Hệ thống thiết kế quy hoạch CELL cho mạng LTE 4g

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG







NGUYỄN TRUNG QUÂN



HỆ THỐNG THIẾT KẾ QUY HOẠCH CELL
CHO MẠNG LTE/4G


Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60.52.70


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ



HÀ NỘI - 2013




Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN PHẠM ANH DŨNG


Phản biện 1: ……………………………………………………………………………

Phản biện 2: …………………………………………………………………………




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

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

1

LỜI MỞ ĐẦU
Tháng 9 năm 2010, Bộ thông tin truyền thông đã
cấp phép cho 5 doanh nghiệp thử nghiệm dịch vụ 4G gồm
VNPT, Viettel, FPT Telecom, CMC và VTC. VNPT đã đi
tiên phong trong ứng dụng công nghệ mới khi hợp tác với
một công ty của Nga để thử LT E tại Hà Nội vào tháng
Mười năm 2010.Trước đó, vào tháng Mười, VDC, một
thành viên của VNPT, hoàn thành việc lắp đặt các trạm
LTE đầu tiên tại Hà Nội. Sự kiện này được mô tả là mở

màn cho cuộc đua cung cấp dịch vụ 4G tại Việt Nam.
Việc nghiên cứu thiết kế để triển khai mạng thông
tin di động LTE/4G cần được đặt ra ngay từ thời điểm
hiện nay để từng bước tiếp cận và theo sát sự phát triển
công nghệ mới trên thế giới, cung cấp sở cứ khoa học cho
việc xây dựng triển khai mạng 4G trong giai đoạn tiếp
theo. Ngoài ra, thực tế triển khai mạng 3G cho thấy, việc
nghiên cứu các phương pháp qui hoạch, thiết kế và ứng
dụng hệ thống qui hoạch, quản lý và cung cấp dịch vụ
cũng như quản lý điều hành mạng cần được nghiên cứu
giải quyết ngay từ đầu để thiết lập mạng 4G một cách hiệu
2

quả nhất. Do vậy, việc thực hiện đề tài luận văn “Nghiên
cứu xây dựng hệ thống Cell-Planning thiết kế, quy hoạch
mạng LTE/4G” là hết sức cần thiết.
Về nội dung, luận văn được chia làm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về LTE/4G. Trình bày về xu
hướng phát triển các công nghệ 4G trên thế giới, đồng thời
đưa ra những nghiên cứu về công nghệ LTE/4G.
Chương 2: Nghiên cứu cụ thể các vấn đề kỹ thuật
trong việc thiết kế, quy hoạch mạng, các vấn đề liên quan
đến việc thiết kế quy hoạch chung cho thế hệ mạng
GSM/3G và LTE/4G. Định cỡ mạng vô tuyến LTE là một
vấn đề rất quan trọng trong quy hoạch. Từ đó trình bày
kiến trúc hệ thống Cell-Planning được các nhà mạng ứng
dụng trong việc quy hoạch mạng.
Chương 3: Nội dung trình bày về việc quy hoạch
thiết kế cho các Cell mạng LTE/4G và triển khai thử
nghiệm thực tế tại một khu vực thuộc Hà Nội. Sau đó đưa

ra báo cáo tính toán, đo đạt trên cơ sở kết quả chạy của
công cụ quy hoạch (ASSET).

3

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ
LTE/4G
1.1. Xu hướng phát triển các công nghệ 4G trên
thế giới
1.1.1. Thị trường thông tin di động trên thế giới
Năm 2015, Châu Á TBD được dự báo sẽ chiếm
40% lưu lượng dữ liệu toàn cầu. Băng rộng di động đang
bùng nổ ở Châu Á TBD và nhanh chóng trở thành phương
tiện chính cho truy cập Internet, một phần nhờ vào việc
triển khai nhanh chóng các dự án mạng 3G. Chỉ số sẵn
sàng băng rộng di động mới được thêm vào, chỉ ra rằng
các quốc gia tạo ra một môi trường thuận lợi cho dịch vụ
dữ liệu di động được phát triển thì sẽ có khả năng phát
triển toàn bộ nền kinh tế xã hội vượt bậc hơn so với các
nước khác. Hồng Kông và Việt Nam cũng nhảy lên trên,
thể hiện sự tập trung mạnh mẽ vào việc thúc đẩy phát triển
băng rộng di động.
4

