tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu, ứng dụng công nghệ PON để quy hoạch, nâng cấp và tối ưu hóa việc phân bổ vị trí và tần số mạng truyền dẫn 3g

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này mô tả công nghệ PON, 3G và phát triển
của mạng truyền dẫn GSM/UMTS để hỗ trợ EDGE và
UMTS, nghiên cứu một cấu trúc tối ưu với trọng tâm là các
kỹ thuật công nghệ PON nhằm làm giảm sự lãng phí tài
nguyên dải thông trên mạng truyền dẫn 3G để tiết kiệm
đường dải thông, tối ưu mạng truyền dẫn di động 3G.
Xuất phát từ ý tưởng muốn tìm hiểu công nghệ W-
CDMA, mạng W-CDMA và công nghệ PON tôi đã thực
hiện luận văn: “Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ PON để
quy hoạch, nâng cấp và tối ưu hóa việc phân bổ vị trí và tần
số mạng truyền dẫn 3G”.
Luận văn này tôi trình bày 3 chương, với nội dung
chính là chương 2, chương 3, gồm có:
Chương 1: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 W-
CDMA.
Chương 2: Công nghệ PON và các chuẩn hóa PON.
Chương 3: Ứng dụng PON để phân bổ vị trí và quy hoạch
tần số trong mang 3G tại khu vực TP Bắc Giang.
CHƯƠNG 1
CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG THẾ HỆ BA W-CDMA
W-CDMA (Wideband CDMA) là công nghệ thông tin
di động thế hệ ba (3G) giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu
cho hệ thống GSM bằng cách dùng kỹ thuật CDMA hoạt
động ở băng tần rộng thay thế cho TDMA. Trong các công
nghệ thông tin di động thế hệ ba thì W-CDMA nhận được
sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý
trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là
dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình.
* W-CDMA có các tính năng cơ sở sau :
- Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz.

- Lớp vật lý mềm dẻo để tích hợp được tất cả thông tin
trên một sóng mang.
- Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1.
- Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến.
Nhược điểm chính của W-CDMA là hệ thống không
cấp phép trong băng TDD phát
liên tục cũng như không tạo điều kiện cho các kỹ thuật
chống nhiễu ở các môi trường làm việc khác nhau.
Hệ thống thông tin di động thế hệ ba W-CDMA có thể
cung cấp các dịch vụ với tốc độ bit lên đến 2MBit/s. Bao
gồm nhiều kiểu truyền dẫn như truyền dẫn đối xứng và
không đối xứng, thông tin điểm đến điểm và thông tin đa
điểm. Với khả năng đó, các hệ thống thông tin di động thế
hệ ba có thể cung cấp dể dàng các dịch vụ mới như : điện
thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh, ngoài ra nó còn cung cấp
các dịch vụ đa phương tiện khác.
1.2. Cấu trúc mạng W-CDMA
 UE (User Equipment)
 UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network)
 CN (Core Network)
PLMN,PST
NISDN
Internet
Các
mạng
ngoài
MSC/
VLR
GMSC
GGSNSGSN

HLR
CN
RNC
Node B
Node B
RNC
Node B
Node B
I
Ub
I
Ur
UTRAN
I
U
USIM
USIM
C
U
UE
U
U
Hình 1.2 Cấu trúc của UMTS
 Các mạng ngoài
 Các giao diện vô tuyến
1.2.1. Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN
1.2.1.1. Đặc trưng của UTRAN
Các đặc tính của UTRAN là cơ sở để thiết kế cấu trúc
UTRAN cũng như các giao thức. UTRAN có các đặc tính
chính sau:

-Hỗ trợ các chức năng truy nhập vô tuyến, đặc biệt là
chuyển giao mềm và các thuật toán quản lý tài nguyên đặc
thù của W-CDMA.
-Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lí số liệu chuyển
mạch kênh và chuyển mạch gói bằng cách sử dụng các giao
thức vô tuyến duy nhất để kết nối từ UTRAN đến cả hai
vùng của mạng lõi.
-Đảm bảo tính chung nhất với GSM.
-Sử dụng cơ chế truyền tải ATM là cơ chế truyền tải
chính ở UTRAN
1.2.1.2. Bộ điều khiển mạng vô tuyến UTRAN
1.2.1.3. Node B
1.2.2. Giao diện vô tuyến
1.2.2.1. Giao diện UTRAN – CN, I
U
1.2.2.2. Giao diện RNC – RNC, I
Ur
- Hỗ trợ tính di động cơ sở giữa các RNC.
- Hỗ trợ kênh lưu lượng riêng.
- Hỗ trợ kênh lưu lượng chung.
- Hỗ trợ quản lý tài nguyên vô tuyến toàn cầu.
1.2.2.3. Giao diện RNC – Node B, I
Ub
- Chức năng thiết lập, bổ sung, giải phóng và tái thiết
lập một kết nối vô tuyến đầu tiên của một UE và chọn điểm
kết cuối lưu lượng.
- Khởi tạo và báo cáo các đặc thù ô, node B, kết nối vô
tuyến.
- Xữ lý các kênh riêng và kênh chung.
- Xữ lý kết hợp chuyển giao.

- Quản lý sự cố kết nối vô tuyến.
1.3. Kết luận chương
Chương này đã giới thiệu được công nghệ W-CDMA,
cấu trúc mạng W-CDMA, mạng truy nhập vô tuyến
UTRAN và các giao diện vô tuyến. Đặc điểm mới nổi bật
của UMTS là tốc độ bit người sử dụng cao hơn: có thể đạt
được tốc độ của kết nối chuyển mạch kênh 384kbps, kết
nối chuyển mạch gói lên tới 2Mbps. Tốc độ bit dữ liệu cao
hơn cung cấp các dịch vụ mới như điện thoại hình, và tải
dữ liệu nhanh hơn.
So với GSM và các mạng di động đang tồn tại, UMTS
cung cấp các đặc tính mới và quan trọng, đó là nó cho phép
thoả thuận các đặc tính của một bộ mang vô tuyến. Các
thuộc tính định nghĩa đặc trưng của chuyển vận bao gồm:
thông lượng, trễ truyền, và tỷ số lỗi dữ liệu. Là một hệ
thống hoàn hảo, UMTS phải hỗ trợ rất nhiều các dịch vụ
có các yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau. Hiện
tại, ta cũng không dự đoán được hết các đặc điểm và cách
sử dụng của rất nhiều các dịch vụ đó và cũng khó có thể tối
ưu các dịch vụ UMTS thành chỉ một tập hợp các ứng dụng.
Cho nên các bộ mang UMTS phải có đặc điểm chung, để
hỗ trợ các ứng dụng đang tồn tại đồng thời thuận tiện cho
việc cho việc phát triển các ứng dụng mới. Hỗ trợ các chức
năng truy nhập vô tuyến, đặc biệt là chuyển giao mềm và
các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù của W-CDMA.
Từ đó có thể thấy mạng 3G vẫn còn nguồn tài nguyên rất
phong phú cho các nhà mạng khai thác từ các ứng dụng mở
của nó bằng việc quy hoạch và tối ưu mạng, nhằm mang lai
chất lượng phục vụ tốt và chi phí lắp đặt tối ưu. Nội dung
của toàn chương một là cơ sở cho việc ứng dụng mạng kết

