Nghiên cứu mạng truy nhập vô tuyến theo mô hình đám mây

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

Vanhnarlak Soulignavong

NGHIÊN CỨU MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN
THEO MÔ HÌNH ĐÁM MÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2016


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

Vanhnarlak Soulignavong

NGHIÊN CỨU MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN
THEO MÔ HÌNH ĐÁM MÂY

CHUY N NG NH: K THUẬT VI N TH NG
M S : 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRƯƠNG TRUNG KIÊN

HÀ NỘI - 2016

I

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Vanhnarlak Soulignavong


II

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin cảm ơn gia đình, ngƣời thân đã luôn bên cạnh trong những lúc khó khăn
nhất, là nguồn động lực lớn lao để tôi làm việc và học tập.
Tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Trƣơng Trung Kiên, công tác tại
Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, Học viện Công nghệ Bƣu chính Viễn thông, đã luôn hƣớng
dẫn tận tình và chu đáo trong quá trình làm luận văn. Đồng thời cũng xin gửi lời cảm ơn
tới bạn bè và đồng nghiệp đã động viên và hỗ trợ để tôi có thể hoàn thành luận văn này.
Hà Nội, ngày 24 tháng 08 năm 2016


III

M C

C

LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... I

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ II
M C L C .................................................................................................................III
DANH M C C C THUẬT NG , C C T

VI T TẮT ......................................... V

DANH M C C C BẢNG...................................................................................... VII
DANH S CH H NH V ........................................................................................ VII
LỜI MỞ Đ U .............................................................................................................1
CHƢƠNG I - M NG TRUY NHẬP V TUY N THEO M H NH PH N T N .3
. L ch sử phát triển của thông tin di động ............................................................3
. Mạng truy nhập vô tuyến RAN .........................................................................8
. Những thách thức của mạng truy nhập vô tuyến hiện nay ..............................10
. . Số lƣợng các BS lớn và công suất tiêu th cao .........................................10
1.3.2 CAPEX OPEX tăng nhanh chóng .............................................................12
. . Nhiễu trong hệ thống mạng LTE ...............................................................15
. . B ng n nhu c u dung lƣợng mạng c ng với ARPU b suy giảm ............18
1.3.5 Mạng lƣới tải di động năng động và tỷ lệ sử d ng BS thấp ......................19
. . p lực ngày càng tăng của d ch v internet trên mạng l i của nhà đi u
hành ....................................................................................................................20
. Tiến hóa của mạng di động RAN trong tƣơng lai ...........................................21
. Kết luận chƣơng ...............................................................................................23
CHƢƠNG II - M NG TRUY NHẬP V TUY N THEO M H NH Đ M M Y
C-RAN ......................................................................................................................24
. Khái niệm.........................................................................................................24
2.2 Kiến trúc của mạng truy nhập vô tuyến theo mô hình đám mây .....................26
. Những ƣu điểm và thách thức của mạng truy nhập vô tuyến theo mô hình đám
mây.........................................................................................................................39
2.3.1 Những ƣu điểm của mạng truy nhập vô tuyến theo mô hình đám mây ....39
2.3.2 Những thách thức phải đối mặt khi triển khai mạng truy nhập vô tuyến

theo mô hình đám mây trong hệ thống thông tin di động thế hệ sau .................41


IV

. Trƣờng hợp triển khai mạng C-RAN...............................................................42
. . Triển khai C-RAN trong TD-SCDMA......................................................42
. . Triển khai C-RAN TD-LTE ......................................................................44
2.5 Kết luận chƣơng ...............................................................................................47
CHƢƠNG III - M T S GIẢI PH P M NG TRUY NHẬP V TUY N THEO
M H NH Đ M M Y .............................................................................................49
3.1 Một số kết quả nghiên cứu và phát triển mới ..................................................49
. . Thử nghiệm trên sự tập trung để xác đ nh n n CPRI và SFBD ................50
. . Thử nghiệm xác minh giải pháp WDM front-haul ...................................51
. . Thử nghiệm xác minh UL CoMP trên C-RAN .........................................55
.

ng d ng mạng C-RAN trong hệ thống thông tin di động thế hệ 5G ............57
. . Khái niệm chính ........................................................................................58
3.2.2 Sự tiến hóa hƣớng tới một kiến trúc mạng di động linh hoạt....................62
. . Truy nhập vô tuyến linh hoạt ....................................................................64
. . Linh hoạt mạng RAN và mạng backhaul ..................................................67

3.3 Kết luận chƣơng ...............................................................................................69
K T LUẬN ...............................................................................................................70
DANH M C T I LI U THAM KHẢO ..................................................................71


