Nghiên cứu các giao thức và thủ tục truy nhập vô tuyến trong hệ thống thông tin di động thế hệ 4 lte,luận văn thạc sỹ kỹ thuật điện tử

Trần Hoài Trung - 10 - HVTH: Trương Thanh XuânPDSCH: Physical Downlink Shared Channel: Kênh chia sẻ đường xuống vật lý PDU: Packet Data Unit: Đơn vị dữ liệu gói PDUs: Protocol Data Units

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 1 - HVTH: Trương Thanh Xuân

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC

Họ và tên học viên: Trương Thanh Xuân Năm sinh: 1985

Cơ quan công tác: Phòng VHTT - UBND thị xã Thuận An, tỉnh Bình Dương Khoá: 18

Chuyên ngành: Điện tử Viễn thông Mã số:

Cán bộ hướng dẫn: TS Trần Hoài Trung Bộ môn: Điện tử Viễn thông

1 Tên đề tài luận văn: Nghiên cứu các giao thức và thủ tục truy nhập vô

tuyến trong hệ thống thông tin di động thế hệ 4 LTE

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu và tìm hiểu rõ các giao thức

và thủ tục truy nhập vô tuyến trong hệ thống thông tin di động thế hệ 4 LTE

3 Phương pháp nghiên cứu và kết quả đạt được: Dựa trên các kết quả đã được công bố trên các tạp chí chuyên ngành quốc tế, các tài liệu chuyên ngành, các khuyến cáo, khuyến nghị của nhà sản xuất thiết bị… Nghiên cứu các giao thức và thủ tục của công nghệ LTE nhằm đánh giá tính ưu việt của thế hệ di động 4G trong tương lai

4 Điểm bình quân môn học: Điểm bảo vệ luận văn:

Ngày tháng năm 2012

Học viên Xác nhận của cán bộ hướng dẫn:

Xác nhận của Bộ môn:

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 2 - HVTH: Trương Thanh Xuân

PHẦN MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Trước sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của các dịch vụ số liệu, trước xu hướng tích hợp và IP hoá đã đặt ra các yêu cầu mới đối với công nghiệp viễn thông di động Mạng thông tin di động thế hệ tư ra đời đã khắc phục được các nhược điểm của các mạng thông tin di động thế hệ trước đó Mạng 4G ra đời là cuộc cách mạng về tốc độ truyền dữ liệu, khả năng tương tác, giao tiếp giữa các mạng khác nhau Nó là sự kết hợp của các mạng khác nhau dựa trên nền IP Mục đích của mạng là cho phép người dùng có thể truy nhập và khai thác các dịch vụ trong mạng với tốc độ cao, chất lượng tốt, an toàn và bảo mật

Mạng 4G đáp ứng được yêu cầu tích hợp các mạng khác như mạng di động thế hệ 2G, 3G, .và WLAN, WiMAX và các mạng không dây khác Mạng 4G có khả năng kết hợp với các mạng khác nhau dựa trên nền giao thức IP, với tốc độ cao Đây là yêu tố quan trọng giúp cho một mạng công nghệ mới đạt được thành công Với sự kết hợp này người dùng có khả năng kết nối tới nhiều mạng, có thể sử dụng nhiều dịch vụ khác nhau

Chúng ta thấy rằng các hệ thống hiện nay vẫn phát triển như là các hệ thống đóng Trong mạng thế hệ thứ 2, dịch vụ cung cấp chỉ là những dịch vụ đơn giản như tin nhắn SMS, MMS, Các mạng di động thế hệ thứ ba đã bắt đầu cung cấp một số ứng, dụng, dịch vụ nhưng còn rất ít, chất lượng chưa cao Điều này có thể khắc phục được trong mạng 4G Cấu trúc mở của mạng 4G cho phép lắp đặt các thành phần mới và

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 3 - HVTH: Trương Thanh Xuân

các giao diện mới giữa các cấu trúc khác nhau trên các lớp Đây là điều rất quan trọng, đặc biệt cho các dịch vụ tối ưu trong mạng di động với liên kết không dây và các tính năng di động

Do vậy, việc nghiên cứu và nắm rõ các giao thức hoạt động cũng như các thủ tục trong mạng 4G theo công nghệ LTE là một phần quan trọng công tác khai thác và kết hợp nâng cấp thế hệ di động hiện tại lên 4G

II Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu và tìm hiểu rõ các giao thức và thủ tục truy nhập vô tuyến trong hệ thống thông tin di động thế hệ 4 LTE

III Đối tượng nghiên cứu

IV Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu dựa trên cở sở lý thuyết đưa ra những ưu điểm nổi bật của công nghệ LTE so với mạng UMTS hiện tại và đánh giá khả năng phát triển của công nghệ 4G LTE tại Việt Nam

V Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên các kết quả đã được công bố trên các tạp chí chuyên ngành quốc tế, các tài liệu chuyên ngành, các khuyến cáo, khuyến nghị của nhà sản xuất thiết bị… Nghiên cứu các giao thức và thủ tục của công nghệ LTE nhằm đánh giá tính ưu việt của thế hệ di động 4G trong tương lai

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 4 - HVTH: Trương Thanh Xuân

VI Kết cấu của luận văn:

Chương 1 Kiến trúc của hệ thống gói phát triển tiên tiến (EPS)

Chương 2 Giao thức và thủ tục trong mạng truy nhập vô tuyến e-UTRAN

Chương 3 Giao thức hội tụ dữ liệu gói PDCP

Chương 4 Các giao thức của giao diện X2 và S1

Chương 5 So sánh những ưu điểm nổi bật của công nghệ LTE so với mạng UMTS hiện tại và khả năng phát triển công nghệ 4G LTE tại Việt Nam

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 5 - HVTH: Trương Thanh Xuân

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 12

CHƯƠNG 1: KIẾN TRÚC CỦA HỆ THỐNG GÓI PHÁT TRIỂN TIÊN TIẾN (EPS) 14

1.1 Các thành phần hệ thống gói phát triển EPS 15

1.1.1 Giới thiệu chung về LTE 15

1.1.2 Thành phần hệ thống EPS 16

1.1.2.1 Thiết bị người sử dụng (UE) 18

1.1.2.2 Trạm gốc (E-NodeB) 18

1.1.2.3 Thành phần quản lý di động MME 21

1.1.2.4 Cổng dịch vụ (Serving -GW) 23

1.1.2.5 Cổng dữ liệu gói (P-GW) 24

1.2 Các giao diện của EPS 25

1.2.1 Giao diện lớp mạng truy nhập E-UTRAN 27

1.2.1.1 Giao diện X2 28

1.2.1.2 Giao diện S1 29

1.2.2 Các giao diện lớp mạng lõi EPC 29

1.2.2.1 Giao diện S11 30

1.2.2.2 Giao diện S6 31

1.2.2.3 Giao diện S3 31

1.2.2.4 Giao diện S10 31

CHƯƠNG 2: GIAO THỨC VÀ THỦ TỤC TRONG MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN E-UTRAN 32

2.1 Báo hiệu EPS 32

2.1.1 Mặt phẳng điều khiển (Control Plane) 32

2.1.2 Mặt phẳng người sử dụng (User plane) 33

2.2 Giao thức trong E-UTRAN 33

2.2.1 Các lớp giao thức trên giao diện Uu 33

2.2.1.1 Điều khiển truy nhập môi trường MAC 35

2.2.1.2 Điều khiển kết nối vô tuyến RLC 36

2.2.1.3 Lớp điều khiển tài nguyên vô tuyến RRC 39

2.2.2 Các lớp giao thức trên giao diện X2 42

2.2.3 Các lớp giao thức trên giao diện S1 44

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 6 - HVTH: Trương Thanh Xuân

2.3 Các thủ tục trong E-UTRAN 47

2.3.1 Thủ tục dò tìm tế bào (cell search) 47

2.3.2 Thủ tục truy cập ngẫu nhiên 48

2.3.3 Thủ tục ghép mạng 50

2.3.4 Thủ tục tách mạng 56

2.3.5 Thủ tục yêu cầu dịch vụ của UE 58

2.3.6 Thiết lập kênh mang dành riêng 60

2.4 Các loại kênh truyền trong E-UTRAN 62

2.4.1 Kênh luận lý (logic): 62

2.4.2 Kênh truyền dẫn: 67

2.4.3 Kênh vật lý: 69

2.4.4 Liên kết giữa các kênh 71

CHƯƠNG 3: GIAO THỨC HỘI TỤ DỮ LIỆU GÓI PDCP 73

3.1 Giao thức hội tụ dữ liệu gói PDCP 73

3.2 Các chức năng của giao thức PDCP 74

3.2.1 Nén phần mào đầu 75

3.2.2 Bảo mật 78

3.2.3 Chuyển giao 79

3.2.3.1 Chuyển giao không ngắt quảng (Seamless Handover) 79

3.2.3.2 Chuyển giao không hao hụt (lossless handover) 80

3.3 Cấu trúc khung dữ liệu PDU 84

3.3.1 PDU dữ liệu 85

3.3.1.1 PDU dữ liệu truyền SRB ở mặt phẳng điều khiển 85

3.3.1.2 PDU dữ liệu mặt phẳng người sử dụng với chuỗi số 12bit 85 3.3.1.3 PDU dữ liệu mặt phẳng người sử dụng với chuỗi số 7bit 86

