Giải pháp tự phục hồi trong mạng evolved packet core LTE

Giải pháp tự phục hồi trong mạng Evolved Packet Core LTEGiải pháp tự phục hồi trong mạng Evolved Packet Core LTEGiải pháp tự phục hồi trong mạng Evolved Packet Core LTEGiải pháp tự phục hồi trong mạng Evolved Packet Core LTEGiải pháp tự phục hồi trong mạng Evolved Packet Core LTEGiải pháp tự phục hồi trong mạng Evolved Packet Core LTEGiải pháp tự phục hồi trong mạng Evolved Packet Core LTEGiải pháp tự phục hồi trong mạng Evolved Packet Core LTE

-

NGUYỄN VIỆT ANH

GIẢI PHÁP TỰ PHỤC HỒI TRONG MẠNG EVOLVED PACKET

CORE LTE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - 2016

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

NGUYỄN VIỆT ANH

GIẢI PHÁP TỰ PHỤC HỒI TRONG MẠNG EVOLVED PACKET

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

THUẬT NGỮVIẾT TẮT iv

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LTE EVOLVED PACKET CORE (EPC) 2

1.1Sơ lược về công nghệ mạng LTE (Long Term Evolution) 2

1.1.1 Mạng truy cập E-UTRAN 3

1.1.2 Mạng Evolved Packet Core (EPC) 4

1.1.3 Giao diện LTE 6

1.1.4 Các giao thức sử dụng trong mạng LTE 8

1.1.4.1 Giao thức sử dụng tại mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu 9

1.1.5 LTE EPS Bearer và QoS 13

1.1.5.1 LTE EPS Bearer 13

1.1.5.2 QoS LTE 14

1.1.6 Thông tin ngữ cảnh UE (UE Context Information) 16

1.2Mạng tự điều khiển SON 17

1.2.1 Chức năng chính của SON trong LTE 18

1.2.2 Kiến trúc LTE SON 18

1.3 Kết luận 21

CHƯƠNG 2 :GIẢI PHÁP TỰ PHỤC HỒI TẠI EPC 22

2.1 Giới thiệu chungvề hệ thống tự phục hồi 22

2.2 Kiến trúc hệ thống chịu lỗi 24

2.2.1 Cấu hình N:M Active-Backup 25

2.2.2 Cấu hình 1:1 Active-Active 27

2.3 Phát hiện lỗi, thông báo và cô lập lỗi 28

2.4 Phối hợp hệ thống lỗi 29

2.5 Cơ chế phục hồi và thủ tục duy trì dịch vụ liên tục 31

2.6 Kết luận 34

CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA GIẢI PHÁP PHỤC HỒI 35

3.1 Mô hình khảo sát đánh giá giải pháp tự phục hồi 35

3.1.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 35

3.1.2 Thời gian phục hồi dịch vụ 37

3.1.3 Tải bản tin báo hiệu 38

3.2 Khảo sát kết quả mô phỏng hệ thống sử dụng giải pháp tự phục hồi và đánh giá giải pháp được đề xuất 40

3.2.1 Cấu hình N:1 Active-Backup 40

3.2.1.1 Cấu hình 1:1 Active-Backup 40

3.2.1.2 Cấu hình 2:1 Active-Backup 43

3.2.2 Cấu hình 1:1 Active-Active 43

3.2.3 Tính toán thời gian phục hồi dịch vụ 44

3.2.4 Tính toán chi phí bản tin tín hiệu 46

3.3 Kết luận 48

KẾT LUẬN 49

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

THUẬT NGỮVIẾT TẮT

3GPP Third Generation Partnership Project Dự án đối tác thế hệ thứ 3

EPS Evolved Packet System Hệ thống gói cải tiến

E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio

Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất được cải tiến

EMM EPS Mobility Management Quản lý tính di động EPS

GPRS General Packet Radio Service Tổng hợp các gói dịch vụ vô

tuyến GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global System for Mobile Hệ thống toàn cầu cho di động GTP GPRS Tunnelling Protocol

GUTI Globally Unique Temporary

Identifier GUMMEI Globally Unique MME Identifier

HSS Home Subscriber Server Máy chủ thuê bao nhà

HSPA High Speed Packet Acces Truy nhập mạng gói tốc độ

cao NGMN Next Generation Mobile Networks Thế hệ tiếp theo của mạng

lưới di động MME Mobility Management Entity Thực thể quản lý di động MSC Mobile Switching Centre Trung tâm chuyển mạch di

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

động NGMN Next Generation Mobile Networks Mạng di động thế hệ tiếp theo OAM Operation, Administration and

