MỞ ĐẦU1 Tính cấp thiết của đề tài
Công nghệ thông tin di động băng rộng hiện nay đã trở thành thuật ngữ quenthuộc đối với mọi người tại Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung Sau khimạng 3G được triển khai, việc sử dụng internet băng rộng, dịch vụ nghe nhìn trựctuyến qua thiết bị di động đem lại nhiều tiện ích, sự tiện lợi cho người dùng, gópphần nâng cao chất lượng cuộc sống Công nghệ LTE ra đời là sự cải tiến đối vớichuẩn thông tin di động WCDMA/HSPA, vốn được nâng cấp từ chuẩn thông tin diđộng GSM truyền thống, đưa mạng di động trở thành mạng hội tụ IP hoàn toàn,nâng khả năng truy cập dữ liệu với tốc độ lên đến hàng trăm Mb/s, hứa hẹn đem lạicho người dùng một mạng băng rộng thực sự mọi lúc mọi nơi Công nghệ LTE,được phát triển trên nền tảng IP hoàn toàn, phục vụcho các dịch vụ VOIP, video,streaming, internet băng rộng Khi đó lớp truy nhập của LTE có nhiệm vụ đảmbảo và kiểm soát chất lượng dich vụ QoS, nhằm phân bổ tài nguyên hợp lý và tốiưu cho người dùng, với khả năng truy cập dịch vụvới độ trễ thấp nhất, băng thôngrộng nhất có thể Bộ lập lịch được sử dụng trong lớp MAC trong giao diện vôtuyến là thành phần quan trọng thực hiện chức năng này, trong đó kỹ thuật lập lịchlà thành phần cốt lõi của nó Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này đã chứng tỏnăng lực tuyệt vời của công nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE đã đến rấtgần Trước đây, muốn truy cập dữ liệu, phải cần có 1 đường dây cố định để kết nối.Trong tương lai không xa với LTE, có thể truy cập tất cả các dịch vụ mọi lúc mọinơi trong khi vẫn di chuyển: xem phim chất lượng cao HDTV, điện thoại thấy hình,chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu v.v… với một tốc độ “siêu tốc”.Đó chính là sự khác biệt giữa mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) và mạng di động thếhệ thứ tư (4G) Tuy vẫn còn khá mới mẻ nhưng mạng di động băng rộng 4G đangđược kỳ vọng sẽ tạo ra nhiều thay đổi khác biệt so với những mạng di động
hiện nay Chính vì vậy, tôi đã lựa chọn làm luận văn tốt nghiệp về đề tài “Nghiêncứu cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng LTE” (Long TermEvolution).
2 Mục đích nghiên cứu
Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan hệ thống thông tin di động LTE, kiến trúcmạng và truy nhập vô tuyến trong mạng LTE cùng với cơ chế của các bộ lập lịch đểnâng cao chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng LTE luận văn tiến hành xây dựngcác mô hình, cách thức mô phỏng, thực hiện mô phỏng nhằm so sánh và đánh giámột số cơ chế lập lịch, đề xuất cơ chế lập lịch phù hợp cho hệ thống thông tin diđộng LTE nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng LTE.
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứua Đối tượng nghiên cứu
Tổng quan về hệ thống thông tin di động LTE
Trang 2 Kiến trúc mạng và giao thức, truy nhập vô tuyến và thủ tục dò tìm Tổng quan về chất lượng dịch vụ (QoS) Các thuộc tính của QoS Cơ chế quản lý tài nguyên vô tuyến,
Cơ chế lập lịch, mô 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 lượng dịch vụ như các kỹthuật lập lịch trong lớp MAC trên giao diên vô tuyến Sau đó nghiên cứu xây dựngcác mô hình mô phỏng tính toán, so sánh và đánh giá các cơ chế lập lịch từ đó nângcác chất lượng dịch vụ trong mạng LTE Nội dung luận văn chủ yếu tập trung vàocơ chế quản lý tài nguyên vô tuyến, các thông số đánh giá QoS bao gồm thônglượng eNodeB, thông lượng của người dùng UE, tỉ lệ lỗi BLER, và các kỹ thuật lậplịch Round Robin, Best CQI, MaxMin, Max Throughput
4 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp tiếp cân thu thập thông tin liên quan tới đề tài như kiến thứcmạng thông tin di động LTE, giao diện vô tuyến LTE, các cơ chế đảm bảo chấtlượng dịch vụ trong mạng LTE
Kết hợp lý thuyết đã nghiên cứu, tiến hành lập mô hình, cách thức nhằm môphỏng và tính toán các thông số chất lượng dịch vụ ứng với các cơ chế lập lịch, cơchế quản lý tài nguyên vô tuyến Trong nội dung luận văn, các kết quả đạt được từchương trình tính toán và mô phỏng bao gồm thông lượng và BLER sử dụngchương trình Matlab sẽ được sử dụng.
