Nghiên cứu định cỡ mạng truy nhập vô tuyến trong mạng di động thế hệ thứ 4 LTE

Do vậy việc nghiên cứu định cỡ mạng truy nhập vô tuyến tạo tiền đề cho quá trình triển khai LTE tại nước ta, nên đề tài: “Nghiên cứu định mạng truy nhập vô tuyến trong mạng di động thế

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

NGUYỄN VĂN SAN

NGHIÊN CỨU ĐỊNH CỠ MẠNG TRUY NHẬP

VÔ TUYẾN TRONG MẠNG DI ĐỘNG

THẾ HỆ THỨ 4 LTE Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60.52.70 Người hướng dẫn khoa học: TS Dư Đình Viên

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2012

GIỚI THIỆU VỀ LUẬN VĂN

 Lý do chọn đề tài

Theo số liệu thống kê từ bộ Thông Tin và Truyền Thông 2011 lượng thuê bao di động của nước ta đã đạt 111.570.201 thuê bao đạt mức 127,68 máy trên di động trên 100 dân Trong đó thị phần thuê bao GSM chiếm chủ đạo với gần 98% thuê bao di động(GSM: Viettel 36,72%, MobiFone 29,11 %, VinaPhone 28,71%, VNM 3,18%, Gtel 0,53% CDMA: EVNTelecom 1,59%, STP 0,53%)[1] Như vậy chúng ta có thể thấy GSM đang chiếm vai trò quan trọng trong hệ thống thống thông tin di động của nước ta

LTE là tiêu chuẩn mới nhất trong nhóm công nghệ di động của 3GPP, là phiên bản kế tiếp cho các mạng di động LTE với nhiều cải tiến lớn có thể cung cấp tốc độ đường xuống lên tới 100 Mbit/s, đường lên cao nhất là 50 Mbit/s Công nghệ LTE hỗ trợ sóng mang từ 1,4 MHz tới 20 MHz và hỗ trợ đa truy nhập phân chia theo tần số (FDD) hoặc theo thời gian TDD Do vậy việc nghiên cứu định cỡ mạng truy nhập vô tuyến tạo tiền đề cho quá trình triển khai LTE tại

nước ta, nên đề tài: “Nghiên cứu định mạng truy nhập vô tuyến

trong mạng di động thế hệ thứ 4 – LTE” là cần thiết thực đối với

thạc sỹ kỹ thuật viễn thông

 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết quá trình định cỡ mạng vô tuyến, và quá trình thực hiện định cỡ mạng truy nhập trong LTE Đồng thời tập

trung nghiên cứu chi tiết định cỡ vùng phủ sóng cũng như dung lượng

Tìm hiểu hiện trạng mạng di động tại nước ta đồng thời nghiên cứu triển vọng cũng như xu thế phát triển lên LTE, kết hợp với các kết quả định cở để có được những dự tính ban đầu cho mạng LTE tại Việt Nam trong những năm tới

 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Công nghệ di động LTE, lý thuyết định cỡ, và các chuẩn hóa bởi 3GPP

 Phương pháp nghiên cứu

Tổng hợp tài liệu, kết quả các công trình nghiên cứu LTE trên thế giới, các tiêu chuẩn của 3GPP Điều tra, tổng hợp việc sử dụng băng tần, giấy phép của các nhà khai thác tại Việt nam

Tìm hiểu các ứng dụng và công cụ sử dụng trong việc quy hoạch mạng LTE, cũng như các tham số cần thiết cho qua trình tính toán

Áp dụng vào thực tiễn của mạng viễn thông Việt Nam nói chung

và các mạng di động nói riêng Đề xuất một số kết quả định cỡ góp phần từng bước phát triển công nghệ mạng di động LTE ở Việt Nam

 Kết quả nghiên cứu đạt được

Nội dung của luận văn tập trung vào nghiên cứu quá trình định

cỡ mạng truy nhập, đồng thời xây dựng công cụ định cỡ vùng phủ sóng góp phần vào quá trình quy hoạch mạng LTE tại Việt Nam

