Quản lý di động trong mạng LTE 4g

Hình 1.6 cho thấy các kết nối của eNodeB với các nút logic xung quanh và tổng kết các chức năng chính trong giao diện này.. Hình 1.7 Các giao diện giữa eNodeB với các nút mạng khác Hình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ HỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

QUẢN LÝ DI ĐỘNG TRONG MẠNG LTE-4G

(MANAGEMENT Of NETWORK MOBILITY

IN LONG TERM EVOLUTION - 4G)

ĐINH QUANG QUẢNG

HÀ NỘI-2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ HỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ

QUẢN LÝ DI ĐỘNG TRONG MẠNG LTE-4G

(MANAGEMENT Of NETWORK MOBILITY IN LONG TERM

EVOLUTION - 4G)

ĐINH QUANG QUẢNG

CHUYÊN NGHÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ: 60520203

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS PHẠM MINH VIỆT

HÀ NỘI-2013

LỜI CẢM ƠN

Lời ñầu tiên, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến PGS.TS Phạm Minh Việt ñã

dành nhiều thời gian và công sức hướng dẫn, giúp ñỡ tôi hoàn thành luận văn này Qua thời gian làm luận văn, với sự hướng dẫn nhiệt tình của Thầy, tôi ñã tiếp thu ñược rất nhiều kiến thức mới mẻ, cũng như cách làm việc khoa học, cách giải quyết vấn ñề chặt chẽ Đó chính là những kinh nghiệm rất bổ ích cho tôi trong quá trình học tập và công tác sau này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành ñến các Thầy Cô giáo của Khoa ñào tạo Sau ñại học Viện Đại Học Mở Hà Nội, ñặc biệt là các Thầy Cô giáo ñã trực tiếp giảng dạy cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại Viện

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn ñến Ban Giám ñốc Viện Đại Học Mở Hà Nội cũng như các Phòng, Khoa của Viện ñã tạo ñiều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập Dù ñã có rất nhiều cố gắng, song do thời gian nghiên cứu có hạn luận văn không thể tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót Kính mong nhận ñược

sự chia sẻ và những ý kiến ñóng góp quý báu của các thầy cô giáo, các bạn ñồng nghiệp

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia ñình, ñồng nghiệp ñã tạo mọi ñiều kiện thuận lợi ñể cho tôi học tập, xin cảm ơn các bạn, các Anh Chị trong tập thể lớp K4 KTĐT

ñã hỗ trợ tôi trong việc học tập

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 10 năm 2013 Học viên thực hiện

Đinh Quang Quảng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ ix

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG LTE - 4G 3

1.1 TỔNG QUAN 3

1.1.1 Xu hướng phát triển công nghệ mạng di ñộng từ 3G lên 4G 3

1.1.2 Tổng quan về LTE- 4G 4

1.2 CÁC PHẦN TỬ MẠNG LTE- 4G 9

1.2.1 E-UTRAN 9

1.2.2.MME ( Mobility Management Entity) 13

1.2.3 Gateway 17

1.3 NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CỦA MẠNG LTE - 4G 27

1.3.1 Hỗ trợ lưu lượng IP 27

1.3.2 Hỗ trợ di ñộng tốt 27

1.3.3 Hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyến khác nhau 28

1.3.4 Không cần liên kết ñiều khiển 29

1.3.5 Hỗ trợ bảo mật ñầu cuối - ñầu cuối 29

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 30

Chương 2: QUẢN LÝ DI ĐỘNG (MOBILITY) 31

2.1 GIỚI THIỆU 31

2.1.1 Vị trí của Mobile IP trong 4G 32

2.1.2 Truyền dữ liệu trong mạng Mobile IP- 4G 33

2.1.3 Thông báo và tìm kiếm trạm ñiều khiển 35

2.1.4 Đăng ký 36

2.1.5 Kênh số liệu và mã hóa 37

2.1.6 Tối ưu 38

2.2 QUẢN LÝ DI ĐỘNG Ở TRẠNG THÁI RỖI 40

2.2.1 Tổng quan 40

2.2.2 Dò tìm tế bào (cell search) 41

2.2.3 Truy cập ngẫu nhiên 47

2.2.4 Cập nhật vùng theo bám (TAU) 49

2.3 QUẢN LÝ DI ĐỘNG Ở TRẠNG THÁI TÍCH CỰC 51

2.3.1 Tổng quan 51

2.3.2 Di ñộng nội E-UTRAN với hỗ trợ X2 53

2.3.3 Di ñộng nội E-UTRAN không có hỗ trợ X2 57

2.3.4 Di ñộng nội E-UTRA với bố trí lại EPC 59

2.4 CHUYỂN GIAO TRONG LTE 61

2.4.1 Báo hiệu cho chuyển giao 61

2.4.2 Đo chuyển giao 63

2.5 CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG 63

2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 65

Chương 3: MỘT SỐ GIẢI PHÁP QUẢN LÝ DI ĐỘNG TRONG MẠNG LTE-4G .66

3.1 TỔNG QUAN 66

3.2 PHÂN TẦNG QUẢN LÝ DI ĐỘNG TRONG MẠNG-IP 67

3.3 MỘT SỐ GIẢI PHÁP 71

3.3.1 Giải pháp ở mức vĩ mô 71

3.3.2 Giải pháp ở mức vi mô 71

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 75

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

KIẾN NGHỊ CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

3 GPP Third Generation Partnership Project Tổ chức chuẩn hóa mạng

CSI Channel State Information

CRNTI CellRadioNetworkTemporary Identifier Chỉ số nhận dạng tạm

thời mạng VT tuyến tế bào

D

DCI Downlink Control Information Thông tin ñiều khiển

ñường xuống

DPCCH Delicated Physical Control Channel Kênh ñiều khiển vật lý

dành riêng

DPDCH Delicated Physical Data Channel Kênh dữ liệu vật lý dành

riêng

E

F

FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia

theo tần số FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

theo tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi tại máy thu

G

GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng GUTI Global Unique Temporary Identity Nhận dạng tạm thời duy

nhất toàn cầu GSM GlobalSystemforMobile

Communications

Hệ thống truyền thông di ñộng toàn cầu

GERAN GSM/EDGE Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

dự trên công nghệ GSM/EDGE

H

HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc ñộ cao

HSDPA High Speed Downlink Packet Access Truy nhập gói ñường

xuống tốc ñộ cao

I

Iu-CS The interface used for communication

between the RNC and the GSM/WCDMA cỉcuit switched core network

Giao diện dùng ñể liên lạc giữa RNC và mạng lõi chuyển mạch kênh GSM/WCDMA Iu-PS The interface used for communication

between the RNC and the GSM/WCDMA packet switched core network

Giao diện dùng ñể liên lạc giữa RNC và mạng lõi chuyển mạch gói GSM/WCDMA

Iu The interface used for communication

between the RNC and the core network

Giao diện dùng ñể liên lạc giữa RNC và mạng lõi

Iub Giao diện ñược sử dụng ñể thông tin

giữa nút B và RNC IMSI InternationalMobileSubscriber Identity Nhận dạng thuê bao di

ñộng quốc tế IMT-2000 InternationalMobileTelecommunication

IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ ña phương tiện

IP ITU International Telecomunication Union Liên minh viễn thông thế

giới

ITU-R ITU Radio Commmunication Sector Ban thông tin vô tuyến

của ITU

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

P

PCRF Policy and ChargingResource Function

PCPCH Physical Common Packet Channel Kênh vật lý gói chung PDCP Packet-Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ số liệu

gói

PDCP Packet Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ dữ liệu

gói

Q

RACH

Random Access Channel

Kênh truy nhập ngẫu nhiên

tuyến

tuyến

tuyến RNC Radio Network Controller Bộ ñiều khiển mạng vô

tuyến

RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô

tuyến

S

SC - FDMA Single carrier Frequency Division

SIM Successive Identity Module Mô ñun nhận dạng thuê

bao

SAE System Architechture Evolution Sự tiến hóa kiến trúc hệ

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

T

theo thời gian

theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

theo thời gian

U

UTRA Universal Terrestrial Radio Access Truy nhập vô tuyến mặt

ñất toàn cầu UTRAN Universal Terrestrial Radio Access

Network

Mạng truy nhập vô tuyến mặt ñất vạn năng

UMTS Universal Mobile Telecommunication

System

Hệ thống viễn thông di ñộng toàn cầu

UTM Universal Transverse Mercator Hệ tọa ñộ UTM

W

WCDMA Wideband Code Division Multiple

WiMAX Worldwide Interoperability for

Microwave Access

Tương tác toàn cầu ñối với truy nhập vi ba WLAN Wireless Local Area Network LAN vô tuyến

