Nghiên cứu kỹ thuật OFDMA và ứng dụng trong LTE

Nghiên cứu kỹ thuật OFDMA và ứng dụng trong LTE Nghiên cứu kỹ thuật OFDMA và ứng dụng trong LTE Nghiên cứu kỹ thuật OFDMA và ứng dụng trong LTE luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

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

-

NGUYỄN DANH TUYẾN

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT OFDMA VÀ ỨNG DỤNG TRONG LTE

Chuyên ngành : KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS Đặng Quang Hiếu

Hà Nội – Năm 2014

1

Mục lục

LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 10

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 11

MỞ ĐẦU 13

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE 15

1.1 Sự phát triển của công nghệ LTE trên thế giới 15

1.2 Giới thiệu công nghệ LTE 16

1.3 Đặc điểm 18

1.4 So sánh LTE với HSPA và WiMAX 20

1.5 Tình hình triển khai 4G LTE tại Việt Nam 22

1.6 Tổng kết chương 23

CHƯƠNG II: KIẾN TRÚC HỆ THỐNG LTE THEO CHUẨN 3GPP [3] 25

2.1 Giới thiệu chương 25

2.2 Kiến trúc hệ thống LTE cải tiến trong 3GPP 25

2.3 Cấu hình kiến trúc hệ thống cơ bản mạng truy nhập E-UTRAN 27

2.3.1 Tổng quan kiến trúc hệ thống cơ bản 27

2.3.2 Các thành phần logic trong kiến trúc cơ bản của hệ thống 29

2.3.2.1 Thiết bị người dùng cuối (UE) 29

2.3.2.2 E-UTRAN Node B (eNodeB) 29

2.3.2.3 Packet Data Network Gateway (GW) 36

2.3.2.4 Policy and Charging Resource Function(PCRF) 37

2.5 Tổng kết chương 40

CHƯƠNG 3 KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE 41

2

3.1 Giới thiệu chương 41

3.2 RLC: radio link control – điều khiển liên kết vô tuyến 43

3.3 MAC: điều khiển truy nhập môi trường (medium access control) 45

3.3.1 Kênh logic và kênh truyền tải (logical channels and transport channels) 46 3.3.2 Hoạch định đường xuống 49

3.2.3 Hoạch định đường lên 52

3.2.4 Hybrid ARQ 55

3.4 PHY: physical layer - lớp vật lý 60

3.5 Các trạng thái LTE 63

3.6 Luồng dữ liệu 65

3.7 Tổng kết chương 66

CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG OFDMA TRONG LTE 67

4.1 Giới thiệu chương 67

4.2 Các mục tiêu thiết kế mà hệ thống LTE yêu cầu 67

4.3 OFDM 70

4.4 OFDMA 71

4.4.1 Đặc điểm OFDMA 71

4.4.2 Bộ thu phát sóng 76

4.4.3 Ưu điểm OFDMA 78

4.4.4 Nhược điểm của OFDMA 78

4.4.5 Tính toán hiệu năng 80

4.4.5.1 PAPR (Tỉ số công suất đỉnh –Trung bình) 81

4.4.5.2 BER (Tỉ lệ bit lỗi) 81

4.4.5.3 SNR (Tỉ số tín hiệu tạp âm) 81

4.4.5.4 Pe (Xác suất lỗi) 81

4.4.5.5 PSD (Mật độ phổ công suất) 82

4.4.5.6 AMC (Điều chế và mã hóa thích ứng): 82

3

4.5 So sánh OFDMA & SC-FDMA: 86

4.6 Tổng kết chương 87

KẾT LUẬN 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

4

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Đặng Quang Hiếu Các số liệu cũng như những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này là trung thực và chưa được công bố dưới bất cứ hình thức nào

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình Học viên

Nguyễn Danh Tuyến

5

Reporting Function

Hàm báo cáo sự kiện và kết nối vận chuyển

Application

Ứng dụng điều khiển-quản lý Diameter

6

internet

Identity

Nhận diện thuê bao di động quốc

tế

7

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

cước

Enforcement Function

Hàm cưỡng bức chính sách và tính cước

Function

Hàm tài nguyên chính sách và tính cước

8

gian

giạn TD-

Telecommunications System

Hệ thống thông tin di động tổng quát

10

Bảng 1.1 So sánh giữa HSPA, WiMAX và LTE 21

Bảng 4.1 Các thông số OFDMA trong LTE 69

Bảng 4.2 Tốc độ đỉnh với các loại máy phát khác nhau 76

11

Hình 1.1 Các quốc gia chấp nhận công nghệ LTE tín đến 8/5/2012 [1] 15

Hình 1.2 Kiến trúc mạng LTE trong quan hệ với các mạng khác [2] 18

Hình 2.1 Kiến trúc 3GPP cải tiến theo hướng phẳng [3] 26

Hình 2.2 Kiến trúc mạng E-UTRAN [3] 27

Hình 2.3 Các kết nối eNodeB tới các node logic khác và các chức năng chính 30

Hình 2.4 Các kết nối MME tới các node logic khác và các chức năng chính 33

Hình 2.5 Các kết nối S-GW tới các node logic khác và các chức năng chính 35

Hình 2.6 P-GW kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính 38

Hình 2.7 PCRF kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính 39

Hình 3.1 – Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống) 42

Hình 3.2 – Phân đoạn và hợp đoạn RLC 44

Hình 3.3 – Ví dụ về sự ánh xạ các kênh logic với các kênh truyền dẫn 49

Hình 3.4 – Việc lựa chọn định dạng truyền dẫn trong đường xuống (bên trái) và đường lên (bên phải) 54

Hình 3.5 – Giao thức hybrid-ARQ đồng bộ và không đồng bộ 57

Hình 3.6 – Nhiều tiến trình hybrid-ARQ song song 57

Hình 3.7 – Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho DL-SCH 60

Hình 3.8 – Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho UL-SCH 61

Hình 3.9 – Các trạng thái LTE 63

Hình 3.10 - Một ví dụ về luồng dữ liệu LTE 66

Hình 4.1 Tương quan giữa các phương thức đa truy nhập 68

Hình 4.2 Tương quan tần số- thời gian trong tín hiệu OFDM 71

Hình 4.3a Cấu trúc khung loại-1 73

Hình 4.3 b Cấu trúc khung loại-2 73

Hình 4.4 Cấu trúc khối tài nguyên 74

Hình 4.5 Lưới tài nguyên đường xuống 75

Hình 4.6 Ghép kênh tần số thời gian OFDMA 75

12

Hình 4.7 Sơ đồ khối của OFDMA-LTE 77

Hình 4.8 Kí hiệu OFDM với tiền tố tuần hoàn 78

Hình 4.9 Vấn đề PAPR trong OFDMA 79

Hình 4.10 Mối quan hệ giữa PAPR và Pr trong điều chế BPSK 83

Hình 4.11 Mối quan hệ giữa PAPR và Pr trong điều chế QPSK 83

Hình 4.12 Mối quan hệ giữa PAPR và Pr trong điều chế 16QAM 84

Hình 4.13 Mối quan hệ giữa PAPR và Pr trong điều chế 64QAM 84

Hình 4.14 Mối quan hệ giữa SNR và BER trong các kĩ thuật điều chế 85

Hình 4.15 Mối quan hệ giữa SNR và Pe trong các kĩ thuật điều chế 85

Hình 4.16 Mối quan hệ giữa FS và PSD 86

Hình 4.17: So sánh OFDMA & SC-FDMA 86

13

Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ di động đã thúc đẩy nhu cầu về

tốc độ truy cập dữ liệu trên các thiết bị ngày một tăng cao Ngoài việc cung cấp các chức năng cơ bản về thoại, sms, mạng đi động hiện tại cần đáp ứng các đòi hỏi về xem video

trực tuyến, game online hay các dịch vụ thời gian thực khác Để đáp ứng nhu cầu đó đòi

hỏi phải có một mạng di động thế hệ mới có khả năng truy cập dữ liệu tốc độ cao, khả năng phủ sóng lớn, băng tần rộng nhưng vẫn đảm bảo việc hoạt động thông suốt với

mạng di động thế hệ cũ Đó là lý do mạng di động thế hệ kế tiếp LTE ra đời

Phiên bản thương mại LTE đầu tiên được giới thiệu từ những năm 2009, từ đó cho đến nay các nhà mạng đã không ngừng phát triển và sử dụng LTE như một giải pháp cho

mạng di động thế hệ kế tiếp 4G Cho đến hiện nay, công nghệ LTE đã phủ sóng hầu hết trên thế giới với tốc độ truy cập dữ liệu lên tới hàng trăm Mbit/s đáp ứng đầy đủ những tính năng mà các thiết bị di động mang lại LTE cũng là nền tảng cho việc ra đời của các

dịch vụ trực tuyến thời gian thực như video tốc độ cao, xem truyền hình trực tuyến hay thay thế mạng ADSL tại những khu vực không thể triển khai các thiết bị mạng có dây

Để có được tốc độ truy cập dữ liệu cao, nhiễu thấp cũng như giải quyết các vấn đề

về fading trong LTE yêu cầu cần có một phương pháp đa truy nhập phù hợp để đạt được

hiệu quả mong đợi Việc ứng dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số trực

nguyên vô tuyến một cách nhanh chóng, phổ công suất được sử dụng một cách hiệu quả,

khả năng khử nhiễu liên kênh, liên ký tự và đặc biệt là khả năng chống chịu lại trễ fading trong kênh vô tuyến Đó là những đặc tính cần thiết cần có của một phương pháp đa truy

nhập để đáp ứng những yêu cầu mà công nghệ LTE đặt ra

Trên những cơ sở đó, luận văn tốt nghiệp cung cấp những thông tin cơ bản nhất về công nghệ LTE, về kiến trúc hệ thống, các giao diện vô tuyến… Đặc biệt, luận văn tập trung vào việc nghiên cứu công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

sánh với các phương pháp đa truy nhập khác để có cái nhìn sâu hơn về công nghệ này

Trong quá trình thực hiện đề tài do còn nhiều hạn chế về thông tin cũng như thời gian hoàn thành nên không tránh khỏi những thiếu xót Tôi rất mong được sự đánh giá,

nhận xét và góp ý của các Thầy cô để luận văn có thể hoàn thiện hơn Tôi xin trân trọng

14

cảm ơn TS Đặng Quang Hiếu đã định hướng, giúp đỡ tận tình trong suốt quá trình thực

hiện luận văn này Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, ngày 17 tháng 03 năm 2014

Học viên

Nguyễn Danh Tuyến

15

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE

1.1 S ự phát triển của công nghệ LTE trên thế giới

LTE - Long Term Evolution, công nghệ này được coi như công nghệ di động thế

hệ thứ 4 (4G, nhưng thực chất LTE mới chỉ được coi như 3,9G) 4G LTE là một chuẩn

cho truyền thông không dây tốc độ dữ liệu cao dành cho điện thoại di động và các thiết

bị đầu cuối dữ liệu Nó dựa trên các công nghệ mạng GSM/EDGE và UMTS/HSPA, LTE nhờ sử dụng các kỹ thuật điều chế mới và một loạt các giải pháp công nghệ khác như lập lịch phụ thuộc kênh và thích nghi tốc độ dữ liệu, kỹ thuật đa anten để tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu Các tiêu chuẩn của LTE được tổ chức 3GPP ban hành và được quy định trong một loạt các chỉ tiêu kỹ thuật của Phiên bản 8 (Release 8), với những cải tiến nhỏ được mô tả trong Phiên bản 9

Hình 1.1 Các quốc gia chấp nhận công nghệ LTE tín đến 8/5/2012 [1]

16

Dịch vụ LTE thương mại đầu tiên trên thế giới được hãng TeliaSonera giới thiệu ở Oslo và Stockholm vào ngày 14/12/2009 LTE là hướng nâng cấp tự nhiên cho các sóng mang với các mạng GSM/UMTS, nhưng ngay cả các nhà mạng dựa trên công nghệ CDMA như Verizon Wireless (hãng này đã khai trương mạng LTE quy mô lớn đầu tiên

ở Bắc Mỹ vào năm 2010), và Au by KDDI ở Nhật cũng tuyên bố họ sẽ chuyển lên công nghệ LTE Do đó LTE được dự kiến sẽ trở thanh tiêu chuẩn điện thoại di động toàn cầu thực sự đầu tiên, mặc dù việc sử dụng các băng tần khác nhau tại các quốc gia khác nhau

sẽ yêu cầu điện thoại di động LTE phải làm việc được ở các băng tần khác nhau tại tất

cả các quốc gia sử dụng công nghệ LTE

Dù đóng mác là dịch vụ không dây 4G, nhưng chỉ tiêu kỹ thuật của LTE quy định trong loạt tài liệu Phiên bản 8 và 9 của 3GPP, không đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của liên minh 3GPP đã áp dụng cho thế hệ tiêu chuẩn mới, và được quy định bởi tổ chức ITU-R trong các đặc tả kỹ thuật IMT-Advanced

1.2 Gi ới thiệu công nghệ LTE

LTE là một chuẩn cho công nghệ truyền thông dữ liệu không dây và là một sự tiến hóa của các chuẩn GSM/UMTS Mục tiêu của LTE là tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu của các mạng dữ liệu không dây bằng cách sử dụng các kỹ thuật điều chế và DSP (xử lý tín hiệu số) mới được phát triển vào đầu thế kỷ 21 này Một mục tiêu cao hơn là thiết kế lại và đơn giản hóa kiến trúc mạng thành một hệ thống dựa trên nền IP với độ trễ truyền dẫn tổng giảm đáng kể so với kiến trúc mạng 3G Giao diện không dây LTE không tương thích với các mạng 2G và 3G, do đó nó phải hoạt động trên một phổ vô tuyến riêng biệt LTE được hãng NTT DoCoMo của Nhật đề xuất đầu tiên vào năm 2004, các nghiên cứu về tiêu chuẩn mới chính thức bắt đầu vào năm 2005 Tháng 5 năm 2007, liên minh Sáng kiến thử nghiệm LTE/SAE (LSTI) được thành lập, liên minh này là sự hợp tác toàn

17

cầu giữa các hãng cung cấp thiết bị và hãng cung cấp dịch vụ viễn thông với mục tiêu kiểm nghiệm và thúc đẩy tiêu chuẩn mới để đảm bảo triển khai công nghệ này trên toàn cầu càng hợp càng tốt Tiêu chuẩn LTE được hoàn thành vào tháng 12 năm 2008 và dịch

vụ LTE đầu tiên được hãng TeliaSonera khai trương ở Oslo và Stockholm vào ngày 14 tháng 12 năm 2009, đó là kết nối dữ liệu với một modem USB Năm 2011, các dịch vụ LTE được khai trương ở thị trường Bắc Mỹ, với việc hãng MetroPCS giới thiệu mẫu điện thoại thông minh hỗ trợ LTE đầu tiên là Samsung Galaxy Indulge vào ngày 10 tháng

2 năm 2011 và tiếp sau đó là hãng Verizon giới thiệu mẫu điện thoại thông minh hỗ trợ LTE thứ hai là HTC ThunderBolt vào ngày 17 tháng 3 cùng năm Ban đầu, các nhà mạng CDMA có kế hoạch nâng cấp các tiêu chuẩn cạnh tranh là UMB và WiMAX, nhưng tất

cả các nhà mạng CDMA lớn (như Verizon, Sprint và MetroPCS ở Mỹ, Bell và Telus ở

Unicom ở Trung Quốc) đã thông báo họ dự định sẽ chuyển lên chuẩn LTE Sự tiến hóa của LTE là LTE Advanced, đã được chuẩn hóa vào tháng 3 năm 2011 Dịch vụ dự kiến

sẽ được cung cấp bắt đầu vào năm 2013

Đặc tả kỹ thuật LTE chỉ ra tốc độ tải xuống đỉnh đạt 300 Mbit/s, tốc độ tải lên đỉnh đạt 75 Mbit/s và QoS quy định cho phép trễ truyền dẫn tổng thể nhỏ hơn 5 ms trong

mạng truy nhập vô tuyến LTE có khả năng quản lý các thiết bị di động chuyển động nhanh và hỗ trợ các luồng dữ liệu quảng bá và đa điểm LTE hỗ trợ băng thông linh hoạt,

từ 1,25 MHz tới 20 MHz và hỗ trợ cả song công phân chia theo tần số (FDD) và song công phân chia theo thời gian (TDD) Kiến trúc mạng dựa trên IP, được gọi là Lõi gói

tiến hóa (EPC) và được thiết kế để thay thay thế Mạng lõi GPRS, hỗ trợ chuyển giao liên tục cho cả thoại và dữ liệu tới trạm eNodeB với công nghệ mạng cũ hơn như GSM, UMTS và CDMA2000 Các kiến trúc đơn giản và chi phí vận hành thấp hơn (ví dụ, mỗi

tế bào E-UTRAN sẽ hỗ trợ dung lượng thoại và dữ liệu gấp 4 lần so với HSPA)

là giao diện vô tuyến của LTE Nó có các tính năng chính sau:

• Tốc độ tải xuống đỉnh lên tới 299.6 Mbit/s và tốc độ tải lên đạt 75.4 Mbit/s phụ thuộc vào kiểu thiết bị người dùng (với 4x4 anten sử dụng độ rộng băng thông là

20 MHz)

19

• Trễ truyền dẫn dữ liệu tổng thể thấp (thời gian trễ đi-về dưới 5 ms cho các gói IP nhỏ trong điều kiện tối ưu), trễ tổng thể cho chuyển giao thời gian thiết lập kết nối nhỏ hơn so với các công nghệ truy nhập vô tuyến kiểu cũ

• Cải thiện hỗ trợ cho tính di động, thiết bị đầu cuối di chuyển với vận tốc lên tới

350 km/h hoặc 500 km/h vẫn có thể được hỗ trợ phụ thuộc vào băng tần.[18]

kiệm công suất

• Hỗ trợ cả hai hệ thống dùng FDD và TDD cũng như FDD bán song công với cùng công nghệ truy nhập vô tuyến

• Hỗ trợ cho tất cả các băng tần hiện đang được các hệ thống IMT sử dụng của

ITU-R

• Tăng tính linh hoạt phổ tần: độ rộng phổ tần 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz,

dẫn tới một số vấn đề với việc đưa vào sử dụng công nghệ mới tại các quốc gia mà băng thông 5 MHz thương được ấn định cho nhiều mạng, và thường xuyên được sử dụng bởi các mạng như 2G GSM và cdmaOne)

• Hỗ trợ kích thước tế bào từ bán kính hàng chục m (femto và picocell) lên tới các macrocell bán kính 100 km Trong dải tần thấp hơn dùng cho các khu vực nông thôn, kích thước tế bào tối ưu là 5 km, hiệu quả hoạt động hợp lý vẫn đạt được ở 30 km, và khi lên tới 100 km thì hiệu suất hoạt động của tế bào vẫn có thể chấp nhận được Trong khu vực thành phố và đô thị, băng tần cao hơn (như 2,6 GHz ở Châu Âu) được dùng để

hỗ trợ băng thông di động tốc độ cao Trong trường hợp này, kích thước tê bào có thể chỉ còn 1 km hoặc thậm chí ít hơn

• Hỗ trợ ít nhất 200 đầu cuối dữ liệu hoạt động trong mỗi tế bào có băng thông

5 MHz

• Đơn giản hóa kiến trúc: phía mạng E-UTRAN chỉ gồm các eNode B

20

• Hỗ trợ hoạt động với các chuẩn cũ (ví dụ như GSM/EDGE, UMTS và CDMA2000) Người dùng có thể bắt đầu một cuộ gọi hoặc truyền dữ liệu trong một khu vực sử dụng chuẩn LTE, nếu tại một địa điểm không có mạng LTE thì người dùng vẫn

có thể tiếp tục hoạt động nhờ các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS dùng WCDMA hay thậm chí là mạng của 3GPP2 như cdmaOne hoặc CDMA2000)

• Giao diện vô tuyến chuyển mạch gói

• Hỗ trợ cho MBSFN (Mạng quảng bá đơn tần) Tính năng này có thể cung cấp các dịch vụ như Mobile TV dùng cơ sở hạ tầng LTE, và là một đối thủ cạnh tranh cho truyền hình dựa trên DVB-H

1.7/2.1 GHz

2.5GHz, 2.6GHz, 3.5GHz, 3.65 GHz, 5.8

GHz,

700MHz, 850MHz, 1.5GHz, 1.8 GHz, 1.7/2.1GHz, 2.1GHz, 2.3GHz, 2.6GHz

Các thông

số hướng

đến

Tốc độ dữ liệu lên 5.6 Mbps đối với kênh 5MHz, bán

Tốc độ dữ liệu lên 75Mbps/25 Mbps đối

với kênh 10MHz với 2x2 MIMO, bán

Tốc độ dữ liệu lên 300Mbps/75 Mbps đối với kênh 10MHz với 2x2 MIMO, bán kính cell lên đến 100Km,

21

kính cell là 680m

kính cell lên đến 2-7Km, 100-200 người dùng

hoạt động tốt nhất ở 5km, tối ưu ở 30km, lớn hơn 400 người dùng

Khả năng

tương thích

lùi

Tương thích lùi với Release 99

Không tương thích lùi với 3GPP hoặc 3GPP2

Kế thừa chuẩn 3GPP, nhưng khác kỹ thuật nên đòi hỏi thiết bị mới

ở RAN nếu dải tần khácnhau được sử dụng

Bảng 1.1 So sánh giữa HSPA, WiMAX và LTE

Về công nghệ, LTE và WiMax có một số khác biệt nhưng cũng có nhiều điểm tương đồng Cả hai công nghệ đều dựa trên nền tảng IP Cả hai đều dùng kỹ thuật MIMO để

cải thiện chất lượng truyền/nhận tín hiệu, đường xuống từ trạm thu phát đến thiết bị đầu

cuối đều được tăng tốc bằng kỹ thuật OFDM hỗ trợ truyền tải dữ liệu đa phương tiện và video

Đường lên từ thiết bị đầu cuối đến trạm thu phát có sự khác nhau giữa 2 công nghệ

Division Multiple Access) Về lý thuyết, SC-FDMA được thiết kế làm việc hiệu quả hơn

và các thiết bị đầu cuối tiêu thụ năng lượng thấp hơn OFDMA

LTE còn có ưu thế hơn WiMax vì được thiết kế tương thích với cả phương thức TDD (Time Division Duplex) và FDD (Frequency Division Duplex) Ngược lại, WiMax

hiện chỉ tương thích với TDDs TDD truy ền dữ liệu lên và xuống thông qua 1 kênh tần

22

số (dùng phương thức phân chia thời gian), còn FDD cho phép truy ền dữ liệu lên và

xuống thông qua 2 kênh tần số riêng biệt Điều này có nghĩa LTE có nhiều phổ tần sử

dụng hơn WiMax Tuy nhiên, sự khác biệt công nghệ không có ý nghĩa quyết định trong

cuộc chiến giữa WiMax và LTE

Trên thế giới, 4G dù chưa phải phổ biến song cũng đã có quốc gia và các hãng viễn thông triển khai Chẳng hạn như Ericsson Tháng 1/2009, Ericsson và nhà mạng tại Thụy Điển đã triển khai thương mại TeliaSonera mạng LTE/4G đầu tiên tại Thụy Điển Tới tháng 1/2010 đã triển khai diện rộng mạng TeliaSonera trên toàn quốc ở Na Uy và Thụy Điển Ngoài ra, Ericsson đã ký hợp đồng triển khai LTE trong thời gian tới với các nhà

mạng AT&T (Mỹ), MetroPCS, Verizon Wireless (Mỹ), NTT Docomo (Nhật) Ericsson cũng đã tiến hành các thử nghiệm LTE/4G với các mạng Telstra, SingTel, T-Mobile Hungary, Zain Saudia Arabia

1.5 Tình hình tri ển khai 4G LTE tại Việt Nam

Tính đến hết năm 2012, trên thế giới có khoảng 30 quốc gia có các hãng viễn thông đang cung cấp dịch vụ 4G Trong đó có cả những nước gần với Việt Nam như Thái Lan, Indonesia và Trung Quốc Và đây cũng đang là công nghệ mà các nhà mạng của nước ta quan tâm đặc biệt

Đến thời điểm hiện tại, Bộ TT&TT đã cấp 5 giấy phép thử nghiệm 4G cho các doanh

đơn vị đã bắt đầu tiến hành thử nghiệm công nghệ 4G

Việc tiến lên 4G không chỉ là xu hướng chung mà còn là con đường tất yếu để viễn thông Việt Nam hội nhập với sự phát triển của công nghệ viễn thông thế giới

triển khai 4G thay vì phải đợi tới năm 2015 như Quy hoạch phát triển viễn thông quốc gia đến năm 2020 của Chính phủ quy định

nghiệp viễn thông khá tự tin để triển khai công nghệ mới này trước 2 năm so với quy định

Theo tính toán, chỉ riêng ở khu vực châu Á, hiện đã có tới 63% các nhà mạng đang

tiến hành thử nghiệm hoặc cung cấp dịch vụ 4G Trong đó, số lượng thuê bao của công nghệ mới này ước tính hiện đang vào khoảng 34,6 triệu trên tổng số 3,45 tỷ thuê bao di động của khu vực này tính đến hết năm 2013

Việc phát triển 4G tại Việt Nam cần phải tuân thủ đúng lộ trình Quy hoạch phát triển

viễn thông quốc gia đến năm 2020 của Chính phủ, sớm nhất cũng phải tới năm 2015 do các nhà mạng đã phải đầu tư 2 tỷ USD để xây dựng mạng 3G nhưng công suất vẫn chưa được khai thác hết, bởi vậy việc triển khai 4G sớm là không cần thiết, thậm chí sẽ gây ra lãng phí lớn

Tuy nhiên, các nhà mạng cũng cần chuẩn bị các tiền đề công nghệ cũng như vốn để chuẩn bị cho việc phát triển 4G LTE trong tương lai không xa Công nghệ LTE vẫn đang

tiếp tục được phát triển, hoàn thiện và có nhiều cải tiến do vậy các nhà mạng cần nắm

bắt để tiếp cận các công nghệ 4G tiên tiến nhất khi triển khai tại Việt Nam

1.6 T ổng kết chương

Chương I đã trình bày một cách tổng quan nhất về tình hình phát triển của LTE trên

thế giới tính đến thời điểm hiện tại và tình hình triển khai tại Việt Nam Qua việc trình bày đặc điểm của LTE cũng như việc so sánh với các công nghệ WiMax, HSPA có thể

24

khẳng định những ưu điểm nổi bật của LTE để ứng dụng trong việc phát triển cơ sở hạ

tầng 4G là ưu tiên hàng đầu của viễn thông thế giới Những lợi thế về tốc độ Downlink/Uplink (300Mb/75Mb), dải tần rộng, độ phủ sóng của cell ( lên đến tối đa 100km) và đặc biệt là khả năng tương thích với các mạng thế hệ trước đó là điểm nhấn

để các nhà mạng trên thế giới ưu tiên phát triển công nghệ LTE Hiện nay trên thế giới

một số quốc gia như Nhật Bản, Hàn Quốc đang có kế hoạch triển khai công nghệ 5G, tuy nhiên công nghệ 4G LTE được dự báo vẫn sẽ được tiếp tục phát triển và mở rộng tại nhiều quốc qua trên thế giới trong đó có Việt Nam trong tương lai xa

25

CHƯƠNG II: KIẾN TRÚC HỆ THỐNG LTE THEO CHUẨN 3GPP [3]

2.1 Gi ới thiệu chương

Trong chương I ta đã được biết về những đặc điểm tổng quan nhất về công nghệ LTE, tình hình phát triển cũng như những lợi thế phát triển trong tương lai Chương II

sẽ trình bày về kiến trúc của hệ thống LTE, những thành phần chính cấu thành hệ thống Ngoài ra cũng trình về chức năng, nhiệm vụ của các thành phần đó, khả năng làm việc

giữa các thành phần với nhau và với mạng ngoài

2.2 Ki ến trúc hệ thống LTE cải tiến trong 3GPP

Khi giao diện vô tuyến được cải tiến, điều rõ ràng là kiến trúc hệ thống cũng cần được cải tiến để phù hợp với giao diện vô tuyến ấy Hầu hết đều hướng tới việc tối ưu hóa hệ thống dành cho các dịch vụ chuyển mạch gói, bên cạnh đó một trong những mục tiêu thiết kế giao diện vô tuyến như loại bỏ chuyển giao mềm cũng mở ra cơ hội mới trong thiết kế kiến trúc chung của hệ thống Ngoài ra, việc ra đời High Speed Packet Access (HSPA) đã chứng minh rằng tất cả các chức năng vô tuyến có thể mang lại hiệu quả khi đặt chung trong NodeB tạo ra những cơ sở mới cho việc nghiên cứu về kiến trúc tổng thể hệ thống

Việc nghiên cứu cho cải tiến kiến trúc hệ thống- System Architecture Evolution (SAE) sau đó đã đi theo sự phát triển giao diện vô tuyến với những mục tiêu thiết kế:

• Tối ưu hóa cho các dịch vụ chuyển mạch gói nói chung

• Hỗ trợ tối đa cho lưu lượng tốc độ cao đáp ứng những yêu cầu ngày một cao về tốc độ truy cập của người dùng

• Cải thiện thời gian đáp ứng cho việc kích họat và khởi tạo sóng mang

• Cải thiện trễ phân phối gói

• Đơn giản hóa tổng thể hệ thống so với 3GPP hiện có và các hệ thống di động khác

26

• Tối ưu hóa liên làm việc với các mạng truy nhập 3GPP khác

• Tối ưu hóa liên làm việc với các mạng truy cập không dây khác

Hình 2.1 Kiến trúc 3GPP cải tiến theo hướng phẳng [3]

Hầu hết các mục tiêu thiết kế đều ám chỉ đến việc phát triển một kiến trúc Kiến trúc phẳng với việc tối giản hóa các nút ít tham gia vào quá trình làm việc sẽ làm giảm độ trễ và cải thiện hiệu suất của mạng Việc phát triển theo hướng này đã bắt đầu được thực hiện trong phiên bản 7 với khái niệm Direct Tunnel cho phép phân hệ người dùng (UP)

bỏ qua SGSN, và đặt các chức năng của RNC lên NodeB HSPA Hình 2.1 cho thấy những cải tiến và làm thế nào để thực hiện việc này ở mức cao trong kiến trúc SAE

27

2.3 C ấu hình kiến trúc hệ thống cơ bản mạng truy nhập E-UTRAN

2.3.1 Tổng quan kiến trúc hệ thống cơ bản

Hình 2.2 mô tả kiến trúc và các thành phần mạng trong cấu hình kiến trúc E-UTRAN

AN ( Access Network) Các kết nối và nút logic thể hiện trong hình đại diện cho các cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống Những yếu tố và các chức năng cần thiết trong mọi trường hợp khi E-UTRAN tham gia vào mạng di động Các kiến trúc hệ thống khác được mô tả trong các phần tiếp theo cũng bao gồm một số chức năng bổ sung

Hình dưới cũng cho thấy kiến trúc được chia thành 4 thành phần chính: Thiết bị người dùng (UE), Evolved UTRAN (E-UTRAN), Evolved Packet Core Network (EPC), và phần dịch vụ

28

Các thành phần này có chức năng tương đương trong hệ thống 3GPP hiện có Sự phát triển kiến trúc mới được giới hạn truy nhập vô tuyến và mạng lõi, tương ứng với E-

có nhiều cải tiến và thay đổi cho từng thành phần

UE, E-UTRAN và EPC kết nối với nhau qua dựa trên IP Đây là một phần của hệ thống EPS- Evolved Packet System Chức năng chính của lớp này là cung cấp kết nối dựa trên IP, và nó được tối ưu hóa cao cho mục đích đó Tất cả các dịch vụ sẽ được cung cấp trên nền IP, các giao diện và nút chuyển mạch kênh trong kiến trúc 3GPP trước đó không có trong E-UTRAN và EPC Công nghệ IP cũng chiếm ưu thế trong việc truyền tải dữ liệu và tất cả mọi thành phần được thiết kế để hoạt động trên nền IP

Sự phát triển trong E-UTRAN được tập trung trên một nút, NodeB cải tiến (eNodeB) Tất cả các chức năng vô tuyến được thu nhỏ ở đó, tức là các eNodeB là điểm kết thúc cho tất cả các giao thức liên quan đến vô tuyến Trong mạng, E-UTRAN chỉ đơn giản là một mạng lưới các eNodeB kết nối với eNodeB liền kề bằng giao diện X2 Một trong những thay đổi về kiến trúc lớn trong lĩnh vực mạng lõi là EPC không chứa thành phần chuyển mạch kênh và không kết nối trực tiếp với mạng chuyển mạch kênh thông thường như ISDN hay PSTN Chức năng EPC tương đương với miền chuyển mạch gói của mạng 3GPP hiện tại Tuy nhiên, những thay đổi đáng kể trong việc bố trí chức năng và kiến trúc hầu hết các node được coi là hoàn toàn mới trong phần này

Cả hai Hình 2.1 và Hình 2.2 cho thấy thành phần SAE-GW Như hình sau chỉ ra, thành phần đại diện cho sự kết hợp của hai cổng, Serving Gateway (S-GW) và Packet Data Network Gateway (P-GW) định nghĩa cho UP (phân hệ người dùng) xử lý trong EPC Việc kết hợp hai thành phần này thành SAE-GW là một kịch bản triển khai khả thi tuy nhiên các chuẩn được định nghĩa cho 2 thành phần này khi chúng hoạt động riêng

rẽ cũng đã được đưa ra

29

2.3.2 Các thành phần logic trong kiến trúc cơ bản của hệ thống

2.3.2.1 Thiết bị người dùng cuối (UE)

UE là thiết bị mà người dùng cuối sử dụng để liên lạc Thông thường nó là một thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh hoặc một thẻ dữ liệu như những người sử dụng hiện nay trong 2G và 3G, hoặc nó có thể được nhúng vào một thiết bị nào đó ví dụ như máy tính xách tay UE cũng chứa USIM- Universal Subscriber Identity Module- là một module riêng biệt với phần còn lại của UE, mà thường được gọi là thiết bị đầu cuối (TE) USIM là một ứng dụng được đặt vào một thẻ thông minh có thể tháo rời được gọi là UICC- Universal Integrated Circuit Card USIM được sử dụng để xác định và xác thực người dùng và để lấy được khóa bảo mật bảo vệ việc truyền tải giao diện vô tuyến

Về mặt chức năng, UE là một nền tảng cho các ứng dụng truyền thông, tín hiệu với mạng cho việc thiết lập, duy trì và loại bỏ các liên kết thông tin liên kết các nhu cầu của người dùng cuối Điều này bao gồm các chức năng quản lý di động như chuyển giao và báo cáo vị trí thiết bị đầu cuối, và trong các UE thực hiện theo hướng dẫn của mạng Có

lẽ quan trọng nhất, UE cung cấp giao diện người sử dụng cho người dùng cuối để các ứng dụng như VoIP client có thể sử dụng để thiết lập một cuộc gọi thoại

2.3.2.2 E-UTRAN Node B (eNodeB)

một trạm phát sóng vô tuyến kiểm soát tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến Các trạm eNodeB thông thường được phân bố trong toàn bộ vùng phủ của mạng, các eNodeB

sẽ được đặt cạnh các anten vô tuyến

Về mặt chức năng, eNodeB hoạt động như một cầu nối lớp 2 giữa UE và EPC, là điểm kết cuối của tất cả các giao thức vô tuyến về phía UE, và chuyển tiếp dữ liệu giữa các kết nối vô tuyến và kết nối dựa trên IP tương ứng đối với EPC Trong vai trò này, các eNodeB thực hiện mã khối / giải mã dữ liệu phân hệ người dùng cũng như nén / giải

30

nén IP header, có nghĩa là tránh việc gửi dữ liệu tuần tự hoặc dữ liệu lặp trong IP header Các eNodeB cũng chịu trách nhiệm kiểm soát nhiều chức năng phân hệ điều khiển (CP) Các eNodeB chịu trách nhiệm về quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM), tức là kiểm soát việc sử dụng giao diện vô tuyến, trong đó bao gồm, phân bổ nguồn lực dựa trên yêu cầu, lưu lượng ưu tiên và lập lịch theo QoS, và liên tục giám sát tình hình sử dụng tài nguyên

Ngoài ra, các eNodeB có vai trò quan trọng trong quản lý di động (MM) Các eNodeB điều khiển và phân tích đo lường mức độ tín hiệu vô tuyến được thực hiện bởi các UE và của chính nó, dựa vào đó đưa ra quyết định UE chuyển giao giữa các tế bào Điều này bao gồm trao đổi tín hiệu chuyển giao giữa các eNodeBs khác và MME Khi một UE mới kích hoạt dưới eNodeB và yêu cầu kết nối vào mạng, các eNodeB cũng chịu trách nhiệm cho việc định tuyến yêu cầu này cho MME mà trước đây phục vụ UE đó, hoặc lựa chọn một MME mới, nếu một tuyến đến MME trước không có sẵn hoặc không

có thông tin định tuyến

Hình 2.3 Các kết nối eNodeB tới các node logic khác và các chức năng chính

Cả MMEs và S-GWs có thể được gộp lại, có nghĩa là một tập hợp các các nút được phân công để phục vụ một tập hợp các eNodeBs Từ góc độ eNodeB đơn này có thể phải kết nối với nhiều MMEs và S-GWs Tuy nhiên, mỗi UE sẽ được phục vụ bởi chỉ một

quan hệ này sẽ không bao giờ thay đổi khi xem xét trên một eNodeB đơn lẻ, bởi vì MME hoặc S-GW chỉ có thể thay đổi kết hợp với chuyển giao liên eNodeB

Th ực thể quản lý di động- MME

Thực thể quản lý di động MME là yếu tố điều khiển chính trong EPC Thường MME sẽ

là một máy chủ đặt trong vùng an toàn của nhà mạng Nó chỉ hoạt động trong các CP,

và không tham gia vào thành phần của dữ liệu UP

Ngoài giao diện kết cuối tới MME trong kiến trúc như thể hiện trong hình 2.2, MME cũng có một kết nối CP trực tiếp với UE, và kết nối này được sử dụng như kênh điều khiển chính giữa UE và mạng Sau đây là các chức năng MME chính trong cấu hình kiến trúc hệ thống cơ bản:

• Xác thực và bảo mật: Khi một UE đăng ký vào mạng lần đầu tiên MME khởi tạo quá trình xác thực bằng cách thực hiện như sau: nó tìm thấy danh định của UE hoặc từ mạng truy cập trước đó hoặc từ chính UE ; yêu cầu từ HSS- Home Subscription Server trong mạng chủ của UE, các vectơ xác thực có chứa các cặp tham số tìm gọi xác thực, gửi thông tin đến UE và so sánh phản hồi nhận được từ UE đến một máy thu từ mạng chủ MME có thể lặp lại xác thực khi cần thiết hoặc theo chu kỳ MME sẽ tính toán khóa bảo vệ mã khối và tính toàn vẹn của UE từ khóa chính nhận được trong vector xác thực

32

từ các mạng chủ, và điều khiển các thiết lập liên quan trong E- UTRAN cho UP và CP tương ứng Các chức năng này được sử dụng để bảo vệ các thông tin liên lạc từ việc nghe trộm và sự thay đổi của các bên thứ ba không được phép truy cập Để bảo vệ sự riêng tư UE, MME cũng phân bổ mỗi UE một mã nhận dạng tạm thời gọi là Globally Unique Temporary Identity ( GUTI ) do đó cần phải gửi mã nhận dạng UE cố định - International Mobile Subscriber Identity (IMSI) - qua giao diện vô tuyến được tối thiểu hóa Các GUTI có thể được tái phân bổ ví dụ định kỳ để ngăn chặn các UE trái phép

• Quản lý di động : Các MME theo dõi vị trí của tất cả các UE trong khu vực dịch vụ của nó Khi một UE đăng nhập vào mạng, MME sẽ tạo ra một khe cho UE và tín hiệu

vị trí tới HSS trong mạng chủ của UE, MME yêu cầu các tài nguyên thích hợp để thiết lập trong các eNodeB cũng như trong S-GW mà nó chọn cho UE Sau đó MME sẽ tiếp tục theo dõi vị trí của UE hoặc mức của eNodeB xem UE còn kết nối hay không, khi

UE ở chế chộ im lặng thì việc duy trì dữ liệu kết nối là không cần thiết, MME kiểm soát các nguồn tài nguyên thiết lập và giải phóng dựa trên chế độ thay đổi hoạt động của UE, MME cũng tham gia điều khiển tín hiệu chuyển giao trong chế độ hoạt động của UE giữa eNodeB, S - GW hoặc MME Một UE nhàn rỗi sẽ báo cáo vị trí của nó định kỳ hoặc khi nó di chuyển đến khu vực theo dõi khác Nếu dữ liệu nhận được từ các mạng bên ngoài khi UE nhàn rỗi, MME sẽ được thông báo, và nó yêu cầu các eNodeBs trong

TA rằng đã lưu dữ liệu tìm gọi UE

• Quản lý thông tin thuê bao và kết nối dịch vụ: Tại thời điểm một UE đăng nhập mạng, MME sẽ chịu trách nhiệm để lấy thông tin thuê bao của nó từ mạng chủ, MME sẽ lưu trữ thông tin này trong thời gian nó đang phục vụ UE Thông tin này xác định các kết nối dữ liệu mạng gói nên được phân bổ cho UE tại thời điểm truy cập mạng MME sẽ

tự động thiết lập các sóng mang mặc định cung cấp cho UE kết nối IP cơ bản bao gồm báo hiệu CP với các eNodeB và S-GW MME có thể nhận được yêu cầu thiết lập đường truyền chuyên dụng hoặc từ S-GW nếu yêu cầu bắt nguồn từ phân hệ quản lý dịch vụ, hoặc trực tiếp từ UE nếu UE yêu cầu kết nối cho một dịch vụ không được biết đến bởi

33

các nhà cung cấp dịch vụ nó sẽ không được khởi tạo

Hình 2.4 cho thấy các kết nối MME với các node quanh nó, và tổng hợp các chức năng chính trong các giao diện này Về nguyên tắc, MME có thể được kết nối với bất

kỳ MME khác trong hệ thống, nhưng thường là kết nối được giới hạn chỉ có một nhà mạng Các kết nối từ xa giữa các MME có thể được sử dụng khi một UE đi ra khỏi vùng phục vụ và đăng nhập vào một MME mới, sau đó lấy IMSI của UE từ lần truy cập MME trước đó Kết nối liên MME với MME lân cận được sử dụng trong chuyển giao

Kết nối với một số HSS cũng cần được hỗ trợ HSS nằm trong mạng chủ của thuê bao, và định tuyến để có thể được tìm thấy dựa trên IMSI Mỗi MME sẽ được cấu hình

để kiểm soát một tập hợp các S-GW và eNodeB Cả S-GW và eNodeB đều có thể được kết nối với MME khác MME có thể phục vụ một số UE cùng một lúc, trong khi mỗi

UE chỉ kết nối tới một MME tại một thời điểm

34

Khi giao diện S5/S8 dựa trên GTP, S-GW sẽ có đường hầm GTP trên tất cả các giao diện UP của nó Ánh xạ giữa luồng dịch vụ IP và đường hầm GTP được thực hiện trong P-GW, và S-GW không cần phải kết nối với PCRF Tất cả việc điều khiển đều liên quan đến các đường hầm GTP, và xuất phát từ MME hoặc P-GW Khi giao diện S5/S8 sử dụng PMIP, S-GW sẽ thực hiện ánh xạ giữa luồng dịch vụ IP trong S5/S8 và đường hầm GTP trong giao diện S1-U, và sẽ kết nối tới PCRF để nhận được thông tin ánh xạ

S-GW có một vai trò rất nhỏ trong chức năng điều khiển Nó chỉ chịu trách nhiệm

về tài nguyên của nó và phân bổ dựa trên yêu cầu từ MME P-GW hoặc PCRF mà lần lượt được kích hoạt, thay đổi hoặc xóa sóng mang cho UE khi cần thiết Nếu nhận được yêu cầu từ P-GW hoặc PCRF, S-GW cũng sẽ chuyển tiếp lệnh tới MME để nó có thể kiểm soát các đường hầm tới eNodeB Tương tự như vậy khi MME khởi tạo yêu cầu, S-

GW sẽ báo hiệu tới P- GW hoặc PCRF tùy thuộc vào việc S5/S8 tương ứng dựa trên GTP hoặc PMIP Nếu giao diện S5/S8 dựa trên PMIP dữ liệu trong giao diện đó sẽ là luồng IP trong đường hầm GRE cho mỗi UE trong khi ở giao diện S5/S8 GTP dựa trên mỗi sóng mang sẽ có đường hầm GTP riêng của mình Do đó, S-GW hỗ trợ PMIP S5/S8

có trách nhiệm cho việc khởi tạo sóng mang hay ánh xạ các luông IP trong giao diện S5/S8 tới sóng mang trong giao diện S1 Chức năng này trong S-GW được gọi là BBERF- Bearer Binding and Event Reporting Function Không phân biệt nơi các tín hiệu mang bắt đầu, BBERF luôn luôn nhận được các thông tin sóng mang từ PCRF

Trong quá trình di chuyển giữa eNodeBs, S-GW hoạt động như một điểm kết cuối

di động cục bộ MME điều khiển S-GW để chuyển đổi các đường hầm từ một eNodeB tới eNodeB khác MME cũng có thể yêu cầu S-GW cung cấp tài nguyên cho đường hầm chuyển tiếp dữ liệu, khi có nhu cầu để chuyển tiếp dữ liệu từ eNodeB nguồn tới eNodeB đích trong thời gian UE chuyển giao vô tuyến Các kịch bản di động cũng bao gồm thay đổi từ một S-GW tới S-GW khác, và MME kiểm soát sự thay đổi này cho phù hợp, bằng

35

cách loại bỏ các đường hầm trong S-GW cũ và thiết lập chúng trong S-GW mới

Với tất cả các luồng dữ liệu thuộc về một UE ở chế độ kết nối, S-GW chuyển tiếp

dữ liệu giữa các eNodeB và P-GW Tuy nhiên, khi một UE ở chế độ nhàn rỗi, các tài nguyên trong eNodeB được giải phóng, và các luồng dữ liệu kết thúc trong S-GW Nếu S-GW nhận được các gói dữ liệu từ P-GW vào đường hầm bất kỳ như vậy, nó sẽ đệm các gói tin, và yêu cầu MME khởi tạo việc tìm gọi UE Việc tìm gọi sẽ làm UE kết nối lại, và khi đường hầm được tái kết nối các gói đệm sẽ được gửi về S-GW sẽ giám sát

dữ liệu trong các đường hầm, và cũng có thể thu thập dữ liệu cần thiết cho việc trừ cước thuê bao

Hình 2.5 Các kết nối S-GW tới các node logic khác và các chức năng chính

Hình 2.5 cho thấy cách S-GW được kết nối với các nút logic khác, và danh sách các chức năng chính trong các giao diện này Tất cả giao diện có thể được cấu hình trong

36

một mô hình một-nhiều về phương diện của S-GW Một S-GW có thể chỉ phục vụ một khu vực địa lý cụ thể với một số hạn chế các eNodeBs, và tương tự như vậy có thể có một số hạn chế các MMEs kiểm soát khu vực đó S-GW sẽ có thể kết nối với bất kỳ P-

GW nào trong mạng, bởi vì P-GW sẽ không thay đổi trong quá trình di chuyển, trong khi S-GW có thể được di dời, khi di chuyển UE Cho các kết nối liên quan đến một UE,

một thời điểm Nếu một UE được phép kết nối với nhiều PDNs qua P-GWs khác nhau, thì S-GW cần phải kết nối với những cách riêng biệt Nếu giao diện S5/S8 dựa trên

2.3.2.3 Packet Data Network Gateway (GW)

Packet Data Network Gateway (P-GW) là router biên giữa EPS và mạng dữ liệu gói bên ngoài Đây là điểm kết cuối di động mức cao nhất trong hệ thống, và thường nó hoạt động như các điểm IP của tập tin đính kèm cho UE Nó thực hiện việc lọc và điều hướng theo yêu cầu của dịch vụ Tương tự như S-GW, P-GWs được duy trì trong các trung tâm điều hành tại một địa điểm tập trung nào đó

Thường P-GW cấp phát địa chỉ IP cho UE và UE sử dụng để giao tiếp với các host

IP khác trong mạng ngoài, ví dụ như internet Nó cũng có thể là PDN bên ngoài mà UE được kết nối phân bổ địa chỉ mà được sử dụng bởi UE, và đường hầm P- GW tất cả lưu lượng truy cập vào mạng đó Địa chỉ IP luôn luôn được cấp phát khi UE yêu cầu một kết nối PDNít nhất là xảy ra là khi UE truy cập vào mạng, và nó có thể xảy ra sau đó khi cần một kết nối PDN mới Về mặt chức năng P- GW thực hiện các yêu cầu của Giao thức cấu hình host động- Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) chức năng hoặc truy vấn một máy chủ DHCP bên ngoài và cung cấp địa chỉ tới UE

P-GW bao gồm các PCEF, có nghĩa là nó thực hiện chức năng lọc và điều hướng theo yêu cầu của chính sách thiết lập cho UE và các dịch vụ liên quan, nó cũng thu thập

và báo cáo thông tin liên quan đến việc trừ cước

Lưu lượng UP giữa P-GW và mạng bên ngoài dưới hình thức các gói tin IP thuộc

37

các luồng dịch vụ IP khác nhau Nếu giao diện S5/S8 về phía S-GW dựa trên GTP,

P-GW thực hiện ánh xạ giữa luồng dữ liệu IP vào đường hầm GTP, đại diện cho sóng mang P-GW thiết lập sóng mang theo yêu cầu hoặc thông qua các PCRF hoặc từ S-GW

để chuyển tiếp thông tin từ MME P-GW cũng có thể cần phải tương tác với các PCRF

để nhận được thông tin điều khiển chính sách phù hợp, nếu không được cấu hình trong P-GW Nếu giao diện S5/S8 dựa trên PMIP, P-GW ánh xạ tất cả các dịch vụ IP đến từ các mạng ngoài mà thuộc về một UE tới một đường hầm GRE duy nhất, và kiểm soát tất cả thông tin trao đổi với chỉ PCRF

P-GW là điểm kết cuối di động mức cao nhất trong hệ thống Khi một UE di chuyển

từ một S-GW khác, sóng mang được chuyển mạch trong P-GW P-GW sẽ nhận được một chỉ định để chuyển đổi các luồng dữ liệu từ S-GW mới

Hình 2.6 cho thấy các kết nối P-GW với các node logic xung quanh, và danh sách các chức năng chính trong các giao diện này Mỗi P-GW có thể được kết nối với một hoặc nhiều PCRF, S-GW và mạng ngoài Khi UE có liên quan đến các P-GW, chỉ có một S-GW, nhưng có thể cần phải hỗ trợ kết nối với nhiều mạng bên ngoài và tương ứng với nhiều PCRFs, nếu kết nối với nhiều PDNs sẽ được hỗ trợ thông qua P-GW

2.3.2.4 Policy and Charging Resource Function(PCRF)

PCRF (Policy and Charging Resource Function) là phần tử mạng chịu trách nhiệm đối với chính sách và điều khiển tính cước PCC (Policy and Charging Control) Nó quyết định về cách xử lý các dịch vụ về QoS, và cung cấp thông tin cho PCEF nằm trong P-

sách thích hợp PCRF là một máy chủ thường đặt với các thành phần CN khác tại các trung tâm điều hành chuyển mạch

Các thông tin về PCRF cung cấp cho các PCEF được gọi là các quy tắc PCC Các PCRF sẽ gửi các quy tắc PCC bất cứ khi nào một sóng mang mới được thiết lập Sóng mang thiết lập là cần thiết, ví dụ, khi UE khởi tạo việc đăng nhập mạng và sóng mang

Hình 2.6 P-GW kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính

Các kết nối giữa các PCRF và các nút khác được thể hiện trong hình 3.7 Mỗi PCRF

có thể được liên kết với một hoặc nhiều AF, P-GW và S-GW Chỉ có một PCRF liên kết với mỗi kết nối PDN mà một UE đơn có

39

Hình 2.7 PCRF kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính

Home Subscription Server (HSS)

HSS (Home Subscription Server)là kho lưu trữ dữ liệu thuê bao cho tất cả các dữ liệu người dùng cố định Nó cũng ghi lại vị trí của người sử dụng ở mức nút điều khiển mạng khách, chẳng hạn như MME Nó là một máy chủ cơ sở dữ liệu duy trì tập trung trong hệ thống điều hành mạng chủ

HSS lưu trữ các dữ liệu chính về thông tin thuê bao trong đó có thông tin về các dịch vụ được áp dụng cho người sử dụng bao gồm thông tin về việc cho phép kết nối PDN và có được phép chuyển vùng đến một mạng khách cụ thể hay không Hỗ trợ di động giữa các mạng truy nhập không phải của 3GPP, HSS cũng lưu danh định của những P-GW đang được sử dụng Khóa cố định – permanent key được sử dụng để tính toán các vectơ xác thực được gửi đến một mạng khách để xác thực người sử dụng và trích dẫn các khóa tiếp theo cho việc mã hóa và bảo vệ toàn vẹn dữ liệu được lưu trữ tại AuC