HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ---------------------------------------
PHẠM THỊ THANH LOAN
ENODEB TRONG LTE
Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 60.52.02.08
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ NỘI - 2013
2
Luận văn được hoàn thành t ại:
HỌC VIỆ VIỆN CÔNG NGHỆ NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN VIỄN THÔNG
Người hướng dẫn khoa học:
TS. Nguyễ Nguyễn Phạm Phạm Anh Dũng Phản biện 1:
…………………………………………………………………….. …………………………………………………………………….. Phản biện 2:
…………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………..
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễ n thông Vào lúc:
....... gi ờ ....... ngày ....... tháng ....... .. năm ...............
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
3
MỞ ĐẦU Công nghệ LTE đang được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên thế giới, LTE cung cấp cho người d ùng tốc độ truy cập dữ liệu nhanh, cho phép phát triển thêm nhiều dịch vụ truy cập s óng vô tuyến mới dựa trên nền tảng hoàn toàn IP , có thể đáp ứng được nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của người dùng. Kiến trúc eNodeB là một phần quan trọng trong hệ thống thông tin di động LTE, nhiệm vụ của eNodeB là một nút vật lý phát và thu các tín hiệu vô tuyến trên một hay nhiều anten để phủ sóng cho một ô. Để chuẩn bị tiến tới công cuộc 4G/LTE trong thời gian tới, với hạ tầng mạng của các nhà mạng Việt Nam không ngừng phát triển, thay đổi cả về công nghệ lẫn mô hình cấu trúc thì việc tìm hiểu về kiến trúc thiết bị để đưa ra các đánh giá và lựa chọn
thiết bị phù hợp với hệ thống hạ tầng viễn thông ở Việt Nam là mối quan tâm hàng đầu của các nhà mạng. Luận văn có 4 chương, trong đó 3 chương là quan trọng nhất, tập trung nghiên cứu về cấu trúc tổng quan các yêu cầu chung về kiến trúc máy thu , máy phát eNodeB, xét các yêu cầu chất lượng tín hiệu phát, công suất đầu ra máy phát, các phát xạ không mong muốn, tỷ lệ dò kênh lân cận đồng thời xét mức độ nhập tham chuẩn, dải động, độ nhậy đối với nhiễu của máy thu, phát xạ máy thu, và xét hiệu năng giải điều chế của eNodeB; về tổng quan về kiến trúc cơ sở, cấu trúc phần cứng, phần mềm eNodeB,
đưa ra các tiêu chí chung thiết kế eNodeB làm cơ sở lựa chọn nhà cung cấp thiết bị, và n ghiên cứu cụ thể về thiết bị eNodeB của Huawei; bên cạnh đó, p hân thích tình
hình triển khai eNodeB trên thế giới và ở Việt Nam . Luận văn gồm các chương:
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN LTE Chương 2: KIẾN TRÚC THU PHÁT SÓNG TRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG MỚI
Chương 3: KIẾN TRÚC ENODEB TRONG LTE Chương 4: NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI ENODEB TRONG LTE TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM
4
Chương 1- TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN TRONG LTE 1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE
LTE là công nghệ có khả năng cung cấp cho người dùng tốc độ truy cập dữ liệu nhanh, cho phép các nhà khai thác có thể phát triển thêm nhiều dịch vụ truy cập sóng vô tuyến mới dựa trên nền tảng hoàn toàn IP với: tốc độ truyền dữ liệu cao, độ trễ thấp và công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu về: - Hiệu quả sử dụng phổ
- Trễ (latency)
- Băng thông
- Tính tương tác
- Giá thành
- Tính di động
- Chất lượng dịch vụ (QoS)
- Tốc độ dữ liệu
1.2 Các giao thức trên giao diện vô tuyến LTE
Giao diện vô tuyến giữa UE và eNodeB được ký hiệu là LTE Uu. Các chức
năng trong eNodeB có thể xử lý nhanh hơn các thay đổi trên đường truyền vô tuyến nhanh hơn. Ngoài ra mạng lõi là mạng lõi gói phát triển được xây dựng trên nền IP.
LTE Uu
Hình 1.1. Ki ến trúc mạng 4G LTE
1.3 Các kênh
trên giao diện vô tuyến của LTE
Mạng truy nhâp vô tuyến LTE đựơc đơn giản hóa và giảm xuống chỉ còn eNodeB và giao diện vô tuyến là giao diện giữ UE và eNodeB. Giao diện vô tuyến gồm lớp 1: lớp các kênh vật lý, lớp 2: lớp các kênh truyền tải để điều khiển truy nhập môi trường và lớp 3: lớp các kênh logic để điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC)
5
Cấu trúc các kênh của LTE được đơn giản hóa so với 3G. Trừ các kênh điều khiển RACH và BCH được sắp xếp các kênh vật lý riêng (PRACH/PBCH), tất cả các kênh còn lại đều đựơc sắp xếp lên kênh vật lý chia sẻ: PDSCH/PUSCH. 1.4
Quản lý di động trong LTE
1.4.1. Vùng đeo bám, TA Vị trí của UE được MME nhận biết với độ chính xác đến vùng theo bám (TA: Tracking Area). Khi UE ở trạng thái rỗi, mỗi lần chuyển dịch từ một TA này sang một TA khác nó phải thực hiện thủ tục TA để thông báo cho MME về TA mới .
ển giao n ội LTE 1.4.2. Chuy Các chuyển giao trong E -UTRAN được xây dừng trên các nguyên tắc sau:
Các chuyển giao được mạng điều khiển.
