Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (tt)

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

N uyễn T

T

n H

NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG NGHỆ 4G
VÀ ĐỀ XUẤT ỨNG DỤNG 4G TẠI VNPT

C uyên n àn : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã số: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI – NĂM 2017


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

Người hướng dẫn khoa học: TS. N uyễn Việt Hưn

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


3

MỞ ĐẦU
Hiện nay 4G/LTE đang được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên toàn thế
giới. 4G/LTE là công nghệ hứa hẹn tạo ra những bước đột phá mới về dịch vụ viễn
thông và công nghệ thông tin. Bên cạnh những trải nghiệm khác biệt đối với người sử
dụng, 4G còn là điều kiện phát triển các ứng dụng, giải pháp cho doanh nghiệp, chính
quyền trong một kỷ nguyên “Internet kết nối mọi thứ” . Việc triển khai 4G sẽ mang lại
rất nhiều lợi ích cho cả người dùng lẫn nhà mạng. Công nghệ 4G/LTE cung cấp băng
thông rộng hơn, truyền tải dữ liệu nhanh hơn, dung lượng lớn hơn, được đánh giá là
điều kiện lý tưởng để hiện thực hóa mục tiêu mọi lúc- mọi nơi- mọi người khi cung
cấp các dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao.
Lựa chọn đúng về công nghệ để tránh đầu tư sai hướng, vận hành khai thác
được hệ thống mới một cách có hiệu quả, xây dựng một hệ thống mới đảm bảo chất
lượng dịch vụ một cách hiệu quả nhất đồng thời đem đến cho người dùng các loại hình
dịch vụ mới, đa dạng và khai thác được ưu thế của mạng 4G. Khi triển khai 4G cần lựa

chọn công nghệ, quy hoạch mạng, đầu tư thiết bị như thế nào cho đúng hướng là một
vấn đề hết sức quan trọng.
Do đó luận văn đi sâu nghiên cứu về 4G để có được những căn cứ khoa học để
xây dựng phương án thiết kế, triển khai mạng thông tin di động LTE/4G trên nền
mạng 3G. Tìm phương pháp quy hoạch, thiết kế và tối ưu mạng thông tin di động
4G/LTE làm căn cứ để xây dựng phương án triển khai mạng 4G/LTE trên nền mạng
GSM/3G, cụ thể là cho VNPT tỉnh Lạng Sơn.
Luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ
MẠNG 4G/LTE
Chương 2: CÔNG NGHỆ 4G/ LTE
Chương 3: QUY HOẠCH MẠNG 4G/LTE CHO VNPT


4

C ươn 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG VÀ MẠNG 4G/LTE
1.1 L c sử các t ế ệ mạn di độn , xu ướn p át triển lên 4G
1.1.1 Hệ t ốn t ôn tin di độn t ế ệ t ứ n ất 1G
Vào đầu thập niên 70 thế kỷ trước, mạng không dây thế hệ thứ nhất (1G) xuất
hiện, dựa vào hệ thống truyền dẫn analog với các thiết bị nhỏ gọn và giá rẻ hơn trước.
Hệ thống thông tin di động thứ nhất 1G sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập
phân chia theo tần số (FDMA) để truyền kênh thoại trên sóng đến thuê bao di động.
Hệ thống này phát triển ở cả Châu Âu, Bắc mỹ.
1.1.2. Hệ t ốn t ôn tin di độn t ế ệ t ứ

i 2G

Cuối thập niêm 1980, các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai 2G sử dụng

công nghệ số đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA. Các hệ thống này có ưu
điểm là sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát, đảm bảo chất lượng truyền dẫn yêu
cầu, đảm bảo an toàn thông tin , cho phép chuyển mạng quốc tế .. Đến đầu thập niên
1990, công nghệ TDMA được dùng cho hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM ở
châu Âu.
Đến giữa thập kỷ 1990, đa truy nhập phân chia theo mã CDMA trở thành loại
hệ thống 2G thứ 2 khi người Mỹ đưa ra tiêu chuẩn nội địa IS-95.
1.1.3 Hệ t ốn t ôn tin di độn t ế ệ t ứ b 3G
Mạng 3G (Third-generation technology) là thế hệ thứ ba của chuẩn công
nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ
liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh...). 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển
mạch gói và chuyển mạch kênh. Với công nghệ 3G, các nhà cung cấp có thể mang đến
cho khách hàng các dịch vụ đa phương tiện. Ở thế hệ thứ 3 này các hệ thống thông tin
di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở
tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s. hiện vẫn được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu với tốc độ
trung bình 1,5 Mbps.

1.2 Tổn qu n về 4G
4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMT


5

Advanced) được định nghĩa bởi ITU-R.

Hìn 1.1: Lộ trìn p át triển lên 4G
Các công nghệ tiềm năng tiến tới 4G
Di động WiMAX (IEEE 802. 16e-2005) là chuẩn truy cập di động không dây
băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ bít đỉnh đường xuống là 128 Mbps
và 56 Mbps cho đường xuống với độ rộng băng thông hơn 20 MHz.

UMB (Ultra Mobile Broadband) : UMB được phát triển từ nền tảng CDMA.
UMB có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz đến 20 MHz và làm việc ở
nhiều dải tần số, với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288 Mbps cho luồng xuống và 75
Mbps cho luồng lên với độ rộng băng tần sử dụng là 20 MHz. Các kĩ thuật Multiple
radio và antena tiên tiến MIMO, đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA, kỹ
thuật beamforming atena.
LTE là một trong những công nghệ tiềm năng nhất cho 4G. 3GPP LTE có khả
năng cấp phát phổ tần linh động và hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện với tốc độ lên tới
100Mb/s . Tốc độ đường lên đạt tới 10Mb/s. Tốc độ này cao gấp 7 lần so với HSDPA.
Công nghệ này hỗ trợ các dịch vụ có dung lượng lớn, độ phân giải cao.
LTE có nhiều ưu điểm nổi bật.