V

V

DANH M C CÁC THUẬT NG

CÁC TỪ VIẾT TẮT

ắ

T

T

A

V

Dự án đối tác thế hệ thứ

3GPP

3rd Generation Partnership Project

ARPU

Average Revenue Per User

BBU

Base-Band Unit

Đơn v băng gốc

BSC

Base Station Subsystem

Bộ đi u khiển trạm gốc

CAGR

Compounded Annual Growth rate

Tốc độ tăng trƣởng hàng năm k p

CAPEX

Capital expenditures

Chi phí vốn

CPRI

Common Public Radio Interface

C-RAN

Cloud radio access networks hay

CS

Circuit Switch

Chuyển mạch kênh

Enhanced Data Rates for GSM

Giá tr dữ liệu tiên tiến cho việc

Evolution

triển khai GSM

eNodeB

E-UTRAN node B

Nút B của E-UTRAN

EPC

Evolved packet core

L i gói phát triển

FDM

Frequency Division Multiplexing

Gh p kênh theo t n số

Freedom of Mobile Multimedia

Tự do truy cập đa phƣơng tiện di

Access

động

Gateway GPRS Support Node

Nút hỗ trợ GPRS c ng

EDGE

FOMA
GGSN
GSM

Global System for Mobile
Communications

Doanh thu trung bình trên một thuê
bao

Giao diện vô tuyến công cộng
chung
Mạng truy nhập vô tuyến theo mô
hình đám mây

Hệ thống thông tin di động toàn c u

HARQ

Hybrid Automatic Repeat Request

Yêu c u phát lại tự động linh hoạt

LTE

Long Term Evolution

Phát triển dài hạn

MAC

Media Access Control

Đi u khiển truy nhập môi trƣờng

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Nhi u đ u vào nhi u đ u ra

MS

Mobile Station

Máy di động

MSC

Mobile Switching Center

MSS-BBU

Multi-Site/Standard BBU

Trung tâm chuyển mạch các d ch
v di động
Đa trạm đơn v băng gốc tiêu chu n


VI

NMT

Nordic Mobile Telephone

Chu n di động dành cho các
nƣớc Bắc u

Orthogonal Frequency Division

Gh p kênh phân chia theo t n số

Multiplex

trực giao

OPEX

OPerating EXpenses

Hoạt động chi tiêu

PCF

Packet Control Function

Chức năng đi u khiển gói

PDSN

Packet Data Serving Node

Nút d ch v dữ liệu gói

PHY

Physical Layer

Lớp vật l

PS

Packet Switch

Chuyển mạch gói

RAP

Radio Access Point

Điểm truy cập vô tuyến

REC

Radio Equipment Controler

Đi u khiển thiết b vô tuyến

RRH

Remote radio head

Thu phát tín hiệu vô tuyến

RSRP

Reference Signal Received Power

Công suất tín hiệu thu

SDN

Software Defined Networking

Mạng đi u khiển bằng ph n m m

SGSN

Serving GPRS Support Node

Nút hỗ trợ GPRS ph c v

Signal-to-interference-plus-noise

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp

ratio

âm

Total Access Communication

Hệ thống thông tin truy nhập toàn

System

bộ

OFDM

SINR
TACS
TDM

Time Division Multiplexing

TDMA

Time Division Multiple Access

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo
thời gian
Đa truy nhập phân chia theo thời
gian

Time Division Synchronous Code

Đa truy nhập phân chia theo mã-

Division Multiple Access

phân chia theo thời gian

TOP

Total cost of ownership

T ng chi phí sở hữu

UE

User equipment

Thiết b ngƣời sử d ng

Universal Mobile

Hệ thống viễn thông di động toàn

Telecommunications Systems

c u

Wideband Code Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo mã

Access

băng rộng

TD-SCDMA

UMTS
WCDMA


VII

DANH M C CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

3.1

Cấu hình hệ thống của TD-LTE thử nghiệm

49

3.2

So sánh thông lƣợng b w có n n và không n n cộng với SFB

3.3

So sánh phạm vi đơn v : mét)

50

3.4

Kế hoạch ping ngƣời sử d ng chậm trễ khi có và không có WDM
Font-haul

53

3.5

Trễ chuyển giao tín hiệu khi có và không có WDM front-haul
đơn v : giây

53

3.6

Tỷ lệ chuyển giao thành công khi có và không có WDM fronthaul

53

49,50

DANH SÁCH HÌNH V
Số hiệu
hình vẽ

Tên hình vẽ

Trang

1.1

Lộ trình phát triển thông tin di động lên G

7

1.2

Kiến trúc t ng quát của một mạng di động kết hợp CS và PS

8

1.3

Kiến trúc RAN cho các mạng di động

9

1.4

Công suất tiêu th của trạm gốc

12

1.5

CAPEX ngày càng tăng trong xây dựng và phát triển mạng G

12

1.6

Phân tích CAPEX và OPEX của trạm gốc

13

1.7

Phân tích TCO của trạm gốc

14

1.8

SINR thay đ i dƣới tải lƣợng khác nhau

16

1.9

Thông lƣợng DL thay đ i dƣới tải lƣợng khác nhau

16

1.10

Số liệu thống kê v số lƣợng các tế bào lân cận trong mạng quy
mô lớn

17

1.11

Các thống kê v số lƣợng của các tế bào lân cận tải một eNB
trong mạng quy mô lớn (RSRP là thấp hơn so với các tế bào

17


VIII

chính trong phạm vi 10 dB)

1.12

Tăng trƣởng của tốc độ truy n dữ liệu lƣu lƣợng di động băng
thông rộng

18

1.13

Mạng lƣới tải di động vào ban ngày

19

1.14

Lƣu lƣợng không dây của một nhà khai thác kinh doanh G

21

2.1

Kiến trúc RAN trong tƣơng lai

27

2.2

Kiến trúc chức năng BBU

29

2.3

Kiến trúc MSSBBU HW

30

2.4

Kiến trúc đi u khiển của MMS-BBU

32

2.5

Minh họa mạng C-RAN

33

2.6

Kiến trúc C-RAN cho các mạng di động

34

2.7

Mạng di động C- RAN LTE

35

2.8

Phƣơng pháp phân v ng chức năng khác nhau của BTS

36

2.9

Kiến trúc C-RAN 1: Giải pháp hoàn toàn tập trung

37

2.10

Kiến trúc C-RAN. 2: Giải pháp tập trung một ph n

37

3.1

Khu vực thử nghiệm thực đ a C-RAN

51

3.2

Các băng t n tập trung và các thiết b WDM

52

3.3

So thông lƣợng có và không có WDM fronthaul

54

3.4

Kết quả thử nghiệm đƣờng lên CoMP

56

3.5

Phân tách chức năng

59

3.6

Cấu trúc phát triển hƣớng tới một mạng di động 5G

62

3.7

Một ảnh ch p của mô hình sự kết hợp khi sử d ng kết hợp cƣờng
độ hệ mét của tín hiệu đƣờng xuống hình a và tải mạng t ng
hợp hình b