3.3.2 PDU điều khiển 87

CHƯƠNG 4: CÁC GIAO THỨC CỦA GIAO DIỆN X2 VÀ S1 89

4.1 Chức năng và các thủ tục của giao diện X2 89

4.1.1 Giới thiệu giao diện X2 89

4.1.1.1 Giao diện mặt phẳng người sử dụng X2-U 90

4.1.1.2 Giao diện mặt phẳng điều khiển X2-C 90

4.1.2 Các chức năng của giao thức ứng dụng X2 91

4.1.3 Các thủ tục cơ bản 92

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 7 - HVTH: Trương Thanh Xuân

4.1.3.1 Thủ tục chuẩn bị chuyển giao 94

4.1.3.2 Truyền trạng thái chuỗi số SN 96

4.1.3.3 Giải phóng UE context 97

4.1.3.4 Hủy bỏ chuyển giao 98

4.1.3.5 Chỉ định tải X2 99

4.1.3.6 Thiết lập giao diện X2 100

4.1.3.7 Cấu hình eNB trong chuyển giao X2 101

4.2 Chức năng và các thủ tục của giao diện S1 103

4.2.1 Chức năng của các thủ tục ứng dụng S1 104

4.2.2 Danh sách các thủ tục cơ bản của S1AP 106

4.2.2.1 Thiết lập S1 108

4.2.2.2 Cập nhật cấu hình eNB và MME 110

4.2.2.3 Truyền NAS 110

4.2.2.4 Trả lời việc thiết lập context ban đầu 112

4.2.2.5 Điều chỉnh ngữ cảnh UE: 113

4.2.2.6 Chuyển giao S1 113

4.3 Chức năng và các thủ tục của giao thức đường hầm (GTP) 120

4.3.1 Đường hầm GTP 121

4.3.2 Tiêu đề bản tin GTPv1-U 121

4.3.3 Sự mở rộng tiêu đề 122

CHƯƠNG 5: SO SÁNH NHỮNG ƯU ĐIỂM NỔI BẬT CỦA CÔNG NGHỆ LTE SO VỚI MẠNG UMTS HIỆN TẠI VÀ KHẢ NĂNG PHÁT TRIÊN CÔNG NGHỆ LTE TẠI VIỆT NAM 123

5.1 So sánh những điểm nổi bật của công nghệ LTE so với mạng UMTS hiện tại 123

5.2 Khả năng phát triển công nghệ 4G LTE tại Việt Nam 129

KẾT LUẬN 132

LỜI CẢM ƠN 133

TÀI LIỆU THAM KHẢO 134

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 8 - HVTH: Trương Thanh Xuân

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT

3GPP: The Third Generation Partnership Project: Tổ chức chuẩn hóa mạng di động thế hệ thứ 3

AM: Acknowledged Mode: chế độ báo nhận

AMR: Adaptive Multi-Rate: Thích ứng đa tốc độ

AS: Access Stratum: Tầng truy nhập

BCCH: Broadcast Control Channel : Kênh điều khiển quảng bá

BCH: Broadcast Channel : Kênh quảng bá

CCCH: Common Control Channel: Kênh điều khiển chung

CGI: Cell Global Identification: Bộ nhận dạng cell toàn cầu

CP: Control Plane: Mặt phẳng điều khiển

C-RNTI: Cell Radio Network Temporary Identifier: Bộ nhận dạng tạm thời

vô tuyến

DCCH: Dedicated Control Channel: Kênh điều khiển dành riêng

DCCH: Dedicated Control Channel: Kênh điều khiển dành riêng

DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol: Giao thức cấu hình động

DL-SCH: Downlink Shared Channel : Kênh chia sẻ đường xuống

DRX: Discontinuous Reception Mode: Chế độ nhận sóng không liên tục

DTCH: Dedicated Traffic Channel : Kênh lưu lượng dành riêng

DTCH: Dedicated Traffic Channel: Kênh lưu lượng dành riêng

ECM: EPS Connection Management: quản lý kết nối EPS

EPC: Evolved Packet Core: Mạng lõi phát triển

EPS: Evolved Packet System: Hệ thống gói phát triển

e-UTRAN: Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network: Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu phát triển

FTP: File Transfer Protocol: Giao thức truyền tập tin

GGSN: Gateway GPRS Support Node: Nút hỗ trợ cổng GPRS

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 9 - HVTH: Trương Thanh Xuân

GUMMEI: Globally Unique Mobility Management Entity Identifier: Bộ nhận dạng MME toàn cầu

GUTI: Globally Unique Temporary Identity: Bộ nhận dạng tạm thời toàn cầu HARQ: Hybrid Automatic Repeat Request : Yêu cầu phát lại tự động linh hoạt

HLR: Home Location Register: Bộ đăng ký định vị thường trú

HSS: Home Subscriber Server: Máy chủ thuê bao nhà

IMSI: International Mobile Subscriber Identity: Bộ nhận dạng thuê bao di động quốc tế

MAC: Medium Access Control : Điều khiển truy cập môi trường

MCC: Mobile Country Code: Mã di động quốc gia

MCCH: Multicast Control Channel : Kênh điều khiển multicast

MIMO: Multiple Input Multiple Output : đa nhập đa xuất

MME: Mobility Manager Entity: Thành phần quản lý di động

MNC: Mobile Network Code : Mã mạng di động

MTCH: Multicast Traffic Channel: Kênh lưu lượng Multicast

NAS: Non-Access Stratum: Tầng không truy nhập

OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access: Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao

PBCH: Physical Broadcast Channel: Kênh quảng bá vật lý

PCCH: Paging Control Channel: Kênh điều khiển tìm gọi

PCH: Paging Channel: Kênh tìm gọi

PDCCH: Physical Downlink Control Channel: Kênh điều khiển đường xuống vật lý

PDCP: Packet Data Protocol : Giao thức hội tụ số liệu gói

PDN-GW: Packet Data Network GateWay: Cổng mạng dữ liệu gói

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 10 - HVTH: Trương Thanh Xuân

PDSCH: Physical Downlink Shared Channel: Kênh chia sẻ đường xuống vật

lý

PDU: Packet Data Unit: Đơn vị dữ liệu gói

PDUs: Protocol Data Units: Đơn vị dữ liệu giao thức

PMM: Packet Mobility Management: Quản lý tính di động gói

PRACH: Physical Random Access Channel: Kênh truy nhập tùy ý

PUCCH: Physical Uplink Control Channel: Kênh điều khiển đường lên vật lý PUSCH: Physical Uplink Shared Channel: Kênh chia sẻ đường lên vật lý

QoS: Quality of Service: Chất lượng dịch vụ

RAB: Radio Access Bearer: Kênh mang truy nhập vô tuyến

RACH: Random Access Channel: Kênh thâm nhập ngẫu nhiên

RLC: Radio Link Control : Điều khiển liên kết vô tuyến

RNL: Radio Network Layer: Lớp mạng vô tuyến

ROHC: Robust Header Compression: Nén tiêu đề

RRC: Radio Resource Control : Lớp điều khiển tài nguyên vô tuyến

RRC: Radio Resource Control: Bộ điều khiển tài nguyên vô tuyến

RTP: Real-time Transfer Protocol: Giao thức truyền thời gian thực

SAE: System Architecture Evolution : Kiến trúc mạng phát triển

SAP: Service Access Point: Điểm truy nhập dịch vụ

SCTP: Stream Control Transmission Protocol: Giao thức truyền chuỗi điều khiển

SDU: Services Data Unit: đơn vị số liệu dịch vụ

SEG: Security Gateway: Cổng an ninh

SGSN: Serving GPRS Support Node: Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS

S-GW : Serving Gateway : Cổng dịch vụ

SIB: System Information Block: Khối hệ thống thông tin

SIP: Session Initiation Protocol: Giao thức khởi đầu phiên

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 11 - HVTH: Trương Thanh Xuân

SM: Session Management : Quản lý phiên

SN: Sequence Number: chuỗi số

SRB: Signalling Radio Bearer: Kênh mang báo hiệu

TBCD: Telephony Binary Coded Decimal: Chuổi số thập phân mã hoá nhị phân

TCP : Transmission Control Protocol: Giao thức điều khiển truyền dẫn TCP TEID: Tunnelling End Identity: Bộ nhận dạng cuối đường hầm

