Kịch bản này có thể đƣợc triển khai cho vùng suburban và rural rồi lan rộng ra vùng urban, đó là những vùng mà cấu hình các trạm GSM 900 thấp và hiệu quả sử dụng phổ tần số thấp trong khi thuê bao đã tƣơng đối bão hòa. Khi mở rộng vùng triển khai tái phân bổ tần số sang vùng urban sẽ giải quyết đƣợc bài toán dung lƣợng và vùng phủ 3G Indoor. Quá trình phân bổ tần số UMTS900 này đƣợc mô hình hóa gọi là “nông thôn bao bọc thành thị” (rural areas encircling the cities)
Kịch bản này còn đƣợc triển khai cho vùng urban trƣớc sau đó lan rộng ra vùng suburban và rural. Quá trình tái phân bổ tần số UMTS900 nhƣ vậy đƣợc mô hình là “thành thị bao bọc nông thôn” (cities encircling the rural areas). Hình 2.9 dƣới đây mình họa kịch bản triển khai diện rộng phân bổ tần số UMTS900 trên mạng.
Hình 2.9 Phân bổ tần số UMTS900 diện rộng trên mạng [5]
2.5 Tổng kết chƣơng
Nâng cao dung lƣợng mạng thông tin di động thế hệ 3 WCDMA có nhiều giải pháp đƣợc đề ra. Các giải pháp nâng cao tài tuyên vô tuyến nhƣ nâng cấp cấu hình. Giải pháp phân bổ tần số UMTS 900 là giải pháp ƣu việt để nâng cao hiệu quả sự dụng tần số băng 900MHz, mở rộng vùng phủ, dung lƣợng cho mạng 3G mà chi phí đầu tƣ là tối ƣu nhất. Đây cũng là tiền đề thúc đẩy các nhà mạng áp dụng triển khai tái phân bổ tần số UMTS 900.
CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TÁI PHÂN BỔ TẦN SỐ UMTS 900 VÀ TRIỂN KHAI THỰC TẾ TRÊN MẠNG
VINAPHONE
Hiện nay với xu hƣớng phát triển của các thiết bị công nghệ ngày càng hiện đại, ra đời nhiều dòng điện thoại thông minh với giá cả ngày càng cạnh tranh. Hơn nữa thị phần về voice trên nền GSM có xu hƣớng giảm đi và lƣu lƣợng dự liệu ngày càng tăng yêu cầu về chất lƣợng dịch vụ.Theo xu hƣớng các nhà mạng đẩy nhanh hơn việc phủ sóng 3G rộng khắp, từ thành thị tới nông thôn. Ban đầu công nghệ UMTS 2100 băng tần 1920 – 1980/2110 – 2170MHz đã đƣợc nhiều nhà mạng xây dựng và đƣa vào sử dụng. Tuy nhiên chỉ tập trung chủ yếu phát triển tại khu vực thành thị, hơn nữa do suy hao về mặt truyền sóng do sử dụng băng tần cao gây không ít khó khăn về mặt đầu tƣ cũng nhƣ phát triển vùng xa. Để giải quyết bài toán nâng cao dung lƣợng mạng 3G Vinaphone áp dụng công nghệ phân bổ tần số UMTS 900 để triển khai các dịch vụ 3G trên băng tần 900MHz của mình đã đƣợc cấp phép.
3.1 Tổng quan mạng 3G Vinaphone
Hiện tại Mạng 3G của Vinaphone, tính đến tháng 3/2015 hiện có 16212 NodeB và 40 RNC của các hãng Motorola, Huawei và Erricson đƣợc kết nối vào mạng lõi theo thiết kế phân vùng Trung tâm VNP1,2,3 sau đây:
- Gồm 16212 NodeB đảm bảo phủ sóng 100% khu vực trung tâm huyện thị trên toàn quốc.
- Gồm 40 RNC đƣợc lắp đặt tại 35 tỉnh thành trên toàn quốc. Các RNC này đƣợc kết nối tới mạng lõi đặt tại Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Cần Thơ.
3.1.1 Hiện trạng sử dụng tài nguyên tần số băng 900MHZ và những hạn chế UMTS 2100 trên mạng Vinaphone chế UMTS 2100 trên mạng Vinaphone
Bảng 3.1 Dƣới đây liệt kê tái phân bổ băng tần 900MHz mạng Vinaphone đƣợc nhà nƣớc cấp phép triển khai GSM. Đơn vị sử dụng Băng 900MHz Băng 1800MHz Độ rộng kênh (kHz) Tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng Đƣờng DL Đƣờng UL Đƣờng DL Đƣờng UL VNP-MHz 935,1- 943,5 890,1- 898,5 1805- 1825 1710- 1730 200 TCN 68-219:2004 VNP – ARFCN 1 – 42 512 - 612
Bảng 3.1 Phân bổ tần số 900 MHz đƣợc cấp phép của mạng Vinaphone.