1.3. C uẩn wim x và LTE


6

WiMax là kết nối không dây được phát triển bởi IEEE (Institute of Electrical
and Electronics Engineers) còn LTE là chuẩn được phát triển bởi 3GPP . Về công
nghệ, LTE và WiMax có một số khác biệt nhưng cũng có nhiều điểm tương đồng. Cả
hai công nghệ đều dựa trên nền tảng IP. Cả hai đều dùng kỹ thuật MIMO để cải thiện
chất lượng truyền/nhận tín hiệu, đường xuống từ trạm thu phát đến thiết bị đầu cuối
đều được tăng tốc bằng kỹ thuật OFDM hỗ trợ truyền tải dữ liệu đa phương tiện và
video.
Tuy nhiên LTE vẫn có lợi thế quan trọng so với WiMax. LTE cho phép tận
dụng dụng hạ tầng GSM có sẵn (tuy vẫn cần đầu tư thêm thiết bị) trong khi WiMax
phải xây dựng từ đầu.

1.4 Tìn

ìn triển k

it ửn

iệm

1.4.1 Trên t ế iới:
Nhận thấy tiềm năng to lớn của công nghệ này, ngành công nghiệp di động với
các công ty viễn thông hàng đầu thế giới đang triển khai hệ thống LTE như : Samsung,
NTT DoCoMo, Huawei, China mobile, Nokia, nokia Siemens Network, Ericson, ZTE,
AT&T..
Hoạt động triển khai thương mại công nghệ LTE ở các nước trên thế giới cũng
rất khác biệt, cụ thể tại Hoa Kỳ và Canada, đã có 69 nhà mạng triển khai, tại khu vực
Bắc Mỹ có 7 nhà mạng. Và khu vực Bắc Mỹ hiện có khoảng 94 triệu kết nối tới Công
nghệ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSPA). Tính đến quý 4/2015, khu vực
châu Mỹ Latin có thêm 15 triệu kết nối tới công nghệ LTE, riêng Brazil có thêm 7
triệu. Năm 2015, tổng lượng kết nối của công nghệ LTE tại khu vực châu Mỹ Latin là
54 triệu, so với 13 triệu của năm 2014.
1.4.2 Tại Việt N m:
VNPT đã hợp tác với Alltech Telecom ngay sau khi nhận được giấy phép thử
nghiệm và tần số để xây dựng và phát triển mạng và dịch vụ 4G/LTE tại Việt Nam.
Tốc độ truy cập Internet lên đến 70 Mbps khi thu phát trực tiếp, và đạt 20 Mbps khi tín
hiệu đâm xuyên qua vật cản như tường nhà, bê-tông.
Nửa đầu năm 2017, mạng 4G của Viettel đã có mặt rộng khắp ở tất cả các tỉnh
thành trên cả nước, phủ sóng tới 704 quận, huyện, tương đương với gần 99% tổng số


7

quận, huyện của Việt Nam. Sau nửa năm, nhà mạng đã lắp đặt xong hơn 36.000 trạm

để phủ sóng 4G toàn quốc.
Theo đại diện VNPT VinaPhone, trong giai đoạn thử nghiệm, VNPT phủ sóng
4G toàn bộ huyện đảo Phú Quốc với 50 trạm và tại Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh với 200
trạm phát sóng 4G. Kết quả đo kiểm công nghệ 4G của VinaPhone tại phòng Lab của
VNPT tại tp HCM vào ngày 15/1 vừa qua, đạt tốc độ xấp xỉ 600Mb/giây. Dự kiến cuối
năm 2017, VNPT Net sẽ triển khai mạng lưới, đảm bảo phủ sóng 4G trên tất cả các
tỉnh, thành phố cả nước với số lượng khoảng 15.000 trạm 4G.
1.5 Kết luận c ươn
Chương 1 đã khái quát sự phát triển của các hệ thống thông tin di động thế hệ 1,
2 và 3, 4 đồng thời đã sơ lượt tổng quan của hệ thống thông tin di động thế hệ 4. Hai
thông số quan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông
tin và tính di động, ở các thế hệ tiếp theo các thông số này càng được cải thiện. LTE là
bước tiếp theo dẫn đến hệ thống thông tin di động 4G. Mạng 4G/LTE có những ưu
điểm vượt trội so với các thế hệ mạng thông tin di động trước đây, vì vậy việc triển
khai là hết sức cần thiết.


8

C ươn 2: CÔNG NGHỆ 4G/LTE
2.1 Mô ìn Kiến trúc mạn 4G LTE
Kiến trúc LTE theo 3GPP gồm:
-Một mạng lõi (CN), được gọi là evolved packet core network (EPC)
-Một mạng truy nhập vô tuyến radio access network (RAN), gọi là eUTRA
-Thiết bị di động người dùng UE , bao gồm một modul nhận dạng thuê bao
chung USIM, và một ứng dụng chat trên một hỗ trợ gọi là UICC. USIM và UICC thay
thế modul nhận dạng thuê bao SIM của GSM.