65

3.8

Chức năng phân phối tích lũy của thông lƣợng trung bình khu
vực đạt đƣợc với giải pháp SINR c điển và đ xuất giải pháp
RRC tập trung

66


1

ỜI MỞ Đ U
Mạng truy nhập vô tuyến trong các hệ thống thông tin di động thế hệ trƣớc
thƣờng có mô hình phân tán với số lƣợng lớn trạm gốc đƣợc phân bố khắp trên
vùng phủ của mạng và các trạm gốc này hoạt động g n nhƣ độc lập với nhau. Tuy
nhiên, các mạng truy nhập vô tuyến theo mô hình phân tán có một số điểm tồn tại
làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng hoạt động cũng nhƣ doanh thu của các nhà khai thác
hệ thống thông tin di động. Chi phí đ u tƣ và chi phí vận hành tỷ lệ thuận với số
trạm gốc và diện tích vùng phủ của mạng trong khi doanh thu trung bình trên một
thuê bao đang giảm d n. Vì vậy, các nhà khai thác các hệ thống thông tin di động
đang phải tìm cách giảm chi phí đ u tƣ cũng nhƣ chi phí vận hành trong khi vẫn đáp
ứng đƣợc nhu c u dữ liệu ngày càng tăng. Bên cạnh đó, sự phát triển của các hệ
thống thông tin di động qua nhi u thế hệ và nhi u dòng công nghệ khác nhau đã tạo
ra một thách thức trong việc xây dựng, phát triển và khai thác hiệu quả các mạng
thông tin di động và các mạng thông tin di động mới. Chính vì vậy, c n phải phát
triển các công nghệ mạng truy nhập vô tuyến mới để khắc ph c các vấn đ trên.
Mạng truy nhập vô tuyến theo mô hình đám mây Cloud radio access

networks hay C-RAN) là một công nghệ đ y hứa hẹn để khắc ph c các vấn đ tồn
tại của mạng truy nhập vô tuyến theo mô hình phân tán. Khá nhi u công ty trên thế
giới đang nghiên cứu và phát triển các giải pháp và sản ph m cho mạng truy nhập
vô tuyến theo mô hình đám mây cho các hệ thống thông tin di động thế hệ sau. Tuy
nhiên, trong phạm vi hiểu biết của học viên, mạng truy nhập vô tuyến theo mô hình
đám mây chƣa đƣợc nghiên cứu nhi u ở Việt Nam. Do đó, việc nghiên cứu chi tiết
v mạng truy nhập vô tuyến theo mô hình đám mây có

nghĩa khoa học và

nghĩa

thực tiễn cao.
Từ những động lực nói trên, theo đ nh hƣớng của ngƣời hƣớng dẫn khoa học,
học viên lựa chọn đ tài: “N

ê cứu mạng truy nhập vô tuy n theo mô hình

đám mây” làm nội dung nghiên cứu của luận văn cao học. Học viên hy vọng sau
khi thực hiện xong, luận văn có thể là một tài liệu tham khảo có giá tr cho những


2

ngƣời tìm hiểu, nghiên cứu v mạng truy nhập vô tuyến theo mô hình đám mây cho
hệ thống thông tin di động thế hệ sau (4,5G và 5G) ở Việt Nam.
Luận văn cao học này gồm các nội dung đƣợc t chức nhƣ sau:
 Chương 1 - Mạng truy nhập vô tuyến theo mô hình phân tán:
Chƣơng này giới thiệu t ng quan v mạng truy nhập vô tuyến theo mô hình
phân tán trong các hệ thống thông tin di động thế hệ trƣớc. Những điểm tồn tại

của mạng truy nhập vô tuyến của các hệ thống thông tin di động này cũng đƣợc
nêu lên và phân tích để làm r động lực thúc đ y cho sự phát triển của mạng
truy nhập vô tuyến theo mô hình đám mây cho các mạng thông tin di động thế
hệ sau.
 Chương 2 - Mạng truy nhập vô tuyến theo mô hình đám mây:
Chƣơng này giới thiệu khái niệm mạng truy nhập vô tuyến theo mô hình đám
mây. C thể, kiến trúc và những ƣu điểm của mạng truy nhập vô tuyến theo mô
hình đám mây sẽ đƣợc giới thiệu và phân tích. Bên cạnh đó, một số thách thức
đối với việc triển khai mạng truy nhập vô tuyến theo mô hình đám mây trong
các hệ thống thông tin di động thế hệ sau.
 Chương 3 – Một số giải pháp mạng truy nhập vô tuyến theo mô
hình đám mây: Chƣơng này trình bày một số giải pháp mạng truy nhập vô
tuyến mà các công ty trên thế giới đã đ xuất.


3

CHƯƠNG 1. MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN THEO
MÔ HÌNH PHÂN TÁN
Chương này giới thiệu tổng quan về mạng truy nhập vô tuyến theo mô hình
phân tán trong các hệ thống thông tin di động thế hệ trước. Những điểm tồn tại của
mạng truy nhập vô tuyến của các hệ thống thông tin di động này cũng được nêu lên
và phân tích để làm rõ động lực thúc đẩy cho sự phát triển của mạng truy nhập vô
tuyến theo mô hình đám mây cho các mạng thông tin di động thế hệ sau.

