Nghiên cứu giải pháp liên kết mạng trong LTE

Điều khiển kênh mang Phân phát dữ liệu người dùng Cung cấp đường hầm dữ liệu người dùng cho UP và DL Chuyển giao giữa các eNodeB Chuyển tiếp dữ liệu DL trong khi chuyển giao Bảo mật và t

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

LỜI MỞ ĐẦU

Thông tin di động ngày nay đã trở thành một ngành côngnghiệp viễn thông phát triển rất nhanh và mang lại nhiều lợi nhuậncho các nhà khai thác dịch vụ

Gần đây công nghệ phát triển tương lai (LTE) đã xuất hiện vàđang được các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động 3G chú ý Cáccuộc thử nghiệm và trình diễn đã chứng tỏ năng lực tuyệt vời củacông nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE đã đến rất gần

Ở nước ta, mặc dù mới chỉ là “tiếp nhận công nghệ”, nhưng để

có thể tiếp nhận được công nghệ thì những nghiên cứu, nắm bắt vềcông nghệ, kỹ thuật là rất cần thiết Do đó nghiên cứu công nghệLTE ứng dụng trong mạng thông tin di động là hướng nghiên cứuđón đầu công nghệ mới, dịch vụ mới Chính vì vậy, tác giả đã lựachọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp liên kết mạng trong LTE”nhằm đón đầu ứng dụng công nghệ mới vào thực tế mạng thông tin diđộng của Việt Nam

Kết cấu của luận văn gồm 03 chương với các nội dung chính như sau:

Chương 1: Tổng quan mạng thông tin di động.

Chương 2: Mạng thông tin di động băng rộng LTE.

Chương 3: Giải pháp liên kết mạng trong LTE.

Tuy nhiên, do LTE là công nghệ mới vẫn đang được tiếp tụcnghiên cứu, phát triển, cũng như hoàn thiện cho nên luận văn chưathể hiện được hết các vấn đề của công nghệ LTE và không thể tránhkhỏi những thiếu sót Rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy cô,chuyên gia và đồng nghiệp

Chương 1 TỔNG QUAN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Trong chương này, sẽ trình bày quá trình phát triển mạng thông tin di động Đồng thời, cũng giới thiệu động lực phát triển LTE, sự ủng hộ và sẵn sàng của các nhà khai thác mạng, các nhà sản xuất thiết bị để đưa LTE trở thành tiêu chuẩn của mạng 4G trên toàn cầu.

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Nửa đầu thập niên 1990 “Dịch vụ viễn thông chủ yếu là thoại”

Từ 1995 - 2000 đó là “Sự phát triển của di động và Internet”

Từ 2000 - 2005 được xem như là bùng nổ “Mobile Internet”

Từ 2005 đến nay phát triển mạnh mẽ “Phủ sóng toàn cầu vàMobile Broadband”

Nghiên cứu tính khả thi LTE và SAE

Rel-8 12-2008

LTE: OFDMA (đa truy nh ậ p theo t ầ n s ố trự cgiao), SC-CDMA ( đa truy nhập theo mã đơnsóng mang)

SAE ( phát triển kiến trúc hệ thống): mạng lõi IPmới

HSPA cải tiến

Hình 1.1: Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu của 3GPP

1.2.1 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R99 (R3)

Hình 1.2: Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

1.2.2 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4

Hình 1.3: Kiến trúc mạng phân bố theo công bố 3GPP R4

1.2.3 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5 và R6

Hình 1.4: Kiến trúc mạng 3GPP R5 và R6

1.2.4. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R7 và R8

1.3.2 Phát triển thiết bị và nội dung số

Các nhà sản xuất thiết bị cầm tay như sản phẩm BlackBerry vànhà cung cấp nội dung số Google đã ủng hộ công nghệ LTE

1.3.3 Nhu cầu phát triển LTE

Hình 1.6: Dự báo nhu cầu phát triển UMTS-HSPA-LTE

1.4 KẾT LUẬN

Chương này đã giới thiệu quá trình phát triển mạng thông tin

di động, động lực phát triển LTE Sự ủng hộ của các nhà cung cấpdịch vụ và các nhà sản xuất thiết bị Sự phát triển tất yếu của nhu cầuthị trường và xu hướng phát triển công nghệ mới, LTE đưa ra khảnăng tái sử dụng phần lớn cơ sở hạ tầng, cùng với việc tái sử dụngphổ tần hiện có của họ Chính vì vậy, LTE được chọn là công nghệcho thế hệ 4G và trong chương tiếp theo sẽ thảo luận về kiến trúcmạng thông tin di động băng rộng LTE