TM: Transparent Mode: Chế độ trong suôt

TNL: Transport Network Layer: Lớp mạng truyền dẫn

UDP: User Datagtam Protocol: giao thức gói dữ liệu người dùng UDP

UL-SCH: Uplink shared channel: Kênh chia sẻ đường lên

UM: Unacknowledged Mode: Chế độ không công nhận

UP: User plane: Mặt phẳng người sử dụng

UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network: Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 12 - HVTH: Trương Thanh Xuân

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc EPS

Hình 1.2 Kiến trúc mạng LTE cơ bản

Hình1.3 Kiến trúc EPS và kết nối giữa giao diện người dùng và giao diện điều khiển

Hình 1.4.Các giao diện trong mạng EPS

Hình 1.5 Các giao diện trong mạng lõi EPC

Hình 2.1 Mặt phẳng điều khiển AS và NAS

Hình 2.2 Mặt phẳng người sử dụng AS và NAS

Hình 2.3 Giao thức ngăn xếp giao diện LTE Uu

Hình 2.4 Phân đoạn và hợp đoạn RLC

Hình 2.5 Giao thức ngăn xếp giao diện X2

Hình 2.6 Các giao thức giao diện S1

Hình 2.7 Tổng quan của thủ tục truy cập ngẫu nhiên

Hình 2.8 Các thủ tục ghép mạng

Hình 2.9 Thủ tục tách mạng

Hình 2.10 Thủ tục yêu cầu các dịch vụ

Hình 2.11 Thiết lập kênh mang dành riêng

Hình 2.12 Các kênh luận lý, vận chuyển và vật lý ở hướng xuống

Hình 2.13 Sự ánh xạ giữa các kên logic và các kênh truyền dẫn

Hình 2.14 Sơ đồ giữa các kênh truyền tải và logic đường xuống

Hình 2.15 Sơ đồ giữa các kênh truyền tải và logic đường lên

Hình 2.16 Liên kết giữa các kênh với nhau

Hình 3.1 Cấu trúc lớp PDCP

Hình 3.2 Các chức năng của thực thể PDCP

Hình 3.3 Chuyển giao không hao hụt trong đường liên kết lên

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 13 - HVTH: Trương Thanh Xuân

Hình 3.4 Chuyển giao không hao hụt trong đường liên kết xuống

Hình 3.5 Định dạng dữ liệu PDU cho kênh mang báo hiệu vô tuyến SRB

Hình 3.6 Định dạng dữ liệu PDU ở mặt phẳng người sử dụng với chuỗi 12 bit Hình 3.7 Định dạng dữ liệu PDU cho kênh mang báo hiệu vô tuyến SRB sử dụng chuỗi 7 bit

Hình 3.8 Báo cáo trạng thái PDU điều khiển

Hình 3.9 Các thành phần chính của định dạng gói dữ liệu PDU PDCP

Hình 3.10 Các thành phần chính của định dạng gói điều khiển PDU PDCP

Hình 4.1 Các thành phần trong lớp mạng vô tuyến và truyền dẫn giao diện X2 Hình 4.2 Mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người sử dụng X2

Hình 4.3 kiến trúc tổng quan của một chuyển giao bên trong E-UTRAN dựa trên giao diện X2

Hình 4.4 Mô tả việc truyền trạng thái chuỗi số SN

Hình 4.5 Mô tả việc giải phóng UE context

Hình 4.6 Mô tả việc hủy bỏ chuyển giao

Hình 4.7.Mô tả chỉ định tải X2

Hình 4.8 Mô tả chỉ định can thiệp tải đường lên UL

Hình 4.9 Mô tả chỉ định can thiệp tải đường xuống DL

Hình 4.10 Mô tả cấu hình eNB trong chuyển giao X2

Hình 4.11 Mô tả yêu cầu thiết lập S1

Hình 4.12 Mô tả bản tin trả lời yêu cầu thiết lập

Hình 4.13 Mô tả khởi tạo bản tin UE

Hình 4.14 Truyền đường lên và đường xuống NAS

Hình 4.15 Mô tả trả lời yêu cầu thiết lập context ban đầu

Hình 4.16 Mô tả thủ tục chuyển giao S1

Hình 4.17 Mô tả yêu cầu chuyển giao

Hình 4.18 Mô tả bản tin yêu cầu chuyển giao

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 14 - HVTH: Trương Thanh Xuân

Hình 4.18 Mô tả bản tin yêu cầu chuyển giao

Hình 4.19 Mô tả trả lời yêu cầu chuyển giao

Hình 4.20 Mô tả thông báo chuyển giao

Hình 4.21 Mô tả đóng bao và tháo bao cho gói IP trong quá trình truyền Tunnel Hình 4.22 Tiêu đề mở rông GTP

Hình 5.1.Kỹ thuật điều chế của UMTS và LTE

Hình 5.2 So sánh tốc độ giữa các phiên bản công nghệ khác nhau

Hình 5.3 Sự khác nhau giữa UMTS và LTE trên mặt phẳng người sử dụng đường xuống

Hình 5.4 Kiến trúc mạng tiên tiến LTE so với UMTS

Hình 5.5 Sự chuyển dịch các chức năng của các node mạng từ UMTS

sang LTE

Bảng 4.3.Các thủ tục ở lớp 1

Bảng 4.1 Các thủ tục cơ bản tương ứng với các chức năng của X2

Bảng 4.2 Các thủ tục cơ bản trong X2AP

CHƯƠNG 1: KIẾN TRÚC CỦA HỆ THỐNG GÓI PHÁT TRIỂN TIÊN

TIẾN (EPS)

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 15 - HVTH: Trương Thanh Xuân

1.1 Các thành phần hệ thống gói phát triển EPS

1.1.1 Giới thiệu chung về LTE

LTE là thế hệ di động thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển Để đảm bảo tính cạnh tranh 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp

mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối

Các mục tiêu của công nghệ này là:

- Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz: Tải xuống: 100 Mbps; Tải lên: 50 Mbps

- Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1MHz so với mạng HSDPA: Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần; Tải lên: gấp 2 đến 3 lần

- Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0 – 15 km/h Vẫn hoạt động tốt với tốc độ từ 15 – 120 km/h Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120 – 350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng tần)

- Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, giảm chút ít trong phạm vi đến 30km Từ 30 – 100 km thì không hạn chế

- Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng tần 1.25 MHz, 1.6 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên

và xuống Rất nhiều kỹ thuật mới được áp dụng, trong đó nổi bật là kỹ thuật vô tuyến OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần số trực giao), kỹ thuật anten MIMO (Multiple Input Multiple Output - đa nhập đa xuất) Ngoài

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 16 - HVTH: Trương Thanh Xuân

ra hệ thống này sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP và hỗ trợ cả 2 chế độ FDD và TDD

1.1.2 Thành phần hệ thống EPS

Hệ thống gói phát triển EPS bao gồm mạng lõi EPC và mạng truy nhập

vô tuyến eUTRAN EPS là một hệ thống chuyển mạch gói hoàn chỉnh với hệ thống con đa phương tiện IP hướng đến mục tiêu là nền tảng của dịch vụ thoại Trong hệ thống EPS, việc điều khiển chất lượng dịch vụ QoS được thực hiện bởi các kênh mang giữa UE và PDN - GW

Hình 1.1 Cấu trúc EPS Các kênh mang EPS được dùng để định tuyến IP từ Gateway trong PDN đến UE Các kênh mang này mang gói IP chứa các thông tin chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service) giữa Gateway và UE EPS cung cấp cho

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 17 - HVTH: Trương Thanh Xuân

người dùng một kết nối IP đến một PDN để truy cập Internet, cũng như là thực thi các dịch vụ như VoIP Một kênh mang EPS điển hình được kết hợp với một QoS Nhiều kênh mang có thể được thiết lập cho một người dùng để cung cấp nhiều dòng QoS khác nhau hoặc để kết nối đến các PDN khác nhau

- Mạng lõi EPC: Mạng lõi EPC là một mạng lõi IP phẳng Nó hỗ trợ thực hiện các thủ tục chuyển giao giữa các mạng có chuẩn 3GPP như UMTS

và không theo chuẩn 3GPP như WIMAX EPC bao gồm thực thể quản lý di động MME, cổng dịch vụ S-GW, cổng mạng dữ liệu gói PDN-GW PDN -

GW cung cấp cho UE quyền truy nhập đến mạng dữ liệu gói PDN bằng cách gán một địa chỉ IP từ PDN đến UE

- Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất E-UTRAN: Thành phần chính trong kiến trúc của E-UTRAN là eNB, cung cấp giao diện vô tuyến giao tiếp với

