Nghiên cứu triển khai mạng thông tin vô tuyến băng rộng 4G trên băng tần 700 MHZ

Nghiên cứu triển khai mạng thông tin vô tuyến băng rộng 4G trên băng tần 700 MHZNghiên cứu triển khai mạng thông tin vô tuyến băng rộng 4G trên băng tần 700 MHZNghiên cứu triển khai mạng thông tin vô tuyến băng rộng 4G trên băng tần 700 MHZNghiên cứu triển khai mạng thông tin vô tuyến băng rộng 4G trên băng tần 700 MHZNghiên cứu triển khai mạng thông tin vô tuyến băng rộng 4G trên băng tần 700 MHZ

-

NGUYỄN VĂN HIẾU

NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

BĂNG RỘNG 4G TRÊN BĂNG TẦN 700 MHZ

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

MÃ SỐ: 0 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2016

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Đinh Chí Hiếu

Phản biện 1: PGS.TS Bạch Nhật Hồng

Phản biện 2: TS Dư Đình Viên

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 2016

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

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

MỞ ĐẦU

Theo lộ trình số hóa truyền hình của Việt Nam từ nay tới 2020 đối với truyền hình tương tự các kênh tần số dành cho truyền hình tương tự sẽ được giải phòng theo 4 giai đoạn Nghĩa là các kênh tần

số truyền hình tương tự đang sử dụng băng 700 MHz sẽ ngừng sử dụng giai đoạn sau 2020 Do đó, Việt Nam cần có định hướng quy hoạch sử dụng băng tần Digital Dividend sớm và cần hài hòa lợi ích quản lý, lợi ích kinh tế xã hội Việc lựa chọn phương án quy hoạch hài hòa với khu vực và trên thế giới sẽ mở đường cho phát triển thông tin di động băng rộng và đem lại nhiều lợi ích cho người dân Với nhiều ưu điểm về đặc tính truyền dẫn, băng tần 700 MHz cho phép vùng phủ sóng băng rộng di động với chi phí đầu tư hạ tầng mạng thấp, đặc biệt phù hợp với những khu vực nông thôn [3] Ngoài

ra, nhà khai thác cần ít trạm phát sóng hơn để cung cấp dịch vụ cho một khu vực so với các băng tần cao hơn; đồng thời chất lượng tín hiệu trong các tòa nhà cao tầng cũng tốt hơn nhiều so với các băng tần cao Điều này sẽ làm giảm giá thành cho dịch vụ băng rộng ở các tòa nhà cao tầng và ở vùng sâu, vùng xa, nơi mà đầu tư cung cấp hạ tầng băng thông rộng thông qua cáp hữu tuyến là quá cao Băng tần Digital Dividend được ITU-R đánh giá là băng tần tiềm năng cho công nghệ thông tin di động băng rộng (thông tin di động 4G) Tuy nhiên, khi triển khai thông tin di động băng rộng trên băng tần 700 Mhz này thì yêu cầu đặt ra là phải nghiên cứu các khía cạnh quy hoạch để đảm bảo sử dụng tối ưu tài nguyên phổ tần cho thông tin vô tuyến băng rộng trong dải tần 700 MHz Các điều kiện kỹ thuật cần thiết để đảm bảo tránh gây nhiễu đến các dịch vụ khác trong dải tần này và các băng tần liền kề Đặc biệt phải đảm bảo sự bảo vệ thích hợp cho các dịch vụ phát thanh truyền hình

Do đó, tôi quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu triển khai

mạng thông tin vô tuyến băng rộng 4G trên băng tần 700 MHz”

cho luận văn tốt nghiệp

Luận văn được chia thành ba chương:

 Chương 1: Mạng thông tin vô tuyến băng rộng 4G

 Chương 2: Giải pháp triển khai

 Chương 3: Mô phỏng và đánh giá

CHƯƠNG 1: MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG 4G 1.1 Tổng quan về mạng 4G LTE