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Các mạng thông tin di động hiện nay tại Việt Nam đa số sử dụng công nghệ 2GGSM và 2,5G, hiện đã nâng cấp lên công nghệ 3G UMTS/WCDMA Công nghệLTE là bước tiếp theo để các mạng di động tiến lên 4G, nhằm tạo nên hệ thốngthông tin di động băng rộng mọi lúc mọi nơi Vì thế, hướng nghiên cứu này nhằmtrang bị kiến thức về công nghệ di động LTE và các cơ chế như cơ chế lập lịch, cơchế quản lý tài nguyên để góp phần chọn giải pháp tối ưu cho giao diện vô tuyến,góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ cho người sử dụng mạng LTE
6 Cấu trúc luận văn
Ngoài các phần mở đầu, kết luận và hướng phát triển, Tài liệu tham khảo, Phụlục.
Trang 3CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE
(Long term evolution)1.1 Giới thiệu chương.
Nội dung trình bày cái nhìn tổng quan hệ thống thông tin di động LTE và sosánh LTE với công nghệ Wimax để tìm ra những ưu, nhược điểm của mạng LTE.
1.2 Giới thiệu về công nghệ LTE [1], [2], [3], [4]
LTE là thế hệ thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTS thế hệ thứ badựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới Để đảm bảo tính cạnhtranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự ánnhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọiLong Term Evolution (LTE)
Bảng 1 1 Các đặc điểm chính của công nghệ LTE
Song công FDD, TDD, bán song công FDD
Đường lên SC-FDMA
MIMO Đường xuống 2 * 2 ; 4 * 2 ; 4 * 4 Đường lên 1 * 2 ; 1 * 4
Tốc độ dữ liệu đỉnh trong 20MHz
Đường xuống: 173 và 326Mb/s tương ứng với cấu hình MINO 2*2 và 4*4
Đường lên: 86Mb/s với cấu hình 1*2 anten
Các công nghệ khác Lập biểu chính xác kênh; liên kết thích ứng; điều khiển
1.3 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax
Về công nghệ LTE và WiMax có một số khác biệt nhưng cũng có nhiều điểmtương đồng Cả 2 công nghệ đều dựa trên nền tảng IP Cả hai đều dùng kỹ thuậtMINO để cải thiện chất lượng truyền/nhận tín hiệu, đường xuống từ trạm thu phátđến thiết bị đầu cuối đều được tăng tốc bằng kỹ thuật OFDM hỗ trợ truyền tải dữliệu đa phương tiện và video
Trang 4Bảng 1.3 LTE và WiMax
Tính năng3GPP LTE RAN1802.26e/Mobile WiMaxR1
802.26e/MobileWiMax R2
Băng tần dự
2,3GHz, 2,5GHz, 3,8GHz
3,3-2,3GHz, 2,5GHz,3,3-3,8GHzTốc độ tối đa
Tổng kết chương
Toàn chương một đã đưa ra cái nhìn tổng quan nhất về một số công nghệmạng truy nhập băng rộng, những đặc thù của các loại công nghệ truy nhập nàynhằm tạo cơ sở khách quan để đánh giá và lựa chọn công nghệ phù hợp.
