ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỖ CHUNG HIẾU QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE Ngnh: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông Chuyên nga ̀ nh: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60520203 TM TT LUN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIÊ ̣ N TƯ ̉ - VIÊ ̃ N THÔNG HÀ NỘI – 2014 2 TM TT LUN VĂN Mặc dù phân chia tần số trực giao (OFDM) không phải l một kỹ thuật mới, nó đã được đề xuất trong cuối các năm 1960, nhưng gần đây khi kỹ thuật xử lý tín hiệu tốt hơn lm cho OFDM trở nên thực tế hơn. Công nghệ mạng không dây 802.11 l công nghệ thnh công nhất cho đến nay sử dụng kĩ thuật OFDM để truyền tín hiệu qua kênh không dây. OFDM chuyển đổi một kênh tần số có chọn lọc vo một bộ tập các tần số phẳng với các kênh con truyền song song. Các sóng mang con có sự tách biệt tần số tối thiểu cần thiết để duy trì tính trực giao của dạng sóng theo miền thời gian tương ứng, nhưng phổ các tín hiệu tương ứng với các sóng mang con khác nhau chồng lên nhau ở tần 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 OFDM với một kênh tần số băng rộng chia ra cho một vi kênh có các sóng mang con sử dụng để truyền dữ liệu tốc độ cao cho nhiều người dùng với các dịch vụ khác nhau [1]. Hiện nay, LTE đã được kích hoạt trên một số thiết bị di động như smartphones , laptops, tablets, … giúp người dùng truy nhập Internet với tốc độ cao v sư ̉ du ̣ ng đa dịch vụ . Về mặt kỹ thuật , LTE co ́ thể hoạt động trên dải tần rộng từ 1.4Mhz lên đến 20Mhz, cải thiện dung lượng v vùng phủ của hệ thống, hỗ trợ truyền đa anten (MIMO), giảm chi phí trên đường truyền v có thể tích hợp với các hệ thống mạng di động đang tồn tại sẵn. Các bi toán liên quan đến quy hoạch mạng LTE đang được đưa ra nhằm xây dựng mạng LTE đạt hiệu năng cao, được tối ưu hóa khi vận hnh. Trong đó quy hoạch lưu lượng với tối đa hóa thông lượng trong vùng phủ sóng được xem xét vì so với bi toán lưu lượng của các mạng trước đó như 2G/3G, thông lượng mạng LTE không chỉ phụ thuộc vo diện tích vùng phủ sóng, số lượng dân cư (hay mật độ dân cư trong vùng) m còn phụ thuộc vo loại dịch vụ được sử dụng, 3 chất lượng dịch vụ (QoS) mạng được yêu cầu, nhất l phụ thuộc vo cả các giải thuật lập lịch được sử dụng. Mục đích của luận văn l xem xét việc chia xẻ nguồn ti nguyên vô tuyến cho các người dùng theo các yêu cầu dịch vụ v QoS mạng khác nhau. Bốn giải thuật lập lịch (chỉ thị chất lượng kênh (CQI), Round Robin, Proportional Fair v tốc độ Craving Greedy (RCG)) được sử dụng để cung cấp nguồn ti nguyên vô tuyến v tham chiếu nhằm phân tích thông lượng cũng như độ trễ (tham số QoS) v mức độ công bằng giữa các người dùng (yêu cầu dịch vụ), cho thấy ảnh hưởng của số người dùng, loại dịch vụ, chất lượng dịch vụ v giải thuật lập lịch tới thông lượng mạng LTE. Hiệu năng mạng (thông lượng) được phân tích dựa trên các kết quả mô phỏng MATLAB. Nhằm đáp ứng cho việc triển khai LTE tại Việt Nam, luận văn nghiên cứu về: “Quy hoạch mạng 4G LTE” sau khi hon thnh sẽ nhìn tổng quan về lưu lượng mạng 4G LTE, do đó nội dung luận văn được chia thnh 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 v đưa ra những đề xuất trong tương lai cho những vấn đề được thực hiện tiếp theo, đồng thời liệt kê những nguồn ti liệu tham khảo khi thực hiện luận văn. 4 Chương 1.Tổng quan về