kỹ thuật tái sử dụng tần số phân đoạn để giảm thiểu nhiễu đồng kênh CCI và liên kênh CELL

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: “Kỹ thuật tái sử dụng tần số phân đoạn để giảm thiểu nhiễu đồng kênh - CCI nhiễu liên Cell - ICIC hệ thống LTE” Người hướng dẫn : CHU TUẤN LINH Sinh viên thực : ĐINH VĂN KHANG Lớp : D11VT6 Khóa : 2011-2016 Hệ : ĐẠI HỌC Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời cảm ơn LỜI CÁM ƠN Tốt nghiệp đại học coi cột mốc quan trọng trình người Để có ngày hôm phải trải qua nhiều thử thách đòi hỏi cố gắng, kiên trì không kể đến dạy tận tình thầy cô giúp đỡ, động viên bạn bè gia đình Để hoàn thành đồ án này, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Chu Tuấn Linh- Viện Khoa Học Kỹ Thuật Bưu Điện tận tình giúp đỡ hướng dẫn em suốt trình thực đồ án Mặc dù bận rộn thầy dành thời gian định hướng, góp ý sửa chữa giúp em có phương pháp học tập nghiên cứu tốt Em xin chân thành cảm ơn tất thầy cô giáo dạy dỗ, dìu dắt em xuất trình học tập vừa qua Cuối cho em cảm ơn tất bạn bè gia đình giúp đỡ động viên em xuất thời gian qua lúc khó khăn Hà Nội, Ngày 10 tháng 12 năm 2015 Sinh viên thực Đinh Văn Khang Đinh Văn Khang – D11VT6 Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ LTE nghiên cứu phát triển rộng rãi giới; cung cấp cho người dùng tốc độ truy cập liệu nhanh lên đến hàng trăm Mb/s chí đạt 1Gb/s, cho phép phát triển thêm nhiều dịch vụ truy cập sóng vô tuyến dựa tảng hoàn toàn IP… Hệ thống LTE sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM cho đường xuống Trong hệ thống người dung cấp phát số sóng mang khác sóng mang trực giao với với hiệu suất sử dụng phổ cao linh hoạt việc phân bổ tần số cho người dụng Tuy nhiên hiệu suất mạng LTE đa tế bào (multi-cells) lại bị giảm đáng kể có xuất nhiễu đồng kênh – CCI nhiễu liên Cell – ICIC làm ảnh hưởng đến tín hiệu hệ thống Để giải vấn đề nhà mạng phải sử dụng kết hợp nhiều kỹ thuật khác cho phù hợp với tình trạng tín hiệu khu vực Về người ta kết hợp hai phương án việc tái sử dụng tần số Cell phối hợp Cell mạng cho phù hợp Ngoài việc giúp giảm tránh nhiễu cho hệ thống, kỹ thuật giúp tối ưu tài nguyên cho nhà mạng (tần số, công suất, …) Trong đồ án: “ Kỹ thuật tái sử dụng tần số phân đoạn hệ thống 4G LTE” mà trình bày tổng hợp lại kỹ thuật để tối ưu tần số, công suất tín hiệu Cell di động đánh giá hiệu kỹ thuật Nội dung đồ án gồm có chương: Chương 1: Truy nhập vô tuyến 4G LTE đường xuống Nội dung chương trình bày kiến trúc mạng chế độ truy nhập LTE Chương 2: Các loại nhiễu mạng 4G LTE đường xuống Trong chương trình bày loại nhiễu hệ thống 4G LTE bao gồm: tạp âm Gauss trắng cộng, nhiễu liên ký tự ISI, nhiễu liên kênh ICI, nhiễu đồng kênh CCI, … Chương 3: Kỹ thuật tái sử dụng tần số phân đoạn 4G LTE Chương trình bày cụ thể kỹ thuật tái sử dụng tần số phân đoạn đánh giá hiệu phương pháp; đông thời đưa đề xuất, nhận xét để sử dụng kỹ thuật cho phù hợp Đinh Văn Khang – D11VT6 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG, HÌNH ẢNH CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CHUNG VỀ HỆ THỐNG LTE 10 1.1 Giới thiệu chung 10 1.2 Kiến trúc mạng LTE 13 1.2.1 Thiết bị người dùng ( UE) 14 1.2.2 E-UTRAN NodeB (eNodeB) 14 1.2.3 Thực thể quản lý tính di động (MME) 16 1.2.4 Cổng phục vụ ( S-GW) 18 1.2.5 Cổng mạng liệu gói ( P-GW) 20 1.2.6 Chức sách tính cước tài nguyên ( PCRF) 22 1.2.7 Máy chủ thuê bao thường trú (HSS) 23 1.3 Truy nhập vô tuyến LTE 23 1.3.1 Các chế độ truy nhập 23 1.3.2 Băng tần truyền dẫn 24 1.3.3 Kỹ thuật đa truy nhập cho đường xuống OFDM 24 1.3.4 Kỹ thuật MIMO mạng 4G LTE 32 1.4 Các thủ tục truy nhập 37 1.4.1 Thủ tục dò tìm ô 37 1.4.2 Truy nhập ngẫu nhiên 42 1.5 Kết luận chương 49 CHƯƠNG 2: CÁC LOẠI NHIỄU TRONG MẠNG VÔ TUYẾN 4G LTE 50 2.1 Giới thiệu chương 50 2.2 Tạp âm nhiệt AWGN -Additive white Gaussian noise 50 2.3 Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interfence) 51 Đinh Văn Khang – D11VT6 