hợp PON – 3G tại chương 3 dưới đây.
Chương 2:
CÔNG NGHỆ PON VÀ CÁC CHUẨN HÓA PON
Trong hệ thống PON, kết nối mạng quang ONT có khả
năng hỗ trợ kết nối dịch vụ điện thoại truyền thống qua
giao diện POTS (Plain Old Telephone Service) và các giao
tiếp truyền dữ liệu tốc độ cao như Ethernet và DSL. Đầu
cuối đường dây quang OLT bao gồm các khối giao tiếp
PON, một kết cấu chuyển mạch dữ liệu và các phần tử điều
khiển NE (Network Element). Thiết bị OLT (thiết bị kết
cuối kênh quang) được đặt ở phía nhà cung cấp dịch vụ,
còn các thiết bị ONT (thiết bị kết cuối mạng quang) được
đặt phía nguời sử dụng. Thiết bị OLT cung cấp nhiều kênh
quang, mỗi kênh quang đuợc truyền trên một tuyến cáp
quang trên đó có bộ chia. Nhiệm vụ của bộ chia là thu và
nhận các tín hiệu quang đuợc nhận và phát bởi OLT.
Cáp sợi quang truyền từ OLT sẽ trải dài và kết nỗi tới
mỗi ONT. Các bước sóng truyền 1490 nm (hoặc 1550 nm
tùy theo lựa chọn) đuợc dùng cho băng thông chiều xuống
từ OLT, trong đó các bước sóng 1310 nm sẽ đuợc truyền
theo huớng lên bởi mỗi thiết bị ONT. Hệ thống cung cấp
địa chỉ, cung cấp băng thông một cách tự động tự động
cũng như việc mã hóa được sử dung để truy trì và phân
tách lưu lựợng giữa OLT và ONT.
Tại hướng xuống, OLT phát quảng bá dữ liệu tới tất cả
các ONU. Tín hiệu hướng xuống bao gồm dữ liệu cho
các ONT, từ đầu Khai thác Quản lý và Bảo dưỡng
OAM (Operation Administration and Maintenance) và các
tín hiệu đồng bộ cho các ONT gửi dữ liệu hướng lên.
Dựa vào các thông tin về khe thời gian (kênh), địa

chỉ gói/tế bào, bước sóng, mã CDMA mà các ONT tách
dữ liệu tương ứng với thuê bao của khách hàng.
Trong hướng lên, mỗi một ONU cần có giao thức
điều khiển truy nhập môi trường MAC (Medium
Access Control) để chia sẻ PON. Giao thức MAC thường
được sử dụng trong PON là đa truy nhập phân chia theo
thời gian TDMA, khi đó mỗi ONT được cấp một khe thời
gian (kênh) để gửi dữ liệu của mình tới OLT. Ngoài ra
trong hướng lên cần phải có khoảng thời gian bảo vệ giữa
các nhóm gói dữ liệu của các ONT, khoảng thời gian này
phải đảm bảo sao cho tại bộ thu OLT dữ liệu không bị trùm
phủ lên nhau.
2.1.3. Các chuẩn trong mạng PON
Các chuẩn mạng PON có thể chia thành 2 nhóm: nhóm
1 bao gồm các chuẩn theo phương thức truy nhập TDMA-
PON như là B-PON (Broadband PON), E-PON (Ethernet
PON), G-PON (Gigabit PON) (đặc tính các của chuẩn
TDMA-PON được so sánh trong Bảng 1.1); nhóm 2 bao
gồm chuẩn theo các phương thức truy nhập khác như
WDM-PON (Wavelength Division Multiplexing PON) và
CDMA-PON (Code Division Multiple Access PON)
2.1.3.3.WDM-PON
WDM-PON là mạng quang thụ động sử dụng phương
thức đa ghép kênh phân chia theo bước sóng thay vì theo
thời gian như trong phương thức TDMA. OLT sử dụng một
bước sóng riêng rẽ để thông tin với mỗi ONT theo dạng
điểm-điểm. Mỗi một ONU có một bộ lọc quang để lựa
chọn bước sóng tương thích với nó, OLT cũng có một bộ
lọc cho mỗi ONU.
Nhiều phương thức khác đã được tìm hiểu để tạo ra các

