Bản quy hoạch mạng vô tuyến LTE sử dụng WinProp

Bản quy hoạch mạng vô tuyến LTE sử dụng WinProp
Phiên bản
V1.0
V2.0
V3.0
V4.0

Ngày
11 - 2010
1 - 2011
2 - 2011
11 - 2011

Phiên
Phiên
Phiên
Phiên

bản
bản
bản
bản

Thay đổi
đầu tiên.
thứ 2 có sự sửa đổi ví dụ.
thứ 3 có cập nhật GUI và dữ liệu mẫu.
thứ 4 có cập nhật biểu đồ đa truy nhập.

1. Động lực
3GPP Long Term Evolution (LTE), là chuẩn mới nhất cho mạng di động sau

các công nghệ GSM/EDGE và UMTS/HSxPA. Các đặc điểm kỹ thuật LTE: cung cấp
tốc độ đỉnh đường xuống ít nhất là 100 Mbit/s, đường lên ít nhất là 50 Mbit/s và
thời gian truy cập mạng RAN nhỏ hơn 10 ms. LTE hỗ trợ nhiều băng tần có khả
năng mở rộng, từ 1,4 MHz đến 20 MHz và hỗ trợ phân chia song cơng cả tần số
(FDD) và thời gian (TDD).

Hình 1: Ưu điểm chính của hệ thống LTE so với HSPA
Các ưu điểm chính của LTE là lưu lượng lớn, độ trễ thấp, hiệu suất sử dụng
phổ cao hơn, có tính tích hợp, FDD và TDD trên cùng một nền tảng, hỗ trợ người
dùng cuối và kiến trúc đơn giản dẫn đến chi phí vận hành thấp. LTE cũng hỗ trợ
các mạng thế hệ trước như GSM, cdmaOne, UMTS và CDMA2000. Bước phát triển
tiếp theo của LTE là LTE Advanced hiện đang được chuẩn hóa trong 3GPP Release
10.
E-UTRA là giao diện vô tuyến của 3GPP’s Long Term Evolution (LTE) cải tiến
các đường cho các mạng di động. E-UTRA

là chữ viết tắt cho mạng UMTS

Terrestrial Radio Access Network và cung cấp con đường tiến hóa duy nhất cho
-

GSM/EDGE

-

UMTS/HSPA

-

CDMA2000/EV-DO

-

TD-SCDMA
Giao diện vơ tuyến LTE có những đặc trưng sau:

-

Tốc độ đỉnh đường xuống hơn 300 Mbps cho 4x4 ăng-ten, hơn 170 Mbps
cho 2x2 ăng-ten (20 MHz),

1


-

Tốc độ đỉnh đường lên hơn 75 Mbps cho mỗi anten đơn băng tần 20MHz.

-

Tăng cường hỗ trợ đa dạng các băng tần từ nhỏ như 1,4 MHz đến lớn như
20 MHz,

-

Hỗ trợ ơ kích thước 5 km (khu vực nơng thơn), và lên đến ơ kích thước 100
km với chất lượng chấp nhận được, kích thước ơ trong khu vực đơ thị ít hơn
1 km,

-

Tính di động tốt, tức là dữ liệu di động có chất lượng tốt với tốc độ lên đến
350 km /h,

-

Hỗ trợ mạng đơn tần số truyền đa điểm MBSFN (Multicast Broadcast Single
Frequency Network) cho Mobile TV.

2. Giao diện vô tuyến LTE
Đường xuống
Lớp vật lý E-UTRA sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
(OFDM) cho đường xuống với các đặc điểm sau:
-

Tiền tố chu kỳ 4.7μs để bù hiện tượng đa đường (tiền tố chu kỳ mở rộng
16.6μs)

-

Độ dài khung Radio trong miền thời gian là 10 ms bao gồm 10 khung hình
nhỏ 1 ms.

-

Mỗi khung nhỏ bao gồm 2 khe, mỗi khe 0,5 ms

-

Khoảng cách giữa các sóng mang con trong miền vực tần số là 15 kHz

-

12 sóng mang con (mỗi khe) tạo thành một khối dữ liệu, 1 khối dữ liệu là
180 kHz.

-

6 khối dữ liệu ứng với sóng mang 1.4 MHz

-

50 (25, 100) khối dữ liệu tương ứng với sóng mang 10MHz (5MHz, 20MHz)
Đường xuống có ba kênh vật lý chính:

-

Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) được sử dụng để truyền toàn
bộ dữ liệu.

