Quy hoạch mạng 4g lte cho tỉnh Attapeu (LV thạc sĩ)

Quy hoạch mạng 4g lte cho tỉnh Attapeu (LV thạc sĩ)Quy hoạch mạng 4g lte cho tỉnh Attapeu (LV thạc sĩ)Quy hoạch mạng 4g lte cho tỉnh Attapeu (LV thạc sĩ)Quy hoạch mạng 4g lte cho tỉnh Attapeu (LV thạc sĩ)Quy hoạch mạng 4g lte cho tỉnh Attapeu (LV thạc sĩ)Quy hoạch mạng 4g lte cho tỉnh Attapeu (LV thạc sĩ)Quy hoạch mạng 4g lte cho tỉnh Attapeu (LV thạc sĩ)Quy hoạch mạng 4g lte cho tỉnh Attapeu (LV thạc sĩ)Quy hoạch mạng 4g lte cho tỉnh Attapeu (LV thạc sĩ)Quy hoạch mạng 4g lte cho tỉnh Attapeu (LV thạc sĩ)Quy hoạch mạng 4g lte cho tỉnh Attapeu (LV thạc sĩ)Quy hoạch mạng 4g lte cho tỉnh Attapeu (LV thạc sĩ)Quy hoạch mạng 4g lte cho tỉnh Attapeu (LV thạc sĩ)Quy hoạch mạng 4g lte cho tỉnh Attapeu (LV thạc sĩ)Quy hoạch mạng 4g lte cho tỉnh Attapeu (LV thạc sĩ)Quy hoạch mạng 4g lte cho tỉnh Attapeu (LV thạc sĩ)Quy hoạch mạng 4g lte cho tỉnh Attapeu (LV thạc sĩ)Quy hoạch mạng 4g lte cho tỉnh Attapeu (LV thạc sĩ)Quy hoạch mạng 4g lte cho tỉnh Attapeu (LV thạc sĩ)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi Các số liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tôi tự tìm hiểu một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của tỉnh Attapeu Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác

Học viên thực hiện

Ammaline KHAOSAOTH

LỜI CẢM ƠN

Trước hết với tình cảm chân thành và lòng biết ơn sâu sắc Tôi xin được gửi

lời cảm ơn chân thành tới lãnh đạo Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, các

thầy cô giáo Khoa Viễn thông 1; các thầy giáo , cô giáo khoa Quốc tế và Đào tạo

Sau Đại học , các bạn bè và đồng nghiệp đã động viên và hỗ trợ để tôi có thể hoàn

thành luận văn này

Đặc biết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Đặng Thế Ngọc, bộ

môn thông tin vô tuyến, Khoa Viễn Thông 1 , Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn

thông, đã dành nhiều thời gian tâm huyết, trực tiếp hướng dẫn tận tình, chỉ bảo và

tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu đề tài và

hoàn chình bản Luận văn Thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, người thân đã luôn bên cạnh trong những

lúc khó khăn nhất Đã động viên, khích lệ, sẻ chia, giúp đỡ và đồng hành cùng tôi

trong cuộc sống cũng như trong quá trình học tập và nghiên cứu

Hà Nội, ngày 18 tháng 08 năm 2017

Học viên thực hiện

Ammaline KHAOSAOTH

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH SÁCH HÌNH VẼ x

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3

1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động 3

1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G) 3

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G) 5

1.1.2.1 Hệ thống sử dụng đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 6

1.1.2.2 Hệ thống sử dụng đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 6

1.1.2.3 Mạng thông tin di động 2.5G 8

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) 8

1.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G) 10

1.2 Tổng quan về mạng thông tin di động 4G LTE 11

1.3 Kết luận chương 13

CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC MẠNG 4G LTE VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 14

2.1 Kiến trúc mạng 4G LTE 14

2.1.1 Cấu hình kiến trúc hệ thống cơ sở 14

2.1.1.1 Thiết bị người sử dụng, UE 16

2.1.1.2 eNodeB 16

2.1.1.3 Thực thể quản lý di động (MME) 17

2.1.1.4 Cổng phục vụ, S-GW 18

2.1.1.5 Cổng mạng số liệu gói, P-GW 18

2.1.1.6 Chức năng các quy tắc chính sách và tính cước , PCRF 19

2.1.1.7 Server thuê bao nhà, HSS 19

2.1.2 Các kiến trúc chuyển mạng và tương tác giữa các mạng 20

2.1.2.1 Chuyển mạng giữa các mạng 4G LTE/SAE 20

2.1.2.2 Tương tác và di động với các mạng khác 22

2.2 Các kỹ thuật truy nhập sử dụng trong LTE 26

2.2.1 Kỹ thuật đa truy nhập đường xuống OFDMA 26

2.2.1.1 OFDMA 26

2.2.1.2 Cấu trúc tài nguyên truyền dẫn đường xuống 28

2.2.1.3 Truyền dẫn dữ liệu hướng xuống 31

2.2.2 Kỹ thuật đa truy nhập đường lên LTE SC-FDMA 33

2.2.2.1 SC-FDMA 33

2.2.2.2 Cấu trúc tài nguyên truyền dẫn đường lên 35

2.2.2.3 Truyền dẫn dữ liệu hướng lên 36

2.2.3 So sánh OFDMA và SC-FDMA 38

2.3 Kết luận chương 40

CHƯƠNG 3: QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE CHO TỈNH ATTAPEU 41

