Tài liệu Tối ưu hóa mạng 4glte

l TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG THÁI NGUYÊN ----------------------------------------- BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài : TỐI ƯU HÓA MẠNG 4G/LTE GVHD: T h.S.Đỗ Văn Quyền Sinh viên thực hiện: 1 THÁI NGUYÊN – 2018 LỜI MỞ ĐẦU 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, TD-SCDMA, 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/LTE. 4G/LTE hứa hẹn sẽ cho tốc độ dữ liệu truyền trên kênh xuống (downlink) lớn hơn 100 Mbps và trên kênh lên (uplink) lớn hơn 50 Mbps. Giống như WiMAX, LTE/4G dựa trên nền tảng gói IP do đó sẽ không còn chuyển mạch kênh như trong các thế hệ 2G, 3G hiện tại. Kiến trúc mạng của 4G/LTE sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời. Tuy nhiên mạng 4G/LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G. Đây là điều này hết sức quan trọng cho nhà cung cấp trong việc mạng triển khai 4G/LTE mà không cần thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có. Song song với sự phát triển của công nghệ 4G, bám theo xu hướng ứng dụng của các nhà khai thác, các nhà cung cấp ứng dụng quản lý vận hành khai thác mạng, ứng dụng phát triển dịch vụ, thiết kế qui hoạch mạng cũng đang tiến hành nghiên cứu xây dựng các hệ thống ứng dụng sẵn sang cho việc xây dựng mới, khai thác và quản lý mạng 4G/LTE. Cùng với sự phát triển của mạng 3G và tiếp theo sẽ là mạng 4G với băng thông lớn sẽ mở ra cơ hội phát triển các dịch vụ viễn thông mới vốn đã phát triển mạnh trên mạng Internet, tạo điều kiện thuận lợi, hấp dẫn cho các nhà cung cấp nội dung, cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng có chất lượng cao như: Video Streaming, Video on Demand, Music on Demand, Mobile Banking, Mobile TV, Multiplayer Games… 2 4 Cùng với công nghệ, các giải pháp, thiết bị, chuẩn tích hợp và triển khai cũng được hoàn thiện sau những triển khai của nhiều nhà khai thác trên thế giới. Việc triển khai 4G/LTE ở Việt Nam sẽ là bước tiến tất yếu đối với nền công nghiệp viễn thông trong nước. Công tác quy hoạch thiết kế và quy hoạch mạng cũng như tối ưu hệ thống cung cấp dịch vụ là bước không thể thiếu trong việc triển khai xây dựng một hệ thống mạng thông tin di động. Theo các chuyên gia công nghệ viễn thông, các mạng di động hiện nay đầu tư rất nhiều cho việc tối ưu mạng và nâng cao chất lượng mạng. Điều này đã rất đúng với mạng 3G và sẽ là công tác rất quan trọng trong giai đoạn chuyển giao phát triển lên 4G. Do vậy, việc thực hiện đề tài “Tối ưu hóa mạng 4G/LTE” là hết sức cần thiết. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu về tối ưu hóa sau thiết kế, quy hoạch mạng 4G/LTE. Nghiên cứu phương pháp tối ưu hóa mạng 4G/LTE một cách hiệu quả, để góp phần cung cấp các dịch vụ 4G/LTE với dịch vụ tốt nhất và giá thành rẻ cho người dùng. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) b) Đối tượng nghiên cứu - Lý thuyết về tối ưu hóa mạng 4G/LTE. - Mạng truy nhập vô tuyến. - Các phần mềm hỗ trợ cho việc tối ưu hóa mạng 4G/LTE. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu về lý thuyết về tối ưu mạng 4G/LTE. - Nghiên cứu các phần mềm tối ưu mạng thông dụng nhất. Ý nghĩa khoa học của đề tài Công nghệ 4G/LTE đã được nghiên cứu và triển khai rộng rãi trên thế giới. Sau nhiều sự đầu tư và nghiên cứu, các nhà mạng Việt Nam đã cung cấp dịch vụ 4G/LTE đến khách hàng tuy nhiên số lượng cũng như chất lượng chưa cao. Với mục đích nghiên cứu để học tập và tìm ra những phương pháp tối ưu mạng 4G/LTE một cách hiệu quả về mặt kinh tế lẫn kĩ thuật nhằm góp phần cung cấp các dịch vụ 4G/LTE ngày càng đa dạng với giá thành 3 rẻ cho mọi người dân Việt Nam, tránh cho nước ta không bị tụt hậu ngày càng xa so với các nước đang phát triền trên thế giới trong viễn thông