Dƣới đây là thống kê phân bổ sử dụng GSM 900 và DCS 1800 mạng Vinaphone tính đến tháng 01/2016 trong phụ lục 1
Type Band Tổng số BTS/Cell
Cell Band 900 48478 Band 1800 14956 BTS Band 900 16159 Band 1800 4983
Bảng 3.2 Phân bố BTS/Cell sử dụng băng tần số 900/1800 trên mạng Vinaphone
Phân bổ TRX sử dụng băng tần 900 trên mạng trong bảng phụ lục 2
Đánh giá hiện trạng sử dụng băng tần số 900MHz của Vinaphone có thể thấy: ngoại trừ các thành phố lớn trung tâm (Hà Nội, Tp. Hồ Chí Minh, Đà Nẵng), các thành phố/ huyện/ thị xã thuộc các tỉnh mật độ BTS/Cell/TRX sử dụng băng 900 tƣơng đối cao do ƣu điểm phủ sóng rộng của GSM 900, tuy nhiên hiệu quả sử dụng tần số GSM 900 các khu vực này tổng thể còn rất thấp. Hơn nữa lƣu lƣợng
trạm GSM 900 có xu hƣớng bão hòa và giảm nhẹ. Đây là các vùng nông thôn hoặc ngoại thành điển hình có tỉ lệ phủ sóng thiết bị UMTS 2100 hoặc SRAN đáng kể phù hợp với kịch bản triển khai phân bổ tần số diện rộng từ ngoại thành lan tỏa dần vào khu vực trung tâm.
3.1.2 Hạn chế của UMTS 2100, nguyên nhân tái phân bổ tần số UMTS 900 mạng Vinaphone mạng Vinaphone
Sự tăng trƣởng rất nhanh về lƣu lƣợng dữ liệu PS trên nền 3G (HSPA) kết hợp với số lƣợng bùng nổ ngƣời dùng sử dụng điện thoại smartphone thúc đẩy các nhà mạng trong đó Vinaphone không ngừng tìm cách mở rộng vùng phủ sóng 3G.
Tuy vậy mở rộng vùng phủ sóng 3G với nền tảng công nghệ UMTS 2100 đang gặp nhiều khó khăn do vùng phủ UMTS 2100 nhỏ hơn rất nhiều so với UMTS 900 (cùng vùng phủ UMTS 2100 thì UMTS 900 chỉ cần 30% số trạm là đảm bảo) do đó nếu triển khai phân bổ tần số UMTS 900 sẽ tiết kiệm rất nhiều chi phí đầu tƣ mở rộng mạng 3G.
Một thực tế khác mạng Vinaphone đang đối mặt sóng 3G trên nền tảng UMTS 2100 suy hao nhanh dẫn đến vùng phủ sóng trong nhà (indoor) không đảm bảo nhất là khu vực thành thị (suburban/urban) do mật độ xây dựng cao. Điều này làm cho nhà mạng ngày càng có nhiều khách hàng phàn nản về tốc độ truy nhập dữ liệu và phản ánh chất lƣợng dịch vụ sóng 3G. Đây cũng khó khăn gây nhiều áp lực cho mạng Vinaphone.
Thị trƣờng viễn thông trong nƣớc nói riêng và viễn thông thế giới đang có xu hƣớng ARPU giảm, trong khi lƣu lƣợng 2G mạng Vinaphone và cụ thể lƣu lƣợng trạm băng 900 đã có xu hƣớng ổn định và giảm nhẹ. Hơn nữa, nhìn tổng thể hiệu quả sử dụng tần số băng tần 900 vùng rural và suburban còn rất thấp.
Các yếu tố trên là tiền đề thúc đẩy cần nghiên cứu tìm giải pháp thực hiện tái phân bổ tần số UMTS 900 trên mạng Vinaphone.
3.2 Giải pháp tái phân bổ tần số UMTS 900 MHz
3.2.1 Quan hệ tần số và (U) ARFCN
Hiện nay các nhà khai thác mạng GSM sử dụng các băng tần sau: GSM 900Mhz, GSM 850MHz, GSM 1800MHz và GSM 1900MHz. Trên mỗi băng tần này, ARFCN đƣợc định nghĩa là số nguyên của 0.2Mhz và dải phân tách giữa hai tần số ARFCN là 200KHz. Bảng dƣới đây mô tả ánh xạ giữa tần số ARFCN và các tần số của GSM.
