000 sử dụng kỹ thuật CDMA mạng TD-SCDMA phát triển Trung Quốc Gần công nghệ WiMAX thu nhận vào họ hàng 3G bên cạnh cơng nghệ nói Tuy nhiên, câu chuyện thành cơng mạng 2G khó lặp lại với mạng 3G Một lý dịch vụ mà 3G mang lại khơng có bước nhảy rõ rệt so với mạng 2G Mãi gần người ta quan tâm tới việc tích hợp MBMS (Multimedia broadcast and multicast service) IMS (IP multimedia subsystem) để cung ứng dịch vụ đa phương tiện Khái niệm 4G bắt nguồn từ đâu? Có nhiều định nghĩa khác 4G, có định nghĩa theo hướng cơng nghệ, có định nghĩa theo hướng dịch vụ Đơn giản nhất, 4G hệ mạng thông tin di động không dây 4G giải pháp để vượt lên giới hạn điểm yếu mạng 3G Thực tế, vào năm 2002, 4G khung nhận thức để thảo luận yêu cầu mạng băng rộng tốc độ siêu cao tương lai mà cho phép hội tụ với mạng hữu tuyến cố định 4G thể ý tưởng, hy vọng nhà nghiên cứu trường đại học, viện, công ty Motorola, Qualcomm, Nokia, Ericsson, Sun, HP, NTT DoCoMo nhiều công ty viễn thông khác với mong muốn đáp ứng dịch vụ đa phương tiện mà mạng 3G khơng thể đáp ứng Theo dịng phát triển… Ở Nhật, nhà cung cấp mạng NTT DoCoMo định nghĩa 4G khái niệm đa phương tiện di động (mobile multimedia) với khả kết nối lúc, nơi, khả di động toàn cầu dịch vụ đặc thù cho khách hàng NTT DoCoMo xem 4G mở rộng mạng thông tin di động tế bào 3G Quan điểm xem “quan điểm tuyến tính” mạng 4G có cấu trúc tế bào cải tiến để cung ứng tốc độ lên 100Mb/s Với cách nhìn nhận 4G mạng 3G LTE , UMB hay WiMAX 802.16m Nhìn chung khuynh hướng chủ đạo chấp nhận Trung Quốc Hàn Quốc Bên cạnh đó, 4G hệ 3G, tương lai không hẳn giới hạn mở rộng mạng tế bào Ví dụ châu Âu, 4G xem khả đảm bảo cung cấp dịch vụ liên tục, không bị ngắt quãng với Đồ án tốt nghiệp Trang vii khả kết nối với nhiều loại hình mạng truy nhập vơ tuyến khác khả chọn lựa mạng vơ tuyến thích hợp để truyền tải dịch vụ đến người dùng cách tối ưu Quan điểm xem “quan điểm liên đới” Do đó, khái niệm “ABC-Always Best Connected” (luôn kết nối tốt nhất) xem đặc tính hàng đầu mạng thơng tin di động 4G Định nghĩa nhiều công ty viễn thông lớn nhiều nhà nghiên cứu, nhà tư vấn viễn thông chấp nhận Dù theo quan điểm nào, tất kỳ vọng mạng thông tin di động hệ thứ tư 4G lên vào khoảng 2010-2015 mạng vô tuyến băng rộng tốc độ siêu cao Ở Việt Nam , 3G phát triển rầm rộ để tiến lên 4G khơng cịn xa Theo tin từ Tập đồn Bưu viễn thơng Việt Nam (VNPT), đơn vị vừa hoàn thành việc lắp đặt trạm BTS sử dụng cho dịch vụ vô tuyến băng rộng công nghệ LTE (Long Term Evolution), công nghệ tiền 4G Việt Nam Đông Nam Á Đồ án nghiên cứu Công nghệ 4G LTE công nghệ mẻ phù hợp với thực trạng Việt Nam Nội dung đồ án bao gồm phần : Phần A : Giới thiệu Phần B : Nội dung Chương 1: Giới thiệu hệ thống thông tin di động tổng quan mạng 4G Chương : Cấu trúc mạng 4G LTE vấn đề liên quan Chương : Quy hoạch mạng 4G LTE áp dụng cho TP HCM Chương : Mô Phần