nói riêng. Mặt khác, công nghệ 4G/LTE được triển khai không lâu, do đó còn nhiều thiếu sót, hạn chế nên việc nghiên cứu về tối ưu mạng 4G/LTE là rất cần thiết và là cơ hội đem lại nhiều việc làm cho các kĩ sư nhất là sinh viên mới ra trường. Kết cấu đề tài Đề tài gồm 3 chương với nội dung tóm tắt như sau: Chương I : Tổng quan về hệ thống thông tin di động 4G/LTE Chương II : Vấn đề tối ưu trong mạng 4G/LTE Chương III : Ứng dụng tối ưu hóa cho mạng 4G/LTE tại một khu vực thuộc thành phố cấp 1 tại Việt Nam Kết luận : Tóm tắt kết quả nghiên cứu, các đề xuất kiến nghị. Em xin chân thành cảm ơn tới thầy Đỗ Văn Quyền, giảng viên khoa Công nghệ kĩ thuật điện tử và truyền thông đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thiện đề tài báo cáo thực tập này. Thái Nguyên, ngày... tháng 5 năm 2018 Sinh viên thực hiện 4 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G/LTE 1.1Nghiên cứu công nghệ 4G/LTE 1.1.1Tổng quan về 4G/LTE Mobile băng rộng đang dần trở thành hiện thực, khoảng 1.8 tỷ người sẽ sử dụng dịch vụ băng rộng vào năm 2012, trong số đó, 2/3 người dùng sẽ sử dụng dịch vụ mobile băng rộng, chủ yếu là các dịch vụ HSPA (High Speed Packet Access) và LTE (Long Term Evolution). Người dùng có thể duyệt web hoặc gửi email bằng cách sử dụng máy tính xách tay hỗ trợ HSPA, thay thế những modem DSL cố định bằng các thiết bị modem HSPA hoặc dongle USB, gửi hay nhận video hoặc âm nhạc bằng điện thoại 3G. Với 4G/LTE, người dùng sẽ được trải nghiệm dịch vụ tốt hơn, ví dụ như TV tương tác, mobile video blogging, games và các dịch vụ chuyên nghiệp khác. Hình 1.1 - Sự phát triển thuê bao băng rộng 1.1.1.1 Động cơ thúc đẩy - Cần thế hệ tiếp theo để cải thiện các nhược điểm của 3G và đáp ứng nhu cầu của người sử dụng. 5 - Người dùng đòi hỏi tốc độ dữ liệu và chất lượng dịch vụ cao hơn - Tối ưu hệ thống chuyển mạch gói. - Tiếp tục nhu cầu đòi hỏi của người dùng về giảm giá thành. - Giảm độ phức tạp. - Tránh sự phân đoạn không cần thiết cho hoạt động của một cặp hoặc không phải một cặp dải thông. 1.1.1.2 Quá trình phát triển của LTE - LTE ( viết tắt của cụm từ Long Term Evolution, có nghĩa là Tiến hóa dài hạn), công nghệ này được coi như công nghệ di động thứ 4. Hình 1.2.Quá trình hình thành 4G/LTE. - 4G/LTE là một chuẩn cho truyền thông không dây tốc độ dữ liệu cao dành cho điện thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ liệu. Nó dựa trên các công nghệ mạng GSM/EDGE và UMTS/HSPA, LTE nhờ sử dụng các kỹ thuật điều chế mới và một loạt các giải pháp công nghệ khác như lập lịch phụ thuộc kênh và thích nghi tốc độ dữ liệu, kỹ thuật đa anten để tang dung lượng và tốc độ dữ liệu. - Bắt đầu năm 2004, dự án LTE tập trung vào phát triển thêm UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) mạng truy cập vô tuyến mặt đất UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) hệ thống thông tin di động toàn cầu và tối ưu cấu trúc truy cập vô tuyến của 3GPP. - Mục tiêu hướng đến là dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1MHz so với mạng HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) truy 6 cập gói xuống với tốc độ cao Release-6 [20] tải xuống gấp 3 đến 4 lần (100Mbps). Tải lên gấp 2 đến 3 lần (50Mbps). - Năm 2007, LTE của kỹ thuật truy cập vô tuyến thế hệ thứ 3 “E-UTRA (Evolved UTRA)” phát triển từ những bước khả thi để đưa ra các đặc tính kỹ thuật được chấp nhận. Cuối năm 2008 các kỹ thuật này được sử dụng trong thương mại. - Các kỹ thuật OFDMA được sử dụng cho đường xuống và SC-FDMA (Single Carrier – Frequency Division Multiple Access) đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang được sử dụng cho đường lên. 1.1.1.3 Cấu trúc mạng 4G/LTE - Gồm 2 thành phần chính: Thành phần vô tuyến E-UTRAN (Evoled-Universal Terrestrial Access Network) và thành phần Packet Core EPC (Evoled Packet Core). - Loại bỏ node mạng NRC so với 3G. - Tách riêng luồng báo hiệu (Control Plane) và dữ liệu (User Plane). 