Hình 2.1: Kiến trúc chung của LTE
2.1.1 EPC

EPC bao gồm các bộ định tuyến. Các thành phần chính của EPC là:
- cổng PDN (P-GW): hay còn gọi là PDN-GW là bộ định tuyến biên giữa mạng
EPC và các mạng dữ liệu gói bên ngoài
- Cổng phục vụ (S-GW): chức năng của S-GW là quản lý và chuyển mạch
đường hầm dữ liệu người dùng
- Thực thể quản lý di động (MME): là thành phần điều khiển chính trong EPC,
nó chỉ hoạt động trong miền điều khiển CP mà không tham gia vào miền dữ liệu người
dùng .
Chức năng quy định chính sách và tính cước PCRF (Policy and charging rules
function) là một node phần mềm hoạt động theo thời gian thực. Nó truy cập cơ sở dữ


9

liệu của người đăng ký, hệ thống tính cước và các thiết bị liên quan khác. áp dụng cho
một thuê bao nhất định. Nó được kết nối hệ thống thanh toán.
Máy chủ thuê bao thường trú HSS: HSS là nơi chức dữ liệu cho tất cả thuê bao.
Nó cũng ghi lại vị trí thuê bao như ở mức MME.
2.1.2 Mạn truy n ập vô tuyến LTE: e-UTRAN
Mạng truy cập của LTE, được gọi là eUTRAN. Bao gồm một mạng phẳng của
eNodeB. Nút duy nhất trong E-UTRAN là eNodeB (evolved Node B: Nút B phát
triển). eNodeB là trạm gốc vô tuyến chịu trách nhiệm điều khiển tất cả các chức năng
liên quan đến vô tuyến trong phần cố định của hệ thống. eNodeB thông thường được
phân bố trên các vùng phủ sóng của mạng, eNodeB được đặt gần các anten vô tuyến
thực tế. Về mặt chức năng eNodeB hoạt động như một cầu nối lớp 2 giữa UE và EPC
và là điểm kết cuối của tất cả các giao thức vô tuyến hướng đến UE và chuyển tiếp số
liệu giữa kết nối vô tuyến và kết nối dựa trên IP tương ứng đến EPC.
2.1.3 T iết b đầu cuối di độn
Trong 3GPP , thiết bị đầu cuối di động được gọi là UE. UE là bất kỳ thiết bị
nào được sử dụng trực tiếp bởi người dùng cuối để giao tiếp. UE xử lý các nhiệm vụ

sau đối với mạng lõi:
- Quản lý di động (MM);
- Điều khiển cuộc gọi (CC);
- Quản lý phiên họp (SM);
- Quản lý nhận dạng (IM).
Tất cả các thiết bị đầu cuối LTE phải có khả năng hoạt động trên băng thông
chuẩn

2.2 Quản lý di độn tron 4G/LTE
Vị trí của được MME nhận biết với độ chính xác đến vùng theo bám (TA:
Tracking Area). Khi UE ở trạng thái rỗi, mỗi lần chuyển dịch từ một TA này sang một
TA khác nó phải thực hiện thủ tục TA để thông báo cho MME về TA mới. Kích thước
TA phải được chọn hợp lý để không bị lớn quá (dể giảm tải báo hiệu tìm gọi) và không
bị nhỏ quá (đến tránh thường xuyên báo hiệu cập nhật vị trí). Cũng giống như vùng


10

định tuyến (RA: Routing Area) trong WCDMA/HSPA, TA trong LTE thông thường
bao phủ vài trăm BTS.

2.3 Truy n ập vô tuyến tron LTE: băn tần truyền dẫn, quy oạc tần số
LTE hỗ trợ nhiều băng tần khác nhau linh hoạt, cho phép các nhà mạng có thể
lựa chọn một cách mềm dẻo và có khả năng tái sử dụng băng tần của công nghệ cũ và
tối ưu chi phí đầu tư mạng. Chi tiết được trình bày trong bảng 2.1 của luận văn.

2.4 Kỹ t uật đ truy n ập c o đườn xuốn OFDMA, kỹ t uật đ truy
n ập đườn lên LTE SC-FDMA
2.4.1 Kỹ t uật OFDMA (Ort o on l Frequency Division Multiple Access)
OFDMA gọi là Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao là công nghệ đa

truy cập phân chia theo sóng mang, là một dạng nâng cao, là phiên bản đa người dùng
của mô hình điều chế số OFDM. Nguyên lý của máy phát trong bất kỳ hệ thống
OFDMA nào là sử dụng các sóng mang con hẹp trực giao. Máy phát của một hệ thống
OFDMA sử dụng khối IFFT để tạo tín hiệu. Nguồn dữ liệu nguồn cấp dữ liệu cho
chuyển đổi hàng loạt-nối tiếp và xa hơn tới khối IFFT.
2.4.2 Kỹ t uật đ truy n ập đườn lên LTE SC-FDMA
Lý do quan trọng nhất để lựa chọn kỹ thuật SC-FDMA cho hướng lên là giảm
công suất tiêu thụ của các thiết bị đầu cuối. Về mặt kỹ thuật, SCFDMA cho tỷ lệ giữa
công suất đỉnh và công suất trung bình (PAPR) thấp hơn OFDMA giúp mang lại hiệu
quả cao cho việc thiết kế các bộ khuếch đại của thiết bị đầu cuối theo đó giảm công
suất tiêu thụ của máy đầu cuối
Giống như trong OFDMA, các máy phát trong hệ thống SC-FDMA cũng sử
dụng các tần số trực giao khác nhau để phát đi các ký hiệu thông tin. Tuy nhiên các ký
hiệu này phát đi lần lượt chứ không phải song song như trong OFDMA. Vì thế, cách
sắp xếp này làm giảm đáng kể sự thăng giáng của đường bao tín hiệu của dạng sóng
phát. Vì thế các tín hiệu SC-FDMA có PAPR thấp hơn các tín hiệu OFDMA

2.5 Kỹ t uật đ ăn ten MIMO
MIMO là phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu cao về thông lượng và
hiệu quả sử dụng phổ. MIMO cho phép sử dụng nhiều anten ở máy phát và máy thu.


