ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN MINH HƯỚNG

TỐI ƯU CẤU TRÚC MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - Tháng 6/2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN MINH HƯỚNG

TỐI ƯU CẤU TRÚC MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI

Ngành:

Công nghệ thông tin

Chuyên ngành:

Truyền dữ liệu và Mạng máy tính

Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ


4


MỤC LỤC
Lời cảm ơn .................................................................................................................. 3
Lời cam đoan ............................................................................................................... 4
BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................... 9
Chương 1: GIỚI THIỆU ......................................................................................... 11
1.1. Một số đối tượng của bài toán ......................................................................... 11
1.2. Phạm vi và mục tiêu nghiên cứu...................................................................... 12
1.3. Tổ chức của luận văn ...................................................................................... 13
Chương 2: MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI ......................................................... 14
2.1. Giới thiệu ........................................................................................................ 14
2.2. Đặc điểm mạng NGN ..................................................................................... 14
2.3. Khái niệm mạng LTE ...................................................................................... 16
2.4. Kĩ thuật đa truy nhập của mạng LTE ............................................................... 16
2.4.1. OFDM...................................................................................................... 17
2.4.2. OFDMA ................................................................................................... 17
2.4.3. SC-FDMA................................................................................................ 19
2.5. Cấu trúc mạng LTE ......................................................................................... 20
2.5.1. Thiết bị người dùng (UE) ......................................................................... 20
2.5.2. E-UTRAN ................................................................................................ 20
2.5.3. Evolved Packet Core (EPC) ..................................................................... 21
2.6. Cấu trúc giao thức E-UTRAN ......................................................................... 21
2.6.1. Điều khiển vô tuyến (RLC) ...................................................................... 23
2.6.2. Điều khiển truy nhập trung gian (MAC) ................................................... 24
2.6.3. Các kênh logic và kênh chuyển tải ........................................................... 24
2.7. Tóm tắt chương 2 ............................................................................................ 25
Chương 3: CƠ SỞ LẬP KẾ HOẠCH MẠNG........................................................ 26
3.1. Những vấn đề cơ bản trong thiết kế tế bào ...................................................... 26

4.6.3. Mô phỏng, tính toán xác suất vùng phủ .................................................... 58
4.7. Tóm tắt chương 4 ............................................................................................ 65
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU ........................................... 66
5.1. Kết luận: ......................................................................................................... 66
5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo: ........................................................................... 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 67

6


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1. Kiến trúc mạng NGN ................................................................................. 15
Hình 2.2. Cấu trúc mạng LTE .................................................................................... 16
Hình 2.3. Tín hiệu OFDM trong miền tần số và miền thời gian.................................. 17
Hình 2.4. Lập lịch phụ thuộc kênh giữa hai người dùng ............................................. 18
Hình 2.5. Một ví dụ so sánh OFDMA và SC-FDMA ................................................. 19
Hình 2.6. Cấu trúc LTE E-UTRAN ........................................................................... 20
Hình 2.7. Khối giao thức mặt phẳng người dùng ........................................................ 22
Hình 2.8. Cấu trúc giao thức tuyến xuống của LTE ................................................... 23
Hình 3.1. Hình mẫu sử dụng lại tần số ....................................................................... 27
Hình 3.2. Đường cong Erlang B................................................................................. 30
Hình 3.3. Chia tế bào ................................................................................................. 32
Hình 3.4. Lưu đồ tính toán hệ thống tế bào ................................................................ 33
Hình 3.5. Can nhiễu lẫn nhau giữa hai tế bào ............................................................. 44
Hình 4.1. Diễn biến phương pháp Grandient với độ dốc âm....................................... 47
Hình 4.2. Các thủ tục chính của thuật toán di truyền .................................................. 51
Hình 4.3. Mô phỏng cường độ lưu lượng ErlangB ..................................................... 56
Hình 4.4. Mô phỏng cường độ (Erlang) theo kênh ..................................................... 57
Hình 4.5. Kết quả mô phỏng xác suất vùng phủ ......................................................... 63
Hình 4.6. Kết quả mô phỏng xác suất vùng phủ với ảnh hưởng fading ....................... 65