Băng tần Tần số sóng mang (UL) Kênh tần số Tần số sóng mang (DL) P-GSM 900 Fl(n) = 890 + 0.2 x n 1 n 124 Fu(n) = Fl(n) + 45 E-GSM 900 Fl(n) = 890 + 0.2 x n 0 n 124 Fu(n) = Fl(n) + 45 Fl(n) = 890 + 0.2 x (n-1024) 975 n 1023 R-GSM 900 Fl(n) = 890 + 0.2 x n 0 n 124 Fu(n) = Fl(n) + 45 Fl(n) = 890 + 0.2 x (n-1024) 955 n 1023 DCS 1800 Fl(n) = 1710.2 + 0.2 x (n-512) 512 n 885 Fu(n) = Fl(n) + 95 PCS 1900 FI(n) = 1850.2 + 2 x (n-512) 512 n 810 Fu(n) = FI(n) + 80 GSM 850 Fl(n) = 824.2 + 0.2 x (n-128) 128 n 251 Fu(n) = Fl(n) + 45
Tƣơng tự nhƣ vậy, trong UMTS 900 tần số ARFCN cũng đƣợc định nghĩa là số nguyên của 0.2MHz. Bảng dƣới đây ánh xạ giữa ARFCN và tần số của UMTS.
Băng tần UPLINK (UL) UE phát , Node B thu DOWNLINK (DL) UE thu , Node B phát UARFCN formula offset FUL_Offset [MHz] Dải tần số sóng mang (FUL) [MHz] UARFCN formula offset FDL_Offset [MHz] Dải tần số sóng mang (FDL) [MHz]
FUL_thấp FUL_cao FDL_thấp FDL_cao
I 0 1922.4 1977.6 0 2112.4 2167.6 II 0 1852.4 1907.6 0 1932.4 1987.6 III 1525 1712.4 1782.6 1575 1807.4 1877.6 IV 1450 1712.4 1752.6 1805 2112.4 2152.6 V 0 826.4 846.6 0 871.4 891.6 VI 0 832.4 837.6 0 877.4 882.6 VII 2100 2502.4 2567.6 2175 2622.4 2687.6 VIII 340 882.4 912.6 340 927.4 957.6 IX 0 1752.4 1782.4 0 1847.4 1877.4
Bảng 3.4 Ánh xạ giữa tần số ARFCN và các tần số của UMTS
Tần số ARFCN của UMTS đƣợc tính theo công thức sau: UMTS ARFCN = [Tần số (MHz) – Offset]*5. Trong đó Offset là 340 và Frequency (MHz) là tần số trung tâm tƣơng ứng với ARFCN của UMTS. Tần số trung tâm của UMTS trong dải từ 882.4MHz đến 912MHz (UL) và 927.4MHz tới 957.6MHz (DL) và phân tách nhau 200KHz.
Hai bảng trên chỉ ra rằng, cả 2 hệ thống GSM 900 và UMTS 900, phân tách tần số và phân tách song công giữa đƣờng UL và DL lần lƣợt là 200KHz và 45MHz. Cần lƣu ý rằng băng thông UMTS 900MHz tƣơng ứng với băng tần GSM E-GSM900 (bao gồm P-GSM) nhƣng tần số không lấy trong dải 956MHz đến 975MHz của băng R-GSM. Nhƣ vậy giải pháp tái phân bổ tàn số 900MHz sẽ lựa chọn dải UL: 880MHz tới 915MHz và DL: 925MHz tới 960MHz. Hiệu năng của giải pháp tái phân bổ tần số 900 MHz phụ thuộc rất nhiều việc phân tách tần số GU (GSM-UMTS). Do tần số phân tách GU trong băng 900MHz là số nguyên của 0.2MHz nên khoảng phân tách tần số GU sẽ là 2.2MHz, 2.4MHz hoặc 2.6MHz. Nếu phân tách GU mà không nhỏ hơn 2.6MHz thì băng thông của UMTS sẽ là 5Mbit/s; Nếu phân tách tần số GU là 2.2MHz/2.4MHz, thì băng thông của UMTS sẽ là 4.2MHz hoặc 4.6MHz. Trong tái phân bổ tần số U900 nếu băng thông UMTS nhỏ hơn 5MHz đƣợc định nghĩa là băng thông không tiêu chuẩn (non-standard). Và do đó tần số GSM đƣợc phân tách với tần số trung tâm UMTS là 2.2MHz hoặc 2.4MHz cũng đƣợc gọi là phân tách tần số không tiêu chuẩn.