Management

Vận hành, quản lý và bảo dưỡng

PCRF Policy and Charging Rule Function Chức năng quản lý chính sách

và quy tắc tính cước

RAT Radio Access Technology Công nghệ truy nhập vô tuyến RLF Radio Link Failure Liên kết truy nhập vô tuyến

thất bại RNC Radio Network Controller Phân hệ điều khiển mạng vô

tuyến

SON Self-Organizing Networks Mạng tự tổ chức

UMTS Universal Mobile

Telecommunications System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

UTRAN Universal Terrestrial Radio Access

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1Kiến trúc mạng LTE 3

Hình 1.2 Kiến trúc LTE E-UTRAN 4

Hình 1.3 Tầng giao thức trong mặt phẳng điều khiển 8

Hình 1.4 Tầng giao thức trong mặt phẳng dữ liệu 8

Hình 1.5 Kiến trúc giao thức giữa eNodeB và MME 10

Hình 1.6 Kiến trúc giao thức giữa các eNodeB 11

Hình 1.7 GTP-C trên giao diện S11 12

Hình 1.8 GTP-C trên giao diện S5/S8 12

Hình 1.9 GTP-U trên giao diện S1-U 13

Hình 1.10 Kiến trúc LTE EPS bearer 14

Hình 1.11 LTE EPS bearer và SDF tương ứng 16

Hình 1.12 Kiến trúc mạng SON tập trung 19

Hình 1.13 Kiến trúc mạng SON phân tán 20

Hình 1.14 Kiến trúc mạng SON hỗn hợp 20

Hình 2.1 Hệ thống tự phục hồi theo cơ chế tập trung 23

Hình 2.2 Hệ thống tự phục hồi theo cơ chế phân tán 24

Hình 2.3 Cấu hình N:M Active-Backup 25

Hình 2.4 Cấu hình 1: 1 Active-Active 27

Hình 2.5 Cập nhật trạng thái nút của cơ chế phục hồi lỗi 31

Hình 2.6 Tương tác giữa các thực thể mạng trong quá trình lỗi 33

Hình 2.7 Luồng bản tin của thủ tục tái tạo lại bearer 34

Hình 3.1 Mô hình mô phỏng 35

Hình 3.2 Luồng bản tin của phiên được khởi tạo từ UE 39

Hình 3.3 Lưu lượng đường lên của trường hợp 1 40

Hình 3.4 Đường truyền GTP chuyển từ active EPC sang backup EPC của trường hợp 1 41

Hình 3.5 Trễ đường lên của trường hợp 1 42

Hình 3.6 Lưu lượng đường lên của trường hợp 2 42

Hình 3.7 Trễ đường lên của trường hợp 3 43

Hình 3.8 Trễ đường lên của trường hợp 4 44

Hình 3.9 So sánh trễ phục hồi đối với cấu hình 1:1 Active-Backup với số lượng người dùng khác nhau 46Hình 3.10 Số lượng bản tin của quá trình phục hồi cho các phiên lỗi 47Hình 3.11 Số lượng bản tin báo hiệu khi có UE mới trong thời gian phục hồi 47

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các thực thể trong mạng EPC 5

Bảng 1.2 Các giao diện LTE 6

Bảng 1.3 Bảng QCI 15

Bảng 3.1 Cấu hình mạng trong mô phỏng 36

Bảng 3.2 Tính toán thời gian khôi phục dịch vụ 37

Bảng 3.3 Giá trị trung bình của các thành phần trễ , và 45

LỜI MỞ ĐẦU

3GPP Long Term Evolution (LTE) được xem là một công nghệ không dây di động tương lai có ưu thế về hiệu năng và trải nghiệm người dùng.Với tiến bộ công nghệ của mạng không dây, sự phụ thuộc và tác động kinh doanh của các dịch vụ mạng di động đã tăng lên nhanh chóng Do đó, vấn đề quan trọng được đặt ra là phải giải quyết được các vấn đề liên quan đến cơ sở hạ tầng mạng và lỗi dịch vụ Giải pháp tự phục hồi được cho mạng LTE Evolved Packet Core (EPC) nhằm duy trì dịch

vụ liên tục trong trường hợp các phần tử mạng lõi là MME và S-GW lỗi Những lỗi của các phần tử mạng lõi có tác động đáng kể đến một số lượng lớn các thuê bao so với những lỗi của các thành phần truy cập mạng

Từ các vấn đề trên, em lựa chọn đề tài nghiên cứu “Giải pháp tự phục hồi

trong mạng Evolved Packet Core LTE” Giải pháp được đề xuất nghiên cứu với 2

kiến trúc khác nhau là kiến trúc tập trung active-backup và phân tán active-active và thực hiện với những kịch bản lỗi khác nhau Đánh giá các kiến trúc thông qua các tham số về lưu lượng, trễ khôi phục dịch vụ

Kết cấu luận văn được chia làm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về LTE Evolved Packet Core (EPC)

Chương 2: Giải pháp tự phục hồi tại EPC

Chương 3: Đánh giá hiệu năng của giải pháp phục hồi

Mặc dù đã hết sức cố gắng trong quá trình nghiên cứu, nhưng chắc chắn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, em rất mong nhận được sự thông cảm

và góp ý, nhận xét của các thầy cô giáo để đề tài được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, Ngày 20 tháng 6 năm 2016

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LTE EVOLVED PACKET

CORE (EPC)

1.1 Sơ lược về công nghệ mạng LTE (Long Term Evolution)

LTE là sự phát triển của mạng UMTS/HSPA, mục tiêu của LTE là tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu của các mạng dữ liệu không dây bằng cách sử dụng các kỹ thuật điều chế và DSP (xử lý tín hiệu số) mới được phát triển vào đầu thế kỷ 21 LTE thiết kế lại và đơn giản hóa kiến trúc mạng thành một hệ thống dựa trên nền IP với độ trễ truyền dẫn tổng giảm đáng kể so với kiến trúc 3G

