Quy hoạch mạng 4g LTE

Trong đó quy hoạch lưu lượng với tối đa hóa thông lượngtrong vùng phủ sóng được xem xét vì so với bài toán lưu lượng củacác mạng trước đó như 2G/3G, thông lượng mạng LTE không chỉphụ th

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐỖ CHUNG HIẾU

QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE

Ngành: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60520203

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIÊṆ TỬ- VIỄ

N THÔNG

HÀ NỘI – 2014

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Mặc dù phân chia tần số trực giao (OFDM) không phải là một kỹthuật mới, nó đã được đề xuất trong cuối các năm 1960, nhưng gầnđây khi kỹ thuật xử lý tín hiệu tốt hơn làm cho OFDM trở nên thực tếhơn Công nghệ mạng không dây 802.11 là công nghệ thành côngnhất cho đến nay sử dụng kĩ thuật OFDM để truyền tín hiệu qua kênhkhông dây OFDM chuyển đổi một kênh tần số có chọn lọc vào một

bộ tập các tần số phẳng với các kênh con truyền song song Các sóngmang con có sự tách biệt tần số tối thiểu cần thiết để duy trì tính trựcgiao của dạng sóng theo miền thời gian tương ứng, nhưng phổ các tínhiệu tương ứng với các sóng mang con khác nhau chồng lên nhau ởtần số Do đó, băng thông được sử dụng rất hiệu quả Nếu hiểu biết

về kênh có sẵn ở máy phát thì tín hiệu phát OFDM có thể thích nghi

để phù hợp với kênh

Mạng 4G - LTE (Long Term Evolution) sử dụng công nghệ OFDMvới một kênh tần số băng rộng chia ra cho một vài kênh có các sóngmang con sử dụng để truyền dữ liệu tốc độ cao cho nhiều người dùngvới các dịch vụ khác nhau [1] Hiện nay, LTE đã được kích hoạt trênmột số thiết bị di động như smartphones , laptops, tablets, … giúpngười dùng truy nhập Internet với tốc độ cao và sử dungg̣ đa dịch vụ

Về mặt kỹ thuật , LTE cóthể hoạt động trên dải tần rộng từ 1.4Mhzlên đến 20Mhz, cải thiện dung lượng và vùng phủ của hệ thống, hỗtrợ truyền đa anten (MIMO), giảm chi phí trên đường truyền và cóthể tích hợp với các hệ thống mạng di động đang tồn tại sẵn

Các bài toán liên quan đến quy hoạch mạng LTE đang được đưa ranhằm xây dựng mạng LTE đạt hiệu năng cao, được tối ưu hóa khivận hành Trong đó quy hoạch lưu lượng với tối đa hóa thông lượngtrong vùng phủ sóng được xem xét vì so với bài toán lưu lượng củacác mạng trước đó như 2G/3G, thông lượng mạng LTE không chỉphụ thuộc vào diện tích vùng phủ sóng, số lượng dân cư (hay mật độdân cư trong vùng) mà còn phụ thuộc vào loại dịch vụ được sử dụng,

2

chất lượng dịch vụ (QoS) mạng được yêu cầu, nhất là phụ thuộc vào

cả các giải thuật lập lịch được sử dụng

Mục đích của luận văn là xem xét việc chia xẻ nguồn tài nguyên vôtuyến cho các người dùng theo các yêu cầu dịch vụ và QoS mạngkhác nhau Bốn giải thuật lập lịch (chỉ thị chất lượng kênh (CQI),Round Robin, Proportional Fair và tốc độ Craving Greedy (RCG))được sử dụng để cung cấp nguồn tài nguyên vô tuyến và tham chiếunhằm phân tích thông lượng cũng như độ trễ (tham số QoS) và mức

độ công bằng giữa các người dùng (yêu cầu dịch vụ), cho thấy ảnhhưởng của số người dùng, loại dịch vụ, chất lượng dịch vụ và giảithuật lập lịch tới thông lượng mạng LTE Hiệu năng mạng (thônglượng) được phân tích dựa trên các kết quả mô phỏng MATLAB.Nhằm đáp ứng cho việc triển khai LTE tại Việt Nam, luận văn nghiêncứu về: “Quy hoạch mạng 4G LTE” sau khi hoàn thành sẽ nhìn tổngquan về lưu lượng mạng 4G LTE, do đó nội dung luận văn được chiathành bốn (04) chương như sau:

Chương I: Tổng quan về LTE

Chương II: Ước lượng dung lượng kênh LTE

Chương III: Quy hoạch lưu lượng LTE

Chương IV: Tính toán mô phỏng quy hoạch dung lượng LTE

Kết luận và đưa ra những đề xuất trong tương lai cho những vấn đềđược thực hiện tiếp theo, đồng thời liệt kê những nguồn tài liệu thamkhảo khi thực hiện luận văn

Chương 1.Tổng quan về LTE 1.1 Giới thiệu

Mạng truyền thông không dây luôn là ngành có sự phát triển nhanhnhất trong ngành công nghiệp truyền thông Vì vậy, nó đã luôn chiếmđược sự quan tâm của các phương tiện truyền thông và sự chú

ýcủa công chúng Hệ thống di động đã trải qua sự tăng trưởng theocấp số nhân trong những năm qua Thật vậy, điện thoại di độngkhông những trở thành một ngành kinh doanh quan trọng mà còn làmột phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày ở hầu hết cácnước phát triển Sự tăng trưởng bùng nổ trong những năm gần đâycủa hệ thống mạng không dây cùng với sự gia tăng của máy tínhxách tay, máy tính bảng và điện thoại thông minh đã chỉ ra mộttương lai tươi sáng cho các mạng không dây, cả hai đều là những hệthống độc lập và còn là một phần của cơ sở hạ tầng mạng lớn hơn.Tuy nhiên, vẫn còn rất nhiều thách thức kỹ thuật trong việc thiết kếmột mạng không dây mạnh mẽ mà mang lại hiệu năng cần thiết để

hỗ trợ cho các ứng dụng đang phát triển

Hình 1.1: Sự phát triển của hệ thống TDMA và

OFDM 1.2 Các vấn đề cơ bản

4

1.2.1 Kiến trúc mạng

Kiến trúc LTE là kiến trúc phẳng, như thể hiện trong hình 1.2 Tương

tự với HSDPA và HSUPA, thông minh hơn để được đưa vào BS (hayeNodeB) Các chức năng liên quan vô tuyến đều nằm trong enodeB,

so với HSDPA và HSUPA, có thêm tính năng mới là RLC (RadioLink Control), RRC (Radio Control Resource) và PDCP (PacketData Convergence Protocol)

Hình 1.2: Tổng thể kiến trúc

E-UTRAN 1.2.2 Giao diện vô tuyến

Đa truy nhập được dựa trên việc sử dụng SC-FDMA với tiền tố vòng(Cyclic Prefixed) trong đường lên và đường xuống OFDMA

SC-FDMA với điều chế M-QAM kết hợp với việc bổ sung các tiền

tố vòng Công nghệ này mang lại một số lợi ích mà nhờ có tiền tốvòng thì nhiễu giữa các kí hiệu (ISI) giảm xuống nhiều hay có thểđược loại bỏ, cho phép máy thu với bộ cân bằng có độ phức tạp thấp.Ngay cả PAR được chi phối bởi điều chế trong sử dụng và SC-FDMA có khả năng đạt được hiệu suất tương tự OFDMA, khi giảthiết sử dụng cùng bộ cân bằng

1.3 Lớp vật lý LTE

1.3.1 Giới thiệu

Lớp vật lý LTE được thiết kế để cung cấp truyền dữ liệu gói tốc độcao, độ trễ thấp,với công nghệ truy cập vô tuyến được tối ưu hóa vàkhả năng giao diện vô tuyến được cải thiện Có khả năng truy cậpinternet không dây băng thông rộng và các dịch vụ mới sẽ được cungcấp bằng công nghệ này

1.3.2 Mục tiêu lớp vật lý LTE

Yêu cầu đặt ra cho tốc độ dữ liệu đỉnh cho đường xuống là 100Mbpsvà đường lên là 50Mbps với phổ là 20MHz, có thể biểu diễn hiệusuất phổ được 2.5bit/s/Hz cho đường lên và hiệu suất phổ 5bit/s/Hzcho đường xuống, tăng tốc độ bít ở biên của vùng phủ sóng Hỗ trợkhi di chuyển với tốc độ lên đến 350km/h, thậm chí lên đến500km/h

