chuyển giao trong mạng lte (4g)

Một số ưu điểm của mạng thế hệ 4G đó là băng thông rộng hơn và hiệu quả sử dụng băng thông tốt hơn, chất lượng dịch vụ tốt và vùng phủ rộng, tốc độ truyền dữ liệu cao và ổn định có thể t

TRANG PHỤ BÌA LUẬN VĂN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Chuyên ngành: Kĩ thuật Viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT

KĨ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 TS PHẠM DOÃN TĨNH

Hà Nội – Năm 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật này là do tôi nghiên cứu và được thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy TS Phạm Doãn Tĩnh Ngoài nội dung tự nghiên cứu tôi có tham khảo thêm nội dung từ các nguồn tài liệu cũng như các công trình nghiên cứu khoa học khác được trích dẫn đầy đủ Nếu có vấn đề về sai phạm bản quyền, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Nhà trường

Hà Nội, tháng 10 năm 2015

Học viên

Vũ Thanh Tùng

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được luận văn này em xin chân thành cảm ơn sâu sắc thầy giáo TS.Phạm Doãn Tĩnh đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đúng tiến độ đề ra, hoàn thành theo đề cương

đã được Viện Điện tử - Viễn thông phê duyệt

Đồng thời em chân thành cảm ơn cô PGS.TS Nguyễn Việt Hương, các thầy/cô ở Viện Điện tử - Viễn thông, các bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ em tận tình, trao đổi tài liệu, trao đổi kinh nghiệm, kĩ năng cho việc hoàn thành luận văn

Hà Nội, tháng 10 năm 2015

Học viên

Vũ Thanh Tùng

CoS Classify of Service

FDD Frequency Division Duplex

FDMA Frequency Division Multiple Access

GERAN GSM EDGE Radio Access Network

GPRS General Packet Radio Service

GSM Global System for Mobile

HARQ Hybrid Automatic Repeat Request

HSDPA High Speed Downlink Packet Access

HSPA High Speed Packet Access

HSS Home Subscriber Server

HSUPA High Speed Uplink Packet Access

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineer IMS Internet Multimedia Subsystem

IMT-2000 International Mobile Telecommunication 2000 I-RAT Inter Radio Access Technology

I-SHO Inter-System Handover

KPI Key Performance Index

LTE Long Term Evolution

MAC Medium Access Control

MCH Multicast Channel

MCS Modulation and Coding Scheme

MIMO Multiple Input Multiple Output

MME Mobility Management Entity

MTU Maximum Transfer Unit

NACK Negative Acknowledgement

NAS Non-Access Stratum

NRT Non Real Time

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access PAPR Peak to Average Power Ratio

PCEF Policy Control Enforcement

PCH Paging Channel

PCI Physical Cell Identification

PCRF Policy & Charge Rules Function

PDCCH Physical Downlink Control Channel

PDCP Packet Data Convergence Protocol

PDU Payload Data Units

PLMN Public Land Mobile Network

PUCCH Physical Uplink Control Channel

QCI QoS Class Indicator

QoS Quality of Service

RAB Radio Access Bearer

RACH Random Access Channel

RLC Radio Link Control

RSCP Received Scrambling Code Power

RSRP Reference Signal Received Power

RT Real Time

SAE System Architecture Evolution

SC-FDMA Single Carrier - Frequency Division Multiple Access TCP/IP Transport Control Protocol/Internet Protocol

TDMA Time Division Multiple Access

USIM Universal Subscriber Identity Module

UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network

WCDMA Widthband Code Division Multiple Access

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.37 PDN-Gateway

Hình 1.75 Best Effort

Hình 2.21 Cấu trúc roaming cho mạng truy nhập intra-3GPP

DANH MỤC CÁC BẢNG

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA LUẬN VĂN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

LỜI CẢM ƠN 3

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 9

MỤC LỤC 10

LỜI MỞ ĐẦU 12

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ VÀ CÁC ĐẶC ĐIỂM KĨ THUẬT CỦA MẠNG LTE (4G) 14

1.1 Giới thiệu về mạng LTE: 14

1.2 Cấu trúc mạng LTE: 31

1.3 Tổng quan về mạng IP Core: 50

1.4 Giao diện vô tuyến cơ bản của mạng LTE: 77

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG THỨC CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG LTE (4G) 91

2.1 Các bối cảnh di động của thuê bao: 91

2.2 Quản lý sự di động thuê bao trong trạng thái RRC Idle: 93

2.2.1 Các trạng thái của UE: 93

2.2.2 UE bật nguồn (UE Power-up): 94

2.2.3 Các chế độ chức năng của LTE – MME: 97

2.2.4 Các trạng thái RRC của mạng LTE (RRC States): 99

2.2.5 Công suất thu tín hiệu tham chiếu (Reference Signal Received Power _RSRP): 103

2.2.6 Thủ tục Cell Reselection: 105

2.3 Quản lý sự di động thuê bao trong trạng thái RRC Connected (Handover): 107

2.3.1 Khái niệm và mục đích của HO: 107

2.3.2 Các nền tảng cho HO 108

2.3.3 Chuyển giao Intra-LTE: 109

2.3.4 Inter-RAT LTE Handover: 113

2.3.5 Các KPI cơ bản để đánh giá chất lượng của HO trong LTE: 120

2.3.6 Thuật toán quyết định HO: 121

CHƯƠNG 3: TƯƠNG LAI SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ LTE TRÊN THẾ GIỚI VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LTE Ở

