luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 1 of 95.

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

NGUYỄN THẾ TÙNG

THIẾT KẾ MẠNG VIỄN THÔNG 4G
TẠI HẢI PHÒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

HẢI PHÒNG - 2016

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 2 of 95.

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

NGUYỄN THẾ TÙNG

THIẾT KẾ MẠNG VIỄN THÔNG 4G



luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 4 of 95.

LỜI CÁM ƠN
Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô giáo trong ngành Kỹ
thuật điện tử và đặc biệt là sự chỉ bảo và hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo
PGS.TS.Trần Xuân Việt, thầy đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em
trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp này, cùng với sự giúp đỡ tích cực của
các đồng nghiệp, anh chị cùng khóa để hoàn thành đồ án này.
Sau cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên,
đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận
văn tốt nghiệp cao học .
Trân trọng cảm ơn!

ii

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 5 of 95.

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Chữ viết tắt
3GPP
CP
EDGE
eNodeB
EPC
E-UTRAN

The 3rd Generation Partnership Project
Cyclic Prefix
Enhanced Data rates for GSM Evolution
Evolved NodeB
Evolved Packet Core
Evolved – Universal Terrestrial Access Network
Global System for Mobile Communications
High Speed Packet Access
Home Subscription Server
Long Term Evolution
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Peak-to-Average
Policy and Charging Resource Function
Packet Data Network Gateway
Resource Element
Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access
Serving Gateway
Time division multiple access
Universal Mobile Telecommunications System
Wideband Code Division Multiple Access
Automatic Cell Planning
Digital Terrain Map
Mô hình truyền sóng
Standard Propagation Model
Code Division Multiple Access
Ericsson Policy Control
Frequency Division Duplex
Frequency Division Multiple Access
Gateway GPRS Support Node
General Packet Radio Service


iv

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 7 of 95.

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Các giao diện chính của mạng 4G

8

1.2

Các cấu hình MIMO

15

1.3

Cơ chế hoạt động của MIMO.



luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 8 of 95.

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hình

Tên hình

Trang

1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
1.12
1.13
1.14
1.15
1.16
1.17
1.18
2.1

LTE FDD Type 1 dưới góc nhìn tài nguyên được cấp phát cho UE.
Cấu trúc khung dữ liệu của LTE TDD
Throughput trung bình của cell
Ảnh hưởng của tần số và địa đến bán kính cell
Ảnh hưởng throughput trung bình của cell đến bán kính cell.
Phần mềm Atoll
Tạo Project mới
Lựa chọn công nghệ mạng cần thiết kế.
Lựa chọn hệ tọa độ.
Lựa chọn hệ tọa độ với Việt Nam.
Chọn hệ tọa độ kiểu decimal Lon/Lat.
Cách tạo hệ tọa độ mới.
Hình ảnh bản đồ địa hình.
Hình ảnh bản đồ Clutter Classes.
Hình ảnh bản đồ DHM.
Hình ảnh bản đồ dân số.
Thiết lập mô truyền sóng bằng tay.
Mô truyền sóng mặc định.
Cách Import mô truyền sóng.
Cách tạo mới 1 loại anten.
Cách tạo tham số cho anten.
Dữ liệu về pattern của anten.

2
5
5
6
8
9
10


Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 9 of 95.

Số hình
2.18
2.19
2.20
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16
3.17
3.18
3.19
3.20

Vùng phủ theo chỉ số LTE 1st-Nth Difference sau tối ưu lần 1 tại
nội thành.
Kết quả so với target sau tối ưu lần 2.
Vùng phủ theo chỉ số RSRP sau tối ưu lần 2 tại nội thành.
Vùng phủ theo chỉ số RS CINR -3 sau tối ưu lần 2 tại nội thành.
Vùng phủ theo chỉ số LTE 1st-Nth Difference sau tối ưu lần 2 tại
nội thành.
Kết quả so với target sau tối ưu lần 3.
Vùng phủ theo chỉ số RSRP sau tối ưu lần 3 tại nội thành.
Vùng phủ theo chỉ số RS CINR -3 sau tối ưu lần 3 tại nội thành.
Vùng phủ theo chỉ số LTE 1st-Nth Difference sau tối ưu lần 3 tại
nội thành.

