Đồ án Quy hoạch mạng vô tuyến wcdma

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VIỄN THÔNG II _____________ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY NIÊN KHÓA: 2008-2013 Đề tài: QUY HOẠCH MẠNG VÔ TUYẾN WCDMA Mã số đề tài: 12 408160140 Sinh viên thực hiện: NGUYỄN QUYẾT TIẾN MSSV: 408160140 Lớp: Đ08VTA1 Giáo viên hƣớng dẫn: LÊ CHU KHẨN TP.HCM – 2012 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VIỄN THÔNG II _____________ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY NIÊN KHÓA: 2008-2013 Đề tài: QUY HOẠCH MẠNG VÔ TUYẾN WCDMA Mã số đề tài: 12 408160140 NỘI DUNG: - CHƢƠNG 1: Tổng quan về cấu trúc mạng vô tuyến WCDMA - CHƢƠNG 2: Quy hoạch mạng vô tuyến WCDMA - CHƢƠNG 3: Chƣơng trình mô phỏng tính toán Sinh viên thực hiện: NGUYỄN QUYẾT TIẾN MSSV: 408160140 Lớp: Đ08VTA3 Giáo viên hƣớng dẫn: LÊ CHU KHẨN MỤC LỤC MỤC LỤC ......................................................................................................................... MỤC LỤC HÌNH .............................................................................................................. MỤC LỤC BẢNG ............................................................................................................. LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MẠNG VÔ TUYẾN WCDMA ............ 3 1.1 Tổng quan về mạng thông tin di động 3G WCDMA: ........................................... 3 1.2 Cấu trúc mạng WCDMA: ...................................................................................... 6 1.3 Nguyên lý trải phổ trong hệ thống WCDMA: ....................................................... 8 1.4 Các loại mã đƣợc dùng trong hệ thống WCDMA: .............................................. 10 1.5 Các loại kênh trong UTRAN: .............................................................................. 11 1.5.1 Các kênh logic: .............................................................................................. 11 1.5.2 Các kênh vật lý: ............................................................................................. 12 1.5.3 Các kênh truyền tải: ....................................................................................... 13 1.5.3.1 Kênh truyền tải riêng: .............................................................................. 13 1.5.3.2 Các kênh truyền tải chung: ...................................................................... 13 1.6 Điều khiển công suất: ........................................................................................... 13 1.7 Chuyển giao trong hệ thống WCDMA: ............................................................... 14 CHƢƠNG 2: QUY HOẠCH MẠNG VÔ TUYẾN WCDMA ..................................... 16 2.1 Giới thiệu chung về quy hoạch mạng: ................................................................. 16 2.2 Một số đặc điểm cần lƣu ý trong quy hoạch mạng: ............................................. 17 2.2.1 Dự báo: .......................................................................................................... 17 2.2.1.1 Dự báo nhu cầu dịch vụ/thuê bao: ........................................................... 17 2.2.1.2 Dự báo lƣu lƣợng: ................................................................................... 17 2.2.1.3 Dự phòng cho tƣơng lai: .......................................................................... 18 2.3 Các hoạt động cụ thể của định cỡ mạng WCDMA bao gồm:.............................. 18 2.3.1 Phân tích vùng phủ: ....................................................................................... 18 2.3.1.1 Tính toán quỹ đƣờng truyền vô tuyến: .................................................... 18 2.3.1.2 Xác định kích thƣớc ô: ............................................................................ 24 2.3.1.3 Tính bán kính, diện tích phủ sóng và quy hoạch vị trí các cell: .............. 