UE Mỗi eNB là một thành phần logic phục vụ một hoặc nhiều cell e-UTRAN

và giao diện kết nối các eNB với nhau được gọi là giao diện X2 Ngoài ra, Home eNB (còn được gọi là femtocell) với giá thành thấp, được sử dụng để phủ sóng trong các tòa nhà, nó có thể kết nối trực tiếp đến EPC hoặc thông qua cổng hỗ trợ, các cổng này được dùng để kết nối nhiều HeNB với mạng EPC nhằm mục đích tiết kiệm các kết nối trực tiếp từ HeNB đến EPC Trong mặt phẳng người sử dụng gồm các giao thức hội tụ dữ liệu gói PDCP, điều khiển liên kết vô tuyến RLC, điều khiển truy nhập MAC và giao thức lớp vật

lý Ngăn xếp mặt phẳng điều khiển bao gồm giao thức điều khiển tài nguyên

vô tuyến RRC

Theo 3GPP, trong một hệ thống mạng LTE cơ bản bao gồm có các chức năng chính sau:

+ Chức năng mạng điều khiển truy nhập

+ Chức năng định tuyến và chuyển giao gói

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 18 - HVTH: Trương Thanh Xuân

+ Chức năng quản lý di động

+ Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến

+ Chức năng quản lý hệ thống mạng vô tuyến

Hình 1.2 Kiến trúc mạng LTE cơ bản

1.1.2.1 Thiết bị người sử dụng (UE)

UE bao gồm thiết bị di động (ME) và modun nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) USIM là vi mạch chứa một số thông tin liên quan đến thuê bao cùng với khoá bảo an (giống như SIM ở GSM) Giao diện giữa UE và mạng gọi là giao diện vô tuyến Uu Trong thực tế UE hỗ trợ giao thức khởi đầu phiên (SIP: Session Initiation Protocol) UE và có khả năng điều khiển các dịch vụ lớn hơn trước rất nhiều

1.1.2.2 Trạm gốc (E-NodeB)

E-NodeB là các trạm cơ sở nâng cao theo chuẩn 3GPP, cung cấp các kết nối IP cơ bản về phía mạng lõi EPC đồng thời cung cấp các giao diện vô tuyến LTE và thực hiện quản lý tài nguyên vô tuyến về phía EU E-NodeB là thực thể mạng chịu trách nhiệm tiếp nhận và truyền dẫn giao diện vô tuyến

Nó bao gồm điều chế, giải điều chế kênh vô tuyến, mã hóa/giải mã và

EPC

E-UTRAN

EPS

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 19 - HVTH: Trương Thanh Xuân

ghép/tách kênh Thông tin hệ thống được truyền đến các cell trên giao diện

vô tuyến để cung cấp thông tin nền đến UE E-Node B có các chức năng RRC như hệ thống truyền thông quảng bá và điều khiển kết nối RRC, bao gồm:

+ Tìm gọi thuê bao

+ Thiết lập, điều chỉnh và kết nối đến RRC ngay cả đối với các thuê bao tạm thời

Để đo hiệu suất E-NodeB ta dựa vào tỷ số UL/DL quản lý tài nguyên

và lập trình gói tin được thực hiện bởi eNB Chức năng khó khăn nhất là đòi hỏi các eNB đối phó với nhiều hạn chế khác nhau như chất lượng liên lạc vô tuyến, yêu cầu QoS và khả năng của UE Đây là nhiệm vụ của eNB để làm cho việc sử dụng các nguồn tài nguyên có sẵn trong các cách hiệu quả nhất

Xử lý các gói dữ liệu ở eNodeB:

Ngoài những công việc đặc trưng cho tài nguyên vô tuyến, eNodeB còn chịu trách nhiệm liên quan đến các gói dữ liệu trước khi chúng được truyền qua giao tiếp vô tuyến Để phòng chống những cuộc tấn công sửa đổi dữ liệu, một mã tổng kiểm tra (checksum) tính toàn vẹn được tính toán cho mỗi gói dữ liệu rồi cho thêm vào gói đó trước khi nó được gửi qua giao tiếp vô tuyến Nếu một thông điệp nào đó bị sửa đổi một cách gian lận trên giao tiếp vô tuyến, thì kẻ gian cũng không thể cho thêm vào gói đó một một mã checksum hợp lệ bởi vì thiếu khóa bí mật này và thế là thông điệp đó không thể được bên nhận tiếp nhận Việc kiểm tra tính toàn vẹn áp dụng cho các gói IP, cho các thông điệp kiểm soát tài nguyên vô tuyến được trao đổi với eNodeB và cho cả các thông điệp quản lý phiên và quản lý tính di động được trao đổi với MME nữa

Ngoài việc kiểm tra tính toàn vẹn, các gói dữ liệu còn được mã hóa trước khi được truyền qua giao diện vô tuyến Ở đây cũng có một khóa bí mật dùng chung cá nhân của thuê bao lưu trên thẻ SIM và HSS, được dùng để tính

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 20 - HVTH: Trương Thanh Xuân

ra một chìa khóa mã hóa (ciphering key) ở cả hai phía của đường truyền Vì vậy, những dữ liệu bị chặn lại trên giao diện vô tuyến có thể không được giải

mã được bởi vì kẻ tấn công không biết mã ciphering key Việc mã hóa (ciphering) áp dụng cho các gói IP, cho các thông điệp điều khiển tài nguyên

vô tuyến và cho cả các thông điệp quản lý phiên và kiểm soát tính di động

Một tác vụ mà chỉ được eNodeB thực hiện trên các gói IP dữ liệu người dùng trước khi chúng được truyền qua giao tiếp vô tuyến là nén phần mào đầu (header compression) Đối với các mạng LTE, tính năng này rất quan trọng, đặc biệt là đối với những ứng dụng thời gian thực như VoIP Bởi vì VoIP rất nhạy cảm với độ trễ, nên thông thường mỗi gói IP chỉ chứa 20 ms dữ liệu thoại Với một tốc độ truyền dữ liệu khoảng chứng 12 Kbit/s sinh ra bởi những bộ mã hóa/giải mã (codec) giọng nói tinh vi, chẳng hạn như codec AMR (Adaptive Multi-Rate) với chất lượng tiếng tốt, thì mỗi gói IP mang chừng 32 Byte dữ liệu Ngoài ra, có một phụ phí là 40 Bytes cho header IPv4, header UDP và header RTP Với IPv6 thì phụ phí thậm chí còn lớn hơn do việc sử dụng các địa chỉ IP 128 bit và do có thêm những trường mào đầu khác nữa Như vậy là phụ phí mào đầu trên mỗi gói nhiều hơn là dữ liệu thoại Điều này làm tăng yêu cầu về tốc độ truyền dữ liệu, vì vậy làm giảm đáng kể

số lượng cuộc gọi đồng thời khả dĩ trên mỗi trạm cơ sở Bởi vì gọi thoại nhiều khả năng sẽ là một tính năng quan trọng cho các mạng LTE, cho nên cần phải nén các header của gói IP trước khi truyền Đối với LTE, người ta đã chọn kỹ thuật nén ROHC (Robust Header Compression) Những ưu điểm của nó là:

+ Một tỷ số nén tốt Phần phụ phí mào đầu 40 Bytes của những giao thức bao bọc khác nhau thường được giảm còn 6 Bytes

+ Có sẵn một cơ chế hồi báo để phát hiện những sai lạc trong quá trình nén vốn là hậu quả của những lỗi truyền trong giao tiếp vô tuyến Điều này cho phép eNodeB lập tức khởi động lại mạch nén thay vì để cho lỗi đó lây lan

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 21 - HVTH: Trương Thanh Xuân

vào quá trình nén của những gói sau đó như trường hợp của các giải thuật nén header đã được dùng trước đó

+ Kỹ thuật ROHC không chỉ nén header IP mà còn phân tích gói IP và nén những header của những giao thức bao bọc khác chẳng hạn như header UDP và header RTP (Real-time Transfer Protocol) khi gói dữ liệu chứa thông tin về âm thanh

+ Để tập trung vào chỉ các gói VoIP thôi, ROHC có khả năng phát hiện những kiểu header khác nhau trong một gói và chọn ra một giải thuật nén tổng thể thích hợp cho mỗi gói Những giải thuật nén khác nhau này được gọi

là các cấu hình nén (profile) Đối với các gói VoIP thì profile RTP được sử dụng, nó nén các phần header IP, header UDP và header RTP của gói Những profile khác là profile UDP, vốn nén các phần header IP và UDP (như các thông điệp báo hiệu SIP chẳng hạn), và profile ESP (Encapsulated Security Payload), vốn được dùng để nén các phần header của các gói IP mã hóa

1.1.2.3 Thành phần quản lý di động MME

MME nằm ở mặt phẳng điều khiển, gồm các chức năng chính như chịu trách nhiệm quản lý bảo mật (nhận thực, cho phép, báo hiện tầng không truy nhập NAS), quản lý di động ở trạng thái rỗi, chuyển vùng và chuyển giao Ngoài ra nó còn thực hiện các nhiệm vụ kết nối đến S-GW và PDN-GW

MME là node điều khiển quan trọng của mạng truy nhập LTE MME chịu trách nhiệm về các tính năng điều khiển liên quan tới thuê bao, quản lý dịch vụ di động và quản lý phiên, cung cấp dịch vụ bảo mật Chức năng của MME bao gồm:

+ Báo hiệu tầng NAS, cũng chịu trách nhiệm về việc phát sinh và định

vị vị trí tạm thời của các UE

+ MME cung cấp chức năng điều khiển phẳng cho tính lưu động giữa LTE và mạng truy nhập 2G/3G

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 22 - HVTH: Trương Thanh Xuân

+ Theo dõi cập nhật trạng thái UE rỗi – Idle và khả năng liên lạc (bao gồm điều kiển và thực hiện các chuyển tiếp tìm gọi)

+ Theo dõi quản lý danh sách vùng vị trí của thuê bao

+ Kiểm tra tính xác thực của UE và giám sát việc thi hành sự giới hạn chuyển vùng cho UE

+ Lựa chọn Gateway (sự lựa chọn cổng dịch vụ S-GW và cổng mạng

dữ liệu gói PDN GW)

+ Lựa chọn khi thuê bao chuyển giao sang MME khác

+ Lựa chọn SGSN khi thuê bao thực hiện chuyển giao tới các mạng truy nhập 2G, 3G

+ Nó chịu trách nhiệm chứng thực các user (bằng cách tương tác với HSS)

+ MME là điểm cuối cùng trong mạng để thực hiện việc giải mã, bảo

vệ toàn diện cho báo hiệu NAS và vận hành quản lý khoá bảo mật

MME kết nối đến UE thông qua tầng không truy nhập NAS Tất cả các tin nhắn báo hiệu NAS được trao đổi giữa UE và MME để thực hiện các thủ tục tiếp theo trong mạng lõi Một chức năng mới của E-UTRAN là bảo mật báo hiệu NAS Mục đích của chức năng này là bảo mật tin nhắn báo hiệu để tránh nhận dạng thông tin và vị trí thuê bao MME cũng chịu trách nhiệm các tin nhắn thuê bao trong quản lý kết nối EPS (EPS Connection Management -ECM) bao gồm điều khiển và thực hiện truyền lại bản tin liên quan đến quản

lý theo dõi thuê bao

Để định tuyến dòng dữ liệu giao diện người dùng MME sẽ lựa chọn phù hợp PDN-GW và S-GW Nó cũng sẽ kết nối E-UTRAN với mạng UTRAN (UMTS) bằng cách sử dụng giao diện S3 (MME đến SGSN) Khi cần thiết, sự di chuyển tới các cổng sẽ được kích hoạt và điều khiển bởi MME MME sẽ thực hiện quản lý chuyển giao bằng cách lựa chọn MME

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 23 - HVTH: Trương Thanh Xuân

hoặc SGSN để chuyển giao đến mạng 2G hoặc mạng truy nhập 3G Ngoài ra, MME còn có chức năng như 1 máy chủ kết nối đến HSS thông qua giao diện S6a, do đó nó chịu trách nhiệm quản lý chuyển vùng và xác thực thuê bao

1.1.2.4 Cổng dịch vụ (Serving -GW)

S-GW là điểm kết nối của giao diện dữ liệu gói tới E-UTRAN, đồng thời đóng vai trò là node định tuyến và chuyển tiếp tới các công nghệ 3GPP khác Một thuê bao LTE sẽ luôn luôn được kết nối đến một S-GW Ở lớp vận chuyển IP, S-GW hoạt động như một bộ định tuyến gói giao diện người sử dụng S-GW chịu trách nhiệm đối với mặt phẳng người sử dụng, chịu trách nhiệm gửi chuyển tiếp các gói IP giữa các UE và mạng Internet

Trong trường hợp chuyển giao giữa các e-NB, S-GW hoạt động như một điểm kết nối di động và vẫn giữ nguyên kết nối cũ trong khi thiết lập đường truyền báo hiệu mới và giao diện người dùng sẽ được truyền tải dựa trên giao diện S1 Khi chuyển giao thành công, UE sẽ ngắt kết nối với S-GW, S-GW cũ sẽ gửi một hoặc nhiều bản tin báo hiệu kết thúc việc chuyển giao các gói tin đến eNB nguồn, SGSN nguồn hoặc RNC nguồn để giúp sắp xếp lại các gói tin của giao diện người dùng

Chức năng của SGW bao gồm:

+Truyền tải dữ liệu người dùng giữa mạng vô tuyến và mạng lõi thông qua giao thức GTP

+ S-GW định tuyến các gói dữ liệu dữ liệu người sử dụng

+ Khi các UE ở trạng thái rỗi, S-GW ngắt kết nối dữ liệu đường xuống

và sẽ kích hoạt tìm gọi đến UE khi được yêu cầu

+ Quản lý và lưu trữ các context của UE

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 24 - HVTH: Trương Thanh Xuân

+ Thực hiện sao chép lưu lượng sử dụng trong trường hợp ngăn chặn hợp pháp

1.1.2.5 Cổng dữ liệu gói (P-GW)

PDN-GW là điểm kết thúc phiên với các mạng dữ liệu gói bên ngoài, cũng là bộ định tuyến tới mạng Internet, cung cấp địa chỉ IP cho lớp người sử dụng, cung cấp truy nhập đến mạng PS từ các nhà mạng viễn thông, nơi mà lưu trữ các gói dữ liệu và các dịch vụ khai thác mạng IP PDN GW cung cấp kết nối cho UE tới các mạng dữ liệu gói bên ngoài tại các điểm vào ra của lưu lượng cho UE Một UE có thể đồng thời kết nối với nhiều hơn một PDN GW

IP cho các UE nào đang đăng ký với mạng Tùy theo số lượng người dùng, một mạng có thể có vài PDN-GW Số lượng PDN-GW cụ thể tùy thuộc vào khả năng của phần cứng, số lượng người dùng và lưu lượng dữ liệu truyền tải bình quân của người dùng Đường giao tiếp giữa PDN-GW

và các MME/S-GW được gọi là S5 Giống như đường giao tiếp giữa

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 25 - HVTH: Trương Thanh Xuân

SGSN và GGSN trong UMTS, nó sử dụng giao thức đường hầm GTP-U

để truyền dữ liệu người dùng đến các S-GW và giao thức đường hầm GTP-S cho việc thiết lập đường hầm dữ liệu người dùng ban đầu và sửa đổi đường hầm sau khi người sử dụng di chuyển qua lại giữa các cell được quản lý bởi những S-GW khác nhau

1.2 Các giao diện của EPS

Do sự đa dạng của các node logic trong kiến trúc đã dẫn đến có nhiều giao diện trong EPS Một số giao diện có chức năng tương tự như trong mạng 3G Các giao diện EPS bao gồm giao diện của EPC và E-UTRAN được liệt kê bên dưới

- Giao diện S1 là giao diện giữa MME/S-GW và eNB, hỗ trợ lưu lượng mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển giữa E-UTRAN và EPC

- Giao diện S3 là giao diện giữa MME và SGSN của mạng 2G, 3G; nó

hỗ trợ việc trao đổi thông tin giữa người dùng và kênh mang giữa các hệ thống ở trạng thái rỗi hoặc trạng thái hoạt động Nó dựa trên giao thức đường hầm GTP

- Giao diện S5 là giao diện giữa S-GW và PDN-GW, hỗ trợ việc quản

lý kênh mang và dữ liệu mặt phẳng người sử dụng đường hầm giữa 2 cổng dựa trên giao thức đường hầm GTP

- Giao diện S6 là giao diện giữa MME và HSS trong EPC, nó cung cấp các thủ tục thu thập dữ liệu và cập nhật vị trí đăng ký của người sử dụng dựa trên giao thức Diameter

- Giao diện S8 là giao diện giữa cổng dịch vụ S-GW và cổng mạng dữ liệu PDN-GW Nó cung cấp và truyền các gói tin ở mặt phẳng người sử dụng giữa 2 cổng trong trường hợp chuyển vùng

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 26 - HVTH: Trương Thanh Xuân

- Giao diện S10 là giao diện giữa các MME, giao diện này được sử dụng trong trường hợp có sự chuyển giao giữa các MME để thay đổi các phiên và ngữ cảnh của người dùng giữa các node dựa trên phần điều khiển của giao thức GTP-C

- Giao diện S11 là giao diện giữa MME và cổng dịch vụ S-GW, nó hỗ trợ việc quản lý kênh mang như việc quản lý kênh mang của thủ tục ghép mạng và yêu cầu dịch vụ thuê bao dựa trên phần điều khiển của giao thức GTP-C

- Giao diện X2 là giao diện giữa các eNB Nó hỗ trợ chức năng di động

và thiết lập đường hầm trên mặt phẳng người sử dụng Nó dựa vào cùng một giao thức trên mặt phẳng người sử dụng như ở giao diện S1

Hình1.3 Kiến trúc EPS và kết nối giữa giao diện người dùng và giao diện

điều khiển

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 27 - HVTH: Trương Thanh Xuân

