Trong WCDMA, mạng truy nhập vô tuyến được gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). Các phần tử của UTRAN rất khác với các phần tử ở mạng truy nhập vô tuyến của GSM. Vì thế khả năng sử dụng lại các BTS và BSC của GSM là rất hạn chế.
Hình 1.4. Cấu trúc hệ thống UMTS
- Về logic, CN được chia làm miền chuyển mạch thoại (Circuit Switched) và
miền chuyển mạch gói (Packet Switched). UTRAN, CN và UE (User Equipment) với nhau tạo thành toàn bộ hệ thống UMTS.
Nguyễn Bá Phi – KTTT2 Trang 29
- Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN bao gồm hai hay nhiều hệ thống con mạng
vô tuyến RNS, có nghĩa là RNS là một mạng con trong mạng truy nhập vô tuyến UTRAN. Một RNS gồm có một RNC và một hoặc nhiều Node B. Giao diện Iu được sử dụng giữa RNC và CN trong khi các giao diện Iub được sử dụng giữa RNC và Node B. Trong UTRAN, các RNC kết nối với nhau thông qua giao diện Iur. Giao diện Iur có thể kết nối RNCs thông qua các kết nối trực tiếp giữa chúng hoặc kết nối chúng thông qua một mạng truyền dẫn.
- Chức năng của các phần tử trong hệ thống con mạng vô tuyến:
+ NodeB: để chuyển đổi dòng dữ liệu giữa các giao diện Iub và Uu. Do đó,
chức năng chủ yếu của node B là thực hiện xử lý lớp vật lý của giao diện vô tuyến (mã hoá kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ, điều khiển công suất...).
+ Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC): là phần tử mạng chịu trách nhiệm
điều khiển các tài nguyên vô tuyến của UTRAN. RNC giao diện với mạng lõi và kết cuối giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến (giao thức này định nghĩa các bản tin và các thủ tục giữa UE và UTRAN). RNC là điểm truy nhập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi, chẳng hạn như quản lý tất cả các kết nối đến UE. RNC điều khiển một node B cho trước được xem như RNC điều khiển (CRNC). CRNC chịu trách nhiệm điều khiển tải cho các ô của mình.
- Vai trò các các nút khác nhau của mạng chỉ được định nghĩa thông qua các
giao diện khác nhau. Các giao diện này được định nghĩa chặt chẽ để các nhà sản xuất có thể kết nối các phần cứng khác nhau của họ.
+ Giao diện Cu. Giao diện Cu là giao diện chuẩn cho các card thông minh. Trong UE đây là nơi kết nối giữa USIM và UE.
+ Giao diện Uu. Giao diện Uu là giao diện vô tuyến của WCDMA trong UMTS. Đây là giao diện mà qua đó UE truy nhập vào phần cố định của mạng. Giao diện này nằm giữa nút B và đầu cuối.
Nguyễn Bá Phi – KTTT2 Trang 30 + Giao diện Iu. Giao diện Iu kết nối UTRAN và CN. Nó gồm hai phần, IuPS cho miền chuyển mạch gói, IuCS cho miền chuyển mạch kênh. CN có thể kết nối đến nhiều UTRAN cho cả giao diện IuCS và IuPS. Nhưng một UTRAN chỉ có thể kết nối đến một điểm truy nhập CN.
+ Giao diện Iur. Đây là giao diện RNC-RNC. Ban đầu được thiết kế để đảm bảo chuyển giao mềm giữa các RNC, nhưng trong quá trình phát triển nhiều tính năng mới được bổ sung. Giao diện này đảm bảo bốn tính năng nổi bật sau:
Di động giữa các RNC.
Lưu thông kênh riêng.
Lưu thông kênh chung.
Quản lý tài nguyên toàn cục.
+ Giao diện Iub. Giao diện Iub nối Node B và RNC. Khác với GSM đây là giao diện mở.
