- LÊ VIẾT HIẾU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HÓA CHO MẠNG DI ĐỘNG CDMA 2000 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành : Điện tử viễn thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : NGUYỄN ĐỨC THUẬN Hà Nội – 2007 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là Luận văn nghiên cứu của tôi. - Học viên thực hiện LÊ VIẾT HIẾU 2LỜI NÓI ĐẦU Thông tin di động đang phát triển với tốc độ chóng mặt trong những năm gần đây. - Tại Việt Nam hiện nay đã có tới 6 nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di động, trong đó có ba nhà cung cấp sử dụng công nghệ GSM và ba nhà cung cấp sử dụng công nghệ CDMA. - Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã CDMA đã được đưa vào triển khai ở Việt nam từ 4 năm trước đây, bắt đầu là SFone, sau đấy đến EVN và HT Mobile. - Do đó, việc nghiên cứu kỹ về công nghệ CDMA là rất quan trọng, đặc biệt là các bài toán về quy hoạch mạng vô tuyến và tối ưu hóa cho mạng di động CDMA. - Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả không đi sâu vào trình bày về công nghệ CDMA, mà muốn đưa ra các vấn đề có liên quan đến các tính toán về dung lượng, vùng phủ sóng cũng như việc tối ưu hóa mạng CDMA. - Nội dung của luận văn sẽ được trình bày với các chương chính như sau: Chương I: trình bày một số vấn đề cơ bản của truyền sóng vô tuyến, các mô hình suy hao, công nghệ trải phổ trong CDMA và ứng dụng trong di động. - Chương II: trình bày các bài toán kỹ thuật liên quan tới việc quy hoạch và tối ưu hóa mạng CDMA như tính toán dung lượng, vùng phủ sóng cho các cell, các kỹ thuật điều khiển công suất. - Chương III: trình bày về quy trình thiết kế cho mạng vô tuyến Chương IV: trình bày một số vấn đề về tối ưu hoá mạng CDMA Tôi xin được chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, PGS.TS. - Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp tại công ty Nortel Việt nam và công ty thông tin di động HT Mobile đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi về mặt thực tế trong quá trình hoàn thành luận văn này. - Hà nội, tháng 10 năm 2007 3MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN VÀ CÔNG NGHỆ CDMA . - CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ TRUYỀN SÓNG Tham số đánh giá chất lượng của hệ thống thông tin Suy hao đường truyền và các mô hình truyền sóng Mô hình không gian tự do Mô hình Lee Mô hình Hata Các hiệu ứng che khuất (shadowing . - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CDMA Các phương pháp đa truy nhập Cấu trúc hệ thống thông tin di động CDMA Kỹ thuật mã hóa thoại trong hệ thống CDMA Kỹ thuật mã hóa kênh (Channel Encoding Lý thuyết về trải phổ và đa truy nhập theo mã Phép trải phổ trực tiếp Trải phổ trực tiếp trong hệ thống CDMA của HT Mobile CHƯƠNG II - CÁC BÀI TOÁN TÍNH TOÁN DUNG LƯỢNG VÙNG PHỦ SÓNG VÀ QUY HOẠCH CHO MẠNG DI ĐỘNG CDMA . - TÍNH TOÁN DUNG LƯỢNG CELL Dung lượng của cell khi có nhiễu từ MS ở trạm BTS khác Hiệu quả của việc chia cell thành các sector (sector hóa Hiệu quả của việc mã hóa thoại với tốc độ khác nhau . - ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG MẠNG CDMA Điều khiển công suất vòng hở cho hướng lên Điều khiển công suất vòng kín cho hướng lên Điều khiển công suất cho hướng xuống . - KỸ THUẬT THIẾT KẾ VÙNG PHỦ SÓNG CDMA Phân tích kênh đường xuống Kênh pilot Tính toán cho kênh lưu lượng hướng xuống Phân tích kênh đường lên Mô hình một cell một MS Mô hình một cell nhiều MS Mô hình nhiều cell và nhiều MS . - QUY HOẠCH MÃ PN Quy hoạch chỉ số PN Offset và PILOT_INC Tính khoảng cách tối thiểu để tái sử dụng mã PN . - TÍNH TOÁN DUNG LƯỢNG CHO MẠNG DI ĐỘNG CDMA Mô hình Erlang-B Mô hình Erlang-C Nghẽn vô