ỨNG DỤNG MẠNG TỰ TỔ CHỨC (SON) CHO MẠNG 4G LTE

ỨNG DỤNG MẠNG TỰ TỔ CHỨC (SON) CHO MẠNG 4G LTE Theo xu thế, 4G được phát triển trên các thuộc tính kế thừa từ công nghệ 3G. Về mặt lý thuyết, mạng không dây sử dụng công nghệ 4G sẽ có tốc độ nhanh hơn mạng 3G từ 4 đến 10 lần.

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN MINH DÂN

Phản biện 1: TS Nguyễn Phạm Anh Dũng

Phản biện 2: TS Đinh Chí Hiếu

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: 9 giờ 30 ngày 09 tháng 08 năm 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

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

MỞ ĐẦU

Hiện nay, công nghệ 3G cho phép truy cập Internet không dây và các cuộc gọi có hình ảnh Tuy nhiên vẫn làm hài lòng người

sử dụng về tốc độ dành cho các ứng dụng đa phương tiện, vùng phủ

và chất lượng dịch vụ Nguyên nhân:

Sự hạn chế về băng thông: Mỗi trạm phát sóng 3G có băng thông hạn chế nhất định, nếu có quá nhiều người cùng truy nhập sẽ gây nghẽn dẫn đến giảm tốc độ kết nối, ảnh hưởng chất lượng dịch

Tính chất vật lý của thiết bị: Thiết bị khi hoạt động liên tục

sẽ sinh nhiệt khá cao, đây là điều tối kỵ với linh kiện điện tử Thiết bị

có độ chịu nhiệt kém thường gây ra hiện tượng giảm tốc độ, nhảy ping, ngắt kết nối…dẫn đến cường độ lỗi tỷ lệ thuận với thời gian sử dụng

Theo xu thế, 4G được phát triển trên các thuộc tính kế thừa

từ công nghệ 3G Về mặt lý thuyết, mạng không dây sử dụng công nghệ 4G sẽ có tốc độ nhanh hơn mạng 3G từ 4 đến 10 lần

Trong số những công nghệ tiên phong trong lĩnh vực 4G, phải kể đến LTE LTE được phát triển từ 3GPP, nền tảng của công nghệ viễn thông GSM, rất phù hợp để phát triển trên nền mạng 3G

Thực tế cho thấy, hầu hết các hãng sản xuất thiết bị viễn thông hàng đầu thế giới: thực hiện các cuộc thử nghiệm quan trọng trên công nghệ LTE và đã đạt những thành công đáng kể Do vậy việc triển khai 4G LTE được dự đoán là một xu thế tất yếu trong quá trình phát triển Tuy nhiên, một số vấn đề đã được nhìn nhận từ mạng 3G và đang nổi lên như những thách thức nếu triển khai 4G cho thấy:

Việc băng tần sử dụng khi triển khai 4G lớn hơn dùng cho 3G dẫn đến vấn đề về bán kính cell và vùng phủ: Tần số cao dẫn đến suy hao lớn, do vậy muốn truyền tần số cao cần tăng công suất phát Nếu bán kính cell mạng 4G vẫn duy trì như mạng 3G dẫn đến công suất phát phải tăng, việc này gây nhiễu xuyên kênh, ảnh hưởng đến chất lượng thu và chất lượng thiết bị của nhà mạng Khi bán kính cell 4G nhỏ hơn cell 3G sẽ làm tăng số lượng trạm 4G cần triển khai đảm bảo vùng phủ Việc này sẽ rất tốn kém chi phí, nhân lực, thời gian nếu thực hiện cấu hình trạm thủ công theo cách truyền thống như khi triển khai 3G, dẫn đến đòi hỏi một giải pháp tự động nhằm giải quyết những khó khăn, thách thức này

Việc giảm thiểu hóa chi phí vòng đời trong vận hành mạng bằng việc hạn chế quá trình cấu hình thông thường của thiết bị khi triển khai, cho phép xuyên suốt quá trình tối ưu tự động của mạng vô

tuyến, giảm thiểu tối đa chi phí và giá cung cấp các dịch vụ không dây

Việc tối ưu hóa sử dụng năng lượng giúp tiết kiệm chi phí nhưng vẫn đảm bảo tối ưu vùng phủ sóng, chống nhiễu, đảm bảo chất lượng dịch vụ cũng là thách thức

Câu hỏi được đặt ra: Vậy những khó khăn về mặt công nghệ nêu trên sẽ đƣợc giải quyết nhƣ thế nào?

