LINK TẢI LUẬN VĂN MIỄN PHÍ CHO AE KET-NOI
Triển Khai Hệ Thống Thông Tin Di Động 4G-LTE Cho Mạng Di Động Mobifone Tại Tỉnh Tuyên Quang
Hiện tại công nghệ thông tin di động phát triển với tốc độ rất cao, tại Việt nam 03 nhà mạng lớn là MobiFone, Viettel, Vinaphone cạnh tranh khốc liệt để tăng thị phần. Một trong các yếu tố để giữ thuê bao là không ngừng cải thiện chất lượng mạng lưới, mở rộng vùng phủ sóng, nâng cấp công nghệ hiện đại bắt kịp với sự phát triển công nghệ trên thế giới trong đó phát triển mạng từ thế hệ 2G/3G lên thế hệ 4G là xu hướng tất yếu tại Việt nam. Xuất phát từ công việc hiện tại là kỹ sư vận hành khai thác trực tiếp mạng thông tin di động MobiFone Miền Bắc và đồng thời đang là sinh viên cao học lớp Kỹ thuật Viễn Thông - Khóa 20 tại Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên tui đã xin nhận đề tài tốt nghiệp của mình là: “Triển khai hệ thống thông tin di động 4G/LTE cho mạng di động MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang”.
MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN..............................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ....................................................................... ix CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠNG 4G/LTE................................1 1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động ........................................................1 1.1.1 Hệ thống thông tin di động từ 1G đến 3G..........................................................2 1.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 2G/3G ............................................2 1.2 Nhu cầu tiến lên 4G LTE ......................................................................................6 1.2.1 Tăng trưởng dữ liệu người dùng ........................................................................6 1.2.2 Dung lượng hệ thống thông tin di động (lý thuyết shannon).............................6 1.2.3 Tăng dung lượng hệ thống .................................................................................8 1.2.4 Các yếu tố khác tiến lên LTE.............................................................................8 1.3 Từ 3G tiến lên 4G LTE .........................................................................................9 1.3.1 LTE.....................................................................................................................9 1.3.2 Cải tiến phần mạng lõi .....................................................................................10 1.3.3 Hệ thống thông tin di động 4G.........................................................................11 1.3.4 Các tiêu chuẩn 3GPP cho LTE ........................................................................11 1.3.5 Sự khác biệt giữa mạng 4G và LTE.................................................................12 1.3.6 Sự tiến hóa LTE lên 4G ...................................................................................13 1.4 Kết luận Chương 1: ..................................................................................................17 CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE ......................19 2.1 Kiến trúc của LTE...............................................................................................19 2.1.1 Cấu trúc tổng quát ............................................................................................19 2.1.2 Thiết bị người dùng..........................................................................................19 2.1.3 Mạng truy nhập vô tuyến tiên tiến ...................................................................21 2.1.4 Mạng Core trong LTE......................................................................................22 2.1.5 Cấu trúc roaming..............................................................................................24 2.1.6 Vùng mạng (network area)...............................................................................25 2.1.7 Định danh, địa chỉ, đánh số..............................................................................26
iv
2.2 Các giao thức thông tin .......................................................................................27 2.2.1 Mô hình giao thức ............................................................................................27 2.2.2 Các giao thức truyền tải giao diện vô tuyến.....................................................29 2.2.3 Các giao thức truyền tải giao diện mạng cố định.............................................30 2.2.4 Các giao thức người dùng (user plane) ............................................................30 2.2.5 Các giao thức báo hiệu.....................................................................................31 2.3 Một vài ví dụ về điều khiển cuộc gọi..................................................................33 2.3.1 Báo hiệu lớp truy nhập .....................................................................................33 2.3.2 Báo hiệu lớp truyền tải dữ liệu.........................................................................34 2.4 Quản lý tài nguyên ..............................................................................................35 2.4.1 Kênh mang EPS ...............................................................................................35 2.4.2 Kỹ thuật đường hầm tunneling sử dụng GTP ..................................................38 2.4.3 Kỹ thuật đường hầm sử dụng GRE và PMIP ...................................................39 2.4.4 Kênh mang báo hiệu vô tuyến..........................................................................40 2.5 Sơ đồ trạng thái ...................................................................................................41 2.5.1 Quản lý trạng thái di động EPS........................................................................41 2.5.2 Quản lý kết nối EPS .........................................................................................42 2.5.3 Điều khiển tài nguyên vô tuyến .......................................................................43 2.6 Ấn định phổ.........................................................................................................44 2.7 Các kỹ thuật được dung trong 4G LTE...............................................................45 2.7.1 Ghép kênh theo tần số trực giao.......................................................................46 2.7.2 OFDMA trong thông tin di động .....................................................................51 2.7.3 Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang ........................................58 2.8 Quy trình quy hoạch mạng LTE ..............................................................................62 2.8.1 Khái quát về quá trình quy hoạch mạng LTE ..................................................62 2.8.2 Dự báo lưu lượng và phân tích vùng phủ.........................................................62 2.8.2.1 Dự báo lưu lượng ..........................................................................................62 2.8.2.2 Phân tích vùng phủ........................................................................................64 2.8.2.3 Quy hoạch chi tiết .........................................................................................64 2.8.2.4 Quy hoạch vùng phủ .....................................................................................64 2.8.3 Quy hoạch dung lượng....................................................................................65 2.8.4 Tối ưu mạng .....................................................................................................65
v
2.9 Kết luận Chương 2 :............................................................................................66 CHƯƠNG 3: QUY HOẠCH MẠNG 4G/LTE VÀ THỰC TIỄN TRIỂN KHAI ÁP DỤNG TRÊN MẠNG LƯỚI MOBIFONE TỈNH TUYÊN QUANG ........................66 3.1 Thực trạng hạ tầng mạng thông tin di động MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang. .67 3.1.1 Hiện trạng CSHT nhà trạm: .............................................................................67 3.1.1.1. Phân bố trạm thu phát sóng:.........................................................................67 3.1.1.2. Hạ tầng cột Ăng-ten: ....................................................................................67 3.1.2 Hiện trạng hạ tầng truyền dẫn: .........................................................................69 3.2 Đánh giá chung hiện trạng hạ tầng mạng lưới MobiFone: .................................69 3.2.1 Kết quả đạt được ..............................................................................................69 3.2.2 Tồn tại và hạn chế ............................................................................................70 3.3 Hiện trạng sử dụng dịch vụ của thuê bao MobiFone tại Tuyên Quang:.................70 3.4 Định hướng triển khai 4G/LTE tại tỉnh Tuyên Quang:...........................................71 3.5 Những thách thức và giải pháp khi triển khai mạng 4G dựa trên nền tảng hạ tầng 3G sẵn có tại tỉnh Tuyên Quang. ...................................................................................73 3.5.1 Lựa chọn tần số sử dụng cho LTE ...................................................................73 3.5.2 Lựa chọn vị trí lắp đặt eNodeB:.......................................................................75 3.5.3 Nâng cấp mạng truyền dẫn hiện tại:.................................................................76 3.5.3.1 Truyền dẫn Viba:...........................................................................................76 3.5.3.2 Truyền dẫn quang:.........................................................................................76 3.5.4. Hệ thống anten: ...............................................................................................77 3.5.5: Hệ thống nguồn DC: .......................................................................................78 3.5.6. Nâng cấp mạng lõi: .........................................................................................79 3.6. Các giải pháp thiết bị eNodeB: ..........................................................................80 3.6.1 Giải pháp của hãng Huawei: ............................................................................80 3.6.1.1 Giải pháp tổng thể hãng Huawei:..................................................................80 3.6.1.2 Giải pháp thiết bị hãng Huawei: ...................................................................82 3.6.2 Giải pháp của hãng Nokia Siemens: ................................................................82 3.6.2.1 Giải pháp tổng thể hãng Nokia Siemens:......................................................82 3.6.2.2 Giải pháp thiết bị của hãng Nokia Siemens: .................................................83 3.7 Quy hoạch phát triển mạng vô tuyến 4G/LTE mạng MobiFone tỉnh Tuyên Quang ........................................................................................................................85
