Thiết kế, quy hoạch mạng thông tin di động 4G Vinaphone tại Hưng Yên (Luận văn thạc sĩ)

Thiết kế, quy hoạch mạng thông tin di động 4G Vinaphone tại Hưng YênThiết kế, quy hoạch mạng thông tin di động 4G Vinaphone tại Hưng YênThiết kế, quy hoạch mạng thông tin di động 4G Vinaphone tại Hưng YênThiết kế, quy hoạch mạng thông tin di động 4G Vinaphone tại Hưng YênThiết kế, quy hoạch mạng thông tin di động 4G Vinaphone tại Hưng YênThiết kế, quy hoạch mạng thông tin di động 4G Vinaphone tại Hưng YênThiết kế, quy hoạch mạng thông tin di động 4G Vinaphone tại Hưng YênThiết kế, quy hoạch mạng thông tin di động 4G Vinaphone tại Hưng YênThiết kế, quy hoạch mạng thông tin di động 4G Vinaphone tại Hưng YênThiết kế, quy hoạch mạng thông tin di động 4G Vinaphone tại Hưng YênThiết kế, quy hoạch mạng thông tin di động 4G Vinaphone tại Hưng Yên

Nguyễn Hải Nam

THIẾT KẾ, QUY HOẠCH MẠNG THÔNG TIN

DI ĐỘNG 4G VINAPHONE TẠI HƯNG YÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI – 2019

Nguyễn Hải Nam

THIẾT KẾ, QUY HOẠCH MẠNG THÔNG TIN

DI ĐỘNG 4G VINAPHONE TẠI HƯNG YÊN

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

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

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Hải Nam

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhấn đến thầy, PGS.TS Nguyễn Tiến Ban, dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy trong suốt quá trình làm luận văn đã cho em rất nhiều kinh nghiệm và kiến thức để giúp em hoàn thành tốt luận văn này

Qua đây, em cũng xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến các thầy cô, và toàn thể cán bộ, giáo viên Khoa Đào tạo Sau đại học đã chỉ dạy em trong suốt thời gian học cao học và nghiên cứu, tạo điều kiện và giúp đỡ em hoàn thành luận văn trong thời gian quy định

Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa học

Do hạn chế về thời gian thực hiện, kiến thức chuyên môn của bản thân nên sẽ khó tránh khỏi sai sót trong quá trình thực hiện luận văn, rất mong được sự đóng góp của các thầy cô, học viên quan tâm đến đề tài này

Chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2018

Tác giả luận văn

Nguyễn Hải Nam

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xi

LỜI NÓI ĐẦU xi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G 2

1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE, LTE Advanced 2

1.2 Mục tiêu thiết kế mạng di động 4G 3

1.2.1 Tiềm năng mạng lưới 3

1.2.2 Hiệu suất mạng lưới 5

1.2.3 Kiến trúc mạng lưới và khả năng mở rộng, nâng cấp 8

1.2.4 Quản lý tài nguyên vô tuyến 9

1.3 Các thông số lớp vật lý của LTE Advanced 9

1.4 Dịch vụ trên nền LTE Advanced 10

1.5 Tình hình triển khai 4G tại Việt Nam 11

1.6 Kết luận 13

CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT TRONG MẠNG 4G 14

2.1 Cấu trúc mạng 4G 14

2.1.1 Cấu trúc cơ bản SAE của LTE 15

2.1.2 Cấu trúc của LTE liên kết với các mạng khác 17

2.2 Các kênh trên giao diện vô tuyến 4G 19

2.2.1 Kênh logic 19

2.2.2 Kênh truyền tải 20

2.2.3 Kênh vật lý 21

2.3 Kiến trúc giao thức 4G 22

2.4 Chuyển giao 25

2.4.1 Mục đích chuyển giao 25

2.4.2 Trình tự chuyển giao 26

2.4.3 LTE Advanced đa sóng mang và MIMO siêu cao 28

2.4.4 Mô hình đường xuống của LTE trong kịch bản đa ô 31

2.5 Kết luận 34

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, QUY HOẠCH MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G VINAPHONE TẠI HƯNG YÊN 35

3.1 Tình hình kinh tế xã hội tỉnh Hưng Yên 35

3.2 Hiện trạng mạng thông tin di động tại Hưng Yên 35

3.3 Mô hình kết nối mạng thông tin di động Vinaphone tại Hưng Yên 37

3.4 Thiết kế, quy hoạch mạng thông tin di động 4G Vinaphone tại Hưng Yên.38 3.4.1 Quy hoạch, định cỡ mạng truyền tải, vô tuyến cho 4G 40

3.4.2 Quy hoạch, định cỡ mạng truyền tải, vô tuyến cho 4G 41

3.4.3 Quy hoạch dung lượng 55

3.4.4 Lắp đặt trạm e-NodeB tận dụng hạ tầng 2G/ 3G có sẵn 56

3.4.5 Phát sóng trạm e-NodeB 57

3.4.6 Đo kiểm vùng phủ sóng, đánh giá chất lượng mạng lưới sau khi phát sóng trạm e-NodeB 58

3.4.7 Trình tự các bước triển khai thực tế tại VNPT Hưng Yên 60

3.5 Kết luận 69

TỔNG KẾT 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

A

ARQ Automatic Repeat-reQuest Yêu cầu phát lại tự động

B

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá

DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng

DL-SCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống DTCH Dedicated Traffic Channel Kênh lưu lượng riêng

E

EPC Evolved Packet Core Mạng lõi gói phát triển EPS Evolved Packet System Hệ thống gói phát triển

E-UTRAN Evolved-UTRAN Mạng truy nhập vô tuyến mặt

đất UMTS phát triển

F

FDD FrequencyDivision Duplex Song công phân chia theo tần

số FDMA Frequency Division Multiple

Access

Đa truy cập phân chia theo tần

số FFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

chung GSM Global System for Mobile Hệ thống di động toàn cầu

H

HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yêu cầu phát lại tự động linh

hoạt HSDPA High Speed Downlink Packet

Access

Truy nhập gói đường xuống

tốc độ cao HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

I

L

LHHAARC LTE Hard Handover Algorithm

with Average RSRP Constraint

Thuật toán chuyển giao cứng LTE với ược lượng RSRP

trung bình

M

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập trung

bình MBMS Multimedia broadcast and

multicast service

Dịch vụ quảng bá và đa hướng phương tiện MCCH Multicast Control Channel Kênh điều khiển đa hướng

MIMO Multi-Input Multi-Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra MME Mobility Management Entity Thực thể quản lý di động MMS Multimedia Messaging Service Dịch vụ tin nhắn đa phương

tiện MTCH Multicast Traffic Channel Kênh lưu lượng đa phương

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

P

PBCH Physical Broadcast Channel Kênh vật lý quảng bá PCCH Paging Control Channel Kênh điều khiển tìm gọi PCFICH Physical Control Format Indicator

Channel

Kênh vật lý chỉ thị khuôn dạng điều khiển

PDCCH Physical Downlink Control

Channel

Kênh vật lý điều khiển đường

xuống

PDSCH Physical Downlink Shared Kênh vật lý chia sẻ đường

Channel xuống PHICH Physical HARQ Indicator Channel Kênh vật lý chỉ thị HARQ

PMCH Physical Multicast Channel Kênh vật lý đa phương PRACH Physical Random Access Channel Kênh vật lý truy nhập ngẫu

nhiên PUCCH Physical Uplink Control Channel Kênh vật lý điều khiển đường

lên PUSCH Physical Uplink Shared Channel Kênh vật lý chia sẻ đường lên

Q

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa chuyển pha vuông góc

R

RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RAT Radio Access Technology Công nghệ truy nhập vô tuyến RLC Radio Link Control Điều khiển kết nối vô tuyến