1.1.1.4 Các đặc tính cơ bản của LTE - Hoạt động ở băng tần : 700 MHz - 2,6 GHz. - Tốc độ : DL (Down link) đường xuống là 100Mbps, UL (Up link) đường lên là 50 Mbps với 2 angten thu, một angten phát. - Độ trễ: nhỏ hơn 5ms - Độ rộng BW (Band Width) băng thông linh hoạt: 1,4 MHz; 3 MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15 MHz; 20 MHz. Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không. - Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15 km/h nhưng vẫn hoạt động tốt với tốc độ di chuyển từ 15-120 km/h, có thể lên đến 500 km/h tùy băng tần. - Phổ tần số: + Hoạt động ở chế độ FDD (Frequency Division Duplex) ghép song công phân chia theo tần số hoặc TDD (Time Division Duplex) ghép song công phân chia theo thời gian + Độ phủ sóng từ 5-100 km + Dung lượng 200 user/cell ở băng tần 5Mhz. - Chất lượng dịch vụ: + Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS. + VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng UMTS. Liên kết mạng: + Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN (GSM EDGE Radio Access Network) mạng truy cập vô tuyến GSM (Global System For Mobile Communications) hệ thống thông tin di động toàn cầu và EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) hiện có và các hệ thống không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo. + Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN sẽ nhỏ hơn 300ms cho các dịch vụ thời gian thực và 500ms cho các dịch vụ còn lại. 1.1.1.5 Các yêu cầu của LTE - Giảm trễ cả về thiết lập kết nối và độ trễ truyền dẫn. - Tăng tỷ lệ dữ liệu người dùng. - Tăng tốc độ bit, thống nhất về cung cấp dịch vụ. - Hỗ trợ lên đến 200 người dùng hoạt động trong một cell (5MHz). - Hiệu suất cao trong khoảng 15 – 120km/h. 7 - Giảm chi phí trên bit dữ liệu, nâng cao hiệu quả phổ truyền dẫn. - Tính linh hoạt hơn trong việc sử dụng phổ tần, trong cả băng mới và băng đã tồn tại. - Đơn giản hóa cấu trúc mạng. - Di động dồng nhất, bao gồm giữa các công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau. - Hợp lý điện năng tiêu thụ các thiết bị đầu cuối di động. 1.1.1.6 Lợi ích của 4G/LTE mang lại 4G/LTE mang lại nhiều lợi ích hơn cho người dùng và cả những nhà cung cấp dịch vụ: + Với hiệu suất sử dụng phổ tần lớn hơn, sử dụng các chương trình mã hóa thông minh hơn, các kỹ thuật nén tiến bộ hơn cũng như nhiều kỹ thuật ghép kênh mới vì vậy mà với cùng một lượng băng tần, trên cùng một dải tần thì 4G/LTE sẽ cho dung lượng lớn hơn khá nhiều so với 3G. Thêm vào đó, 4G/LTE cho phép nhà mạng có thể tận dụng được nhiều tài nguyên tần số khác nhau khiến các nhà mạng triển khai 4G/LTE có phần đơn giản hơn khi muốn mở rộng dung lượng hệ thống, 4G/LTE được đánh giá là sẽ giúp các nhà mạng triển khai giảm giá thành sản xuất trên mỗi bit dữ liệu, từ đó cung cấp dịch vụ với đơn giá rẻ hơn cho người dùng. + Với tốc độ truyền dẫn dữ liệu cao, độ trễ thấp, tính bảo mật cao, 4G/LTE không chỉ giúp cải thiện chất lượng một số dịch vụ đang cung cấp trên nền tảng 3G mà còn mở ra cơ hội phát triển nhiều dịch vụ, tiện ích mới cho người dùng. Do đó, người sử dụng có thể tiếp cận các dịch vụ, tiện ích đa dạng, phong phú hơn. 1.1.1.7 Các thông số lớp vật lý của LTE Các thông số lớp vật lý của LTE được xây dựng theo hai bảng sau: Kỹ thuật truy cập UL DTFS-OFDM (SC-FDMA) DL OFDMA Băng thông 1.4MHz, 3MHz, 5MHz, 10MHz, 20MHz TTI tối thiểu 1ms Khoảng cách sóng mang 15KHz Chiều dài CP (Cyclic Prefix) Ngắn 4.7µs Tiền tố chu trình Dài 16.7µs Điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM Ghép kênh không gian 1 lớp cho UL/UE, lên đến 4 lớp