Nghiên cứu các giải pháp thiết kế và tối ưu hóa chất lượng mạng LTE

Mục đích của LTE là cung cấp công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng với độ trễ truyền tải thấp, đồng thời hỗ trợ khả năng chuyển giao trong suốt cho lưu lượng dữ liệu với GPRS/HSPA.. Các

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠNG LTE 9

1.1 Sơ lược về công nghệ và quá trình phát triển 9

1.2 Cấu trúc tổng quan mạng LTE 11

1.3 Chức năng các phần tử mạng LTE 12

1.3 Băng tần thiết kế cho công nghệ LTE 15

1.4 Công nghệ truy nhập trong mạng LTE 15

1.4.1 Kỹ thuật đa truy nhập OFDMA 16

1.4.2 Kỹ thuật đa truy nhập SC-FDMA 18

CHƯƠNG II: CÁC THỦ TỤC TRUY NHẬP VÀ CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG LTE 21

2.1 Các thủ tục và giao diện mạng LTE 21

2.1.1 Các giao diện của mạng LTE 21

2.1.2 Cấu trúc kênh trên giao diện vô tuyến LTE 23

2.1.2.1 Các kênh logic 23

2.1.2.2 Các kênh truyền tải 24

2.1.2.3 Các kênh vật lý 25

2.1.3 Thủ tục tìm kiếm mạng 27

2.1.4 Thủ tục truy nhập ngẫu nhiên 28

2.1.5 Thủ tục điều khiển tài nguyên vô tuyến 29

2.1.6 Thủ tục thiết lập kênh truyền tải 30

2.1.7 Thủ tục truy nhập mạng ban đầu 33

2.1.8 Thủ tục yêu cầu kênh dành riêng 35

2.2 Chuyển giao trong mạng LTE 37

2.2.1 Chuyển giao trên giao diện X2 37

2.2.2 Chuyển giao trên giao diện S1 40

2.2.3 Chuyển giao với mạng 2G/3G 42

CHƯƠNG III: QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG QOS & HIỆU NĂNG TRONG MẠNG LTE 43

3.1 Quản lý QoS và hiệu năng trong mạng LTE 43

3.2.1 Các lớp định danh chất lượng dịch vụ 44

3.2.2 Cấp phát và giữ quyền ưu tiên ARP 45

3.2.3 Các tốc độ bít trong truyền tải 46

3.4 Quản lý chất lượng QoS trong eNodeB 46

3.4.1 Cung cấp QoS 46

3.4.1.1 Cung cấp QoS trên giao diện vô tuyến 46

3.4.1.2 Cung cấp QoS trong mạng truyền tải 48

3.4.2 Điều khiển truy nhập vào 48

3.4.2.1 Điều khiển dựa trên tài nguyên vô tuyến 48

3.4.2.2 Điều khiển khi có nghẽn 51

3.5 Một số chỉ tiêu chất lượng mạng LTE 53

3.5.1 Nhóm chỉ tiêu về khả năng truy nhập 53

3.5.2 Nhóm chỉ tiêu về khả năng duy trì dịch vụ 54

3.5.3 Nhóm chỉ tiêu về khả năng di động, chuyển giao 54

3.5.4 Nhóm chỉ tiêu về hiệu suất sử dụng và độ khả dụng 55

3.5.5 Nhóm chỉ tiêu về lưu lượng và người sử dụng 55

3.5.6 Nhóm chỉ tiêu về khả năng toàn vẹn của dịch vụ 56

CHƯƠNG IV: MẠNG LTE THỬ NGHIỆM THỰC TẾ TẠI NHÀ MẠNG MOBIFONE 57

4.1 Thống kê năng lực mạng 2G/3G Mobifone hiện tại 57

4.2 Chủng loại thiết bị LTE cho thử nghiệm 59

4.3 Mô hình kết nối hệ thống LTE thử nghiệm 59

4.4 Quy hoạch lại băng tần sử dụng cho LTE 60

4.4.1 Quy hoạch lại tần số cho mạng 2G/1800 60

4.4.2 Quy hoạch tần số 1800 cho mạng LTE thử nghiệm 61

4.4.3 Thiết kế tần số 2600 cho mạng LTE thử nghiệm 61

4.5 Số lượng trạm eNodeB thử nghiệm 61

4.5.1 Số trạm giai đoạn 1 61

4.5.2 Số trạm giai đoạn 2 62

4.6 Khu vực lắp đặt thử nghiệm 62

4.6.1 Các vị trí lắp đặt giai đoạn 1 62

4.6.2 Các vị trí lắp đặt giai đoạn 2 62

4.6.3 Thiết kế các trạm eNodeB giai đoạn 1 63

4.6.4 Truyền dẫn cho các trạm giai đoạn 1 63

4.7 Một số dịch vụ và ứng dụng của mạng thử nghiệm 64

4.8 Kết quả kiểm tra và đo kiểm các tính năng hệ thống 64

4.9 Kết quả đo kiểm tra các dịch vụ thử nghiệm 65

CHƯƠNG V: GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HÓA CHẤT LƯỢNG MẠNG LTE 66

5.1 Giải pháp thiết kế và quy hoạch mạng LTE 66

5.1.1 Lý thuyết chung 66

5.1.2 Số liệu tham khảo cho thiết kế và quy hoạch mạng LTE 68

5.2 Số liệu thiết kế và quy hoạch mạng LTE Mobifone đến 2020 71

5.3 Quy trình tối ưu hóa mạng vô tuyến LTE 72

5.3.1 Đối với tối ưu hóa mạng lõi 72

5.3.2 Đối với tối ưu hóa mạng vô tuyến 73

5.3.3 Các công cụ hỗ trợ thiết kế và tối ưu hóa mạng 74

5.3.4 Quy trình tối ưu hóa theo khuyến nghị của hãng Samsung 74

5.3.4.1 Quy trình thực hiện tối ưu hóa từng trạm eNodeB 74

5.3.4.2 Quy trình thực hiện tối ưu hóa nhiều trạm (cluster) 75

5.4 Một số khuyến nghị để nâng cao chất lượng mạng LTE 76

5.4.1 Chiến lược tham số cho chế độ rỗi (Idle Mode) 76

5.4.2 Chiến lược tham số cho chế độ bận (Connected Mode) 77

5.4.3 Chiến lược tham số khi điều khiển tải 78

5.4.4 Chiến lược lựa chọn mạng 2G/3G/4G ở chế độ idle 78

5.4.5 Khuyến nghị một số ngưỡng chuyển giao 79

5.4.6 Chiến lược tham số cho dịch vụ CSFB 80

5.4.7 Khuyến nghị về công nghệ ăng ten cho 4G 80

5.4.8 Khuyến nghị nâng cấp tốc độ truyền dẫn 80

5.4.9 Khuyến nghị về cơ sở hạ tầng 80

5.4.10 Đầu cuối UE hỗ trợ sử dụng mạng LTE 81

5.5 Kết quả đo kiểm mạng LTE trước và sau tối ưu hóa 81

PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ ĐO DRIVETEST TRƯỚC VÀ SAU KHI THỰC HIỆN TỐI ƯU HÓA MẠNG LTE MOBIFONE THỬ NGHIỆM GIAI ĐOẠN 1 84

PHỤ LỤC 2: MÔ PHỎNG VÙNG PHỦ SÓNG MẠNG LTE MOBIFONE THỬ NGHIỆM GIAI ĐOẠN 2 85

PHỤ LỤC 3: MÔ PHỎNG VÙNG PHỦ SÓNG KHU VỰC MẠNG LTE MIỀN BẮC MOBIFONE ĐƯỢC QUY HOẠCH ĐẦU TƯ NĂM 2016 86

KẾT LUẬN 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 CÁC TỪ VIẾT TẮT 90

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Lịch sử phát triển công nghệ mạng di động [17]

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của mạng LTE [17]

Hình 1.3 So sánh cấu trúc mạng UMTS và mạng LTE [6]

Hình 1.4 Nguyên lý sử dụng các sóng mang con trực giao [17]

Hình 1.5 So sánh phổ tần số các kỹ thuật FDMA và OFDMA [17]

Hình 1.6 So sánh kỹ thuật OFDMA và kỹ thuật SC-FDMA [17]

Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống thu phát SC-FDMA trong miền tần số [17]

Hình 2.1 Các giao diện và giao thức sử dụng giữa E-UTRAN và EPC [2]

Hình 2.2 Các chức năng lớp giao thức của giao diện vô tuyến Uu [2]