CA

Carrier Aggregation

CDMA

Code division multiple access

CSMA/CA

Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

DEM

Digital elevation model

DSDV

Destination-Sequenced Distance Vector

EUTRAN

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network

EPC

Evolved Packet Core

FIFO


LTE

Long Term Evolution

MAC

Media Access Control

MIMO

Multiple input multiple output

NGN

Next Genaration Network

9


OFDMA

Orthogonal Frequency Domain Multiple Access

PDN

Packet Data Network

PRnet


USIM

User Service Identity Module

UTRAN

UMTS Terrestrial Radio Access Network

WIFI

Wireless Fidelity

WiMAX

World Interoperability for MicroAccess

WLAN

Wireless Local Area Network

WWAN

Wireless Wide Area Networks

WCDMA

Wideband Code Division Multiple Access

10



11


 Tối ưu cỡ và các vị trí của tế bào: Trong luận văn này sử dụng khái niện chi phí
phổ là phổ tần bé nhất cần có cho mỗi tế bào để đảm bảo số kênh xác định. Để cực tiểu
chi phí phổ cần phải tối ưu vị trí và cỡ của tế bào.
Với những tham số cơ bản trên, ta thấy để đảm bảo tổ chức mạng hoạt động có
hiệu quả, ổn định thì việc tính toán, tối ưu các tham số đó là bài toán hết sức quan
trọng cho nhà thiết kế quy hoạch mạng.
1.2. Phạm vi và mục tiêu nghiên cứu
Tối ưu mạng là một bài toán rất phức tạp, cần phải đề cập đến nhiều khía cạnh
như: cấu hình mạng, phân bố lưu lượng, cơ sở hạ tần hiện có…
Trong mạng thông tin di động 3G trở lên, không chỉ đơn thuần truyền tín hiệu
thoại mà còn truyền nhiều dịch vụ khác nhau như số liệu tốc độ cao, video số... Mật
độ lưu lượng của chúng sẽ biến đổi theo các tốc độ dịch vụ khác nhau. Điều đó làm
cho các phương pháp thiết kế, tính toán mạng thông thường như trước đây không còn
đáp ứng được. Khắc phục điều đó người ta đã đưa ra công cụ tính toán thông minh hơn
dựa vào các thuật toán tiên tiến [Cheung (1994)].
Luận văn này sẽ nghiên cứu một số giải pháp tính toán phù hợp với bài toán tối
ưu mạng thế hệ mới, bước đầu tiếp cận phát triển cách tính toán cho mạng di động thế
hệ sau mà thực tiễn đang đặt ra trước mắt.
Mục tiêu các công cụ tính toán ở đây là tính được mạng di động thế hệ mới đảm
bảo yêu cầu vùng phủ sóng, dung lượng, phạm vi chuyển vùng mẫu, chi phí thực hiện,
vị trí, cấu hình trạm, tham số anten.
Trong phạm vi nghiên cứu bài toán tối ưu mạng di động thế hệ mới đã có một số
công trình nghiên cứu đã được công bố: [Box (1978)], [Kunz (1991)], [Mathar
(1993)], [Ngo (1998)] và [Beckmann (1999)] đưa ra các thuật toán ấn định kênh để
cực tiểu chi phí phổ. Nhưng hạn chế ở đây là chưa xét đến tối ưu vị trí và cỡ tế bào.
Các tác giả [Cale'gari (1997)], [Chamaret (1997)], [Molina (1999)] sử dụng thuật toán

văn giới thiệu tổng quan về mạng di động thế hệ mới.