11

Các công nghệ MIMO được đưa ra trong LTE như ghép kênh không gian, phân tập
phát và tạo búp là các phần tử chính để cung cấp tốc độ số liệu đỉnh cao hơn và hiệu
suất phổ tốt hơn.
2.5.1 SU-MIMO đườn xuốn tron LTE
SU-MIMO được áp dụng cho kênh vật lý chia sẻ đường xuống PDSCH. Bằng
ghép kênh không gian sử dụng SU-MIMO, hệ thống LTE cung cấp tốc độ đường

xuống 150Mbps với hai anten phát và 300Mbps với bốn anten phát. Có hai chế độ
ghép kênh không gian SU-MIMO là chế độ ghép kênh không gian vòng kín và ghép
kênh không gian vòng hở.
a.Mô hình truyền dẫn SU-MIMO đường xuống:
Mô hình truyền dẫn SU-MIMO tổng quát cho trường hợp truyền dẫn vòng
kín.Mô hình sử dụng cấp hạng L với P cửa anten cho truyền dẫn SU-MIMO từ eNode
B đến UE (đường xuống) trên tài nguyên thời gian tần số được cấp phát riêng cho UE.

Hìn 2.2: Mô ìn truyền dẫn SU-MIMO
b. Xử lý tín hiệu số trong Su-MIMO đường xuống:
Ghép kênh không gian vòng kín với L lớp và P anten phát (p>L) được mô tả
trên hình vẽ 2.3


12

Hìn 2.3: Xử lý tín iệu SU-MIMO vòng kín phía phát
c/ Quá trình xử lý tín hiệu số phía thu:
Xử lý thu tuyến tính có thể được sử dụng kết hợp với quá trình khôi phục tín
hiệu ghép không gian. Tuy nhiên hệ thống có thể đạt được hiệu năng giải điều chế tốt
hơn nếu áp dụng xử lý thu phi tuyến trong trường hợp ghép kênh không gian.
2.5.2 MIMO đ n ười dùn - MU MIMO
2.5.2.1 MIMO đa người dùng đường xuống
Hình 2.4 trình bày mô hình MU-MIMO với tạo búp dựa trên bảng mã cho nhiều
UE sử dụng cùng tài nguyên thời gian, tần số. Trong các phiên bản đầu của 4G, chỉ có
1 chế độ được sử dụng cho MU-MIMO đó là TM5 (Transmission Mode 5: Chế độ
truyền dẫn số 5). Khi được lập cấu hình trong TM5, UE coi rằng truyền dẫn đường
xuống của eNodeB được thực hiện trên cùng một kênh chia sẻ bằng một luồng ( một
lớp). Đối với truyền dẫn 2 cửa anten 2 luồng số liệu (L=2) được phát đồng thời đến
UE trên cùng một tài nguyên thời gian tần số với 4 bộ tiền mã hóa được sử dụng theo

bảng mã.


13

Hình 2.4: MU-MIMO với tạo búp dựa trên bảng mã cho nhiều UE sử
dụng cùng tài nguyên thời gian tần số
2.5.2.2 MIMO đa người sử dụng ( MU-MIMO) đường lên

Trong phiên bản đầu tiên của 4G, UE sử dụng một anten phát và nhiều anten
thu. Vì thế SU-MIMO không thể sử dụng cho đường lên, nhưng có thể sử dụng MUMIMO cho đường lên. Hỗ trợ nhiều anten phát ở UE chỉ có thể áp dụng cho LTEAdvanced. Kênh không gian giữa UE 1 và eNodeB rất khác kênh không gian giữa
UE2 và eNodeB, cả hai UE đều có thể sử dụng cùng một tài nguyên không gian tần số.

Hình 2.5: MU-MIMO đườn lên

2.6 Các t ủ tục truy n ập


14

Trước khi truyền dẫn số liệu, đầu cuối di động cần phải kết nối với mạng.
Trong phần này ta sẽ xét các thủ tục cần thiết cho một đầu cuối di động để nó có thể
truy nhập mạng LTE.
2.6.1 Tìm ô
Tìm ô là thủ tục mà một đầu cuối di động tìm một ô tiềm năng để kết nối. Một
phần của thủ tục tìm ô là đầu cuối nhận được số nhận dạng vả ước tính định thời
khung của ô được nhận dang. Thủ tục tìm ô cũng cung cấp ước tính các thông số cần
thiết để thu thông tin hệ thống trên kênh quảng bá. Thông lin hệ thống chứa các thông
số cần thiết để truy nhập hệ thống.
2.6.2 Truy nhập ngẫu nhiên

Tổng thể thủ tục truy nhập ngẫu nhiên bao gồm bốn bước:
1. Bước một gồm truyền dẫn một tiền tố truy nhập ngẫu nhiên để cho phép
eNodeB ước tính định thời truyền dẫn của đầu cuối.
2. Bước thứ hai bao gồm phát lệnh định thời phát trước để điều chỉnh định
thời phát của đầu cuối dựa trên các kết quả đo định thời bước một.
3.Bước ba bao gồm truyền dẫn nhận dạng đầu cuối di động đến mạng bằng
kênh UL-SCH giống như số liệu được lập biểu thông thường.
4.Bước thứ tư và là bước cuối cùng bao gồm truyền dẫn một bản tin phân
giải xung đột từ mạng đến đầu cuối trên DL-SCH.
2.6.3 Tìm ọi
Tìm gọi được sử dụng để thiết lập một kết nối được khởi đầu bởi mạng. Một
thủ tục tìm gọi hiệu quả phải cho phép đầu cuối ngủ để máy thu không phải thực
hiện xử lý trong hầu hết thời gian và chỉ thức giấc trong các khoảng thời gian ngắn
quy định trước để giám sát thông tin tìm gọi từ mạng.

