Hình 1.2: So sánh về ấu trúc giữa UMTS và LTE c [9]
Hình trên cho ta thấy sự khác nhau về cấu trúc của UTMS và LTE. Song song với truy nhập vô tuyến LTE, mạng gói lõi cũng đang cải tiến lên cấu trúc tầng SAE. Cấu trúc mới này được thiết kế để tối ưu hiệu suất mạng, cải thiện hiệu quả chi phí và thuận tiện thu hút phần lớn dịch vụ trên nền IP. Mạng truy nhập vô tuyến RAN
(Radio Access Network): Mạng truy nhập vô tuyến của LTE được gọi là E-UTRAN
và một trong những đặc điểm chính của nó là tất cả các dịch vụ, bao gồm dịch vụ thời gian thực, sẽ được hỗ trợ qua những kênh gói được chia sẻ. Phương pháp này sẽ tăng hiệu suất phổ, làm cho dung lượng hệ thống trở nên cao hơn. Một kết quả quan trọng của việc sử dụng truy nhập gói cho tất cả các dịch vụ là sự tích hợp cao hơn giữa những dịch vụ đa phương tiện và giữa những dịch vụ cố định và không dây.
Có nhiều loại chức năng khác nhau trong mạng tế bào. Dựa vào chúng, mạng
cóthể được chia thành hai phần: Mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi. Những chức năng như điều chế, nén, chuyển giao thuộc về mạng truy nhập. Còn những chức năng khác như tính cước hoặc quản lý di động là thành phần của mạng lõi. Với LTE,
Mục đích chính của LTE là tối thiểu hóa số Node. Vì vậy, người phát triển đã chọn một cấu trúc đơn Node. Trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong mạng truy
nhập vô tuyến WCDMA/HSPA, và vì vậy được gọi là eNodeB (Enhance Node B).
Những eNodeB có tất cả những chức năng cần thiết cho mạng truy nhập vô tuyến LTE, kể cả những chức năng liên quan đến quản lý tài nguyên vô tuyến.
Giao diện vô tuyến sử dụng trong E-UTRAN bây giờ chỉ còn là S1 và X2.
Trong đó S1 là giao diện vô tuyến kết nối giữa eNodeB và mạng lõi. S1 chia làm hai loại là S1 U là giao diện giữa eNodeB và SAE–GW và S1 MME là giao diện giữa - -
eNodeB và MME. X2 là giao diện giữa các eNodeB với nhau.
Hình 1.3: Cấu trúc cơ bản c a LTE [9] ủ
Mạng lõi: Mạng lõi mới là sự mở rộng hoàn toàn của mạng lõi trong hệ thống 3G, và nó chỉ bao phủ miền chuyển mạch gói. Vì vậy, nó có một cái tên mới: Evolved
Packet Core (EPC).
Cùng một mục đích như E UTRAN, số node trong EPC đã được giảm. EPC -
Một Node cụ thể được định nghĩa cho mỗi mặt phẳng, cộng với Gateway chung kết nối mạng LTE với Internet và những hệ thống khác. EPC gồm có một vài thực thể chức năng:
MME (Mobility Management Entity): Chịu trách nhiệm xử lý những chức năng mặt bằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao và quản lý phiên.
Gateway dịch vụ (Serving Gateway): Là vị trí kết nối của giao tiếp dữ liệu
gói với E UTRAN. Nó còn hoạt động như một node định tuyến đến những -
kỹ thuật 3GPP khác.
P-Gateway (Packet Data Network): Là điểm đầu cuối cho những phiên hướng về mạng dữ liệu gói bên ngoài. Nó cũng là Router đến mạng Internet.
PCRF (Policyand Charging Rules Function): Điều khiển việc tạo ra bảng giá và cấu hình hệ thống con đa phương tiện IP IMS (the IP Multimedia Subsystem) cho mỗi người dùng.
HSS (Home Subscriber Server): Là nơi lưu trữ dữ liệu của thuê bao cho tất cả dữ liệu của người dùng. Nó là cơ sở dữ liệu chủ trung tâm trong trung tâm của nhà khai thác.
Các miền dịch vụ bao gồm IMS (IP Multimedia Sub system) dựa trên các nhà -
khai thác, IMS không dựa trên các nhà khai thác và các dịch vụ khác. IMS là một kiến trúc mạng nhằm tạo sự thuận tiện cho việc phát triển và phân phối các dịch vụ đa phương tiện đến người dùng, bất kể là họ đang kết nối thông qua mạng truy nhập nào. IMS hỗ trợ nhiều phương thức truy nhập như GSM, UMTS, CDMA2000, truy nhập hữu tuyến băng rộng như cáp xDSL, cáp quang, cáp truyền hình, cũngnhư truy nhập vô tuyến băng rộng WLAN, WiMAX. IMS tạo điều kiện cho các hệ thống mạng khác nhau có thể tương thích với nhau. IMS hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích cho cả người dùng lẫn nhà cung cấp dịch vụ. Nó đã và đang được tập trung nghiên cứu cũng như thu hút được sự quan tâm lớn của giới công nghiệp. Tuy nhiên IMS cũng gặp phải những khó khăn nhất định và cũng chưa thật sự đủ độ chín để thuyết phục các nhà cung cấp mạng đầu từ triển khai nó. Kiến trúc IMS được cho là khá
phức tạp với nhiều thực thể và vô số các chức năng khác nhau.
