Nghiên cứu kiến trúc mạng lõi hệ thống thông tin di động LTE SAE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG NGUYỄN VĂN TOÀN NGHIÊN CỨU KIẾN TRÚC MẠNG LÕI HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE/SAE CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn: TS. NGUYỄN PHẠM ANH DŨNG Hà Nội -Năm 2011 GIỚI THIỆU VỀ LUẬN VĂN  Lý do chọn đề tài LTE là tiêu chuẩn mới nhất trong các nhóm công nghệ di động của 3GPP. Công nghệ LTE có thể cung cấp tốc độ đường xuống lên tới 100 Mbit/s, đường lên cao nhất là 50 Mbit/s. Công nghệ LTE hỗ trợ sóng mang từ 1,4 MHz tới 20 MHz và hỗ trợ đa truy nhập phân chia theo tần sô (FDD) hoặc theo thời gian TDD. Mạng lõi của công nghệ LTE – SAE là 1 thành phần quan trọng của công nghệ LTE cũng như hệ thống thông tin di động LTE. Trong đó chứa đựng các công nghệ then chốt và các giao thức quyết định tính ưu việt của công nghệ LTE so với các công nghệ trước đó. Xuất phát từ nhu cầu thực tế của việc phát triển mạng 3G lên mạng 4G hiện nay, đề tài: “Nghiên cứu kiến trúc mạng lõi hệ thống thông tin di động LTE/SAE” là cần thiết thực đối với thạc sỹ kỹ thuật viễn thông.  Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu các vấn đề về kiến trúc mạng lõi của hệ thống thông tin di động LTE/SAE trong đó bao gồm kiến trúc hệ thống, các giao thức điều khiển, giao thức người sử dụng Dựa vào việc nghiên cứu kiến trúc mạng, phân tích các mô hình mạng đang thử nghiệm tại Việt Nam để thấy các ưu, nhược điểm và đánh giá tính khả thi của việc triển khai hệ thống thông tin di động LTE tại Việt Nam trong những năm tới.  Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Công nghệ di động LTE, mạng lõi SAE được phát triển và chuẩn hóa bởi 3GPP.  Phương pháp nghiên cứu Tổng quan các công trình nghiên cứu LTE/SAE trên thế giới. Áp dụng vào thực tiễn của mạng viễn thông Việt Nam nói chung và các mạng di động nói riêng. Đề xuất lộ trình phát triển cho các công nghệ mạng di động ở Việt Nam.  Kết quả nghiên cứu đạt được Luận văn đã đề cập đến các vấn đề về: Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động trong đó mới nhất là LTE, tổng quan về cộng nghệ LTE, kiến trúc mạng lõi LTE/SAE, các giao thức điều khiển, giao thức người dùng, các mô hình mạng lõi thử nghiệm tại Việt Nam; xu hướng phát triển LTE trên thế giới và đề xuất lộ trình phát triển công nghệ LTE tại Việt Nam. Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LTE 1.1 Bối cảnh xuất hiện LTE 1.2 Yêu cầu và mục tiêu của LTE Thảo luận về các yêu cầu quan trọng cho hệ thống LTE mới dẫn đến việc chính thức tạo ra các yêu cầu mới trong 3GPP với mục tiêu cụ thể của "tiến hóa" các công nghệ truy cập vô tuyến để đảm bảo tính cạnh tranh của 3GPP trong khoảng thời gian 10 năm. Dưới sự bảo trợ của các yêu cầu mới này, các yêu cầu cho LTE đã được định nghĩa và hoàn tất vào tháng Sáu năm 2005. Các yêu cầu của LTE: - Giảm trễ cả về thiết lập kết nối và độ trễ truyền dẫn; - Tăng tỷ lệ dữ liệu người dùng; - Tăng tốc độ bit ô cạnh, cho sự thống nhất về cung cấp dịch vụ; - Giảm chi phí trên bit dữ liệu, tức nâng cao hiệu quả phổ truyền dẫn; - Tính linh hoạt lớn hơn của việc sử dụng phổ tần, trong cả băng mới và băng đã tồn tại; - Đơn giản hóa cấu trúc mạng; - Di động đồng nhất, bao gồm giữa các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau; - Hợp lý điện năng tiêu thụ cho các thiết bị đầu cuối di động. Để giải quyết những mục tiêu này, các thiết kế hệ thống LTE bao gồm cả giao diện vô tuyến và kiến trúc mạng vô tuyến. 1.3 Các công nghệ sử dụng trong LTE Để đảm bảo hàng loạt các yêu cầu nêu trên chỉ có thể nhờ vào những tiến bộ trong công nghệ vô tuyến di động. Nhìn tổng quan, chúng ta có thể thấy ba công nghệ trong thiết kế giao diện vô tuyến LTE: công nghệ đa sóng mang, công nghệ đa ăng ten và ứng dụng của chuyển mạch gói cho giao diện vô tuyến. Chương 2 KIẾN TRÚC MẠNG LÕI LTE – SAE 2.1 Giới thiệu chung về mạng lõi LTE – SAE Kiến trúc mạng 4G LTE/SAE được thiết kế để hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói, đảm bảo di động liên tục, chất lượng dịch vụ QoS và trễ tối thiểu. Chuyển mạch gói cho phép hỗ trợ tất cả các dịch vụ bao gồm cả thoại thông qua các kết nối gói. Vì thế kiến trúc trở nên đơn giản và phẳng hơn với chỉ còn hai kiểu nút là eNodeB và MME/GW. Thay đối chính trong kiến trúc mạng là RNC bị loại bỏ khỏi đường truyền số liệu và các chức năng của nó được tích hợp vào eNodeB. Hai trong số các lợi ích khi chỉ dụng một nút trong mang truy nhập là giảm trễ và phân bổ tải xử lý của RNC vào nhiều eNodeB. Lý do có thể lọai bỏ RNC trong mang truy nhập một phần là LTE không hỗ trợ phân tập vĩ mô hay chuyển giao mềm. Hình 2.1: Kiến trúc mạng LTE/SAE Thực thể quản lý di động (MME) Thực thể quản lý di động (MME) là phần tử điều khiển chính trong EPC. Thông thường MME là một server đặt tại một vị trí an toàn ngay tại nhà khai thác. Nó chỉ hoạt động trong mặt phẳng điều khiển (CP) và không tham gia vào đường truyền số liệu của UP. Ngoài các giao diện kết cuối tại MME như thấy trong cấu trúc trên hình vẽ. MME cũng có một kết nối logic trực tiếp CP đến UE và kết nối này được sử dụng như là kênh điều khiển sơ cấp giữa UE và mạng. Dưới đây là các chức năng chính của MME trong cấu hình kiến trúc hệ thống cơ sở: - An ninh và nhận thực. - Quản lý di động. - Quản lý hồ sơ thuê bao và kết nối dịch vụ. Cổng phục vụ, S-GW Trong cấu hình kiến trúc cơ sở, chức năng mức cao của S-GW là quản lý tunnel UP và chuyển mạch. S-GW là bộ phận của hạ tầng mạng dược quản lý tập trung tại nơi khai thác. Khi giao diện S5/S6 được xây dựng trên cơ sở GTP, S-GW sẽ có các GTP tunnel trên tất cả các giao diện UP. Quá trình sắp xếp các luồng dịch vụ IP vào các GTP tunnel được thực hiện trong P-GW và S-GW không cần nối đến PCRF. Tất cả điều khiển đều liên quan đến các GTP tunnel và đến từ MME hoặc P-GW. Khi giao diện S5/S6 sử dụng PMIP, S-GW sẽ thực hiện sắp xếp các luồng dịch vụ IP trong S5/S6 vào các GTP tunnel trong các giao diện S1-U và sẽ nối đến PCRF để nhận thông tin về sắp xếp. Cổng mạng số liệu gói, P-GW Cổng mạng số liệu gói (P-GW là viết tắt của PDN-GW) là một router biên giữa EPS và các mạng số liệu bên ngoài. Nó là một mỏ neo di động mức cao nhất trong hệ thống và thường hoạt động như một điểm nhập mạng IP đối với UE. Nó thực hiện các chức năng mở cổng lưu lượng và lọc theo yêu cầu của dịch vụ. Tương tự như S-GW, các P-GW có thể được khai thác ngay tại vị trí trung tâm của nhà khai thác. Thông thường P-GW ấn định địa chỉ IP cho UE và UE sử dụng nó để thông tín với các máy IP trong các mang ngoài (internet). Cũng có thể mạng ngoài nơi mà UE nối đến sẽ ấn định địa chỉ IP cho UE sử dụng và P-GW truyền tunnel tất cả lưu lượng đến mạng này. Địa chỉ IP luôn luôn được ấn định khi UE yêu cầu một kết nối PDN. Yêu cầu này xẩy ra khi UE nhập mạng và có thể xẩy ra sau đó khi cần có một kết nối PDN mới. P-GW thực hiện chức năng của một DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol: giao thức lập cấu hình máy động) yêu cầu hoặc nó yêu cầu một DHCP server ngoài và chuyển địa chỉ này đến UE. Tiêu chuẩn cũng hỗ trợ lập cấu hình tự động động. Hoặc chỉ địa chỉ IPv4, hoặc chỉ địa chỉ IPv6 hoặc cả hai được ấn định phụ thuộc vào nhu cầu và UE có thể thông báo nó có muốn nhận địa chỉ (hoặc các địa chỉ) trong báo hiệu nhập mạng, hoặc nó có muốn thực hiện cấu hình địa chỉ sau khi lớp liên kết đã được kết nối hay không. P-GW bao gồm cả PCEF, nghĩa là nó thực hiện các chức năng lọc và mở cổng theo yêu cầu của các chính sách được thiết lập cho UE và dịch vụ tương ứng. Ngoài ra nó thu hập và báo cáo thông tin tính cước liên quan. Hình 2.4: Các kết nối của P-GW với các nút logic khác và các chức năng chính Lưu lượng UP giữa P-GW và các mạng ngoài có dạng các gói IP thuộc các luồng dịch vụ IP khác nhau. Nếu giao diện S5/S8 đến S-GW được xây dựng trên cơ sở GTP, thì P-GW thực hiện sắp xếp các luồng số liệu IP lên các GTP tunnel (tương ứng với các kênh mang). P-GW thiết lập các kênh mang dựa trên yêu cầu hoặc thông qua PCRF hoặc từ S- GW làm nhiệm vụ chuyển tiếp thông tin từ MME. Đối với trường hợp cuối cùng, P-GW cũng có thể cần phải tương tác với PCRF để nhận được thông tin điều khiển chính sách tương ứng nếu như thông tin này không được lập cấu hình trong P-GW. Nếu giao diện S5/S8 được xây dựng trên cơ sở PMIP, P-GW sắp xếp tất cả các luồng dịch vụ IP thuộc UE từ mạng ngoài vào một GRE tunnel và tất cả các thông tin điều khiển chỉ được trao đổi với PCRF. P-GW cũng có chức năng giám sát luồng số liệu cho các mục đính thanh toán cũng như chặn theo luật. Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên (PCRF) Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên là một phần tử mạng chịu trách nhiệm cho việc điều khiển chính sách và tính cước (PCC: Plolicy and Charging Control). Nó quyết định cách xử lý các dịch vụ theo QoS và cung cấp thông tin cho PCEF (chức năng thực thi chiến lược và tính cước) trong P-GW và nếu áp dụng nó cũng cung cấp thông tin cho BBERF (thiết lập ràng buộc kênh mang và báo cáo sự kiện) để có thể thiết lập các kênh mang và chính sách tương ứng. PCRF là một bộ phận của chương trình khung PCC trong tiêu chuẩn. PCRF là một server thường được đặt cùng với các phần tử của mạng lõi tại các trung tâm chuyển mạch của nhà khai thác. Server thuê bao nhà, HSS Server thuê bao nhà (HSS) là một bộ lưu giữ số liệu thuê bao cho tất cả số liệu cố định của người sử dụng. Nó cũng ghi lại vị trí của người sử dụng ở mức nút điều khiển mạng nơi mà người sử dụng đang làm khách, chẳng hạn MME. Đây là một cơ sở dữ liệu được bảo trì tại vị trí nhà khai thác mạng nhà. HSS lưu bản sao chính của hồ sơ thuê bao chứa thông tin về các dịch vụ áp dụng cho người sử dụng bao gồm cả thông tin về các kết nối PDN được phép vàcó được phép chuyển đến một mạng khác nào đó hay không. Để hỗ trợ di động giữa các mạng truy nhập không phải 3GPP, HSS cũng lưu các số nhận dạng của các P-GW hiện đang sử dụng. Khóa cố định được sử dụng để tính toán các vectơ nhận thực được lưu trong trung tâm nhận thực (AuC: Authentication Center) thường là một bộ phận của HSS. Các Vetơ nhận thực này đựơc gửi đến mạng nơi UE làm khách để nhận thực người sử dụng và rút ra các khóa khác để mật mã và bảo vệ tính toàn vẹn. Trong tất cả các báo hiệu liên quan đến chức năng này, HSS tương tác với MME. HSS phải được nối đến tất cả các MME trong toàn bộ mạng nơi mà UE được quyền di động. Đối với mỗi UE, các bản ghi của HSS sẽ chỉ ra một MME phục vụ tại một thời điểm và ngay khi một MME mới báo cáo rằng nó sẽ phục vụ UE, HSS sẽ hủy vị trí từ MME trước. 2.2 Các giao thức điều khiển Các khía cạnh chính của toàn bộ giao thức lớp điều khiển có thể gói gọn trong thủ tục lựa chọn ô lựa chọn lại ô và Reselection khi UE là ở chế độ nhàn rỗi, và giao thức RRC khi UE trong chế độ kết nối. Vai trò của các giao thức này bao gồm hỗ trợ an ninh, di động gữa các ô trong LTE hay giữa LTE và các hệ thống vô tuyến khác, cũng như việc thiết lập và tái cấu hình vật mang vô tuyến để truyền thông tin điều khiển cũng như dứ liệu người dùng. 2.3 Các giao thức người sử dụng Ngăn giao thức lớp 2 của LTE bao gồm các lớp nhỏ PDCP, RLC và MAC hoạt động như giao diện giữa công nghệ truy nhập vô tuyến – lưu lượng dữ liệu gói và lớp vật lý LTE. Bằng việc cung cấp các tính năng như nén tiêu đề gói IP, bảo mật, hỗ trợ chuyển giao, phân đoạn/ghép, truyền dẫn lại và sắp xếp các gói, lập lịch truyền dẫn, ngăn giao thức cho phép lớp vật lý được sử dụng hiệu quả cho lưu lượng dữ liệu gói. 2.4 Các kiến trúc mạng SAE thử nghiệm tại Việt Nam Tr ong mô hình thử của VNPT và Viettel, thiết bị USN đóng vai trò là MME/UPE với các chức năng chính như: an ninh và nhận thực, quản lý di động, quản lý hồ sơ thuê bao và kết nối dịch vụ… Th iết bị UGW thực hiện chức năng của cổng dịch vụ S-GW và cộng mạng dữ liệu gói P- GW như: quản ly tunnel UP, chuyển mạch, định tuyến tới các mạng số liệu ngoài. Do chỉ tập trung vào kiểm tra thử nghiệm tốc độ truyền số liệu nên mạng lõi thử nghiệm của VNPT và Viettel không thực hiện được các chức năng sau: - Không có kết nối tới các mạng di động 2G và 3G hiện có. - Không xây dựng các máy chủ tính cước và chức năng chính sách và tính cước tài nguyên. - Không có khả năng cung cấp các dịch vụ thoại. Chương 3 KIẾN NGHỊ LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ LTE TẠI VIỆT NAM 3.1 Xu hướng phát triển công nghệ LTE trên thế giới Công nghệ kết nối di động 4G/LTE đang đạt tốc độ mở rộng nhanh hơn hẳn thời kỳ đầu của 2G và 3G trước đây, do đó, người tiêu dùng cũng sẽ không phải chờ lâu để cước phí 4G giảm xuống mức chấp nhận được. Về lý thuyết, LTE đạt mức tải xuống 100Mb/giây trong khi tốc độ tối đa của 3G chỉ là 7,2Mb/giây. Công nghệ này có độ trễ thấp (10 - 20 ms) và có khả năng sử dụng nhiều băng tần khác nhau. Bên cạnh đó, LTE được phát triển dựa trên kiến trúc mạng của 3G nên chi phí đầu tư không quá đắt đỏ. Theo thống kê của Hiệp hội GSM, thế giới hiện có 20 mạng triển khai LTE, đến cuối năm 2012 con số này sẽ tăng lên 81 mạng LTE và dự kiến trong vòng 18 tháng tới, LTE sẽ phổ biến toàn cầu. 3.2 Nhu cầu phát triển công nghệ LTE tại Việt Nam Sau khi các mạng di động ở Việt Nam đã tham gia cung cấp các dịch vụ di động sử dụng công nghệ tiên tiến như WCDMS/UMTS, WCDMA/HSPA, WCDMA/HSPA+ như truy cập Mobile Internet, MobileTV, Mobile Game… Người dùng di động có nhiều cơ hội tiếp cận với nhiều lựa chọn phong phú về dịch vụ với chất lượng tốt hơn. Và yêu cầu về băng thông sẽ còn tiếp tục tăng nhanh trong thời gian tới do khả năng xử lý của đầu cuối người dùng không ngừng tăng nền và người dùng luôn yêu cầu các dịch vụ với trải nghiệm cao hơn. Các dịch vụ trước đây chỉ có thể thực hiện trên máy tính, nay có thể thực hiện trên đầu cuối di động. Các dịch vụ dưới đây sẽ là động lực để phát triển công nghệ LTE tại Việt Nam. - Dịch vụ Mobile TV: Với xu hướng các thiết bị đầu cuối ngày càng thông minh, được trang bị các bộ xử lý mạnh và màn hình ngày càng lớn hơn, nhu cầu xem TV trên thiết bị đầu cuối di động sẽ tăng lên. - Dịch vụ video streaming. [...]... cung cấp dịch vụ di động Với đặc trưng các nhà mạng có sẵn cơ sở hạ tầng mạng 2G và 3G như hiện nay, giải pháp CS Fallback cho dịch vụ thoại là phù hợp nhất Hình 3.1: Kiến nghị kiến trúc mạng lõi SAE tại Việt Nam KẾT LUẬN Luận văn đã đề cập đến các vấn đề về: Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động trong đó mới nhất là LTE, tổng quan về cộng nghệ LTE, kiến trúc mạng lõi LTE/ SAE, các giao... tư hệ thống sẵn sàng cho 4G, nên chỉ cần đầu tư thêm các phần mềm là có thể cung cấp dịch vụ trên mạng hiện có Mô hình triển khai thử nghiệm hiện nay của VNPT và Viettel đều có thể cung cấp các dịch vụ thông tin di động của công nghệ LTE Hình 3.1 là kiến trúc mạng lõi kiến nghị cho các mạng di động tại Việt Nam trong thời gian tới Kiến trúc này hoàn toàn đảm bảo cho các nhà cung cấp dịch vụ di động. .. thao… 3.3 Kiến nghị lộ trình phát triển LTE và kiến trúc mạng lõi SAE tại Việt Nam Tại Việt Nam hiện nay, 3 nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động lớn nhất là VinaPhone, Mobiphone và Viettel đều đã có hạ tầng mạng lưới 2G và 3G nên việc tiếp tục triển khai 4G trên hạ tầng có sẵn là giải pháp mang lại hiệu quả kinh tế nhất vì mạng lõi doanh nghiệp đang đầu tư đã có tính năng hỗ trợ cho 4G, còn mạng vô... và 3G trong khi xây dựng mạng LTE Mô hình mạng lõi này đảm bảo kết nối tới các mạng lõi hệ thống thông tin di động hiện có qua các giao di n S3, S4 Với máy chủ chức năng tính chính sách và tính cước tài nguyên PCRF, các nhà cung cấp dịch vụ có thể xây dựng các gói cước linh hoạt cũng như các chính sách đối với các nhóm khách hàng khác nhau Dịch vụ thoại đã và sẽ tiếp tục là mạng dịch vụ đem lại nhiều... thức người dùng, các mô hình mạng lõi thử nghiệm tại Việt Nam; xu hướng phát triển LTE trên thế giới và đề xuất lộ trình phát triển công nghệ LTE tại Việt Nam Việc thực hiện luận văn này đã giúp tôi củng cố kiến thức chuyên môn, có cái nhìn tổng quan hơn về mạng viễn thông Việt Nam, nâng cao khả năng trong quá trình làm việc Tuy nhiên, do trình độ còn hạn chế, thời gian nghiên cứu luận văn chưa nhiều nên... góp ý của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, các thầy cô giáo tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông và các đồng nghiệp đã giúp đỡ tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này . VIỄN THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG NGUYỄN VĂN TOÀN NGHIÊN CỨU KIẾN TRÚC MẠNG LÕI HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE/ SAE. triển khai hệ thống thông tin di động LTE tại Việt Nam trong những năm tới.  Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Công nghệ di động LTE, mạng lõi SAE được