LTE đã đưa ra một kiến trúc truy cập mạng mới gọi là Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN), sử dụng Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) là công nghệ truy cập cho đường xuống và Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) sử dụng cho đường lên Không giống như các công nghệ 3GPP khác, LTE E-UTRAN là một kiến trúc đơn giản và phẳng chỉ gồm một nút duy nhất, eNodeB sẽ thực hiện chức năng của UMTS/HSPA NodeB và Radio Network Controller (RNC) Lợi ích chính của kiến trúc phẳng là làm giảm số lượng các cấp và các nút trong mạng, do đó làm giảm thời gian xử lý cuộc gọi, độ trễ và chi phí 3GPP cũng định nghĩa một kiến trúc mạng lõi phẳng, được gọi là Evolved Packet Core (EPC) Hình 1.1 là kiến trúc mạng LTE

Hình 1.1 Kiến trúc mạng LTE

(Nguồn:http:// www.netmanias.com – Internet)

1.1.1 Mạng truy cập E-UTRAN

Mạng truy cập vô tuyến LTE là eNodeB, một trạm phát vô tuyến điều khiển tất

cả các chức năng vô tuyến.Nút kế thừa các chức năng của 3G NodeB.Ngoài ra, hầu hết các chức năng hoặc giao thức thực hiện trong 3G Radio Network Controller (RNC) được chuyển giao cho eNodeB Lợi ích của việc sáp nhập RNC và eNodeB sẽ khiến cho giảm độ trễ và bước nhảy tại mặt phẳng điều khiển và dữ liệu, nút cũng chịu trách nhiệm cho nén tiêu đề, mã hóa và truyền tin cậy gói tin Tại mặt phẳng điều khiển, chức năng như kiểm soát quyền truy cập và quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) cũng được tích hợp vào eNodeB Giao diện X2 là một giao diện mới dùng để kết nối các eNodeB, chức năng chính của giao diện này là tạo thuận lợi cho di động người dùng không bị mất dữ liệu khi thực hiện chuyển giao vô tuyến Hình 1.2 là kiến trúc E-UTRAN

Hình 1.2Kiến trúc LTE E-UTRAN

(Nguồn:Internet)

1.1.2 Mạng Evolved Packet Core (EPC)

Một chức năng quan trọng của EPC là chuyển mạch kênh cho dịch vụ thoại và chuyển mạch gói cho dịch vụ dữ liệu của mạng 2G và 3G được thống nhất dưới một nền tảng IP, đây là một sự tiến hóa của miền chuyển mạch gói của mạng GPRS/UMTS Hơn nữa, mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu có giao diện và thực thể mạng riêng biệt trong EPC Chức năng này cung cấp sự linh hoạt cho nhà khai thác mạng để tối ưu hóa tín hiệu và đường truyền dữ liệu một cách độc lập LTE-EPC có các thành phần chính:

 Mobility Management Entity (MME)

 Serving Gateway (S-GW)

 Packet Data Network (PDN) Gateway

EPC cũng bao gồm một số nút khác như Home Subscriber Server (HSS) và Policy Control and Charging Rules Functions (PCRF) Tại HSS sẽ chứa các thông tin thuê bao người dùng và có các hoạt động như xác thực thông tin người dùng, mã hóa…QoS và các quy tắc tính cước được thực hiện trên PCRF Bảng 1.1 sẽ mô tả chức năng các nút tại EPC được vẽ trong hình 1.1

Bảng 1.1 Các thực thể trong mạng EPC

MME MME là thực thể mạng điều khiển chính đối với E-UTRAN Nút thực

hiện giao tiếp với HSS để lấy thông tin và xác thực đối với người dùng Quản lý tính di động và phiên UE qua báo hiệu NAS Các chức năng chính hỗ trợ bởi MME như:

 Báo hiệu NAS (EMM, ESM và NAS Security)

 Xác thực người dùng và roaming với HSS qua giao diện S6a

 Quản lý tính di động (Paging, Tracking Area List (TAI) management và handover management)

 Quản lý EPS bearer

S-GW S-GW là thành phần thuộc mặt phẳng dữ liệu trong LTE EPC Chức

năng chính của S-GW là chuyển tiếp dữ liệu người dùng từ eNodeB

và P-GW, cấp phát tài nguyên tới MME và P-GW Nút làm việc như một mỏ neo di động trong mặt phẳng dữ liệu trong trường hợp chuyển giao giữa các eNodeB cũng như khi chuyển giao giữa LTE và một công nghệ 3GPP khác S-GW sẽ đệm dữ liệu người dùng khi UE ở trạng thái ECM-IDLE Nút sẽ truyền dữ liệu đệm tới UE khi UE kết nối tới mạng hoặc chuyển sang trạng thái ECM-CONNECTED sau khi thực hiện paging thành công

P-GW P-GW sẽ cung cấp cho UE kết nối tới PDN bằng cách cấp phát địa chỉ

IP từ dãy địa chỉ của PDN Nút như một mỏ neo di động trong trường hợp chuyển giao giữa 3GPP và một công nghệ không phải 3GPP P-