1.1.2. Xu hướng phát triển công nghệ mạng di động
từ 3G lên 4G
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 4G.
1.1.3. Tổng quan về công nghệ LTE
Có 3 công nghệ được lựa chọn để phát triển lên
mạng 4G bao gồm: LTE, WiMax và UMB. Tuy nhiên,
vào năm 2009, tập đoàn Qualcomn, đơn vị chính tài trợ
phát triển công nghệ UMB, đã chính thức tuyên bố chấm
dứt mọi hoạt động nghiên cứu công nghệ UMB. Do đó có
5

thể thấy rằng Qualcomn đã đặt dấu chấm hết cho công
nghệ UMB và tập trung phát triển công nghệ LTE. Về cơ
bản, cả hai công nghệ LTE và WiMax đề sử dụng các kỹ
thuật vô tuyến giống nhau là OFDMA. Tuy nhiên, xuất
phát điểm của hai công nghệ này lại khác nhau. WiMax
được phát triển trên nền tảng tiêu chuẩn 802 của ITU,
trong khi đó LTE được phát triển từ nền tảng mạng 3G để
đem lại tính tương thích và hội tụ tốt nhất đối với các công
nghệ di động phổ biến đang sử dụng. Do đó LTE có lợi
thế hơn WiMax ở tính tương thích với các công nghệ đang
sử dụng trong giai đoạn triển khai, trong khi đó WiMax
gần như phải đầu tư mạng hoàn toàn mới và khả năng
chuyển giao với các công nghệ hiện tại tương đối hạn chế,
đặc biệt là khả năng hỗ trợ của thiết bị đầu cuối của

WiMax.
1.2. Nghiên cứu công nghệ LTE/4G
1.2.1. Các mục tiêu về năng lực hệ thống
LTE được thiết kế hỗ trợ tốc độ truy nhập dữ liệu
cao và trễ thấp như được mô tả tóm tắt trong Bảng 1.
Dung lượng băng thông của UE đến 20 MHz cho cả phát
6

và thu (UL, DL). Tuy nhiên nhà cung cấp dịch vụ có thể
triển khai với các băng tần khác nhau. Điều này cho phép
họ khả năng mềm dẻo trong triển khai, có thể lựa chọn dải
tần nhỏ với chi phí thấp trong thời gian đầu và nâng cao
dung lượng khi có yêu cầu.

Hình 1.1. Các yêu cầu năng lực LTE
Hiệu suất băng tần trong LTE DownLink (DL) gấp
3 đến 4 lần so sánh với R6 HSDPA, UpLink (UL) gấp 2
đến 3 lần R6 HSUPA. Thủ tục chuyển giao handover
trong LTE cũng hướng đến giảm thời gian gián đoạn
(interruption time) so với handover trong mạng 2G.
7

1.2.2. Các thành phần chức năng chính trong hệ
thống LTE

Hình 1.2. Hệ thống LTE
Evolved Radio Access Network (RAN)
Phần evolved RAN cho LTE chỉ gồm 1 thiết bị duy
nhất, eNodeB (eNB), giao diện với UE. eNB chứa các
lớp PHYsical (PHY), Medium Access Control (MAC),

Radio Link Control (RLC), và Packet Data Control
Protocol (PDCP) và các chức năng mã hóa và nén mào
đầu gói dữ liệu user-plane.
8

Serving Gateway (SGW)
SGW định tuyến và chuyển tiếp các gói dữ liệu
người dùng.
Packet Data Network Gateway (PDN GW)
PDN GW cung cấp kết nối cho UE đến các mạng
gói ngoài với việc hoạt động như một cổng ra vào cho lưu
lượng UE. Một UE có thể có nhiếu kết nối tới nhiều PDN
GW để truy nhập đồng thời nhiều PDN.
Mobility Management Entity (MME)
MME là thực thể điều khiển đảm nhiệm các thủ
tục tìm kiếm UE trong trạng thái idle và đánh thức
(paging) bao gồm cả truyền tải lại. Nó có vai trò trong quá
trình kích hoạt/giải hoạt phiên dữ liệu và lựa chọn SGW
cho một UE khi bắt đầu kết nối và chuyển giao handover
trong mạng LTE liên quan tới thay đổi node trong mạng
lõi.
Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên (PCRF)
PCRF là một phần tử mạng chịu trách nhiệm cho việc điều
khiển chính sách và tính cước (PCC: Plolicy and Charging
9