1.1.1 Giới thiệu về mạng 4G

4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMT Advanced) được định nghĩa bởi ITU-R Tốc độ dữ liệu đề ra là 100Mbps cho thuê bao di chuyển cao và 1Gbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linh động lên đến trên 40MHz Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụ như điện thoại IP, truy cập internet băng rộng, các dịch vụ game và dòng HDTV đa phương tiện…

3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên của LTE chưa đủ các tính năng theo yêu cầu của IMT Advanced LTE có tốc độ lý thuyết lên đến 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps

ở đường lên đối với băng thông 20MHz

 Hiệu suất sử dụng phổ hệ thống lên đến 3 bit/s/Hz/cell ở đường xuống và 2.25 bit/s/Hz/cell cho việc sử dụng trong nhà

 Chuyển giao liền (Smooth handoff) qua các mạng hỗn hợp

 Kết nối liền và chuyển giao toàn cầu qua đa mạng

 Chất lượng cao cho các dịch vụ đa phương tiện như âm thanh thời gian thực, tốc độ dữ liệu cao, video HDTV, TV di động…

 Tương thích với các chuẩn không dây đang tồn tại

 Tất cả là IP, mạng chuyển mạch gói không còn chuyển mạch kênh nữa

1.1.2 Giới thiệu về công nghệ LTE

1.1.2.1 Tổng quan về LTE

Mục tiêu của LTE

- Tốc độ dữ liệu cao

- Độ trễ thấp

- Công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu

Các đặc tính cơ bản của LTE

 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 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 300 ms cho các dịch vụ thời gian thực

và 500 ms cho các dịch vụ còn lại

- Chi phí: chi phí triển khai và vận hành giảm

Các thông số lớp vật lý của LTE

Khoảng cách sóng mang con 15 KHz

Chiều dài CP Ngắn 4.7 µs

Dài 16.7 µs

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 1.2: Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp

a) Cấu trúc cơ bản SAE của LTE

Hình 1.1: Cấu trúc UMTS và LTE

b) Giao thức của LTE

Ở LTE chức năng của RLC đã được chuyển vào eNodeB, cũng như chức năng của PDCP với mã hóa và chèn tiêu đề Vì vậy, các

giao thức liên quan của lớp vô tuyến được chia trước đây ở UTRAN

là giữa NodeB và RNC bây giờ chuyển thành giữa UE và eNodeB

Hình 1.2: Giao thức của UTRAN

Hình 1.3: Giao thức của E-UTRAN

1.1.3 Quy hoạch mạng 4G LTE

1.1.3.1.Dự báo lưu lượng

1.1.3.2 Phân tích vùng phủ

1.1.3.3 Quỹ đường truyền

1.2 Nhu cầu bổ sung phổ tần số cho thông tin vô tuyến băng rộng 4G

1.2.1 Quy hoạch mạng 4G LTE

1.2.1.1 Dự báo về tăng trưởng dữ liệu vô tuyến băng rộng toàn cầu 1.2.1.2 Dự báo về nhu cầu phổ tần toàn cầu

1.2.2 Tăng trưởng thuê bao di động ở Việt Nam

1.2.3 Đánh giá về nhu cầu phát triển vô tuyến băng rộng ở Việt Nam

1.2.3.1 Nhu cầu của các doanh nghiệp thông tin di động

1.2.3.2 Đánh giá về sử dụng smartphone ở Việt Nam

1.2.3.3 Đánh giá về thói quen của người sử dụng

1.3 Xu hướng quy hoạch băng tần 700 MHz

1.3.1 Các kết quả nghiên cứu của APT

1.3.2 Các kết quả nghiên cứu của ITU-R WP5D

1.3.3 Thị trường thiết bị đầu cuối và mạng sử dụng băng tần 700/800 cho IMT

1.3.4 Quy hoạch băng tần 700/800 MHz tại Việt Nam

1.3.4.1 Quy hoạch băng tần 700MHz (694-806 MHz)

1.3.4.2 Quy hoạch băng tần 800MHz (806-880MHz)

1.4 Kết luận chương

Mạng 4G LTE ra đời đã thể hiện những ưu điểm vượt trội so với các mạng thế hệ trước Tốc độ triển khai mạng 4G LTE diễn ra ngày càng nhanh thể hiện qua sự tăng trưởng về số lượng nhà mạng