Hình 1.4.Các giao diện trong mạng EPS

1.2.1 Giao diện lớp mạng truy nhập E-UTRAN

Các giao thức giữa các eNodeB và UE thuộc tầng truy nhập AS (Access Stratum) E-UTRAN chịu trách nhiệm về các chức năng liên quan đến vô tuyến, gồm có :

+ Quản lí nguồn tài nguyên vô tuyến

+ Nén tiêu đề Header

+ Bảo mật

+ Kết nối với EPC

Về phương diện mạng, mỗi EnodeB sẽ quản lí một số lượng cell nhất định Khác với 2G hay 3G, LTE tích hợp chức năng bộ điều khiển vô tuyến trong eNodeB Điều này cho phép sự tương tác thích hợp giữa những lớp giao thức khác nhau của mạng truy cập vô tuyến, vì vậy có thể giảm trễ và cải thiện hiệu suất Việc điều khiển phân phối sẽ tránh được tình trạng đòi hỏi

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 28 - HVTH: Trương Thanh Xuân

một bộ điều khiển xử lí chuyên sâu, do đó sẽ giảm giá thành Hơn nữa, khi LTE không hỗ trợ chuyển giao mềm thì không cần chức năng liên kết dữ liệu tập trung trong mạng

1.2.1.1 Giao diện X2

E-UTRAN là một cấu trúc phẳng Các eNodeB kết nối với nhau thông qua các đường giao tiếp X2 và kết nối với EPC bằng đường giao tiếp S1 Các eNB giờ đây còn chịu trách nhiệm thực hiện các cuộc chuyển giao cho các

UE tích cực Vì mục đích này, giờ đây các eNodeB có thể liên lạc trực tiếp với nhau thông qua các đường giao tiếp X2 Các đường giao tiếp này được dùng để chuẩn bị những cuộc chuyển giao và cũng có thể được dùng để gửi chuyển tiếp dữ liệu người dùng (các gói IP) từ mạng cơ sở hiện tại sang mạng

cơ sở mới để giảm thiểu thất thoát dữ liệu người dùng trong quá trình chuyển giao Bởi lẽ các đường giao tiếp X2 không bắt buộc phải có nên các eNB cũng có khả năng liên lạc với nhau thông qua Gateway truy cập để chuẩn bị các cuộc chuyển giao Tuy nhiên trong trường hợp này, dữ liệu người dùng không được chuyển tiếp trong quá trình chuyển giao Điều đó nghĩa là một số

dữ liệu được gửi từ mạng đến eNB hiện tại có thể bị thất thoát, bởi vì sau khi một quyết định chuyển giao được thực hiện, nó phải được thực thi càng nhanh càng tốt trước khi đường truyền vô tuyến mất đi

Bắt đầu từ lớp truy nhập mạng E-UTRAN, giao diện X2 sẽ được xem như là giao diện lưới chứ không phải là một điểm-điểm giữa hai node của E-UTRAN Mục đích chính của giao diện tùy chọn này là truyền các gói tin giữa các eNodeB để hạn chế mất gói tin di động trong E-UTRAN

Bởi vì đường giao tiếp S1 được dùng cho cả dữ liệu người dùng (nối với cổng dịch vụ S_GW) lẫn dữ liệu báo hiệu (nối với MME), nên kiến trúc của các giao thức tầng cao hơn được phân ra thành hai bộ giao thức khác biệt: S1-C và S1-U Giao thức S1-C (điều khiển) được dùng để trao đổi các thông

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 29 - HVTH: Trương Thanh Xuân

điệp điều khiển giữa một UE và MME Các thông điệp này được trao đổi qua các kênh “non-IP” đặc biệt trên giao tiếp vô tuyến rồi sau đó được eNodeB đặt vào trong các gói IP trước khi chúng được gửi chuyển tiếp đến MME Tuy nhiên, dữ liệu người dùng đã được truyền với tính cách các gói IP qua giao tiếp vô tuyến, chúng được gửi chuyển tiếp qua giao thức S1-U (người dùng) đến Serving-GW

1.2.1.2 Giao diện S1

Đường giao tiếp nối các eNodeB với các nút gateway giữa mạng vô tuyến và mạng lõi là đường S1, nó hoàn toàn dựa trên giao thức IP Đường S1

là giao diện phân cách giữa E-UTRAN và EPC Nó được chia thành hai phần:

+ S1-U (cho người sử dụng): truyền dữ liệu người dùng giữa eNode B và các GW

các-+ S1-C (cho điều khiển): là một giao diện báo hiệu chỉ giữa các-eNode

B và các MME

1.2.2 Các giao diện lớp mạng lõi EPC

Hình 1.5 Các giao diện trong mạng lõi EPC

Như trong hình 1.5, nút Gateway giữa mạng truy nhâp vô tuyến và mạng lõi được phân ra thành hai thực thể : Serving Gateway (Serving-GW)

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 30 - HVTH: Trương Thanh Xuân

cổng dịch vụ và thực thể quản lý di động Mobility Manager Entity (MME).Kết hợp với nhau, chúng thực hiện những công việc tương tự như SGSN (Serving GPRS Support Node) trong các mạng UMTS Trong thực tế, cả hai thực thể này có thể được thực hiện trên cùng một thiết bị phần cứng hoặc có thể được tách ra để có thể tăng giảm kích cỡ độc lập với nhau

1.2.2.1 Giao diện S11

Nếu MME và Serving-GW được thực hiện riêng biệt, đường giao tiếp S11 sẽ được dùng để liên lạc giữa hai thực thể đó Cần có sự liên lạc giữa hai thực thể đó, ví dụ như để tạo ra các kênh truyền khi người dùng nối vào mạng hoặc để sửa đổi một đường hầm khi một người dùng nào đó di chuyển

từ cell này sang cell khác Không giống như các mạng vô tuyến không dây trước đó, khi một Gateway của mạng truy nhập (SGSN) chịu trách nhiệm đối với một số RNC nhất định và mỗi RNC đến lượt nó lại chịu trách nhiệm đối với một số trạm cơ sở nhất định, đường giao tiếp S1 hậu thuẫn một kiến trúc nối kết mắc lưới (mesh) Thế có nghĩa là không phải chỉ một mà là vài MME

và Serving-GW có thể liên lạc với từng eNodeB và số lượng MME và Serving-GW có thể khác biệt Điều này làm giảm số lượng các cuộc chuyển giao liên-MME khi người dùng di chuyển và cho phép số lượng MME phát triển độc lập với số lượng Serving-GW, bởi vì dung lượng của MME lệ thuộc vào tải trọng báo hiệu, còn dung lượng của Serving-GW lệ thuộc vào tải trọng dữ liệu truyền của người dùng Một kiến trúc mắt lưới của giao tiếp S11 cũng bổ sung tính dự phòng cho mạng Nếu một MME hỏng, thì một MME thứ hai có thể tự động tiếp quản nếu nó được cấu hình để phục vụ những cell giống như MME kia Tác hại duy nhất của một cơ chế khôi phục

tự động khi gặp hỏng hóc như vậy là, những người dùng được phục vụ bởi MME hỏng phải đăng kí lại với mạng Những khả năng mắt lưới của giao tiếp

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 31 - HVTH: Trương Thanh Xuân

S1 được dùng trong thực tế như thế nào là tùy thuộc vào chính sách của các nhà cung cấp dịch vụ mạng và vào kiến trúc của mạng vận chuyển bên dưới

1.2.2.2 Giao diện S6

Một đường giao tiếp quan trọng nữa trong các mạng lõi LTE là đường giao tiếp S6 nối giữa các MME và cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin thuê bao Trong UMTS/GPRS/GSM, cơ sở dữ liệu này được gọi là HLR (Home Location Register) Trong LTE, HLR được sử dụng lại và được đổi tên thành HSS (Home Subscriber Server) Về cơ bản, HSS là một HLR cải tiến, và chứa thông tin thuê bao cho GSM, GPRS, UMTS, LTE Đường giao tiếp S6 dùng giao thức Diameter dựa trên IP HSS là một cơ sở dữ liệu kết hợp, và nó được sử dụng đồng thời bởi các mạng GSM, UMTS và LTE thuộc cùng một nhà cung cấp dịch vụ mạng Vì thế, ngoài đường giao tiếp S6 dành cho LTE

ra, nó tiếp tục hậu thuẫn đường giao tiếp MAP truyền thống

1.2.2.3 Giao diện S3

Giao diện S3 là giao diện giữa MME và SGSN của mạng 2G, 3G; nó

hỗ trợ việc trao đổi thông tin giữa người dùng và kênh mang giữa các hệ thống ở trạng thái rỗi hoặc trạng thái hoạt động Nó dựa trên giao thức đường hầm GTP

