Nghiên cứu các giao thức và thủ tục truy nhập vô tuyến trong hệ thống thông tin di động thế hệ 4 lte,luận văn thạc sỹ kỹ thuật điện tử

Luận văn thạc sĩ TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC Họ tên học viên: Trƣơng Thanh Xuân Năm sinh: 1985 Cơ quan cơng tác: Phịng VHTT - UBND thị xã Thuận An, tỉnh Bình Dƣơng Khố: 18 Chun ngành: Điện tử Viễn thông Mã số: Cán hƣớng dẫn: TS Trần Hồi Trung Bộ mơn: Điện tử Viễn thơng Tên đề tài luận văn: Nghiên cứu giao thức thủ tục truy nhập vô tuyến hệ thống thông tin di động hệ LTE Mục đích nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu tìm hiểu rõ giao thức thủ tục truy nhập vô tuyến hệ thống thông tin di động hệ LTE Phƣơng pháp nghiên cứu kết đạt đƣợc: Dựa kết đƣợc cơng bố tạp chí chun ngành quốc tế, tài liệu chuyên ngành, khuyến cáo, khuyến nghị nhà sản xuất thiết bị… Nghiên cứu giao thức thủ tục công nghệ LTE nhằm đánh giá tính ƣu việt hệ di động 4G tƣơng lai Điểm bình qn mơn học: Điểm bảo vệ luận văn: Ngày tháng năm 2012 Học viên Xác nhận cán hƣớng dẫn: Xác nhận Bộ mơn: HDKH: TS.Trần Hồi Trung -1- HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ PHẦN MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài Trƣớc phát triển vô mạnh mẽ dịch vụ số liệu, trƣớc xu hƣớng tích hợp IP hố đặt yêu cầu công nghiệp viễn thông di động Mạng thông tin di động hệ tƣ đời khắc phục đƣợc nhƣợc điểm mạng thông tin di động hệ trƣớc Mạng 4G đời cách mạng tốc độ truyền liệu, khả tƣơng tác, giao tiếp mạng khác Nó kết hợp mạng khác dựa IP Mục đích mạng cho phép ngƣời dùng truy nhập khai thác dịch vụ mạng với tốc độ cao, chất lƣợng tốt, an toàn bảo mật Mạng 4G đáp ứng đƣợc yêu cầu tích hợp mạng khác nhƣ mạng di động hệ 2G, 3G, WLAN, WiMAX mạng khơng dây khác Mạng 4G có khả kết hợp với mạng khác dựa giao thức IP, với tốc độ cao Đây yêu tố quan trọng giúp cho mạng công nghệ đạt đƣợc thành công Với kết hợp ngƣời dùng có khả kết nối tới nhiều mạng, sử dụng nhiều dịch vụ khác Chúng ta thấy hệ thống phát triển nhƣ hệ thống đóng Trong mạng hệ thứ 2, dịch vụ cung cấp dịch vụ đơn giản nhƣ tin nhắn SMS, MMS, Các mạng di động hệ thứ ba bắt đầu cung cấp số ứng, dụng, dịch vụ nhƣng ít, chất lƣợng chƣa cao Điều khắc phục đƣợc mạng 4G Cấu trúc mở mạng 4G cho phép lắp đặt thành phần HDKH: TS.Trần Hoài Trung -2- HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ giao diện cấu trúc khác lớp Đây điều quan trọng, đặc biệt cho dịch vụ tối ƣu mạng di động với liên kết không dây tính di động Do vậy, việc nghiên cứu nắm rõ giao thức hoạt động nhƣ thủ tục mạng 4G theo công nghệ LTE phần quan trọng công tác khai thác kết hợp nâng cấp hệ di động lên 4G II Mục tiêu nghiên cứu đề tài Nghiên cứu tìm hiểu rõ giao thức thủ tục truy nhập vô tuyến hệ thống thông tin di động hệ LTE III Đối tƣợng nghiên cứu Mạng di động hệ thứ tƣ 4G LTE theo tiêu chuẩn 3GPP IV Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu dựa cở sở lý thuyết đƣa ƣu điểm bật công nghệ LTE so với mạng UMTS đánh giá khả phát triển công nghệ 4G LTE Việt Nam V Phƣơng pháp nghiên cứu Dựa kết đƣợc cơng bố tạp chí chun ngành quốc tế, tài liệu chuyên ngành, khuyến cáo, khuyến nghị nhà sản xuất thiết bị… Nghiên cứu giao thức thủ tục công nghệ LTE nhằm đánh giá tính ƣu việt hệ di động 4G tƣơng lai HDKH: TS.Trần Hoài Trung -3- HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ VI Kết cấu luận văn: Chƣơng Kiến trúc hệ thống gói phát triển tiên tiến (EPS) Chƣơng