VIỆT NAM 131

3.1 Tương lai sử dụng công nghệ LTE trên thế giới: 131

3.1.1 Tương lai phát triển công nghệ LTE của các nhà mạng trên thế giới: 131

3.1.2 Xu hướng phát triển thiết bị LTE: 132

3.1.3 Xu hướng phát triển thiết bị đầu cuối thông minh: 133

3.2 Tương lai ứng dụng công nghệ LTE ở Việt Nam: 134

3.2.1 Đánh giá về triển vọng sử dụng thiết bị di động cầm tay ở Việt Nam: 134

3.2.2 Thực trạng công nghệ LTE tại Việt Nam: 137

KẾT LUẬN 141

TÀI LIỆU THAM KHẢO 143

ưu điểm vượt trội của các mạng di động thế hệ trước và bổ sung cho mình những ưu điểm tốt hơn để đáp ứng được đòi hỏi của xã hội và thuê bao trong xu thế toàn cầu hóa và kết nỗi thông tin nhanh ở khắp mọi nơi trên thế giới

Một số ưu điểm của mạng thế hệ 4G đó là băng thông rộng hơn và hiệu quả sử dụng băng thông tốt hơn, chất lượng dịch vụ tốt và vùng phủ rộng, tốc độ truyền dữ liệu cao và ổn định có thể truyền dữ liệu cho các dịch vụ đòi hỏi độ nét cao, tích hợp các thiết bị ở nhiều phân lớp khác nhau trên nền tảng công nghệ chuyển mạch gói IP Vận hành dễ dàng và triển khai mạng lưới nhanh, hiệu quả, tiết kiệm chi phí Qua phân tích ở trên ta có thể thấy rằng thế hệ 4G phù hợp với xu thế phát triển của mạng di động tại Việt Nam, điều đó cũng thôi thúc các nhà vận hành mạng nghiên cứu công nghệ, làm chủ công nghệ và sớm đưa mạng di động thế hệ 4G vào phục vụ người sử dụng trong tương lai

2 Lịch sử nghiên cứu

Lịch sử hình thành nghiên cứu mạng LTE (4G) là dựa vào các kiến thức đã nghiên cứu

từ thế hệ mạng 2G, mạng 3G, các kiến thức thực tế, kinh nghiệm làm việc, kĩ năng công việc để kế thừa và tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện mạng 4G

Từ xu thế phát triển tất yếu của công nghệ mạng di động dẫn tới sự thôi thúc việc làm chủ cộng nghệ, cập nhật những kiến thức mới để phục vụ cho việc quy hoạch, thiết kế vận hành, triển khai, giám sát và tối ưu hóa mạng di động LTE trong tương lai

3 Mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Từ các lập luận ở trên, thì nhiệm vụ của luận văn tốt nghiệp sẽ phân tích rõ các đặc điểm

kĩ thuật, các ưu điểm của mạng 4G, các thuật toán quan trọng, sơ đồ cấu trúc, chức năng thiết bị, cơ chế tổ chức kênh truyền qua giao diện vô tuyến và cơ chế cấp phát kênh… Đặc biệt sẽ tìm hiểu rõ về thuật toán quan trọng của mạng di động thế hệ 4G là thuật toán chuyển giao (HO) để giúp bản thân em và các bạn đọc có sự hiểu biết sâu về mạng di động 4G Phạm vi nghiên cứu là các tài liệu theo tiêu chuẩn 3GPP, các bài thuyết trình của các học giả nổi tiếng, các quy trình và hướng dẫn vận hành của các nhà mạng đã có kinh nghiệm khai thác mạng LTE

4 Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới

Để giải quyết được các vấn đề nêu trên thì em cấu trúc luận văn thành 03 phần, cụ thể:

 Chương 1: Giới thiệu công nghệ và đặc điểm kĩ thuật của mạng LTE (4G)

 Chương 2: Phương thức chuyển giao trong mạng LTE (4G)

 Chương 3: Tương lai sử dụng công nghệ LTE trên thế giới và ứng dụng công nghệ LTE ở Việt Nam

Luận văn cũng giúp em phân tích sâu hơn về thuật toán HO các thống số quan trọng của

nó, giúp cho các bạn đọc có thể hiểu và sử dụng tốt thuật toán HO trong quá trình khai thác

và tối ưu mạng LTE Luận văn cũng cấp được các luận cứ của bản thân để thấy rõ được tính cấp thiết triển khai mạng LTE tại Việt Nam trong tương lại gần Và luận văn cũng đưa ra các bước triển khai cơ bản mạng LTE bạn đọc có thể tham khảo (chương 2, chương 3)

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu các tài liệu từ sách báo, giáo trình, hướng dẫn, luận văn tốt nghiệp, bài thuyết trình của các học giả nổi tiếng để có được lý thuyết cơ bản nhằm làm rõ các vấn đề của đề tài

Nghiên cứu các tài liệu theo tiêu chuẩn 3GPP và từ các kinh nghiệm về việc triển khai mạng di động thế hệ 2G, 3G để làm rõ các vấn để lý thuyết phù hợp với thực tế

Phương pháp luận kết hợp lý thuyết đi kèm với hình vẽ để bạn đọc có thể hiểu một cách

dễ dàng hơn về các vấn đề đưa ra trong luận văn

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ VÀ CÁC ĐẶC ĐIỂM KĨ THUẬT

CỦA MẠNG LTE (4G)

Chương này đưa ra một cách nhìn xuyên suốt về sự hình thành và phát triển của 3GPP Long Term Evolution như là công nghệ mạng di động thế hệ thứ 4 (4G) và giải thích các khái niệm chính được sử dụng trong mạng LTE Do độ dài của luận văn là giới hạn nên chương này chỉ cung cấp ngắn gọn các mục về tiến trình phát triển của LTE và các đặc điểm

kĩ thuật chính của nó, tập trung vào các mục liên quan đến HO Mô tả chi tiết hơn của mạng