Chương này cũng trình bày rõ sự khác biệt gữa hai mô hình ứng dụng LTE vàWiMAX Dựa vào những đặc điểm khác nhau của hai công nghệ này giúp các nhàcung cấp dịch vụ trong từng hoàn cảnh cụ thể sẽ lựa chọn mô hình phù hợp trongtriển khai thực tế
Với những tìm hiểu sơ lược ta cũng thấy công nghệ LTE tỏ ra có rất nhiềuđặc tính ưu việt trong việc triển khai dịch vụ băng thông rộng cho cả thiết bị cốđịnh, xách tay và di động, thậm chí đến các vùng mà với các công nghệ trước đây
là khó khăn hoặc không thể Trong chương tiếp theo ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về kiến
trúc mạng và các kỹ thuật được sử dụng trong công nghệ LTE tiền 4G
Trang 5CHƯƠNG II: KIẾN TRÚC MẠNG VÀ GIAO THỨC2.1 Giới thiệu chương
2.2 Kiến trúc mạng LTE [1], [3], [4]
2.2.1 Tổng quan về cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống
Hình 2.1 Kiến trúc hệ thống cho mạng chỉ có E-UTRAN [1]
Sự phân chia kiến trúc thành bốn vùng chính: thiết bị người dùng (UE);UTRAN phát triển (E-UTRAN); mạng lõi gói phát triển (EPC); và các vùng dịchvụ UE, E-UTRAN và EPC đại diện cho các giao thức internet (IP) ở lớp kết nối.Đây là một phần của hệ thống được gọi là hệ thống gói phát triển (EPS)
2.2.2 Thiết bị người dùng ( UE)
UE là thiết bị mà người dùng đầu cuối sử dụng để liên lạc như điện thoại thôngminh hoặc một thẻ dữ liệu như mọi người vẫn đang sử dụng hiện tại trong mạng 2Gvà 3G Hoặc nó có thể được nhúng vào, ví dụ một máy tính xách tay
2.2.3 E-UTRAN NodeB (eNodeB)
Nút duy nhất trên E-UTRAN là E-UTRAN NodeB ( eNodeB) Đơn giản đặteNB là một trạm gốc vô tuyến kiểm soát tất cả các chức năng vô tuyến.
2.2.4 Thực thể quản lý tính di động (MME)
Thực thể quản lý tính di động (MME) là thành phần điều khiển chính trongEPC Thông thường MME sẽ là một máy chủ ở một vị trí an toàn tại các cơ sở củanhà điều hành.
2.2.5 Cổng phục vụ ( S-GW)
Trong cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống, chức năng cao cấp của S-GW làquản lý đường hầm UP và chuyển mạch S-GW một phần của hạ tầng mạng nóđược duy trì ở các phòng điều hành trung tâm của mạng
2.2.6 Cổng mạng dữ liệu gói( P-GW)
Cổng mạng dữ liệu gói (P-GW, cũng thường được viết tắt là PDN-GW) làtuyến biên giữa EPS và các mạng dữ liệu gói bên ngoài Nó là nút cuối di động
Trang 6mức cao nhất trong hệ thống, và nó thường hoạt động như là điểm IP của các thiếtbị cho UE
2.2.7 Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên ( PCRF)
Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên(PCRF) là phần tử mạng chịutrách nhiệm về chính sách và điều khiển tính cước ( PCC)
2.2.8 Máy chủ thuê bao thường trú (HSS)
Máy chủ thuê bao thường trú (HSS) là kho dữ liệu thuê bao cho tất cả dữ liệungười dùng thường xuyên
2.2 Các giao diện và giao thức trong kiến trúc cơ bản của hệ thống [1]
Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE được chia thành hai phần là phần điều khiểnvà phần người dùng Phần điều khiển đảm nhận việc thiết lập kết nối, báo hiệu giữaUE và eNodeB Phần người dùng có nhiệm vụ truyền nhận và xử lý dữ liệu truynhập giữa UE và eNodeB Phần điều khiển bao gồm có các lớp chính: lớp vật lý,lớp MAC, lớp RLC, lớp RRC Phần người dùng bao gồm các lớp chính: lớp vật lý,lớp MAC, lớp RLC, lớp PDCP.
Hình 2.7 Kiến trúc phân lớp LTE [1]
2.3 Giao thức trạng thái và chuyển tiếp trạng thái [1], [3], [4]
Trong hệ thống LTE , điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC) có 2 chế độ làchế độ RRC rảnh rỗi và chế độ RRC kết nối được mô tả như trong hình 2.21
2.4 Kiến trúc hệ thống phát quảng bá đa điểm [1], [4], [5]
2.5 Kiến trúc miền thời gian toàn phần(Overall time domai structure)
Hình 2.25 minh họa về kiến trúc miền thời gian toàn phần bậc cao (High leveltime domai structure) trong truyền dẫn LTE với mỗi khung (vô tuyến) có chiều dài
phụ Tsubfame=1ms.