Control). Nó quyết định cách xử lý các dịch vụ theo QoS
và cung cấp thông tin cho PCEF (chức năng thực thi chiến
lược và tính cước) trong P-GW và nếu áp dụng nó cũng
cung cấp thông tin cho BBERF (thiết lập ràng buộc kênh

mang và báo cáo sự kiện) để có thể thiết lập các kênh
mang và chính sách tương ứng.
Server thuê bao nhà (HSS)
HSS Là một bộ lưu giữ số liệu thuê bao cho tất cả số liệu
cố định của người sử dụng. Nó cũng ghi lại vị trí của
người sử dụng ở mức nút điều khiển mạng nơi mà người
sử dụng đang làm khách, chẳng hạn MME.








10

CHƯƠNG 2 - THIẾT KẾ QUY
HOẠCH CELL CHO MẠNG LTE/4G
2.1. Các vấn đề kỹ thuật trong thiết kế quy hoạch
mạng
2.1.1. Đặc điểm hệ thống LTE
Hệ thống LTE đã tinh giảm số lượng các node
mạng tham gia nhờ kiến trúc toàn IP. Mỗi máy đầu cuối
trong hệ thống đều được cấp cho 1 địa chỉ IP và có kết nối
trực tiếp đến hệ thống chuyển mạch SAE GW thông qua
một đường hầm tunnel mà không cần phải qua các node
điều khiển vô tuyến như ở các hệ thống cũ (BSC & RNC).

Hình 2.1. Kiến trúc mặt phẳng điều khiển và người dùng

11

Mặt phẳng người dùng có kết nối đến Internet
thông qua các node mạng sau: trạm phát sóng eNodeB,
cổng dịch vụ Serving Gateway, cổng mạng dữ liệu PDN
Gateway.
Máy di động đầu cuối LTE-UE kết nối với eNodeB
thông qua giao diện vô tuyến LTE-Uu, từ đó kết nối với
SW (Serving Gateway) thông qua giao diện S1-U. SW kết
nối với PDN Gateway thông qua giao diện S5 và ra ngoài
internet thông qua Sgi.

Hình 2.2. Kiến trúc mạng LTE
12

Ở LTE có thêm giao diện X2 dùng để kết nối trực
tiếp giữa các eNodeB. Nhờ đó các quyết định chuyển giao
có thể được thực hiện trực tiếp giữa các eNodeB mà
không cần phải qua MME.
Mạng lõi gói LTE cho phép kết nối đến mạng lõi
2G/3G thông qua Serving Gateway. Việc này đảm bảo
tính kế thừa và tương thích dịch vụ đối với các công nghệ
trước đó. Giúp các nhà mạng triển khai dịch vụ LTE trong
khi vẫn đảm bảo các dịch vụ 2G/3G khác vẫn được thông
suốt.
2.1.2. Lựa chọn băng tần, tính toán quỹ đường
truyền
a. Lựa chọn băng tần:
Cả LTE và UMTS được định nghĩa cho một phạm
vi rộng các dải tần số khác nhau, mà một hoặc nhiều

carrier độc lập có thể hoạt động. Hình 2.12 và 2.13 cho
biết chi tiết hoạt động tương ứng của băng tần FDD
và TDD . Đối với FDD, phân chia duplex không thực
sự xác định, nhưng thông thường các cặp carrier
của uplink và downlink ở một vị trí tương tự trong dãy
13

tần số để phân chia duple thường xấp xỉ khoảng
như trong Hình 2.12.

Hình 2.3. Các băng tần UMTS và LTE dành cho FDD

Hình 2.4. Các băng tần UMTS và LTE dành cho TDD
14

b. Tính toán quỹ đường truyền:
Quỹ đường truyền được tính toán để ước lượng suy
hao đường truyền cho phép đối với kết nối tới máy đầu
cuối.
Quỹ đường truyền (RLB) có thể được mô tả đơn
giản qua công thức sau:

Ở hệ thống LTE, chỉ số chất lượng tín hiệu cơ bản
nhất chính là yêu cầu SINR. Suy hao cực đại cho phép của
đường truyền được tính phải thỏa mãn 2 điều kiện sau:

2.2. Các vấn đề liên quan đến quy hoạch mạng vô
tuyến GSM/3G/4G
2.2.1. Các yêu cầu đầu vào
- Yêu cầu chính cho đầu vào:

+ Bản đồ số
+ Mô hình truyền sóng theo từng khu vực
15

+ Suy hao đường truyền cho từng dịch vụ
+ Yêu cầu về lưu lượng trong quá trình mô phỏng
+ Yêu cầu tiêu chuẩn dịch vụ
- Sử dụng công cụ hỗ trợ trong quy hoạch mạng
+ Sử dụng bộ công cụ quy hoạch mạng như Aircom
tool (Asset, Advantage, Ranopt)
+ Ngoài ra sử dụng thêm Google Earth và Mapinfo.
2.2.2. Quy trình qui hoạch
Chuẩn bị
- Phân tích Vùng phủ (Trung tâm
thành phố, thành phố, ngoại ô)
- Đánh giá chất lượng dịch vụ
- Yêu cầu dung lượng (mô hình lưu
lượng)
- Các tham số quĩ đường truyền (Mô
hình truyền sóng)
Định cỡ mạng vô tuyến
Phân tích
vùng phủ
Phân tích
lưu lượng
Kết quả định cỡ bao
gồm số trạm, cấu
hình và các phần tử
kênh
Qui hoạch chung

- Lựa chọn vị trí trạm
- Cân chỉnh mô hình truyền sóng
- Khảo sát thực địa
- Thông tin về các trạm đang phát
sóng
- Nhập dữ liệu vào hệ thống qui hoạch
(Enterprise)
Qui hoạch chi tiết
- Cấu hình các tham số Cell
- Xác định và cấu hình Cell Neighbor
(Cell lân cận)
- Qui hoạch các tham số LAC/RAC
Triển khai mạng

Hình 2.5. Quy trình quy hoạch mạng vô tuyến
16

Quy trình quy hoạch trạm mới bao gồm các dữ liệu
đầu vào như: khảo sát thực địa, cân chỉnh mô hình truyền
sóng, kiểm tra và đánh giá dữ liệu trạm hiện có, lựa chọn
ứng viên cho trạm mới dựa trên các công cụ quy hoạch
mạng vô tuyến. Việc quy hoạch thông số chi tiết sẽ là
phần cuối cùng trong quy trình quy hoạch mạng.
2.2.3. Thách thức trong việc quy hoạch chung cho
thế hệ mạng 2G/3G và LTE/4G
Vấn đề nhiễu giữa LTE với 2G và 3G rất phức tạp trong
quá trình quy hoạch mạng. Giải pháp về vấn đề nhiễu giữa
LTE và 2G:

17

 Nhiễu dải tần số khác nhau: Đưa ra khoảng bảo vệ,
thêm bộ lọc băng tần, tăng khoảng bảo vệ.
 Dải tần giống nhau, nhưng tần số lân cận: Vị trí trạm
có thể là gần nhau, tốt nhất là dùng chung cơ sở hạ
tầng giữa 2G và LTE.
 Dải tần và tần số giống nhau: thêm khoảng bảo vệ
 Nhiễu giữa GSM/LTE có tần số giống nhau, khi GSM
và LTE sử dụng chung băng tần và chung tần số, gây
ra nhiễu qua lại. Vì vậy khoảng bảo vệ được yêu cầu
trong lập kế hoạch mạng.
 Trong trường hợp sử dụng chung cơ sở hạ tầng, khi
công suất nhiễu nền tăng 10dB thấp hơn công suất tạp
âm nhiệt, thì công suất tạp âm nhận được sẽ giảm
0.4dB. Nó sẽ gây ra co giãn vùng phủ mạng.
2.3. Định cỡ mạng vô tuyến LTE
Công việc định cỡ mạng vô tuyến (LTE) bao gồm
nhiều bước nối tiếp nhau để tính toán quĩ đường truyền.
Hình sau mô tả các nhóm tham số là đầu vào của quá trình
định cỡ mạng vô tuyến và các bước cần thực hiện trong
quá trình định cỡ.
18