LTE được đưa ra theo tài liệu [3]

Nội dung của chương này bao gồm: Phần 1 giới thiệu về mạng LTE và tiến trình hình thành và phát triển của nó Sau đó phần 2 giới thiệu cấu trúc mạng LTE, sơ đồ vật lý, các node mạng để hiểu rõ hơn về các phần tử mạng sẽ tham gia vào quá trình HO Phần 3 giới thiệu về mạng IP core nơi sẽ quyết định việc HO Phần 4 giới thiệu về giao diện vô tuyến cơ bản của mạng LTE với các kênh vô tuyến tham gia vào quá trình HO

1.1 Giới thiệu về mạng LTE:

1.1.1 Tiến trình phát triển của mạng di động:

Hình 1.1 Tiến trình phát triển của mạng di động [3]

Nhìn sơ đồ ta thấy mạng di động phát triển theo trình tự từ thế hệ 2G  2.5G  3G  Evolved 3G Sự phát triển của mạng di động tương ứng với sự phát triển của tốc độ truyền

dữ liệu và tích hợp nhiều dịch vụ trên nền tảng mạng di động

Các Release (phiên bản) 3GPP tương ứng của mạng di động là:

sự bùng nổ cụ thể trong thực tế Mạng này hỗ trợ cơ chế Cell-DCH và tốc độ điển hình 384kbps

Release 5: Phiên bản này bao gồm phần mạng lõi của dịch vụ HSDPA Nó cung cấp sự

hỗ trợ gói dữ liệu đường xuống, giảm trễ, tốc độ dữ liệu thô đạt 14 Mbps (bao gồm tải trọng, các giao thức, hiệu chỉnh lỗi…) và giữ việc tăng dung lượng toàn bộ nhiều hơn khoảng ba lần so với tiêu chuẩn 3GPP UMTS Release 99

Release 6: Phiên bản này bao gồm mạng lõi của HSUPA Nó cung cấp sự hỗ trợ gói dữ liệu đường lên, giảm trễ, cải thiện tốc độ đường lên Tốc độ đường lên thô đạt 5.76 Mbps và giữ việc tăng dung lượng nhiều hơn khoảng hai lần so với tiêu chuẩn 3GPP UMTS Release

99 Cũng trong phiên bản này là dịch vụ Multimedia Broadcast Multicast Services (các dịch

vụ quảng bá đa phương tiện), nó cung cấp sự cải thiện các dịch vụ quảng bá như Mobile

TV

Release 7: Phiên bản này của tiêu chuẩn 3GPP bao gồm sự vận hành tính năng MIMO đường xuống cũng như hỗ trợ điều chế trật tự cao hơn lên tới 64 QAM ở đường lên và 16 QAM ở đường xuống Tuy nhiên, nó chỉ cho phép sử dụng hoặc MIMO hoặc điều chế trật

tự cao hơn Phiên bản này cũng giới thiệu các sự tiến bộ của giao thức để cho phép hỗ trợ Continuous Packet Connectivity (kết nối gói liên tục)

Release 8: Phiên bản này của tiêu chuẩn 3GPP định rõ vận hạnh hai sóng mang (dual carrier) cũng như cho phép vận hành đồng thời các sơ đồ điều chế trật tư cao và MIMO Thêm vào đó, tiềm năng được cải thiện để giữ nó trong lộ trình với yêu cầu nhiều các ứng dụng mới được sử dụng

Hình 1.2 Bảng thiết bị LTE – các mục UE của Release 8 (LTE)

1.1.3 UTRAN:

Hình 1.3 Sơ đồ vật lý tổng quan của mạng 3G [2]

Trong mạng UMTS, phân mạng UTRAN đươc tạo bởi các RNC, các Node B và các giao diện định rõ Một RNC trong mạng UMTS (3G) tương đương với BSC trong mạng GSM (2G), nhưng RNC có nhiều chức năng hơn Một trong số những sự khác biệt chính giữa mạng UMTS và GSM là mạng UMTS có giao diện Iur để giao tác kết nối các RNC Giao

diện thêm này cho phép các RNC thông tin với các RNC khác, cho phép soft – handover (điều này không có trong mạng GSM)

Sự khác biệt khác giữa mạng UMTS và GSM là một vài thủ tục Mobility Management (MM) được chuyển tới RNC từ mạng core, cho phép phân mạng UTRAN khởi phát tìm gọi RNC có khả năng điều khiển nhiều hơn qua một nhóm cell và chức năng này cho phép soft-handover

a) Mạng core:

Mạng core được phân chia thành hai miền chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói Một thành phần của chuyển mạch kênh là Mobile services Switching Centre (MSC), Visitor Location Register (VLR), và Gateway MSC Các thành phần của chuyển mạch gói là Serving GPRS Support Node (SGSN) và Gateway GPRS Support Node (GGSN) Một vài thành phần mạng, như Equipment Identity Register (EIR), Home Location Register (HLR), Visitor Location Register (VLR) và Authentication Centre (AuC) được chia sẻ bởi cả 02 miền chuyển mạch

Các chức năng của RNC bao gồm:

 Radio Resource Control (điều khiển nguồn tài nguyên vô tuyến)

 Admission Control (điều khiển sự đăng nhập)

 Channel Allocation (ấn định kênh)

 Load Control (điều khiển tải)

 Handover Control (điều khiển chuyển giao)