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục 2.4 Nhiễu liên kênh ICI ( Inter Channel lnterferece ) 52 2.5 Nhiễu đồng kênh CCI (Co-Channel Interference) 53 2.6 Nhiễu liên Cell ICIC ( Inter – Cell Interference Coodination) 55 2.7 Nhiễu đa truy nhập (Multiple Access Interference) 55 2.8 Kết luận chương 56 CHƯƠNG 3: GIẢM NHIỄU CCI ICI BẰNG KỸ THUẬT TÁI SỬ DỤNG TẦN SỐ PHÂN ĐOẠN 57 3.1 Giới thiệu chương 57 3.2 Các kỹ tái sử dụng tần số (Conventional Frequency Reuse) 57 3.3 Tái sử dụng tần số phân đoạn 58 3.3.1 Tái sử dụng tần số phần – PFR (Partial Frequency Reuse) 59 3.3.2 Tái sử dụng tần số mềm – SFR (Soft Frequency Reuse) 60 3.3.3 Tái sử dụng tần số phân đoạn mềm – SFFR (Soft Fractional Frequency Reuse) 62 3.3.4 Tái sử dụng tần số theo bước nhảy – IFR (Incremental Frequency Reuse) 64 3.3.5 Tái sử dụng tần số phân đoạn tiên tiế n – EFFR (Enhanced Fractional Frequency Reuse) 67 3.4 Nhận xét đánh giá kỹ thuật tái sử dụng tần số 68 3.4.1 Mô hình hóa kỹ thuật tái sử dụng tần số 68 3.4.2 Đánh giá hiệu mặt lý thuyết 72 3.5 Mô phỏng 73 3.5.1 Mu ̣c tiêu 73 3.5.2 Các công thức mô phỏng 74 3.5.3 Mô tả quá trình mô phỏng 77 3.5.4 Kế t quả mô phỏng 78 3.6 Kết luận chương 82 KẾT LUẬN 83 PHỤ LỤC 84 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 Đinh Văn Khang – D11VT6 Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục bảng, hình ảnh DANH MỤC BẢNG, HÌNH ẢNH Bảng 1.1 Các đặc điểm công nghệ 4G LTE 10 Bảng 1.2 Số lượng khối tài nguyên cho băng thông LTE khác 28 ( cụ thể FDD&TDD) 28 Bảng 1.3 Tham số cấu trúc khung đường xuống ( FDD & TDD ) 29 Bảng 3.1 Mô hình hóa kỹ thuật tái sử dụng tần số 69 Bảng 3.2 So sánh hiệu kỹ thuật tái sử dụng tần số 72 Bảng 3.3 Các tham số mô phỏng 73 Hình 1.1 Kiến trúc hệ thống cho mạng có E-UTRAN 13 Hình 1.2 eNodeB kết nối tới nút logic khác chức 16 Hình 1.3 MME kết nối tới nút logic khác chức 18 Hình 1.4 Các kết nối S-GW tới nút logic khác chức 19 Hình P-GW kết nối tới node logic khác chức 21 Hình 1.6 PCRF kết nối tới nút logic khác & chức 22 Hình 1.7 Biểu diễn tần số-thời gian tín hiệu OFDM 25 Hình 1.8 Sự tạo ký hiệu OFDM có ích sử dụng IFFT 25 Hình 1.9 Sự tạo chuỗi tín hiệu OFDM 26 Hình 1.10 Cấp phát sóng mang cho OFDM & OFDMA 26 Hình 1.11 Cấu trúc khung loại 27 Hình 1.13 Lưới tài nguyên đường xuống 28 Hình 1.14 Ghép kênh thời gian – tần số OFDMA 30 Hình 1.15 Sơ đồ máy phát thu OFDMA 31 Hình 1.16 Các chế độ truy nhập kênh vô tuyến 32 Hình 1.17 MIMO 2×2 , tiền mã hóa 34 Hình 1.18 truyền chuỗi ký hiệu liệu QPSK hệ thống OFDM 36 Hình 1.19 Các tín hiệu đồng sơ cấp & thứ cấp 38 Hình 1.20 Sự hình thành tín hiệu đồng miền tần số 40 Đinh Văn Khang – D11VT6 Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục bảng, hình ảnh Hình 1.21 Tổng quan thủ tục truy nhập ngẫu nhiên 43 Hình 1.22 Minh họa cho truyền dẫn phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên 44 Hình 1.23 Định thời phần mở đầu eNodeB cho người sử dụng truy nhập 45 ngẫu nhiên khác 45 Hình 1.24 Sự phát phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên miền tần số 46 Hình 2.1 Mô hình kênh Gaussian trắng cộng 50 Hình 2.2 Mô hình nhiễu liên ký tự ISI 51 Hình 2.3 Chèn thêm khoảng bảo vệ hệ thống OFDM 52 Hình 2.4 Phổ tần nhiễu liên kênh 52 Hình 2.5 Khoảng bảo vệ lặp 53 Hình 2.6 Một hệ thống thông tin số tế bào ( Cellular ) 53 Hình 2.7 Minh họa nhiễu liên Cell 55 Hình 3.1 Các kỹ thuật giảm nhiễu 57 Hình 3.2 Mô hình tái sử dụng tần số FR1(a) FR3(b) 58 Hình 3.3 Mô hình hệ thống Cell phân bổ theo phương pháp PFR 60 Hình 3.2 Tái sử dụng tần số mềm –SFR 61 Hình 3.3 Mô hình tái sử dụng tầ n số phân đoạn mề m 63 Hình 3.4 Vấn đề hạn chế phổ tần SFR 65 Hình 3.5 Phương pháp IFR cho cụm Cell hệ thống 66 Hình 3.6 Tái sử dụng tần số phân đoạn tiên tiế n (EFFR) 68 Hình 3.9 Mô hình mạng 77 Hình 3.10 Tỷ số tín hiê ̣u tạp âm và nhiễu 78 Hình 3.11 Dung lượng Cell 79 Với băng tần vùng trung tâm Cell B1=15 Mhz 79 Hình 3.12 Sự phụ thuộc tổng dung lượng Cell vào băng tần vùng