LTE 1.1. Giới thiệu Mạng truyền thông không dây luôn l ngnh có sự phát triển nhanh nhất trong ngnh công nghiệp truyền thông. Vì vậy, nó đã luôn chiếm được sự quan tâm của các phương tiện truyền thông v sự chú ý của công chúng. Hệ thống di động đã trải qua sự tăng trưởng theo cấp số nhân trong những năm qua. Thật vậy, điện thoại di động không những trở thnh một ngnh kinh doanh quan trọng m còn l một phần không thể thiếu trong cuộc sống hng ngy ở hầu hết các nước phát triển. Sự tăng trưởng bùng nổ trong những năm gần đây của hệ thống mạng không dây cùng với sự gia tăng của máy tính xách tay, máy tính bảng v điện thoại thông minh đã chỉ ra một tương lai tươi sáng cho các mạng không dây, cả hai đều l những hệ thống độc lập v còn l một phần của cơ sở hạ tầng mạng lớn hơn. Tuy nhiên, vẫn còn rất nhiều thách thức kỹ thuật trong việc thiết kế một mạng không dây mạnh mẽ m 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 5 1.2.1. Kiến trúc mạng Kiến trúc LTE l kiến trúc phẳng, như thể hiện trong hình 1.2. Tương tự với HSDPA v HSUPA, thông minh hơn để được đưa vo BS (hay eNodeB). Các chức năng liên quan vô tuyến đều nằm trong enodeB, so với HSDPA v HSUPA, có thêm tính năng mới l RLC (Radio Link Control), RRC (Radio Control Resource) v PDCP (Packet Data 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 v đường xuống OFDMA. SC-FDMA với điều chế M-QAM kết hợp với việc bổ sung các tiền tố vòng. Công nghệ ny mang lại một số lợi ích m nhờ có tiền tố vòng thì nhiễu giữa các kí hiệu (ISI) giảm xuống nhiều hay có thể được 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 v SC- FDMA có khả năng đạt được hiệu suất tương tự OFDMA, khi giả thiết sử dụng cùng bộ cân bằng . 1.3. Lớp vật lý LTE 6 1.3.1. Giới thiệu Lớp vật lý LTE được thiết kế để cung cấp truyền dữ liệu gói tốc độ cao, độ trễ thấp,với công nghệ truy cập vô tuyến được tối ưu hóa v khả năng giao diện vô tuyến được cải thiện. Có khả năng truy cập internet không dây băng thông rộng v các dịch vụ mới sẽ được cung cấp bằng công nghệ ny. 1.3.2. Mục tiêu lớp vật lý LTE Yêu cầu đặt ra cho tốc độ dữ liệu đỉnh cho đường xuống l 100Mbps v đường lên l 50Mbps với phổ l 20MHz, có thể biểu diễn hiệu suất phổ được 2.5bit/s/Hz cho đường lên v hiệu suất phổ 5bit/s/Hz cho đường xuống, tăng tốc độ bít ở biên của vùng phủ sóng. Hỗ trợ khi di chuyển với tốc độ lên đến 350km/h, thậm chí lên đến 500km/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, v bắt đầu truyền thông tin trên một kênh truyền. Thời gian ny phải nhỏ 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, hội nghị 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 dụng băng thông một cách hiệu quả v cho phép tồn tại cùng với các tiêu chuẩn khác. Như vậy LTE còn cung cấp hiệu suất phổ hơn 2 đến 4 lần HSPA Release 6. 1.3.3. Cấu trúc khung LTE 1.3.3.1. Cấu trúc khung Type-1 7 Cấu trúc khung Type-1 được thiết kế để phân chia tần song công (FDD) v cấu trúc khung Type-2 được thiết kế để phân chia thời gian song công (TDD). Khung Type-1 có thời gian kéo di 10ms bao gồm 20 khe kích thước bằng nhau, mỗi khe 0.5ms. Mỗi khung con (sub-frame) có 2 khe, do đó một khungvô tuyến có 10 khung con. Trong chế độ FDD, một nửa số khung con sử dụng cho đường xuống v một nửa sử dụng cho đường lên. 1.3.3.2. Cấu trúc khung Type-2 Cấu trúc khung Type-2 thích hợp với TDD, một