3.1 Tổng quan về mạng Viễn thông Lào 41

3.1.1 Các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông chính của Lào 41

3.1.2 Tình hình phát triển và dịch vụ viễn thông Lào 42

3.1.3 Các dịch vụ viễn thông đang hoạt động triển khai tại Lào 42

3.2 Giới thiệu về sự phát triển băng rộng 3G tại Lào 43

3.2.1 Về mạng lưới 43

3.2.2 Triển khai mạng 4G LTE tại Lào 43

3.2.3 Nội dung thử nghiệm kỹ thuật 4G LTE 44

3.2.3.1 Kết quả đo kiểm định tính 45

3.2.3.2 Kết quả đo kiểm định lượng 45

3.3 Giới thiệu về tỉnh ATTAPEU 46

3.3.1 Khái quát về tỉnh ATTAPEU 46

3.3.1.1 Về vì trí địa lý 46

3.3.1.2 Về xã hội 46

3.3.1.3 Về hệ thống giao thông của tỉnh 46

3.3.1.4 Về kinh tế 46

3.3.2 Khái quát về mạng viễn thông tại tỉnh Attapeu 47

3.4 Khái quát về quá trình quy hoạch mạng LTE 48

3.4.1 Dự báo lưu lượng 48

3.4.2 Phân tích vùng phủ 50

3.5 Quy hoạch mạng 4G LTE cho tỉnh ATTAPEU 50

3.5.1 Thu thập dữ liệu ( diện tích, dân số, số thuê bao…) 50

3.5.2 Quy hoạch và lựa chọn băng tần triển khai mạng 4G LTE 51

3.5.3 Quy hoạch vùng phủ 52

3.5.3.1 Tính quỹ đường lên cho LTE 53

3.5.3.2 Tính quỹ đường truyền xuống LTE 55

3.5.3.3 So sánh quỹ đường truyền của các hệ thống GSM, HSPA, LTE 56

3.5.4 Quy hoạch dung lượng 58

3.6 Kết luận chương 63

KẾT LUẬN 64

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC TỪ VIẾT TẮT

AAA Authentication, Authorization and

Account

Nhận thực, trao quyền và thanh

toán

mã

DL-SCH

Downlink Share Channel Kênh chia sẻ đường xuống

FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần

số

FDD FrequencyDivision Duplexing Ghép kênh phân chia theo tần

số

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi hồi tiếp

GSM Global System for Mobile Hệ thống di động toàn cầu

tốc độ cao

HDTV High Definition Television Tivi có độ phân giải cao

cao

Union

Đơn vị viễn thông quốc tế

IMS IP Multimedia Sub-system Hệ thống đa phương tiện sử

dụng IP

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên ký tự

LTC Lao Telecommunications company Nhà mạng viễn thông LTC

vốn công ty 49%, nhà nước

51%

MME Mobility Management Entity Quản lý tính di động

MAC Medium Access Control Điều khiển trung nhập trung

MCS Modulation Coding Scheme Kỹ thuật mã hóa và điều chế

PCCH Paging Control Channel Kênh điều khiển tin nhắn

RLC Radio Link Control Điều khiển kết nối vô tuyến

RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô

tuyến

khảo

khảo

SDR Software - Defined Radio Phần mềm nhận dạng vô tuyến

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SCFDM

A

Single Carrier Frequency Division

multiple Access

Đa truy cập phân chia theo tần

số trực giao đơn sóng mang

SAE System Architecture Enhance Cấu trúc hệ thống tăng cường

TTI Time Transmit Interval Khoảng thời gian phát

TDD Time Division Duplexing Ghép kênh phân chia theo thời

gia

UMB Ultra Mobile Broadband Di động băng rộng mở rộng

Networks

Mạng truy nhập vô tuyến mặt

đất

UE System User Equipment Thiết bị người dùng (Di động)

UNITE

L

Star Telecom(Viettel Global) Nhà mạng Unitel(Viettel)nhà

nước 51%, công ty Viettel

49%

VHE Virtual Home Environment Môi trường nhà ảo

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Số lượng các khối tài nguyên cho băng thông LTE khác nhau (FDD&TD 30

Bảng 2.2: Tham số cấu trúc khung đường xuống ( FDD & TDD .31

Bảng 2.3: Các tham số cấu trúc khung đường lên (FDD&TDD) .36

Bảng 3.1: Các nhà cúng cấp dịch vụ mạng thông tin di động chính của Lào .42

Bảng 3.2: Tổng số Node B doanh nghiệp vùng phủ sóng và tổng số thuê bao 3G đã triển khai trong thời điểm 3 năm (từ năm năm 2014 – 2016) .43

Bảng 3.3: Thông kê dịch vụ mạng viễn thông tại tỉnh Attapeu năm 2015 – 2016 .47 Bảng 3.4: Diện tích và dân số từng quận/huyện của tỉnh Attapeu .51

Bảng 3.5: Quỹ đường truyền lên LTE .54

Bảng 3.6: Quỹ đường xuống .55

Bảng 3.7: Só sánh quỹ đường lên cửa các hệ thống .56

Bảng 3.8: Só sánh quỹ đường truyền xuống của các hệ thống .57

Bảng 3.9: Tốc độ bit đỉnh tương ứng với từng tốc độ mã hóa và băng thông .59

Bảng 3.10: Giá trị của băng thông cấu hình tương ứng với băng thông kênh truyền 61

Bảng 3.11: Tính được dung lượng và số site .63

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào .11

Hình 2.1: Kiến trúc mạng 4G LTE .15

Hình 2.2: Kiến trúc chuyển mạng với P-GW trong mạng nhà .21

Hình 2.3: Kiến trúc chuyển mạng với P-GW trong mạng khách .22

Hình 2.4: Kiến trúc hệ thống 4G LTE/SAE tương tác với các mạng 3GPP khác .23

Hình 2.5: Kiến trúc hệ thống 4G LTE/SAE tương tác với các mạng không phải 3GPP khác .25

Hình 2.6: Biểu diễn tần số - thời gian của một tín hiệu OFDM .26

Hình 2.7: Sự tạo ra ký hiệu OFDM có ích sử dụng IFFT .27

HÌnh 2.8: Sự tạo ra chuỗi tín hiệu OFDM .27

Hình 2.9: Cấp phát sóng mang con cho OFDM & OFDMA .28

Hình 2.10: Cấu trúc khung loại 1 .29

Hình 2.11: Cấu trúc khung loại 2 .29

Hình 2.12: Lưới tài nguyên đường xuống .30

Hình 2.13: Ghép kênh thời gian - tần số OFDMA .32

Hình 2.14: Phát và thu OFDMA .32

Hình 2.15: Sơ đồ khối DFT-S-OFDM .34

Hình 2.16: Lưới tài nguyên đường lên .35

Hình 2.17: Phát & thu hướng lên LTE .37

Hình 2.18: So sánh OFDMA & SC-FDMA truyền một chuỗi các ký hiệu dữ liệu QPSK 39

Hình 3.1: Sự kết nối mạng thông tin di động Lào giữa nước ngoài .41

Hình 3.2: Mô hình mạng hỗn tạp 4G .46

Hình 3.3: Khái quát về quá trình quy hoạch mạng LTE .48

Hình 3.4: 4 kiểu site, a) Site vô hướng ngang, b) Site 2 đoạn ô, c) Site 3 đoạn ô và b) Site 2 đoạn ô .53

Hình 3.5: Quan hệ giữa băng thông kênh truyền và băng thông cấu hình .60

sử dụng Mục đích của quy hoạch mạng lưới là để ước lượng số lượng các trạm cần

sử dụng, cấu hình trạm và số lượng các phần tử mạng để dự báo giá thành đầu tư cho mạng Mạng 4G LTE có ưu điểm vượt trội so với 3G về tốc độ, thời gian trễ nhỏ, hiệu suất sử dụng phổ cao cùng với việc sử dụng băng thông linh hoạt, cấu trúc đơn giản nên giá thành giảm Đối với Lào, năm 2008, thành phố Viêng Chăn đã triển khai mạng thông tin di động 3G, đánh dấu ngành thông tin-Viễn thông Lào đi vào thời đại mới, cùng với sự phổ cập của điện thoại di động thông minh Trong thời điểm hiện nay các nhà cung cấp mạng viễn thông tại Lào đang cung cấp mạng 4G chủ yếu tập trung tại các thành phố lớn như: Thủ đô Viêng Chăn, Tp Savanhnaket, Tp Champasak và thành phổ cổ LuangPhaBang Tuy nhiên, một số tỉnh còn lại và tỉnh Attapeu thì chưa có đủ điều kiện triển khai do người sử dụng có hạn chế

Từ những động lực nói trên học viên lựa chọn đề tài: “Quy hoạch mạng 4G

LTE cho tỉnh ATTAPEU” làm nội dung nghiên cứu của luận văn cao học Mục

đích nghiên cứu của luận văn là tìm hiểu về sự phát triển của các hệ thống thông tin

di động thế hệ 1, 2 , 3 và 4 đồng thời đã sơ lượt tổng quan của hệ thống thông tin di động thế hệ 4 Luận văn cũng sẽ nghiên cứu cơ sở lý thuyết để tìm hiểu các vấn đề

cơ bản liên quan đến mạng 4G LTE và lý thuyết quy hoạch mạng 4G LTE Mục đích cuối cùng của luận văn là tiến hành quy hoạch mạng 4G LTE cho tỉnh ATTAPEU.