13


Chương 2: MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI
2.1. Giới thiệu
Mạng thông tin thế hệ mới (NGN) ra đời là mạng có cơ sở hạ tầng thông tin duy
nhất dựa trên công nghệ chuyển mạch gói, triển khai các dịch vụ một cách đa dạng và
nhanh chóng, đáp ứng sự hội tụ giữa thoại và số liệu, giữa cố định và di động.
Như vậy, có thể xem mạng thông tin thế hệ mới là sự tích hợp mạng thoại PSTN,
chủ yếu dựa trên kỹ thuật TDM (Time Division Multiplexing), với mạng chuyển mạch
gói, dựa trên kỹ thuật IP/ATM. Nó có thể truyền tải tất cả các dịch vụ vốn có của
PSTN đồng thời cũng có thể nhập một lượng dữ liệu rất lớn vào mạng IP, nhờ đó có
thể giảm nhẹ gánh nặng của PSTN. [2]
Tuy nhiên, NGN không chỉ đơn thuần là sự hội tụ giữa thoại và dữ liệu mà còn là
sự hội tụ giữa truyền dẫn quang và công nghệ gói, giữa mạng cố định và di động. Vấn
đề chủ đạo ở đây là làm sao có thể tận dụng hết lợi thế đem đến từ quá trình hội tụ này.
Một vấn đề quan trọng khác là sự bùng nổ nhu cầu của người sử dụng cho một khối
lượng lớn dịch vụ và ứng dụng phức tạp bao gồm cả đa phương tiện, phần lớn trong đó
là không được trù liệu khi xây dựng các hệ thống mạng hiện nay. Vì vậy, việc tính
toán, lập kế hoạch mạng hợp lý, chính xác là yếu tố quyết định để nâng cao chất
lượng, hiệu quả khai thác mạng sau này.
2.2. Đặc điểm mạng NGN
Mạng di động NGN có bốn đặc điểm chính:
1. Nền tảng là hệ thống mạng mở.
2. Mạng NGN là do mạng dịch vụ thúc đẩy, những dịch vụ phải thực hiện độc
lập với mạng lưới.
3. Mạng NGN là mạng chuyển mạch gói, dựa trên một giao thức thống nhất.
4. Là mạng có dung lượng ngày càng tăng, có tính thích ứng cũng ngày càng

dịch vụ đảm bảo cho số liệu. Tốc độ đổi mới nhanh chóng trong thế giới Internet, mà nó
được tạo điều kiện bởi sự phát triển của các tiêu chuẩn mở sẽ sớm khắc phục những thiếu
sót này. Tiếp theo chúng ta tìm hiểu một trong những mạng di động thế hệ mới LTE.

15


2.3. Khái niệm mạng LTE
Mạng di động thế hệ mới dựa trên nền tảng công nghệ LTE (Long Term
Evolution) được bắt đầu nghiên cứu vào tháng 3 năm 2005. Mục tiêu chủ yếu của
nghiên cứu này là để quyết định cấu trúc mới của hệ thống và lựa chọn sử dụng kĩ
thuật đa truy nhập. Qua nghiên cứu đó, người ta chỉ ra cấu trúc cơ bản của mạng LTE
như hình 2.2 [4].

Hình 2.2. Cấu trúc mạng LTE
Mục tiêu chính của mạng LTE:
 Cấu trúc mạng chủ yếu để chuyển gói
 Tốc độ số liệu lên đến 100 Mbps ở hướng xuống và 50 Mbps ở hướng lên
 Nếu sử dụng thêm kĩ thuật MIMO thì tốc độ số liệu có thể đạt cao hơn
 Sử dụng phổ tần từ 1.25 MHz đến 20 MHz
 Kĩ thuật đa truy nhập đối với tuyến xuống và tuyến lên sử dụng kĩ thuật
OFDMA và SC-FDMA tương ứng
2.4. Kĩ thuật đa truy nhập của mạng LTE
Kĩ thuật đa truy nhập của LTE chủ yếu dựa trên cơ sở ghép theo tần số (FDM) và
sử dụng hai loại khác nhau: Đa truy nhập cho tần số trực giao (OFDMA) cho tuyến
xuống và đa truy nhập theo tần số đơn sóng (SC-FDMA) cho tuyến lên.
OFDMA là một kĩ thuật truyền dẫn rất hiệu quả được sử dụng rộng rãi trong
nhiều hệ thống truyền dẫn số như: Truyền hình số, WiMax, mạng WLAN. Sở dĩ nó
được sử dụng rộng rãi vì khả năng chống được fading lựa chọn theo tần số trong kênh.
Ngoài ra, OFDMA có khả năng sử dụng băng tần rất linh hoạt ở tuyến xuống.