Giao thức thủ tục mạng truy nhập vô tuyến e-UTRAN Chƣơng Giao thức hội tụ liệu gói PDCP Chƣơng Các giao thức giao diện X2 S1 Chƣơng So sánh ƣu điểm bật công nghệ LTE so với mạng UMTS khả phát triển công nghệ 4G LTE Việt Nam HDKH: TS.Trần Hoài Trung -4- HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 12 CHƢƠNG 1: KIẾN TRÚC CỦA HỆ THỐNG GÓI PHÁT TRIỂN TIÊN TIẾN (EPS) 14 1.1 Các thành phần hệ thống gói phát triển EPS 15 1.1.1 Giới thiệu chung LTE 15 1.1.2 Thành phần hệ thống EPS 16 1.1.2.1 Thiết bị người sử dụng (UE) 18 1.1.2.2 Trạm gốc (E-NodeB) 18 1.1.2.3 Thành phần quản lý di động MME 21 1.1.2.4 Cổng dịch vụ (Serving -GW) 23 1.1.2.5 Cổng liệu gói (P-GW) 24 1.2 Các giao diện EPS 25 1.2.1 Giao diện lớp mạng truy nhập E-UTRAN 27 1.2.1.1 Giao diện X2 28 1.2.1.2 Giao diện S1 29 1.2.2 Các giao diện lớp mạng lõi EPC 29 1.2.2.1 Giao diện S11 30 1.2.2.2 Giao diện S6 31 1.2.2.3 Giao diện S3 31 1.2.2.4 Giao diện S10 31 CHƢƠNG 2: GIAO THỨC VÀ THỦ TỤC TRONG MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN E-UTRAN 32 2.1 Báo hiệu EPS 32 2.1.1 Mặt phẳng điều khiển (Control Plane) 32 2.1.2 Mặt phẳng ngƣời sử dụng (User plane) 33 2.2 Giao thức E-UTRAN 33 2.2.1 Các lớp giao thức giao diện Uu 33 2.2.1.1 Điều khiển truy nhập môi trường MAC 35 2.2.1.2 Điều khiển kết nối vô tuyến RLC 36 2.2.1.3 Lớp điều khiển tài nguyên vô tuyến RRC 39 2.2.2 Các lớp giao thức giao diện X2 42 2.2.3 Các lớp giao thức giao diện S1 44 HDKH: TS.Trần Hoài Trung -5- HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ 2.3 Các thủ tục E-UTRAN 47 2.3.1 Thủ tục dị tìm tế bào (cell search) 47 2.3.2 Thủ tục truy cập ngẫu nhiên 48 2.3.3 Thủ tục ghép mạng 50 2.3.4 Thủ tục tách mạng 56 2.3.5 Thủ tục yêu cầu dịch vụ UE 58 2.3.6 Thiết lập kênh mang dành riêng 60 2.4 Các loại kênh truyền E-UTRAN 62 2.4.1 Kênh luận lý (logic): 62 2.4.2 Kênh truyền dẫn: 67 2.4.3 Kênh vật lý: 69 2.4.4 Liên kết kênh 71 CHƢƠNG 3: GIAO THỨC HỘI TỤ DỮ LIỆU GÓI PDCP 73 3.1 Giao thức hội tụ liệu gói PDCP 73 3.2 Các chức giao thức PDCP 74 3.2.1 Nén phần mào đầu 75 3.2.2 Bảo mật 78 3.2.3 Chuyển giao 79 3.2.3.1 Chuyển giao không ngắt quảng (Seamless Handover) 79 3.2.3.2 Chuyển giao không hao hụt (lossless handover) 80 3.3 Cấu trúc khung liệu PDU 84 3.3.1 PDU liệu 85 3.3.1.1 PDU liệu truyền SRB mặt phẳng điều khiển 85 3.3.1.2 PDU liệu mặt phẳng người sử dụng với chuỗi số 12bit 85 3.3.1.3 PDU liệu mặt phẳng người sử dụng với chuỗi số 7bit 86 3.3.2 PDU điều khiển 87 CHƢƠNG 4: CÁC GIAO THỨC CỦA GIAO DIỆN X2 VÀ S1 89 4.1 Chức thủ tục giao diện X2 89 4.1.1 Giới thiệu giao diện X2 89 4.1.1.1 Giao diện mặt phẳng người sử dụng X2-U 90 4.1.1.2 Giao diện mặt phẳng điều khiển X2-C 90 4.1.2 Các chức giao thức ứng dụng X2 91 4.1.3 Các thủ tục 92 HDKH: TS.Trần Hoài Trung -6- HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ 4.1.3.1 Thủ tục chuẩn bị chuyển giao 94 4.1.3.2 Truyền trạng thái chuỗi số SN 96 4.1.3.3 Giải phóng UE context 97 4.1.3.4 Hủy bỏ chuyển giao 98 4.1.3.5 Chỉ định tải X2 99 4.1.3.6 Thiết lập giao diện X2 100 4.1.3.7 Cấu hình eNB chuyển giao X2 101 4.2 Chức thủ tục giao diện S1 103 4.2.1 Chức thủ tục ứng dụng S1 104 4.2.2 Danh sách thủ tục S1AP 106 4.2.2.1 Thiết lập S1 108 4.2.2.2 Cập nhật cấu hình eNB MME 110 4.2.2.3 Truyền NAS 110 4.2.2.4 Trả lời việc thiết lập context ban đầu 112 4.2.2.5 Điều chỉnh ngữ cảnh UE: 113 4.2.2.6 Chuyển giao S1 113 4.3 Chức thủ tục giao thức đƣờng hầm (GTP) 120 4.3.1 