Hình 2.15 Cấu trúc miền thời gian LTE [1]
Trang 72.6 Hệ thống kênh truyền trong LTE [24]2.6.1 Hệ thống kênh đường xuống [24]
Hình 2.17 Kênh truyền đường xuống [24] 2.6.1.1 Kênh vật lý đường xuống [24]
2.6.1.2 Kênh vận chuyển đường xuống [24]2.6.1.3 Kênh logic đường xuống [24]
2.6.2 Hệ thống kênh đường lên [24] 2.6.2.2 Kênh vật lý đường lên [24]
2.6.2.2 Kênh vận chuyển đường lên [24]
Hình 2.18 Kênh truyền đường lên [24]
2.7 Các thủ tục lớp vật lý [1]2.7.1 Thủ tục HARQ [1]
HARQ trong LTE là dựa trên việc sử dụng thủ tục HARQ dừng – và – chờ hình 2.29 Các hoạt động HARQ trong LTE hỗ trợ cả kết hợp mềm và sử dụngdự phòng tăng.
PCCHBCCHCCCHDCCH
Trang 8Hình 2.19 Vận hành LTE HARQ với 8 tiến trình [1]
2.7.2 Ứng trước định thời [1]
Thủ tục điều khiển định thời là cần thiết để cho sự truyền dẫn hướng lên từ cácngười sử dụng khác nhau tới eNodeB về bản chất là trong phạm vi tiền tố vòng.
2.7.3 Điều khiển công suất [1]
Việc điều khiển công suất thực tế được dựa trên sự xác định tổn thất đườngtruyền, có tính đến các thông số riêng của ô và sau đó áp dụng các giá trị( tích lũy)của hệ số điều chỉnh nhận được từ eNodeB
2.7.7 Các lớp khả năng của UE và các đặc điểm được hỗ trợ [1]
Trong LTE có năm lớp khả năng của thiết bị được xác định Dữ liệu được hỗ trợtrong phạm vi từ 5 tới 75Mbps theo hướng đường lên và từ 10 tới 300Mbps theohướng đường xuống Tất cả các thiết bị hỗ trợ cho 20MHz băng thông cho việc truyền vànhận, giả sử rằng băng tần đưa ra đã được xác định
Tổng kết chương: Hệ thống thông tin di động LTE với giao diện vô tuyến dựa trêncông nghệ OFDMA, bên cạnh giảm ảnh hưởng nhiễu và fading hiệu quả, đó là tăngthông lượng hệ thống và người sử dụng lên nhiều lần so với WCDMA/UMTS cũng nhưHSPA
Cấu hình phân lớp và cấu hình mạng của LTE cũng đơn giản hóa, bỏ đi node trunggian giữa eNodeB và mạng lõi SAE là RNC Khi đó, vai trò của eNodeB trong hệ thốngtruy nhập trở nên mạnh mẽ, thành node truy nhập IP thực sự, quyết định mọi vấn đề từcấp phát tài nguyên, quản lý băng thông, điều khiển việc truyền lại kiểm soát lỗi Việc ápdụng HARQ giúp cho việc truyền lại được thực hiện trên eNodeB đến UE, việc truyềndữ liệu trở nên nhanh hơn do hồi âm chỉ truyền từ UE đến eNodeB hoặc ngược lại.
Trang 9CHƯƠNG III: TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE3.1 Giới thiệu chương
Chương này sẽ giới thiệu về công nghệ LTE, công nghệ đa truy nhập chođường xuống OFDMA và các tham số của OFDMA, công nghệ đa truy nhập chođường lên SC-FDMA và tham số của SC-FDMA, cách thức truy nhập ngẫu nhiên.
3.2 Kỹ thuật đa truy nhập cho đường xuống OFDMA [1], [4], [5]3.2.1 OFDM
Hình 3.1 Biểu diễn tần số-thời gian của một tín hiệu OFDM [1]
Hình 3.4 Cấp phát sóng mang con cho OFDM & OFDMA [1]
3.2.2 Các tham số OFDMA [1]
+ Đối với kiểu cấu trúc khung loại 30,72MHz).