cho DL/UE, sử dụng MU-MIMO cho UL và DL Bảng 1.1: Các thông số lớp vật lý LTE. Lớp Tốc độ đỉnh 2 50 3 100 4 150 5 300 UL 5 25 Dung lượng cho các chức năng lớp vật lý 50 50 75 DL 1 10 Mbps 8 Băng thông RF 20MHz DL QPSK, 16QAM, 64QAM Điều chế UL QPSK, 16QAM QPSK, 16QAM, 64QAM Bảng 1.2 Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp. 1.1.1.8 So sánh công nghệ mạng 3G và 4G/LTE  Tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều lần so với 3G      Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần user/cell so với WCDMA Hiệu suất phổ cao Tốc độ dữ liệu cao: Phát nhiều dòng dữ liệu độc lập song song qua các anten riêng lẻ => tăng tốc độ dữ liệu. (sử dụng MIMO)  Độ trễ thấp + Thời gian cài đặt và thời gian trì hoãn chuyển tiếp ngắn + Trễ HO và thời gian ngắt ngắn : TTI ngắn, trạng thái RRC đơn giản - Giá thành rẻ: Cấu trúc mạng đơn giản, giảm các thành phần của mạng. - Chất lượng dịch vụ cao +Sử dụng các tần số cấp phép để đảm bảo chất lượng dịch vụ : LTE sử dụngcác dải tần số khác nhau : 2100 MHz, 1900 MHz, 1700 MHz, 2600 MHz, 900 MHz, 800 MHz. +Luôn luôn thử nghiệm ( giảm thời gian trễ trong điều khiển định tuyến) + Giảm độ trễ khứ hồi ( round trip delay) Tần số tái sử dụng linh hoạt  - Dung lượng và vùng bao phủ của WCDMA UL bị giới hạn bởi can nhiễu: can nhiễu bên trong cell và can nhiễu liên cell. Nhưng đối với LTE thì : do tính trực giao nên can nhiễu trong cùng một cell có thể không xét đến và giảm can nhiễu inter-cell bằng tái sử dụng cục bộ, thêm các anten có thể triệt can nhiễu. a) So sánh các dịch vụ của 3G so với 4G LTE Qua việc kếết nốếi của đường truyếền tốếc độ rấết cao, băng thống linh ho ạt, hi ệu suấết s ử d ụng ph ổ cao và giảm thời gian trếễ gói, LTE hứa hẹn sẽễ cung cấếp nhiếều d ịch vụ đa d ạng h ơn. Đốếi v ới khách hàng, sẽễ có thếm nhiếều ứng dụng vếề dòng dữ liệu lớn, tải vếề và chia sẻ vidẽo, nh ạc và n ội dung đa ph ương t ện. Tấết c ả các d ịch v ụ sẽễ cấền lưu lượng lớn hơn để đáp ứng đủ chấết lượng dịch vụ, đặc biệt là v ới mong đ ợi c ủa ng ười dùng vếề đ ường truyếền có độ rõ nét cao. Đốếi với khách hàng là doanh nghi ệp, truyếền các t ập tn l ớn v ới tốếc đ ộ cao, chấết l ượng vidẽo h ội nghị tốết LTE sẽễ mang đặc tnh của “Wẽb 2.0” ngày nay vào khống gian di đ ộng lấền đấều tến. D ọc thẽo s ự b ảo đ ảm vếề thương mại, nó sẽễ băng qua những ứng dụng thời gian thực như gamẽ đa ng ười ch ơi và chia s ẻ t ập tn. 9 Dịch vụ Thoại (rich voice) Môi trường (3G) Âm thanh thời gian thực Môi trường 4G VoIP, video hội nghị chất lượng cao Tin nhắn P2F (P2F messaging) SMS, MMS, các email ưu tiên thấp Truy cập đến các dịch vụ online trực tuyến, trình duyệt WAP, thông quá GPRS mạng 3G Các tin nhắn photo, IM, email di động, tin nhắn video Lớt web (browsing) Thông tin cước phí (paid information) Người dùng trả hoặc trên mạng Tạp chí trực tuyến, dòng âm tính cước chuẩn. Chính yếu là thanh chất lương cao dựa trên thông tin văn bản Riêng tư Chủ yếu là âm thanh chuông, cũng bao gồm màn hình chờ (personalization) và nhạc chờ Games Âm thanh thực (thu âm gốc), các trang web cá nhân Kinh nghiệm game trực tuyến Tải về và chơi game trực tuyến vững chắc qua cả mạng cố định và di động Video/TV(Tivi) theo yêu cầu Duyệt siêu nhanh, tải các nội dung lên các mạng xã hội Các dịch vụ quảng bá TV, TV theo đúng yêu cầu dòng chất lượng cao Chạy và có thể tải Nhạc Tải đầy đủ các track và dịch vụ Lưu trữ và tải nhạc chất lượng âm thanh cao Nội dung tin Tin nhắn đồng cấp sử dụng ba Phân phối tỷ lệ rộng của các thành phần cũng như tương tác video clip, dịch vụ karaoke, với các media khác video cơ bản quảng cáo di động nhắn M- comerce Thực hiện giao dịch và thanh ( thương mại qua toán qua mạng di động điện thoại) Điện thoại cầm tay như thiết bị thanh toán, với các chi tiết thanh toán qua mạng tốc độ cao để cho phép các giao dịch thực hiện nhanh chóng Mạng dữ liệu di Truy cập đến các mạng nội bộ Chuyển đổi file P2P, các ứng và cơ sở dữ liệu cũng như cách dụng kinh doanh, ứng dụng chia động ( mobile sử dụng của các ứng dụng sẻ, thông tin M2M, di động data networking) CRM intranet/extranet 10 6 Bảng 1.3 : So sánh các dịch vụ của 3G so với 4G LTE. b) Ưu điểm của việc sử dụng MIMO ở 4G/LTE so với 3G - Tăng chất lượng vùng phủ tại biên cell (cell edge) khi sử dụng cơ chế beamforming của MIMO. - Tăng khả năng chống lại hiệu ứng fading với cơ chế Spatial Diveristy, mức độ cải thiện tit lệ thuận với số lượng anten thu phát sử dụng. - Tăng tốc độ dữ liệu, dung lượng hệ thống và hiệu suất sử dụng phổ tần khi sử dụng cơ chế Spatial Multiplexing của MIMO 1.1.2 Công nghệ truy nhập mạng vô tuyến LTE là bước phát triển mới rất quan trọng của thông tin vô tuyến di động, bên cạnh LTE, 3GPP cũng xác định kiến trúc mạng IP-based. Kiến trúc này được định nghĩa như một phần của SAE (System Architechture Evolution). Kiến trúc LTE-SAE và các khái niệm được thiết kế để hỗ trợ một cách hiệu quả các mạng sử dụng dịch vụ IPbased rộng rãi. Kiến trúc này được dựa trên sự phát triển mạng lõi GSM/WCDMA hiện tại với hoạt động đơn giản hơn, chi phí triển khai thấp hơn. 1.1.2.1 Công nghệ vô tuyến OFDM OFDM là một hình thức đặc biệt của điều chế đa sóng mang, kết hợp điều chế và ghép kênh. Trong OFDM, tín hiệu chia thành các kênh độc lập, được điều chế bằng dữ liệu sau đó ghép lại và tạo thành sóng mang OFDM. OFDM sử dụng một số lớn các sóng mang con băng hẹp để truyền đa sóng mang. LTE/4G sử dụng OFDM ở đường xuống từ trạm gốc tới máy đầu cuối. OFDM đáp ứng các yêu cầu của LTE/4G về tính linh động của dải phổ và cho phép các giải pháp giá rẻ với băng thông rộng, tốc độ cao. 1.1.2.2 Công nghệ Anten tiên tiến Các giải pháp anten tiên tiến được giới thiệu trong evolved HSPA cũng được sử dụng trong LTE, đáp ứng các yêu cầu của mạng di động băng rộng thế hệ mới với tốc độ dữ liệu cao, vùng phủ rộng và dung lượng cao. Các giải pháp sử dụng nhiều anten tiên tiến là chìa khóa quan trọng để đạt được những mục tiêu trên. Không có một giải pháp anten nào chung có thể đáp ứng được mọi ngữ cảnh. Ví dụ, các dịch vụ tốc độ dữ liệu cao có thể đạt được với giải pháp anten đa lớp như 2x2 hay 4x4 MIMO (Multiple Input Multiple Output), trong khi đó, vùng phủ rộng có thể đạt được với việc sử dụng công nghệ định hướng búp sóng. 11 Công nghệ đa anten cho phép triển khai nhiều tính năng quan trọng, các công nghệ này có thể được triển khai dựa trên ba nguyên lý cơ bản: a) Tăng ích phân tập: Sử dụng phân tập trong không gian cho phép cải thiện tính linh động của đường truyền, chống lại những ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường. b) Tăng ích sử dụng mảng anten: Việc tập trung năng lượng trên một hay nhiều hướng xác định được thực hiện qua quá trình tiền mã hóa hoặc tao búp sóng. Điều này cũng cho phép nhiều người dùng định vị tại các hướng khác nhau có thể được phục vụ đồng thời (MIMO). c) Tăng ích kết hợp trong không gian: Việc truyền các dòng tín hiệu tới một người dùng đơn lẻ trên nhiều miền không gian được tạo bởi sự kết hợp nhiều anten khác nhau. 1.1.2.3 Công nghệ MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Services) Với MBMS, cùng một nội dung được truyền đi tới nhiều thuê bao tại một khu vực nhất định, vùng dịch vụ MBMS. Vùng dịch vụ MBMS thường bao gồm nhiều cell, mặc dù có thể cấu hình bao phủ một cell đơn lẻ. 1.1.2.4 Các băng tần cho FDD và TDD LTE có thể sử dụng phổ tần FDD và TDD. Thông thường, FDD hiệu quả hơn với số lượng thiết bị hỗ trợ nhiều hơn, trong khi đó, TDD là một sự bổ sung tốt, ví dụ đối với những khe tần số còn