vi
3.7.1 Lựa chọn giải pháp thiết bị: .............................................................................85 3.7.1.1 Giá thành: ......................................................................................................85 3.7.1.2 Khả năng vận hành khai thác: .......................................................................85 3.7.1.3 Khả năng cung ứng thiết bị và triển khai lắp đặt: .........................................85 3.7.1.4 Khả năng tương thích ngược với các hệ thống sẵn có của MobiFone:.........85 3.7.1.5 Dịch vụ hỗ trợ sau bán hàng: ........................................................................86 3.7.1.6 An toàn, bảo mật thông tin:...........................................................................86 3.8 Kết luận Chương 3:.............................................................................................88 KẾT LUẬN ....................................................................................................................89 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................91
vii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1 Các điểm khác nhau giữa WCDMA và LTE trên giao diện vô tuyến......10 Bảng 1. 2: Các điểm khác nhau giữa UMTS và LTE trên phần mạng CORE..........11 Bảng 1. 3: các tiêu chuẩn 3GPP từ UMTS lên LTE .................................................11 Bảng 2. 1: Kênh mang báo hiệu vô tuyến .................................................................40 Bảng 2. 2: Các băng tần TDD ...................................................................................45 Bảng 2. 3: Các băng tần FDD ...................................................................................45 Bảng 3. 1: Số lượng trạm thông tin di động 2G/3G trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang tính đến tháng 4/2018...............................................................................................67 Bảng 3. 2: Hiện trạng phân loại hạ tầng cột Ăng-ten thu phát sóng thông tin di động MobiFone tỉnh Tuyên Quang ....................................................................................68 Bảng 3. 3: Số lượng trạm thông tin di động 2G/3G trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang tính đến tháng 4/2018...............................................................................................69 Bảng 3. 4: Thuê bao thông tin di động tại tỉnh Tuyên Quang ..................................71 Bảng 3. 5: Chi tiết đầu cuối hỗ trợ các chế độ mạng MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang: .......................................................................................................................72 Bảng 3. 6:Nâng cấp mạng lõi PS để triển khai LTE.................................................79 Bảng 3. 7: Quy hoạch số lượng eNode B LTE trên mạng MobiFone. .....................86 Bảng 3. 8: Danh sách dự kiến các trạm lắp đặt 4G pha 1 tại tỉnh Tuyên Quang......87
viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1. 1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động ..............................................1 Hình 1. 2 Cấu trúc mức cao của GSM và UMTS .......................................................3 Hình 1. 3 Cấu trúc của mạng truy nhập vô tuyến UTRAN.........................................4 Hình 1. 4 Cấu trúc mạng Core trong 2G/3G ...............................................................5 Hình 1. 5 Tăng trưởng dữ liệu người dùng thoại và data từ 2007 đến 2011...............6 Hình 1. 6 Dự báo lưu lượng thoại và data trên toàn thế giới ......................................7 Hình 1. 7 Dung lượng Shannon trong một hệ thống truyền thông với băng thông 5, 10, 20 Mhz ..................................................................................................................7 Hình 1. 8 Sự phát triển cấu trúc hệ thống từ mạng GSM/UMTS lên LTE.................9 Hình 1. 9: LTE chỉ là một tiệm cận và là cách gọi tên chuẩn công nghệ 4G ...........12 Hình 1. 10: LTE-Advanced - Thế hệ mạng viễn thông thứ 4 ...................................13 Hình 2. 1: Cấu trúc lớp cao của LTE ........................................................................19 Hình 2. 2: Cấu trúc bên trong của UE, quy định bởi ETSI.......................................20 Hình 2. 3: Kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến UMTS tiên tiến ...............................21 Hình 2. 4: Các thanh phần chính trong mạng core LTE ...........................................23 Hình 2. 5: Cấu trúc của LTE cho thuê bao roaming .................................................25 Hình 2. 6: Mối quan hệ giữa vùng tìm kiếm, vùng pool MME và vùng dịch vụ S- GW ............................................................................................................................25 Hình 2. 7: Các định danh sử dụng bởi MME............................................................26 Hình 2. 8: Các định danh tạm thời được sử dụng bởi máy đầu cuối ........................27 Hình 2. 9: Cấu trúc giao thức mức cao trong LTE....................................................27 Hình 2. 10: Các giao thức truyền tải sử dụng trong giao diện vô tuyến ...................28 Hình 2. 11: Mối quan hệ giữa tầng truy nhập (access) và tầng không truy nhập (nonaccess) trên giao diện vô tuyến..........................................................................29 Hình 2. 12: Các giao thức truyền tải sử dụng bởi phần tử mạng cố định .................29 Hình 2. 13: Các giao thức user plan sử dụng bởi LTE..............................................31 Hình 2. 14: Các giao thức báo hiệu sử dụng trong LTE ...........................................32 Hình 2. 15: Thủ tục trao đổi năng lực UE.................................................................32 Hình 2. 16: Ngăn xếp giao thức trao đổi bản tin báo hiệu RRC giữa UE và eNB....33
ix
Hình 2. 17: Thủ tục tái chỉ định GUTI (a) Các bản tin tầng non-access và (b) truyền tải bản tin sử dụng tầng truy nhập.............................................................................33 Hình 2. 18: Ngăn xếp giao thức sử dụng để trao đổi bản tin báo hiệu tầng non- access giữa máy đầu cuối và MME...........................................................................34 Hình 2. 19: Ngăn xếp giao thức sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa máy đầu cuối và các server bên ngoài mạng khi sử dụng giao diện S5/S8 dựa trên GTP ...................35 Hình 2. 20: Kênh mang EPS dành riêng và mặc định khi sử dụng S5/S8 dựa trên GTP ...........................................................................................................................37 Hình 2. 21: Cấu trúc kênh mang LTE, khi sử dụng giao diện S5/S8 dựa trên GTP .37 Hình 2. 22: Triển khai đường hầm trên đường xuống sử dụng giao diện S5/S8 dựa trên GTP ....................................................................................................................38 Hình 2. 23: Triển khai đường hầm trên đường xuống sử dụng giao diện S5/S8 dựa trên PMIP ..................................................................................................................39 Hình 2. 24: Sơ đồ trạng thái quản lý di động EPS (EMM).......................................41 Hình 2. 25: Sơ đồ trạng thái quản lý kết nối EPS (ECM).........................................41 Hình 2. 26: Sơ đồ trạng thái điều khiển tài nguyên vô tuyến ...................................44 Hình 3. 1: Sơ đồ phân bố trạm thu phát sóng trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang .........69 Hình 3. 2: So sánh hiệu quả về mặt băng tần của HSPA+ và LTE...........................74 Hình 3. 3: Quy hoạch sử dụng tần sốmạng mobifone giai đoạn 2014-2020 ............74 Hình 3. 4: Thiết bị BBU 3910...................................................................................75 Hình 3. 5: Rack 42U thường được sử dụng trong trạm BTS ....................................76 Hình 3. 6: hệ thống anten tiêu biểu của trạm thu phát sóng di động ........................78 Hình 3. 7: Mạng PS hiện tại của MobiFone..............................................................80 Hình 3. 8:giải pháp SAE của Huawei .......................................................................81 Hình 3. 9: Thiết bị BTS 3910 của Huawei................................................................82 Hình 3. 10:Giải pháp tổng thể của NSN từ R6 HSPA đến Rel 8 hỗ trợ LTE...........83 Hình 3. 11: Giải pháp thiết bị vô tuyến NSN cho LTE.............................................84 Hình 3. 12: Giải pháp hệ thống MME/SAE GW của NSN ......................................84 Hình 3. 13: Sơ đồ phân bổ các trạm lắp đặt 4G Pha 1 tại tỉnh Tuyên Quang...........88
x
Chữ viết tắt
2G
3GPP
4G eNodeB EPC EUTRAN GGSN GPRS GW
HLR HSPA LTE MME MSC OPEX P-GW PMIP QoS RNC S5/S8 SAE SGSN S-GW UMTS UTRAN
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Giải thích
2nd Generation of Mobile Telephone Systems (GSM) Third Generation Partnership Project
4th Generation of Mobile Telephone Systems (LTE) Base Station in LTE
Evolved Packet Core
Evolved UTRAN
Gateway GPRS Support Node
General Packet Radio System / Service Gateway
Home Location Register
High Speed Packet Access
Long Term Evolution (or 4G mobile networks) Mobility Management Entity
Mobile Switching Center
Operational Expenditure / Operating Expense Packet Data Network Gateway
Proxy Mobile IP
Quality of Service
Radio Network Controller (in 3G or UMTS) Interface between S-GW and P-GW
System Architechture Evolution
Serving GPRS Support Node
Serving Gateway
Universal Mobile Telecommunication System UMTS Terrestrial Radio Access Network
xi
LỜI MỞ ĐẦU
Hiện tại công nghệ thông tin di động phát triển với tốc độ rất cao, tại Việt nam 03 nhà mạng lớn là MobiFone, Viettel, Vinaphone cạnh tranh khốc liệt để tăng thị phần. Một trong các yếu tố để giữ thuê bao là không ngừng cải thiện chất lượng mạng lưới, mở rộng vùng phủ sóng, nâng cấp công nghệ hiện đại bắt kịp với sự phát triển công nghệ trên thế giới trong đó phát triển mạng từ thế hệ 2G/3G lên thế hệ 4G là xu hướng tất yếu tại Việt nam.