Trong các kỹ thuật được đầu tư nghiên cứu trong thế hệ 4G

có SON - đây là kỹ thuật tiên tiến của mạng tự tổ chức giúp giải quyết các khó khăn gặp phải bên trên Vậy SON là gì? Đặc điểm nổi trội của SON?Lợi ích và khó khăn khi triển khai SON?Tại sao SON giải quyết được những vấn đề nêu trên

Trong quá trình học tập tại Học Việc Công nghệ Bưu chính

Viễn thông, được sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Nguyễn Minh Dân, tôi xin phép thực hiện luận văn tốt nghiệp cao học khóa 2012-

2014 với tiêu đề “ Ứng dụng mạng tự tổ chức (SON) cho mạng 4G LTE” đểnghiên cứu về SON và ứng dụng SON trong 4G cũng như

phân tích, chỉ ra các điều kiện, thách thức giúp nhà khai thác có thêm thông tin trong việc tổ chức mạng 4G

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ 4G LTE

Nội dung của chương giới thiệu cái nhìn bao quát về lộ trình phát triển hệ thống thông tin di động thế hệ trước đến 4G LTE Những ưu điểm, nhược điểm, yêu cầu cấp thiết khi triển khai hệ thống 4G LTE

1.1 Tiến trình phát triển đến mạng LTE

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 - GSM chủ yếu cung cấp dịch vụ thoại Công nghệ chuyển mạch mạch (CS) đáp ứng được yêu cầu của mạng lõi trong hệ thống GSM

Chuyển sang hệ thống 2,5G – GPRS, dịch vụ dữ liệu gói được cung cấp thông qua mạng chuyển mạch gói (PS) trên phần đỉnh của cấu trúc GSM Do yêu cầu tăng tốc độ dữ liệu, hệ thống GPRS đã cải thiện tốc độ truyền dữ liệu hướng lên và hướng xuống và được hiểu là công nghệ 2,75G – EDGE

Theo chuẩn 3GPP R99, hệ thống viễn thông di động toàn cầu

- UMTS đã được giới thiệu dựa trên công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã - CDMA UMTS được phân loại như một công nghệ 3G chế khác nhau phối hợp trong hướng lên và hướng xuống Mạng UMTS Dù có sự riêng biệt giữa vùng chuyển mạch mạch và chuyển mạch gói Mạng truy nhập vô tuyến - hay còn gọi là mạng truy nhập

vô tuyến mặt đất của UMTS - UTRAN được đưa vào các phân hệ mạng vô tuyến - RNC gồm khối điều khiển mạng vô tuyến (RNC), trạm thu phát vô tuyến - NodeB

1.2 Những kết quả đạt đƣợc của mạng LTE

Một số yêu cầu về kiến trúc được chuẩn 3GPP quy định cho LTE như sau:

- Một hệ thống dựa trên cơ sở nền IP

- Kiến trúc phẳng cho đường truyền tải đã được tối ưu

- Tính mở cao của hệ thống

- Bảo mật mức cao với mạng truy nhập và mạng lõi

- Mô hình chất lượng dịch vụ (QoS) đơn giản

- Thời gian trễ giữa các Node mạng thấp

- Đạt hiệu quả sử dụng vô tuyến cao

- Khả năng tận dụng phổ linh hoạt

- Hiệu quả cao về chi phí khi triển khai

Một số tiêu chí trên sẽ đạt được bằng việc triển khai một kiến trúc phẳng với số lượng Node mạng ít Việc giảm số lượng Node giúp giảm thời gian trễ và cải thiện chất lượng toàn mạng