2.7 Kết luận c ươn
Chương 2 đã trình bày khái quát cấu trúc mạng 4G LTE, các công nghệ sử dụng
trong 4G. Mạng 4G LTE có ưu điểm vượt trội về tốc độ, thời gian trễ nhỏ, hiệu suất sử
dụng phổ cao cùng với việc sử dụng băng thông linh hoạt, cấu trúc đơn giản.. Để đạt
được các ưu điểm này, 4G LTE đã sử dụng nhiều kỹ thuật. Trong đó, nó sử dụng kỹ


15

thuật OFDMA ở đường xuống. Các sóng mang trực giao với nhau, do đó tiết kiệm
băng thông, tăng hiệu suất sử dụng phổ tần và giảm nhiễu ISI. Cùng với các ưu điểm
đó thì OFDM có khuyết điểm là sự thăng giáng đường bao lớn dẫn đến PAPR lớn, khi
PAPR lớn thì đòi hỏi các bộ khuếch đại công suất tuyến tính cao để tránh làm méo
dạng tín hiệu, hiệu suất sử dụng công suất thấp vì thế đặc biệt ảnh hưởng đối với các
thiết bị cầm tay. Do đó, 4G LTE sử dụng kỹ thuật SC-FDMA cho đường lên. Cùng với

các kỹ thuật đó, MIMO là một phần tất yếu của 4G LTE để đạt được yêu cầu về thông
lượng và hiệu quả sử dụng phổ.


16

C ươn 3: QUY HOẠCH MẠNG 4G/LTE CHO VNPT
3.1 Đặc điểm mạn t ôn tin di độn tỉn Lạn Sơn
3.1.1 Đặc điểm tỉn Lạn Sơn
Lạng Sơn là tỉnh miền núi, nằm ở phía Đông Bắc của Việt Nam; cách thủ đô Hà
Nội 154 km đường bộ và 165 km đường sắt; phía bắc giáp tỉnh Cao Bằng, phía đông
bắc giáp Trung quốc, phía đông nam giáp tỉnh Quảng Ninh, phía nam giáp tỉnh Bắc
Giang, phía tây nam giáp tỉnh Thái Nguyên, phía tây giáp tỉnh Bắc Cạn. Địa hình Lạng
Sơn phổ biến là núi thấp và đồi, ít núi trung bình và không có núi cao.
Lạng Sơn gồm 1 thành phố và 10 huyện. tổng cộng 226 phường, xã, thị trấn.
Diện tích tự nhiên của tỉnh là 8.310,09 km2, dân số 757.918 người( số liệu cục thống
kê lạng sơn 2016).
3.1.2 Hiện trạn mạn t ôn tin di độn Lạn Sơn
Các nhà mạng chính kinh doanh trên địa bàn tỉnh là VNPT , Mobifone và chi
nhánh Viettel Lạng Sơn đã xây dựng và phát triển được cơ sở hạ tầng về cáp quang,
nhà trạm là lớn. Hiện đã đảm bảo 100% các xã được phủ kín sóng di động.
Bảng 3.1: Hiện trạn t ôn tin di độn trên đ a bàn tỉnh
Do n n

iệp

Số trạm p ủ

Số trạm

Số t uê b o di

Doanh thu 2016

són TTDĐ

3G

độn

(triệu đồn )

Viettel Lạng Sơn

400

Mobifone LS

153

VNPT LS

283

402

237

546,873

489,000

24,358

18,434

165,751

224,211

3.1.3 N u cầu p át triển lên 4G củ tỉn Lạn Sơn
Dân số 757.918 người tập trung chủ yếu ở thành phố và các thị trấn vì vậy cũng
thuận lợi cho phát triển kinh tế đô thị. Đối với các nhà mạng việc dân cư tập trung sẽ
thuận lợi cho việc phát triển mạng lưới, tính toán đầu tư thiết kế tập trung để phục vụ
cho một số lượng lớn dân cư, với các dịch vụ trọng điểm.


17

Lạng Sơn là tỉnh miền núi phía bắc có đường biên giới với Trung Quốc. Việc
phát triển hệ thống thông tin di động, đảm bảo thông tin liên lạc tại tỉnh có ý nghĩa hết
sức quan trọng về mặt kinh tế, chính trị, an ninh quốc phòng.

3.2 Các c ỉ tiêu t iết kế
3.2.1 Dự báo lưu lượn
Dự báo số thuê bao, dự báo sử dụng lưu lượng tiếng, dự báo sử dụng lưu lượng
số liệu, dự phòng tương lai.
3.2.2 P ân tíc vùn p ủ
Để quy hoạch mạng vô tuyến cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư, bước
tiếp theo ta cần khảo sát các chi tiết: nơi nào cần phủ sóng và các kiểu phủ sóng cần

cung cấp cho các vùng này.