trung tâm 80 Hình 3.13 Sự phụ thuộc tham số US vào băng tần 80 Hình 3.14 Dung lượng Cell với B1=6, B1=8, B1=12 Mhz 81 Hình 3.15 So sánh FFR với FR1 FR3 với B1=8 Mhz 81 Đinh Văn Khang – D11VT6 Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục bảng, hình ảnh CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AWGN Additive white Gaussian noise Tạp âm nhiệt AWGN BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh CDMA Code Division Multiplexing Access Đa truy nhập phân chia theo mã DCI Control Information Thông tin điều khiển đường xuống DS-CDMA Direct Sequence Code Division Multiplexing Access Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp DwPTS Downlink Pilot Time Slot Khe thời gian điều khiển đường xuống EFFR Enhanced Fractional Frequency Reuse Tái sử dụng tần số phân đoạn cải tiến EPC Evolved Packet Core Mạng lõi gói phát triển E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu phát triển FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia tần số FFR Fractional Frequency Reuse Tái sử dụng tần số phân đoạn FR Frequency Reuse Tái sử dụng tần số GUTI Globally Unique Temporary Identity Nhận dạng tạm thời toàn cầu GW Gateway Cổng HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yêu cầu lặp lại tự động hỗ hợp HSDPA High Speed Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao Đinh Văn Khang – D11VT6 Đồ án tốt nghiệp Đại học Các thuật ngữ viết tắt HSS Home Subscriber Server Máy chủ thuê bao thường trú ICI Inter-carrier Interference Nhiễu liên kênh ICI Inter Channel lnterferece Nhiễu liên kênh ICIC Inter-Cell Interference Coodination Nhiễu liên Cell IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi furier nhanh nghịch đảo IFR Incremental Frequency Reuse Tái sử dụng tần số tăng dần IMS IP Multimedia Subsystem Hệ thống đa phương tiện IP IP Internet Protocol Giao thức Internet ISI Inter symbol interfence Nhiễu liên ký tự LTE Long Term Evolution Hệ thống phát triển lâu dài MBMS Multimedia Broadcast Multicast System Hệ thống phát quảng bá đa điểm đa phương tiện MIMO Multiple Input Multiple Output Kỹ thuật đa anten phát, đa anten thu ML-SFR Multi – lever soft Frequency Reuse Tái sử dụng tần số mềm đa mức công suất MME Mobility Management Entity Phần tử quản lý tính di động OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia tần số trực giao PCC Primary Common Control Physical Channel Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp PCFICH Physical Control Format Indicator Channel Kênh thị dạng điều khiển vật lý Physical Control Format Indicator Channel Kênh thị dạng điều khiển vật lý PCFICH Đinh Văn Khang – D11VT6 Đồ án tốt nghiệp Đại học Các thuật ngữ viết tắt Policy and Charging Resource Chức tính cước tài nguyên Function sách Personal Communication Services Dịch vụ truyền thông cá nhân Physical Downlink Control Kênh điều khiển đường xuống vật Channel lý PFR Partial Frequency Reuse Tái sử dụng tần số phần PMI Proxy Mobile IP IP di động ủy nhiệm PMIP Proxy Mobile IP IP di động ủy nhiệm QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang SFFR Soft Fractional Frequency Reuse Tái sử dụng tần số phân đoạn mềm SFR Soft Frequency Reuse Tái sử dụng tần số mềm TDD Time Division Duplex Song công phân chia thời gian UE User Equipment Thiết bị đầu cuối UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống thông tin di động toàn cầu UTS User teminal Thiết bị đầu cuối người dùng Universal Terrestrial Radio Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất Access Network toàn cầu VoIP Voice over IP Thoại qua IP WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng PCRF PCS PDCCH UTRAN Đinh Văn Khang – D11VT6 Chương 1: Tìm hiểu chung hệ thống LTE CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CHUNG VỀ HỆ THỐNG LTE 1.1 Giới thiệu chung LTE hệ thứ chuẩn UMTS 3GPP phát triển UMTS hệ thứ ba dựa WCDMA triển khai toàn giới Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống tương lai, tháng 