đã và đang triển khai LTE, số lượng thuê bao LTE và số lượng thiết

bị đầu cuối LTE Với sự bùng nổ về nhu cầu của thông tin vô tuyến băng rộng tốc độ cao trong nước, Bộ Thông tin và Truyền thông và

các doanh nghiệp thông tin di động cần có kế hoạch sớm triển khai mạng 4G

Sự tăng trưởng nhanh chóng của truyền thông vô tuyến đã gây nên sự khan hiếm phổ tần Xu hướng số hóa truyền hình dẫn tới xuất hiện băng tần 700 MHz dôi dư sau số hóa truyền hình Đây là băng tần rất hiệu quả để triển khai mạng thông tin vô tuyến băng rộng 4G Đặc biệt phục vụ cho khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa của Việt Nam nhằm thu hẹp khoảng cách số giữa các vùng, miền

CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP TRIỂN KHAI

2.1 Xu hướng triển khai mạng thông tin vô tuyến băng rộng 4G

Phổ tần được dùng để triển khai LTE phổ biến nhất là 1800 MHz Được sử dụng trong 213 nhà mạng triển khai thương mại ở 100 quốc gia, tương đương với hơn 44% các nhà mạng triển khai LTE Băng tần phổ biến tiếp theo là 2,6 GHz (băng 7) được sử dụng trong

108 mạng Băng 800 MHz (dải 20) đứng vị trí tiếp theo, được sử dụng bởi 100 nhà khai thác LTE, nghĩa là trong 5 nhà khai thác LTE thì có 1 nhà triển khai trên băng 800 MHz

Băng tần 1800 MHz là băng tần phổ biến rỗng rãi khắp châu

Âu, APAC, MEA, khu vực nam Mỹ - do đó có khả năng sẽ là một băng tần lõi và toàn cầu cho việc triển khai LTE

Các nhà khai thác thường có đủ băng thông trong băng tần

1800 MHz để đảm bảo lợi ích đầy đủ của LTE

Thông thường sẽ dễ phân bổ lại hơn băng tần 900 MHz

Hệ sinh thái thiết bị người dùng đang được xây dựng; đây là một lựa chọn tốt cho các thiết bị có sẵn sau năm 2011

Có thể là một chiến lược chuyển tiếp giữa HSPA và phổ tần mới có sẵn (ví dụ 2,6 GHz, băng tần lợi ích số hóa truyền hình )

2.1.2 Băng tần 900 MHz

Băng tần 900 MHz (3GPP băng 9) được sử dụng trên toàn cầu cho thoại GSM và truyền dữ liệu di động cơ bản Băng tần này

trở thành một lựa chọn chính cho di động băng rộng sử dụng HSPA/HSPA+ (UMTS900) với đặc tính truyền sóng tuyệt vời cho vùng phủ sóng rộng (ở nông thôn) và trong các tòa nhà (nông thôn và thành thị) 100 mạng UMTS900 triển khai thương mại tại 64 quốc gia (GSA: Các nhà điều hành HSPA cam kết báo cáo ngày 11 tháng 10 năm 2015)

2.1.3 Băng tần 700 MHz

Băng tần 700 Mhz rất tuyệt vời cho cùng phủ sóng rộng rãi trong môi trường khu vực nông thôn và trong các tòa nhà, đây là băng tần lợi ích phát sinh từ quá trình số hóa truyền hình của các đài truyền hình để truyền kỹ thuật số Nhiều quốc gia đã thông qua đề nghị sử dụng băng tần APT700 FDD tạo ra cơ hội lớn cho quá trình hài hòa tần số toàn cầu cho LTE, đảm bảo lợi ích kinh tế lớn nhất cho các thiết bị người dùng, lưu lượng di động băng thống rộng và chuyển vùng quốc tế