Chuyển giao theo các kết quả đo của UE
Các chuyển giao trong UE với chủ đích không tổn thất bằng cách chuyển lưu lượng giữa eNodeB nguồn và eNodeB gói.
Kết nối S1 của mạng lõi chỉ được cập nhật khi chuyển giao vô tuyến đã hoàn thành.
1.4.2.1. Báo hiệu cho chuyển giao Các thủ tục báo hiệu được chia thành ba giai đoạn: chuẩn bị chuyển giao , thực hiện chuyển giao và hoàn thành chuyển giao.
1.4.2.2. Đo chuyển giao Khi thỏa mãn điều kiện ngưỡng để báo cáo, UE gửi các kết quả đo chuyển giao đến eNodeB.
1.4.2.3. Chuyển giao giữa các hệ thống Tất cả các thông tin từ hệ thống đích được truyền trong suốt qua hệ thống nguồn đến UE. Số liệu của người sử dụng có thể được truyền từ nguồn đến hệ thống đích để tránh mất số liệu.
6
1.5 Cấu trúc tài nguyên truyền dẫn trong LTE 1.5.1 Quy ho ạch t ần s ố cho 4G/LTE
Bảng 1.4 liệt kê các băng tần hiện thờ i đượ c quy định cho LTE. Bảng 1.1. Các băng tần LTE
Băng LTE
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 17 18 19 … 33 34 35 36 37 38 39 40
Đườ ng lên
Đườ ng xuống
Chế độ song công
1920MHz-1980 MHz 1850 MHz – 1910 MHz 1710 MHz – 1785 MHz 1710 MHz – 1755 MHz 824 MHz – 849 MHz 830 MHz – 840 MHz 2500 MHz – 2570 MHz 880 MHz – 915 MHz 1749,9 MHz – 1784,9 Hz 1710 MHz – 1770 MHz 1427,9 MHz – 1452,9 MHz 698 MHz – 716 MHz 777 MHz – 787 MHz 788 MHz – 798 MHz 704 MHz – 716 MHz 815 MHz – 830 MHz 830 MHz – 845 MHz
2110 MHz – 2170 MHz 1930 MHz – 1990 MHz 1805 MHz – 1880 MHz 2110 MHz – 2155 MHz 869 MHz – 894 MHz 875 MHz – 885 MHz 2620 MHz – 2690 MHz 925 MHz – 960 MHz 1844,9 MHz – 1879,9 MHz 2110 MHz – 2170 MHz 1475,9 MHz – 1500,9 MHz 728 MHz – 746 MHz 746 MHz – 756 MHz 758 MHz – 768 MHz 734 MHz – 746 MHz 860 MHz – 875 MHz 875 MHz – 890 MHz
FDD FDD FDD FDD FDD FDD FDD FDD FDD FDD FDD FDD FDD FDD FDD FDD FDD
900 MHz – 1920 MHz 2010 MHz – 2025 MHz 1850 MHz – 1910 MHz 1930 MHz – 1990 MHz 1910 MHz – 1930 MHz 2570 MHz – 2620 MHz 1880 MHz – 1920 MHz 2300 MHz – 2400 MHz
1900 MHz – 1920 MHz 2010 MHz – 2025 MHz 1850 MHz – 1910 MHz 1930 MHz – 1990 MHz 1910 MHz – 1930 MHz 2570 MHz – 2620 MHz 1880 MHz – 1920 MHz 2300 MHz – 2400 MHz
TDD TDD TDD TDD TDD TDD TDD TDD
1.5.2. T ổ chức kênh tần s ố t r ong L TE
1.5.2.1. Băng thông kênh và cấu hình băng thông truyền dẫn Độ r ộng sóng mang LTE đượ c định nghĩa bằng các khái niệm băng thông kênh (Bchannel) và cấu hình băng thông truyền dẫn (Bconfig)
7 Bảng 1.2. Cấu hình b ăng thông truyền dẫn Bconfig trong LTE
Băng thông kênh Bchannel, (MHz)
Cấu hình băng thông truyền dẫn, NRB
Cấu hình băng thông truyền dẫn Bconfig, (MHz)
1,4 3 5 10 15 20
6 15 25 50 75 100
1,08 2,7 4,5 9 13,5 18
1.5.2.2. Sắ p xế p kênh tần số Các kênh của LTE đượ c sắ p xế p theo mành phổ 100 KHz, nghĩa là tần số trung tâm phải là một số nguyên lần 100 kHz. So sánh vớ i UMTS sắ p xế p kênh theo mành 200 KHz. Khoảng cách giữa các sóng mang sẽ ph ụ thu ộc vào k ịch b ản triển khai, kích thướ c của khối tần số khả dụng và các băng thông kênh. Khoảng cách kênh chuẩn giữa hai sóng mang LTE đượ c xác định như sau: Khoảng cách kênh chuẩn = (Bchannel1 - Bchannel2)/2
(1.1)
1.6. Kết luận chương
Mạng LTE LTE ra đời đã thể hiện những ưu điểm vượt trội so với các mạng thế hệ trước. Để đạt được các mục tiêu, LTE sẽ phải sử dụng các kỹ thuật mới: OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Truy cập đa phân chia
theo tần số trực giao) cho hướng DL và SC -FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access - Truy cập đa phân chia theo tần số sóng mang đơn) cho
hướng UL, thêm vào đó, việc sử dụng thiêt bị ở phần truy nhập E -UTRAN của LTE, đơn giản chỉ là mạng gồm các eNodeB cũng là một yêu cầu tất yếu. Chương này đã trình bày đặc điểm cơ bản của công nghệ LTE, tổng quan kiến trúc mạng LTE LTE và những nghiên cứu về giao thức trên giao diện vô tuyến LTE… để làm cơ sở cho những chương sau nghiên cứu về thiết bị của LTE, cụ thể ở đây là thiết bị eNodeB trong LTE.
