Nghiên cứu cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng LTE

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ ĐẢM BẢO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG LTE Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Học viên: VŨ TIẾN LẬP Ngƣời HD khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU THANH THÁI NGUN - 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUN CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP  Độc lập - Tự do - Hạnh phúc LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên : Vũ Tiến Lập Ngày tháng năm sinh : Ngày 15 tháng 11 năm 1982 Nơi sinh : Nam Định Nơi cơng tác : Trƣờng Đại Học SPKT Nam Định Cơ sở đào tạo : Trƣờng Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun Chun ngành : Kỹ thuật điện tử Khóa học : K13 TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ ĐẢM BẢO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG LTE Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh Trƣờng Đại học Bách Khoa – Hà Nội Ngày giao đề tài: / / Ngày hồn thành: / / GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh HỌC VIÊN Vũ Tiến Lập BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tên tơi là: Vũ Tiến Lập Học viên lớp Cao học khố 13- Kỹ thuật điện tử - Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Cơng Nghiệp - Đại học Thái Ngun Xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu cơ chế đảm bảo chất lƣợng dịch vụ trong mang LTE” do thầy giáo PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh hƣớng dẫn là cơng trình tổng hợp và nghiên cứu của riêng tơi. Tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ trong đề cƣơng và u cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Nam Định, ngày tháng năm 2013 Học viên Vũ Tiến Lập Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt q trình học tập và tốt nghiệp, tơi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ tận tình của các thầy cơ giáo trong bộ mơn Điện tử viễn thơng - khoa Điện tử - trƣờng Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp - Đại học Thái Ngun và tơi đặc biệt muốn cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn tơi trong thời gian thực hiện đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong thời gian qua. Mặc dù đã cố gắng, xong do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn nhiều hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tơi rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cơ cũng nhƣ của các bạn bè, đồng nghiệp. Tơi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH x MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ LTE 4 (Long term evolution) 4 1.1. Giới thiệu chƣơng. 4 1.2. Giới thiệu về cơng nghệ LTE [1], [2], [3], [4] 4 1.3. So sánh cơng nghệ LTE với cơng nghệ Wimax 7 Tổng kết chƣơng: 9 CHƢƠNG II: KIẾN TRÚC MẠNG VÀ GIAO THỨC 10 2.1. Giới thiệu chƣơng 10 2.2. Kiến trúc mạng LTE [1], [3], [4] 10 2.2.1. Tổng quan về cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống 10 2.2.2. Thiết bị ngƣời dùng ( UE) 11 2.2.3. E-UTRAN NodeB (eNodeB) 11 2.2.4. Thực thể quản lý tính di động (MME) 12 2.2.5. Cổng phục vụ ( S-GW) 14 2.2.6. Cổng mạng dữ liệu gói( P-GW) 15 2.2.7. Chức năng chính sách và tính cƣớc tài ngun ( PCRF) 16 2.2.8. Máy chủ th bao thƣờng trú (HSS) 17 2.2. Các giao diện và giao thức trong kiến trúc cơ bản của hệ thống [1] 17 2.3. Giao thức trạng thái và chuyển tiếp trạng thái [1], [3], [4] 21 2.4. Kiến trúc hệ thống phát quảng bá đa điểm [1], [4], [5] 22 2.5. Kiến trúc miền thời gian tồn phần(Overall time domai structure) 24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ iv 2.6. Hệ thống kênh truyền trong LTE [24] 26 2.6.1 Hệ thống kênh đƣờng xuống [24] 27 2.6.2. Hệ thống kênh đƣờng lên [24] 28 2.7. Các thủ tục lớp vật lý. [1] 29 2.7.1. Thủ tục HARQ [1] 29 2.7.2. Ứng trƣớc định thời [1] 30 2.7.3. Điều khiển cơng suất [1] 31 2.7.4. Nhắn tin [1] 31 2.7.5. Thủ tục báo cáo phản hồi kênh [1] 32 2.7.6. Hoạt động chế độ bán song cơng [1] 32 2.7.7. Các lớp khả năng của UE và các đặc điểm đƣợc hỗ trợ [1] 33 Tổng kết chƣơng: 34 CHƢƠNG III: TRUY NHẬP VƠ TUYẾN TRONG LTE 35 3.1. Giới thiệu chƣơng 35 3.2. Kỹ thuật đa truy nhập