VLR Visitor Location Register Thanh ghi vị trí tạm trú WAP Wireless Application Protocol Giao thức ứng dụng

không dây

DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 3.1 So sánh một số ñặc ñiểm chính của ba giao thức 72

Hình 1.1 LTE, UMB, WiMAX: 3 công nghệ cho mạng 4G 3

Hình 1.2 Sự phát triển của các công nghệ thông tin vô tuyến .4

Hình 1.3 Sự phát triển thuê bao băng rộng 6

Hình 1.4 So sánh sự phát triển lưu lượng dữ liệu thoại và dữ liệu gói 6

Hình 1.5 Cấu trúc LTE và SAE 9

Hình 1.6 Các kết nối của eNodeB ñến các nút logic khác và các chức năng chính 10

Hình 1.7 Các giao diện giữa eNodeB với các nút mạng khác 11

Hình 1.8 So sánh giữa các kết nối một ñến nhiều và S1-flex (kết nối nhiều ñến nhiều) 11

Hình 1.9 Phân chia chức năng giữa E-UTRAN và EPC 14

Hình 1.10 Các kết nối của MME ñến các nút logic khác và chức năng chính 17

Hình 1.11 Kiến trúc GERAN 21

Hình 1.12 Các kết nối của PCRF với các nút logic khác và các chức năng chính .24

Hình 2.1 Di ñộng chế ñộ rỗi và ñược kết nối RRC 31

Hình 2.2 Vị trí của Mobile IP 33

Hình 2.3: Kiến trúc mạng Mobile IP- 4G tổng quát 35

Hình 2.4: Các xử lý của HA tại ñầu vào kênh số liệu 37

Hình 2.5: Cấu trúc gói số liệu trong ñường hầm 38

Hình 2.6 Tổng quan di ñộng trong chế ñộ rỗi 41

Hình 2.7 Tín hiệu ñồng bộ sơ cấp và thứ cấp 42

Hình 2.8 Việc phát tín hiệu ñồng bộ trong miền tần số 44

Hình 2.9 Tổng quan của thủ tục truy cập ngẫu nhiên 47

Hình 2.10 Thí dụ về cập nhật vùng theo bám (TAU) 49

Hình 2.11 Lưu ñồ bản tin cập nhật TA giữa các MME 50

Hình 2.12 Tổng quan di ñộng nội E-UTRA với hỗ trợ X2 và không bố trí lại EPC 54

Hình 2.13 Chuyển mạch mặt phẳng người sử dụng 54

Hình 2.14 Lưu ñồ bản tin trong quá trình di ñộng nội E-UTRAN với hỗ trợ X2 và không bố trí lại EPC .56

Hình 2.15 Lưu ñồ bản tin di ñộng nội E-UTRAN không có X2 hỗ trợ .58

Hình 2.16 Tổng quan di ñộng nội E-UTRAN với bố trí lại các nút của EPC 59

Hình 2.17 Lưu ñồ các bản tin di ñộng nội E-UTRAN với sắp xếp lại EPC 61

Hình 2.19: Thực hiện chuyển giao 62

Hình 2.20: Hoàn thành chuyển giao 63

Hình 2.21: Tổng quan chuyển giao từ LTE ñến UTRAN/GERAN 64

Hình 3.1: Mô hình quản lý di ñộng tổng quát 68

Hình 3.2: Mô hình quản lý di ñộng phân cấp 69

Hình 3.3: Mô hình quản lý di ñộng trong IPv6 70

Hình 3.4: Hierarchical FAs 72

Hình 3.5: Cellular IP 73

Hình 3.6: HAWAII 74

MỞ ĐẦU

Thông tin di ñộng ngày nay ñã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển rất nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác Sự phát triển của thị trường viễn thông di ñộng ñã thúc ñẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống thông tin di ñộng mới trong tương lai Hệ thống di ñộng thế hệ thứ hai, với GSM và CDMA là những ví dụ ñiển hình ñã phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia Tuy nhiên, thị trường viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di ñộng thế

hệ thứ hai Sự ra ñời của hệ thống di ñộng thế hệ thứ ba với các công nghệ tiêu biểu như WCDMA hay HSPA là một tất yếu ñể có thể ñáp ứng ñược nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc ñộ cao, băng thông rộng của người sử dụng

Mặc dù các hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 2.5G hay 3G vẫn ñang phát triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới ñã bắt ñầu tiến hành triển khai thử nghiệm một chuẩn di ñộng thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng và

có thể sẽ trở thành chuẩn di ñộng 4G trong tương lai, ñó là LTE (LongTerm Evolution) Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này ñã chứng tỏ năng lực tuyệt vời của công nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE ñã ñến rất gần Trước ñây, muốn truy cập dữ liệu, bạn phải cần có 1 ñường dây cố ñịnh ñể kết nối Trong tương lai không xa với LTE, bạn có thể truy cập tất cả các dịch vụ mọi lúc mọi nơi trong khi vẫn di chuyển: Xem phim chất lượng cao HDTV, ñiện thoại thấy hình, chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu v.v… với một tốc ñộ “siêu tốc” Đó chính là sự khác biệt giữa mạng di ñộng thế hệ thứ 3 (3G) và mạng di ñộng thế hệ thứ tư (4G) Tuy vẫn còn khá mới mẻ nhưng mạng di ñộng băng rộng 4G ñang ñược

kỳ vọng sẽ tạo ra nhiều thay ñổi khác biệt so với những mạng di ñộng hiện nay Tuy nhiên, ñể ñáp ứng về nhu cầu ngày càng cao của người dùng, các hệ thống thông tin

di ñộng ñã không ngừng cải tiến và ñược chuẩn hoá bởi các tổ chức trên thế giới Việc các hệ thống thông tin di ñộng phát triển lên 4G là ñiều tất yếu

Trong lĩnh vực thông tin di ñộng việc quản lý di ñộng trong mạng LTE-4G, việc chuyển giao di ñộng trong mạng LTE-4G và chuyển giao giữa các hệ thống trong toàn mạng luôn ảnh hưởng lớn ñến chất lượng dịch vụ Việc chuyển giao giữa các hệ thống trong mạng LTE-4G phải ñảm bảo yêu cầu kỹ thuật, chất lượng dịch

vụ Nâng cao chất lượng hệ thống là một vấn ñề quan tâm hàng ñầu của các nhà thiết kế mạng di ñộng LTE-4G

Xuất phát từ những vấn ñề trên, ñể phục vụ cho công việc nghiên cứu và giảng

dạy, tôi ñã lựa chọn luận văn tốt nghiệp là: “Quản lý di ñộng trong mạng LTE-

4G” L uận văn ñi vào tìm hiểu tổng quan mạng LTE-4G và phân tích quản lý di ñộng mạng LTE-4G từ ñó ñề tài cũng ñưa ra một số giải pháp quản lý di ñộng trong mạng LTE-4G

Luận văn bao gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng LTE- 4G

Chương 2: Quản lý di ñộng (MOBILITY)