8
Chương 2- KIẾN TRÚC THU PHÁT SÓNG TRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI DỘNG MỚI 2.2. Kiến trúc máy thu
2.2.1. Mức độ nhạy tham chuẩn Mức độ nhậy tham chuẩn là công suất thu trung bình tối thiểu tại connectơ anten mà tại đó yêu cầu thông lượng vẫn được thực hiện. Mục đích của yêu cầu này là để kiểm tra hệ số tạp âm của máy thu. Đối với các băng thông kênh ≤ 5MHz, kênh đo tham chuẩn được định nghĩa trên cơ sở tất cả các khối tài nguyên được ấn định cho băng thông kênh này. Đối với các băng thông > 5MHz, độ nhạy được đo bằng cách sử dụng các khối liên tục gồm 25RB. Độ nhạy được tính như sau: P min dBm 174dBm. Hz 1 10 lg N RB .180kHz NF max
rep,3
M IM
(2.1)
2.2.2. Dải động Yêu cầu dải động là một số đo khả năng máy thu thu được tín hiệu khi có mặt tín hiệu nhiễu trong kênh tần số thu mà tại đó yêu cầu về thông lượng vẫn được đảm bảo. Mục đích của yêu cầu này là đảm bảo rằng trạm gốc vẫn có thể thu được thông lượng cao khi có mặt nhiễu tăng và các mức tín hiệu mong muốn cao. Công suất tín hiệu nhiễu được xác định như sau: I dBm 174dBm / Hz 10 lg N RB .180kHz NF 20dB
(2.2)
Biết nhiễu ta có thể tính được công suất tín hiệu mong muốn như sau: pmm I
req,3
.m IM
pmm dBm I req,3 M im
(2.3)
2.2.3. Độ nhạy cảm máy thu với tín hiệu gây nhiễu a) Tổng quan Các kịch bản liên quan đến yêu cầu độ nhạy cảm đối với tín hiệu khác nhau
được thể hiện trên hình 2.1. Trong tất cả các trường hợp khi tín hiệu gây nhiễu là một
9
tín hiệu LTE, nhiễu có cùng băng thông với tín hiệu mong muốn nhưng lớn nhất là 5MHz. Các RB
Các RB
“gây nhiễu ”
“mong muốn”
Kịch bản ICS
Chặn (ngoài băng)
Chặn băng hẹp
1RB
ACS
Chặn (trong băng) CW 20MHz
Tín hiệu LTE
Hình 2.1. Các yêu cầu đối với độ
nhạy cảm của máy thu đối với tín hiệu liên quan đến: chặn, chọn lọc kênh lân cận ( ACS), và chọn lọc trong băng (ICS).
b) Chọn lọc trong băng (ICS) Yêu cầu chọn lọc trong băng (ICS: In channel Selectivity) là số đo khả năng máy thu thu được tín hiệu mong muốn tại các khối tài nguyên được ấn định cho nó khi có mặt tín hiệu nhiễu thu được tại mật độ phổ công suất lớn hơn mà vẫn đảm bảo yêu cầu thông lượng cực đại đối với kênh đo tham chuẩn được đặc tả. Mục đích của yêu cầu này là để đảm bảo độ chọn lọc khối tài nguyên lân cận trong băng. Công suất tín hiệu nhiễu được xác định như sau: I[dBm]=-174dBm/Hz +101g(NRB.180kHz)+NF+ req,3 +16dB
(2.4)
Biết nhiễu ta có thể tính được công suất tín hiệu mong muốn như sau: Pmm[dBm] = -174dBm +101g(NRB.180kHz)+NF+ req,3 + Dsen+MIM
(2.5)
) Chọn lọc kênh lân cận (ACS) và nhiễu chặn băng hẹp
c
Yêu cầu chọn lọc kênh lân cận (ACS) và chặn băng hẹp là số đo khả năng máy thu thu được tín hiệu mong muốn tại tần số được ấn định cho nó khi có mặt tín hiệu gây nhiễu kênh lân cận mà vẫn đảm bảo yêu cầu thông lượng. Mục đích của yêu cầu này là để kiểm chứng độ chọn lọc kênh lân cận. Độ chọn lọc và chặn băng hẹp có tầm quan trọng để tránh nhiễu giữa các nhà khai thác. ACS là hiệu số giữa công suất tín hiệu gây nhiễu trung bình (P min) và công suất nhiễu cực đại cho phép (I max) được tính toán như sau:
10 P mm
I max
SNRreq.3
I max [ dVBm ] P nm
SNRreq.3
(2.6)
d) Nhiễu chặn Yêu cầu chặn là số đo khả năng thu được tín hiệu mong muốn tại tần số kênh được ấn định khi có mặt một nhiễu không mong muốn mà vẫn đảm bảo yêu cầu thông lượng. Mục đích của yêu cầu này là để kiểm tra độ chọn lọc tại các tần số khác nhau ngoại trừ kênh lân cận.