Hình 3.5 Cấu trúc khung loại 1,
Trang 10+ Đối với cấu trúc khung loại 2,
Hình 3.6 Cấu trúc khung loại 2, [1]
3.2.3 Truyền dẫn dữ liệu hướng xuống [1]
Hình 3.8 Ghép kênh thời gian – tần số OFDMA [1]
Hình 3.9 Phát và thu OFDMA [1]
Trang 113.3 Kỹ thuật đa truy nhập cho đường lên LTE SC-FDMA [1], [2], [3]3.3.1 SC-FDMA
Hình 3.10 Sơ đồ khối DFT-S-OFDM [1]
3.3.2 Các tham số SC-FDMA
3.3.3 Truyền dẫn dữ liệu hướng lên
Hình 3.12 Phát & thu hướng lên LTE [1]
LTE hỗ trợ cả hai đó là nhảy tần bên trong và liên khung con Nó được cấuhình trên mỗi ô bởi các lớp cao hơn cho dù nhảy cả hai bên trong và liên khung conhoặc chỉ nhảy liên khung con là được hỗ trợ
Trang 123.4 Truy nhập ngẫu nhiên
Một yêu cầu cơ bản cho bất kỳ một hệ thống di động tế bào nào là khả năngcho thiết bị đầu cuối yêu cầu thiết lập một kết nối
Hình 3.13 Tổng quan về thủ tục truy nhập ngẫu nhiên [1]
Tổng kết chương.
Trong chương này trình bày kỹ thuật đa truy nhập vô tuyến trong LTE Kếhoạch truyền dẫn đường xuống cho E-UTRAN chế độ FDD và TDD là được dựatrên OFDM truyền thống Trong hệ thống OFDM, phổ tần có sẵn được chia thànhnhiều sóng mang, được gọi là các sóng mang con Mỗi sóng mang con được điềuchế độc lập bởi một dòng dữ liệu tốc độ thấp OFDM cũng được sử dụng trongWLAN, WIMAX và các công nghệ truyền quảng bá như DVB và LTE tiền 4G.OFDM có một số lợi ích như độ bền của nó với pha đing đa đường và kiến trúc thunhận hiệu quả của nó
3GPP đã tìm một phương án truyền dẫn khác cho hướng lên LTE SC-FDMAđược chọn bởi vì nó kết hợp các kỹ thuật với PAPR thấp của các hệ thống truyềndẫn đơn sóng mang, như GSM và CDMA, với khả năng chống được đa đường vàcấp phát tần số linh hoạt của OFDMA
Tóm lại, công nghệ LTE sử dụng kỹ thuật đa truy nhập cho đường xuống làOFDMA và đường lên là SC-FDMA Với những ưu điểm của 2 công nghệ này đãlàm cho công nghệ LTE trở lên mạnh mẽ và ưu việt hơn cả.
Trang 134.2 Giới thiệu về QoS [14]
QoS là chất lượng truyền tải các thông tin trên mạng theo đúng thời gian, kiểmsoát băng thông, đặt quyền ưu tiên cho các lưu thông, cung cấp mức độ an toàn cao.Chất lượng dịch vụ (QoS) là một thuật ngữ dùng để chỉ chất lượng của một hệthống truyền thông hay một kết nối truyền thông trong mạng viễn thông.
Định nghĩa về QoS theo tiêu chuẩn E800 của ITU: Chất lượng dịch vụ viễnthông là kết quả tổng hợp của các chỉ tiêu dịch vụ, thể hiện ở mức độ hài lòng củađối tượng sử dụng dịch vụ đó
4.3 Các thuộc tính của QoS.
Trong các mạng cố định, để đảm bảo chất lượng dịch vụ người ta thường sửdụng các bộ lập lịch (packet scheduler) khác nhau Tùy theo từng loại thuật toán lậplịch mà các tham số dịch vụ sau được đảm bảo:
Như chúng ta đã biết, những chức năng phức tạp nhất của lớp MAC trong LTEchính là chức năng: (1) quản lý tài nguyên vô tuyến và (2) các thuật toán lập lịch.Trong cấu hình OFDMA-TDD, hai chức năng trên luôn luôn tương tác và kết hợpvới nhau nhằm đạt mục tiêu chính là:
- Nâng cao hiệu suất sử dụng phổ (spectral efficiency) để tăng dung lượng kênh - Đảm bảo tính công bằng giữa các MS có điều kiện kênh truyền khác nhau - Đảm bảo được chất lượng dịch vụ (QoS) các lớp dịch vụ khác nhau trong LTE