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LTE

1.1 Giới thiệu

1.2 Mạng di động tiên tiến LTE

3GPP bắt đầu làm việc về thế hệ tiến hóa của các hệ thống di

động 3G từ tháng 11 năm 2004 Nhân dịp khai trương triễn lãm về

mạng truy nhập tại Toronto, 3GPP đã giới thiệu tất cả các tổ chức

quan tâm, các thành viên và không thuộc thành viên của 3GPP về

công nghệ truy cập thế hệ kế tiếp Điều này dẫn đến sự tham gia của

hơn 40 đề xuất từ các hãng dịch vụ di động khác nhau cũng như các

viện nghiên cứu về hế thệ mạng truy nhập (Universal Terrestrial

Radio Access Network) Kiến trúc tổng quan mạng LTE được thể

hiện như hình 1.6

Hình 1.1: Kiến trúc mạng LTE/SAE [13]

KẾT LUẬN

3GPP đã phát triển thế hệ mạng di động thứ 4 – LTE với những bước tiến dài về mặt công nghệ Thành công của LTE đã được minh chứng bởi tộc độ triển khai mạng nhanh chưa từng thấy đối với các thế hệ mạng trước đó, chỉ trong thời gian ngắn LTE đã được sử dụng rộng khắp trên phạm vi toàn thế giới Ở Việt Nam chúng ta đã có nhiều nghiên cứu cũng như thử nghiệm ban đầu để tiến tới thế hệ mạng viễn thông sau 3G Vì vậy việc định cỡ mạng truy nhập vố tuyến trong mạng di động thế hệ thứ 4 – LTE là rất cần thiết Luận văn đã đạt được một số kết quả chính như sau:

- Giới thiệu tổng quan về mạng và nêu vắn tắt các công nghệ tiến tiến trong mạng LTE

- Giới thiệu quy trình định cỡ mạng truy nhập

- Xây dựng mô hình mô phỏng kênh truyền tải bằng phần mềm Matlab

- Xây dựng công cụ định cỡ vùng phủ sóng bằng Excel

- Tính toán ban đầu cho mạng viễn thông Việt Nam

3.6 Kết luận chương

Chương ba đã tập trung phân tích làm rõ xu thế phát triển LTE

trên phạm vi toàn thế giới từ đó khái quát chung nhất tình hình phát

triển cũng như xu hướng lựa chọn công nghệ LTE phù hợp với bối

cảnh hiện nay Đồng thời làm rõ nhu cầu thiết thực đối với LTE tại

nước ta cũng như sự phát triển của các dịch vụ nội dung trong nước

Ngoài ra nội dung chương cũng đề cập một số khó khăn trong việc

lựa chọn tần số tại nước ta và kết quả định cỡ vùng phủ sóng với bộ

tham số đầu vào điển hình của mạng LTE

1.3 Kết luận chương

Chương một đã trình bày vai trò cũng như tính cấp thiết của việc định cỡ mạng truy nhập Với mục tiêu xây dựng công cụ định cỡ mạng truy nhập đơn giản thuật tiện, dễ dàng sử dụng trong quá trình quy hoạch cũng như tối ưu mạng truy nhập vô tuyến LTE Ngoài ra nội dung chương còn nêu bật các khía cạnh kỹ thuật liên quan để làm nền tảng cho quá trình xây dựng cũng như nghiên cứu phương pháp tính toán trong phần tiếp theo Chương hai sẽ đi sâu nghiên cứu quy trình và phương pháp định cỡ mạng truy nhập vô tuyến LTE

Chương 2

NGUYÊN LÝ ĐỊNH CỠ MẠNG TRUY NHẬP

2.1 Nguyên lý định cỡ mạng vô tuyến

Định cỡ là đánh giá đầu tiên nhằm nhanh chóng xác định cấu

hình mạng vô tuyến cần thiết bao gồm cả cấu phần mạng truy nhập

vô tuyến và mạng lõi Đối với mạng truy nhập cần xác định được các

thông số: vùng phủ sóng và số lượng trạm thu phát, dung lượng của

trạm, tốc độ dữ liệu cho phép đối với người sử dụng và cấu hình giao

diện mạng truy nhập với mạng lõi Và trong thực tiễn, quy hoạch là

một quá trình lặp đi lặp lại các khâu bao gồm phân tích, thiết kế, xây

dựng và triển khai hệ thống Với mục tiêu thiết yếu của quá trình quy

hoạch là cung cấp một phương pháp thiết kế mạng di động không

dây đạt được các yêu cầu đề ra Đây là một quá trình rất quan trọng

trong việc triển khai mạng di động nói chung, và tùy vào điều kiện

thực tế có thể có các thay đổi nhưng xét tổng quan toàn bộ quá trình

quy hoạch có khái quát bao gồm các bước như hình 2.1

Định cỡ

Yêu cầu:

vùng phủ

sóng và

dung lượng

Quy hoạch chi tiết

QH vùng phủ sóng, lựa chọn BTS

Yêu cầu về dung lượng

Cấu hình định cỡ

Tối ưu

Phân tích chất lượng

Hình 2.1: trình quy hoạch mạng vô tuyến [8]

Đầu vào

Băng thông (MHz) 5

Băng tần (MHz) 2600

Loại địa hình City

Mô hình kênh Okumura-Hata

Suy hao tối đa dB 140.1572837

Kết quả

Bán kính ô km 0.846236339 Omi directional site Km2 1.861901448 Bi-sector site Km2 2.420471882 Tri -sector site Km2 3.630707823

KẾT QUẢ ĐỊNH CỠ

a) Mô hình Okumura-Hata

Đầu vào

Băng thông (MHz) 5

Băng tần (MHz) 2600

Loại địa hình City

Mô hình kênh COST 231 Hata

Suy hao tối đa dB 140.1572837

Kết quả

Bán kính ô km 0.235052988 Omi directional site Km2 0.143649759 Bi-sector site Km2 0.186744687 Tri -sector site Km2 0.28011703 b) Mô hình COST 231 Hata

Đầu vào

Băng thông (MHz) 5

Băng tần (MHz) 2600

Loại địa hình City

Mô hình kênh COST 231 Walfisch-Ikegami NLOS

Suy hao tối đa dB 140.1572837

Kết quả

Bán kính ô km 0.19037602 Omi directional site Km2 0.094231876 Bi-sector site Km2 0.122501438 Tri -sector site Km2 0.183752157 c) Mô hình COST 231 Walfsch-Ikegami

Hình 3.6: Bán kính ô thu được

Ngôn ngữ Vietnamese

Băng thông (MHz) 5

Băng tần (MHz) 2600

Quỹ năng lượng đường truyền UL DL

Công suất phát (dBm) 23 46

Độ lợi ăng ten (dB) 8 14

Suy hao hệ thống (dB) 0 0

Suy hao bộ thu (dB) 0 0

Nhiễu nhiệt (dB) -174 -174

Phía thu

Độ lợi ăng ten (dB) 18 0

Hệ số nhiễu (dB) 4 8

Độ lợi phân tập (dB) 0 0

Suy hao bộ thu (dB) 1 0

Xuyên nhiễn

Tải ô lân cận (%) 50

Xác xuất vùng phủ sóng (%) 90

Mô hình kênh

Loại địa hình City

Độ cao angten phát (m) 30

Độ cao angten thu (m) 1.5

Độ cao của tòa nhà (m) 30

Khoảng cách các tòa nhà (m) 80

Độ rộng đường phố (m) 30

Okumura-Hata

Thông số hệ thống

ĐỊNH CỠ VÙNG PHỦ SÓNG

Ước tính vùng phủ sóng

Thông số khác

Hình 3.4: Thông số đầu vào quá trình định cỡ

2.2 Định cỡ mạng truy nhập LTE

Quá trình định cỡ LTE bắt đầu với việc tính toán quỹ năng lượng đường truyền LBR, nhằm xác định suy hao đường truyền cho phép tối đa Kết quả của bước này phụ thuộc vào việc lựa chọn mô hình truyền sóng được sử dụng Từ đó giúp ước tính bán kính ô lớn nhất

có thể phủ sóng được và quy đổi ra diện tích phủ sóng để xác định lượng trạm thu phát gốc cần tính, tiếp đến ước tính được sơ bộ số lượng eNB yêu cầu, quá trình định cỡ được thể hiện như hình 2.3

Hình 2.3: Quy trình định cỡ mạng truy nhập [9],[14]

