Kiến trúc, giao thức và các công nghệ mạng 4G LTE

Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động Khi mới triển khai, hệ thống di động 1G mới chỉ cung cấp cho người sử dụng dịch vụ thoại, nhưng nhu cầu về truyền số liệu tăng lên đòi

ĐỀ TÀI: “Kiến trúc, công nghệ và giao thức mạng 4G LTE”

MỤC LỤC MỤC LỤC i

DANH MỤC BẢNG BIỂU i

DANH MỤC HÌNH VẼ ii

GIỚI THIỆU 1

CHƯƠNG I SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 2

1.1 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động 2

1.2 Hệ thống thông tin di động 4G: 5

CHƯƠNG II KIẾN TRÚC VÀ CÁC CÔNG NGHỆ MẠNG 4G LTE 7

2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE 7

2.2 Các dịch vụ triển khai trên nền LTE 10

2.3 Kiến trúc mạng LTE 15

2.4 Các công nghệ sử dụng trong LTE 21

2.4.1 OFDMA 21

2.4.2 SC-FDMA 28

2.4.3 Công nghệ MIMO 30

CHƯƠNG III KIẾN TRÚC GIAO THỨC MẠNG 4G LTE 33

3.1 PDCP (Packet Data Convergence Protocol)-Giao thức điều khiển dữ liệu gói 33

3.2 RLC (Radio link control) – Giao thức điều khiển liên kết vô tuyến 33

3.3 Điều khiển truy nhập môi trường truyền (Medium Access Control): 36

3.3.1 Các kênh logic và các kênh truyền tải 37

3.3.2 Hoạch định đường lên 39

3.3.3 Hoạch định đường xuống 42

3.3.4 Hybrid ARQ 44

3.4 Lớp vật lý - Physical layer 45

KẾT LUẬN 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Tổng kết các thế hệ thông tin di động

Bảng 2: Các yêu cầu về hiệu suất phổ và lưu lượng người dùng Bảng 3: So sánh 3G và LTE

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1: Quá trình phát triển của thông tin di động

Hình 2: Định hướng phát triển các thế hệ mạng di động (nguồn ITU)

Hình 3: Các định hướng phát triển các phiên bản của LTE

Hình 4: Cấu trúc tổ chức mạng và băng thông

Hình 5: Kiến trúc của mạng LTE

Hình 6: Cấu trúc mạng LTE áp dụng SAE

Hình 7 Kiến trúc của LTE và SAE

Hình 8: Cấu trúc tổ chức mạng LTE

Hình 9: Sơ đồ mô tả các thành phần của phần mềm PDCP

Hình 10: Phân đoạn và hợp đoạn RLC

Hình 11: Thí dụ về sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải

Hình 12: Việc lựa chọn đinh dạng truyền dẫn trong đường xuống (bên trái) và đường lên (bên phải)

Hình 13: Giao thức hybrid-ARQ đồng bộ và không đồng bộ

Hình 14: Nhiều tiến trình hybrid-ARQ song song

Hình 15: Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho DL-SCH

Hình 16: Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho UL-SCH

Hình 17: Truyền đơn sóng mang

Hình 18: Nguyên lý của FDMA

Hình 19: Nguyên lý đa sóng mang

Hình 20: So sánh phổ tần của OFDM với FDMA

Hình 21: Tần số-thời gian của tín hiệu OFDM Hình 22: Biến đổi FFT

Hình 23: Thu phát OFDM

Hình 24: Chuỗi bảo vệ GI

Hình 25: Tác dụng của chuỗi bảo vệ

Hình 26: Sóng mang con OFDMA

Hình 27: OFDMA và SC-FDMA

Hình 28: Thu phát SC-FDMA trong miền tần số Hình 29: Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO Hình 30: Ghép kênh không gian

GIỚI THIỆU Hiện nay ngành viễn thông có những bước phát triển rất nhanh, hình thành môi trường cạnh tranh lớn giữa các nhà khai thác mạng phục vụ nhu cầu về thông tin cho con người ngày càng đòi hỏi cao hơn Chất lượng các dịch vụ ngày càng trở thành chìa khóa

để có thể dẫn tới thành công Song song với xu thế này, nhu cầu ngày càng gia tăng đối với các dịch vụ truyền thông mới, đủ khả năng đáp ứng việc cung cấp dịch vụ hoặc tăng tính cạnh tranh

ITU công bố chuẩn IMT-2000 cho hệ thống 3G năm 1992, tuy nhiên sau đó 4G mới là đích đến của truyền tải dữ liệu không dây

LTE được xem như “người kế thừa” xuất sắc của thế hệ công nghệ mạng 3G hiện tại, dựa trên nền tảng WCDMA, HSDPA, HSUPA, và HSPA LTE cập nhật công nghệ UMTS để cải thiện một cách đáng kể tốc độ truyền dữ liệu hai chiều

Nhận thấy công nghệ LTE là công nghệ mới triển vọng nhất cho việc tiến lên 4G nên nhóm chúng em chọn đề tài tìm hiểu về 4G-LTE: “Kiến trúc, công nghệ và giao thức của 4G – LTE” Nội dung tiểu luận gồm có:

 CHƯƠNG I SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

 CHƯƠNG II KIẾN TRÚC VÀ CÁC CÔNG NGHỆ MẠNG 4G LTE

 CHƯƠNG III KIẾN TRÚC GIAO THỨC MẠNG 4G LTE

CHƯƠNG I SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động

Khi mới triển khai, hệ thống di động 1G mới chỉ cung cấp cho người sử dụng dịch

vụ thoại, nhưng nhu cầu về truyền số liệu tăng lên đòi hỏi các nhà khai thác mạng phải nâng cấp rất nhiều tính năng mới cho mạng và cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng trên

cơ sở khai thác mạng hiện có Từ đó các nhà khai thác đã triển khai hệ thống di động 2G, 2.5G để cung cấp dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao hơn Cùng với Internet, Intranet đã trở thành một trong những hoạt động kinh doanh ngày càng quan trọng, một trong số đó là xây dựng các công sở vô tuyến để kết nối các cán bộ “di động” với xí nghiệp hoặc công

sở của họ Ngoài ra, tiềm năng to lớn đối với các công nghệ mới là cung cấp trực tiếp tin tức và các thông tin khác cho các thiết bị vô tuyến sẽ tạo ra nguồn lợi nhuận mới cho nhà khai thác Do vậy, để đáp ứng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình ảnh, đồng thời đảm bảo tính kinh tế thì hệ thống di động thế hệ thứ hai đã từng bước chuyển đổi sang hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba Khi mà nhu cầu về các dịch vụ

đa phương tiện chất lượng cao tăng mạnh, mà tốc độ của hệ thống 3G hiện tại không đáp ứng được thì các tổ chức viễn thông trên thế giới đã nghiên cứu và chuẩn hóa hệ thống di động 4G

Hình 2: Quá trình phát triển của thông tin di động Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động được mô tả ở hình 1, trong đó:

+ TASC (Total Access Communication System): Hệ thống thông tin truy nhập tổng thể + NMT900 (Nordic Mobile Telephone 900): Hệ thống điện thoại Bắc Âu băng tần 900MHz

+ AMPS (Advanced Mobile Phone Service): Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến

+ SMR (Specialized Mobile Radio): Vô tuyến di động chuyên dụng

+ GSM 900 (Global System for Mobile): Hệ thống thông tin di động toàn cầu băng tần 900MHz

+ GSM 1800: Hệ thống GSM băng tần 1800 MHz

+ GSM 1900: Hệ thống GSM băng tần 1900 MHz

+ IS-136 TDMA (Interim Standard- 136): Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA cải tiến

do AT&T đề xuất

+ IS-95 CDMA: Tiêu chuẩn thông tin di động CDMA cải tiến của Mỹ

+ GPRS (General Packet Radio System): Hệ thống vô tuyến gói chung

+ EDGE (Enhaned Data Rates for GSM Evolution): Những tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM

+ CDMA 2000 1x: Hệ thống CDMA 2000 giai đoạn 1

+ WCDMA (Wideband CDMA): Hệ thống CDMA băng rộng

+ CDMA 2000 Mx: Hệ thống CDMA 2000 giai đoạn 2

+ HSPA (High Speed Packet Access): Hệ thống truy nhập gói tốc độ cao Hệ thống HSPA được chia thành 3 công nghệ sau:

- HSDPA (High Speed Downlink Packet Access): Hệ thống truy nhập gói đường xuống tốc độ cao

- HSUPA (High Speed Uplink Packet Access): Hệ thống truy nhập gói đường lên tốc độ cao

- HSODPA (High Speed OFDM Packet Access): Hệ thống truy nhập gói OFDM tốc độ cao

+ Pre-4G: Các hệ thống tiền 4G gồm WiMax và WiBro (Mobile Wimax)

+ WiMax: Wordwide Interoperabilily for Microwave Access

+ WiBro: Wiless Broadband System: Hệ thống băng rộng không dây

Từ quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động từ khi ra đời đến nay ta có thể tổng kết các thế hệ thông tin di động qua bảng sau:

Bảng 2 Tổng kết các thế hệ thông tin di động

1.2 Hệ thống thông tin di động 4G:

Hệ thống thông tin di động 4G đã được đưa vào khai thác và sử dụng tại một số quốc gia phát triển trên thế giới từ năm 2012 Với sự đột phá về dung lượng, hệ thống di động 4G cung cấp những dịch vụ phục vụ sâu hơn vào đời sống sinh hoạt thường nhật, công việc cũng như có sự tác động lớn đến lối sống của chúng ta trong tương lai gần Cụ thể trong các khía cạnh của cuộc sống được trình bày dưới đây:

Hỗ trợ phát triển giáo dục, nghệ thuật, khoa học

Nhờ có sự ưu việt của hệ thống 4G, sự tiên tiến của thiết bị đầu cuối, học sinh, sinh viên, các nhà nghiên cứu khoa học có thể trao đổi thông tin, hình ảnh cần thiết cho việc học tập nghiên cứu mà không có rào cản nào về mặt khoảng cách cũng như ngôn ngữ Thiết bị đầu cuối di động của hệ thống 4G (điện thoại, đồng hồ đeo tay…) có tích hợp camera có chức năng thông dịch ngôn ngữ tự động giúp trao đổi thông tin trực tiếp

Phục vụ giải trí

Hệ thống di động 4G cho phép sử dụng hệ thống trò chơi, âm nhạc, video và các nội dung liên quan Những trò chơi hình ảnh có thể được truy nhập ở bất cứ nơi nào với những nội dung cực kỳ phong phú đa dạng

Truyền thông hình ảnh

Hệ thống di động 4G cũng được ứng dụng trong việc trao đổi thông tin giữa các điểm cách xa nhau Một đoạn phim của một sự kiện thể thao có thể được gửi bởi một máy quay gắn trên một máy thu phát cầm tay và được gửi tức thời đến bất cứ đâu dù trong hay ngoài nước

Thương mại di động

Hệ thống di động 4G được ứng dụng trong trao đổi và thỏa thuận mua bán hàng hóa Chỉ bằng thiết bị di động cầm tay người sử dụng có thể thu được các các thông tin về sản phẩm, đặt hàng, thanh toán bằng tài khoản thông qua thiết bị di động

Phục vụ cuộc sống thường nhật

Công nghệ xác thực cá nhân tiên tiến cho phép người sử dụng mua những hàng hóa đắt tiền một cách an toàn và thanh toán bằng tài khoản thông qua mạng di động Dữ liệu được tải từ các thiết bị di động có thể sử dụng như là các thẻ thanh toán, thẻ ra vào, thẻ thành viên.Các dịch vụ di động cũng được sử dụng trong cuộc sốngnhư: tải các chương trình tivi trên các máy chủ đặt tại gia đình lên thiết bị di động và xem chúng khi

đi ra ngoài hoặc sử dụng thiết bị cầm tay di động để điều khiển robot từ xa

Y tế và chăm sóc sức khỏe

Những dữ liệu về sức khỏe có thể tự động gửi đến bệnh viện theo thời gian thực từ các thiết bị mang trên người của bệnh nhân, nhờ đó các bác sĩ có thể thực hiện việc kiểm tra sức khỏe hoặc xử lý tức thì các tình trạng khẩn cấp Ngoài ra, phương tiện truyền thông di động được sử dụng cho cấp cứu khẩn cấp ngay sau khi tai nạn giao thông xảy ra

Vị trí của vụ tai nạn sẽ được thông báo tự động bằng cách sử dụng thông tin định vị, khi

đó bác sĩ tại trung tâm y tế đưa ra các chỉ dẫn sơ cứu cho bệnh nhân thông qua việc quan sát bệnh nhân trên màn hình Các dữ liệu y tế cũng được truyền ngay lập tức tới các xe cứu thương hoặc bệnh viện thông qua mạng di động

Ứng dụng trong phòng chống thiên tai và tìm kiếm cứu nạn

Hệ thống thông tin di động đóng vai trò là thiết bị thông tin quan trọng trong trường hợp xảy ra thảm họa thiên tai, cho phép truyền đi hình ảnh thực trạng của các khu vực xảy ra thảm họa Do đó tại những nơi thảm họa không xảy ra tất cả các lãnh đạo chính phủ, phương tiện truyền thông đại chúng và người dân nói chung có thể chia sẻ thông tin

CHƯƠNG II KIẾN TRÚC VÀ CÁC CÔNG NGHỆ MẠNG 4G LTE 2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE

Công nghệ LTE là một hướng phát triển nâng cấp lên của các công nghệ băng rộng di động trong đó có 3G được nghiên cứu triển khai từ năm 2004

Đến thời điểm này các nước trên thế giới chủ yếu cũng đang đánh giá thử nghiệm

và lập kế hoạch cho việc thương mại hóa công nghệ LTE

Hình 2: Định hướng phát triển các thế hệ mạng di động (nguồn ITU)

Theo sơ đồ phát triển thì các định hướng phát triển của các mạng thế hệ tiếp theo ngày càng rút ngắn khoảng cách và các thế hệ từ 4G đến 5G là khoảng thời gian từ 4 đến

5 năm, như vậy việc cập nhật và triển khai các công nghệ mới bắt buộc các doanh nghiệp

có sự chuẩn bị gắt gao hơn trong vòng dưới 5 năm

Trên thế giới nhìn chung, các cơ quan quản lý viễn thông, các nhà sản suất thiết bị, các doanh nghiệp viễn thông lớn ở Châu Âu ủng hộ công nghệ LTE, còn ở Bắc Mỹ và Châu Á thì đi theo cả hai xu hướng LTE và WiMAX

LTE (Long Term Evolution) còn được gọi là EUTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access) hay E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network) là thế

hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển Đây là công nghệ có khả năng cung cấp cho người dùng tốc độ truy cập dữ liệu nhanh, cho phép các nhà khai thác có thể phát triển thêm nhiều dịch vụ truy cập sóng vô tuyến mới dựa trên nền tảng hoàn toàn

IP Mục tiêu chủ yếu của việc phát triển LTE là: tốc độ truyền dữ liệu cao, độ trễ thấp và công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu Cụ thể:

- Tốc độ dữ liệu: Tốc độ đỉnh của dữ liệu là 100Mbps cho hướng DL, và 50 Mbps cho hướng UL với băng thông sử dụng là 20MHz

- Hiệu quả sử dụng phổ (Spectrum Efficiency): Cho hướng DL gấp 3 đến 4 lần, cho hướng UL gấp 2 đến 3 lần so với phiên bản 6, có thể sử dụng cả băng tần cũ và các băng tần mới

- Trễ (latency): Độ trễ trong giao thức điều khiển nhỏ hơn 20ms và đối với dịch vụ viễn thông nhỏ hơn 5ms

Hình 3: Các định hướng phát triển các phiên bản của LTE

- Băng thông: Hỗ trợ nhiều băng thông (5, 10, 15, 20 MHz và cả dưới 5 MHz) với mỗi bước biến đổi là 180 KHz (một khối băng thông danh định là 180 KHz của 12 sóng mang con, độ rộng của mỗi sóng mang con là 15KHz) Có thể sử dụng ở băng tần hiện có

và băng tần mở rộng

Hình 4: Cấu trúc tổ chức mạng và băng thông

- Tính tương tác: Có thể tương tác với các hệ thống đang sử dụng (hệ thống WCDMA (3G) và hệ thống GSM (2G)) và các hệ thống cho phép triển khai cả TDD và FDD

- Giá thành: Giảm giá thành đầu tư cả CAPEX và OPEX do kiến trúc đơn giản, giao diện mở để tương thích với nhiều nhà sản xuất

- Tính di động: Tối ưu cho tốc độ thấp từ 0 đến 15km/h, nhưng vẫn hỗ trợ cho tốc

độ di động cao (lên tới 350km/h)

- Chất lượng dịch vụ (QoS): Hỗ trợ QoS End to End

Đối với các công nghệ di động hiện tại như 3G, người dùng có thể duyệt Internet hoặc gửi mail bằng cách sử dụng notebook có công nghệ HSPA, thay thế modem DSL cố

định của họ bằng modem HSPA hoặc USB, họ có thể gửi và nhận các đoạn video hoặc file âm thanh bằng điện thoại 3G Đối với LTE, người dùng sẽ được phục vụ tốt hơn do LTE sẽ đáp ứng tốt hơn các yêu cầu về băng thông, tốc độ, chất lượng cho các ứng dụng truyền thống cũng như cho các dịch vụ mới như truyền hình tương tác, video blogging, game online và các dịch vụ chuyên nghiệp khác

Hình 5: Kiến trúc của mạng LTE 2.2 Các dịch vụ triển khai trên nền LTE

Hệ thống thông tin di động LTE có thể đáp ứng được tốc độ truy nhập lên tới 200Mb/s, hỗ trợ roaming toàn cầu dựa trên mạng lõi thuần IP, tương tác mạnh với các mạng khác cùng tồn tại… Nhờ đó nó hứa hẹn sẽ cung cấp nhiều dịch vụ phong phú và đa dạng

Cũng giống như hệ thống thông tin di dộng thế hệ 3, các hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo (LTE) cũng sẽ cung cấp các loại dich vụ: di động, viễn thông và internet nhưng với tốc độ cao hơn lên đến 200 Mbit/s và điều đáng quan tâm hơn là các dịch vụ đa phương tiện Với khả năng cung cấp các dịch vụ tốc độ bit cao, các hệ thống

thông tin di động thế hệ 4 dễ dàng cung cấp các dịch vụ điện thọai hình, tải dữ liệu nhanh, các dịch vụ thông tin về vị trí, các dịch vụ thương mại di động, các dịch vụ phân phối nội dung, các dịch vụ hỗ trợ tải dữ liệu, các dịch vụ điều khiển từ xa, các dịch số liệu tốc độ bít thấp, dịch vụ số liệu bít cao Nói chung, các dịch vụ được phân thành hai loại chính là dịch vụ cơ sở và dịch vụ đa phương tiện và qui vào 3 hình thức dịch vụ: dịch vụ thời gian thực và thời gian không thực, dịch vụ nội dung, dịch vụ quản lý Một số dịch vụ điển hình:

- Dịch vụ thoại (Voice telephony)

LTE vẫn cung cấp các dịch vụ thoại khác nhau đang tồn tại như chờ cuộc gọi, chuyển cuộc gọi, gọi ba bên, các thuộc tính AIN khác nhau, Centrex, Class,… Tuy nhiên cần lưu ý là 4G không cố gắng lặp lại các dịch vụ thoại truyền thống hiện đang cung cấp; dịch vụ thì vẫn đảm bảo nhưng công nghệ thì thay đổi

- Tin nhắn (Messaging)

Không giống như dịch vụ tin nhắn thông thường trong mạng 2G, 3G chỉ đơn thuần

là bản tin text Tin nhắn trong LTE cho phép email đi kèm và có thể được sử dụng trong việc thanh toán trực tuyến cho các dịch vụ gia đình

- Truyền thông tốc độ cao (High Multimedia)

LTE cho phép truy cập internet tốc độ cao phục vụ cho các ứng dụng theo yêu cầu như: video độ phân giải cao, audio chất lượng CD hoặc các ứng dụng mua bán trực tuyến với các sản phẩm hữu hình như âm nhạc, phần mềm…

Video Mobile trực tuyến:

Hiện nay, đa số các điện thoại di động đều được trang bị camera hiện đại, có khả năng quay được những video chất lượng cao, nhu cầu về việc xem các video trực tuyến

có độ nét cao ngày càng lớn Việc phát triển dịch vụ LTE sẽ giúp cho người dùng có thể load các dữ liệu truyền hình đạt chất lượng một cách nhanh hơn, rẻ hơn và kết nối không dây được tốt hơn

Mobile IPTV là công nghệ cho phép người sử dụng có thể truyền và nhận các dịch

vụ đa phương tiện như tivi, video, nhạc, văn bản… với nền tảng IP thông qua mạng di động Với Mobile IPTV, người dùng có thể xem bất kỳ chương trình TV nào mình yêu thích vào bất kỳ thời điểm nào kể cả khi đang di chuyển

Hội nghị truyền hình (Web Conference)

Thông qua 4G việc sử dụng hội nghị truyền hình thông qua điện thoại khi đang di chuyển sẽ trở thành hiện thực

- Dịch vụ dữ liệu (Data Service)

Cho phép thiết lập kết nối thời gian thực giữa các đầu cuối, cùng với các đặc tả giá trị gia tăng như tính tin cậy và phục hồi nhanh kết nối, các kết nối chuyển mạch ảo (SVC- Switched Virtual Connection), và quản lý dải tần, điều khiển cuộc gọi,… Tóm lại các dịch vụ dữ liệu có khả năng thiết lập kết nối theo băng thông và chất lượng dịch vụ QoS theo yêu cầu

- Dịch vụ đa phương tiện (Multimedia Service)

Cho phép nhiều người tham gia tương tác với nhau qua thoại, video, dữ liệu Các dịch vụ này cho phép khách hàng vừa nói chuyện, vừa hiển thị thông tin Ngoài ra, các máy tính còn có thể cộng tác với nhau

- Tính toán mạng công cộng (PNC Public Network Computing):

Cung cấp các dịch vụ tính toán dựa trên cơ sở mạng công cộng cho thương mại và các khách hàng Ví dụ nhà cung cấp mạng công cộng có thể cung cấp khả năng lưu trữ và

xử lý riêng (chẳng hạn như làm chủ một trang web, lưu trữ/ bảo vệ/ dự phòng các file số liệu hay chạy một ứng dụng tính toán)

- Bản tin hợp nhất (Unified Messaging):

Hỗ trợ cung cấp các dịch vụ voice mail, email, fax mail, pages qua các giao diện chung Thông qua các giao diện này, người sử dụng sẽ truy nhập (cũng như được thông báo) tất cả các loại tin nhắn trên, không phụ thuộc vào hình thức truy nhập (hữu tuyến hay vô tuyến, máy tính, thiết bị dữ liệu vô tuyến) Đặc biệt kỹ thuật chuyển đổi lời nói sang file văn bản và ngược lại được thực hiện ở server ứng dụng cần phải được sử dụng ở dịch vụ này

- Môi giới thông tin (Information Brokering)

Bao gồm quảng cáo, tìm kiếm và cung cấp thông tin đến khách hàng tương ứng với nhà cung cấp Ví dụ như khách hàng có thể nhận thông tin trên cơ sở các tiêu chuẩn

cụ thể hay trên các cơ sở tham chiếu cá nhân,…

- Thương mại điện tử (E-Commerce/ M-Commerce)

Cho phép khách hàng mua hàng hóa, dịch vụ được xử lý bằng điện tử trên mạng;

có thể bao gồm cả việc xử lý tiến trình, kiểm tra thông tin thanh toán tiền, cung cấp khả năng bảo mật,…Ngân hàng tại nhà và đi chợ tại nhà nằm trong danh mục các dịch vụ này; bao gồm cả các ứng dụng thương mại, ví dụ như quản lý dây chuyển cung cấp và các ứng dụng quản lý tri thức

- Trò chơi tương tác trên mạng (Interactive gaming)

Cung cấp cho khách hàng một phương thức gặp nhau trực tuyến và tạo ra các trò chơi tương tác (chẳng hạn như video games)

- Thực tế phân tán ảo (Distributed Virtual Reality)

Tham chiếu đến sự thay đổi được tạo ra có tính chất kỹ thuật của các sự kiện, con người, địa điểm, kinh nghiệm,… của thế giới thực, ở đó những người tham dự và các nhà

cung cấp kinh nghiệm ảo là phân tán về địa lý Dịch vụ này yêu cầu sự phối hợp rất phức tạp của các tài nguyên khác nhau

- Quản lý tại gia (Home Manager)

Với sự ra đời của các thiết bị mạng thông minh, các dịch vụ này có thể giám sát và điều khiển các hệ thống bảo vệ tại nhà, các hệ thống đang hoạt động, các hệ thống giải trí,

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 1MHz)

3 lần – 4 lần 2 lần – 3 lần

Lưu lượng người dùng tại

biên tế bào (trên 1MHz

phân vị thứ 5)

2 lần – 3 lần 2 lần – 3 lần

Hiệu suất phổ bit/s/Hz/cell 3 lần – 4 lần 2 lần – 3 lần

Bảng 2: Các yêu cầu về hiệu suất phổ và lưu lượng người dùng Yêu cầu về độ linh động chủ yếu tập trung vào tốc độ di chuyển của các thiết bị đầu cuối di động Tại tốc độ thấp, 0 – 15 km/h thì hiệu suất đạt được là tối đa, và cho phép giảm đi một ít với tốc độ cao hơn Tốc độ tối đa có thể quản lý đối với một hệ thống LTE có thể thiết lập lên đến 350 km/h (thậm chí lên đến 500km/h tùy vào băng tần)

Yêu cầu về vùng phủ sóng tập trung chủ yếu vào phạm vi tế bào, nghĩa là khoảng cách tối đa từ vùng tế bào (cell site) đến thiết bị đầu cuối di động trong cell Đối với phạm vi tế bào 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 tế bào có phạm vi lên đến 30km lưu lượng người dùng xuất hiện sự giảm nhẹ, hiệu suất phổ giảm một cách đáng kể nhưng vẫn có thể chấp nhận, yêu cầu về độ di động vẫn được đáp ứng

Những yêu cầu MBMS nâng cao xác định cả hai chế độ: broadcast (quảng bá) và unicast Yêu cầu đối với trường hợp broadcast là hiệu suất phổ 1bit/s/Hz, tương ứng với khoảng 16 kênh TV di động bằng cách sử dụng khoảng 300kbit/s trong mỗi phân bố 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

2.3 Kiến trúc mạng LTE

Song song với việc truy nhập vô tuyến LTE, các mạng lõi cũng đang tiến đến cấu trúc SAE Cấu trúc này được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất mạng,cải thiện hiệu quả đầu

tư và tạo thuận lợi cho việc phát triển thị trường dịch vụ trên nền IP

Hình 6: Cấu trúc mạng LTE áp dụng SAE

Có 2 nút trong cấu trúc SAE là các trạm gốc LTE (eNodeB) và cổng SAE (SAE Gateway) Cấu trúc phẳng này làm giảm số lượng nút tham gia trong việc kết nối

Hình 7: Kiến trúc của LTE và SAE Kiểm soát tín hiệu, ví dụ như tính di động, được điều khiển bởi các nút quản lý di động (MME),tách biệt khỏi cổng,tạo điều kiện tối ưu hóa việc triển khai mạng và cho phép mở rộng khả năng thích ứng đối với Ứng dụng cố định (Fixed), di chuyển có giới hạn (nomadic) và di động, Khả năng Non Line-of-Sight được cải thiện, dễ dàng cho việc triển khai các đầu cuối Indoor và Outdoor, các thiết bị plug-and-play

Để giảm thiểu sự phức tạp của hệ thống, LTE đã có một số cải tiến so với thế hệ di động 3G trước đây Với việc phát triển hệ thống Evolved Packet System (EPS) lên mạng lõi tiên tiến Evovled Packet Core (EPC) Chức năng thiết yếu của phần tử mạng này là chức năng điều khiển (MME) từ chức năng bearer–plane (SGW) qua việc định nghĩa điểm tham chiếu mở (S11) giữa chúng Vì E-UTRAN sẽ cung cấp băng thông cao hơn để cung cấp các dịch vụ mới cũng như cải thiện các dịch vụ hiện tại, việc chia tách MME từ SGW với mục đích với nền tảng SGW có thể tối ưu hóa việc xử lý các gói tin, trong khi MME với nền tảng có thể tối ưu hóa các giao dịch điều khiển Điều này tạo ra sự lựa chọn tối ưu hóa về chi phí và độc lập giữa các phần tử này Nhà khai thác sẽ có sự lựa

chọn độc lập về vị trí cũng như qui mô triển khai các phần tử mạng này, trong việc tối ưu hóa băng thông và giảm độ trễ latency cũng như tập trung các điểm lỗi

Hình 8: Cấu trúc tổ chức mạng LTE Mạng truy cập vô tuyến tiên tiến RAN (Evolved Radio Access Network) thành phần tiên tiến RAN đối với LTE là 1 eNodeB (eNB) cung cấp giao tiếp với các UE eNB đảm nhiện các lớp vật lý (PHY), điều khiển truy nhập môi trường truyền (MAC), điều khiển liên kết vô tuyến (RLC) và giao thức điều khiển dữ liệu gói (PDCP) bao gồm chức năng mã hóa và nén các header của user – plane eNB cũng cung cấp chức năng kiểm soát tài nguyên vô tuyến (RRC) thuộc control – plane Nó thực hiện nhiều chức năng bao gồm quản lý tài nguyên vô tuyến, kiểm soát quản lý, định thời, thực thi QoS thỏa thuận thuộc hướng lên UL, quảng bá thông tin trạm, mã hóa và giải mả các dữ liệu thuộc user

và control plane và nén/giải nén các header của DL/UL user plane

Serving Gateway (SGW): SGW định tuyến và chuyển các gói dữ liệu người dùng, trong khi vẫn làm vai trò là điểm điều khiển tính di động của user plane trong suốt quá trình chuyển giao giữa các điểm eNB và cũng là điểm điều khiển cho quá trình di động giữa công nghệ LTE và các công nghệ thuộc 3GPP khác (kết cuối giao thức S4 và trung chuyển lưu lượng giữa các hệ thống 2G/3G và PDN GW) Đối với các UE ở trạng

thái rỗi, SGW kết đường dữ liệu DL và kích khởi tìm kiếm (paging) khi dữ liệu DL đến

UE đó Nó quản lý và lưu trữ các thông tin UE, ví dụ như dịch vụ cơ bản IP, các thông tin định tuyến Nó cũng làm chức năng tạo bản sao dữ liệu trong trường hợp lawful interception

Mobility Management Entity (MME): MME là node điều khiển chính đối với mạng truy nhập LTE Nó đảm nhiệm chức năng dò tìm các UE ở trạng thái rỗi và thực hiện các chức năng dò tìm và paging bao gồm việc truyền lại Nó tham gia vào quá trình kích hoạt và loại bỏ dịch vụ cơ bản và cũng đảm nhiệm việc chọn lựa SGW cho UE tại thời điểm gán (attach) ban đầu và thời điểm chuyển giao nội mạng LTE của core network MMNE còn làm chức năng xác thực thuê bao (qua HSS) Báo hiệu Non-Access Stratum (NAS) kết thúc tại MNE và nó đảm nhiệm việc tạo và cấp phát nhận dạng tạm thời đối với các UE Nó kiểm tra các quyền của UE cấp bởi mạng di động của nhà cung cấp dịch vụ và thi hành các giới hạn roaming UE MNE là điểm kết cuối trong mạng đối với bảo vệ việc mã hóa/toàn vẹn đối với báo hiệu NAS và quản lý các khoa bảo mật Báo hiệu Lawful Interception cũng được hỗ trợ bời MNE MNE cung cấp chức năng control plane đối với di động giữa LTE và mạng 2G/3G với kết cuối tham chiếu S3 tại MNE từ SGSN MNE còn kết cuối tham chiếu S6a đối với Home HSS cho các Roaming UE

Packet Data Network Gateway (PDN GW): PDN GW cung cấp kết nối giữa các

UE và mạng dữ liệu gói bên ngoài với tư cách là điểm ra vào lưu lượng đối với UE UE

có thể có đồng thời rất nhiều kết nối đối với các PDN GW khác nhau để truy cập đến các mạng PDN khác PDN GW làm chức năng thực thi chính sách, lọc các gói cho mỗi UE,

hỗ trợ tính cước, lawful Interception và packet screening Một vai trò khác của PDN GW

là hoạt động như một điểm neo khi di động giữa các mạng 3GPP và các mạng công nghệ không phải 3GPP khác như WiMAX và 3GPP2 (CDMA 1x and Ev-DO)

Các giao diện kết nối trong mạng LTE:

S1-MME là điểm tham chiếu giao thức điều khiển control plane giữa E-UTRAN và MME Giao thức tại điểm tham chiếu này là eRANAP và nó sử dụng Stream Control Transmission Protocol (SCTP) như giao thức vận chuyển

S1-U là điểm tham chiếu giữa E-UTRAN và SGW đối với tunnel các gói dữ liệu trên từng người dùng và các đường chuyển dữ liệu trong quá trình chuyển giao inter-eNB Giao thức vận chuyển trên điểm tham chiếu này là GPRS Tunneling Protocol-User plane (GTP-U)

S2a cung cấp hỗ trợ về điều khiển và di động liên quan giữa truy cập trusted non-3GPP

IP và Gateway thuộc user plane S2a dựa trên Proxy Mobile IP

S2b cung cấp hỗ trợ về điều khiển và di động liên quan giữa truy cập evolved Packet Data Gateway (ePDG) và PDN GW thuộc user plane Nó dựa trên Proxy Mobile IP S2c cung cấp hỗ trợ về điều khiển và di động liên quan giữa truy cập UE và PDN GW thuộc user plane Điểm tham chiếu này được thực hiện qua trusted và/hoặc untrusted non-3GPP access và/hoặc 3GPP access

S3 là điểm tham chiếu giao tiếp giữa SGSN và MME cho phép trao đổi các thông tin người dùng và dịch vụ cơ bản giữa các mạng truy cập 3GPP với nhau trong quá trình di động trong trạng thái rỗi và/hoặc bận

S4 cung cấp hỗ trợ về điều khiển và di động liên quan giữa truy cập giữa SGSN và SGW thuộc user plane

S5 cung cấp quản lý đường hầm và tạo dường hẩm SGW và PDN GW thuộc user plane Được sử dụng để định vị lại các SGW do quá trình di động UE gây ra

S6a cho phép chuyển các dữ liệu đăng ký và xác thực trong quá trình xác thực và lấy quyền truy cập của user đối với hệ thống qua giao tiếp AAA giữa MME và HSS

S7 cung cấp chuyển các luật chính sách và tính cước QoS từ Policy and Charging Rules Function (PCRF) đến Policy and Charging Enforcement Function (PCEF) tại PDN GW S10 là điểm tham chiếu giữa các MME trong quá trình định vị lại MME và chuyển thông tin từ MME đến MME

S11 là điểm tham chiếu giữa MME và SGW

SGi là điểm tham chiếu giữa PDN GW và mạng packet data network PDN Mạng PDN

có thể là mạng nhà khai thác bên ngoài hoặc mạng riêng

Rx+ là điểm tham chiếu giữa chức năng ứng dụng Application Function và PCRF trong chuẩn 3GPP TS 23.203

Wn* là điểm tham chiếu giữa Untrusted Non-3GPP IP Access và ePDG Lưu lượng trên giao diện này đối với các UE đường hầm khởi tạo sẽ định tuyến về ePDG

So sánh một số điểm nổi bật của 3G và LTE cho ta thấy như sau:

Công nghệ

TD-SCDMA…

- Bandwidth được cố định là 5MHz cho WCDMA và HSPA+

- Độ trễ cao (50ms) với HSPA+

- Hiệu suất sử dụng phổ tần chưa cao

OFDM, MC-CDMA, LAS-CDMA, UWB, …

- Bandwidth có thể thay đổi, 5MHz

Mạng lõi

- Kiến trúc mạng phức tạp, vẫn tách riêng 2 Domain: CS cho chuyển mạch kênh và PS cho chuyển mạch gói

- Tốn OPEX và CAPEX

- Kiến trúc mạng đơn giản, không còn CS Domain, toàn bộ chuyển mạch gói dựa trên nền IP

-Tiết kiệm đáng kể OPEX và CAPEX

- Truyền thoại, số liệu đều tốt và

kế thừa toàn bộ các dịch vụ có trên 3G

Bảng 3: So sánh 3G và LTE 2.4 Các công nghệ sử dụng trong LTE

LTE sử dụng kỹ thuật OFDMA cho truy cập đường xuống và SC-FDMA cho truy cập đường lên Kết hợp đồng thời với MIMO, các kỹ thuật về lập biểu, thích ứng đường truyền và yêu cầu tự động phát lại lai ghép

2.4.1 OFDMA

Hình 17: Truyền đơn sóng mang

Hình 18: Nguyên lý của FDMA