a. Mạng thông tin di động thế hệ ba WCDMA
4.3.6 Điều khiển công suất kênh PUSCH của LTE
Công suất phát của UE ở hƣớng lên đƣợc định nghĩa nhƣ sau:
PPUSCH = min {Pmax , 10log10M + P0 + α.PL + δmcs +f(∆i) } (4.53)
Trong đó:
Pmax là công suất phát tối đa cho phép của UE. Nó phụ thuộc vào lớp công suất phát của UE.
M là số khối tài nguyên (RB). P0 là thông số cụ thể của cell/UE .
α là hệ số bù tổn hao. Nó thuộc [0,1]. Trong đó α = 0 là không có điều khiển công suất, 0<α<1 là điều khiển công suất phân đoạn (fractional control power) và α=1 là điều khiển công suất chuẩn (conventional control power).
PL là ƣớc lƣợng tổn hao đƣờng xuống. Nó đƣợc tính toán ở UE dựa trên RSRP. δmcs là điều chế và mã hóa đƣợc định nghĩa ở đặc tính của LTE.
f(∆i) với ∆i là giá trị điều chỉnh vòng kín và f là hàm cho phép sử dụng tích lũy để đạt đƣợc giá trị tốt nhất.
P0 đƣợc tính toán theo phƣơng trình sau:
P0 = α(SNR0 + IN) + (1- α)(Pmax -10log10M0) [dBm] (4.53)
Trong đó:
SNR0 là SNR đích của vòng hở
IN là công suất nhiễu trên khối tài nguyên.
M0 là số khối tài nguyên tƣơng ứng với SNR đích. Nó đƣợc giả sử bằng 1 để thực thi đơn giản.
Bảng 4.9 Lớp công suất phát của UE
Dải hoạt động Công suất lớp1 Công suất lớp 2 Công suất lớp 3 Công suất lớp 3 Công suất lớp 4
101 Công suất (dBm) Sai số (dB) Công suất (dBm) Sai số (dB) Công suất (dBm) Sai số (dB) Công suất (dBm) Sai số (dB) Công suất (dBm) Sai số (dB) Band I +33 +1/- 3 +27 +1/- 3 +24 +1/- 3 23 +2/- 2 +21 +2/- 2 Band II - - - - +24 +1/- 3 23 +2/- 2 +21 +2/- 2 Band III - - - - +24 +1/- 3 23 +2/- 2 +21 +2/- 2 Band IV - - - - +24 +1/- 3 23 +2/- 2 +21 +2/- 2 Band V - - - - +24 +1/- 3 23 +2/- 2 +21 +2/- 2 Band VI - - - - +24 +1/- 3 23 +2/- 2 +21 +2/- 2 Band VII - - - - +24 +1/- 3 23 +2/- 2 +21 +2/- 2 Band VIII - - - - +24 +1/- 3 23 +2/- 2 +21 +2/- 2 Band IX - - - - +24 +1/- 3 23 +2/- 2 +21 +2/- 2 Band X - - - - +24 +1/- 3 23 +2/- 2 +21 +2/- 2 4.4 KẾT LUẬN
Với điều kiện của Việt nam và cơ sở hạ tầng viễn thông mà Mobifone đang quản lý, việc nâng cấp từng bƣớc mạng lƣới thông tin di động nhằm tiến tới 4G, và trƣớc mắt đáp ứng nhu cầu dịch vụ GPRS nhƣ đã đề cập ở trên là hợp lý và cần thiết. Qua từng bƣớc phat triển nhƣ trên, ta có thể tận dụng nguồn cơ sở vật chất sẵn có, đồng thời tiếp cận đƣợc công nghệ hiện đại nhằm xây dựng một mạng lƣới thông tin di động hiện đại, đáp ứng đƣợc nhu cầu của ngƣời sử dụng.