Trên mặt phẳng điều khiển: Giảm thời gian để một thiết bị đầu cuối

(UE) chuyển từ trạng thái nghỉ sang trạng thái kết nối với mạng, vàbắt đầu truyền thông tin trên một kênh truyền Thời gian này phảinhỏ hơn 100 ms

Trên mặt phẳng sử dụng: Khả năng độ trễ dưới 10ms để cung cấp

các dịch vụ tương tác thời gian thực như video chất lượng cao, hộinghị truyền hình, chơi game, …

Dải tần vô tuyến LTE có khả năng mở rộng từ 1.25MHz, 2.5MHz,5MHz, 10MHz, 20MHz dẫn đến sự linh hoạt trong việc sử dụngbăng thông một cách hiệu quả và cho phép tồn tại cùng với các tiêuchuẩn khác

Như vậy LTE còn cung cấp hiệu suất phổ hơn 2 đến 4 lần HSPARelease 6

1.3.3 Cấu trúc khung LTE

1.3.3.1 Cấu trúc khung Type-1

6

Cấu trúc khung Type-1 được thiết kế để phân chia tần song công(FDD) và cấu trúc khung Type-2 được thiết kế để phân chia thời giansong công (TDD) Khung Type-1 có thời gian kéo dài 10ms bao gồm

20 khe kích thước bằng nhau, mỗi khe 0.5ms Mỗi khung con frame) có 2 khe, do đó một khungvô tuyến có 10 khung con Trongchế độ FDD, một nửa số khung con sử dụng cho đường xuống vàmột nửa sử dụng cho đường lên

(sub-1.3.3.2 Cấu trúc khung Type-2

Cấu trúc khung Type-2 thích hợp với TDD, một khung vô tuyến baogồm 2 nửa khung có thời gian 5ms giống hệt nhau Mỗi nửa khung đượcchia làm 5 khung con có thời gian 1ms Mỗi khung con bình thườnggồm 2 khe 0.5ms Các loại khung con đặc biệt bao gồm 3 trườngDownlink Pilot Timeslot (DwPTS), GP (Guard Period) và Uplink PilotTimeslot (UpPTS) Bảy cấu hình UL-DL được hỗ trợ với cả 2 loại(10ms và 5ms) của chuyển đổi chu kì DL sang UL Trong loại 5ms củachuyển đổi chu kì DL sang UL, khung con đặc biệt được sử dụng cảtrong 2 nửa khung Trong loại 10ms của chuyển đổi chu kì DL sang UL,khung đặc biệt chỉ được sử dụng trong nửa khung đầu tiên Đối vớitruyền dẫn đường xuống khung đặc biệt 0, 5 và DwPTS luôn được dànhriêng UpPTS và khung con bên cạnh các khung con đặc biệt luôn dànhriêng cho thông tin đường xuống

1.3.4 Tài nguyên vật lý và cấu trúc khe thời gian

Trong mỗi khe thời gian cho trước, tín hiệu truyền có thể được xemnhư tại một lưới tần số-thời gian, nơi mà mỗi yếu tố tài nguyên (RE)trong lưới tương ứng với một sóng mang con ODFM Số lượng cácsóng mang con xác định băng thông truyền tải Đối với tiền tố vòng,mỗi khe thời gian chứa bảy kí hiệu OFDM và trong trường hợp tiền

tố vòng mở rộng, 6 kí hiệu OFDM được nằm trong khe trong mỗikhe thời gian

1.3.5 Cấu trúc tín hiệu đường xuống LTE

Để thực hiện giải điều chế trong đường xuống LTE, ước lượng kênhcần thiết ở thiết bị thu cuối Trong trường hợp phát kí hiệu thamchiếu được biết trước được thêm vào lưới tân số OFDM để ướclượng kênh Những tín hiệu này được gọi là tín hiệu tham chiếuđường xuống LTE Đối với miền thời gian, tín hiệu tham chiếu đượcgắn vào khe tại điểm thứ nhất và cuối cùng thứ ba của lưới tàinguyên, trong khi đó, tín hiệu tham chiếu được chèn trên trên mỗisáu sóng mang con trong miền tần số Để ước lượng kênh chính xáctrên toàn lưới và giảm nhiễu trong ước tính kênh, phép nội suy vàtính trung bình 2 chiều thời gian-tần số cần thiết trên nhiều ký hiệutham chiếu Mỗi một tín hiệu tham chiếu được truyền từ mỗi anten