 Macro Diversity (phân tập lớn)

 Ciphering (mã mật)

 Segmentation/Reassembly (phân đoạn/tái hợp

 Broadcast signalling (báo hiệu quảng bá)

 Open Loop Power Control (điều khiển công suất vòng hở)

Hình 1.4 Chế độ R99_Cell-DCH [3]

Hình 1.5 Chế độ R99_Cell-FACH [3]

b) Các trạng thái của UE:

Các trạng thái của UE trong mạng UMTS bao gồm RRC Idle và RRC connected

Trong đó RRC Idle bao gồm Idle mode RRC connected bao gồm: Cell – DCH, Cell – FACH, Cell – URA (URA_PCH), Cell – PCH

Hình 1.6 Các trạng thái của UE [2]

c) LTE luôn hoạt động:

LTE luôn ở trạng thái hoạt động, điều này sẽ cải thiện thông số Round Trip Time (RTT) Trong khi phiên bản R99 sẽ thất bại khi quay lại trạng thái Cell – URA/Cell – PCH

Hình 1.7 Các trạng thái của LTE [3]

Sự tồn tại chung với các hệ thống và các tiêu chuẩn kế thừa Người sử dụng LTE có thể tạo cuộc gọi thoại từ từ máy đầu cuối của họ và truy nhập tới các dịch vụ dữ liệu cơ bản mặc

dù lúc đó các thuê bao đang ở trong vùng không có sóng mạng LTE Do đó, mạng LTE cho phép chuyển giao dịch vụ nguyên trạng, phẳng trong các vùng của vùng phủ HSPA, WCDMA hoặc GSM/GPRS/EDGE Hơn thế nữa, LTE/SAE hỗ trợ không những chuyển giao trong hệ thống và liên hệ thống, mà còn chuyển giao liên miền giữa các phiên chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh

1.1.4 Các dịch vụ 3G và các lớp QoS:

Mỗi một ứng dụng tạo ra các yêu cầu khác nhau cho các lớp QoS khác nhau

Hình 1.8 Các dịch vụ 3G và các lớp QoS [2]

Trong mạng UMTS, 04 lớp Quality of Service (QoS) đã được định rõ:

Lớp thoại là lớp QoS cho các dịch vụ thời gian thực nhạy cảm với trễ như dịch vụ điện thoại

Lớp luồng dữ liệu cũng được quan tâm như một lớp QoS thời gian thực Nó cũng nhạy cảm vơi trễ, nó mang lưu lượng, nó nhìn nhận như thời gian thực tới người sử dụng là con người Một ứng dụng cho lớp QoS luồng dữ liệu là luồng âm thanh, ở các file music được tải xuống tới máy thu Có thể xảy ra việc ngắt quãng trong quá trình truyền dữ liệu, nó không tác động đến người sử dụng ứng dụng, dù thời gian dài vẫn có đủ dữ liệu rời bộ đệm của thiết bị thu để cung cấp ứng dụng nguyên khối

Lớp tương tác là lớp thời gian không thực Nó được sử dụng cho các ứng dụng với sự nhạy cảm trễ giới hạn (gọi là các ứng dụng tương tác) Nhưng có nhiều ứng dụng trên mạng internet vẫn có sự cưỡng ép, như http, ftp, telnet, and smtp Một sự phản hồi tới một yêu cầu được mong đợi trong chu kì thời gian định rõ Đó là QoS đã đề nghị bởi lớp tương tác Lớp nền tảng là lớp QoS thời gian không thực cho các ứng dụng nền tảng, nó không nhạy cảm với trễ Ví dụ các ứng dụng là email và tải xuống file

1.1.5 HS-PDSCH (kênh chia sẻ đường xuống vật lý tốc độ cao):

Hình 1.9 Nguyên tắc cơ bản của R5 [3]

1.1.6 Các đặc điểm kĩ thuật của dịch vụ HSDPA (R5):

Dịch vụ HSDPA (R5) có các đặc điểm nổi bật và thêm so với dịch vụ R99 thông thường

để có thể đáp ứng được tốc độ truyền dữ liệu cao hơn , cụ thể các đặc điểm ta quan sát ở bảng dưới:

Hình 1.10 Các đặc điểm kĩ thuật của dịch vụ HSDPA [3]

1.1.7 HSUPA:

Hình 1.11 Nguyên tắc cơ bản của R6 [3]

 Các tốc độ bit lớp vật lý (Physical Layer) của dịch vụ HSDPA (R5) và HSUPA (R6)

Tiêu chuẩn của 3GPP_R5 giới thiệu các tốc độ bit đường xuống nâng cao với công nghệ HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) Sơ đồ điều chế trật tự cao hơn (16-QAM) dẫn tới tốc độ bit cao hơn trong cùng band tần sử dụng

HSDPA (R5) tốc độ bit lý thuyết lớn nhất đạt 14.4 Mbps, khả năng khởi phát tốc độ bit đạt từ 1.8  3.6 Mbps

HSUPA (R6) tốc độ bit lý thuyết lớn nhất đạt 5.76 Mbps, khả năng khởi phát tốc độ bit đạt từ 1.46 Mbps

TTI (Transmission Time Interval) của kênh HS-DSCH có thể là 2ms, 10ms, 20ms, 40ms hoặc 80ms

1.1.8 Dịch vụ HSPA+ (R7):

Các chức năng quan trọng của dịch vụ HSPA+ (R7) là:

 MIMO (Multiple Input Multiple Output) đường xuống

 Điều chế trật tự cao cho cả đường lên và đường xuống

 Sự cải tiến ở các giao thức lớp 2

 CPC (Continuous Packet Conectivity) cho phép trạng thái luôn bật “always - on” hoạt động hiệu quả