Hình 2.3 Cấu trúc kênh logic - truyền tải - vật lý giao diện Uu [2]

Hình 2.4 Thủ tục truy nhập mạng ngẫu nhiên [2]

Hình 2.5 Các kênh truyền tải trong mạng LTE [2]

Hình 2.6 Thủ tục thiết lập kênh mặc định và truy nhập ban đầu [2]

Hình 2.7 Thủ tục yêu cầu cấp kênh dành riêng [2]

Hình 2.8 Các thủ tục chuyển giao trên giao diện X2 [2]

Hình 2.9 Các thủ tục chuyển giao trên giao diện S1 [2]

Hình 3.1 Cấu trúc các phần tử và giao diện chính trong mạng LTE [3]

Hình 4.1 Mô hình kết nối mạng LTE thử nghiệm tại Mobifone [12]

Hình 4.2 Các vị trí trạm eNodeB lắp đặt giai đoạn 1

Hình 4.3 Các vị trí trạm eNodeB lắp đặt cả 2 giai đoạn

Hình 5.6 Minh họa chiến lược tham số lựa chọn mạng ở chế độ rỗi [13]

Hình 5.7 Minh họa chiến lược tham số lựa chọn mạng ở chế độ bận [13]

Hình 5.8 Minh họa chiến lược tham số điều khiển tải lưu lượng [13]

Hình 5.9 Minh họa chiến lược ưu tiên lựa chọn mạng 2G/3G/4G [13]

Hình 5.10 Minh họa các ngưỡng chuyển giao với mạng 2G/3G [13]

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, ngành viễn thông thế giới đã chứng kiến sự phát triển rất mạnh mẽ và thực sự bùng nổ Đặc biệt là lĩnh vực thông tin di động,

số lượng khách hàng sử dụng dịch vụ ngày một tăng, dịch vụ mạng 2G và 3G đã đạt đến trạng thái gần như bão hòa, công nghệ mạng cũng liên tục được cập nhật

và nâng cấp từ mạng thông tin di động 1G lên 2G, đến 2.5G, lên 3G và hiện nay nhiều nước đã đầu tư, nâng cấp công nghệ, chính thức khai thác thương mại các dịch vụ mạng thông tin di động thế hệ thứ 4 (LTE)

Tại Việt Nam, xu hướng công nghệ di động cũng rất phát triển và chuẩn bị nâng lên thế hệ mạng 4G để đáp ứng nhu cầu về dịch vụ ngày càng cao của người dân Trong đó, công nghệ 4G-LTE và LTE Advanced, với mạng truy nhập vô tuyến tiên tiến E-UTRAN, được dự đoán sẽ là nền tảng công nghệ chiếm hơn 80% thị phần lưu lượng 4G toàn cầu có thể được ưu tiên triển khai tại Việt Nam

do những ưu điểm nổi trội cũng như khả năng tận dụng các hạ tầng mạng 2G/3G hiện tại, khách hàng sẵn có,

Đề tài “Nghiên cứu các giải pháp thiết kế và tối ưu hóa chất lượng mạng LTE” được trình bày thành các chương sau:

1) Chương I: Trình bày một cách khái quát về lịch sử phát triển các thế hệ

mạng thông tin di động Giới thiệu tổng quan về công nghệ LTE, trong đó

có đề cập đến cấu trúc tổng quan và các phần tử chức năng mạng LTE 2) Chương II: Nghiên cứu, trình bày về các giao diện trong mạng LTE, thủ

tục truy nhập mạng và vấn đề chuyển giao trong LTE

3) Chương III: Nghiên cứu, giới thiệu các nội dung về quản lý chất lượng và

hiệu năng của mạng LTE

4) Chương IV: Giới thiệu công nghệ mạng LTE thiết bị Samsung, thiết bị

NSN đã và đang thử nghiệm tại Tổng Công ty Viễn thông Mobifone Trong đó có các số liệu đo kiểm tra thực tế, thực hiện các phân tích, đánh giá minh họa cho một số dịch vụ mạng LTE thử nghiệm đã được cung cấp tại Việt Nam

5) Chương V: Nghiên cứu, trình bày về giải pháp thiết kế và tối ưu hóa chất

lượng mạng vô tuyến LTE Đồng thời đề xuất một số khuyến nghị để nâng cao chất lượng và dịch vụ mạng 4G

Để hoàn thành báo cáo luận văn thạc sĩ này, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS Nguyễn Văn Khang đã hướng dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành đúng thời gian và đầy đủ các nội dung theo đề cương đã được Trường Đại Học Bách khoa Hà Nội giao

Trong quá trình nghiên cứu, thực hiện luận văn thạc sĩ, do thời gian có hạn

và công nghệ LTE hiện vẫn chưa có nhà mạng nào chính thức khai thác thương mại ở Việt Nam, tác giả còn có một số hạn chế do đó không tránh khỏi còn nhiều thiếu sót Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy và chuyên gia để bản luận văn này được hoàn thiện hơn

Hà Nội, tháng 04 năm 2016

Học viên

Đỗ Trung Minh

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG

NGHỆ MẠNG LTE

1.1 Sơ lược về công nghệ và quá trình phát triển

Trước khi LTE ra đời, công nghệ thông tin di động đã trải qua 3 thế

hệ (1G, 2G và 3G) và đang hướng tới triển khai các công nghệ tiền 4G, trong

đó LTE thu hút sự quan tâm rộng rãi bởi LTE được xem như hệ thống tiến hóa tiếp theo cho các công nghệ di động dựa trên nền tảng GSM/UMTS (GSM, GPRS/ EDGE, HSPA/HSPA+) Mục đích của LTE là cung cấp công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng với độ trễ truyền tải thấp, đồng thời hỗ trợ khả năng chuyển giao trong suốt cho lưu lượng dữ liệu với GPRS/HSPA LTE bắt đầu được tiêu chuẩn hóa kể từ phiên bản 3GPP R8, cho đến hiện tại 3GPP đã ban hành đến phiên bản 3GPP R11 Kể từ phiên bản R10 trở đi, LTE được gọi là LTE Advanced

Hình 1.1 Lịch sử phát triển công nghệ mạng di động [17]

Trên toàn thế giới, hơn 80% nhà cung cấp dịch vụ di động hiện tại đang sử dụng công nghệ GSM Lợi thế về cơ sở hạ tầng sẵn có và số lượng khách hàng sử dụng đông đảo là lý do chính để phát triển thị trường di động băng rộng với công nghệ 3G/HSPA và tiếp theo sẽ là LTE Công nghệ LTE

có khả năng tương thích gần như hoàn hảo với công nghệ nền tảng GSM/UMTS Thực tế cho thấy, hầu hết các hãng sản xuất thiết bị viễn thông hàng đầu trên thế giới như: Nokia Siemens Networks, Ericsson, Alcatel-

GSM

9.6kbit/s

GPRS 171.2kbit/s

EDGE 473.6kbit/s

UMTS 2Mbit/s

HSDPA 14.4Mbit/s

HSUPA 5.76Mbit/s

HSPA+

28.8Mbit/s 42Mbit/s

LTE +300Mbit/s

đã nhận ra tiềm năng to lớn này và đã cùng bắt tay với các mạng di động lớn trên thế giới (Vodafone, Verizon Wireless, AT&T, France Telecom-Orange, NTT DoCoMo, T-Mobile, China Mobile, China Telecom, .) thực hiện các cuộc thử nghiệm quan trọng trên công nghệ LTE và đã đạt những thành công đáng kể

Mạng LTE đầu tiên đưa vào khai thác thương mại năm 2009 (02 mạng), sang 2010 có 16 mạng, năm 2011 có 46 mạng, các năm tiếp sau đó số lượng mạng LTE tăng nhanh chóng, năm 2014 đã có 288 mạng LTE và đến cuối năm 2015 đã có 442 nhà mạng trên thế giới chính thức cung cấp dịch vụ mạng LTE cho khách hàng tại 147 quốc gia Số lượng khách hàng sử dụng dịch vụ mạng LTE cũng tăng lên đáng kể, đến đầu năm 2014 trên thế giới đã

có 200 triệu người sử dụng dịch vụ mạng LTE, dự kiến giai đoạn 2015-2017

số lượng khách hàng sẽ phát triển mạnh mẽ, đến 2017 con số đó ước sẽ đạt khoảng 1 tỷ khách hàng