khung vô tuyến bao gồm 2 nửa khung có thời gian 5ms giống hệt nhau. Mỗi nửa khung được chia lm 5 khung con có thời gian 1ms. Mỗi khung con bình thường gồm 2 khe 0.5ms. Các loại khung con đặc biệt bao gồm 3 trường Downlink Pilot Timeslot (DwPTS), GP (Guard Period) v Uplink Pilot Timeslot (UpPTS). Bảy cấu hình UL-DL được hỗ trợ với cả 2 loại (10ms v 5ms) của chuyển đổi chu kì DL sang UL. Trong loại 5ms của chuyển đổi chu kì DL sang UL, khung con đặc biệt được sử dụng cả trong 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 với truyền dẫn đường xuống khung đặc biệt 0, 5 v DwPTS luôn được dnh riêng. UpPTS v khung con bên cạnh các khung con đặc biệt luôn dnh riêng 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 xem như tại một lưới tần số-thời gian, nơi m mỗi yếu tố ti nguyên (RE) trong lưới tương ứng với một sóng mang con ODFM. Số lượng các sóng mang con xác định băng thông truyền tải. Đối với tiền tố vòng, mỗi khe thời gian chứa bảy kí hiệu OFDM v trong trường hợp tiền tố vòng mở rộng, 6 kí hiệu OFDM được nằm trong khe trong mỗi khe thời gian. 1.3.5. Cấu trúc tín hiệu đường xuống LTE 8 Để thực hiện giải điều chế trong đường xuống LTE, ước lượng kênh cần thiết ở thiết bị thu cuối. Trong trường hợp phát kí hiệu tham chiếu được biết trước được thêm vo lưới tân số OFDM để ước lượng kênh. Những tín hiệu ny được gọi l tín hiệu tham chiếu đường xuống LTE. Đối với miền thời gian, tín hiệu tham chiếu được gắn vo khe tại điểm thứ nhất v cuối cùng thứ ba của lưới ti nguyên, trong khi đó, tín hiệu tham chiếu được chèn trên trên mỗi sáu sóng mang con trong miền tần số. Để ước lượng kênh chính xác trên ton lưới v giảm nhiễu trong ước tính kênh, phép nội suy v tính trung bình 2 chiều thời gian-tần số cần thiết trên nhiều ký hiệu tham 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 cơ chế đa anten được áp dụng. Trong trường hợp ny, các tín hiệu tham chiếu được ánh xạ vo sóng mang con khác nhau của lưới ti nguyên cho các anten khác nhau để giảm giao thoa. Các yếu tố nguồn lực được sử dụng để truyền tín hiệu tham khảo tại antenna-1 không tái sử dụng 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 con cũg thay đổi trong khi vẫn giữ khoảng cách sóng mang con lên đến 15kHz. Tùy thuộc vo trễ lan truyền, 2 loại chiều di tiền tố vòng (ngắn v mở rộng) được phép sử dụng. Nó nhằm mục đích hỗ trợ các trường hợp khác nhau, trong nh, đô thị, ngoại ô v nông thôn cho cả 2 loại điều kiện di động (thấp v cao) của thiết bị di động đầu cuối khác nhau, từ 350km/h đến 500km/h. Trong khi sử dụng cấu hình FDD cấu trúc khung v các thông số được sử dụng trong đường lên v đường xuống. Các thông số ny được tóm tắt trong bảng dưới. 1.3.7. Kỹ thuật đa anten Kỹ thuật đa anten sử dụng nhiều anten ở máy phát v/hoặc máy thu kết hợp với xử lý tín hiệu thích ứng để cung cấp xử lý mảng thông 9 minh, kết hợp phân tập hoặc khả năng ghép kênh không gian của hệ thống không dây. Trước đây, trong các hệ thống truyền tín hiệu, anten thông thường chỉ khai thác miền thời gian v 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 kỹ thuật đa anten đáp ứng các yêu cầu LTE; cải thiện vùng phủ sóng (khả năng cho các tế bo lớn hơn), nâng cao dung năng của hệ thống (số người sử dụng/cell di động), chất lượng dịch vụ (QoS) v tốc độ mong muốn đạt được có được bằng cách sử dụng kỹ thuật đa anten. Kỹ thuật