Đƣờng hầm GTP 121 4.3.2 Tiêu đề tin GTPv1-U 121 4.3.3 Sự mở rộng tiêu đề 122 CHƢƠNG 5: SO SÁNH NHỮNG ƢU ĐIỂM NỔI BẬT CỦA CÔNG NGHỆ LTE SO VỚI MẠNG UMTS HIỆN TẠI VÀ KHẢ NĂNG PHÁT TRIÊN CÔNG NGHỆ LTE TẠI VIỆT NAM 123 5.1 So sánh điểm bật công nghệ LTE so với mạng UMTS 123 5.2 Khả phát triển công nghệ 4G LTE Việt Nam 129 KẾT LUẬN 132 LỜI CẢM ƠN 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO 134 HDKH: TS.Trần Hoài Trung -7- HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT 3GPP: The Third Generation Partnership Project: Tổ chức chuẩn hóa mạng di động hệ thứ AM: Acknowledged Mode: chế độ báo nhận AMR: Adaptive Multi-Rate: Thích ứng đa tốc độ AS: Access Stratum: Tầng truy nhập BCCH: Broadcast Control Channel : Kênh điều khiển quảng bá BCH: Broadcast Channel : Kênh quảng bá CCCH: Common Control Channel: Kênh điều khiển chung CGI: Cell Global Identification: Bộ nhận dạng cell toàn cầu CP: Control Plane: Mặt phẳng điều khiển C-RNTI: Cell Radio Network Temporary Identifier: Bộ nhận dạng tạm thời vô tuyến DCCH: Dedicated Control Channel: Kênh điều khiển dành riêng DCCH: Dedicated Control Channel: Kênh điều khiển dành riêng DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol: Giao thức cấu hình động DL-SCH: Downlink Shared Channel : Kênh chia sẻ đƣờng xuống DRX: Discontinuous Reception Mode: Chế độ nhận sóng khơng liên tục DTCH: Dedicated Traffic Channel : Kênh lƣu lƣợng dành riêng DTCH: Dedicated Traffic Channel: Kênh lƣu lƣợng dành riêng ECM: EPS Connection Management: quản lý kết nối EPS EPC: Evolved Packet Core: Mạng lõi phát triển EPS: Evolved Packet System: Hệ thống gói phát triển e-UTRAN: Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network: Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu phát triển FTP: File Transfer Protocol: Giao thức truyền tập tin GGSN: Gateway GPRS Support Node: Nút hỗ trợ cổng GPRS HDKH: TS.Trần Hoài Trung -8- HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ GUMMEI: Globally Unique Mobility Management Entity Identifier: Bộ nhận dạng MME toàn cầu GUTI: Globally Unique Temporary Identity: Bộ nhận dạng tạm thời toàn cầu HARQ: Hybrid Automatic Repeat Request : Yêu cầu phát lại tự động linh hoạt HLR: Home Location Register: Bộ đăng ký định vị thƣờng trú HSS: Home Subscriber Server: Máy chủ thuê bao nhà IMSI: International Mobile Subscriber Identity: Bộ nhận dạng thuê bao di động quốc tế MAC: Medium Access Control : Điều khiển truy cập môi trƣờng MCC: Mobile Country Code: Mã di động quốc gia MCCH: Multicast Control Channel : Kênh điều khiển multicast MIMO: Multiple Input Multiple Output : đa nhập đa xuất MME: Mobility Manager Entity: Thành phần quản lý di động MNC: Mobile Network Code : Mã mạng di động MTCH: Multicast Traffic Channel: Kênh lƣu lƣợng Multicast NAS: Non-Access Stratum: Tầng không truy nhập OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access: Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao PBCH: Physical Broadcast Channel: Kênh quảng bá vật lý PCCH: Paging Control Channel: Kênh điều khiển tìm gọi PCH: Paging Channel: Kênh tìm gọi PDCCH: Physical Downlink Control Channel: Kênh điều khiển đƣờng xuống vật lý PDCP: Packet Data Protocol : Giao thức hội tụ số liệu gói PDN-GW: Packet Data Network GateWay: Cổng mạng liệu gói HDKH: TS.Trần Hồi Trung -9- HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ PDSCH: Physical Downlink Shared Channel: Kênh chia sẻ đƣờng