45 quốc gia và vùng lãnh thổ được phân bổ, cam kết hoặc khuyến nghị sử dụng APT700 FDD (băng 28) cho triển khai hệ thống LTE:

2.2 Phân bổ các kênh trên băng tần 694 – 790 MHz

2.2.1 Phân bổ các kênh cho MFCN

Trong băng tần 694-790 MHz việc phân bổ kênh cho MFCN được thực hiện như sau:

- Kích thước của khối được xác định là bội của 5 MHz, trong

đó không loại trừ băng thông kênh nhỏ hơn trong một khối

bảo

vệ

Băng bảo

vệ

9

5 MHz

20 MHz (không đến bốn khối 5 MHz)

MHz

Hình 2.3: Sự phân bổ kênh cho MFCN trên băng tần 700 MHz FDD 2x30MHz và tùy chọn đường lên bổ sung (SDL) trong

khoảng cách song công

2.2.2 Lựa chọn thay thế cho PMSE, PPDR, M2M và các dịch vụ

khác

Hình 2.4: Lựa chọn thay thế cho PMSE, PPDR và M2M

Các tùy chọn thể hiện trong hình 2.4 có thể được kết hợp với nhau cùng với việc sử dụng một số khối SDL MFCN để cung cấp linh hoạt các lựa chọn cho cơ quan quản lý tùy thuộc vào nhu cầu Khi kết hợp SDL và các tùy chọn sử dụng thay thế có thể có được thông số kỹ thuật khác nhau cho SDL

2.3 Các tham số tối thiểu

2.3.1 Phương pháp xác định các các tham số tối thiểu

Một BEM là một mặt nạ phát xạ được định nghĩa như một giới hạn về e.i.r.p trung bình hoặc TRP (tổng công suất bức xạ) bên trong và bên ngoài của khối băng tần cấp phép cho một nhà khai thác,

và được định nghĩa cho một băng thông đo nhất định Các thành phần ngoài khối của BEM có thể bao gồm một mức độ cơ bản hoặc trung bình (chuyển tiếp) các cấp trong đó mô tả sự chuyển đổi từ cấp độ trong khối với mức cơ bản là một chức năng của off-set từ biên khối

Hình 2.5:Mô tả một BEM chung

2.3.2 Xem xét các thông số cùng tồn tại bắt nguồn từ BEM

2.3.3 Thông số kỹ thuật chung cho các trạm gốc

2.3.3.1 Các giới hạn e.i.r.p trong khối

Bảng 2.2: Giới hạn công suất trong khối tại BS

Dải tần số e.i.r.p trung bình tối đa Băng

5 MHz

2.3.3.2 Các giới hạn e.i.r.p ngoài khối

Bảng 2.3: Yêu cầu cơ bản của BS

Dải tần số e.i.r.p trung

bình tối đa

Băng thông đo

Tần số đường lên MFCN(703 – 733 MHz) -50 dBm/cell 5 MHz Tần số đường lên của băng tần 800 MHz

Tần số đường xuống MFCN(758 – 788

MHz), các khối SDL trong khoảng cách

song công, và tần số đường xuống của băng

tần 800 MHz (791-821 MHz)

16 dBm/angten 5 MHz

Bảng 2.4: Yêu cầu cơ bản của BS trong dải tần 733-788 MHz

Dải tần số e.i.r.p trung

bình tối đa

Băng thông đo

–5 đến 0 MHz từ biên dưới của khối 22 dBm/angten 5 MHz

0 đến +5 MHz từ biên trên của khối 22 dBm/angten 5 MHz

Bảng 2.5: Các yêu cầu chuyển tiếp BS trên 788 MHz

Dải tần số e.i.r.p trung

bình tối đa

Băng thông đo

788-791 MHz cho khối với biên trên tại 788 MHz 21 dBm/angten 3 MHz 788-791 MHz cho khối với biên trên tại 783 MHz 16 dBm/angten 3 MHz 791-796 MHz cho khối với biên trên tại 788 MHz 19 dBm/angten 5 MHz 791-796 MHz cho khối với biên trên tại 783 MHz 17 dBm/angten 5 MHz 796-801 MHz cho khối với biên trên tại 788 MHz 17 dBm/angten 5 MHz