Xuất phát từ công việc hiện tại là kỹ sư vận hành khai thác trực tiếp mạng thông tin di động MobiFone Miền Bắc và đồng thời đang là sinh viên cao học lớp Kỹ thuật Viễn Thông - Khóa 20 tại Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên tui đã xin nhận đề tài tốt nghiệp của mình là: “Triển khai hệ thống thông tin di động 4G/LTE cho mạng di động MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang”.
Hiện tại nhà mạng MobiFone đang dự kiến triển khai mạng 4G/LTE trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang. Tuy nhiên các thông tin mang tính kỹ thuật về các công nghệ kỹ thuật 4G/LTE và thực tiễn triển khai còn rất ít chưa đáp ứng được nhu cầu của một bộ phận cán bộ kỹ thuật, kỹ sư đang làm việc trực tiếp tại các nhà mạng. Do đó đề tài nghiên cứu về mạng thông tin di động 4G/LTE là một đáp ứng rất bức thiết trong điều kiện và thời điểm hiện tại.
Mạng 4G/LTE là một nền tảng di động thế hệ mới được thiết kế dựa trên các công nghệ phát truyền thông tin phát triển nhất, dựa trên các cơ sở lý thuyết đã được nghiên cứu đầy đủ bởi tổ chức tiêu chuẩn hóa viễn thông 3GPP. Trong mạng 4G/LTE áp dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao, kỹ thuật đa anten, đơn giản hóa phần mạng truy nhập vô tuyến cũng như phần mạng lõi để hạn chế tối đa trễ thời gian... đây là các kỹ thuật rất phức tạp vì vậy đề tài nghiên cứu mạng 4G/LTE mang ý nghĩa khoa học cao. Đặc biệt tại thời điểm hiện tại các nhà cung cấp thiết bị (Ericsson, Huawei, Alcatel..) đã cung cấp giải pháp và triển khai thương mai hóa mạng 4G/LTE trên nhiều quốc gia (Mỹ - Verizon, Nhật – NTT Docomo, Singapore - Singtel...) trong đó có Việt Nam, nên đề tài mang ý nghĩa thực tiễn cao đối với tình hình triển khai 4G trên mạng thông tin di động MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang.
Về mặt thực tế, đề tài có ý nghĩa ứng dụng cao, là tài liệu để các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật nghiên cứu, tìm hiểu để sẵn sàng làm việc khi triển khai và khai thác các
xii
công nghệ thiết bị mới trong mạng di động 4G, đảm bảo quá trình nâng cấp và triển khai và khai thác xuyên xuốt, theo đúng lộ trình đề ra.
Mục đích của đề tài là nghiên cứu công nghệ và các kỹ thuật chính sử dụng trong mạng 4G LTE, thực tiễn triển khai 4G tại Việt nam và áp dụng triển khai trên một mạng thông tin di động cụ thể là MobiFone Miền Bắc.
Phương pháp nghiên cứu của đề tài là phương pháp phân tích lý thuyết kết hợp triển khai ứng dụng thực tế trên mạng lưới. Nội dung của đề tài bao gồm:
- Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE
- Chương 2: Cấu trúc mạng thông tin di động 4G/LTE
- Chương 3: Quy hoạch mạng 4G LTE và thực tiễn triển khai áp dụng trên
mạng lưới MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang.
xiii
Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠNG 4G/LTE
Thông tin di động đã và đang chiếm lĩnh một vai trò cực kỳ quan trọng trong đời sống xã hội ngày nay. Khi xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng lên và thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của nó. Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ thế hệ di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang triển khai rộng khắp trên thế giới - thế hệ thứ 4. Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các đặc tính chung của các hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G.
1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động
Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý tưởng về thiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di động sau này. Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ.
Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đến lĩnh vực thông tin di động. Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin di động đã cải thiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được.
Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết hợp được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải được bài toán khó về dung lượng.
Hình 1. 1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động
1
Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE
1.1.1 Hệ thống thông tin di động từ 1G đến 3G
Hệ thống thông tin di động lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1980. Thế hệ đầu tiên (1G) sử dụng các kỹ thuật truyền thông tin analog hoàn toàn, kích thước cell lớn và hiệu suất sử dụng phổ kém vì vậy dung lượng rất thấp so với các hệ thống ngày nay.
Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 được giới thiệu và thương mại hóa vào đầu những năm 1990 là thế hệ sử dụng kỹ thuật số đầu tiên cho phép tận dụng tốt hơn phổ vô tuyến, và giá thành thiết bị đầu cuối rẻ và gọn nhẹ hơn. Hệ thống này đầu tiên được thiết kế để sử dụng truyền thoại sau đó được mở rộng ra để truyền tin nhắn SMS. Hệ thống 2G phổ biến nhất trên thế giới là GSM (Global System for Mobile Communications) sử dụng ban đầu tại Châu Âu sau đó phổ biến trên toàn thế giới, bên cạnh đó có CDMAOne phổ biến tại Mỹ, Nhật và Hàn Quốc. Do thời điểm xuất hiện hệ thống di động 2G cũng là thời điểm xuất hiện internet vì vậy các tổ chức tiêu chuẩn hóa đã nâng cấp cấu trúc của hệ thống 2G tại phần mạng lõi và giao diện vô tuyến để cho phép người sử dụng có thể sử dụng các dịch vụ data trên thiết bị đầu cuối, kết quả là hệ thống 2.5G GPRS (General Packet Radio Service), IS95 được phát triển cho phép xử lý cả thoại và dữ liệu. Ngoài ra để cải thiện tốc độ truyền dữ liệu, thế hệ 2.75G EDGE ra đời cải thiện hiệu năng của GSM Enhanced Data Rates for GSM Evolution.
Thế hệ 2G/2.75G vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu của khách hàng về tốc độ truyền/nhận dữ liệu vì vậy hệ thống thông tin di động thế hệ 3/3.5G ra đời sử dụng các kỹ thuật khác các thế hệ trước nó trên giao diện vô tuyến cho phép cải thiện tốc độ đỉnh của dữ liệu và đặc biệt sử dụng kỹ thuật trải phổ vì vậy phổ tín hiệu vô tuyến được tận dụng tốt hơn 2G.
1.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 2G/3G
Một mạng di động được gọi là một PLMN được vận hành bởi một nhà mạng gọi là network operator. Mạng di động thế hệ 2 GSM và thế hệ 3 UMTS chia sẻ chung một cấu trúc mạng như hình sau:
3.5.6. Nâng cấp mạng lõi:
Hỗ trợ CSFB (Circuit Switched Fallback); Hỗ trợ mạng đa cấu trúc HetNet (Heterogeneous Network); Hỗ trợ chức năng tự tổ chức mạng SON (Self Organizing Network); Hỗ trợ VoLTE; và Hỗ trợ IPv4 và IPv6. Bên cạnh đó để hỗ trợ công nghệ 4G MobiFone cũng đã tiến hành nâng cấp hệ thống core hiện tại, hệ thống quản lý giám sát cũng đã được hoàn thiện,...