C : Phụ lục tài liệu tham khảo Trong trình thực đề tài, người thực có hạn chế khả cịn nhiều sai sót , mong đóng góp ý kiến thầy bạn bè Đồ án tốt nghiệp Trang viii MỤC LỤC PHẦN A : GIỚI THIỆU LỜI CẢM ƠN i QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .iii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iv MỤC LỤC viii MỤC LỤC HÌNH xii MỤC LỤC BẢNG xv PHẦN B : NỘI DUNG CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G 1 Sự phát triển hệ thống thông tin di động 1 1 Hệ thống thông tin di động hệ (1G) 1 Hệ thống thông tin di động hệ (2G) 1 Hệ thống thông tin di động hệ (3G) 1 Hệ thống thông tin di động hệ (4G) Tổng quan mạng 4G [12] Sự khác 3G 4G 10 Ưu điểm bật 11 1.3.2 Các ứng dụng tạo nên ưu điểm 4G LTE so với 3G 11 CHƯƠNG : CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 14 2.1 Giới thiệu công nghệ LTE 14 2.2 Cấu trúc LTE [1] 24 Đồ án tốt nghiệp Trang ix 2.3 Các kênh sử dụng E-UTRAN 29 2.4 Giao thức LTE (LTE Protocols) [2] 31 2.5 Một số đặc tính kênh truyền 34 2.5.1 Trải trễ đa đường 34 2.5.2 Các loại fading 34 2.5.3 Dịch tần Doppler 35 2.5.4 Nhiễu MAI LTE 35 2.6 Các kỹ thuật sử dụng LTE 36 2.6.1 Kỹ thuật truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM [1] 36 2.6.2 Kỹ thuật SC-FDMA [1] 46 2.6.3 Kỹ thuật MIMO [1] 48 2.6.4 Mã hóa Turbo [18] 50 2.6.5 Thích ứng đường truyền [18] 51 2.6.6 Lập biểu phụ thuộc kênh [18] 52 2.6.7 HARQ với kết hợp mềm [18] 52 2.7 Chuyển giao 53 2.7.1 Mục đích chuyển giao 53 2.7.2 Trình tự chuyển giao 54 2.7.3 Các loại chuyển giao 56 2.7.4 Chuyển giao LTE [3] 59 2.8 Điều khiển công suất [3] 60 2.8.1 Điều khiển cơng suất vịng hở [8] 61 2.8.2 Điều khiển cơng suất vịng kín [8] 62 CHƯƠNG : QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE VÀ ÁP DỤNG CHO TP.HCM 65 Khái quát trình quy hoạch mạng LTE 65 Đồ án tốt nghiệp Trang x Dự báo lưu lượng phân tích vùng phủ 66 Dự báo lưu lượng 66 2 Phân tích vùng phủ 67 3 Quy hoạch chi tiết 67 3 Quy hoạch vùng phủ 67 3 1 Quỹ đường truyền [2] 68 3 Các mô hình truyền sóng 77 3 Tính bán kính cell 83 3 Quy hoạch dung lượng 85 Quy hoạch cho TP Hồ Chí Minh 90 3.5 Tối ưu mạng 91 3.6 Điều khiển công suất kênh PUSCH LTE [7] 92 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG 95 4.1 Các lưu đồ 95 4.2 Quy hoạch mạng LTE 96 4.2.1 Quy hoạch vùng phủ 97 4.2.1.1 Quỹ đường truyền 97 4.2.1.2 Các mơ hình truyền sóng 98 4.2.1.3 Quy hoạch vùng phủ 100 4.2.2 Quy hoạch dung lượng LTE 100 4.2.3 Tối ưu số trạm 102 4.2.4 So sánh vùng phủ LTE WCDMA 103 4.3 Chuyển giao Điều khiển công suất 105 4.3.1 Giao diện 105 4.3.2 Điều khiển công suất 106 Đồ án tốt nghiệp Trang xi 4.3.3 Chuyển giao 109 4.3.3.1 Trường hợp chuyển giao thành công 110 4.3.3.2 Trường hợp chuyển giao bị rớt 111 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 113 PHẦN C: PHỤ LỤC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC : CÁC TỪ VIẾT TẮT 114 PHỤ LỤC : HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG 119 CHƯƠNG TRÌNH 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO 122 Đồ án tốt nghiệp Trang xii MỤC LỤC HÌNH Hình 2.1: So sánh cấu trúc UTMS LTE 24 Hình 2.2: Cấu trúc LTE 25 Hình 2.3: Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập 3GPP 27 Hình 2.4 : Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập3GPP khơng phải 3GPP 28 Hình 2.6: Giao thức UTRAN 31 Hình 2.7: Giao thức E-UTRAN 32 Hình 2.8: Phân phối chức lớp MAC, RLC, PDCP 32 Hình 2.9 : Truyền đơn sóng mang 36 Hình 2.10 : Nguyên lý FDMA 36 Hình 2.11 : Nguyên lý đa sóng mang 36 Hình 2.12 : So sánh phổ tần OFDM với FDMA 37 Hình 2.13 : Tần số-thời gian tín hiệu OFDM 37 Hình 2.14 : Các sóng mang trực giao với 38 Hình 2.15 : Biến đổi FFT 39 Hình 2.16 : Thu phát OFDM 39 Hình 2.17: Chuỗi bảo vệ GI 40 Hình 2.18 Tác dụng chuỗi bảo vệ 41 Hình 2.19 Sóng mang OFDMA 42 Hình 2.20 OFDM OFDMA 42 Hình 2.21 : Chỉ định tài nguyên OFDMA LTE 43 Hình 2.22 : Cấu trúc khối tài nguyên 44 Hình 2.23 : Cấu trúc bố trí tín hiệu tham khảo 45 Hình 2.24: Đặc tính đường bao tín hiệu OFDM 45 Đồ án tốt nghiệp Trang xiii Hình 2.25: PAPR cho tín hiệu khác 46 Hình 2.26: OFDMA SC-FDMA 47 Hình 2.28 Mơ hình SU-MIMO MU-MIMO 49 Hình 2.29: Ghép kênh không gian 50 Hình 2.30 Điều chế thích nghi 51 Hình 2.31: Nguyên tắc chung thuật tốn chuyển giao 55 Hình 2.32 : Chuyển giao mềm 57 Hình 2.33 : Chuyển giao mềm - mềm 58 Hình 2.34 : Chuyển giao cứng 58 Hình 2.35: Các loại chuyển giao 59 Hình 2.36: Điều khiển cơng suất vịng hở 62 Hình 2.37: Điều khiển cơng suất vịng kín 63 Hình 1: Khái quát trình quy hoạch mạng LTE 65 Hình : Các tham số mơ hình Walfisch-Ikegami 79 Hình 3: Quan hệ băng thông kênh truyền băng thông cấu hình 88 Hình 4.1 : Lưu đồ phần mô quy hoạch LTE 95 Hình 4.2 : Lưu đồ phần chuyển giao điều khiển công suất 96 Hình 4.3: Giao diện phần quy hoạch mạng LTE 96 Hình 4.4: Quỹ đường truyền LTE 97 Hình 4.5 Mơi trường truyền sóng nhà 98 Hình 4.6 : Mơi trường truyền sóng ngồi trời 99 Hình 4.7: Mơi trường xe cộ 99 Hình 4.8: Quy hoạch vùng phủ LTE 100 Hình 4.9 : Quy hoạc dung lượng LTE 101 Hình 4.10: Tính toán tốc độ đỉnh 102 Đồ án tốt nghiệp Trang xiv Hình 4.11: Tối ưu số trạm 102 Hình 4.12 : So sánh quỹ đường truyền lên LTE WCDMA 103 Hình 4.13: So sánh quỹ đường truyền xuống LTE WCDMA 103 Hình 4.14: So sánh vùng phủ LTE WCDMA 104 Hình 4.15: Giao diện phần chuyển giao điều khiển công suất 105 Hình 4.16: Nhập liệu cho điều khiển cơng suất 106 Hình 4.17: Điều khiển công suất LTE 107 Hình 4.18: Nhập liệu WCDMA 108 Hình 4.19: So sánh điều khiển cơng suất LTE WCDMA 109 Hình 4.20: Trường hợp chuyển giao thành công 110 Hình 4.21: Trường hợp chuyển giao bị rớt 111 Đồ án tốt nghiệp Trang xv MỤC LỤC BẢNG Bảng 2.1 : Các thông số lớp vật lý LTE 17 Bảng 2.2 : Tốc độ đỉnh LTE theo lớp 18 Bảng 2.3 : So sánh dịch vụ 3G so với 4G LTE 19 Bảng 2.4 : So sánh HSPA, WiMAX LTE 21 Bảng 2.5 : Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền 43 Bảng :Ví dụ quỹ đường lên LTE 71 Bảng : Ví dụ quỹ đường xuống LTE 73 Bảng 3 : So sánh quỹ đường truyền lên hệ thống 74 Bảng : So sánh quỹ đường truyền xuống hệ thống 75 Bảng : Các giá trị K sử dụng cho tính tốn vùng phủ sóng 85 Bảng : Tốc độ bit đỉnh tương ứng với tốc độ mã hóa băng thông 86 Bảng Giá trị băng thơng cấu hình tương ứng với băng thơng kênh truyền[4] 88 Bảng 3.8 Diện tích dân số quận TP.HCM [11] 90 Bảng 3.9 Các lớp công suất UE [10] 93 PHẦN B NỘI DUNG Đồ án tốt nghiệp Trang CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G Thông tin di động lĩnh vực quan trọng đời sống xã hội Xã hội phát triển, nhu cầu thông tin di động người tăng lên thông tin di động khẳng định cần thiết tính tiện dụng Cho đến nay, hệ thống thơng tin di động trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ hệ di động hệ đến hệ hệ phát triển giới - hệ Trong chương trình bày khái quát đặc tính chung hệ thống thông tin di động tổng quan mạng 4G 1 Sự phát triển hệ thống thông tin di động Khi ngành thông tin quảng bá vơ tuyến phát triển ý tưởng thiết bị điện thoại vô tuyến đời tiền thân mạng thông tin di động sau Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến thử nghiệm ST Louis, bang Missouri Mỹ Sau năm 50, việc phát minh chất bán dẫn ảnh hưởng lớn đến lĩnh vực thông tin di động Ứng dụng linh kiện bán dẫn vào thông tin di động cải thiện số nhược điểm mà trước chưa làm Thuật ngữ thông tin di động tế bào đời vào năm 70, kết hợp vùng phủ sóng riêng lẻ thành cơng, giải tốn khó dung lượng Chương : Giới thiệu hệ thống thông tin di động tổng quan mạng 4G Đồ án tốt nghiệp Trang Hình 1: Lộ trình phát triển hệ thống thông tin di động tế bào 1 Hệ thống thông tin di động hệ (1G) Những hệ thống thông tin di động đầu tiên, gọi hệ thứ (1G), sử dụng công nghệ analog gọi đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) để truyền kênh thoại sóng vơ tuyến đến th bao điện thoại di động Với FDMA, người dùng cấp phát kênh tập hợp có trật tự kênh lĩnh vực tần số Trong trường hợp số thuê bao nhiều vượt trội so với kênh tần số có thể, số người bị chặn lại khơng truy cập 1 1 Đặc điểm Mỗi MS cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến Nhiễu giao thoa tần số kênh lân cận đáng kể Trạm thu phát gốc BTS phải có thu phát riêng làm việc với MS cell Hệ thống FDMA điển hình hệ thống điện thoại di động tiên tiến AMPS 1 Những hạn chế hệ thống thông tin di động hệ Hệ thống di động hệ sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản Tuy nhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu ngày tăng người dùng dung lượng tốc độ Nó bao gồm hạn chế sau : Phân bổ tần số hạn chế, dung lượng nhỏ Chương : Giới thiệu hệ thống thông tin di động tổng quan mạng 4G