Đồ án Quy hoạch mạng 4G LTE

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE GVHD: TS. Lê Quang Tuấn SVTH: Nguyễn Thị Thùy Dương MSSV: 06117013 TP.Hồ Chí Minh - Tháng 1/ 2011 PHẦN A GIỚI THIỆU Đồ án tốt nghiệp Trang i LỜI CẢM ƠN Sau khoảng thời gian học tập tại trường, đây là khoảng thời gian khó quên đối với chúng em. Thầy cô đã chỉ bảo tận tình để giúp cho chúng em trang bị kiến thức để vững vàng bước vào đời. Để được như ngày hôm nay, em xin gởi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn Điện Tử Viễn Thông cũng như các thầy cô trong khoa Điện-Điện tử đã hướng dẫn, truyền đạt kiến thức cho chúng em. Em xin gởi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy TS. Lê Quang Tuấn, công ty Viễn Thông Quốc nội (VTN), người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn để em có thể hoàn thành đề tài này. Xin gởi lời cám ơn đến ba má đã động viên giúp đỡ cả về vật chất và tinh thần cho con bao nhiêu năm qua, đồng cảm ơn đến bạn bè đã luôn luôn ở bên cạnh mình . Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc Người thực hiện Nguyễn Thị Thùy Dương Đồ án tốt nghiệp Trang ii  QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Thùy Dương MSSV: 06117013 Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Tên đề tài: QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE VÀ ÁP DỤNG CHO TP.HCM 1) Cơ sở ban đầu: ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... 2) Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... 3) Các bản vẽ: ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... 4) Giáo viên hướng dẫn: TS. Lê Quang Tuấn 5) Ngày giao nhiệm vụ: 6) Ngày hoàn thành nhiệm vụ: BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘICHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Giáo viên hướng dẫn TS. Lê Quang Tuấn Ngày ….. tháng ….. năm 2011 Chủ nhiệm bộ môn Đồ án tốt nghiệp Trang iii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. Ngày ….. tháng ….. năm 2011 Giáo viên hướng dẫn TS. Lê Quang Tuấn Đồ án tốt nghiệp Trang iv NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. Ngày ….. tháng ….. năm 2011 Giáo viên phản biện 2 Ngày ….. tháng ….. năm 2011 Giáo viên phản biện 1 Đồ án tốt nghiệp Trang v LỜI NÓI ĐẦU Ngành công nghệ viễn thông đã chứng kiến những phát triển ngoạn mục trong những năm gần đây. Khi mà công nghệ mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G chưa có đủ thời gian để khẳng định vị thế của mình trên toàn cầu, người ta đã bắt đầu nói về công nghệ 4G (Fourth Generation) từ nhiều năm gần đây. Thế nhưng, nói một cách chính xác thì 4G là gì? Liệu có một định nghĩa thống nhất cho thế hệ mạng thông tin di động tương lai 4G? Ngược dòng thời gian... Trong hơn một thập kỷ qua, thế giới đã chứng kiến sự thành công to lớn của mạng thông tin di động thế hệ thứ hai 2G. Mạng 2G có thể phân ra 2 loại: mạng 2G dựa trên nền TDMA và mạng 2G dựa trên nền CDMA. Đánh dấu điểm mốc bắt đầu của mạng 2G là sự ra đời của mạng D-AMPS (hay IS-136) dùng TDMA phổ biến ở Mỹ. Tiếp theo là mạng CdmaOne (hay IS-95) dùng CDMA phổ biến ở châu Mỹ và một phần của châu Á, rồi mạng GSM dùng TDMA, ra đời đầu tiên ở Châu Âu và hiện được triển khai rộng khắp thế giới. Sự thành công của mạng 2G là do dịch vụ và tiện ích mà nó mạng lại cho người dùng, tiêu biểu là chất lượng thoại và khả năng di động. Hình : Sơ đồ tóm lược quá trình phát triển của mạng thông tin di động tế bào Tiếp nối thế hệ thứ 2, mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G đã và đang được triển khai nhiều nơi trên thế giới. Cải tiến nổi bật nhất của mạng 3G so với mạng 2G là khả năng cung ứng truyền thông gói tốc độ cao nhằm triển khai các dịch vụ truyền thông đa phương tiện. Mạng 3G bao gồm mạng UMTS sử dụng kỹ Đồ án tốt nghiệp Trang vi thuật WCDMA, mạng CDMA2000 sử dụng kỹ thuật CDMA và mạng TD-SCDMA được phát triển bởi Trung Quốc. Gần đây công nghệ WiMAX cũng được thu nhận vào họ hàng 3G bên cạnh các công nghệ nói trên. Tuy nhiên, câu chuyện thành công của mạng 2G rất khó lặp lại với mạng 3G. Một trong những lý do chính là dịch vụ mà 3G mang lại không có một bước nhảy rõ rệt so với mạng 2G. Mãi gần đây người ta mới quan tâm tới việc tích hợp MBMS (Multimedia broadcast and multicast service) và IMS (IP multimedia subsystem) để cung ứng các dịch vụ đa phương tiện. Khái niệm 4G bắt nguồn từ đâu? Có nhiều định nghĩa khác nhau về 4G, có định nghĩa theo hướng công nghệ, có định nghĩa theo hướng dịch vụ. Đơn giản nhất, 4G là thế hệ tiếp theo của mạng thông tin di động không dây. 4G là một giải pháp để vượt lên những