Chương 2

MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG BĂNG RỘNG LTE

Chương 1 đã chỉ ra sự ủng hộ và sẵn sàng của các nhà cung cấp dịch vụ, của các nhà cung cấp thiết bị và nội dung số Trong chương này, luận văn sẽ tập trung thảo luận về các vấn đề, cũng như kiến trúc hệ thống và các phần tử chức năng của hệ thống LTE.

2.1 CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG PHÁT TRIỂN T ƠNG LAI LTE

Hình 2.1: Lộ trình phát triển mạng thông tin di động lên LTE

2.1.2 Các yêu cầu và tính năng cơ bản của LTE

* Giao diện vô tuyến nâng cao cho phép tăng tốc độ dữ liệu

* Độ rộng băng thông linh hoạt

* Hiệu quả sử dụng phổ tần cao

* Giảm trễ

* Môi trường toàn IP

* Cùng tồn tại với các hệ thống và tiêu chuẩn trước

* Khả năng giảm chi phí

Bảng 2.2: Băng tần triển khai LTE

Bảng 2.1: Tốc độ dữ liệu đỉnh đường lên và đường xuống của LTE

Chế độ song

Tốc độ đỉnh đường xuống (DL) (64QAM)

Tốc độ đỉnh đ ờng lên (UL)

Bảng 2.3: Một vài dịch vụ và ứng dụng của LTE

(Nguồn: Analysys Research/UMTS Forum 2007)

Truy cập vào dịch vụ thông

tin trực tuyến, giới hạn truy

cập WAP qua mạng GPRS và

3G

Duyệt web siêu nhanh, tảinội dung lên các trangmạng xã hội

Thông tin

trả tiền

Nội dung mà người dùng trả

tiền theo phí mạng tiêu

chuẩn Chủ yếu là thông tin

dựa trên văn bản

Báo điện tử, luồng âmthanh chất lượng cao

tải về

Trải nghiệm trò chơi trựctuyến như nhau ở cả mạng

di động và cố địnhTV/Video

Nhắn tin peer to peer bằng

cách sử dụng nội dung bên

thứ ba cũng như tương tác

với phương tiện khác

Phân bố trên phạm vi rộngcác đoạn video, dịch vụkaraoke, quảng cáo hìnhảnh di động

2.2 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG LTE

Hình 2.2 mô tả kiến trúc và các thành phần của mạngLTE/SAE Hình vẽ cho ta thấy sự phân chia kiến trúc thành bốn phầnchính : Thiết bị người dùng (UE), mạng truy nhập vô tuyến E-UTRAN, mạng lõi chuyển mạch gói (EPC) và phần dịch vụ

Hình 2.2: Kiến trúc hệ thống SAE/LTE

2.3 CHỨC NĂNG CÁC PHẦN TỬ MẠNG TRONG LTE

2.3.2 E-UTRAN Nút B (eNodeB)

Chỉ có duy nhất một phần tử trong mạng truy nhập vô tuyếncải tiến E-UTRAN là eNodeB Đây là trạm gốc vô tuyến, điều khiểntất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến

Hình 2.3 chỉ ra những kết nối giữa eNodeB và các nút logicxung quanh (UEs, MME, S-GW, eNodeBs khác) và tóm tắt các chứcnăng chính của các giao diện này

Điều khiển kênh mang

Phân phát dữ liệu người dùng

Cung cấp đường hầm dữ liệu người dùng cho UP và DL

Chuyển giao giữa các eNodeB Chuyển tiếp dữ liệu DL trong khi chuyển giao

Bảo mật và tối ưu

Hình 2.3: Kết nối giữa eNodeB với các nút khác

2.3.3 Thực thể quản lý di động (MME).

Thực thể quản lý di động MME là thành phần điều khiển chínhtrong EPC Nó chỉ hoạt động trong miền điều khiển (CP) mà khôngtham gia vào miền dữ liệu người dùng (UP)

Các chức năng chính của MME trong kiến trúc hệ thốngLTE/SAE như sau:

* Chức năng xác thực và bảo mật

* Chức năng quản lý di động

* Chức năng quản lý lịch sử thuê bao và kết nối dịch vụ.Hình 2.4 chỉ ra các kết nối giữa MME và các nút logic xungquanh (UEs, eNodeB, S-GW, HSS, MME khác), tóm tắt các chứcnăng chính của các giao diện này.