cách sử dụng đa truy nhập theo miền thời gian (TDMA). Tại đó, người dùng nhận
được các tài nguyên động tại các thời điểm lập lịch khác nhau. [14]
Bộ lập lịch sử dụng các điều kiện kênh của người dùng khác nhau để phân phối
các tài nguyên vô tuyến (các sóng mang phụ) cho những nơi phù hợp nhất như tại đó
điều kiện kênh tức thời có CI - Max
Hình 2.4 mô tả một thủ tục lập lịch phụ thuộc kênh giữa người dùng. Ở đây, các
sóng mang con của hệ thống được phân phối giữa hai người dùng trên cơ sở người có
kênh tốt nhất. Một hệ thống lập lịch phụ thuộc kênh như vậy thường linh hoạt, đạt
được dung lượng hệ thống tương đối tốt hơn và hiệu quả sử dụng phổ cao hơn so với
hệ thống OFDM một người dùng.

Hình 2.4 Lập lịch phụ thuộc kênh giữa hai người dùng

18


2.4.3. SC-FDMA
Thời gian gần đây người ta đã xây dựng phương pháp đa truy nhập phân theo tần
số đơn sóng mang để thực hiện truyền dẫn cho tuyến lên LTE (SC-FDMA). Phương
pháp này có một đặc tính hấp dẫn nó cho tỉ số công suất đỉnh trên công suất tín hiệu
trung bình tốt để sử dụng bộ khuếch đại công suất một cách hiệu quả nhằm tiết kiệm
được năng lượng pin cho máy di động tuyến lên. SC-FDMA là một loại OFDM đặc
biệt, nó kết hợp được cả tỉ số công suất tín hiệu đỉnh trên công suất tín hiệu trung bình
thấp với khả năng chống fading đa đường và bố trí tần số hiệu quả. Người ta vẫn sử
dụng sóng mang con trực giao như OFDMA, nhưng nó khác là các sóng mang con
được sử dụng để truyền dẫn được chọn liên tiếp mà không phải là song song. [14]

Hình 2.5. Một ví dụ so sánh OFDMA và SC-FDMA


giao thức vô tuyến cần thiết cho thiết bị người dùng, cũng như để phát và thu số liệu,
tạo nên những số liệu an toàn để chuyển cho PDN -GW và ngược lại. Nut B cũng có
khả năng đáp ứng chức năng lập lịch, một trong những chức năng vô tuyến quan trọng
nhất. eNodeB lập lịch các tài nguyên phổ tần giữa các người dùng khác nhau và đảm
bảo chất lượng khác nhau của các dịch vụ cho những người dùng đầu cuối. Ngoài ra
nút B còn đảm bảo duy trì thông tin trong khi thiết bị đầu cuối di chuyển.
2.5.3. Evolved Packet Core (EPC)
Từ hình 2.2 ta thấy, EPC gồm ba thực thể chính:
 Thực thể quản lý di động (MME)
 Cổng dịch vụ (S-GW)
 Cổng mạng số liệu gói (PDN-GW)
Ngoài ra còn có một số thực thể logic khác như: Home Subscriber Server (HSS),
chức năng tính cước và chính sách (PCRF). Mục đích chính của EPC là tạo ra những
chức năng cần thiết để trợ giúp người dùng.
Thực thể MME tạo ra các chức năng điều khiển cũng như báo hiệu cho EPC.
MME cũng trợ giúp các chức năng xác thực, bảo mật, chuyển vùng, bán chuyển động
và chuyển giao di động. S-GW là cổng chính lưu lượng người dùng, tất cả người dùng
đều đi qua cổng S-GM. Nó là điểm neo di động địa phương cho chuyển giao giữa các
nút eNodeB. Ngoài ra S-GW cũng tạo ra một số chức năng khác như: Định tuyến
đường truyền, tính cước... Cổng PDN-GW hoạt động như một điểm kết nối cho lưu
lượng của người dùng. Nó có thể trợ giúp xác định địa chỉ IP cũng như phân loại lưu
lượng người dùng thành các lớp QoS khác nhau. Ngoài ra PDN-GW tác dụng như
điểm neo di động. [4]
2.6. Cấu trúc giao thức E-UTRAN
Giao thức E-UTRAN bao gồm mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển.
Mặt phẳng người dùng bao gồm một tập các giao thức để chuyển số liệu của người
dùng qua mạng LTE. Còn mặt phẳng điều khiển bao gồm các giao thức để điều khiển
và thiết lập kết nối người dùng trong E-UTRAN. Hình 2.7 biểu thị khối giao thức mặt
phẳng người dùng.