-

Physical Multicast Channel (PMCH), được sử dụng trong phát quảng bá sử
dụng SFN

-

Physical Broadcast Channel (PBCH) được sử dụng để truyền thông tin quan
trọng của hệ thống.
Hỗ trợ nhiều dạng điều chế như QPSK, 16QAM và 64QAM. Hệ thống MIMO

2x2 và hệ thống MIMO 4x4 có các dạng QPSK, 16QAM và 64QAM.

2


Hình 2: Gán tần số trong LTE cho đường xuống và đường lên
Đường lên
Đường lên LTE sử dụng pre-coded OFDM được gọi là đa truy nhập đơn sóng
mang SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) dùng để cân
bằng mức PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) cao của OFDM. Điều này làm giảm
sự cần thiết đối với bộ khuếch đại tuyến tính, và cơng suất tiêu thụ ở máy thu.
Đường lên có 3 kênh vật lý chính:
-

Physical Random Access Channel (PRACH) được sử dụng để khởi tạo truy
nhập.

-

Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) mang dữ liệu

-

Physical Uplink Control Channel (PUCCH) mang thông tin điều khiển
Các dạng điều chế được sử dụng tương tự như ở đường xuống: QPSK,

16QAM và 64QAM.
3. Mô phỏng trong WinProp
Để khảo sát giao diện vô tuyến LTE, phần mềm WinProp LTE wst-file (wst kí

hiệu vơ tuyến) được sử dụng. Các tham số giao diện vơ tuyến (hình 3) cho đa
truy nhập, truyền song cơng, băng tần, sóng mang, chế độ truyền (điều chế và
sơ đồ mã hóa), phân chia cell và trạm gốc được định nghĩa tương ứng. Các thông
số vô tuyến phụ thuộc vào băng tần và băng thông. Công nghệ MIMO được sử
dụng với nhiều tùy chọn như phân tập theo không gian (xem ứng dụng MIMO đặc
trưng để biết thêm chi tiết)

3


Hình 3: Định nghĩa giao diện vơ tuyến cho LTE
Thiết lập đa truy nhập OFDM/SOFDMA được chọn như trên hình (hình 4).

4


Hình 4: Thiết lập giao diện vơ tuyến cho LTE
Thiết lập công suất Tx (Đường xuống)
Công suất Tx được chia nhỏ cho những sóng mang con (mặc định mỗi
sóng mang con có cơng suất như nhau). Trường hợp sóng mang con là pilot hoặc
tín hiệu điều khiển cơng suất được thay đổi (giá trị âm có cơng suất lớn, giá trị
dương có cơng suất nhỏ hơn). Cơng suất của tín hiệu pilot ảnh hưởng đến công
suất gán cho cell. Công suất cho phát pilot, điều khiển và truyền dữ liệu đều
được biểu diễn ở đây được tính tốn bằng việc thiết lập ước lượng trong trường
"Symbols".
Tải Cell
Dung lượng của ô được dùng để điều khiển "Công suất phát xuống" hoặc
"số sóng mang con sử dụng". Nếu "điều khiển cơng suất cell đường xuống" được
chọn thì tất cả các sóng mang con mang dữ liệu có cùng mức nhiễu (ví dụ: trong
trường hợp tất cả các sóng mang con đều có cùng công suất bằng 50% công