Chương 3: Một số giải pháp quản lý di ñộng trong mạng LTE-4G

Tuy nhiên do LTE là công nghệ mới vẫn ñang ñược thử nghiệm, phát triển

và hoàn thiện cũng như là do giới hạn về kiến thức của tôi nên luận văn này chưa ñề cập ñược hết các vấn ñề quản lý di ñộng của công nghệ LTE-4G nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong ñược sự ñóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG LTE - 4G

LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA ñã ñược triển khai trên toàn thế giới Để ñảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP ñã bắt ñầu

dự án nhằm xác ñịnh bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di ñộng UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP ñặt 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, ñơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm ñáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị ñầu cuối Đặc tả kỹ thuật cho LTE ñang ñược hoàn tất và dự kiến sản phẩm LTE sẽ ra mắt thị trường trong những năm tới

1.1 TỔNG QUAN

1.1.1 Xu hướng phát triển công nghệ mạng di ñộng từ 3G lên 4G

Phát triển công nghệ mạng di ñộng từ 3G lên 4G là một xu thế tất yếu ñể ñáp ứng nhu cầu của di ñộng băng rộng Nền tảng 4G ñược phát triển dựa trên các công nghệ như LTE, UMB và Wimax Trong ñó, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của 3G/HSPA, công nghệ LTE hiện ñang chiếm ưu thế so với UMB trong cuộc chạy ñua cạnh tranh với Wimax

Hình 1.1 LTE, UMB, WiMAX: 3 công nghệ cho mạng 4G

Hình 1.2 Sự phát triển của các công nghệ thông tin vô tuyến

- Dung lượng và chất lượng: Một trong những yêu cầu của LTE là cung cấp tốc ñộ download tối thiểu 100Mbps Công nghệ hiện nay cho phép ñạt ñược tốc ñộ trên 200 Mbps Thêm vào ñó, thời gian RTT (Round-Trip Times) của mạng RAN

có thể nhỏ hơn 10ms

- Tính ñơn giản: Đầu tiên LTE hỗ trợ các băng thông sóng mang khác nhau, từ 5MHz tới 20MHz LTE cũng hỗ trợ cả chế ñộ FDD (Frequency Division Duplex)

và TDD (Time Division Duplex) Hiện 3GPP ñã ñịnh nghĩa 10 cặp phổ tần FDD và

4 phổ tần TDD cho LTE Điều này có nghĩa là một nhà cung cấp dịch vụ có thể lựa chọn cung cấp LTE trên những băng tần mới với sóng mang 10MHz hay 20MHz Thứ hai, các sản phẩm vô tuyến LTE có một số tính năng làm ñơn giản hóa việc xây dựng và quản lý mạng thế hệ mới Ví dụ các tính năng như plug-and-play, tự cấu hình, và tự tối ưu hóa sẽ làm ñơn giản hóa và giảm chi phí triển khai và quản lý mạng Thứ ba, LTE sẽ ñược triển khai ñồng thời với các mạng truyền tải và mạng lõi dựa trên IP với ñặc ñiểm dễ xây dựng, bảo dưỡng và triển khai dịch vụ

Số lượng ñầu cuối nhiều: Cùng với ñiện thoại di ñộng, nhiều loại máy tính, thiết bị tiêu thụ ñiện như máy tính xách tay, thiết bị chơi game và camera sẽ sử dụng những module nhúng LTE Vì LTE hỗ trợ handover và roaming với những mạng di ñộng hiện tại nên mọi thiết bị này có thể hoạt ñộng trong vùng phủ rộng khắp Tóm lại các nhà cung cấp có thể cung cấp LTE một cách linh ñộng ñể phù hợp với mạng hiện tại, phổ tần và mục ñích kinh doanh với các dịch vụ multi-media và mobile băng rộng

* Đáp ứng những yêu cầu của người tiêu dùng:

Thuê bao băng rộng dự kiến sẽ tăng tới 2 tỷ người vào năm 2013 Hai phần ba trong số ñó sẽ sử dụng dịch vụ di ñộng băng rộng Lưu lượng dữ liệu di ñộng ñược chờ ñợi sẽ vượt trên lưu lượng thoại vào năm 2010 khi ñó ñòi hỏi các mạng di ñộng hiện nay và tương lai phải ñáp ứng các yêu cầu cao

Có nhiều nguyên nhân sẽ dẫn tới sự bùng nổ của di ñộng băng rộng:

Đầu tiên, người tiêu dùng hiểu và ñánh giá cao những lợi ích mà di ñộng băng rộng mang lại Hầu hết mọi người ñã sử dụng ñiện thoại di ñộng và ñồng thời cũng kết nối máy tính xách tay của họ với mạng WLAN Bước phát triển tới mạng di ñộng băng rộng là dễ hiểu và tất yếu, ñặc biệt với LTE, công nghệ cho phép cung cấp vùng phủ liên tục và cho phép roaming với các mạng 2G và 3G hiện tại

Thứ hai, kinh nghiệm của HSPA cho thấy khi những nhà cung cấp dịch vụ cung cấp vùng phủ tốt, dịch vụ và máy ñầu cuối ña dạng, di ñộng băng rộng sẽ cất cánh

Hình 1.3 Sự phát triển thuê bao băng rộng Lưu lượng dữ liệu gói ñã bắt ñầu vượt qua lưu lượng thoại trong tháng 5/2007 với các mạng WCDMA (như hình vẽ dưới ñây) Điều này chủ yếu là do sự xuất hiện của HSPA Thiết bị data cards và USB dongle HSPA hiện ñã rất phổ biến

Hình 1.4 So sánh sự phát triển lưu lượng dữ liệu thoại và dữ liệu gói

Trong nhiều trường hợp, di ñộng băng rộng có thể cạnh tranh với cố ñịnh băng rộng về giá, chất lượng, tính bảo mật và tất nhiên là sự thuận tiện Người dùng có thể dùng thời gian sử dụng dịch vụ thay vì cài ñặt kết nối WLAN và lo lắng về tính

Thứ ba, một số ứng dụng băng rộng ñược mở rộng ñáng kể nhờ tính di ñộng Các trang cộng ñồng, tìm kiếm, các ứng dụng hiện tại và các trang chia sẻ nội dung như YouTube chỉ là một số ít các ví dụ cho trường hợp này Với ñặc tính di ñộng, các ứng dụng này trở lên giá trị hơn với người dùng Những nội dung ñược người dùng tạo ra ñặc biệt hấp dẫn và thú vị vì những thay ñổi của nó làm cho lưu lượng ñường lên trở lên quan trọng Tốc ñộ dữ liệu cao và thời gian trễ ngắn của LTE cho phép khai thác các ứng dụng thời gian thực như game và IPTV

* Thỏa mãn các yêu cầu của nhà cung cấp dịch vụ:

Những nhà cung cấp làm kinh doanh trong một môi trường cạnh tranh ngày càng tăng, cạnh tranh không chỉ với những nhà cung cấp dịch vụ khác mà với cả những mô hình kinh doanh mới Tuy nhiên, các mô hình kinh doanh mới cũng ñồng nghĩa với những có hội mới và những nhà cung cấp dịch vụ di ñộng có lợi thế trong việc cung cấp những dịch vụ di ñộng băng rộng trên nền mạng 2G và 3G hiện tại

* Chuẩn hóa LTE

LTE là bước phát triển mới rất quan trọng của thông tin vô tuyến di ñộng, ñược giới thiệu tại 3GPP Release 8 LTE sử dụng OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) làm công nghệ tuy nhập vô tuyến, cùng với những công nghệ anten tiên tiến khác