S

SAE System Architecture Evolution Phát triển kiến trúc mạng SC-FDMA Single Carrier Frequency Division

multiple Access

Đa truy cập phân chia theo tần

số trực giao đơn sóng mang

SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS phục vụ SMS Short Message Services Dịch vụ tin nhắn ngắn

T

TDD Time Division Duplexing Ghép kênh phân chia theo thời

gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo

thời gian

U

Telecommunication System

Hệ thống thông tin di động

toàn cầu UTRAN UTMS Terrestrial Radio Access

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các yêu cầu về hiệu suất phổ và người dùng 5

Bảng 1.2 Yêu cầu về thời gian gián đoạn, LTE-GSM và LTE-WCDMA 8

Bảng 1.3 Các thông số lớp vật lý LTE 10

Bảng 1.4 Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp 10

Bảng 1.5 So sánh dịch vụ của 3G và LTE 10

Bảng 3.1 : Bảng thiết bị đo kiểm chất lượng 4G tại Hưng Yên 59

Bảng 3.2 : Bảng kết quả đo kiểm chất lượng 4G tại Hưng Yên 59

Bảng 3.3: Thiết kế vùng phủ 4G Vinaphone tại Hưng Yên 68

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 : Ưu điểm hệ thống 4G 6

Hình 1.2 : Năng lực phục vụ hệ thống 4G 7

Hình 2.1 So sánh cấu trúc UMTS và LTE 14

Hình 2.2 Kiến trúc mạng 4G LTE/SAE 15

Hình 2.3 Cấu trúc hệ thống 4G LTE/SAE tương tác với các mạng 3GPP khác 18

Hình 2.4 Cấu trúc hệ thống LTE/SAE tương tác với các mạng khác 18

Hình 2.5 Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập 3GPP và liên mạng với CDMA2000 19 Hình 2.6 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng người sử dụng 22

Hình 2.7 Quá trình đóng bao GTP (sử dụng IPv4 để truyền tải GTP) 23

Hình 2.8 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển 24

Hình 2.9 Nguyên tắc chung của các thuật toán chuyển giao 26

Hình 2.10: Các chế độ truy nhập kênh vô tuyến 28

Hình 2.11: MIMO 2x2 không có tiền mã hóa 30

Hình 3.1: Thị phần các doanh nghiệp viễn thông di động trên địa bàn Hưng Yên 36

Hình 3.2 : Đính hướng băng rộng cho phát triển 4 G đến năm 2024 36

Hình 3.3 : Sơ đồ kết nối truyền dẫn các trạm 4G eNodeB tại Hưng Yên 37

Hình 3.4 : Sơ đồ tổng quát kết nối trạm eNodeB với NG-PON2 Hưng Yên 38

Hình 3.5 : Quy trình vận hành mạng 38

Hình 3.6 : Quy hoạch băng tần di động tại Việt Nam 39

Hình 3.7 : Thiết kế tần số cho UMTS 900 refarming 40

Hình 3.8 : Tần số sử dụng refarming cho LTE 41

Hình 3.9 : Mô hình sử dụng chung tần số 41

Hình 3.10 : Môi trường ảo hóa - NetAct 42

Hình 3.11 : Trình quản lý phần tử WCDMA OMS 44

Hình 3.12 : Kiến trúc EdenNet 45

Hình 3.13: Kiến trúc của Megamon cho WCDMA 46

Hình 3.14 : Sơ đồ kết nối cho mcRNC 46

Hình 3.15 : Chức năng của Megaplexer 47

Hình 3.16: Giao diện của TP5000 48

Hình 3.17 : Phần cứng cấu trúc của trạm cơ sở Flexi Multiradio 10 48

Hình 3.18 : Nền tảng đa năng của trạm cơ sở Flexi Multiradio 10 49

Hình 3.19: Khối hệ thống của trạm cơ sở Flexi Multiradio 10 49

Hình 3.20 : Vị trí của FBBC trong FSMS 50

Hình 3.21: Đầu Radio từ xa Flexi - FHDB 51

Hình 3.22 : Mô hình kết nối RNC với mạng core VNP 52

Hình 3.23: Dải IP của SRAN BTS 53

Hình 3.24: Dải địa chỉ tùy chọn của S-Plane and M-Plan 53

Hình 3.25 : Cấu hình của U2100 S2/2/2 + LTE 1800 S1/1/1 54

Hình 3.26: Cấu hình của U2100 S2/2/2 + U900 S1/1/1/ + LTE 1800 S1/1/1 54

Hình 3.27 : Giải pháp của Megamon 55

Hình 3.28: Sơ đồ khối các bước triển khai trạm SRAN 56

Hình 3.29: Quy trình triển khai lắp đặt trạm eNodeB 57

Hình 3.30 : Sơ đồ kết nối các thiết bị phục vụ công tác đo kiểm 58

Hình 3.31: Thiết kế vị trí lắp đặt thiết bị trên cột BTS 61

Hình 3.32: Thiết kế vị trí lắp đặt thiết bị 4G trong phòng máy 62

Hình 3.33: Thiết kế hướng đi cáp thiết bị eNodeB trong phòng máy 62

Hình 3.34: Thiết kế cáp nguồn cho thiết bị eNodeB trong phòng máy 63

Hình 3.35: Thiết kế các vị trí đặt thiết bị trong phòng máy 63

Hình 3.36 : Trình tự các bước hòa mạng trạm e-NodeB 65

Hình 3.37 : Cấu hình dữ liệu cơ bản trạm e-NodeB 66

Hình 3.38 : Cấu hình truyền dữ liệu trạm e-NodeB 66

Hình 3.39 : Cấu hình truyền dữ liệu âm thanh trạm e-NodeB 67

Hình 3.40: Mô phỏng thiết kế các trạm 4G 67

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay nhu cầu sử dụng các dịch vụ dữ liệu qua thiết bị điện thoại di động của khách hàng ngày càng cao, đặc biệt là các dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ cao Mặt khác điện thoại thông minh đã thực sự thống trị ngành công nghiệp viễn thông

và ảnh hưởng đáng kể đến những ngành công nghiệp khác, bao gồm cả thương mại điện tử, giải trí, thông tin và công nghệ Theo đó tốc độ mạng di động 3G như hiện nay không thể đáp ứng được Trong bối cảnh đó, mạng 4G-LTE ra đời như là một nhu cầu tất yếu

Trong thời gian vừa qua mạng thông tin di động 4G-LTE đã được các Tập đoàn Viễn thông lớn trên thế giới triển khai tại nhiều khu vực tại Bắc Mỹ, Châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc Việt Nam cũng không nằm ngoài xu thế đó Trong nước các nhà mạng VNPT, Viettel, MobiFone đã và đang nghiên cứu triển khai

Trong nước có nhiều tác giả đã thực hiện nghiên cứu về thiết kế và định cỡ mạng 4G-LTE Tuy nhiên công nghệ 4G-LTE là công nghệ mới, hiện đại, xu hướng triển khai rộng rãi nên còn nhiều việc phải nghiên cứu thêm để đảm bảo mạng hoạt động ngày một ổn định và hiệu quả Ngoài ra việc áp dụng vào một môi trường cụ thể như là VNPT Hưng Yên cũng còn nhiều vấn đề thách thức cần phải xem xét.Nội dung luận văn gồm 3 phần sau:

Chương I: Tổng quan về mạng 4G

Chương II: Các kỹ thuật trong 4G

Chương III: Thiết kế, quy hoạch mạng thông tin di động 4G Vinaphone tại

Hưng Yên

Trong quá trình thực hiện luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Em mong nhận được sự góp ý của thầy, cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp để luận văn của em được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G 1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE, LTE Advanced

LTE là thế hệ thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTS thế hệ thứ

ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này, tháng 11 năm 2014 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối Đặc tả kỹ thuật cho LTE đang được hoàn tất và các sản phẩm LTE

đã được các hãng tung ra thị trường

Các mục tiêu của công nghệ này là:

Tăng tốc độ truyền dữ liệu: trong điều kiện lý tưởng hệ thống hỗ trợ tốc độ

dữ liệu đường xuống đỉnh lên tới 326Mbit/s

Dải tần co giãn được: có khả năng mở rộng từ 1,4MHz; 3MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống Điều này dẫn đến sự linh hoạt sử dụng được hiệu quảbăng thông Mức công suất cao hơn

Đảm bảo hiệu suất khi di chuyển: chức năng hỗ trợ từ 120 đến 350km/h hoặc thậm chí là 500km/h tùy thuộc vào băng tần

Giảm độ trễ trên mặt phẳng người sử dụng: giảm thời gian để một thiết bị chuyển từ trạng thái nghỉ sang nối kết với mạng và bắt đầu truyền thông tin trên một kênh truyền Thời gian này phải nhỏ hơn 100ms

Sẽ không còn chuyển mạch kênh: tất cả sẽ dựa trên IP Chúng cho phép cung cấp cácdịch vụ linh hoạt hơn và đơn giản với các mạng di động

Độ phủ sóng từ 5-100km: trong vòng bán kính 5-100km LTE cung cấp tối ưu

về lưu lượng người dùng

Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời Tuy nhiên mạng LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G hiện tại.Điều này hết

sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai LTE vì không cần thay đổi toàn

Để đạt được mục tiêu này, sẽ có rất nhiều kỹ thuật mới được áp dụng, trong

đó nổi bật là kỹ thuật vô tuyến OFDMA (đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao), kỹ thuật anten MIMO

1.2 Mục tiêu thiết kế mạng di động 4G

Những hoạt động của 3GPP trong việc phát triển mạng 4G đã xác định đối tượng, những yêu cầu và mục tiêu cho LTE Những mục tiêu và yêu cầu này được dẫn chứng bằng tài liệu trong văn bản 3GPP Những yêu cầu cho LTE được chia thành 5 phần khác nhau như sau:

- Tiềm năng hệ thống

- Hiệu suất hệ thống

- Các vấn đề liên quan đến việc triển khai

- Kiến trúc và sự di chuyển

- Quản lý tài nguyên vô tuyến

1.2.1 Tiềpm năng mạng lưới

Yêu cầu được đặt ra là việc đạt tốc độ dữ liệu đỉnh cho đường xuống 100Mbit/s và đường lên 50Mbit/s, khi hoạt động trong phân bố phổ 20MHz Khi phân bố phổ hẹp hơn thì tốc độ dữ liệu đỉnh cũng sẽ tỉ lệ theo Do đó, điều kiện đặt

ra là có thể đạt được 5 bit/s/Hz cho đường xuống và 2,5 bit/s/Hz cho đường lên LTE hỗ trợ cả chế độ FDD và TDD Rõ ràng, đối với trường hợp TDD, truyền dẫn đường lên và đường xuống theo định nghĩa không thể xuất hiện đồng thời Do đó

mà yêu cầu tốc độ dữ liệu đỉnh cũng không thể trùng nhau đồng thời

Yêu cầu về độ trễ được chia thành: yêu cầu độ trễ mặt phẳng điều khiển và yêu cầu độ trễ mặt phẳng người dùng Yêu cầu độ trễ mặt phẳng điều khiển xác định độ trễ của việc chuyển từ trạng thái thiết bị đầu cuối không tích cực khác nhau sang trạng thái tích cực, khi đó thiết bị đầu cuối di động có thể gửi và nhận dữ liệu

Có hai cách xác định: cách xác định thứ nhất được thể hiện qua thời gian chuyển tiếp từ trạng thái tạm trú (camped state) chẳng hạn như trạng thái Release 6 Idle mode, khi đó thì thủ tục chiếm 100ms; các xác định thứ hai được thể hiện qua thời gian chuyển tiếp từ trạng thái ngủ, chẳng hạn như trạng thái Release 6 Cell-PCH Khi đó thì thủ tục chiếm 50ms Trong cả hai thủ tục này thì độ trễ chế độ ngủ và việc báo hiệu non-RAN đều được loại trừ (Chế độ Release 6 Idle là trạng thái mà khi kết thiết bị đầu cuối không được nhận biết đối với mạng truy nhập vô tuyến, nghĩa là mạng truy nhập vô tuyến không có bất cứ thuộc tính nào của thiết bị đầu cuối và thiết bị đầu cuối cũng không được chỉ định một tài nguyên vô tuyến nào Thiết bị đầu cuối có thể ở trong chế độ ngủ và chỉ lắng nghe hệ thống mạng tại những khoảng thời gian cụ thể Trạng thái Release 6 Cell-PCH là trạng thái mà khi thiết bị đầu cuối không được nhận biết đối với mạng truy nhập vô tuyến Tuy mạng truy nhập vô tuyến biết thiết bị đầu cuối đang ở trong tế bào nào nhưng thiết bị đầu cuối lại không được cấp phát bất cứ tài nguyên vô tuyến nào Thiết bị đầu cuối lúc này có thể đang trong chế độ ngủ)

Yêu cầu độ trễ mặt phẳng người dùng được thể hiện qua thời gian để truyền một gói IP từ thiết bị đầu cuối tới biên RAN hoặc ngược lại được đo từ lớp IP Thời gian truyền theo một hướng sẽ không vượt quá 5ms trong mạng không tải (unloaded network), nghĩa là không có một thiết bị đầu cuối nào khác xuất hiện trong ô

Xét về mặt yêu cầu đối với độ trễ mặt phẳng điều khiển, LTE có thể hỗ trợ ít nhất 200 thiết bị đầu cuối di động ở trong trạng thái tích cực khi hoạt động ở khoảng tần số 5MHz Trong mỗi phân bố rộng hơn 5MHz, ít nhất có 400 thiết bị đầu cuối được hỗ trợ Số lượng thiết bị đầu cuối không tích cực trong ô không rõ là bao nhiêu nhưng có thể cao hơn một cách đáng kể

1.2.2 Hiệu suất mạng lưới

Các mục tiêu thiết kế công năng hệ thống LTE sẽ xác định lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ, độ linh động, vùng phủ sóng và MBMS nâng cao

Nhìn chung, các yêu cầu đặc tính LTE có liên quan đến hệ thống chuẩn sử dụng phiên bản 6 HSPA Đối với trạm gốc, giả định có một anten phát và hai anten thu, trong khi đó thì thiết bị đầu cuối có tối đa là một anten phát và hai anten thu.Tuy nhiên, một điều quan trọng cần lưu ý là những đặc tính nâng cao như là một phần của việc cải tiến HSPA thì không được bao gồm trong tham chiếu chuẩn Vì thế, mặc dù thiết bị đầu cuối trong hệ thống chuẩn được giả định là có hai anten thu thì một bộ thu RAKE đơn giản vẫn được áp dụng Tương tự, ghép kênh không gian cũng không được áp dụng trong hệ thống chuẩn