suất tối đa). Nếu “điều khiển cơng suất trên từng sóng mang con” được chọn thì

5


cơng suất trên từng sóng mang có thể truyền là tối đa hoặc khơng có sóng mang
con nào được truyền (ví dụ trong trường hợp 50% số sóng mang được dùng để
khảo sát cell 50% sóng mang cịn lại thì sẽ khơng bị ảnh hưởng của nhiễu liên
cell).
Sóng mang con
Tùy thuộc vào băng thông thứ tự FFT được lựa chọn tự động và số sóng
mang bảo vệ, số sóng mang con được xác định trước. Khoảng cách giữa các sóng
mang con và chu kỳ mẫu cũng được xác định trước.
Mẫu
Trường này cho phép chia các nguồn lực (mẫu và sóng mang con) trong số
các loại tín hiệu khác nhau (tín hiệu tham chiếu, tín hiệu đệm, tín hiệu điều khiển
và dữ liệu). Nếu thiết lập cho từng mẫu được chọn thì việc chia có thể được thực
hiện trên miền tần số bằng cách xác định số sóng mang con cho tín hiệu tham
chiếu, tín hiệu đệm, (các sóng mang cịn lại được sử dụng để truyền dữ liệu).
Nếu tùy chọn "cài đặt sóng mang con riêng cho các mẫu (pilot./ref.)" được
lựa chọn thì việc gán dữ liệu có thể thực hiện cả trên miền tần số lẫn thời gian,
đó là điều quan trọng trong mạng LTE vì nó ảnh hưởng đến cơng suất và nhiễu
cho các tín hiệu tham khảo (RSRP, RSRQ, RSSI). Hình dưới đây cho thấy sự phân
chia giữa các dữ liệu, tín hiệu điều khiển, tín hiệu đệm, tính hiệu tham chiếu
trong một khối tài nguyên vật lý LTE (đối với những mẫu mang tín hiệu tham
chiếu). Dữ liệu gán cho LTE được xác định ở bảng các mẫu dưới.

Hình 5: Thiết lập giao diện vơ tuyến cho LTE
Block dữ liệu
Trong phần này, có thể xác định được số lượng các sóng mang con trong

một khối dữ liệu.

6


Tùy chọn “fractional load allowed” chỉ được chọn khi “cell load controls
number of used sub-carriers” được chọn. Trong trường hợp chế độ truyền bao
gồm truyền một nhóm block dữ liệu song song (ví dụ 25 block với băng tần 5
MHz), việc lựa chọn tùy chọn này đánh giá tình hình chi tiết hơn, tức là có bao
nhiêu khối tài nguyên có thể được truyền song song (đặc biệt theo số lượng quy
định trong chế độ truyền dẫn).
Tái sử dụng tần số
Tái sử dụng tần là một tính năng quan trọng trong LTE để cải thiện hiệu
suất cell. Bằng cách mỗi cell chỉ sử dụng một phần của băng tần, các sóng mang
con có thể được sử dụng tại các cell khác nhau (chỉ tại biên giới cell). Để kích
hoạt tính năng này, thứ tự các factor tần số tái sử dụng được mặc định. Căn cứ
vào các phương thức truyền dẫn được xác định cũng được phân tích được sự
giảm số lượng các khối dữ liệu (theo sự giảm băng tần), giảm nhiễu phụ thuộc
vào việc tái sử dụng tần số.
Chế độ truyền
Tại giao diện vơ tuyến (hình 3), các phương thức truyền dẫn được liệt kê
với các loại điều chế, tốc độ mã và tốc độ dữ liệu. Các chế độ truyền cũng được
xác định trước trong các tập tin WST. Các thiết lập cho từng chế độ được trình
bày trong hình 6.

Hình 6: Chế độ truyền trong LTE

7

Các thuộc tính cho đường xuống (trái) và đường lên (phải) được xác định
riêng, mặc định là đường đối xứng (gồm các thông số truyền, tỷ số SNIR và công
suất phát back-off). Hơn nữa nó có thể chuyển từ chế độ hai chiều sang chế độ
để phân tích riêng chỉ đường xuống hoặc chỉ đường lên.
Khối đầu tiên xác định các thông số cho việc truyền tải dữ liệu với chế độ
điều chế, tốc độ mã, số block dữ liệu và tỉ số định mức. Những kết quả các thông
số về tốc độ dữ liệu khả thi đáp ứng cho chế độ truyền. Số block dữ liệu được xác
định theo băng tần (25 cho 5 MHz, 50 cho 10 MHz và 100 cho 20 MHz) hoặc bằng
cách chỉ sử dụng một khối dữ liệu (trong trường hợp này một số các dòng được
xác định như là kết quả để chỉ ra làm thế nào nhiều khối dữ liệu có thể được
nhận được song song ở chế độ này, theo đó thông lượng là tốc độ dữ liệu nhân
với số lượng của các dịng).

Hình 7: Chỉ số SNIR phụ thuộc vào điều chế và mã hóa cho LTE
Khối thứ hai là mức ngưỡng cho từng chế độ truyền, ví dụ chỉ số SNIR (như
ví dụ trong hình 7) và cơng suất thu được định sẵn. Cơng suất phát có thể được
xác định tương ứng với chế độ điều chế. Trong trường hợp điều chế QAM công
suất back-off 3 dB được xem xét. Công suất phát back-off làm giảm chỉ số SNIR
tương ứng với chế độ truyền, có thể dẫn đến tình trạng các phương thức truyền
dẫn này khơng cịn.
Mơ phỏng mạng LTE
Hiệu suất của các mạng LTE (dung lượng khả dụng) được tính tốn theo chỉ
số SNIR. Bên cạnh cơng suất tín hiệu, tác động quan trọng nhất tới hiệu suất
mạng LTE là nhiễu xuyên kênh vì các người dùng trong cùng 1 cell chia sẻ tài
nguyên tần số và thời gian.