11/2004 3GPP bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP đặt yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt băng tần có băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với giao tiếp mở giảm đáng kể lượng tiêu thụ thiết bị đầu cuối Giao diện không gian thuộc tính liên quan hệ thông LTE tóm tắt bảng 1.1: Bảng 1.1 Các đặc điểm công nghệ 4G LTE Băng tần Song công Di động Đa truy nhập MIMO Tốc độ liệu đỉnh 20MHz Điều chế 1,25 – 20 MHz FDD , TDD , bán song công FDD 350km/h Đường xuống OFDMA Đường lên SC-FDMA Đường xuống * ; * ; * Đường lên * ; * Đường xuống : 173 326 Mb/s tương ứng với cấu hình MIMO * * Đường lên : 86Mb/s với cấu hình * anten QPSK ; 16 QAM 64 QAM Mã hóa kênh Mã tubo Lập biểu xác kênh; liên kết thích ứng ; điều khiển Các công nghệ khác công suất ; ICIC HARQ Mục tiêu LTE cung cấp dịch vụ liệu tốc độ cao , độ trễ thấp , gói liệu tối ưu , công nghệ vô tuyến hỗ trợ băng thông cách linh hoạt triển khai Đồng thời kiến trúc mạng thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói với tính di động linh hoạt , chất lượng dịch vụ , thời gian trễ tối thiểu Đinh Văn Khang – D11VT6 10 Chương 1: Tìm hiểu chung hệ thống LTE Tăng tốc độ truyền liệu : điều kiện lý tưởng hệ thống hỗ trợ tốc độ liệu đường xuống đỉnh lên tới 326Mb/s với cấu hình 4*4 MIMO ( multiple input multiple output ) vòng 20MHZ băng thông MIMO cho đường lên không sử dụng phiên chuẩn LTE Tốc độ liệu đỉnh đường lên tới 86Mb/s 20MHZ băng thông Ngoài viêc cải thiện tốc độ liệu đỉnh hệ thống LTE cung cấp hiệu suất phổ cao từ đến lần hệ thống HSPA phiên Dải tần co giãn được: dải tần vô tuyến hệ thống LTE có khả mở rộng từ 1.8 MHz, 3MHz, MHz, 10 MHz, 15 MHz 20 MHz chiều lên xuống Điều dẫn đến linh hoạt sử dụng hiệu băng thông Mức thông suất cao hoạt động băng tần cao số ứng dụng không cần đến băng tần rộng cần băng tần vừa đủ đáp ứng Đảm bảo hiệu suất di chuyển: LTE tối ưu hóa hiệu suất cho thiết bị đầu cuối di chuyển từ đến 15km/h, hỗ trợ với hiệu suất cao (chỉ giảm ít) di chuyển từ 15 đến 120km/h, vận tốc 120 km/h hệ thống trì kết nối toàn mạng tế bào ,chức hỗ trợ từ 120 đến 350km/h chí 500km/h tùy thuộc vào băng tần Giảm độ trễ mặt phẳng người sử dụng mặt phẳng điều khiển:  Giảm thời gian chuyển đổi trạng thái mặt phẳng điều khiển : Giảm thời gian để thiết bị đầu cuối ( UE - User Equipment) chuyển từ trạng thái nghỉ sang nối kết với mạng, bắt đầu truyền thông tin kênh truyền.Thời gian phải nhỏ 100ms  Giảm độ trễ mặt phẳng người dùng: Nhược điểm mạng tổ ong (ô) độ trễ truyền cao nhiều so với mạng đường dây cố định Điều ảnh hưởng lớn đến ứng dụng thoại chơi game …,vì cần thời gian thực Giao diện vô tuyến LTE mạng lưới cung cấp khả độ trễ 10ms cho việc truyền tải gói tin từ mạng tới UE Sẽ không chuyển mạch kênh : tất dựa IP 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 công việc chuẩn hóa 3GPP nhắm đến chuyển đổi kiến trúc mạng lõi tồn sang hệ thống toàn IP Trong 3GPP 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 phần lớn mạng số liệu cố định ngày nay- cung cấp dịch vụ giống PC thoại, video, tin nhắn dịch vụ đa Đinh Văn Khang – D11VT6 11 Chương 1: Tìm hiểu chung hệ thống LTE phương tiện Sự chuyển dịch lên kiến trúc toàn gói cho phép cải thiện phối hợp với mạng truyền thông không dây cố định khác.VoIP dùng cho dịch vụ thoại cố định khác.VoIP dùng cho dịch vụ thoại Độ phủ sóng từ 5-100km : vòng bán kính 5km LTE cung cấp tối ưu lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ độ di động Phạm vi lên đến 30km có giảm nhẹ cho phép lưu lượng người dùng hiệu suất phổ lại giảm cách đáng kể chấp nhận được, nhiên yêu cầu độ di động đáp ứng dung lượng 200 người/ô (băng thông 5MHz) Kiến trúc mạng đơn giản so với mạng 3G thời nhiên mạng LTE tích hợp cách dễ dàng với mạng 3G 2G Điều quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai LTE không cần thay đổi toàn sở hạ tầng mạng có OFDMA ,SC-FDMA MIMO sử dụng LTE : hệ thống hỗ trợ băng thông linh