Để chuẩn bị cho việc triển khai 4G/LTE, MobiFone đã triển khai nâng cấp hệ thống cơ sở vật chất, mạng lưới để tạo nền tảng vững chắc. Theo đối các thiết bị sử dụng bao gồm các phân hệ mạng core và truy nhập vô tuyến của các nhà cung cấp thiết bị uy tín như Ericsson, Huawei, Nokia – Siemens... được triển khai trong việc thử nghiệm 4G/LTE-A nhằm đáp ứng tuân thủ tiêu chuẩn 3GPP Release 10 trở lên; Hỗ trợ CA (Carrier Aggregation); Hỗ trợ CSFB (Circuit Switched Fallback); Hỗ trợ mạng đa cấu trúc HetNet (Heterogeneous Network); Hỗ trợ chức năng tự tổ chức mạng SON (Self Organizing Network); Hỗ trợ VoLTE; và Hỗ trợ IPv4 và IPv6. Bên cạnh đó để hỗ trợ công nghệ 4G MobiFone cũng đã tiến hành nâng cấp hệ thống core hiện tại, hệ thống quản lý giám sát cũng đã được hoàn thiện,...
Hiện nay mạng lõi của VMS có 14 nodes SGSN và 8 Node GGSN (của NSN) với các phiên bản như sau:
Bảng 3. 6:Nâng cấp mạng lõi PS để triển khai LTE
79
Node
Hiện tại LTE
No of Node
Release/Type
Option 1
Option 2
SGSN
14
SG6.0
- Upgrade to Flexi NS 3.0 (Dec-2011)
- New Flexi NS1.0 (available now)
GGSN
8
FISN3.2
- Flexi ISN 6 (Q3- 2011)
- New Flexi NG10 (available now)
Thực tế mạng lõi LTE đã được nâng cấp từ các hệ thống SGSN/GGSN cũ lên hệ thống mới cho phép triển khai các chức năng MME, S-GW, P-GW.
Hình 3. 7: Mạng PS hiện tại của MobiFone
(nguồn: Đề án quy hoạch mạng vô tuyến MobiFone 2014-2020)
3.6. Các giải pháp thiết bị eNodeB: 3.6.1 Giải pháp của hãng Huawei:
3.6.1.1 Giải pháp tổng thể hãng Huawei:
Huawei hiện đang là một trong những nhà cung cấp giải pháp viễn thông hàng đầu thế giới, hãng này đã bắt đầu nghiên cứu LTE từ hơn 10 năm trước đây. Vào năm 2008, Huawei đã tiến hành thành công một loạt các cuộc kiểm tra và thử nghiệm LTE với hãng China Mobile, Softbank, Vodafone và các nhà mạng hàng
80
đầu thế giới khác. Năm 2008, với sự ra đời của nền tảng Unified BTS cho các công nghệ truy nhập LTE, GSM, UMTS, CDMA và TD-SCDMA, Huawei là hãng cung cấp đầu tiên mô phỏng chức năng dual UMTS/LTE, dual CDMA/LTE và dual TD- SCDMA/LTE. Giải pháp đa băng tần và đa chế độ của Huawei đảm bảo quá trình nâng cấp thuận lợi và hiệu quả từ mạng 2G/3G lên mạng LTE. Vào tháng 12 năm 2008, Huawei ký kết hợp đồng thương mại LTE đầu tiên trên thế giới đánh dấu tiềm năng và thế mạnh về các sản phẩm thiết bị LTE. Vào Q2/2009, Huawei là một trong những nhà cung cấp đầu tiên giới thiệu giải pháp và sản phẩm thương mại cho LTE. Đến năm 2010, TeliaSonera tiến hành xây dựng mạng LTE thương mại dựa trên công nghệ của Huawei.
Hình 3.8: Giải pháp SAE của Huawei
Huawei đã phát triển một vài công nghệ vô tuyến tiên tiến chẳng hạn như Adaptive MIMO, Soft Frequency Reuse và Advanced Receiver IRC. Các công nghệ này đóng vài trò làm tăng độ ổn định kênh vô tuyến, dung lượng cell và vùng phủ tổng thể của LTE. Giải pháp LTE cũng dựa trên cấu trúc mạng di động IP phẳng, tốc độ cao, trễ truyền thấp và hiệu quả sử dụng tần số cao. Các thử nghiệm cho thấy tốc độ dữ liệu tối đa LTE của Huawei đạt 173Mbps với tỷ lệ thành công cuộc gọi trên 99%. Tốc độ di chuyển tối đa lên tới 350km/h. Một thành tựu khác của Huawei là việc sử dụng bộ khuyếch đại công suất hiệu năng cao và ứng dụng của nó vào
81
thiết kế vô tuyến. Điều này giúp cho công suất tiêu thụ giảm đến 23%.
Huawei giới thiệu giải pháp tổng thể sản phẩm LTE cho cả thiết bị đầu cuối, OAM, eNodeB, ePCs, truyền dẫn và QoS và cổng dịch vụ SAE GW. eNodeB của Huawei hỗ trợ gần như toàn bộ các băng tần cho di động 700/850/900Mhz, 2.1/2.6GHz với độ rộng băng gốc từ 1.4-20MHz. Các giao diện, chức năng bên trong được đồng nhất cho chia sẻ modul để đảm bảo cho quá trình chuyển đổi và
nâng cấp trong tương lai.
3.6.1.2 Giải pháp thiết bị hãng Huawei:
Thế hệ BTS thứ 4 ứng dụng giải pháp SingleRAN hội tụ cho phép triển khai toàn bộ các công nghệ truy nhập vô tuyến hiện có trong một thiết bị BTS. Các eNodeB LTE của Huawei bao gồm các trạm macro BTS3900 trong nhà, macro BTS3900A ngoài trời và trạm phân tán DBS3900. BTS3900 và BTS3900A được sản xuất trong Quý 2/2010. Nền tảng BTS3900 cho phép triển khai đồng thời cả GSM và UMTS.Với khả năng cài đặt các mạch xử lý các chế độ truy nhập khác nhau vào trong cùng hệ thống xử lý băng gốc BBU, BTS có thể làm việc ở chế độ single mode hay dual mode. Sử dụng chung truyền dẫn và quản lý mạng hợp nhất cho GSM, UMTS và LTE.
Hình 3. 9: Thiết bị BTS 3910 của Huawei
3.6.2 Giải pháp của hãng Nokia Siemens:
3.6.2.1 Giải pháp tổng thể hãng Nokia Siemens:
Hiện tại mạng lõi PS của MobiFone sử dụng dịch vụ và thiết bị của NSN vì vậy NSN đã đưa ra các giải pháp cho phép tương thích ngược với các thiết bị hiện có.
82
Hình 3. 10:Giải pháp tổng thể của NSN từ R6 HSPA đến Rel 8 hỗ trợ LTE
Từ Rel 7 Internet HSPA NSN đã cung cấp giải pháp cho phép:
- Đưa ra mộ hình cấu trúc mạng đồng nhất đầu tiên cho WCDMA
- Phần lớn các chức năng RNC được tập trung ở NodeB
- Kênh đường hầm kết nối trực tiếp từ GGSN tới NodeB, giảm thời gian trễ
truyền do truyền tải qua ít nút mạng RAN hơn
- Có thể triển khai tương thích với các trạm gốc WCDMA hiện tại của NSN
- Chi phí truyền dẫn giảm đáng kể
Đến thế hệ Rel 8 các sản phầm phiên bản 3GPP Rel8 bắt đầu hỗ trợ công nghệ LTE:
- Cấu trúc mạng đồng nhất tương tự với I-HSPA
- Mạng truyền tải IP hoàn toàn
3.6.2.2 Giải pháp thiết bị của hãng Nokia Siemens:
Thiết bị vô tuyến trạm gốc eNodeB:
SAE Gateway và MME:
NSN giới thiệu hai giải pháp triển khai phần tử mạng MME cho LTE:
- Nâng cấp thêm chức năng MME cho phần tử mạng lõi dữ liệu SGSN.