1.3 Hệ thống gói cải tiến (EPS) / Cải tiến cấu trúc hệ thống (SAE)

Hệ thống mạng gói cải tiến được phát triển dựa trên các chuẩn hệ thống mạng gói được 3GPP thiết lập đang sử dụng trong các mạng GSM/GPRS và WCDMA/HSPA.EPS là giai đoạn phát triển cuối cùng của chuẩn UMTS EPS cung cấp những cải tiến quan trọng cho giao diện vô tuyến hướng xuống (OFDMA) và hướng lên (SC-FDMA) và cấu trúc cải tiến cho mạng truy nhập, mạng lõi Hai điểm cải tiến chính:

- Cải thiện chất lượng trong các đặc tính giao diện vô tuyến bằng hiệu suất phổ lớn gấp 2 lần so với chuẩn HSPA

- Cấu trúc IP toàn bộ tạo ra một hệ thống đạt được sự đơn giản và đồng nhất

1.4 Kiến trúc mạng LTE

1.4.1 Mạng lõi gói cải tiến (EPC)

Tương đương mạng lõi trong hệ thống GSM/UMTS, bao gồm các thực thể thể hiện chức năng mạng lõi gồm các chức năng: quản lý cuộc gọi thoại, quản lý cuộc gọi dữ liệu, tính cước và các chức năng khác

 Thực thể quản lý di động (MME)

 Cổng kết nối phục vụ(S-GW)

 Cổng kết nối mạng dữ liệu gói (P-GW)

 Chức năng nguồn cước và thiết lập chính sách (PCRF)

 Hệ thống máy chủ thuê bao thường trú

1.4.2 Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu cải tiến (E-UTRAN)

Bao gồm các NodeB được cải tiến (ENodeB) ENodeB trong

hệ thống có cấu trúc cải tiến (SAE) của mạng LTE tương đương trạm thu phát sóng BTS trong hệ thống GSM/GPRS nhưng có thêm nhiều chức năng vàkiểm soát tất cả các chức năng vô tuyến

Về mặt chức năng, ENodeB cung cấp cầu nối giữa thiết bị di động và mạng lõi được cải tiến (EPC), hoạt động như một cầu lớp 2 của hệ thống EPC Là điểm quyết định giao thức vô tuyến đền thiết

bị di động và hoạt động như một khối chuyển tiếp dữ liệu giữa kết nối vô tuyến và kết nối IP tương ứng đến EPC Đồng thời có chức năng mã hóa/giải mã dữ liệu mặt phẳng người dùng, nén và giải nén mào đầu gói tin IP

ENodeB hỗ trợ các đặc tính sau:

- Quản lý kết nối vô tuyến

- Thu và truyền dẫn trên giao diện vô tuyến

- Quản lý động tài nguyên vô tuyến với hướng lên và hướng xuống, thiết lập chương trình gói dữ liệu

- Quản lý di động

- Tạo mã và nén mào đầu gói dữ liệu của người dùng

- Bảo mật báo hiệu mạng

1.4.3 Thiết bị người dùng (UE)

Là thiết bị cầm tay, chứa một module nhận dạng thuê bao toàn cầu (USIM) chứa dữ liệu về người sử dụng, thông tin xác thực

và cung cấp dung lượng để lưu tin nhắn USIM có cơ sở là một ứng dụng được lập trình trên một thẻ mạch tích hợp toàn cầu đảm bảo khả năng tích hợp và bảo mật thông tin cá nhân cho việc bảo vệ truyền dẫn qua giao diện vô tuyến

1.4.4 Vùng phục vụ nội dung (Services Domain)

Gồm nhiều phân hệ, mỗi phân hệ có thể chứa một số node mạng logic Một số dịch vụ được cung cấp cho EPC của mạng LTE như sau:

- Các dịch vụ nhà khai thác cung cấp dựa trên IMS

- Các dịch vụ nhà khai thác cung cấp không dựa trên IMS

- Các dịch vụ không được nhà khai thác mạng cung cấp

Các giao diện mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS cải tiến

1.5.1 Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS cải tiến UTRAN)