hoạt nhờ sơ đồ truy nhập OFDMA & SC-FDMA Ngoài có song công phân chia tần số FDD song công phân chia thời gian TDD Bán song công FDD cho phép để hỗ trợ cho người sử dụng với chi phí thấp không giống FDD, hoạt động bán song công FDD UE không cần thiết truyền & nhận đồng thời Điều tránh việc phải đầu tư song công đắt tiền UE Truy nhập đường lên dựa đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang SC-FDMA hứa hẹn gia tăng vùng phủ sóng đường lên tỉ số công suất đỉnh-trung bình thấp ( PARR) liên quan tới OFDMA Giảm chi phí : yêu cầu đặt cho hệ thống LTE giảm thiểu chi phí trì hiệu suất nhằm đáp ứng cho tất dịch vụ.Các vấn đề đường truyền,hoạt động bảo dưỡng liên quan đến yếu tố chi phí,chính không giao tiếp mà việc truyền tải đến trạm gốc hệ thống quản lý cần xác định rõ, số vấn đề yêu cầu độ phức tạp thấp,các thiết bị đầu cuối tiêu thụ lượng Cùng tồn với chuẩn hệ thống trước: hệ thống LTE phải tồn phối hợp hoạt động với hệ thống 3GPP khác Người sử dụng LTE thực gọi từ thiết bị đầu cuối chí họ không nằm vùng phủ sóng LTE Do đó, cho phép chuyển giao dịch vụ xuyên suốt, trôi chảy khu vực phủ sóng HSPA, WCDMA hay GSM/GPRS/EDGE Hơn nữa, LTE hỗ trợ không chuyển giao hệ thống, liên hệ thống mà chuyển giao liên miền miền chuyển mạch gói miền chuyển mạch kênh Đinh Văn Khang – D11VT6 12 Chương 1: Tìm hiểu chung hệ thống LTE 1.2 Kiến trúc mạng LTE Hình 1.1 miêu tả kiến trúc thành phần mạng cấu hình kiến trúc nơi có E-UTRAN tham gia Hình cho thấy phân chia kiến trúc thành bốn vùng chính: thiết bị người dùng (UE); UTRAN phát triển( E-UTRAN); mạng lõi gói phát triển (EPC); vùng dịch vụ Hình 1.1 Kiến trúc hệ thống cho mạng có E-UTRAN UE, E-UTRAN EPC đại diện cho giao thức internet (IP) lớp kết nối Đây phần hệ thống gọi hệ thống gói phát triển (EPS) Chức lớp cung cấp kết nối dựa IP tối ưu hóa cao cho mục tiêu Tất dịch vụ cung cấp dựa IP, tất nút chuyển mạch giao diện nhìn thấy kiến trúc 3GPP trước mặt E-UTRAN EPC Công nghệ IP chiếm ưu truyền tải, nơi mà thứ thiết kế để hoạt động truyền tải IP Các hệ thống đa phương tiện IP ( IMS) ví dụ tốt máy móc thiết bị phục vụ sử dụng lớp kết nối dịch vụ để cung cấp dịch vụ dựa kết nối IP cung cấp lớp thấp Ví dụ, để hỗ trợ dịch vụ thoại IMS cung cấp Đinh Văn Khang – D11VT6 13 Chương 1: Tìm hiểu chung hệ thống LTE thoại qua IP ( VoIP) kết nối tới mạng chuyển mạch-mạch cũ PSTN ISDN thông qua cổng đa phương tiện điều khiển Sự phát triển E-UTRAN tập chung vào nút, nút B phát triển ( eNode B) Tất chức vô tuyến kết thúc đó, tức eNB điểm kết thúc cho tất giao thức vô tuyến có liên quan E-UTRAN đơn giản mạng lưới eNodeB kết nối tới eNodeB lân cận với giao diện X2 Một thay đổi kiến trúc lớn khu vực mạng lõi EPC chứa vùng chuyển mạch-mạch, kết nối trực tiếp tới mạng chuyển mạch mạch truyền thống ISDN PSTN cần thiết lớp Các chức EPC tương đương với vùng chuyển mạch gói mạng 3GPP Tuy nhiên thay đổi đáng kể việc bố trí nút chức kiến trúc phần nên coi hoàn tòan 1.2.1 Thiết bị người dùng ( UE) UE thiết bị mà người dùng đầu cuối sử dụng để liên lạc Thông thường thiết bị cầm tay điện thoại thông minh thẻ liệu người sử dụng mạng 2G 3G Hoặc nhúng vào, ví dụ máy tính xách tay UE có chứa mođun nhận dạng thuê bao toàn cầu( USIM) Nó mođun riêng biệt với phần lại UE, thường gọi thiết bị đầu cuối (TE) USIM ứng dụng đặt vào thẻ thông minh tháo rời gọi thẻ mạch tích hợp toàn cầu ( UICC) USIM sử dụng để nhận dạng xác thực người sử dụng để lấy khóa bảo mật nhằm bảo vệ việc truyền tải giao diện vô tuyến Các chức UE tảng cho ứng dụng truyền thông, mà có tín hiệu với mạng để thiết lập, trì loại bỏ liên kết thông tin người dùng cần Điều bao gồm chức quản lý tính di động chuyển giao, báo cáo vị trí thiết bị, UE phải thực theo hướng dẫn mạng Có lẽ quan trọng UE cung cấp giao diện người sử dụng cho người dùng cuối để ứng dụng VoIP sử dụng để thiết lập gọi thoại 1.2.2 E-UTRAN NodeB (eNodeB) Nút E-UTRAN E-UTRAN NodeB ( eNodeB) Đơn giản đặt eNB trạm