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
Triển Khai Hệ Thống Thông Tin Di Động 4G-LTE Cho Mạng Di Động Mobifone Tại Tỉnh Tuyên Quang
Hiện tại công nghệ thông tin di động phát triển với tốc độ rất cao, tại Việt nam 03 nhà mạng lớn là MobiFone, Viettel, Vinaphone cạnh tranh khốc liệt để tăng thị phần. Một trong các yếu tố để giữ thuê bao là không ngừng cải thiện chất lượng mạng lưới, mở rộng vùng phủ sóng, nâng cấp công nghệ hiện đại bắt kịp với sự phát triển công nghệ trên thế giới trong đó phát triển mạng từ thế hệ 2G/3G lên thế hệ 4G là xu hướng tất yếu tại Việt nam. Xuất phát từ công việc hiện tại là kỹ sư vận hành khai thác trực tiếp mạng thông tin di động MobiFone Miền Bắc và đồng thời đang là sinh viên cao học lớp Kỹ thuật Viễn Thông - Khóa 20 tại Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên tui đã xin nhận đề tài tốt nghiệp của mình là: “Triển khai hệ thống thông tin di động 4G/LTE cho mạng di động MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang”.
MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN..............................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ....................................................................... ix CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠNG 4G/LTE................................1 1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động ........................................................1 1.1.1 Hệ thống thông tin di động từ 1G đến 3G..........................................................2 1.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 2G/3G ............................................2 1.2 Nhu cầu tiến lên 4G LTE ......................................................................................6 1.2.1 Tăng trưởng dữ liệu người dùng ........................................................................6 1.2.2 Dung lượng hệ thống thông tin di động (lý thuyết shannon).............................6 1.2.3 Tăng dung lượng hệ thống .................................................................................8 1.2.4 Các yếu tố khác tiến lên LTE.............................................................................8 1.3 Từ 3G tiến lên 4G LTE .........................................................................................9 1.3.1 LTE.....................................................................................................................9 1.3.2 Cải tiến phần mạng lõi .....................................................................................10 1.3.3 Hệ thống thông tin di động 4G.........................................................................11 1.3.4 Các tiêu chuẩn 3GPP cho LTE ........................................................................11 1.3.5 Sự khác biệt giữa mạng 4G và LTE.................................................................12 1.3.6 Sự tiến hóa LTE lên 4G ...................................................................................13 1.4 Kết luận Chương 1: ..................................................................................................17 CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE ......................19 2.1 Kiến trúc của LTE...............................................................................................19 2.1.1 Cấu trúc tổng quát ............................................................................................19 2.1.2 Thiết bị người dùng..........................................................................................19 2.1.3 Mạng truy nhập vô tuyến tiên tiến ...................................................................21 2.1.4 Mạng Core trong LTE......................................................................................22 2.1.5 Cấu trúc roaming..............................................................................................24 2.1.6 Vùng mạng (network area)...............................................................................25 2.1.7 Định danh, địa chỉ, đánh số..............................................................................26
iv
2.2 Các giao thức thông tin .......................................................................................27 2.2.1 Mô hình giao thức ............................................................................................27 2.2.2 Các giao thức truyền tải giao diện vô tuyến.....................................................29 2.2.3 Các giao thức truyền tải giao diện mạng cố định.............................................30 2.2.4 Các giao thức người dùng (user plane) ............................................................30 2.2.5 Các giao thức báo hiệu.....................................................................................31 2.3 Một vài ví dụ về điều khiển cuộc gọi..................................................................33 2.3.1 Báo hiệu lớp truy nhập .....................................................................................33 2.3.2 Báo hiệu lớp truyền tải dữ liệu.........................................................................34 2.4 Quản lý tài nguyên ..............................................................................................35 2.4.1 Kênh mang EPS ...............................................................................................35 2.4.2 Kỹ thuật đường hầm tunneling sử dụng GTP ..................................................38 2.4.3 Kỹ thuật đường hầm sử dụng GRE và PMIP ...................................................39 2.4.4 Kênh mang báo hiệu vô tuyến..........................................................................40 2.5 Sơ đồ trạng thái ...................................................................................................41 2.5.1 Quản lý trạng thái di động EPS........................................................................41 2.5.2 Quản lý kết nối EPS .........................................................................................42 2.5.3 Điều khiển tài nguyên vô tuyến .......................................................................43 2.6 Ấn định phổ.........................................................................................................44 2.7 Các kỹ thuật được dung trong 4G LTE...............................................................45 2.7.1 Ghép kênh theo tần số trực giao.......................................................................46 2.7.2 OFDMA trong thông tin di động .....................................................................51 2.7.3 Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang ........................................58 2.8 Quy trình quy hoạch mạng LTE ..............................................................................62 2.8.1 Khái quát về quá trình quy hoạch mạng LTE ..................................................62 2.8.2 Dự báo lưu lượng và phân tích vùng phủ.........................................................62 2.8.2.1 Dự báo lưu lượng ..........................................................................................62 2.8.2.2 Phân tích vùng phủ........................................................................................64 2.8.2.3 Quy hoạch chi tiết .........................................................................................64 2.8.2.4 Quy hoạch vùng phủ .....................................................................................64 2.8.3 Quy hoạch dung lượng....................................................................................65 2.8.4 Tối ưu mạng .....................................................................................................65
v
2.9 Kết luận Chương 2 :............................................................................................66 CHƯƠNG 3: QUY HOẠCH MẠNG 4G/LTE VÀ THỰC TIỄN TRIỂN KHAI ÁP DỤNG TRÊN MẠNG LƯỚI MOBIFONE TỈNH TUYÊN QUANG ........................66 3.1 Thực trạng hạ tầng mạng thông tin di động MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang. .67 3.1.1 Hiện trạng CSHT nhà trạm: .............................................................................67 3.1.1.1. Phân bố trạm thu phát sóng:.........................................................................67 3.1.1.2. Hạ tầng cột Ăng-ten: ....................................................................................67 3.1.2 Hiện trạng hạ tầng truyền dẫn: .........................................................................69 3.2 Đánh giá chung hiện trạng hạ tầng mạng lưới MobiFone: .................................69 3.2.1 Kết quả đạt được ..............................................................................................69 3.2.2 Tồn tại và hạn chế ............................................................................................70 3.3 Hiện trạng sử dụng dịch vụ của thuê bao MobiFone tại Tuyên Quang:.................70 3.4 Định hướng triển khai 4G/LTE tại tỉnh Tuyên Quang:...........................................71 3.5 Những thách thức và giải pháp khi triển khai mạng 4G dựa trên nền tảng hạ tầng 3G sẵn có tại tỉnh Tuyên Quang. ...................................................................................73 3.5.1 Lựa chọn tần số sử dụng cho LTE ...................................................................73 3.5.2 Lựa chọn vị trí lắp đặt eNodeB:.......................................................................75 3.5.3 Nâng cấp mạng truyền dẫn hiện tại:.................................................................76 3.5.3.1 Truyền dẫn Viba:...........................................................................................76 3.5.3.2 Truyền dẫn quang:.........................................................................................76 3.5.4. Hệ thống anten: ...............................................................................................77 3.5.5: Hệ thống nguồn DC: .......................................................................................78 3.5.6. Nâng cấp mạng lõi: .........................................................................................79 3.6. Các giải pháp thiết bị eNodeB: ..........................................................................80 3.6.1 Giải pháp của hãng Huawei: ............................................................................80 3.6.1.1 Giải pháp tổng thể hãng Huawei:..................................................................80 3.6.1.2 Giải pháp thiết bị hãng Huawei: ...................................................................82 3.6.2 Giải pháp của hãng Nokia Siemens: ................................................................82 3.6.2.1 Giải pháp tổng thể hãng Nokia Siemens:......................................................82 3.6.2.2 Giải pháp thiết bị của hãng Nokia Siemens: .................................................83 3.7 Quy hoạch phát triển mạng vô tuyến 4G/LTE mạng MobiFone tỉnh Tuyên Quang ........................................................................................................................85
