a. Mạng thông tin di động thế hệ ba WCDMA
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 chỉ sử dụng điều khiển công suất vòng kín chậm. Ở WCDMA, nó thực hiện 1500 lệnh trong 1s, tức là khoảng 0.67ms là thực hiện một lệnh điều khiển, nhƣng đối với LTE, khoảng thời gian giữa hai lệnh cách nhau khoảng từ 2-3ms. Từ kết quả mô phỏng ta thấy đƣợc, cùng một mức thu tín hiệu nhƣ nhau (ở LTE là RSRP còn ở WCDMA là CPICH_RSCP) là -118.22 dBm chẳng hạn, ở WCDMA, UE phát mức công suất lớn hơn mức công suất phát ở LTE. Kỹ thuật điều khiển công suất của LTE đơn giản hơn mà hiệu quả tƣơng đƣơng với WCDMA, đó là một ƣu điểm của LTE.
5.3.3 Chuyển giao
Ở phần chuyển giao, ngƣời thực hiện đề tài chỉ mô phỏng dạng mô hình, các thông số chỉ là giả định để chỉ ra khi nào UE quyết định chuyển giao và khi nào không. Đồng thời cũng mô phỏng các dạng chuyển giao của LTE. Ở phần mô phỏng chuyển giao này, chia thành hai phần : trƣờng hợp chuyển giao thành công và trƣờng hợp chuyển giao không thành công. Chuyển giao trong LTE là chuyển giao cứng không có chuyển giao mềm, bao gồm các kiểu chuyển giao cùng mạng LTE và chuyển giao qua các mạng khác.
116
Khi RSRP thu đƣợc của cell đang phục vụ nhỏ hơn RSRP của cell kế cận thì UE thực hiện chuyển giao.
5.3.3.1 Trường hợp chuyển giao thành công
Hình 5.20: Trường hợp chuyển giao thành công
Phần mô phỏng thực hiện mô phỏng chuyển giao giữa các cell, các kiểu chuyển giao. Ở hình trên, mô phỏng UE đang chuyển giao từ cell1A qua cell1B, kiểu chuyển giao ở đây là bên trong LTE và cùng tần số. Mức chênh lệch RSRP và RSRQ giữa 2 cell để quyết đinh thực hiện chuyển giao đã đƣợc trình bày ở chƣơng 2. Trên hình mức RSRP đo đƣợc ở cell1A là -99 dB và -65 dB, UE nhận thấy mức RSRP thu đƣợc ở cell1B lớn hơn và do đó chuyển giao đƣợc thực hiện.
117
5.3.3.2 Trường hợp chuyển giao bị rớt
Hình 5.21: Trường hợp chuyển giao bị rớt
Chuyển giao có thể thực hiện không thành công có thể do nhiều nguyển nhân. Có thể quyết định chuyển giao đƣợc thực hiện quá trễ, có thể do điều kiện môi trƣờng…Chuyển giao cứng có khuyết điểm là cắt trƣớc khi nối, vì thế dễ xảy ra hiệu ứng ping pong. Hiệu ứng ping pong là hiện tƣợng UE bị chuyển giao liên tục trong vùng phục vụ. Do ảnh hƣởng của môi trƣờng xung quanh, làm cho RSRP thu đƣợc của cell phục vụ tại UE nhỏ, dẫn đến UE đƣợc quyết định chuyển giao qua cell khác, lát sau RSRP của cell phục vụ trở nên tốt, dẫn đến UE lại đƣợc chuyển giao lại cell đang phục vụ.
Phần mô phỏng đã trình bày cách tính toán số trạm cần thiết lắp đặt cho một vùng
phủ nhất định, đồng thời trình bày về chuyển giao và điều khiển công suất để tăng thêm hiệu quả cho việc quy hoạch mạng.
118
KẾT LUẬN
Cùng với sự phát triển nhanh chóng về mọi mặt của đời sống xã hội, thì nhu cầu của con ngƣời cũng ngày càng tăng trên tất cả các lĩnh vực. Đặc biệt trong lĩnh vực thông tin, con ngƣời mong muốn thông tin đƣợc cập nhập nhanh nhất, dữ liệu đƣợc lấy với tốc độ cao. Trong thông tin di động, công nghệ WCDMA ra đời là một bƣớc phát triển lớn, nó làm tăng tốc độ truy cập mạng lên đến 2Mbps, hỗ trợ nhiều loại hình dịch vụ Internet di động đa phƣơng tiện với chất lƣợng đƣợc cải thiện so với 2,5G. Trong giai đoạn tiếp theo, ngƣời ta phát triển một công nghệ mới đó là công nghệ HSDPA. Với nhiều kỹ thuật mới, công nghệ này có thể đạt tốc độ truyền dữ liệu lên đến 10Mbps. Tuy nhiên, công nghệ HSDPA cũng chƣa đáp ứng đƣợc hết đƣợc nhu cầu phát triển dịch vụ của con ngƣời. Ngƣời sử dụng mong muốn mạng có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn nữa, chất lƣợng dịch vụ tốt, đặc biệt là có khả năng tích hợp đƣợc với các mạng không dây khác. Với yêu cầu đó, mạng thông tin di động thế hệ 4 ra đời. Khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao lên đến 160Mbps, chất lƣợng các dịch vụ tốt, khả năng tích hợp dễ dàng với các mạng khác, đã phần nào đáp ứng đƣợc nhu cầu của con ngƣời.
Đề tài tìm hiểu công nghệ LTE, ứng dụng cho mạng Mobifone. Hiện tại vẫn chƣa có quyết định nền tảng công nghệ nào sẽ đƣợc chính thức triển khai cho mạng 4G. Nhƣng với các ƣu điểm của LTE, nó sẽ là ứng cử viên sáng giá. Ngƣời thực hiện đề tài chọn đề tài này nhằm nâng cao sự hiểu biết, đồng thời đây cũng là đề tài mới mẻ, phù hợp với thực tế. Luận văn đã thực hiện đƣợc:
Về phần lý thuyết là tìm hiểu quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động, mô tả tổng quan về mạng thông tin di động LTE, một công nghệ tiền 4G. Tìm hiểu về các kỹ thuật sử dụng trong LTE, chuyển giao, điều khiển công suất, đồng thời cũng so sánh điểm khác biệt giữa LTE và WCDMA trong các khía cạnh này.