xuống vật lý PDU: Packet Data Unit: Đơn vị liệu gói PDUs: Protocol Data Units: Đơn vị liệu giao thức PMM: Packet Mobility Management: Quản lý tính di động gói PRACH: Physical Random Access Channel: Kênh truy nhập tùy ý PUCCH: Physical Uplink Control Channel: Kênh điều khiển đƣờng lên vật lý PUSCH: Physical Uplink Shared Channel: Kênh chia sẻ đƣờng lên vật lý QoS: Quality of Service: Chất lƣợng dịch vụ RAB: Radio Access Bearer: Kênh mang truy nhập vô tuyến RACH: Random Access Channel: Kênh thâm nhập ngẫu nhiên RLC: Radio Link Control : Điều khiển liên kết vô tuyến RNL: Radio Network Layer: Lớp mạng vô tuyến ROHC: Robust Header Compression: Nén tiêu đề RRC: Radio Resource Control : Lớp điều khiển tài nguyên vô tuyến RRC: Radio Resource Control: Bộ điều khiển tài nguyên vô tuyến RTP: Real-time Transfer Protocol: Giao thức truyền thời gian thực SAE: System Architecture Evolution : Kiến trúc mạng phát triển SAP: Service Access Point: Điểm truy nhập dịch vụ SCTP: Stream Control Transmission Protocol: Giao thức truyền chuỗi điều khiển SDU: Services Data Unit: đơn vị số liệu dịch vụ SEG: Security Gateway: Cổng an ninh SGSN: Serving GPRS Support Node: Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS S-GW : Serving Gateway : Cổng dịch vụ SIB: System Information Block: Khối hệ thống thông tin SIP: Session Initiation Protocol: Giao thức khởi đầu phiên HDKH: TS.Trần Hoài Trung - 10 - HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ 4.3 Chức thủ tục giao thức đƣờng hầm (GTP) Việc thực phân chia thông tin phát hành gói đƣợc gọi tải tin Sau gói đƣợc gán tiêu đề chứa thơng tin địa cần thiết cho chuyển mạch Trong thông tin di động, vị trí đầu cuối di động thay đổi nên cần phải có thêm tiêu đề bổ sung để định tuyến theo vị trí thời máy di động Quá trình định tuyến đƣợc gọi truyền đƣờng hầm (Tunnel) Tunnel đƣờng truyền mà đầu vào gói IP đƣợc đóng bao vào tiêu đề mang địa nơi nhận (địa thời thuê bao di động) đầu gói IP đƣợc tháo bao cách loại bỏ tiêu đề bọc ngồi Hình 4.21 Đóng bao tháo bao cho gói IP q trình truyền Tunnel Giao thức GTP-U (ngƣời dùng) để truyền xuyên hầm liệu ngƣời dùng từ đến Serving-GW, giao thức GTP-S (báo hiệu) cho việc thiết lập ban đầu đƣờng hầm liệu ngƣời dùng sửa đổi đƣờng hầm sau ngƣời dùng di chuyển qua lại cell đƣợc quản lý Serving-GW khác HDKH: TS.Trần Hoài Trung - 120 - HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ 4.3.1 Đƣờng hầm GTP Giao thức GTP-U đƣợc sử dụng để thực đóng gói gói liệu ngƣời dùng tin báo hiệu cặp đầu cuối đƣờng hầm GTPU Số nhận dạng đầu cuối đƣờng hầm (TEID) đƣợc trình bày tiêu đề GTP đƣờng hầm thuộc T-PDU Theo cách gói liệu đƣợc ghép tách cặp đầu cuối đƣờng hầm đƣợc thực GTP-U Giá trị số nhận dạng đầu cuối đƣờng hầm TEID đƣợc sử dụng để báo hiệu đến thực thể GTP-U ngang hàng sử dụng giao thức mặt phẳng điều khiển Giá trị số nhận dạng TEID đƣợc thay đổi điểm đầu cuối đƣờng hầm sử dụng tin S1AP giao diện S1 MME tin giao thức điều khiển đƣờng hầm GTPv2-C giao diện S11 4.3.2 Tiêu đề tin GTPv1-U Các tham số tiêu đề gồm: -Phiên – đƣợc sử dụng để xác định phiên giao thức đƣờng hầm GTP-U -Loại giao thức PT – bit đƣợc sử dụng nhƣ giao thức phân biệt GTP (khi PT đƣợc thiết lập mức 1) GTP (khi PT đƣợc thiết lập mức 0) -Cờ mở rộng (E): cờ giá trị trƣờng loại tiêu đề mở rộng Khi cờ đƣợc thiết lập mức 1, trƣờng tiêu đề mở rộng đƣợc thực -Sự liên tục (S) – cờ giá trị trƣờng số thứ tự Đối với tin yêu cầu, trả lời, định lỗi cung cấp thông báo tiêu đề mở rộng, cờ đƣợc thiết lập mức HDKH: TS.Trần Hoài Trung - 121 - HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ -Số PDU (PN) – cờ định giá trị trƣờng chuỗi số PDU -Loại tin – loại tin GTP-U -Chiều dài – trƣờng chiều dài khung liệu phụ tải -Số nhận dạng đƣờng hầm đầu cuối – cách rõ ràng thực thể thủ tục GTP-U Việc tiếp nhận bên đƣờng hầm GTP đƣợc gán giá trị TEID cục phía truyền để sử dụng Số nhận dạng TEID đƣợc sử dụng đơn vị nhận để tìm kênh mang, ngoại trừ trƣờng hợp sau: +Ở tin yêu cầu/trả lời hỗ trợ thông báo tiêu đề mở rộng, số nhận dạng TEID đƣợc thiết lập mức + Ở tin thông báo lỗi, TEID đƣợc thiết lập mức 4.3.3 Sự mở rộng tiêu đề Hình 4.22.Tiêu đề mở rộng GTP Tiêu đề mở rộng bao gồm nội dung chiều dài Một nội dung tiêu đề mở rộng đƣợc thêm vào phần dung tiêu đề mở rộng Điều tiêu đề mở rộng bổ sung đƣợc thêm vào, khơng đƣợc thiết lập mức Hiện có tiêu đề mở rộng đƣợc định nghĩa, UDP PDCP PDU Cổng UDP thƣờng đƣợc dùng để truyền tin báo lỗi để cung cấp cổng nguồn G-PDU đƣợc kích hoạt báo lỗi PDCP PDU đƣợc sử dụng để truyền eNB gói PDCP PDU đƣợc chuyển tiếp eNB nguồn đích đến HDKH: TS.Trần Hồi Trung - 122 - HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ CHƢƠNG 5: SO SÁNH NHỮNG ƢU ĐIỂM NỔI BẬT CỦA CÔNG NGHỆ LTE SO VỚI MẠNG UMTS HIỆN TẠI VÀ KHẢ NĂNG PHÁT TRIÊN CÔNG NGHỆ LTE TẠI VIỆT NAM 5.1 So sánh điểm bật công nghệ LTE so với mạng UMTS LTE viết tắt Long Term Evolution (Sự tiến hóa tƣơng lai xa) miêu tả cơng việc chuẩn hóa 3GPP để xác định phƣơng pháp truy nhập vô tuyến tốc độ cao cho hệ thống truyền thông di động LTE bƣớc dẫn đến hệ thống thông tin di động 4G Xây dựng tảng kỹ thuật họ hệ thống mạng tế bào 3GPP (bao gồm GSM, GPRS EDGE, WCDMA HSPA), LTE cung cấp đƣờng tiến hóa đến tốc độ cao độ trễ thấp Cùng với hiệu sử dụng phổ tần hữu hạn nhà khai thác, LTE cho môi trƣờng dịch vụ di động hấp dẫn phong phú Tất có chung mục đích mặt cải thiện hiệu sử dụng phổ tần với hệ thống có độ rộng băng lớn cung cấp tốc độ cao thông qua việc sử dụng sơ đồ điều chế bậc cao công nghệ đa ăn ten, từ phân tập thu phát đến phân tập không gian MIMO Sau ƣu điểm bật LTE so với mạng UMTS tại:  Tăng cƣờng giao diện không gian cho phép tăng tốc độ số liệu: LTE đƣợc xây dựng mạng truy nhập vơ tuyến hồn tồn dựa cơng nghệ OFDM Đƣợc rõ 3GPP Release 8, giao diện không gian LTE kết hợp đa truy nhập điều chế dựa OFDMA cho đƣờng xuống, với SC-FDMA cho đƣờng lên OFDM chia phổ tần khả dụng thành hàng nghìn sóng mang cực hẹp, số chúng mang phần tín hiệu Ở LTE, HDKH: TS.Trần Hồi Trung - 123 - HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ hiệu sử dụng phổ tần OFDM đƣợc tăng cƣờng lên nhờ sơ đồ điều chế bậc cao nhƣ 64QAM, FEC tinh vi nhƣ bit đi, mã hóa xoắn, mã hóa turbo, với kỹ thuật vô tuyến bổ sung nhƣ MIMO định dạng chùm lên đến anten trạm Kết thơng lƣợng trung bình gấp lần HSPA, tốc độ số liệu đƣờng xuống cực đại mặt lý thuyết 300 Mbit/s cho phổ tần 20 MHz, tốc độ đƣờng lên theo lý thuyết LTE đạt 75 Mbit/s cho phổ tần 20 MHz Ngồi ra, với kỹ thuật OFDMA cịn chống nhiễu đa đƣờng, giảm tƣợng fading, hiệu suất trải phổ cao, dễ dàng kết hợp với kỹ thuật MIMO để đạt thông lƣợng cao Đối với kỹ thuật SC-FDMA đƣờng xuống có số ƣu điểm nhƣ: giảm lƣợng cho thiết bị đầu cuối, kỹ thuật điều chế gần giống với OFDM, hiệu quang phổ cao so với kỹ thậut sóng mang truyền thống Hình 5.1: Kỹ thuật điều chế UMTS LTE HDKH: TS.Trần Hoài Trung - 124 - HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ Hình 5.2: So sánh tốc độ phiên công nghệ khác  Giao diện vô tuyến: + LTE không sử dụng giao diện Abis / Iub, MAC RLC kết nối gần gũi hơn, độ trễ ARQ + Cấu trúc mạng đơn giản mang lại lợi ích cho giao thức xử lý Hình 5.3: Sự khác UMTS LTE mặt phẳng ngƣời sử dụng đƣờng xuống HDKH: TS.Trần Hoài Trung - 125 - HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ  Hiệu sử dụng phổ tần cao: Hiệu sử dụng phổ tần cao LTE cho phép nhà khai thác cung cấp ngày tăng số lƣợng khách hàng vùng phổ tần tồn tƣơng lai với chi phí phân phối bit đƣợc giảm xuống  Kế hoạch tần số linh hoạt: LTE đƣợc cung cấp tối ƣu có kích thƣớc lên đến km, khả dụng có bán kính lên đến 30 km, thực thi bị giới hạn có bán kính lên đến 100 km Khơng giống UMTS, mạng vô tuyến LTE thực chuyển giao cứng, tức vào thời điểm có cell liên lạc với UE  Trễ đƣợc giảm: Bằng cách giảm thời gian round-trip xuống cịn 10 ms chí (so với 40-50 ms cho HSPA), LTE cung cấp trải nghiệm ngƣời sử dụng đáp ứng nhanh Điều cho phép dịch vụ tƣơng tác, thời gian thực nhƣ trò chơi điện tử nhiều ngƣời, hội thảo video/audio chất lƣợng cao  Mơi trƣờng tồn IP: Đây khác biệt lớn với UMTS Trong UMTS, đƣờng giao tiếp NodeB, RNC SGSN thiết dựa giao thức ATM dành cho tầng thấp Giữa RNC NodeB, IP không đƣợc dùng cho việc gửi chuyển tiếp gói Tuy cho phép đồng hóa dễ nút, song việc cần phải sử dụng ATM để vận chuyển liệu tầng thấp khiến kết cấu không linh hoạt phức tạp Trong năm gần đây, tình hình tệ nhu cầu thông lƣợng tăng cao khơng cịn phù hợp với đƣờng truyền ATM kênh E1 Mbit/s Vì vậy, chuẩn UMTS sau đƣợc cải tiến để dùng IP làm giao thức vận chuyển mạng lõi trạm sở Nhƣng LTE lúc bắt đầu hoàn toàn dựa vận chuyển HDKH: TS.Trần Hoài Trung - 126 - HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ IP mạng vô tuyến Một tính đáng kể LTE chuyển dịch đến mạng lõi hoàn toàn dựa IP với giao diện mở kiến trúc đơn giản hóa Sâu xa hơn, phần lớn cơng việc chuẩn hóa 3GPP nhắm đến chuyển đổi kiến trúc mạng lõi tồn sang hệ thống toàn IP Trong 3GPP, khởi đầu đƣợc xem nhƣ Tiến hóa kiến trúc hệ thống (SAE) đƣợc gọi Lõi gói cải tiến (EPC) Chúng cho phép cung cấp dịch vụ linh hoạt liên hoạt động đơn giản với mạng di động phi 3GPP mạng cố định EPC dựa giao thức TCP/IP – giống nhƣ phần lớn mạng số liệu cố định ngày nay- cung cấp dịch vụ giống PC nhƣ thoại, video, tin nhắn dịch vụ đa phƣơng tiện Sự chuyển dịch lên kiến trúc tồn gói cho phép cải thiện phối hợp với mạng truyền thông không dây cố định khác Hình 5.4 Kiến trúc mạng tiên tiến LTE so với UMTS HDKH: TS.Trần Hoài Trung - 127 - HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ Hình5.5.Sự dịch chuyển chức node mạng từ UMTS sang LTE  Cùng tồn với chuẩn hệ thống trƣớc: Ngƣời sử dụng LTE thực gọi từ thiết bị đầu cuối phải truy nhập đến dịch vụ số liệu sở, chí họ nằm vùng khơng phủ sóng LTE Do đó, cho phép chuyển giao dịch vụ xuyên suốt, liền, trôi chảy khu vực phủ sóng HSPA, WCDMA hay GSM/GPRS/EDGE Hơn nữa, LTE/SAE hỗ trợ không chuyển giao hệ thống, liên hệ thống mà chuyển giao liên miền miền chuyển mạch gói miền chuyển mạch kênh HDKH: TS.Trần Hoài Trung - 128 - HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ  Khả giảm chi phí: Đƣa tính nhƣ RAN đa nhà cung cấp mạng tự tối ƣu SON giúp giảm OPEX cung cấp tiềm giảm chi phí bit thấp 5.2 Khả phát triển công nghệ 4G LTE Việt Nam Theo khảo sát