29 2.4 Phân tích dung lƣợng: .......................................................................................... 31 2.4.1 Tính toán hệ số tải : ....................................................................................... 32 2.4.1.1 Hệ số tải đƣờng lên: ................................................................................ 32 2.4.1.2 Hệ số tải đƣờng xuống: ........................................................................... 34 2.4.2 Mô hình tính toán dung lƣợng Erlang B: ....................................................... 35 2.5 Định cỡ RNC:....................................................................................................... 38 2.6 Truyền dẫn cho Node B: ...................................................................................... 39 2.7 Tối ƣu mạng: ....................................................................................................... 39 CHƢƠNG 3: CHƢƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN QUY HOẠCH MẠNG 3G CHO KHU VỰC TPHCM ....................................................................................... 41 3.1 Đặc điểm chung về Thành Phố Hồ Chí Minh: ..................................................... 41 3.2 Thiết kế vào tối ƣu mạng: .................................................................................... 43 3.2.1 Các thông số khi tính toán thiết kế hệ thống WCDMA: ............................... 43 3.3 Tính toán quy hoạch mạng cho khu vực nội thành TP Hồ Chí Minh: ................. 44 3.3.1 Tính số Node B để có thể phủ sóng đƣợc toàn bộ khu vực: .......................... 44 3.3.2 Tính suy hao đƣờng truyền cho phép: ........................................................... 45 3.3.3 Tính số Node B dựa theo bán kính phục vụ và diện tích vùng cần phủ sóng46 3.3.3.1 Tính số lƣợng cell theo yêu cầu vùng phủ sóng: ..................................... 47 3.3.3.2 Tính số lƣợng cell theo yêu cầu về dung lƣợng: ..................................... 47 3.4 Chƣơng trình mô phỏng tính toán: ....................................................................... 49 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 55 PHỤ LỤC .......................................................................................................................... CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1: Các phƣơng thức đa truy nhập ........................................................................ 3 Hình 1.2: Các phổ tần dùng cho hệ thống UMTS ........................................................... 4 Hình 1.3: Vùng phủ sóng của UMTS .............................................................................. 6 Hình 1.4: Cấu trúc tổng quan hệ thống UMTS ............................................................... 6 Hình 1.5: Kiến trúc mạng 3G trong 3GPP ...................................................................... 7 Hình 1.6: Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) ...................................................................... 9 Hình 1.7: Quá trình trải phổ trong WCDMA ................................................................ 10 Hình 1.8: Sơ đồ cây mã OVSF ...................................................................................... 10 Hình 1.9: Các loại kênh trong UTRAN. ........................................................................ 11 Hình 1.10: Các kênh vật lý đƣờng lên ........................................................................... 12 Hình 1.11: Các kênh vật lý đƣờng xuống ...................................................................... 13 Hình 2.1: Mô hình CCQ ................................................................................................ 