3.2.2 Ứng dụng băng thông UMTS không tiêu chuẩn
Một trong các băng thông UMTS 900 không tiêu chuẩn là băng tần 4.2MHz. Khi đó phổ công suất của UMTS tập trung trong dải 4.2MHz xung quoanh tần số trung tâm. Nhƣ vậy tần số với mật độ phổ ở biên đƣợc dùng cho các sóng mang GSM nhƣ hình dƣới đây. Nhƣ vậy so với UMTS tiêu chuẩn 5MHz, UMTS không tiêu chuẩn có thể dành thêm đƣợc từ 1 đến 2 tần số cho sóng mang GSM.
Phổ công suất sóng mang
Phổ công suất UMTS
4.2 MHz độ dốc bộ lọc Phổ công suất sóng mang GSM khác 4.2 MHz 2.2 MHz 2.6 MHz 2.6 MHz
Hình 3.2 Ứng dụng phân tách nhỏ trong phổ công suất GU [7]
Các hãng cũng cấp thiết bị SRAN của Huawei gần đây đều đã hỗ trợ phân tách GU 2.2 MHz hoặc 2.4MHz. Hình dƣới đây mô tả dạng phổ của các loại băng thông UMTS.
Với mỗi chế độ phân tách tần số GU khác nhau, mức độ ảnh hƣởng nhiễu giữa GSM và UMTS cũng khác nhau. Các nội dung dƣới đây sẽ phân tích các ảnh hƣởng và phƣơng pháp hạn chế can nhiễu giữ GSM và UMTS.
UMTS5.0M
UMTS4.6 M
UMTS4.2 M
Hình 3.3 Dạng phổ UMTS với các độ rộng băng thông khác nhau [7]
3.2.3 Tái Phân bổ tần số cho GU
Có hai giải pháp tái phân bổ tần số: tái phân bổ tần số kiểu sandwich và phân bổ tần số kiểu edge. Tùy thuộc hiện trạng sử dụng tài nguyên tần số của nhà khai thác mạng lựa chọn giải pháp phân bổ tần số GU phù hợp.
3.2.3.1 Tái phân bổ tần số kiểu sandwich
Trong giải pháp này, UMTS đƣợc lấy ở giữa băng, hai bên là GSM. Nếu phân tách tần số trung tâm f1 hoặc f2 nhỏ hơn 2.6MHz, GSM và UMTS có thể chia sẻ tài nguyên tần số với vùng mật độ phổ thấp hai sƣờn phổ của UMTS. Nhƣ vậy giải pháp này, tần số GSM dùng đƣợc thêm gấp đôi so với giải pháp kiểu edge.
Trong giải pháp sandwich, các sóng mang UMTS đƣợc thiết kế ở bất kỳ vị trí nào trong dải phổ của nhà mạng đƣợc cấp tùy thuộc vào chiến lƣợc sử dụng của nhà mạng. Đối với vấn đề mở rộng UMTS, nhà mạng cũng có thể cấp thêm tần số để hỗ trợ 2 sóng mang.
Để giảm thiểu việc điều chỉnh tần số UMTS trƣớc đó, có thể sử dụng phƣơng pháp cấp phát tần số bất đối xứng. Theo cách này, phổ liên tục GSM của dải còn lại phải lớn hơn 5 MHz.
GSM f1 f2 GSM
Hình 3.4 Tái phân bổ tần số kiểu Sandwich [7]
- Ưu điểm: Đối với nhà mạng việc sử dụng giải pháp tần số sandwich loại bỏ
đƣợc nhiễu GSM có băng tần lân cận của các nhà mạng khác. Trong thực tế, đi kèm giải pháp này còn sử dụng vùng đệm (buferzone) và do đó hoạt động của cả GSM và UMTS sẽ đƣợc đảm bảo không ảnh hƣởng can nhiễu lên nhau.
- Nhược điểm: Nếu sử dụng giải pháp tần số sandwich sau này nếu nâng cấp
mở rộng UMTS, tần số trung tâm của cả UMTS và GSM phải điều chỉnh theo. Tuy vậy điều này đƣợc giải quyết nếu xác định trƣớc dải tần cho UMTS theo chiến lƣợc.