 Tốc độ dữ liệu lớn nhất với HSPA+ là 28 Mbps ở đường xuống và 11.5 Mbps ở đường lên

 Sử dụng các kĩ thuật Antenna 2x2 MIMO (Multiple - Input Multiple – Output) và 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

Hình 1.12 Công nghệ MIMO và 16 QAM của dịch vụ HSPA+ [3]

 Tuy nhiên, HSPA+ có thể đạt tới tốc độ dữ liệu tăng thêm lên tới 42 Mbps ở đường xuống và 23 Mbps ở đường lên, sử dụng công nghệ 2x2 MIMO và 64 QAM

Hình 1.13 Công nghệ MIMO và 64 QAM của dịch vụ HSPA+ [3]

1.1.9 Lộ trình nâng cấp tới mạng LTE:

Chúng ta nhất thiết phải lựa chọn một lộ trình nâng cấp hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ LTE

LTE (Long Term Evolution) mô tả các tiêu chuẩn hóa bởi 3GPP (3 Generation Partnership Project) để định nghĩa một phương pháp truy nhập mạng vô tuyến tốc độ cao mới cho các hệ thống thông tin di động LTE là bước phát triển tiếp theo của lộ trình mạng

di động và nó được gọi là hệ thống thông tin di động thế hệ 4G

Quá trình phát triển mô tả: 2G  R99 (3G)  R5  R6  HSPA+ (DL: 42Mbps)  LTE (Bandwidth: 20MHz, DL: 300Mbps, UL: 75Mbps)

Hệ thống LTE là hệ thống của tương lai đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của thuê bao di động cả về chất lượng dịch vụ và tốc độ bit Gần một thập kỉ từ khi bắt đầu khai trương mạng 3G/UMTS, công nghệ tế bào luôn phải tính đến việc đầu tư thêm tài nguyên cho phần truy nhập vô tuyến (radio access) và phần mạng lõi (core) của nó Nguyên nhân là

vì bối cảnh thị trường thay đổi, yêu cầu của người sử dụng tăng liên tục Trong thế giới mạng cố định (ADSL), kết nối băng rộng bây giờ là điều kiện tiên quyết với đa tốc độ đạt tới Mbps sẵn có với chi phí hợp lý cung cấp tới khách hàng và người dùng thương mại qua DSL (Digital Subscriber Line) và các kết nối cable Đó là thách thức lớn cho sự phát triển của mạng di động với kết nối không dây qua giao diện vô tuyến

1.1.10 Tổng quan về mạng LTE (4G) – phiên bản R8:

a Đối với mạng LTE (4G) bỏ mào đầu (overhead):

Mục tiêu tốc độ dữ liệu cao nhất là 100 Mbps đường xuống (downlink) và 50 Mbps đường lên (uplink) cho độ rộng băng ấn định là 20MHz, sử dụng 02 Antenna thu và 01 Antenna phát tại đầu cuối

Hình 1.14 Cơ chế thu/phát của mạng LTE [3]

Kết quả của các tính năng giao diện vô tuyến này được cải thiện một cách có ý nghĩa hoạt động vô tuyến, dung lượng lên tới gấp 05 lần dung lượng (throughput) trung bình của HSPA Các tốc độ dữ liệu cao nhất downlink được mở rộng lên tới tốc độ lớn nhất theo lý thuyết 300 Mbps/phổ tần 20MHz Tương tự, tốc độ đường lên theo lý thuyết LTE có thể đạt

75 Mbps/phổ tần 20 MHz, với lý thuyết hỗ trợ cho ít nhất 200 thuê bao hoạt động trên cell ở băng thông 5 MHz

Latency (RTT) giảm: Bằng cách giảm RTT (round-trip time) tới 10ms hoặc ít hơn (so sánh với giá trị 40  50ms của HSPA) LTE phân phát một sự phản hồi nhanh hơn mà người sử dụng có thể trải nghiệm Sự cải tiến này cho phép các dịch vụ thời gian thực, tương tác như âm thanh chất lượng cao/hội nghị truyền hình và game nhiều người chơi hoạt động tốt

b Đối với mạng LTE chú trọng tới mào đầu (overhead):

Mục tiêu tốc độ dữ liệu cao nhất có thể đạt 300 Mbps đường xuống, ấn định phổ tần 20MHz, sử dụng 04 antenna thu và 04 antenna phát tại đầu cuối

Hình 1.15 Cơ chế thu/phát của mạng LTE chú trọng tới mào đầu [3]

R8-LTE có thể sử dụng băng tần số bất cứ với độ rộng băng thông từ 1.4MHz tới 20MHz Các trường hợp sử dụng băng thông khác nhau là:

 Độ rộng băng thông 1.4 MHz: Tốc độ bit khoảng 3.2 Mbps, 01 antenna phát, không chú ý tới các mào đầu

 Độ rộng băng thông 10 MHz: Tốc độ bit khoảng 54 Mbps, 01 antenna phát, không chú ý tới các mào đầu

 Độ rộng băng thông 20 MHz: Tốc độ bit khoảng 100 Mbps, 01 antenna phát, không chú ý tới các mào đầu

Các phân lớp của thiết bị đầu cuối (UE) bao gồm 05 lớp, thông tin chi tiết về công nghệ

sử dụng của từng lớp UE theo bảng dưới Chú ý các tất cả các thiết bị đêu hỗ trợ băng thông

