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