Nghiên cứu bài toán Quỹ đường truyền và ứng dụng trong quy hoạch vùng phủ mạng 4G-LTE tại TP Đà Nẵng

1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Nhu cầu của khách hàng luôn tác động lớn đến sự ra đời, tồn tại và phát triển của một công nghệ mới. Và hiển nhiên, nhu cầu về chất lượng dịch vụ luôn được người dùng di động quan tâm. Với yêu cầu ngày càng cao về tốc độ truy cập chính là đích hướng tới của công nghệ di động 4G.

Đối với các nhà mạng viễn thông, triển khai 4G là cần thiết để đáp ứng nhu cầu khách hàng. Bài toán đặt ra cho các nhà cung cấp dịch vụ chính là tối ưu chi phí đầu tư về hạ tầng, thiết bị… trong khi vẫn phải đảm bảo được chất lượng dịch vụ cho khách hàng.

Vì những lý do trên, việc định cỡ mạng và quy hoạch vùng phủ là một trong những yếu tố hàng đầu được tính toán để triển khai một hệ thống thông tin di động. Do vậy, người thực hiện đã chọn đề tài “Nghiên cứu bài toán Quỹ đường truyền và ứng dụng trong quy hoạch vùng phủ mạng 4G-LTE tại TP Đà Nẵng” để có cơ hội tìm hiểu về công nghệ mới đồng thời tìm phương án tối ưu trong công tác quy hoạch mạng di động 4G tại TP Đà Nẵng.

2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

– Tìm hiểu công nghệ LTE.

– Tìm hiểu bài toán Quỹ đường truyền và các mô hình truyền sóng.

– Đề xuất phương án tối ưu trong quy hoạch mạng thông tin di động sử dụng công nghệ LTE.

3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

a) Đối tượng nghiên cứu

+ Tìm hiểu công nghệ LTE.

+ Nghiên cứu cách thức quy hoạch vùng phủ mạng thông tin di động sử dụng công nghệ LTE.

b) Phạm vi nghiên cứu

+ Tìm hiểu về công nghệ LTE, Quỹ đường truyền và các mô hình truyền sóng.

+ Đề xuất phương án tối ưu trong quy hoạch mạng thông tin di động sử dụng công nghệ LTE dựa trên kết quả đo kiểm thực tế.

+ Viết chương trình mô phỏng tính toán quy hoạch mạng.

4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Trong quá trình thực hiện đề tài, phương pháp nghiên cứu chủ yếu là kết hợp giữa tìm hiểu lý thuyết và đo kiểm thực tế. Từ đó, đề xuất phương án tối ưu trong quy hoạch vùng phủ mạng 4G-LTE, viết chương trình mô phỏng để kiểm chứng kết quả đã tìm hiểu.

5. BỐ CỤC ĐỀ TÀI

Bố cục đề tài gồm các nội dung như sau:

Chương 1: Tìm hiểu hệ thống thông tin di động 4G LTE.

Tìm hiểu chi tiết kiến trúc mạng, kiến trúc giao thức và các công nghệ thành phần sử dụng cho LTE.

Chương 2: Tìm hiểu bài toán Quỹ đường truyền và các mô hình truyền sóng.

Trình bày lý thuyết về bài toán Quỹ đường truyền bao gồm tính toán quỹ đường lên và đường xuống. Tìm hiểu các mô hình truyền sóng cơ bản được sử dụng để tính toán bán kính và diện tích phủ của trạm thu phát sóng.

Chương 3: Quy hoạch vùng phủ mạng 4G cho TP Đà Nẵng.

Tiến hành tính toán suy hao, bán kính phủ sóng trên lý thuyết. Trình bày các bước lắp đặt, đo kiểm trạm phát sóng thực tế và so sánh với kết quả tính toán. Từ đó đề xuất mô hình phù hợp nhằm quy hoạch vùng phủ trạm 4G cho TP Đà Nẵng. Thực hiện chương trình mô phỏng các kết quả đã thực hiện.

Cuối cùng là phần kết luận và hướng phát triển của đề tài.

CHƯƠNG 1

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G (LTE)

1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Công nghệ viễn thông trên thế giới phát triển không ngừng và có thể nói đây là ngành có tốc độ thay đổi công nghệ cao nhất, nhanh nhất. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ di động, mạng di động thế hệ thứ 4 (4G) ra đời dựa trên kỹ thuật LTE. Trong chương này chúng ta tìm hiểu về nguyên lý, kiến trúc của công nghệ LTE. [1]

1.2. CÁC GIAI ĐOẠN PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ VIỄN THÔNG DI ĐỘNG

Sự phát triển công nghệ viễn thông di động có thể tóm tắt những cột mốc chính sau đây:

Công nghệ di động thế hệ thứ nhất (1G) ra đời vào khoảng thời gian năm 1980 dựa trên công nghệ FDMA (đa truy cập phân chia theo tần số); tiếp đến công nghệ di động thế hệ thứ 2 (2G) ra đời vào khoảng thời gian năm 1990 dựa trên công nghệ TDMA (đa truy cập phân chia theo thời gian); công nghệ di động thế hệ thứ 3 (3G) ra đời vào khoảng thời gian năm 2000 dựa trên công nghệ WCDMA (đa truy cập phân chia theo mã); công nghệ di động thế hệ thứ 4 (4G) ra đời trong khoảng thời gian từ năm 2009 đến nay, đã qua giai đoạn triển khai thử nghiệm ban đầu và hiện nay đang triển khai tại một số nước, dựa trên công nghệ OFDM, SDMA – tức là công nghệ LTE – LTE ADVANCE. [1]

LTE là từ viết tắt của Long Term Evolution, mô tả công việc chuẩn hóa của 3GPP để xác định phương thức truy nhập vô tuyến tốc độ cao mới cho hệ thống truyền thông di động. LTE là bước tiếp theo dẫn đến hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 hay còn gọi là 4G. Hệ thống này được kỳ vọng có những tiến bộ vượt bậc về công nghệ cũng như những tính năng so với thế hệ 3G trước đó. [1]

1.3. CÔNG NGHỆ LTE

1.3.1. Giới thiệu

LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới. Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE).

1.3.2. Các chuẩn của công nghệ LTE

Tốc độ: Tốc độ tải xuống (Downlink) cao nhất ở băng thông 20MHz có thể lên đến 100Mbps và tốc độ tải lên (Uplink) có thể lên đến 50Mbps. [1]

Độ trễ: Thời gian trễ tối đa đối với dịch vụ người dùng thấp hơn 5ms. [1]

Độ rộng băng thông linh hoạt: Có thể hoạt động với băng thông 5MHz, 10MHz, 15MHz và 20MHz. [1]

Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15km/giờ, vẫn hoạt động tốt với tốc độ di chuyển từ 15-120km/giờ. [1]

Phổ tần số: Hoạt động theo chế độ phân chia theo tần số hoặc chế độ phân chia theo thời gian. [1]

Chất lượng dịch vụ: Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS cho các thiết bị. [1]

Liên kết mạng: Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các hệ thống không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo. [1]

Chi phí: Chi phí triển khai và vận hành giảm.

Để đạt được các mục tiêu trên, LTE sẽ phải sử dụng các kỹ thuật mới: OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access – Đa truy cập đa phân chia theo tần số trực giao) cho hướng xuống và SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access – Đa truy cập đa phân chia theo tần số sóng mang đơn) cho hướng lên. [1]

1.3.3. Cấu trúc mạng

LTE được thiết kế để hỗ trợ cho các dịch vụ chuyển mạch gói, đối lập với chuyển mạch kênh truyền thống. Một cấu trúc mạng gồm có Core Network CN (EPC) và mạng truy cập E-UTRAN. [1]

a) Mạng lõi

Mạng lõi CN (được gọi là EPC trong SAE) đáp ứng cho việc điều khiển UE và thiết lập các thông báo. Các Node chính của EPC:

• PDN Gateway (P-GW)
• Serving Gateway (S-GW)
• Mobility Management Entity (MME)

b) Mạng truy cập

E-UTRAN là một cấu trúc phẳng. Các eNodeB kết nối với nhau thông qua các đường giao diện X2, và kết nối với EPC bằng đường giao diện S1. [1]

1.3.4. Kiến trúc giao thức

a) Mặt phẳng người dùng

Một gói IP của UE được đóng gói trong một EPC-giao thức và đường hầm cụ thể giữa P-GW và eNodeB- để truyền đến UE. Các giao thức xuyên hầm khác nhau được dùng với các đường giao tiếp khác nhau. Một giao thức xuyên hầm trong 3GPP gọi là giao thức xuyên hầm GPRS (GPRS Tunnelling Protocol) được sử dụng trong các giao diện của mạng lõi, S1 và S5/S8. [1]

b) Mặt phẳng điều khiển

Giao thức RRC được biết đến như giao thức lớp 3 trong tầng truy cập. Nó có chức năng điều khiển chính trong tầng truy cập, chịu trách nhiệm thiết lập các thông báo vô tuyến và cấu hình tất cả các lớp thấp hơn sử dụng báo hiệu RRC giữa eNodeB và UE. [1]

1.3.5. Truyền dữ liệu hướng xuống

a) Nguyên tắc cơ bản của OFDM

Kỹ thuật truyền OFDM có thể được xem như là một loại của truyền đa sóng mang. Đặc điểm cơ bản của truyền OFDM là:

• Sử dụng một lượng tương đối lớn các sóng mang con băng hẹp. Truyền OFDM sử dụng vài trăm sóng mang con được truyền trên cùng một liên kết vô tuyến đến cùng một máy thu.
• Những sóng mang con được sắp xếp chặt chẽ trên miền tần số với khoảng cách giữa các sóng mang con Δf=1/T_u, với T_u là thời gian điều chế symbol trên mỗi sóng mang con. Khoảng cách sóng mang con bằng tốc độ điều chế trên mỗi sóng mang con. [4]

b) Giải điều chế OFDM

Nguyên tắc cơ bản trong giải điều chế OFDM, bao gồm một dãy các bộ giải điều chế, mỗi bộ cho một sóng mang con. Tính trực giao của những sóng mang con là nhờ có cấu trúc đặc trưng miền tần số của mỗi sóng mang con, kết hợp với khoảng cách sóng mang con Δf bằng tốc độ symbol trên mỗi sóng mang con 1/T_u. [4]

1.3.6. Truyền dữ liệu hướng lên

OFDM được xem là phương án tối ưu cho hướng xuống (DL) nhưng hướng lên (UL) thì chưa được thuận lợi. Điều này là do thuộc tính của OFDM có tỉ lệ công suất đỉnh trung bình (PARP-Peak-to-Average Power Ratio) thấp, làm ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu của hướng UL. Do đó, hướng UL của chế độ FDD và TDD sẽ sử dụng kĩ thuật đa truy nhập phân chia tần số sóng mang đơn SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) theo chu kì. [4]

1.3.7. MIMO

MIMO là một kỹ thuật đổi mới quan trọng của LTE, được sử dụng để cải thiện hiệu suất của hệ thống. MIMO lợi dụng tín hiệu đa đường giữa máy phát và máy thu để cải thiện dung lượng có sẵn cho bởi kênh truyền. Bằng cách sử dụng nhiều anten ở bên phát và thu với việc xử lý tín hiệu số, kỹ thuật MIMO có thể tạo ra các dòng dữ liệu trên cùng một kênh truyền, từ đó làm tăng dung lượng kênh truyền. [9]

Kết luận Chương 1: Chương 1 đã nghiên cứu và mô tả một cách chi tiết về công nghệ LTE, lý thuyết này sẽ được vận dụng để giải bài toán quy hoạch cho chương 2.

CHƯƠNG 2

BÀI TOÁN QUỸ ĐƯỜNG TRUYỀN VÀ CÁC MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG

2.1. GIỚI THIỆU

Quy hoạch mạng vô tuyến bao gồm quy hoạch vùng bao phủ và quy hoạch dung lượng của các trạm phát sóng. Quy hoạch vùng phủ là một bước quan trọng trong việc triển khai một mạng di động. Quá trình này bao gồm việc tính suy hao cực đại trong môi trường vô tuyến, và lựa chọn mô hình truyền sóng thích hợp dựa trên địa hình của khu vực, vật cản phản xạ sóng, dân số…[12]

2.2. BÀI TOÁN QUỸ ĐƯỜNG TRUYỀN

Kết quả của bài toán quỹ đường truyền là xác định suy hao tín hiệu cho phép cực đại giữa trạm phát và thuê bao di động. Từ đó sẽ ước lượng bán kính phủ dựa trên các mô hình truyền sóng áp dụng cho môi trường tính toán và xác định số trạm phát cần thiết để phục vụ cho khu vực cần phủ sóng. [14]

2.2.1. Tính toán quỹ đường xuống (DL)[14]

Các thông số và công thức sử dụng để tính toán quỹ đường truyền xuống cho LTE:

• Công suất máy phát (P_Txb): đối với đường xuống công suất máy phát ở đây là chính công suất của trạm phát gốc. Đơn vị dBm.
• Độ lợi anten (G_b): phụ thuộc vào kích cỡ anten, tần số phát và số sector trong anten. Đơn vị của nó là dBi.
• Tổn hao phi đơ và đầu kết nối (Lf)
• Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương (EIRP_b): đây chính là công suất phát ra vô tuyến tại bề mặt anten, có đơn vị là dBm và được tính toán theo công thức sau: EIPR_b = P_Txm + G_b – L_f (2.1)
• Hệ số tạp âm máy thu (NF): trong trường hợp này máy thu là UE, giá trị tùy theo thiết kế của thiết bị, có đơn vị là dB. Thông thường giá trị này ở mức 7dB.
• Công suất tạp âm nhiệt đầu vào máy thu (N_i): có đơn vị là dBm và được tính toán dựa trên công thức: N_i = k * T * B.
• Với k là hằng số Boltzman và có giá trị k = 1.3824 x 10^-23 J/K. T là nhiệt độ tại môi trường đo (293K). B là băng thông, B = N_RB * 180 . 10³ Hz, với N_RB là số tài nguyên cấp phát cho kênh truyền.

Vì vậy, N_i = 30 + 10lgk + 10log(293K) + 10lgB (2.2)

• Công suất tạp âm nền máy thu (N): có đơn vị là dBm và được định nghĩa là tổng tạp âm nhiệt và tạp âm nội tại của máy thu, công thức tính: N = N_i + NF (2.3)
• Dự trữ nhiễu (M_i): Nó có đơn vị là dB và có giá trị từ 3-8 dB.
• Bổ sung nhiễu kênh điều khiển (M_cch)
• Tổng tạp âm nhiễu + giao thoa (N + I): có đơn vị là dBm và được tính toán theo công thức sau: (N + I)(dBm) = N + M_i + M_cch (2.4)
• Tỷ số tín hiệu trên nhiễu yêu cầu (SNR_r):. Tất cả các máy thu đều yêu cầu tín hiệu thu được phải vượt quá mức nhiễu xung quanh. Nếu tín hiệu thu được nhỏ hơn mức nhiễu thì tín hiệu đó không được sử dụng. Giá trị SNR_r chính là ngưỡng này (có đơn vị là dB) và thỏa mãn bất đẳng thức sau: SINR ≥ SNR_r * M_i * M_F
• Với M_i là dự trữ nhiễu và M_F là dự trữ phađinh.
• Độ nhạy máy thu hiệu dụng (P_min): có đơn vị là dB và được xác định theo công thức sau: P_min = (N + I) (dBm) + SNR_r (dB) (2.5)
• Độ lợi anten máy thu (G_m): phụ thuộc vào thiết bị và băng tần sử dụng. Có đơn vị dBi.
• Tổn hao phi đơ và bộ nối (L_fm): tổn hao ở phía UE. Tổn hao L_fm của máy thu được giảm gần về giá trị 0. Có đơn vị là dB.
• Tổn hao cơ thể (L_body): là tổn hao điển hình đối với quỹ đường truyền cho dịch vụ thoại vì di động được giữ gần với tai nghe. Đơn vị là dB.
• Tổn hao đường truyền cực đại cho phép (L_max): có đơn vị là dB và được tính toán: L_max = EIRP_b – P_min + G_m – L_fm – L_body (2.6)

2.2.2. Tính toán quỹ đường lên (UL)[14]

Các thông số và công thức sử dụng để tính toán quỹ đường truyền lên cho LTE:

• Công suất máy phát (P_Txm): đối với đường lên công suất máy phát ở đây là công suất của UE. Đơn vị là dBm.
• Khuếch đại anten (G_m): phụ thuộc vào thiết bị và băng tần sử dụng.
• Tổn hao phi đơ và bộ nối (L_fm): Tổn hao từ anten thu của UE đến bộ xử lý của thiết bị. Đối với các dòng thiết bị mới sau này, giá trị tổn hao này được tối giảm gần về không.
• Tổn hao cơ thể (L_body): là tổn hao điển hình đối với quỹ đường truyền cho dịch vụ thoại vì di động được giữ gần với tai nghe. Đơn vị là dB.
• Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương (EIRP_m): có đơn vị là dBm và được tính: EIPR_m = P_Txm + G_m + L_fm – L_body (2.7)
• Hệ số tạp âm máy thu (NF): Là hệ số của trạm gốc và có đơn vị là dB.
• Công suất tạp âm nhiệt đầu vào máy thu (N_i): có đơn vị là dBm và được tính: N_i = 30 + 10lgk + 10log290 + 10lgB (2.8)
• Công suất tạp âm nền máy thu (N) : có đơn vị là dBm và được tính toán theo công thức sau: N = N_i + NF (2.9)

Với NF là hệ số tạp âm có đơn vị dB.

• Dự trữ nhiễu (M_i): dự trữ nhiễu ở LTE sẽ nhỏ hơn dự trữ nhiễu ở WCDMA vì các tín hiệu ở đường lên đã được trực giao. Đơn vị là dB.
• Tổng tạp âm nhiễu + giao thoa (N + I): có đơn vị là dBm và được tính toán theo công thức sau: (N + I)(dBm) = N + M_i (2.10)
• Tỷ số SNR yêu cầu (SNR_r): được lấy từ mô phỏng. Có đơn vị là dB.
• Độ nhạy máy thu hiệu dụng (P_min): có đơn vị là dB và được xác định theo công thức sau: P_min = (N + I) (dBm) + SNR_r (dB) (2.11)
• Độ lợi anten trạm gốc (G_b): Phụ thuộc anten. Đơn vị là dBi.
• Tổn hao phi đơ và bộ nối (L_f): tổn hao ở phía trạm gốc. Đơn vị là dB.
• Khuếch đại MHA (G_MHA): MHA là bộ khuếch đại ngoài, đơn vị là dB.
• Tổn hao đường truyền cực đại cho phép (L_max): có đơn vị là dB và được tính: L_max = EIRP_m – P_min + G_b – L_f + G_MHA (2.12)

2.2.3. Ví dụ về quỹ đường truyền

a) Ví dụ quỹ đường xuống LTE

b) Ví dụ quỹ đường lên LTE

c) Ví dụ so sánh Quỹ đường truyền của các hệ thống

2.3. CÁC MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG

Mô hình truyền sóng mô tả truyền sóng tín hiệu trung bình ở môi trường và biến đổi tổn hao truyền sóng cho phép cực đại ở môi trường, phụ thuộc vào cự ly phủ sóng của hướng anten phục vụ. [15]

Phần này giới thiệu 2 mô hình thông dụng: Mô hình Hata-Okumura và Walfisch-Ikegami.

2.3.1. Mô hình Hata-Okumura

Mô hình Hata-Okumura là quan hệ thực nghiệm được rút ra từ báo cáo kỹ thuật của Okumura. Dựa trên các đo lường được thực hiện bởi Y.Okumura ở Tokyo tại tần số 1920 MHz, các đo lường này vừa khớp với mô hình toán học của M.Hata. Hệ số này được đưa vào suy hao không gian tự do. [15]

Biểu thức toán học được sử dụng trong mô hình Hata-Okumura để tính tổn hao:

L_p= 69,55 + 26,16lgf_c – 13,82lgh_b – a(h_m) + (44,9 – 6,55lgh_b)lgr (dB) (2.13)

Trong đó: f_c: tần số hoạt động (MHz), L_p: tổn hao trung bình, h_b: độ cao anten trạm gốc (m), h_m: độ cao anten trạm di động (m), r: bán kính cell (khoảng cách từ trạm gốc) (km), a(h_m): hệ số hiệu chỉnh cho độ cao anten di động (dB).

Dải thông số sử dụng được cho mô hình Hata là:

150 ≤ f_c ≤ 1500 MHz; 30 ≤ h_b ≤ 200 m; 1 ≤ h_m ≤ 10 m; 1 ≤ r ≤ 20 km.

Bán kính cell được tính: (2.17)

2.3.2. Mô hình Walfisch – Ikegami

Mô hình Walfisch-Ikegami (hay COST 231) được sử dụng để đánh giá tổn hao đường truyền ở môi trường thành phố cho hệ thống thông tin tổ ong (cellular) ở dải tần 800-2000 MHz. Mô hình này đã được sử dụng ở châu Âu cho hệ thống GSM và một số mô hình truyền hình ở Mỹ. Mô hình Walfisch-Ikegami chứa 3 phần tử: tổn hao không gian tự do; nhiễu xạ mái nhà-phố và tổn hao tán xạ; tổn hao do nhiều vật chắn. [15]

Với trường hợp tia nhìn thẳng (LOS): L_p = 42,6 + 26lgr + 20lgf_c (2.24)

Với trường hợp tia không nhìn thẳng (NLOS):

L_p = 32,4 + 20lgr + 20lgf_c + L_rts + L_msd (2.25)

Như vậy bán kính cell tính theo mô hình Walfisch – Ikegami là:

(2.26)

Dải thông số cho mô hình Walfisch-Ikegami phải thỏa mãn:

800 ≤ f_c ≤ 2000 MHz, Độ cao anten phát: 4 ≤ h_b ≤ 50 m, Độ cao máy thu: 1 ≤ h_m ≤ 3 m, Bán kính phủ dự kiến: 0,02 ≤ r ≤ 5 km.

2.3.3. Tính bán kính cell và diện tích vùng phủ

Trước tiên, dựa vào các tham số của quỹ đường truyền để xác định suy hao đường truyền tối đa cho phép. Khi đó, dễ dàng tính được bán kính cell nếu biết được mô hình truyền sóng áp dụng với môi trường đang khảo sát (Lmax = Lp). [17]

Suy ra công thức tính bán kính cell như sau: R_cell = 10^{(Lp – L)/X} (2.27)

Diện tích vùng phủ đối với một cell có cấu trúc lục giác đều được tính như sau: S = K*R²_cell (2.32)

Trong đó: R_cell là bán kính cực đại cell, K là hằng số.

Kết luận chương 2: Chương 2 đã trình bày các bước cụ thể để tiến hành quy hoạch mạng LTE bao gồm: tính toán suy hao cực đại cho phép đường lên và đường xuống, dựa trên suy hao cực đại cho phép tính toán bán kính cell và diện tích phủ của trạm từ đó tính số trạm phát sóng cần thiết để phủ toàn bộ vùng địa lý mong muốn. Bước tiếp theo là kiểm chứng lý thuyết quy hoạch từ đó lựa chọn mô hình phù hợp để tính toán tổng số trạm phát nhằm đáp ứng vùng phủ cho TP Đà Nẵng.

CHƯƠNG 3

QUY HOẠCH MẠNG 4G-LTE CHO TP ĐÀ NẴNG

3.1. GIỚI THIỆU

TP Đà Nẵng nằm ở miền Trung Việt Nam, với diện tích gần 1,000 km² trong đó 72% là diện tích núi rừng và dân số gần 1,029,000 người gồm 6 Quận và 1 Huyện. Dân cư tập trung tại 6 quận trung tâm Thành phố Đà Nẵng, đặc biệt là quận Hải Châu và Thanh Khê với mật độ dân số trên diện tích khá cao. Các quận còn lại mật độ ở mức 1.000 đến 3.000 người/km². Riêng Huyện Hòa Vang chủ yếu là núi, mật độ dân cư thấp nhất Đà Nẵng, chỉ đạt mức 178 người/km².

3.2. MÔ TẢ VẤN ĐỀ

Phần này sẽ trình bày việc tiến hành lắp đặt trạm phát giả, đo kiểm, kiểm chứng giá trị suy hao thực tế với giá trị suy hao của bài toán quỹ đường truyền và suy hao theo các mô hình. Qua đó, đưa ra phương án quy hoạch trạm phủ sóng cho phù hợp. Nội dung bao gồm:

• Đo kiểm thực tế: Lắp đặt, cấu hình và đo kiểm vùng phủ các trạm phát sóng giả trên địa bàn TP Đà Nẵng.
• Tính toán suy hao theo lý thuyết: Tính toán suy hao cực đại cho phép đường xuống theo thông số của trạm phát dự kiến triển khai.
• Đánh giá kết quả: Đánh giá kết quả tính toán suy hao đường xuống và kết quả đo kiểm thực tế. Từ đó, lựa chọn mô hình phù hợp với địa hình TP Đà Nẵng.
• Mô phỏng tính toán suy hao cực đại, bán kính cell phục vụ, diện tích phủ và định cỡ số trạm phát sóng tại TP Đà Nẵng.

3.3. ĐO KIỂM VÙNG PHỦ THỰC TẾ

Lưu đồ các bước triển khai:

Bảng 3.2 Lưu đồ các bước triển khai

TRÌNH TỰ	NỘI DUNG
Bước 1
Bước 2
Bước 3
Bước 4
Bước 5
Bước 6

3.3.1. Phân loại địa hình, xác định khu vực cần triển khai

Đây là bước quan trọng trong việc triển khai tính toán để quy hoạch trạm phát sóng. Các khu vực có cùng địa hình, phân bố nhà cửa, cây cối sẽ được xếp chung là một loại địa hình đặc trưng.

3.3.2. Lựa chọn vị trí lắp đặt, tần số và tuyến đường đo kiểm

Mỗi loại địa hình tương đồng cần chọn 1-2 vị trí trạm phát giả để đo kiểm và 1% vị trí để dự phòng, trong đó đối với địa hình theo mức phường sử dụng từ 08 vị trí để đo kiểm và 02 vị trí để dự phòng và kiểm tra kết quả. Có thể giảm số lượng vị trí đặt trạm phát xuống nếu địa hình không khác nhau quá nhiều hoặc diện tích địa hình quá nhỏ.

3.3.3. Triển khai lắp đặt

Triển khai lắp đặt thiết bị thu phát theo sơ đồ như sau:

Phần phát

Phần thu

Máy phát

Máy thu

Anten thu

Anten phát

Hình 3.2 Sơ đồ lắp đặt thiết bị đo kiểm

3.3.4. Tiến hành đo kiểm

Sau khi lắp đặt trạm phát giả, thiết lập thông số cho máy phát và máy thu, ta tiến hành đo kiểm theo các tuyến đường xung quanh trạm.

3.3.5. Xử lý kết quả đo

Những bước thực hiện cụ thể như sau:

Xuất dữ liệu đo kiểm từ kết quả đo với nội dung: Tọa độ điểm đo bao gồm kinh độ và vĩ độ, số vệ tinh bắt được tín hiệu, mức tín hiệu thu được từ anten, khu vực đo kiểm và độ cao địa hình dựa trên bản đồ số của TP Đà Nẵng.

• Lọc bỏ những mẫu đột biến về khoảng cách, suy hao và những mẫu số lượng vệ tinh không đảm bảo từ trạm phát đến máy thu.
• Thống kê sơ lược kết quả: Số mẫu đo, giá trị suy hao lớn nhất, phân bố mẫu đo theo suy hao và bán kính phủ và độ cao anten.

3.3.6. Đánh giá kết quả, lựa chọn mô hình

Sau khi xử lý dữ liệu, ta thống kê kết quả tổng thể như sau:

Bảng 3.6 Đánh giá suy hao cực đại theo lý thuyết và thực tế

Nhận xét: Theo bảng đánh giá suy hao cực đại so sánh giữa lý thuyết và thực tế nhận thấy các giá trị khá tương đồng. Giá trị suy hao lớn nhất theo lý thuyết là kết quả theo quỹ đường truyền được tính theo lý thuyết chương 2. Suy hao đo kiểm thực tế là hiệu số của công suất phát tại đầu ra anten và mức thu đo kiểm tại đầu anten thu.