Trang
37
38
39
44
44
45
45
46
48
49
49
50
51
52
52
53

1.1. Quá trình hình thành 4G LTE. ............................................................................ 2
1.1.1. Quá trình phát triển công nghệ di động 4G. .................................................... 2
1.1.2. Kì vọng đối với 4G LTE. ................................................................................ 3
1.2. Các đặc điểm kỹ thuật của 4G LTE. .................................................................. 4
1.2.1. Cấu trúc mạng 4G LTE. .................................................................................. 4
1.2.2. Kỹ thuật đa truy nhập đường Downlink OFDMA. ......................................... 8
1.2.3. Kỹ thuật đa truy nhập đường lên SC-FDMA (Single Carrier FDMA). ........ 11
1.2.4. Kỹ thuật Cyclic Prefix chống lại hiệu ứng đa đường. ................................... 12
1.2.5. Công nghệ MIMO (Multiple Input- Multiple Output) . .............................. 14
1.2.6. Cấu trúc khung dữ liệu của LTE. .................................................................. 17
1.2.7. Các đặc tính kỹ thuật về tốc độ và bán kính cell của 4G LTE. ..................... 19
1.3. Kết luận............................................................................................................. 21
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠNG 4G BẰNG PHẦN MỀM ATOLL............... 22
2.1. Giới thiệu các phần mềm thiết kế mạng viễn thông......................................... 22
2.1.1. Giới thiệu phần mềm Enterprise của Aircom. .............................................. 22
2.1.2. Giới thiệu phần mềm TEM Cell Planner. ..................................................... 22
2.1.3. Giới thiệu phần mềm Atoll của Forsk. .......................................................... 23
2.2. Hướng dẫn khai thác thiết kế, mô phỏng mạng 4G bằng Atoll. ...................... 25
2.2.1. Các dữ liệu đầu vào chung. Gồm: Bản đồ số, phương trình truyền sóng. .... 26
2.2.2. Hướng dẫn nhập các dữ liệu đầu vào. ........................................................... 27
2.2.3. Hướng dẫn các thao tác cơ bản chung. ......................................................... 35
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CÁC VỊ TRÍ TRẠM 4G TẠI CÁC THỦ PHỦ
TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG .................................................. 40
3.1. Yêu cầu thiết kế mạng 4G tại các thủ phủ thành phố Hải Phòng. ................... 40
3.2. Thực hiện thiết kế mạng 4G tại các thủ phủ thành phố Hải Phòng. ................ 40
3.2.1. Thiết lập dữ liệu đầu vào. .............................................................................. 40

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -



hướng dẫn, đến nay em đã hoàn thành luận văn này với nội dung gồm 3 chương:
o Chương 1: Tổng quan về 4G LTE.
o Chương 2: Thiết kế mạng 4G bằng phần mềm Atoll.
o Chương 3: Thiết kế các vị trí trạm 4G tại các Thủ phủ trên địa bàn Thành
phố Hải Phòng.
Em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới các thầy giáo đã giúp đỡ để em có thể hoàn
thành đồ án tốt nghiệp này.
Hải Phòng, ngày ….. tháng 9 năm 2016

Học viên: Nguyễn Thế Tùng

1

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 13 of 95.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ 4G LTE
1.1. Quá trình hình thành 4G LTE.
- 4G LTE được phát triển bởi tổ chức 3GPP, từ 3G WCDMA Rel99 Rel5
Rel6 Rel7 4G LTE Rel8, 9 và 10.
- LTE được kì vọng có tốc độ dữ liệu và hiệu suất sử dụng phổ tần vượt
trội so với 3G trong khi độ trễ tín hiệu giảm và linh hoạt hơn trong việc lựa chọn
băng tần và cấp phát tài nguyên vô tuyến.
1.1.1. Quá trình phát triển công nghệ di động 4G.
- LTE (Long Term Evolution) là công nghệ di động thế hệ thứ tư ra đời năm
2009, được phát triển bới 3GPP từ công nghệ di động thế hệ thứ ba UMTS.

Hình 1.1. Quá trình hình thành 4G LTE.

DL và 11.5 Mbps UL. Mặc dù vậy, LTE Rel8 vẫn chưa được coi là 4G bởi chưa
đáp ứng được chuẩn 1Gbps của ITU đối với công nghệ di động thế hệ thứ tư, điều
mà chỉ LTE – Advance Rel10 mới làm được.
- Về hiệu suất sử dụng phổ tần, LTE Rel8 đạt được 10 bps/Hz với băng tần
10 MHz và tốc độ dữ liệu 100 Mbps. Đây rõ ràng là một sự cải thiện đáng kể từ
3G WCDMA với 4.2 bps/Hz tương ứng 42Mbps peak trên băng tần 10 MHz của
Rel7.
- Độ trễ của LTE Rel8 được giảm đi ở cả luồng báo hiệu và luồng dữ liệu:
Dưới 100 ms cho luồng báo hiệu chuyển trạng thái UE từ Idle mode sang
connected mode và dưới 5ms cho luồng dữ liệu truyền đi và về UE khi xét 1 gói
dữ liệu nhỏ truyền trong điều kiện không tải. Khi so sánh với 3G WCDMA, phải
mất tới trung bình 1s cho luồng báo hiệu UE từ Idle mode sang connected
3

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 15 of 95.

