công nghệ thông tin di ñộng trong những năm qua ñã phát triển rất mạnh mẽ cung cấp các loại hình dịch vụ ña dạng ñáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng.. Tuy nhiên, theo ñánh gi
Trang 1ðẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ðẠI HỌC
KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
- -
ðộc lập - Tự do - Hạnh phúc
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PON ðỂ QUY HOẠCH, NÂNG CẤP, TỐI
ƯU HOÁ VIỆC PHÂN BỔ VỊ TRÍ VÀ TẦN SỐ MẠNG TRUYỀN DẪN 3G-WCDMA
TẠI KHU VỰC TP BẮC GIANG
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN THANH HÀ
Trường ðại học Thái Nguyên
Ngày giao ñề tài: / /
Ngày hoàn thành: / /
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
PGS.TS Nguyễn Thanh Hà
HỌC VIÊN Nguyễn Thị Chung
Trang 2BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ðẠI HỌC
LỜI CAM ðOAN
Tên tôi là: Nguyễn Thị Chung
Học viên lớp Cao học khoá 13- Kỹ thuật ñiện tử - Trường ðHKTCN Thái Nguyên
Xin cam ñoan: ðề tài: “Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ PON ñể quy hoạch, nâng cấp và tối ưu hóa việc phân bổ vị trí và tần số mạng truyền dẫn 3G” do thầy giáo PGS TS Nguyễn Thanh Hà hướng dẫn là công trình tổng hợp và nghiên cứu của riêng tôi Tất cả
những nội dung trong luận văn ñúng như trong ñề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Các tài liệu tham khảo ñều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng
Bắc Giang, ngày tháng năm 2012
Học viên
Nguyễn Thị Chung
Trang 3MỤC LỤC LỜI CAM ðOAN……… … I LỜI CẢM ƠN………II MỤC LỤC……….III DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT………V
LỜI NÓI ðẦU……….… 1
CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ DI ðỘNG THẾ HỆ BA W-CDMA……….…5
1.1 Giới thiệu chương………5
1.2 Cấu trúc mạng W-CDMA………6
1.2.1 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN………9
1.2.2 Giao diên vô tuyến……… 10
1.3 Kết luận chương……… 13
CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ PON VÀ CÁC CHUẨN HOÁ PON……… 15
2.1 Mạng quang tích cực AON và mạng quang thụ ñộng PON………… 15
2.1.1 AON……… ……….…15
2.1.2 Mạng PON……… ……… 16
2.1.3 Các chuẩn trong mạng PON………… ……….20
2.1.4 Bộ tách /ghép quang và topo trong mạng PON……… …………27
2.1.5 PON MAC layer……… ………… 35
2.2 Kết luận chương……… 43
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PON ðỂ QUY HOẠCH TỐI ƯU HOÁ VỊ TRÍ VÀ TẦN SỐ MẠNG TRUYỀN DẪN 3G-WCDMA TẠI KHU VỰC TP BẮC GIANG……….44
3.1 Giới thiệu………44
3.2 Nhu cầu tối ưu hoá mạng backhaul………45
3.3.Quy hoạch vị trí……… 47
Trang 43.4 Sự sắp xếp nhiều ONU: Thuật toán Tham lam Greedy……….49 3.5 Thuật toán ñể tối ưu hoá toàn cục……… 50 3.5.1 Mô phỏng thuật toán luyện kim simulated Annealing (SA)…….51 3.5.2 Áp dụng vấn ñề bố trí nhiều ONU theo SA……… 51 3.5.3 Hiệu suất học……….53 3.5.4 Thuật toán leo ñồi(Hill-Climbing Algorithm (Steepest Descent))… 55 3.6 Kết luận chương……… ………57 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ðỀ TÀI……… ………58 TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 59
Trang 5Lời nói ñầu -@ -
Cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ như ñiện tử, tin học công nghệ thông tin di ñộng trong những năm qua ñã phát triển rất mạnh mẽ cung cấp các loại hình dịch vụ ña dạng ñáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng Kể từ khi ra ñời vào cuối năm 1940 cho ñến nay thông tin di ñộng ñã phát triển qua nhiều thế hệ và ñã tiến một bước dài trên con ñường công nghệ
Trong thế kỷ 21, thế giới ñã chứng kiến sự bùng nổ về nhu cầu truyền thông không dây cả