Đặc biệt, từ kết quả đo kiểm thực tế ta có được tọa độ chính xác các vị trí lấy mẫu, khi đó ta tính được khoảng cách từ vị trí lấy mẫu đến vị trí trạm phát sóng. Sử dụng các giá trị này áp vào hai mô hình Hata-Okumura, Walfisch-Ikegami để đánh giá suy hao tại mỗi điểm đo và so sánh với kết quả đo kiểm để đánh giá độ sát thực của từng mô hình:

Bảng 3.7 Đánh giá suy hao thực tế với mô hình Hata-Okumura và Walfisch-Ikegami

Hình 3.13 Phân bố mẫu độ sai lệch của mô hình Hata-Okumura và Walfisch-Ikegami so với đo kiểm thực tế

Nhận xét: Qua hai bảng so sánh số liệu giữa độ lệch chuẩn suy hao tín hiệu khi lấy từng vị trí mẫu khi đo kiểm thực tế và sử dụng 02 mô hình Hata-Okumura và Walfisch-Ikegami để kiểm chứng thì giá trị khi tính toán sử dụng mô hình Walfisch-Ikegami gần sát với giá trị đo kiểm hơn so với tính toán bằng mô hình Hata-Okumura. Do khi áp dụng mô hình Walfisch-Ikegami chúng ta có xét thêm một số yếu tố từ địa hình đo kiểm như: Độ cao nhà, độ rộng tuyến đường và khoảng cách giữa tòa nhà dọc tuyến đường, từ đó giá trị tính toán đảm bảo sai lệch ít so với giá trị đo kiểm hơn. Giá trị suy hao lớn nhất giữa tính toán và đo kiểm thực tế gần sát nhau. Vì vậy, ta lựa chọn dùng bài toán quỹ đường truyền và mô hình Walfisch-Ikegami để tính toán vùng phủ với các thông số dự kiến triển khai trong việc quy hoạch mạng tại TP Đà Nẵng.

3.4. THIẾT KẾ MẠNG 4G-LTE CHO TP ĐÀ NẴNG

3.4.1. Tính suy hao cực đại từ bài toán quỹ đường truyền

Từ các thông số trên ta tính toán được quỹ đường truyền cho LTE tại TP Đà Nẵng như sau:

• Suy hao cực đại cho phép đường lên: 163.4 dB
• Suy hao cực đại cho phép đường xuống: 165.4 dB

3.4.2. Tính toán số trạm phát tại TP Đà Nẵng

Số trạm phát sóng tại TP Đà Nẵng được tính dựa trên thông số Suy hao cực đại cho phép ở đường lên và đường xuống đã tính ở phần trên để tính bán kính phủ sóng của một cell và diện tích phủ sóng của một trạm phát sóng.

a) Tính bán kính cell

Áp dụng mô hình Walfisch-Ikegami để tính toán vùng phủ với các thông số dự kiến triển khai trong việc quy hoạch mạng tại TP Đà Nẵng:

– Độ rộng đường phố (w) : 6 m

– Khoảng cách giữa các tòa nhà (b) : 40 m

– Độ cao trung bình của tòa nhà (h_r) : 10 m

– Độ cao của anten di động (h_m) : 1,5 m

– Độ cao trung bình của anten trạm phát (h_b) : 26.5 m

– Góc tới của tia sóng từ tòa nhà đến mặt đường : b/2 ≈ 20 độ

Sử dụng kết quả suy hao cực đại cho phép ở đường lên và đường xuống tương ứng là: 163.4 dB và 165.4 dB ta tính được:

• Bán kính cell theo tổn hao cực đại cho phép đường lên: 1,3 Km.
• Bán kính cell theo tổn hao cực đại cho phép đường xuống: 1,5 Km

Như vậy, để đảm bảo phủ sóng được trên địa bàn toàn tỉnh thì ta chọn bán kính cell R = 1.3 Km để tính diện tích trạm phát.

b) Tính diện tích phủ trạm phát

Diện tích vùng phủ đối với một trạm phát có cấu trúc lục giác đều được tính như sau: S = K*R²_cell (3.6)

Như vậy với bán kính cell là: R=1,3 Km và trạm phát sử dụng 3 sector, ta tính được diện tích vùng phủ của trạm phát: S = 3,3 Km²

Với diện tích của TP Đà Nẵng là 1,285 Km² thì số trạm tối đa để đáp ứng nhu cầu của khách hàng tính theo diện tích vùng phủ sóng của trạm phát là:

Số trạm BS cần thiết tính theo diện tích phủ sóng: 1,285/3,3 = 390 trạm.

3.5. CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG

Phần này trình bày việc tính toán mô phỏng quy hoạch mạng 4G-LTE sử dụng phần mềm Visual Studio 2015. Cụ thể, mô phỏng trình bày cách tính toán vùng phủ để đưa ra số lượng trạm cần thiết lắp đặt trong vùng cần phủ sóng đồng thời so sánh với kết quả đo kiểm được trên thực tế. Nội dung mô phỏng bao gồm:

• • Mô phỏng tính toán suy hao cực đại cho phép ở đường lên và đường xuống.
  • Tính bán kính cell và diện tích trạm phát ứng với suy hao cực đại cho phép.
  • Tính toán số trạm phát cần thiết để phủ sóng toàn bộ TP Đà Nẵng.