Ở Việt Nam, mạng di động 3G dựa trên công nghệ UMTS bắt đầu triển khai và cung cấp dịch vụ tới khách hàng từ cuối năm 2009 và hiện đã đạt được vùng phủ sóng khá tốt, các nhà mạng đang trong quá trình nâng cao chất lượng sóng, cải thiện tốc độ dữ liệu cũng như phát triển các dịch vụ nội dung Số lượng người sử dụng dịch vụ 3G chiếm khoảng 56% tổng số lượng thuê bao toàn mạng do còn nhiều hạn chế về thiết bị đầu cuối, vùng phủ sóng, giá cước dịch vụ và các nội dung ứng dụng chưa phát triển Tuy nhiên quá trình triển khai thử nghiệm LTE đã bắt đầu được tiến hành gần đây Bộ Thông tin Truyền thông đã cấp giấy phép thử nghiệm công nghệ 4G cho các doanh nghiệp VNPT, CMC, FPT, VTC và Viettel Theo đó các doanh nghiệp

sẽ thử nghiệm công nghệ 4G trong thời hạn 1 năm và có thể kéo dài trong thời gian 2 năm để đánh giá công nghệ và nhu cầu của người sử dụng tại Việt Nam Đi đầu trong việc triển khai cung cấp thử nghiệm dịch vụ công nghệ 4G tại Việt Nam là Tập đoàn VNPT và đơn vị triển khai thử nghiệm đầu tiên

là Công ty VDC Tháng 10/2010, những trạm phát sóng công nghệ LTE đầu tiên tại Việt Nam đã được lắp đặt Nhà mạng Mobifone và Vinaphone cũng chuẩn bị có kế hoạch thử nghiệm mạng LTE của riêng mình

Các mạng thông tin di động tại Việt Nam hầu hết đang hoạt động với 2 công nghệ truy nhập vô tuyến là GSM/GPRS/EDGE cho mạng 2G và

dụng các dịch vụ di động băng rộng tại Việt Nam ngày càng gia tăng Tuy nhiên tốc độ truy nhập mạng 3G vẫn còn một số hạn chế (tốc độ tải xuống/tải lên trung bình đạt 8.5 Mbps/2.5 Mbps tại khu vực thành phố lớn, các khu vực còn lại đạt khoảng 3.5 Mbps/1.2 Mbps) Do vậy các ứng dụng như Video Call, Mobile TV hiện tại có chất lượng còn thấp, chưa đáp ứng nhu cầu tốc

độ cao của người sử dụng 3G Trong tương lai việc các nhà mạng tại Việt Nam triển khai, đầu tư nâng cấp mạng di động hiện tại lên LTE là nhu cầu gần như tất yếu nhằm cung cấp các dịch vụ ứng dụng băng rộng, tốc độ cao như truyền hình HD & VoD, Video/VoIP Call chất lượng cao, trò chơi trực tuyến, … phục vụ cho khách hàng

1.2 Cấu trúc tổng quan mạng LTE

Cấu trúc cơ bản của mạng LTE với hai thành phần chính là mạng lõi

và mạng truy nhập vô tuyến, được thể hiện như ở hình vẽ dưới đây:

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của mạng LTE [17]

Một trong những mục tiêu hướng tới của công nghệ mạng LTE là tối thiểu hóa số lượng các phần tử mạng Do đó phần tử RNC trong mạng 3G đã

đƣợc loại bỏ Các chức năng của RNC đƣợc mạng LTE thiết kế lại, chuyển một phần chức năng sang các trạm eNodeB cơ sở, và một phần chuyển sang các nút cổng giao tiếp của mạng lõi Để phân biệt với các trạm cơ sở 3G-UMTS, các trạm cơ sở của LTE đƣợc gọi là eNodeB Các trạm này sẽ thực hiện chức năng quản lý dữ liệu truyền tải một cách độc lập, đồng thời bảo đảm chất lƣợng dịch vụ

Hình vẽ sau đây mô tả sự chuyển đổi trong cấu trúc mạng thông tin

di động từ công nghệ WCDMA (UMTS) sang công nghệ mạng 4G LTE

Hình 1.3 So sánh cấu trúc mạng UMTS và mạng LTE [6]

Một số đặc điểm chính:

- Cấu trúc mạng LTE đơn giản hơn mạng 3G

- Số lƣợng phần tử mạng không nhiều, dễ triển khai

- Trễ truyền tải thấp và rất dễ vận hành khai thác, bảo dƣỡng mạng

- Các giao diện S1 và X2 đều sử dụng truyền dẫn Full-IP

- Tốc độ truyền tải dữ liệu rất cao

Khối E-UTRAN (eNodeB): Có các chức năng chính sau đây

 Truyền dữ liệu của người sử dụng

 Mã hóa và giải mã kênh vô tuyến

 Bảo vệ toàn vẹn dữ liệu

 Phối hợp giảm nhiễu giữa các cell

 Thiết lập và giải phóng kết nối

 Cân bằng tải

 Phân chia các bản tin NAS Bản tin NAS sử dụng để chuyên chở các báo hiệu non-radio (báo hiệu không thu phát trên giao diện vô tuyến) giữa UE và MME

EPS Bearer Control

Idle State Mobility Handling NAS Security

P-GW

UE IP address allocation Packet Filtering

 Chia sẻ tài nguyên mạng truy nhập vô tuyến

 Phát quảng bá MBMS

Khối EPC: Bao gồm các phần tử

 Phần tử quản lý di động MME: chịu trách nhiệm xử lý những chức năng mặt bằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao và quản lý phiên MME là phần tử điều khiển quan trọng nhất của mạng truy nhập LTE Nó đảm nhiệm các chức năng chính sau:

+ Tìm kiếm UE trong trạng thái idle và connected, bao gồm cả truyền tải lại

+ Kích hoạt/giải hoạt các phiên dữ liệu, lựa chọn SGW cho một

UE khi bắt đầu kết nối và chuyển giao trong mạng LTE liên quan tới thay đổi node trong mạng lõi

+ Xác định người dùng (trao đổi với hệ thống HSS), hay tạo ra

và phân bổ các nhận diện tạm thời đến UE

+ Là điểm kết cuối trong mạng cho việc mã hóa/bảo vệ tích hợp báo hiệu NAS và xử lý việc quản lý mã an ninh

+ Hỗ trợ báo hiệu dành cho nghe lén hợp pháp

+ Cung cấp các chức năng lớp điều khiển cho chuyển giao di động giữa LTE và mạng truy nhập 2G/3G với kết cuối giao diện S3 từ SGSN tại MME

+ Là điểm kết cuối giao diện S6a đến HSS cho các thuê bao chuyển vùng

 Cổng dịch vụ SGW: là vị trí kết nối dữ liệu gói với E-UTRAN SGW cũng hoạt động như một node định tuyến đến những thành phần mạng công nghệ 3GPP khác SGW thực hiện chức năng định tuyến và chuyển tiếp các gói dữ liệu khách hàng, trong khi vẫn hoạt động như một lớp giao tiếp di động cho lớp người dùng trong quá trình chuyển giao giữa các eNodeB SGW còn thực hiện chức năng chuyển vùng giữa LTE và các công nghệ 3GPP khác Đối với các

UE ở trạng thái rỗi (chưa sử dụng), SGW kết nối đường dữ liệu

quản lý và lưu trữ các ngữ cảnh cho UE, ví dụ như các tham số của phiên dịch vụ IP, thông tin định tuyến nội mạng SGW cũng thực hiện sao chép lưu lượng người dùng trong trường hợp triển khai nghe lén hợp pháp

 Cổng dữ liệu gói PGW: là điểm đầu cuối cho những phiên hướng về mạng dữ liệu gói bên ngoài và cũng là router kết nối đến mạng Internet PGW cung cấp kết nối cho UE đến các mạng gói ngoài với việc hoạt động như một cổng ra vào cho lưu lượng UE Một UE có thể có nhiều kết nối tới nhiều PGW PGW cũng thực thi việc áp đặt chính sách, lọc gói cho người dùng, hỗ trợ ghi cước và nghe lén hợp pháp Một vai trò quan trọng khác của PGW là hoạt động như một cổng giao tiếp di động giữa công nghệ 3GPP và các công nghệ khác như WiMAX,

1.3 Băng tần thiết kế cho công nghệ LTE

Trên thế giới, công nghệ mạng LTE đã được thiết kế hoạt động tại các băng tần số sau: 2.1GHz, 1.9GHz, 1.8GHz, 2.6GHz, 900 MHz, 800 MHz,

450 MHz, … trong đó 43% nhà mạng sử dụng băng tần 1800

Băng thông tương ứng có thể đạt được:

Băng thông kênh

Tốc độ tối đa tải

• Như vậy, tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20Mhz:

 Tải lên (UL): 75 Mbps

 Tải xuống (DL): 150 Mbps

• Khi đó, dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một

người dùng trên 1Mhz so với mạng 3G/HSPA như sau:

 Tải lên (UL): gấp 2 đến 3 lần

 Tải xuống (DL): gấp 3 đến 4 lần

1.4 Công nghệ truy nhập trong mạng LTE

Công nghệ truy nhập mạng LTE sử dụng các kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA cho truy nhập đường xuống và kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang SC-FDMA cho các truy nhập đường lên

1.4.1 Kỹ thuật đa truy nhập OFDMA

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA dựa trên nền tảng công nghệ điều chế trực giao OFDM, một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau Các sóng mang này được điều chế để trực giao với nhau, và nhờ đó phổ tín hiệu của các sóng mang này được phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn có thể khôi phục lại được tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường Đồng thời, bởi vì chu kỳ của các kí hiệu tăng lên nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống một cách đáng kể Nguyên lý sử dụng các sóng mang con trực giao này được minh họa

cụ thể trong hình vẽ dưới đây:

Hình 1.4 Nguyên lý sử dụng các sóng mang con trực giao [17]

Bằng cách sử dụng kỹ thuật đa sóng mang con chồng xung, ta có thể tiết kiệm được đáng kể băng thông sử dụng Thông quan kỹ thuật này hiệu quả sử dụng phổ tần số cũng được nâng lên đáng kể Hình vẽ dưới đây minh họa cho sự khác nhau về phổ tần số giữa các kỹ thuật truy nhập FDMA và OFDMA

Hình 1.5 So sánh phổ tần số các kỹ thuật FDMA và OFDMA [17]

Ưu điểm của kỹ thuật OFDMA trong truy nhập đường xuống:

- Loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên tín hiệu nếu độ dài chuỗi bảo vệ lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền

- Thực hiện việc chuyển đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song, tăng chu kỳ của các kí hiệu, dẫn tới việc giảm sự phân tán theo thời gian gây bởi trải trễ do truyền dẫn đa đường

- Tăng hiệu quả sử dụng phổ tần bằng việc cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con Hạn chế được ảnh hưởng của fading bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh con phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau

- Rất phù hợp cho thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng (tốc độ truyền dẫn cao), giảm tối đa các ảnh hưởng của phân tập tần số đối với chất lượng mạng so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang

- Cấu trúc máy thu đơn giản Tương thích với các bộ thu và các loại ăng ten tiên tiến

- Thích ứng đường truyền và lập biểu trong miền tần số

Nhược điểm của kỹ thuật OFDMA:

- Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng Điều này gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuyếch đại công suất ở các máy phát

và máy thu

- Các chuỗi bảo vệ được sử dụng để triệt tiêu nhiễu phân tập đa đường, nhưng đồng thời cũng làm giảm đi một phần hiệu suất sử dụng đường truyền, do bản thân các chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích

- Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doopler cũng như sự dịch tần và dịch thời gian do sai số đồng bộ

1.4.2 Kỹ thuật đa truy nhập SC-FDMA

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang FDMA là kỹ thuật được 3GPP sử dụng cho đường truyền hướng lên của LTE Các tín hiệu SC-FDMA có tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình thấp hơn nhiều so với kỹ thuật OFDMA Điều này giúp tăng đáng kể hiệu quả sử dụng các bộ khuếch đại công suất tại UE Ngoài ra, việc xử lý tín hiệu của kỹ thuật SC-FDMA có một số điểm tương đồng với kỹ thuật OFDMA, và do đó các tham số hướng xuống và hướng lên vẫn có thể cân đối với nhau

Giống như trong kỹ thuật OFDMA, các máy phát trong kỹ thuật FDMA cũng sử dụng các tần số trực giao khác nhau để phát đi các tín hiệu thông tin Tuy nhiên các ký hiệu này được phát đi lần lượt chứ không phải song song như trong kỹ thuật OFDMA, và do đó làm giảm đáng kể sự dao động về biên độ của đường bao tín hiệu sóng phát, dẫn tới việc các tín hiệu SC-FDMA có tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình thấp hơn so với các tín hiệu OFDMA Đây cũng là lý do chính để công nghệ mạng LTE lựa chọn kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang SC-FDMA cho đường lên với mục đích đảm bảo dung lượng pin cho các thiết bị người

SC-sử dụng có thể kéo dài nhất có thể và kích thước máy đầu cuối được dễ dàng thiết kế, đảm bảo nhỏ gọn,

Đổi lại, các tín hiệu SC-FDMA thu được tại các trạm gốc bị nhiễu giữa các ký tự khá lớn Các trạm thu phát gốc sẽ phải sử dụng bộ cân bằng thích ứng miền tần số để loại bỏ nhiễu này

Hình 1.6 So sánh kỹ thuật OFDMA và kỹ thuật SC-FDMA [17]

Hình vẽ trên cho thấy sự khác nhau giữa kỹ thuật OFDMA và kỹ

thuật SC-FDMA trong quá trình truyền các ký hiệu số liệu theo thời gian Ở

mô hình này, mỗi người sử dụng sẽ được cấp bốn sóng mang con (P = 4) với

băng thông sóng con bằng 15KHz Mỗi ký hiệu OFDMA hoặc SC-FDMA

truyền bốn bít số liệu được điều chế QPSK cho người sử dụng Đối với

OFDMA, bốn bít số liệu này được truyền đồng thời với băng tần con cho mỗi

ký hiệu là 15KHz trong mỗi khoảng thời gian hiệu dụng (TFFT) của một ký

hiệu OFDMA, trong khi đó đối với kỹ thuật SC-FDMA, bốn ký hiệu số liệu

này được truyền lần lượt trong khoảng thời gian bằng 1/P (P = 4) thời gian

hiệu dụng của một ký hiệu SC-FDMA với băng tần con bằng P x 15KHz

(4x15 KHz) cho mỗi ký hiệu

Trong kỹ thuật OFDMA, biến đổi Fourier nhanh FFT được sử dụng

ở đầu thu cho mỗi khối ký tự và FFT ngược ở đầu phát Còn với kỹ thuật

SC-FDMA, cả hai thuật toán này được sử dụng ở cả đầu phát và đầu thu Cấu

trúc các bộ thu-phát tín hiệu SC-FDMA được thể hiện như hình sau:

Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống thu phát SC-FDMA trong miền tần số [17]

CHƯƠNG II: CÁC THỦ TỤC TRUY NHẬP VÀ

CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG LTE

2.1 Các thủ tục và giao diện mạng LTE

2.1.1 Các giao diện của mạng LTE

Hình 2.1 Các giao diện và giao thức sử dụng giữa E-UTRAN và EPC [2]

Hình vẽ trên mô tả các phần tử mạng chính, các giao diện và giao thức sử dụng trong mạng truy nhập (E-UTRAN) và trong mạng lõi dữ liệu (EPC) của hệ thống LTE

 Giao diện vô tuyến Uu:

Đây là giao diện vô tuyến giữa UE và eNodeB Giao thức RRC được sử dụng cho kết nối giữa UE và eNodeB Trên giao thức RRC có một lớp không cho phép truy nhập NAS tại UE Lớp NAS kết thúc tại MME và eNodeB sẽ làm nhiệm vụ chuyển tiếp các bản tin lớp NAS tới MME

 Giao diện S1-MME:

Các eNodeB và MME giao tiếp với nhau sử dụng giao diện này Giao thức S1-AP là giao diện lớp ứng dụng Các giao thức truyền tải được sử dụng tại đây

 Giao diện S5:

Đây là giao diện giữa SGW và PGW Giao diện IP có hai lựa chọn Giao diện S5 có thể là giao diện GTP hoặc giao diện PMIP Giao diện PMIP được sử dụng để hỗ trợ truy nhập mạng không theo chuẩn 3GPP (non-trusted 3GPP), còn giao diện GTP được sử dụng cho các truy nhập mạng theo chuẩn 3GPP

 Giao diện S1-U:

Giao diện lớp người dùng giữa eNodeB và SGW Giao thức GTP-U là giao thức ứng dụng thực hiện đóng gói UE payload Giao thức GTP-U chạy trên UDP Toàn bộ các giao diện IP có thể hỗ trợ các công nghệ IPv4 hoặc IPv6

Hình 2.2 Các chức năng lớp giao thức của giao diện vô tuyến Uu [2]