tuyến trong mạng di động CDMA . - CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG CDMA Chuyển giao mềm Chuyển giao mềm hơn Chuyển giao cứng CHƯƠNG III - THIẾT KẾ MẠNG VÔ TUYẾN CHO MẠNG CDMA . - GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THIẾT KẾ VÔ TUYẾN . - CÁC GIAI ĐOẠN THIẾT KẾ MẠNG VÔ TUYẾN Giai đoạn thiết lập mục tiêu thiết kế Giai đoạn thu thập và phân tích dữ liệu Giai đoạn thiết kế chi tiết . - CÁC MỤC TIÊU CHO THIẾT KẾ MẠNG VÔ TUYẾN . - THIẾT LẬP CÁC TIÊU CHUẨN CHO MẠNG RF Dung lượng của sóng mang Vùng phủ sóng của một cell Tiêu chuẩn tỷ lệ vùng chuyển giao mềm Quy hoạch mã PN Xác định kích thước cửa sổ tìm kiếm . - THIẾT KẾ CHI TIẾT DỰA TRÊN MÔI TRƯỜNG THỰC TẾ . - THIẾT LẬP CÁC THAM SỐ HỆ THỐNG CHƯƠNG IV - TỐI ƯU HÓA MẠNG VÔ TUYẾN . - CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ TỐI ƯU HÓA MẠNG VÔ TUYẾN . - QUY TRÌNH THỰC HIỆN VIỆC TỐI ƯU HÓA Các mục tiêu cần đạt được khi tiến hành tối ưu hóa Phương pháp tiến hành tối ưu hoá Các giai đoạn của quá trình tối ưu hoá Quy trình thực hiện tối ưu hoá Các tham số thống kê đánh giá chất lượng mạng Các biện pháp nâng cao các chỉ tiêu chất lượng KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO TÓM TẮT LUẬN VĂN – BẢN TIẾNG VIỆT THESIS SUMMARY – ENGLISH VERSION DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TỪ VIẾT TẮT TỪ TIẾNG ANH NGHĨA TIẾNG VIỆT ACI Adjacent Channel Interference Nhiễu kênh kế ADC Analog Digital Converter Chuyển đổi tương tự số AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động tiên tiến AUC Authentication Center Trung tâm nhận thực BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BSS Base Station Subsystem Phân hệ trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc C/I Carrier to Interference Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu C/N Carrier to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm CCS7 Common Channel Signaling No7 Hệ thống báo hiệu kênh chung số 7 CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mãCIC Circuit Identity Code Mã nhận thực mạch CODEC Code and DECode Mã hóa và giải mã ESN Electronic Serial Number Số sê ri điện tử FA Frequency Assignment Gán tần số FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số GMSC Gateway MSC MSC cổng GOS Grade of Service Mức dịch vụ GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu HLR Home Location Register Bộ ghi vị trí thường trú IMSI International Mobile Subscriber Identity Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế MS Mobile Station Máy thuê bao di động MSC Mobile Switching Center Trung tâm chuyển mạch di động 6OMC Operation and Maintenance Center Trung tâm vận hành và bảo dưỡng PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng PN Pseudo Noise Nhiễu giả ngẫu nhiên PSTN Public Switching Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng QOS Quanlity of Service Chất lượng dịch vụ RAN Radio Access Network Mạng truy cập vô tuyến TDMA Time Division Multiple AccessĐa truy nhập phân chia theo thời gian VLR Visitor Location Register Bộ ghi vị trí khách 7DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG Hình 1.1 Các phương pháp đa truy nhập Hình 1.2 Các thành phần của hệ thống thông tin di động CDMA Hình 1.3 Ma trận ghép xen Hình 1.4 Quy trình trải phổ Hình 1.5 Đồ thị trong miền thời gian và miền tần số củaquá trình trải phổ.......23 Hình 1.6 Trải phổ trực tiếp dùng mã Walsh Hình 1.7 Sơ đồ tạo mã PN dài dựa vào số ESN của máy di động Hình 2.1 Ảnh hưởng công suất của các MS lên S/N của nhau Hình 2.2 Ảnh hưởng nhiễu của các MS đang ở cell khác Hình 2.3 Nhiễu do các MS thuộc các sector gây ra Hình 2.4 Ghép bit điều khiển công suất vào trong kênh