1.2.2.4 Giao diện S10

Trong hệ thống (SAE), hai thực thể quản lý di động (MMEs) tương tác trên giao diện S10 Giao diện này là chịu trách nhiệm cho việc chuyển các thông tin ngữ cảnh thuê bao và chuyển giao tín hiệu trong suốt quá trình chuyển giao giữa các MME

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 32 - HVTH: Trương Thanh Xuân

CHƯƠNG 2: GIAO THỨC VÀ THỦ TỤC TRONG MẠNG TRUY

NHẬP VÔ TUYẾN E-UTRAN

2.1 Báo hiệu EPS

Kết nối giữa UE và EPS có thể phân chia thành mặt phẳng điều khiển

và mặt phẳng người sử dụng Cả 2 mặt phẳng này cũng có thể được chia thành tầng không truy nhập NAS và tầng truy nhập AS Tầng truy nhập bao gồm các giao thức và báo hiệu trong E-UTRAN, ví dụ như là mặt phẳng vô tuyến và mặt phẳng S1 Còn ở tầng không truy nhập NAS, nó không nằm trong AS và nó được định nghĩa bởi lưu lượng và báo hiệu ở các lớp cao hơn (các gói IP)

2.1.1 Mặt phẳng điều khiển (Control Plane)

Hình 2.1 minh họa các khái niệm của báo hiệu tầng truy nhập AS và tầng không truy nhập NAS trong mặt phẳng điều khiển Báo hiệu NAS không ảnh hưởng đến phần mạng truy nhập E-UTRAN Báo hiệu AS cung cấp một

cơ chế để truyền báo hiệu NAS, cũng như báo hiệu yêu cầu thiết lập, duy trì

và quản lý các kết nối ở các lớp thấp hơn

Hình 2.1.Mặt phẳng điều khiển AS và NAS

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 33 - HVTH: Trương Thanh Xuân

2.1.2 Mặt phẳng người sử dụng (User plane)

Mặt phẳng người sử dụng tập trung vào việc cung cấp các gói IP đến và

từ mạng lõi EPC, cụ thể là từ S-GW và PDN-GW Trong mặt phẳng người dùng, tầng không truy nhập ở lớp cao hơn NAS nó cấp phát các gói IP trực tiếp giữa UE và PDN-GW, các thành phần chuyển tiếp còn lại như eNB và S-

GW thuộc lớp thấp hơn (tầng AS)

Hình 2.2 Mặt phẳng người sử dụng AS và NAS

2.2 Giao thức trong E-UTRAN

2.2.1 Các lớp giao thức trên giao diện Uu

Giao diện Uu gồm có các lớp vật lý, lớp MAC, RLC, PDCP Lớp MAC chịu trách nhiệm lập kế hoạch các gói tin, lớp RLC chịu trách nhiệm truyền

dữ liệu và lớp PDCP cung cấp giao thức nén tiêu đề và thực hiện mã hóa dữ liệu Trên cùng PDCP, ngăn xếp được chia làm 2 phần là mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển Ở mặt phẳng điều khiển có giao thức RRC thể hiện sự giao tiếp giữa UE và eNB RRC cung cấp các chức năng như thiết lập, duy trì và giải phóng kết nối vô tuyến cho một thuê bao cụ thể RRC còn có chức năng như là một giao thức vận chuyển các tin nhắn báo hiệu NAS NAS

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 34 - HVTH: Trương Thanh Xuân

là báo hiệu thông tin giữa UE và MME, trong đó MME đại diện cho mạng lõi

Về phía mặt phẳng người sử dụng, IP là lớp vận chuyển cho các ứng dụng end – to – end Ngăn xếp IP ở mặt phẳng người sử dụng trên giao diện Uu luôn luôn chứa các gói IP end-to-end, các gói này được định tuyến minh bạch, thường được truyền qua đường hầm Các khung địa chỉ IP mặt phẳng người dùng là những khung IP giống nhau, có thể được theo dõi tại các điểm tham chiếu S1 trước hoặc phía sau PDN-GW

Giao thức ngăn xếp được sử dụng trong giao diện vô tuyến Uu Lớp vật

lý trong ngăn xếp này được điều chế bởi OFDM cho đường xuống DL và FDMA cho đường lên UL Giao thức MAC chịu trách nhiệm ánh xạ các kênh truyền về phía các kênh vật lý nhưng cũng có 1 nhiệm vụ quan trọng khác là lập trình gói tin và kiểm soát thời gian RLC cung cấp dịch vụ vận chuyển đáng tin cậy và có thể được sử dụng để phân đoạn / ghép khung Mục đích chính của PDCP là nén của tiêu đề IP lớn hơn cũng như mã hóa khối dữ liệu mặt phẳng người sử dụng và bảo vệ tính toàn vẹn của mặt phẳng người sử dụng

SC-Hình 2.3.Giao thức ngăn xếp giao diện LTE Uu

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 35 - HVTH: Trương Thanh Xuân

2.2.1.1 Điều khiển truy nhập môi trường MAC

Điều khiển truy cập môi trường (Medium Access Control - MAC): điều khiển việc yêu cầu lặp lại tự động hybrid-ARQ và hoạch định đường lên, đường xuống Nó cung cấp giao diện giữa các giao thức E_UTRAN và lớp vật lý Nó cung cấp các dịch vụ sau:

- Ghép thông tin – lớp MAC ghép các thông tin nhận được ở các kênh logic vào các kênh vận chuyển

- Ghép kênh – Một hoặc nhiều kênh mang vô tuyến RB mang thông tin cung cấp đến lớp MAC Lớp MAC cũng có thể ghép các kênh mang khác nhau thành một khối vận chuyển giống nhau để đạt hiệu quả cao

- Yêu cầu lặp lại tự động HARQ – lớp MAC sử dụng chức năng HARQ

để cung cấp các dịch vụ sửa chữa lỗi thông qua giao diện vô tuyến, yêu cầu lớp MAC và lớp vật lý làm việc chặt chẽ với nhau

Chức năng hoạch định được định vị trong eNodeB và nó chỉ có một phần

tử MAC cho một cell, cho cả đường lên và đường xuống Phần giao thức hybrid ARQ có mặt trong cả đầu cuối phát và thu của giao thức MAC Khối MAC cung cấp các dịch vụ cho RLC dưới dạng các kênh logic Lớp MAC có trách nhiệm lập kế hoạch dữ liệu theo các ưu tiên và ghép kênh dữ liệu tới các khối truyền tải ở lớp vật lý

Lớp MAC cung cấp các dịch vụ thông qua các điểm truy nhập dịch vụ (SAP) đến các lớp cao hơn Lớp trên lớp MAC là lớp RLC, lớp dưới lớp MAC là lớp vật lý cung cấp các dịch vụ đến lớp MAC Các điểm truy nhập dịch vụ SAP liên kết đến lớp RLC thông qua các kênh logic Các kênh logic được sử dụng ở các lớp cao hơn để phân biệt sự kết nối khác nhau giữa các kết nối logic Hơn nữa các kênh logic được sử dụng để phân biệt các kết nối giao diện điều khiển, bao gồm cả CCCHs hoặc DCCHs từ các kết nối giao diện người dùng (DTCHs) Lớp vật lý giao tiếp với lớp MAC thông qua một

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 36 - HVTH: Trương Thanh Xuân

dạng khác của SAP Các điểm truy nhập dịch vụ SAP của lớp MAC liên kết đến lớp vật lý thông qua các kênh vận chuyển

2.2.1.2 Điều khiển kết nối vô tuyến RLC

Điều khiển liên kết vô tuyến (Radio Link Control - RLC): đảm nhiệm việc phân đoạn / ghép nối, điều khiển việc truyền lại, và phân phát lên các lớp cao hơn theo thứ tự Không giống như WCDMA, giao thức RLC được định vị trong eNodeB vì chỉ có một loại node đơn trong kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến LTE RLC cung cấp các dịch vụ cho PDCP dưới dạng các tải tin vô tuyến Chỉ có một phần tử RLC trên một tải tin vô tuyến được cấu hình cho một thiết bị đầu cuối di động.Giao thức RLC có trách nhiệm phân đoạn,ghép nối các đơn vị số liệu gói PDU của PDCP để truyền cho giao diện vô tuyến

Nó cũng thực hiện việc sửa lỗi với phương pháp yêu cầu truyền lại tự động (HARQ)

* Nhiệm vụ RLC:

+ Chịu trách nhiệm phân đoạn các gói IP được gọi là các đơn vị số liệu dịch vụ PDU của RLC (Packet Data Unit:đơn vị số liệu gói), thành các đơn vị nhỏ hơn được gọi là các RLC SDU(Services Data Unit:đơn vị số liệu dịch vụ)