mode và 50ms cho luồng dữ liệu small packet truyền đi cũng trong điều kiện
không tải.
- LTE mang tới sự linh hoạt cho nhà mạng trong việc lựa chọn băng tần 700
Mhz, 900 MHz, 1800 MHz, 2100 MHz hoặc 2600 MHz .. với băng thông kênh
truyền 1.4, 3, 5, 10, 15 hoặc 20 MHz. LTE cũng hỗ trợ cả 2 cơ chế TDD (Time
Division Duplex) và FDD (Frequency Divion Duplex), cho phép lựa chọn hoặc
tách độ rộng băng thông kênh truyền đối xứng cho 2 đường uplink và downlink
(FDD) hoặc sử dụng cùng một độ rộng băng thông kênh truyền nhưng tách biệt về
mặt thời gian (TDD). Việc lựa chọn kỹ thuật đa truy nhập của LTE cũng mang tới
sự linh hoạt rất lớn trong việc cấp phát tài nguyên cho người dùng.
1.2. Các đặc điểm kỹ thuật của 4G LTE.

năng của RNC được gộp với chức năng của NodeB vào node mạng eNodeB đảm
nhiệm.

Hình 1.3. So sánh 2 Topology của mạng 3G và 4G.
- Cấu trúc của Packet Core của 4G có sự thay đổi với việc tách riêng của
luồng báo hiệu và luồng dữ liệu. Cấu trúc Packet Core bao gồm 2 thành phần là
5

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 17 of 95.

MME đảm nhiệm chức năng xử lý tất cả luồng báo hiệu (Control Plane) giữa EUTRAN và EPC và P/S-GW đảm nhiệm xử lý luồng dữ liệu (User Plane).
MME thực chất là phiên bản nâng cấp phần mềm của SGSN và P-S/GW là
phiên bản nâng cấp phần mềm từ GGSN của mạng 3G.
- Với việc cấu trúc mạng 4G loại bỏ đi 1 thành phần node mạng RNC
trong khi tất cả luồng báo hiệu của UE được xử lí riêng biệt tại phần tử MME, độ
trễ (latency) trên mảng báo hiệu đã giảm đi đáng kể so với mạng 3G.
1.2.1.2. Flow kết nối và chức năng cụ thể của các phần tử chính mạng 4G

Hình 1.4. Sơ đồ kết nối cơ bản của mạng 4G LTE.
- Luồng báo hiệu (control plane) kết nối từ UE tới eNodeB thuộc E-UTRAN
và được quản lý bởi MME cho các thủ tục về xác thực thuê bao (luồng từ
MME tới HSS), charge cước (MME tới S-GW và PCRF), các thủ tục thiết lập kết
nối, mobility, … (MME tới S/P-GW).
- Luồng dữ liệu (user plane) kết nối từ UE tới eNodeB thuộc E-UTRAN và
kết nối tới SAE GW (S/P-GW) trước khi nối tới mạng ngoài.
Chức năng của các thành phần chính trên mạng 4G LTE:
- eNodeB (Evolved NodeB) là phần tử mạng duy nhất của hệ thống quản

+ Cấp phát địa chỉ IP cho UE.
+ Quản lí các chính sách về QoS.
+ Quản lí cơ chế charging.
+ Lọc gói tin Packet filtering.
7

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 19 of 95.

- PCRF (Policy and Charging Resource Function) là node mạng chịu
trách nhiệm lưu giữ và thực thi các chính sách về charge cước thuê bao.
- HSS (Home Subscription Server) là node mạng lưu giữ toàn bộ thông
tin profile của thuê bao, dịch vụ thuê bao đăng ký ….
Một số giao diện chính của mạng 4G được quy ước như sau:
Bảng 1.1. Các giao diện chính của mạng 4G
Giao diện

Kết nối

X2

Giữa các eNodeB

S1
S5/S8
S11

Giữa eNodeB và EPC

cho user. Thay vào đó tất cả các user đều cùng truyền trong một miền thời gian,
cùng được điều chế đơn sóng mang và được phân biệt với nhau bằng mã trực giao.
- Và đối với 4G, 3GPP đã lựa chọn kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo
thời gian và tần số với công nghệ đa truy nhập phân chia tần số trực giao
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). OFDMA là kỹ thuật
đa truy nhập dựa trên phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), trong đó dải tần cho phép
được chia nhỏ thành rất nhiều các sóng mang con (sub-carrier) có dải tần hẹp 15
kHz và trực giao với nhau.