IMS dựa trên các nhà khai thác: Là IMS đã được tích hợp sẵn trong cấu trúc của hệ thống 3GPP.
IMS không dựa trên các nhà khai thác: Là IMS không được định nghĩa trong các chuẩn. Các nhà khai thác có thể tích hợp dịch vụ này trong mạng của họ. Các UE kết nối đến nó qua vài giao thức được chấp thuận và dịch vụ video streaming là 1 ví dụ.
Các dịch khác không được cung cấp bởi 3GPP và cấu trúc phụ thuộc vào yêu cầu của dịch vụ. Cấu hình điển hình sẽ được UE kết nối đến máy chủ qua mạng chẳng hạn như kết nối đến trang chủ cho dịch vụ lướt web
Cấu trúc LTE liên kết với các mạng khác
Hình 1.5: Cấu trúc hệ thống cho m ng truy cạ ập3GPP và không phải 3GPP [9]
Hình 1.6:Cấu trúc hệ thống cho m ng truy c p ạ ậ 3GPP và liên mạng với CDMA 2000[9]
Hệ thống 3GPP hiện tại (GSM và WCDMA/HSPA) và 3GPP2 (CDMA2000
hóa, miễn là tối ưu tính di động với LTE. Với hệ thống 3GPP, điều này có nghĩa là một giao diện báo hiệu giữa SGSN (Serving GPRS Support Node) và mạng lõi mới, với hệ thống 3GPP2 cũng có một giao diện báo hiệu giữa CDMA RAN và mạng lõi mới.
Ví dụ tín hiệu điều khiển cho di động được xử lý bởi node Mobility
Management Entity (MME), tách rời với Gateway. Điều này thuận tiện cho việc tối ưu trong triển khai mạng và hoàn toàn cho phép chia tỉ lệ dung lượng một cách linh động. Home Subscriber Server (HSS) nối đến Packet Core qua một giao diện IP, và không phải SS7 như đã sử dụng trong mạng GSM và WCDMA. Mạng báo hiệu cho điều khiển chính sách và tính cước được dựa trên giao diện IP. Hệ thống GSM và WCDMA/HSPA hiện tại được tích hợp vào hệ thống mới qua những giao diện được chuẩn hóa giữa SGSN và mạng lõi mới. Người ta cố gắng kết hợp truy nhập CDMA cũng sẽ đưa đến tính di động liên tục giữa LTE và CDMA, cho phép sự mềm dẻo trong việc chuyển lên LTE.
LTE-SAE tiếp nhận khái niệm QoS theo từng lớp. Điều này cung cấp một giải pháp đơn giản và đến bây giờ vẫn hiệu quả cho những nhà khai thác có được sự phân biệt giữa những dịch vụ gói.
CHƯƠNG 2: QUY HO CH MẠ ẠNG 4G LTE VÀ ÁP DỤNG TRI N Ể
KHAI CHO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM
Quy hoạch mạng LTE cũng giống như quy hoạch mạng 3G. Ở hệ thống di động 4G, đường lên và đường xuống là bất đối xứng. Do vậy, một trong hai đường sẽ thiết lập giới hạn về dung lượng hoặc vùng phủ sóng. Việc tính toán quỹ đường truyền và phân tích nhiễu không phụ thuộc vào loại công nghệ sử dụng. Mục đích của pha định cỡ là để ước lượng số lượng các trạm cần sử dụng, cấu hình trạm và số lượng các phần tử mạng để dự báo giá thành đầu tư cho mạng. Chương này chúng ta sẽ tìm hiểu về quỹ đường truyền của LTE, các mô hình truyền sóng đểphục vụ cho quá trình ước lượng số eNodeB của mạng theo điều kiện tối ưu và số trạm 1
eNodeB theo điều kiện tối ưu 2 để từ đó ta quyết định được số eNodeB cầnthiết cho vùng cần quy hoạch.