+ RLC xử lí việc phát lại các PDU thu bị lỗi cũng như loại bỏ các PDU

bị trùng và liên kết các PDU thu

+ RLC đảm bảo việc chuyển các RLC SDU theo đúng trình tự lên các

lớp trên

RLC trong LTE tương tự như WCDMA/HSPA, đảm nhiệm việc phân đoạn (nén tiêu đề) các gói IP Các phần tử dữ liệu đến/từ một lớp giao thức cao hơn thì được xem như là một Đơn vị dữ liệu dịch vụ SDU – Service Data Unit và phần tử tương ứng đến/từ một lớp giao thức thấp hơn được biểu thị

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 37 - HVTH: Trương Thanh Xuân

như đơn vị dữ liệu giao thức PDU – Protocol Data Unit Nó cũng điều khiển việc truyền lại các PDUs bị nhận nhầm, cũng như là xóa bỏ những PDUs bị nhân đôi và ghép nối các PDUs nhận được Cuối cùng, RLC sẽ đảm bảo việc phân phát theo trình tự các SDUs lên các lớp bên trên

Cơ chế truyền lại RLC có trách nhiệm cung cấp dữ liệu phân phát không bị lỗi cho các lớp cao hơn Để làm được điều này, sẽ có một giao thức truyền lại hoạt động giữa các phần tử RLC tại đầu thu và đầu phát Bằng việc giám sát các số thứ tự đi đến, RLC thu có thể phát hiện ra những PDUs bị thiếu Các báo cáo trạng thái sẽ được phản hồi trở về RLC phát, yêu cầu truyền lại các PDUs bị thiếu Khi phản hồi một trạng thái báo cáo được cấu hình, một báo cáo đặc trưng chỉ chứa thông tin về nhiều PDUs và ít khi được truyền đi Dựa trên báo cáo trạng thái thu được, phần tử RLC tại đầu phát có thể đưa ra những hành động thích hợp và truyền lại những PDUs bị thiếu nếu được yêu cầu

Khi RLC được cấu hình để yêu cầu truyền lại các PDUs bị thiếu như được mô tả ở trên, nó được gọi là đang hoạt động trong chế độ báo nhận (Acknowledged Mode – AM) Điều này cũng giống như cơ chế tương ứng được dùng trong WCDMA/HSPA Thông thường AM được sử dụng cho các dịch vụ dựa trên TCP như khi truyền tập tin mà yếu tố phân phát dữ liệu không bị lỗi được đặt lên hàng đầu

* Cơ chế phát lại PDU:

- Có 1 giao thức phát lại làm việc giữa RLC phía phát và phía thu

- Bằng cách giám sát các số thứ tự thu, RLC thu có thể nhận ra các PDU bị mất Báo cáo trạng thái được phản hồi đến RLC phát để yêu cầu phát lại các PDU bị mất

- Để thực hiện việc phát lại các PDU thì RLC được lập các chế độ cấu hình khác nhau:

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 38 - HVTH: Trương Thanh Xuân

+ Chế độ công nhận AM (Acnowledged Mode): được sử dụng cho các dịch vụ dựa trên TCP như chuyển file khi mà truyền số liệu không bị lỗi là mối quan tâm đầu tiên

+ Chế độ không công nhận UM (Unacknowledged Mode): trong

UM chuyển theo trình tự lên các lớp cao hơn vẫn được đảm bảo, nhưng không yêu cầu phát lại các PDU bị mất

+ Chế độ trong suôt TM (Transparent Mode) : nó được sử dụng ở một số kênh giao diện vô tuyến như quảng bá và tìm gọi Nó cung cấp một dịch vụ phi kết nối cho báo hiệu

Hình 2.4 Phân đoạn và hợp đoạn RLC

Tương tự như WCDMA/HSPA, RLC cũng có thể được cấu hình theo chế độ không báo nhận (Unacknowledged Mode – UM) và chế độ trong suốt (Transparent Mode – TM) Trong chế độ UM, sẽ cung cấp việc phân phát đúng thứ tự lên các lớp cao hơn, nhưng sẽ không truyền lại các PDUs bị thiếu Ngoài việc điều khiển việc truyền lại và phân phát theo trình tự, RLC cũng chịu trách nhiệm việc phân đoạn và ghép nối Dựa trên quyết định của việc lập lịch trình, một lượng dữ liệu nào đó được lựa chọn để truyền đi từ bộ đệm SDU RLC và các SDUs sẽ được phân đoạn/ghép nối để tạo thành PDU RLC Do đó, đối với LTE thì kích thước PDU RLC thay đổi một cách động trong khi WCDMA/HSPA trước phiên bản 7 lại sử dụng kích thước PDU bán

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 39 - HVTH: Trương Thanh Xuân

tĩnh (semi-static PDU size) Khi mà tốc độ dữ liệu cao, kích thước PDU lớn dẫn đến phần mào đầu nhỏ hơn tương ứng, còn khi mà tốc độ dữ liệu thấp, đòi hỏi kích thước PDU phải nhỏ nếu không thì tải trọng sẽ trở nên quá lớn Vì vậy, khi tốc độ dữ liệu nằm trong khoảng từ một vài kbit/s tới trên một trăm Mbit/s, kích thước PDU động (dynamic PDU sizes) sẽ được điều chỉnh bởi LTE Vì RLC, scheduler và cơ chế thích ứng tốc độ đều được đặt trong eNodeB, nên dễ dàng hổ trợ các kích thước PDU động cho LTE

2.2.1.3 Lớp điều khiển tài nguyên vô tuyến RRC

RRC là giao thức điều khiển chính trong giao diện vô tuyến Các bản tin RRC được truyền giữa UE và eNB, các bản tin này được sử dụng trong các dịch vụ của lớp PDCP, RLC, MAC và lớp vật lý Các chức năng chính của lớp RRC là:

+ Thông tin hệ thồng + Lựa chọn cell + Điều khiển dẫn nạp + Quản lý bảo mật + Quản lý tài nguyên vô tuyến Giao thức này nhằm kiểm soát việc sử dụng nguồn tài nguyên vô tuyến, quản lý báo hiệu của UE và các kết nối dữ liệu, và nó cũng bao gồm các chức năng chuyển giao Các lớp RRC thực hiện chức năng kiểm soát bao gồm duy trì mặt phẳng, bản tin và phát hành xử lý kết nối di động, bảo mật, và quản lý QoS

Cũng như trong UMTS và HSPA, mạng LTE kiểm soát việc truy cập vào các tài nguyên của giao tiếp vô tuyến đối với cả hướng lên lẫn hướng xuống Bởi vì bây giờ không còn một nút trung tâm trong mạng vô tuyến để quản trị tài nguyên nữa, nên các trạm cơ sở phải tự chịu trách nhiệm thực hiện những công việc sau đây:

HDKH: TS Trần Hoài Trung - 40 - HVTH: Trương Thanh Xuân

+ Quảng bá thông tin hệ thống cho mọi UE

+ Quản lý kết nối: các UE và mạng sử dụng các kênh điều khiển chẳng hạn như kênh truy nhập tùy ý PRACH, kênh tin nhắn PCH, và kênh điều khiển dành riêng DCCH để trao đổi các thông điệp RRC Loại thông điệp RRC đầu tiên được trao đổi khi thiết bị truy cập mạng lần đầu hoặc sau một khoảng thời gian dài thụ động là các thông điệp yêu cầu thiết lập đường truyền Sau đó eNodeB chịu trách nhiệm thiết lập một kênh truyền báo hiệu luận lý với thiết bị thông qua các kênh vật lý hướng lên và hướng xuống dùng chung PDSCH và PUSCH, hoặc từ chối yêu cầu đó khi hệ thống đã quá tải Quản lý đường truyền cũng bao gồm luôn việc thiết lập những kênh vận chuyển dành riêng DL-SCH và UL-SCH cũng trên các kênh vật lý dùng chung PDSCH và PUSCH, dựa trên các thông số chất lượng dịch vụ trong thông tin thuê bao

+ Điều khiển việc đo đạc: khi người dùng di chuyển, môi trường

vô tuyến rất biến động và vì vậy các UE cần báo cáo những thông số đo đạc cường độ tín hiệu của cell hiện tại và các cell kế cận về cho mạng

+ Các thủ tục chuyển giao khi người dùng di chuyển: dựa trên các thông số đo đạc tín hiệu của UE, eNodeB có thể khởi xướng một thủ tục chuyển giao thiết bị đó sang một cell khác, hay thậm chí một mạng vô tuyến khác như UMTS hoặc GSM/GPRS chẳng hạn, khi thiết bị rời khỏi vùng phủ sóng của LTE

* Trạng thái tích cực RRC:

+ Để tối thiểu hóa việc sử dụng tài nguyên trong mạng và để tiết kiệm điện năng của pin trong các UE, LTE qui định các trạng thái đường truyền khác nhau Trong khi dữ liệu đang được trao đổi giữa mạng và UE thì đường truyền ở trạng thái tích cực RRC (RRC active) Trạng thái này có nghĩa là mạng có thể cấp phát tài nguyên cho thiết bị trên kênh dùng chung bất kỳ lúc