đa anten được tích hợp vo thông số kỹ thuật LTE bởi các yêu cầu ví dụ như như tốc độ dữ liệu đỉnh người dùng không thể đạt được 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 ở phía người nhận, nhiều đường tín hiệu radio được thnh lập giữa mỗi anten truyền v nhận. Bằng cách ny, cho dù nhiều đường khác nhau vẫn sẽ chịu ảnh hưởng bởi fading, nhưng nhờ kĩ thuật phân tập không gian m ảnh hưởng của fading sẽ giảm xuống khi truyền tin giữa máy phát tới máy thu. Để các đường không tương quan với nhau, 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 thiết phụ thuộc vo những gì sẽ lm với cấu hình đa anten (phân tập, hướng búp sóng v ghép kênh không gian). Nhìn chung, kỹ thuật đa anten có thể được chia thnh 3 loại tùy thuộc vo lợi ích khác nhau. 10 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 thống dựa trên mô hình đa anten phát v OFDM l yếu tố chính trong chương ny. Sự kết hợp của công nghệ mới, ví dụ như MIMO- OFDM được sử dụng để thực hiện các yêu cầu của giao diện vô tuyến LTE. Kỹ thuật MIMO được coi l phương pháp quan trọng nhất để cung cấp hiệu quả băng thông cần thiết v tốc độ dữ liệu cao trong sự phát triển của các hệ thống thông tin di động trong tương lai. Mặt khác, OFDM l mô hình truyền đa sóng mang đặc biệt, rất hấp dẫn để thực hiện điều chế đa sóng mang để chống ISI trong môi trường fading đa đường với hiệu suất phổ cao cho đường xuống LTE. OFDM sử dụng nhiều tín hiệu chồng chéo nhưng chỉ sử dụng trực giao tín hiệu sóng mang duy nhất để đạt được hiệu suất phổ cao v tốc độ dữ liệu cao. Các mô hình đường xuống LTE được sử dụng trong mô phỏng v được mô tả ở hình dưới với hai anten truyền v hai anten nhận. Bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song Mapping ti nguyên vật lý Zero Padding Ánh xạ bit sang ký hiệu Ánh xạ bit sang ký hiệu Chèn vo pilot IFFT CP Anten Mapping Bộ chuyển đổi song song sang nối tiếp Dò tìm MIMO Zero Un- Padding Ánh xạ bit sang ký hiệu Ánh xạ bit sang ký hiệu Ước lượng kênh FFT Xóa bỏ CP Anten De- Mapping Tính toán BRE De-Mapping ti nguyên vật lý Trích xuất pilot [...]... Chương III Quy hoạch lưu lượng LTE 3.1 Định cỡ của mạng LTE Định cỡ là giai đoạn đầu của quy hoạch mạng Nó cung cấp các ước tính đầu tiên của số phần tử mạng cũng như công suất của các yếu tố Mục đích của việc định cỡ là ước tính số các trạm vô tuyến gốc cần thiết để hỗ trợ tải lưu lượng truy cập quy định trong một khu vực 3.1.1 Định cỡ tế bào mạng không dây Định cỡ là một phần của quá trình quy hoạch. .. mạng di động không dây nào Đây là một quá trình rất quan trọng trong việc triển khai mạng di động Hình 3.1: Quá trình quy hoạch mạng không dây nói chung 3.1.2 Định cỡ truy cập mạng LTE Mục tiêu của định cỡ truy cập mạng LTE là ước tính mật độ site yêu cầu và cấu hình site cho khu vực quan tâm Quy hoạch truy cập mạng LTE ban đầu bao gồm RLB, ước lượng công suất cell, ước lượng số lượng eNodeB, truy... chú ý nhất của bài toán quy hoạch vùng phủ Quy hoạch vùng phủ sóng LTE với quỹ đường truyền là phương pháp được sử dụng để tính toán SINR yêu cầu, ảnh hưởng của nhiễu và cuối cùng là tính toán số lượng site trên vùng phủ 3.3 Quy hoạch dung lượng 3.3.1 Quy hoạch dung lượng LTE Quy hoạch dung lượng điều chế, mã hóa chương trình Suy hao đường truyền (quy hoạch vùng phủ sóng) cho phép suy hao đường... Tính toán mô phỏng quy hoạch dung