2.1 Khái quát về quy trình quy hoạch m ng 4G LTE ạ –
Hình 2.1: Khái quát về quá trình quy hoạch mạng LTE Cấu hình mạng và định c ỡ Các yêu cầu và chiến lược đố ới v i vùng phủ, chất lượng và dung lượng cho m i lo i ỗ ạ Quy ho ch ạ vùng phủ và lựa chọn v tị rí trạm S ốliệu đo v ề đặc tính truy n d n ề ẫ
Tối ưu hóa vùng phủ và vịtrí trạm Phân tích nhiễu bên ngoài Nhận thực thích ứng Quy ho ch ạ tham s ố Đặc trưng vùng/cell Chiến lược chuy n giao ể T i tả ối đa RRM khác
Tối ưu hóa
mạng Báo cáo số liệu đo Phân tích hiệu năng thống kê Chất lượng Hiệu qu ả Tính sẵn Các yêu cầu v ề dung lượng Phân bố lưu lượng Phân bố ị d ch v ụ M c ngh n cho ứ ẽ phép các đặc tính v ề hàng đợi
2.1.1 Đặc điểm hệ thống 4G - LTE
Hệ thống LTE đã tinh giảm số lượng các Node mạng tham gia nhờ kiến trúc toàn IP. Mỗi máy đầu cuối trong hệ thống đều được cấp cho 1 địa chỉ IP và có kết nối trực tiếp đến hệ thống chuyển mạch SAE GW thông qua một đường hầm tunnel mà không cần phải qua các Node điều khiển vô tuyến như ở các hệ thống cũ (BSC
& RNC).
Mặt phẳng người dùng có kết nối đến Internet thông qua các Node mạng sau: trạm phát sóng eNodeB, cổng dịch vụ Serving Gateway, cổng mạng dữ liệu PDN Gateway. Máy di động đầu cuối LTE UE kết nối với eNodeB thông qua giao diện -
vô tuyến LTE - Uu, từ đó kết nối với SW (Serving Gateway) thông qua giao diện
S1-U. SW kết nối với PDN Gateway thông qua giao diện S5 và ra ngoài internet
thông qua Sgi.
Hình 2.2: Kiến trúc mạng 4G LTE [11] –
Ở LTE có thêm giao diện X2 dùng để kết nối trực tiếp giữa các eNodeB. Nhờ đó các quyết định chuyển giao có thể được thực hiện trực tiếp giữa các eNodeB mà không cần phải qua MME. Mạng lõi gói LTE cho phép kết nối đến mạng lõi 2G/3G
thông qua Serving Gateway. Việc này đảm bảo tính kế thừa và tương thích dịch vụ đối với các công nghệ trước đó. Giúp các nhà mạng triển khai dịch vụ LTE trong khi vẫn đảm bảo các dịch vụ 2G/3G khác vẫn được thông suốt.
2.1.2 Lựa chọn băng tần
Cả LTE và UMTS được định nghĩa cho một phạm vi rộng các dải tần số khác nhau, mà một hoặc nhiều carrier độc lập có thể hoạt động. Bảng 3.1 và 3 cho biết .2
chi tiết hoạt động tương ứng của băng tần FDD và TDD.
Đối với FDD, phân chia duplex không thực sự xác định, nhưng thông thường các cặp carrier của uplink và downlink ở một vị trí tương tự trong dãy tần số để phân chia duple thường xấp xỉ khoảng FDL Low - FUL Lownhư ở bảng 3.3.
Band Number Uplink (MHz) Downlink (MHz) Band Gap (MHz) Duplex Separation (MHz) UMTS Usage LTE Usage FUL Low - FUL High FDL Low - FDL High
1 1920-1980 2110-2170 130 190 Y Y 2 1850-1910 1930-1990 20 80 Y Y 3 1710-1785 1805-1880 20 95 Y Y 4 1710-1755 2110-2155 355 400 Y Y 5 824-849 869-894 20 45 Y Y 6 830-840 875-885 35 45 Y Y 7 2500-2570 2620-2690 50 120 Y Y 8 880-915 925-960 10 45 Y Y 9 1749.9-1784.9 1844.9-1879.9 60 95 Y Y 10 1710-1770 2110-2170 340 400 Y Y 11 1427.9-1452.9 1475.9-1500.9 23 48 Y Y 12 698-716 728-746 12 30 Y Y 13 777-787 746-756 21 31 Y Y 14 788-798 758-768 20 30 Y Y 17 704-716 734-746 18 30 N Y
B ng 2.1ả : Các băng tần UMTS và LTE dành cho FDD
Band FLow - FHigh (MHz) UMTS LTE
33 1900-1920 Y Y
34 2010-2025 Y Y
35 1850-1910 Y Y
B ng 2.2ả . Các băng tần UMTS và LTE dành cho TDD 2.1.3 Các yêu cầu đầu vào
a. Yêu cầu chính cho đầu vào
Bản đồ số
Mô hình truyền sóng theo từng khu vực 15 Suy hao đường truyền cho từng dịch vụ
Yêu cầu về lưu lượng trong quá trình mô phỏng Yêu cầu tiêu chuẩn dịch vụ
b. Sử dụng công cụ hỗ trợ trong quy hoạch mạng
Sử dụng bộ công cụ quy hoạch mạng như Aircom tool (Asset, Advantage, Ranopt). Ngoài ra sử dụng thêm Google Earth và Mapinfo.