8


Mức nhiễu xuyên kênh có thể bị ảnh hưởng bởi việc mơ phỏng các hệ số

tải tương ứng (hình 8). Những giá trị này được giả định rằng công suất phát của
từng cell ở đường xuống là lớn nhất. Giá trị 100% nghĩa là công suất truyền của
tất cả các cell liền kề đạt tối đa (tức là 100% tải). Ngược lại giá trị 0% có nghĩa là
các cell liền kề khơng hoạt động do đó chỉ có nhiễu.
Nếu tùy chọn “điều khiển tải sử dụng các sóng mang con” được chọn thì
các sóng mang được truyền với cơng suất lớn nhất hoặc khơng có sóng mang
cịn nào được truyền. Tương ứng với trường hợp tải x% trong cell đang được xét
thì (1-x)% sóng mang con có thể được sử dụng mà không bị nhiễu liên kênh.
Trường hợp khác, tải (x,y) trong 2 cell thì (1-max(x,y))% sóng mang con có thể
được sử dụng mà không bị nhiễu liên kênh. Với tối thiểu (x, y)% các sóng mang
con của cả 2 cell gây nhiễu lên nhau và phần còn lại của băng tần thì chỉ 1 cell
gây nhiễu.
Ở đường lên phần trăm cơng suất phát được định trước, nó được dùng cho
tính tốn nhiễu đường lên (mặc định là 3 dB).

Hình 8: Xác định các thông số mô phỏng

9


Hệ số tải (giả định là công suất phát ở đường xuống) có thể được được
khai báo tồn cục ở trang mơ phỏng (như hình 6), tức là tải được phân bố đều
cho các cell hoặc hệ số tài (giả định là cơng suất phát ở đường xuống) có thể
được xác định cho từng sóng mang trên từng các ăng-ten/cell (xem hình 9).
Nếu tải của từng cell chưa được xác định thì giá trị trồn cục trên được
dùng.

Hình 9: Xác định tải từng cell
4. Ví dụ
Phần này trình bày một ví dụ minh họa mơ phỏng hệ thống LTE dùng

WinProp. Hình 10 đưa ra ví dụ về hệ thống cho văn phòng với 3 ăng-ten. Hai
trong số các ăng-ten sử dụng cùng sóng mang (vùng 1 và vùng 2) - ăng-ten còn
lại bị nhiễu liên kênh.

10


Hình 10: Hệ thống cho văn phịng với 3 ăng-ten (có 2 sóng mang)
Các thơng số chính của mạng được hiển thị trong bảng sau đây:
Thông số

Giá trị

Tần số
Băng thông hệ thống
Công suất phát
Độ cao ăng-ten
SNIR thấp nhất yêu cầu (phụ thuộc vào

2110 MHz
5 MHz
10 dBm công suất đầu ra của PA
2.5 m
Từ 5.4 đến 17.2 dB

MCS)
Giao diện vô tuyến

LTE

Kết quả tính tốn có thể được chia làm 5 loại:
-

-

Kết quả chung của việc gán cell và các chế độ truyền:
o

Khu vực Cell

o

Khu vực Site

o

Best Server

o

Tốc độ dữ liệu tối đa (đường xuống và đường lên)

o

Dung lượng tối đa (đường xuống và đường lên)

Gán cell:
o

Cơng suất thu

o

Site phía thu

o

Cell phía thu

o

Sóng mang phía thu

o

SNIR tối đa (đường xuống)

o

Pilot: nhiễu

o

Pilot: Tổng phía thu

11


-

-

Tín hiệu tham chiếu:
o

RSRP (DL)

o

RSRQ (DL)

o

RSSI (DL)

Tín hiệu tham chiếu:
o

Cơng suất thu

o

SNIR tối đa (đường xuống)

Với mỗi chế độ truyền (ví dụ: QAM 16 tốc độ mã ½)
-

DL: Cơng suất BS nhỏ nhất tại phía phát

-

DL: Cơng suất MS lớn nhất phía thu (khi cơng suất BS lớn nhất)