bước sóng ONU như là:
- Sử dụng các khối quang có thể lắp đặt tại chỗ lựa chọn
các bước sóng ONU
- Dùng các laser điều chỉnh được.
- Cắt phổ tín hiệu.
- Các phương thức thụ động mà theo đó OLT cung cấp
tín hiệu sóng mang tới các ONU.
- Sử dụng tín hiệu hướng xuống để điều chỉnh bước
sóng đầu ra của laser ONU.
2.1.3.4. CDMA-PON
Công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA
cũng có thể triển khai trong các ứng dụng PON. Cũng
giống như WDM-PON, CMDA-PON cho phép mỗi ONU
sử dụng khuôn dạng và tốc độ dữ liệu khác nhau tương ứng
với các nhu cầu của khách hàng. CDMA-PON cũng có thể
kết hợp với WDM để tăng dung lượng băng thông.
CDMA-PON truyền tải các tín hiệu khách hàng với
nhiều phổ tần truyền dẫn trải trên cùng một kênh thông tin.
Các ký hiệu từ các tín hiệu khác nhau được mã hóa và nhận
dạng thông qua bộ giải mã. Phần lớn công nghệ ứng dụng
trong CDMA- PON tuân theo phương thức trải phổ chuỗi
trực tiếp. Trong phương thức này mỗi ký hiệu 0, 1 (tương
ứng với mỗi tín hiệu) được mã hóa thành chuỗi ký tự dài
hơn và có tốc độ cao hơn.
Kết luận:
Bằng sự kết hợp với chuẩn 802 cũ, mạng PON mở ra
một hướng đi mới cho thế hệ mạng quang thụ động. Mạng
PON sẽ sử dụng kết hợp 2 mô hình mạng điểm-điểm và
điểm-đa điểm nhằm tối ưu hóa việc truyền tải dữ liệu và
các dịch vụ video trong thời gian thực với chất lượng cao.

Chương 3:
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PON-3G ĐỂ QUY TỐI
ƯU HOÁ VỊ TRÍ VÀ TẦN SỐ MẠNG TRUYỀN DẪN
3G – WCDMA TẠI KHU VỰC TP BẮC GIANG
Để đạt được cả 2 mục tiêu là giảm giá thành và tăng
dung lượng cần phải phát triển mạng backhaul với yêu
cầu: giảm OPEX (chủ yếu bao gồm mặt bằng triển khai và
mức tiêu thụ điện năng) trong dài hạn; Đạt được hiệu quả
trong CAPEX (bao gồm cả số của nút, các cổng hoạt động,
kĩ thuật triển khai xây dựng); Có khả năng mở rộng mạng
truyền tải; Tương thích với các công nghệ sẽ được sử dụng
trong tương
lai. Tôi đề
xuất giải
pháp: Hướng
về tối ưu hóa
toàn cục của việc phân bổ vị trí nhiều ONU trong một
mạng lưới truy cập PON - WCDMA. Chúng tôi so sánh
hiệu suất của SA và HC với các thuật toán Greedy (tham
lam), đề xuất trong [7], và kết luận rằng kết quả đạt được là
khá so sánh với những thuật toán từ SA và HC, nhưng yêu
cầu xử lý thấp hơn nhiều để ứng dụng công nghệ PON cho
nâng cấp, quy hoạch và tối ưu hóa vị trí trong mạng 3G.
3.3. Quy hoạch vị trí
Nhưng vấn đề của việc tìm kiếm các giải pháp tối ưu
với chi phí số liệu ở trên không có bất kỳ hình thức khép
kín nào. Như vậy, trong chương này, chúng tôi cải tạo vấn
đề như là một vấn đề tối ưu hóa toàn cục và lựa chọn hai
thuật toán tối ưu tổ hợp phổ biến "Mô phỏng sự luyện kim
SA" và “ Leo đồi HC" để giải quyết vấn đề. Chúng tôi thấy

rằng, mặc dù SA và HC có thể cải thiện cơ hội tiếp cận tối
ưu toàn cục, thuật toán Greedy thực hiện khá tốt, kết hợp
với tối ưu hóa toàn cục.
3.4. Sự sắp xếp nhiều ONU: Thuật toán tham lam
Greedy
Chú
ng tôi có được một bộ của người sử dụng cho ONUs chính,
chúng ta gọi là những người sử dụng phí bảo hiểm người sử
dụng (người sử dụng gần nhất để các ONU) cho rằng đấu
nối, và tối ưu hóa vị trí của mỗi ONU chính đối với người
dùng cao cấp. Đối với một tập hợp các người dùng cao cấp
(x
j
, y
j
), ∀ j ∈ (1,2,3, , k), chúng ta đặt đấu nối chính của
họ, ONU
i
nghĩa là phí bảo hiểm người sử dụng được thể
hiện qua tọa độ X / Y.
Do đó
Thời gian của thuật toán Greedy là O(kN +kNlogN) = O
(kNlogN). Với k >> N trong trường hợp thực tế, thuật toán
Greedy sẽ chạy trong O(k), là tuyến tính với số lượng
người sử dụng.
3.5. Thuật toán để tối ưu hóa toàn cục
. Mô phỏng thuật toán luyện kim Simulated Annealing
(SA)
Mô phỏng (SA) là một sự tổng quát của phương pháp
"Monte-Carlo" và được sử dụng rộng rãi như là một xác