102
Việc phát triển các thông tin di động thế hệ thứ tƣ là một xu hƣớng tất yếu mà tất cả các quốc gia trên thế giới đều phải thực hiện. Tuy nhiên, phạm vi, mức độ và thời gian triển khai sẽ khác nhau đối với điều kiện cụ thể của từng quốc gia, từng khu vực.
Chương 4 đã trình bày về cách quy hoạch mạng 4G LTE và ứng dụng quy hoạch này
ở TP.HCM. Để xác định số eNodeB cần thiết lắp đặt cho một vùng quy hoạch cụ thể, cần phải xác định số eNodeB theo vùng phủ và số eNodeB theo dung lượng. Từ hai kết quả này, ta lấy số eNodeB lớn hơn chính là số eNodeB cần thiết lắp đặt. Để quy hoạch vùng phủ ta cần dựa vào quỹ đường truyền và mô hình truyền sóng cụ thể, kết hợp với diện tích vùng cần phủ sóng. Quy hoạch dung lượng ta dựa vào MCS, băng thông và số user ước lượng cho từng quận cụ thể. Thêm vào đó, để tối ưu cho việc quy hoạch mạng, chuyển giao và điều khiển công suất cũng được sử dụng trong quy hoạch này.
103
CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG
Chƣơng này trình bày phần mô phỏng quy hoạch mạng 4G LTE sử dụng ngôn ngữ VS 2008 (Visual Studio 2008) và liên kết dữ liệu với SQL Server 2005 Express. Phần mô phỏng trình bày lại cách tính toán vùng bao phủ, quy hoạch dung lƣợng để đƣa ra số trạm cần thiết lắp đặt trong vùng cần phủ sóng mà cụ thể là TP.HCM. Đồng thời, để tối ƣu quy hoạch, phần mô phỏng cũng trình bày về điều khiển công suất và chuyển giao của LTE.
5.1 CÁC LƢU ĐỒ
Hình 5.1: Lưu đồ phần mô phỏng quy hoạch 4G LTE
104
5.2 QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE
Hình 5.3: Giao diện phần quy hoạch mạng LTE
5.2.1 Quy hoạch vùng phủ
Nhƣ lý thuyết đã nêu, để quy hoạch vùng phủ cho mạng LTE, ta cần các thông số về quỹ đƣờng truyền, các mô hình truyền sóng và diện tích vùng cần phủ sóng, ở đây cụ thể là TP.HCM.
105
Hình 5.4: Quỹ đường truyền của LTE
Hình trên mô phỏng lại cách tính toán quỹ đƣờng truyền của LTE. Nó bao gồm quỹ đƣờng lên và quỹ đƣờng xuống. Hiện tại, LTE là công nghệ còn rất mới mẻ, vì thế các thông số kỹ thuật để tính toán cho việc quy hoạch rất ít. Ngƣời thực hiện đề tài đã tìm nhiều tài liệu và chỉ tìm đƣợc hai bảng thông số ví dụ về quỹ đƣờng lên và quỹ đƣờng xuống của LTE. Áp dụng các công thức đã nêu ở chƣơng 3, ta tính đƣợc suy hao cực đại. Việc tính toán quỹ đƣờng truyền để suy ra tổn hao cực đại làm cơ sở cho quy hoạch vùng phủ. Quỹ đƣờng truyền lên đƣợc tính toán cho tốc độ 64 kbps, tƣơng ứng với mỗi tốc độ là sẽ có một số khối tài nguyên (RB) đƣợc phát đi, và tƣơng ứng với nó sẽ có băng thông nhất định. Chẳng hạn, đối với tốc độ 64 kbps ở đƣờng lên sẽ có 2 RB đƣợc phát đi và tƣơng ứng với nó là băng thông 360 KHz. 1 Mbps ở đƣờng xuống sẽ có 50 RB đƣợc phát đi và băng thông tƣơng ứng của nó là 9 MHz.
5.2.1.2 Các mô hình truyền sóng
Các mô hình truyền sóng là điều kiện thứ hai để có cơ sở tính toán vùng phủ. Dựa trên lý thuyết thì các mô hình truyền sóng bao gồm : các mô hình truyền sóng trong nhà, mô hình truyền sóng ngoài trời và môi trƣờng xe cộ. Mô phỏng các mô hình truyền sóng giúp ta nhập thông số để kết hợp với quỹ đƣờng truyền tính toán vùng phủ nhƣ đã nêu ở chƣơng 4.
Hình 5.5: Môi trường truyền sóng trong nhà
Phần mô phỏng các mô hình truyền sóng, ngƣời thực hiện đã đƣa ra các mô hình truyền sóng cụ thể để có thể áp dụng cho tất cả trƣờng hợp. Tùy vào khu vực ta quy
106
hoạch, ta sẽ chọn môi trƣờng truyền sóng thích hợp. Để áp dụng việc quy hoạch đối với TP. HCM ta sẽ chọn môi trƣờng Hata-Okumura, áp dụng cho thành phố lớn. LTE có thể hoạt động ở các tần số khác nhau của các mạng đã tồn tại ,vì thế ta giả thiết, tần số hoạt động của LTE nằm trong dãy tần số hoạt động của 3G là 1950 Mhz. Độ cao của anten có thể thay đổi, ta áp dụng chiều cao trung bình của anten là 30m, độ cao MS là 1.5 m. Đối với các nơi là trung tâm thì chiều cao anten có thể hơn. Ƣu điểm của mô phỏng là chƣơng trình tính toán có sẵn, nếu có thông số nhập vào thì sẽ cho ra kết quả.
Hình 5.6 : Môi trường truyền sóng ngoài trời
Hình 5.7: Môi trường xe cộ 5.2.1.3 Quy hoạch vùng phủ
107
sóng để nhập thông số, sau đó chọn quỹ đƣờng truyền, nhập diện tích vùng cần phủ, mà cụ thể là TP.HCM với diện tích 2098.7 km2, nhập hệ số K, hệ số này là hệ số của số sector đã đƣợc đề cập ở chƣơng 3. Ở đây ta chọn K = 1.95 tƣơng ứng với 3 sector. Kết quả tính đƣợc số BS tổng là số BS lớn nhất trong hai trƣờng hợp tính toán cho quỹ đƣờng lên và cho quỹ đƣờng xuống. Từ mô phỏng ta cũng tính đƣợc bán kính phủ sóng của LTE lên đến 5km, số BS tổng có giá trị là 5339 trạm.
Hình 5.8: Quy hoạch vùng phủ 4G LTE
5.2.2 Quy hoạch dung lƣợng của 4G LTE
Quy hoạch dung lƣợng là điều kiện thứ hai để tính đƣợc số trạm cần thiết để lắp đặt cho một vùng cụ thể, ở đây là TP.HCM. Dựa trên dân số của các quận của TP.HCM đƣợc liệt kê ở bảng 4.8 ở chƣơng 4, cùng với việc chọn tốc độ mã hóa và điều chế (MCS), băng thông kênh truyền, kỹ thuật anten đƣợc sử dụng ta tính toán đƣợc số trạm cần thiết đƣợc lắp đặt. Đồng thời chƣơng trình mô phỏng cũng tính toán đƣợc tốc độ đỉnh tối đa mà LTE có thể đạt đƣợc đối với mỗi băng thông kênh truyền cụ thể. Băng thông kênh truyền đƣợc sử dụng trong phần mô phỏng này bao gồm các băng thông của LTE : 1.4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 20 MHz. Các phƣơng thức điều chế bao gồm QPSK, 16QAM, 64QAM với các tốc độ mã hóa khác nhau. Các kỹ thuật anten đƣợc sử dụng là dòng đơn, 2x2 MIMO, 4x4 MIMO.
108
Hình 5.9 : Quy hoạch dung lượng 4G LTE
Vì chỉ có hai bảng thông số về quỹ đƣờng truyền, nên các thông số tính toán cho phần quy hoạch còn giới hạn nhiều. Ở phần quy hoạch dung lƣợng này, ta chọn băng thông kênh truyền là 1.4 Mbps tƣơng ứng với quỹ đƣờng truyền với băng thông 1 MHz của LTE. Hệ số utilisation đƣợc chọn là 0.6 và PAPR là 1.1, từ đó ta tính đƣợc tốc độ đỉnh tối đa là 0.86 Mbps. Số BS cho từng quận huyện của TP.HCM đƣợc liệt kê trên bảng và số BS tổng là tổng số BS của toàn thành phố có kết quả là 7863 trạm.
Từ mô phỏng này, ta có thể tính đƣợc tốc độ đỉnh tối đa (peak data rate) của LTE ứng với băng thông kênh truyền. Trên thực tế, băng thông kênh truyền của LTE lên đến 20 MHz, vì thế tốc độ đỉnh tối đa của LTE sẽ là 172.8 Mbps.
109
Hình 5.10: Tính toán tốc độ đỉnh
5.2.3 Tối ƣu số trạm
Hình 5.11: Tối ưu số trạm
110
phủ, ta tính đƣợc số trạm cần thiết để lắp đặt. Đó là số trạm lớn hơn trong hai trƣờng hợp. Vậy số trạm cần thiết lắp đặt cho TP.HCM là 6740.
5.2.4 So sánh vùng phủ của LTE và WCDMA
Hình 5.12 : So sánh quỹ đường truyền lên của LTE và WCDMA
Hình 5.13: So sánh quỹ đường truyền xuống của LTE và WCDMA
Phần mô phỏng trên tính toán quỹ đƣờng lên của LTE và WCDMA. Thông số còn giới hạn nên ngƣời thực hiện so sánh quỹ đƣờng truyền ở hai điều kiện khác nhau. Tốc
111
độ bit ở LTE liên quan đến băng thông kênh truyền, còn ở WCDMA tốc độ bit liên quan đến tốc độ chip (vì WCDMA sử dụng trải phổ). Từ kết quả quỹ đƣờng truyền cho thấy, ở đƣờng lên của LTE có suy hao đƣờng truyền lớn hơn so với WCDMA. Nhƣng ở đƣờng xuống tốc độ bit lớn hơn rất nhiều nhƣng độ chênh lệch suy hao cực đại không đáng kể. Đó là ƣu điểm của LTE, khi nó áp dụng kỹ thuật OFDM ở đƣờng xuống.
Hình 5.14: So sánh vùng phủ của LTE và WCDMA
Để so sánh vùng phủ, ta cũng tiến hành nhập thông số quỹ đƣờng truyền, chọn mô hình truyền sóng của từng công nghệ LTE và WCDMA, khi đó ta suy ra đƣợc bán kính và diện tích của LTE so với WCDMA. Từ mô phỏng ta thấy, vùng phủ của LTE lớn hơn nhiều lần so với vùng phủ của WCDMA. Bán kính phủ sóng của LTE là 5 Km, trong khi WCDMA là 0.5 Km. Tốc độ cao, dung lƣợng lớn, vùng phủ tăng, đó là các ƣu điểm nổi bật của LTE. Là động lực để thúc đẩy tiến từ 3G lên 4G.
5.3. CHUYỂN GIAO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT
Phần chuyển giao và điều khiển công suất đƣợc mô phỏng để tăng hiệu quả của việc quy hoạch mạng, ngƣời thực hiện mô phỏng mô hình điều khiển công suất và chuyển giao cho mạng LTE, không áp dụng cho TP.HCM.