2.3 Định cỡ vùng phủ sóng

Vùng phủ sóng được thực hiện dựa trên tính toán RLB, sẽ xác định được suy hao đường truyền tối đa cho phép Hay nói cách khác chính là xác định khoảng cách lớn nhất được phép truyền đi để đảm bảo phía thu nhận được tín hiệu ở mức cho phép Suy hao đường truyền tối đa được sử dụng để tính toán khoảng cách tối đa bằng cách

sử dụng các mô hình truyền dẫn thích hợp Đây chính là bán kính của

ô nhằm sử dụng để tính số lượng ô cần thiết để phủ sóng vùng cần

quy hoạch

Hình 2.2: Quỹ năng lượng đường truyền RLB [21]

Hình 2.2 minh họa việc tính toán quỹ năng lượng đường truyền

Ăng ten phát bức xạ năng lượng theo hướng của ăng-ten nhận Công

suất nhận được tại phía ăng ten thu phụ thuộc vào công suất của phía

phát và định hướng của phía phát, ngoài ra còn phụ thuộc vào việc

phân tập phát cũng như suy hao gặp phải do môi trường truyền bao

gồm cả suy hao không gian tự do và chướng ngại vật như nhà cửa,

cây cối … Trong hình 2.2 suy hao không gian tự do được mô tả bởi

đường màu xanh, suy hao trong nhà là đường màu hồng Ngòai ra

phải tính tới nhiễu do các nguồi khác gây ra cũng như nhiễu nhiệt của

3.5 Kết quả định cỡ

Trong phần này sẽ minh họa áp dụng công cụ định cỡ để tính vùng phủ sóng với các thông số phù hợp với điều kiện tại nước ta Bộ tham số đầu vào được lựa chọn để minh họa công cụ định cỡ như hình 3.4

Kết quả thu được bán kính ô như hình 3.6 ở trang tiếp theo Ứng với mô hình truyền sóng Okumura-Hata kết quả thu được như hình 3.6 a, COST 231 Hata tương ứng với hình 3.6 b và kết quả hình 3.6 c tương ứng với mô hình COST 231 Walfisch-Ikegami Bán kính ô sẽ được sử dụng để tính số lượng ô cần dùng như công thức 2.23 Kết quả cho thấy với mô hình Okumura-Hata thu được bán kính

ô lớn nhất Mô hình COST 231 Hata với các tham số được hiệu chỉnh

để phù hợp hơn với tần số cao do vậy vùng phủ sóng cũng bé hơn Đối với mô hình COST 231 Walfisch-Ikegami bán kính thu được bé nhất Từ đó kết quả trên, Việt Nam nên áp dụng mô hình Okumura-Hata cho các vùng nông thôn, mô hình COST 231 Okumura-Hata cho các thành phố với mật độ dân lớn hơn Và đối với các thành phố lớn như

Hà Nội và Hồ Chí Minh với kiến trúc đô thị phức tạp nên sử dụng

mô hình COST 231 Walfisch-Ikegami

3.3 Băng tần LTE tại Việt Nam

3.4 Thực hiện mô phỏng kênh truyền

Để thực hiện xác định SINR yêu cầu cần tiến hành thực thi mô

hình mô phỏng kênh truyền trong LTE bởi mô hình đã được mô tả

chi tiết ở phần 2.3.3 Quá trình thực hiện mô phỏng với mức tỷ lệ mã

1/3 và mã hóa QPSK, đây là MCS yêu cầu giá trị BER thấp nhằm

tăng vùng phủ sóng của ô và kênh truyền sử dụng cấu hình MIMO

2x2 để đơn giản hóa tính toán và đây cũng là một cấu hình thực tế

phù hợp với các thiết bị di động, giá trị BER được tính toán như là

kết quả mô phỏng ở hình 3.2

Hình 3.2: Thực thi mô phỏng kênh truyền

bản thân hệ thống máy thu Sau khi tính toán tất cả các yếu tố trên, các độ lợi được cộng vào và suy hao trừ đi chúng ta có được công suất nhận được ở phía thu

