Giải pháp femtocell cho mạng thông tin di động 3g

Tuy nhiên Femtocell là một công nghệ còn khá mới tại Việt Nam và do vậy để có thể triển khai trong thực tế cần có những nghiên cứu kỹ lưỡng về các vấn đề kỹ thuật, tác động của chúng lên

-

Trần Mạnh Đạt

GIẢI PHÁP FEMTOCELL CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G

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 Vũ Trường Thành

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

MỞ ĐẦU

Lưu lượng dữ liệu trên mạng di động 3G đang tăng với tốc độ chóng mặt và dự báo

sẽ còn tiếp tục tăng mạnh trong nhiều năm tới Điều này đang tạo áp lực lớn lên hạ tầng mạng di động Trong bối cảnh đó, Femtocell nổi lên như một công nghệ giảm tải dữ liệu cho mạng 3G, tăng cường phủ sóng trong nhà khi được tích hợp vào mạng này

Tuy nhiên Femtocell là một công nghệ còn khá mới tại Việt Nam và do vậy để có thể triển khai trong thực tế cần có những nghiên cứu kỹ lưỡng về các vấn đề kỹ thuật, tác động của chúng lên mạng di động 3G hiện tại cũng như đo kiểm các thông số tại các trạm thử nghiệm để làm cơ sở cho triển khai Trong bối cảnh đó, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo,

TS Vũ Trường Thành tôi lựa chọn đề tài luận văn: "Giải pháp Femtocell cho mạng thông

tin di động 3G"

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 3G TẠI VIỆT NAM VÀ VẤN

ĐỀ LƯU LƯỢNG 1.1 Tổng quan về mạng di động 3G tại Việt Nam

Đến nay Việt Nam đang có 3 nhà mạng chính thức cung cấp dịch vụ 3G tới khách hàng là Vinaphone, Mobifone và Viettel Cả 3 nhà mạng này đều xuất phát từ nền tảng công nghệ 2G GSM và do đó các công nghệ 3G mà họ triển khai đều là công nghệ WCDMA

Hình 1.2 là kiến trúc hiện trạng mạng di động của hai nhà mạng Vinaphone và Mobifone ở thời điểm tháng 12/2012 Về cơ bản có thể thấy kiến trúc này tuân thủ đúng kiến trúc chung của một mạng 3G WCDMA

CS CORE

RAN BSC

MSC-S

PSTN/PLMN

MSC-S MSC-S

MGw

BSC RNC

WAP GW

MMSC SMSC

SCP/

SDP

SCP/

SDP SCP/

SDP

VASPRBT MCA

BSC RNC BSC

BTS/NodeB BTS/NodeB

GGSN

PS CORE

Operation support system - OSS Billing and CRM

HRL/AUC/AAA

Hình 1.2 Hiện trạng mạng di động Vinaphone, Mobifone (Tháng 12/2012) – Nguồn: Ban viễn

thông Tập đoàn VNPT

Trong kiến trúc mạng 3G này, các phần tử mạng được phân thành 3 thành phần: thiết

bị người dùng (UE), mạng vô tuyến UMTS (UTRAN) và mạng lõi (CN) Trong đó, UE và UTRAN đều bao gồm các giao thức hoàn toàn mới, việc thiết kế chúng dựa trên nhu cầu của công nghệ vô tuyến WCDMA mới Còn mạng lõi thì ngược lại, có các thành phần được

kế thừa từ mạng lõi GSM, GPRS/EDGE trước đó

1.2 Lộ trình tiến lên 4G LTE

1.2.1 Giới thiệu về LTE

Một lộ trình dự báo chung cho LTE được thể hiện như trong hình 1.4:

Hình 1.4: Lộ trình phát triển cho LTE tới 2014

1.2.2 Những thay đổi trong hạ tầng mạng

Hệ thống 4G LTE sẽ mang lại nhiều lợi ích về dung lượng xử lí cho các trạm gốc Với nhiều cải tiến mới, kiến trúc mạng 4G LTE sẽ phẳng hơn với ít node hơn, do đó có độ thấp hơn trễ Kết quả dẫn đến yêu cầu về một mạng lõi toàn IP để hỗ trợ thông lượng dữ liệu tốc độ cao và nhìn chung có thể truy cập vào bởi các mạng truy nhập vô tuyến khác nhau thông qua các giao diện cổng