2.1.2 Cấu trúc kênh trên giao diện vô tuyến LTE

Lớp vật lý cung cấp các kênh truyền tải tới lớp trên L2 (Layer 2) Các kênh truyền tải khác nhau ở các đặc tính dữ liệu được truyền và ánh xạ tới các kênh logic khác nhau của lớp MAC Các kênh logic sẽ mô tả loại dữ liệu được truyền tải đi

2.1.2.1 Các kênh logic

Các kênh logic có thể được chia thành các nhóm kênh điều khiển và kênh lưu lượng Các kênh điều khiển được sử dụng để truyền thông tin mặt phẳng điều khiển (CP) và các kênh lưu lượng được sử dụng để truyền tải thông tin mặt phẳng ứng dụng (UP) Các kênh logic được hỗ trợ bởi mạng LTE bao gồm:

Các kênh điều khiển:

 Kênh điều khiển quảng bá (BCCH): là kênh sử dụng ở đường xuống cung cấp thông tin điều khiển hệ thống được phát quảng bá

 Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH): kênh được sử dụng ở đường xuống mà truyền tải thông tin tìm gọi thuê bao Kênh này được sử dụng khi mạng không biết vị trí cell hiện tại của thuê bao UE

 Kênh điều khiển chung (CCCH): kênh được sử dụng bởi UE không

có kết nối RRC với mạng Kênh CCCH sẽ được sử dụng bởi UE khi truy nhập một cell mới hoặc sau khi thực hiện lựa chọn lại cell

 Kênh điều khiển Multicast (MCCH): Một kênh đường xuống điểm

-đa điểm được sử dụng để truyền thông tin điều khiển và lập kế hoạch phát quảng bá từ mạng tới UE, cho một hoặc một vài MTCH Sau khi thiết lập một kết nối RRC, kênh này chỉ được sử dụng bởi

Các kênh lưu lượng:

 Kênh lưu lượng dành riêng (DTCH): kênh điểm - điểm được dành riêng cho một UE để truyền thông tin dữ liệu thuê bao Một kênh DTCH có thể tồn tại ở cả đường lên và đường xuống

 Kênh lưu lượng Multicast (MTCH): Một kênh đường xuống điểm –

đa điểm để truyền dữ liệu lưu lượng từ mạng tới nhiều UE sử dụng MBMS

2.1.2.2 Các kênh truyền tải

Cơ chế được sử dụng để giảm thiểu số lượng các kênh truyền tải nhằm hạn chế các chuyển mạch không cần thiết giữa các loại kênh khác nhau Thực tế là chỉ chó một kênh truyền tải ở đường xuống và một kênh truyền tải ở đường lên vận chuyển dữ liệu thuê bao, chuyển mạch kênh không cần thiết thực hiện

Trong LTE, các kênh truyền tải sau đây được cung cấp tại lớp vật lý:

Đường xuống:

 Kênh quảng bá (BCH): Một kênh quảng bá tốc độ bít thấp cố định

sử dụng cho toàn bộ một khu vực phủ sóng của cell Kỹ thuật tạo chùm sóng mang không được sử dụng cho kênh loại này

 Kênh chia sẻ đường xuống (DL-SCH): kênh có khả năng sử dụng thông tin HARQ và liên kết thích ứng bằng cách thay đổi điều chế,

mã hóa và công suất phát Kênh có khả năng quảng bá thông tin trong toàn bộ cell và có thể sử dụng kỹ thuật tạo chùm sóng mang (beamforming) Chế độ phát tiết kiệm công suất UE được hỗ trợ để giảm tiêu thụ công suất cho thiết bị người sử dụng Truyền tải phát quảng bá cũng được hỗ trợ

 Kênh tìm gọi (PCH): một kênh thực hiện phát quảng bá thông tin tìm gọi thuê bao cho toàn bộ cell Phát tiết kiệm công suất được hỗ trợ để cho phép tiết kiệm công suất tiêu thụ cho người sử dụng

 Kênh Multicast (MCH): Một kênh truyền tải riêng cho Multicast Kênh này được phát quảng bá trong toàn bộ cell Chức năng kết hợp truyền tải phát quảng bá từ nhiều cell được hỗ trợ

Đường lên:

 Kênh chia sẻ đường lên (UL-SCH): Một kênh có khả năng sử dụng HARQ và khả năng tương thích kết nối bằng cách thay đổi công suất phát, điều chế và mã hóa Kỹ thuật tạo chùm sóng mang cũng có thể được sử dụng

 Kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH): kênh được sử dụng để lấy thông tin đồng bộ thời gian (đối với truy nhập ngẫu nhiên cận đồng bộ) và để gửi thông tin cần thiết để được cấp quyền truyền dữ liệu (truy nhập ngẫu nhiên đồng bộ) Các UE đã có một kết nối RRC sẽ

có sự hỗ trợ hạn chế đối với truy nhập ngẫu nhiên

2.1.2.3 Các kênh vật lý

Lớp vật lý cung cấp các dịch vụ tới lớp MAC dưới dạng các kênh truyền tải Dữ liệu người dùng cần gửi đi được cung cấp tới lớp vật lý từ lớp MAC dưới

dạng các khối truyền tải Lớp MAC ở bên gửi đi cũng hỗ trợ lớp vật lý với các thông tin điều khiển cần thiết cho việc gửi đi và nhận lại dữ liệu người dùng

Lớp vật lý định nghĩa các kênh vật lý và các tín hiệu vật lý Một kênh vật

lý tương ứng với một tập hợp các tài nguyên vật lý được sử dụng cho truyền tải

dữ liệu và thông tin điều khiển từ lớp MAC Một tín hiệu vật lý, mà cũng tương ứng với một tập các kênh vật lý, được sử dụng để hỗ trợ chức năng lớp vật lý nhưng không mang bất kỳ thông tin nào từ lớp MAC Các kênh vật lý và các tín hiệu vật lý sau đây được định nghĩa:

Các kênh vật lý:

- Kênh PDSCH: vận chuyển dữ liệu kênh truyền tải DL-SCH

- Kênh PUSCH: vận chuyển dữ liệu kênh truyền tải UP-SCH

- Kênh PCFICH: chỉ ra định dạng PDCCH trên đường xuống

- Kênh PDCCH: mang thông tin báo hiệu điều khiển đường xuống lớp L1/L2 (Layer 1/ Layer 2)

- Kênh PUCCH: mang thông tin báo hiệu điều khiển đường lên lớp L1/L2 (Layer 1/ Layer 2)

- Kênh PHICH: mang thông tin HARQ đường xuống

- Kênh PBCH: truyền dữ liệu kênh truyền tải BCH đường xuống

- Kênh PMCH: truyền dữ liệu kênh truyền tải MCH đường xuống

- Kênh PRACH: truyền dữ liệu đường lên thông tin truy nhập ngẫu nhiên được tạo ra bởi kênh truyền tải RACH

Các tín hiệu vật lý:

- Các tín hiệu tham chiếu: hỗ trợ đo tín hiệu và giải điều chế đường lên và đường xuống

- Tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp (P-SCH và S-SCH): chỉ sử dụng đường xuống trong thủ tục tìm kiếm tín hiệu cell

- Tín hiệu tham chiếu SRS : hỗ trợ đo tín hiệu đường lên

Hình 2.3 Cấu trúc kênh logic - truyền tải - vật lý giao diện Uu [2]

2.1.3 Thủ tục tìm kiếm mạng

Khi một UE bật nguồn, nó cần tìm kiếm mạng Bước đầu tiên là thực hiện

tủ tục tìm kiếm CELL Đây là thủ tục mà một thiết bị đầu cuối có thể tìm thấy một cell để thực hiện các dịch vụ trong đó Như một phần của thủ tục tìm kiếm cell, đầu cuối lấy thông tin nhận dạng ID của cell và ước lượng định thời gian khung của cell được nhận dạng LTE hỗ trợ 510 nhận dạng cell khác nhau chia thành 170 nhóm cell trong đó mỗi nhóm có 3 cell

LTE phát đi 2 loại tín hiệu ở đường xuống:

- Tín hiệu đồng bộ chính (P-SCH)

- Tín hiệu đồng bộ thứ cấp (S-SCH)

Ở bước đầu tiên của thủ tục tìm kiếm CELL, UE sử dụng tín hiệu đồng bộ chính để tìm kiếm các khung thời gian 5ms Tín hiệu này được phát đi hai lần trong mỗi khung (khung LTE là 10ms) Đầu cuối có thể sử dụng tín hiệu này để nhận dạng khung thời gian theo khoảng cách 5ms Sau đó đầu cuối khóa pha tần

số dao động theo tần số sóng mang trạm thu phát Đầu cuối do vậy có thể tìm ra nhận dạng ID trong cell Nó cũng nhận biết một phần cấu trúc tín hiệu tham chiếu