trống. Vì phần cứng LTE là giống nhau đối với FDD và TDD (ngoại trừ các bộ lọc), nên những nhà cung cấp có thể sử dụng băng tần TDD ở thời điểm ban đầu để tiết kiệm chi phí băng tần trước khi LTE thực sự bùng nổ. Đến thời điểm này, băng tần sử dụng trong LTE có 10 băng tần FDD và 4 băng tần số TDD khác nhau đã được định nghĩa trong 3GPP (bảng dưới). LTE được định nghĩa để hỗ trợ các băng thông linh hoạt từ 5MHz đến 20MHz, trên nhiều băng tần và triển khai trên cả FDD và TDD. Điều này có nghĩa là một nhà cung cấp có thể cung cấp LTE trên cả băng tần hiện tại và băng tần mới. 12 Băng tần FDD UL (MHz) DL (MHz) 1 1920 MHz to 1980 MHz 2110 MHz to 2170 MHz 2 1850 MHz to 1910 MHz 1930 MHz to 1990 MHz 3 1710 MHz to 1785 MHz 1805 MHz to 1880 MHz 4 1710 MHz to 1755 MHz 2110 MHz to 2155 MHz 5 824 MHz to 849 MHz 869 MHz to 894 MHz 6 830 MHz to 840 MHz 875 MHz to 885 MHz 7 2500 MHz to 2570 MHz 2620 MHz to 2690 MHz 8 880 MHz to 915 MHz 925 MHz to 960 MHz 9 1749.9 MHz to 1784.9 MHz 1844.9 MHz to 1879.9 MHz 10 1710 MHz to 1770 MHz 2110 MHz to 2170 MHz Băng tần TDD UL/DL (MHz) a 1900 MHz to 1920 MHz; 2010 MHz to 2025 MHz b 1850 MHz to 1910 MHz; 1930 MHz to 1990 MHz c 1910 MHz to 1930 MHz d 2570 MHz to 2620 MHz Bảng I.1 Các băng tần FDD và TDD cho LTE. 1.1.3 Cơ chế truyền: OFDM đường xuống và SC-FDMA đường lên. Cơ chế truyền đường xuống của LTE dựa trên công nghệ OFDM, việc lựa chọn cơ chế này có nhiều lý do. Thứ nhất, vì thời gian tín hiệu OFDM tương đối dài nên OFDM cung cấp khả năng chống lại tính lọc lựa tần số khá tốt. 1.1.4 Lập lịch trình phụ thuộc kênh truyền và tương thích tốc độ 13 Trung tâm của cơ chế truyền LTE đó là việc sử dụng truyền dẫn kênh chia sẻ, ở đó nguồn thời gian - tần số tự động chia sẻ giữa những người dùng. Điều này tương tự như cơ chế trong HSPA, mặc dù có sự khác nhau giữa cơ chế chia sẻ thời gian và tần số trong LTE và thời gian và mã kênh trong HSPA. 1.1.5 Kiến trúc giao diện vô tuyến 4G/LTE Giống như WCDMA/HSPA, cũng như các hệ thống liên lạc hiện đại khác, quá trình xử lý trong LTE được phân chia thành các lớp giao thức khác nhau. Mặc dù một số lớp tương tự như trong WCDMA/HSPA, một số lớp khác có sự khác biệt. Cả lập lịch trình MAC và hybrid ARQ với soft combining đều không được sử dụng trong truyền quảng bá thông tin hệ thống. Thêm vào đó, cấu trúc giao thức LTE liên quan đến đường truyền lên là giống như cấu trúc đường truyền xuống, mặc dù có sự khác biệt trong việc lựa chọn định dạng truyền tải và truyền nhiều anten. Dữ liệu được truyền ở đường xuống được đóng vào định dạng gói tin IP trên một trong các SAQ bearers. - Lớp Giao thức điều khiển kênh vô tuyến - RLC - Lớp điều khiển truy nhập – MAC * Các kênh logic và kênh truyêền tải MAC cung cấp các dịch vụ tới RLC dưới dạng các kênh logic, một kênh logic được xác đinh bởi kiểu của thông tin mà nó mang và thường được phân loại thành: kênh điều khiển, sử dụng cho truyền thông tin điều khiển và cấu hình cần thiết cho hoạt động của hệ thống LTE, kênh lưu lượng, sử dụng cho dữ liệu người dùng. + Tập hợp các kếnh logic trong LTE bao gốềm: - Kênh BCCH (Broadcast Control Channel) - Kênh PCCH (Paging Control Channel) - Kênh DCCH (Dedicated Control Channel - Kênh MCCH (Multicast Control Channel) - Kênh DTCH (Dedicated Traffic Channel) - Kênh MTCH (Multicast Traffic Channel) + Tập hợp các kiểu kếnh truyếền tải trong LTE bao gốềm: - Kênh BCH (Broadcast Channel 14 10 - Kênh PCH (Paging Channel - Kênh DL-SCH (Downlink Shared Channel - Kênh MCH (Multicast Chanel - Kênh UL-SCH (Uplink Shared Channel Hình I.8 - Ánh xạ các kênh logic tới các kênh truyền tải * Lớp vật lý - PHY Lớp vật lý chịu trách nhiệm mã hóa, xử lý HARQ lớp vật lý, điều chế, xử lý đa anten và ánh xạ tín hiệu tới nguồn tài nguyên tần số - thời gian vật lý tương ứng. * Các trạng thái 4G/LTE Trong LTE, một thiết bị đầu cuối di động có thể có nhiều trạng thái khác nhau như hình dưới: Hình 1.12 - Các trạng thái LTE 15 1.1.6 Kiến trúc hệ thống mạng 4G/LTE Kiến trúc hệ thống bao gồm các thành phần chức năng chính như sau 1.1.6.1 Mạng truy nhập vô tuyêến 4G/LTE – (evolved Radio Access Network) Khác với WCDMA/HSPA, phần truy nhập vô tuyến evolved RAN (Radio Access Network) cho LTE chỉ gồm 1 thiết bị duy nhất là eNodeB, giao diện với UE . Do đó, không có node nào trong LTE tương đương với RNC. Lý do chính của điều này đó là LTE không hỗ trợ phân tập macro đường lên hay đường xuống cho lưu lượng người dùng dành riêng và nguyên lý thiết kế tối thiểu hóa số lượng node. . Hình 1.13 - Mạng truy nhập vô tuyến LTE: các node và các giao diện 1.1.6.2 Mạng lõi 4G/LTE –EPC (Evolved Packet Core) Mạng lõi WCDMA/HSPA và LTE đều kế thừa từ mạng lõi GSM, m ạng lõi được xây dựng cho LTE là phát triển từ GSM/GPRS và nó cần có một cái tên mới để phân biệt, đó là EPC (Evolved Packet Core) chỉ bao gồm chuyển mạch gói. Nguyên lý thiết kế của LTE đó là tối thiểu hóa số lượng node trong cả mạng vô tuyến và mạng lõi. Do đó, EPC bắt đầu với kiến trúc một node đơn, ngoại trừ hệ thống quản lý thuê bao HSS (Home Subscriber Server). HSS là một node/cơ sở dữ liệu liên quan đến HLR trong mạng lõi GSM/WCDMA. Mạng lõi EPC gồm có 2 phần SGW (Serving Gateway) và PDN GW (Packet Data Network Gateway) 1.2 Triển khai 4G/LTE trên hệ thống cơ sở hạ tầng mạng Vinaphone 4G/LTE hứa hẹn sẽ cho tốc độ dữ liệu truyền trên kênh xuống (downlink) cao với tốc độ tức thời cho 1 cell (20 MHz) 150 Mbps và trên kênh lên (uplink) hơn 50 Mbps. 4G/LTE dựa trên nền tảng gói IP do đó sẽ không còn chuyển mạch kênh như 16 12 trong các thế hệ 2G, 3G hiện tại. Kiến trúc mạng của LTE/4G sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời. Tuy nhiên mạng LTE/4G vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G. Vinaphone hiện tại đang sử dụng công nghệ WCDMA/3G - GSM/2G, nên việc triển khai 4G/LTE trên cơ sở kế thừa cơ sở hạ tầng mạng, cũng như hạ tầng nhà trạm có sẵn là hoàn toàn thuận lợi và có tính khả thi cao, giảm thiểu những thay đổi, sử dụng công nghệ mới nhất nhằm đảm bảo tốc độ truyền số liệu mà không cần thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có. Trong công tác chuẩn bị triển khai công nghệ mới, cần phải nghiên cứu định hướng phát triển công nghệ và tính năng thiết bị của các hãng cung cấp sao cho phù hợp với hạ tầng mạng hiện đang vận hành khai thác. Sau đó lựa chọn thiết bị 4G/LTE phù hợp mạng WCDMA/3G và GSM-2G đang khai thác, lựa chọn băng tần sử dụng sao cho băng tần đủ độ rộng có thể triển khai LTE với đầy đủ các ưu điểm về tốc độ so với công nghệ 3G, tuy nhiên cần cân nhắc đến các băng tần đang sử dụng cho các dịch vụ, đã được cấp cho mục đích khác, cũng như xu hướng cấp phép băng tần của đơn vị quản lý tần số. 1.2.1 Định hướng phát triển công nghệ và tính năng thiết bị của các hãng cung cấp * Định hướng phát triển thiết bị vô tuyến - RAN - Huawei: Sử dụng thiết bị Multi BTS và Multi BSC, thiết bị có thể tích hợp chung các khối điều khiển và khối thu phát cho cả GSM + WCDMA + LTE/4G. Có thể cấu hình linh hoạt giữa các công nghệ. - ZTE: Sử dụng thiết bị Uni-RAN có thể tích hợp chung các khối điều khiển và các khối thu phát có thể nối xa cho cả GSM + WCDMA + LTE/4G. 17 13 -Ericsson: Sử dụng thiết bị có các khối điều khiển độc lập riêng cho từng công nghệ GSM - WCDMA – 4G/LTE và khối thu phát có thể tích hợp cả 3 công nghệ GSM WCDMA - LTE/4G trên cùng một băng tần. Đây là ba nhà cung cấp thiết bị mạng truy nhập vô tuyến mà Vinaphone đang sử dụng. * Định hướng phát triển thiết bị mạng lõi EPC - Huawei: giới thiệu dòng NE-Series