1.2.3 Những thay đổi trong mạng lõi

Khi nâng cấp lên 4G LTE, cần thay thế trạm gốc và Node B của mạng 3G bằng Node B cải tiến (eNode B) Ngoài ra, các mạng lõi chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh của WCDMA cũng được thay thế bằng lõi gói cải tiến EPC (Evolved Packet Core) EPC bao gồm 4 chức năng khác nhau - cổng thông tin phục vụ (SGW - Serving Gateway), cổng mạng dữ liệu gói (PDN - Packet Data Network Gateway), thực thể quản lý di động (MME - Mobility Management Entity) và chức năng các quy tắc tính cước chính sách (PCRF - Policy Charging Rules Function)

1.3 Một số vấn đề về quá tải lưu lượng trong triển khai và vận hành mạng 3G

Theo dự đoán của Cisco System, trong giai đoạn 2010-2015, dữ liệu di động sẽ tăng trưởng ở mức 108% hằng năm (Hình 1.6), và hầu hết doanh thu của các công ty di động đang được tạo ra chỉ bởi một phần nhỏ cơ sở người dùng của họ

Một dự báo khác của Gartner cho thấy khu vực châu Á – TBD tiếp tục là nơi có mức tăng trưởng và số lượng thuê bao di động lớn nhất toàn cầu trong giai đoạn 2010-2015 Điều này đang tạo áp lực lớn cho các nhà mạng viễn thông và buộc họ phải nghĩ tới các giải pháp cho vấn đề này

1.4 Kết luận chương

Chương 1 của luận văn đã giới thiệu tổng quan nhất về hiện trạng mạng 3G tại Việt Nam,

xu hướng phát triển lên 4G LTE cũng như một số vấn đề về lưu lượng trên mạng di động Đây là nền tảng quan trọng cho các chương tiếp theo của luận văn tiếp tục đi sâu nghiên cứu giải pháp Femtocell cho mạng thông tin di động 3G

CHƯƠNG II: GIẢI PHÁP TRIỂN KHAI FEMTOCELL CHO

MẠNG 3G 2.1 Tổng quan về Femtocell

Femtocell là một trạm phát sóng nhỏ của mạng thông tin di động tế bào được dùng

để nâng cao chất lượng dịch vụ và cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng ở phạm vi gia đình hay văn phòng, công sở Femtocell được xem như trạm phát sóng trong nhà (Home Base Station) hay điểm truy nhập mạng tế bào giống điểm truy nhập WiFi

2.2 Sự cần thiết của femtocell

 Giảm chi phí gọi điện thoại di động tại nhà

 Có một kết nối tốt, chất lượng dịch vụ tốt hơn, tốc độ cao hơn

 Tăng chất lượng phủ sóng trong các công trình cũng như tăng dung lượng và các dịch vụ giá trị gia tăng cho người dùng

2.3 Kiến trúc chung mạng Femtocell

Kiến trúc kết nối Home NodeB (HNB) hay Femtocell tới mạng lõi của 3GPP được thể hiện như trong hình 2.1

Hình 2.1 : Kiến trúc kết nối Femtocell tới mạng lõi (Nguồn : 3GPP)

2.4 Các giải pháp kết nối từ Femtocell đến mạng lõi di động

2.4.1 Kiến trúc dựa trên UMTS

Giải pháp Iub trên IP

Trong giải pháp này, Femtocell đóng vai trò của một Node B, còn FGW sẽ nằm giữa femtocell và RNC như minh họa ở hình 2.4 Giải pháp này thích hợp khi có ít người kết nối với Femtocell cùng lúc (ví dụ trong gia đình hay văn phòng ít người)

Hình 2.4 : Kiến trúc giải pháp Iub-trên-IP

Giải pháp Iu trên IP

Trong giải pháp này, các femtocell sẽ được tích hợp với mạng lõi di động thông qua các FGW như minh họa ở hình 2.6 Những chức năng của RNC và Node B sẽ được cài đặt trên femtocell và do đó femtocell sẽ liên lạc với FGW thông qua giao diện 3G