Hình 2.6: Mô tả định tính vào yêu cầu chuyển tiếp ở trên cạnh trên biên băng tần đường xuống cho các khối MFCN khác nhau Bảng 2.6: Yêu cầu BS cho phần khoảng cách song công không

được sử dụng bởi SDL

Dải tần số e.i.r.p trung

bình tối đa

Băng thông đo

-10 đến 0 MHz offset từ biên dưới thấp DL

hoặc biên dưới của khối SDL thấp nhất,

nhưng trên đường lên của biên băng tần

16 dBm/angten 5 MHz

Hơn 10 MHz offset từ biên dưới thấp DL

hoặc biên dưới của khối SDL thấp nhất,

nhưng trên đường lên của biên băng tần

-4 dBm/angten 5 MHz

Bảng 2.7: Các yêu cầu về BS cho băng bảo vệ

Dải tần số

e.i.r.p ngoài khối trung bình tối đa

Băng thông

đo

Phổ tần giữa biên băng phát thanh truyền hình và

biên dưới băng tần đường lên FDD (694-703 MHz) -32 dBm/cell 1 MHz Phổ tần giữa biên trên đường xuống và đường

xuống của MFCN 800 MHz(788-791 MHz) 14 dBm/angten 3 MHz

Bảng 2.8: Các yêu cầu cơ bản về BS đối với phổ tần DTT

Dải tần số e.i.r.p trung

bình tối đa

Băng thông đo

Đối với tần số DTT dưới 694

MHz nơi phát thanh truyền hình

được bảo vệ

-23 dBm/cell 8 MHz

2.3.4 Thông số kỹ thuật chung cho các thiết bị đầu cuối

Bảng 2.9: Giới hạn phát xạ không mong muốn trong khối ở TS

Công suất trong khối trung bình tối đa

Dải tần số của phát xạ ngoài khối e.i.r.p ngoài khối

trung bình tối đa

Băng thông đo

Bảng 2.2: Các yêu cầu phát xạ không mong muốn cho TS trên

tần số bị chiếm bởi phát thanh truyền hình

Băng thông

đo

2.4 Các yêu cầu cơ bản

2.4.1 Các yêu cầu cơ bản về BS cho tần số đường lên FDD

Ký hiệu:

ACIR: Tỷ lệ nhiễu kênh lân cận

ACLR: Tỷ lệ rò kênh lân cận

ACSL: Độ chọn lọc kênh lân cận

e.i.r.p.tx: e.i.r.p trạm gốc trong khối

GArx: Độ lợi angten nhận

Gtxtilt: Độ lợi nghiêng của angten TX

Rtxtilt: Độ lợi nghiêng của angten RX

Yêu cầu cơ bản của BS = e.i.r.p.tx – ACLR = e.i.r.p.tx – (e.i.r.p.tx + 50.4) = -50.4 dBm/ 5MHz

2.4.2 Các yêu cầu cho trạm đầu cuối trên các tần số được sử dụng như băng bảo vệ

2.4.3 PMSE trên băng tần 700 MHz

2.5 Kết luận chương

Nhiều quốc gia đã thông qua đề nghị triển khai 4G trên băng tần APT700 FDD đã tạo ra một cơ hội lớn cho quá trình hài hòa tần

số toàn cầu cho LTE, đảm bảo lợi ích kinh tế lớn nhất cho các thiết bị

sử dụng, lưu lượng di động băng thông rộng và chuyển vùng quốc tế

Qua quá trình tìm hiểu và nghiên cứu trong chương này đã đưa ra các kế hoạch phân bổ tần số cho băng tần 700 MHz cho tần số đường lên đường xuống, khoảng bảo vệ giữa các kênh, công suất phát cho các trạm gốc và các thiết bị đầu cuối….Chương tiếp theo sẽ tiến hành mô phỏng và đánh giá khả năng triển khai