e) Phát xạ giả của máy thu Công suất phát xạ giả là công suất được tạo ra hay được khuếch đại trong máy thu và xuất hiện tại connecto anten thu trạm gốc. Yêu cầu tối thiểu đối với phát xạ giả máy thu được cho trong bảng 2.1 . Bảng 2.1. Yêu cầu tối thiểu đối với phát xạ giả máy thu Dải tần 30MHz - 1 GHz 1GHz - 12.75 GHz
Mức cực đại -57 dBm -47 dBm
Băng thông đo 100 kHz 1 MHz
f) Điều chế giao thoa máy thu Loại bỏ đáp ứng điều chế giao thoa là một số đo khả năng máy thu thu được tín hiệu mong muốn tại tần số kênh được ấn định cho nó khi có mặt hai tín hiệu gây nhiễu có quan hệ tần số đặc biệt với tín hiệu mong muốn mà vẫn đảm bảo yêu cầu thông lượng. Yêu cầu hiệu năng điều chế giao thoa quy định, công suất trung bình của tín hiệu mong muốn bằng Pmin + 6dB, công suất trung bình của tín hiệu gây nhiễu bằng -52dBm, dịch tần giữa tần số tín hiệu nhiễu CW với biên kênh tín hiệu mong muốn bằng 1,5 băng thông kênh tín hiệu gây nhiễu LTE và kiểu tín hiệu.
2.3. Kiến trúc máy phát và các bộ khuếch đại công suất 2.3.1 Công suất phát đầu ra Công suất đầu ra ảnh hưởng trực tiếp lên nhiễu giữa các ô sử dụng cùng kênh và biên độ phát xạ bên ngoài băng công tác. Vì thế nó ảnh hưởng đến khả năng hệ
11
thống LTE đạt được hiệu xuất phổ tần cực đại và đây chính là lý do cần đặt chính xác công suất phát ra của máy phát. Đối với eNodeB, công suất phát ra cực đại phải duy trì trong du ng sai khoảng 2dB so với công suất được nhà sản xuất thông báo. Đối với UE công suất phát ra cực đại là 23dBm và phải đảm bảo dung sai ± 2dB.
.3.2 Phát xạ không mong muốn của băng tần công tác 2 LTE định nghĩa các yêu cầu cho cả hai kiểu phát xạ không mong muốn, trong đó yêu cầu đối với các phát xạ giả chặt chẽ hơn. Các phát xạ ngoài băng (OOB) nằm gần phát xạ mong muốn => tăng mức
công suất phát mong muốn thường => tăng mức các phát xạ không mong muốn. Trái lại giảm công suất phát thường là một giải pháp hiệu quả để giảm các phát xạ OOB và đây là một biện phát để đáp ứng các yêu cầu về hiệu năng. Trong LTE, các phát xạ OOB được định nghĩa bằng các yêu cầu về mặt nạ phổ phát xạ (SEM) và ACLR.
2.3.3 Tỷ lệ rò kênh lân cận (ACLR) a) Quy định ACLR và ACS ACLR quy định tỷ số công suất phát của tín hiệu mong muốn trong băng thông kênh được ấn định với công suất phát xạ của tín hiệu không mong muốn trên kênh lân cận. ACD định nghĩa khả năng máy thu lọc bỏ tín hiệu trên kênh lân cận. Quan hệ giữa các thông số kênh lân cận được xác định theo phương trình như sau: ACIR
1 1 ACLR
1
(2.7)
ACS
b) Đồng tồn tại với các hệ thống khác trên các sóng mang lân cận trong cùng băng tần công tác c) Đồng tồn tại với các hệ thống khác làm việc trong các băng công tác lân cận. 2.3.4 Chất lượng tín hiệu phát
a) Định nghĩa EVM
12
EVM là số đo méo do các không hoàn thiện của phần vô tuyến gây ra trong thực hiện thực tế. Các giá trị EVM phải thoả mãn các quy định cho bảng 2.2 Bảng 2.2. Các yếu tố về EVM
Đường lên Đường xuống
Điều chế QPSK 16QAM QPSK 16QAM 64QAM
Yêu cầu EVM (%) 17,5 12,5 17,5 12,5 8,0
b) Rút ra yêu cầu EVM EVM yêu cầu nằm trong dải 10 -6,3%.
Đối với chọn 64QAM MCSm ta được yêu cầu 7,9% EVM.
Đối với 16QAM: dải C/I từ 6 đến 12dB, điểm giữa C/I~9dB với yêu cầu
EVM bằng 12,9%.
Đối với QPSK: dải C/I từ -8 đến 6db, điểm giữa C/I ~ -1dB với các yêu
cầu EVM băng 29,6% và 16,3% (cho 6dB C/I). Các giá trị EVM yêu cầu đối với 64QAM, 16QAM và QPSK là 8%,
12,5% và 17,5%.
2.4. Kết luận chương Chương này đã xét các yêu cầu chung đối với eNodeB và tr ước hết xét các yêu cầu đối với máy phát eNodeB. Liên quan đến các yêu cầu này, chương đã xét các yêu cầu chất lượng tín hiệu phát (EVM), công suất đầu ra máy phát, các phát xạ không mong muốn, tỷ lệ rò kênh lân cận, đồng tồn tại với các hệ thống khác trên
các sóng mang lân cận trong cùng băng tần công tác cũng như trong các băng tần lân cận. Chương đã xét các yêu cầu đối với máy thu eNodeB. Liên quan đến vấn đề này chương đã xét: mức độ nhạy tham chuẩn, dải động, độ nhạy đối với nhiễu của máy thu, độ chọn lọc trong băng, chọn lọc kênh lân cận và nhiều chặn băng hẹp, nhiều chặn, phát xạ giá của máy thu, điều chế giao thoa. ngoài ra chương cũng xét hiệu năng giải điều chế của eNodeB.