Iu trên IP

Hình 2.6: Kiến trúc giải pháp Iu trên IP

2.4.2 Kiến trúc dựa trên giải pháp UMA/GAN

Giải pháp UMA/GAN có thể được mở rộng đế hỗ trợ giải pháp femtocell bằng cách tích hợp thêm các chức năng của FGW vào trong bộ điều khiển GANC Hướng giải pháp này rất phù hợp cho những nhà cung cấp mạng đã triển khai hạ tầng GAN/UMA để cung cấp thêm các dịch vụ giá trị gia tăng của công nghệ HSPA (High Speed Packet Access) Kiến trúc kết nối sẽ giống như ở hình 2.6 Tuy nhiên

các liên lạc giữa femtocell và FGW sẽ được thực hiện trên giao diện Up của giải pháp UMA

2.4.3 Kiến trúc dựa trên IMS

Giải pháp này nhằm kết nối femtocell trực tiếp với mạng lõi IMS (IP Multimedia Subsystem) Một giải pháp thay thế trong cùng hướng này là dùng softwitch trong đó các femtocell được kết nối với các softwitch thông qua giao diện SIP (Session Initiation Protocol)

Hình 2.9 : Kiến trúc giải pháp dựa trên IMS/SIP 2.5 Vấn đề nhiễu

2.5.1 Nhiễu đồng lớp

2.5.1.1 Giới thiệu

2.5.1.2 Các vấn đề do nhiễu đồng lớp Femtocell gây ra

Các vấn đề chính do nhiễu đồng lớp femtocell gây ra được tổng hợp trong hình 2.12

Hình 2.12: Các vấn đề chính gây ra bởi nhiễn đồng lớp femtocell

2.5.1.3 Giải pháp khắc phục nhiễu đồng lớp trong femtocell

Các giải pháp khắc phục nhiễu đồng lớp được tổng hợp trong hình 2.14

Ấn định đồng kênh là một phương pháp khác để đối phó với nhiễu Các kênh con được chia sẻ giữa lớp macrocell và lớp femtocell, tạo nên một cách sử dụng hiệu quả phổ tần hơn mặc dù khá phức tạp trong triển khai thực hiện

2.7 Vấn đề truyền tải đa điểm phối hợp CoMP

2.7.1 Kế hoạch CoMP trong đường xuống

2.7.1.1 Kế hoạch phối hợp/Beamforming:

Lập kế hoạch phối hợp đạt được bằng cách “bịt miệng” các trạm gốc mà có nhiễu hướng tới UE và chỉ cho phép truyền tải tín hiệu từ BS đang phục vụ Nói cách khác, trạm

di động MS1 nhận được các dữ liệu chỉ từ một trạm gốc

Hình 2.19 là một mô hình hệ thống của hai người dùng

Hình 2.18: Lập kế hoạch phối hợp

2.7.1.2 Đồng xử lý (Joint Processing)

Trong đồng xử lý (JP), nhiều eNB chịu trách nhiệm cho việc truyền tải dữ liệu cho một UE

cụ thể để nâng cao chất lượng của tín hiệu nhận được và/hoặc hủy bỏ nhiễu cho các thiết bị đầu cuối khác Các tế bào khác nhau chia sẻ dữ liệu dành cho một UE cụ thể và dữ liệu được phối hợp xử lý tại các tế bào này Do đó, tín hiệu nhận là tín hiệu được kết hợp tại các thiết bị đầu cuối di động kết hợp hoặc không kết hợp JP được phân loại thành hai tiểu thể loại cụ thể là, phối hợp truyền tải (JT – Joint Transmission) và lựa chọn tế bào động (DSC Dynamic Cell Selection) (Hình 2.20 )

Hình 2.20: Kỹ thuật xử lý kết nối: (a) truyền tải kết nối và (b) lựa chọn tế bào động 2.7.2 Kế hoạch CoMP trong đường lên

Trong CoMP trong đường lên, kênh Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) được nhận tại nhiều trạm gốc và việc lập kế hoạch là phối hợp giữa các trạm gốc Hình 2.21 miêu tả 2 phương pháp tiếp nhận CoMP, kết hợp loại bỏ nhiễu (IRC - Interference Rejection Combining) và lập kế hoạch phối hợp Coordinated Scheduling