16 Hình 2.2: Suy hao đƣờng truyền theo bán kính với mô hình Hata................................ 26 Hình 2.3: Các tham số trong mô hình Walfisch-Ikegami. ............................................. 27 Hình 3.1: Bản đồ Thành Phố Hồ Chí Minh ................................................................... 42 Hình 3.2: Mô hình truyền sóng Walfisch-Ikegami ........................................................ 46 Hình 3.3: Giao diện chính của chƣơng trình mô phỏng ................................................ 50 Hình 3.4: Các button trong chƣơng trình mô phỏng ..................................................... 50 Hình 3.5: Suy hao đƣờng truyền tại tốc độ 12.2 kbps ................................................... 51 Hình 3.6: Mô hình truyền Hata- Okumura cho thành phố lớn ...................................... 52 Hình 3.7: Mô hình truyền Walfishch-Ilegami cho thành phố lớn ................................. 53 Hình 3.8: Tính toán số node B tại khu vực 13 quận nội thành TPHCM ....................... 54 Hình 3.9: Tính toán số node B cần thiết theo yêu cầu dung lƣợng. .............................. 54 MỤC LỤC BẢNG Bảng 1.1: Mục đích của channelization code và scrambling code ................................ 11 Bảng 2.1: Công suất phát của các loại UE .................................................................... 19 Bảng 2.2: Giả định quỹ đƣờng truyền của máy di động ............................................... 21 Bảng 2.3: Giả định về quỹ đƣờng truyền của trạm gốc ................................................. 21 Bảng 2.4: Quỹ đƣờng truyền tham khảo cho dịch vụ thoại 12.2 kbps đa tốc độ .......... 22 Bảng 2.5: Quỹ đƣờng truyền của các dịch vụ thời gian thực tốc độ 144 kbps ............. 23 Bảng 2.6: Quỹ đƣờng truyền của dịch vụ dữ liệu phi thời gian thực 384 kbps ........... 24 Bảng 2.7: Giá trị K theo cấu hình site. .......................................................................... 30 Bảng 2.8: Mối quan hệ giữa dự trữ nhiễu đƣợc yêu cầu ứng với tải đƣờng lên. .......... 32 Bảng 2.9: Các thông số sử dụng trong tính toán hệ số tải đƣờng lên ............................ 34 Bảng 2.10: Các thông số sử dụng trong việc tính toán hệ số tải đƣờng xuống ............. 35 Bảng 2.11: Dung lƣợng của 1 RNC .............................................................................. 38 Bảng 3.1: Thống kê về diện tích, dân số và mật độ dân số có của 13 quận nội thành TPHCM ......................................................................................................................... 43 Bảng 3.2: Suy hao đƣờng truyền cho phép của dịch vụ thoại 12,2 kbps ...................... 45 Hình 3.2: Mô hình truyền sóng Walfisch-Ikegami. ....................................................... 46 Bảng 3.3: Ƣớc tính số thuê bao trong khu vực 13 quận nội thành TPHCM ................. 48 Bảng 3.4: Số lƣợng cell tính theo yêu cầu về dung lƣợng. ........................................... 49 SVTH: NGUYỄN QUYẾT TIẾN LỚP: Đ08VTA3 Trang 1 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, thông tin di động đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh nhất và phục vụ con ngƣời hữu hiệu nhất. Để đáp ứng nhu cầu về chất lƣợng và dịch vụ ngày càng nâng cao, thông tin di động càng không ngừng đƣợc cải tiến. Cùng hòa chung với sự tăng trƣởng mạnh không ngừng của phát triển kinh tế xã hội Việt Nam nói chung và thị trƣờng viễn thông nói riêng, trong những năm qua nƣớc ta đã có nhiều bƣớc phát triển vƣợt bậc trong lĩnh vực viễn thông trở thành một trong những ngành kinh tế kỹ thuật mũi nhọn, đóng góp mạnh mẽ vào sự phát triển kinh tế xã hội nói chung của đất nƣớc. Bằng việc hàng loạt các nhà mạng đã tham gia vào cuộc chạy đua nhằm cung cấp cho khách hàng các tiện ích di động hiện đại nhất với chất lƣợng dịch vụ cao nhất. Thị trƣờng di động 3G hiện đang bƣớc vào giai đoạn cạnh tranh căng thẳng nhất, tính đến thời điểm hiện tại đã có 3 nhà mạng chính thức cung cấp các