Nội dung luận văn bao gồm:

Chương 1: Tổng quan về mạng hệ thống thông tin di động

Chương này trình bày sự phát triển, những nét đặc trưng và ưu nhược điểm của các mạng thông tin di động thế hệ 1, 2, 3 và 4G, Đồng thời sẽ giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin di động thế hệ 4G LTE, nêu được tính năng nổi bật và các mục tiêu hướng đến trong tương lai

Chương 2: Kiến trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan

Chương này trình bày về kiến trúc mạng 4G LTE và cấu hình kiến trúc hệ thống cơ sở bao gồm các phần tử mạng và các giao diện chuẩn trong kiến trúc tổng quan mạng LTE Ngoài ra còn tìm hiểu về các kỹ thuật truy nhập sử dụng trong LTE Cho biết LTE đã phối hợp nhiều kỹ thuật, trong đó, nó sử dụng kỹ thuật

OFDMA ở đường xuống và sử dụng kỹ thuật SC-FDMA cho đường lên

Chương 3: Quy hoạch mạng 4G LTE cho tỉnh ATTAPUE

Trong chương này em sẽ trình bày về mạng viễn thông Lào, tình hình phát

triển và các dịch vụ của các nhà cung cấp mạng viễn thông, nội dung triển khai thử nghiệm kỹ thuật 4G LTE mấy năm vừa qua Khái quát về tỉnh ATTAPEU bao gồm

về vì trí địa lý, về xã hội, về hệ thống giao thông, về kinh tế, thu thập dữ liệu ( diện tích, dân số, số thuê bao…) của tỉnh Nội dung của chương cũng sẽ trình bày khái quát về quá trình quy hoạch mạng 4G LTE và tính toán quy hoạch mạng truy nhập

vô tuyến(cụ thể là tính được số eNodeB) cho tỉnh ATTAPEU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG HỆ THỐNG THÔNG

TIN DI ĐỘNG

Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội Xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng lên và thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của nó Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ thế hệ

di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triển trên thế giới - thế hệ 4 Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các đặc tính chung của các hệ thống thông tin

di động và tổng quan về mạng 4G

1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động

Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý tưởng về thiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di động sau này Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đến lĩnh vực thông tin di động Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin di động đã cải thiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết hợp được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải được bài toán khó về dung lượng

1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G)

Là mạng thông tin di động không dây cơ bản đầu tiên trên thế giới Mạng 1G

là hệ thống giao tiếp thông tin qua kết nối tín hiệu analog được giới thiệu lần đầu tiên vào những năm đầu thập niên 80s Mạng 1G sử dụng các ăng-ten thu phát sóng gắn ngoài, kết nối theo tín hiệu analog tới các trạm thu phát sóng và nhận tín hiệu

xử lý thoại thông qua các module gắn trong máy di động Chính vì thế mà các thế

hệ máy di động đầu tiên trên thế giới có kích thước khá to và cồng kềnh do tích hợp cùng lúc 2 module thu tín hiệu và phát tín hiệu như trên

Mặc dù là thế hệ mạng di động đầu tiên với tần số chỉ từ 150MHz nhưng mạng 1G cũng phân ra khá nhiều chuẩn kết nối theo từng phân vùng riêng trên thế giới: NMT (Nordic Mobile Telephone) là chuẩn dành cho các nước Bắc Âu và Nga;

AMPS (Advanced Mobile Phone System) tại Hoa Kỳ; TACS (Total Access Communications System) tại Anh; JTAGS tại Nhật; C-Netz tại Tây Đức; Radiocom

2000 tại Pháp; RTMI tại Ý

 Đặc điểm:

- Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến

- Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể

- Trạm thu phát gốc BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS trong cell

- Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động tiên tiến AMPS

 Những hạn chế của hệ thống thông tin di dộng thế hệ 1 (1G)

Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản Tuy nhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung lượng và tốc độ Bao gồm các hạn chế sau :

- Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ

- Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trường fading đa tia

- Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạ tầng

- Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi

- Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở châu Âu, làm cho thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở các nước khác

- Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp

Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng

kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với kỹ thuật đa truy cập mới ưu điểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp Vì vậy đã xuất hiện hệ thống thông tin di động thế hệ 2

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G)

Là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách cũng như khác hoàn toàn so với thế hệ đầu tiên Mạng 2G sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số thay cho tín hiệu analog của thế hệ 1G và được áp dụng lần đầu tiên tại Phần Lan bởi Radiolinja (hiện là nhà cung cấp mạng con của tập đoàn Elisa Oyj) trong năm 1991 Mạng 2G mang tới cho người sử dụng di động 3 lợi ích tiến bộ trong suốt một thời gian dài:

mã hoá dữ liệu theo dạng kỹ thuật số, phạm vi kết nối rộng hơn 1G và đặc biệt là sự xuất hiện của tin nhắn dạng văn bản đơn giản – SMS Theo đó, các tín hiệu thoại khi được thu nhận sẽ đuợc mã hoá thành tín hiệu kỹ thuật số dưới nhiều dạng mã hiệu (codecs), cho phép nhiều gói mã thoại được lưu chuyển trên cùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và chi phí

Mạng 2G chia làm 2 nhánh chính: sử dụng TDMA (Time Division Multiple Access) và sử dụng CDMA cùng nhiều dạng kết nối mạng tuỳ theo yêu cầu sử dụng

từ thiết bị cũng như hạ tầng từng phân vùng quốc gia:

 GSM (TDMA-based), khơi nguồn áp dụng tại Phần Lan và sau đó trở thành

chuẩn phổ biến 6 Châu lục Và hiện nay vẫn đang được sử dụng bởi hơn 80% nhà cung cấp mạng di động toàn cầu

 CDMA2000 – tần số 450 MHz cũng là mạng di động tương tự GSM nói trên nhưng nó lại sử dụng CDMA và hiện cũng đang được cung cấp bởi 60 nhà mạng GSM trên toàn thế giới

 IS-95 hay còn gọi là cdmaOne, được sử dụng rộng rãi tại Hoa Kỳ và một số nước Châu Á và chiếm gần 17% các mạng toàn cầu Tuy nhiên, tính đến thời điểm hiện nay thì có khoảng 12 nhà mạng đang chuyển dịch dần từ chuẩn mạng này sang GSM tại: Mexico, Ấn Độ, Úc và Hàn Quốc

 PDC (sử dụng TDMA) triển khai tại Japan

 iDEN (sử dụng TDMA) triển khai bởi Nextel tại Hoa Kỳ và Telus Mobility tại Canada

 IS-136 hay còn gọi là D-AMPS, (sử dụng TDMA) là chuẩn kết nối phổ biến nhất tính đến thời điểm này và đưọc cung cấp hầu hết tại các nước trên thế giới cũng như Hoa Kỳ

1.1.2.1 Hệ thống sử dụng đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

Trong hệ thống TDMA phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian (Time slot) trong chu kỳ một khung Tin tức được tổ chức dưới dạng gói, mỗi gói có bit chỉ thị đầu gói, chỉ thị cuối gói, các bit đồng bộ và các bit dữ liệu Không như hệ thống FDMA, hệ thống TDMA truyền dẫn dữ liệu không liên tục và chỉ sử dụng cho dữ liệu số và điều chế số

 Các đặc điểm của TDMA:

- TDMA có thể phân phát thông tin theo hai phương pháp là phân định trước

và phân phát theo yêu cầu Trong phương pháp phân định trước, việc phân phát các cụm được định trước hoặc phân phát theo thời gian Ngược lại trong phương pháp phân định theo yêu cầu các mạch được tới đáp ứng khi có cuộc gọi yêu cầu, nhờ đó tăng được hiệu suất sử dụng mạch

- Trong TDMA các kênh được phân chia theo thời gian nên nhiễu giao thoa giữa các kênh lân cận giảm đáng kể