2.1.4 Thách thức trong việc quy hoạch chung cho thế hệ mạng 2G/3G và 4G
LTE
Vấn đề nhiễu giữa LTE với 2G và 3G rất phức tạp trong quá trình quy hoạch mạng. Giải pháp về vấn đề nhiễu giữa LTE và 2G:
Hình 2.3: Vấn đề nhi u trong mễ ạng di động [8]
Nhiễu dải tần số khác nhau: Đưa ra khoảng bảo vệ, thêm bộ lọc băng tần, tăng
37 1910-1930 Y Y
38 2570-2620 Y Y
39 1880-1920 N Y
khoảng bảo vệ. Dải tần giống nhau, nhưng tần số lân cận: Vị trí trạm có thể là gần nhau, tốt nhất là dùng chung cơ sở hạ tầng giữa 2G và LTE. Dải tần và tần số giống
nhau: Thêm khoảng bảo vệ
Nhiễu giữa GSM/LTE có tần số giống nhau, khi GSM và LTE sử dụng chung băng tần và chung tần số, gây ra nhiễu qua lại. Vì vậy khoảng bảo vệ được yêu cầu trong lập kế hoạch mạng. Trong trường hợp sử dụng chung cơ sở hạ tầng, khi công suất nhiễu nền tăng 10dB thấp hơn công suất tạp âm nhiệt, thì công suất tạp âm nhận được sẽ giảm 0.4dB. Nó sẽ gây ra co giãn vùng phủ mạng.
2.2 Định c mỡ ạng vô tuyến 4G –LTE
Công việc định cỡ mạng vô tuyến (LTE) bao gồm nhiều bước nối tiếp nhau để tính toán quĩ đường truyền ình sau mô tả các nhóm tham số là đầu vào của quá , h
trình định cỡ mạng vô tuyến và các bước cần thực hiện trong quá trình định cỡ.
Hình 2.4: Các tham số đầu vào và mục tiêu của định c mỡ ạng vô tuyến [10] 2.2.1 Băng tần hoạt động và băng thông của kênh
Tiêu chuẩn LTE có thể được dùng với nhiều băng tần khác nhau. Ở Bắc Mỹ, dải
tần 700/800 và 1700/1900 MHz được quy hoạch cho LTE: 800, 1800, 2600 MHz ở
Châu Âu; 1800 và 2600 MHz ở Châu Á; và 1800 MHz ở Australia. Do đó, điện thoại từ nước này không thể làm việc ở nước khác. Người dùng sẽ cần một chiếc điện thoại có khả năng làm việc ở mọi băng tần để chuyển vùng quốc tế. Ngoài ra, chính phủ Brazil và CPqD đang thử nghiệm một phiên bản cụ thể của LTE ở băng tần 450 MHz
cho thị trường nông thôn.
Nhiều khả năng dải tần 2600 MHz sẽ được lựa chọn sử dụng tại Việt Nam. Ngoài ra các tính toán cũng cho độchính xác phù hợp nếu chúng ta chọn tần số giữa 2600 MHz của dải tần trong các tính toán liên quan đến UL va DL. Vì vậy các tính toán định cỡ trong luận văn sẽ sử dụng tần số 2600 MHz.
b. Băng thông của kênh
Việc tùy chỉnh băng thông của kênh truyền (Channel Bandwidth) là một trong các ưu điểm lớn nhất của giao diện vô tuyến LTE. E UTRAN có thể hoạt động với -
kênh băng thông trong khoảng từ 1.4 MHz cho đến 20 MHz như mô tả trong 3GPP TR 36.804. Vì vậy nhà khai thác LTE có thể triển khai công nghệ mới này trên thế giới tận dụng sự tùy chỉnh băng thông, thậm chí với tài nguyên vô tuyến rất hạn chế.
2.2.2 Các tham số đường truyền Tx/Rx
a. Công suất phát eNodeB Tx và UE
Công suất truyền tải cho eNodeB phải được xác định xem xét tới các giới hạn của thiết bị phần cứng sử dụng. Thông thường thiết bị eNodeB trên thị trường có thể hỗ trợ nhiều công suất phát khác nhau, một số chủng loại có thể phát theo nhiều hướng (Sector), mỗi hướng có công suất phát tương ứng. Công suất cho UE được chỉ định trong tiêu chuẩn của 3GPP. Các phân lớp công suất được liệt kê trong bảng