Bên cạnh LTE, 3GPP cũng xác ñịnh cấu trúc mạng IP-based Cấu trúc này ñược ñịnh nghĩa như một phần của SAE (System Architechture Evolution) Cấu trúc LTE-SAE và các khái niệm ñược thiết kế ñể hỗ trợ một cách hiệu quả các mạng

sử dụng dịch vụ IP-based rộng rãi Cấu trúc này ñược dựa trên sự phát triển mạng lõi GSM/WCDMA hiện tại với hoạt ñộng ñơn giản hơn, chi phí triển khai thấp hơn.Thêm vào ñó, các công việc hiện ñã ñược khởi ñộng giữa 3GPP và 3GPP2 (tổ chức chuẩn hóa CDMA) ñể tối ưu internetworking giữa CDMA và LTE-SAE Điều này có nghĩa là những nhà cung cấp CDMA cũng sẽ có thể phát triển mạng của họ lên LTE-SAE với chi phí thấp

* Cấu trúc

Song song với công nghệ truy nhập vô tuyến LTE, nhưng mạng lõi gói cũng ñược phát triển lên cấu trúc SAE Cấu trúc mới này ñược thiết kế ñể tối ưu hoạt ñộng của mạng, cải thiện chi phí một cách hiệu quả và ñơn giản hóa việc cung cấp các dịch vụ IP-based

Chỉ có hai node trong mặt phẳng người dùng trong cấu trúc SAE: Trạm gốc LTE (eNodeB) và SAE Gateway như hình vẽ dưới ñây Trạm gốc LTE ñược kết nối ñến mạng lõi bằng giao diện mạng lõi RAN, S1 Cấu trúc phẳng này sẽ giảm số lượng các node liên quan trong các kết nối

Các hệ thống 3GPP (GSM và WCDMA/HSPA) và 3GPP2 (CDMA2000 1xRTT, EV-DO) ñược tích hợp vào mạng SAE bằng những giao diện chuẩn hóa, cho phép cung cấp khả năng di ñộng tối ưu với LTE Việc tích hợp này sẽ cho phép nâng cấp lên LTE một cách hết sức linh ñộng Ví dụ tín hiệu ñiều khiển di ñộng ñược quản lý bởi node MME (Mobility Management Entity) tách biệt với Gateway Điều này giúp tối ưu quá trình triển khai mạng và cho phép mở rộng dung lượng một cách linh ñộng và hiệu quả

HSS (Home Subscriber Server) kết nối ñến mạng lõi gói qua giao diện dựa trên Diameter, không phải SS7 như trong các mạng GSM và WCDMA Báo hiệu mạng cho ñiều khiển chính sách và tính cước dựa trên Diameter Điều này có nghĩa

là mọi giao diện trong cấu trúc ñều là các giao diện IP

Các hệ thống GSM và WCDMA/HSPA hiện tại ñược tích hợp vào hệ thống SAE thông qua các giao diện ñược chuẩn hóa giữa SGSN và mạng lõi SAE Việc tích hợp này sẽ hỗ trợ handover giữa các công nghệ vô tuyến khác nhau, cho phép nâng cấp linh hoạt từ CDMA tới LTE

LTE-SAE tuân thủ khái niệm QoS theo lớp Điều này cung cấp giải pháp hiệu quả, ñơn giản ñể nhà cung cấp ñưa ra các dịch vụ gói khác nhau

Hình 1.5 Cấu trúc LTE và SAE

1.2 CÁC PHẦN TỬ MẠNG LTE- 4G

1.2.1 E-UTRAN

Mạng truy nhập 4G LTE, E-UTRAN, chỉ có các eNodeB mà không có bộ ñiều khiển chung trong E-UTRAN cho lưu lượng thông thường (không phải quảng bá) của người sử dụng vì thế kiến trúc E-UTRAN ñược gọi là phẳng

Hình 1.6 cho thấy các kết nối của eNodeB với các nút logic xung quanh và tổng kết các chức năng chính trong giao diện này Trong tất cả các kết nối eNodeB

có thể nằm trong quan hệ: (1) một với nhiều hoặc (2) nhiều với nhiều eNodeB có thể phục vụ nhiều UE trên vùng phủ của nó, tại một thời ñiểm mỗi UE chỉ ñược nối ñến một eNodeB Khi cần thực hiện chuyển giao, eNodeB ñược nối ñến các eNodeB lân cận nó

Hình 1.6 Các kết nối của eNodeB ñến các nút logic khác và các chức năng chính Hình 1.6 cho thấy các giao diện giữa eNodeB và các nút quang Thông thường các eNodeB ñược nối với nhau qua giao diện X2 và nối ñến EPC qua giao diện S1 trong ñó nối ñến MME qua giao diện S1-MME và ñến S-GW qua giao diện S1-U Các MME và S-GW có thể ñược tổ chức thành các Pun, nghĩa là tập các nút này sẽ ñược ấn ñịnh ñể phục vụ cho một tập các eNodeB cụ thể Điều này có nghĩa

là từ một eNodeB có thể cần phải nối ñến nhiều MME hay nhiều S-GW Tính năng này ñược gọi là tính linh hoạt của S1 (S1-flex: S1-flexity) S1-flex cho phép linh hoạt hơn khi kết nối giữa các nút truy nhập và các nút gói (Hình 1.7) Tuy nhiên tại một thời ñiểm, mỗi một UE chỉ ñược phục vụ bởi một MME và một S-GW, và eNodeB này sẽ duy trì mối liên kết này Xét từ quan ñiểm eNodeB, mối liên kết này

sẽ không bao giờ thay ñổi, vì MME hay S-GW chỉ có thể thay ñổi khi xẩy ra chuyển giao giữa các eNodeB

Hình 1.7 Các giao diện giữa eNodeB với các nút mạng khác

Hình 1.8 So sánh giữa các kết nối một ñến nhiều và S1-flex (kết nối nhiều ñến nhiều) Các giao thức hoạt ñộng giữa các eNodeB và UE ñược gọi là các giao thức AS

* E-UTRAN chịu trách nhiệm cho tất cả các chức năng liên quan ñến vô tuyến dưới ñây:

+ Nén tiêu ñề: Các tiêu ñề của gói IP chiếm băng thông khá lớn nhất là ñối với VoIP, vì thế nén tiêu ñề cho phép sử dụng hiệu suất giao diện vô tuyến

+ An ninh: Tất cả các số liệu ñược phát trên giao diện vô tuyến ñều phải ñược mật mã hóa

+ Kết nối ñến EPC : Bao gồm báo hiệu ñến MME và ñường truyền kênh mang ñến S-GW

+ Lựa chọn MME: Khi không xác ñịnh ñược tuyến tới MME từ thông tin ñược

cung cấp bởi UE

+ Sóng mang UL cưỡng bức tốc ñộ trên cơ sở UE-AMBR và MBR thông qua lập biểu ñường lên (ví dụ như hạn chế tài nguyên UL ñược cấp cho mỗi UE)

+ Sóng mang DL cưỡng bức tốc ñộ trên cơ sở UE-AMBR

+ Điều khiển thêm mức sóng mang UL và DL

+ Truyền tải bản tin ñã ñánh dấu ñường lên, ví dụ như thiết lập DSCP trên cơ

sở QCI của sóng mang EPS liên kết

+ Điều khiển tắc nghẽn dựa trên ECN

Tại phía mạng, tất cả các chức năng này ñều ñược ñặt trong eNodeB Mỗi eNodeB chịu trách nhiệm quản lý nhiều UE Không như các công nghệ 2G và 3G, LTE tích hợp chức năng bộ ñiều khiển vô tuyến vào eNodeB Điều này cho phép tương tác chặt chẽ hơn giữa các lớp giao thức khác nhau của mạng truy nhập vô tuyến và nhờ vậy giảm ñược trễ và tăng hiệu suất Điều khiển phân tán như vậy loại

bỏ ñược sự cần thiết phải có một bộ ñiều khiển xử lý mạnh và ñộ sẵn sàng cao và cho phép giảm giá thành cũng như tránh ñược “các ñiểm sự cố ñơn” Ngoài ra vì LTE không hỗ trợ chuyển giao mềm nên không cần thiết phải có một chức năng kết hợp số liệu tập trung trong mạng