112
5.3.1 Giao diện chính
Hình 5.15: Giao diện phần chuyển giao và điều khiển công suất
5.3.2 Điều khiển công suất
5.3.2.1 Điều khiển công suất LTE
Hình 5.16: Nhập dữ liệu cho điều khiển công suất
Hình trên mô tả phần nhập dữ liệu cho LTE trong phần điều khiển công suất. Các thông số cần thiết cho việc điều khiển công suất đƣợc đề cập ở chƣơng 2. Phần mô phỏng thực hiện ở tần số 2110 MHz, ở tốc độ dữ liệu 144 Kbps. Ở phần mô hình truyền sóng áp dụng mô hình Walfish-Ikegami, các thông số đã đƣợc trình bày nhƣ trên hình trên.
113
Ở phần mô phỏng này, ngƣời thực hiện giả sử các UE di chuyển quanh trạm, di chuyển theo hình lục giác (bán kính không đổi với các vị trí của UE), UE di chuyển ra xa trạm và UE di chuyển lại gần trạm. Đối với mỗi trƣờng hợp khác nhau, UE sẽ quyết định mức công suất phát khác nhau. Tùy theo mức RSRP mà UE thu đƣợc, UE sẽ quyết định tăng hay giảm công suất phát.
Điều khiển công suất ở LTE là điều khiển công suất ở đƣờng lên, ta không cần điều khiển công suất ở đƣờng xuống. Nó kết hợp cả điều khiển công suất vòng kín và vòng hở. Điều khiển công suất vòng kín ở đây là điều khiển công suất vòng kín chậm. Khi sử dụng điều khiển công suất vòng hở thì do ảnh hƣởng của môi trƣờng nên không chính xác vì thế cần có thành phần bù vào sự ảnh hƣởng đó. Khi máy di động nhận đƣợc tín hiệu RSRP từ trạm lớn thì nó điều khiển công suất nhỏ lại và ngƣợc lại, khi nhận đƣợc RSRP nhỏ thì nó tăng công suất phát lên.
Hình 5.17: Điều khiển công suất ở LTE
Kết quả mô phỏng cho thấy đƣợc, khi RSRP ở mức thu nhỏ, chẳng hạn nhƣ âm 115 dBm thì công suất phát của UE sẽ ở mức cao là 33.3 dBm, nhƣng RSRP thu đƣợc ở mức cao hơn, chẳng hạn nhƣ -48 dBm thì công suất phát của UE lại nhỏ lại là -19 dBm. Công suất phát tối đa của UE tùy theo lớp công suất của nó, đƣợc trình bày ở bảng 3.9 ở chƣơng 3. Nếu mức công suất phát của UE lớn hơn mức công suất phát tối đa thì cần
114 phải quy hoạch lại mạng.
5.3.2.2 So sánh điều khiển công suất của LTE và WCDMA
So sánh điều khiển công suất của LTE và WCDMA ta xét ở góc độ cùng một di động chuyển động, mức công suất phát của UE đối với LTE thấp hơn so với WCDMA.
Hình 5.18: Nhập liệu của WCDMA
Để so sánh điều khiển công suất của LTE và WCDMA, ta phải nhập liệu cho WCDMA. Ta sử dụng các thông số nhƣ nhau, về mô hình truyền sóng ta sử dụng mô hình Walfish-Ikegami, với tần số 2120 Mhz, và tốc độ 144 kbps.
Ở LTE ngƣời ta sử dụng công suất thu tín hiệu tham khảo RSRP để làm tham sô quyết định mức công suất phát, còn ở WCDMA, ngƣời ta sử dụng công suất thu mã tín hiệu RSCP để làm tham số đo lƣờng quyết định mức công suất phát.
115
Hình 5.19: So sánh điều khiển công suất của LTE và WCDMA
Thêm vào đó, LTE sử dụng SC-FDMA ở đƣờng lên, do đó các tín hiệu có tính trực giao, dẫn đến vấn đề gần xa ít ảnh hƣởng và nó không phải là vấn đề quan trọng cần chú ý đến nhƣ ở WCDMA. Vì thế, thay vì điều khiển công suất vòng kín nhanh, ở LTE