1.6. Tổng kết chƣơng
Trong chương này, chúng ta đã đề cập đến vấn đề: tổng quan mạng thông tin di dộng WCDMA, phổ tần sử dụng, các phiên bản phát triển của hệ thống thông tin di động thứ 3, các đặc điểm cơ bản của mạng thông tin di dộng WCDMA cũng như cấu trúc mạng, các thành phần trong mạng WCDMA.
Nguyễn Bá Phi – KTTT2 Trang 31
CHƢƠNG 2: CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO DUNG LƢỢNG MẠNG 3G
Hiện nay khách hàng sử dụng các dịch vụ di động không đơn thuần là chỉ thực hiện các cuộc gọi thoại nữa, mà còn có nhiều tiện ích khác như: video call, video streaming, email, chat… Số lượng khách hàng sử dụng dịch vụ 3G ngày càng tăng , không những tại các khu vực thành phố nội thị mà còn ở các khu vực ngoại thành. Ngoài ra nhiều khu vực tại các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và các khu công nghiệp v.v… nơi có số lượng khách hàng sử dụng dịch vụ 3G lớn, các trạm 3G tại các khu vực này xuất hiện hiện tượng nghẽn bao gồm nghẽn công suất, nghẽn code v.v.… dẫn đến lượng dịch vụ 3G cung cấp cho khách hàng suy giảm. Ngoài ra, do số lượng thuê bao sử dụng dịch vụ 3G trên một trạm/cell lớn dẫn đến bán kích phủ sóng của trạm/cell bị co lại nên xuất hiện các vùng lõm, vùng sóng yếu nằm giữa các trạm cạnh nhau, mức thu Indoor suy giảm mặc dù các nhà mạng đã bổ sung lắp đặt thêm rất nhiều trạm mới. Để giải quyết được các vấn đề trên (lưu lượng và vùng phủ sóng), có những giải pháp sau đây:
- Nâng cấp cấu hình hoặc triển khai lắp đặt bổ sung thêm các trạm 3G mới tại
những khu vực có lưu lượng cao để tăng dung lượng phục vụ đồng thời lắp đặt bổ xung thêm các trạm 3G hoặc giải pháp sector kéo dài, Cell-Fi, Reapeater… vào những vùng lõm sóng yếu để đảm bảo vùng phủ sóng cho khách hàng.
- Sử dụng công nghệ DC-HSDPA/HSUPA để tăng tốc độ download/upload dữ
liệu. DC-HSDPA tốc độ download dữ liệu có thể lên tới 42Mbps.
- Refarming U900 nghĩa là tái sử dụng lại dải tần số 900 MHz để triển khai các
dịch vụ cho 3G.
Do thời gian để thực hiện có hạn nên luận văn chỉ tập trung đi vào nghiên cứu giải pháp và các kịch bản Refarming UMTS 900MHz và ứng dụng triển khai thực tế UMTS 900 tại khu vực Đông Anh – Mê Linh – Sóc Sơn.
Nguyễn Bá Phi – KTTT2 Trang 32
2.1. Giải pháp nâng cấp cấu hình cho Node B và Sector kéo dài
2.1.1. Giải pháp nâng cấp cấu hình
Thông thường các BTS/NodeB đều được triển khai lắp đặt theo cấu hình 3 - sector/site bằng việc sử dụng các anten định hướng (directional antenna) với góc của mỗi sector là 120 độ. Cấu hình này về mặt cơ bản có thể triển khai cho bất kỳ khu vực nào với khả năng cung cấp sự cân bằng giữa vùng phủ và dung lượng phục vụ. Tuy nhiên, đối với khu vực có lưu lượng lớn, địa hình nhà cửa dày đặc (suy hao thâm nhập lớn) ta có thể triển khai theo cấu hình 6-sector với mỗi sector 60 độ 3dB gain được tăng thêm do lobe chính trong antenna pattern nhỏ hơn. Do vậy, ngoài việc tăng được dung lượng phục vụ giải quyết được các vấn đề hiện tại nghẽn công suất và nghẽn code khi lưu lượng tại một trạm với 3-sector như hiện tại tăng cao đồng thời có thể tăng thêm vùng phủ theo chiều rộng lên tới 30%.