gần có 80% nhà cung cấp dịch vụ di động (telco) giới sử dụng công nghệ GSM (gồm GSM, GPRS/EDGE, HSPA) Theo giới chuyên gia phân tích đánh giá, lợi hạ tầng sẵn có số lƣợng ngƣời sử dụng đơng đảo lý để phát triển thị trƣờng di động băng thông rộng với công nghệ HSPA LTE Đặc tả kỹ thuật cơng nghệ LTE có khả tƣơng thích gần nhƣ hồn hảo với cơng nghệ tảng GSM Không GSM, telco sử dụng công nghệ CDMA không bỏ qua hội chuyển tiếp lên 4G với công nghệ LTE đầy hấp lực Thực tế cho thấy, hầu hết hãng sản xuất thiết bị viễn thông hàng đầu giới: Alcatel-Lucent, Ericsson, Motorola, Nokia, Nokia Siemens Networks, Huawei, LG Electronics, Samsung, NEC, Fujitsu nhận tiềm to lớn bắt tay với telco lớn giới (Verizon Wireless, AT&T, France Telecom-Orange, NTT DoCoMo, T-Mobile, China Mobile, ZTE ) thực thử nghiệm quan trọng công nghệ LTE đạt thành cơng đáng kể Trong đó, Nokia Siemens Networks cơng bố thử nghiệm thành công LTE với tốc độ lên đến 173Mbps môi trƣờng đô thị với nhiều thuê bao lúc tần số 2,6GHz, băng thông 20MHz Alcatel-Lucent thông báo thử nghiệm thành công LTE với tốc độ tải đạt 80Mbps ZTE (Trung Quốc) cho biết trình diễn thành cơng LTE với mức tốc độ tải HDKH: TS.Trần Hoài Trung - 129 - HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ 130Mbps Tiếp đó, Motorola tuyên bố, họ cộng tác với nhà khai thác di động Anh hoàn nghiệm kết nối trời công nghệ LTE, tần số 700MHz 2,6GHz Mới đây, Motorola tiếp tục cơng bố họ hồn tất thử nghiệm giai đoạn công nghệ TD-LTE (TD Mode – LTE) với Bộ Công nghiệp CNTT (MIIT) Trung Quốc, tốc độ tải xuống thực tế đạt đƣợc 80Mbps Các thử nghiệm trình diễn chứng tỏ khả tuyệt vời công nghệ LTE khả thƣơng mại hóa LTE đến gần Kế hoạch thử nghiệm triển khai công nghệ LTE đƣợc công ty hợp tác thúc đẩy đến thức có dịch vụ LTE thƣơng mại Tại Việt Nam, khoảng tháng sau đƣợc cấp giấy phép thử nghiệm 4G LTE, số doanh nghiệp Việt Nam điển hình VNPT bắt tay vào thử nghiệm công nghệ di động Tốc độ 4G LTE theo lý thuyết đạt 100 Mbps (downlink) 50 Mbps (uplink) với ƣu điểm vƣợt trội phạm vi phủ sóng tốc độ di chuyển thiết bị đầu cuối Ngay ngƣời dùng di chuyển với tốc độ 120 km/h, 350 km/h chí 500km/h, mạng 4G LTE cho phép kết nối vào mạng cách hiệu Đầu tháng 10/2010 vừa rồi, hãng Ericsson trình diễn cơng nghệ 4G LTE Việt Nam cho kết đáng khả quan Tốc độ đợt thử nghiệm đạt 81 Mbps (downlink) 20 Mbps (uplink), thấp so với tốc độ lý thuyết trạm gốc LTE đặt Việt Nam phải kết nối với hệ thống mạng lõi Thụy Điển Tây Ban Nha cách xa 8.000km HDKH: TS.Trần Hoài Trung - 130 - HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ Trong đó , tốc độ trung bình mạng ADSL nƣớc đạt 1,5 – Mbps, thấp chục lần so với tốc độ 4G LTE Theo chuyên gia Ericsson, để đạt đƣợc điều quan trọng hệ thống mạng lõi nhà cung cấp dịch vụ phải đủ mạnh, sau đến thiết bị đầu cuối ngƣời dùng đƣợc tối ƣu cho chuẩn kết nối Mă ̣t khác , mạng 3G Việt Nam phát triển với tốc độ nhanh Hiện Viettel phát sóng gần 16.000 trạm 3G tồn quốc, Mobifone Vinaphone triển khai với số lƣợng tƣơng tự Số lƣợng thuê bao 3G nƣớc đã tăng gấp nhiều lần so với số thuê bao có Với đà tăng trƣởng này , tố c đô ̣ phát triể n thuê bao 3G rấ t lớn Do đó, nhà khai thác cần phải sẵn sàng chuẩn bị cho tăng trƣởng lƣu lƣơ ̣ng Internet Thêm vào , mâ ̣t ̣ Internet ở VN hiê ̣n mới chỉ đạt 3% thuê bao và số ngƣời sƣ̉ du ̣ng Internet đạt 27% Do đó , tiề m để phát triển dịch vụ thị trƣờng VN lớn dân số VN có 80 triê ̣u ngƣời Đây là lý ta ̣i Bô ̣ TTTT đã cấ p tới giấ y phép thƣ̉ nghiê ̣m 4G (LTE) cho doanh nghiệp nƣớc (bao gồm VNPT, Viettel, FPT Telecom, CMC VTC) Vì vậy, tƣơng lai khơng xa hệ di động thứ đƣợc thƣơng mại hóa sử dụng rộng rãi Việt Nam HDKH: TS.Trần Hoài Trung - 131 - HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ KẾT LUẬN Công nghệ LTE công nghệ mới, đƣợc tiếp tục nghiên cứu triển khai toàn giới, với khả truyền tải tốc độ cao kiến trúc mạng đơn giản, sử dụng băng tần hiệu quả, hồn tồn tƣơng thích với hệ thống trƣớc (GSM & WCDMA) dựa mạng tồn IP LTE trở thành hệ thống thơng tin di động tồn cầu tƣơng lai Vì việc tìm hiểu cơng nghệ LTE cần thiết có ý nghĩa thực tế Trọng tâm luận văn gồm vấn đề sau: -Tìm hiểu giao thức thủ tục mạng truy nhập vơ tuyến E-UTRAN -Tìm hiểu giao thức hội tụ liệu gói PDCP -Tìm hiểu giao thức giao diện X2 S1 Trong q trình thực đồ án tơi thu thập đƣợc nhiều kiến thức thông tin di động Những kiến thức có giá trị tiếp tục nghiên cứu công nghệ 4LTE, chúng hữu ích tơi có điều kiện làm việc lĩnh vực thông tin di động sau Do trình độ thời gian nghiên cứu hạn hẹp, nên cố gắng nhƣng khơng thể tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đƣợc quan tâm đóng góp ý kiến thầy bạn để nội dung luận văn hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn HDKH: TS.Trần Hoài Trung - 132 - HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ LỜI CẢM ƠN Trong suố t quá trình học tập và hoàn thành luận văn này, đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu thầy cô, anh chị bạn Với lịng biết ơn sâu sắc mình, xin gửi lời cảm ơn đến thầy hướng dẫn khoa học cho thực luận văn : Tiến sĩ Trần Hồi Trung Cùng Q thầy Trường Đại học Giao Thông Vận Tải CS1 CS2, đặc biệt thầy cô khoa Điện tử - Viễn thơng, người tận tình giảng dạy trang bị kiến thức cho Xin cám ơn quý lãnh đạo,các anh chị đồng nghiệp quan tạo điều kiện tốt cho tơi để hồn thành luận văn Cám ơn gia đình bạn Cao Học K18 ngành Điện tử viễn thông, người động viên chia sẻ với suốt thời gian học tập trường Xin chân thành cảm ơn Trương Thanh Xuân HDKH: TS.Trần Hoài Trung - 133 - HVTH: Trương Thanh Xuân Luận văn thạc sĩ TÀI LIỆU THAM KHẢO Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Sköld, Per Beming (2007), 3G EVOLUTION: HSPA and LTE FOR for mobile broadband, Academic Press Savo G.Lisic, Advanced Wireless Networks 4G Technologies UMTS Long Term Evolution (LTE) Technology Introduction, C.Gessner 09.2008 Pierre Lescuyer, Thierry Lucidarme, (2008), Evolved Packet System (EPS) – The LTE and SAE Evolution of 3G UMTS EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, (2009), 3GPP LTE and LTE Advanced Ralf Kreher and Karsten Gaenger, (2011), LTE SIGNALING, TROUBLESHOOTING, AND OPTIMIZATION Ian F Akyildiz , David M Gutierrez-Estevez, Elias Chavarria Reyes, (2010), The evolution to 4G cellular systems: LTE-Advanced Tara Ali – Yahiya, Understanding LTE and its performance 3GPP TS 36.321 V10.4.0 (2011-12): Medium Access Control (MAC) protocol 10 3GPP TS 36.322 V10.0.0 (2010-12), Radio Link Control (RLC) protocol 11 3GPP TS 29.274 V8.0.0 (2008-12), Tunnelling Protocol for Control plane 12 3GPP TS 36.323 V10.1.0, Packet Data Convergence Protocol (PDCP) 13 3GPP TS 36.331 V10.4.0, Radio Resource Control (RRC) 14 Strategic White Paper, Alcatel- Lucent, The LTE Network Architecture 15 Các báo mạng Internet HDKH: TS.Trần Hoài Trung - 134 - HVTH: Trương Thanh Xuân