13
Chương 3: KIẾN TRÚC ENODEB TRONG LTE 3.2 Giới thiệu chung về eNodeB cho LTE 3.2.1 Kiến trúc cơ sở của eNodeB:
3.2.1.1 Kiến trúc cơ sở Kiến trúc eNode được thiết kế trên cơ sở phần cứng và phần mềm. Phần cứng bao gồm 4 phần chính: đơn vị vô tuyến (RFU: Radio Frequency Units), đơn vị băng gốc (BBU: Baseband Unit), phần điều khiển và truyền dẫn như hình 3.1. Phần mềm Module
Module truyền dẫn
RP2
Các đơn vị RF RFU
BBU
Chuy n mạch
Giao diện
RF3
băng gốc
. . .
Module điều khiển
Điều khiển và đồng bộ RF1
Module n uồn
Hình 3.1 Kiến trúc chung của một BTS
3.2.1.2 Kiến trúc phần mềm: Kiến trúc phần mềm eNodeB được thể hiện trên hình 3.2 Inter – Cell RRM Mobility control RB Control
Radio admission control Provisionning
O&M Agent
SON
Fault management
Configuration management
Dynamic resource allocation Measurement configuration
Load balacing
RRC S1-AP
DCP
X2-AP
GTP-U
RLC STCP
MAC MAC Physical adaptation layer
OS Adaptation layer OS TCP/UDP
LTE PHY
Network Hadware
Hình 3.2 Kiến trúc phần mềm của ENODE B
IP (IPSec)
14
3.2.1.3 Kiến trúc phần cứng
*/ Kiến trúc tổng quan phần cứng của một eNodeB Cấu trúc tổng quát phần cứng của một eNodeB được cho trên hình 3.3 Bộ lọc song công Phần vô tu ến hát
Các bộ dao độn nội
Phần vô tu ến thu
DAC
Bộ dao động chuẩn
ADC
RRC
RRC
Đi u khi n công suất phát
AFC Xử l băn
AGC ốc
ADC: Anolog to Digital Converter: Bộ bi n đ i tương tự thành s DAC: Digital to Anolog Converter: Bộ biến đổi số thành tương tự RRC: Rôt Rased Consine: Bộ lọc cosin tăng căn hai AFC: Automatic Frequency Control: Bộ tự động điều khiển tần số AGC: Automatic Gain Control: b t điều khuếch
Hình 3.3. Kiến trúc tổng quát phần cứng của một eNodeB
*/ Cấu trúc máy phát đổi tần Cấu trúc máy phát đổi tần trong eNodeB được trình bầy ở hình 3.4 Ph n xử lý băng g c (BB: Base Band)
Phần xử lý vô tuyến
Mi n s
Mi n tương tự IF (Intermediate Frequency: trung tâm
CRC
Các bộ trộn
Mã hóa xoản hoặc turbo
Bộ đan xen khối
RF (Radio Frequency: Tần số vô tuyến
I
Bộ lọc RRC
DAC
OFDA
900
Q
a PA
Bộ lọc RRC
PA: R ower Amplifier: Bộ khu ch đại công su t RF LO: Radio frequency locar oscillator: bộ giao động nội vô tuyến IF LO: Intermediate frequency locar oscillator: Bộ giao động nội trung tâm
DAC
RFLO IP LO
Hình 3.4. Cấu trúc máy phát đổi tần trong eNodeB
15
*/ Cấu trúc máy thu Ph n xử lý băng g c (BB: Base Band)
Ph n xử lý vô tuy n Mi n tương tự
RF (Radio Frequency: Tần số vô tuyến)
Mi n s
IF (Intermediate Frequency: trung tâm) Các bộ trôn
ADC
IF (Intermediate Frequency: trung tâm)
a
Bộ lọc RRC
Giải điều chế OFDA
900
LNA ADC
Bộ lọc RRC
Giải đan xen khối Giải mã xoản hoặc turbo
RFLO
LNA: Low Noise Amplifier: IP LO Bộ khuếch đại tạp âm nhỉ RF LO: Radio frequency locar oscillator: bộ giao động nội vô tuyến IF LO: Intermediate frequency locar oscillator: Bộ giao động nội trung tâm
Giải CRC
Hình 3.5. Cấu trúc tổng quát phần cứng của một máy thu đổi tần (heterodyne)
*/ Cấu trúc máy thu AFE2
AFE1
IF s g n ă b u ệ i ố s h c n ố í t g ý l ử X
DUC
DPD
DAC
PA
VCO/DDS
DDC
ADC
ADC: Analog – Digital Converter: Bộ biến đổi tương tự thành số APE: Analog Front End : Đầu phát thu tương tự DAC: Digital – Analog Converter: Bộ biến đổi số thành tương tự DDC: Digital Downconverter: Bộ biến đổi hạ tần DUC: Digital Upconverter: Bộ biến đổi năng tần
LNA
g n ô c g n o s
c ọ l ộ B
DPD: Digital Predistortion: Làm méo trước số DDS: Direct Digital Syntheser: IF: Intermediate Frequency: Bộ khuếch đại tạp âm thấp VCO: Voltage Controlled Oscillator: Bộ giao động điều khiển bằng điện áp
Hình 3.6. Thực hiện phát/thu biến đổi qua trung tần số
. Kiến trúc tổng quát của eNodeB trên cơ sở SDR 3.2.2 3.2.3.1 Kiến trúc phần cứng của một máy thu phát số Hệ thống vô tuyến SDR được xây dựng trên cơ sở kiến trúc phần cứng nền tảng của một máy thu phát số . K iến trúc tổng quát của một máy thu phát số bao gồm: đầu vô tuyến (RPE: Radio Frequency Front - End), phần trung tần (IF: Intermediate Frequency) và phần băng gốc.