cho đƣờng xuống OFDMA. [1], [4], [5] 35 3.2.1. OFDM 35 3.2.2. Các tham số OFDMA [1] 37 3.2.3. Truyền dẫn dữ liệu hƣớng xuống [1] 39 3.3. Kỹ thuật đa truy nhập cho đƣờng lên LTE SC-FDMA. [1], [2], [3] 41 3.3.1. SC-FDMA 41 3.3.2. Các tham số SC-FDMA 43 3.3.3. Truyền dẫn dữ liệu hƣớng lên 44 3.4. Truy nhập ngẫu nhiên 45 Tổng kết chƣơng 48 CHƢƠNG IV: CƠ CHẾ ĐẢM BẢO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG LTE. 50 4.1. Giới thiệu chƣơng 50 4.2. Giới thiệu về QoS. [14] 50 4.3. Các thuộc tính của QoS. 56 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ v 4.4. Kiến trúc QoS. 59 4.5. Cơ chế nâng cao và đảm bảo chất lƣợng dịch vụ trong mạng LTE. [23] 61 4.5.1. Lập lịch và quản lý tài ngun vơ tuyến trong mơi trƣờng OFDMA- TDD 61 4.5.2. Quản lý tài ngun vơ tuyến [23] 62 4.5.3. Cơ chế lập lịch [23] 72 4.5.4. Các u cầu lập lịch và báo cáo trạng thái bộ đệm. 76 4.5.5. Các kỹ thuật lập lịch trong LTE [24] 78 4.6 . Phân tích và đánh giá kết quả mơ phỏng. [11], [17], [18], [19], [23] 91 4.6.1. Giới thiệu chƣơng trình LTE System Level Simulation 92 4.6.2 Thiết lập mơ phỏng 92 4.6.3. Đánh giá kết quả và phân tích. [11] 93 4.7. Thách thức về chất lƣợng và dịch vụ trong mạng LTE. 112 4.8. Bảo mật dịch vụ trong mạng LTE. 113 Tổng kết chƣơng 115 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO 119 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3GPP Third Generation Partnership Project Dự án các đối tác thế hệ thứ ba ACF Analog Channel Filter Bộ lọc kênh tƣơng tự ACIR Adjacent Channel Interference Rejection Loại bỏ nhiễu kênh lân cận ACK Acknowledgement Sự báo nhận ACLR Adjacent Channel Leakage Ratio Tỉ lệ dò kênh lân cận ACS Adjacent channel selectivity Chọn lọc kênh lân cận ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Đƣờng dây th bao số khơng đối xứng AM Acknowledged Mode Chế độ báo nhận AMBR Aggregate Maximum Bit Rate Tốc độ bít tối đa cấp phát AMC Adaptive Modulation and Coding Mã hóa và điều chế đáp ứng ARQ Automatic Repeat Request Giao thức tự động truyền lại AMPS Advanced Mobile Phone Sytem Hệ thống điện thoại di động tiên tiến AMD Acknowledged Mode Data Dữ liệu chế độ báo nhận AMR Adaptive Multi-Rate Đa tốc độ thích ứng AMR-NB Adaptive Multi-Rate Narrowband Băng hẹp đa tốc độ thích ứng AMR-WB Adaptive Multi-Rate Wideband Băng rộng đa tốc độ thích ứng ARP Allocation Retention Priority Ƣu tiên duy trì cấp phát ATB Adaptive Transmission Bandwidth Băng thơng truyền dẫn thích nghi AMPS Advanced Mobile Phone Sytem Hệ thống điện thoại di động tiên tiến BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển phát quảng bá BCH Broadcast Channel Kênh phát quảng bá BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bít BLER Block Error Rate Tỉ lệ lỗi khối BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc BSC Base Station Controller Điều khiển trạm gốc BSR Buffer Status Report Báo cáo tình trạng bộ đệm BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc BW Bandwidth Dải thơng CBR Constant Bit Rate Tốc độ bít khơng đổi CCE Control Channel Element Phần tử kênh điều khiển CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung CDD Cyclic Delay Diversity Phân tập trễ vòng CDF Cumulative Density Function Chức năng mật độ tích lũy CDM Code Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mã CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CIR Carrier to Interference Ratio Tỷ số sóng mang trên tập âm CP Multiple Cyclic Prefix Tiền tố vòng CPICH Common Pilot Channel Kênh điều khiển chung CQI Channel Quality Information Thơng tin chất lƣợng kênh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ vii DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier rời rạc DL Downlink Đƣờng xuống NodeB enhanced Node B NodeB nâng cao E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access Truy nhập vơ tuyến mặt đất tồn cầu phát triển FDD Frequency Division Duplex Song cơng phân chia tần số FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia tần số EPS Evolved Packet System Hệ thống chuyển mạch gói phát triển FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân tần số GSM Global System for Mobile Communication Thơng tin di