Đề tài Trạm phát sóng 3G-NodeB

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay thông tin di động là ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh nhất. Theo thống kê, tính đến cuối tháng 4/2010, số thuê bao di động đạt vào khoảng 123,9 triệu thuê bao, tăng 61,4% so với cùng kì năm trước. Con số này cho thấy tốc độ phát triển chóng mặt của thông tin di động trong nước. Khởi nguồn từ dịch vụ thoại đắt tiền cho một số ít người đi xe, đến nay với sự ứng dụng ngày càng rộng rãi các thiết bị thông tin di động thể hệ ba, thông tin di động có thể cung cấp nhiều hình loại dịch vụ đòi hỏi tốc độ số liệu cao cho người sử dụng kể cả các chức năng camera, MP3 và PDA. Với các dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao ngày càng trở nên phổ biến này, nhu cầu 3G cũng như phát triển nó lên 4G ngày càng trở nên cấp thiết. Hiện nay, dịch vụ 3G đang không ngừng phát triển. Tháng 3/2010, VinaPhone tuyên bố đạt 7 triệu thuê bao 3G, MobiFone thì cho biết họ có gần 6 triệu người đã đăng ký sử dụng, còn Viettel, dù chưa khai trương dịch vụ cũng cho biết đã có gần 1 triệu khách hàng. Được may mắn thực tập tại ban 3G thuộc Phòng Kỹ Thuật, Chi nhánh Viettel Hà Nội I, em đã quyết định đồ án của mình sẽ làm về 3G và thiết bị phát sóng – NodeB. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Thái Vĩnh Hiển – giảng viên khoa Điện Tử Viễn Thông trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội – đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án. Xin cảm ơn các anh trong ban 3G đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi khi em nghiên cứu thực tế. Vì thời gian thực tập ngắn và kiến thức chuyên môn còn có hạn, nên đề tài còn nhiều thiếu sót, chưa được đầy đủ và chi tiết. Kính mong các thầy cô quan tâm giúp đỡ hoàn thiện hơn đề tài của em. Em xin chân thành cảm ơn.  Hà Nội tháng 5 năm 2010 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Mai Thu   TÓM TẮT ĐỒ ÁN Mục đích của Đồ án này là trình bày những hiểu biết về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba – Third Generation (3G) và những kiến thức thực tế em đã tìm hiểu được về thiết bị phát sóng 3G cụ thể là NodeB. Trên cơ sở đó, Đồ án sẽ triển khai theo các chương mục như sau: Phần 1: Tổng quan về 3G Chương 1: Quá trình phát triển lên 3G Chương 2: Thế nào là công nghệ 3G Chương 3: Các qui tắt thiết kế mạng vô tuyến 3G Phần 2: Trạm phát sóng 3G – NodeB Chương 4: Cấu trúc và chức năng các thành phần NodeB Chương 5: Tích hợp và sửa lỗi NodeB Kết luận: với nhu cầu của thị trường di động hiện nay, việc nghiên cứu và phát triển 3G là vô cùng quan trọng đối với ngành viễn thông nói riêng và nền kinh tế nước nhà nói chung. Chúng ta cần phải nắm vững cả lý thuyết và thực tế, làm cơ sở đi lên 4G và cao hơn nữa. THESIS SUMMARY The purpose of this project is present the understanding about Third Generation (3G), and the actual knowledge that I learnt about 3G transmission device – NodeB. Based on this, the project will be developed follow: Part 1: Overview about 3G Chapter 1: Developing process to 3G Chapter 2: What is 3G Chapter 3: Regulations to design 3G radio network Part 2: 3G transmission station – NodeB Chapter 4: Architecture and function of NodeB’s components Chapter 5: Integrated process and error correction NodeB Conclution: with the Mobile market demand today, the research and development of 3G is very important to develop the telecommunication in particular and the economy in general. We need grasp both theory and actual, institute to advance 4G and more. DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1. Lịch trình nghiên cứu và đưa mạng W-CDMA vào khai thác 8 Hình 1.2. Lộ trình phát triển từ CDMAOne đến CDMA2000 11 Hình 1.3. Kiến trúc đồng tồn tại GSM và UMTS (phát hành 3GR1.1) 12 Hình 1.4. Kiến trúc mạng RAN tích hợp phát hành 3GR2 (R2.1) 13 Hình 1.5. Kiến trúc RAN thống nhất của 3GR3.1 14 Hình 1.6. Quá trình phát triển thông tin di động thế hệ một đến thế hệ ba 15 Hình 1.7. Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G 16 Hình 1.8. Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP 17 Hình 1.9. Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP 17 Hình 2.1. Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS 26 Hình 2.2. Chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) 28 Hình 2.3. Đóng bao và tháo bao cho gói IP trong quá trình truyền Tunnel 30 Hình 2.4. Thiết lập kết nối Tunnel trong chuyển mạch Tunnel 31 Hình 2.5. Kiến trúc 3G W-CDMA UMTS R3 35 Hình 2.6. Vai trò logic của SRNC và DRNC 38 Hình 2.7. Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4 45 Hình 2.8. Kiến trúc mạng 3GPP R5 và R6 48 Hình 2.9. Chuyển đổi dần từ R4 sang R5 50 Hình 3.1. Lưu đồ thiết kế vùng phủ sóng W-CDMA 54 Hình 3.2. Thủ tục tính toán số lượng kênh 64 Hình 4.1. Mô hình NodeB 67 Hình 4.2. Ảnh chụp ăng ten trên cột 68 Hình 4.3. Kiến trúc phần cứng của RBS 3206 70 Hình 4.4. Các khối lắp đặt trong nhà (nguồn và MU) 71 Hình 4.5. Các khối lắp đặt ngoài trời (RRUs) 72 Hình 4.6. Kiến trúc phần cứng của MU 73 Hình 4.7. Ảnh MU chụp từ 1 trạm NodeB 73 Hình 4.8. RRUs trên trạm 76 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Phân loại các dịch vụ ở 3G W-CDMA UMTS 47 Bảng 3.1. Phân vùng hình thái phủ sóng cho các tỉnh / thành phố 65 Bảng 3.2. Diện tích phủ sóng theo các hình thái môi trường 66 Bảng 3.3. Liệt kê vùng phủ liên tục được sử dụng cho thiết kế mạng 69 Bảng 3.4. Tỷ lệ sử dụng tải của cell trong thiết kế mạng 69 Bảng 3.5. Vùng phủ mong muốn được sử dụng trong thiết kế mạng 70 Bảng 3.6. Suy hao thâm nhập cho mỗi hình thái môi trường 70 Bảng 3.7. Hệ số khuyếch đại và độ cao ăng ten được lựa chọn 71 Bảng 3.8. Trích lược kết quả tính toán quỹ đường truyền cho các môi trường truyền sóng tại các tỉnh / thành phố 73 Bảng 3.9. Kết quả tính toán bán kính cell và vùng phủ của site 74 Bảng 3.10. Giả thiết về mô hình lưu lượng (traffic model) 75 Bảng 3.11. Bảng quan hệ giữa kênh RAB và các dịch vụ điển hình 76 Bảng 3.12. Các thông số cần xem xét khi tính toán số CE 77 Bảng 3.13. Thiết kế số lượng CE cho các dịch vụ 78 Bảng 3.14. Số thuê bao / NodeB và số CE yêu cầu 79 Bảng 3.15. Các chỉ số chất lượng 80 Bảng 4.1. Kích thước MU 92 Bảng 4.2. Trọng lượng 92 Bảng 4.3. Nguồn điện cung cấp 93 Bảng 4.4. Công suất tiêu thụ RBS 3418 93 Bảng 4.5. Các tần số RRU hỗ trợ 93 Bảng 4.6. Công suất của RRU 94 Bảng 4.7. Kích cỡ RRUs 94 Bảng 4.8. Kích cỡ RRUW01 95 Bảng 4.9. Trọng lượng RRUs 95 Bảng 4.10. Điều kiện vận hành bình thường của MU 96 Bảng 4.11. Điều kiện vận hành bình thường của RRUs 96 Bảng 4.12. Điều kiện vận hành bình thường của RRUW01 97 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 1G  The First Generation  Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất   2G  The Second Generation  Hệ thống thông tin đi động thế hệ thứ hai   3G  Third Generation  Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba   3GPP  Third Generation Partnership Project  Tổ chức chuẩn hóa các công nghệ mạng thông tin di động tế bào   4G  Fourth Generation  Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư   A     AMPS  Advanced Mobile Phone System  Hệ thống điện thoại di động tiên tiến   ATM  Asynchronous Transfer Mode  Chế độ truyền tải bất đồng bộ       AV  Authetication Vector  Vector nhận thực   AuC  Authentication Center  Trung tâm nhận thực   B     BG  Border Gateway  Cổng biên giới   BICC  Bearer Independent Call Control  Giao thức điều khiển cuộc gọi độc lập vật mang   BTS  Base Transceiver Station  Trạm thu phát gốc   BSC  Base Station Controller  Bộ điều khiển trạm gốc   C     CBU  Control Base Unit  Khối điều khiển cơ sở   CDMT  Code Division