gốc vô tuyến kiểm soát tất chức vô tuyến liên quan phần cố định hệ thống Các trạm gốc eNB thường phân bố toàn khu vực phủ sóng mạng Mỗi eNB thường cư trú gần anten vô tuyến chúng Đinh Văn Khang – D11VT6 14 Chương 1: Tìm hiểu chung hệ thống LTE Chức eNB hoạt động cầu nối lớp UE EPC, điểm cuối tất giao thức vô tuyến phía UE, tiếp nhận liệu kết nối vô tuyến kết nối IP tương ứng phía EPC Trong vai trò EPC thực mã hóa / giải mã liệu UP, có nén / giải nén tiêu đề IP, tránh việc gửi lặp lại giống liệu liên tiếp tiêu đề IP eNodeB chịu trách nhiệm nhiều chức mặt phẳng điều khiển (CP) eNB chịu trách nhiệm quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM), tức kiểm sóat việc sử dụng giao diện vô tuyến , bao gồm : phân bổ tài nguyên dựa yêu cầu, ưu tiên lập lịch trình lưu lượng theo yêu cầu QoS, liên tục giám sát tình hình sử dụng tài nguyên Ngoài eNodeB có vai trò quan trọng quản lý tính di động (MM) Điều khiển eNB đo đạc phân tích mức độ tín hiệu vô tuyến thực UE Điều bao gồm trao đổi tín hiệu chuyển giao eNB khác MME Khi UE kích hoạt theo yêu cầu eNB kết nối vào mạng, eNB chịu trách nhiệm việc định tuyến đề nghị MME mà trước phục vụ cho UE, lựa chọn MME tuyến đường đến MME trước sẵn thông tin định tuyến vắng mặt Hình 1.2 cho thấy kết nối với eNB đến xung quanh nút logic, tóm tắt chức giao diện Trong tất kết nối eNB mối quan hệ – nhiều nhiều – nhiều Các eNB phục vụ đồng thời nhiều UE vùng phủ sóng UE kết nối tới eNB thời điểm Các eNB cần kết nối tới eNB lân cận với chuyển giao cần thực Cả hai MME S-GW gộp lại, có nghĩa tập hợp nút phân công để phục vụ cho tập hợp eNB Từ viễn cảnh eNB đơn có nghĩa cần phải kết nối tới nhiều MME S-GW Tuy nhiên UE phục vụ có MME S-GW thời điểm eNB phải trì theo dõi liên kết Sự kết hợp không thay đổi từ điểm eNodeB nhất, MME S-GW thay đổi kết hợp với chuyển giao liên eNodeB Đinh Văn Khang – D11VT6 15 Chương 1: Tìm hiểu chung hệ thống LTE Hình 1.2 eNodeB kết nối tới nút logic khác chức 1.2.3 Thực thể quản lý tính di động (MME) Thực thể quản lý tính di động(MME) thành phần điều khiển EPC Thông thường MME máy chủ vị trí an toàn sở nhà điều hành Nó hoạt động CP, không tham gia vào đường UP liệu Ngoài giao diện cuối vào MME kiến trúc thể hình 1.1, MME có kết nối logic trực tiếp tới UE, kết nối sử dụng kênh điều khiển UE mạng Sau danh sách chức MME cấu hình kiến trúc hệ thống : Xác thực bảo mật : UE đăng ký vào mạng lần đầu tiên, MME khởi tạo xác thực, cách thực điều sau: tìm danh tính thường trú UE, hoăc từ mạng truy nhập trước thân UE, yêu cầu từ phục vụ thuê bao thường trú (HSS) mạng chủ UE điều khiển chứng thực có chứa mệnh lệnh chứng thực – trả lời cặp tham số, gửi thử thách với UE so sánh trả lời nhận từ UE vào nhận từ mạng chủ Chức cần thiết để đảm bảo yêu cầu bảo vệ với UE Các MME lặp lại chức xác thực cần thiết theo chu kỳ Các chức dùng để bảo vệ thông tin liên lạc khỏi việc nghe trộm từ thay đổi bên thứ ba tương ứng trái phép Để bảo vệ riêng tư UE, MME phân bổ cho UE mã tạm thời gọi mã nhận dạng tạm thời toàn cầu (GUTI), cần phải gửi mã nhận dạng thường trú UE – mã nhận dạng thuê bao di động quốc tế ( IMIS) qua giao diện vô tuyến giảm thiểu Các GUTI cấp trở lại, ví dụ định kỳ để ngăn chặn theo dõi UE Đinh Văn Khang – D11VT6 16 Chương 1: Tìm hiểu chung hệ thống LTE Quản lý tính di động: MME theo dõi vị trí tất UE khu vực mình, UE đăng ký vào mạng lần đầu tiên, MME tạo lối vào cho UE tín hiệu với vị trí tới HSS mạng chủ UE MME yêu cầu tài nguyên thích hợp thiết lập eNodeB, S-GW mà lựa chọn cho UE Các MME sau tiếp tục theo dõi vị trí UE dựa mức độ eNB, UE kết nối, tức truyền thông hoạt động mức độ khu vực theo dõi (TA) MME điều khiển thiết lập giải phóng nguồn tài nguyên dựa thay đổi chế độ hoạt động UE MME tham gia vào việc điều khiển tín hiệu chuyển giao UE chế độ hoạt động eNB, S-GW MME MME tham gia vào thay đổi eNB phần tử điều khiển mạng vô tuyến riêng biệt nên ẩn hầu hết kiện Một UE trạng thái rảnh dỗi báo