3.3 Quy oạc c i tiết
Cần áp dụng hai điều kiện tối ưu sau cho tính toán quy hoạch mạng 4G LTE để
xác định số trạm eNodeB cần lắp đặt.
Theo điều kiện tối ưu 1: bán kính cell được xác định dựa trên quỹ đường truyền
và mô hình truyền sóng thích hợp, kết hợp với diện tích cần phủ sóng ta tính được số
eNodeB được lắp đặt. Theo điều kiện tối ưu 2: dựa trên quy hoạch vùng phủ ta cũng
xác định được số eNodeB. Số eNodeB cuối cùng cần thiết lắp đặt cho một vùng cần
phủ sóng là số eNodeB lớn hơn.
3.3.1 Quy oạc vùn p ủ
Đối với mạng di động tế bào, ước lượng vùng phủ được dùng để quyết định
vùng phủ của mỗi trạm gốc, nó đưa ra một vùng tối đa có thể được bao phủ bởi trạm
gốc. Nhưng nó không cần thiết xác lập một kết nối giữa UE và trạm gốc. Tuy nhiên,
trạm gốc có thể phát hiện được UE trong vùng bao phủ của nó.
a.Tính toán quỹ đường lên cho LTE
Các thông số và công thức sử dụng để tính toán quỹ đường truyền lên cho LTE
được trình bày chi tiết trong luận văn.
b.Tính toán quỹ đường xuống cho LTE
Các thông số và công thức sử dụng để tính toán quỹ đường truyền xuống cho


18

LTE được trình bày chi tiết trong luận văn.
3.3.2 Các mô hình truyền sóng
3.3.2.1 Mô hình Hata-Okumura
3.3.2.2 Mô hình Walfish-Ikegami
3.3.3 Tín bán kín ô p ủ (cell)
Trước tiên, dựa vào các tham số của quỹ đường truyền để xác định suy hao

đường truyền tối đa cho phép. Khi đó, dễ dàng tính được bán kính cell nếu biết được
mô hình truyền sóng áp dụng với môi trường đang khảo sát (Lp = Lmax). Công thức
được trình bày cụ thể trong luận văn.
3.3.4 Quy oạc dun lượn
Các công thức dùng để tính số eNodeB được tính bởi khía cạnh dung lượng
được trình bày chi tiết trong luận văn.
Sau khi tính toán được số eNodeB theo vùng phủ và số eNodeB theo dung
lượng, ta tối ưu số eNodeB lại bằng cách lấy số eNodeB lớn nhất trong hai trường hợp.
Số eNodeB này là số eNodeB cuối cùng được lắp đặt trong một vùng định sẵn.
3.3.5 Tối ưu mạng
Tối ưu mạng là quá trình phân tích cấu hình và hiệu năng mạng nhằm cải thiện
chất lượng mạng tổng thể và đảm bảo tài nguyên của mạng được sử dụng một cách có
hiệu quả.
Trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư việc tối ưu hóa mạng rất quan
trọng vì mạng thế hệ thứ tư cung cấp nhiều dịch vụ đa dạng. Điều chỉnh tự động phải
cung cấp câu trả lời nhanh cho các điều khiển thay đổi lưu lượng trong mạng

3.4 Áp dụng quy hoạch cho VNPT Lạn Sơn
3.4.1. Quy hoạch vùng phủ
3.4.1.1. Tính toán thiết lập quỹ đường truyền lên và đường truyền xuống
Dưới đây ta sẽ áp dụng các công thức tính tổn hao truyền sóng cực đại cho các
hệ thống thông tin di động. Tính toán sẽ được thưc hiện cho đường lên (từ MS đến
BTS) vì công suất phát của MS cũng như độ nhạy máy thu của nó đều kém so với
BTS.


19

Bảng 3.6 Trình bày thí dụ kết quả tính toán quỹ đường truyền từ máy di động
đến trạm gốc (đường lên) cho các hệ thống thông tin di động LTE.

Bảng 3.6: Quỹ đường truyền đường lên cho LTE

Đường lên

LTE

Tốc độ số liệu (kbps)

1024

Máy p át di độn
Công suất phát cực đại
(dBm)

30

PTxmax

Khuếch đại anten phát
(dBi)

0,0

G1

Tổn hao phiđơ (dB)

0,0

Lph1

Tổn hao connectơ (dB)

0,0

Lrf1

Tổn hao tổng (dB)

0,0

L1=Lph1+Lrf1+Lbody

Công suất phát xạ đẳng 30,0
hướng tương đương cực
đại (dBm)

EIRPmax = PTxmax+G1-L1

Máy t u trạm ốc
LTE
Hệ số tạp âm máy thu
(dB)

4,0

NF

Băng thông (dBHz)

55,6

Băng
thông
2RB=360KHz

Công suất tạp âm nhiệt
máy thu (dBm)

-114,4

N =-174+ NF+10lgB

Dự trữ nhiễu (dB)

1,0

MI

Nhiễu+ tạp âm (dBm)

-115,4

N+MI

SNR

-7

 [dB], từ giả thiết

Độ nhạy máy thu hiệu
dụng (dBm)

-122,4

Pmin= N+MI+

LTE

là

Dự trữ phađinh nhanh 0,0
(dB)

Mf-F , Để được dự trữ cho điều
khiển công suất vòng kín

Khuếch đại anten thu 18,0
(dBi)

G2


20

Tổn hao connectơ và 0,0
phiđơ (dB)

L2

Độ lợi chuyển giao mềm 0,0
(dB)

GSHO

Tổn hao đường truyền 140,4
cực đại cho phép (dB)