GW sẽ thực thi các chính sách, lọc gói tin và tính cước dựa trên quy tắc PCC nhận được từ PCRF Các chức năng chính hỗ trợ bởi P-GW như:

 Chuyển tiếp và định tuyến gói tin IP

 Lọc gói tin

 Cấp phát địa chỉ IP cho UE

 Mỏ neo di động giữa 3GPP và không phải 3GPP

PCRF PCRF là thực thể mạng điều khiển và thực thi tính cước Quyết định

chính sách cho SDF và cung cấp quy tắc PCC (quy tắc về QoS và tính cước) tới PCEF (P-GW)

SPR SPR sẽ cung cấp thông tin người dùng tới PCRF Nhận được thông

tin, PCRF sẽ thực hiện chính sách thuê bao và khởi tạo quy tắc PCC OCS OCS sẽ thực hiện chức năng tính cước thời gian thực dựa theo âm

thanh, thời gian và sự kiện

1.1.3 Giao diện LTE

Giao diện LTE thường được gọi là các điểm tham chiếu, LTE đưa ra một số giao diện mới và một số giao diện kết hợp với mạng UMTS/HSDPA sẵn có Bảng 1.2 sẽ mô tả một số giao diện quan trọng của mạng truy cập và lõi được đề cập trong luận văn

Bảng 1.2 Các giao diện LTE Điểm tham

LTE-Uu

E-UTRA (mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu)

Đây là giao diện của mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu giữa UE và E-UTRAN (eNodeB) Báo hiệu kết nối trên LTE-Uu là RRC Connection được biểu diễn bởi Signaling Radio Bearers (SRBs)và kết nối mặt phẳng dữ liệu là kênh logic biểu diễn bởi Data Radio Bearers (DRBs)

X2

X2-AP (mặt phẳng Đây là giao diện của mặt phẳng điều khiển và

mặt phẳng dữ liệu giữa 2 eNodeB, giao diện

điều khiển) GTP-U (mặt phẳng

dữ liệu)

được sử dụng trong trường hợp X2 handover và Self Organizing Network (SON) X2-AP là giao thức được sử dụng trên mặt phẳng điều khiển và GTP-U trên mặt phẳng dữ liệu

S1-U GTP-U Giao diện trên mặt phẳng dữ liệu giữa

E-UTRAN (eNodeB) và S-GW, cung cấp GTP tunnel đối với mỗi bearer

S1-MME S1-AP Giao diện trên mặt phẳng điều khiển giữa

E-UTRAN (eNodeB) và MME

S11 GTP-C Giao diện trên mặt phẳng điều khiển giữa MME

và S-GW

S5

GTP-C (mặt phẳng điều khiển)

GTP-U (mặt phẳng

dữ liệu)

Giao diện giao tiếp giữa S-GW và P-GW trên mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu Giao diện S5 cung cấp GTP tunnel đối với mỗi kênh mang trên mặt phẳng dữ liệu và quản lý GTP tunnel (khởi tạo, điều chỉnh và xóa) tương ứng với mỗi người dùng trên mặt phẳng điều khiển

S8

GTP-C (mặt phẳng điều khiển)

GTP-U (mặt phẳng

dữ liệu)

Điểm khác biệt giữa giao diện S5 và S8 là giao diện S8 được sử dụng trong trường hợp người dùng sử dụng roaming, truyền dữ liệu giữa S-

GW và P-GW khi S-GW đóng vai trò là Visited PLMN (VPLMN) và P-GW giữ vai trò Home PLMN (HPLMN)

Giao diện giao tiếp giữa MME và HSS trên mặt phẳng điều khiển, trao đổi thông tin người dùng

và thông tin xác thực

Gx Diameter Giao diện giao tiếp giữa PCRF và P-GW trên

mặt phẳng điều khiển, trao đổi chính sách và quy

tắc tính cước từ PCRF tới P-GW

Đây là giao diện của mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu giữa P-GW và PDN

1.1.4 Các giao thức sử dụng trong mạng LTE

Giao thức sử dụng trong mạng LTE được sử dụng trên mặt phẳng điều khiển (control plane) và mặt phẳng dữ liệu (user plane) Chức năng chính của mặt phẳng điều khiển là thiết lập cho mặt phẳng dữ liệu như khởi tạo, chỉnh sửa và giải phóng mặt phẳng dữ liệu Mặt phẳng điều khiển sẽ truyền dữ liệu người dùng giữa các người dùng hoặc ứng dụng Hình 1.3 và 1.4 biểu diễn tầng giao thức giao tiếp điểm tới điểm trong mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu

Hình 1.3 Tầng giao thức trong mặt phẳng điều khiển

(Nguồn:3GPP TS 23.401 v.10.4.0)

Hình 1.4 Tầng giao thức trong mặt phẳng dữ liệu

(Nguồn:3GPP TS 23.401 v.10.4.0)

1.1.4.1 Giao thức sử dụng tại mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu

a) Non-access Stratum (NAS)

Đây là tầng giao thức trên cùng của mặt phẳng điều khiển giao tiếp giữa mạng truy cập và mạng lõi Bản tin báo hiệu được truyền trực tiếp từ UE tới MME thông qua NAS, thông suốt qua eNodeB và được chuyển tiếp tới MME Tầng giao thức NAS được chia thành 2 phần:

 EPS Mobility Management (EMM): giao thức EMM quản lý tính di động

của UE tại E-UTRAN, chịu trách nhiệm cho các chức năng liên quan tới việc quản lý kết nối ví dụ khi UE kết nối hoặc rời khỏi mạng Những chức năng

khác của tầng EMM là xử lý khi UE khởi tạo thủ tục yêu cầu dịch vụ service

request hoặc mạng khởi tạo thủ tục paging, xác thực UE và bảo mật cho lớp

NAS

 EPS Session Management (ESM): Giao thức ESM xử lý context bearer giữa

UE và MME, quản lý E-UTRAN bearer và hỗ trợ UE khởi tạo thủ tục bearer như khởi tạo, chỉnh sửa và giải phóng EPS bearer cùng với QoS xác định Tại giao diện vô tuyến, mặt phẳng điều khiển sử dụng các lớp PDCP, RLC, MAC và PHY để truyền giữa RRC (Radio Resource Control) và bản tin NAS tới mạng lõi Tầng PDCP, RLC, MAC, PHY sẽ thực hiện chức năng giống nhau cho mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu

b) Radio Resource Control (RRC)

Tầng RRC cung cấp kết nối tín hiệu vô tuyến E-UTRAN tới tầng phía trên trong chồng giao thức, ví dụ, quản lý tài nguyên vô tuyến (Radio Resource Management) được sử dụng để tạo thuận lợi hơn trong việc truyền luồng bản tin báo hiệu của các tầng phía trên Báo hiệu kết nối được sử dụng giữa UE và mạng lõi Khi

UE ở trạng thái ACTIVE sẽ duy trì kết nối RRC với eNodeB và khi ở trạng thái IDLE sẽ không có kết nối RRC

c) Packet Data Convergence Protocol (PDCP)

PDCP hỗ trợ truyền dữ liệu, nén tiêu đề cũng như mã hóa dịch vụ cho cả mặt phẳng điều khiển (RRC) và mặt phẳng dữ liệu (ứng dụng)

d) Radio Link Control (RLC)

Tầng RLC sẽ phân đoạn và lắp ghép cũng như các thủ tục sửa lỗi

e) Medium Access Control (MAC)

Tại eNodeB, tầng MAC sẽ thực hiện một kịch bản để phân phối băng thông có sẵn tới một số lượng active UE, đồng thời cũng thực hiện hoạt động HARQ cho việc truyền lại dữ liệu

Tại giao diện S1 và X2 sử dụng kết nối UTRAN tới EPC và UTRAN tới UTRAN khác, sẽ có các giao thức:

E-f) S1-AP

Giao thức S1-AP (S1 Appilcation Protocol) được sử dụng tại mặt phẳng điều khiển

để truyền bản tin báo hiệu giữa E-UTRAN và EPC Hình 1.5 mô tả chồng giao thức tại giao diện S1-C, dưới đây là các tính năng chính của giao thức S1-AP:

 Truyền bản tin báo hiệu NAS giữa MME và UE

 Thiết lập, chỉnh sửa và giải phóng EPS bearer

 Quản lý tính năng S1 handover như chuẩn bị handover, cấp phát tài nguyên, thông báo và chuyển tuyến theo yêu cầu

 Paging và các hoạt động báo cáo vị trí của UE

 Chức năng quản lý mạng như thiết lập S1 (S1 Setup), cập nhật cấu hình eNodeB và MME, quá tải…

Hình 1.5 Kiến trúc giao thức giữa eNodeB và MME

(Nguồn:3GPP TS 23.401 v.10.4.0)

SCTP

L2 L1

IP

L2 L1

g) X2-AP

Giao thức X2AP chủ yếu chịu trách nhiệm cho việc X2 handover Hình 1.6 mô tả chồng giao thức trên giao diện X2 bao gồm X2AP, dưới đây là các chức năng chính của giao thức:

 Quản lý tính di động UE giữa các E-UTRAN

 Sử dụng tính năng quản lý, các eNodeB sẽ trao đổi tình trạng tài nguyên như cấu hình mạng, tải đường truyền…Bằng cách này, một eNodeB quá tải có thể chuyển UE tới một eNodeb khác có tải nhẹ hơn

 Thủ tục thiết lập S2 (S2 Setup) trao đổi dữ liệu cần thiết cho các eNodeB để thiết lập giao diện X2

Hình 1.6 Kiến trúc giao thức giữa các eNodeB

(Nguồn:3GPP TS 23.401 v.10.4.0) h) Stream Control Transmission Protocol (SCTP)

Để đảm bảo độ tin cậy cao về việc truyền lại và trễ các bản tin báo hiệu, LTE S1-C sử dụng SCTP là một giao thức truyền tải giữa E-UTRAN và EPC SCTP là một giao thức hướng kết nối tương tự như TCP, cung cấp các cơ chế về lưu lượng, tắc nghẽn, cơ chế truyền lại, phát hiện và sai lệch dữ liệu…Ngoài ra, giao thức cung cấp 2 tính năng quan trọng là multi-homing và multi-streaming là 2 tính năng TCP không hỗ trợ

i) GPRS Tunneling Protocol-Control Plane (GTP-C)