Hình 2.1. Sơ đồ kết nối 6-sector của Node B
2.1.2. Giải pháp sector kéo dài
Hiện nay, tại các thành phố lớn, thị trấn/thị xã và các khu công nghiệp – nơi có số lượng thuê bao sử dụng dịch vụ 3G cao, xuất hiện nhiều vùng lõm nằm xen kẽ giữa các trạm có số lượng thuê bao 3G cao (ngoài các vùng lõm, vùng sóng yếu do chưa có trạm 3G hay do cách xa các trạm 3G hiện có hoặc nằm trong các nhà xưởng bị che chắn) do đặc tính bán kính cell auto-dynamic của hệ thống 3G tự động giảm khi thuê bao 3G tăng.
Nguyễn Bá Phi – KTTT2 Trang 33 Hình 2.2. Sơ đồ kết nối Node B phân tán 3900 của Huawei
Để tăng vùng phủ sóng cho các vùng xen kẽ này ta thực hiện giải pháp kéo dài sector từ 1 trạm lân cận nào đó để phủ sóng bổ sung cho vùng lõm. Với thiết bị 3G sử dụng hệ thống Node B phân tán (distributed NodeB), cho phép RRU (Remote radio unit) của các Node B phân tán kéo dài ra xa khỏi phần BBU (Baseband Unit) của tram lên tới vài chục km bằng cách kéo dài sợi quang CPRI (Common Protocol Radio Interface). Khoảng cách kéo dài cho phép giũa RRU và Baseband phụ thuộc vào module SFP sử dụng tại 2 đầu RRU và Baseband (Module trên Card WBBP trên NodeB). Với module như hiện tại sử dụng loại eSFP: 850nm/multimode và sợi quang đa mode để kết nối cho giao diện CPRI giữa phần baseband (NodeB) và RRU/Antenna của các thiết bị NodeB Huawei trên mạng Vinaphone, cho phép kéo dài RRU ra xa trạm gốc được 500m. Để tăng khoảng cách kéo dài giữa phần Baseband (NodeB) và RRU & antenna có thể sử dụng các eSFP module với sợi quang đơn mode tại các bước sóng 1310nm hay 1550nm lên tới hàng chục km.
Nguyễn Bá Phi – KTTT2 Trang 34 RRU (Remote radio unit) và anten của trạm 1 – khu vực 1 (zone I) được kéo dài, lắp đặt để phủ sóng xen kẽ bổ sung vùng lõm (zone II) giữa vùng zone III và zone I. Với tính năng, licence thiết bị node B của nhà cung cấp Huawei cho phép:
- Mỗi NodeB cấu hình được tối đa 6-sector (6x4 = 24 cells) và do đó cho phép
từ 1 trạm 3G gốc mở rộng /kéo dài tối đa được thêm 3RRU tạo nên 3 vùng phủ sóng bổ sung mới với mỗi vùng tương đương 1 sector Mỗi sector kéo dài tạo ra các cell mới, khai báo được tối đa 3 cell/sector.
- Khoảng cách kéo dài phụ thuộc vào module eSFP được sử dụng tại RRU và
BBU (Baseband Unit). Với eSFP sử dụng CPRI (Common Protocol Radio Interface) đa mode bước sóng 850nm cho phép kéo dài tối đa 0,5km. Sử dụng eSFP với công suất lớn hơn và sợi quang đơn mode cho phép khoảng cách kéo dài lên tới hàng chục km.
- Anten sử dụng để phủ sóng bổ sung: có thể sử dụng anten định hướng hoặc
omi anten tùy thuộc vào vùng cần phủ sóng bổ sung.