Nếu hệ thống GSM sử dụng nhẩy tần (RF hoping), trong giải pháp tần số sandwich kênh BCCH sẽ không đƣợc cấp phát liên tục do vậy MA (Mobile Allocation) của các tần số còn lại cũng sẽ không liên tục dẫn tới làm tăng độ phức tạp trong việc thiết kế tần số GSM.
3.2.3.2 Tái phân bổ tần số kiểu Edge cho GU
GSM f1 UMTS f2 mạng GSM khác
Hình 3.5 Tái phân bổ tần số kiểu Edge [7]
Trong giải pháp này UMTS và GSM đƣợc chọn xen kẽ nhau. Trong đó phân tách tần số trung tâm (f1) giữa UMTS và GSM của cùng nhà mạng đƣợc cấu hình tối thiếu. Còn phân tách tần số trung tâm (f2) giữa UMTS và GSM của nhà mạng khác phải đảm bảo tối thiểu 2.6 MHz với các lý do sau:
Nếu phân tách tần số lân cận giữa UMTS và GSM của nhà mạng khác mà nhỏ hơn 2.6 MHz, băng thông của UMTS sử dụng là 4.2MHz nhƣng đầu cuối tiêu chuẩn vẫn sử dụng băng 5 MHz do đó tài nguyên tần số của nhà mạng khác sẽ bị chiếm dụng.
Ngoài ra, phân tách tần số GU không tiêu chuẩn can nhiễu bởi mạng GSM và GSM của mạng khác có thể bị can nhiễu ngƣợc bởi UMTS đặc biệt là nhiễu trên kênh tần số BCCH và PDCH kênh không đƣợc kích hoạt điều khiển công suất.
Ƣu điểm và nhƣợc điểm của giải pháp:
- Ưu điểm: Nếu lựa chọn giải pháp thiết kế tần số kiểu Edge và phân tách tần số
và GSM của mạng khác đƣợc kiểm soát. Khi đó do phổ GSM đƣợc cấp liên tục, tái phân bổ sẽ không làm gia tăng độ phức tạp trong việc thiết kế lại tần số. Và trong tƣơng lai khi mở rộng tần số thứ 2 sẽ không thay đổi nhiều.
- Nhược điểm:
+ Nếu lựa chọn giải pháp tái phân bổ tần số kiểu Edge và nhiễu giữa UMTS và GSM lân cận của mạng khác đƣợc kiểm soát. Khi đó đối với các trạm GU co-site, việc phân tích và điều chỉnh can nhiễu giữa UMTS và GSM dễ dàng. Tuy nhiên nhiễu giữa UMTS và GSM của mạng khác không nhỏ.
+ Nếu tần số lân cận đƣợc sử dụng bởi mạng GSM của nhà khai thác khác, khi đó UMTS sử dụng tần số vùng lân cận còn chịu ảnh hƣởng can nhiễu nhiều hơn từ cả hệ thống CDMA. Nhƣ vậy trong giải pháp cấp phát tần số kiểu Edge, để giảm can nhiễu giữa mạng UMTS và mạng GSM của nhà mạng khác thì phân tách tần số trung tâm giữa UMTS và GSM của mạng khác tối thiểu là 2.6 MHz.
3.2.3.3 Khả năng tái phân bổ tần số GU linh động trong thiết bị SRAN
Hiện nay thiết bị SRAN trên mạng Vinaphone hầu hết hỗ trợ tái phân bổ tần số băng UMTS không tiêu chuẩn và do đó tần số GSM 900MHz và UMTS 900MHz đƣợc cấp phát linh động. Thiết bị SRAN hỗ trợ băng thông từ 4.2Mbit/s đến 5 Mbit/s.
Hình 3.6 Các chế độ tái phân bổ tần số GU (GSM-UMTS) [7]
3.2.3.4 Tái phân bổ tần số GU 900 MHz băng không tiêu chuẩn
Trong thực tế triển khai giải pháp tần số edge hoặc sandwich, các tần số ARFCN GSM đƣợc sử dụng theo các mẫu tái sử dụng tần số khác nhau. Hình dƣới đây minh họa khi sử dụng mẫu 4 x 3.
2.4MHz 2.6MHz UMTS4.8M 2.6MHz 2.6MHz UMTS5.0 M 2.4MHz 2.4MHz UMTS4.6M 2.2MHz 2.6MHz UMTS4.6M 2.2MHz 2.4MHz UMTS4.4M 2.2MHz 2.2MHz UMTS4.2M
Hình 3.7 Quy hoạch tần số ARFCN khi phân tách tần số không tiêu chuẩn[7]
Trong hình trên, khi băng thông UMTS sử dụng 4.2Mbit/s, GSM cấu hình