Thiết kế và quy hoạch mạng 4g LTE thực tế triển khai áp dụng tại trung tâm mạng lưới mobifone miền bắc

Hiện tại nhà mạng Mobifone đã triển khai mạng 3G, 4G LTE rộng khắp trên toàn bộ lãnh thổ Việt nam, theo lộ trình của Bộ thông tin truyền thông cho tiến trình phát triển công nghệ di động

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

-

Phạm Văn Trưởng

THIẾT KẾ VÀ QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE THỰC TẾ TRIỂN KHAI ÁP DỤNG TẠI TRUNG TÂM

MẠNG LƯỚI MOBIFONE MIỀN BẮC

Chuyên ngành : Kỹ thuật Viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Nguyễn Quốc Khương

Hà Nội - 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ

rõ nguồn gốc

Ngày 15 tháng 8 năm 2018

Phạm Văn Trưởng

LỜI CÁM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, sự giúp đỡ tận tình của các Thầy Cô giáo và bạn bè Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới: Thầy giáo TS Nguyễn Quốc Khương, người đã tận tình chỉ dạy, giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn Những dạy bảo, ý kiến nhận xét, đánh giá, góp ý mang tính gợi

mở của Thầy vô cùng quý giá giúp tôi hiểu được sâu sắc hơn các vấn đề học tập và nghiên cứu và công việc của tôi sau này

Tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn các Thầy Cô và cán bộ thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt khóa học và làm luận văn đúng tiến độ quy định

Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới Gia đình, đồng nghiệp cùng các bạn học viên lớp 16AKTVT đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập vừa qua

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii

LỜI MỞ ĐẦU xi

Chương I Tổng quan về mạng 4G LTE 1

1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động 1

1.1.1 Hệ thống thông tin di động từ 1G đến 3G 2

1.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 2G/3G 2

1.2 Nhu cầu tiến lên 4G LTE 6

1.2.1 Tăng trưởng dữ liệu người dùng 6

1.2.2 Dung lượng hệ thống thông tin di động (lý thuyết shannon) 7

1.2.3 Tăng dung lượng hệ thống 9

1.2.4 Các yếu tố khác tiến lên LTE 9

1.3 Từ 3G tiến lên 4G LTE 10

1.3.1 LTE 10

1.3.2 Cải tiến phần mạng lõi 11

1.3.3 Hệ thống thông tin di động 4G 12

1.3.4 Các tiêu chuẩn 3GPP cho LTE 13

1.3.5 Sự khác biệt giữa mạng 4G và LTE 13

1.3.6 Sự tiến hóa LTE lên 4G 14

Chương II Cấu trúc mạng thông tin di động 4G LTE 21

2.1 Kiến trúc của LTE 21

2.1.1 Cấu trúc tổng quát 21

2.1.2 Thiết bị người dùng 21

2.1.3 Mạng truy nhập vô tuyến tiên tiến 23

2.1.4 Mạng Core trong LTE 24

2.1.5 Cấu trúc roaming 26

2.1.6 Vùng mạng (network area) 27

2.1.7 Định danh, địa chỉ, đánh số 28

2.2 Các giao thức thông tin 30

2.2.1 Mô hình giao thức 30

2.2.2 Các giao thức truyền tải giao diện vô tuyến 32

2.2.3 Các giao thức truyền tải giao diện mạng cố định 32

2.2.4 Các giao thức người dùng (user plane) 33

2.2.5 Các giao thức báo hiệu 33

2.3 Một vài ví dụ về điều khiển cuộc gọi 35

2.3.1 Báo hiệu lớp truy nhập 35

2.3.2 Báo hiệu lớp truyền tải dữ liệu 38

2.4 Quản lý tài nguyên 38

2.4.1 Kênh mang EPS 38

2.4.2 Kỹ thuật đường hầm tunneling sử dụng GTP 41

2.4.3 Kỹ thuật đường hầm sử dụng GRE và PMIP 43

2.4.4 Kênh mang báo hiệu vô tuyến 43

2.5 Sơ đồ trạng thái 44

2.5.1 Quản lý trạng thái di động EPS 44

2.5.2 Quản lý kết nối EPS 45

2.5.3 Điều khiển tài nguyên vô tuyến 46

2.6 Ấn định phổ 48

2.7 Các kỹ thuật được dung trong 4G LTE 50

2.7.1 Ghép kênh theo tần số trực giao 50

2.7.2 OFDMA trong thông tin di động 56

2.7.3 Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang 65

Chương III Quy hoạch mạng 4G LTE và thực tiễn triển khai áp dụng trên mạng

lưới Mobifone Miền Bắc 69

3.1 Khái quát về quá trình quy hoạch mạng LTE 69

3.2 Dự báo lưu lượng và phân tích vùng phủ 70

3.2.1 Dự báo lưu lượng 70

3.2.2 Phân tích vùng phủ 71

3.3 Quy hoạch chi tiết 71

3.3.1 Quy hoạch vùng phủ 71

3.3.2 Quy hoạch dung lượng 73

3.4 Tối ưu mạng 73

3.5 Thực tiễn triển khai 4G LTE trên mạng lưới Mobifone Miền Bắc 73

3.5.1 Tình hình triển khai 4G LTE trên thế giới và Việt Nam 73

3.5.2 Định hướng triển khai 75

3.5.3 Thực tiễn triển khai 4G LTE trên mạng MobiFone Miền Bắc 76

KẾT LUẬN 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

PHỤ LỤC – SƠ ĐỒ VÙNG PHỦ VÀ CHẤT LƯỢNG MẠNG 4G MOBIFONE MIỀN BẮC 89

Sơ đồ vùng phủ mạng MobiFone miền Bắc Error! Bookmark not defined

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Giải thích

2G 2nd Generation of Mobile Telephone Systems (GSM)

3GPP Third Generation Partnership Project

4G 4th Generation of Mobile Telephone Systems (LTE) eNodeB Base Station in LTE

EPC Evolved Packet Core

EUTRAN Evolved UTRAN

GGSN Gateway GPRS Support Node

GPRS General Packet Radio System / Service

GW Gateway

HLR Home Location Register

HSPA High Speed Packet Access

LTE Long Term Evolution (or 4G mobile networks) MME Mobility Management Entity

MSC Mobile Switching Center

OPEX Operational Expenditure / Operating Expense

P-GW Packet Data Network Gateway

PMIP Proxy Mobile IP

QoS Quality of Service

RNC Radio Network Controller (in 3G or UMTS) S5/S8 Interface between S-GW and P-GW

SAE System Architechture Evolution

SGSN Serving GPRS Support Node

S-GW Serving Gateway

UMTS Universal Mobile Telecommunication System UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 1: Các điểm khác nhau giữa WCDMA và LTE trên giao diện vô tuyến 11

Bảng 1 2: Các điểm khác nhau giữa UMTS và LTE trên phần mạng CORE 12

Bảng 1 3: các tiêu chuẩn 3GPP từ UMTS lên LTE 13

Bảng 2 1: Kênh mang báo hiệu vô tuyến 44

Bảng 2 2: Các băng tần TDD 49

Bảng 2 3: Các băng tần FDD 49

Bảng 3 1: Nâng cấp mạng lõi PS để triển khai LTE 80

Bảng 3 2: Quy hoạch số lƣợng eNode B LTE trên mạng Mobifone (Nguồn: Đề án quy hoạch mạng vô tuyến mobifone 2014 – 2020) 85

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1: Sự phát triển của hệ thống thông tin di động 1

Hình 1 2: Cấu trúc mức cao của GSM và UMTS 3

Hình 1 3: Cấu trúc của mạng truy nhập vô tuyến UTRAN 4

Hình 1 4: Cấu trúc mạng Core trong 2G/3G 5

Hình 1 5: Tăng trưởng dữ liệu người dùng thoại và data từ 2007 đến 2011 7

Hình 1 6: Dự báo lưu lượng thoại và data trên toàn thế giới 8

Hình 1 7: Dung lượng Shannon trong một hệ thống truyền thông với băng thông 5, 10, 20 Mhz 8

Hình 1 8: Sự phát triển cấu trúc hệ thống từ mạng GSM/UMTS lên LTE 10

Hình 1 9: LTE chỉ là một tiệm cận và là cách gọi tên chuẩn công nghệ 4G 14

Hình 1 10: LTE-Advanced - Thế hệ mạng viễn thông thứ 4 15

Hình 2 1: Cấu trúc lớp cao của LTE 21

Hình 2 2: Cấu trúc bên trong của UE, quy định bởi ETSI 22

Hình 2 3: Kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến UMTS tiên tiến 24

Hình 2 4: Các thanh phần chính trong mạng core LTE 25

Hình 2 5: Cấu trúc của LTE cho thuê bao roaming 27

Hình 2 6: Mối quan hệ giữa vùng tìm kiếm, vùng pool MME và vùng dịch vụ S-GW 28

Hình 2 7: Các định danh sử dụng bởi MME 29

Hình 2 8: Các định danh tạm thời được sử dụng bởi máy đầu cuối 29

Hình 2 9: Cấu trúc giao thức mức cao trong LTE 30

Hình 2 10: Các giao thức truyền tải sử dụng trong giao diện vô tuyến 31

Hình 2 11: Mối quan hệ giữa tầng truy nhập (access) và tầng không truy nhập (nonaccess) trên giao diện vô tuyến 31

Hình 2 12: Các giao thức truyền tải sử dụng bởi phần tử mạng cố định 32

Hình 2 13: Các giao thức user plan sử dụng bởi LTE 33

Hình 2 14: Các giao thức báo hiệu sử dụng trong LTE 34

Hình 2 15: Thủ tục trao đổi năng lực UE 35

Hình 2 16: Ngăn xếp giao thức trao đổi bản tin báo hiệu RRC giữa UE và eNB 36

Hình 2 17: Thủ tục tái chỉ định GUTI (a) Các bản tin tầng non-access và (b) truyền tải bản tin sử dụng tầng truy nhập 36

Hình 2 18: Ngăn xếp giao thức sử dụng để trao đổi bản tin báo hiệu tầng non-access giữa máy đầu cuối và MME 37

Hình 2 19: Ngăn xếp giao thức sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa máy đầu cuối và các server bên ngoài mạng khi sử dụng giao diện S5/S8 dựa trên GTP 38

Hình 2 20: Kênh mang EPS dành riêng và mặc định khi sử dụng S5/S8 dựa trên GTP 40

Hình 2 21: Cấu trúc kênh mang LTE, khi sử dụng giao diện S5/S8 dựa trên GTP 40 Hình 2 22: Triển khai đường hầm trên đường xuống sử dụng giao diện S5/S8 dựa trên GTP 41

Hình 2 23: Triển khai đường hầm trên đường xuống sử dụng giao diện S5/S8 dựa trên PMIP 42

Hình 2 24: Sơ đồ trạng thái quản lý di động EPS (EMM) 45

Hình 2 25: Sơ đồ trạng thái quản lý kết nối EPS (ECM) 45

Hình 2 26: Sơ đồ trạng thái điều khiển tài nguyên vô tuyến 48

Hình 2 27: Giảm ISI bằng cách truyền thông tin trên nhiều sóng mang con 50

Hình 2 28: Các bước xử lý trong một máy phát analog OFDM đơn giản 51

Hình 2 29: Các bước xử lý trong một máy phát OFDM số 53

Hình 2 30: Sơ đồ khối ban đầu của một máy thu và máy phát OFDM 56

Hình 2 31: Triển khai đa truy nhập phân chia theo tần số và thời gian khi sử dụng OFDMA 57

Hình 2 32: Ví dụ về triển khai tái sử dụng tần số khi sử dụng OFDMA (a) sử dụng miền tần số (b) kết quả quy hoạch trên mạng 59

Hình 2 33:Sơ đồ khối hoàn chỉnh của một máy phát và máy thu OFDMA 60

Hình 2 34: Hoạt động chèn tiền tố cyclic 61

Hình 2 35: Hoạt động chèn tiền số cyclic trên một sóng mang con đơn lẻ 62

Hình 2 36: Biên độ của tín hiệu truyền đi trên các sóng mang con lân cận là một

hàm của tần số 63

Hình 2 37: Ví dụ về dạng sóng OFDMA – (a) biên độ của các sóng mang con riêng lẻ (b) biên độ của dạng sóng OFDMA (c) công suất của dạng sóng OFDMA 65

Hình 2 38: Sơ đồ khối của máy phát và máy thu SC-FDMA 67

Hình 3 1: Khái quát về quá trình quy hoạch mạng LTE 69

Hình 3 2: Triển khai LTE trên toàn thế giới (nguồn: ltemap.org) 74

Hình 3 3: So sánh hiệu quả về mặt băng tần của HSPA+ và LTE 77

Hình 3 4: Quy hoạch sử dụng tần sốmạng mobifone giai đoạn 2014-2020 78

Hình 3 5: Mạng PS hiện tại của mobifone 80

Hình 3 6:giải pháp SAE của Huawei 81

Hình 3 7: Thiết bị BTS 3900 của Huawei 83

Hình 3 8:Giải pháp tổng thể của NSN từ R6 HSPA đến Rel 8 hỗ trợ LTE 83

Hình 3 9: Giải pháp thiết bị vô tuyến NSN cho LTE 84

Hình 3 10: Giải pháp hệ thống MME/SAE GW của NSN 85

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện tại công nghệ thông tin di động phát triển với tốc độ rất cao, tại Việt nam 3 nhà mạng lớn là Viettel, Mobifone, Vinaphone cạnh tranh khốc liệt để tăng thị phần Một trong các yếu tố để giữ thuê bao là không ngừng cải thiện chất lượng mạng lưới, mở rộng vùng phủ sóng, nâng cấp công nghệ hiện đại bắt kịp với sự phát triển công nghệ trên thế giới trong đó phát triển mạng từ thế hệ 2G/3G lên thế hệ 4G

là xu hướng tất yếu tại Việt nam

Xuất phát từ công việc hiện tại là kỹ sư vận hành khai thác trực tiếp mạng thông tin di động mobifone Miền Bắc và đồng thời đang là sinh viên cao học lớp

16AKTVT Khóa 2016 tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tôi đã xin nhận đề tài

tốt nghiệp của mình là: “Thiết kế và quy hoạch mạng 4G LTE Thực tế triển khai áp dụng tại Trung tâm Mạng lưới Mobifone Miền Bắc”

Hiện tại nhà mạng Mobifone đã triển khai mạng 3G, 4G LTE rộng khắp trên toàn bộ lãnh thổ Việt nam, theo lộ trình của Bộ thông tin truyền thông cho tiến trình phát triển công nghệ di động, từ năm 2015 Vietnam đã bắt đầu triển khai công nghệ 4G mang lại các dịch vụ và tốc độ truy cập dữ liệu cao lên tới hàng trăm Mbps đến người dùng Tuy nhiên các thông tin mang tính kỹ thuật về các công nghệ kỹ thuật 4G và thực tiễn triển khai còn rất ít chưa đáp ứng được nhu cầu của một bộ phận cán bộ kỹ thuật, kỹ sư đang làm việc trực tiếp tại các nhà mạng Do đó đề tài nghiên cứu về mạng thông tin di động 4G là một đáp ứng rất bức thiết trong điều kiện và thời điểm hiện tại

Mạng 4G là một nền tảng di động thế hệ mới được thiết kế dựa trên các công nghệ phát truyền thông tin phát triển nhất, dựa trên các cơ sở lý thuyết đã được nghiên cứu đầy đủ bởi tổ chức tiêu chuẩn hóa viễn thông 3GPP Trong mạng 4G áp dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao, kỹ thuật đa anten, đơn giản hóa phần mạng truy nhập vô tuyến cũng như phần mạng lõi để hạn chế tối đa trễ thời gian… đây là các kỹ thuật rất phức tạp vì vậy đề tài nghiên cứu mạng 4G mang ý nghĩa khoa học cao Đặc biệt tại thời điểm hiện tại các nhà cung cấp thiết bị (Ericsson, Huawei, Alcatel ) đã cung cấp giải pháp và triển khai thương mai hóa

mạng 4G trên nhiều quốc gia (Mỹ - Verizon, Nhật – NTT Docomo, Singapore - Singtel…) trong đó có Việt Nam, nên đề tài mang ý nghĩa thực tiễn cao đối với tình hình triển khai 4G trên mạng thông tin di động Mobifone

Về mặt thực tế, đề tài có ý nghĩa ứng dụng cao, là tài liệu để các kỹ sư, cán

bộ kỹ thuật nghiên cứu, tìm hiểu để sẵn sàng làm việc khi triển khai và khai thác các công nghệ thiết bị mới trong mạng di động 4G, đảm bảo quá trình nâng cấp và triển khai và khai thác xuyên xuốt, theo đúng lộ trình đề ra

Mục đích của đề tài là nghiên cứu công nghệ và các kỹ thuật chính sử dụng trong mạng 4G LTE, thực tiễn triển khai 4G tại Việt nam và áp dụng triển khai trên một mạng thông tin di động cụ thể là Mobifone Miền Bắc

Phương pháp nghiên cứu của đề tài là phương pháp phân tích lý thuyết kết hợp triển khai ứng dụng thực tế trên mạng lưới Nội dung của đề tài bao gồm:

- Chương 1: Tổng quan về mạng 4G LTE

- Chương 2: Cấu trúc mạng thông tin di động 4G LTE

- Chương 3: Quy hoạch mạng 4G LTE và thực tiễn triển khai áp dụng trên mạng lưới Mobifone Miền Bắc

Chương 1 Tổng quan về mạng 4G LTE

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G LTE

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

di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang triển khai rộng khắp trên thế giới - thế

hệ thứ 4 Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các đặc tính chung của các hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G

1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động

Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý tưởng về thiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di động sau này Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ

Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đến lĩnh vực thông tin di động Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin di động đã cải thiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được

Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết hợp được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải được bài toán khó về dung lượng

Hình 1 1: Sự phát triển của hệ thống thông tin di động

Chương 1 Tổng quan về mạng 4G LTE

1.1.1 Hệ thống thông tin di động từ 1G đến 3G

Hệ thống thông tin di động lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1980 Thế

hệ đầu tiên (1G) sử dụng các kỹ thuật truyền thông tin analog hoàn toàn, kích thước cell lớn và hiệu suất sử dụng phổ kém vì vậy dung lượng rất thấp so với các hệ thống ngày nay

Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 được giới thiệu và thương mại hóa vào đầu những năm 1990 là thế hệ sử dụng kỹ thuật số đầu tiên cho phép tận dụng tốt hơn phổ vô tuyến, và giá thành thiết bị đầu cuối rẻ và gọn nhẹ hơn Hệ thống này đầu tiên được thiết kế để sử dụng truyền thoại sau đó được mở rộng ra để truyền tin nhắn SMS Hệ thống 2G phổ biến nhất trên thế giới là GSM (Global System for Mobile Communications) sử dụng ban đầu tại Châu Âu sau đó phổ biến trên toàn thế giới, bên cạnh đó có CDMAOne phổ biến tại Mỹ, Nhật và Hàn Quốc Do thời điểm xuất hiện hệ thống di động 2G cũng là thời điểm xuất hiện internet vì vậy các

tổ chức tiêu chuẩn hóa đã nâng cấp cấu trúc của hệ thống 2G tại phần mạng lõi và giao diện vô tuyến để cho phép người sử dụng có thể sử dụng các dịch vụ data trên thiết bị đầu cuối, kết quả là hệ thống 2.5G GPRS (General Packet Radio Service), IS95 được phát triển cho phép xử lý cả thoại và dữ liệu Ngoài ra để cải thiện tốc độ truyền dữ liệu, thế hệ 2.75G EDGE ra đời cải thiện hiệu năng của GSM Enhanced Data Rates for GSM Evolution

Thế hệ 2G/2.75G vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu của khách hàng về tốc độ truyền/nhận dữ liệu vì vậy hệ thống thông tin di động thế hệ 3/3.5G ra đời sử dụng các kỹ thuật khác các thế hệ trước nó trên giao diện vô tuyến cho phép cải thiện tốc

độ đỉnh của dữ liệu và đặc biệt sử dụng kỹ thuật trải phổ vì vậy phổ tín hiệu vô tuyến được tận dụng tốt hơn 2G

1.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 2G/3G

Một mạng di động được gọi là một PLMN được vận hành bởi một nhà mạng gọi là network operator Mạng di động thế hệ 2 GSM và thế hệ 3 UMTS chia sẻ chung một cấu trúc mạng như hình sau:

Chương 1 Tổng quan về mạng 4G LTE

Hình 1 2: Cấu trúc mức cao của GSM và UMTS

Phần mạng core được chia làm 2 phần CS domain và PS domain, miền CS được sử dụng để truyền thông tin thoại từ thuê bao này đến một thuê bao khác qua những vùng địa lý mà nhà mạng quản lý tương tự như mạng điện thoại cố định PSTN, vùng PS được sử dụng để truyền thông tin data (web, email ) giữa thuê bao

và các mạng dữ liệu data khác ví dụ internet hoặc mạng riêng ảo

Hai miền PS và CS có cách truyền thông tin hoàn toàn khác nhau, CS sử dụng kỹ thuật chuyển mạch kênh tương tự trong các tổng đài PSTN truyền thống do vậy thông tin thoại được dành riêng tài nguyên cho từng cuộc gọi và đảm bảo được

độ trễ cho phép Tuy nhiên kỹ thuật này tốn kém về băng thông và không phù hợp

để truyền dữ liệu data là dữ liệu biến đổi liên tục về tốc độ vì vậy người ta sử dụng

kỹ thuật chuyển mạch gói Packet Switching cho miền PS trong đó dữ liệu người dùng được chia thành nhiều gói tin và được đánh dấu địa chỉ nguồn/đích sau đó được gửi đi, tài nguyên mạng được chia sẻ chung giữa các user vì vậy đỡ tốn kém hơn Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là độ trễ cao nếu nhiều thuê bao cùng sử dụng dịch vụ cùng một lúc

Tại phần mạng truy nhập vô tuyến người ra chia ra làm GE-RAN và RAN (GSM/EDGE radio access network và terrestrial radio access network) GE-RAN là mạng truy nhập GSM 2G còn UTRAN là mạng truy nhập 3G Hai mạng

UT-Chương 1 Tổng quan về mạng 4G LTE

này sử dụng kỹ thuật truyền thông vô tuyến khác nhau và chia sẻ chung một mạng CORE

Các thuê bao (UE) trao đổi thông tin với mạng truy nhập qua giao diện vô tuyến qua đường lên (từ UE đến mạng truy nhập vô tuyến) và đường xuống (từ mạng xuống đến UE)

Hình 1 3: Cấu trúc của mạng truy nhập vô tuyến UTRAN

Thành phần quan trọng nhất trong mạng truy nhập vô tuyến UTRAN đó là các trạm thu phát sóng NodeB (trong mạng GERAN gọi là các BTS), mỗi NodeB

có 1 hoặc nhiều anten để thu phát sóng tín hiệu vô tuyến với UE Một nhà mạng lớn

có thể có đến nhiều nghìn trạm thu phát sóng BTS/Node B Khi thuê bao di chuyển

từ một trạm này sang một trạm khác nó thực hiện ngừng gửi/nhận thông tin đến trạm này và chuyển sang truyền/nhận thông tin với trạm kia Để duy trì thông tin liên tục kỹ thuật được sử dụng trong trường hợp này là Handover hoặc cell reselection Trong UMTS một thuê bao có thể cùng một lúc duy trì kết nối đến nhiều cell sử dụng kỹ thuật soft-handover (Chuyển giao mềm)

Chương 1 Tổng quan về mạng 4G LTE

Các trạm gốc được quản lý chung bới 1 thiết bị gọi là RNC (Radio network Controller) hay trogn GERAN gọi là BSC (quản lý nhiều BTS) Chức năng của chúng là chuyển tiếp thông tin từ thuê bao đến mạng lõi và điều khiển các trạm gốc qua các bản tin báo hiệu Mỗi RNC quản lý từ vài chục đến vài trăm trạm gốc Một nhà mạng có thể vận hành cùng lúc cả mạng 2G và mạng 3G, khi thuê bao chuyển

từ mạng này sang mạng kia thì gọi là một chuyển giao liên hệ thống inter-system handover

Hình 1 4: Cấu trúc mạng Core trong 2G/3G

Trong miền CS các MGW định tuyến chuyển các cuộc gọi từ nguồn đến đích trong khi các MSC server xử lý phần báo hiệu cho phép thiết lập, duy trì, quản lý,

và xóa bỏ các cuộc gọi MGW và MSC server là 1 hệ thống độc lập với 2 chức năng khác nhau MSC server có VLR (Visitor Location Register) là cơ sở dữ liệu vị trí tạm thời của thuê bao di động

Trong miền PS hệ thống GGSN gateway GPRS support nodes hoạt động như một giao diện kết nối giữa server người dùng và mạng dữ liệu ngoài (ví dụ internet),

Chương 1 Tổng quan về mạng 4G LTE

nó cũng xử lý phần báo hiệu cho phép thiết lập, duy trì, quản lý, và xóa bỏ các luồng dữ liệu gói

HSS (trong 2G/3G gọi là HLR&AUC) là cơ sở dữ liệu trung tâm của toàn mạng mang thông tin về thuê bao trên toàn mạng và được chia sẻ trên cả 2 miền CS

và PS HLR/HSS sẽ mang các thông tin về dịch vụ, nhận thực, QoS, profile của thuê bao và vị trí hiện tại của thuê bao đang thuộc MSC server nào quản lý Khi một thuê bao bật máy lên nó sẽ tiến hành thủ tục đăng ký và nhận thực với HLR quản lý

nó, nếu quá trình hoàn tất nó sẽ được phép sử dụng các dịch vụ, nếu không thuê bao được coi là không hợp lệ và không thể sử dụng dịch vụ Trong quá trình thiết lập cuộc gọi MSC server sẽ hỏi HLR xem thuê bao đang nằm tại đâu để có thể định tuyến đúng cuộc gọi đến đích

1.2 Nhu cầu tiến lên 4G LTE

1.2.1 Tăng trưởng dữ liệu người dùng

Sau nhiều năm lưu lượng thoại chiếm đa số lưu lượng truyền tải trong mạng di động và là doanh thu chính của nhà mạng thì đến năm 2010 lưu lượng sử dụng data

đã bắt đầu tăng trưởng với tốc độ nhanh chóng Hình sau chỉ ra lưu lượng dữ liệu người dùng hàng tháng trên toàn thế giới tính theo Petabyte (Triệu Gigabyte) Xu hướng này được dự báo là sẽ vẫn còn tiếp tục trong những năm sắp tới Song song với nó lưu lượng thoại có dấu hiệu tăng trưởng chậm và thậm chí không tăng do sự phát triển của một số dịch vụ OTT, sự ra đời của điện thoại thông minh Iphone, Android phone với giao diện hấp dẫn, thân thiện cho phép gọi điện thoại miễn phí

và các dịch vụ game, web, facebook… người sử dụng

Chương 1 Tổng quan về mạng 4G LTE

Hình 1 5: Tăng trưởng dữ liệu người dùng thoại và data từ 2007 đến 2011

1.2.2 Dung lƣợng hệ thống thông tin di động (lý thuyết shannon)

Năm 1948 Shannon đã công bố lý thuyết giới hạn của tốc độ dữ liệu có thể đạt đƣợc trong một hệ thống thông tin với một công thức đơn giản sau:

C = B log2 (1 + SINR) Trong đó:

- SINR là tỷ số tín hiệu trên tạp âm và nhiễu (hay nói cách khác là công suất thu đƣợc tại máy thu chia cho công suất tổng tạp âm và nhiễu)

- B là băng thông của hệ thống thông tin (Hz)

- C là dung lƣợng kênh (bit/s)

Chương 1 Tổng quan về mạng 4G LTE

Hình 1 6: Dự báo lưu lượng thoại và data trên toàn thế giới

Về mặt lý thuyết có thể truyền thông tin từ máy phát đến máy thu mà không

có bất kỳ lỗi gì miễn là tốc độ dữ liệu phải nhỏ hơn dung lƣợng kênh Trong hệ thống thông tin di động C là tốc độ dữ liệu tối đa mà một cell có thể xử lý và bằng với tốc độ của các máy đầu cuối trong cell kết hợp lại

Nhƣ vậy để đạt đƣợc dung lƣợng kênh lớn với một mức tín hiệu trên tạp âm cho phép thì băng thông phải tăng lên, tuy nhiên băng thông là tài sản quốc gia và không phải lúc nào cũng có thể mua đƣợc

Hình 1 7: Dung lượng Shannon trong một hệ thống truyền thông với băng thông 5,

10, 20 Mhz

Chương 1 Tổng quan về mạng 4G LTE

Thứ 2 đó là tăng băng thông của hệ thống, tuy nhiên đây là tài nguyên hữu hạn và được quản lý bởi nhà nước và các tổ chức quốc tế (ITU)

Cách thứ 3 đó là cải thiện công nghệ truyền thông tin trong mạng Cách này mang lại một số lợi ích: tăng tốc độ người dùng tiệm cận với dung lượng kênh trong

lý thuyết Shannon, thứ 2 là hướng tới đạt được tỷ số SINR cao hơn và băng thông bao hơn bằng các kỹ thuật công nghệ tiên tiến Đây là lý do chính để LTE ra đời

1.2.4 Các yếu tố khác tiến lên LTE

Một số yếu tố khác để LTE ra đời đó là, thứ nhất các nhà mạng 2G/3G phải vận hành cùng một lúc hai mạng Core, một mạng CS và một mạng PS, điều này gây tốn kém về chi phí CAPEX và OPEX trong khi với năng lực của các thiết bị router dung lượng lớn hiện tại hoàn toàn có thể truyền thông tin thoại qua mạng gói sử dụng các chế độ nén và mã hóa thích hợp, kỹ thuật đó gọi là Voice over IP (VoIP) Nếu thực hiện điều này thì chi phí vận hành khai thác hệ thống sẽ giảm đáng kể

Một yếu tố khác đó là trong mạng 3G (do có sự tồn tại của RNC) độ trễ truyền dữ liệu có thể lên tới 100 ms sau khi dữ liệu được truyền qua giao diện vô tuyến và các phần tử mạng Độ trễ này là tương đối lớn so với dịch vụ thoại và đặc biệt không phù hợp với các dịch vụ yêu cầu thời gian thực như game tương tác, vì vậy cần có một giải pháp để giảm thiểu độ trễ end-to-end

Thứ ba, các tiêu chuẩn về GSM và UMTS ngày càng phức tạp do phải thiết

kế để đáp ứng được các dịch vụ và thiết bị mới trong khi phải tương thích ngược lại với các thiết bị cũ Vì vậy nhu cầu cần phải có một thế hệ di động mới, cấu trúc đơn giản hơn, giảm thiểu độ trễ end-to-end, cung cấp nhiều dịch vụ data tốc độ cao và đồng thời có khả năng tương thích ngược lại với hệ thống 2G/3G đang hoạt động

Chương 1 Tổng quan về mạng 4G LTE

1.3 Từ 3G tiến lên 4G LTE

Hình sau mô tả sự phát triển từ hệ thống 3G lên hệ thống LTE

Hình 1 8: Sự phát triển cấu trúc hệ thống từ mạng GSM/UMTS lên LTE

Trong cấu trúc bên trên phần EPC (evolved packet core) sẽ thay thế trực tiếp cho miền PS trong mạng GSM/UMTS EPC sẽ truyền tải tất cả các loại thông tin thời người dùng: thoại cũng như data sử dụng công nghệ chuyển mạch gói mà trước đây vốn chỉ sử dụng cho data Miền CS trong mạng 2G/3G không còn tồn tại mà toàn bộ thông tin thoại sẽ được truyền qua mạng gói IP sử dụng kỹ thuật Voice over IP

Phần E-UTRAN thay thế cho phần GERAN/UTRAN trong phần 2G/3G và là trung gian truyền thông tin giữa người dùng và mạng lõi

Cấu trúc mới được thiết kế bởi 2 nhóm trong tổ chức 3GPP, SAE (system architecture evolution) liên quan đến phát triển phần Core và LTE (Long Term Evolution) liên quan đến phát triển phần mạng truy nhập vô tuyến Xét trên tổng thể toàn hệ thống được gọi là EPS (evolved packet system)

Chương 1 Tổng quan về mạng 4G LTE

thì tốc độ chỉ đạt được: 14Mbps đường xuống và 5.7Mbps đường lên

Yêu cầu về trễ (latency) trong LTE cũng khá ngặt nghèo, trong LTE độ trễ truyền tải dữ liệu giữa máy đầu cuối và các phần tử mạng cố định phải ít hơn 5 mili giây Đồng thời thời gian chuyển từ trạng thái standby sang trạng thái active của thuê bao trong LTE phải nhỏ hơn 100 mili giây

Một số yêu cầu về vùng phủ: LTE được thiết kế tối ưu cho các cell lên tới 5km, suy giảm chất lượng ở 30km và hỗ trợ lên tới 100 km Về sự di động của thuê bao, trong LTE thiết kế tối ưu cho thuê bao di động với tốc độ 15 km/h, hỗ trợ lên tới 300 km/h

Cuối cùng LTE được thiết kế với khả năng sử dụng nhiều băng tần khác nhau tại dải từ 1.4 MHz tới 20 MHz

Một số so sánh giữa UMTS và LTE trên giao diện vô tuyến:

Bảng 1 1: Các điểm khác nhau giữa WCDMA và LTE trên giao diện vô tuyến

Phương pháp đa truy nhập WCDMA OFDMA and

SC-FDMA

Sử dụng anten MIMO From Release 7 Có sử dụng

20MHz

Khoảng thời gian truyền dẫn 2 or 10ms 1ms

Mô hình hoạt động FDD and TDD FDD and TDD

Kênh truyền tải

1.3.2 Cải tiến phần mạng lõi

Mạng core sử dụng giao thức IP (Internet Protocol) có thể sử dụng IPv4 hoặc

Chương 1 Tổng quan về mạng 4G LTE

IPv6 hoặc song song cả IPv4 và IPv6 Trong mạng LTE các thuê bao luôn được duy trì các kết nối với các mạng dữ liệu ngoài khác với trong 2G/3G đó là kết nối chỉ được kích hoạt khi thuê bao có nhu cầu và được hủy bỏ khi hết phiên truyền dữ liệu

EPC được thiết kế với các đường hầm thông tin để truyền tải dữ liệu mà không quan tâm đó là thoại hay data, các mức dữ liệu có thể được đánh giá với các mức QoS khác nhau để được sử dụng nhiều tải nguyên hơn

Bảng 1 2: Các điểm khác nhau giữa UMTS và LTE trên phần mạng CORE

Hỗ trợ các version IP IPv4 và IPv6 IPv4 và IPv6

Hỗ trợ các version USIM Release 99 USIM

trở đi Release 99 USIM trở đi

Kỹ thuật truyền tải Chuyển mạch kênh

và chuyển mạch gói Chuyển mạch gói Các thành phần miền CS MSC server, MGW n/a

Các thành phần miền PS SGSN, GGSN MME, S-GW, P-GW Kết nối IP Sau khi đăng ký Trong quá trình đăng ký

1.3.3 Hệ thống thông tin di động 4G

Theo như mô tả ban đầu của ITU về mạng di động 4G phải được thiết kế để đáp ứng được các yêu cầu của IMT-Advanced LTE-advanced và Wimax 2.0 (802.16m) đáp ứng được các yêu cầu này trong đó hỗ trợ 1000 Mbps trên đường xuống, và 500 Mbps trên đường lên Măc dù LTE và WiMAX 1.0 không đáp ứng được yêu cầu của ITU về mạng 4G tuy nhiên trên thế giới đã có sự phát triển của các nhà mạng từ mạng 3G lên LTE mà không trực tiếp phát triển lên LTE-advanced Tháng 12 năm 2010 ITU thừa nhận rằng tất cả các hệ thống thông tin di động bao gồm LTE, WiMAX 1.0 mà cung cấp hiệu năng tốt hơn mạng thông tin di động 3G được gọi là mạng 4G

Chương 1 Tổng quan về mạng 4G LTE

1.3.4 Các tiêu chuẩn 3GPP cho LTE

Bảng 1 3: các tiêu chuẩn 3GPP từ UMTS lên LTE

hành

Các đặc điểm mới

1.3.5 Sự khác biệt giữa mạng 4G và LTE

Chuẩn kết nối 4G đƣợc Liên minh viễn thông quốc tế (ITU) chính thức thông qua vào 3-2008 Chữ “G” trong 4G tức “generation” (thế hệ), nhƣ vậy, đây là chuẩn kết nối thế hệ thứ 4 mới nhất, theo lý thuyết, có thể giúp các thiết bị di động nhƣ điện thoại thông minh, máy tính bảng đạt tốc độ kết nối 100 Mbps và lên tới 1 Gbps khi không di chuyển

Hiện có hai hệ thống 4G đã triển khai là chuẩn Mobile WiMAX (lần đầu tiên

ở Hàn Quốc năm 2007) và chuẩn LTE, triển khai ở Na Uy năm 2009

LTE viết tắt của Long Term Evolution (Tiến hóa dài hạn), chƣa phải là một công nghệ chuẩn 4G, thay vào đó chỉ là một chuẩn tiệm cận công nghệ mạng thứ tƣ Trên thực thế, tuy điện thoại của bạn có thể hiển thị biểu tƣợng “4G” ở góc phải phía trên màn hình, nhƣng thực chất lại không phải kết nối 4G theo chuẩn

Chương 1 Tổng quan về mạng 4G LTE

Hình 1 9: LTE chỉ là một tiệm cận và là cách gọi tên chuẩn công nghệ 4G

Khi Liên minh Viễn thông Quốc tế định chuẩn mức tốc độ 4G tối thiểu, các thử nghiệm thực tế vẫn chƣa đạt đƣợc Kết quả là, các nhà làm luật đã quyết định dùng LTE để gọi tên chuẩn công nghệ 4G, miễn là tốc độ mạng LTE khi triển khai phải vƣợt trội đáng kể so với 3G

1.3.6 Sự tiến hóa LTE lên 4G

LTE-Advanced - Thế hệ mạng viễn thông thứ 4:

-Công nghệ di động LTE-Advanced mang lại tốc độ truyền tải dữ liệu nhanh hơn, dung lƣợng hệ thống lớn hơn, khả năng phủ sóng tốt hơn

Chương 1 Tổng quan về mạng 4G LTE

Hình 1 10: LTE-Advanced - Thế hệ mạng viễn thông thứ 4

-Tháng 6 năm 2013, công ty viễn thông Hàn Quốc SK Telecom đã giới thiệu công nghệ mà họ mệnh danh “mạng LTE tiên tiến nhất trên thế giới” – LTE-Advanced Theo những gì SK công bố, mạng này mang lại tốc độ truyền tải dữ liệu nhanh gấp đôi so với mạng LTE thông thường và điều này là một tin vui cho những người dùng thiết bị thông minh thế hệ mới Chỉ tới tháng 10 năm 2013, đã có tới cả triệu người đăng ký sử dụng dịch vụ này ở Hàn Quốc Ở đất nước này, người dùng LTE-Advanced có thể tải một bộ phim 800MB chỉ trong 43 giây Không sớm thì muộn, làn sóng sử dụng công nghệ này sẽ lan ra khắp thế giới do nhu cầu sử dụng băng thông di động ngày càng tăng cao Các nhà mạng sẽ phải nâng cấp liên tục để đáp ứng yêu cầu về tốc độ và khối lượng dữ liệu ngày càng cao của người dùng không chỉ là đàm thoại video, xem thể thao trực tuyến nữa mà có thể là khám bệnh trực tiếp từ xa hay mua sắm ảo… Theo dự báo của Cisco System, lưu lượng băng thông di động toàn cầu tăng gấp đôi theo từng năm và sự tăng trưởng theo cấp số nhân này vẫn chưa hề có dấu hiệu ngừng lại

- Các doanh nghiệp viễn thông lớn toàn cầu như AT&T (Mỹ), Telstra (Úc), NTT Docomo (Nhật) và Telenor Sweden (Thuỵ Điển) đều đã đưa công nghệ LTE-Avanced ra sử dụng rộng rãi vào năm 2014 Theo dự báo của ABI Research, số lượng người dùng sử dụng LTE-Advanced vào năm 2018 sẽ đạt tới 500 triệu, gấp 5

Chương 1 Tổng quan về mạng 4G LTE

lần số người dùng LTE hiện nay Các chuyên gia công nghệ cũng nhận định rằng LTE cần phải cải tiến và LTE-Advanced sẽ là chuẩn thống trị trong tương lai gần

Họ cũng coi công nghệ này mới thật sự là 4G do đáp ứng đầy đủ các tiêu chí kỹ thuật mà Liên minh Viễn thông Quốc tế (International Telecommunication Union) đặt ra cho hệ thống mạng không dây thế hệ thứ 4

- Tốc độ:

Về mặt lý thuyết, LTE-Advanced có tốc độ tải xuống đạt tới 3Gbps, tốc độ tải lên 1,5Gbps Đây là một sự vượt trội tuyệt đối khi so sánh với thông số tải xuống/tải lên của LTE thường là 300Mb/s và 75Mb/s Không chỉ có tốc độ nhanh hơn, LTE-Advanced cũng bao gồm những giao thức truyền tải mới, hỗ trợ đa an-ten cho phép số lượng bit/s truyền tải qua tần phổ mượt mà hơn và kết quả là kết nối ổn định hơn và chi phí dữ liệu sẽ rẻ hơn

- LTE-Advanced là phiên bản nâng cấp của LTE :

2 chuẩn này hoàn toàn tương thích với nhau Các điện thoại sử dụng Advanced mới vẫn hoạt động tốt với các mạng LTE thông thường và ngược lại Điều này có lợi cho cả người dùng và nhà mạng Nhưng tất nhiên là các nhà mạng

LTE-sẽ không tung ra tất cả các tính năng tiên tiến của LTE-Advanced mới ngay một lúc

mà sẽ từng bước đưa ra những gì có lợi nhất cho công ty và khách hàng Ví dụ như các công ty viễn thông ở Hàn Quốc hiện mới chỉ áp dụng phương thức cung cấp dịch vụ kết hợp dành cho người dùng LTE-Advanced ở quốc gia này

- Phương thức này tăng số lượng băng thông khả dụng dành cho thiết bị di động bằng cách ghép nối các kênh tần số, hoặc nhà mạng nằm rải rác trong phổ vô tuyến LTE thông thường có thể cung cấp dữ liệu bằng cách sử dụng các block dữ liệu liền kề của tần số lên đến 20 MHz Nhưng khi ngày càng nhiều các công ty cung cấp dịch vụ và cùng với nó là số lượng các thiết bị tranh giành tần số viễn thông ngày càng nhiều, những dải rộng lên tới 20Mhz như vậy đang ngày càng khan hiếm Hầu hết các nhà khai thác đành phải mua các bit và mảnh tần phổ rời rạc, hình thành một sưu tập phân mảnh để phục vụ cho hoạt động của mình Phương thức cung cấp dịch vụ kết hợp đã giải quyết vấn đề này Nó cho phép các nhà khai

Chương 1 Tổng quan về mạng 4G LTE

thác kết hợp các kênh rời rạc, nhỏ bé, phân tán thành "một đường ống rất lớn" Ví

dụ, có thể kết hợp hai kênh có độ rộng 10 MHz ở các tần số 800 MHz và 1,8 GHz riêng biệt thành một kênh 20 MHz toàn duy nhất, cơ bản tăng gấp đôi tốc độ dữ liệu khả dụng cho mỗi người dùng Đó chính là một trong các ưu điểm của công nghệ mới LTE-Advanced

Hiện tại công nghệ này cho phép các nhà mạng có thể kết hợp tới 5 kênh có

độ rộng 20Mhz thành 1 kênh có độ rộng 100Mhz, nhanh hơn 5 lần so với LTE thông thường

Tiếp theo sự tiên phong đầy ấn tượng của SK Telecom, các doanh nghiệp cung cấp LTE-Advanced mới cũng tập trung vào phương thức cung cấp dịch vụ kết hợp do tốc độ truy cập mạng cao dễ gây ấn tượng với người dùng hơn Tuy nhiên đây mới chỉ là một phần nhỏ trong số những ưu điểm mà LTE-Advanced mang lại Bên cạnh phương thức cung cấp dịch vụ kết hợp kể trên, LTE –Advanced còn có thêm 4 tính năng quan trọng khác so với chuẩn tiền nhiệm Đầu tiên là tính năng cho phép các thiết bị di động và trạm phát sóng kết nối gửi nhận dữ liệu với nhau thông qua nhiều an-ten gọi là MIMO LTE-Advanced cho phép 8 an-ten kết nối cùng lúc thay vì 4 như ở LTE thường

- MIMO:

Trong môi trường tín hiệu sóng không ổn định như ở rìa vùng phủ sóng hay trong phương tiện di chuyển tốc độ cao, các an-ten thu phát sẽ kết hợp cùng với nhau để tập trung hướng tín hiệu theo một hướng nhất định Kiểu điều hướng chùm tia này tăng cường độ tín hiệu nhận được lên nhiều lần mà không cần tăng công suất của nguồn phát Mặt khác, nếu tín hiệu mạnh và độ nhiễu ít như khi người dùng ở gần trạm phát sóng, MIMO sẽ được dùng trong việc tăng tốc độ truyền tải dữ liệu, tăng số lượng kết nối Kỹ thuật này thực chất là một kiểu ghép kênh không gian, cho phép nhiều luồng dữ liệu cùng tần số đi qua cùng một lúc Ví dụ một trạm phát sóng với 8 an-ten có thể gửi liên tục 8 luồng dữ liệu tới 1 điện thoại có 8 an-ten Và các luồng dữ liệu này được tiếp nhận từ các góc độ khác nhau với cường độ và thời gian khác nhau, sau đó điện thoại mới tổng hợp và tiến hành xử lý phân tích để chọn

Chương 1 Tổng quan về mạng 4G LTE

ra các luồng dữ liệu cần thiết Do vậy, việc ghép kênh không gian có thể tăng số liệu tương ứng với số an-ten có thể kết nối Như vậy ở trường hợp lý tưởng, 8 an-ten sẽ làm tăng tốc dữ liệu lên tới 8 lần

- LTE-Advanced có khả năng chuyển tiếp:

tăng khả năng phủ sóng ở những địa hình phức tạp Hiện rơ-le chuyển tiếp

đã được ứng dụng trong công nghệ không dây từ rất lâu để tăng khả năng khuếch đại tín hiệu ở những nơi như đường hầm hay khu vực hẻo lánh Song các rơ-le kiểu

cũ hay các bộ khuếch đại như đang dùng vẫn tương đối “thô sơ”, chúng chỉ đơn thuần nhận tín hiệu, khuếch đại chúng và truyền tải chúng đi tiếp Kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp của LTE-Advanced tiên tiến hơn, đầu tiên nó giải mã tín hiệu truyền

đi và sau đó chỉ chuyển tiếp các dữ liệu đến các thiết bị di động trong phạm vi của rơ-le khuếch đại mà thôi Như vậy sẽ làm giảm nhiễu và kết nối được với nhiều người dùng trong phạm vi chuyển tiếp hơn LTE-Advanced cũng cho phép rơ-le kết nối với trạm phát sóng và thiết bị sử dụng chung một tần phổ và giao thức giống như bản thân trạm phát sóng Như vậy thì các thiết bị dùng LTE thường cũng kết nối được với bộ chuyển tiếp này

- Giảm bớt nghẽn mạng (eICIC):

Tính năng này sẽ được sử dụng đối với cái gọi là mạng không đồng nhất bao gồm các trạm phát sóng nhỏ đang được các nhà mạng chú ý phát triển thay cho các trạm phát truyền thống Các trạm phát dạng này có ưu điểm dễ tăng khả năng truyền tại dữ liệu một cách đa dạng tại các khu đô thị chật chội Chúng có giá thành rẻ hơn,

ít gây khó chịu hơn, dễ lắp đặt vận hành hơn và rất có tiềm năng phát triển, tuy nhiên các nhà mạng cần có giải pháp để chống nghẽn khi cố nhồi nhét ngày càng nhiều dữ liệu vào tần phổ Giao thức eICICđược xây dựng trên giao thức ICIC của LTE thường, cho phép giảm nhiễu giữa các trạm phát trong khi vẫn tăng cường tín hiệu được tới các người dùng nằm ở rìa vùng phủ sóng Nhìn chung, LTE-Advanced giải quyết các rắc rối này bằng cách duy trì được một tín hiệu cường độ mạnh và chịu được độ nhiễu cao Mặc dù vậy, các trạm phát sóng nhỏ cũng làm cho tình hình phức tạp hơn khi thiết bị di động có thể bị nằm trong vùng phủ sóng của

Chương 1 Tổng quan về mạng 4G LTE

cả trạm phát chính Khi ấy, giao thức eICIC sẽ tuỳ theo hiện trạng của mạng để tiến hành kết hợp kênh hay phối họp sử dụng các nguồn tần số thời gian khác nhau Đối với các mạng chỉ sử dụng kênh một tần số, eICIC cung cấp một giải pháp cho phép nhiều người sử dụng liên kết đến các trạm phát sóng nhỏ có khả năng cung cấp dung lượng dữ liệu tốt hơn

- Cải thiện tín hiệu và tăng tốc độ truyền tải dữ liệu tới tận vùng ven của khu vực phủ sóng:

Ở đây, nó sử dụng công nghệ đa phối hợp CoMP Ví dụ như nó cho phép một thiết bị di động có thể trao đổi dữ liệu với nhiều trạm phát cùng một lúc Cụ thể hơn là hai trạm gần nhất có thể gửi liên tục cùng một dữ liệu tới thiết bị để đảm bảo thiết bị có được kết nối tốt hơn Cũng như vậy, thiết bị di động có thể tải dữ liệu lên hai trạm phát cùng một lúc và giảm thiểu sai sót phát sinh Hoặc thiết bị cũng có thể chọn tải dữ liệu lên một trạm phát nhỏ gần nhất để tiết kiệm năng lượng truyền dẫn trong khi vẫn nhận về dữ liệu tải xuống từ các trạm phát khác

Sẽ còn mất nhiều năm nữa để các doanh nghiệp viễn thông tận dụng hết các

ưu điểm của công nghệ LTE-Advanced Hiện nay các nhà mạng vẫn chưa triển khai một số tính năng phức tạp hơn của công nghệ này như các dịch vụ thoại và phần mềm “tự tổ chức” Những tính năng này sẽ cung cấp khả năng thích ứng với các hạ tẩng mạng mới cho các trạm phát hoặc tự khôi phục sau sự cố

Và chắc chắn LTE-Advanced chưa phải là đỉnh cao nhất của công nghệ LTE

Tổ chức quốc tế đứng sau các chuẩn công nghệ mạng này The 3rd Generation Partnership Project (3GPP) đã công bố kế hoạch về phiên bản kế tiếp vào cuối năm nay Một số công ty gọi phiên bản tương lai này là LTE-B bất chấp việc 3GPP đã lên tiếng phủ nhận và cho biết chỉ chấp nhận tên gọi LTE-Advanced Bỏ qua vấn đề tên gọi, chúng ta chỉ chắc chắn rằng biến thể mới này sẽ tiếp tục cung cấp cho các nhà mạng nhiều tuỳ chọn để khai thác triệt để hơn, bao gồm các giao thức cho ăng-ten ba chiều, truyền năng lượng hiệu quả hơn, và giao tiếp trực tiếp giữa các thiết bị

di động, cảm biến thông minh và máy móc thiết bị khác Một công nghệ đột phá như vậy có thể cung cấp năng lực cao gấp 30 lần so với LTE-Advanced và thực sự đáng dể chúng ta chờ đợi

Chương 1 Tổng quan về mạng 4G LTE

Kết luận: Chương 1 đã khái quát được những nét đặc trưng, ưu nhược điểm

và sự phát triển của các hệ thống thông tin di động thế hệ 1, 2 và 3, 4 đồng thời đã

sơ lượt tổng quan của hệ thống thông tin di động thế hệ 4 Hai thông số quan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin của người sử dụng và tính di động, ở các thế hệ tiếp theo các thông số này càng được cải thiện Nêu được ưu điểm của 4G so với 3G và các cơ sở để hình thành ưu điểm đó Để tìm hiểu thêm về 4G ta qua chương tiếp theo

Chương 2 Cấu trúc mạng thông tin di động 4G LTE

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE

Hệ thống 4G được xây dựng nhằm chuẩn bị một cơ sở hạ tầng di động chung

có khả năng phục vụ các dịch vụ hiện tại và tương lai Cơ sở hạ tầng 4G được thiết

kế với điều kiện những thay đổi, phát triển về kỹ thuật có khả năng phù hợp với mạng hiện tại mà không làm ảnh hưởng đến các dịch vụ đang sử dụng Để thực hiện điều đó, cần tách biệt giữa kỹ thuật truy cập, kỹ thuật truyền dẫn, kỹ thuật dịch vụ (điều khiển kết nối) và các ứng dụng của người sử dụng Chương này sẽ trình bày

hệ thống di động 4G LTE: các đặc điểm kỹ thuật, so sánh LTE với WiMAX, cấu trúc mạng 4G LTE sẽ như thế nào, nó liên kết với các mạng khác ra sao, các kênh

sử dụng trong E-UTRAN, các kỹ thuật sử dụngcho đường lên, đường xuống trong LTE, đồng thời khái quát về các thủ tục liên quan đến giao diện vô tuyến bao gồm chuyển giao và điều khiển công suất

2.1 Kiến trúc của LTE

2.1.1 Cấu trúc tổng quát

Hình sau chỉ ra kiến trúc tổng quát của của một mạng LTE EPS (evolved packet system) bao gồm 3 thành phần UE (máy đầu cuối: user equipment, E-UTRAN: mạng truy nhập radio, và mạng Core: EPC: evolved packet Core Mạng Core cũng là thành phần giao tiếp với các mạng packet khác như internet, mạng riêng của các công ty, hoặc hệ thống truyền thông đa phương tiện IP IMS (Ip multimedia system) Giao diện giữa các thành phần khác nhau của hệ thống LTE được định danh là các giao diện Uu, S1, và SGi

Chương 2 Cấu trúc mạng thông tin di động 4G LTE

Phần thực sự sử dụng để giao tiếp truyền thông tin trong máy đầu cuối trong

mô hình ETSI đưa ra gọi là ME (mobile equipment) nó bao gồm 2 bộ phận, một là phần MT (mobile termination) với chức năng truyền thông tin và phần TE (terminal equipment) với chức năng kết cuối các dòng dữ liệu Phần ME có thể chỉ là một LTE card được cắm vào một chiếc máy tính xách tay nếu người dùng sử dụng data card, còn nếu người dùng sử dụng điện thoại thì 2 phần này là một thiết bị duy nhất

Hình 2 2: Cấu trúc bên trong của UE, quy định bởi ETSI

Trong UE có sử dụng một thiết bị gọi là UICC (universal integrated circuit card) tương đương với SIM card trong GSM hoặc UMTS, trong card này chạy một ứng dụng gọi là USIM: Universal Subscriber Identity Module lưu trữ các thông tin duy nhất để định danh người dùng như: số điện thoại, sử dụng mạng nào, đồng thời

nó cũng mang các thông tin về bảo mật như khóa bảo mật trong quá trình nhận thực thuê bao khi thuê bao đăng ký sử dụng dịch vụ mạng Các thiết bị đầu cuối LTE hỗ trợ các sim card từ version R99 trở về sau, các sim card sử dụng bởi các version GSM trở về trước sẽ không sử dụng được trong các máy điện thoại LTE

Thêm nữa, thiết bị đầu cuối LTE sẽ hỗ trợ cả IPv4 và IPv6, khi nó giao tiếp với bất kỳ một mạng gói IP nào nó sẽ được cấp phát 1 địa chỉ IP, ví dụ khi thuê bao đồng thời sử dụng internet và truy cập vào mạng riêng của công ty thì thuê bao sẽ được cấp phát 02 IP khác nhau cho 2 tiến trình đó Hai địa chỉ này có thể cùng là IPv4 hoặc IPv6 hoặc 2 loại tùy thuộc vào thiết bị và mạng có hỗ trợ không

Tùy từng loại máy đầu cuối có khả năng xử lý và giao tiếp với các mạng vô

Chương 2 Cấu trúc mạng thông tin di động 4G LTE

tuyến khác nhau bao gồm: tốc độ dữ liệu tối đa mà thuê bao có khả năng xử lý, các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau, tần số sóng mang sử dụng để thu/phát tín hiệu Thông qua các bản tin báo hiệu thuê bao sẽ chuyển các thông tin về năng lực của nó qua mạng truy nhập vô tuyến vì vậy mạng EUTRAN sẽ biết phải điều khiển

nó như thế nào Căn cứ vào những đặc điểm quan trọng nhất của UE bao gồm tốc

độ dữ liệu tối đa mà nó hỗ trợ, loại điều chế, phiên bản người ta nhóm các UE thành các nhóm khác nhau

2.1.3 Mạng truy nhập vô tuyến tiên tiến

Cấu trúc của mạng tuy nhập vô tuyến trong LTE được mô tả trong hình dưới Mạng truy nhập vô tuyến truyền thông tin từ UE đến mạng Core EPC và chỉ có một thành phần duy nhất là các evolved node B (eNB) Mỗi một eNB là một trạm gốc điều khiển một hoặc nhiều thuê bao trong 1 hoặc nhiều cells Một máy đầu cuối (thuê bao) chỉ truyền thông tin tới 1 eNB duy nhất tại một thời điểm do đó sẽ không

có soft-handover trong LTE như trong UMTS Trạm gốc eNB giao tiếp với thuê bao được gọi là một serving eNB

Các eNB có 2 chức năng chính, một là nó phát tín hiệu vô tuyến tới tất cả các máy đầu cuối trên đường downlink và thu tín hiệu vô tuyến từ các máy đầu cuối trên đường uplink thông qua việc sử dụng các chức năng điều chế và xử lý tín hiệu

số và tương tự được mô tả trong giao diện vô tuyến LTE Chức năng thứ 2 của eNB

là nó điều khiển các hoạt động mức thấp của các thuê bao mà nó đang quản lý bằng cách gửi các bản tin báo hiệu như: các lệnh thực hiện chuyển giao Để thực hiện các tính năng này và để giảm độ trễ trong quá trình truyền nhận thông tin eNB đã tích hợp các tính năng của RNC (radio network controller) trong mạng UMTS

Chương 2 Cấu trúc mạng thông tin di động 4G LTE

Hình 2 3: Kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến UMTS tiên tiến

Mỗi eNB giao tiếp với mạng lõi EPC thông qua giao diện S1và cũng có thể kết nối với một eNB lân cận qua giao diện X2 (sử dụng với mục đích chính là truyền các bản tin báo hiệu trong quá trình chuyển giao handover) Giao diện X2 là một thành phần có thể có hoặc không do giao diện S1 cũng có thể truyền các thông tin về chuyển giao thay cho X2 mặc dù có thể sẽ phát sinh vấn đề trễ truyền dẫn nếu truyền qua giao diện này Thông thường các giao diện S1 và X2 không phải là các kết nối vật lý trực tiếp mà thông tin được định tuyến thông qua một mạng truyền tài

IP lớp dưới Tương tự các giao diện trong mạng lõi EPC cũng được truyền qua mạng IP này

Trong LTE xuất hiện các Home node B là các node B nhỏ được thuê bao mua về tự trang bị cho gia đình và chỉ phủ sóng trong pham vi một căn hộ Một HeNB chỉ thuộc về một số số thuê bao nhất định và chỉ có các thuê bao này mới được cung cấp dịch vụ từ HeNB này Về mặt cấu trúc thì các HeNB này cũng kết nối trực tiếp đến mạng lõi EPC tương tự như các eNB khác hoặc có thể kết nối đến EPC thông qua một gateway quản lý một vài các HeNB khác nhau Các HeNB này chỉ điều khiển một cell và không hỗ trợ giao diện X2

2.1.4 Mạng Core trong LTE

Các thành phần chính trong mạng Core LTE (evolved packet core) được mô tả

Chương 2 Cấu trúc mạng thông tin di động 4G LTE

trong hình dưới Một trong các thành phần chính đó là HSS (home subcriber server)

là trung tâm lưu trữ cơ sở dữ liệu tất cả thuê bao của mạng Đây là một trong các thành phần có chức năng tương tự như HLR trong mạng UMTS và GSM

P-GW hay PDN (packet data network) gateway là điểm giao tiếp của mạng Core EPC với các mạng ngoài khác, thông qua giao diện SGi mạng EPC trao đổi thông tin với các thiết bị mạng hoặc với các mạng gói khác ví dụ như các server của nhà cung cấp dịch vụ hoặc với các hệ thống đa phương tiện IP IMS Mỗi một mạng gói này được định danh bằng 1 APN, mỗi nhà cung cấp dịch vụ sẽ có nhiều APN sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, ví dụ 01 APN cho server và 01 APN cho kết nối internet

Hình 2 4: Các thanh phần chính trong mạng core LTE

Mỗi một thuê bao trong mạng sẽ được chỉ định một PDN khi thuê bao bật máy, PDN này là mặc định để thuê bao có thể kết nối đến mạng ngoài (ví dụ internet) Sau đó nếu thuê bao có nhu cầu kết nối đến nhiều mạng khác ví dụ mạng doanh nghiệp, mạng riêng ảo… thì nó sẽ được cấp thêm các PDN khác nữa

Serving – Gateway (S-GW) hoạt động như một router để chuyển tiếp data từ eNB đến PDN gateway Thông thường một mạng LTE chứa một vài SGW đặt tại các vùng địa lý khác khau để kết nối các node B trên toàn mạng lưới Mỗi một thuê

Chương 2 Cấu trúc mạng thông tin di động 4G LTE

bao được chỉ định kết nối tới một S-GW tuy nhiên khi thuê bao di chuyển thì S-GW được chỉ định này sẽ thay đổi tùy vào vùng địa lý mà thuê bao di chuyển tới

MME (mobility management entity) điều khiển các hoạt động mức cao của thuê bao thông qua các bản tin báo hiệu Một số hoạt động mức cao này ví dụ như: bảo mật nhận thực, chuyển đổi báo hiệu, …một mạng có thể gồm nhiều MME quản

lý một vùng địa lý nhất định, mỗi một thuê bao được phục vụ và quản lý bới một MME nhất định và có thể thay đổi khi di chuyển MME cũng điều khiển các thành phần khác của mạng sử dụng các bản tin báo hiệu và và thủ tục nội bộ trong EPC

So sánh với mạng UMTS và GSM thì PDN gateway đóng vai trò tương tự như GGSN còn MME tương tự như SGSN xử lý các phần định tuyến data và các chức năng báo hiệu, nhà mạng có thể dễ dàng mở rộng các serving gateway khi lưu lượng tăng cũng như bổ sung các MME khi số lượng thuê bao tăng lên Tương tự giao diện S1 cũng có 2 loại S1-U mang lưu lượng của của signaling gateway còn S1-MME mang bản tin báo hiệu cho MME

MME cũng có thể có một số thành phần khác như CBC (cell broadcast centre) để cung cấp các dịch vụ quảng bá như cảnh báo sóng thần, động đất… hoặc EIR để cung cấp các dịch vụ về ngăn chặn các thuê bao bị đánh cắp…

2.1.5 Cấu trúc roaming

Cấu trúc roaming cho phép thuê bao LTE vẫn khi di chuyển ra ngoài vùng phủ sóng của nhà cung cấp dịch vụ vẫn có thể sử dụng dịch vụ nhờ vào tài nguyên của mạng khác Việc chia sẻ và cung cấp dịch vụ roaming phụ thuộc vào thỏa thuận roaming giữa các nhà mạng với nhau Có 2 loại kiến trúc roaming như trong hình sau Nếu một thuê bao roaming thì HSS quản lý thuê bao đó thuộc mạng chủ còn lại các thành phần khác (eNB, E-UTRAN, MME… đều thuộc mạng khách Lúc này PDN gateway có thể chia làm 2 phần tùy thuộc vào tình huống thực tế Kiến trúc thứ nhất đó là PDN gateway nằm tại mạng chủ, toàn bộ dữ liệu của thuê bao sẽ được định tuyến về P-GW này Kiến trúc này cho phép nhà mạng quản lý toàn bộ lưu lượng và tính phí trực tiếp cho khách hàng tuy nhiên mô hình này có hạn chế là tài nguyên không đủ gây ra độ trễ cao khi mà thuê bao di chuyển ra nước ngoài, đặc

Chương 2 Cấu trúc mạng thông tin di động 4G LTE

biệt là trong trường hợp 2 thuê bao gần nhau thực hiện cuộc gọi cho nhau Trường hợp thứ 2 là PDN của thuê bao sẽ được cấu hình ngay tại mạng khách, trong trường hợp thuê bao roaming HSS sẽ lựa chọn P-GW nào cho thuê bao (APN) Mô hình 2

có ưu điểm là giảm độ trễ truyền dẫn và tài nguyên so với mô hình 1 nhưng sẽ khó khăn cho nhà mạng về mặt quản lý lưu lượng của thuê bao khi roaming

Giao diện giữa SGW và PGW được gọi là giao diện S5/S8, nếu P-GW và

S-GW tại cùng một mạng thì giao diện giữa chúng sử dụng S5 còn nếu chúng thuộc 2 mạng khác nhau thì gọi là giao diện S8 Đối với các thuê bao không roaming thì SGW và PGW sẽ có thể được tích hợp trong cùng một thiết bị

Hình 2 5: Cấu trúc của LTE cho thuê bao roaming

2.1.6 Vùng mạng (network area)

Trong LTE mạng lõi EPC được chia thành 3 loại vùng địa lý khác nhau Một vùng MME pool là vùng mà tại đó thuê bao có thể di chuyển mà không cần thay đổi MME đang phục vụ nó Mỗi một vùng này được quản lý bởi một hoặc nhiều MME trong khi tất cả các trạm gốc được kết nối tới tất cả các MME trong pool qua giao diện S1-MME Các MME pool này có thể chồng lần lên nhau như hình vẽ Trong một MME pool thường phủ sóng một hoặc nhiều thành phố và nhà mạng sẽ bổ sung MME để share tải nếu thấy cần thiết