lưu lượng Hình 2.5 Minh họa các bít điều khiển công suất Hình 2.6 Quá trình tạo ra kênh Pilot ở các trạm BTS dựa vào PN Offset Hình 2.7 MS không phân biệt được PN của trạm nào do trễ Hình 2.8 Minh họa trong miền thời gian việc MS không phân biệt được PN .....52 Hình 2.9 Minh hoạ trong miền thời gian khoảng cách tái sử dụng PN Hình 2.10 Phân bố lưu lượng theo giờ trong một ngày Hình 2.11 Số lượng các cuộc gọi thống kê theo giờ trong một ngày Hình 2.12 Quan hệ giữa tải với số lượng kênh theo Erlang B Hình 2.13 Quan hệ giữa tải với số lượng kênh theo Erlang C Hình 2.14 Chuyển giao mềm giữa hai BTS Hình 2.15 Chuyển giao mềm hơn giữa hai sector thuộc cùng một BTS Hình 3.1 Các giai đoạn thiết kế mạng vô tuyến Bảng 3.2 Mối quan hệ giữa MOS và %FER Hình 3.3 Mối quan hệ giữa cấp độ dịch vụ GoS và dung lượng Hình 3.4 Sự thay đổi công suất phát của MS theo tham số T_ADD Hình 3.5 Quan hệ giữa vùng chuyển giao mềm và tham số T_ADD Hình 3.6 Ảnh hưởng nhiễu từ một cell dùng PN khác Hình 3.7 Quan hệ giữa kích thước cửa sổ srch_win_n và vùng chuyển giao .....80 Hình 3.8 Kết quả tính toán và kết quả đo đạc trước và sau hiệu chỉnh Hình 4.1 Các giai đoạn của quá trình tối ưu hoá Hình 4.2 Quy trình tối ưu hoá mạng vô tuyến Bảng 3.1 Các đối tượng mục tiêu của việc thiết kế RF Bảng 3.2 Các loại dịch vụ và số người dùng tối đa Bảng 3.3 Bán kính tối đa của cell trong các môi trường khác nhau Bảng 4.1 Một số chỉ tiêu chất lượng mạng CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN VÀ CÔNG NGHỆ CDMA 1.1. - CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ TRUYỀN SÓNG 1.1.1 Tham số đánh giá chất lượng của hệ thống thông tin Trong bất kỳ một hệ thống truyền thông nào, thì một tham số đặc biệt quan trọng là tỷ số tín hiệu trên nhiễu C/N (Carrier to Noise ratio) tại máy thu. - Tỷ số này cho ta biết công suất của tín hiệu so sánh với công suất của nhiễu trên kênh truyền. - Vì thế C/N có thể được xem như một tiêu chí để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền thông. - Tỷ số C/N được tính toán như sau: NLGERPNCPR. - (1.1) Trong đó: ERP (Effective Radiation Power) là công suất phát hiệu dụng đo ở máy phát, ERP được tính như sau: ERP = PtLcGt (1.2) Trong đó Pt là công suất tại đầu ra của bộ khuếch đại công suất của máy phát, Lc là suy hao do cáp nối giữa bộ khuếch đại công suất và ăng ten phát. - LP là suy hao truyền dẫn, GR là hệ số tăng ích của Anten thu, và N là công suất hiệu dụng của nhiễu, thường do tạp âm nhiệt gây ra. - Trong môi trường thông tin di động, nơi mà nhiễu đặc biệt lớn do ngoài nhiễu do tạp âm nhiệt còn có nhiễu do các kênh thông tin khác gây ra, thì tỷ số trên chưa nói hết được chất lượng của kênh truyền. - Do đó trong thông tin di động 9người ta sử dụng tỷ số tín hiệu trên tạp âm C/I (Carrier to Interference ratio). - Trong đó thành phần I là tổng hợp của tạp âm nhiệt và nhiễu do các kênh thông tin khác gây ra. - 1.1.2 Suy hao đường truyền và các mô hình truyền sóng Trong công thức về C/N ở trên, ta thấy rằng tham số Lp là suy hao do truyền sóng và nó không phụ thuộc vào thiết kế, bởi vì suy hao qua môi trường truyền sóng LP bao gồm tất cả các ảnh hưởng lên tín hiệu mà nó gặp phải trên đường đi từ máy phát đến máy thu. - Vì vậy người ta phải xây dựng các mô hình nhằm dự đoán được các suy hao này. - Có nhiều mô hình được sử dụng để tính suy hao đường truyền, tất cả các mô hình đều sử dụng tham số khoảng cách từ máy phát tới máy thu làm tham số chính để tính toán. - Ngoài ra các yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến tham số này như môi trường truyền sóng, thời tiết, khí hậu. - Sau đây ta sẽ khảo sát ba mô hình hay được sử dụng trong các hệ thống