16
Chức năng của RFE là phát và thu tín hiệu vô tuyến (RF: Radio Frequency) thông qua anten.
Hệ thống SDR lý tưởng là một hệ thống có thể lập trình đến phần vô tuyến .
3.2.3.2 Kiến trúc phần mềm hệ thống vô tuyến SDR 3.2.3.3 Kiến trúc nền tảng băng gốc đa chuẩn 3.3 Đánh giá các tiêu chí thiết kế và lựa chọn nhà sản xuất eNodeB
Xây dựng các tiêu chí thiết kế eNodeB nhằm đánh giá và đưa ra những lựa
chọn kiến trúc eNodeB phù hợp. Các tiêu chí thiết kế eNodeB như :
Nền tảng BTS tiên tiến, kết hợp mạng UMTS và GSM, chia sẻ RAN và phát triển liên tục
Dung lượng lớn, vùng phủ rộng và thông lượng cao
Tiêu thụ năng lượng thấp và hiệu suất cao
Chức năng SON tăng cường
Truyền tải IP toàn diện
Dễ dàng lắp đặt và CAPEX thấp
Các công nghệ đa anten tiên tiến
3.4 Sản phẩm eNodeB cho LTE của Huawai 3.4 .1 Kiến trúc LTE DBS và đặc tính kỹ thuật
3.4.1.1 Kiến trúc LTE DBS 3.4.1.2 Đặc tả kỹ thuật Bảng 3.2. cho thấy đặc tả kỹ thuật điển hình của DBS (dựa trên đặc tả cầu DBS3900). Bảng 3.1. Đặc tả kỹ thuật của DBS Băng tần
700MHZ; 850MHZ; 1,7/2, 1GHz; 2,6 GHz.
Băng thông kênh
1,4MHz; 3MHz; 5MHz; 15MHz; 20MHz
Công nghệ đa anten
MIMO (2x2, 4x2), phân tập Tx/Rx
17 Công suất đầu ra cực đại
RRU: 2x40W với các tuỳ chọn khả định cỡ giảm đến 2x10W, 2x20W hay 2x30W
Kích thước (HxWxD)
BBU: 86mmx442mm310mm (3,4''x17,5''x12,2'') RRU: 485mm x 285mmmx170mm (19,1''x11,4''x6,7''
Trọng lượng
BBU: 12kg RRU: < 19kg
Tiêu thụ nguồn điển hình
<800W (S1/1/1)
Nhiệt độ làm việc
BBU: -200C đến +550C ( -40F đến + 1310F) RRU: -400C đến +550C(-400F đến +1310F)
Truyền dẫn
2 cửa quang FE/GE, hai cửa điện FE/GE, các cửa E1/T1 (tuỳ chọn)
Tuỳ chọn đồng bộ đồng hồ
Ethernet (ITU-T) G.8261), GPS, IEE 1588v2, đồng hồ trên IP
3.4.2. Đơn vị băng góc, BBU
3.4.2.1 Các chức năng của BBU 3.4.2.2 Các cửa của BBU Bảng 3.2. Mô tả các cửa trên các phiến hoặc module của BBU Module
Cửa
hay phiến LMPT
Số lượng
Connectơ
Chức năng
Cửa Opital
FE/GE 2
SFP
Phát số liệu lưu lượng trên các giao diện S1 và X2
Cửa điện
FE/Ge 2
RJ45
Phát số liệu lưu lượng trên các giao diện S1 và X2
USB
Tải xuống phần mềm
Cửa USB
1
Cửa TST
1
Đo thử
Cửa Ethenet 1 đưa thiết bị vào vận hành
RJ45
Bảo dưỡng tại chỗ
Cửa anten GPS
6
SMA
Nối đến một anten GPS
LBBO
Cửa CPRI
6
SFR
Giao diện giữa BBU và RRU
UPEU
ổ cắm nguồn 1 nuôi
3V3
Nhận nguồn - 49V ĐC
MON0
1
RJ45
MON1
1
RJ45
Phát các tín hiệu kiểm tra RS485 và kết nối đến các thiết bị giám sát bên ngoài
18
Phát 8 luồng E1/T1 khi cần lập cấu hình các cửa E1/T1
UTRP
E1/T1
2
DB26
UFLPb
Cửa GE
2
RJ45
Cửa GE
2
RJ45
Cửa RGPS
2
Đầu cuối hàn Nhận tín hiệu RGPS nối các dây phiến mạch in
Cửa BITS
1
Connectơ cáp Nhận các tín hiệu BITS đồng trục SMA
USCU
3.4.2.3 Đặc tả thông số BBU3900: Bảng 3.3. Đặc tả thông số kỹ thuật của BBU3900 Danh mục
Đặc tả
Kích thước (HxWxD)
86mmx442mmx310mm
Trong lượng
< 12kg (cấu hình đầy đủ)
Nguồn nuôi
-48DC; dải điện áp: -38,4V DC đến -57V ĐC
Nhiệt độ Độ ẩm tương đối
5% RH đến 90%RH
áp suất khí quyển
70kPa đến 106 kPa
Chỉ số chống thâm nhập (Ingres Protection ratings)
IP20 (chông thâm nhập vật thể 12mm 2 nhưng không chống thấm nước)
Đồng bộ đồng hồ
Ethernet (ITU-TG.8261), GPS, IEE1588 V2 đồng hồ trên IP. Dao động tự do của OCXO (OVen Controled Crystal Oscilattor: bộ dao động thạch anh với hộp được điều khiển nhiệt), IPSS+ToD, E1/T1, GLONASS (Global Navigation Satellite System: hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu của Nga).