20 MHz

Về các giới hạn khả năng công nghệ di động thế hệ mới, thông tin như bảng dưới

Hình 1.16 Giới hạn khả năng công nghệ mạng di động thế hệ mới [3]

1.1.11 Sự phát triển của băng thông:

Sự phát triển của băng thông theo xu hướng thu hẹp dần các băng thông của mạng di động thế hệ cũ (GSM, UMTS) để nhường băng thông cho mạng thế hệ mới triển khai khi số lượng thuê bao tăng cao và số lượng thuê bao của mạng di động thế hệ cũ giảm dần Điều đó cũng dẫn tới việc triển khai hiệu quả về mặt chi phí trên các band tần số thấp đã sử dụng như band 900, band 2100

Hình 1.17 Biểu đồ phát triển của băng thông [3]

1.1.12 Các chức năng chính của mạng di động LTE:

Sơ đồ vật lý của mạng LTE

Hình 1.18 Sơ đồ vật lý của mạng LTE [3]

Các vùng urban:

 Mạng LTE phù hợp sẽ được triển khai

 Triển khai từng bước ở band U2100 sẽ có thể thực hiện tại các chặng sau Các vùng rural:

 Lựa chọn 1: Triển khai UMTS ở band 900 MHz

 Ưu điểm: Giai đoạn đầu có thể bắt đầu ngay thời điểm hiện tại

 Nhược điểm: Một băng thông 5 MHz cần được lấy từ GSM band Không có nhiều nhà vận hành có thể cố gắng để lấy được nhiều băng thông ở band này bởi vì cách sử dụng phổ biến của band này

 Lựa chọn 2: Giới thiệu mạng LTE sử dụng band 900 MHz

 Ưu điểm: Tái sử dụng các trạm GSM 900, giới thiệu từng bước mạng LTE với chuỗi băng thông sử dụng nhỏ hơn (1.4/3/5/… MHz)

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access):

 Ghép kênh đường xuống

 Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

 Sự phức tạp của bộ thu ở mức hợp lý

 Hỗ trợ các sơ đồ điều chế đa dạng từ BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM

SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access):

 Ghép kênh đường lên

 Đa truy nhập phân chia theo tần số sóng mang đơn, một biến thể của OFDMA

 Ưu điểm đối lập với OFDMA để có một PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) thấp

có nghĩa là tiêu thụ công suất ít hơn và các bộ khuếch đại RF tiêu thụ ít hơn tại đầu cuối

Các phương pháp đa truy nhập:

 Từ sơ đồ ta có thể hiểu rõ cách thức của các phương thức đa truy nhập: TDMA, FDMA, CDMA, OFDMA

Hình 1.19 Các phương pháp đa truy nhập [3]

Mối tương quan giữa LTE và HSPA+:

 Mạng LTE ích lợi nhất trong việc triển khai băng rộng rộng khắp ở các vùng dense urban (vùng đô thị mật độ cao) ở đây dữ liệu đòi hỏi cao hơn

 HSPA+ đề nghị dung lượng tương tự và các tốc độ cao nhất như LTE ở băng thông 5 MHz, và cung cấp trải nghiệm người sử dụng tương tự và liên tục dịch vụ khi ở ngoài vùng phủ mạng LTE

 HSPA+ hỗ trợ VoIP dung lượng cao, cho phép dịch vụ thoại liên tục cho các hệ thống LTE, các dịch vụ thoại này sử dụng công nghệ VoIP

 Mạng IMS chung cho phép nhiều người sử dụng trải nghiệm các dịch vụ giống nhau qua toàn bộ mạng của nhà vận hành, không quan tâm đên công nghệ giao diện vô tuyến sử dụng

Các chức năng thiết kế chính của mạng LTE: LTE kết hợp nhiều chức năng chính việc này cho phép các nhà vận hành cung cấp trải nghiệm băng rộng tiên tiến

 OFDMA cho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên

 Các công nghệ Antenna tiên tiến

 MIMO

 Định hướng phát sóng (beam-forming)

 Điều khiển nhiễu tiên tiến

 Mạng tần số đơn đa dịch vụ

 Cấu trúc mạng gói tối ưu, tất cả sử dụng IP

MIMO (Multiple Input Multiple Output):

 MIMO hay còn gọi là định hướng phát sóng (beam-forming) hoặc các Antenna thông minh

 LTE sẽ hỗ trợ MIMO như là một sự lựa chọn

 MIMO mô tả khả năng để có nhiều bộ phát sóng và các Antenna bộ thu trong một hệ thống

 Lên tới 04 Antenna có thể được sử dụng bởi một cell LTE đơn (độ lợi: phân tập không gian)

 MIMO được tính đến là công nghệ cốt lõi để tăng hiệu quả của phổ tần

***

- : Cho control plane (báo hiệu)

: Cho user plane (thuê bao)

SAE/GW: System Architecture Evolution

MME: Mobility Management Entity

eNodeB: Evolved NodeB

Các đặc điểm kĩ thuật cơ bản của mạng LTE bao gồm:

 Tốc độ dữ liệu cao nhất đường xuống lên tới 326 Mbps với độ rộng băng thông 20 MHz

 Tốc độ dữ liệu cao nhất đường lên lên tới 86.4 Mbps với độ rộng băng thông 20 MHz

 Vận hành trong cả 02 chế độ TDD (Time Division Duplex) và FDD (Frequency Division Duplex)

 Nâng cấp băng thông hiện tại lên tới 20 MHz, trong đó đã bao hàm các băng thông trong quá trình nghiên cứu là: 1.25, 2.5, 5, 10, 15 và 20 MHz