Yêu cầu lưu lượng người dùng được định rõ theo hai điểm: tại sự phân bố người dùng trung bình và tại sự phân bố người dùng phân vị thứ năm (khi mà 95% người dùng có được chất lượng tốt hơn) Mục tiêu hiệu suất phổ cũng được chỉ rõ,

và trong thuộc tính này thì hiệu suất phổ được định nghĩa là lưu lượng hệ thống theo

tế bào tính theo bit/s/MHz/ô Những mục tiêu thiết kế này được tổng hợp trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Các yêu cầu về hiệu suất phổ và người dùng

Phương pháp đo hiệu suất Mục tiêu đường xuống

so với cơ bản

Mục tiêu đường lên so với cơ bản Lưu lượng người dùng trung bình

(trên 1 MHz)

3 lần – 4 lần 2 lần – 3 lần

Lưu lượng người dùng tại biên tế

bào (trên 1MHz phân vị thứ 5)

thuộc băng tần) Một yếu tố quan trọng đặc biệt là dịch vụ thoại cung cấp bởi LTE

sẽ ngang bằng với chất lượng mà WCDMA/HSPA hỗ trợ

Hình 1.1 cho thấy hệ thống 4G có thể : Hỗ trợ dịch vụ hoàn toàn trong miền

PS (All IP), Hỗ trợ throughput cao (tốc độ cao, dung lượng lớn), Giảm độ trễ (Control Plan và User Plan), Hỗ trợ Inter-working với mạng truy nhập 3GPP và các mạng truy nhập vô tuyến khác, Giảm giá thành sử dụng trên Mbyte

Hình 1.1 : Ưu điểm hệ thống 4G

Yêu cầu về vùng phủ sóng chủ yếu tập trung vào phạm vi ô (bán kính), nghĩa

là khoảng cách tối đa từ tâm ô đến thiết bị đầu cuối di động trong ô Đối với phạm

vi ô lên đến 5km thì những yêu cầu về lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ và độ linh động vẫn được đảm bảo trong giới hạn không bị ảnh hưởng bởi nhiễu Đối với những ô có phạm vi lên đến 30km thì có sự giảm nhẹ cho phép về lưu lượng người dùng và hiệu suất phổ thì lại giảm một cách đáng kể hơn nhưng vẫn có thể chấp nhận được Tuy nhiên, yêu cầu về độ di động vẫn được đáp ứng Khi mà phạm vi tế bào lên đến 100km thì không thấy có đặc tính kỹ thuật về yêu cầu hiệu suất nào được nói trong quá rõ trong trường hợp này

Năng lực phục vụ của hệ thống 4G được thể hiện chi tiết trong hình 1.2, với những tính năng như : Năng lực phục vụ user : Ít nhất 200 users/cell (5MHz), Lên tới 400 users/cell; Tính di động cao : Tối ưu 0-15 km/hr, Vẫn đảm bảo hiệu suất 15-

120 km/hr, Đáp ứng lên tới 120-350 km/hr

Hình 1.2 : Năng lực phục vụ hệ thống 4G

Những yêu cầu MBMS nâng cao xác định cả hai chế độ: quảng bá và đơn hướng Yêu cầu đối với trường hợp quảng bá là hiệu suất phổ 1bit/s/Hz, tương ứng với khoảng 16 kênh TV di động bằng cách sử dụng khoảng 300 kbit/s trong mỗi phân bó phổ tần 5MHz Hơn nữa, nó có thể cung cấp dịch vụ MBMS với chỉ một dịch vụ trên một sóng mang, cũng như kết hợp với các dịch vụ non-MBMS khác

Và như vậy thì đương nhiên đặc tính kỹ thuật của LTE có khả năng cung cấp đồng thời cả dịch vụ thoại và dịch vụ MBMS

Các yêu cầu liên quan đến việc triển khai bao gồm các kịch bản triểnkhai, độ linh hoạt phổ, trải phổ, sự cùng tồn tại và làm việc với nhau giữa LTE vớicác công nghệ truy cập vô tuyến khác của 3GPP như GSM và WCDMA/HSPA Những yêu cầu về kịch bản triển khai bao gồm: trường hợp mà hệ thốngLTE được triển khai như là một hệ thống độc lập và trường hợp mà LTE đượctriển khai đồng thời với

WCDMA/HSPA hoặc GSM Do đó mà yêu cầu này sẽkhông làm giới hạn các tiêu chuẩn thiết kế

Vấn đề cùng tồn tại và có thể hoạt động phối hợp với các hệ thống 3GPP khác và những yêu cầu tương ứng đã thiết lập ra những điều kiện về tính linh động giữa LTE và GSM, và giữa LTE và WCDMA/HSPA cho thiết bị đầu cuối di độnghỗ trợ những công nghệ này Bảng 1.2 liệt kê những yêu cầu về sự gián đoạn,

đó là, thời gian gián đoạn dài nhất trong liên kết vô tuyến khi phải di chuyển giữa cáccông nghệ truy cập vô tuyến khác nhau, bao gồm cả dịch vụ thời gian thực và phi thời gian thực Có một điều đáng chú ý là những yêu cầu này không được chặt chẽ cho lắm đối với vấn đề gián đoạn trong chuyển giao và hy vọng khi mà triển khai thực tế thì sẽ đạt được những giá trị tốt hơn đáng kể

Bảng 1.2 Yêu cầu về thời gian gián đoạn, LTE-GSM và LTE-WCDMA

Phi thời gian thực (ms) Thời gian thực

Yêu cầu về việc cùng tồn tại và có thể làm việc với nhau cũng xác định việc chuyển đổi lưu lượng đa phương từ phương pháp quảng bá trong LTE thành phương pháp đơn hướng trong cả GSM hoặc WCDMA, mặc dù không có số lượng cho trước

1.2.3 Kiến trúc mạng lưới và khả năng mở rộng, nâng cấp

Một vài nguyên tắc cho việc thiết kế kiến trúc LTE RAN được đưa ra bởi 3GPP:

- Một kiến trúc đơn LTE RAN được chấp nhận

- Kiến trúc LTE RAN phải dựa trên gói, tuy vậy lưu lượng lớp thoại và thời gian thực vẫn được hỗ trợ

- Kiến trúc LTE RAN có thể tối thiểu hóa sự hiện diện của “những hư hỏng cục bộ” mà không cần tăng chi phí cho đường truyền

- Kiến trúc LTE RAN có thể đơn giản hóa và tối thiểu hóa số lượng giao tiếp

đã được giới thiệu

- Tương tác lớp mạng vô tuyến và lớp mạng truyền tải có thể được loại trừ nếu

chỉ cần quan tâm đến vấn đề cải thiện hiệu suất hệ thống

- Kiến trúc LTE RAN có thể hỗ trợ QoS từ đầu cuối đến đầu cuối TNL có thể cung cấp QoS thích hợp khi được yêu cầu bởi RNL

- Các cơ cấu QoS có thể tính toán đến các dạng lưu lượng đang tồn tại khácnhau để mang lại hiệu suất sử dụng băng thông cao: lưu lượng mặt phẳng điều khiển, lưu lượng mặt phẳng người dùng , lưu lượng O&M, v.v…

- LTE RAN có thể được thiết kế để làm giảm thiểu các thay đổi trễ cho thông tin gói TCP/IP

1.2.4 Quản lý tài nguyên vô tuyến

Những yêu cầu về quản lý tài nguyên vô tuyến được chia ra như sau: hỗ trợ nâng cao cho QoS đầu cuối đến đầu cuối, hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn và hỗ trợ cho việc chia sẻ tải cũng như là quản lý chính sách thông qua các công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau

Việc hỗ trợ nâng cao cho QoS đầu cuối đến đầu cuối yêu cầu cải thiện sự thích ứng giữa dịch vụ, ứng dụng và các điều kiện về giao thức (bao gồm báo hiệu lớp cao hơn) với tài nguyên RAN và các đặc tính vô tuyến