1.1

c

á

c

đ

Từ cuối thế kỷ 18 – 19, công nghệ phát thanh số bằng truy n thông và điện
đã đƣợc phát triển và sử d ng rộng rãi nhờ các phát minh của Hertz và Marconi.
Nhờ các phát minh này mà thế giới đã thay đ i rất nhi u, cũng trong thời gian này
hàng loạt các phát minh v tín hiệu điện, công nghệ thông tin điện tử ra đời.
T ng đài điện thoại đ u tiên đƣợc thiết lập năm 87 ngay sau khi Alexander
Graham Bell phát minh ra điện thoại và sau đó gọi là d ch v gọi điện thoại đƣờng
dài đ u tiên đã đựợc lắp đặt nhằm liên lạc giữa hai thành phố là NewYork và
Chicago.
Mạng điện thoại di động của mỗi nhà cung cấp d ch v và mỗi quốc gia có
sự khác nhau. Tuy nhiên, đ u có điểm chung là tất cả điện thoại di động đ u kết nối
bằng sóng vô tuyến đến một trạm gốc nơi có gắn ăngten trên một tr cao hoặc tòa
nhà. Điện thoại di động có bộ phát công suất thấp truy n thoại và dữ liệu đến trạm
gốc g n nhất, thƣờng không quá 8 đến 13 km. Khi bật máy điện thoại, việc đăng kí
với t ng đài sẽ đƣợc thực hiện. Khi có cuộc gọi đến, t ng đài sẽ báo cho điện thoại
di động. Khi ngƣời dùng di chuyển, điện thoại sẽ thực hiện chuyển giao đến các cell
khác nhau.
Các hệ thống G đảm bảo truy n dẫn tƣơng tự dựa trên FDM với kết nối
mạng l i dựa trên TDM. Là mạng thông tin di động không dây cơ bản đ u tiên trên


4

thế giới. Nó là hệ thống giao tiếp thông tin qua kết nối tín hiệu analog đƣợc giới
thiệu l n đ u tiên vào những năm đ u thập niên 80s. Nó sử d ng các ăng-ten thu
phát sóng gắn ngoài, kết nối theo tín hiệu analog tới các trạm thu phát sóng và nhận

tín hiệu xử lý thoại thông qua các module gắn trong máy di động. Chính vì thế mà
các thế hệ máy di động đ u tiên trên thế giới có kích thƣớc khá to và cồng k nh do
tích hợp cùng lúc 2 module thu tín hiện và phát tín hiệu nhƣ trên. Mặc dù là thế hệ
mạng di động đ u tiên với t n số chỉ từ 150MHz nhƣng mạng G cũng phân ra khá
nhi u chu n kết nối theo từng phân vùng riêng trên thế giới: NMT (Nordic Mobile
Telephone) là chu n dành cho các nƣớc Bắc Âu và Nga; AMPS (Advanced Mobile
Phone System) tại Hoa Kỳ; TACS (Total Access Communications System) tại Anh;
JTAGS tại Nhật; C-Netz tại Tây Đức; Radiocom 2000 tại Pháp; RTMI tại Ý. Công
nghệ G không đƣợc tiêu chu n hóa bởi các cơ quan tiêu chu n quốc tế và không có
đ nh dành cho sử d ng quốc tế.
Khác với G, công nghệ G đƣợc thiết kế để triển khai quốc tế. Thiết kế G
nhấn mạnh hơn lên tính tƣơng thích, khả năng chuyển mạch phức tạp và sử d ng
truy n dẫn tiếng số hóa trên vô tuyến. Mạng 2G mang tới cho ngƣời sử d ng di
động 3 lợi ích tiến bộ trong suốt một thời gian dài: mã hoá dữ liệu theo dạng kỹ
thuật số, phạm vi kết nối rộng hơn G và đặc biệt là sự xuất hiện của tin nhắn dạng
văn bản đơn giản – SMS. Theo đó, các tin hiệu thoại khi đƣợc thu nhận sẽ đuợc mã
hoá thành tín hiệu kỹ thuật số dƣới nhi u dạng mã hiệu (codecs), cho phép nhi u
gói mã thoại đƣợc lƣu chuyển trên cùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và chi
phí. Song song đó, tín hiệu kỹ thuật số truy n nhận trong thế hệ 2G tạo ra nguồn
năng lƣợng sóng nhẹ hơn và sử d ng các chip thu phát nhỏ hơn, tiết kiệm diện tích
bên trong thiết b hơn… Mạng 2G chia làm 2 nhánh chính: n n TDMA (Time
Division Multiple Access) và n n CDMA cùng nhi u dạng kết nối mạng tuỳ theo
yêu c u sử d ng từ thiết b cũng nhƣ hạ t ng từng phân vùng quốc gia Các ví d
điển hình v hệ thống G là: GSM dựa trên TDMA và cdmaOne dựa trên tiêu
chu n TIA IS9 .