Nhận thực và bảo mật Quản lý vị trí Thông tin thuê bao

Điều khiển đường hầm Chuyển giao giữa 2 MME

Di chuyển ở trạng thái Idle

giữa 2 MME

cho dữ liệu người dùng

Chuyển giao giữa 2 eNodeB Quản lý kênh mang Tìm gọi

Quản lý di động Quản lý kênh được yêu cầu từ UE

Hình 2.4: Kết nối giữa MME và các nút khác

2.3.4 Gateway phục vụ (S-GW)

Trong cấu hình kiến trúc hệ thống cơ bản, chức năng của

GW là quản lý và chuyển mạch đường hầm dữ liệu người dùng

S-GW là một phần không thể thiếu của cơ sở hạ tầng mạng

S-GW có vai trò thứ yếu trong chức năng điều khiển Nó chỉ

nguyên đó theo các yêu cầu từ MME, P-GW hoặc PCRF

Hình 2.5 chỉ ra cách mà S-GW kết nối vào các nút logic khác

và các chức năng chính trong các giao diện này

Chuyển tiếp dữ liệu

DL trong khi chuyển giao (định dạng S1-U), khi kết nối trực tiếp giữa 2 eNodeB không sẵn sàng

Hình 2.5 : Kết nối giữa S-GW và các nút khác

2.3.5 Gateway mạng dữ liệu gói (P-GW)

P-GW hay còn gọi là PDN-GW là bộ định tuyến biên giữamạng EPC và các mạng dữ liệu gói bên ngoài Đây là mức kết cuối diđộng cao nhất trong hệ thống LTE/SAE và thông thường nó hoạtđộng như điểm truy nhập IP cho thiết bị người dùng (UE) Nó thựchiện chức năng lọc và mở lưu lượng khi dịch vụ yêu cầu Tương tựvới S-GW, P-GW cũng là thành phần quan trọng của mạng

Hình 2.6 chỉ ra kết nối giữa P-GW và các nút logic xung quanh

nó và các chức năng chính trong các giao diện này

Yêu cầu thông tin điều khiển cước và chính sách (PCC) Các qui tắc PCC

Các luồng IP của dữ liệu người dùng

Điều khiển các đường hầm

dữ liệu người dùng Đường hầm dữ liệu người dùng để phân phát dữ liệu

Yêu cầu điều khiển QoS khi S5/S8 là PMIP

Các qui tắc QoS để ghép luồng dữ liệu IP và

đường hầm GTP trong S1 khi S5/S8 là PMIP

Hình 2.7: Kết nối giữa PCRF với các nút khác

2.3.7 Máy chủ thuê bao thường trú (HSS)

HSS là nơi chứa dữ liệu cho tất cả thuê bao Nó cũng ghi lại vịtrí thuê bao như ở mức MME HSS cũng lưu trữ thông tin về các dịch

vụ mà thuê bao có thể được sử dụng, thông tin về các kết nối PDN

mà thuê bao được phép kết nối đến và có được phép chuyển vùng tớimạng khách hay không

2.3.8 Miền dịch vụ (Services Domain)

Miền dịch vụ có thể bao gồm nhiều hệ thống con và các do đó

có thể chứa nhiều nút logic Dưới đây là các loại dịch vụ có thể cungcấp và loại cơ sở hạ tầng cần để cung cấp các dịch vụ:

* Các dịch vụ nhà mạng dựa trên IMS

* Các dịch vụ nhà mạng không dựa trên IMS

* Những dịch vụ khác không được cung cấp bởi nhà mạng

cơ bản LTE/SAE cũng đã được thảo luận

Trong chương sau, luận văn sẽ nguyên cứu vấn đề chuyển giaotrong mạng LTE, các giải pháp liên kết giữa mạng LTE với các mạng

vô tuyến hiện có, cũng như ứng dụng triển khai tại Gtel Mobile

Chương 3 GIẢI PHÁP LIÊN KẾT MẠNG TRONG LTE

Trong chương trước, luận văn đã thảo luận các vấn đề, các tính năng quan trọng của LTE, cũng như kiến trúc hệ thống cơ bản và chức năng của các thành phần của mạng LTE Trong chương này sẽ thảo luận vấn đề chuyển giao trong mạng LTE/SAE, các giải pháp liên kết với các mạng 3GPP và 3GPP2, và ứng dụng tại GTel Mobile.

3.1. CHUYỂN GIAO GIỮA HAI eNodeB.

3.1.1 Thủ tục chuyển giao

người dùng giữa hai eNodeB như trong Hình 3.1 và 3.2

Tr ớc khi chuyển giao Chuẩn bị chuyển giao Thực hiện chuyển giao Chuyển mạch đ ờng trễ

Dữ liệu trong vô tuyến

Báo hiệu trong vô tuyến

Đường hầm GTP

Báo hiệu S1 Báo hiệu X2 Báo hiệu GTP

Hình 3.1: Thủ tục chuyển giao giữa hai eNodeB

Tr ớc khi chuyển giao Chuyển tiếp dữ liệu Chuyển mạch đ ờng trễ

Hình 3.2: Chuyển mạch dữ liệu người dùng trong chuyển giao

3.1.2 Báo hiệu chuyển giao

Hình 3.3: Chuẩn bị chuyển giao

Hình 3.4: Thực hiện chuyển giao

Hình 3.5: Hoàn thành chuyển giao

Các gói

3 và 4 được truyền lại, mặc

dù gói 4

đã được nhận

Hình 3.6: Chuyển giao không tổn hao trong đường lên

Gói cuối cùng

Các gói

3 và 4 được truyền lại, mặc

dù gói 4

đã được nhận

Các gói 1, 2 và 4

đã được nhận

Hình 3.7: Chuyển giao không tổn hao trong đường xuống

3.2. CHUYỂN GIAO GIỮA HAI MẠNG E-UTRAN

Hình 3.8 Thủ tục chuyển giao trên giao diện S1

3.3 LIÊN KẾT MẠNG GIỮA E-UTRAN VỚI CÁC CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP VÔ TUẾN (RAT) KHÁC

3.3.1 Liên kết với các mạng 3GPP khác

3.3.1.1 Kiến trúc hệ thống liên kết mạng

Hình 3.9 mô tả kiến trúc và các thành phần mạng trong kiếntrúc mạng khi các mạng truy nhập của 3GPP

Hình 3.9: Liên kết giữa E-UTRAN với các mạng 3GPP khác 3.3.1.2 Chuyển giao giữa LTE và các mạng truy nhập 3GPP khác

Hình 3.10: Chuyển giao từ E-UTRAN đến UTRAN/GERAN

3.3.2 Liên kết với các mạng CDMA2000

3.3.2.1 Kiến trúc hệ thống liên kết mạng

Hình 3.11 mô tả kiến trúc hệ thống liên kết mạng giữa UTRAN và mạng dữ liệu gói tốc độ cao (HRPD) CDMA2000 Nóđưa ra mạng dữ liệu gói tốc độ cao tiến hóa (E-HRPD) với một số sựđiều chỉnh để thích hợp cho kết nối tới mạng lõi EPC

E-Hình 3.11: Liên kết giữa E-UTRAN với các mạng CDMA2000

3.3.2.2 Chuyển giao giữa LTE và mạng truy nhập CDMA2000

Hình 3.12: Đường hầm điều khiển giữa E-UTRAN và E-HRPD

3.4 HỖ TRỢ DỊCH VỤ CHUYỂN MẠCH KÊNH VỚI CÁC MẠNG TRUY NHẬP 3GPP KHÁC

Đối với cuộc gọi di động đến như hình 3.14.

