Tài liệu Hệ thống thiết kế quy hoạch cell cho mạng lte4g

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- NGUYỄN TRUNG QUÂN HỆ THỐNG THIẾT KẾ QUY HOẠCH CELL CHO MẠNG LTE/4G Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2013 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN PHẠM ANH DŨNG Phản biện 1: …………………………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………………………….. Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: ....... giờ ....... ngày ....... tháng ....... .. năm ............... Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 1 LỜI MỞ ĐẦU Tháng 9 năm 2010, Bộ thông tin truyền thông đã cấp phép cho 5 doanh nghiệp thử nghiệm dịch vụ 4G gồm VNPT, Viettel, FPT Telecom, CMC và VTC. VNPT đã đi tiên phong trong ứng dụng công nghệ mới khi hợp tác với một công ty của Nga để thử LT E tại Hà Nội vào tháng Mười năm 2010.Trước đó, vào tháng Mười, VDC, một thành viên của VNPT, hoàn thành việc lắp đặt các trạm LTE đầu tiên tại Hà Nội. Sự kiện này được mô tả là mở màn cho cuộc đua cung cấp dịch vụ 4G tại Việt Nam. Việc nghiên cứu thiết kế để triển khai mạng thông tin di động LTE/4G cần được đặt ra ngay từ thời điểm hiện nay để từng bước tiếp cận và theo sát sự phát triển công nghệ mới trên thế giới, cung cấp sở cứ khoa học cho việc xây dựng triển khai mạng 4G trong giai đoạn tiếp theo. Ngoài ra, thực tế triển khai mạng 3G cho thấy, việc nghiên cứu các phương pháp qui hoạch, thiết kế và ứng dụng hệ thống qui hoạch, quản lý và cung cấp dịch vụ cũng như quản lý điều hành mạng cần được nghiên cứu giải quyết ngay từ đầu để thiết lập mạng 4G một cách hiệu 2 quả nhất. Do vậy, việc thực hiện đề tài luận văn “Nghiên cứu xây dựng hệ thống Cell-Planning thiết kế, quy hoạch mạng LTE/4G” là hết sức cần thiết. Về nội dung, luận văn được chia làm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về LTE/4G. Trình bày về xu hướng phát triển các công nghệ 4G trên thế giới, đồng thời đưa ra những nghiên cứu về công nghệ LTE/4G. Chương 2: Nghiên cứu cụ thể các vấn đề kỹ thuật trong việc thiết kế, quy hoạch mạng, các vấn đề liên quan đến việc thiết kế quy hoạch chung cho thế hệ mạng GSM/3G và LTE/4G. Định cỡ mạng vô tuyến LTE là một vấn đề rất quan trọng trong quy hoạch. Từ đó trình bày kiến trúc hệ thống Cell-Planning được các nhà mạng ứng dụng trong việc quy hoạch mạng. Chương 3: Nội dung trình bày về việc quy hoạch thiết kế cho các Cell mạng LTE/4G và triển khai thử nghiệm thực tế tại một khu vực thuộc Hà Nội. Sau đó đưa ra báo cáo tính toán, đo đạt trên cơ sở kết quả chạy của công cụ quy hoạch (ASSET). 3 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ LTE/4G 1.1. Xu hướng phát triển các công nghệ 4G trên thế giới 1.1.1. Thị trường thông tin di động trên thế giới Năm 2015, Châu Á TBD được dự báo sẽ chiếm 40% lưu lượng dữ liệu toàn cầu. Băng rộng di động đang bùng nổ ở Châu Á TBD và nhanh chóng trở thành phương tiện chính cho truy cập Internet, một phần nhờ vào việc triển khai nhanh chóng các dự án mạng 3G. Chỉ số sẵn sàng băng rộng di động mới được thêm vào, chỉ ra rằng các quốc gia tạo ra một môi trường thuận lợi cho dịch vụ dữ liệu di động được phát triển thì sẽ có khả năng phát triển toàn bộ nền kinh tế xã hội vượt bậc hơn so với các nước khác. Hồng Kông và Việt Nam cũng nhảy lên trên, thể hiện sự tập trung mạnh mẽ vào việc thúc đẩy phát triển băng rộng di động. 4 1.1.2. Xu hướng phát triển công nghệ mạng di động từ 3G lên 4G Đối với các nhà khai thác hiện tại đang sử dụng công nghệ 3G UMTS, con đường cũng đã được vạch ra một cách rõ ràng trên cơ sở kế thừa cơ sở hạ tầng mạng GSM/UMTS có sẵn, giảm thiểu những thay