tiện ích 3G cho khách hàng là Vinaphone, Mobifone, Viettel, ngoài ra một số nhà mạng khác. Với xu thế chung phát triển thuê bao di động tại Việt Nam và nhu cầu tăng cao về các dịch vụ số liệu tốc độ cao nhƣ: video call, hội nghị truyền hình, tin nhắn đa phƣơng tiện...của khách hàng trong thời gian tới, mạng vô tuyến trên toàn quốc nói chung và khu vực cụ thể nói riêng cần phải gấp rút thực hiện nâng cấp và xây dựng hạ tầng mạng. Trong quá trình phát triển mạng các nhà mạng luôn quan tâm hàng đầu đến vấn đề quy hoạch mạng 3G và coi đây là yếu tố tiên quyết đến chi phí xây dựng mạng, chất lƣợng dịch vụ … Trong bài báo cáo đồ án tốt nghiệp này, em đã chọn đề tài “Quy hoạch mạng vô tuyến WCDMA”. Đề tài chủ yếu phân tích các vấn đề về vùng phủ, dung lƣợng, các yếu tố liên quan đồng thời đƣa ra các vấn đề để tối ƣu một cách hiệu quả nhất trong việc quy hoạch một mạng WCDMA hiện nay. Đồng thời đồ án cũng minh họa, mô phỏng một bài toán quy hoạch đơn giản mạng vô tuyến WCDMA cho khu vực nội thành 13 quận nội thành của TP Hồ Chí Minh. Tuy nhiên phần mô phỏng này chỉ mang tính chất minh họa, demo, tham khảo dựa trên các phép phân tích về vùng phủ và dung lƣợng đƣợc thể hiện bằng các biểu thức toán học. Do thực tế, các nhà mạng hiện nay của Việt Nam đều sử dụng các tools, các phần mềm của các nhà sản xuất thiết bị hàng đầu thế giới để làm công cụ quy hoạch mạng thực tế. Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này, em xin gửi lời cảm ơn đến: - Thầy Lê Chu Khẩn, cùng với các thầy trong khoa Viễn Thông 2, Học viện công nghệ Bƣu chính Viễn Thông cơ sở TPHCM đã trực tiếp, hƣớng dẫn, truyền đạt kiến thức để em hoàn thành Đồ án tốt nghiệp này. - Em đã nhận đƣợc sự giúp đỡ và động viên của gia đình, thầy cô và bạn bè. Đây chính là nguồn động viên to lớn thúc đẩy em có gắng hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này. Nội dung Đồ án Tốt nghiệp này gồm 3 chƣơng: - Chƣơng 1: Tổng quan về cấu trúc mạng vô tuyến WCDMA Chƣơng này ta sẽ tìm hiểu sơ lƣợc cấu trúc mạng WCDMA, các giải pháp kỹ thuật trong mạng WCDMA, phƣơng pháp trải phổ DSSS, các mã sử dụng trong SVTH: NGUYỄN QUYẾT TIẾN LỚP: Đ08VTA3 Trang 2 UMTS, giao diện vô tuyến và các loại kênh trong WCDMA, điều khiển công suất và chuyển giao trong hệ thống WCDMA. - Chƣơng 2: Quy hoạch mạng vô tuyến WCDMA Chƣơng này khái quát tổng quan và nêu lên các vấn đề về việc quy hoạch mạng vô tuyến, phân tích đƣợc quỹ đƣờng truyền, mô hình truyền sóng, tính toán bán kính cell và diện tích cell, xác định dung lƣợng cell để từ đó áp dụng tính toán quy hoạch. - Chƣơng 3: Chƣơng trình mô phỏng tính toán quy hoạch mạng 3G cho khu vực TPHCM Chƣơng này khảo sát cụ thể yêu cầu thực tế qua tình hình kinh tế, xã hội, tình hình phát triển mạng viễn thông tại khu vực 13 quận nội thành TP Hồ Chí Minh. Trên cơ sở đó, dự báo và tính toán nhu cầu dung lƣợng, vùng phủ để xây dựng thiết kế chi tiết mạng truy nhập vô tuyến WCDMA tại khu vực 13 quận nội thành. Từ đó sử dụng phần mềm mô phỏng, tính toán số lƣợng node B cho khu vực 13 quận này. Trong quá trình làm đồ án này, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức và thời gian hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, sai lầm. Em rất mong nhận đƣợc sự phê bình, hƣớng dẫn và sự giúp đỡ của Thầy cô, bạn bè. TP Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 12 năm 2012 Sinh viên thực hiện Nguyễn Quyết Tiến CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MẠNG VÔ TUYẾN WCDMA SVTH: NGUYỄN QUYẾT TIẾN LỚP: Đ08VTA3 Trang 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MẠNG VÔ TUYẾN WCDMA 1.1 Tổng quan về mạng thông tin di động 3G WCDMA: Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về các dịch vụ của hệ thống thông tin di động, nhất là các dịch vụ truyền số liệu đòi hỏi các nhà khai thác phải đƣa ra hệ thống thông tin di động mới. Trƣớc bối cảnh đó hiệp hội viễn thông quốc tế