Cửa CPRI
Cửa truyền dẫn
Hỗ trợ 6 cửa CPRI trên một LBBP Hỗ trợ của CPRI 4.0 và tương thích với cửa CPRI 3.0 Hai cửa FE/GE điện Hay hai cửa FE/GE quang Hay một cửa FE/GE điện và một cửa FE/GE quang Hai cửa E1/T1 tuỳ chọn. Mỗi cửa đảm bảo bốn E1/T1
19
3.4.3 Các cấu hình và dung lượng của DBS 3900 3.4.3.1 Các cấu hình điển hình Bảng 3.5 mô tả các cấu hình điển hình của DBS (DBS3900) với các bảng thông khác nhau, các cấu hình MIMO khác nhau và các cấu hình site khác nhau. Bảng 3.4 Các cấu hình điển hình của DBS (BBS3900)
Cấu hình 3x5MHz/10HMz 3x15MHz/20MHz 6x5MHz/10MHz 3x15MHz/20MHz
Số lượng phiến
MINO
4x2MIMO 4x2MIMO 2x2MIMO 2x2MIMO
Số lượng RRU
LBBPc
1 3 1 1
6 6 6 3
3.4.3.2. Các cấu hình cực đại
3.4.3.3 Đặc tả dung lượng 3.5. Tổng kết
Chương này trước hết xét đến kiến trúc cơ sở của eNodeB. Một eNodeB bao gồm phần cứng và phần mềm. Phần cứng bao gồm bốn module chính: module truyền dẫn giao diện với mạng hạ tầng di động, module đồng bộ và điều khiển và module nguồn. Module thu phát được tách riêng thành hai phần: Module băng gốc và Module vô tuyến. Hai Module này được nối với nhau qua giao diện chuẩn CPRI
hoặc OBSAI. Phần mềm được chia thành bốn phần chính: phần mềm giao thức, phần mềm quản lý tài nguyên vô tuyến, phần mềm khai thác và bảo dưỡng và phần mềm tự tổ chức SON. Chương đã xét khá kỹ kiến trúc phần cứng của một eNodeB. Các xu thế thiết
kế các eNode hiện đại đều hướng đến đa băng đa chuẩn, số hoá và SDR. Chương xét các kiến trúc eNodeB từ đó là cơ sở lựa chọn nhà cung cấp phù hợp với các nhà mạng. Chương đã xét các giải pháp triển khai mạng DBS khác nhau, nghiên cứu cụ thể về thiết bị của eNodeB của hãng Huawei.
20
Chương 4 - NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI ENODEB TRONG LTE TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM 4.1 Thực tiễn triển khai eNodeB trên thế giới 4.1.1 Xu hướng triển khai - TeliaSonera là telco đầu tiên thương mại hóa LTE vào năm 2010, sau đ ó Telstra (Úc) là triển khai LTE rộng rãi đầu tiên trên thế giới vào cuối năm 2011 tại Úc. Song song đó, Ericsson là nhà sản xuất thiết bị đầu tiên phát triển các hạ tầng
phục vụ hệ thống mạng LTE. - Ericsson và Alcatel-Lucent là các đối tác cung cấp cơ sở hạ tầng LTE, NodeB cho các nhà mạng chiếm thị phần lớn ở thị trường Mỹ như: Verizon Wireless, AT&T từ 2010 đến nay. - NTT DoCoMo là nhà khai thác di động đầu tiên của Nhật Bản bắt đầu đưa ra các dịch vụ LTE từ năm 2010. Hiện nay Ericsson cũng là hãng cung cấp cơ sở hạ
tầng LTE cho nhà mạng NTT DoCoMo. - Nhà mạng với số thuê bao lớn nhất thế giới như China Mobile (Trung Quốc) và Bharti Airtel (Ấn Độ) đã kiên kết thành lập nhóm phát triển chuẩn LTE gọi tắt là GTI. Huawei là nhà cung cấp chínhcơ sở hạ tầng LTE cho nhóm phát triển này.
4.1.2 Tình hình triển khai LTE trên thế giới Cuối năm 2012 có 110 nhà cung cấp dịch vụ LTE trên hơn 50 nước trên thế
giới. Tính đến tháng 9/2013 trên thế giới có tổng số 298 nhà cung cấp cam kết triển khai mạng LTE trên 131 quốc gia. Tính đến nay, TeliaSonera chỉ mới có hơn 5000 người thuê bao dịch vụ LTE với gần 900 eNodeB đã triển khai ở Thụy Điển. Verizon USA đứng đầu trong bảng xếp hạng các nhà mạng có nhiều thuê bao LTE nhất, với 3,1 triệu thuê bao vàhơn 100 nghìn eNodeB đã triển khai tại Mỹ và một số quốc gia khác . NTT DoCoMo Nhật Bản với hơn 388 ngàn thuê bao với 10 nghìn eNodeB.