- TDMA sử dụng một kênh vô tuyến để ghép nhiều luồng thông tin thông qua việc phân chia theo thời gian nên cần phải có việc đồng bộ hóa việc truyền dẫn để tránh trùng lặp tín hiệu Ngoài ra, vì số lượng kênh ghép tăng nên thời gian trễ do truyền dẫn đa đường không thể bỏ qua được, do đó sự đồng bộ phải tối ưu

1.1.2.2 Hệ thống sử dụng đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

Đối với hệ thống CDMA, tất cả người dùng sẽ sử dụng cùng lúc một băng tần Tín hiệu truyền đi sẽ chiếm toàn bộ băng tần của hệ thống Tuy nhiên, các tín hiệu của mỗi người dùng được phân biệt với nhau bởi các chuỗi mã Thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi, mà không sợ gây nhiễu lẫn

nhau Kênh vô tuyến CDMA được dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN Trong hệ thống CDMA, tín hiệu bản tin băng hẹp được nhân với tín hiệu băng thông rất rộng, gọi là tín trải phổ Tín hiệu trải phổ là một chuỗi mã giả ngẫu nhiên mà tốc độ chip của nó rất lớn so với tốc độ dữ liệu Tất cả các người dụng trong một hệ thống CDMA dùng chung tần số sóng mang và có thể được phát đồng thời Mỗi người sử dụng có một từ mã giả ngẫu nhiên riêng của người sử dụng mã và được xem là trực giao với các từ mã khác Tại máy thu, sẽ có một từ mã đặc trưng được tạo ra để tách sóng tín hiệu có từ mã giả ngẫu nhiên tương quan với người sử dụng mã Tất cả các

mã khác được xem như là nhiễu Để khôi phục lại tín hiệu thông tin, máy thu cần phải biết từ mã dùng ở máy phát Mỗi thuê bao vận hành một cách độc lập mà không cần biết các thông tin của máy khác

 Đặc điểm của CDMA:

- Chất lượng thoại cao hơn, dung lượng hệ thống tăng đáng kể (có thể gấp từ 4 đến 6 lần hệ thống GSM), độ an toàn (tính bảo mật thông tin) cao hơn do sử dụng dãy mã ngẫu nhiên để trải phổ, kháng nhiễu tốt hơn, khả năng thu đa đường tốt hơn, chuyển vùng linh hoạt Do hệ số tái sử dụng tần số là 1 nên không cần phải quan tâm đến vấn đề nhiễu đồng kênh

- CDMA không có giới hạn rõ ràng về số người sử dụng như TDMA và FDMA Còn ở TDMA và FDMA thì số người sử dụng là cố định, không thể tăng thêm khi tất cả các kênh bị chiếm

- Hệ thống CDMA ra đời đã đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn dịch vụ thông tin

di động tế bào

1.1.2.3 Mạng thông tin di động 2.5G

Là thế hệ kết nối thông tin di động bản lề giữa 2G và 3G Chữ số 2.5G chính

là biểu tượng cho việc mạng 2G được trang bị hệ thống chuyển mạch gói bên cạnh

hệ thống chuyển mạch theo kênh truyền thống Nó không được định nghĩa chính thức bởi bất kỳ nhà mạng hay tổ chức nào và chỉ mang mục đích duy nhất là tiếp thị công nghệ mới theo mạng 2G

Mạng 2.5G cung cấp một số lợi ích tương tự mạng 3G và có thể dùng cơ sở

hạ tầng có sẵn của các nhà mạng 2G trong các mạng GSM và CDMA Và tiến bộ duy nhất chính là GPRS - công nghệ kết nối trực tuyến, lưu chuyển dữ liệu được dùng bởi các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông GSM Bên cạnh đó, một vài giao thức, chẳng hạn như EDGE cho GSM và CDMA2000 1x-RTT cho CDMA, có thể đạt được chất lượng gần như các dịch vụ cơ bản 3G (bởi vì chúng dùng một tốc độ truyền dữ liệu chung là 144 kbit/s), nhưng vẫn được xem như là dịch vụ 2.5G (hoặc

là nghe có vẻ phức tạp hơn là 2.75G) bởi vì nó chậm hơn vài lần so với dịch vụ 3G thực sự

* EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution), hay còn gọi là EGPRS, là một

công nghệ di động được nâng cấp từ GPRS - cho phép truyền dự liệu với tốc độ có thể lên đến 384 kbit/s dành cho người dùng cố định hoặc di chuyển chậm, 144kbit/s cho người dùng di chuyển với tốc độ cao Trên đường tiến đến 3G, EDGE được biết đến như là công nghệ 2.75G Thực tế bên cạnh điều chế GMSK, EDGE dùng phương thức điều chế 8-PSK để tăng tốc độ dữ liệu truyền Chính vì thế, để triển khai EDGE, các nhà cung cấp mạng phải thay đổi trạm phát sóng BTS cũng như là thiết bị di động so với mạng GPRS

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G)

Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một giai đoạn trung gian là thế hệ 2.5G sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiều khe hoặc nhiều tần số, hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể chồng lên

phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng đã được đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x Ở thế hệ thứ 3 này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s Để phân biệt với các hệ thống thông tin

di động băng hẹp hiện nay, các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 gọi là các hệ thống thông tin di động băng rộng

Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 đã được

đề xuất, trong đó 2 hệ thống W-CDMA và CDMA2000 đã được ITU chấp thuận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu của những thập kỷ 2000 Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ 3

 W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là sự nâng cấp của các hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, IS-136

 CDMA2000 là sự nâng cấp của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ CDMA: IS-95

 Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau:

- 384 Kb/s đối với vùng phủ sóng rộng

- 2 Mb/s đối với vùng phủ sóng địa phương

 Các tiêu chí chung để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G):

- Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:

 Đường lên : 1885-2025 MHz

 Đường xuống : 2110-2200 MHz

- Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến:

 Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến

 Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông

- Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài đường, trên xe, vệ tinh

- Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:

 Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment) trên

cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu

 Đảm bảo chuyển mạng quốc tế

 Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch theo gói

- Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện

1.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G)

Hệ thống thông tin di động chuyển tử thế hệ 3 sang thế hệ 4 qua giai đoạn trung gian là thế hệ 3,5 có tên là mạng truy nhập gói tốc độ cao HSPA Thế hệ 4 là công nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối

đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1Gb/s cho đến 1.5 Gb/s Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mb/s khi

di chuyển và tới 1 Gb/s khi đứng yên, cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên hình ảnh động chất lượng cao Chuẩn 4G cho phép truyền các ứng dụng phương tiện truyền thông phổ biến nhất, góp phần tạo nên các những ứng dụng mạnh mẽ cho các mạng không dây nội bộ (WLAN) và các ứng dụng khác

Thế hệ 4 dùng kỹ thuật OFDM, là kỹ thuật nhiều tín hiệu được gởi đi cùng một lúc nhưng trên những tần số khác nhau Trong kỹ thuật OFDM, chỉ có một thiết

bị truyền tín hiệu trên nhiều tần số độc lập (từ vài chục cho đến vài ngàn tần số) Thiết bị 4G sử dụng máy thu vô tuyến xác nhận bởi phần mềm SDR (Software - Defined Radio) cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn bằng cách dùng đa kênh đồng thời Tổng đài chuyển mạch mạng 4G chỉ dùng chuyển mạch gói, do đó, giảm trễ thời gian truyền và nhận dữ liệu

Dưới đây là hình lộ trình phát triển cảu hệ thống thông tin di động tế bao bắt đầu từ hệ thống thông tin thế hệ một đến hệ thống thông tin thế bố

Hình 1.1: Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào[2]