đổi, sử dụng công nghệ mới nhất nhằm đảm bảo tốc độ truyền số liệu theo định nghĩa mạng 4G. Một số công nghệ được nhắc đến liên quan đến 4G như: UMB, OFDM, SDR, TDSCDMA, MIMO, WiMAX, LTE…. Tất cả các công nghệ này đã và đang được chuẩn hóa bởi các tổ chức viễn thông trên thế giới, làm nền tảng cho việc sản xuất thiết bị, xây dựng các hệ thống ứng dụng và tích hợp xây dựng và phát triển mạng 4G. 1.1.3. Tổng quan về công nghệ LTE Có 3 công nghệ được lựa chọn để phát triển lên mạng 4G bao gồm: LTE, WiMax và UMB. Tuy nhiên, vào năm 2009, tập đoàn Qualcomn, đơn vị chính tài trợ phát triển công nghệ UMB, đã chính thức tuyên bố chấm dứt mọi hoạt động nghiên cứu công nghệ UMB. Do đó có 5 thể thấy rằng Qualcomn đã đặt dấu chấm hết cho công nghệ UMB và tập trung phát triển công nghệ LTE. Về cơ bản, cả hai công nghệ LTE và WiMax đề sử dụng các kỹ thuật vô tuyến giống nhau là OFDMA. Tuy nhiên, xuất phát điểm của hai công nghệ này lại khác nhau. WiMax được phát triển trên nền tảng tiêu chuẩn 802 của ITU, trong khi đó LTE được phát triển từ nền tảng mạng 3G để đem lại tính tương thích và hội tụ tốt nhất đối với các công nghệ di động phổ biến đang sử dụng. Do đó LTE có lợi thế hơn WiMax ở tính tương thích với các công nghệ đang sử dụng trong giai đoạn triển khai, trong khi đó WiMax gần như phải đầu tư mạng hoàn toàn mới và khả năng chuyển giao với các công nghệ hiện tại tương đối hạn chế, đặc biệt là khả năng hỗ trợ của thiết bị đầu cuối của WiMax. 1.2. Nghiên cứu công nghệ LTE/4G 1.2.1. Các mục tiêu về năng lực hệ thống LTE được thiết kế hỗ trợ tốc độ truy nhập dữ liệu cao và trễ thấp như được mô tả tóm tắt trong Bảng 1. Dung lượng băng thông của UE đến 20 MHz cho cả phát 6 và thu (UL, DL). Tuy nhiên nhà cung cấp dịch vụ có thể triển khai với các băng tần khác nhau. Điều này cho phép họ khả năng mềm dẻo trong triển khai, có thể lựa chọn dải tần nhỏ với chi phí thấp trong thời gian đầu và nâng cao dung lượng khi có yêu cầu. Hình 1.1. Các yêu cầu năng lực LTE Hiệu suất băng tần trong LTE DownLink (DL) gấp 3 đến 4 lần so sánh với R6 HSDPA, UpLink (UL) gấp 2 đến 3 lần R6 HSUPA. Thủ tục chuyển giao handover trong LTE cũng hướng đến giảm thời gian gián đoạn (interruption time) so với handover trong mạng 2G. 7 1.2.2. Các thành phần chức năng chính trong hệ thống LTE Hình 1.2. Hệ thống LTE Evolved Radio Access Network (RAN) Phần evolved RAN cho LTE chỉ gồm 1 thiết bị duy nhất, eNodeB (eNB), giao diện với UE. eNB chứa các lớp PHYsical (PHY), Medium Access Control (MAC), Radio Link Control (RLC), và Packet Data Control Protocol (PDCP) và các chức năng mã hóa và nén mào đầu gói dữ liệu user-plane. 8 Serving Gateway (SGW) SGW định tuyến và chuyển tiếp các gói dữ liệu người dùng. Packet Data Network Gateway (PDN GW) PDN GW cung cấp kết nối cho UE đến các mạng gói ngoài với việc hoạt động như một cổng ra vào cho lưu lượng UE. Một UE có thể có nhiếu kết nối tới nhiều PDN GW để truy nhập đồng thời nhiều PDN. Mobility Management Entity (MME) MME là thực thể điều khiển đảm nhiệm các thủ tục tìm kiếm UE trong trạng thái idle và đánh thức (paging) bao gồm cả truyền tải lại. Nó có vai trò trong quá trình kích hoạt/giải hoạt phiên dữ liệu và lựa chọn SGW cho một UE khi bắt đầu kết nối và chuyển giao handover trong mạng LTE liên quan tới thay đổi node trong mạng lõi. Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên (PCRF) PCRF là một phần tử mạng chịu trách nhiệm cho việc điều khiển chính sách và tính cước (PCC: Plolicy and Charging 9 Control). Nó quyết định cách xử lý các dịch vụ theo QoS và cung cấp thông tin cho PCEF (chức năng thực thi chiến lược và tính cước) trong P-GW và nếu áp dụng nó cũng cung cấp thông tin cho BBERF (thiết lập ràng buộc kênh mang và báo cáo sự kiện) để có thể thiết lập các kênh mang và chính sách tương ứng. Server thuê bao nhà (HSS) HSS Là một bộ lưu giữ số liệu thuê bao cho tất cả số liệu cố định của người sử dụng. Nó cũng ghi lại vị trí của người sử dụng ở mức nút điều khiển mạng nơi mà người sử dụng đang làm khách, chẳng hạn MME. 10 CHƯƠNG 2 - THIẾT KẾ QUY HOẠCH CELL CHO MẠNG LTE/4G 2.1. Các vấn đề kỹ thuật trong thiết kế quy hoạch mạng 2.1.1. Đặc điểm hệ thống 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). Hình 2.1. Kiến trúc mặt phẳng điều khiển và người dùng 11 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 LTE 12 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, tính toán quỹ đường truyền a. 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. Hình 2.12 và 2.13 cho biết 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 13 tần số để phân chia duple thường xấp xỉ khoảng như trong Hình 2.12. Hình 2.3. Các băng tần UMTS và LTE dành cho FDD Hình 2.4. Các băng tần UMTS và LTE dành cho TDD 14 b. Tính toán quỹ đường truyền: Quỹ đường truyền được tính toán để ước lượng suy hao đường truyền cho phép đối với kết nối tới máy đầu cuối. Quỹ đường truyền (RLB) có thể được mô tả đơn giản qua công thức sau: Ở hệ thống LTE, chỉ số chất lượng tín hiệu cơ bản nhất chính là yêu cầu SINR. Suy hao cực đại cho phép của đường truyền được tính phải thỏa mãn 2 điều kiện sau: 2.2. Các vấn đề liên quan đến quy hoạch mạng vô tuyến GSM/3G/4G 2.2.1. Các yêu cầu đầu vào - 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 - 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. 2.2.2. Quy trình qui hoạch Chuẩn bị - Phân tích Vùng phủ (Trung tâm thành phố, thành phố, ngoại ô) - Đánh giá chất lượng dịch vụ - Yêu cầu dung lượng (mô hình lưu lượng) - Các tham số quĩ đường truyền (Mô hình truyền sóng) Định cỡ mạng vô tuyến Phân tích vùng phủ Phân tích lưu lượng Kết quả định cỡ bao gồm số trạm, cấu hình và các phần tử kênh - Lựa chọn vị trí trạm - Cân chỉnh mô hình truyền sóng - Khảo sát thực địa - Thông tin về các trạm đang phát sóng - Nhập dữ liệu vào hệ thống qui hoạch (Enterprise) Qui hoạch chung - Cấu hình các tham số Cell - Xác định và cấu hình Cell Neighbor (Cell lân cận) - Qui hoạch các tham số LAC/RAC Qui hoạch chi tiết Triển khai mạng Hình 2.5. Quy trình quy hoạch mạng vô tuyến 16 Quy trình quy hoạch trạm mới bao gồm các dữ liệu đầu vào như: khảo sát thực địa, cân chỉnh mô hình truyền sóng, kiểm tra và đánh giá dữ liệu trạm hiện có, lựa chọn ứng viên cho trạm mới dựa trên các công cụ quy hoạch mạng vô tuyến. Việc quy hoạch thông số chi tiết sẽ là phần cuối cùng trong quy trình quy hoạch mạng. 2.2.3. Thách thức trong việc quy hoạch chung cho thế hệ mạng 2G/3G và LTE/4G 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: 17  Nhiễu dải tần số khác nhau: Đưa ra khoảng bảo vệ, thêm bộ lọc băng tần, tăng 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. 2.3. Định cỡ mạng vô tuyến LTE Công việc định cỡ mạng vô tuyến (LTE) bao gồm nhiều bước nối tiếp nhau để tính toán quĩ đường truyền. Hình sau mô tả các nhóm tham số là đầu vào của quá trình định cỡ mạng vô tuyến và các bước cần thực hiện trong quá trình định cỡ. 18 Hình 2.6. Các tham số đầu vào và mục tiêu của định cỡ mạng vô tuyến 2.3.1. Băng tần hoạt động và băng thông của kênh a. Băng tần hoạt động Nhiều khả năng dải tần 2600 MHz sẽ được lựa chọn sử dụng tại Việt Nam cũng như nhiều nước trên thế giới. Ngoài ra các tính toán cũng cho độ chính 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