Trong bước tiếp theo, thiết bị đầu cuối phát hiện ID nhóm cell và xác định được định thời khung sử dụng tín hiệu đồng bộ thứ cấp

2.1.4 Thủ tục truy nhập ngẫu nhiên

Để truyền dữ liệu, UE cần thực hiện một thiết lập kết nối với mạng LTE

Do vậy, UE cần phải gửi bản tin yêu cầu mạng cấp phát cho một kênh kết nối Thủ tục truy nhập ngẫu nhiên được sử dụng để thiết lập mã nhận dạng đầu cuối duy nhất tại đường lên

Hình 2.4 Thủ tục truy nhập mạng ngẫu nhiên [2]

- Đầu tiên UE phát đi một dữ liệu Random Access Preamble cho phép eNodeB ước lượng thời gian truyền của UE

- Trong bước tiếp theo, eNodeB sẽ gửi một bản tin trả lời Random Access Response Bản tin này có mang lệnh định thời trước TA (Timing Advance)

để điều chỉnh thời gian phát của đầu cuối, dựa trên các kết quả đo định thời nhận được ở bước đầu tiên Ngoài việc thiết lập đồng bộ đường lên, bước này cũng cấp phát các tài nguyên đường lên được sử dụng trong các bước tiếp theo tới đầu cuối UE Nhận dạng tạm thời cũng được gán cho UE để truyền tin với mạng lưới sau này Bản tin trả lời này được gửi trên kênh PDCCH

- Bước thứ 3, UE sẽ gửi nhận dạng đầu cuối di động tới mạng lưới sử dụng UL- SCH Nội dung chính xác của tín hiệu này phụ thuộc và trạng thái trước đó của đầu cuối (RRC_IDLE)

- Bước thứ 4, eNodeB gửi bản tin Contention Resolution từ mạng lưới tới đầu cuối trên kênh DL-SCH

2.1.5 Thủ tục điều khiển tài nguyên vô tuyến

Trong mạng LTE, có hai trạng thái điều khiển tài nguyên mạng vô tuyến RRC đó là RRC_Idle và RRC_Connected

- Trong trạng thái RRC_Idle, không có kênh vô tuyến báo hiệu nào được thiết lập trước đó, do vậy không tồn tại kết nối RRC nào

- Trong trạng thái RRC_Connected, kênh vô tuyến báo hiệu đã được thiết lập Các kênh vô tuyến báo hiệu (SRB) được định nghĩa là các kênh vô tuyến được sử dụng để gửi các bản tin RRC và bản tin NAS Các kênh SRB được phân loại thành:

+ SRB 0: gửi bản tin RRC sử dụng kênh logic CCCH

+ SRB 1: gửi bản tin NAS qua kênh logic DCCH

+ SRB 2: sử dụng cho các bản tin RRC có độ ưu tiên cao, truyền qua kênh logic DCCH

Các thủ tục RRC:

- Thủ tục tìm gọi: gửi thông tin tìm gọi/thông tin từ hệ thống mạng LTE tới

UE trong trạng thái RRC_Idle

- Thủ tục thiết lập kết nối RRC:

+ Mục đích là để thiết lập SRB1

+ Thủ tục này được khởi tạo bởi UE do các lớp trên yêu cầu một kết nối báo hiệu khi UE ở trạng thái RRC_Idle

- Thủ tục cấu hình lại kết nối RRC:

+ Mục đích là để thiết lập/thay đổi/giải phóng các kênh vô tuyến

+ Thực hiện các chuyển giao

+ Thủ tục được khởi tạo từ mạng

- Thủ tục thiết lập lại kết nối RRC: để thiết lập lại kết nối RRC kết nối RRC

- Thủ tục kích hoạt bảo mật ban đầu

+ Kích hoạt chức năng bảo mật cho thiết lập RRC

+ Thủ tục khởi tạo bởi eNodeB

- Thủ tục giải phóng RRC

2.1.6 Thủ tục thiết lập kênh truyền tải

Kênh truyền tải (bearer) là kênh thực hiện vận chuyển thông tin trong mạng LTE Có ba loại kênh truyền tải trong mạng LTE bao gồm: kênh vô tuyến, kênh S1 và kênh EPS được mô tả trong hình vẽ dưới đây:

Hình 2.5 Các kênh truyền tải trong mạng LTE [2]

Các kênh vô tuyến mang thông tin trên giao diện vô tuyến trong khi kênh S1 nằm giữa eNodeB và MME/SGW Các kênh truyền tải EPS nằm giữa MME

và SGW (và giữa SGW và PGW) Các kênh truyền tải vô tuyến, kênh truyền tải S1 và kênh truyền tải EPS được ánh xạ tương ứng 1-1 với nhau

Các kênh vô tuyến được thiết lập sử dụng giao thức RRC

Các kênh truyền tải EPS cung cấp dịch vụ kết nối truy nhập từ E-UTRAN tới EPC Một khái niệm quan trọng liên quan đến các kênh truyền tải EPS là tham số TFT Tham số TFT được sử dụng để phân biệt giữa hai loại tải gói tin khác nhau TFT sử dụng IP header, chẳng hạn như địa chỉ IP hoặc số cổng để phân biệt giữa các loại tải tin Mỗi TFT được ánh xạ tới một lớp QoS và toàn bộ

dữ liệu được ánh xạ tới TFT này sẽ được xử lý theo cùng đặc tính của lớp QoS

đó

Một kênh truyền tải EPS được thiết lập khi UE kết nối tới mạng dữ liệu gói

và duy trì trong suốt thời gian kết nối Nó được gọi là kênh mặc định Kênh mặc định cung cấp kết nối IP “always on” tới mạng LTE Bất kỳ kênh truyền tải EPS

bổ sung nào được gọi là kênh dành riêng Mỗi kênh dành riêng được kết hợp với một TFT và mỗi TFT có một nhận dạng QoS đính kèm nó Do vậy một kênh dành riêng luôn luôn được kết hợp với một giá trị QoS nhất định TFT đường lên được sử dụng để ánh xạ lưu lượng đường lên tới một lớp QoS trong khi TFT đường xuống được sử dụng để ánh xạ lưu lượng đường xuống tới một lớp QoS Ánh xạ QoS đường lên được thực hiện tại eNodeB trong khi ánh xạ QoS đường xuống được thực hiện tại SGW hoặc PGW

Một kênh truyền tải EPS được xem như một kênh có tốc độ bít được đảm bảo (GBR) nếu các tài nguyên mạng dành riêng liên quan đến giá trị GBR kết hợp với kênh truyền tải EPS đó được cấp phát cố định khi thiết lập/điều chỉnh kênh Ngoài ra một kênh EPS có thể được cấu hình loại kênh Non-GBR Một kênh mặc định thì luôn được thiết lập là kênh Non-GBR

Chất lượng QoS các kênh truyền tải:

Cấu hình QoS cho kênh truyền tải EPS bao gồm các tham số QCI, ARP, GBR và MBR Mỗi kênh truyền tải EPS (GBR hoặc Non-GBR) được kết hợp với các tham số QoS mức truyền tải như sau:

- Nhận dạng lớp QoS (QCI)

- Cấp phát và giữ quyền ưu tiên (ARP) Một giá trị QCI được sử dụng như một tham chiếu tới các tham số đặc trưng của nút mạng truy nhập mà điều khiển hành vi chuyển tiếp gói tin mức truyền tải (tham số mức độ ưu tiên lập kế hoạch, các mức ngưỡng truy nhập, các mức ngưỡng quản lý hàng đợi, cấu hình giao thức lớp kết nối, .) và được cấu hình trước bởi nhà điều hành mạng sở hữu nút truy nhập đó (ví dụ eNodeB)

Giá trị ARP bao gồm thông tin về mức độ ưu tiên, khả năng duy trì Mục đích chính của cấp phát và giưc quyền ưu tiên là để xác định liệu một yêu cầu

trường hợp các tài nguyên bị giới hạn (điển hình như dung lượng vô tuyến sẵn sàng đối với các kênh GBR).