2.4 Công cụ định cỡ

Excel được lựa chọn để thực hiện định cỡ vùng phủ sóng mạng Long Term Evolution (LTE) Phần mềm sẽ thực hiện những tính toán cần thiết để đưa ra kết quả cuối cùng là bán kính ô cũng như số lượng trạm thu phát gốc cần thiết Excel được lựa chọn là công cụ chính, kết hợp với sự hỗ trợ mô phỏng của MATLAB để thực hiện quá trình định cỡ Excel là một ứng dụng bảng tính với các tính năng đặc biệt

để thực hiện tính toán và cung cấp một loạt các đồ họa thân thiện cũng như dễ sử dụng đối với người dùng, chính điều đó đã tạo nên tính phổ biến rộng rãi của ứng dụng này [20]

Bảng tính được thiết kế riêng biệt từng trang, các tính toán trung gian và công thức chi tiết được đặt trên các trang tách biệt Do đó, người dùng có thể sử dụng công cụ mà không cần thiết đi vào chi tiết từng công thức Lý tưởng nhất, người dùng chỉ phải nhập thông số đầu vào ở trang yêu cầu đầu vào và thu được kết quả đầu ra ở trang kết quả cuối cùng Ngoài ra bảng tính còn được xây dựng với hai ngôn ngữ là tiếng Anh và tiếng Việt, người sử dụng có thể lựa chọn ngôn ở trang nhập dữ liệu đầu tiên để thiết lập ngôn ngữ trong toàn bảng tính Giao diện đầu vào như hình 2.12, tính toán RLB như hình 2.13 và kết quả đầu ra như hình 2.14

Hình 2.12: Thông số đầu vào công cụ định cỡ

Tốc độ tăng trưởng thuê bao sử dụng dịch vụ 3G khá cao, chỉ sau một năm đi vào hoạt động cứ 10 thuê bao thì có 1 thuê bao sử dụng dịch vụ 3G đó là một tỷ lệ ấn tượng so với mặt bằng chung của các nước trong khu vực Trong đó có một số dịch vụ đạt được tỷ lệ sử dụng đáng chú ý như bảng 3.1

Với hơn một trăm triệu thuê bao di động, cộng với sự phát triển ngày càng tăng của các nội dung số, dịch vụ dữ liệu trên nền điện thoại di động hứa hẹn sẽ mạng lại doanh thu to lớn trong những năm tới

Bảng 3.1: Thống kê một số dịch vụ dữ liệu [23]

Hình 3.1: Thống kê LTE trên toàn cầu [24]

3.2 Nhu cầu phát triển LTE tại VIỆT NAM

Kể từ khi khai trương dịch vụ 3G ở Việt Nam (WCDMS /

UMTS, WCDMA/HSPA, WCDMA/HSPA+) tới nay lượng thuê bao

cũng như lưu lượng sử dụng dịch vụ dữ liệu không ngừng gia tăng

Người dùng di động có nhiều cơ hội tiếp cận với nhiều lựa chọn

phong phú về dịch vụ với chất lượng tốt hơn Và yêu cầu về băng

thông sẽ còn tiếp tục tăng nhanh trong thời gian tới do khả năng xử lý

của đầu cuối người dùng không ngừng tăng nền và người dùng luôn

yêu cầu các dịch vụ với trải nghiệm cao hơn Các dịch vụ trước đây

chỉ có thể thực hiện trên máy tính, nay có thể thực hiện trên đầu cuối

di động Việc phát triển các dịch vụ dưới dữ liệu mới sẽ là động lực

để phát triển công nghệ LTE tại Việt Nam

Độ hiệu dung Băng tần % 90 90 Băng tần khả dụng Mhz 4.5 Eff_BW=BW*BW_eff 4.5

Mật độ nhiễu nhiệt dBm/Hz -174 -174

Nhiễu từ các ô lân cận 3.0103 m 3.0103

SINR yêu cầu

Kết quả mô phỏng

SINR yêu cầu tại biên ô dB 5 S 12

Công thức Shannon

Số bít trong mỗi giây (Kb/s) 8400 p 25200

Độ hiệu duụng tần số bps/Hz 0.56 SE=1000*p*q/BW 1.68

SINR yêu cầu tại biên ô dB 2.49761 S=10*log10(2^(SE/Alph)-1) 13.101

Tổn thất 1 143.458 L1=D-G+K-S 143.36

Hình 2.13: Quỹ năng lượng đường truyền RLB