Multiple Testbed  Phòng thí nghiệm đa truy nhập theo mã   CDPD  Cellular Digital Packet Data  Ngăn xếp giao thức số liệu gói số tổ ong   CSCF  Central Site Control Facility  Phương tiện điều khiển vị trí trung tâm   CEPT  Conférence Européene de Postes et Telécommunications  Tổ chức các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông châu Âu   CN  Core Network  Mạng lõi   CS  Circuit Switch  Chuyển mạch kênh   D     DECT  Digital Enhanced Cordless Telecommunications  Truyền thông ko dây kĩ thuật số tăng cường   E     EDGE  Enhanced Data Rates for GSM Evolution  Tốc độ dữ liệu được tăng cường cho sự phát triển hệ thống GSM   EIR  Equipment Identity Register  Bộ ghi nhận dạng thiết bị   ETSI  European Telecommunications Standards Institute  Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu   EVDO  Evolution Data Only  Chỉ phát triển dữ liệu   ETBs  Exchange Terminal Boards  Giao diện trao đổi đầu cuối   F     FPLMTS  Future Public Land Mobile Telecommunications System  Hệ thống thông tin di động mặt đất tương lai   FOMA  Freedom of Mobile Multimedia Access  Tự do truy nhập đa phương tiện   FRAMES  Future Radio Multiple Access Scheme  Sơ đồ đa truy nhập vô tuyến tương lai   G     GERAN  GSM EDGE Radio Access Network  Mạng truy nhập vô tuyến dựa trên công nghệ EDGE của GSM   GGSN  Gateway GPRS Support Node  Nút hỗ trợ cổng GPRS   GSM  Global System for Mobile communications  Hệ thống truyền thông di động toàn cầu   GMSC  Gateway Mobile Switching Centre  Cổng trung tâm chuyển mạch di động   GTP  GPRS Tunnel Protocol  Giao thức đường hầm GPRS   H     HE  Home Environment  Môi trường nhà   HLR  Home Location Register  Bộ ghi định vị thường trú   HSPA  Hight Speed Packet Access  Truy nhập gói tốc độ cao   HSPDA  Hight Speed Packet Downlink Access  Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao   HSS  Home Subscriber Server  Server thuê bao tại nhà   I     IEEE  Institute of Electrical and Electtronics Engineers  Viện kỹ sư điện, điện tử iện kỹ sư điện, điện tử   IMEI  International Mobile Equipment Identity  Danh tính thiết bị di động quốc tế   IMT  International Mobile Telecommnications  Truyền thông di động toàn cầu       IMT-2000  International Mobile Telecommunications for the year 2000  Hệ thống thông tin di động toàn cầu cho năm 2000   IMS  IP Multimedia Subsystem  Phân hệ đa phương tiện IP   IMSI  International Mobile Subsscriber Identity  Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế   IP  Internet Protocol  Giao thức Internet   ISDN  Integrated Services Digital Network  Mạng dịch vụ số tích hợp   ITU  International Telecommunications Union  Liên minh Viễn thông Quốc tế   L     LA  Location Area  Vùng định vị   LTE  Long Term Evolution  Kế hoạch phát triển dài hạn   M     ME  Mobile Equipment  Thiết bị di động   MGW  Media Gateway  Cổng phương tiện   MSC  Media Service Clients  Phương tiện dịch vụ khách hàng   MRF  Multimedia Resource Function  Chức năng tài nguyên đa phương tiện   MGCF  Media Gateway Control Function  Chức năng điều khiển cổng các phương tiện   MSISDN  Mobile Station ISDN  Số thuê bao di động có trong danh bạ điện thoại   MAC  Medium Access Control  Điều khiển truy nhập môi trường   MBS  Multistandard Base Station  Trạm gốc đa tiêu chuẩn   MSS  Mobile Solutions Services  Các dịch vụ giải pháp di động   MU  Main Unit  Bộ phận chính   O     OBIF  Optical Radio Unit Interface  Giao diện kết nối quan vô tuyến   OFDMA  Orthogonal Frequency-Division Multiple Access  đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao   OMC-R  Operation and Maintenance Center – Radio  Trung tâm khai thác bảo dưỡng mạng vô tuyến   P     PBX  Private Branch Exchange  Tổng đài nội bộ   PCM  Pulse Code Modulation  Điều xung mã   PDA  Personal Digital Assistant  Máy trợ lý cá nhân kỹ thuật số   