1.2 Tổng quan về mạng thông tin di động 4G LTE

Công nghệ 4G là 1 công nghệ di động tiên tiến cho phép người dùng xem được video hoặc nghe được âm thanh chất lượng cao thông qua giao tức internet (internet protocol) end-to-end (từ đầu này sang đầu kia, từ nguồn tới đích) Tốc độ chuyển tài dữ liệu nhanh hơn mạng 3G hiện tại từ 4 đến 10 lần

 Một vài tính năng nổi bật mạng 4G:

- Hệ thống quan phổ hiệu quả

- Dung lượng mạng cao

- Tỷ lệ chuyển giao dữ liệu lớn

- Dịch vụ chất lượng cao

- Bảo mật và tính cá nhân cao

Trong tương lai, mạng di động LTE Advance, WiMax (nhánh khác của 4G)… sẽ là những thế hệ tiến bộ hơn nữa, cho phép người dùng truyền tải các dữ liệu HD, xem tivi tốc độ cao, trải nghệm web tiên tiến hơn cũng như mang lại cho người dùng nhiều tiện lợi hơn nữa từ chính chiếc di động của mình

LTE Advanced là ứng viên cho chuẩn IMT-Advanced, mục tiêu của nó là hướng đến đáp ứng được yêu cầu của ITU LTE Advanced có khả năng tương thích với thiết bị và chia sẻ băng tần với LTE phiên bản đầu tiên

Di động WiMAX (IEEE 802 16e-2005) là chuẩn truy cập di động không dây băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ bít đỉnh đường xuống là 128 Mb/s và 56 Mbps cho đường xuống với độ rộng băng thông hơn 20 MHz

UMB (Ultra Mobile Broadband) : UMB được các tổ chức viễn thông của Nhật Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hãng như AlcatelLucent, Apple, Motorola, NEC và Verizon Wireless phát triển từ nền tảng CDMA UMB có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz đến 20 MHz và làm việc ở nhiều dải tần số, với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288 Mb/s cho luồng xuống và 75 Mb/s cho luồng lên với độ rộng băng tần sử dụng là 20 MHz Qualcomm là hãng đi đầu trong nỗ lực phát triển UMB, mặc dù hãng này cũng đồng thời phát triển cả công nghệ LTE

 Các mục tiêu mà 4G hướng đến :

- Băng thông linh hoạt giữa 5 MHz đến 20 MHz, có thể lên đến 40 MHz

- Tốc độ được quy định bởi ITU là 100 Mb/s khi di chuyển tốc độ cao và 1 Gb/s đối với thuê bao đứng yên so với trạm

- Tốc độ dữ liệu ít nhất là 100 Mbps giữa bất kỳ hai điểm nào trên thế giới

- Hiệu suất phổ đường truyền là 15bit/s/Hz ở đường xuống và 6.75 bit/s/Hz ở đường lên (có nghĩa là 1000 Mb/s ở đường xuống và có thể nhỏ hơn băng thông 67 MHz)

- Hiệu suất sử dụng phổ hệ thống lên đến 3 bit/s/Hz/cell ở đường xuống và 2.25 bit/s/Hz/cell cho việc sử dụng trong nhà

- Chuyển giao liền (Smooth handoff) qua các mạng hỗn hợp

- Kết nối liền và chuyển giao toàn cầu qua đa mạng

- Chất lượng cao cho các dịch vụ đa phương tiện như âm thanh thời gian thực, tốc độ dữ liệu cao, video HDTV, TV di động…

- Tương thích với các chuẩn không dây đang tồn tại

- Tất cả là IP, mạng chuyển mạch gói, không còn chuyển mạch kênh nữa

1.3 Kết luận chương

Chương này đã trình bày sự phát triển, những nét đặc trưng và ưu nhược điểm của các mạng thông tin di động thế hệ 1, 2, 3 và 4G, Đồng thời đã giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin di động thế hệ 4G LTE, nêu được tính năng nổi bật

và các mục tiêu hướng đến trong tương lai

CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC MẠNG 4G LTE VÀ CÁC VẤN ĐỀ

10 - LTE Advanced đường xuống có thể đạt được trên 1 Gb/s

2.1 Kiến trúc mạng 4G LTE

2.1.1 Cấu hình kiến trúc hệ thống cơ sở

Kiến trúc tổng quan mạng bao gồm các phần tử mạng và các giao diện chuẩn Tại mức cao, mạng gồm mạng lõi CN (EPC: Evolved Packet Core: lõi gói)

và mạng truy nhập (E-UTRAN: Evolved UTRAN) Trong khi CN gồm nhiều nút logic thì mạng truy nhập chỉ có một kiểu nút: eNodeB Mỗi phần từ mạng được nối với nhau qua các giao diện chuẩn để đảm bảo tương tác giữa các nhà bán máy Vì thế các nhà khai thác mạng có thể lựa chọn các phần tử mạng khác nhau từ các nhà bán máy khác nhau

Hình 2.1 cho thấy kiến trúc bao gồm bốn miền chính: (1) thiết bị người sử dụng (UE: User Equipment), (2) mạng truy nhập vô tuyến UMTS phát triển (E-UTRAN), (3) mạng lõi gói phát triển (EPC) và (4) miền các dịch vụ

(chỉ khi S5/S8

là PMIP)

Hình 2.1: Kiến trúc mạng 4G LTE[1]

Các miền kiến trúc mức cao có chức năng giống như các chức năng hiện có

trong các hệ thống 3GPP Phát triển kiến trúc mới chủ yếu tập trung lên mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi: E-UTRAN và EPC Các miền UE và dịch vụ không đổi

về mặt kiến trúc

UE, E-UTRAN và EPC cùng nhau thể hiện lớp kết nối giao thức internet (IP) Phần này cũng còn được gọi là Hệ thống gói phát triển (EPS: Evolved Packet System) Chức năng chính của lớp này là cung cấp kết nối dựa trên IP Tất cả các dịch vụ đều được cung cấp trên đỉnh IP Các công nghệ IP cũng là các công nghệ ngự trị trong truyền tải, tại đây tất cả đều được thiết kế để hoạt động trên đỉnh của truyền tài IP

Phân hệ đa phương tiện IP (IMS: IP Multimedia Sub-System) là thí dụ rõ ràng nhất về bộ máy dịch vụ được sử dụng trong lớp kết nối dịch vụ để cung cấp các dịch vụ trên đỉnh kết nối IP do các lớp thấp hơn cung cấp Thí dụ, để hỗ trợ dịch

vụ thoại, IMS có thể cung cấp thoại trên IP (VoIP) và kết nối với các mạng chuyển mạch dịch vụ kênh PSTN và ISDN thông qua các cổng phương tiện (MGW) mà nó điều khiển

Nghiên cứu phát triển trong E-UTRAN tập trung lên một nút, nút B phát triển (eNodeB: Evolved Node B) eNodeB là điểm kết cuối cho tất cả các giao thức

vô tuyến E-UTRA đơn giản là một lưới các eNodeB được nối với nhau qua giao diện X2

Một trong số các thay đổi lớn của kiến trúc trong vùng mang lõi là EPC không chứa miền chuyển mạch kênh Về mặt chức năng, EPC tương đương như như miền chuyển mạch gói của các mạng 3GPP hiện có Tuy nhiên có các thay đổi đáng

kể trong việc tổ chức các chức năng và hầu hết các nút và có thể coi rằng kiến trúc của phần này là hoàn toàn mới

Cổng SAE GW bao gồm hai cổng: (1) cổng phục vụ (Serving Gateway) và cổng mạng số liệu gói (P-GW) được định nghĩa để xử lý mặt phẳng người sử dụng (UP) trong EPC Cũng có thể thực hiện chúng chung như là một SAE-GW, nhưng chúng cũng có thể hoạt động tách biệt và nối với nhau qua một giao diện chuẩn