5

Một số hệ thống G đáng tiến hóa gọi là hệ thống , G. Chữ số 2.5G chính

là biểu tƣợng cho việc mạng G đƣợc trang b hệ thống chuyển mạch gói bên cạnh
hệ thống chuyển mạch theo kênh truy n thống. Nó không đƣợc đ nh nghĩa chính
thức bởi bất kỳ nhà mạng hay t chức nào và chỉ mang m c đích duy nhất là tiếp th
công nghệ mới theo mạng 2G. Mạng 2.5G cung cấp một số lợi ích tƣơng tự mạng
3G và có thể d ng cơ sở hạ t ng có sẵn của các nhà mạng 2G trong các mạng GSM
và CDMA. Và tiến bộ duy nhất chính là GPRS - công nghệ kết nối trực tuyến, lƣu
chuyển dữ liệu đƣợc dùng bởi các nhà cung cấp d ch v viễn thông GSM. Bên cạnh
đó, một vài giao thức, chẳng hạn nhƣ EDGE cho GSM và CDMA 000 x-RTT cho
CDMA, có thể đạt đƣợc chất lƣợng g n nhƣ các d ch v cơ bản 3G (bởi vì chúng
dùng một tốc độ truy n dữ liệu chung là

kbit s , nhƣng vẫn đƣợc xem nhƣ là

d ch v 2.5G (hoặc là nghe có vẻ phức tạp hơn là .7 G bởi vì nó chậm hơn vài l n
so với d ch v 3G thực sự.
* EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution), hay còn gọi là EGPRS, là một
công nghệ di động đƣợc nâng cấp từ GPRS - cho ph p truy n dự liệu với tốc độ có
thể lên đến 8 kbit s dành cho ngƣời d ng cố đ nh hoặc di chuyển chậm,

kbit s

cho ngƣời d ng di chuyển với tốc độ cao. Trên đƣờng tiến đến G, EDGE đƣợc biết
đến nhƣ là công nghệ .7 G. Thực tế bên cạnh đi u chế GMSK, EDGE d ng
phƣơng thức đi u chế 8-PSK để tăng tốc độ dữ liệu truy n. Chính vì thế, để triển
khai EDGE, các nhà cung cấp mạng phải thay đ i trạm phát sóng BTS cũng nhƣ là
thiết b di động so với mạng GPRS.
Thế hệ thứ ba là G- thế hệ truy n thông di động thứ ba, tiên tiến hơn hẳn
các thế hệ trƣớc đó. Công nghệ G cũng đƣợc nhắc đến nhƣ là một chu n IMT000 của T chức Viễn thông Thế giới ITU . Ban đ u G đƣợc dự kiến là một
chu n thống nhất trên thế giới, nhƣng trên thực tế, thế giới G đã b chia thành
ph n riêng biệt:

6

UMTS (W-CDMA):
 UMTS (Universal Mobile Telecommunication System , dựa trên công nghệ
truy cập vô tuyến W-CDMA, là giải pháp nói chung thích hợp với các nhà
khai thác d ch v di động Mobile network operator sử dung GSM, tập trung
chủ yếu ở châu u và một ph n châu

trong đó có Việt Nam . UMTS đƣợc

tiêu chu n hóa bởi t chức GPP, cũng là t chức ch u trách nhiệm đ nh
nghĩa chu n cho GSM, GPRS và EDGE.
 FOMA, thực hiện bởi công ty viễn thông NTT DoCoMo Nhật Bản năm
00 , đƣợc coi nhƣ là một d ch v thƣơng mại G đ u tiên. Tuy là dựa trên
công nghệ W-CDMA, nhƣng công nghệ này vẫn không tƣơng thích với
UMTS mặc d có các bƣớc tiếp hiện thời để thay đ i lại tình thế này .
CDMA 2000:
 Là thế hệ kế tiếp của các chu n G CDMA và IS-9 . Các đ xuất của
CDMA 000 đƣợc đƣa ra bàn thảo và áp d ng bên ngoài khuôn kh GSM tại
Mỹ, Nhật Bản và Hàn Quốc. CDMA 000 đƣợc quản l bởi GPP – một t
chức độc lập với GPP. Và đã có nhi u công nghệ truy n thông khác nhau
đƣợc sử d ng trong CDMA 000 bao gồm xRTT, CDMA 000-1xEV-DO
và 1xEV-DV.
 CDMA 000 cung cấp tốc độ dữ liêu từ

kbit s tới trên

Mbit s. Chu n

này đã đƣợc chấp nhận bởi ITU.
 Ngƣời ta cho rằng sự ra đời thành công nhất của mạng CDMA- 000 là tại
KDDI của Nhận Bản, dƣới thƣơng hiệu AU với hơn 0 triệu thuê bao G. Kể
từ năm

00 , KDDI đã nâng cấp từ mạng CDMA 000-1x lên mạng

CDMA2000-1xEV-DO với tốc độ dữ liệu tới . Mbit s. Năm 00 , AU
nâng cấp mạng lên tốc độ . Mbit s. SK Telecom của Hàn Quốc đã đƣa ra
d ch v CDMA 000- x đ u tiên năm 000, và sau đó là mạng xEV-DO vào
tháng năm 00 .


7

TD-SCDMA: Chu n đƣợc ít đƣợc biết đến hơn là TD-SCDMA, đƣợc phát triển
riêng tại Trung Quốc bởi công ty Datang và Siemens.
B

CDMA: Hỗ trợ tốc độ giữa 8 kbit s và

Mbit s. Giao thức này đƣợc

d ng trong một mạng diện rộng WAN, tốc độ tối đa là 8 kbit s. Khi nó d ng
trong một mạng c c bộ LAN, tốc độ tối đa chỉ là ,8 Mbit s. Chu n này cũng đƣợc
công nhận bởi ITU.
Quá trình nghiên cứu phát triển UMTS lên G phát triển và tiến d n lên G
là việc đƣa ra công nghệ HSPA và LTE cho ph n vô tuyến và SAE cho ph n
mạng. G là công nghệ truy n thông không dây thế hệ thứ tƣ, cho ph p truy n tải

dữ liệu với tốc độ tối đa trong đi u kiện l tƣởng lên tới 1 - 1,5 Gbit/s. Công nghệ
G đƣợc hiểu là chu n tƣơng lai của các thiết b không dây.
5G là thế hệ tiếp theo của công nghệ truy n thông di động sau thế hệ 4G.
Theo các nhà phát minh, mạng 5G sẽ có tốc độ nhanh hơn khoảng 100 l n so với
mạng 4G hiện nay, giúp mở ra nhi u khả năng mới và hấp dẫn.