về số lượng, chất lượng và các loại hình dịch vụ Tuy nhiên, theo ñánh giá thì công nghệ truyền thông không dây hiện thời vẫn còn quá chậm và không ñáp ứng ñược các yêu cầu về dịch vụ mới ñặc biệt là các dịch vụ truyền số liệu ña phương tiện ðiều này ñòi hỏi các nhà khai thác phải có ñược công nghệ truyền thông không dây nhanh hơn và tốt hơn ðể ñáp ứng yêu cầu ñó, ngay từ những năm ñầu của thập kỷ 90 người ta ñã tiến hành nghiên cứu, hoạch ñịnh hệ thống thông tin di ñộng thế hệ ba ITU-R ñang tiến hành công tác tiêu chuẩn hóa cho hệ thống thông tin di ñộng toàn cầu IMT-2000, còn ở châu Âu ETSI ñang tiến hành tiêu chuẩn hóa phiên bản này với tên gọi là UMTS (Universal Mobile Telecommunnication System) Mục tiêu trước mắt
là tăng tốc ñộ bit truyền từ 9.5Kbps lên 2Mbps Công nghệ này sẽ nâng cao chất lượng thoại,
và dịch vụ dữ liệu sẽ hỗ trợ truyền thông ña phương tiện ñến các thiết bị không dây
Có nhiều chuẩn thông tin di ñộng thế hệ ba ñược ñề xuất, trong ñó chuẩn W-CDMA ñã ñược ITU chấp thuận và hiện nay ñang ñược triển khai ở một số khu vực Hệ thống W-CDMA
là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di ñộng thế hệ hai sử dụng công nghệ TDMA như GSM, PDC, IS-136 W-CDMA sử dụng công nghệ CDMA ñang là mục tiêu hướng tới của các hệ thống thông tin di ñộng trên toàn thế giới, ñiều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn hóa giao diện vô tuyến công nghệ truyền thông không dây trên toàn cầu
Hiện nay, mạng thông tin di ñộng của Việt Nam ñang sử dụng công nghệ GSM, tuy nhiên mạng GSM không ñáp ứng ñược các yêu cầu về dịch vụ mới cũng như ñòi hỏi chất lượng dịch
vụ ngày càng cao của người sử dụng 3G là một bước ñột phá của ngành di ñộng, bởi vì nó cung cấp băng thông rộng hơn cho người sử dụng ðiều ñó có nghĩa sẽ có các dịch vụ mới và nhiều
Trang 6thuận tiện hơn trong dịch vụ thoại và sử dụng các ứng dụng dữ liệu như truyền thông hữu ích như ñiện thoại truyền hình, ñịnh vị và tìm kiếm thông tin, truy cập Internet,truyền tải dữ liệu dung lượng lớn, nghe nhạc và xem video chất lượng cao, Truyền thông di ñộng ngày nay ñã
và ñang ñóng góp một vai trò quan trọng trong cuộc sống Việc vẫn có thể giữ liên lạc với mọi người trong khi di chuyển ñã làm thay ñổi cuộc sống riêng tư và công việc của chúng ta
Tuy nhiên, thị trường viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di ñộng thứ hai Sự ra ñời của hệ thống di ñộng
hệ thứ ba với các công nghệ tiêu biểu như WCDMA hay HSPA là một tất yếu ñể có thể ñáp ứng ñược nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc ñộ cao, băng thông rộng của người sử dụng
Trong lộ trình phát triển, các mạng GPRS/EDGE và tiếp theo là UMTS ñược triển khai trên nền mạng GSM truyền thống nhằm ñem lại thêm tài nguyên vô tuyến ñể cung cấp các dịch
vụ dữ liệu tốc ñộ cao, và tăng chất lượng dịch vụ thoại Quá trình phát triển này ñòi hỏi dung lượng mạng truyền dẫn (backhaul) phải ñược mở rộng ñể truyền tải lưu lượng lớn hơn từ trạm gốc (BS) ñến trạm trung tâm chuyển mạch (MSC) Tuy nhiên, hệ thống truyền dẫn của UMTS dựa trên công nghệ truyền dẫn IP hoặc ATM, trong khi của mạng GSM truyền thống dựa trên công nghệ TDM Vậy yêu cầu ñặt ra là cần phải nâng cấp mạng TDM của GSM Việc xây dựng hai mạng riêng biệt cho GSM và UMTS là không hiệu quả, ñặc biệt khi các nhà khai thác
di ñộng hy vọng UMTS sẽ dần thay thế GSM, và như vậy mạng truyền dẫn GSM dần dần sẽ bị xóa bỏ
Trong hệ thống PON, kết nối mạng quang (ONT) có khả năng hỗ trợ kết nối dịch vụ ñiện thoại truyền thống qua giao diện POTS (Plain Old Telephone Service) và các giao tiếp truyền