(E-Mạng E-UTRAN gồm các ENodeB cung cấp cho E-UTRA

(PDCP/RLC/MAC/PHY) và giao thức mặt phẳng điều khiển (RRC) đến thiết bị đầu cuối.Các ENodeB liên kết với nhau bằng giao diện X2 và kết nối với mạng lõi gói cải tiến (EPC) qua giao diện S1, kết nối đến MME qua giao diện S1-MME và kết nối đến cổng phục vụ (S-GW) qua giao diện S1-U Giao diện S1 hỗ trợ trong mối tương quan đa kết nối giữa các phần tử

1.5.2 EnodeB

ENodeB giữ vai trò đặc biệt quan trọng trong UETRAN ENodeB bao gốm các chức năng của NodeB UMTS cũng như một số chức năng của RNC

Như vậy hầu hết các chức năng của RNC trong UTRAN được tập trung trong ENodeB trong mạng E-UTRAN Một số chức năng chính như sau:

- Lựa chọn MME ở chế độ “attachment:

- Lập trình các bản tin tìm gọi (paging)

- Định tuyến dữ liệu mặt phẳng người dùng đến cổng kết nối

phục vụ: ENodeB được kết nối đến S-GW qua giao diện S1-U sử dụng giao thức GTP-U (giao thức đường hầm GPRS) với cấu trúc dữ liệu UDP/IP để chuyển dữ liệu người dùng giữa ENodeB và cổng phục vụ S-GW

1.5.3 Kiến trúc giao thức của mạng LTE

Chỉ bao gồm phần giao thức truy nhập vô tuyến trong mạng LTE Thêm vào đó là các giao thức trong mạng lõi di động giữa thiết

bị đầu cuối và mạng lõi nhưng trong suốt với các lớp vô tuyến và thường được liên hệ đến báo hiệu NAS – báo hiệu lớp không truy nhập

1.5.4 Kiến trúc mặt phẳng điều khiển của E-UTRAN

Bao gồm cấu trúc các tầng giao thức mặt phẳng điều khiển của LTE kết hợp với các tầng giao thức mạng IP và tầng giao thức giao diện không gian tự do của UMTS

Lớp điều khiển tài nguyên vô tuyến là giao thức báo hiệu chính hỗ trợ nhiều chức năng giữa thiết bị đầu cuối và ENodeB

Chức năng chính của giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến là quản lý các kết nối giữa thiết bị đầu cuối và mạng truy nhập EUTRAN

Trong E-UTRAN, các trạng thái điều khiển tài nguyên vô tuyến gồm: Điều khiển tài nguyên vô tuyến ở chế độ nhàn rỗi (Idle)

và chế độ kết nối

1.5.5 Kiến trúc mặt phẳng người dùng trong E-UTRAN

Sử dụng cấu trúc tầng giao thức của LTE kết hợp với tầng

giao thức mạng IP và tầng giao thức giao diện vô tuyến của mạng UMTS Các thành phần chính của mặt phẳng người sử dụng trong kiến trúc giao thức E-UTRAN là các lớp PDCP, RLC, MAC, PHY

1.5.6 Các giao diện của mạng E-UTRAN

Cung cấp thông tin khái quát về giao diện S1 và X2 của mạng E-UTRAN Tương tự mô hình giao diện trong mạng UTRAN,

mô hình giao diện mạng E-UTRAN được phân tách thành 2 phần: Lớp mạng vận chuyển – tương đương cách thức truyền dữ liệu mạng

vô tuyến, và lớp mạng vô tuyến – bao gồm các giao thức mức cao nhất của của giao diện trong sự kết hợp với mô hình OSI, trong đó mỗi giao diện được phân tách rõ giữa mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển

 Giao diện S1

Giao diện S1 kết nối ENodeB với EPC, được phân chia thành

mặt phẳng điều khiển (S1-MME) và mặt phẳng người dùng (S1-U)