Việc hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn đòi hỏi LTE RAN phải có khả năng cung cấp cơ cấu để hỗ trợ truyền dẫn hiệu suất cao và hoạt động của các giao thức ở lớp cao hơn qua giao tiếp vô tuyến, chẳng hạn như quá trình nén tiêu đề

IP

Việc hỗ trợ chia sẻ tài nguyên và quản lý chính sách thông qua các công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau đòi hỏi phải xem xét đến việc lựa chọn lại các cơ cấu để định hướng các thiết bị đầu cuối di động theo các dạng công nghệ truy cập

vô tuyến thích hợp đã được nói rõ, như là hỗ trợ QoS đầu cuối đến đầu cuối trong quá trình chuyển giao giữa các công nghệ truy cập vô tuyến

1.3 Các thông số lớp vật lý của LTE Advanced

Các thông số lớp vật lý của LTE Advanced và tốc độ đỉnh của LTE theo lớp được thể hiện chi tiết tại bảng 1 3 và 1.4 dưới đây

Bảng 1.3 Các thông số lớp vật lý LTE

MU-MIMO cho UL và DL

Bảng 1.4 Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp

1.4 Dịch vụ trên nền LTE Advanced

Qua việc kết nối đường truyền tốc độ rất cao, băng thông linh hoạt, hiệu suất phổ cao và giảm thời gian trễ gói, LTE hứa hẹn sẽ cung cấp nhiều dịch vụ đa dạng hơn Những tính năng ưu việt của LTE so với 3G được tóm tắt tại bảng 1.5

Bảng 1.5 So sánh dịch vụ của 3G và LTE

Thoại Âm thanh thời gian thực VoIP, video hội nghị chất lượng cao Tin nhắn

Lướt web Truy cập đến các dịch vụ

online, trực tuyến, trình duyệt WAP thông qua GPRS và mạng 3G

Duyệt siêu nhanh, tải các nội dung lên các mạng xã hội

Thông tin

cước phí Người dùng trả qua mạng cước tính chuẩn Chủ yếu là dựa trên

Tạp trí trực tuyến, dòng âm thanh chất lượng cao

thông tin văn bản Riêng tư Chủ yếu là âm thanh chuông,

cũng bao gồm màn hình chờ và nhạc chờ

Âm thanh thực (thu âm gốc từ người nghệ sĩ), các trang web cá nhân

Games Tải về và chơi trực tuyến Kinh nghiệm game trực tuyến vững

chắc qua cả mạng cố định và mạng

di động Video/TV

theo yêu

cầu

Chạy và có thể tải video Các dịch vụ quảng bá TV, Tivi theo

đúng yêu cầu dòng video chất lượng cao

Nhạc Tải đầy đủ các track và các

Phân phối tỷ lệ rộng của các video, clip, dịch vụ karaoke, video cơ bản quảng cáo di động

Điện thoại cầm tay như thiết bị thanh toán, với các chi tiết thanh toán qua mạng tốc độ cao để cho phép các giao dịch thực hiện nhanh chóng

Chuyển đổi file P2P, các ứng dụng kinh doanh, ứng dụng chia sẻ, thông tin M2M, di động intranet/extranet

1.5 Tình hình triển khai 4G tại Việt Nam

Ngay từ năm 2010, Bộ Thông tin và truyền thông đã cấp giấy phép thử nghiệm LTE cho 5 nhà mạng bao gồm: VNPT, Viettel, FPT Telecom, CMC và VTC Trong đó, VNPT là đơn vị đầu tiên thử nghiệm LTE, hoàn thành lắp đặt trạm LTE đầu tiên vào ngày 10/10/2010 cho phép truy cập Internet tốc độ là 60 Mbps, sau đó mở rộng lắp đặt 15 trạm trên địa bàn Hà Nội Tiếp đó, Viettel cũng đã thử nghiệm LTE ở Hà Nội và Hồ Chí Minh với số lượng lắp đặt mỗi địa bàn là 40 trạm phát sóng

Vào tháng 9 năm 2015, Bộ TT&TT cho phép những doanh nghiệp có nhu cầu thử nghiệm mạng và dịch vụ 4G LTE/LTE-A được xây dựng đề án xin cấp phép thử nghiệm Theo công văn do Bộ TT&TT gửi 4 doanh nghiệp (Tập đoàn VNPT, Tập đoàn Viettel, Tổng công ty MobiFone và GTel Mobile) Các Doanh

nghiệp được xin cấp phép thử nghiệm dịch vụ 4G là doanh nghiệp đã được cấp phép

và khai thác cung cấp dịch vụ di động trên băng tần 1800 MHz; có nhu cầu thử nghiệm mạng và dịch vụ viễn thông; có đề án xin cấp phép theo quy định về triển khai thử nghiệm mạng và dịch vụ viễn thông di động theo chuẩn công nghệ LTE/LTE-A

Liên quan đến tần số thử nghiệm, trên cơ sở cân đối tài nguyên phổ tần được cấp phép, doanh nghiệp chủ động tham vấn Cục Tần số về đoạn băng tần 1800MHz refarming và các băng tần khả dụng khác (2,3GHz, 2,6GHz) để triển khai thử nghiệm LTE/LTE-A Riêng băng tần 2.6GHz, Cục Tần số Vô tuyến điện chủ trì triển khai cấp phép băng tần 2.6GHz nhằm phát triển dịch vụ 4G cho các doanh nghiệp viễn thông trong tháng 11/2018

Triển khai thử nghiệm 4G của VNPT: Với 15 trạm phát sóng eNodeB có lưu lượng phục vụ tối đa đạt 72 Mbps Một số trạm thử nghiệm tại các khu vực nội thành (bị che chắn bởi các tòa nhà) và một số trạm được triển khai thử nghiệm tại các khu vực ngoại thành (độ che chắn ít)

Triển khai thử nghiệm 4G của VNPT, Viettel Hai nhà mạng đã trình diễn thử nghiệm 5 dịch vụ đặc trưng và phổ biến nhất của mạng 4G đòi hỏi tốc độ tải lên

và tải xuống (Download/Upload) cao là tải phim (video streaming), truyền hình trực tiếp (LiveTV), gọi điện thấy hình độ nét cao (HD Video Call), hội thoại truyền hình (Video Conference), xem phim và truyền hình theo yêu cầu (VOD – TVoD) Tại Hà Nội : lưu lượng hướng xuống cao nhất của 1 sector là 61 Mbps  hiệu suất sử dụng phổ 6.1 bps/Hz; Tại Hồ Chí Minh: lưu lượng hướng lên cao nhất của 1 sector là 71.6 Mbps  hiệu suất sử dụng phổ 7.16 bps/Hz

1.6 Kết luận

Chương 1 đã trình bầy các đặc điểm kỹ thuật của hệ thống LTE bao gồm mục tiêu thiết kế, tiềm năm công nghệ, hiệu suất hệ thống, các thông số lớp vật lý, dịch vụ của LTE những nội dung nghiên cứu trên cho thấy 4G là một công nghệ với những đặc tính kỹ thuật ưu việt Do vậy các Doanh nghiệp viễn thông tại Việt Nam đã và đang tập trung nghiên cứu và triển khai thử nghiệm làm tiền đề cho việc triển khai rộng rãi trên toàn quốc

Qua các tham số phân tích ở trên, có thể thấy những ưu điểm vượt trội của mạng 4G là tốc độ, băng thông làm nền tảng cho việc triển khai các dịch vụ data, video của các nhà mạng, đáp ứng nhu cầu sử dụng dịch vụ ngày càng cao của khách hàng