Hình 3.14: Dự phòng chuyển mạch kênh - Cuộc gọi di động đến

Đối với cuộc gọi di động đi như hình 3.15

Hình 3.15: Dự phòng chuyển mạch kênh - Cuộc gọi do động đi

3.4.3 Cuộc gọi liên tục vô tuyến riêng biệt (SR-VCC)

Khi cuộc gọi VoIP được hỗ trợ trong LTE, thì cũng phải cầnchuyển giao cuộc gọi VoIP từ LTE sang mạng GSM, WCDMA hoặcCDMA khi đầu cuối LTE ra khỏi vùng phủ LTE Chức năng gọi làSR-VCC, như mô tả trong Hình 3.16 Và thủ tục SR-VCC được trình

bày ở Hình 3.17

Hình 3.16: Cuộc gọi liên tục vô tuyến riêng biệt (SR-VCC)

Hình 3.17: Thủ tục SR-VCC

3.5 ỨNG DỤNG TRIỂN KHAI LTE TẠI GTEL MOBILE

Mobile bao gồm phân hệ chuyển mạch gói (SGSN, GGSN), HLRcùng cơ sở hạ tầng đường trục IP/MPLS với dung lượng, khả năng

phần cứng sẵn sàng hỗ trợ cho WCDMA/HSPA cũng như LTE Vìvậy để triển khai LTE chỉ cần tiến hành nâng cấp gói các dịch vụ,chức năng phục vụ LTE như MME, SGW, HSS mà không cần nângcấp, thay đổi thiết kế, kiến trúc phần cứng mạng lõi cũng như làmảnh hưởng tới các dịch vụ thoại cũng như các dịch vụ cơ bản trên nềnchuyển mạch kênh truyền thống

Hình 3.18: Hệ thống chuyển mạch gói hiện tại của GTEL Mobile

GSM/WCDMA của GTel Mobile theo tiêu chuẩn 3GPP như hình3.19 sau:

Hình 3.19: SGSN và GGSN trong hệ thống GSM/WCDMA

3.5.2 Hệ thống HLR

Hình 3.20: Kiến trúc hệ thống HLR của GTEL Mobile

3.5.4 Giải pháp nâng cấp mạng lõi GTEL Mobile hỗ trợ LTE

Quá trình nâng cấp mạng lõi chuyển mạch gói hiện tại của GtelMobile để triển khai LTE được mô tả như hình 3.23

Hình 3.23: Quá trình nâng cấp mạng chuyển mạch gói hỗ trợ LTE.

Hình 3.24: Mạng chuyển mạch gói sau khi nâng cấp hỗ trợ LTE

Bảng 3.1: Nâng cấp SGSN R8 thành SGSN MME2010B

Bảng 3.2: Nâng cấp GGSN R8 thành GGSN-MPG

30

Dual Access

cables)

2010B License

Để triển khai LTE, hệ thống HLR chỉ cần nâng cấp gói dịch vụHSS Kiến trúc ngHLR hỗ trợ HSS được mô tả như hình vẽ 3.25.

Hình 3.25: Hệ thống HLR sau khi nâng cấp

3.6 KẾT LUẬN

Trong chương này đã trình bày vấn đề chuyển giao giữa haieNodeB, chuyển giao giữa hai mạng E-UTRAN Liên kết mạng giữaLTE với các mạng 3GPP cũng như 3GPP2 cũng được đề cập Giảipháp hỗ trợ cuộc gọi chuyển mạch kênh: dự trữ chuyển mạch kênh(CSFB) và cuộc gọi liên tục vô tuyến riêng biệt (SR-VCC) cũng đượctrình bày

Đồng thời, trong chương này cũng đã nghiên cứu ứng dụngtriển khai công nghệ LTE cho mạng thông tin di động GTel Mobile

Để hỗ trợ LTE, chỉ cần giải pháp nâng cấp các gói phần mềm, cáctính năng hỗ trợ LTE mà không cần nâng cấp về mặt phần cứng

KẾT LUẬN

Sau quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn, đã đạt được các kếtquả sau:

năng của các phần tử trong mạng

giao giữa hai eNodeB; Chuyển giao giữa hai mạng UTRAN; Liên kết mạng E-UTRAN với các mạng truynhập vô tuyến 3GPP và 3GPP2; Hỗ trợ dịch vụ chuyểnmạch kênh với các mạng truy nhập vô tuyến khác