để đánh giá chất lượng kênh tương ứng với mỗi đường dẫn khi cơchế đa anten được áp dụng Trong trường hợp này, các tín hiệu thamchiếu được ánh xạ vào sóng mang con khác nhau của lưới tài nguyêncho các anten khác nhau để giảm giao thoa Các yếu tố nguồn lựcđược sử dụng để truyền tín hiệu tham khảo tại antenna-1 không tái sửdụng cho antenna-2 để truyền dữ liệu

1.3.6 Thông số đường xuống LTE

LTE có khả năng mở rộng băng thông, vì vậy số lượng sóng mang concũg thay đổi trong khi vẫn giữ khoảng cách sóng mang con lên đến15kHz Tùy thuộc vào trễ lan truyền, 2 loại chiều dài tiền tố vòng (ngắnvà mở rộng) được phép sử dụng Nó nhằm mục đích hỗ trợ các trườnghợp khác nhau, trong nhà, đô thị, ngoại ô và nông thôn cho cả 2 loạiđiều kiện di động (thấp và cao) của thiết bị di động đầu cuối khác nhau,

từ 350km/h đến 500km/h Trong khi sử dụng cấu hình FDD cấu trúckhung và các thông số được sử dụng trong đường lên và đường xuống.Các thông số này được tóm tắt trong bảng dưới

1.3.7 Kỹ thuật đa anten

Kỹ thuật đa anten sử dụng nhiều anten ở máy phát và/hoặc máy thukết hợp với xử lý tín hiệu thích ứng để cung cấp xử lý mảng thông

8

minh, kết hợp phân tập hoặc khả năng ghép kênh không gian của hệthống không dây Trước đây, trong các hệ thống truyền tín hiệu,anten thông thường chỉ khai thác miền thời gian và tần số Hiện nay,với hệ thống đa anten thì chúng ta khai thác thêm một miền con -chiều không gian Nhờ việc sử dụng các mô hình không gian với kỹthuật đa anten đáp ứng các yêu cầu LTE; cải thiện vùng phủ sóng(khả năng cho các tế bào lớn hơn), nâng cao dung năng của hệ thống(số người sử dụng/cell di động), chất lượng dịch vụ (QoS) và tốc độmong muốn đạt được có được bằng cách sử dụng kỹ thuật đa anten.

Kỹ thuật đa anten được tích hợp vào thông số kỹ thuật LTE bởi cácyêu cầu ví dụ như như tốc độ dữ liệu đỉnh người dùng không thể đạtđược nếu không dùng cơ chế đa anten

Các liên kết vô tuyến bị ảnh hưởng bởi hiện tượng fading gây nhiễu

ở người nhận Bằng cách áp dụng nhiều anten ở máy phát hoặc ởphía người nhận, nhiều đường tín hiệu radio được thành lập giữa mỗianten truyền và nhận Bằng cách này, cho dù nhiều đường khác nhauvẫn sẽ chịu ảnh hưởng bởi fading, nhưng nhờ kĩ thuật phân tậpkhông gian mà ảnh hưởng của fading sẽ giảm xuống khi truyền tingiữa máy phát tới máy thu Để các đường không tương quan vớinhau, các vị trí tương đối của anten trong cấu hình đa anten nên đặt

xa nhau Cho dù fading tương quan hay không tương quan cần thiếtphụ thuộc vào những gì sẽ làm với cấu hình đa anten (phân tập,hướng búp sóng và ghép kênh không gian) Nhìn chung, kỹ thuật đaanten có thể được chia thành 3 loại tùy thuộc vào lợi ích khác nhau

Chương II Ước lượng dung lượng kênh LTE

2.1 Mô hình đường xuống LTE

Để cung cấp mô tả chi tiết của đường xuống LTE, mô hình hệ thốngdựa trên mô hình đa anten phát và OFDM là yếu tố chính trongchương này Sự kết hợp của công nghệ mới, ví dụ như MIMO-OFDM được sử dụng để thực hiện các yêu cầu của giao diện vôtuyến LTE Kỹ thuật MIMO được coi là phương pháp quan trọngnhất để cung cấp hiệu quả băng thông cần thiết và tốc độ dữ liệu caotrong sự phát triển của các hệ thống thông tin di động trong tươnglai Mặt khác, OFDM là mô hình truyền đa sóng mang đặc biệt, rấthấp dẫn để thực hiện điều chế đa sóng mang để chống ISI trong môitrường fading đa đường với hiệu suất phổ cao cho đường xuống LTE.OFDM sử dụng nhiều tín hiệu chồng chéo nhưng chỉ sử dụng trựcgiao tín hiệu sóng mang duy nhất để đạt được hiệu suất phổ cao vàtốc độ dữ liệu cao Các mô hình đường xuống LTE được sử dụngtrong mô phỏng và được mô tả ở hình dưới với hai anten truyền vàhai anten nhận