Những kết quả triển khai thử nghiệm cũng cho thấy 4G là một giải pháp để vượt lên những giới hạn và điểm yếu của mạng 3G Ngoài ra 4G còn là thể hiện của

ý tưởng, hy vọng của những nhà nghiên cứu ở các trường Đại học, viện nghiên cứu, các công ty viễn thông với mong muốn đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện mà mạng 3G không đáp ứng được

Phần cuối của chương đã đề cập đến triển vọng và tình hình phát triển của công nghệ LTE tại Việt Nam, đó không chỉ là xu thế tất yếu mà còn mở ra kỷ nguyên mới cho việc triển khai các ứng dụng khi bước vào cuộc cách mạng công nghệ 4.0

CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT TRONG 4G

Hình 2.1 cho thấy sự khác nhau về cấu trúc của UMTS và LTE Song song với

truy nhập vô tuyến LTE, mạng gói lõi cũng đang phát triển lên cấu trúc tầng SAE Cấu trúc mới này được thiết kế để tối ưu hiệu suất mạng, cải thiện hiệu quả chi phí

và thuận tiện thu hút phần lớn dịch vụ trên nền IP

Hình 2.1 So sánh cấu trúc UMTS và LTE

Mạng truy nhập vô tuyến RAN (Radio Access Network): mạng truy nhập vô tuyến của LTE được gọi là E-UTRAN và một trong những đặc điểm chính của nó là tất cả các dịch vụ, bao gồm dịch vụ thời gian thực, sẽ được hỗ trợ qua những kênh

gói được chia sẻ Phương pháp này sẽ tăng hiệu suất phổ, làm cho dung lượng hệ thống trở lên cao hơn Một kết quả quan trọng của việc sử dụng truy nhập gói cho tất cả dịch vụ là sự tích hợp cao hơn giữa những dịch vụ đa phương tiện và giữa những dịch vụ cố định và không dây

Có nhiều loại chức năng khác nhau trong mạng tế bào Dựa vào chúng, mạng

có thể được chia thành hai phần: mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi Những chức năng như điều chế, nén, chuyển giao thuộc về mạng truy nhập Còn những chức năng khác như tính cước hoặc quản lý động là thành phần của mạng lõi Với LTE, mạng truy nhập là E-UTRAN và mạng lõi là EPC

2.1.1 Cấu trúc cơ bản SAE của LTE

Hình 2.2 Kiến trúc mạng 4G LTE/SAE

Hình 2.2 cho thấy các thành phần chính của một mạng lõi và mạng truy nhập

vô tuyến LTE So sánh với UMTS, mạng vô tuyến ít phức tạp hơn Mục đích chính của LTE là tối thiểu hóa số node Vì vậy, nguời ta đã quyết định rằng các RNC nên được gỡ bỏ, và chức năng của chúng đã được chuyển một phần sang các trạm cơ sở

và một phần sang nút Gateway của mạng lõi Trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong mạng truy nhập vô tuyến WCDMA/HSPA, và được gọi là eNodeB Các eNodeB có tất cả những chức năng cần thiết cho mạng truy nhập vô tuyến LTE, kể

cả những chức năng liên quan đến quản lý tài nguyên vô tuyến

Giao diện vô tuyến sử dụng trong E-UTRAN gồm giao diện S1 và giao diện X2 Trong đó S1 là giao diện vô tuyến kết nối giữa eNodeB và mạng lõi Giao diện S1 chia làm hai loại là S1-U là giao diện giữa eNodeB và SAE-GW và S1-MME là giao diện giữa eNodeB và MME Giao diện X2 là giao diện giữa các eNodeB với nhau

 Mạng lõi EPC:

Chịu trách nhiệm điều khiển tổng thể UE và thiết lập các kênh mạng Cùng một mục đích như E-UTRAN, số node trong EPC đã được giảm EPC chia luồng dữ liệu người dùng thành mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển Một node cụ thể được định nghĩa cho mỗi mặt phẳng, cộng với Gateway chung kết nối mạng LTE với Internet và những hệ thống khác EPC gồm một vài thực thể chức năng:

- MME:chịu trách nhiệm xử lý những chức năng mặt bằng điều khiển, liên

quan đến quản lý thuê bao và quản lý phiên

- S-GW: là vị trí kết nối của giao tiếp dữ liệu gói với E-UTRAN Nó còn hoạt

động như một node định tuyến đến những kỹ thuật 3GPP khác

- P-GW: là điểm đầu cuối cho những phiên hướng về mạng dữ liệu gói bên

ngoài Nó cũng là Router đến mạng Internet

- PCRF: điều khiển việc tạo ra bảng giá cấu hình hệ thống con đa phương tiện

IP IMS (the IP Multimedia Subsystem) cho mỗi người dùng

- HSS: là nơi lưu trữ dữ liệu của thuê bao cho tất cả dữ liệu người dùng Nó là

cơ sở dữ liệu chủ tâm trong trung tâm của nhà khai thác

 Mạng truy nhập E-UTRAN

Mạng truy nhập của LTE, E-UTRAN, chỉ có các eNodeB Không có bộ điều khiển chung trong E-UTRAN cho lưu lượng thông thường (không phải quảng bá) của người sử dụng, vì thế kiến trúc E-UTRAN được coi là “phẳng”

E-UTRAN chịu trách nhiệm cho tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến dưới đây:

- Nén tiêu đề: các tiêu đề của gói IP chiếm băng thông khá lớn nhất là đối với VoIP, vì thế nén tiêu đề cho phép sử dụng hiệu suất giao diện vô tuyến

- An ninh: tất cả các số liệu được phát trên giao diện vô tuyến đều phải được mật mã hóa

- Kết nối đến EPC: bao gồm báo hiệu đến MME và đường truyền kênh mang đến S-GW

2.1.2 Cấu trúc của LTE liên kết với các mạng khác

Kiến trúc hệ thống 4G LTE/SAE tương tác với các mạng 2G và 3G GPRS/UMTS được thể hiện trên hình 2.3 Trong kiến trúc này S-GW hoạt động như 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 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

Giao diện S4 hỗ trợ truyền gói giữa SGSN và S-GW, trong đó S-GW đóng vai trò điểm neo trong kiến trúc EPC Nhìn từ SGSN, S-GW có vai trò rất giống với SGSN Vì thế S4 được xây dựng dựa trên giao diện Gn được định nghĩa cho các nút SGSN và GGSN của lõi gói 2G/3G

Hình 2.3 Cấu trúc hệ thống 4G LTE/SAE tương tác với các mạng 3GPP khác

Hình 2.4 trình bày kiến trúc cung cấp kết nối IP đến lõi gói phát triển (EPC) bằng các 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

Hình 2.4 Cấu trúc hệ thống LTE/SAE tương tác với các mạng khác

(không phải 3GPP)

Hệ thống 3GPP hiện tại (GSM và WCDMA/HSPA) và 3GPP2 (CDMA200 1xRTT, EV-DO) được kết hợp vào hệ thống mới thông qua những giao diện chuẩn hóa, miễn là tối ưu tính di động với LTE Với hệ thống 3GPP, điều này có nghĩa là một giao diện báo hiệu giữa SGSN và mạng lõi mới, với hệ thống 3GPP2 cũng có một giao diện báo hiệu giữa CDMA RAN và mạng lõi mới

Hình 2.5 Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập 3GPP và liên mạng với CDMA2000

2.2 Các kênh trên giao diện vô tuyến 4G

thống, đầu cuối di động phải đọc thông tin phát trên BCCH để biết được hệ thống được lập cấu hình như thế nào, chẳng hạn băng thông hệ thống

Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH): được sử dụng để tìm gọi các đầu cuối di động vì mạng không thể không biết được vị trí của chúng ở cấp độ nào và vì thế cần phát các bản tin tìm gọi trong nhiều ô

Kênh điều khiển riêng (DCCH): kênh hai chiều điểm đến điểm để phát thông tin điều khiển riêng giữa UE và mạng Được thiết lập bởi kết nối của RRC Trong ngữ cảnh DCCH, thông tin điều khiển chỉ chứa báo hiệu RRC và NAS Các báo hiệu lớp ứng dụng (SIP và RTCP) không được xử lý bởi DCCH

Kênh điều khiển chung (CCCH): kênh hai chiều để phát thông tin điều khiển giữa mạng và các UE Được sử dụng khi không có kết nối RRC hoặc khi truy nhập một ô mới Thông thường kênh này được sử dụng trong giai đoạn sớm nhất của quá trình thiết lập thông tin

Kênh lưu lượng riêng (DTCH): kênh điểm đến điểm riêng cho một UE để truyền số liệu của người sử dụng cũng như báo hiệu lớp ứng dụng liên quan đến luồng số liệu DTCH có thể tồn tại ở cả đường lên và đường xuống

Kênh điều khiển đa phương (MCCH): kênh đường xuống điểm đa điểm được

sử dụng để phát thông tin điều khiển MBMS Kênh này chỉ UE sử dụng để thu MBMS

Kênh lưu lượng đa phương (MTCH): kênh đường xuống điểm đa điểm được

sử dụng để phát lưu lượng từ mạng đến UE Kênh này được UE sử dụng để thu MBMS

2.2.2 Kênh truyền tải

Kênh truyền tải trong mạng thông tin di động 4G, bao gồm các kênh sau: Kênh quảng bá (BCH):Khuôn dạng truyền tải cố định và được quy định trước Phát quảng bá thông tin hệ thống E-UTRAN trong toàn bộ ô

Kênh tìm gọi (PCH): được sử dụng để phát thông tin tìm gọi trên kênh PCCH, PCH hỗ trợ thu không liên tục (DRX) để cho phép đầu cuối tiết kiệm công suất ắc quy bằng cách ngủ và chỉ thức để thu PCH tại các thời điểm quy định trước

Kênh chia sẻ đường xuống (DL-SCH): là kênh truyền tải để phát số liệu đường xuống trong LTE Nó hỗ trợ các chức năng của LTE như thích ứng tốc độ động và lập biểu phụ thuộc kênh trong miền thời gian và miền tần số Nó cũng hỗ trợ DRX để giảm tiêu thụ công suất của đầu cuối di động mà vẫn đảm bảo cảm giác luôn kết nối giống như cơ chế CPC trong HSPA DL-DCH TTI là 1ms

Kênh đa phương (MCH): được sử dụng để hỗ trợ MBMS Nó được đặc trưng bởi khuôn dạng truyền bán tĩnh và lập biểu bán tĩnh Trong trường hợp phát đa ô sử dụng MBSFN, lập biểu và lập cấu hình khuôn dạng truyền tải được điều phối giữa các ô tham gia phát MBSFN

Kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH) : kênh chung đường lên, mang thông tin tối thiểu và có thể bị mất do va chạm

Kênh chia sẻ đường lên (UL-SCH): kênh đường lên có chức năng giống SCH Có thể hỗ trợ tạo búp Hỗ trợ thích ứng đường truyền động bằng cách thay đổi công suất và có khả năng cả thay đổi sơ đồ điều chế và mã hóa kênh

DL-2.2.3 Kênh vật lý

Các kênh vật lý sử dụng cho dữ liệu người dùng bao gồm:

Kênh vật lý chia sẻ đường xuống (PDSCH):kênh đường xuống Mang thông tin DL-SCH, PCH và báo hiệu lớp cao hơn Điều chế QPSK, 16QAM và 64QAM

Kênh vật lý điều khiển đường xuống (PDCCH):kênh đường xuống Thông tin cho các UE về ấn định tài nguyên của PCH và DL-SCH, và thông tin HARQ liên quan đến DL-SCH Mang thông tin cho phép lập biểu đường lên Điều chế QPSK

Kênh vật lý quảng bá (PBCH):kênh đường xuống Khối truyền tải BCH được sắp xếp lên bốn khung con trong khoảng thời gian 40ms Định thời 40ms được phát hiện mù (không có báo hiệu chỉ ra định thời 40ms này) Mỗi khung con có thể tự được giải mã (Có thể tách được BCH từ một lần thu nếu điều kiện truyền sóng tốt) Điều chế QPSK

Kênh vật lý chỉ thị khuôn dạng điều khiển (PCFICH): kênh đường xuống Chỉ thị số lượng các ký hiệu OFDM sử dụng cho PDCCH Điều chế QPSK

Kênh vật lý chỉ thị HARQ (PHICH) : kênh đường xuống Mang HARQ ACK/NACK để trả lời cho các truyền dẫn đường lên Điều chế QPSK

Kênh vật lý đa phương (PMCH): kênh đường xuống Mang MCH Điều chế QPSK, 16QAM và 64QAM

Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên (PRACH): kênh đường lên Mang tiền tố truy nhập ngẫu nhiên Các tiền tố truy nhập ngẫu nhiên được tạo ra từ các chuỗi Zadoff-Chu với vùng tương quan không, được tạo ra từ một hoặc nhiều chuỗi Zadoff-Chu gốc

Kênh vật lý chia sẻ đường lên (PUSCH):kênh đường lên.PUSCH được dùng

để mang UL-SCH PUSCH có thể dùng các kiểu điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM

Kênh vật lý điều khiển đường lê (PUCCH): kênh đường lên Mang HARQ ACK/NACK để trả lời cho các truyền dẫn đường xuống Mang yêu cầu lập biểu và các báo cáo CQI Điều chế BPSK và QPSK

2.3 Kiến trúc giao thức 4G

 Mặt phẳng người sư dụng, UP

Từ góc độ mạng không dây (bao gồm cả mạng lõi và mạng truy nhập) mặt phẳng không chỉ gồm số liệu của người sử dụng như các gói thoại hoặc nội dung Web mà còn cả các báo hiệu liên quan đến dịch vụ ứng dụng như SIP hay RTCP Mặc dù được coi là thông tin điều khiển của các lớp ứng dụng, báo hiệu mức cao được truyền qua mặt phẳng người sử dụng

、

Hình 2.6 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng người sử dụng

Mặt phẳng người sử dụng đầu cuối được mô tả trên hình 2.6 từ thiết bị đầu cuối đến server ứng dụng Trên hình vẽ cho thấy lớp ứng dụng chỉ tồn tại trong thiết

bị đầu cuối và server ứng dụng và được xây dựng dựa trên truyền tải IP Các gói ứng dụng được định tuyến qua P-GW trước khi đến nơi nhận

L1 và L2 trên hình 2.6 tương ứng với các giao diện vật lý và liên kết số liệu của các giao diện của mạng cố định S1, S5 và SGi Đối với các lớp này, chuẩn EPS hoàn toàn linh hoạt và đưa ra nhiều tùy chọn phù hợp với các mạng IP

Trong thời gian một phiên, định tuyến gói từ P-GW đến UE có thể phải trải qua nhiều thay đổi khi UE di động: chẳng hạn thay đổi eNodeB phục vụ, thay đổi S-

GW có thể xảy ra khi truyền luồng video hoặc duyệt Web

Để giải quyết di động UE, có thể sử dụng MIP hoặc GTP 3GPP chọn giải pháp GTP Cũng giống như MIP, mỗi khi eNodeB thay đổi nút phục vụ, các nút phục vụ hay P-GW được cập nhập và thiết lập tunnel đến nút phục vụ mới Tất cả các gói IP cho UE đều được đóng bao trong một giao thức đặc thù EPC và được truyền tunnel giữa P-GW và eNodeB đến UE Các giao thức truyền tunnel khác nhau được sử dụng trên các giao diện khác nhau Giao thức truyền tunnel đặc thù được gói là GTP được sử dụng trên các giao diện S1 và S5/S8

Trong định nghĩa của 3GPP, truyền tunnel cho số liệu người sử dụng được đảm bảo bởi các lớp GTP đã có trong chuẩn 2G GPRS Giao thức này gồm hai phần:

- Phần mặt phẳng người sử dụng (GTP-U): đảm bảo đóng và mở thông báo số

liệu của người sử dụng giữa hai nút

- Phần mặt phẳng điều khiển (GTP-C): được sử dụng trong EPC để đảm bảo tất

cả các thủ tục, các bản tin quản lý tunnel (thiết lập, thay đổi, giải phóng tunnel)

và quản lý vị trí (trao đổi thông tin di động của người sử dụng giữa hai nút)

Hình 2.7 Quá trình đóng bao GTP (sử dụng IPv4 để truyền tải GTP)

Hình 2.7 chỉ ra cách đóng bao của GTP Gói IP được bổ sung thêm tiêu đề GTP (chứa các số nhận dạng đầu cuối tunnel và số trình tự GTP PDU tùy chọn) để phía thu có thể nhận dạng gói truyền liên quan đến tunnel nào Gói được đóng bao

GTU được truyền giữa hai điểm cuối của tunnel bằng cách sử dụng ngăn xếp UDP/IP truyền thống

 Mặt phẳng điều khiển, CP

Hình 2.8 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển

Mặt phẳng điều khiển (CP) tương ứng với các luồng báo hiệu của E-UTRAN

và EPC Chẳng hạn CP bao gồm tất cả các báo hiệu RRC của E-UTRAN (để hỗ trợ các chức năng như quản lý kênh mang vô tuyến, di động vô tuyến và tìm gọi người

sử dụng) và báo hiệu NAS liên quan đến chức năng và các dịch vụ độc lập với công nghệ truy nhận NAS bao gồm:

- EMM: giao thức chịu trách nhiệm xử lý di động UE trong hệ thống với các chức năng nhập, rời mạng và cập nhật vị trí trong chế độ rỗi EMM còn có chức năng khác như nhân thực, bảo vệ nhận dạng (ấn định dạng tạm thời GUTI cho UE) và điều khiển các chức năng an ninh lớp NAS như mật mã và bảo vệ toàn vẹn

- EMS: giao thức được sử dụng để xử lý các kênh mang giữa UE và MME cũng như thủ tục quản lý kênh mang E-UTRAN

Hình 2.8a mô tả ngăn xếp của giao thức CP Hình 2.8b mô tả ngăn xếp giao thức giữa UE và MME Ngăn xếp dừng tại MME vì các giao thức mức đỉnh kết cuối tại MME

Các giao thức tầng truy nhập trên giao diện vô tuyến được biểu thị bằng vùng

tô đậm Các lớp thấp hơn thực hiện các chức năng giống như đối với mặt phẳng người sử dụng nhưng không có chức năng nén tiêu đề trong mặt phẳng điều khiển

Giao thức RRC thuộc lớp ba trong ngăn xếp giao thức tầng truy nhập Đây là chức năng điều khiển chính trong tầng truy nhập, chịu trách nhiệm thiết lập các kênh mang vô tuyến và lập cấu hình tất cả lớp dưới bằng cách sử dụng báo hiệu RRC giữa các eNodeB và UE Cũng như UP, trên giao diện vô tuyến, CP sử dụng cùng ngăn xếp PDCP, RLC và PHY để truyền tải RRC và báo hiệu NAS RLC, MAC và PHY hỗ trợ cùng các chức năng cho cả CP và UP

Tuy nhiên điều này không có nghĩa là thông tin của UP và CP được truyền như nhau Một số kênh mang vô tuyến có thể được thiết lập giữa UE và mạng, mỗi kênh mang tương ứng với một sơ đồ truyền dẫn, bảo vệ vô tuyến và xử lý ưu tiên đặc thù

2.4 Chuyển giao

Chuyển giao là phương tiện cần thiết để thuê bao có thể di chuyển trong mạng Khi thuê bao chuyển động từ vùng phủ sóng của ô này sang một ô khác thì kết nối với ô mới phải được thiết lập và kết nối với ô cũ phải được hủy bỏ

2.4.1 Mục đích chuyển giao

Lý do cơ bản của chuyển giao là kết nối vô tuyến không thỏa mãn một bộ tiêu chuẩn nhất định và do đó hoặc UE hoặc UTRAN sẽ thực hiện các công việc để cải thiện kết nối đó Khi thực hiện các kết nối chuyển mạch gói, chuyển giao được thực hiện khi cả UE và mạng đều thực hiện truyền gói không thành công Các điều kiện chuyển giao thường gặp là: điều kiện chất lượng tín hiệu, tính chất di chuyển của thuê bao, sự phân bố lưu lượng, băng tần…

Chuyển giao phụ thuộc vào chất lượng tín hiệu được thực hiện cho cả hai hướng lên lẫn xuống của đường truyền dẫn vô tuyến

Chuyển giao do nguyên nhân lưu lượng xảy ra khi lưu lượng của ô đạt tới hạn tối đa cho phép hoặc vượt ngưỡng giới hạn đó Khi đó các thuê bao ở ngoài rìa của ô (có mật độ tải cao) sẽ được chuyển giao sang ô bên cạnh (có mật độ tải thấp)

Số lượng chuyển giao phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của thuê bao Khi UE

di chuyển theo một hướng nhất định không thay đổi, tốc độ di chuyển của UE càng cao thì càng có nhiều chuyển giao thực hiện trong E-UTRAN

2.4.2 Trình tự chuyển giao

Trình tự chuyển giao gồm 3 pha: pha đo lường, pha quyết định và pha thực hiện

 Pha đo lường là nhiệm vụ quan trọng trong quá trình chuyển giao vì:

- Mức tín hiệu trên đường truyền dẫn vô tuyến thay đổi rất lớn tùy thuộc vào fading và tổn hao đường truyền Những thay đổi này phụ thuộc vào môi trường trong ô và tốc độ di chuyển của thuê bao

- Số lượng các báo cáo đo lường quá nhiều sẽ làm ảnh hưởng đến hệ thống

- Để thực hiện chuyển giao, trong suốt quá trình kết nối, UE liên tục đo cường

độ tín hiệu của các ô lân cận và thông báo kết quả tới mạng, tới eNodeB

 Pha quyết định chuyển giao bao gồm đánh giá tổng thể về QoS của kết nối, so

sánh nó với các thuộc tính QoS yêu cầu và ước lượng từ các ô lân cận Tùy theo kết quả so sánh mà ta có thể quyết định thực hiện hay không thực hiện chuyển giao eNodeB kiểm tra các giá trị của các báo cáo đo đạc để khởi động một bộ các điều kiện chuyển giao Nếu các điều kiện này được thỏa mãn, eNodeB phục

vụ sẽ cho phép thực hiện chuyển giao

Hình 2.9 Nguyên tắc chung của các thuật toán chuyển giao

Quyết định chuyển giao dựa trên các thông tin đo đạc của UE và eNodeB cũng như các điều kiện để thực hiện thuật toán chuyển giao