Giao thức được sử dụng tại mạng lõi, là giao thức sử dụng trên nền tảng IP.Trong viễn thông, tunnel đại diện cho một tuyến hai chiều từ điểm tới điểm được

thiết lập giữa hai thực thể GTP-C thực hiện các thủ tục cần thiết để khởi tạo, duy trì, xóa tunnel Ngoài ra, GTP-C chuyển tiếp thông tin di chuyển của người dùng khi thay đổi vị trí, hình 1.7 mô tả GTP-C tại chồng giao thức trên giao diện S11 và hình 1.8 trên giao diện S5/S8

Hình 1.7 GTP-C trên giao diện S11

(Nguồn:3GPP TS 23401 v.10.4.0)

Hình 1.8 GTP-C trên giao diện S5/S8

(Nguồn:3GPP TS 23401 v.10.4.0) j) GPRS Tunneling Protocol-User Plane (GTP-U)

GTP-U sử dụng để truyền dữ liệu giữa E-UTRAN và EPC, giao thức sử dụng trên giao diện S1-U, S10, S5 và S8 Hình 1.8 mô tả GTP-U tại chồng giao thức trên giao diện S1-U

UDP

L2 L1

IP

L2 L1

IP UDP

S11

UDP

L2 L1

IP

L2 L1

UDP

L2 L1

IP

L2 L1

IP UDP

1.1.5 LTE EPS Bearer và QoS

1.1.5.1 LTE EPS Bearer

Tại LTE, kênh mang EPS được thiết lập tại mạng EPS (mạng lõi EPC và mạng truy cập E-UTRAN) được dùng để truyền dữ liệu người dùng từ UE tới PDN Có 2 loại kênh mang EPS: kênh mang mặc định và kênh mang dành sẵn Khi một UE kết nối tới mạng LTE, kênh mang mặc định EPS được thiết lập Khi người dùng yêu cầu một dịch vụ cần có QoS cao hơn QoS hiện thời của kênh mang mặc định (ví dụ dịch

vụ IPTV, video on Demand,…) một kênh mang dành sẵn được thiết lập nhằm đáp ứng được những yêu cầu cao hơn về QoS Khi UE khởi tạo kết nối tới mạng, MME cần thông tin để thiết lập các kênh mang mặc định như là QoS và thông tin mạng PDN kết nối tới Để có được thông tin này MME cần lấy thông tin của thuê bao từ HSS.Để thiết lập kênh mang dành sẵn, PCRF sẽ quyết định một quy tắc tương ứng sau đó gửi thông tin quy tắc (PCC rule) này tới P-GW P-GW nhận được quy tắc này

sẽ thực hiện hoặc tạo ra một kênh mang dành sẵn mới hoặc gộp luồng dịch vụ này vào kênh mang sẵn có để đáp ứng được yêu cầu của luồng dịch vụ này

EPS bearer giữa UE và PDN gồm có 3 đoạn:

 Kênh mang vô tuyến (Radio bearer) giữa UE và eNodeB

 Kênh mang dữ liệu (data bearer) giữa eNodeB và S-GW (S1 bearer)

 Kênh mang dữ liệu (data bearer) giữa S-GW và P-GW (S5/S8 bearer)

Hình 1.10 Kiến trúc LTE EPS bearer

(Nguồn:http:// www.netmanias.com – Internet)

1.1.5.2 QoS LTE

QoS (Quality of Service) là khả năng của mạng để đạt được băng thông tối đa cũng như việc xử lý các yếu tố liên quan tới hiệu năng của mạng như độ trễ, tỷ lệ mất gói,…Chất lượng dịch vụ cũng liên quan tới việc kiểm soát và quản lý tài nguyên của mạng bằng cách thiết lập các độ ưu tiên khác nhau cho các loại dịch vụ khác nhau Mỗi thuê bao khác nhau khi sử dụng dịch vụ đều có một QoS khác nhau, tùy thuộc vào từng loại dịch vụ cũng như chi phí mà thuê bao sẵn sàng trả cho dịch vụ QoS bao gồm một số các tham số:

 QCI (QoS Class Identifier): là một số nguyên từ 1-9, thể hiện các đặc trưng

về QoS của gói tin IP (độ trễ, tỉ lệ mất gói)

 ARP (Allocation and Retention Priority): ARP được sử dụng khi một EPS

bearer mới được yêu cầu thiết lập nhưng không đủ tài nguyên Các nút mạng (PGW, SGW, eNodeB) sẽ căn cứ vào giá trị của ARP để:

o Xóa một EPS bearer đang tồn tại nhưng có độ ưu tiên thấp hơn để tạo kênh mang mới có độ ưu tiên cao hơn

o Từ chối tạo bearer mới

 GBR (Minimum guaranteed bit rate): được sử dụng cho GBR bearer có

QoS xác định, người dùng có thể nhận được tốc độ bit cao tới giới hạn của

MBR

 Non-GBR (Non-guaranteed bit rate): được sử dụng cho non-GBR bearer

không có QoS xác định, đây là một số dịch vụ yêu cầu Qos thấp như http, file

transfer

 MBR (Minimum bit rate): được sử dụng cho GBR bearer nhằm thể hiện tốc

độ bit tối đa mà mạng LTE có thể cung cấp, các gói dữ liệu có tốc độ bit lớn

hơn giá trị này đều bị loại bỏ

 APN-AMBR: là tham số được sử dụng cho kênh non-GBR, đây là tổng băng thông của các kênh non-GBR trong một PDN