PDC  Personal Digital Cenllular  Mạng số tổ ong tư nhân   PDP  Packet Data Protocol  Giao thức số liệu gói   PMR  Professional Mobile Radio  Mạng di động vô tuyến chuyên dụng   PS  Packet Switch  Chuyển mạch gói   PSTN  Public Switched Telephone Network  Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng   PLMN  Public Land Mobile Network  Mạng di động công cộng mặt đất   PUK  Personal Unblocking Key  Mã mở khóa người dùng   P-TMSI  Packet - Temporary Mobile Subscriber Identity  Số nhận dạng thuê bao di động tạm thời gói   Q     QoS  Quality of Service  Chất lượng dịch vụ   R     RA  Routing Area  Vùng định tuyến thuê bao   RNC  Radio Network Controller  Trạm điều khiển mạng vô tuyến   RNS  Radio Network System  Hệ thống mạng vô tuyến   RAN  Radio Access Network  Mạng truy nhập vô tuyến   RLP  Radio Link Protocol  Giao thức đoạn nối vô tuyến   RRU  Remote Radio Unit  Khối điều khiển vô tuyến       RTP  Real Time Transport Protocol  Giao thức truyền tải thời gian thực   R-SGW  Roaming Signalling Gateway  Cổng báo hiệu chuyển mạng   S     SGSN  Serving GPRS Support Node  Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS   SIP  Session Initiation Protocol  Giao thức khởi đầu phiên   SMS  Short Message Servive  Dịch vụ nhắn tin   SS7  Signaling Sysem No7  Mạng báo hiệu số 7   T     T-SGW  Transport Signalling Gateway  Cổng báo hiệu truyền tải   TDM  Time Division Multiplex  Đa hợp phân chia theo thời gian   TDMA  Time Division Multilpe Access  Đa truy nhập phân chia theo thời gian   TACS  Total Access Communication System  Hệ thống truyền thông truy nhập hoàn toàn   TE  Terminal Equipment  Thiết bị đầu cuối   TMSI  Temporary Mobile Subscriber Identity  Số hiệu nhận dạng trạm di động tạm thời   U     UE  User Equipment  Thiết bị người dùng   UMB  Ultra Mobile Broadband  Di động băng thông siêu rộng   UMTS  Universal Mobile Telecommunications System  Hệ thống viễn thông di động đa năng   USIM  UMTS Subscriber Identity Module  Module nhận dạng thuê bao UMTS   UTRA-FDD  UMTS Terrestrial Radio Access-Frequency Division Duplex  Truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS-ghép kênh phân chia tần số   UTRA-TDD  UMTS Terrestrial Radio Access-Time Division Duplex  Truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS-ghép kênh phân chia thời gian   UTRAN  UMTS Terrestrial Radio Network  Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS   V     VLR  Visitor Location Register  Bộ ghi định vị tạm trú   VOD  Video-on-demand  Dịch vụ video theo yêu cầu   VSWR  Voltage Standing Wave Ratio  Hệ số sóng đứng   W     W-CDMA  Wideband Code Division Multiple Access  Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng   WiFi  Wireless Fidelitity  Không dây chất lượng cao   WiMAX  Worldwide Interoperability for Microwave Access  Liên kết toàn cầu cho truy nhập viba   WLAN  Wireless Local Area Network  Mạng vô tuyến cục bộ   PHẦN MỞ ĐẦU Với đề tài “3G và thiết bị phát sóng – NodeB”, đồ án được chia làm 2 phần giải quyết 2 vấn đề: lý thuyết và thực tế. Về lý thuyết, đồ án đưa ra lý thuyết tổng quan về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba – Third Generation (3G), bao gồm quá trình đi lên 3G từ các hệ thống thông tin di động trước đó là 1G và 2G, tìm hiểu thế nào là công nghệ 3G, và lý thuyết về các qui tắc thiết kế mạng 3G. Về thực tế, đồ án trình bày những hiểu biết về NodeB như là mô hình chung của 1 trạm NodeB, cấu trúc và chức năng các thành phần trong NodeB (trong phần này đặc biệt đi sâu vào loại tủ phân tán RBS 3418), quá trình tích hợp trạm và sửa lỗi trong quá trình phát sóng. Để hoàn thành các công việc trên, em đã tham khảo một số tài liệu, kết hợp với quá trình thực tập, nghiên cứu thực tế tại các trạm phát sóng của Viettel Telecom. Song do hạn chế về mặt qui mô, đồ án chỉ bao gồm 2 phần với 