Ƣu điểm và nhƣợc điểm của phƣơng án kéo dài sector:
- Ưu điểm:
+ Cơ động, dễ dàng triển khai có lắp đặt vào những vị trí phủ sóng bổ sung
mong muốn. Các RRU/anten kéo dài chỉ cần để gá hoặc treo trên các nóc nhà hay các cột nhỏ tại các khu vực cần bổ sung vùng phủ sóng.
+ Không cần phải xây dựng cơ sở hạ tầng như cột, nhà trạm, điều hòa… để
đặt trạm và các thiết bị đi kèm. Nên có thể sử dụng anten ngụy trang để triển khai tại các điểm đen khi không thỏa thuận được vị trí lắp đặt với dân chúng.
+ Về mặt kinh tế: Chi phí triển khai với cấu hình tương đương với một
trạm mới 03 sector thấp hơn rất nhiều khi lắp đặt 1 trạm gốc cấu hình tương tự (do chi phí mua thêm 3RRU + chi phí thuê vị trí lắp đặt 1RRU và anten/tháng < chi phí mua 1 trạm mới + chi phí xây dựng cơ sở hạ tầng cho 1 trạm mới + chi phí thuê CSHT/tháng).
Nguyễn Bá Phi – KTTT2 Trang 35
+ Đối với khu vực khép kín trong các nhà xưởng của các khu công nghiệp
thì chi phí triển khai sector kéo dài tiết kiệm kinh tế cũng như thời gian triển khai hơn rất nhiều so với việc lắp đặt hệ thống inbulding. Các khu công nghiệp (KCN) hiện đang triển khai sector kéo dài: KCN Sam Sung Bắc Ninh, KCN Foxconn Bắc Ninh, KCN Sam Sung Thái Nguyên…
- Nhược điểm: Phải trang bị thêm các khối nguồn 48V DC độc lập cho các
RRU.
2.2. Giải pháp Refarming UMTS900
2.2.1. Tổng quan về Refarming
2.2.1.1. Khái niệm Refarming
Refarming là một chiến lược mà các nhà khai thác viễn thông tái sử dụng lại tài nguyên tần số để triển khai công nghệ mạng vô tuyến mới nhằm cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần số và tốc độ dữ liệu. Do đó Refarming 900MHz là dành riêng 5MHz của băng tần GSM 900MHz để triển khai UMTS 900MHz.
Ngày 27/7/2009, tất cả 27 bộ trưởng viễn thông liên minh Châu Âu đã đồng thuận thống nhất triển khai Refarming UMTS 900MHz theo đó tất cả các nước thành viên được yêu cầu triển khai trong thời hạn 6 tháng. Các nhà khai thác viễn thông với tài nguyên phổ 900MHz được cấp phép có thể tiến hành các dự án Refarming ở băng tần 900MHz.
2.2.1.2. Lợi ích Refarming trên băng tần 900MHz
Hiện nay các thiết bị hoạt động trên băng 900MHz được sử dụng rộng rãi. Các thống kê chỉ ra rằng tính đến cuối năm 2008 có khoảng 80% các thiết bị vô tuyến hoạt động trên băng 900MHz. Cuối năm 2009, nhiều nhà cung cấp thiết bị đã bị hết hạn cấp phép GSM 900 do vậy họ cần tiến hành gia hạn cấp phép. Tháng 7/2009, liên minh Châu Âu – EU đã thống nhất là băng GSM 900 có thể được sử dụng cho UMTS. Do đó, một số nhà khai thác mạng có thể triển khai mạng UMTS mà không cần mua giấy phép sử dụng UMTS.