H

1.1:

á

đ

ê

G [1]

“ guồn: iáo trình thông tin di động TS. guy n hạm nh ũng
- Kiến trúc chung của hệ thống thông tin di động


8

H

1.2 K

c

á c

m

mạ

“ guồn: iáo trình thông tin di động

. Mạ

y

ậ

y

đ

CS

PS [1]

guy n hạm nh ũng

RAN

Mạng truy nhập vô tuyến RAN gồm các BTS và các BSC. BTS đi u khiển
lƣu lƣợng vô tuyến giữa MS và chính nó thông qua giao diện vô tuyến. Nhi u BTS
và có thể nối đến một BSC. T hợp các BTS c ng với một BSC mà chúng nối đến
đƣợc gọi là BSS. Các BSS cho ph p truy nhập cả d ch v CS và PS. Để hỗ trợ truy

nhập d ch v PS. BSS có thêm khối chức năng đi u khiển gói PCF. Khi các gói
đƣợc gửi đến một MS nhƣng chƣa thể nối đến MS thì PFC nhớ đệm gói này và yêu
c u RAN tìm gọi MS. Nó cũng thu nhập và gửi thông tin thanh toán đến PDSN.
PFC nối BSC với PDSN để thực hiện chuyển giao. Trong tiêu chu n tƣơng tác
IOS: Inter- Operability Standards

GPP A.S0000 , PCF nối đến BSC thông qua

giao diện mở A8 A9. Thông thƣờng trong các sản ph m thƣơng mại, PCF đƣợc
thực hiện nhƣ là một bộ phận của BSC với giao diện riêng.
Cdma 000 BSC có quản l tài nguyên vô tuyến, quản l di động và các kết
nối đến MSC. Nó đảm bảo truy n các gói số liệu không qua codec tiếng.


9

H
“ guồn: Cloud

1.3: Ki n trúc RAN cho các mạ
for mo ile networ s –

đ ng [3]

technology overview trang 3

Trong kiến trúc truy n thống, vô tuyến và chức năng xử l băng gốc đƣợc
tích hợp bên trong một trạm gốc. Các module ăng ten thƣờng đƣợc đặt ở g n nhau
(vài mét) của module vô tuyến nhƣ thể hiện trong hình 1.3.Cáp đồng tr c sử d ng
để kết nối chúng biểu hiện việc thất thoát cao. Giao diện X2 đƣợc đ nh nghĩa giữa

các trạm cơ sở, giao diện S1 kết nối một trạm cơ sở với mạng l i di động. Kiến trúc
này đã đƣợc ph biến cho di động triển khai mạng 1G và 2G.
Ngoài các nhiệm v hỗ trợ d ch v CS thông thƣờng, RAN còn hỗ trợ các
d ch v PS sau:
 Chuyển đ i tham khảo nhận dạng client di động vào một nhận dạng liên kết
suy nhất để thông tin với PDSN
 Nhận thực MS để cho ph p truy nhập d ch v
 Quản l kết nối lớp vật l đến client di động
 Duy trì trạng thái cho ph p kết nối đối với d ch v gói giữa mạng truy nhập
vô tuyến và MS
 Nhớ đệm các gói đến từ PDSN, khi các tài nguyên vô tuyến chƣa có hoặc
chƣa đủ để hỗ trợ dòng dói từ PDSN
 Chuyển tiếp các gói giữa MS và PDSN


10

Hiện nay, của các nhà khai thác di động đang đối mặt với việc cạnh tranh
mạnh mẽ. Chi phí để xây dựng, vận hành và nâng cấp Radio Access Network
(RAN) ngày càng trở nên đắt đỏ, trong khi doanh thu không lớn lên. Lƣu lƣợng
Internet di động đang tăng mạnh, trong khi doanh thu trung bình ở mức ngang hoặc
thậm chí giảm nhẹ, việc này tác động đến khả năng xây dựng các mạng lƣới và
cung cấp d ch v một cách k p thời. Để duy trì lợi nhuận và tăng trƣởng, các nhà
khai thác di động phải tìm giải pháp để giảm chi phí nhƣ cũng nhƣ cung cấp d ch v
tốt hơn cho khách hàng.
Mạng truy nhập vô tuyến RAN quan trọng đối với các nhà khai thác di động
để cung cấp tốc độ dữ liệu cao, chất lƣợng cao và các d ch v

x7 cho ngƣời dùng

di động. Kiến trúc RAN truy n thống có mỗi trạm gốc (BS) chỉ kết nối với một số
anten cố đ nh bao phủ một diện tích nhỏ và chỉ xử lý tín hiệu truy n/nhận trong
vùng phủ sóng của nó; ngoài ra công suất hệ thống b hạn chế, gây khó khăn để
nâng cao dải quang ph . Gây cho nhà khai thác mất nhi u kế hoạch phức tạp và tốn
kém cho việc mở rộng mạng lƣới và nâng cấp. Để đáp ứng các d ch v dữ liệu ngày
càng tăng nhanh, các nhà khai thác di động c n phải nâng cấp mạng của họ thƣờng
xuyên và hoạt động nhi u chu n mạng, bao gồm GSM, WCDMA/TD-SCDMA và
LTE.
Tóm lại, mạng truy nhập vô tuyến RAN truy n thống trở nên quá tốn kém
cho các nhà khai thác di động. Nó thiếu hiệu quả để hỗ trợ quản lý, sự linh hoạt để
chuyển d ch v mạng cho các ứng d ng sáng tạo và khả năng tạo ra doanh thu từ
các d ch v mới. Các nhà khai thác di động đang phải đối mặt với những thách thức
của kiến trúc mạng vô tuyến cho phép linh hoạt.