Lmax= EIRPmax-Pmin+G2 – L2
-Mf-F+GSHO

Bảng 3.7 trình bày thí dụ kết quả tính toán quỹ đường truyền từ trạm gốc đến
máy di động (đường xuống) cho các hệ thống thông tin di động LTE.
Bảng 3.7: Quỹ đường truyền đường xuống cho LTE

Đường xuống
Tốc độ số liệu (kbps)

LTE
4024

Máy p át trạm ốc
Công suất phát cực đại 46
(dBm)
Công suất dành cho số 45
liệu (dBm)

20% tổng công suất dành cho
điều khiển, nên:

10lg(104,6.0,8)

Khuếch đại anten phát 18,0
(dBi)

G1

Tổn hao phiđơ (dB)

2,0

Lph1

Tổn hao connectơ (dB)

0,0

Lrf1

Tổn hao tổng (dB)

2,0

L1=Lph1+Lrf1

Công suất phát xạ đẳng 61,0
hướng tương đương cực
đại (dBm)

EIRPmax = PTxmax+G1-L1

Máy t u di độn
LTE
Hệ số tạp âm máy thu
(dB)

7,0

NF

Băng thông (dBHz)

69,5

Băng thông LTE là
50RB*=9MHz

Công suất tạp âm nhiệt

-97,5

N =-174+ NF+10lgB


21

máy thu (dBm)
Dự trữ nhiễu (dB)

6,0

MI

Nhiễu+ tạp âm (dBm)

-93,5

N+MI

SINR yêu cầu (dB)

-9

 req,3 [dB], từ mô phỏng

Độ nhạy máy thu hiệu
dụng (dBm)

-102,5 Pmin= N+MI-Gp+ req

Dự trữ phađinh nhanh
(dB)

0,0

Mf-F , do không điều khiển công
suất vòng kín cho HSDPA

Khuếch đại anten thu
(dBi)

0,0

G2

Tổn hao connectơ và
phiđơ (dB)

0,0

Lphi2+Lrf2

Độ lợi chuyển giao mềm 0,0
(dB)

GHO do không chuyển giao
mềm cho HSDPA và các hệ
thống khác không có chuyển
giao mềm

Tổng tổn hao máy thu

L2=Lph2+Lrf2+Lbody

0,0

Độ lợi chuyển giao mềm 0,0
(dB)
Tổn hao cơ thể [dB]

GHO do không chuyển giao
mềm cho HSDPA

0

Tổn hao đường truyền 161,5
cực đại cho phép (dB)

Lmax= EIRPmax-Pmin+G2 – L2
-Mf-F+GSHO

3.4.1.2. Tính toán quy hoạch vùng phủ
Từ kết quả tính toán tổn hao truyền sóng cực đại nói trên ta có thể tính toán cự
ly phủ sóng và diện tích phủ sóng của một ô bằng cách sử dụng các mô hình tổn hao
truyền sóng đã xét ở phần trên. Các hạn chế của mô hình liên quan đến khoảng cách từ
BTS, chiều cao hiệu dụng của anten BTS, chiều cao anten MS và tần số sóng mang. Ta
áp dụng mô hình Wafisch- Ikegami với chiều cao anten BTS là 25m, chiều cao anten
MS là 1,5m và tần số sóng mang 1950 MHz như sau:
Lp=138,5+35,7.lgR

(3.37)

Đối với ngoại ô ta có thể sử dụng thừa số hiệu chỉnh bổ sung 8dB và nhận được
tổn hao truyền sóng cực đại cho phép như sau:


22

Lp=130,5+35,7.lgR

(3.38)

Sau khi đã tính được bán kính phủ sóng của một ô R, ta có thể tính được diện
tích phủ sóng của ô trong cầu hình lục giác đều như sau:
S=K.R2

(3.39)

Bảng 3.8:Các giá tr để tính toán diện tích ô

Cấu hình ô

Omni

Hai đoạn ô

Ba đoạn ô

Sáu đoạn ô

K

2,6

1,3

1,95

2,6

Kết quả tính toán cự ly phủ sóng và diện tích phủ sóng của một ô dựa trên tổn
hao truyền sóng cực đại được tính ở trên được cho trong bảng 3.7.
Bảng 3.9:Tính toán cự ly và diện tích phủ sóng của một ô gồm 3 đoạn ô

T ôn số ô

Nội t àn

N oại ô

Hệ t ốn 4G
Lmax [dB]

140,4

R [km]

1,13

S [km2]

2,49

R [km]

1,89

S [km2]

6,97

Vậy với việc coi TP Lạng Sơn là nơi đặt các cell tham số nội thành, các tỉnh
còn lại là cell tham số ngoại ô, áp dụng công thức ta có bảng tính toán số site vùng phủ
cho toàn tỉnh lạng sơn như dưới.

Bản 3.10: Số site quy oạc t eo vùn p ủ

Diện tích (km2)

Thông số Ô

Số site ( làm tròn
tương đối)

TP Lạng Sơn

77,94

Nội thành

32

Huyện Tràng Định

1016,71

Ngoại ô

146

23

Huyện Bình Gia

1094,15

Ngoại ô

157

Huyện Văn Lãng

567,40

Ngoại ô

82

Huyện Cao Lộc

619,09

Ngoại ô

89

Huyện Văn Quan

547,56

Ngoại ô

79

Huyện Bắc Sơn

699,41

Ngoại ô

101

Huyện Hữu Lũng

807,63

Ngoại ô

116

Huyện Chi Lăng

704,19

Ngoại ô

101

Huyện Lộc Bình

986,44

Ngoại ô

142

Huyện Đình Lập

1189,56

Ngoại ô

171

Tổng số

8310,09

Ngoại ô

1216

3.4.2. Quy hoạch theo dung lượng
Sự đánh giá dung lượng cần theo hai phần :
-Phải ước lượng thông lượng cell tương ứng với thiết lập đã dùng bắt nguồn từ
bán kính cell
-Phân tích lưu lượng vào được cung cấp bởi hoạt động bắt nguồn từ lưu lượng
yêu cầu, bao gồm số lượng thuê bao, lưu lượng trộn lẫn và dữ liệu về trải địa lý của
thêu bao trong các vùng phân phối.