 UE-AMBR: là băng thông lớn nhất của tất cả các kênh non-GBR liên quan tới

UE mà không đề cập tới số lượng PDN được kết nối với UE Tham số này

được sử dụng bởi eNodeB

giá trị ưu tiên riêng, các gói tin sẽ được đưa qua các SDF này để phân loại lưu lượng vào các luồng dịch vụ nhằm thực hiện tính cước và thực hiện chính sách

Mỗi một SDF template bao gồm một hoặc nhiều Service Data Flow Filter.Service Data Flow Filter là một mẫu “matching” gồm 5 tham số (địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, port nguồn, port đích, protocol ID của giao thức trên tầng IP).Hình 1.10 cho thấy một kênh mang có nhiều SDF dùng để truyền dữ liệu khác nhau với cùng một QoS

Hình 1.11 LTE EPS bearer và SDF tương ứng

(Nguồn: Internet)

b) TFT

Traffic flow template (TFT) bao gồm các bộ lọc gói.TFT nhằm lọc các SDF để đưa lên cùng một kênh mang.Các SDF có cùng QCI và ARP được đưa lên cùng một kênh mang Cũng tương tự như SDF, mỗi một TFT cũng có giá trị ưu tiên (Precedence) Một TFT tương ứng với 1 bearer (dedicated bearer) Kênh mặc định có TFT hoặc có thể không Việc sinh ra TFT là tại P-GW nên việc quyết định có TFT cho default bearer là phụ thuộc vào chính sách nhà mạng có thể cấu hình trên P-GW

 Trong trường hợp có TFT: Các gói không matching với TFT nào sẽ bị loại

bỏ

 Trong trường hợp không có TFT: Các gói mà không matching sẽ được

truyền qua kênh default (không có TFT cho kênh default)

1.1.6 Thông tin ngữ cảnh UE (UE Context Information)

Khi UE kết nối với mạng, MME sẽ khởi tạo thông tin ngữ cảnh UE (UE context information) Thông tin ngữ cảnh sẽ chứa thông tin thuê bao của người dùng được lấy từ HSS.Thủ tục này đảm bảo rằng MME không cần phải giao tiếp với HSS mỗi

khi có yêu cầu một kênh mang mới hoặc các yêu cầu tương tự Thông tin ngữ cảnh

UE còn chứa các thông tin thành phần (IEs) như International Mobile Subscriber Identity (IMSI), UE security contexts, EPS bearer context(s) bao gồm địa chỉ IP S-

GW và P-GW và TEIDs của EPS bearer, access point name (APN)…Tại S-GW, eNodeB và P-GW sẽ giữ lại thông tin ngữ cảnh UE và bảng EPS bearer context Thông tin ngữ cảnh UE là một phần rất quan trọng trong cơ chế tự phục hồi

1.2 Mạng tự điều khiển SON

Trong mạng không dây GSM/UMTS hiện tại, các phần tử mạng và hầu hết các thông số tương ứng được cấu hình thủ công Trong LTE, số lượng các thực thể truy cập mạng (eNodeB và Home eNodeB) và các thông số mạng càng ngày càng trở nên lớn và phức tạp do kiến trúc phẳng của nó Hơn nữa, sự phát triển của dịch vụ ngày càng đa dạng với các yêu cầu QoS nghiêm ngặt, đồng thời hỗ trợ song song nhiều mạng truy cập vô tuyến đã tăng sự phức tạp về mặt sử dụng tài nguyên và hiệu năng Kết quả là để triển khai và bảo trì các mạng như vậy yêu cầu các nhà mạng tốn kém

về mặt nhân lực và tiền bạc.Trong bối cảnh trên, các diễn đàn và các cơ quan tiêu chuẩn quốc tế đã đặc biệt quan tâm đến việc nghiên cứu các mạng tự điều khiển để tự động hóa việc lập kế hoạch, cấu hình và quản lý mạng.Trong thực tế, SON giúp cho cải thiện đáng kể LTE OAM Nói chung, có hai lợi ích quan trọng có thể đạt được bởi việc giảm sự can thiệp thủ công tới các nhiệm vụ quản lý mạng:

 Tự động hóa có thể làm giảm đáng kể chi phí hoạt động và tăng cường sử dụng nguồn lực

 Nhanh chóng phản ứng để thay đổi mạng: Can thiệp thủ công là không hiệu quả dẫn tới kết quả là sự chậm trễ thời gian trong việc điều chỉnh khi điều kiện mạng thay đổi nhanh chóng Vì vậy, tự động hóa có thể cải thiện đáng kể trải nghiệm người dùng, chất lượng mạng và độ sẵn sàng

Phát triển SON LTE bước đầu đã được thúc đẩy bởi các diễn đàn công nghiệp NGMN (Next Generation Mobile Networks) NGMN thành lập một tập các yêu cầu

sơ bộ cho SON và sau đó xác định một số trường hợp sử dụng bao gồm các khía cạnh khác nhau của mạng như lập kế hoạch, tối ưu hóa và bảo trì 3GPP thông qua các khái niệm trong quá trình chuẩn LTE SON và bắt đầu xuất hiện trong phiên bản 8