2.1.1.1 Thiết bị người sử dụng, UE

UE là thiết bị mà người sử dụng đầu cuối sử dụng để thông tin UE chứa USIM USIM là một ứng dụng được đặt trong một thẻ thông minh tháo rời được và được gọi là UICC (Universal IC Card: thẻ vi mạch vạn năng) USIM được sử dụng

để nhận dạng và nhận thực người sử dụng cũng như để rút ra các khóa an ninh để bảo vệ truyền dẫn trên giao diện vô tuyến

Về mặt chức năng, UE là một nền tảng cho các ứng dụng thông tin như báo hiệu với mạng về thiết lập, duy trì và giải phóng các liên kết thông tin mà người sử dụng đầu cuối cần Báo hiệu bao gồm cả các chức năng quản lý di động như chuyển giao và báo cáo vị tri máy đầu cuối và thực hiện các chức năng theo chỉ thị từ mạng Các giao thức hoạt động giữa UE và mạng lõi được gọi là các giao thức tầng không truy nhập (NAS: Non-Access Stratum)

2.1.1.2 eNodeB

Nút duy nhất trong E-UTRAN là eNodeB (evolved Node B: Nút B phát triển) eNodeB là trạm gốc vô tuyến chịu trách nhiệm điều khiển tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến trong phần cố định của hệ thống eNodeB thông

thường được phân bố trên các vùng phủ sóng của mạng, eNodeB được đặt gần các anten vô tuyến thực tế

Về mặt chức năng eNodeB hoạt động như một cầu nối lớp 2 giữa UE và EPC

và là điểm kết cuối của tất cả các giao thức vô tuyến hướng đến UE và chuyển tiếp

số liệu giữa kết nối vô tuyến và kết nối dựa trên IP tương ứng đến EPC Trong vai trò này, eNodeB thực hiện mật mã hóa/giải mật mã hóa số liệu và đồng thời nén/giải nén tiêu đề IP

eNodeB cũng chịu trách nhiệm cho nhiều chức năng của mặt phẳng điều khiển (CP) eNodeB chịu trách nhiệm quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM: Radio Resource Management), nghĩa là điều khiển mức độ sử dụng giao diện vô tuyến bao gồm: ấn định các tài nguyên vô tuyến theo yêu cầu, đặt mức ưu tiên và lập biểu lưu lượng theo chất lượng dịch vụ (QoS) yêu cầu và thường xuyên giám sát tình trạng

sử dụng tài nguyên

Ngoài ra, eNodeB còn có một vai trò quan trọng trong quản lý di động (MM: Mobility Management) eNodeB điều khiển và phân tích các đo đạc mức tín hiệu vô tuyến do UE thực hiện, tự mình thực hiện đo đạc tương tự và dựa trên các kết quả

đo đạc này đưa ra quyết định chuyển giao UE giữa các ô Quá trình này bao gồm trao đổi báo hiệu giữa các eNodeB và MME Khi một UE mới tích cực trong một eNodeB và yêu cầu kết nối đến mạng, eNodeB cũng chịu trách nhiệm định tuyến yêu cầu này đến MME trước đây đã phục vụ UE này hoặc chọn một MME mới nếu không có tuyến đến MME trước đây hoặc không có thông tin định tuyến

2.1.1.3 Thực thể quản lý di động (MME)

MME là một nút điều khiển để xử lý quá trình báo hiệu giữa UE và mạng lõi, nó chịu trách nhiêm cho tất cả các chức năng của mặt phẳng điều khiển liên quan đến quản lý thuê bao và quản lý phiên Xét cề chức năng nhiệm vụ, MME hỗ

trợ các quá trình sau:

 Các thủ tục an ninh: Liên quan đến nhận thực người sử dụng đầu cuối cũng

như khởi đầu các giải thuật mật mã và bảo vệ tính toàn vẹn

 Xử lý phiên giữa UE đến mạng: Liên quan đến tất cả các thủ tục báo hiệu

để thiết lập ngữ cảnh số liệu gói (Packet Data Context) và đàm phán các

thông số liên quan như QoS

 Quản lý di động khi UE rỗi: Liên quan đến quá trình cập nhật vùng theo

bám (TA) để có thể tìm gọi đầu cuối cho các phiên vào

Có thể phân lọai các chức năng chính mà MME hỗ trợ như sau:

 Các chức năng liên quan đến quản lý kênh mang: Bao gồm thiết lập, duy

trì và giải phóng các kênh mang và được xử lý bởi lớp quản lý phiên trong giao thức NAS

 Các chức năng liên quan đến quản lý kết nối và di động:Bao gồm thiết

lập kết nối, an ninh giữa mạng và UE và di động, đựơc xử lý bởi lớp quản lý kết nối hay di động trong lớp giao thức NAS

2.1.1.4 Cổng phục vụ, S-GW

Xét về chức năng thì S-GW là điểm kết cuối của giao diện số liệu gói tới UTRAN S-GW đóng vai trò như một neo di động nội hạt cho các kênh mang số liệu khi UE chuyển động giữa các eNodeB Điều này có nghĩa là tất cả các gói IP của người sử dụng đều được chuyển qua S-GW cho di động nội E-UTRAN và di động với các công nghệ 3GPP khác như 2G GPRS và 3G UMTS Nó cũng giữ lại thông tin về các kênh mang nói trên khi UE trong trạng thái rỗi (được gọi là ECM-IDLE) và nhớ đệm tạm thời số liệu đường xuống khi MME khởi xướng tìm gọi UE

E-để thiết lập các kênh mang Ngoài ra S-GW thực hiện một số chức năng quan trọng trong mạng khách như thu thập thông tin tính cứơc (khối lượng số liệu được phát hay được nhận tại UE) và chặn theo luật

2.1.1.5 Cổng mạng số liệu gói, P-GW

Giống như S-GW, P-GW là điểm kết cuối của giao diện số liệu gói đến mạng số liệu gói (PDN) Với vai trò là một điểm neo cho các phiến đến các mạng số liệu gói bên ngoài, P-GW cũng hỗ trợ các tính năng thực thi chính sách (thực hiện các quy tắc được nhà khai thác định nghĩa để ấn định tài nguyên và mức độ sử dụng) cũng như lọc (giảm sát gói để phát hiện chữ ký virus) và hỗ trợ tính cước phát

triển như tính cứơc cho từng URL (Uniform Resource Locator: định vị tài nguyên đồng nhất, dùng để nhận dạng một tài nguyên internet khả dụng chẳng hạn như địa

chỉ của các trang WEB)

2.1.1.6 Chức năng các quy tắc chính sách và tính cước , PCRF

Chịu trách nhiệm quyết định điều khiển chính sách cũng như điều khiển các chức năng tính cước theo luồng trong PCEF (Chức năng thực thi điều khiển chính sách) nằm trong P-GW PCRF đảm bảo trao quyền QoS (nhận dạng loại QoS và tốc

độ bit), nó quyết định cách thức xử lý một luồng số liệu trong PCEF và đảm bảo rằng điều này phù hợp với hồ sơ thuê bao của người sử dụng

2.1.1.7 Server thuê bao nhà, HSS

HSS chứa số liệu đăng ký thuê bao của người sử dụng như: hồ sơ QoS đăng

ký bởi EPS và các hạn chế truy nhập đối với chuyển mạng Ngoài ra nó cũng chứa thông tin về các PDN (mạng số liệu gói) mà UE có thể kết nối Đây có thể là APN (Access Point Name: điểm truy nhập mạng) (được đánh nhãn theo các quy ước đặt tên DNS để mô tả điểm truy nhập đến PDN) hay một địa chỉ PDN (chỉ thị địa chỉ IP được đăng ký) Ngoài ra HSS có lưu thông tin động như số nhận dạng MME mà hiện thời UE đang đăng nhập hay đăng ký HSS cũng có thể liên kết với trung tâm nhận thực (AuC) nơi tạo ra các vectơ cho nhận thực và các khóa an ninh