cáo vị trí định kỳ, chuyển tới khu vực theo dõi Nếu dữu liệu nhận từ bên cho UE rảnh dỗi, MME thông báo, yêu cầu eNB TA lưu giữ cho UE tới vị trí nhớ UE Quản lý hồ sơ thuê bao dịch vụ kết nối: vào thời điểm UE đăng ký vào mạng, MME chịu trách nhiệm lấy hồ sơ đăng ký từ mạng chủ Các MME lưu trữ thông tin suốt thời gian phục vụ UE Hồ sơ xác định kết nối mạng liệu gói phân bổ tới mạng tập tin đính kèm Các MME tự động thiết lập mặc định phần tử mang, cho phép UE kết nối IP Điều bao gồm tín hiệu CP với eNB S-GW Tại thời điểm sau này, MME cần tới tham gia vào việc thiết lập phần tử mang dành riêng cho dịch vụ hưởng lợi xử lý cao Các MME nhận yêu cầu thiết lập phần tử mang dành riêng, từ S-GW yêu cầu bắt nguồn từ khu vực dịch vụ điều hành, trực tiếp từ UE, UE yêu cầu kết nối cho dịch vụ mà đến khu vực dịch vụ điều hành, Hình 1.3 cho thấy kết nối MME đến quanh nút logic, tóm tắt chức giao diện Về nguyên tắc MME kết nối với MME khác hệ thống, thường kết nối giới hạn nhà điều hành mạng Các kết nối từ xa MME sử dụng UE xa, đăng ký với MME sau tìm kiếm nhận dạng thường trú UE, sau lấy nhận dạng thường trú UE, mã nhận dạng thuê bao di động quốc tế (IMIS), từ MME truy cập trước Các kết nối MME với MME lân cận sử dụng chuyển giao Đinh Văn Khang – D11VT6 17 Chương 1: Tìm hiểu chung hệ thống LTE Hình 1.3 MME kết nối tới nút logic khác chức Kết nối tới số HSS cần hỗ trợ, HSS nằm mạng chủ người dùng , tuyến đường tìm thấy dựa IMIS Mỗi MME cấu hình để điều khiển tập hợp S-GW eNodeB Cả hai S-GW eNodeB kết nối tới MME khác Các MME phục vụ số UE lúc, UE kết nối tới MME thời điểm 1.2.4 Cổng phục vụ ( S-GW) Trong cấu hình kiến trúc hệ thống, chức cao cấp S-GW quản lý đường hầm UP chuyển mạch S-GW phần hạ tầng mạng trì phòng điều hành trung tâm mạng Khi giao diện S5/S8 dựa GTP, S-GW có đường hầm GTP tất giao diện UP Ánh xạ luồng dịch vụ IP đường hầm GTP thực PGW, S-GW không cần kết nối với PCRF Toàn điều khiển có liên quan tới đường hầm GTP, đến từ MME P-GW Khi sử dụng giao diện PMIP S5/S8 S-GW thực việc ánh xạ dòng dịch vụ IP đường hầm S5/S8 đường hầm GTP giao diện S1-U, kết nối tới PCRF để nhận thông tin ánh xạ S-GW có vai trò nhỏ chức điều khiển Nó chịu trách nhiệm nguồn tài nguyên riêng nó, cấp phát chúng dựa yêu cầu từ MME, PGW PCRF, từ mà hành động thiết lập , sửa đổi xóa phần tử mang cho UE Nếu lênh nhận từ P-GW PCRF S-GW chuyển tiếp lệnh tới MME để điều khiển đường hầm tới eNodeB Đinh Văn Khang – D11VT6 18 Chương 1: Tìm hiểu chung hệ thống LTE Tương tự, MME bắt đầu có yêu cầu S-GW báo hiệu tới hai P-GW PCRF tùy thuộc vào S5/S8 dựa GTP PMIP tương ứng Nếu giao diện S5/S8 dựa PMIP liệu giao diện luồng IP đường hầm GRE truyền tới UE Khi giao diện S5/S8 dựa GTP phần tử mang có đường hầm riêng Do S-GW hỗ trợ PMIP S5/S8 có trách nhiệm liên kết phần tử mang, ví dụ: ánh xạ luồng IP giao diện S5/S8 vào phần tử mang giao diện S1 Chức S-GW gọi chức liên kết phần tử mang báo cáo kiện ( BBERF) Bất kể nơi mà tín hiệu phần tử mang bắt đầu, BBERF nhận thông tin liên kết phần tử mang từ PCRF Hình 1.4 Các kết nối S-GW tới nút logic khác chức Trong di chuyển eNodeB, S-GW hoạt động nút cuối di động địa phương MME lệnh S-GW để chuyển sang đường hầm từ eNodeB khác MME yêu cầu S-GW cung cấp tài nguyên đường hầm cho liệu chuyển tiếp có nhu cầu cần chuyển liệu từ eNodeB nguồn tới eNodeB đích thời điểm UE có chuyển giao vô tuyến Các tình di chuyển bao gồm thay đổi từ S-GW tới khác, MME điều khiển thay đổi cho phù hợp cách loại bỏ đường hầm S-GW cũ thiết lập chúng S-GW Đối với tất luồn liệu thuộc UE chế độ kết nối S-GW chuyển tiếp liệu eNodeB P-GW Tuy nhiên UE chế độ nhàn rỗi nguồn tài nguyên eNodeB giải phóng, đường dẫn liệu kết thúc Đinh Văn Khang – D11VT6 19 [...]