Tối ưu hóa sau thiết kế quy hoạch mạng LTE 4g

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 thiể

1

ĐÀO ANH PHƯƠNG

TỐI ƯU HÓA SAU THIẾT KẾ, QUY HOẠCH

Luận văn được hoàn thành tại:

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

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 LTE/4G

LTE/4G 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 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 Đây là điều này hết sức quan trọng cho nhà cung cấp trong việc mạng triển khai LTE/4G 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 LTE/4G

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…

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 LTE/4G 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 sau thiết kế, quy hoạch mạng LTE/4G” là hết sức cần thiết

Mục đích của đề tài là nghiên cứu về tối ưu hóa sau thiết kế, quy hoạch mạng LTE/4G Nội dung luận văn gồm 3 chương:

Chương I : Tổng quan về hệ thống thông tin di động LTE/4G

Chương II : Vấn đề tối ưu trong mạng LTE/4G

Chương III : Ứng dụng tối ưu hóa cho mạng LTE/4G tại một khu vực thuộc thành phố cấp 1 tại Việt Nam

Kết luận : Toám tắt kết quả nghiên cứu, các đề xuất kiến nghị

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE/4G

I.1 Nghiên cứu công nghệ LTE/4G

I.1.1 Tổng quan về LTE/4G

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 LTE/4G, 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 I.1 - Sự phát triển thuê bao băng rộng

LTE/4G mang lại nhiều lợi ích hơn cho người dùng và cả những nhà cung cấp dịch vụ:

I.1.2 Chuẩn hóa LTE/4G

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

 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

 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

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

 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

 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

Bảng I.1 Các băng tần FDD và TDD cho LTE

Băng tần FDD

1 1920 MHz to 1980 MHz 2110 MHz to 2170 MHz

2 1850 MHz to 1910 MHz 1930 MHz to 1990 MHz

I.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

I.1.4 Lập lịch trình phụ thuộc kênh truyền và tương thích tốc độ

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

I.1.5 Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE/4G

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 truyền 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 kênh logic trong LTE bao gồm:

- 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 kênh truyền tải trong LTE bao gồm:

- Kênh BCH (Broadcast Channel

- 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 LTE/4G

Trong LTE, một thiết bị đầu cuối di động có thể có nhiều trạng thái khác nhau như hình dưới:

Hình I.12 - Các trạng thái LTE

I.1.6 Kiến trúc hệ thống mạng LTE/4G

Kiến trúc hệ thống bao gồm các thành phần chức năng chính như sau

 Mạng truy nhập vô tuyến LTE/4G – (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 I.13 - Mạng truy nhập vô tuyến LTE: các node và các giao diện

 Mạng lõi LTE/4G –EPC (evolved Packet Core)

Mạng lõi WCDMA/HSPA và LTE đều kế thừa từ mạng lõi GSM, mạng 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)

I.2 Triển khai LTE/4G trên hệ thống cơ sở hạ tầng mạng Vinaphone

LTE/4G 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 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 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 LTE/4G 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 LTE/4G 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

I.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

- Ericsson: Sử dụng thiết bị có các khối điều khiển độc lập riêng cho từng công nghệ

GSM - WCDMA - LTE/4G 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

I.2.2 Lựa chọn băng tần, thiết bị LTE/4G

 Lựa chọn băng tần cho LTE/4G

Hình I.18 So sánh hiệu quả về mặt băng tần của HSPA+ và LTE

I.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 LTE4G 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)

 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 LTE/4G, sau đó thực hiện nâng cấp mạng vô tuyến từ WCDMA/3G lên HSPA+ làm bước đệm tiến tới triển khai công nghệ LTE/4G

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