Mỗi kênh GBR được kết hợp thêm với các tham số QoS mức truyền tải như sau:

- Tốc độ bít đảm bảo (GBR)

- Tốc độ bít tối đa (MBR)

Tốc độ bít đảm bảo ký hiệu cho tốc độ bít được dành riêng cho một kênh GBR Tốc độ bít tối đa MBR giới hạn tốc độ bít mà có thể dành sử dụng cho một kênh GBR (lưu lượng dư ra sẽ bị loại ra bởi một hàm giới hạn tốc độ)

Mỗi truy nhập APN bởi một UE, được kết hợp với các tham số QoS sau đây: Tốc độ bít tối đa cho một APN

APN-AMBR là một tham số đăng ký thuê bao được cấp cho mỗi APN trong hệ thống HSS Nó giới hạn tốc độ bít tập hợp có thể cung cấp cho toàn bộ các kênh có tốc độ bít không đảm bảo và cho toàn bộ các kết nối mạng dữ liệu gói của cùng APN Mỗi kênh tốc độ bít không đảm bảo có thể sử dụng toàn bộ băng thông APN-AMBR trong trường hợp các kênh Non-GBR khác không mang lưu lượng Các kênh GBR nằm ngoài phạm vi tác động của tham số APN-AMBR PGW thiết lập bắt buộc tham số APN-AMBR trong đường xuống Gán giá trị APN-AMBR đường lên được thực hiện tại UE và PGW

Mỗi UE trong trạng thái EMM-REGISTERED được kết hợp với tham số QoS mức truyền tải: Tốc độ bít tối đa tập hợp cho mỗi UE (UE-AMBR)

Giá trị UE-AMBR được giới hạn bởi tham số thuê bao được lưu trong HSS MME sẽ thiết lập UE-AMBR bằng tổng các giá trị APN-AMBR của toàn

bộ các APN đang hoạt động dành cho giá trị AMBR được đăng ký AMBR giới hạn tốc độ bít tập hợp có thể cung cấp cho toàn bộ các kênh Non-GBR của một UE Mỗi kênh Non-GBR có thể sử dụng toàn bộ băng thông UE-AMBR khi các kênh Non-GBR khác không mang lưu lượng Các kênh GBR không nằm trong phạm vi tác động của UE-AMBR Khối E- UTRAN gán giá trị UE-AMBR cả đường lên và đường xuống

UE-Giá trị ARP của kênh mặc định sẽ được thiết lập một cách thích hợp để giảm thiểu nguy cơ giải phóng kênh mặc định một cách không cần thiết

2.1.7 Thủ tục truy nhập mạng ban đầu

Khi UE bật nguồn, nó phải thực hiện thủ tục truy nhập tới một mạng Một tần số đường lênh và đường xuống được cấp phát tới UE để UE có thể giao tiếp được với mạng Cùng với việc cấp phát tần số, UE cũng được gán một địa chỉ IP

để giao tiếp với mạng dữ liệu

- Thủ tục ban đầu như tìm kiếm cell đã được giải thích ở phần trên Bản tin tìm gọi được gửi bởi mạng LTE tới UE để thông báo về hệ thống UE trong trạng thái RRC_IDLE và RRC_CONNECTED đều có thể hiểu được thông tin tìm gọi

- Nếu UE muốn giao tiếp với eNodeB, nó cần sử dụng một kết nối RRC Do vậy đầu tiên thủ tục gán RRC được thực hiện UE ở trạng thái ECM_IDLE gửi đi một bản tin RRC_CONNECTION_REQUEST tới eNodeB Nếu eNodeB chấp nhận yêu cầu, nó sẽ gửi đi một bản tin trả lời chấp nhận RRC_CONNECTION_ACCEPT tới UE Sau khi nhận được bản tin này, kết nối RRC sẽ được thiết lập Tiếp theo để hoàn thành thủ tục, UE gửi đi bản tin hoàn thành kết nối RRC_CONNECTION_COMPLETE cùng với một bản tin NAS

- Đối với thủ tục truy nhập mạng ban đầu, bản tin NAS là một yêu cầu kết nối tới mạng dữ liệu gói Bản tin này được sử dụng bởi UE để thông báo mạng rằng nó cần một kênh truyền tải để truyền dữ liệu

- Sau khi nhận được bản tin RRC_CONNECTION_COMPLETE cùng với bản tin NAS, eNodeB lấy thông tin của bản tin NAS, đặt nó vào trong bản tin S1-AP (bản tin do UE khởi tạo) và chuyển tiếp nó tới MME

- MME đọc bản tin NAS này và hiểu rằng UE cần một kênh mặc định và một địa chỉ IP MME tạo ra bản tin giao thức GTP là CREAT SESSION REQUEST và chuyển tiếp nó tới SGW Tại điểm này, MME gán giá trị ID kênh truyền tải EPS cho kết nối

Hình 2.6 Thủ tục thiết lập kênh mặc định và truy nhập ban đầu [2]

- Trên giao diện S5 dựa trên giao thức PMIP, SGW gửi bản tin PROXY BINDING UPDATE tới PGW SGW lưu trữ giá trị EBI và ánh xạ nó tới kênh sử dụng giao thức PMIP

- PGW khi nhận được bản tin sẽ trả lời bằng bản tin PROXY BINDING ACKNOWLEDGEMENT Bản tin này bao gồm một địa chỉ IP được gửi tới UE

- Khi SGW nhận được bản tin ACK, nó tạo ra bản tin GTP CREAT SESSION RESPONSE với các giá trị SGW FTE ID cho mặt phẳng ứng dụng, EBI và QoS mức truyền tải SGW giao tiếp tới PCRF để lấy thông tin các giá trị QoS

- MME nhận bản tin SESSION RESPONSE Nó lấy thông tin SGW FTEID, EBI và các giá trị QoS và gói vào trong bản tin NAS ACTIVATE DEFAULT BEARER CONTEXT REQUEST và gửi nó tới eNodeB trong

bản tin S1AP ERAB SETUP REQUEST Tại thời điểm này, kênh truyền tải EPS được thiết lập và một kênh vô tuyến phải được thiết lập để UE có thể bắt đầu truyền dữ liệu

- Bản tin ERAB SETUP REQUEST cũng thực hiện tương tự eNodeB nhận bản tin S1AP, lấy thông tin trong bản tin NAS và gói vào trong bản tin RRC RECONFIGURATION REQUEST và gửi nó tới UE Ngoài ra, eNodeB cũng đọc các giá trị QoS và SGW FTE ID cho truyền tải dữ liệu đường lên

- UE bắt đầu với bản tin RRC RECONFIGURATION COMPLETE Nó cũng bắt đầu xử lý bản tin NAS Khi lớp NAS chấp nhận thiết lập kênh mặc định tương tự như được thông báo tới eNodeB trong bản tin RRC UL INFO TRANSFER Bản tin lớp NAS là ACTIVATE DEFAULT BEARER CONTEXT REQUEST ACCEPT được gán cho bản tin RRC Tại thời điểm này, UE biết được nhận dạng kênh và địa chỉ IP và các giá trị QoS tương ứng

- eNodeB thông báo rằng UE đã chấp nhận kênh mặc định tới MME trong bản tin S1AP UL NAS TRANSPORT, kèm theo bản tin NAS eNodeB cũng chỉ ra giá trị FTEID của nó cho giao tiếp mặt phẳng ứng dụng tới MME

- MME tiếp theo sẽ phải thông báo thông tin mặt phẳng ứng dụng eNodeB tới SGW Nó thực hiện việc này trong bản tin GTP MODIFY BEARER REQUEST SGW nhận được thông tin về mặt phẳng ứng dụng eNodeB và sau đó dữ liệu ứng dụng bắt đầu được truyền tải trong kênh mặc định 2.1.8 Thủ tục yêu cầu kênh dành riêng

Hình 2.7 Thủ tục yêu cầu cấp kênh dành riêng [2]

Một kênh dành riêng được yêu cầu bởi UE để truyền dữ liệu với một mức QoS cụ thể nào đó Một kênh mặc định luông là kênh Non-GBR Nếu UE muốn

có một dịch vụ tin cậy cho một vài ứng dụng, nó có thể yêu cầu một kênh dành riêng mà mạng có thể hỗ trợ

- UE yêu cầu kênh dành riêng sử dụng bản tin lớp NAS là BEARER RESOURCE ALLOCATION Nó gửi giá trị TFT và LBI trong bản tin NAS Ngoài ra bản tin NAS cũng bao gồm nhận dạng xác nhận giao dịch Tham số TFT bao gồm thông tin về loại lưu lượng Điển hình TFT chỉ ra thông tin IP header chẳng hạn như một địa chỉ IP hoặc số cổng TCP/UDP