1.3 N

ác

1 3 1 ố ư ng á

ức c

mạ
n

y
ông

ậ
t ti

y
th

y

o

Trong khi các nhà khai thác liên t c giới thiệu giao diện vô tuyến mới, tăng
số lƣợng các trạm cơ sở cung cấp d ch v không dây băng thông rộng và điện năng
tiêu th b tăng đáng kể. Ví d : trong

năm qua, China Mobile đã tăng gấp đôi số


11

lƣợng các BS, để cung cấp vùng phủ sóng tốt và hiệu quả hơn. Kết quả là, t ng điện
năng tiêu th cũng đã tăng gấp đôi. Tiêu th điện năng cao hơn đƣợc chuyển trực
tiếp cho OPEX cao hơn và môi trƣờng có tác động đáng kể, cả hai trong số đó hiện
đang ngày càng không thể chấp nhận đƣợc.
Hình dƣới cho thấy các thành ph n tiêu th điện năng của China Mobile. Nó
cho thấy ph n lớn điện năng tiêu th là từ BS trong mạng truy cập vô tuyến. Bên
trong BS, chỉ một nửa số năng lƣợng đƣợc sử d ng bởi các thiết b RAN; trong khi
nửa còn lại đƣợc tiêu th bởi đi u kiện không khí và đi u kiện trang thiết b khác.
Cách tốt nhất để tiết kiệm năng lƣợng và giảm lƣợng khí thải CO2 là phải
giảm số lƣợng BS. Tuy nhiên, trong mạng truy nhập vô tuyến RAN đi u này sẽ dẫn
đến mạng lƣới phủ sóng k m hơn và dung lƣợng thấp. Do đó, các nhà khai thác
đang tìm kiếm các công nghệ mới để giảm tiêu th năng lƣợng mà không làm giảm
vùng phủ sóng và năng lực mạng. Ngày nay, có khá nhi u công nghệ "cải tiến" giúp

BS giảm tiêu th điện năng, chẳng hạn các giải pháp nhƣ ph n m m tiết kiệm điện
năng thông qua việc tắt các sóng mang vào giờ rỗi nhƣ nửa đêm, các giải pháp năng
lƣợng xanh trong đó cung cấp năng lƣợng mặt trời, gió và năng lƣợng khác. Tạo
cho các trạm cơ sở cung cấp điện theo đi u kiện tự nhiên của đ a phƣơng, và các
công nghệ đi u hòa không khí tiết kiệm năng lƣợng có kết hợp với các đặc điểm khí
hậu và môi trƣờng đ a phƣơng, giảm tiêu th năng lƣợng, vv…Tuy nhiên, các công
nghệ này phƣơng pháp b sung và không thể giải quyết các vấn đ cơ bản của điện
năng tiêu th với số lƣợng BS ngày càng tăng.
V lâu dài, các nhà khai thác di động c n phải lập kế hoạch cho hiệu quả
năng lƣợng từ các truy cập vô tuyến quy hoạch kiến trúc mạng. Sự thay đ i trong
cơ sở hạ t ng là chìa khóa để giải quyết các thách thức tiêu th điện năng của mạng
truy cập vô tuyến. Tập trung BS sẽ làm giảm số lƣợng các phòng thiết b BS, làm
giảm nhu c u điện, và sử d ng các cơ chế chia sẻ nguồn lực để nâng cao hiệu quả
sử d ng tỷ lệ BS dƣới tải mạng động.


12

H

1.4: Công suất tiêu thụ c a trạm gốc [2]

“ guồn: C-

1.3.2 C

: he road towards green

trang 7

t ng nh nh h ng

Trong những năm g n đây, mức tiêu th dữ liệu di động đã có sự tăng trƣởng
kỷ l c. Để đáp ứng nhu c u sử d ng của ngƣời d ng, các nhà khai thác di động phải
tăng năng lực mạng lƣới cung cấp băng thông rộng di động. Tuy nhiên, trong một
th trƣờng cạnh tranh mạnh, độ bão hòa cao, thay đ i công nghệ nhanh chóng và
doanh thu thoại giảm, các nhà khai thác phải ch u thử thách với việc triển khai các
BS cũ nhƣ chi phí cao, lợi nhuận không đủ cao. Doanh thu trung bình mỗi ngƣời
dùng (ARPU) tất cả đ u ảnh hƣởng đến lợi nhuận của các nhà khai thác di động.