dữ liệu tốc ñộ cao như Ethernet và DSL ðầu cuối ñường dây quang (OLT) bao gồm các khối giao tiếp PON, một kết cấu chuyển mạch dữ liệu và các phần tử ñiều khiển NE (Network Element) Tại hướng xuống, ODL phát quảng bá dữ liệu tới tất cả các ONU Tín hiệu hướng xuống bao gồm dữ liệu cho các ONT, từ mào ñầu Khai thác Quản lý và Bảo dưỡng (Operations Administration and Maintenance –OAM) và các tín hiệu ñồng bộ cho các ONT gửi dữ liệu hướng lên Dựa vào các thông tin về khe thời gian (kênh), ñịa chỉ gói/tế bào, bước sóng, mã
Trang 7CDMA mà các ONT tách dữ liệu tương ứng với thuê bao của khách hàng Trong hướng lên, mỗi một ONU cần có giao thức ñiều khiển truy nhập môi trường MAC (Medium Access Control) ñể chia sẻ PON Giao thức MAC thường ñược sử dụng trong PON là ña truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), khi ñó mỗi ONT ñược cấp một khe thời gian (kênh) ñể gửi dữ liệu của mình tới OLT Ngoài ra trong hướng lên cần phải
có khoảng thời gian bảo vệ giữa các nhóm gói dữ liệu của các ONT, khoảng thời gian này ñảm bảo sao cho tại bộ thu OLT dữ liệu không bị trùm phủ lên nhau
Thông thường các hệ thống TDMA PON gán trước một tỷ lệ phân chia cố ñịnh băng thông hướng lên cho các ONT mà không quan tâm có bao nhiêu dữ liệu ñược gửi ñi
Một giải pháp ñể phân bổ băng thông cho các ONT là sử dụng giao thức phân bổ băng thông ñộng (Dynamic Bandwidth Allocation – DBA) DBA là giao thức cho phép các ONT gửi yêu cầu về băng thông tới OLT nhằm sử dụng hiệu quả băng thông hướng lên Các thông tin yêu cầu có thể là các mức ñầy hàng ñợi ñầu vào cho các lớp dịch vụ khác nhau OLT ñánh giá các yêu cầu từ các ONT và gán băng thông gửi cho dữ liệu hướng lên ở lần kế tiếp theo OLT cũng có thể tích hợp chức năng thỏa thuận mức dịch vụ SLA (Service Level Agreement) ñể kết hợp với DBA trong việc phân bổ băng thông Thông thường các hệ thống PON truyền dữ liệu cả hướng xuống và hướng lên trong cùng một sợi quang Trên mỗi sợi mặc dù các bộ nối ñịnh hướng cho phép sử dụng cùng một bước sóng cho cả hai hướng, tuy nhiên ñối với các hệ thống truyền tải tốc ñộ cao ñể ñảm bảo chất lượng thì thông thường mỗi hướng sử dụng một bước sống riêng Trong các mạng PON các bước sóng ñược sử dụng là 1490nm hoặc 1550nm cho hướng xuống và 1310nm cho tín hiệu hướng lên
Luận văn này mô tả công nghệ PON, 3G và phát triển của mạng truyền dẫn GSM/UMTS ñể hỗ trợ EDGE và UMTS, nghiên cứu một cấu trúc tối ưu với trọng tâm là các
kỹ thuật công nghệ PON nhằm làm giảm sự lãng phí tài nguyên dải thông trên mạng truyền dẫn 3G ñể tiết kiệm ñường dải thông, tối ưu mạng truyền dẫn di ñộng 3G
Xuất phát từ ý tưởng muốn tìm hiểu công nghệ W-CDMA, mạng W-CDMA và công nghệ PON tôi ñã thực hiện luận văn: “Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ PON ñể quy hoạch, nâng cấp và tối ưu hóa việc phân bổ vị trí và tần số mạng truyền dẫn 3G”
Luận văn này tôi trình bày 3 chương, với nội dung chính là chương 2, chương 3, gồm có: Chương 1: Hệ thống thông tin di ñộng thế hệ thứ 3 W-CDMA
Chương 2: Công nghệ PON và các chuẩn hóa PON
Trang 8Chương 3: Ứng dụng PON ñể phân bổ vị trí và quy hoạch tần số trong mang 3G tại khu vực TP Bắc Giang
Chương 4: Kết luận và hướng mở của luận văn
Trong quá trình làm luận văn khó tránh khỏi những sai sót, em rất mong ñược sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và sự góp ý của các bạn ñể luận văn ñược hoàn thiện hơn
Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS, TS Nguyễn Thanh Hà và các thầy cô giáo ñã giúp
em hoàn thiện luận văn này!