động thếhệthứ hai GTP GPRS Tunneling Protocol Giao thức đƣờng hầm GPRS HARQ Hybrid Automatic Repeat Request Giao thức tự động truyền lại ghép lai HSDPA High Speed Downlink Packet Access Truy cập gói tốc độ cao đƣờng xuống HSPA High Speed Packet Access Truy cập gói tốc độ cao HSUPA High Speed Uplink Packet Access Truy cập gói tốc độ cao đƣờng lên IP Internet Protocol Giao thức Internet ISI Inter-Symbol Interference Xun nhiễu giữa các symbol LTE Long Term Evolution Cải tiến dài hạn MAC Medium Access Control Lớp điều khiển truy cập MCS Modulation and Coding Scheme Kỹ thuật mã hóa và điều chế MBMS Multimedia Broadcast Multicast System Hệ thống phát quảng bá đa điểm đa phƣơng tiện MIMO Multiple Input Multiple Output Kỹ thuật anten đa thu đa phát MS Mobile Station Thiết bị đầu cuối MME Mobility Management Entity Phần tử quản lý tính di động PAPR Peak to Average Power Ratio Hệ số cơng suất đỉnh trên trung bình PF Proportional Fair Thuật tốn cơng bằng tƣơng xứng PCRF Policy and Charging Resource Function Chức năng tính cƣớc tài ngun và chính sách PRB Physical Resource Block Khối tài ngun vật lý PC Power Control Điều khiển cơng suất PCCPCH Primary Common Control Physical Channel Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp P-GW Packet Data Network Gateway Cổng mạng dữ liệu gói PCFICH Physical Control Format Indicator Channel Kênh chỉ thị dạng điều khiển vật lý PDCP Packet Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ dữ liệu gói PDN Packet Data Network Mạng dữ liệu gói PMIP Proxy Mobile IP IP di động ủy nhiệm PHY Physical Layer Lớp vật lý PN Phase Noise Tiếng ồn pha Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ viii PRACH Physical Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý PRB Physical Resource Block Khối tài ngun vật lý PS Packet Switched Chuyển mạch gói PUCCH Physical Uplink Control Channel Kênh điều khiển hƣớng lên vật lý PUSCH Physical Uplink Shared Channel Kênh chia sẻ hƣớng lên vật lý QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế QAM QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế QPSK OFDM Orthogona Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân tần sốtrực giao OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia tần số trực giao RAN Radio Access Network Mạng truy cập vơ tuyến RB Resource Block Khối tài ngun RLC Radio Link Protocol Giao thức liên kết vơ tuyến RNC Radio Network Controller Điều khiển mạng vơ tuyến RR Round Robin Thuật tốn Round Robin RRC Radio Resource Control Điều khiển tài ngun vơ tuyến RTP Real-time Transport Protocol Giao thức truyền thời gian thực SAE System Architecture Evolution Hệ thống mạng lõi LTE SC- FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân tần số đơn sóng mang SINR Signal to Interference Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên xun nhiễu SNR Signal to Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SISO Single Input Single Output Kỹ thuật anten một thu một phát S-GW Serving Gateway Cổng phục vụ TB Transport Block Khối vận chuyển TDD Time Division Duplex Ghép phân thời gian TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền UE User Equipment Thiết bịngƣời dùng UDP Unit Data Protocol Giao thức đơn vị dữ liệu UL Uplink Đƣờng lên UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống thơng tin di động tồn cầu UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network Hệ thống truy cập vơ tuyến UMTS WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia mã băng rộng [...]... trình bày kiến trúc mạng và giao thức mạng trong LTE CHƢƠNG III: TRUY NHẬP VƠ TUYẾN TRONG LTE Nội dung chƣơng trình bày về cách thức truy nhập vơ tuyến trong mạng LTE, từ đó đƣa ra cơ chế quản lý tài ngun vơ tuyến trong mạng LTE CHƯƠNG IV: CƠ CHẾ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG LTE Nội dung chƣơng trình bày khái niệm của QoS và các tham số của QoS và các cơ chế lập lịch trong mạng LTE và mơ hình,... ra nhiều thay đổi khác biệt so với những mạng di động hiện nay Chính vì vậy, tơi đã lựa chọn làm luận văn tốt nghiệp về đề tài Nghiên cứu cơ chế đảm bảo chất lƣợng dịch vụ trong mạng LTE (Long Term Evolution) 2 Mục đích nghiên