Một hệ lụy của thiếu một nút ñiều khiển tập trung là khi UE chuyển dịch, mạng phải chuyển giao tất cả các thông tin liên quan ñến UE, nghĩa là UE context cùng với số liệu ñược nhớ ñệm từ một eNodeB này sang một eNodeB khác

Một tính năng quan trọng của giao diện S1 liên kết mạng truy nhập với mạng lõi là S1-flex Đây là một khái niệm trong ñó nhiều nút của mạng lõi (các MME/S-GW) có thể phục vụ một vùng ñịa lý chung ñược kết nối bởi một mạng dạng lưới ñến một tập hợp các eNodeB trong vùng này Như vậy một eNodeB có thể ñược phục vụ bởi nhiều MME/S-GW giống như trường hợp eNodeB 2 Tập các nút MME/S-GW phục vụ một vùng chung ñược gọi là vùng Pun MME/S-GW Khái niệm này cho phép các UE trong các ô ñược ñiều khiển bởi một eNodeB ñược chia

sẻ giữa nhiều nút của mạng CN, vì thế ñảm bảo khả năng chia tải và ñồng thời loại

bỏ ñiểm sự cố ñơn ñối với các nút CN Thông thường UE context ñược duy trì với cùng một MME chừng nào UE còn nằm trong vùng Pun

1.2.2.MME ( Mobility Management Entity)

Thực thể quản lý di ñộng (MME: Mobility Management Entity) là phần tử ñiều khiển chính trong EPC Thông thường MME là một server ñặt tại một vị trí an toàn ngay tại hãng khai thác Nó chỉ hoạt ñộng trong mặt phẳng ñiều khiển (CP) và không tham gia vào ñường truyền số liệu của UP

Ngoài các giao diện kết cuối tại MME như thấy trong cấu trúc trên hình 1.9 MME cũng có một kết nối logic trực tiếp CP ñến UE và kết nối này ñược sử dụng như là kênh ñiều khiển sơ cấp giữa UE và mạng Dưới ñây là các chức năng chính của MME trong cấu hình kiến trúc hệ thống cơ sở:

Hình 1.9 Phân chia chức năng giữa E-UTRAN và EPC

+ An ninh và nhận thực : Khi UE ñăng ký lần ñầu với mạng MME khởi xướng

nhận thực như sau: Nó tìm ra một nhận dạng cố ñịnh của UE hoặc từ mạng khách hàng trước ñó hoặc từ chính UE nó yêu cầu HSS trong mạng nhà của UE các vectơ nhận thực gồm: Hô lệnh nhận thực các cặp thông số trả lời; nó phát ñi hô lệnh ñến UE; nó so sánh trả lời nhận ñược từ UE với trả lời nhận từ mạng nhà Chức năng này cần thiết ñể nhận thực rằng UE hợp lệ MME có thể lặp lại nhận thực khi cần thiết hoặc ñịnh kỳ MME sẽ tính toán các khóa mật mã và khóa bảo vệ tính toàn vẹn của UE từ khóa chủ nhận ñược từ vectơ nhận thực nhận ñược từ mạng nhà và ñiều khiển các thiết lập liên quan trong E-UTRAN cho UP và CP Các chức năng này ñược sử dụng ñể bảo vệ thông tin không bị nghe trộm và thay ñổi bởi phía thứ ba không ñược phép Để bảo vệ tính riêng tư của UE, MME cũng ấn ñịnh một nhận dạng tạm thời cho từng UE với tên gọi là nhận dạng tạm thời duy nhất toàn cầu (GUTI: Global Unique Temporary Identity) ñể có thể giảm thiểu việc cần thiết phải phát nhận dạng cố ñịnh của UE (IMSI: International Mobile Subscriber Identity: Nhận dạng thuê bao di ñộng quốc tế) trên giao diện vô tuyến GUTI có thể ñược ấn ñịnh lại (theo ñịnh kỳ chẳng hạn) ñể tránh sự giám sát trái phép ñối với UE

+ Quản lý di ñộng: MME theo dõi vị trí của các UE trong vùng phục vụ của

nó Khi UE thực hiện ñăng ký lần ñầu, MME sẽ tạo lập một entry (một mục) cho

UE và thông báo vị trí này cho HSS trong mạng nhà của UE MME yêu cầu thiết lập các tài nguyên tương ứng trong eNodeB cũng như trong S-GW mà nó lựa chọn cho UE Sau ñó MME sẽ theo dõi vị trí của UE hoặc tại mức eNodeB nếu UE vẫn duy trì kết nối (trong trạng thái thông tin tích cực) hoặc tại mức vùng theo dõi (TA: Tracking Area) bao gồm một tập các eNodeB trong trường hợp UE chuyển vào chế

ñộ rỗi và không cần thiết duy trì ñường truyền số liệu kết nối MME ñiều khiển quá trình thiết lập, giải phóng các tài nguyên dựa trên các thay ñổi trạng thái tích cực của UE MME cũng tham gia ñiều khiển báo hiệu ñể chuyển giao UE trạng thái tích cực giữa các eNodeB, S-GW hay các MME MME tham gia vào mọi sự thay ñổi eNodeB, vì không có RNC tách riêng ñể che ñậy tất cả các sự kiện này UE rỗi sẽ báo cáo vị trí của nó hoặc ñịnh kỳ hoặc khi nó chuyển dịch ñến một vùng theo dõi (TA) khác Nếu mạng nhận ñược số liệu từ mạng ngoài cho một UE rỗi, MME sẽ ñược thông báo và nó sẽ yêu cầu các eNodeB trong TA nơi có UE ñể các eNodeB này phát báo hiệu tìm gọi UE

+ Quản lý hồ sơ thuê bao và kết nối dịch vụ: Tại thời ñiểm UE ñăng ký với mạng, MME chịu trách nhiệm nhận hồ sơ thuê bao từ mạng nhà MME sẽ lưu thông tin này trong suốt quá trình nó phục vụ UE Hồ sơ này sẽ xác ñịnh cần ấn ñịnh các kết nối mạng số liệu gói nào cho UE khi nó nhập mạng MME sẽ tự ñộng thiết lập kênh mang mặc ñịnh này ñể cấp cho UE kết nối IP cơ sở Quá trình này bao gồm cả báo hiệu CP với eNodeB và S-GW Sau ñó MME có thể phải tham gia vào quá trình thiết lập các kênh mang cho các dịch vụ nhận ñược từ xử lý cao hơn MME có thể nhận yêu cầu thiết lập một kênh mang riêng hoặc từ S-GW nếu yêu cầu này xuất phát từ miền dịch vụ của nhà khai thác hay trực tiếp từ S-GW nếu UE yêu cầu một kết nối cho một dịch vụ mà miền dịch vụ nhà khai thác hay trực tiếp từ S-GW nếu

UE yêu cầu một kết nối cho một dịch vụ mà miền dịch vụ nhà khai thác không biết

và vì thế không thể khởi xướng yêu cầu từ miền này

+ Báo hiệu NAS

+ An ninh báo hiệu NAS

+ Báo hiệu di ñộng cho các node CN giữa các mạng truy nhập 3GPP (ñầu cuối S3) + Khả năng kết nối UE trong trạng thái ECM-IDLE (bao gồm cả việc ñiều khiển và thực hiện tìm gọi truyền dẫn lại)

+ Mapping từ vị trí UE (ví dụ như TAI) ñến miền thời gian, và báo hiệu sự thay ñổi miền thời gian UE kết hợp với tính di ñộng

+ Lựa chọn PDN GW và Serving GW (GW phục vụ)

+ Lựa chọn MME cho chuyển giao khi MME thay ñổi

+ Lựa chọn SGSN cho chuyển giao trong các mạng truy nhập 2G hoặc 3GPP + Chuyển vùng

+ Quản lý sóng mang bao gồm việc thiết lập sóng mang riêng

+ Ngăn chặn hợp pháp lưu lượng báo hiệu

+ Chức năng truyền bản tin cảnh báo (bao gồm việc lựa chọn eNodeB thích hợp)