1.2.1 Chức năng chính của SON trong LTE

Các khía cạnh chính của SON LTE là: tự cấu hình, tự tối ưu hóa và tự phục hồi Dưới đây mô tả về các tính năng này

a) Tự cấu hình (Self-configuration)

Cơ chế tự cấu hình cho phép một phần tử mạng tự động thiết lập để thực hiện các nhiệm vụ cần thiết trong mạng Từ góc độ mạng LTE, tính năng tự cấu hình là mong muốn trong thời gian triển khai và mở rộng giai đoạn tiếp theo, nơi các thành phần mạng như eNodeB được cấu hình bởi các thủ tục cài đặt tự động Việc tự cấu hình nhằm giảm chi phí.Mặc dù cấu hình trước là kế hoạch được cho phép nhưng mong muốn rằng eNodeB nên có khả năng để tự động phát hiện và cấu hình danh sách các nút bên cạnh, các cell vật lý và các thông số RF khác

b) Tự tối ưu hóa (Self-Optimization)

Mục tiêu của tự tối ưu hóa là tự động điều chỉnh tối ưu các thông số mạng để đáp ứng điều kiện mạng thay đổi nhanh chóng và thay đổi lưu lượng truy cập.Việc tự tối ưu hóa là rất quan trọng đối với tình trạng mạng như hiện nay, cần thiết cho hoạt động tối ưu Các trường hợp sử dụng tối ưu hóa chủ yếu là liên quan đến năng lực mạng, nhiễu, cân bằng tải, tiết kiệm năng lượng và tính di động mạnh mẽ

c) Tự phục hồi (Self-Healing)

Mục đích của tự phục hồi là tự động phát hiện và khoanh vùng những lỗi, áp dụng cơ chế phục hồi thích hợp Các trường hợp sử dụng tự phục hồi chủ yếu là liên quan đến việc phát hiện mất tín hiệu di động và phục hồi nó, khôi phục từ phần mềm

và phần cứng lỗi của các eNodeB

1.2.2 Kiến trúc LTE SON

a) Kiến trúc mạng SON tập trung (Centralized SON)

Trong kiến trúc SON tập trung, các thuật toán SON được thực hiện tại các cấp quản lý mạng hoặc trong OAM.Trong trường hợp này, số lượng nhỏ các phần tử mạng cấp cao hơn có chứa các chức năng SON.Ưu điểm của phương pháp này là nó

ít phức tạp trong việc triển khai và quản lý công việc Nhưng nó có một số nhược điểm.Đầu tiên, trong kiến trúc SON tập trung, các thuật toán và thủ tục SON thực hiện ở cấp quản lý mạng Vì vậy, quyết định SON được thực hiện tại một số lượng

nhỏ các thành phần mạng cấp cao hơn trong OAM.Lỗitại các thành phần mạng lưới trung tâm là yếu tố có thể ảnh hưởng tới hiệu năng tổng thể của SON Thứ hai, các nhà cung cấp khác nhau có hệ thống OAM của riêng mình Và sự phối hợp và hỗ trợ tối ưu hóa giữa các nhà cung cấp là thấp Có một giao diện được gọi Itf-N để tạo điều kiện nhiều nhà cung cấp quản lý, cần được chuẩn hóa và mở rộng để tăng cường hỗ trợ giữa các nhà cung cấp khác nhau Cuối cùng, khối lượng rất lớn các xử lý dữ liệu

và tính toán phức tạp có thể là một vấn đề tạo ra nút cổ chai Hình 1.11 cho thấy kiến trúc SON tập trung

Centralized OAM (SON)

OAM (SON)

OAM (SON)

Hình 1.12 Kiến trúc mạng SON tập trung

b) Kiến trúc mạng SON phân tán

Trong kiến trúc SON phân tán, việc ra quyết định tại SON diễn ra ở mức độ thấp của mạng, ví dụ, các phần tử truy cập mạng hoặc các eNodeB Các eNodeBs khác nhau có thể chia sẻ thông tin qua giao diện X2 chuẩn hóa Cách tiếp cận này là nhanh chóng và linh hoạt hơn so với SON tập trung và làm giảm sự phức tạp của việc SON phải hỗ trợ nhiều nhà cung cấp Nhưng chi phí triển khai là cao do nhiều phần

tử mạng tham gia vào quá trình này Phương pháp tối ưu hóa sẽ đạt kết quả tốt hơn nếu số lượng eNodeB tham gia nhỏ, phương án tối ưu hóa đòi hỏi sự phức tạp khi phối hợp nhiều các eNodeBs là rất khó khăn khi thực hiện kiến trúc SON phân tán Hình 1.12 là kiến trúc SON phân tán

Centralized OAM

eNodeB (SON)

eNodeB (SON) X2

Hình 1.13 Kiến trúc mạng SON phân tán

Centralized OAM (SON)

OAM (SON)

OAM (SON)

eNodeB (SON)

eNodeB (SON) X2

Hình 1.14 Kiến trúc mạng SON hỗn hợp