Nguyễn Bá Phi – KTTT2 Trang 36
2.2.1.3. Lợi ích vùng phủ của UMTS 900
Bên cạnh những thuận lợi nêu trên, so với băng tần 2100MHz, băng tần 900MHz thích hợp với môi trường vô tuyến hơn: khi truyền trong không gian tự do, suy hao băng tần 900MHz bé hơn 7dB so với băng tần 2100MHz; so với GSM thì UMTS có hiệu quả tần số cao hơn, độ nhậy cao hơn và có vùng phủ rộng hơn nhờ công nghệ trải phổ. Hình 2.4. dưới đây so sánh vùng phủ của UMTS 900, UMTS 2100, GSM 900 và DCS 1800. Trong hình chỉ ra với vùng phủ tương đương UMTS 2100 chỉ cần 30% số trạm UMTS 900. Do đó giảm được chi phí xây dựng trạm, cải thiện hiệu năng mạng. So với U 2100, bán kính vùng phủ HSPA của U 900 cũng tăng 70% do đó vùng dịch vụ HSPA được mở rộng làm sở cứ quan trọng để triển khai UMTS 900 cho vùng nông thôn. Cùng vùng phủ tương đương GSM 900, UMTS đảm bảo tốc độ dữ liệu cao trên 1Mbit/s.
Hình 2.4. So sánh vùng phủ của các loại mạng di động
Một ưu điểm quan trọng khác của UMTS 900 đó là: khả năng phủ tốt hơn nhiều so với UMTS 2100. Ưu điểm này xuất phát từ đặc mô hình truyền sóng Indoor và suy hao thâm nhập: băng tần 2100MHz có tần số cao hơn và suy hao thâm nhập ít hơn nhưng khả năng tán xạ của băng tần 2100MHz lại rất kém do vậy
Nguyễn Bá Phi – KTTT2 Trang 37 suy hao thâm nhập tổng cộng sẽ cao hơn băng 900MHz. Số liệu thống kê đo kiểm chỉ ra rằng, mức suy hao thâm nhập của băng tần 900MHz thấp hơn 3dB so với băng tần 2100MHz. Đặc biệt môi trường truyền sóng đường phố, suy hao thâm nhập của băng tần 900MHz thấp hơn 12dB so với băng tần 2100MHz. Trong môi trường đô thị (urban), suy hao thâm nhập của băng tần 900MHz thấp hơn 20dB so với băng tần 2100MHz. Do vậy, trong kịch bản phủ vùng đô thị UMTS 900 cho vùng phủ indoor cho chất lượng tốt hơn nhiều so với UMTS 2100.
Hình 2.5. So sánh suy hao thâm nhập giữa UMTS 900 và UMTS 2100
2.2.1.4. Lợi ích dung lƣợng của UMTS 900
Với cùng băng thông, UMTS có hiệu quả sử dụng tần số tốt hơn, cho dung lượng cao hơn so với GSM. Ngoài ra ở góc độ dung lượng, UMTS 900 cũng vượt trội so với UMTS 2100. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng trong các môi trường ít can nhiễu (noise & inteference limited) chẳng hạn như indoor hoặc vùng nông thôn, UMTS 900 cũng cho tốc độ throughput và dung lượng cao hơn UMTS 2100. Hình 2.6. dưới đây so sánh tốc độ throughput đỉnh giữa UMTS 900 và UMTS 2100 trong kịch bản phủ sóng indoor hay khu vực mật độ dân cư đông đúc.
Nguyễn Bá Phi – KTTT2 Trang 38 Hình 2.6. So sánh thông lượng đỉnh giữa UMTS 900 và UMTS 2100 trong khu vực
đông dân cư
Tỉ lệ người dùng Indoor càng lớn, lợi ích về dung lượng của UMTS 900 càng rõ rệt. Trong kịch bản vùng đồng bằng, UMTS 900 làm gia tăng mức thu ở vùng biên cell (edge cell) cải thiện SINR. Hình 2.7. dưới đây minh họa so sánh dung lượng giữa UMTS900 và UMTS2100 trong kịch bản vùng nông thôn.
Hình 2.7. So sánh thông lượng throughput cell giữa UMTS 900 và UMTS 2100 vùng nông thôn
Bảng 2.1. dưới đây liệt kê tốc độ của UMTS 900 và UMTS 2100 với các loại