- Bản tin NAS này được truyền từ eNodeB tới MME trong bản tin S1AP INITIAL UE

- MME sau khi nhận được bản tin BEARER RESOURCE ALLOCATION tạo ra một bản tin BEARER RESOURCE COMMAND và gửi nó tới SGW Bản tin này bao gồm các tham số PTI, LBI, TFT và các giá trị QoS

- SGW liên lạc với PCRF và lấy thông tin các giá trị QoS cho tham số TFT Các giá trị QoS có thể là các giá trị mà UE đã yêu cầu hoặc có thể có giá trị khác Nó phụ thuộc vào đăng ký thuê bao trong hệ thống HSS SGW tạo

ra bản tin GTP CREAT BEARER REQUEST với tham số LBI, các giá trị QoS mới, PTI và SGW FTEID cho mặt phẳng ứng dụng và gửi nó tới MME

- Sau khi nhận được bản tin CREAT BEARER REQUEST, MME tạo ra một bản tin NAS là ACTIVATE DEDICATE BEARER CONTEXT REQUEST, gói nó vào trong bản tin S1AP ERAB SETUP và gửi nó tới eNodeB Bản tin NAS này bao gồm các tham số LBI, EBI cho kênh dành riêng (MME gán giá trị này), các giá trị QoS, PTI và FTEID mặt phẳng ứng dụng SGW

- Tiếp theo, eNodeB đọc bản tin NAS, lưu trữ giá trị FTEID mặt phẳng ứng dụng SGW và các giá trị QoS Sau đó nó chuyển tiếp bản tin NAS tới UE trong bản tin RRC RECONFIGURATION REQUEST

- Nếu UE chấp nhận các giá trị QoS mới và tham số EBI, nó gửi bản tin NAS là ACTIVATE DEDICATED BEARER REQUEST ACCEPT tới eNodeB trong bản tin RRC UL INFO TRANSFER

- Sau đó eNodeB chuyển tiếp bản tin NAS cùng với FTEID mặt phẳng ứng dụng của nó tới MME

- MME gửi FTEID từ mặt phẳng ứng dụng eNodeB tới SGW trong bản tin CREATE BEARER RESPONSE

2.2 Chuyển giao trong mạng LTE

2.2.1 Chuyển giao trên giao diện X2

Cơ chế chuyển giao đầu tiên dựa trên giao diện X2 Giao diện X2 là giao diện giữa hai eNodeB và giao thức X2-AP là giao thức được sử dụng để giao tiếp

trên giao diện này Chuyển giao diễn ra khi eNodeB phát hiện rằng nó không thể phục vụ tiếp UE do các hạn chế về mức công suất tín hiệu, tài nguyên,

Các bản tin trao đổi khi thực hiện thủ tục chuyển giao trên X2 đƣợc mô tả trong sơ đồ sau đây:

Hình 2.8 Các thủ tục chuyển giao trên giao diện X2 [2]

- eNodeB khởi tạo liên tục hỏi UE về các mức công suất đo đƣợc trong bản tin RRC Measurement Control

- UE sẽ trả lời bằng các kết quả đo trong bản tin RRC Measurement Report Chi tiết các bản tin này có thể đƣợc tìm thấy trong tiêu chuẩn kỹ thuật giao thức RRC

- Dựa trên báo cáo đo tín hiệu, eNodeB khởi tạo sẽ ra quyết định thực hiện chuyển giao hay không Nếu eNodeB khởi tạo nhận biết rằng eNodeB khác

có thể phục vụ tốt hơn, nó sẽ bắt đầu thủ tục chuyển giao

- Nếu quyết định chuyển giao được thực hiện, thì eNodeB khởi tạo gửi một bản tin yêu cầu chuyển giao X2-AP tới eNodeB sẽ chuyển giao đến

- Bản tin yêu cầu chuyển giao có thể bao gồm UE Context IE và E-RAB cần thiết lập UE Context IE thường bao gồm thông tin về MME, khả năng bảo mật UE, E-RAB cần thiết lập mang thông tin ERAB ID, QoS, RRC Contexts, Nhiều E-RAB kết hợp với nhiều kênh truyền tải EPS có thể được gửi trong bản tin này

- Nếu eNodeB chuyển đến gửi bản tin xác nhận yêu cầu chuyển giao tới eNodeB khởi tạo, bản tin xác nhận bao gồm thông tin E-RAB mà được eNodeB chuyển đến chấp nhận

- Sau khi nhận được bản tin xác nhận yêu cầu chuyển giao từ eNodeB chuyển đến, eNodeB khởi tạo gửi bản tin RRC Connection Reconfiguration tới UE, để chỉ ra rằng chuyển giao cần được thực hiện eNodeB khởi tạo sẽ gửi bản tin SN Status Transfer tới eNodeB chuyển đến

để thông báo PDCP và trạng thái HFN Vào thời điểm này, UE sẽ rời khỏi eNodeB khởi tạo và đồng bộ với eNodeB chuyển đến

- UE hoàn thành cấu hình lại RRC bằng cách gửi đi bản tin RRC Connection Reconfiguration Complete tới eNodeB chuyển đến Ngoài ra UE bắt đầu truyền dữ liệu tới eNodeB chuyển đến Dữ liệu này được lưu trữ đệm tại eNodeB chuyển đến cho tới khi các kênh truyền tải EPS được điều chỉnh

- Tiếp theo, eNodeB chuyển đến gửi môt bản tin S1-AP Patch Switch Request tới MME chỉ ra rằng chuyển giao đã diễn ra Bản tin này bao gồm thông tin E-RAB mà được eNodeB chấp nhận

- MME tiếp theo sẽ phải thay đổi các kênh EPS tương ứng với E-RAB được chấp nhận MME gửi bản tin Modify Bearer Request tới SGW, mà bao gồm toàn bộ các kênh EPS được thay đổi và thông tin FTEID của eNodeB chuyển đến

- Nếu yêu cầu được chấp nhận, SGW gửi bản tin trả lời cùng với S1-U SGW FTEID nếu chúng được thay đổi

- MME sau khi nhận được bản tin trả lời sẽ gửi bản tin yêu cầu xác nhận tới eNodeB chuyển đến chỉ ra việc thay đổi thành công các kênh truyền tải EPS eNodeB chuyển đến tiếp theo yêu cầu eNodeB khởi tạo giải phóng toàn bộ các kết nối liên quan đến UE

- Nếu giao diện S5/S8 dựa trên giao thức PMIP được sử dụng, thì sẽ không

có thêm bản tin nào được trao đổi qua cùng giao diện cho cơ chế chuyển giao này

2.2.2 Chuyển giao trên giao diện S1

Loại chuyển giao này diễn ra khi không có kết nối X2 giữa eNodeB khởi tạo và eNodeB chuyển đến Xem xét cách thức các mạng được triển khai nếu không có kết nối X2 giữa các eNodeB, chẳng hạn như trường hợp cả hai eNodeB được phục vụ bởi các MME khác nhau Một trường hợp khác nữa là các SGW khác nhau Giả sử có một UE di chuyển từ eNodeB khởi tạo đến eNodeB chuyển đến mà eNodeB khởi tạo được phục vụ bởi MME và SGW ban đầu trong khi eNodeB chuyển đến được phục vụ bởi MME và SGW chuyển đến khác Trong trường hợp này, giả sử các MME ban đầu và MME chuyển đến có thể giao tiếp với nhau qua giao diện S10 Bởi vì toàn bộ các quyết định chuyển giao được diễn

ra trên giao diện S1, nó được gọi là chuyển giao dựa trên S1

- eNodeB khởi tạo thực hiện quyết định chuyển giao UE tới eNodeB chuyển đến Nó nhận ra rằng không tồn tại kết nối với eNodeB chuyển đến, do vậy chuyển giao dựa trên S1 được lựa chọn

- eNodeB khởi tạo gửi bản tin S1-AP Handover Required tới MME khởi tạo, thông báo thực hiện chuyển giao S1 và nguyên nhận của chuyển giao Bản tin này bao gồm MME UE S1 AP và eNodeB UE S1 AP ID Các ID này được sử dụng để nhận diện UE duy nhất trong một eNodeB và MME nào

đó

- MME khởi tạo gửi bản tin GTP Forward Relocation Request tới MME chuyển đến qua giao diện S10 chỉ ra loại chuyển giao dựa trên S1 Bản tin này bao gồm toàn bộ thông tin chi tiết được gửi khi UE được attach với EUTRAN Bản tin này cũng bao gồm toàn bộ các ngữ cảnh kênh truyền tải EPS mà được thiết lập cho UE đó