vô tuyến, đó là mô hình không gian tự do, mô hình Lee, và mô hình Hata. - 1.1.2.1 Mô hình không gian tự do Trong mô hình không gian tự do, suy hao đường truyền tăng tỷ lệ thuận với bình phương khoảng cách theo công thức sau: 224dLPπλ= (1.3) Trong đó λ là bước sóng của tín hiệu, d là khoảng cách từ máy thu đến máy phát. - Công thức này được viết dưới dạng decibel như sau: LP log(f. - 20log(d) (1.4) 10d: khoảng cách tính bằng kilomet f: tần số sóng mang (MHz) LP: Suy hao đường truyền được tính bằng dB Trong thực tế thì mô hình không gian tự do này thường được dùng trong thông tin vệ tinh và thông tin hàng hải, nơi mà tín hiệu gần như được truyền trong môi trường không gian tự do. - Còn trong thông tin di động, cần áp dụng các mô hình khác vì nó còn phụ thuộc vào vật cản và các yếu tố khác. - 1.1.2.2 Mô hình Lee Trong thông tin di động, môi trường truyền sóng khác xa so với môi trường không gian tự do, vì trên mặt đất có rất nhiều các vật cản. - Tín hiệu thu được tại máy di động MS (Mobile Station) sẽ là tổng hợp của tín hiệu đến theo đường thẳng và các tín hiệu phản xạ từ các vật cản khác nhau như các tòa nhà, cây cối, đồi núi. - Vì thế suy hao đường truyền trên mạng di động mặt đất lớn hơn rất nhiều so với không gian tự do, và độ suy hao càng tăng lên nhanh hơn khi khoảng cách giữa MS và trạm thu phát gốc BTS (Base Tranceiver Station) tăng lên so với trong môi trường không gian tự do. - Sau đây là công thức đã được đơn giản hóa của mô hình Lee trong vùng tần số hoạt động của mạng di động dhLp. - (1.5) Với d khoảng cách (km) giữa trạm BTS và máy cầm tay MS, h là chiều cao (m) của anten trạm BTS. - Vì số mũ của d trong mô hình này lớn hơn (3.84 so với 2 của mô hình không gian tự do) nên suy hao theo khoảng cách giữa BTS và MS sẽ tăng nhanh hơn, cũng trong công thức này độ cao của anten BTS tăng lên sẽ làm cho suy hao giảm đi rất nhiều. - Công thức trên có thể viết dưới dạng decibel như sau: 11 LP. - 20 log(h) (1.6) Trong đó d tính bằng (km) và h (m). - Mô hình Lee dạng tổng quát phức tạp hơn rất nhiều so với mô hình đơn giản hóa ở đây và có các hằng số khác nhau được dùng để tính cho các trường hợp truyền dẫn khác nhau. - 1.1.2.3 Mô hình Hata Sau đây ta sẽ trình bày mô hình Hata để minh họa mô hình suy hao phức tạp hơn, trong đó suy hao đường truyền không chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa máy phát và máy thu, mà còn phụ thuộc vào các tham số như tần số sóng mang, độ rộng băng tần, độ cao của anten thu phát và mật độ của các công trình xây dựng. - Mô hình Hata được xây dựng trên cơ sở hàng loạt các đo đạc thực nghiệm trong môi trường đô thị. - Mô hình tổng quát của Hata dưới dạng decibel được viết như sau: LP. - log(hb)]log(d)-K0 (1.7) Với f là tần số sóng mang (MHz), hb là độ cao của anten BTS (m), hm là độ cao của anten máy thu (m), và d là khoảng cách từ trạm BTS đến MS (km). - Thành phần a(hm) và K0 được dùng cho các môi trường đô thị hoặc vùng đô thị có mật độ dân số cao. - fhhamm (1.8) K0=0 dB 12Ở vùng đô thị có mật độ dân số cao log(2.3)(2−=mmhha (1.9) K0 =3 dB Các thành phần K1 và K2 đặc trưng cho vùng tần số sóng mang: K1 = 69.55 với 150MHz ≤ f ≤ 1000MHz K1 = 46.3 với 1500MHz ≤ f ≤ 2000MHz K2 = 26.16 với 150MHz ≤ f ≤ 1000MHz K2 = 33.9 với 1500MHz ≤ f ≤ 2000MHz 1.1.3 Các hiệu ứng che khuất (shadowing. - Fading chậm: khi máy thu dịch chuyển ra xa dần BTS, công suất nó nhận được từ BTS sẽ giảm dần một cách từ từ. - Tuy nhiên, trong quá trình di chuyển các vật cản (như cây cối, nhà cửa, xe cộ…) sẽ cắt ngang đường truyền sóng, có thể làm máy thu không nhận được công suất đến trực tiếp từ BTS đồng thời cũng không nhận được tín hiệu phản xạ. - Điều này sẽ gây