 Latency giảm, tới 10 ms RTT (Round Trip Time) giữa thiết bị của thuê bao và trạm gốc, và ít hơn tới 100 ms thời gian truyền từ lúc không hoạt động tới hoạt động Tất cả sự quan tâm tới LTE là để cung cấp một sự thể hiện cao hơn nhiều của công nghệ mạng vô tuyến, nó đáp ứng đầy đủ khả năng di động tốc độc cao của phương tiện và có thể tồn tại cùng với các công nghệ di động cũ như: HSPA và 2G/3G… Bởi vì sự nâng cấp băng thông, do đó nhà vận hành mạng có thể dễ dàng nâng cấp công nghệ từ HSPA tới LTE theo thời gian

Hình 1.22 Topology của mạng LTE 1 [3]

Hình 1.23 Topology của mạng LTE 2 [3]

Nhìn vào sơ đồ vật lý trên ta thấy rằng mạng LTE chia thành 03 phân hệ, bao gồm:

 Phân hệ UE bao gồm: LTE_UE

 Phân hệ Evolved UTRAN (E-UTRAN) bao gồm: eNodeB (Evolved Node B)

 Phân hệ Evolved Packet Core (EPC) bao gồm: HSS (Home Subscriber Server), MME (Mobility Management Entity), Serving Gateway, PDN Gateway, PCRF (Policy and Charging Rule Function)

Các giao diện sử dụng cho mạng LTE, bao gồm:

 LTE_Uu: Giao diện giữa LTE_Uu và eNodeB

 X2: Giao diện giữa eNodeB và eNodeB

 S1-MME: Giao diện giữa E-UTRAN và MME

 S1-U: Giao diện giữa E-UTRAN và Serving Gateway

Cấu trúc mạng LTE Core (EPC):

Hình 1.24 Mạng LTE Core (EPC) [3]

LTE được thiết kế với miền mạng lõi PS mới Nó cho phép giao tác kết nối với mạng lõi

PS của 2G/3G như hình H.1.23

1.2.2 Cấu trúc Roaming:

Hình 1.25 Topology kết nối Roaming [3]

Một mạng di động được chạy bởi một nhà vận hành mạng trong một nước nào đó được biết như là một PLMN (Public Land Mobile Network) Khi thuê bao di chuyển sang một mạng PLMN khác ở nước khác, thì thuê bao vẫn được cho phép kết nối và sử dụng dịch vụ trực tiếp trên mạng PLMN đó Đây gọi là Roaming và sơ đồ vật lý kết nối khi Roaming của thuê bao LTE

LTE Network Architecture – User Plane (mặt bằng người sử dụng):

Tính năng kết nối gói liên tục (Continuous Packet Connectivity-CPC) cho các thuê bao

dữ liệu Mỗi UE đã đăng kí tới hệ thống có ít nhất một RAB cố định để sử dụng dịch vụ, cho nên tính năng CPC được cung cấp RAB cố định sẽ có QoS cơ bản như RAB thêm thiết lập theo yêu cầu – NGBR

Như một phần của thủ tục nơi UE đăng nhập mạng, UE được cấp phát một địa chỉ IP bởi P-GW và ít nhất một RAB (Radio Access Bearer) được thiết lập để UE có thể sử dụng dịch

vụ Đó được gọi là RAB cố định

Các giá trị thông số QoS mức dịch vụ mang ban đầu của RAB cố định được cấp phát bởi MME, dựa trên dữ liệu đăng kí của thuê bao thu được từ HSS

Hình 1.26 Mặt bằng thuê bao (User Plane) của LTE [3]

QoS and EPS Bearers (Chất lượng dịch vụ và dịch vụ mang EPS):

Các RAB tốc độ bit đảm bảo nhỏ nhất (GBR) có thể được sử dụng cho các ứng dụng như VoIP Có một sự giá trị GBR liên quan ở đây giá trị truyền dẫn dành riêng được ấn định lâu dài (VD như bởi chức năng điều khiển đăng nhập trong eNodeB) tại thiết lập và thay đổi RAB

Tốc độ bit lớn nhất (Maximum Bit Rate – MBR): Thông số này có thể cũng được liên kết với một dịch vụ mang GBR, nó thiết lập giới hạn trên của tốc độ bit và nó có thể dự đoán từ một dịch vụ mang GBR

Các dịch vụ mang Non-GBR: Nó không đảm bảo bất kỉ một tốc độ bit cụ thể

eNode B chịu trách nhiệm để đảm bảo QoS cần thiết cho một RAB qua giao diện vô tuyến

Connection Establishment Message Sequence (Chuỗi bản tin thiết lập kết nối):

Để thiết lập một RAB cố định chúng ta cần thực hiện các chuỗi bản tin thiết lập cuộc gọi như sau:

Hình 1.27 Chuối bản tin thiết lập kết nối [3]

Trong đó các bản tin có ý nghĩa:

 DCCH: RRC Connection Set up Complete: Ấn định và ưu tiên giữ lại RAB cố định (ARP)

 Attach Request: Chỉ rõ ưu tiên RAB cố định đã cấp phát so với các RAB khác

 RRC Reconfiguration & RRC Reconfiguration Complete: Cung cấp nền tảng cho điều khiển truy nhập trong RAB đã thiết lập, và hơn nữa trong trường hợp nghẽn nếu các RAB cần bị rớt (giải phóng kết nối)

1.2.3 Bearer Establishment Procedure (Thủ tục thiết lập RAB):

PCRF:

Nó chịu trách nhiệm cho tạo các quyết định điều chỉnh chế độ, cũng như điều khiển các chức năng tính cước cho luồng cơ bản trong Policy Control Enforcement Function (PCEF)

nó cư trú trong PDN-Gateway

PCRF cung cấp sự cho phép QoS (nhận dạng lớp QoS và các tốc độ bit), tính năng này quyết định làm thế nào một luồng dữ liệu nào đó sẽ được xem xét trong PCEF và đảm bảo rằng nó thuân theo chế độ đăng kí của thuê bao

Thông tin của PCRF cung cấp tới PCEF được gọi là PCC (Policy Control and Charging rules) PCRF sẽ gửi các quy định PCC bất cứ khi nào một RAB mới được thiết lập PCRF

có thể cung cấp các quy định PCC dựa trên yêu cầu hoặc từ PDN-Gateway hoặc từ

Serving-Gateway, giống trường hợp nhập mạng, và cũng dựa trên yêu cầu từ Application Function (AF) nó cư trú trong Service Domain

PDN-Gateway thiết lập các RAB dựa trên yêu cầu hoặc qua PCRF (cho yêu cầu từ IMS) hoặc từ Serving-Gateway, Serving-Gateway chuyển tiếp thông tin từ MME

PDN-Gateway cũng có chức năng giám sát luồng dữ liệu và giải thích có mục đích các vấn đề, cũng như cho Lawful Interception

Hình 1.28 Các thủ tục thiếp lập RAB [3]

PDN-Gateway điểm tựa quản lý di động mức cao nhất trong hệ thống Khi một UE di chuyển từ một Serving-Gateway tới một Serving-Gateway khác nó sẽ phải cập nhật lại vị trí lên MME và đồng thời các RAB phải được chuyển mạch trong PDN-Gateway (chuyển kết nối từ PDN-Gateway tới Serving-Gateway mới) PDN-Gateway sẽ nhận một chỉ thị để chuyển mạch các luồng dữ liệu từ Serving-Gateway mới

Hình 1.29 Chuyển mạch từ Serving-Gateway mới tới PDN-Gateway [3]

PCRF gửi một bản tin chỉ thị QoS yêu cầu cho RAB tới PDN-Gateway PDN-Gateway

sử dụng chế độ QoS này để cấp phát các thông số QoS mức dịch vụ mang (RAB) Gateway sau đó gửi một bản tin: “Create Dedicated Bearer Request” bao gồm QoS và TFT (Traffic Flow Template) được sử dụng trong UE tới Serving-Gateway

PDN-Hình 1.30 Cấp phát QoS và TFT từ PDN-Gateway tới Serving-Gateway [3]

PCRF gửi một bản tin: “PCC3 Decision Provision” chỉ thị QoS yêu cầu cho RAB tới PDN-Gateway PDN-Gateway sử dụng chính sách QoS này để cấp phát các thông số QoS mức dịch vụ mạng Sau đó, PDN-Gateway gửi một bản tin: “Create Dedicated Bearer Request” bao gồm QoS và UL TFT được sử dụng trong UE tới Serving-Gateway

Lọc gói trong các dịch vụ mạng khác nhau được dựa trên TFT

TFT sử dụng thông tin mào đầu IP như các địa chỉ nguồn và đích IP và các số hiệu cổng của Transmission Control Protocol (TCP/UDP) để lọc các gói VD như lọc VoIP từ lưu lượng lướt web để mỗi gói có thể được gửi xuống các dịch vụ mang tương ứng với QoS thích hợp

Một eNode B lưu trữ một tính năng ánh xạ one-to-one giữa một nhận dạng dịch vụ mang

vô tuyến và một dịch vụ mang S1-U để tạo sự ánh xạ giữa 02 giao diện

Hình 1.31 Lọc gói cho các dịch vụ mang và ánh xạ giữa LTE-Uu và S1-U

Các dịch vụ mang dành riêng này có thể được thiết lập bởi mạng, nguyên lý cơ bản xem

VD ở dưới dựa trên sự kích hoạt từ miền IMS, hoặc chúng có thể được yêu cầu bởi UE

Hình 1.32 Thiết lập dịch vụ mang từ mạng (IMS) [3]

1.2.4 Sự thành công của KPI-RAB:

KPI có thể thu được bởi một kết nối tới mạng

 KPI có thể đo được trên giao diện S1-U (giữa eNode B và Serving-Gateway) bằng cách phân tích các thủ tục báo hiệu E-RAB

− = # E − RAB Setup Success

# E − RAB Setup Request

 Dịch vụ mang vô tuyến cố định được sử dụng để yêu cầu một dịch vụ định rõ, dịch

vụ này sau đó yêu cầu một dịch vụ mang vô tuyến dành riêng cho nó

 Khả năng truy nhập dịch vụ thực tế cần kết hợp các tỉ lệ thành công cho cả hai dịch

vụ mang vô tuyến dành riêng và cố định

S − _ =Dedicated Bearers

Default Bearers x 100

1.2.5 KPI-Tỉ lệ rớt cuộc gọi (Dropped Call Ratio):

DCR được đo trên giao diện S1-U (giao diện giữa eNode B và Serving-Gateway) bằng cách phân tích số lượng các giải phóng E-RAB bất thường trên tổng số các kết nối đã thiết lập

DCR =Release Command (Abnormal)

Release Command (N )Một thuê bao LTE có thể có lên tới 24 RAB, mỗi RAB có thông tin QoS Class của bản thân nó Các thông số QoS là một chức năng của các tốc độ bit đảm bảo hoặc không đảm bảo được định nghĩa bởi 8 nhãn QCI

Hình 1.33 Các dịch vụ mang của giao diện LTE-Uu và S1-U [3]