 Miền phục vụ

Miền phục vụ có thể bao gồm các phân hệ khác nhau, mỗi phân hệ này chứa một số nút logic Dưới đây ta sẽ phân loại các kiểu dịch vụ có thể có và mô tả ngắn gọn kiểu hạ tần cần có để cung cấp các dịch vụ này:

- Các dịch vụ dựa trên IMS:

Phân hệ đa phương tiện IP (IMS) là một bộ máy dịch vụ mà người sử dụng

có thể sử dụng để cung cấp các dịch vụ sử dụng Giao thức khởi đầu phiên (SIP)

IMS có kiến trúc được 3GPP định nghĩa

- Các dịch vụ không dựa trên IMS:

Kiến trúc cho các dịch vụ của nhà khai thác không dựa trên IMS không được định nghĩa trong tiêu chuẩn Nhà khai thác có thể đơn giản đặt một server và mạng của mình và các UE nối đến server này thông qua một giao thức được thỏa thuận nào đó và được hỗ trợ bởi ứng dụng trong UE Dịch vụ luồng video do một server

luồng cung cấp là một thí dụ

- Các dịch vụ khác không do nhà khai thác di động cung cấp:

Các dịch vụ được cung cấp qua internet chẳng hạn Các chuẩn 3GPP không

đề cập đến kiến trúc này và kiến trúc này phụ thuộc vào yêu cầu dịch vụ Cấu hình điển hình là một UE nối đến một server trong internet chẳng hạn đến một web-

server cho dịch vụ trình duyệt hay tới một SIP server cho điện thoại internet (VoIP)

2.1.2 Các kiến trúc chuyển mạng và tương tác giữa các mạng

Mạng được vận hành bởi một nhà khai thác trong một quốc gia đựơc gọi là mạng di động công cộng mặt đất (PLMN: Public Land Mobile Network) Chuyển mạng là quá trình xấy ra khi một người sử dụng được phép nối đến các PLMN khác với PLMN mà người này trực tiếp đăng ký

2.1.2.1 Chuyển mạng giữa các mạng 4G LTE/SAE

Trong kiến trúc này, người sử dụng chuyển mạng được nối đến E-UTRAN, MME và S-GW của một mạng LTE/SAE khách Tuy nhiên LTE/SAE cho phép sử dụng P-GW của hoặc mạng khách hoặc mạng nhà Sử dụng P-GW mạng nhà cho phép người sử dụng truy nhập các dịch vụ của nhà khai thác mạng nhà thậm chí khi người này đang ở mạng khách P-W trong mạng khách cho phép chuyển đến Internet trong mạng khách

Hình 2.2 cho thấy kiến trúc hỗ trợ các trường hợp chuyển mạng với P-GW mạng nhà Trong thí dụ này, người sử dụng đăng ký đến “mạng a” nhưng lại đang ở vùng phủ sóng của “mạng khách ” Trường hợp này xẩy ra khi người sử dụng đang

di động tại một nước khác hay trong trường hợp chuyển mạng trong nước giữa hai nhà khai thác Trong các trường hợp chuyển mạng này, một phần phiên được xử lý bởi mạng khách Quá trình này bao gồm sự hỗ trợ của mạng truy nhập E-UTRAN,

xử lý báo hiệu phiên bởi MME và định tuyến mặt phẳng người sử dụng thông qua các nút S-GW địa phương Nhờ MME và S-GW địa phương, mạng khách có thể thiết lập và gửi đi các biên lai cước đến nhà khai thác mạng nhà của thuê bao dựa trên khối lượng số liệu được truyền và chất lượng dịch vụ được ấn định

Tuy nhiên vì đầu cuối không đăng ký thuê bao với mạng khách, MME phải liên kết với HSS của mạng nhà để tối thiểu là lấy thông tin an ninh đặc thù cho thuê bao cần thiết cho nhận thực và mật mã Trong kiến trúc chuyển mạng này, tuyến của phiên đi qua P-GW của mạng trên giao diện S8 để có thể áp dụng các quy tắc chính sách và tính cước trong mạng nhà tương ứng với các thông số đăng ký cua rngười sử dụng

S8 trong mô hình này hỗ trợ cả truyền báo hiệu và số liệu giữa S-GW khách

và P-GW mạng nhà Quy định này thực chất được xây dựng dựa trên giao diện Gp được định nghĩa trong kiến trúc chuyển mạng lõi 2G và 3G UMTS giữa SGSN

Hình 2.2: Kiến trúc chuyển mạng với P-GW trong mạng nhà[1]

Tóm lại, trong kiến trúc này mạng khách cung cấp kết nối truy nhập (bao gồm các thủ tục báo hiệu phiên cơ sở được hỗ trợ bởi MME với hỗ trợ của HSS), còn mạng nhà vẫn cung cấp truy nhập đến mạng ngoài kể cả đến các dịch vụ dựa trên IMS

Trong kiến trúc này P-GW nhà đóng vai trò neo vì thế lưu lượng vẫn phải định tuyến qua P-SW nhà Trong trường hợp S-GW khách cách xa P-GW nhà định tuyến này không hiệu quả, nên để tối ưu hóa định tuyến tránh truyền vòng qua mạng nhà chuẩn 3GPP cho phép định tuyến lưu lượng qua P-GW khách Trường hợp này được gọi là truyền xuyên tại chỗ (Local Breakout) được minh họa trên hình 2.3 Trong trường hợp này cả P-GW VÀ S-DW đêu thuộc mạng khách PCRF nhận chính sách QoS và thông tin điều khiển tính cước qua giao diện S11

 Kiến trúc tương tác và di động với 2G/3G

Kiến trúc tương tác với các mạng 2G và 3G GPRS/UMTS được cho trên hình 2.4 Trong kiến trúc này S-GW hoạt động như là một neo di động cho tương tác với các công nghệ 3GPP như GSM và UMTS Kiến trúc này đưa ra hai giao

diện: S3 và S4 Giao diện S3 hỗ trợ trao đổi thông tin về người sử dụng và kênh mang giữa SGSN và MME, vì khi này UE đang chuyển từ một kiểu truy nhập đến một kiểu truy nhập khác Chẳng hạn các thông tin về ngữ cảnh người sử dụng và các kênh mang được trao đổi giữa hai nút để MME phục vụ mới hay SGSN có thế nhận được tất cả các thông tin cần thiết liên quan đến phiên đang xầy ra Giao diện S3 được xây dựng dựa trên giao diện Gn được thiết kế cho kiến trúc lõi gói 2G/3G

để hỗ trợ di động giữa các nút SGSN Giao diện S4 liên quan đến mặt phẳng người

sử dụng S4 hỗ trợ truyền gói giữa SGSN và S-GW, trong đó S-GW đáng vai trò điểm neo trong kiến trúc EPC Nhì từ SGSN, S-GW có vai trò rất giống với SGSN

Vì thế S4 được xây dựng dựa trên giao diện Gn được định nghiữa cho các nút SGSN và GGSN của lõi gói 2G/3G