... thậm chí là 500km/h tùy thuộc vào băng tần Giảm độ trễ trên mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển:  Giảm thời gian chuyển đổi trạng thái trên mặt phẳng điều khiển : Giảm thời gian để một thiết bị đầu cuối ( UE - User Equipment) chuyển từ trạng thái nghỉ sang nối kết với mạng, và bắt đầu truyền thông tin trên một kênh truyền.Thời gian này phải nhỏ hơn 100ms  Giảm độ trễ ở mặt phẳng người... USIM là một ứng dụng được đặt vào một thẻ thông minh có thể tháo rời được gọi là thẻ mạch tích hợp toàn cầu ( UICC) USIM được sử dụng để nhận dạng và xác thực người sử dụng để lấy khóa bảo mật nhằm bảo vệ việc truyền tải trên giao diện vô tuyến Các chức năng của UE là nền tảng cho các ứng dụng truyền thông, mà có tín hiệu với mạng để thiết lập, duy trì và loại bỏ các liên kết thông tin người dùng cần... với mạng 3G và 2G hiện tại Điều này hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai LTE vì không cần thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có OFDMA ,SC-FDMA và MIMO được sử dụng trong LTE : hệ thống này hỗ trợ băng thông linh hoạt nhờ các sơ đồ truy nhập OFDMA & SC-FDMA Ngoài ra còn có song công phân chia tần số FDD và song công phân chia thời gian TDD Bán song công FDD được cho phép để hỗ trợ cho... xuống Điều này dẫn đến sự linh hoạt sử dụng được hiệu quả băng thông Mức thông suất cao hơn khi hoạt động ở băng tần cao và đối với một số ứng dụng không cần đến băng tần rộng chỉ cần một băng tần vừa đủ thì cũng được đáp ứng Đảm bảo hiệu suất khi di chuyển: LTE tối ưu hóa hiệu suất cho thiết bị đầu cuối di chuyển từ 0 đến 15km/h, vẫn hỗ trợ với hiệu suất cao (chỉ giảm đi một ít) khi di chuyển từ 15... trí của thiết bị, và các UE phải thực hiện theo hướng dẫn của mạng Có lẽ quan trọng nhất là UE cung cấp giao diện người sử dụng cho người dùng cuối để các ứng dụng như VoIP có thể được sử dụng để thiết lập một cuộc gọi thoại 1.2.2 E-UTRAN NodeB (eNodeB) Nút duy nhất trên E-UTRAN là E-UTRAN NodeB ( eNodeB) Đơn giản đặt eNB là một trạm gốc vô tuyến kiểm soát tất cả các chức năng vô tuyến liên quan trong... trình lưu lượng theo yêu cầu QoS, và liên tục giám sát tình hình sử dụng tài nguyên Ngoài ra eNodeB còn có vai trò quan trọng trong quản lý tính di động (MM) Điều khiển eNB và đo đạc phân tích mức độ của tín hiệu vô tuyến được thực hiện bởi UE Điều này bao gồm trao đổi tín hiệu chuyển giao giữa eNB khác và MME Khi một UE mới kích hoạt theo yêu cầu của eNB và kết nối vào mạng, eNB cũng chịu trách nhiệm... các CP, và không tham gia vào con đường của UP dữ liệu Ngoài giao diện cuối vào MME trong kiến trúc thể hiện trong hình 1.1, MME còn có một kết nối logic trực tiếp tới UE, và kết nối này được sử dụng như là kênh điều khiển chính giữa UE và mạng Sau đây là danh sách các chức năng chính của MME trong cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống : Xác thực và bảo mật : khi một UE đăng ký vào mạng lần đầu tiên, MME... các người sử dụng với chi phí thấp không giống như FDD, trong hoạt động bán song công FDD thì một UE không cần thiết truyền & nhận đồng thời Điều này tránh việc phải đầu tư một bộ song công đắt tiền trong UE Truy nhập đường lên về cơ bản dựa trên đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang SC-FDMA hứa hẹn sẽ gia tăng vùng phủ sóng đường lên do tỉ số công suất đỉnh-trung bình thấp ( PARR) liên quan... các cặp tham số, gửi các thử thách với UE và so sánh các trả lời nhận được từ UE vào một trong những cái đã nhận từ mạng chủ Chức năng này là cần thiết để đảm bảo các yêu cầu bảo vệ với UE Các MME có thể lặp lại chức năng xác thực khi cần thiết hoặc theo chu kỳ Các chức năng này dùng để bảo vệ các thông tin liên lạc khỏi việc nghe trộm và từ sự thay đổi của bên thứ ba tương ứng trái phép Để bảo vệ sự... cận được sử dụng trong chuyển giao Đinh Văn Khang – D11VT6 17 Chương 1: Tìm hiểu chung về hệ thống LTE Hình 1.3 MME kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính Kết nối tới một số HSS cũng cần được hỗ trợ, các HSS nằm trong mạng chủ của người dùng , và một tuyến đường có thể được tìm thấy dựa trên IMIS Mỗi MME được cấu hình để điều khiển một tập hợp các S-GW và eNodeB Cả hai S-GW và eNodeB