21
Ở Châu Âu, nhà mạng có nhiều thuê bao LTE nhất là Vodafone D2 ở Đức với 52 ngàn thuê bao với 8 nghìn eNodeB. 4.2 Tình hình triển khai eNodeB tại Việt Nam
4.2.1 Xu hướng nhu cầu sử dụng tại Việt Nam Hạ tầng mạng viễn thông của Việt Nam không ngừng được phát triển, thay đổi cả công nghệ lẫn mô hình cấu trúc. Bảng 4.1 Tổng số NodeB các doanh nghiệp đã triển khai STT
1 2 3 4
Tên doanh nghiệp 3G
Tổng số NodeB cam kết tại thời điểm 3 năm Viettel 5.000 Liên doanh EVNTelecom 2.421 và Hanoi Telecom VMS 2.327 VNPT (Vinaphone) 3.006 Tổng số
Tổng số đã triển khai
18.585 2.224 5.400 7.503
Bảng 4.2 Vùng phủ sóng 3G STT
1 2 3 4
Tên doanh nghiệp 3G Viettel Liên doanh EVNTelecom và Hanoi Telecom VMS VNPT (Vinaphone)
Vùng phủ sóng tại thời điểm 3 năm (%) 86,32 46,21
Vùng phủ sóng đã triển khai (%) 96,61 70,00
52,13 73,84
100,00 100,00
4.2.2 Tình hình triển khai tại Việt Nam Bộ Thông tin và Truyền thông đồng ý cho 5 doanh nghiệp gồm VNPT, Viettel, FPT Telecom, CMC và VTC được thử nghiệm mạng di động 4G/LTE. VNPT sẽ đượ c VDC triển khai với 15 trạm eNodeB tại Hà Nội, bán kính phủ sóng mỗi trạm khoảng 1km.
Viettel đã bắt đầu thử nghiệm mạng LTE với 40 eNodeB phát tại 2 quận Đống Đa và Ba Đình ở Hà Nội, và 40 eNodeB tại quận Tân Bình và Tân Phú ở thành phố Hồ Chí Minh.
22
Đối với các doanh nghiệp như FPT, MCM,VTC việc thử nghiệm còn nhiều hạn chế, mới triển khai thử nghiệm cho các site inbuilding . 4.3 Xây dựng các giải pháp triển khai
eNodeB
4.3.1. Các giải pháp truyền dẫn cho mạng truy nhập vô tuyến di động Xây dựng giải phát đối với mạng vô tuyến gồm: - Giải pháp mạng quang riêng - Giải pháp sử dụng WDM chồng lấn PON gói
4.3.2. Các kịch bản triển khai DBS tr ên một site Gồm các kịch bản: - Kịch bản sử dụng BBU+RRU+APM30H
- Kịch bản sử dụng BBU+RRU+TMC11H - Kịch bản
sử dụng cấu hình BBU+RRU+hộp máy 19 inch
- Kịch bản sử dụng cấu hình BBU+RRU+tường trong nhà
- Kịch bản sử dụng cấu hình BBU+RRU+ ICR - Kịch bản sử dụng cấu hình BBU+RRU+ IMB03 - Kịch
bản sử dụng cấu hình BBU+RRU+ OMB
4.4 Kết luận chương Trong chương này em đã trình bày tìm hiểu về tình hình triển khai LTE trên thế giới. Chương trình bầy tình hình triển khai LTE và số lượng eNodeB triển khai tại một số quốc gia trên thế giới như như Mỹ, Anh, Pháp, Nhật, Hàn Quốc… Nội dung chương cũng tìm hiểu về xu hướng phát triển và tình hình thử nghiệm công nghệ LTE của các nhà mạng ở Việt Nam, số lượng các eNodeB lắp đặt thử nghiệm của các nhà mạng. Ở Việt Nam hiện nay có 5 nhà mạng được đồng ý thử nghiệm, và triển khai thử nghiệm mạnh mẽ nhất là Viettel, và VNPT. Nội dung chương cũng đưa ra một số các giải pháp triển khai eNodeB
23
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau quá trính nghiên cứu, thực hiện luận văn tốt nghiệp, với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ của các giáo viên, đồng nghiệp và các bạn đến nay luận văn của tôi đã hoàn thành và cơ bản đáp ứng được yêu cầu đặt ra. Kết quả đạt được của luận văn: - Chỉ
ra được các đặc điểm vượt trội của công nghệ LTE, tổng quan kiến trúc
vô tuyến LTE. - Tổng
quan các yêu cầu chung về kiến trúc máy thu máy phát eNodeB, xét các
yêu cầu chất lượng tín hiệu phát, công suất đầu ra máy phát, các phát xạ không mong muốn, tỷ lệ dò kênh lân cận đồng thời xét mức độ nhập tham chuẩn, dải động, độ nhậy đối với nhiễu của máy thu, phát xạ máy thu, và xét hiệu năng giải điều chế của eNodeB. - Tổng
quan về kiến trúc cơ sở, cấu trúc phần cứng, phần mềm eNodeB, đưa
ra các tiêu chí chung thiết kế eNodeB làm cơ sở lựa chọn nhà cung cấp thiết bị, và nghiên cứu cụ thể về thiết bị eNodeB của Huawei. - Phân thích tình hình triển khai eNodeB trên thế giới và ở Việt Nam
Tuy nhiên, do kiến thức và thực nghiệm còn hạn chế nên luận văn mới chỉ dừng lại ở phần tìm hiểu về kiến trúc enNodeB, chưa nghiên cứu sâu về các vấn đề khai thác và bảo dưỡng eNodeB, các kịch bản triển khai eNodeB. Em hy vọng sau này nếu có điều kiện sẽ tiếp tục phát triển luận văn để tập trung tìm hiểu, nghiên cứu các giải phát triển khai eNodeB. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng cùng các thầy cô tại trường Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và hoàn thiện luận văn. Hà Nội, ngày tháng 9 năm 2013 Học viên thực hiện
Phạm Thị Thanh Loan