nền tảng định hướng cho Serving gateway và PDN gateway và một nền tảng ATCA cho MME. - Nokia Siemens: giới thiệu dòng ATCA làm nền tảng cho serving gateway, PDN gateway, và MME. - Ericsson: sử dụng Redback và Juniper Networks nền tảng định hướng cho serving gateway và PDN gateway, trong khi vẫn giữ nền tảng riêng của mình để phát triển SGSN và MME. Đây là ba nhà cung cấp thiết bị mạng lõi mà Vinaphone đang sử dụng. 1.2.2 Lựa chọn băng tần, thiết bị 4G/LTE * Lựa chọn băng tần cho 4G/LTE + Băng tần 2600 MHz Băng tần này có tối đa 140 MHz (2x 70 MHz) sẽ được phân chia cho các dịch vụ FDD như LTE và 50 MHz khác cho băng TDD. Đây là một băng tần có giá trị và khả thi để triển khai LTE, việc triển khai LTE trên một băng tần độc lập như 2600MHz sẽ đảm bảo cung cấp đủ độ rộng băng tần để có thể triển khai LTE với đầy đủ các ưu điểm về tốc độ so với công nghệ HSPA. Băng tần này cũng đã được Bộ TT&TT cấp phép cho các nhà khai thác sử dụng để thử 4G/LTE. 18 14 Hình 1.18 So sánh hiệu quả về mặt băng tần của HSPA+ và LTE 1.2.3 Nâng cấp các phần tử hệ thống mạng WCDMA/3G và GSM/2G đang khai thác Đối với các nhà mạng đang khai thác mạng di động GSM/2G đã nâng cấp lên WCDMA/3G, việc nâng cấp lên HSDPA+ (3,5G) là thời kỳ quá độ cho quá trình triển khai 4G/LTE. Cũng như trước khi nâng cấp lên từ 2G lên 3G, các nhà mạng đã nâng cấp hệ thống để triển khai GPRS (2.5G) và EDGE (2.75G). GSM/2G  GPRS (2.5G)  EDGE (2.75G)  WCDMA/3G  HSPA+  LTE (4G) * Nâng cấp mạng vô tuyến Sau khi đã có định hướng cơ bản về tính năng thiết bị mạng vô tuyến ERAN, cần có chiến lược sử dụng thiết bị tích hợp các công nghệ khác nhau, dự kiến thiết bị cho mạng vô tuyến 4G/LTE, sau đó thực hiện nâng cấp mạng vô tuyến từ WCDMA/3G lên HSPA+ làm bước đệm tiến tới triển khai công nghệ 4G/LTE. Giai đoạn trước 2011, mạng vô tuyến của Vinaphone tại các thành phố lớn vẫn sử dụng thiết bị Motorola. Tại Hà Nội, mạng vô tuyến sử dụng thiết bị GSM/2G của Motorola (thế hệ cũ), thiết bị WCDMA/3G là loại thiết bị hãng Motorola phát triển trên nền tảng phần cứng của Huawei, nên dẫn tới thiếu đồng bộ trong việc tích hợp các công nghệ khác nhau trên cùng một hệ thống và một Node mạng. Vì vậy cuối năm 2011, Vinaphone đã quyết định điều chuyển toàn bộ thiết bị Motorola tại Hà Nội sang các tỉnh khác và đồng thời thay thế bằng thiết bị tích hợp đồng bộ GSM/2G, WCDMA/3G của Huawei. Loại thiết bị vô tuyến mới Single RAN 19 15 đều đã sẵn sàng để hỗ trợ công nghệ HSPA+ và có thể nâng cấp thêm các module lên LTE/4G. Tháng 05/2012, Vinaphone đã thực hiện nâng cấp toàn bộ các trạm từ WCDMA/3G lên HSPA+ với tốc độ truy nhập trung bình đạt 7.2 Mbps. * Nâng cấp mạng lõi và truyền dẫn Lắp đặt các Mobile Soft Switch (MSS), Transport Node, Router mới của Huawei với giải pháp all-IP và đấu chuyển toàn bộ các MBSC thuộc khu vực Hà Nội đang đấu vào các MSC thế hệ cũ về các thiết bị mới. * Triển khai các ứng dụng chuyển mạch gói Đang tiếp tục thực hiện nâng cấp GGSN và SGSN để nâng cao chất lượng cũng như các ứng dụng chuyển mạch gói. 1.2.4 Công tác chuẩn bị triển khai thử nghiệm 4G/LTE, đánh giá chất lượng mạng dịch vụ * Mục tiêu thiết kế 4G/LTE - Tốc độ đỉnh tức thời cho một cell (20 MHz): Tải xuống: 150 Mbps; Tải lên: 50 Mbps. - Lưu lượng tối đa cho một eNodeB (20MHz): Tải xuống: 450Mbps; Tải lên: 300Mbps. - Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, giảm chút ít trong phạm vi đến 30km. Từ 30 – 100 km thì không hạn chế. * Chọn vị trí lắp đặt Tương tự như khi triển khai WCDMA/3G, để tiết kiệm chi phí xây dựng nhà trạm khi triển khai 4G/LTE, các trạm eNodeB sẽ được lắp đặt cùng vị trí với các trạm 2G/3G hiện tại. Các trạm 4G/LTE được triển khai trước tiên tại trung tâm các tỉnh/thành phố với lưu lượng người dùng dữ liệu lớn. 20