Các mạng ngoài

Gx

Gxc (chỉ khi S5/S8

S3

S1-U S1-MME S12 Iu-PS Gb/Iu-PS

Abis Iub

 Kiến trúc tương tác với các mạng không phải 3GPP

Hình 2.5 trình bày kiến trúc cung cấp kết nối IP đến lõi gói phát triển (EPC) bằng cách sử dụng kiểu truy nhập không phải 3GPP Kiến trúc này không phụ thuộc vào công nghệ truy nhập, vì thế nó được áp dụng cho các kiểu truy nhập khác nhau như WiFi, WiMAX và cdma 2000 Trên hình 2.5 (hình giữa và hình bên phải) ta thấy có hai mô hình hỗ trợ các mang truy nhập không phải 3GPP: mô hình tin tưởng

và mô hình không tin tưởng Mạng truy nhập không phải 3GPP tin tưởng là mạng truy nhập không phải 3GPP có khả năng thực hiện đặc tả kiến trúc an ninh 3GPP R8 dành cho các mạng truy nhập không phải 3GPP Các thủ tục an ninh này được thực hiện trên giao tiện STa Mạng truy nhập không tin tưởng là mạng không đáp ứng đựơc yêu cầu trên, thường là mạng cdma2000 hoặc một mạng WLAN nội bộ của một nhà kinh doanh nào đó

Trong kiến trúc truy nhập đến mạng không phải 3GPP được tin tưởng, P -GW phục vụ như là một neo đảm bảo di động liên tục đến các mạng không phải 3GPP như cdma200, WiMAX hay Wifi P-GW cũng có thể hỗ trợ một giao diện dựa trên PMIP (Proxy Moblie Internet Protcol: IP di động đại diện) Về phía đầu cuối, hầu như không có thay đổi ngoại trừ phải bổ sung thêm không nhiều một số thích ứng phần mềm Còn về phía mạng một số nút và một số giao diện mới được bổ sung để

hỗ trợ các kiểu truy nhập không phải 3GPP Nút AAA (Authentication, Authorization and Accounting: nhận thực, trao quyền và thanh toán) sẽ hỗ trợ cho điều khiển nhận thực và truy nhập dựa trên các giao thức của IETF nhưng sử dụng các thông tin được lưu trong 3GPP UICC (UMTS IC card trong UE) để nhận thực đầu cuối đầu cuối với các đầu cuỗi không phải 3GPP (WLAN chẳng hạn) Vì thế AAA server phải truy nhập đến HSS qua giao diện SWx để nhận thông tin liên quan đến đăng ký thuê bao và các vectơ nhận thực Giao diện STa giữa 3GPP AAA server và mạng truy nhập đựơc tin tưởng được định nghĩa cho mục đích truyền tải thông tin về nhận thực, trao quyền và tính cước một cách an ninh Mô hình này không cần S-GW và MME Quản lý vị trí đầu cuối do mạng truy nhập không phải 3GPP chịu trách nhiệm và báo hiệu phiên gói cũng không cần sự hỗ trợ của 3GPP

EPC (ngoại trừ việc cung cấp thông tin an ninh 3GPP) Đối với điểm truy nhập 802.11 Wifi, liên kết người sử dụng (quá trình trong đó đầu cuối Wifi kết nối đến một điểm truy nhập), các tính năng an ninh cũng như các giao thức vô tuyến được chính điểm truy nhập xử lý

Ngoài mô hình tin tưởng, chuẩn cũng đinh nghĩa một mô hình khác cho mạng truy nhập không tin tưởng Mô hình này đựơc trình bầy trên hình bên phải của hình 2.3 Thí dụ về trường hợp này có thể là một cơ sở kinh doanh nào đó triển khai một WLAN cho sử dụng nội bộ nhưng muốn có kết nối 3GPP cho một số khách hàng Trong trường hợp này, để kết nối giữa WLAN và 3GPP cần đảm bảo tính toàn vẹn và an ninh của hạ tầng 3GPP Đối với mô hình không tin tưởng, nút EPDG (Evolved Packet Data Gateway: cổng số liệu gói tăng cường) được bổ sung EPDG

có nhiệm vụ thiết lập tunnel an ninh để truyền số liệu của người sử dụng với đầu cuối sử dụng IPsec và lọc lưu lượng bất hợp pháp

UE

X2

Các mạng ngoài

Các dịch vụ

P-GW

S-GW MME

PCRF

3GPP AAA

Truy nhập không phải 3GPP không tin tưởng

S2b

Gxb

SWm

SWd SWx S6b

EPC SAE GW

Hình 2.5: Kiến trúc hệ thống 4G LTE/SAE tương tác với các mạng không phải 3GPP

khác[1]

2.2 Các kỹ thuật truy nhập sử dụng trong LTE

2.2.1 Kỹ thuật đa truy nhập đường xuống OFDMA

2.2.1.1 OFDMA

Kế hoạch truyền dẫn đường xuống cho E-UTRAN chế độ FDD và TDD là được dựa trên OFDM truyền thống Trong hệ thống OFDM, phổ tần có sẵn được chia thành nhiều sóng mang được gọi là các sóng mang con Mỗi sóng mang con được điều chế độc lập bởi một dòng dữ liệu tốc độ thấp OFDM cũng được sử dụng trong WLAN, WIMAX và các công nghệ truyền quảng bá như DVB OFDM có một số lợi ích như độ bền của nó với phađing đa đường và kiến trúc thu nhận hiệu quả của nó Hình 2.6 cho thấy một minh họa của một tín hiệu OFDM Trong hình này một tín hiệu với băng thông 5MHz được biểu thị, nhưng nguyên tắc là tương tự như cho các băng thông E-UTRAN khác Các ký hiệu dữ liệu được điều chế một cách độc lập và được truyền qua một số lượng lớn của các sóng mang con trực giao đặt gần nhau Trong E-UTRAN các phương án điều chế cho đường xuống QPSK, 16 QAM và 64QAM là sẵn có

Hình 2.6: Biểu diễn tần số - thời gian của một tín hiệu OFDM[3]

Trong miền thời gian, một khoảng bảo vệ có thể được thêm vào mỗi ký hiệu

để chống lại nhiễu liên ký hiệu OFDM do kênh lan truyền trễ Trong E-UTRAN, các khoảng bảo vệ là một tiền tố vòng mà được chèn vào trước mỗi ký hiệu OFDM Trong thực tế, tín hiệu OFDM có thể được tạo ra bằng cách sử dụng IFFT (biến đổi Fourier nhanh nghịch đảo) IFFT chuyển đổi số lượng N các ký hiệu dữ liệu phức được sử dụng để biến đổi tín hiệu miền tần số sang tín hiệu miền thời gian N điểm

IFFT được minh họa như trong Hình 2.7, nơi mà có a(mN+n) tham chiếu tới ký hiệu dữ liệu điều chế sóng mang con thứ n, trong khoảng thời gian

mTU < t ≤ (m + 1)TU

Hình 2.7: Sự tạo ra ký hiệu OFDM có ích sử dụng IFFT[1]

Vector Sm được xác định là ký hiệu OFDM có ích Nó là sự chồng chất về mặt thời gian của N các sóng mang con được điều chế băng hẹp Vì vậy, từ một dòng song song của N nguồn dữ liệu, mỗi nguồn được điều chế một cách độc lập, một dạng sóng bao gồm N các sóng mang con trực giao được hình thành

Hình 2.8 minh họa sự ánh xạ từ một luồng nối tiếp các ký hiệu QAM đến N các luồng song song, sử dụng như là miền tần số cho IFFT N điểm các khối miền thời gian thu được từ IFFT sau đó được xếp theo thứ tự để tạo ra một tín hiệu miền thời gian Điều này không được biểu diễn trong Hình 2.8, nó là một quá trình chèn vào tiền

tố vòng

Hình 2.8: Sự tạo ra chuỗi tín hiệu OFDM[1]