Thái Nguyên, ngày tháng năm
Học viên
Trang 9DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
AP Access Point
ACCH Associated Control Channels
ADSL Asymmetric Digital Subcriber Line
A-F Amplify-and-Forward
AGC Auto-gain Control
AI Acquisition Indicator
AMPS Advanced Mobile Phone System
AON Active Optical Network
APC Auto Power Control
APD Avalanche Photodiode
ARQ Automatic Repeat Request
AS Access Stratum
ATC Automatic Threshold Control
ATM Automated Teller Machine
AWG Array Waveguide Grating
AWGN Additive White Gaussian Noise
BAN Broadband Access Networks
BCCH Broadcast Control Channel
BCH Broadcast Channel
BER Bit Error Ratio
BLD Bottom Level Detector
BM-CDR Burst-mode Clock Data Recovery
BM-LDD Burst-mode Laser Diode Driver
BOSA Bidirectional Optical Sub-Assembly
BPON Broadband Passive Optical Network
BPSK Binary Phase Shift Keying
BS Base Staysion
Trang 10BSC Base Staysion Controler
BSS Base Staysion Subsystem
BTS Base Tranceiver Station
BWA Wroadband Wireless Access
C/I CarriertoInterferenceratio
CAPEX Captical Expenditure
CATV Cable Television
CCCH Common Control Channel
CCPCH Common Control Physical Channel
CDMA Code Division Multiple Access
CDMA-PON Code Division Multiple Access Passive Optical Network CDR Clock Data Rercovery
C-F Compress-and-Forward
CMRP Caspacity Maximization with RS Placement
CO Central Office
CP Candidate Position
CPCC Common Power Control Channel
CPCH Common Packet Channel
CPICH Common Pilot Channel
CR Chip Rate
CR Cooperative Relaying
CRC Cyclic Redundancy Check
CS Circuit Switch
CT Cooperative Transmissions
DBA Dynamic Bandwidth Allocation
DCA Dynamic Chanel Allocation
DCCH Dedicated Control Channel
D-F Decode-and-Forward
DFB Distributed Feedback Bragg
DLP Dimensioning and Location Plainning
DPCCH Dedicated Physical Control Chanel
Trang 11DPCH Dedicated Physical Chanel
DPDCH Dedicated Physical Data Chanel
DSCH Downlink Shared Chanel
DSL Digital Subscriber Line
DSP Dimensioning and Site Planning
DTCH Dedicated Traffic Chanel
DTE Data Terminal Equipment
EDGE Enhanced Data Rate for GSM Evolution
EFM Ethernet in First Mile
EPON Ethernet Passsive Optical Network
ETSI European Telecomunications Tandards Indtitute FACCH Fast Associated Control Channel
FACH Forward Access Chanel
FAUSCH Fast Uplink Signalling Chanel
FCCCH Forward Common Control Chanel
FCCH Frequency Correction Channel
FDCCH Forward Delicated Control Chanel
FDD Frequency Division Duplex
FDMA FrequencyDivision Multiple Access
FMC Fixed Mobile Convergence
F-P Fabry Perot
FRS Feasible-Relay-Sequence
FSAN Full Service Access Network
FSK Frequency Shift Keying
FTP File Transfer Protocol
FTTC Fiber-to-the-Curb
FTTH Fiber-to-the-Home
GA Genetic Algorithm
GEM GPON Encapsulation Method
GOS Grade Of Service