Hình 2.21: Kế hoạch tiếp nhận: (a) phối hợp từ chối nhiễu và (b) lập kế hoạch phối hợp 2.8 Mô hình cung cấp một số dịch vụ qua femtocell

2.8.1 Dịch vụ shopping

Hình 2.22 : Mô hình dịch vụ shopping qua femtocell

2.8.2 Bảo tàng

Hình 2.23 : Mô hinh ứng dụng femtocell trong bảo tàng

2.8.3 Hội tụ thoại trên di động và cố định

Hình 2.24 : Mô hình ứng dụng femtocell trong hội tụ di động – cố định

2.8.4 Mạng dùng cho các thiên tai, thảm họa thiên nhiên

Hình 2.25 : Ứng dụng femtocell trong việc xây dựng mạng chống thiên tai

2.9 Kết luận

Chương II đã giới thiệu các giải pháp để tích hợp và triển khai công nghệ Femtocell vào mạng di động cũng như những vấn đề về kỹ thuật cần được xử lý khi đưa công nghệ này vào thực tiễn đặc biệt là các vấn đề về nhiễu và đưa ra hướng giải quyết Phần cuối của chương đưa ra mô hình chung nhất của một số ứng dụng đã được triển khai trong thực tế tại một số nước trên thế giới

CHƯƠNG III : CÁC VẤN ĐỀ CẦN QUAN TÂM KHI TRIỂN KHAI

FEMTOCELL CHO MỘT TÒA NHÀ 3.1 Mô hình tổng quan tòa nhà thương mại

3.1.1 Mô hình RF và tổn hao đường truyền

3.1.2 Mô hình tòa nhà thương mại lớn

3.2 Vấn đề Fading và người sử dụng di chuyển

3.3 Các vấn đề cần xem xét khi phủ sóng femtocell trong tòa nhà

3.3.1 Tổng quan về các vấn đề cần quan tâm khi lập kế hoạch vùng phủ cho đường xuống và đường lên

Vị trí của tòa nhà trong mạng macro

Biến thể của RSSI macro trong tòa nhà:

Hiệu suất vùng phủ

Các vấn đề về nhiễu đường xuống:

Các vấn đề về nhiễu đường lên:

Các vấn đề lập kế hoạch mã PSC:

3.3.2 Sự biến đổi tín hiệu Macro trong tòa nhà

Vị trí của tòa nhà trong mạng macro sẽ quyết định mức nhiễu đồng kênh mà một femtocell phải vượt qua để cung cấp vùng phủ sóng (theo bộ chỉ thị RSSI) Hình 3.4 thể hiện sự khác biệt của RSSI trong tòa nhà khi tòa nhà nằm tại trung tâm và tại biên một tế bào của mạng di động

Hình 3.4: Sự khác biệt về nhiễu đồng kênh trong tòa nhà trong trường hợp nằm tại trung tâm

và tại biên của một cell trong mạng di động

3.4 Ảnh hưởng của số lượng femtocell tới vùng phủ và nhiễu

Để quyết định số lượng femtocell cần thiết phủ sóng một tòa nhà, đầu tiên phải xem xét

trường hợp đơn giản nhất là các femtocell truyền tại mức công suất phát tối đa là 20dBm

Hình 3.7 thể hiện vùng phủ femtocell (đường xuống CPICH Ec/Io - Common Pilot

Channel: Kênh hoa tiêu chung; Ec/No: là tỉ số giữa mật độ công suất của tín hiệu CPICH

trên mật độ công suất của tòan băng tần) với một và hai femtocell được triển khai trong tòa

nhà Công suất CPICH Ec/Io ở mức -16dB hoặc lớn hơn là một dấu hiệu cho thấy vùng phủ

tốt Nó thể hiện rõ ràng rằng RSSI của macro khỏe, femtocell truyền tải ở 20dBm không thể

cung cấp vùng phủ đầy đủ Một số lượng nhiều hơn femtocell truyền tải ở 20dBm có thể sẽ