+ Các thủ tục kết nối UE

Chú ý 1: Serving GW và MME có thể ñược thực hiện trong cùng một node vật lý hoặc trong các node vật lý riêng biệt

MME sẽ thông báo sự thay ñổi trong miền thời gian UE chỉ trong trường hợp

di ñộng và trong trường hợp ngắt kết nối PDN và UE Detach (tháo gỡ UE)

Chú ý 2: MME không thông báo sự thay ñổi trong miền thời gian UE nếu các

kết qủa thay ñổi miền thời gian UE chỉ từ sự thay ñổi thời gian ñược ủy quyền chính phủ (ví dụ như việc thay ñổi từ thời gian mùa ñông ñến thời gian mùa hè)

Hình 1.10 cho thấy các kết nối của MME với các nút logic xung quanh và tổng kết các chức năng chính của các giao diện này Về nguyên tắc MME có thể kết nối ñến mọi MME khác trong hệ thống, nhưng thông thường kết nối chỉ hạn chế ñến

mạng của một nhà khai thác Kết nối xa giữa các MME có thể ñược sử dụng khi một UE di rời ra xa và UE có thể ñăng ký ñến một MME mới Khi này MME nhận

số nhận dạng cố ñịnh của UE, IMSI từ MME mà nó làm khách trước ñó

Cũng cần phải hỗ trợ kết nối ñến một vài HSS HSS ñược ñặt trong từng mạng nhà và có thể tìm ñược tuyến nối ñến nó dựa trên IMSI Mỗi MME ñược lập cấu hình ñể ñiều khiển một tập các S-GW và các eNodeB Các S-GW và các eNodeB ñều có thể ñược nối ñến các MME khác MME có thể phục vụ một số UE ñồng thời trong khi mỗi UE chỉ kết nối ñến một MME tại một thời ñiểm

Hình 1.10 Các kết nối của MME ñến các nút logic khác và chức năng chính

1.2.3.2 Serving GW

Serving GW là gateway kết cuối giao diện hướng tới E-UTRAN

Đối với mỗi UE liên kết với EPS, tại mỗi ñiểm thời gian cho trước thì có một Serving GW

Các chức năng của Serving GW (bao gồm cả S5/S8 dựa trên GTP và PMIP) bao gồm:

+ Điểm Mobile Anchor cục bộ cho việc chuyển giao giữa các eNodeB

+ Gửi một hoặc nhiều “end marker” ñến eNodeB nguồn, SGSN nguồn hoặc RNC nguồn ngay sau khi chuyển mạch ñường trong suốt thời gian chuyển giao giữa các eNodeB và giữa các RAT, ñặc biệt là hỗ trợ chức năng sắp xếp lại trong các eNodeB

+ Bám di ñộng ñối với tính di ñộng 3GPP (kết cuối S4 và chuyển tiếp lưu lượng giữa hệ thống 2G/3G và PDN GW)

+ Làm bộ ñệm gói tin ñường xuống mode ECM-IDLE và khởi tạo thủ tục yêu cầu dịch vụ

+ Ngăn chặn hợp pháp

+ Định tuyến và chuyển tiếp gói tin

+ Đánh dấu gói tin lớp truyền tài cả ñường lên và ñường xuống Ví dụ như việc thiết lập DSCP trên cơ sở QCI của sóng mang EPS liên kết

+ Tính toán việc ghi cước khai thác liên mạng Đối với GTP dựa vào S5/S8 thì Serving GW tính toán số liệu trên mối UE và sóng mang

+ OFCS phù hợp với các nguyên lý ghi cước và thông qua các ñiểm chuẩn Khi giao diện S5/S8 sử dụng PMIP, số liệu trên giao diện này sẽ là các luồng

IP trong một GRE tunnel Vì thế S-GW hỗ trợ S5/S8 PMIP chịu trách nhiệm thiết lập ràng buộc kênh, nghĩa là sắp xếp các luồng IP trên giao diện S5/S8 vào các kênh mang giao diện S1 Chức năng này ñược gọi là thiết lập ràng buộc kênh mang và

báo cáo sự kiện (BBERF: Bearer Binding and Event Reporting Function) Không phụ thuộc vào việc báo hiệu kênh mang xuất xứ từ ñâu, BBERF luôn luôn nhận ñược thông tin ràng buộc kênh mang từ PCRF Serving GW không hỗ trợ chức năng

kết nối ñến GGSN

1.2.3.3 PDN GW

PDN GW là gateway kết cuối của giao diện SGi hướng tới PDN

Nếu một UE ñang truy nhập nhiều PDN thì có thể có nhiều hơn một PDN GW cho UE ñó, tuy nhiên việc trộn tính kết nối của S5/S8 và tính kết nối của Gn/Gp thì không hỗ trợ cho tính truy nhâp ñồng thời của UE

* Các chức năng của PDN GW bao gồm cho cả GTP và PMIP dựa trên S5/S8: + Mỗi người dùng dựa vào việc lọc gói tin

+ Ngăn chặn hợp pháp

+ Cấp phát ñịa chỉ UE IP

+ Đánh dấu gói tin lớp truyền tải ñường lên và ñường xuống, ví dụ như thiết lập + DSCP trên cơ sở QCI của sóng mang EPS liên kết

+ Tính toán cho ghi cước của nhà khai thác

+ Cưỡng bức tốc ñộ UL và DL dựa trên cở sơ APN-AMBR

+ Cưỡng bức tốc ñộ DL trên cơ sở các MBR tích lũy của tập hợp các SDF với cùng GBR QCI

+ Các chức năng DHCPv4 (server và client) và DHCPv6 (server và client) + Mạng không hỗ trợ loại sóng mang PPP trong tiêu chuẩn kĩ thuật phiên bản này Tính năng trước phát hành 8 PPP của GGSN có thể ñược thực hiện trong PDN

GW

+ Lọc gói tin (packet screening)

* Ngoài ra PDN GW bao gồm các chức năng sau ñây ñối với GTP dựa vào S5/S8:

+ Tính năng như ñược xác ñịnh trong RFC

+ Tính toán mỗi UE và sóng mang

+ P-GW cung cấp hướng kết nối PDN ñến cả GERAN/UTRAN (chỉ ñối với các UE) và E-UTRAN có các UE sử dụng E-UTRAN, GERAN hoặc UTRAN P-

GW cung cấp hướng kết nối PDN ñến E-UTRAN có các UE sử dụng E-UTRAN chỉ qua giao diện S5/S8

1.2.3.4 SGSN (Serving GPRS Support Node)

SGSN: Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS theo dõi vị trí của các MS riêng biệt và thực hiện các chức năng và ñiều khiển truy cập SGSN ñược kết nối ñến hệ thống trạm gốc GSM qua giao diện Gb và/hoặc tới mạng truy cập vô tuyến UMTS qua giao diện Iu SGSN cũng giao tiếp qua chức năng chuyển mạch dịch vụ GPRS với chức năng ñiều khiển dịch vụ GSM cho phiên CAMEL tuỳ chọn và hỗ trợ các dịch vụ kiểm soát chi phí Ngoài ra, SGSN cũng thực hiện các chức năng sau ñây:

+ Báo hiệu giữa các node EPC với nhau Báo hiệu này về di ñộng giữa 2G/3G

Hình 1.11 Kiến trúc GERAN GERAN kết nối tới mạng lõi qua 3 giao diện A, Gb và Iu Bất kỳ sự kết hợp nào so sánh 1, 2 hoặc 3 trong các giao diện này ñều có thể Hai hệ thống trạm con

cơ sở (BSS: Base Station Sybsystem) có thể ñược kết nối lẫn nhau bởi giao diện Iur-g Một BSS và RNC cũng có thể ñược kết nối qua giao diện Iur-g

Các trạm di ñộng nên ñược hoạt ñộng sử dụng 2 chế ñộ dưới ñây:

1 Chế ñộ A/Bg, ví dụ cho các ñầu cuối trước phiên bản 5 và các ñầu cuối phiên

bản 5 khi kết nối tới 1 GERAN không qua giao diện Iu hướng tới mạng lõi

2 Chế ñộ Iu ví dụ cho các ñầu cuối phiên bản 5 khi kết nối tới 1 GERAN với

giao diện Iu hướng tới mạng lõi

Cả 2 chế ñộ trên ñều phải hỗ trợ bởi chuẩn và không có các chế ñộ nào khác ñược cho phép Việc phân chia chức năng trong 1 BSS ñược thực hiện ñộc lập

1.2.3.6.UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network)

UTRAN: Mạng truy nhập vô tuyến mặt ñất UMTS là liên kết giữa người sử dụng và CN Nó gồm các phần tử ñảm bảo các cuộc truyền thông UMTS trên vô tuyến và ñiều khiển chúng

UTRAN ñược ñịnh nghĩa giữa hai giao diện Giao diện Iu giữa UTRAN và

CN, gồm hai phần: IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miền chuyển mạch kênh giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người sử dụng Giữa hai giao diện này là hai nút, RNC và nút B

RNC có nhiều chức năng logic tùy thuộc vào việc nó phục vụ nút nào Người

sử dụng ñược kết nối vào một RNC phục vụ (SRNC: Serving RNC) Khi người sử dụng chuyển vùng ñến một RNC khác nhưng vẫn kết nối với RNC cũ, một RNC trôi (DRNC: Drift RNC) sẽ cung cấp tài nguyên vô tuyến cho người sử dụng, nhưng RNC phục vụ vẫn quản lý kết nối của người sử dụng ñến CN Chức năng cuối cùng của RNC là RNC ñiều khiển (CRNC: Control RNC) Mỗi nút B có một RNC ñiều khiển chịu trách nhiệm cho các tài nguyên vô tuyến của nó

* Nút B

Trong UMTS trạm gốc ñược gọi là nút B và nhiệm vụ của nó là thực hiện kết nối vô tuyến vật lý giữa ñầu cuối với nó Nó nhận tín hiệu trên giao diện Iub từ RNC và chuyển nó vào tín hiệu vô tuyến trên giao diện Uu Nó cũng thực hiện một

số thao tác quản lý tài nguyên vô tuyến cơ sở như “ñiều khiển công suất vòng trong” Tính năng này ñể phòng ngừa vấn ñề gần xa nghĩa là nếu tất cả các ñầu cuối ñều phát cùng một công suất, thì các ñầu cuối gần nút B nhất sẽ che lấp tín hiệu từ các ñầu cuối ở xa Nút B kiểm tra công suất thu từ các ñầu cuối khác nhau và thông báo cho chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho nút B luôn thu ñược công suất như nhau từ tất cả các ñầu cuối

1.2.3.7 PCRF (Policy and Charging Resource Function)

* Tổng quan

Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên (PCRF: Policy and Charging Resource Function) là một phần tử mạng chịu trách nhiệm cho việc ñiều khiển chính sách và tính cước (PCC: Policy and Charging Control) Nó quyết ñịnh cách

xử lý các dịch vụ theo QoS và cung cấp thông tin cho PCEF (chức năng thực thi chiến lược và tính cước) trong P-GW và nếu áp dụng nó cũng cung cấp thông tin cho BBERF (thiết lập ràng buộc kênh mang và báo cáo sự kiện) ñể có thể thiết lập kênh mang và các chính sách tương ứng PCRF là một bộ phận của chương trình khung PCC trong tiêu chuẩn PCRF là một server thường ñược ñặt cùng với các phần tử của mạng lõi tại các trung tâm chuyển mạch của nhà khai thác

Thông tin do PCRF cung cấp cho PCEF ñược gọi là các quy tắc PCC PCRF gửi các quy tắc PCC mỗi khi cần thiết lập một kênh mang mới chẳng hạn khi UE khởi ñầu nhập mạng, thiết lập kênh mang ñược yêu cầu và một kênh mang mặc ñịnh ñược thiết lập Sau ñó thiết lập kênh mang ñược yêu cầu khi cần thiết lập một hay nhiều kênh mang riêng PCRF có khả năng cung cấp các quy tắc PCC theo yêu cầu hoặc từ P-GW hoặc từ S-GW trong trường hợp PMIP giống như trong trường hợp nhập mạng Nó cũng có thể cung cấp các quy tắc PCC theo yêu cầu từ chức năng ứng dụng (AF: Application Function) nằm trong miền dịch vụ Trong kịch bản này

UE thông báo trực tiếp ñến Miền dịch vụ (với IMS) và AF ñẩy thông tin về QoS của

dịch vụ ñến PCRF, PCRF quyết ñịnh PCC và ñẩy các quy tắc PCC xuống P-GW và thông tin sắp xếp kênh mang xuống S-GW trong trường hợp PMIP S5/S8 Sau ñó các kênh mang EPC ñược thiết lập ñựa trên các thông tin này

Các kết nối giữa PCRF và các nút khác ñược chỉ trên hình 1.12 Một PCRF có thể liên kết với một hoặc nhiều AF, P-GW và S-GW Mỗi kết nối PDE của UE chỉ liên kết với một PCRF

Hình 1.12 Các kết nối của PCRF với các nút logic khác và các chức năng chính Trong trường hợp không có chuyển vùng thì chỉ có duy nhất một PCRF trong HPLMN liên kết với một phiên IP-CAN của UE PCRF kết cuối giao diện Rx và giao diện Gx

Trong trường hợp có chuyển vùng có sự gián ñoạn của lưu lượng thì có thể có hai PCRF liên kết với một phiên IP-CAN của UE

- H-PCRF cư trú trong H-PLMN

- V-PCRF cư trú trong V-PLMN

* Home PCRF (H-PCRF)

Các chức năng của H-PCRF bao gồm:

+ Là kết cuối ñiểm chuẩn Rx cho các dịch vụ mạng tại nhà

+ Là kết cuối ñiểm chuẩn S9 cho việc chuyển vùng với gián ñoạn cục bộ + Liên kết các phiên ñã thiết lập qua các ñiểm chuẩn (S9, Rx) ñối với phiên cùng IP-CAN của UE (việc ghép phiên PCC)

H-PCRF là 1 thiết bị chức năng ñể quyết ñịnh ñiều khiển tính cước và các chính sách bao quanh trong H-PLMN và trong VPLMN H-PCRF bao gồm các chức năng cho cả truy cập tuyến nhà và truy cập khách

Nếu 1 phiên ñiều khiển gateway ñược sử dụng và 1 thiết lập phiên ñiều khiển gateway ñược chỉ thị qua S9, sau ñó một hoặc nhiều trường hợp sau ñây ñược áp dụng:

1) Một phiên IP-CAN tuyến nhà ñược nhận biết tới H-PCRF ñể có thể ràng buộc tới phiên ñiều khiển gateway

2) Phiên không phải IP-CAN ñược nhận biết tới H-PCRF ñể có thể ràng buộc tới phiên ñiều khiển gateway Đây là trường hợp khi 1 quá trình xử lý thiết lập phiên IP-CAN chưa ñược khởi tạo qua Gx hoặc S9

* V-PCRF (Visited PCRF)

Các chức năng của V-PCRF bao gồm:

+ Là kết cuối các ñiểm chuẩn Gx và S9 cho việc chuyển vùng gián ñoạn cục bộ + Là kết cuối Rx cho chuyển vùng gián ñoạn cục bộ và chức năng ứng dụng của nhà khai thác tạm trú