suất siêu thuật toán (bởi vì các khối cơ bản của SA có
nguồn gốc từ phương pháp Monte-Carlo) [8]. Thuật toán
này có năm giai đoạn [8], [9], thể hiện trong thuật toán (1) .
SA có hai tiêu chuẩn hội tụ thu được từ tối ưu toàn cục:
1) Tiêu chuẩn vòng lặp bên trong (tức là, cho T, số lần lặp
lại cho đến khi giải pháp mới ngừng cải thiện.
2) bên ngoài vòng lặp / dừng các tiêu chí: khi T ~ 0 (tức là
mặt đất / băng).
3.5.2. Áp dụng vấn đề bố trí nhiều ONU theo
SA
3.5.3. Hiệu suất học
Chúng tôi nghiên cứu nhiều vấn đề vị trí đấu nối sử
dụng SA để quan sát các vị trí tối ưu có thể đạt được trên
toàn cục. Chúng tôi đã sắp xếp các yếu tố đầu vào, thay đổi
số lượng
ONUs
(2,3,4,5), diện
tích trong hình
vuông m
2
(1000x1000, 2500x2500, 5000x5000, 7500x7500,
10000x10000), và số lượng các nút
(100,250,500,750,1000) Mỗi cấu hình được lặp đi lặp lại 20
lần (đối với tổng cộng 2000 thí nghiệm). Bảng 3.1 cho
thấy sự lựa chọn các thông số mô phỏng của chúng tôi.
3.5.4. Thuật toán leo đồi (Hill-Climbing Algorithm
(Steepest Descent))
Chúng tôi cũng cho thấy hiệu suất của thuật toán
Greedy. Chúng tôi thay thế ONUs với 100 người sử dụng
trong diện tích 1000x1000 m

2
. Bảng 3.2 cho thấy SA và
HC đều đạt cùng một mức tối thiểu, cũng là mức tối thiểu
toàn cầu và rất gần với các giải pháp trả về bởi Greedy .
Bảng này cho thấy tọa độ X / Y nơi 4 ONUs được triển
khai.
KẾT LUẬN
Hiện nay việc thiết kế quy hoạch mạng là rất phức tạp
và phụ thưộc nhiều vào thực tế tại từng khu vực. Việc triển
khai thực tế mạng vô tuyến PON - 3G không thể áp dụng
theo một lộ trình cứng nhắc nào, điều đó tùy thuộc vào
hoàn cảnh cụ thể, vào điều kiện phát triển của thị trường và
thị phần của nhà khai thác đó. Trong chương này đã trình
bày: Ứng dụng công nghệ PON để quy hoạch, nâng cấp,tối
ưu hóa việc phân bổ vị trí và tần số mạng truyền dẫn 3G
tại khu vực Tp Bắc Giang . Qua dự báo số lượng thuê bao
3G mạng Vinaphone tại Tp Bắc Giang, tiến hành khảo sát
nhu cầu tại các khu vực Quận/huyện từ đó đưa ra các kết
quả yêu cầu phủ sóng và định cỡ dung lượng mạng. Sau khi
định cỡ mạng, quy hoạch vùng phủ sẽ đi đến quy hoạch chi
tiết, tính toán số lượng các node, chọn vị trí đặt trạm và tiến
hành khảo sát sơ bộ các vị trí cần lắp đặt và chương này
mới nêu về thuật toán mới để áp dụng cho tính toán việc