vi
3.7.1 Lựa chọn giải pháp thiết bị: .............................................................................85 3.7.1.1 Giá thành: ......................................................................................................85 3.7.1.2 Khả năng vận hành khai thác: .......................................................................85 3.7.1.3 Khả năng cung ứng thiết bị và triển khai lắp đặt: .........................................85 3.7.1.4 Khả năng tương thích ngược với các hệ thống sẵn có của MobiFone:.........85 3.7.1.5 Dịch vụ hỗ trợ sau bán hàng: ........................................................................86 3.7.1.6 An toàn, bảo mật thông tin:...........................................................................86 3.8 Kết luận Chương 3:.............................................................................................88 KẾT LUẬN ....................................................................................................................89 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................91
vii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1 Các điểm khác nhau giữa WCDMA và LTE trên giao diện vô tuyến......10 Bảng 1. 2: Các điểm khác nhau giữa UMTS và LTE trên phần mạng CORE..........11 Bảng 1. 3: các tiêu chuẩn 3GPP từ UMTS lên LTE .................................................11 Bảng 2. 1: Kênh mang báo hiệu vô tuyến .................................................................40 Bảng 2. 2: Các băng tần TDD ...................................................................................45 Bảng 2. 3: Các băng tần FDD ...................................................................................45 Bảng 3. 1: Số lượng trạm thông tin di động 2G/3G trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang tính đến tháng 4/2018...............................................................................................67 Bảng 3. 2: Hiện trạng phân loại hạ tầng cột Ăng-ten thu phát sóng thông tin di động MobiFone tỉnh Tuyên Quang ....................................................................................68 Bảng 3. 3: Số lượng trạm thông tin di động 2G/3G trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang tính đến tháng 4/2018...............................................................................................69 Bảng 3. 4: Thuê bao thông tin di động tại tỉnh Tuyên Quang ..................................71 Bảng 3. 5: Chi tiết đầu cuối hỗ trợ các chế độ mạng MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang: .......................................................................................................................72 Bảng 3. 6:Nâng cấp mạng lõi PS để triển khai LTE.................................................79 Bảng 3. 7: Quy hoạch số lượng eNode B LTE trên mạng MobiFone. .....................86 Bảng 3. 8: Danh sách dự kiến các trạm lắp đặt 4G pha 1 tại tỉnh Tuyên Quang......87
viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1. 1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động ..............................................1 Hình 1. 2 Cấu trúc mức cao của GSM và UMTS .......................................................3 Hình 1. 3 Cấu trúc của mạng truy nhập vô tuyến UTRAN.........................................4 Hình 1. 4 Cấu trúc mạng Core trong 2G/3G ...............................................................5 Hình 1. 5 Tăng trưởng dữ liệu người dùng thoại và data từ 2007 đến 2011...............6 Hình 1. 6 Dự báo lưu lượng thoại và data trên toàn thế giới ......................................7 Hình 1. 7 Dung lượng Shannon trong một hệ thống truyền thông với băng thông 5, 10, 20 Mhz ..................................................................................................................7 Hình 1. 8 Sự phát triển cấu trúc hệ thống từ mạng GSM/UMTS lên LTE.................9 Hình 1. 9: LTE chỉ là một tiệm cận và là cách gọi tên chuẩn công nghệ 4G ...........12 Hình 1. 10: LTE-Advanced - Thế hệ mạng viễn thông thứ 4 ...................................13 Hình 2. 1: Cấu trúc lớp cao của LTE ........................................................................19 Hình 2. 2: Cấu trúc bên trong của UE, quy định bởi ETSI.......................................20 Hình 2. 3: Kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến UMTS tiên tiến ...............................21 Hình 2. 4: Các thanh phần chính trong mạng core LTE ...........................................23 Hình 2. 5: Cấu trúc của LTE cho thuê bao roaming .................................................25 Hình 2. 6: Mối quan hệ giữa vùng tìm kiếm, vùng pool MME và vùng dịch vụ S- GW ............................................................................................................................25 Hình 2. 7: Các định danh sử dụng bởi MME............................................................26 Hình 2. 8: Các định danh tạm thời được sử dụng bởi máy đầu cuối ........................27 Hình 2. 9: Cấu trúc giao thức mức cao trong LTE....................................................27 Hình 2. 10: Các giao thức truyền tải sử dụng trong giao diện vô tuyến ...................28 Hình 2. 11: Mối quan hệ giữa tầng truy nhập (access) và tầng không truy nhập (nonaccess) trên giao diện vô tuyến..........................................................................29 Hình 2. 12: Các giao thức truyền tải sử dụng bởi phần tử mạng cố định .................29 Hình 2. 13: Các giao thức user plan sử dụng bởi LTE..............................................31 Hình 2. 14: Các giao thức báo hiệu sử dụng trong LTE ...........................................32 Hình 2. 15: Thủ tục trao đổi năng lực UE.................................................................32 Hình 2. 16: Ngăn xếp giao thức trao đổi bản tin báo hiệu RRC giữa UE và eNB....33
ix
Hình 2. 17: Thủ tục tái chỉ định GUTI (a) Các bản tin tầng non-access và (b) truyền tải bản tin sử dụng tầng truy nhập.............................................................................33 Hình 2. 18: Ngăn xếp giao thức sử dụng để trao đổi bản tin báo hiệu tầng non- access giữa máy đầu cuối và MME...........................................................................34 Hình 2. 19: Ngăn xếp giao thức sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa máy đầu cuối và các server bên ngoài mạng khi sử dụng giao diện S5/S8 dựa trên GTP ...................35 Hình 2. 20: Kênh mang EPS dành riêng và mặc định khi sử dụng S5/S8 dựa trên GTP ...........................................................................................................................37 Hình 2. 21: Cấu trúc kênh mang LTE, khi sử dụng giao diện S5/S8 dựa trên GTP .37 Hình 2. 22: Triển khai đường hầm trên đường xuống sử dụng giao diện S5/S8 dựa trên GTP ....................................................................................................................38 Hình 2. 23: Triển khai đường hầm trên đường xuống sử dụng giao diện S5/S8 dựa trên PMIP ..................................................................................................................39 Hình 2. 24: Sơ đồ trạng thái quản lý di động EPS (EMM).......................................41 Hình 2. 25: Sơ đồ trạng thái quản lý kết nối EPS (ECM).........................................41 Hình 2. 26: Sơ đồ trạng thái điều khiển tài nguyên vô tuyến ...................................44 Hình 3. 1: Sơ đồ phân bố trạm thu phát sóng trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang .........69 Hình 3. 2: So sánh hiệu quả về mặt băng tần của HSPA+ và LTE...........................74 Hình 3. 3: Quy hoạch sử dụng tần sốmạng mobifone giai đoạn 2014-2020 ............74 Hình 3. 4: Thiết bị BBU 3910...................................................................................75 Hình 3. 5: Rack 42U thường được sử dụng trong trạm BTS ....................................76 Hình 3. 6: hệ thống anten tiêu biểu của trạm thu phát sóng di động ........................78 Hình 3. 7: Mạng PS hiện tại của MobiFone..............................................................80 Hình 3. 8:giải pháp SAE của Huawei .......................................................................81 Hình 3. 9: Thiết bị BTS 3910 của Huawei................................................................82 Hình 3. 10:Giải pháp tổng thể của NSN từ R6 HSPA đến Rel 8 hỗ trợ LTE...........83 Hình 3. 11: Giải pháp thiết bị vô tuyến NSN cho LTE.............................................84 Hình 3. 12: Giải pháp hệ thống MME/SAE GW của NSN ......................................84 Hình 3. 13: Sơ đồ phân bổ các trạm lắp đặt 4G Pha 1 tại tỉnh Tuyên Quang...........88
x
Chữ viết tắt
2G
3GPP
4G eNodeB EPC EUTRAN GGSN GPRS GW
HLR HSPA LTE MME MSC OPEX P-GW PMIP QoS RNC S5/S8 SAE SGSN S-GW UMTS UTRAN
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Giải thích
2nd Generation of Mobile Telephone Systems (GSM) Third Generation Partnership Project
4th Generation of Mobile Telephone Systems (LTE) Base Station in LTE
Evolved Packet Core
Evolved UTRAN
Gateway GPRS Support Node
General Packet Radio System / Service Gateway
Home Location Register
High Speed Packet Access
Long Term Evolution (or 4G mobile networks) Mobility Management Entity
Mobile Switching Center
Operational Expenditure / Operating Expense Packet Data Network Gateway
Proxy Mobile IP
Quality of Service
Radio Network Controller (in 3G or UMTS) Interface between S-GW and P-GW
System Architechture Evolution
Serving GPRS Support Node
Serving Gateway
Universal Mobile Telecommunication System UMTS Terrestrial Radio Access Network
xi
LỜI MỞ ĐẦU
Hiện tại công nghệ thông tin di động phát triển với tốc độ rất cao, tại Việt nam 03 nhà mạng lớn là MobiFone, Viettel, Vinaphone cạnh tranh khốc liệt để tăng thị phần. Một trong các yếu tố để giữ thuê bao là không ngừng cải thiện chất lượng mạng lưới, mở rộng vùng phủ sóng, nâng cấp công nghệ hiện đại bắt kịp với sự phát triển công nghệ trên thế giới trong đó phát triển mạng từ thế hệ 2G/3G lên thế hệ 4G là xu hướng tất yếu tại Việt nam.