cứu Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan hệ thống thơng tin di động LTE, kiến trúc mạng và truy nhập vơ tuyến trong mạng LTE cùng với cơ chế của các bộ lập lịch để nâng Số hóa bởi... cao chất lƣợng dịch vụ (QoS) trong mạng LTE luận văn tiến hành xây dựng các mơ hình, cách thức mơ phỏng, thực hiện mơ phỏng nhằm so sánh và đánh giá một số cơ chế lập lịch, đề xuất cơ chế lập lịch phù hợp cho hệ thống thơng tin di động LTE nhằm nâng cao chất lƣợng dịch vụ trong mạng LTE 3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu a Đối tƣợng nghiên cứu Tổng quan về hệ thống thơng tin di động LTE Kiến trúc mạng. .. thơng tin liên quan tới đề tài nhƣ kiến thức mạng thơng tin di động LTE, giao diện vơ tuyến LTE, các cơ chế đảm bảo chất lƣợng dịch vụ trong mạng LTE Kết hợp lý thuyết đã nghiên cứu, tiến hành lập mơ hình, cách thức nhằm mơ phỏng và tính tốn các thơng số chất lƣợng dịch vụ ứng với các cơ chế lập lịch, cơ chế quản lý tài ngun vơ tuyến Trong nội dung luận văn, các kết quả đạt đƣợc từ chƣơng trình tính... Tổng quan về chất lƣợng dịch vụ (QoS) Các thuộc tính của QoS Cơ chế quản lý tài ngun vơ tuyến, Cơ chế lập lịch, mơ hình lập lịch Các kịch bản lập lịch b Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung chủ yếu vào các cơ chế đảm bảo chất lƣợng dịch vụ nhƣ các kỹ thuật lập lịch trong lớp MAC trên giao diên vơ tuyến Sau đó nghiên cứu xây dựng các mơ hình mơ phỏng tính tốn, so sánh và đánh giá các cơ chế lập lịch... cơ chế lập lịch trong mạng LTE để nâng cao chất lƣợng dịch vụ trong mạng LTE Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 4 CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ LTE (Long term evolution) 1.1 Giới thiệu chƣơng Nội dung trình bày cái nhìn tổng quan hệ thống thơng tin di động LTE và so sánh LTE với cơng nghệ Wimax để tìm ra những ƣu, nhƣợc điểm của mạng LTE 1.2 Giới thiệu về cơng nghệ LTE. .. thực tiễn Các mạng thơng tin di động hiện nay tại Việt Nam đa số sử dụng cơng nghệ 2G GSM và 2,5G, hiện đã nâng cấp lên cơng nghệ 3G UMTS/WCDMA Cơng nghệ LTE là bƣớc tiếp theo để các mạng di động tiến lên 4G, nhằm tạo nên hệ thống thơng tin di động băng rộng mọi lúc mọi nơi Vì thế, hƣớng nghiên cứu này nhằm trang bị kiến thức về cơng nghệ di động LTE và các cơ chế nhƣ cơ chế lập lịch, cơ chế quản lý... thống, đƣa mạng di động trở thành mạng hội tụ IP hồn tồn, nâng khả năng truy cập dữ liệu với tốc độ lên đến hàng trăm Mb/s, hứa hẹn đem lại cho ngƣời dùng một mạng băng rộng thực sự mọi lúc mọi nơi Cơng nghệ LTE, đƣợc phát triển trên nền tảng IP hồn tồn, phục vụcho các dịch vụ VOIP, video, streaming, internet băng rộng Khi đó lớp truy nhập của LTE có nhiệm vụ đảm bảo và kiểm sốt chất lƣợng dich vụ QoS,... 4.1 Dịch vụ và sự khác biệt th bao trong LTE [14] 51 Hình 4.2: Các thành phần cơ bản cung cấp chất lƣợng dịch vụ truy cập trong mạng [15] 52 Hình 4.3: Mối liên hệ giữa các khái niệm QoS theo ETSI 53 Hình 4.4: Khái niệm QoS và mối quan hệ QoS với chất lƣợng mạng 55 Hình 4.5 Đặc điểm QCI tiêu chuẩn 59 Hình 4.6: Kiến trúc dịch vụ trong mạng di động thế hệ sau 61 Hình... với các cơng nghệ trƣớc đây là khó khăn hoặc khơng thể Trong chƣơng tiếp theo ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về kiến trúc mạng và các kỹ thuật đƣợc sử dụng trong cơng nghệ LTE tiền 4G CHƢƠNG II: KIẾN TRÚC MẠNG VÀ GIAO THỨC 2.1 Giới thiệu chƣơng Chƣơng này trình bày kiến trúc mạng và giao thức hệ thống trong mạng LTE, phân biệt các phân lớp trong eNodeB cũng nhƣ trình bày về các kỹ thuật quan trọng trong các . tuyến trong mạng LTE. CHƯƠNG IV: CƠ CHẾ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG LTE. Nội dung chƣơng trình bày khái niệm của QoS và các tham số của QoS và các cơ chế lập lịch trong mạng LTE và. nghiên cứu Phƣơng pháp tiếp cân thu thập thơng tin liên quan tới đề tài nhƣ kiến thức mạng thơng tin di động LTE, giao diện vơ tuyến LTE, các cơ chế đảm bảo chất lƣợng dịch vụ trong mạng LTE. Cơ sở đào tạo : Trƣờng Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun Chun ngành : Kỹ thuật điện tử Khóa học : K13 TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ ĐẢM BẢO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG LTE