5 chương: Phần 1: Tổng quan về 3G Chương 1: Quá trình phát triển lên 3G Chương 2: Thế nào là công nghệ 3G Chương 3: Các qui tắt thiết kế mạng vô tuyến 3G Phần 2: Trạm phát sóng 3G – NodeB Chương 4: Cấu trúc và chức năng các thành phần NodeB Chương 5: Tích hợp và sửa lỗi NodeB Phần một TỔNG QUAN VỀ 3G Giới thiệu chung Sự phát triển nhanh chóng của dịch vụ số liệu đã đặt ra các yêu cầu mới đối với công nghệ viễn thông di động. Thông tin di động thế hệ 2 (2G) mặc dù sử dụng công nghệ số nhưng là hệ thống băng hẹp và được xây dựng trên cơ chế chuyển mạch kênh nên không thể đáp ứng được dịch vụ mới này. 3G (Third Gneration) là giai đoạn mới nhất trong sự tiến hóa của ngành viễn thông di động. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất – The First Gerneration (1G) của điện thoại di động là những thiết bị analog, chỉ có khả năng truyền thoại. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai – The Second Generation (2G) gồm cả hai công năng truyền thoại và dữ liệu giới hạn dựa trên kỹ thuật số. Trong bối cảnh đó, Liên minh viễn thông quốc tế (ITU) đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hóa hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 với tên gọi IMT – 2000. IMT – 2000 đã mở rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ và cho phép sử dụng nhiều phương tiện thông tin. Mục đích của IMT – 2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời đảm bảo sự phát triển liên tục của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) vào những năm 2000. 3G mang lại cho người dùng những dịch vụ giá trị gia tăng cao cấp giúp chúng ta thực hiện truyền thông thoại và dữ liệu (như e-mail và tin nhắn dạng văn bản), tải âm thanh và hình ảnh với băng tần cao. Các ứng dụng 3G thông dụng gồm hội nghị video di động, chụp và gửi ảnh kỹ thuật số nhờ điện thoại và máy ảnh, gửi, nhận e-mail và file đính kèm dung lượng lớn, tải tệp tin video và MP3, thay cho modem để kết nối đến máy tính xách tay hay PDA, và nhắn tin dạng chữ với chất lượng cao… Chương I. Quá trình phát triển lên 3G Lịch trình nghiên cứu phát triển hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba Công trình nghiên cứu của các nước Châu Âu cho đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng – Wideband Code Division Muntiple Access (W-CDMA) đã bắt đầu từ các đề án phòng thí nghiệm đa truy nhập theo mã – Code Division Multiple Testbed (CDMT) và sơ đồ đa truy nhập vô tuyến tương lai – Future Radio Multiple Access Scheme (FRAMES) từ đầu thập niên 90. Các dự án này cũng tiến hành thực nghiệm các hệ thống W-CDMA để đánh giá chất lượng đường truyền. Công tác tiêu chuẩn hoá chi tiết được thực hiện ở Tổ chức chuẩn hóa các công nghệ mạng thông tin di động tế bào – Third Generation Partnership Project (3GPP). Lịch trình triển khai W-CDMA được cho như hình vẽ.
Hình 1.1. Lịch trình nghiên cứu và đưa mạng W-CDMA vào khai thác Ở Châu Âu và Châu Á, hệ thống W-CDMA được đưa ra khai thác vào đầu năm 2002. Lịch trình nghiên cứu phát triển của CDMA2000/3GPP2 chia thành 2 pha: Pha 1: (1997 – 1999) + Nghiên cứu phát triển mẫu đầu tiên của hệ thống. + Năm 1997: Xây dựng tiêu chuẩn, xây dựng cấu trúc mẫu đầu tiên hệ thống và thiết kế các phương tiện thử nghiệm chung. + Năm 1998: Tiếp tục xây dựng mẫu thử đầu tiên của hệ thống và các phương tiện thử nghiệm chung. + Năm 1999: Kiểm tra kết nối cho mô hình đầu tiên của hệ thống. Pha 2: (2000 -2002) + Phát triển hệ thống với mục tiêu thương mại ở các nhà sản xuất hàng đầu. + Năm 2002: Bắt đầu dịch vụ thương mại. Lộ trình phát triển từ hệ thống IS-95 thế hệ thứ hai sang hệ thống CDMA2000 thế hệ thứ ba Mặc dù mạng CDMAOne (IS-95) không phải là mạng đầu tiên cung cấp truy nhập số liệu, nhưng đây là các mạng được thiết kế duy nhất để truyền số liệu. Trước hết chúng xử lý truyền dẫn số liệu và tiếng th