Xuất phát từ công việc hiện tại là kỹ sư vận hành khai thác trực tiếp mạng thông tin di động MobiFone Miền Bắc và đồng thời đang là sinh viên cao học lớp Kỹ thuật Viễn Thông - Khóa 20 tại Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên tui đã xin nhận đề tài tốt nghiệp của mình là: “Triển khai hệ thống thông tin di động 4G/LTE cho mạng di động MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang”.
Hiện tại nhà mạng MobiFone đang dự kiến triển khai mạng 4G/LTE trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang. Tuy nhiên các thông tin mang tính kỹ thuật về các công nghệ kỹ thuật 4G/LTE và thực tiễn triển khai còn rất ít chưa đáp ứng được nhu cầu của một bộ phận cán bộ kỹ thuật, kỹ sư đang làm việc trực tiếp tại các nhà mạng. Do đó đề tài nghiên cứu về mạng thông tin di động 4G/LTE là một đáp ứng rất bức thiết trong điều kiện và thời điểm hiện tại.
Mạng 4G/LTE là một nền tảng di động thế hệ mới được thiết kế dựa trên các công nghệ phát truyền thông tin phát triển nhất, dựa trên các cơ sở lý thuyết đã được nghiên cứu đầy đủ bởi tổ chức tiêu chuẩn hóa viễn thông 3GPP. Trong mạng 4G/LTE áp dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao, kỹ thuật đa anten, đơn giản hóa phần mạng truy nhập vô tuyến cũng như phần mạng lõi để hạn chế tối đa trễ thời gian... đây là các kỹ thuật rất phức tạp vì vậy đề tài nghiên cứu mạng 4G/LTE mang ý nghĩa khoa học cao. Đặc biệt tại thời điểm hiện tại các nhà cung cấp thiết bị (Ericsson, Huawei, Alcatel..) đã cung cấp giải pháp và triển khai thương mai hóa mạng 4G/LTE trên nhiều quốc gia (Mỹ - Verizon, Nhật – NTT Docomo, Singapore - Singtel...) trong đó có Việt Nam, nên đề tài mang ý nghĩa thực tiễn cao đối với tình hình triển khai 4G trên mạng thông tin di động MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang.
Về mặt thực tế, đề tài có ý nghĩa ứng dụng cao, là tài liệu để các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật nghiên cứu, tìm hiểu để sẵn sàng làm việc khi triển khai và khai thác các
xii
công nghệ thiết bị mới trong mạng di động 4G, đảm bảo quá trình nâng cấp và triển khai và khai thác xuyên xuốt, theo đúng lộ trình đề ra.
Mục đích của đề tài là nghiên cứu công nghệ và các kỹ thuật chính sử dụng trong mạng 4G LTE, thực tiễn triển khai 4G tại Việt nam và áp dụng triển khai trên một mạng thông tin di động cụ thể là MobiFone Miền Bắc.
Phương pháp nghiên cứu của đề tài là phương pháp phân tích lý thuyết kết hợp triển khai ứng dụng thực tế trên mạng lưới. Nội dung của đề tài bao gồm:
- Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE
- Chương 2: Cấu trúc mạng thông tin di động 4G/LTE
- Chương 3: Quy hoạch mạng 4G LTE và thực tiễn triển khai áp dụng trên
mạng lưới MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang.
xiii
Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠNG 4G/LTE
Thông tin di động đã và đang chiếm lĩnh một vai trò cực kỳ quan trọng trong đời sống xã hội ngày nay. Khi xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng lên và thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của nó. Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ thế hệ di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang triển khai rộng khắp trên thế giới - thế hệ thứ 4. Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các đặc tính chung của các hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G.
1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động
Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý tưởng về thiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di động sau này. Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ.
Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đến lĩnh vực thông tin di động. Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin di động đã cải thiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được.
Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết hợp được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải được bài toán khó về dung lượng.
Hình 1. 1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động
1
Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE
1.1.1 Hệ thống thông tin di động từ 1G đến 3G
Hệ thống thông tin di động lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1980. Thế hệ đầu tiên (1G) sử dụng các kỹ thuật truyền thông tin analog hoàn toàn, kích thước cell lớn và hiệu suất sử dụng phổ kém vì vậy dung lượng rất thấp so với các hệ thống ngày nay.
Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 được giới thiệu và thương mại hóa vào đầu những năm 1990 là thế hệ sử dụng kỹ thuật số đầu tiên cho phép tận dụng tốt hơn phổ vô tuyến, và giá thành thiết bị đầu cuối rẻ và gọn nhẹ hơn. Hệ thống này đầu tiên được thiết kế để sử dụng truyền thoại sau đó được mở rộng ra để truyền tin nhắn SMS. Hệ thống 2G phổ biến nhất trên thế giới là GSM (Global System for Mobile Communications) sử dụng ban đầu tại Châu Âu sau đó phổ biến trên toàn thế giới, bên cạnh đó có CDMAOne phổ biến tại Mỹ, Nhật và Hàn Quốc. Do thời điểm xuất hiện hệ thống di động 2G cũng là thời điểm xuất hiện internet vì vậy các tổ chức tiêu chuẩn hóa đã nâng cấp cấu trúc của hệ thống 2G tại phần mạng lõi và giao diện vô tuyến để cho phép người sử dụng có thể sử dụng các dịch vụ data trên thiết bị đầu cuối, kết quả là hệ thống 2.5G GPRS (General Packet Radio Service), IS95 được phát triển cho phép xử lý cả thoại và dữ liệu. Ngoài ra để cải thiện tốc độ truyền dữ liệu, thế hệ 2.75G EDGE ra đời cải thiện hiệu năng của GSM Enhanced Data Rates for GSM Evolution.
Thế hệ 2G/2.75G vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu của khách hàng về tốc độ truyền/nhận dữ liệu vì vậy hệ thống thông tin di động thế hệ 3/3.5G ra đời sử dụng các kỹ thuật khác các thế hệ trước nó trên giao diện vô tuyến cho phép cải thiện tốc độ đỉnh của dữ liệu và đặc biệt sử dụng kỹ thuật trải phổ vì vậy phổ tín hiệu vô tuyến được tận dụng tốt hơn 2G.
1.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 2G/3G
Một mạng di động được gọi là một PLMN được vận hành bởi một nhà mạng gọi là network operator. Mạng di động thế hệ 2 GSM và thế hệ 3 UMTS chia sẻ chung một cấu trúc mạng như hình sau:
3.5.6. Nâng cấp mạng lõi:
Hỗ trợ CSFB (Circuit Switched Fallback); Hỗ trợ mạng đa cấu trúc HetNet (Heterogeneous Network); Hỗ trợ chức năng tự tổ chức mạng SON (Self Organizing Network); Hỗ trợ VoLTE; và Hỗ trợ IPv4 và IPv6. Bên cạnh đó để hỗ trợ công nghệ 4G MobiFone cũng đã tiến hành nâng cấp hệ thống core hiện tại, hệ thống quản lý giám sát cũng đã được hoàn thiện,...