gói từ lớp PDCP (tức là các gói IP sau lúc nén Header), thành các gói RLC nhỏ hơn và
tập trung các gói RLC ở phía thu thành các gói PDCP. Ngoài ra giao thức RLC còn tạo
thông tin tin cậy giữa các eNodeB và UE bằng cách truyền lại gói. RLC có khả năng
phát hiện các gói bị mất ở phía thu và thông tin cho người gửi để phát lại. Giao thức
RLC có thể hoạt động theo ba phương thức khác nhau:
 Phương thức thừa nhận (AM): Sử dụng để tạo nên truyền dẫn không có lỗi
giữa máy phát và máy thu. Phương thức này thích hợp cho các dịch vụ sử dụng giao
thức truyền tải như TCP giống như FTP và HTTP, ở đó điểm quan trọng nhất là phân
phối tin cậy và không có lỗi.
23


 Phương thức không thừa nhận (UM): Trong phương thức này không phát lại và
RLC chỉ thực hiện chức năng phân đoạn và tập trung. Phương thức này thích hợp sử
dụng không yêu cầu phát không lỗi và có dung thứ tổn thất như VoIP và hội nghị
truyền hình.
 Phương thức trong suốt (TM): Phương thức này không cần bổ sung bất kì giao
thức trên cho số liệu lớp cao hơn. Thường được sử dụng cho truy nhập ngẫu nhiên.
Việc phân đoạn và tập trung của RLC dựa vào quyết định của bộ lập lịch MAC,
ở đó bộ lập lịch thông tin cho lớp RLC. Ngoài ra các chức năng phát lại /phân đoạn
hay tập trung của RLC có một số chức năng khác:
 Đệm
 Phân phối liên tiếp cho PDU của lớp bậc cao hơn
 Phát hiện lặp
 Điều khiển lưu lượng
 Kiểm tra SN
 Phát hiện lỗi và khôi phục giao thức
 Lỗi mã hóa
 Chức năng đình chỉ /hồi phục lại để chuyển tải số liệu.
2.6.2. Điều khiển truy nhập trung gian (MAC)

PCH

x

Kênh Muticast

MCH

x

Kênh quảng bá
Kênh chung tuyến xuống

Kênh chung tuyến lên
Kênh truy nhập ngẫu nhiên

Tuyến lên

UL-SCH

x

RACH

x

Các kênh logic được biểu thị ở bảng 2.2
Bảng 2.2. Các kênh logic MAC
Tên kênh


Kênh điều khiển Multicast

MCCH

x

Kênh lưu lượng dành riêng

DTCH

x

Kênh lưu lượng Multicast

MTCH

x

2.7. Tóm tắt chương 2
Chương 2 giới thiệu tổng quan mạng thế hệ mới, sau đó giới thiệu mạng LTE,
công nghệ hứa hẹn cho các mạng di động tương lai gần của thế giới và Việt Nam.
Với đặc điểm chủ yếu phục vụ truyền số liệu tốc độ tương đối cao, vì vậy, trong
quá trình tính toán, lập qui hoạch mạng cũng mang những đặc trưng khác so với các
mạng di động trước đây.
Giới thiệu đặc điểm mạng LTE; các phương pháp đa truy nhập OFDMA, SCFDMA. Tiếp đó là cấu trúc mạng LTE, E-UTRAN, lõi gói EPC; cấu trúc giao thức ETRAN. Ta sẽ sử dụng một số tham số và tính toán của mạng di động LTE dùng để mô
phỏng xác suất vùng phủ của một tế bào tại chương 4. Tiếp theo chương 3 sẽ giới thiệu
về cơ sở lập kế hoạch mạng.

25