- Giao diện S1-MME sẽ cung cấp độ tin cậy cao để tránh phải truyền lại bản tin và tránh tạo ra độ trễ không đáng có trong việc vận hành thủ tục của mặt phẳng điều khiển

- S1-U giữ vai trò truyền tải gói dữ liệu người dùng giữa ENodeB và cổng phục vụ

 Giao diện X2

Giao diện X2 kết nối các ENodeB LTE sử dụng cấu trúc giao thức tương tự nhau trên hai giao diện S1 và X2 để đơn giản hóa việc truyền dữ liệu Giao diện X2 được chia thành: Mặt phẳng điều

khiển X2-C và mặt phẳng người dùng X2-U

- Giao diện mặt phẳng người dùng X2

X2-U giữ vai trò truyền các gói dữ liệu người dùng giữa các ENodeB

- Giao diện mặt phẳng điều khiển X2

X2-C là giao diện báo hiệu hỗ trợ khởi tạo các chức năng và thủ tục giữa các ENodeB

Kết luận chương 1: Chương này đã cho thấy tổng quan kiến

trúc mạng di động 4G LTE theo chuẩn 3GPP Qua đó thấy rõ các hệ thống, các phân hệ chức năng, thực thể quản lý và các giao diện thể hiện sự khác biệt, cải tiến so với các thế hệ mạng trước đây Cấu trúc

hệ thống đã trở nên phẳng hơn, hạn chế tối đa các lớp trung gian để tăng tốc độ truy cập dữ liệu và xử lý tín hiệu Đồng thời cũng chỉ rõ các giao diện kết nối, các thuật toán xử lý làm tiền đề cho việc áp dụng những kỹ thuật tự tổ chức tiến tiến trong vận hành và khai thác

CHƯƠNG 2 MẠNG TỰ TỔ CHỨC (SON)

Nội dung chương định nghĩa cụ thể mạng tự tổ chức (SON – Self Organizing Netwwork) là gì? Mạng tự tổ chức (SON) sử dụng những kỹ thuật tính toán như thế nào trong từng giai đoạn: cấu hình trạm phát sóng, tối ưu mạng, điều khiển tiết kiệm công suất, khắc phục sửa lỗi

2.1 Tổng quan mạng tự tổ chức (SON)

2.1.1 Giới thiệu về mạng tự tổ chức (SON)

Như các thế hệ mạng di động trước đây, hệ thống LTE cũng cần phải được quản lý LTE là bước phát triển từ UMTS, việc quản

lý cũng phải phát triển từ UMTS.Một hướng để đơn giản hóa việc quản lý bằng cách tự động cấu hình và tự động tối ưu hóa Tuy nhiên,

sự phức tạp của hệ thống LTE cũng đặt yêu cầu mới đối với hoạt động và vận hành mạng Mạng lưới tự tổ chức (SON) được xem là một trong những khu vực đầy hứa hẹn cho nhà điều hành để tiết kiệm chi phí hoạt động

Các vấn đề gặp phải khi triển khai mạng LTE:

 Số lượng và cấu trúc mạng đã trở nên lớn và phức tạp

 Sự phát triển nhanh chóng của các mạng không dây

đã dẫn đến hoạt động song song của 2G, 3G, EPC trên cùng một cơ

sở hạ tầng

 Số lượng phát triển nhanh chóng của các trạm (đặc

biệt là eNodeB) cần phải được cấu hình và quản lý với sự tương tác của con người là ít nhất có thể

SON nhằm mục đích để cấu hình và tối ưu hóa mạng lưới tự động, do đó, sự tương tác của con người có thể được giảm và khả năng của mạng có thể được tăng lên

2.1.2 Mục đích của mạng tự tổ chức (SON)

Giảm chi phí vận hành - OPEX và chi phí đầu từ - CPEX là

lý do chính trong việc áp dụng mạng SON cho mạng LTE Các chức năng chính của mạng SON là:

Các thuật toán của SON được triển khai trên hệ thống quản

lý các phẩn tử (EMS) quản lý một hay nhiều khu vực hoặc trên hệ

thống máy chủ SON riêng biệt đối với các trạm thu phát sóng