H

1.5: CAPEX

yc

“ guồn: C-

ây
: he road towards green

á

mạ

trang 7

G [2]

13

Họ càng phải tính toán kỹ v T ng chi phí sở hữu (TCO) của mạng lƣới họ
để duy trì lợi nhuận và cạnh tranh.
 Phân tích của TCO
TCO bao gồm kết quả CAPEX và OPEX v việc xây dựng và vận hành
mạng. Các CAPEX chủ yếu liên quan xây dựng cơ sở hạ t ng mạng, trong khi
OPEX chủ yếu là liên quan kết hợp với mạng lƣới hoạt động và quản lý.
Nói chung, có đến 80% CAPEX của nhà khai thác dành cho RAN. Đi u này
có nghĩa rằng h u hết các CAPEX có liên quan đến việc xây dựng các trạm gốc cho
RAN. L ch sử chi phí CAPEX từ 007- 0

đƣợc thể hiện trong hình . . Do tín

hiệu 3G / B3G (triển khai t n số 2GHz có t n hao đƣờng truy n cao hơn và ít mất
mát hơn tín hiệu 2G (triển khai t n số 900MHz nên c n nhi u trạm gốc cho mức độ
tƣơng đƣơng vùng phủ sóng G. Nhƣ vậy, CAPEX b gia tăng đáng kể khi xây
dựng một mạng 3G.

H

1.6: Phân tích CAPEX và OPEX c

“ guồn: C-

: he road towards green

ạm ốc [2]
trang 8

Chi phí CAPEX chủ yếu dành cho việc xây dựng trạm gốc bao gồm chi phí
mua và thi công. Chi phí mua gồm có chi phí mua BS và các thiết b b sung. Nhƣ


14

đã trình bày là hình . , c n lƣu

rằng chi phí của các thiết b không dây chính chỉ

chiếm 35% của CAPEX, trong khi chi phí của việc mua lại v trí xây dựng trạm,
công trình dân d ng, lắp đặt thiết b là hơn 0% t ng chi phí. V cơ bản, đi u này
có nghĩa là hơn một nửa chi phí CAPEX không đƣợc chi cho các chức năng không
dây hiệu quả. Vì vậy, cách để giảm chi phí của các thiết b b sung và chi phí lắp
đặt trạm và triển khai là rất quan trọng để giảm CAPEX của nhà khai thác di động.
OPEX trong mạng lƣới hoạt động và giai đoạn bảo dƣỡng đóng một ph n
quan trọng trong TCO. Chi phí hoạt động bao gồm các chi phí thuê trạm, mạng
truy n dẫn, vận hành/bảo trì và các hóa đơn điện. Cho một thời gian khấu hao 7
năm của thiết b BS, nhƣ thể hiện trong hình 1.6 cho thấy OPEX chiếm hơn 0%
của TCO, trong khi CAPEX chỉ chiếm khoảng 40% của TCO.
Cách hiệu quả nhất để giảm TCO là giảm số lƣợng trạm gốc. Đi u này sẽ
giúp giảm chi phí cho việc xây dựng các thiết b chính; giảm thiểu chi phí cho việc
lắp đặt và thuê các thiết b phát sinh bởi đ a điểm xây trạm. Có ít trạm có nghĩa là
chi phí tƣơng ứng của thiết b b sung cũng sẽ giảm.

H
“ guồn: C-

1.7: P â

c TCO c

ạm ốc [2]

: he road towards green

trang 9


15

- Môi trƣờng đa chu n: Đi u này có nghĩa là số lƣợng lớn các thiết b đ u cuối cũ,
G, G, và cơ sở hạ t ng B3G sẽ cùng tồn tại lâu dài để đáp ứng nhu c u ngƣời tiêu
d ng. Do đó h u hết các nhà khai thác di động lớn trên toàn thế giới sẽ phải sử d ng
hai hoặc ba mạng lƣới. Trong môi trƣờng kinh tế mới, các nhà khai thác phải tìm
cách để kiểm soát CAPEX và OPEX. Trạm gốc chiếm ph n lớn nhất trong đ u tƣ
cơ sở hạ t ng mạng di động. Trạm gốc đa chế độ đƣợc dự kiến là cách hiệu quả để
giảm chi phí xây dựng mạng lƣới và O & M cho các nhà khai thác. Ngoài ra, chia sẻ
các tài nguyên ph n cứng trong một trạm gốc đa chế độ là phƣơng pháp quan trọng
để giảm chi phí.

1.3.3 hi

t ong h thống mạng

LTE đƣợc thiết kế để hoạt động với hệ số tái sử d ng t n số (FRF) của một
trong những quang ph hiệu quả. OFDM và SC-FDMA là các cho truy n dẫn
đƣờng xuống và đƣờng lên của công nghệ LTE. Tính trực giao giữa các sóng mang
ph khác nhau giúp loại bỏ sự nhiễu trong tế bào. Tuy nhiên, vì tất cả các tế bào
hoạt động trên các băng t n tƣơng tự, sự giao thoa giữa các tế bào từ và đến các tế

bào lân cận là khó tránh khỏi, dẫn đến hiệu suất thông lƣợng thấp. Làm thế nào để
tránh và loại bỏ nhiễu liên tế bào trở nên một chủ đ nghiên cứu quan trọng cho
LTE.
Trong cuộc thử nghiệm nhiễu liên tế bào trong mạng lƣới, thử nghiệm so
sánh v SINR và một ngƣời sử d ng thông lƣợng đã đƣợc thực hiện trên các đi u
kiện của hệ thống tải khác nhau. Các kết quả đƣợc minh họa trong hình 1.8 và hình
1.9. So với trƣờng hợp tải 0% SINR đƣờng xuống trung bình đƣợc giảm 5.33dB và
8. 8dB tƣơng ứng, và thông lƣợng đƣờng xuống đƣợc giảm 0% và
trong trƣờng hợp của tải 50% và tải 100%.

% tƣơng ứng