-

DL: SNIR lớn nhất => SNIR nhận được tối đa (khi công suất BS lớn nhất)

-

DL: Xác suất đáp ứng

-

DL: Tốc độ dữ liệu tối đa trên mỗi người dùng

-

DL: Streams Nr

-

DL: Dung lượng lớn nhất

-

UL: Cơng suất MS nhỏ nhất phía phát => mà MS có thể hoạt động

-

UL: Cơng suất BS lớn nhất phía thu => (khi cơng suất MS lớn nhất)

-

UL: SNIR lớn nhất => SNIR nhận được tối đa (khi công suất MS lớn nhất)

-

UL: Tốc độ dữ liệu tối đa trên mỗi người dùng

-

UL: Streams Nr

-

UL: Dung lượng lớn nhất
Theo các sơ đồ kết quả có 2 chế độ truyền ở bên phát. Công suất tối thiểu

yêu cầu ở bên phát để hệ thống hoạt động với sơ đồ “công suất phát tối thiểu
trạm BS” và “công suất phát tối thiểu tại MS” hoặc công suất truyền tối đa đối
với mọi sơ đồ.
Hình 11-13 biểu diễn dung lượng tối đa của các chế độ truyền và sơ đồ site
cùng vùng tín hiệu tốt của mạng. Ở đây ảnh hưởng của gán sóng mang được thể
hiện rõ. Hai anten cùng sử dụng sóng mang 0 nên gây nhiễu cho nhau (giả sử tải
tối đa) trong khi site 3 sử dụng sóng mang 1 nên dung lượng cao hơn. Vì việc gán
cell dựa trên cơng suất đỉnh máy thu (đường xuống) nên dung lượng bị giới hạn
tại khu vực mà tín hiệu từ site 1 và site 2 tới cùng phủ sóng (phía nam của site
1). Tại đây nhiễu làm hạn chế SNIR.

12

Hình 11: Tốc độ tối đa của mạng trong nhà (đường xuống).

13


Hình 12: Sơ đồ phủ sóng các site trong nhà.

Hình 13: Sơ đồ lý tưởng cho mạng trong nhà
Hình 14 biểu diễn sơ đồ RSRP (công suất tham chiếu máy thu) và hình 15
biểu diễn sơ đồ SNIR tối đa cho việc gán cell. Trong khi sơ đồ RSRP bị ảnh hưởng

14


bởi vị trí của các site và điều kiện truyền, thì sơ đồ SNIR chịu ảnh hưởng của việc
gán sóng mang. Mặc dù có cơng suất máy thu cao nhận ở khu vực site 1 và site
2, nhưng SNIR bị hạn chế do việc tái sử dụng tần số (cùng sóng mang).

Hình 14: Cơng suất đầu thu tham chiếu RSRP (đường xuống).

15


Hình 15: Sơ đồ SNIR (đường xuống) tối đa khi gán cell
Hình 16 và 17 hiển thị 2 kết quả cho từng chế độ truyền, trước tiên là công
suất tối thiểu yêu cầu ở BS cho chế độ truyền, sau đó là sơ đồ SNIR tối đa cho
chế độ truyền.

Hình 16: Công suất tối thiểu yêu cầu ở BS cho chế độ truyền

Hình 17: Sơ đồ SNIR tối đa cho chế độ truyền
Để biểu diễn sự ảnh hưởng của các tải, hình 18 biểu thị số dịng dữ liệu
cho chế độ truyền cao hơn và hình 19 biểu thị việc tăng dung lượng dựa vào việc
giảm tải.
Hình 18: Sơ đồ SNIR tối đa cho chế độ truyền (30% tải)

Hình 19: Tốc độ dữ liệu tối đa (đường xuống) cho mạng trong nhà (30%
tải)
Hình bên dưới cho thấy một ví dụ về triển khai LTE ở khu vực đơ thị. Hình
20 biểu diễn công suất máy thu trong việc gán cell để triển khai mạng 6 site 3
sector.

16


Hình 20: Cơng suất máy thu (đường xuống) trong việc gán cell cho mạng
đơ thị
Hình 21 thể hiện tốc độ dữ liệu tối đa cho mạng đô thị với 30% tải. Tại
luồng chính của các sector tốc độ dữ liệu phụ thuộc vào điều kiện nhiễu.

17