Ta phải thiết lập ước tính sơ bộ lưu lượng người dùng qua các năm để tính toán
nhu cầu sử dụng theo dân số.
Bản 3.11:Dự đoán đầu r lưu lượn qu các năm TP Lạn Sơn

Năm
Lưu lượng thoại ( MB)
Lưu lượng mạng IP (MB)
Dung lượng VoIP (MB)
Tổng

2017
0.1
1
0.5
1.6

2018
0.1
1.5
0.5
2.1

2019
0.1
2
1
3.1

2020
0.12

4
1
5.12


24
Bản 3.12:Dự đoán đầu r lưu lượn qu các năm các uyện n oại ô tỉn Lạn Sơn

Năm
Lưu lượng thoại ( MB)
Lưu lượng mạng IP( MB)
Dung lượng VoIP( MB)
Tổng

2017
0.01
0.1
0
0.11

2018
0.01
0.1
0
0.11

2019
0.01
0.1
0

0.11

2020
0.01
0.16
0
0.17

Giả thiết đối với site thành phố cố thể đạt dung lượng site là 600 Mb, đối với
site ngoại ô là 400 Mb. TP Lạng Sơn là nơi đặt các site nội thành, còn các huyện ta
quy hoạch theo site ngoại ô. Ta có bảng tính như dưới
Bảng 3.13: Quy hoạch TP Lạn Sơn t eo dun lượn đến năm 2020

2017
2018
93072
93072
1.6
2.1
148915.2 195451.2

TP Lạng Sơn ( dân số)
Nhu cầu cá nhân (MB)
Tổng dữ liệu
Số site ước tính theo
dung lượng

248.192

325.752

2019
93072
2.5
186144

2020
93072
4
372288

387.8

620.48

Bảng 3.14: Quy hoạch vùng ngoại ô Lạn Sơn t eo dun lượn đến năm 2020

Vùng ngoại ô ( dân số)
Nhu cầu cá nhân (MB)
Tổng dữ liệu
Số site ước tính theo
dung lượng

2017
664906
0.11
73139.66

2018
664906

0.11
73139.66

2019
664906
0.11
73139.66

2020
664906
0.17
113034

182.8492

182.8492

182.8492

282.5851

Vậy tổng số site quy hoạch theo dung lượng cần là
Số stite cần lắp

2017
432

2018
509

2019
571

2020
904

Vậy số site cần lắp trong năm 2017 là max ( 1216; 432) = 1216 site
3.4.3 Kết quả khảo sát tại một số đ

điểm của tỉnh Lạn Sơn

Kết quả khảo sát thực tế dựa trên số liệu của Viễn thông Lạng Sơn. Vị Trí đặt
các trạm là nơi có mật độ dân cư cao, tận dụng được cơ sở hạ tầng sẵn có của mạng
2G, 3G, đáp ứng được các yêu cầu kĩ thuật đã đề ra trong tính toán quy hoạch.
a/ Thành phố Lạng Sơn


25

Là trung tâm kinh tế, chính trị , dân cư của tỉnh, tập trung nhiều cơ quan, doanh
nghiệp, nhiều các công ty, nhu cầu sử dụng và số lượng khách hàng lớn nhất.
Vị trí khảo sát một số enode B được thiết kế cho Thành phố Lạng Sơn được
trình bày trong bảng 3.15 của luận văn.
b/ Huyện Cao lộc
Là huyện có mật độ dân cư cao, nằm ở phía bắc của tỉnh. Có đường biên giới
giáp với tỉnh Quảng Tây- Trung Quốc qua cửa khẩu Hữu Nghị. Vị trí khảo sát một số
enode B được thiết kế cho huyện cao Lộc được trình bày trong bảng 3.16 của luận văn
c/ Huyện Văn Lãng:
Là huyện biên giới giáp với Bằng Tường (Trung Quốc), có nhiều chợ buôn bán
sầm uất, nổi tiếng nhất là chợ cửa khẩu Tân Thanh. Việc phát triển hệ thống thông tin

đi động ở đây có vai trò quan trọng. Vị trí khảo sát một số enode B được thiết kế cho
huyện văn lãng được trình bày trong bảng 3.17 của luận văn.
Bản đồ phân bố các eNode B được trình bày trong hình 3.2 của luận văn.
3.5 Kết luận c ươn
Quy hoạch mạng 4G LTE cũng giống như quy hoạch mạng 3G. Ở hệ thống di
động 4G, đường lên và đường xuống là bất đối xứng. Do vậy, một trong hai đường sẽ
thiết lập giới hạn về dung lượng hoặc vùng phủ sóng. Chương 2 đã trình bày các chỉ
tiêu thiết kế, các mô hình truyền sóng được áp dụng để ước lượng số eNodeB. Từ đó
tiến hành quy hoạch 4G LTE cho VNPT tỉnh Lạng Sơn phù hợp với hiện trạng mạng
thông tin di động và các đặc điểm tự nhiên, kinh tế, xã hội của tỉnh.