giới hạn và những điểm yếu của mạng 3G. Thực tế, vào giữa năm 2002, 4G là một khung nhận thức để thảo luận những yêu cầu của một mạng băng rộng tốc độ siêu cao trong tương lai mà cho phép hội tụ với mạng hữu tuyến cố định. 4G còn là hiện thể của ý tưởng, hy vọng của những nhà nghiên cứu ở các trường đại học, các viện, các công ty như Motorola, Qualcomm, Nokia, Ericsson, Sun, HP, NTT DoCoMo và nhiều công ty viễn thông khác với mong muốn đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện mà mạng 3G không thể đáp ứng được. Theo dòng phát triển… Ở Nhật, nhà cung cấp mạng NTT DoCoMo định nghĩa 4G bằng khái niệm đa phương tiện di động (mobile multimedia) với khả năng kết nối mọi lúc, mọi nơi, khả năng di động toàn cầu và dịch vụ đặc thù cho từng khách hàng. NTT DoCoMo xem 4G như là một mở rộng của mạng thông tin di động tế bào 3G. Quan điểm này được xem như là một “quan điểm tuyến tính” trong đó mạng 4G sẽ có cấu trúc tế bào được cải tiến để cung ứng tốc độ lên trên 100Mb/s. Với cách nhìn nhận này thì 4G sẽ chính là mạng 3G LTE , UMB hay WiMAX 802.16m. Nhìn chung đây cũng là khuynh hướng chủ đạo được chấp nhận ở Trung Quốc và Hàn Quốc. Bên cạnh đó, mặc dù 4G là thế hệ tiếp theo của 3G, nhưng tương lai không hẳn chỉ giới hạn như là một mở rộng của mạng tế bào. Ví dụ ở châu Âu, 4G được xem như là khả năng đảm bảo cung cấp dịch vụ liên tục, không bị ngắt quãng với Đồ án tốt nghiệp Trang vii khả năng kết nối với nhiều loại hình mạng truy nhập vô tuyến khác nhau và khả năng chọn lựa mạng vô tuyến thích hợp nhất để truyền tải dịch vụ đến người dùng một cách tối ưu nhất. Quan điểm này được xem như là “quan điểm liên đới”. Do đó, khái niệm “ABC-Always Best Connected” (luôn được kết nối tốt nhất) luôn được xem là một đặc tính hàng đầu của mạng thông tin di động 4G. Định nghĩa này được nhiều công ty viễn thông lớn và nhiều nhà nghiên cứu, nhà tư vấn viễn thông chấp nhận nhất hiện nay. Dù theo quan điểm nào, tất cả đều kỳ vọng là mạng thông tin di động thế hệ thứ tư 4G sẽ nổi lên vào khoảng 2010-2015 như là một mạng vô tuyến băng rộng tốc độ siêu cao. Ở Việt Nam , hiện nay 3G đang phát triển rầm rộ và để tiến lên 4G không còn xa nữa. Theo tin từ Tập đoàn Bưu chính viễn thông Việt Nam (VNPT), đơn vị này vừa hoàn thành việc lắp đặt trạm BTS sử dụng cho dịch vụ vô tuyến băng rộng công nghệ LTE (Long Term Evolution), công nghệ tiền 4G đầu tiên tại Việt Nam và Đông Nam Á. Đồ án nghiên cứu về Công nghệ 4G LTE là công nghệ còn mới mẻ và phù hợp với thực trạng hiện nay của Việt Nam. Nội dung của đồ án bao gồm 3 phần : Phần A : Giới thiệu Phần B : Nội dung Chương 1: Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan Chương 3 : Quy hoạch mạng 4G LTE và áp dụng cho TP. HCM Chương 4 : Mô phỏng Phần C : Phụ lục và tài liệu tham khảo Trong quá trình thực hiện đề tài, người thực hiện có những hạn chế về khả năng và còn nhiều sai sót , rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô và bạn bè . Đồ án tốt nghiệp Trang viii MỤC LỤC PHẦN A : GIỚI THIỆU LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... i QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI ................................................................................ ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .....................................................iii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ........................................................ iv MỤC LỤC ........................................................................................................... viii MỤC LỤC HÌNH .................................................................................................. xii MỤC LỤC BẢNG................................................................................................. xv PHẦN B : NỘI DUNG CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G ............................................................................................ 1 1. 1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động .................................................. 1 1. 1. 1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G) ............................................... 2 1. 1. 2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G) ............................................... 3 1. 1. 3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) ............................................... 6 1. 1. 4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G) ............................................... 7 1. 