ITU đã đƣa ra đề án tiêu chuẩn hoá để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ ba với tên gọi là IMT- 2000 Đồng thời các cơ quan về tiêu chuẩn hoá xúc tiến việc xây dựng một tiêu chuẩn hoá áp dụng cho IMT- 2000 thông qua dự án 3GPP (Third Generation Partnership Project). Hệ thống thông tin di động thế hệ ba đƣợc ra đời từ dự án 3GPP đƣợc gọi là hệ thống thông tin di động WCDMA/UMTS. Nền tảng công nghệ chính của WCDMA là công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA). Trong lịch sử thông tin di đông đã tồn tại các phƣơng thức đa truy nhập khác nhau là: FDMA đa truy nhập phân chia theo tần số; TDMA đa truy nhập phân chia theo thời gian; CDMA đa truy nhập phân chia theo mã. Sự khác nhau của 3 phƣơng thức truy nhập đƣợc chỉ ra trong hình 1.1. Hình 1.1: Các phương thức đa truy nhập WCDMA là một công nghệ truy nhập vô tuyến đƣợc phát triển mạnh ở Châu Âu. Hệ thống này hoạt động ở chế độ FDD & TDD và dựa trên kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS- Direct Sequence Spectrum) sử dụng tốc độ chip 3,84 Mcps bên trong băng tần 5 MHz. WCDMA hỗ trợ trọn vẹn cả dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói tốc độ cao và đảm bảo sự hoạt động đồng thời các dịch vụ hỗn hợp với chế độ gói hoạt động ở mức hiệu quả cao nhất. Kỹ thuật WCDMA cho phép cùng một lúc nhiều thuê bao sử dụng chung phổ tần, khi đó tín hiệu mỗi thuê bao truyền đi đƣợc phân tách với nhau bằng các mã trực giao với nhau. Một số yêu cầu của hệ thống 3G nhƣ sau: - Tốc độ dữ liệu (Bit rate) lên đến 2 Mbps. - Bit rate cho từng loại dịch vụ, các thuê bao (user) có thể thay đổi tuỳ theo yêu cầu về băng thông (bandwidth on demand). CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MẠNG VÔ TUYẾN WCDMA SVTH: NGUYỄN QUYẾT TIẾN LỚP: Đ08VTA3 Trang 4 - Có thể cung cấp nhiều dịch vụ với các yêu cầu chất lƣợng khác nhau (nhƣ thoại, video và packet data) trên một kết nối. - Các yêu cầu về FER là 10% và BER là 10-6. - Đáp ứng các yêu cầu về thời gian trễ phù hợp với từng loại lƣu lƣợng (conversational, streaming, interactive and background). - Cùng tồn với các hệ thống 2G và có thể chuyển giao giữa 2G và 3G. - Hỗ trợ lƣu lƣợng không đối xứng giữa uplink và downlink do nhu cầu thực tế của ngƣời sử dụng. - Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần số (High spectrum efficiency). UMTS có khả năng làm việc ở cả hai chế độ FDD và TDD cho phép sử dụng hiệu quả phổ tần đƣợc cấp phát ở các vùng khác nhau. - FDD (Frequency Division Duplex): là phƣơng pháp ghép song công trong đó truyền dẫn đƣờng lên và đƣờng xuống sử dụng hai tần số riêng biệt. Do đó hệ thống đƣợc phân bố một cặp băng tần riêng biệt. - TDD (Time Division Duplex): là phƣơng pháp ghép song công trong đó đƣờng lên và đƣờng xuống đƣợc thực hiện trên cùng một tần số bằng cách sử dụng những khe thời gian luân phiên và đƣợc chia thành hai phần: phần phát và phần thu. TDD sử dụng chủ yếu cho các micro cell và picro cell. Hội nghị vô tuyến thế giới năm 1992 đã đƣa ra các phổ tần số dùng cho hệ thống UMTS:  1920 ÷ 1980 MHz và 2110 ÷ 2170 MHz dành cho các ứng dụng FDD (Frequency Division Duplex: Ghép kênh theo tần số) đƣờng lên và đƣờng xuống, khoảng cách kênh là 5MHz.  1900 ÷ 1920 MHz và 2010 ÷ 2025 MHz dành cho các ứng dụng TDD (Time Division Duplex: Ghép kênh theo tần số), khoảng cách kênh là 5MHZ.  1980 ÷ 2010 MHz và 2170 ÷ 2200 MHz: Đƣờng xuống và đƣờng lên vệ tinh. Hình 1.2: Các phổ tần dùng cho hệ thống UMTS 15 85 1900 1920 1980 2010 2025 2170 2200 2110 MHz 20 60 30 30 60 UMTS TDD UMTS FDD UMTS Satellite CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MẠNG VÔ TUYẾN WCDMA SVTH: NGUYỄN QUYẾT TIẾN LỚP: Đ08VTA3 Trang 5 FDD: Frequency Division Duplex TDD: Time Division Duplex MSS: Mobile Satellite System Một ƣu điểm của UMTS là cung cấp nhiều các loại dịch vụ khác nhau tùy theo nhu cầu của ngƣời sử dụng. UMTS sử dụng 2 loại chuyể