Để chuẩn bị cho việc triển khai 4G/LTE, MobiFone đã triển khai nâng cấp hệ thống cơ sở vật chất, mạng lưới để tạo nền tảng vững chắc. Theo đối các thiết bị sử dụng bao gồm các phân hệ mạng core và truy nhập vô tuyến của các nhà cung cấp thiết bị uy tín như Ericsson, Huawei, Nokia – Siemens... được triển khai trong việc thử nghiệm 4G/LTE-A nhằm đáp ứng tuân thủ tiêu chuẩn 3GPP Release 10 trở lên; Hỗ trợ CA (Carrier Aggregation); Hỗ trợ CSFB (Circuit Switched Fallback); Hỗ trợ mạng đa cấu trúc HetNet (Heterogeneous Network); Hỗ trợ chức năng tự tổ chức mạng SON (Self Organizing Network); Hỗ trợ VoLTE; và Hỗ trợ IPv4 và IPv6. Bên cạnh đó để hỗ trợ công nghệ 4G MobiFone cũng đã tiến hành nâng cấp hệ thống core hiện tại, hệ thống quản lý giám sát cũng đã được hoàn thiện,...
Hiện nay mạng lõi của VMS có 14 nodes SGSN và 8 Node GGSN (của NSN) với các phiên bản như sau:
Bảng 3. 6:Nâng cấp mạng lõi PS để triển khai LTE
79
Node
Hiện tại LTE
No of Node
Release/Type
Option 1
Option 2
SGSN
14
SG6.0
- Upgrade to Flexi NS 3.0 (Dec-2011)
- New Flexi NS1.0 (available now)
GGSN
8
FISN3.2
- Flexi ISN 6 (Q3- 2011)
- New Flexi NG10 (available now)
Thực tế mạng lõi LTE đã được nâng cấp từ các hệ thống SGSN/GGSN cũ lên hệ thống mới cho phép triển khai các chức năng MME, S-GW, P-GW.
Hình 3. 7: Mạng PS hiện tại của MobiFone
(nguồn: Đề án quy hoạch mạng vô tuyến MobiFone 2014-2020)
3.6. Các giải pháp thiết bị eNodeB: 3.6.1 Giải pháp của hãng Huawei:
3.6.1.1 Giải pháp tổng thể hãng Huawei:
Huawei hiện đang là một trong những nhà cung cấp giải pháp viễn thông hàng đầu thế giới, hãng này đã bắt đầu nghiên cứu LTE từ hơn 10 năm trước đây. Vào năm 2008, Huawei đã tiến hành thành công một loạt các cuộc kiểm tra và thử nghiệm LTE với hãng China Mobile, Softbank, Vodafone và các nhà mạng hàng
80
đầu thế giới khác. Năm 2008, với sự ra đời của nền tảng Unified BTS cho các công nghệ truy nhập LTE, GSM, UMTS, CDMA và TD-SCDMA, Huawei là hãng cung cấp đầu tiên mô phỏng chức năng dual UMTS/LTE, dual CDMA/LTE và dual TD- SCDMA/LTE. Giải pháp đa băng tần và đa chế độ của Huawei đảm bảo quá trình nâng cấp thuận lợi và hiệu quả từ mạng 2G/3G lên mạng LTE. Vào tháng 12 năm 2008, Huawei ký kết hợp đồng thương mại LTE đầu tiên trên thế giới đánh dấu tiềm năng và thế mạnh về các sản phẩm thiết bị LTE. Vào Q2/2009, Huawei là một trong những nhà cung cấp đầu tiên giới thiệu giải pháp và sản phẩm thương mại cho LTE. Đến năm 2010, TeliaSonera tiến hành xây dựng mạng LTE thương mại dựa trên công nghệ của Huawei.
Hình 3.8: Giải pháp SAE của Huawei
Huawei đã phát triển một vài công nghệ vô tuyến tiên tiến chẳng hạn như Adaptive MIMO, Soft Frequency Reuse và Advanced Receiver IRC. Các công nghệ này đóng vài trò làm tăng độ ổn định kênh vô tuyến, dung lượng cell và vùng phủ tổng thể của LTE. Giải pháp LTE cũng dựa trên cấu trúc mạng di động IP phẳng, tốc độ cao, trễ truyền thấp và hiệu quả sử dụng tần số cao. Các thử nghiệm cho thấy tốc độ dữ liệu tối đa LTE của Huawei đạt 173Mbps với tỷ lệ thành công cuộc gọi trên 99%. Tốc độ di chuyển tối đa lên tới 350km/h. Một thành tựu khác của Huawei là việc sử dụng bộ khuyếch đại công suất hiệu năng cao và ứng dụng của nó vào
81
thiết kế vô tuyến. Điều này giúp cho công suất tiêu thụ giảm đến 23%.
Huawei giới thiệu giải pháp tổng thể sản phẩm LTE cho cả thiết bị đầu cuối, OAM, eNodeB, ePCs, truyền dẫn và QoS và cổng dịch vụ SAE GW. eNodeB của Huawei hỗ trợ gần như toàn bộ các băng tần cho di động 700/850/900Mhz, 2.1/2.6GHz với độ rộng băng gốc từ 1.4-20MHz. Các giao diện, chức năng bên trong được đồng nhất cho chia sẻ modul để đảm bảo cho quá trình chuyển đổi và
nâng cấp trong tương lai.
3.6.1.2 Giải pháp thiết bị hãng Huawei:
Thế hệ BTS thứ 4 ứng dụng giải pháp SingleRAN hội tụ cho phép triển khai toàn bộ các công nghệ truy nhập vô tuyến hiện có trong một thiết bị BTS. Các eNodeB LTE của Huawei bao gồm các trạm macro BTS3900 trong nhà, macro BTS3900A ngoài trời và trạm phân tán DBS3900. BTS3900 và BTS3900A được sản xuất trong Quý 2/2010. Nền tảng BTS3900 cho phép triển khai đồng thời cả GSM và UMTS.Với khả năng cài đặt các mạch xử lý các chế độ truy nhập khác nhau vào trong cùng hệ thống xử lý băng gốc BBU, BTS có thể làm việc ở chế độ single mode hay dual mode. Sử dụng chung truyền dẫn và quản lý mạng hợp nhất cho GSM, UMTS và LTE.
Hình 3. 9: Thiết bị BTS 3910 của Huawei
3.6.2 Giải pháp của hãng Nokia Siemens:
3.6.2.1 Giải pháp tổng thể hãng Nokia Siemens:
Hiện tại mạng lõi PS của MobiFone sử dụng dịch vụ và thiết bị của NSN vì vậy NSN đã đưa ra các giải pháp cho phép tương thích ngược với các thiết bị hiện có.
82
Hình 3. 10:Giải pháp tổng thể của NSN từ R6 HSPA đến Rel 8 hỗ trợ LTE
Từ Rel 7 Internet HSPA NSN đã cung cấp giải pháp cho phép:
- Đưa ra mộ hình cấu trúc mạng đồng nhất đầu tiên cho WCDMA
- Phần lớn các chức năng RNC được tập trung ở NodeB
- Kênh đường hầm kết nối trực tiếp từ GGSN tới NodeB, giảm thời gian trễ
truyền do truyền tải qua ít nút mạng RAN hơn
- Có thể triển khai tương thích với các trạm gốc WCDMA hiện tại của NSN
- Chi phí truyền dẫn giảm đáng kể
Đến thế hệ Rel 8 các sản phầm phiên bản 3GPP Rel8 bắt đầu hỗ trợ công nghệ LTE:
- Cấu trúc mạng đồng nhất tương tự với I-HSPA
- Mạng truyền tải IP hoàn toàn
3.6.2.2 Giải pháp thiết bị của hãng Nokia Siemens:
Thiết bị vô tuyến trạm gốc eNodeB:
SAE Gateway và MME:
NSN giới thiệu hai giải pháp triển khai phần tử mạng MME cho LTE:
- Nâng cấp thêm chức năng MME cho phần tử mạng lõi dữ liệu SGSN.
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links