2 Tổng quan về mạng 4G [12] .......................................................................... 8 1. 3 Sự khác nhau giữa 3G và 4G ....................................................................... 10 1. 3. 1 Ưu điểm nổi bật.................................................................................... 11 1.3.2 Các ứng dụng đã tạo nên ưu điểm của 4G LTE so với 3G ...................... 11 CHƯƠNG 2 : CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN .... 14 2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE........................................................................ 14 2.2 Cấu trúc của LTE [1] .................................................................................... 24 Đồ án tốt nghiệp Trang ix 2.3 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN .............................................................. 29 2.4 Giao thức của LTE (LTE Protocols) [2] ....................................................... 31 2.5 Một số đặc tính của kênh truyền .................................................................. 34 2.5.1 Trải trễ đa đường .................................................................................... 34 2.5.2 Các loại fading ....................................................................................... 34 2.5.3 Dịch tần Doppler .................................................................................... 35 2.5.4 Nhiễu MAI đối với LTE ......................................................................... 35 2.6 Các kỹ thuật sử dụng trong LTE .................................................................. 36 2.6.1 Kỹ thuật truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM [1] .................. 36 2.6.2 Kỹ thuật SC-FDMA [1] ......................................................................... 46 2.6.3 Kỹ thuật MIMO [1] ................................................................................ 48 2.6.4 Mã hóa Turbo [18] ................................................................................ 50 2.6.5 Thích ứng đường truyền [18] ................................................................. 51 2.6.6 Lập biểu phụ thuộc kênh [18] ................................................................ 52 2.6.7 HARQ với kết hợp mềm [18] ................................................................ 52 2.7 Chuyển giao ................................................................................................ 53 2.7.1 Mục đích chuyển giao ............................................................................ 53 2.7.2 Trình tự chuyển giao ............................................................................. 54 2.7.3 Các loại chuyển giao ............................................................................. 56 2.7.4 Chuyển giao đối với LTE [3] ................................................................ 59 2.8 Điều khiển công suất [3] .............................................................................. 60 2.8.1 Điều khiển công suất vòng hở [8] ........................................................... 61 2.8.2 Điều khiển công suất vòng kín [8] .......................................................... 62 CHƯƠNG 3 : QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE VÀ ÁP DỤNG CHO TP.HCM ..... 65 3. 1 Khái quát về quá trình quy hoạch mạng LTE ............................................. 65 Đồ án tốt nghiệp Trang x 3. 2 Dự báo lưu lượng và phân tích vùng phủ ..................................................... 66 3. 2. 1 Dự báo lưu lượng ................................................................................. 66 3. 2. 2 Phân tích vùng phủ ............................................................................... 67 3. 3 Quy hoạch chi tiết ....................................................................................... 67 3. 3. 1 Quy hoạch vùng phủ ............................................................................ 67 3. 3. 1. 1 Quỹ đường truyền [2] .................................................................... 68 3. 3. 1. 2 Các mô hình truyền sóng ............................................................... 77 3. 3. 1. 3 Tính bán kính cell ........................................................................ 83 3. 3. 2 Quy hoạch dung lượng ......................................................................... 85 3. 4 Quy hoạch cho TP Hồ Chí Minh ................................................................. 90 3.5 Tối ưu mạng ........................