V-PCRF là 1 thiết bị chức năng ñể quyết ñịnh ñiều khiển tính cước và các chính sách bao quanh trong V-PLMN V-PCRF bao gồm các chức năng cho cả truy cập khách và truy cập tuyến nhà V-PCRF xác ñịnh dựa trên nhận dạng thuê bao nếu 1 yêu cầu cho roaming người dùng Một yêu cầu phiên ñiều khiển gateway nhận ñược qua ñiểm tham chiếu Gxx có thể phát 1 yêu cầu qua ñiểm tham chiếu S9

từ V-PCRF tới H-PCRF

Nếu 1 yêu cầu thiết lập phiên ñiều khiển gateway ñược nhận ñể không thể ràng buộc tới phiên Gx hiện tại sau ñó phiên IP-CAN liên kết là tuyến nhà hoặc truy cập khách nhưng yêu cầu thiết lập phiên IP-CAN không ñược nhận qua Gx

Cho trường hợp này V-PCRF có thể xác ñịnh dựa trên PDN-Id mang trong phiên ñiều khiển GW và chấp thuận roaming nếu yêu cầu nên ñược uỷ quyền tới H-PCRF qua S9 hoặc không V-PCRF có thể chọn không uỷ quyền tới thiết lập phiên ñiều khiển gateway nếu chỉ PDN-Id chỉ thị yêu cầu là cho truy cập khách

Yêu cầu thiết lập phiên ñiều khiển gateway chỉ nên ñược uỷ quyền tới PCRF qua S9 trong trường hợp V-PCRF ñược cấu hình ñể thực hiện dựa trên chấp thuận roaming

H-Nếu V-PCRF xác ñịnh rằng thiết lập phiên ñiều khiển gateway nên ñược uỷ quyền tới H-PCRF qua S9 sau ñó hồi ñáp từ H-PCRF cũng nên ñược truyền thông trở lại GW (BBERF) qua Gxx

Trong trường hợp V-PCRF xác ñịnh rằng 1 yêu cầu thiết lập phiên ñiều khiển gateway không nên ñược uỷ quyền, sau ñó V-PCRF nên ñáp ứng yêu cầu thực hiện bởi GW (BBERF) mà không chú thích tới H-PCRF

1.2.3.8 Liên kết giữa PDN GW và Server AAA

PDN GW có thể tương tác với Server AAA qua giao diện SGi Server AAA này có thể thông tin duy trì liên kết với UE truy nhập EPC và cung cấp quyền hạn

và các dịch vụ mạng khác Server AAA có thể là Server RADIUS hoặc Diameter trong một mạng PDN Server AAA này ñược phân chia logic từ HSS và Server AAA 3GPP

1.2.3.9 Hệ thống con HeNB

Một hệ thống con HeNB bao gồm một HeNB và tùy chọn HeNB GW

Một hệ thống con HeNB ñược kết nối bởi giao diện S1 chuẩn ñến EPC (bao gồm cả phần lõi), một cách cụ thể hơn tới MME (thực thể quản lý di ñộng: Mobility Management Entity) bởi giao diện S1-MME và tới Serving GW bằng giao diện S1-U Chú ý 1: Trong tiêu chuẩn kĩ thuật này và ñối với tiêu chuẩn kĩ thuật thì thuật ngữ eNB ám chỉ ñến hệ thống con HeNB nếu UE truy nhập mạng qua một HeNB ngoại trừ trạng thái khác

1.3 NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CỦA MẠNG LTE - 4G

Một thuật ngữ ñặc trưng ñược sử dụng ñể mô tả các ñặc ñiểm của mạng 4G là MAGIC: (Mobile multimedia, Anytime anywhere, Global mobility support, Integrated wireless solution, Customized personal service)

+ Đa phương tiện di ñộng

+ Mọi lúc mọi nơi

+ Hỗ trợ tính di ñộng toàn cầu

+ Giải pháp vô tuyến tích hợp

+ Dịch vụ tuỳ biến theo khách hàng

Mặc dù mô hình khuyến nghị cho 4G của các tổ chức là khác nhau, nhưng ñều

có một ñiểm chung thống nhất ñó là: 4G là một mạng toàn-IP (All-IP) Kiến trúc mạng là kiến trúc không dây mở (Open Wireless Architecture)

Có thể tóm tắt những ñặc ñiểm công nghệ 4G thành 5 ñặc ñiểm cơ bản sau ñây:

1.3.1 Hỗ trợ lưu lượng IP

Sự xuất hiện của dịch vụ VoIP ñã cho thấy việc truyền thoại có thể dễ dàng thực hiện qua mạng IP chuyển mạch gói, mặc dù vẫn có khó khăn về trễ ñầu cuối - ñầu cuối do triển khai trên cơ sở hạ tầng mạng hiện tại Kiến trúc mạng 4G ñược xây dựng với mục tiêu chính là cung cấp dịch vụ IP chất lượng cao, khả năng xử lý lưu lượng thoại và các lưu lượng thời gian thực sẽ chỉ là mục tiêu thứ yếu Việc cung cấp các dịch vụ có chất lượng theo yêu cầu qua mạng vô tuyến là một thử thách lớn ñối với các hệ thống 4G

1.3.2 Hỗ trợ di ñộng tốt

Trong các hệ thống 4G người dùng sẽ di ñộng trong một vùng có kích thước ñáng kể và giao tiếp thông qua các thiết bị ñầu cuối vô tuyến Người dùng phải có khả năng liên lạc bằng một số nhận dạng duy nhất Như vậy phải có cách ñể ánh xạ

từ số nhận dạng này thành một ñịa chỉ mà các gói tin ñược ñịnh tuyến ñến Việc ánh

xạ ñịa chỉ này chắc chắn phải do người dùng ñiều khiển vì chỉ người dùng mới có thể thay ñổi ñịa chỉ ñích và ñiều chỉnh truy nhập của người gọi Trong trường hợp ñường truyền từ nguồn ñến ñích ñi qua nhiều vùng mạng khác nhau thì sẽ không tiện lợi nếu ánh xạ này chỉ liên hệ tới một nhà ñiều hành mạng duy nhất Mạng 4G

sẽ phải có một phương tiện phù hợp ñể nhận dạng người dùng và cho phép người dùng ñiều khiển số nhận dạng và thực hiện ánh xạ một cách hiệu quả tới một ñiểm ñích chung

1.3.3 Hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyến khác nhau

Các hệ thống di ñộng 1G, 2G và 3G sử dụng phổ tần dành riếng cho mạng di ñộng mặt ñất và ñược cấp phép bởi một số ít các nhà ñiều hành mạng ở mỗi nước

Sự không thống nhất về thời gian cũng như cách thức cấp phát phổ tần ñã dẫn ñến nhu cầu về ñiện thoại ña mode có khả năng hoạt ñộng ở nhiều dải tần khác nhau Trong các hệ thống 4G nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau ñược

sử dụng Xu hướng hiện nay là sử dụng phổ tần trong băng tần không cần cấp phép ISM Công nghệ Bluetooth (mới ñược IEEE chuẩn hóa thành tiêu chuẩn 802.15.1) ñược dùng như là công nghệ cho mạng vô tuyến cá nhân WPAN Tiêu chuẩn IEEE 802.11b ñược dùng cho mạng nội hạt vô tuyến WLAN cũng ở dải tần này Các công nghệ này ñược sử dụng ngày càng rộng rãi ñể cung cấp các dịch vụ băng rộng cho người dùng trong khuôn viên tòa nhà văn phòng, trường ñại học hoặc ở các khu trung tâm Ngoài ra còn có các phiên bản mới của tiêu chuẩn này như 802.11a hoạt ñộng trong dải tần 5GHz và 802.11g hoạt ñộng cùng dải tần với 802.11b cho phép truyền tốc ñộ lớn hơn Nút mạng 4G có thể thích ứng các khả năng ñể khai thác hiệu quả cả các dải tần còn trống Một số công nghệ vô tuyến có thể sử dụng trong mạng 4G là: Công nghệ ghép kênh theo tần số trực giao OFDM, công nghệ OFDM băng rộng, công nghệ Flash OFDM, công nghệ siêu băng rộng UWB, công nghệ truy nhập Internet tốc ñộ cao iBurst, công nghệ vô tuyến xác ñịnh bằng phần mềm SDR