ra tình trạng rớt công suất ở máy thu. - Fading chậm thường được mô hình bằng phân bố “logarit thường” với công suất trung bình và độ lệch chuẩn (tức là phân bố xác suất của sự thay đổi công suất được phân bố theo 10ξ/10, với ξ là một biến ngẫu nhiên phân bố Gaussian với giá trị trung bình m và độ lệch chuẩn σ). - Trong môi trường thông tin di động mặt đất, độ lệch chuẩn thường khoảng 8dB. - Fading nhanh: khi MS di chuyển ra khỏi tầm nhìn của BTS, khi đó hoàn toàn không còn tín hiệu nào đến MS trực tiếp từ BTS, tất cả các tín hiệu thu được trên MS đều được tạo thành từ các tia sóng phản xạ từ các vật cản xung quanh, và trong các tín hiệu thu được nhờ phản xạ đó không có tín hiệu nào 13có công suất vượt trội. - Các tia phản xạ khác nhau đến MS trong các khoảng thời gian khác nhau, khác nhau về biên độ, khác nhau về pha. - Người ta đã chứng minh bằng lý thuyết và thực nghiệm rằng đường bao của tín hiệu sóng mang nhận được ở MS được phân bố theo Rayleigh, vì thế fading này được gọi là fading Rayleigh. - Gọi N là số đường tín hiệu đến MS thì tín hiệu thu được ở MS sẽ được tính bằng công thức: )22()(,1tfftoscRtrnDNnnππ. - (1.10) Trong đó Rn và f là tần số và biên độ của tín hiệu trên mỗi đường, fD,n là dịch chuyển tần số của các tín hiệu phản xạ do tác động của hiệu ứng Doppler khi MS di chuyển. - Nếu các tín hiệu tới MS trên các đường truyền song song với phương di chuyển của MS thì dịch chuyển tần số Doppler được tính bằng: λvfnD=, (1.11) Với v là tốc độ di chuyển của MS. - Ta phân tích tín hiệu thu thành hai thành phần đồng pha và dịch pha 90o như sau: )2sin()()2cos. - fttRfttRtrQIππ+= (1.12) Thành phần đồng pha được tính bằng: ∑==NnnDnItfRtR1,2cos)(π (1.13) Thành phần dịch pha 90o: ∑==NnnDnQtfRtR1,2sin)(π . - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CDMA Ở Việt Nam, công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA đã được đưa vào triển khai được 4 năm, cả 3 nhà cung cấp dịch vụ di động sử dụng công nghệ CDMA là SFone, EVN và HT Mobile đều sử dụng chuẩn CDMA2000 1x EVDO. - Vì vậy chúng ta sẽ đi vào xem xét một cách tổng quát các đặc điểm của công nghệ CDMA, sau đó ta sẽ đưa ra các bài toán về quy hoạch và tối ưu hóa mạng thông tin di động CDMA ở chương sau. - 1.2.1 Các phương pháp đa truy nhập Có ba phương pháp đa truy nhập chính được sử dụng trong công nghệ di động, đó là đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA, đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA và đa truy nhập phân chia theo mã CDMA. - Hình 1.1 Các phương pháp đa truy nhập FDMA TDMA CDMA Frequency Time Power Frequency Time Power Frequency Time Power 15FDMA: Frequency Division Multiple Access, đa truy nhập phân chia theo tần số, mỗi người dùng được gán cho mỗi tần số khác nhau trong một băng tần xác định. - Mạng di động AMPS (Advance Mobile Phone System) sử dụng phương pháp đa truy cập này TDMA: Time Division Multiple Access, đa truy nhập phân chia theo thời gian, mỗi người dùng được gán cho một tần số và khe thời gian khác nhau. - Mạng di động GSM sử dụng phương pháp đa truy cập này. - CDMA: Code Division Multiple Access, đa truy nhập phân chia theo mã, mỗi người dùng được gán cho một mã khác nhau trong một băng tần xác định. - Mạng di động CDMA sử dụng công nghệ này. - Hình 1.1 minh họa các phương pháp đa truy nhập trên. - 1.2.2 Cấu trúc hệ thống thông tin di động CDMA Hình vẽ 1.2 sau đây minh họa một hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật trải phổ và đa truy nhập theo mã (CDMA). - Hình 1.2 Các thành phần của hệ thống thông tin di động CDMA Phía phát: Tín hiệu thoại được mã hóa thoại. - trải phổ
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt