Triển khai hệ thống thông tin di động 4g LTE cho mạng di động mobifone tại tỉnh tuyên quang

Do thờiđiểm 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 vàgiao diện vô tuy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Tên tôi là: Nguyễn Việt Phú

Sinh ngày: 14/10/1985

Học viên lớp cao học CHK20KTĐT - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

- Đại học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Tổng công ty Viễn thông MobiFone

Xin cam đoan: Đề tài “Triển khai hệ thống thông tin di động 4G/LTE cho mạng di động MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang” do Thầy giáo PGS TS Nguyễn

Văn Chí hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả tài liệu tham khảo

đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nộidung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Nếu sai tôi hoàn toànchịu trách nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật

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

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

rõ nguồn gốc

Tuyên Quang, Ngày 01 tháng 6 năm 2020

Tác giả luận văn

Nguyễn Việt Phú

ii

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 ơnsâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới: Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Chí,người đã tận tình chỉ dạy, giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và làmluận văn Những dạy bảo, ý kiến nhận xét, đánh giá, góp ý mang tính gợi mở củaThầy vô cùng quý giá giúp tôi hiểu được sâu sắc hơn các vấn đề học tập và nghiêncứu và công việc của tôi sau này

Tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn các Thầy Cô và cán bộ thuộc trườngĐại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiệncho 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 viênlớp 20 Kỹ thuật Viễn Thông đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học

tập vừa qua

TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 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) 6

1.2.3 Tăng dung lượng hệ thống 8

1.2.4 Các yếu tố khác tiến lên LTE 8

1.3 Từ 3G tiến lên 4G LTE 9

1.3.1 LTE 9

1.3.2 Cải tiến phần mạng lõi 10

1.3.3 Hệ thống thông tin di động 4G 11

1.3.4 Các tiêu chuẩn 3GPP cho LTE 11

1.3.5 Sự khác biệt giữa mạng 4G và LTE 12

1.3.6 Sự tiến hóa LTE lên 4G 13

1.4 Kết luận Chương 1: 17

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE 19

2.1 Kiến trúc của LTE 19

2.1.1 Cấu trúc tổng quát 19

2.1.2 Thiết bị người dùng 19

2.1.3 Mạng truy nhập vô tuyến tiên tiến 21

2.1.4 Mạng Core trong LTE 22

2.1.5 Cấu trúc roaming 24

2.1.6 Vùng mạng (network area) 25

2.1.7 Định danh, địa chỉ, đánh số 26

iv

2.2.1 Mô hình giao thức 27

2.2.2 Các giao thức truyền tải giao diện vô tuyến 29

2.2.3 Các giao thức truyền tải giao diện mạng cố định 30

2.2.4 Các giao thức người dùng (user plane) 30

2.2.5 Các giao thức báo hiệu 31

2.3 Một vài ví dụ về điều khiển cuộc gọi 33

2.3.1 Báo hiệu lớp truy nhập 33

2.3.2 Báo hiệu lớp truyền tải dữ liệu 34

2.4 Quản lý tài nguyên 35

2.4.1 Kênh mang EPS 35

2.4.2 Kỹ thuật đường hầm tunneling sử dụng GTP 38

2.4.3 Kỹ thuật đường hầm sử dụng GRE và PMIP 39

2.4.4 Kênh mang báo hiệu vô tuyến 40

2.5 Sơ đồ trạng thái 41

2.5.1 Quản lý trạng thái di động EPS 41

2.5.2 Quản lý kết nối EPS 42

2.5.3 Điều khiển tài nguyên vô tuyến 43

2.6 Ấn định phổ 44

2.7 Các kỹ thuật được dung trong 4G LTE 45

2.7.1 Ghép kênh theo tần số trực giao 46

2.7.2 OFDMA trong thông tin di động 51

2.7.3 Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang 58

2.8 Quy trình quy hoạch mạng LTE 62

2.8.1 Khái quát về quá trình quy hoạch mạng LTE 62

2.8.2 Dự báo lưu lượng và phân tích vùng phủ 62

2.8.2.1 Dự báo lưu lượng 62

2.8.2.2 Phân tích vùng phủ 64

2.8.2.3 Quy hoạch chi tiết 64

2.8.2.4 Quy hoạch vùng phủ 64

2.8.3 Quy hoạch dung lượng 65

2.8.4 Tối ưu mạng 65

CHƯƠNG 3: QUY HOẠCH MẠNG 4G/LTE VÀ THỰC TIỄN TRIỂN KHAI ÁP

DỤNG TRÊN MẠNG LƯỚI MOBIFONE TỈNH TUYÊN QUANG 66

3.1 Thực trạng hạ tầng mạng thông tin di động MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang 67

3.1.1 Hiện trạng CSHT nhà trạm: 67

3.1.1.1 Phân bố trạm thu phát sóng: 67

3.1.1.2 Hạ tầng cột Ăng-ten: 67

3.1.2 Hiện trạng hạ tầng truyền dẫn: 69

3.2 Đánh giá chung hiện trạng hạ tầng mạng lưới MobiFone: 69

3.2.1 Kết quả đạt được 69

3.2.2 Tồn tại và hạn chế 70

3.3 Hiện trạng sử dụng dịch vụ của thuê bao MobiFone tại Tuyên Quang: 70

3.4 Định hướng triển khai 4G/LTE tại tỉnh Tuyên Quang: 71

3.5 Những thách thức và giải pháp khi triển khai mạng 4G dựa trên nền tảng hạ tầng 3G sẵn có tại tỉnh Tuyên Quang 73

3.5.1 Lựa chọn tần số sử dụng cho LTE 73

3.5.2 Lựa chọn vị trí lắp đặt eNodeB: 75

3.5.3 Nâng cấp mạng truyền dẫn hiện tại: 76

3.5.3.1 Truyền dẫn Viba: 76

3.5.3.2 Truyền dẫn quang: 76

3.5.4 Hệ thống anten: 77

3.5.5: Hệ thống nguồn DC: 78

3.5.6 Nâng cấp mạng lõi: 79

3.6 Các giải pháp thiết bị eNodeB: 80

3.6.1 Giải pháp của hãng Huawei: 80

3.6.1.1 Giải pháp tổng thể hãng Huawei: 80

3.6.1.2 Giải pháp thiết bị hãng Huawei: 82

3.6.2 Giải pháp của hãng Nokia Siemens: 82

3.6.2.1 Giải pháp tổng thể hãng Nokia Siemens: 82

3.6.2.2 Giải pháp thiết bị của hãng Nokia Siemens: 83

3.7 Quy hoạch phát triển mạng vô tuyến 4G/LTE mạng MobiFone tỉnh Tuyên Quang 85

vi

3.7.1.1 Giá thành: 85

3.7.1.2 Khả năng vận hành khai thác: 85

3.7.1.3 Khả năng cung ứng thiết bị và triển khai lắp đặt: 85

3.7.1.4 Khả năng tương thích ngược với các hệ thống sẵn có của MobiFone: 85

3.7.1.5 Dịch vụ hỗ trợ sau bán hàng: 86

3.7.1.6 An toàn, bảo mật thông tin: 86

3.8 Kết luận Chương 3: 88

KẾT LUẬN 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

Bảng 1 1 Các điểm khác nhau giữa WCDMA và LTE trên giao diện vô tuyến 10

Bảng 1 2: Các điểm khác nhau giữa UMTS và LTE trên phần mạng CORE 11

Bảng 1 3: các tiêu chuẩn 3GPP từ UMTS lên LTE 11

Bảng 2 1: Kênh mang báo hiệu vô tuyến 40

Bảng 2 2: Các băng tần TDD 45

Bảng 2 3: Các băng tần FDD 45

Bảng 3 1: Số lượng trạm thông tin di động 2G/3G trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang tính đến tháng 4/2018 67

Bảng 3 2: Hiện trạng phân loại hạ tầng cột Ăng-ten thu phát sóng thông tin di động MobiFone tỉnh Tuyên Quang 68

Bảng 3 3: Số lượng trạm thông tin di động 2G/3G trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang tính đến tháng 4/2018 69

Bảng 3 4: Thuê bao thông tin di động tại tỉnh Tuyên Quang 71

Bảng 3 5: Chi tiết đầu cuối hỗ trợ các chế độ mạng MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang: 72

Bảng 3 6:Nâng cấp mạng lõi PS để triển khai LTE 79

Bảng 3 7: Quy hoạch số lượng eNode B LTE trên mạng MobiFone 86

Bảng 3 8: Danh sách dự kiến các trạm lắp đặt 4G pha 1 tại tỉnh Tuyên Quang 87

viii

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 6

Hình 1 6 Dự báo lưu lượng thoại và data trên toàn thế giới 7

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

Hình 1 8 Sự phát triển cấu trúc hệ thống từ mạng GSM/UMTS lên LTE 9

Hình 1 9: LTE chỉ là một tiệm cận và là cách gọi tên chuẩn công nghệ 4G 12

Hình 1 10: LTE-Advanced - Thế hệ mạng viễn thông thứ 4 13

Hình 2 1: Cấu trúc lớp cao của LTE 19

Hình 2 2: Cấu trúc bên trong của UE, quy định bởi ETSI 20

Hình 2 3: Kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến UMTS tiên tiến 21

Hình 2 4: Các thanh phần chính trong mạng core LTE 23

Hình 2 5: Cấu trúc của LTE cho thuê bao roaming 25

Hình 2 6: Mối quan hệ giữa vùng tìm kiếm, vùng pool MME và vùng dịch vụ S-GW 25

Hình 2 7: Các định danh sử dụng bởi MME 26

Hình 2 8: Các định danh tạm thời được sử dụng bởi máy đầu cuối 27

Hình 2 9: Cấu trúc giao thức mức cao trong LTE 27

Hình 2 10: Các giao thức truyền tải sử dụng trong giao diện vô tuyến 28

Hình 2 11: Mối quan hệ giữa tầng truy nhập (access) và tầng không truy nhập (nonaccess) trên giao diện vô tuyến 29

Hình 2 12: Các giao thức truyền tải sử dụng bởi phần tử mạng cố định 29

Hình 2 13: Các giao thức user plan sử dụng bởi LTE 31

Hình 2 14: Các giao thức báo hiệu sử dụng trong LTE 32

Hình 2 15: Thủ tục trao đổi năng lực UE 32

Hình 2 16: Ngăn xếp giao thức trao đổi bản tin báo hiệu RRC giữa UE và eNB 33

tải bản tin sử dụng tầng truy nhập 33

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 34

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 35

Hình 2 20: Kênh mang EPS dành riêng và mặc định khi sử dụng S5/S8 dựa trên GTP 37

Hình 2 21: Cấu trúc kênh mang LTE, khi sử dụng giao diện S5/S8 dựa trên GTP 37 Hình 2 22: Triển khai đường hầm trên đường xuống sử dụng giao diện S5/S8 dựa trên GTP 38

Hình 2 23: Triển khai đường hầm trên đường xuống sử dụng giao diện S5/S8 dựa trên PMIP 39

Hình 2 24: Sơ đồ trạng thái quản lý di động EPS (EMM) 41

Hình 2 25: Sơ đồ trạng thái quản lý kết nối EPS (ECM) 41

Hình 2 26: Sơ đồ trạng thái điều khiển tài nguyên vô tuyến 44

Hình 3 1: Sơ đồ phân bố trạm thu phát sóng trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang 69

Hình 3 2: So sánh hiệu quả về mặt băng tần của HSPA+ và LTE 74

Hình 3 3: Quy hoạch sử dụng tần sốmạng mobifone giai đoạn 2014-2020 74

Hình 3 4: Thiết bị BBU 3910 75

Hình 3 5: Rack 42U thường được sử dụng trong trạm BTS 76

Hình 3 6: hệ thống anten tiêu biểu của trạm thu phát sóng di động 78

Hình 3 7: Mạng PS hiện tại của MobiFone 80

Hình 3 8:giải pháp SAE của Huawei 81

Hình 3 9: Thiết bị BTS 3910 của Huawei 82

Hình 3 10:Giải pháp tổng thể của NSN từ R6 HSPA đến Rel 8 hỗ trợ LTE 83

Hình 3 11: Giải pháp thiết bị vô tuyến NSN cho LTE 84

Hình 3 12: Giải pháp hệ thống MME/SAE GW của NSN 84

Hình 3 13: Sơ đồ phân bổ các trạm lắp đặt 4G Pha 1 tại tỉnh Tuyên Quang 88

x

Hiện tại công nghệ thông tin di động phát triển với tốc độ rất cao, tại Việtnam 03 nhà mạng lớn là MobiFone, Viettel, Vinaphone cạnh tranh khốc liệt để tăngthị phần Một trong các yếu tố để giữ thuê bao là không ngừng cải thiện chất lượngmạng lưới, mở rộng vùng phủ sóng, nâng cấp công nghệ hiện đại bắt kịp với sự pháttriển 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 mạngthông tin di động MobiFone Miền Bắc và đồng thời đang là sinh viên cao học lớp

Kỹ thuật Viễn Thông - Khóa 20 tại Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái

Nguyên tôi đã xin nhận đề tài tốt nghiệp của mình là: “Triển khai hệ thống thông tin

di động 4G/LTE cho mạng di động MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang”.

Hiện tại nhà mạng MobiFone đang dự kiến triển khai mạng 4G/LTE trên địabàn tỉnh Tuyên Quang Tuy nhiên các thông tin mang tính kỹ thuật về các công nghệ

kỹ thuật 4G/LTE và thực tiễn triển khai còn rất ít chưa đáp ứng được nhu cầu củamột 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/LTE là một đáp ứng rất bức thiếttrong điều kiện và thời điểm hiện tại

Mạng 4G/LTE là một nền tảng di động thế hệ mới được thiết kế dựa trên cáccông nghệ phát truyền thông tin phát triển nhất, dựa trên các cơ sở lý thuyết đã đượcnghiên cứu đầy đủ bởi tổ chức tiêu chuẩn hóa viễn thông 3GPP Trong mạng4G/LTE áp dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao, kỹ thuật đaanten, đơn giản hóa phần mạng truy nhập vô tuyến cũng như phần mạng lõi để hạnchế tối đa trễ thời gian… đây là các kỹ thuật rất phức tạp vì vậy đề tài nghiên cứumạng 4G/LTE mang ý nghĩa khoa học cao Đặc biệt tại thời điểm hiện tại các nhàcung cấp thiết bị (Ericsson, Huawei, Alcatel ) đã cung cấp giải pháp và triển khaithương mai hóa mạng 4G/LTE trên nhiều quốc gia (Mỹ - Verizon, Nhật – NTTDocomo, Singapore - Singtel…) trong đó có Việt Nam, nên đề tài mang ý nghĩathực tiễn cao đối với tình hình triển khai 4G trên mạng thông tin di động MobiFonetại tỉnh Tuyên Quang

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

xii

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 dụngtrong mạng 4G LTE, thực tiễn triển khai 4G tại Việt nam và áp dụng triển khai trênmột 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 kếthợp triển khai ứng dụng thực tế trên mạng lưới Nội dung của đề tài bao gồm:

-Chương 1: Tổng quan về công nghệ 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 tại tỉnh Tuyên Quang

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠNG 4G/LTE

Thông tin di động đã và đang chiếm lĩnh một vai trò cực kỳ quan trọng trongđời sống xã hội ngày nay Khi xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di độngcủa 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 nhiềugiai đoạn phát triển, từ thế hệ di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang triển khairộng khắp trên thế giới - thế hệ thứ 4 Trong chương này sẽ trình bày khái quát vềcác 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 vềthiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di độngsau này Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm tại STLouis, bang Missouri của Mỹ

Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đếnlĩnh vực thông tin di động Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin di động đãcải 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 đượccác 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

1

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 thướccell lớn và hiệu suất sử dụng phổ kém vì vậy dung lượng rất thấp so với các hệthống ngày nay

Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 được giới thiệu và thương mại hóa vàođầu những năm 1990 là thế hệ sử dụng kỹ thuật số đầu tiên cho phép tận dụng tốthơn phổ vô tuyến, và giá thành thiết bị đầu cuối rẻ và gọn nhẹ hơn Hệ thống nàyđầu tiên được thiết kế để sử dụng truyền thoại sau đó được mở rộng ra để truyền tinnhắn SMS Hệ thống 2G phổ biến nhất trên thế giới là GSM (Global System forMobile Communications) sử dụng ban đầu tại Châu Âu sau đó phổ biến trên toànthế giới, bên cạnh đó có CDMAOne phổ biến tại Mỹ, Nhật và Hàn Quốc Do thờiđiểm 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 vàgiao diện vô tuyến để cho phép người sử dụng có thể sử dụng các dịch vụ data trênthiết 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 độtruyền dữ liệu, thế hệ 2.75G EDGE ra đời cải thiện hiệu năng của GSM EnhancedData Rates for GSM Evolution

Thế hệ 2G/2.75G vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu của khách hàng về tốc độtruyền/nhận dữ liệu vì vậy hệ thống thông tin di động thế hệ 3/3.5G ra đời sử dụngcác 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 vôtuyến 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 nhàmạng 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:

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 CSđược sử dụng để truyền thông tin thoại từ thuê bao này đến một thuê bao khác quanhững vùng địa lý mà nhà mạng quản lý tương tự như mạng điện thoại cố địnhPSTN, 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 sửdụng kỹ thuật chuyển mạch kênh tương tự trong các tổng đài PSTN truyền thống dovậy 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 ngườidùng được chia thành nhiều gói tin và được đánh dấu địa chỉ nguồn/đích sau đóđược gửi đi, tài nguyên mạng được chia sẻ chung giữa các user vì vậy đỡ tốn kémhơn Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là độ trễ cao nếu nhiều thuê bao cùng sửdụng 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 mạngnày sử dụng kỹ thuật truyền thông vô tuyến khác nhau và chia sẻ chung một mạngCORE

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

3

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 làcác 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 cóthể có đến nhiều nghìn trạm thu phát sóng BTS/Node B Khi thuê bao di chuyển từmột trạm này sang một trạm khác nó thực hiện ngừng gửi/nhận thông tin đến trạmnày 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 sửdụng kỹ thuật soft-handover (Chuyển giao mềm)

Các trạm gốc được quản lý chung bới 1 thiết bị gọi là RNC (Radio networkController) hay trogn GERAN gọi là BSC (quản lý nhiều BTS) Chức năng củachúng là chuyển tiếp thông tin từ thuê bao đến mạng lõi và điều khiển các trạm gốcqua các bản tin báo hiệu Mỗi RNC quản lý từ vài chục đến vài trăm trạm gốc Mộtnhà 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-systemhandover

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

Trong miền CS các MGW định tuyến chuyển các cuộc gọi từ nguồn đến đíchtrong 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 năngkhác nhau MSC server có VLR (Visitor Location Register) là cơ sở dữ liệu vị trítạm thời của thuê bao di động

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

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

HSS (trong 2G/3G gọi là HLR&AUC) là cơ sở dữ liệu trung tâm của toànmạng 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 thuêbao và vị trí hiện tại của thuê bao đang thuộc MSC server nào quản lý Khi một thuêbao 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 baođược coi là không hợp lệ và không thể sử dụng dịch vụ Trong quá trình thiết lậpcuộc gọi MSC server sẽ hỏi HLR xem thuê bao đang nằm tại đâu để có thể địnhtuyến đúng cuộc gọi đến đích

5

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 diđộng 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 liệungười dùng hàng tháng trên toàn thế giới tính theo Petabyte (Triệu Gigabyte) Xuhướng này được dự báo là sẽ vẫn còn tiếp tục trong những năm sắp tới Song songvới nó lưu lượng thoại có dấu hiệu tăng trưởng chậm và thậm chí không tăng do sựphát 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

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

1.2.2 Dung lượng 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 thểđạt được 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 suấtthu được 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 lượng kênh (bit/s)

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 lượng kênh Trong hệthống thông tin di động C là tốc độ dữ liệu tối đa mà một cell có thể xử lý và bằngvới tốc độ của các máy đầu cuối trong cell kết hợp lại

Như vậy để đạt được dung lượng kênh lớn với một mức tín hiệu trên tạp âmcho phép thì băng thông phải tăng lên, tuy nhiên băng thông là tài sản quốc gia vàkhông phải lúc nào cũng có thể mua được

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

10, 20 Mhz

7

1.2.3 Tăng dung lượng hệ thống

Có 3 cách để tăng dung lượng kênh trong một hệ thống thông tin di động.Cách 1 và cũng là cách quan trọng nhất đó là sử dụng các cell nhỏ hơn Trong một

hệ thống thông tin di động tế bào thì tổng dung lượng kênh của hệ thống là tốc độtối đa mà một cell riêng lẻ có thể đạt được Nếu chia nhỏ các cell đồng nghĩa vớiviệc tăng dung lượng của mạng hay có thể sử dụng nhiều phương trình Shannonhơn trong cùng một mạng

Thứ 2 đó là tăng băng thông của hệ thống, tuy nhiên đây là tài nguyên hữuhạn 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 nàymang 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 thôngbao 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 phảivận hành cùng một lúc hai mạng Core, một mạng CS và một mạng PS, điều này gâytốn kém về chi phí CAPEX và OPEX trong khi với năng lực của các thiết bị routerdung lượng lớn hiện tại hoàn toàn có thể truyền thông tin thoại qua mạng gói sửdụng 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 trễtruyền dữ liệu có thể lên tới 100 ms sau khi dữ liệu được truyền qua giao diện vôtuyến và các phần tử mạng Độ trễ này là tương đối lớn so với dịch vụ thoại và đặcbiệt không phù hợp với các dịch vụ yêu cầu thời gian thực như game tương tác, vìvậy 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 lạivới các thiết bị cũ Vì vậy nhu cầu cần phải có một thế hệ di động mới, cấu trúc đơngiản hơn, giảm thiểu độ trễ end-to-end, cung cấp nhiều dịch vụ data tốc độ cao vàđồng thời có khả năng tương thích ngược lại với hệ thống 2G/3G đang hoạt động

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 tiếpcho miền PS trong mạng GSM/UMTS EPC sẽ truyền tải tất cả các loại thông tin thờingười dùng: thoại cũng như data sử dụng công nghệ chuyển mạch gói mà trước đâyvốn chỉ sử dụng cho data Miền CS trong mạng 2G/3G không còn tồn tại mà toàn bộthông 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 làtrung gian truyền thông tin giữa người dùng và mạng lõi

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

giây Đồng thời thời gian chuyển từ trạng thái standby sang trạng thái active củathuê 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 tới5km, suy giảm chất lượng ở 30km và hỗ trợ lên tới 100 km Về sự di động của thuêbao, trong LTE thiết kế tối ưu cho thuê bao di động với tốc độ 15 km/h, hỗ trợ lêntới 300 km/h

Cuối cùng LTE được thiết kế với khả năng sử dụng nhiều băng tần khác nhautại 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

Kênh truyền tải

Điều khiển công suất đường lên

1.3.2 Cải tiến phần mạng lõi

Mạng core sử dụng giao thức IP (Internet Protocol) có thể sử dụng IPv4 hoặcIPv6 hoặc song song cả IPv4 và IPv6 Trong mạng LTE các thuê bao luôn được duytrì các kết nối với các mạng dữ liệu ngoài khác với trong 2G/3G đó là kết nối chỉđược 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 màkhông quan tâm đó là thoại hay data, các mức dữ liệu có thể được đánh giá với cácmức QoS khác nhau để được sử dụng nhiều tải nguyên hơn

1.3.4 Các tiêu chuẩn 3GPP cho LTE

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

Releases

R99R4R5R6R7

1.3.5 Sự khác biệt giữa mạng 4G và LTE

Chuẩn kết nối 4G được Liên minh viễn thông quốc tế (ITU) chính thức thôngqua vào 3-2008 Chữ “G” trong 4G tức “generation” (thế hệ), như vậy, đây là chuẩnkết nối thế hệ thứ 4 mới nhất, theo lý thuyết, có thể giúp các thiết bị di động nhưđiện thoại thông minh, máy tính bảng đạt tốc độ kết nối 100 Mbps và lên tới 1Gbps 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), chưa phải là mộtcông nghệ chuẩn 4G, thay vào đó chỉ là một chuẩn tiệm cận công nghệ mạng thứ tư.Trên thực thế, tuy điện thoại của bạn có thể hiển thị biểu tượng “4G” ở góc phảiphía trên màn hình, nhưng thực chất lại không phải kết nối 4G theo chuẩn

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, cácthử nghiệm thực tế vẫn chưa đạt được Kết quả là, các nhà làm luật đã quyết địnhdùng LTE để gọi tên chuẩn công nghệ 4G, miễn là tốc độ mạng LTE khi triển khaiphải vượt 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 nhanhhơn, dung lượng hệ thống lớn hơn, khả năng phủ sóng tốt hơn

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 giớithiệu 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 liệunhanh gấp đôi so với mạng LTE thông thường và điều này là một tin vui cho nhữngngười dùng thiết bị thông minh thế hệ mới Chỉ tới tháng 10 năm 2013, đã có tới cảtriệu người đăng ký sử dụng dịch vụ này ở Hàn Quốc Ở đất nước này, người dùngLTE-Advanced có thể tải một bộ phim 800MB chỉ trong 43 giây Không sớm thìmuộn, làn sóng sử dụng công nghệ này sẽ lan ra khắp thế giới do nhu cầu sử dụngbăng thông di động ngày càng tăng cao Các nhà mạng sẽ phải nâng cấp liên tục đểđáp ứng yêu cầu về tốc độ và khối lượng dữ liệu ngày càng cao của người dùngkhông chỉ là đàm thoại video, xem thể thao trực tuyến nữa mà có thể là khám bệnhtrực tiếp từ xa hay mua sắm ảo… Theo dự báo của Cisco System, lưu lượng băngthông di động toàn cầu tăng gấp đôi theo từng năm và sự tăng trưởng theo cấp sốnhân 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 13

lượng người dùng sử dụng LTE-Advanced vào năm 2018 sẽ đạt tới 500 triệu, gấp 5lần số người dùng LTE hiện nay Các chuyên gia công nghệ cũng nhận định rằngLTE 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 kỹthuật 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 độtải lên 1,5Gbps Đây là một sự vượt trội tuyệt đối khi so sánh với thông số tảixuống/tải lên của LTE thường là 300Mb/s và 75Mb/s Không chỉ có tốc độ nhanhhơn, LTE-Advanced cũng bao gồm những giao thức truyền tải mới, hỗ trợ đa an-tencho phép số lượng bit/s truyền tải qua tần phổ mượt mà hơn và kết quả là kết nối ổnđịnh hơn và chi phí dữ liệu sẽ rẻ hơn

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

Hai 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 nhưcác công ty viễn thông ở Hàn Quốc hiện mới chỉ áp dụng phương thức cung cấpdịch 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 diđộng bằng cách ghép nối các kênh tần số, hoặc nhà mạng nằm rải rác trong phổ vôtuyến LTE thông thường có thể cung cấp dữ liệu bằng cách sử dụng các block dữliệu liền kề của tần số lên đến 20 MHz Nhưng khi ngày càng nhiều các công tycung cấp dịch vụ và cùng với nó là số lượng các thiết bị tranh giành tần số viễnthông ngày càng nhiều, những dải rộng lên tới 20Mhz như vậy đang ngày càng khanhiếm 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 Phươngthức cung cấp dịch vụ kết hợp đã giải quyết vấn đề này Nó cho phép các nhà khaithác 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 liệukhả dụng cho mỗi người dùng Đó chính là một trong các ưu điểm của công nghệmới 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 LTEthông thường

Tiếp theo sự tiên phong đầy ấn tượng của SK Telecom, các doanh nghiệpcung cấp LTE-Advanced mới cũng tập trung vào phương thức cung cấp dịch vụ kếthợp do tốc độ truy cập mạng cao dễ gây ấn tượng với người dùng hơn Tuy nhiênđây 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 cóthêm 4 tính năng quan trọng khác so với chuẩn tiền nhiệm Đầu tiên là tính năngcho phép các thiết bị di động và trạm phát sóng kết nối gửi nhận dữ liệu với nhauthông qua nhiều an-ten gọi là MIMO LTE-Advanced cho phép 8 an-ten kết nốicùng lúc thay vì 4 như ở LTE thường

- MIMO:

Trong môi trường tín hiệu sóng không ổn định như ở rìa vùng phủ sóng haytrong phương tiện di chuyển tốc độ cao, các an-ten thu phát sẽ kết hợp cùng vớinhau để tập trung hướng tín hiệu theo một hướng nhất định Kiểu điều hướng chùmtia này tăng cường độ tín hiệu nhận được lên nhiều lần mà không cần tăng công suấtcủa nguồn phát Mặt khác, nếu tín hiệu mạnh và độ nhiễu ít như khi người dùng ởgần 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 phátsóng với 8 an-ten có thể gửi liên tục 8 luồng dữ liệu tới 1 điện thoại có 8 an-ten Vàcác luồng dữ liệu này được tiếp nhận từ các góc độ khác nhau với cường độ và thờigian khác nhau, sau đó điện thoại mới tổng hợp và tiến hành xử lý phân tích để chọn

ra các luồng dữ liệu cần thiết Do vậy, việc ghép kênh không gian có thể tăng số liệutương ứng với số an-ten có thể kết nối Như vậy ở trường hợp lý tưởng, 8 an-ten sẽlàm 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

15

đã được ứng dụng trong công nghệ không dây từ rất lâu để tăng khả năng khuếchđại 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 đơnthuần nhận tín hiệu, khuếch đại chúng và truyền tải chúng đi tiếp Kỹ thuật khuếchđại 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 củarơ-le khuếch đại mà thôi Như vậy sẽ làm giảm nhiễu và kết nối được với nhiềungười dùng trong phạm vi chuyển tiếp hơn LTE-Advanced cũng cho phép rơ-le kếtnối với trạm phát sóng và thiết bị sử dụng chung một tần phổ và giao thức giốngnhư bản thân trạm phát sóng Như vậy thì các thiết bị dùng LTE thường cũng kếtnối 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 baogồm các trạm phát sóng nhỏ đang được các nhà mạng chú ý phát triển thay cho cáctrạm phát truyền thống Các trạm phát dạng này có ưu điểm dễ tăng khả năng truyềntại 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, tuynhiên các nhà mạng cần có giải pháp để chống nghẽn khi cố nhồi nhét ngày càngnhiều dữ liệu vào tần phổ Giao thức eICICđược xây dựng trên giao thức ICIC củaLTE thường, cho phép giảm nhiễu giữa các trạm phát trong khi vẫn tăng cường tínhiệu được tới các người dùng nằm ở rìa vùng phủ sóng Nhìn chung, LTE-Advancedgiải quyết các rắc rối này bằng cách duy trì được một tín hiệu cường độ mạnh vàchịu được độ nhiễu cao Mặc dù vậy, các trạm phát sóng nhỏ cũng làm cho tình hìnhphức tạp hơn khi thiết bị di động có thể bị nằm trong vùng phủ sóng của cả trạmphát chính Khi ấy, giao thức eICIC sẽ tuỳ theo hiện trạng của mạng để tiến hành kếthợp kênh hay phối họp sử dụng các nguồn tần số thời gian khác nhau Đối với cácmạng chỉ sử dụng kênh một tần số, eICIC cung cấp một giải pháp cho phép nhiềungười sử dụng liên kết đến các trạm phát sóng nhỏ có khả năng cung cấp dunglượng dữ liệu tốt hơn

- Cải thiện tín hiệu và tăng tốc độ truyền tải dữ liệu tới tận vùng ven của khuvực 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 thểhơn là hai trạm gần nhất có thể gửi liên tục cùng một dữ liệu tới thiết bị để đảm bảothiết bị có được kết nối tốt hơn Cũng như vậy, thiết bị di động có thể tải dữ liệu lênhai trạm phát cùng một lúc và giảm thiểu sai sót phát sinh Hoặc thiết bị cũng có thểchọn tải dữ liệu lên một trạm phát nhỏ gần nhất để tiết kiệm năng lượng truyền dẫntrong 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 khaimột số tính năng phức tạp hơn của công nghệ này như các dịch vụ thoại và phầnmềm “tự tổ chức” Những tính năng này sẽ cung cấp khả năng thích ứng với các hạtẩng 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 GenerationPartnership Project (3GPP) đã công bố kế hoạch về phiên bản kế tiếp vào cuối nămnay Một số công ty gọi phiên bản tương lai này là LTE-B bất chấp việc 3GPP đãlên tiếng phủ nhận và cho biết chỉ chấp nhận tên gọi LTE-Advanced Bỏ qua vấn đềtên gọi, chúng ta chỉ chắc chắn rằng biến thể mới này sẽ tiếp tục cung cấp cho cácnhà 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 phánhư vậy có thể cung cấp năng lực cao gấp 30 lần so với LTE-Advanced và thực sựđáng dể chúng ta chờ đợi

1.4 Kết luận Chương 1:

Chương 1đã khái quát được những nét đặc trưng, ưu nhược điểm và sự pháttriển của các hệ thống thông tin di động thế hệ 1, 2 và 3, 4 đồng thời đã sơ lượt tổngquan của hệ thống thông tin di động thế hệ 4 Hai thông số quan trọng đặc trưng chocác hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin của người sử dụng và tính diđộng, ở các thế hệ tiếp theo các thông số này càng được cải thiện Nêu được ưuđiểm của 4G so với 3G và các cơ sở để hình thành ưu điểm đó

Hiện nay, sự phát triển của các dịch vụ số liệu đang diễn ra vô cùng mạnh mẽ,bên cạnh đó xu hướng tích hợp và IP hoá đã đặt ra các yêu cầu mới đối với côngnghiệp Viễn thông di động Mạng thông tin di động thế hệ ba ra đời đã khắc phục

17

được các nhược điểm của các mạng thông tin di động thế hệ trước đó Tuy nhiên,mạng di động này cũng có một số nhược điểm như: Tốc độ truyền dữ liệu vẫn chưađáp ứng được yêu cầu ngày càng cao của người dùng, khả năng đáp ứng các dịch vụthời gian thực như hội nghị truyền hình là chưa cao, khó khăn trong việc tải các file

dữ liệu lớn, khi đưa một dịch vụ mới vào mạng sẽ gặp rất nhiều vấn đề do tốc độtruyền dẫn thấp, tài nguyên băng tần ít…

Cùng với xu hướng phát triển chung của các tỉnh thành trên cả nước nói riêng

và trên toàn thế giới nói chung Để đáp ứng nhu cầu sử dụng dịch vụ truyền số liệuvới tốc độ cao, với yêu cầu ngày một nâng cao của người sử dụng Việc xây dựng,triển khai hệ thống mạng thông tin di động 4G/LTE tại địa bàn tỉnh Tuyên Quang làvấn đề cấp thiết phải triển khai Việc triển khai hệ thống này mở ra khả năng tíchhợp tất cả các dịch vụ, cung cấp băng thông rộng, dung lượng lớn, truyền dẫn dữliệu tốc độ cao, cung cấp cho người sử dụng những hình ảnh video màu chất lượngcao, các trò chơi đồ hoạ 3D linh hoạt, các dich vụ âm thanh số Việc phát triển côngnghệ giao thức đầu cuối dung lượng lớn, các dich vụ gói dữ liệu tốc độ cao, côngnghệ dựa trên nền tảng phần mềm công cộng mang đến các chương trình ứng dụngchất lượng cao trên nền các mạng di động

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 vớimạng hiện tại mà không làm ảnh hưởng đến các dịch vụ đang sử dụng Để thực hiệnđiều 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, cấutrúc mạng 4G LTE sẽ như thế nào, nó liên kết với các mạng khác ra sao, các kênh sửdụng trong E-UTRAN, các kỹ thuật sử dụngcho đường lên, đường xuống trongLTE, đồng thời khái quát về các thủ tục liên quan đến giao diện vô tuyến bao gồmchuyển 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 (evolvedpacket 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 MạngCore cũng là thành phần giao tiếp với các mạng packet khác như internet, mạngriêng của các công ty, hoặc hệ thống truyền thông đa phương tiện IP IMS (Ipmultimedia system) Giao diện giữa các thành phần khác nhau của hệ thống LTEđược định danh là các giao diện Uu, S1, và SGi

Hình 2 1: Cấu trúc lớp cao của

LTE 2.1.2 Thiết bị người dùng

Kiến trúc bên trong của một thiết bị đầu cuối LTE như mô tả trong hình 2, vềmặt cấu trúc thì nó hoàn toàn giống với thiết bị cầm tay trong mạng GSM và UMTS

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 làphần MT (mobile termination) với chức năng truyền thông tin và phần TE (terminalequipment) với chức năng kết cuối các dòng dữ liệu Phần ME có thể chỉ là mộtLTE card được cắm vào một chiếc máy tính xách tay nếu người dùng sử dụng datacard, 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 circuitcard) tương đương với SIM card trong GSM hoặc UMTS, trong card này chạy mộtứng dụng gọi là USIM: Universal Subscriber Identity Module lưu trữ các thông tinduy 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 thựcthuê bao khi thuê bao đăng ký sử dụng dịch vụ mạng Các thiết bị đầu cuối LTE hỗtrợ các sim card từ version R99 trở về sau, các sim card sử dụng bởi các versionGSM 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 tiếpvới bất kỳ một mạng gói IP nào nó sẽ được cấp phát 1 địa chỉ IP, ví dụ khi thuê baođồng thời sử dụng internet và truy cập vào mạng riêng của công ty thì thuê bao sẽđược cấp phát 02 IP khác nhau cho 2 tiến trình đó Hai địa chỉ này có thể cùng làIPv4 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 vôtuyến khác nhau bao gồm: tốc độ dữ liệu tối đa mà thuê bao có khả năng xử lý, cáccông nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau, tần số sóng mang sử dụng để thu/phát tín

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 UEthành 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 mộtthành phần duy nhất là các evolved node B (eNB) Mỗi một eNB là một trạm gốcđiều 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 baođược gọi là một serving eNB

Các eNB có 2 chức năng chính, một là nó phát tín hiệu vô tuyến tới tất cả cácmáy đầu cuối trên đường downlink và thu tín hiệu vô tuyến từ các máy đầu cuốitrên 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 bằngcách gửi các bản tin báo hiệu như: các lệnh thực hiện chuyển giao Để thực hiện cáctính năng này và để giảm độ trễ trong quá trình truyền nhận thông tin eNB đã tíchhợp các tính năng của RNC (radio network controller) trong mạng UMTS

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

21

kết nối với một eNB lân cận qua giao diện X2 (sử dụng với mục đích chính làtruyền các bản tin báo hiệu trong quá trình chuyển giao handover) Giao diện X2 làmột thành phần có thể có hoặc không do giao diện S1 cũng có thể truyền các thôngtin về chuyển giao thay cho X2 mặc dù có thể sẽ phát sinh vấn đề trễ truyền dẫn nếutruyền qua giao diện này Thông thường các giao diện S1 và X2 không phải là cáckết 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 quamạng 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 HeNBchỉ thuộc về một số số thuê bao nhất định và chỉ có các thuê bao này mới được cungcấp dịch vụ từ HeNB này Về mặt cấu trúc thì các HeNB này cũng kết nối trực tiếpđến mạng lõi EPC tương tự như các eNB khác hoặc có thể kết nối đến EPC thôngqua một gateway quản lý một vài các HeNB khác nhau Các HeNB này chỉ điềukhiển 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 tronghình dưới Một trong các thành phần chính đó là HSS (home subcriber server) làtrung tâm lưu trữ cơ sở dữ liệu tất cả thuê bao của mạng Đây là một trong các thànhphần 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 mạngCore EPC với các mạng ngoài khác, thông qua giao diện SGi mạng EPC trao đổithông tin với các thiết bị mạng hoặc với các mạng gói khác ví dụ như các server củanhà cung cấp dịch vụ hoặc với các hệ thống đa phương tiện IP IMS Mỗi một mạnggói này được định danh bằng 1 APN, mỗi nhà cung cấp dịch vụ sẽ có nhiều APN sửdụng cho nhiều mục đích khác nhau, ví dụ 01 APN cho server và 01 APN cho kếtnối 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 bậtmáy, PDN này là mặc định để thuê bao có thể kết nối đến mạng ngoài (ví dụinternet) Sau đó nếu thuê bao có nhu cầu kết nối đến nhiều mạng khác ví dụ mạngdoanh 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 từeNB đến PDN gateway Thông thường một mạng LTE chứa một vài SGW đặt tạicác vùng địa lý khác khau để kết nối các node B trên toàn mạng lưới Mỗi một thuêbao được chỉ định kết nối tới một S-GW tuy nhiên khi thuê bao di chuyển thì S-GWđược 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 củathuê 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 mộtMME nhất định và có thể thay đổi khi di chuyển MME cũng điều khiển các thànhphần 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 tựnhư GGSN còn MME tương tự như SGSN xử lý các phần định tuyến data và cácchức năng báo hiệu, nhà mạng có thể dễ dàng mở rộng các serving gateway khi lưulượng tăng cũng như bổ sung các MME khi số lượng thuê bao tăng lên Tương tựgiao diện S1 cũng có 2 loại S1-U mang lưu lượng của của signaling gateway còn 23

S1-MME mang bản tin báo hiệu cho MME.

MME cũng có thể có một số thành phần khác như CBC (cell broadcastcentre) để cung cấp các dịch vụ quảng bá như cảnh báo sóng thần, động đất… hoặcEIR 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 vùngphủ sóng của nhà cung cấp dịch vụ vẫn có thể sử dụng dịch vụ nhờ vào tài nguyêncủa mạng khác Việc chia sẻ và cung cấp dịch vụ roaming phụ thuộc vào thỏa thuậnroaming giữa các nhà mạng với nhau Có 2 loại kiến trúc roaming như trong hìnhsau Nếu một thuê bao roaming thì HSS quản lý thuê bao đó thuộc mạng chủ còn lạicác thành phần khác (eNB, E-UTRAN, MME… đều thuộc mạng khách Lúc nàyPDN gateway có thể chia làm 2 phần tùy thuộc vào tình huống thực tế Kiến trúcthứ nhất đó là PDN gateway nằm tại mạng chủ, toàn bộ dữ liệu của thuê bao sẽđược định tuyến về P-GW này Kiến trúc này cho phép nhà mạng quản lý toàn bộlưu lượng và tính phí trực tiếp cho khách hàng tuy nhiên mô hình này có hạn chế làtài nguyên không đủ gây ra độ trễ cao khi mà thuê bao di chuyển ra nước ngoài, đặcbiệt là trong trường hợp 2 thuê bao gần nhau thực hiện cuộc gọi cho nhau Trườnghợp thứ 2 là PDN của thuê bao sẽ được cấu hình ngay tại mạng khách, trong trườnghợp 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 khókhăn 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 2mạng khác nhau thì gọi là giao diện S8 Đối với các thuê bao không roaming thìSGW 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 Mộtvùng MME pool là vùng mà tại đó thuê bao có thể di chuyển mà không cần thay đổiMME đang phục vụ nó Mỗi một vùng này được quản lý bởi một hoặc nhiều MMEtrong khi tất cả các trạm gốc được kết nối tới tất cả các MME trong pool qua giaodiện S1-MME Các MME pool này có thể chồng lần lên nhau như hình vẽ Trongmột MME pool thường phủ sóng một hoặc nhiều thành phố và nhà mạng sẽ bổ sungMME để share tải nếu thấy cần thiết

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

Tương tự một vùng phục vụ S-GW là một vùng được quản lý bởi 1 hay nhiều S-GW

mà thuê bao khi di chuyển thì không cần phải thay đổi S-GW đang quản lý nó Mỗimột vùng này được quản lý bởi một hoặc nhiều S-GW trong khi tất cả các trạm gốcđược kết nối tới tất cả các S-GW trong pool qua giao diện S1-U Các S-GW pool

này có thể chồng lần lên nhau như hình vẽ Trong một S-GW pool thường

25