Hình 1.6. Kỹ thuật đa truy nhập OFDMA
Phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là
trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang (multi-carrier
9

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 21 of 95.

modulation), trong đó 1 luồng dữ liệu tại transmitter được phân tách thành nhiều
luồng dữ liệu truyền song song, mỗi luồng dữ liệu đó sẽ được đưa vào điều chế
lên 1 sóng mang con (sub-carrier) và cuối cùng được ghép tại đầu ra của
transmitter. Các công nghệ đa truy nhập của FDMA, TDMA và CDMA đều sử
dụng phương pháp điều chế đơn sóng mang, luồng dữ liệu tại mỗi transmitter
chỉ được điều chế lên 1 sóng mang duy nhất.
Khi so sánh với các phương pháp điều chế đa sóng mang khác, điều đặc biệt
của OFDM là ở chỗ các sóng mang con (sub-carrier) có phổ tần chồng lên nhau
và có tính trực giao với nhau. Tính trực giao của các sóng mang con được đảm
bảo tại mỗi thời điểm lấy mẫu của 1 luồng dữ liệu điều chế trên 1 sóng mang con

lại hiện tượng dịch tần Doppler khi người dùng di chuyển với tốc độ cao. OFDM
sẽ mất đi ý nghĩa nếu tính trực giao của các sóng mang con không được đảm bảo.
+ OFDM có tỉ lệ công suất peak/average (PAR) cao. Một cách tự nhiên,
khi áp dụng điều chế đa sóng mang, truyền với nhiều sóng mang con sẽ có thể
dẫn tới hiện tượng chênh lệch lớn về công suất giữa các sóng mang con. Mức
độ chênh lệch càng lớn sẽ buộc power amplifier của transmitter bù lại lượng
công suất thiếu của một số các sóng mang con so với sóng mang con có công
suất peak. Mặc dù đây không phải chưa phải là vấn đề với đường downlink từ
eNodeB tới UE, đường uplink sẽ khiến UE tốn nhiều công suất dành cho việc bù
lại này, từ đó tăng giá thành và giảm tuổi thọ pin của đầu cuối cũng như làm giảm
đi hiệu suất công suất phát. Đây cũng là lí do OFDM không áp dụng được cho
đường uplink, mà cần phải có 1 phương pháp khác khắc phục hạn chế này.
1.2.3. Kỹ thuật đa truy nhập đường lên SC-FDMA (Single Carrier FDMA).
- SC-FDMA là trường hợp đặc biệt của OFDMA, khắc phục được nhược
điểm tỷ lệ PAR cao của OFDMA.
- Với hạn chế của OFDMA về tỉ lệ PAR cao như đã trình bày ở trên, phải
11

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 23 of 95.

cần có phương pháp sử dụng điều chế đơn sóng mang nhưng vẫn giữ lại được các
ưu điểm của OFDMA. Và SC-FDMA được lựa chọn là kỹ thuật đa truy nhập
đường lên cho LTE bởi SC-FDMA thực chất là một trường hợp đặc biệt của
OFDMA trong đó SC- FDMA giữ lại hầu hết nguyên lý của OFDMA và thỏa mãn
điều kiện điều chế đơn sóng mang. SC-FMDA không điều chế 1 ký hiệu (symbol)
lên 1 sóng mang con sub-carrier như OFDMA mà sẽ tách các bit của 1 symbol
và ghép lên 1 sóng mang con sub-carrier để từ đó tạo thành 1 carrier duy nhất.

lượng tín hiệu.

Hình 1.9. Hiệu ứng đa đường.
- 3G WCDMA đã khắc phục hiện tượng đa đường bằng cách sử dụng bộ thu
RAKE với thuật toán cho trước để tổng hợp tất cả các tín hiệu đa đường tạo ra tín
hiệu tốt nhất.
- Tuy nhiên, khi yêu cầu về tốc độ dữ liệu ngày càng cao như đối với 4G
thì khi tới mức độ nhất định, bộ thu RAKE tại đầu thu đòi hỏi mức độ phức tạp
quá cao, làm tăng chi phí và tuổi thọ pin của thiết bị đầu cuối. Do đó, một phương
pháp khác (Cyclic Prefix) đã được áp dụng cho 4G để khắc phục hạn chế này.
- Cyclic Prefix là phương pháp sử dụng 1 số lượng bit nhất định tại phần
cuối của 1 symbol, được copy lên phần đầu của symbol đó. Phần tiền tố dư thừa
này được gọi là Cyclic Prefix.
13

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 25 of 95.

Sử dụng Cyclic Prefix

Không dùng Cyclic Prefix

Hình 1.10. So sánh giữa có và không dùng Cyclic Prefix
- Nếu không sử dụng Cyclic Prefix, thành phần tín hiệu phản xạ của
symbol thứ N, do đến chậm, sẽ gây nhiễu cho symbol thứ N+1 và làm mất đi
tính trực giao của OFDM. Mỗi symbol sẽ có thời gian symbol interval = Tn.
- Mỗi symbol sau khi thêm phần tiền tố này sẽ có thời gian dài hơn Tn+
Tcp. Tại đầu thu, quá trình giải điều chế với mỗi symbol sẽ quy ước loại bỏ đi 1