Hình 2.6. Các tham số đầu vào và mục tiêu của định cỡ
mạng vô tuyến
2.3.1. Băng tần hoạt động và băng thông của kênh
a. Băng tần hoạt động
Nhiều khả năng dải tần 2600 MHz sẽ được lựa
chọn sử dụng tại Việt Nam cũng như nhiều nước trên thế

giới. Ngoài ra các tính toán cũng cho độ chính xác phù
hợp nếu chúng ta chọn tần số giữa 2600 MHz của dải tần
trong các tính toán liên quan đến UL va DL. Vì vậy các
19

tính toán định cỡ trong luận văn sẽ sử dụng tần số 2600
MHz.
b. Băng thông của kênh
Việc tùy chỉnh băng thông của kênh truyền
(channel bandwidth) là một trong các ưu điểm lớn nhất
của giao diện vô tuyến LTE. E-UTRAN có thể hoạt động
với kênh băng thông trong khoảng từ 1.4 MHz cho đến 20
MHz như mô tả trong 3GPP TR 36.804. Vì vậy nhà khai
thác LTE có thể triển khai công nghệ mới này trên thế giới
tận dụng sự tùy chỉnh băng thông, thậm chí với tài nguyên
vô tuyến rất hạn chế.
2.3.2. Các tham số đường truyền Tx/Rx
a. Công suất phát eNodeB Tx và UE:
Công suất truyền tải cho eNodeB phải được xác
định xem xét tới các giới hạn của thiết bị phần cứng sử
dụng. Thông thường thiết bị eNodeB trên thị trường có thể
hỗ trợ nhiều công suất phát khác nhau, một số chủng loại
có thể phát theo nhiều hướng (sector), mỗi hướng có công
suất phát tương ứng.
20

Công suất cho UE được chỉ định trong tiêu chuẩn
của 3GPP. Các phân lớp công suất được liệt kê trong bảng
sau:

Hình 2.7. Các phân lớp công suất phát cho LTE UE
b. Phân bổ công suất:
eNodeB phân bổ công suất không đổi cho mỗi sóng
mang con trên chiều truyền tải xuống DL, được cấu hình
bởi nhà khai thác như một tham số O&M. Tổng công suất
của eNodeB được chia sẻ giữa các sóng mang con, không
phân biệt bao nhiêu trong số đó được phân bổ cho truyền
tải dữ liệu. Vì vậy càng ít sóng mang con được phân chia
cho người dùng, công suất họ nhận được tại máy di động
UE càng nhỏ.
21

c. Hệ số khuếch đại của ăng-ten
Giá trị khuếch đại của ăng-ten phụ thuộc vào chủng
loại ăng-ten, và nó được chỉ ra trong đặc tả kỹ thuật ăng-
ten của nhà sản xuất.
2.3.3. Mô hình kênh
[3GPP TR 36.804] và [3GPP TS 36.803] khuyến
nghị dùng các mô hình kênh được thiết kế đặc biệt cho các
giao diện vô tuyến dựa trên OFDM, liệt kê sau đây:
+ Enhanced Pedestrian A (EPA) – chuyển động chậm
+ Enhanced Vehicular A (EVA) – chuyển động nhanh
+ Enhanced Typical Urban (ETU) – khu vực thành thị
2.3.4. Phân loại môi trường truyền tải
Việc lan truyền sóng vô tuyến (vd. ảnh hưởng nhiều
đường truyền, suy hao) thay đổi tùy thuộc vào môi trường
truyền. Nói cách khác, để xem xét một cách hợp lý các
yêu tố lan truyền như mật độ các tòa nhà, kiến trúc đường
phố, đặc điểm các vật che sóng… chúng ta cần có các mô
hình môi trường phù hợp (đô thị, đô thị đông đúc, ngoại ô,

nông thôn, ).
22

2.3.5. Tính toán số lượng trạm

Hình 2.8. Qui trình tính số lượng trạm
2.4. Kiến trúc hệ thống qui hoạch Cell-Planning
LTE/4G
2.4.1. Tổng quan hệ thống
Hệ thống bao gồm nhiều mô đun phần mềm khác nhau đã
được tích hợp để quy hoạch sóng vô tuyến, mạng truyền
23

dẫn và mạng lõi, cấu hình mạng, quản lý chất lượng mạng
và dịch vụ. Tất cả các công cụ trong chuỗi phần mềm
ENTERPRISE đều được chào bán độc lập và hỗ trợ tất cả
các kỹ thuật mạng không dây:







Hình 2.9. Tổng quan các công cụ phần mềm AIRCOM
ENTERPRISE
2.4.2. Các module chính quản lý, thiết kế và qui
hoạch Cell
a. Module phục vụ lập kế hoạch mạng tế bào tự động
ASSET

 Lập kế hoạch phục vụ theo địa điểm