cung cấp vùng phủ tốt hơn

Hình 3.7: CPICH Ec/Io của cell phục vụ cho một tầng tòa nhà Một hoặc hai femtocell là

không đủ để cung cấp vùng phủ tốt cho 1 tầng Vòng tròn đen là vị trí các femtocell Công

suất CPICH Ec/Io ở mức -16dB hoặc lớn hơn là một dấu hiệu cho thấy vùng phủ tốt

Giải pháp cho những vấn đề này là triển khai số lượng femtocell lớn hơn mức nhỏ

nhất yêu cầu, với sự tính toán cẩn thận về công suất phát Với số lượng femtocell lớn hơn, 3

vấn đề quan trọng sau sẽ đạt được:

- Kiểm soát chặt chẽ hơn cân bằng nhiễu vùng phủ: Bằng cách tính toán kỹ lưỡng công suất phát (sẽ trình bày kỹ trong phần sau) ranh giới vùng phủ và rõ rỉ ra ngoài tòa nhà cũng như sang các tầng khác sẽ được kiểm soát tốt hơn

- Tác động của sự biến đổi RSSI của macrocell trong tòa nhà sẽ giảm bớt

- Giảm suy hao đường truyền tối đa đường lên tới một femtocell Do đó, các UE được phục vụ bởi femtocell với mức công suất phát thấp hơn và từ đó sẽ giúp giảm nhiễu tới đường lên macrocell

3.5 Nguyên tắc quyết định số lượng femtocell

Đối với một tòa nhà thông thường, có thể sử dụng công thức sau để xác định số lượng femtocell [6]:

Số lượng Femtocell = S (m2)/V

Trong đó:

S: Diện tích tòa nhà (m2)

V: Vùng phủ của 1 femtocell và nằm trong khoảng 900-1100m2

3.6 Nguyên tắc quyết định vị trí femtocell

Do đó để đảm bảo vùng phủ và nhiễu, một số nguyên tắc sau cần được áp dụng khi xác định vị trí femtocell:

- Đầu tiên, các femtocell có thể được đặt đối xứng trên sàn tòa nhà

- Thứ 2, các femtocell nằm ở biên của tòa nhà cũng không nên đặt quá gần hoặc quá

xa đường bao của tòa nhà

- Thứ 3, các femtocell phải được đặt không quá gần nhau

3.7 Quản lý nhiễu đường lên và xuống

3.7.1 Xác định mức công suất phát đường xuống

Một phương pháp đơn giản xác định công suất là dựa trên module lắng nghe mạng NLM (Network Listen Module) để đo tại femtocell NLM cho phép đo tín hiệu xung quanh macrocell (VD RSSI và CPICH RSCP) Các số liệu đo được này được sử dụng để hiệu chỉnh công suất phát của femtocell tới một bán kính nhất định

3.7.2 Nhiễu đường lên và phương pháp giảm thiểu nhiễu đường lên

Ảnh hưởng lên đường lên của macrocell có thể được kiểm soát bằng cách giới hạn các nguồn tài nguyên (ví dụ công suất phát Tx) được phân bổ cho các UE Femtocell

Hình 3.19 thể hiện trường hợp không có quản lý nhiễu đường lên, thông lượng của

UE bị ảnh hưởng đáng kể Ảnh hưởng này có thể sẽ nghiêm trọng nếu nhiễu đến từ một tòa nhà nằm ở trung tâm macrocell (Hình 3.19a

Hình 3.19: Thông lượng khi không có quản lý nhiễu đường lên ứng với nhiễu đến từ một tòa

nhà nằm ở trung tâm macrocell (Hình 3.19a) và tại biên tế bào (hình 3.19b),

3.8 Kết luận chương

Triển khai Femtocell phủ sóng một tòa nhà gặp phải rất nhiều bài toán kỹ thuật cần

xử lý Trong đó đặc biệt cần quan tâm tới số lượng Femtocell; vị trí đặt femtocell trong từng sàn; vấn đề quản lý nhiễu giữa Femtocell và mạng Macrocell cũng nhưng nhiễu giữa các Femtocell với nhau Chương III đã tập trung phân tích và giải quyết các vấn đề này Đây là vấn đề quan trọng cho triển khai Femtocell vào thực tiễn