lượng LTE Quy hoạch dung lượng là một trong bài toán quy hoạch mạng được sử dụng nhằm xác định thông lượng tối đa trong vùng phủ sóng hiện có, giảm thiểu tắc nghẽn mạng Quy hoạch dung lượng còn ảnh hưởng đến kích thước vùng phủ sóng do ảnh hưởng của mật độ dân cư trong vùng, của các loại dịch vụ mà dân cư trong vùng phủ sóng sử dụng Tuy nhiên với các mạng thế hệ sau... LUẬN Luận văn đã thực hiện việc xem xét quy hoạch lưu lượng LTE dựa trên ảnh hưởng của đáp ứng kênh người dùng, các giải thuật lập lịch hiện có cho mạng LTE, ảnh hưởng của số lượng người dùng và các loại dịch vụ và ảnh hưởng của QoS được sử dụng trong mạng LTE Tuy nhiên, còn có rất nhiều công việc vẫn được thực hiện, có thể được tiếp tục trong tương lai để có thể đáp ứng và làm rõ hơn bài toán quy. .. trình quy hoạch tổng thể, bao gồm quy hoạch chi tiết và tối ưu hóa mạng di động không dây Quy hoạch là một quá trình lặp đi lặp lại bao gồm thiết kế, tổng hợp và thực hiện Mục đích của toàn bộ chương này là cung cấp một phương pháp để thiết kế các mạng di động không dây mà nó đáp ứng được yêu cầu đặt ra của người dùng Quá trình này được sửa đổi để phù hợp với bất kỳ mạng di động không dây nào Đây... phối SINR trong cell Để cho đơn giản, truy cập mạng LTE được giả định giới hạn trong phạm vi phủ sóng bởi hướng của đường lên và dung lượng của đường xuống 16 3.3.2 Định cỡ thông lượng di động trung bình Mục tiêu của bài toán quy hoạch công suất là để có được ước lượng của số site dựa trên các yêu cầu công suất Yêu cầu dung lượng được quy định bởi các nhà mạng dựa trên lưu lượng dự đoán của họ Thông... số lượng eNodeB, truy cập các cổng (MME/UPE), cấu hình phần cứng và các thiết bị tại các giao diện khác nhau Phần này tập trung vào các vấn đề liên quan đến định cỡ LTE 3.2 Quy hoạch vùng phủ sóng và quỹ đường truyền vô tuyến 15 Quy hoạch vùng phủ là bước đầu tiên trong quá trình định cỡ Nó cung cấp cho ước lượng các tài nguyên cần thiết để cung cấp dịch vụ trong khu vực triển khai với các thông... bài toán quy hoạch lưu lượng mạng LTE Các vấn đề đó là: -Các kết quả mô phỏng được thực hiện với 100 khe thời gian (vì thời gian mô phỏng hạn chế) Vì vậy nếu tăng số lượng các khe thời gian mô phỏng, hi vọng các giá trị sẽ có các kết quả chính xác hơn - Kịch bản phức tạp hơn với số người dùng lớn hơn và đáp ứng kênh khác nhau có thể cho kết luận và phân tích chính xác hơn về kết luận của thuật... thuộc vào yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS), độ phức tạp của bài toán hay ảnh hưởng của chất lượng kênh truyền tin… Ngoài ra, dung lượng kênh còn ràng buộc bởi các điều kiện mạng LTE như đã nêu ra trong chương II của luận văn Chương trình mô phỏng giới hạn một số điều kiện cơ bản được nêu ra dưới đây Các thuật toán sẽ được thực hiện và so sánh dựa trên các tiêu chí thông lượng Thuật toán CQI được . lượng mạng LTE. Hiệu năng mạng (thông lượng) được phân tích dựa trên các kết quả mô phỏng MATLAB. Nhằm đáp ứng cho việc triển khai LTE tại Việt Nam, luận văn nghiên cứu về: Quy hoạch mạng 4G LTE . lượng mạng 4G LTE, do đó nội dung luận văn được chia thnh 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. phỏng quy hoạch dung lượng LTE Quy hoạch dung lượng l một trong bi toán quy hoạch mạng được sử dụng nhằm xác định thông lượng tối đa trong vùng phủ sóng hiện có, giảm thiểu tắc nghẽn mạng. Quy