3.5.1. Tính toán mô phỏng tổn hao truyền sóng cho phép

Nhập các thông số:

• Thông số truyền dẫn

• Thông số trạm gốc

• Thông số trạm di động

Tính suy hao đường truyền cho phép đối với vùng phủ của cell

In kết quả

Hình 3.15 Sơ đồ thực hiện tính toán mô phỏng tổn hao truyền sóng cho phép

Hình 3.16 Kết quả mô phỏng bài toán quỹ đường truyền

b) Tính toán diện tích phủ của trạm phát

Có được bán kính Cell cùng với đặc điểm anten 3 sector có hệ số K=1.95, ta tính được diện tích vùng phủ của trạm phát theo công thức sau:

S = K*R²cell = 1.95*1.3² = 3.3 Km²

Hình 3.18 Kết quả mô phỏng và tính toán bán kính Cell và diện tích trạm

c) Định cỡ số trạm phát sóng

Số trạm phát tổng = Diện tích TP Đà Nẵng/Diện tích phủ sóng của Cell

= 1,285/3,3 = 390 trạm.

Hình 3.19 Kết quả tính toán mô phỏng số trạm phát theo vùng phủ

Nhận xét: Số lượng trạm sau tính toán có giá trị tương đồng với số lượng trạm Viettel hiện đã triển khai trên địa bàn TP Đà Nẵng. Với hơn 400 trạm thu phát sóng 4G trên toàn TP Đà Nẵng, vùng phủ 4G của Viettel hiện đã đảm bảo vùng phủ 4G trên 95% diện tích toàn TP.

Kết luận chương 3: Chương 3 đã tập trung để mô tả một cách chi tiết việc tổ chức đo kiểm thực tế để kiểm chứng kết quả tính toán suy hao cực đại và suy hao theo các mô hình cơ bản trên lý thuyết. Từ đó lựa chọn phương án để quy hoạch mạng LTE cho TP Đà Nẵng giai đoạn đầu triển khai 4G vào Quý 2 năm 2017. Kết quả đạt được như sau:

• Thu thập số liệu về diện tích, dân số, số thuê bao, các đặc điểm địa lý, địa hình.
• Lắp đặt trạm phát sóng giả, đo kiểm để đánh giá kết quả tính toán trên lý thuyết và thực tế.
• Lựa chọn mô hình truyền sóng và suy hao cực đại để áp dụng cho TP Đà Nẵng.
• Mô phỏng tính toán bán kính cell và diện tích trạm phát dựa trên quỹ đường truyền đã kiểm chứng. Định cỡ số trạm cần thiết để phủ sóng toàn bộ vùng địa lý của TP Đà Nẵng.

Viettel Đà Nẵng hiện vẫn đang triển khai LTE, các số liệu tính toán gần tương đồng với số trạm Viettel đang triển khai tại TP Đà Nẵng. Và từ đây chúng ta sẽ có sở cứ để quy hoạch và tối ưu các trạm phát trong thời gian đến.

KẾT LUẬN

1. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Luận văn này đã đi vào tìm hiểu công nghệ LTE, đã thực hiện tính toán và đánh giá vùng phủ nhằm quy hoạch mạng LTE cho TP Đà Nẵng trong giai đoạn cuối năm 2017.

Luận văn đã thực hiện tìm hiểu lý thuyết và đối chiếu kết quả bằng thực nghiệm. Cụ thể những vấn đề như sau:

• Lý thuyết về công nghệ LTE.
• Lý thuyết về quỹ đường truyền, các mô hình truyền sóng cơ bản.
• Kiểm chứng trên thực tế để lựa chọn mô hình triển khai dựa trên hai mô hình thông dụng là Hata-Okumura và Walfisch-Ikegami.

Từ những vấn đề trên, luận văn đã tiến hành đề xuất phương án tối ưu nhằm thiết kế vùng phủ mạng 4G-LTE cho TP Đà Nẵng.

2. HẠN CHẾ CỦA LUẬN VĂN

Trong tính toán thực tế, ngoài việc lấy một số tham số của nhà cung cấp thiết bị, một số các tham số khác còn lấy theo các giá trị điển hình và mô hình sẵn có. Do vậy, kết quả thiết kế chỉ dừng ở mức định cỡ mạng sơ bộ.

3. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Dựa trên các kết quả đo kiểm, tiến hành tạo riêng mô hình truyền sóng tương ứng với địa bàn TP Đà Nẵng. Từ đó sử dụng các công cụ mô phỏng để đưa ra vùng phủ của từng trạm phát sóng.

Hiệu chỉnh, tối ưu hóa mạng ở từng khu vực nhằm đảm bảo công suất phát hợp lý, dung lượng, vùng phủ và chất lượng dịch vụ.

LIỆN HỆ:

SĐT+ZALO: 0935568275

E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\LUAN VAN DUY TAN\LUAN VAN DUY TAN\DANG NGOC HUNG