10

Hình 2.1: Mô hình hệ thống đường xuống LTE với MIMO 2x2

2.2 Mô hình truyền sóng

2.2.1 Giới thiệu

Ngay từ khi xuất hiện, thông tin liên lạc không dây có yêu cầu caođối với kênh di động có fading Lý do cho tầm quan trọng này là môhình kênh rất cần thiết cho việc phân tích, thiết kế và triển khai các

hệ thống thông tin liên lạc cho việc truyền thông tin tin cậy giữa haibên Mô hình kênh cũng rất quan trọng để thử nghiệm, tối ưu hóathông số và hiệu năng của hệ thống thông tin liên lạc Hiệu năng và

độ phức tạp của xử lý thuật toán tín hiệu, thiết kế anten thu phátthông minh, … được sử dụng trong hệ thống thông tin di động trongtương lai, phụ thuộc nhiều vào phương pháp thiết kế, được sử dụng

để mô hình hóa kênh fading di động Vì vậy, kiến thức về kênhfading di động là điều kiện tiên quyết cho việc thiết kê trung tâm của

hệ thống thông tin liên lạc không dây

Những khó khăn trong việc mô hình hóa một kênh không dây là doquá trình truyền sóng phức tạp Một tín hiệu truyền đến ở máy thuthông qua cơ chế lan truyền khác nhau thể hiện ở hình 2.2 Các cơchế lan truyền liên quan đến các cơ chế cơ bản sau:

- Không gian tự do hoặc tầm nhìn lan truyền

- Phản xạ do tương tác của sóng điện từ với mặt phẳng và bề mặt nhẵn có kích thước lớn so với bước sóng của sóng điện từ tiếp xúc

-Nhiễu xạ gây ra bởi sự uốn cong của sóng điện từ xung quanh góc của tòa nhà

- Khuếch tán hoặc tán xạ do tiếp xúc với các đối tượng có bề mặt không đều

- Lan truyền qua vật thể hấp thụ một phần của năng lượng

11

Hình 2.2: Lan truyền tín hiệu thông qua các đường khác nhau cho

thấy hiện tượng lan truyền đa đường

2.2.2 Kênh đa đường

Chiều dài đường truyền khác nhau gây ra trễ lan truyền khácnhau.Tùy thuộc vào các khâu khác nhau, nhiễu tín hiệu đa đườngtương tác hoặc triệt tiêu ở máy thu.Sự phân bổ cường độ của kênhđược mô tả bởi hàm phân phối phụ thuộc vào môi trường truyềnsóng Nhiễu đa đường nghiêm trọng nhất là fading Rayleigh, nókhông có đường tầm nhìn trực tiếp (LOS) Một kênh vô tuyến có thể

mô tả như là băng hẹp hoặc băng rộng tùy thuộc vào đặc tính kênhvà thời gian của ký hiệu Do trên cơ chế lan truyền, đáp ứng xungcủa kênh đa đường bao gồm một loạt các xung lan truyền trong thờigian hoặc tần số Nếu sự khác biệt về thời gian giữa xung đầu tiên vàxung cuối cùng là nhỏ hơn so với thời gian của một ký hiệu, thì hệthống được gọi là hệ thống băng hẹp Nếu sự khác biệt về thời giangiữa xung đầu tiên và xung cuối cùng là lớn hơn so với thời gian củamột ký hiệu, thì hệ thống được gọi là hệ thống băng rộng Đặc tínhđáp ứng xung của hệ thống băng rộng thường được sử dụng để mô tảhoạt động của kênh đa đường

2.2.3 Các thông số truyền sóng

Cách xử lý của kênh đa đường cần phải được đặc tả nhằm mô hìnhhóa kênh Các khái niệm lan truyền Doppler, thời gian liên kết và trễ