Đảm bảo chất lượng trong LTE

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOANLỜI CẢM ƠNMỤC LỤCDANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮTDANH MỤC CÁC BẢNGDANH MỤC CÁC HÌNHMỞ ĐẦU1CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE4(Long term evolution)41.1.Giới thiệu chương.41.2.Giới thiệu về công nghệ LTE 1, 2, 3, 441.3.So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax7Tổng kết chương:9CHƯƠNG II: KIẾN TRÚC MẠNG VÀ GIAO THỨC112.1.Giới thiệu chương112.2.Kiến trúc mạng LTE 1, 3, 4112.2.1.Tổng quan về cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống112.2.2.Thiết bị người dùng ( UE)112.2.3.EUTRAN NodeB (eNodeB)112.2.4.Thực thể quản lý tính di động (MME)132.2.5.Cổng phục vụ ( SGW)142.2.6.Cổng mạng dữ liệu gói( PGW)152.2.7.Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên ( PCRF)162.2.8.Máy chủ thuê bao thường trú (HSS)172.2.Các giao diện và giao thức trong kiến trúc cơ bản của hệ thống 1172.3.Giao thức trạng thái và chuyển tiếp trạng thái 1, 3, 4212.4.Kiến trúc hệ thống phát quảng bá đa điểm 1, 4, 5222.5.Kiến trúc miền thời gian toàn phần(Overall time domai structure)242.6.Hệ thống kênh truyền trong LTE 24262.6.1 Hệ thống kênh đường xuống 24272.6.2. Hệ thống kênh đường lên 24282.7.Các thủ tục lớp vật lý. 1282.7.1.Thủ tục HARQ 1282.7.2.Ứng trước định thời 1302.7.3.Điều khiển công suất 1312.7.4.Nhắn tin 1312.7.5.Thủ tục báo cáo phản hồi kênh 1322.7.6.Hoạt động chế độ bán song công 1322.7.7.Các lớp khả năng của UE và các đặc điểm được hỗ trợ 133Tổng kết chương:34CHƯƠNG III: TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE353.1.Giới thiệu chương353.2.Kỹ thuật đa truy nhập cho đường xuống OFDMA. 1, 4, 5353.2.1.OFDM353.2.2.Các tham số OFDMA 1373.2.3.Truyền dẫn dữ liệu hướng xuống 1393.3.Kỹ thuật đa truy nhập cho đường lên LTE SCFDMA. 1, 2, 3413.3.1.SCFDMA413.3.2.Các tham số SCFDMA433.3.3.Truyền dẫn dữ liệu hướng lên443.4.Truy nhập ngẫu nhiên45Tổng kết chương.49CHƯƠNGIV: CƠ CHẾ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG LTE.504.1.Giới thiệu chương504.2.Giới thiệu về QoS. 14504.3.Các thuộc tính của QoS554.4.Kiến trúc QoS…………………………………………………………… ..594.5.Cơ chế nâng cao và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng LTE. 23 ... ………..614.5.1.Lập lịch và quản lý tài nguyên vô tuyến trong môi trường OFDMA TDD614.5.2.Quản lý tài nguyên vô tuyến 23624.5.3.Cơ chế lập lịch 23724.5.4.Các yêu cầu lập lịch và báo cáo trạng thái bộ đệm764.5.5.Các kỹ thuật lập lịch trong LTE 24784.6. Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng. 11, 17, 18, 19, 23914.6.1.Giới thiệu chương trình LTE System Level Simulation924.6.2 Thiết lập mô phỏng924.6.3. Đánh giá kết quả và phân tích. 11934.7.Thách thức về chất lượng và dịch vụ trong mạng LTE.1124.8.Bảo mật dịch vụ trong mạng LTE.113Tổng kết chương115KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ117TÀI LIỆU THAM KHẢO119

LỜI CẢM ƠN .

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE 4

(Long term evolution) 4

1.1. Giới thiệu chương 4

1.2. Giới thiệu về công nghệ LTE [1], [2], [3], [4] 4

1.3. sánh So công nghệ LTE với công nghệ Wimax 7

Tổng kết chương: 9

CHƯƠNG II: KIẾN TRÚC MẠNG VÀ GIAO THỨC 11

2.1. Giới thiệu chương 11

2.2.Kiến trúc mạng LTE [1], [3], [4] 11

2.2.1.Tổng quan về cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống 11

2.2.2.Thiết bị người dùng ( UE) 11

2.2.3.E-UTRAN NodeB (eNodeB) 11

2.2.4.Thực thể quản lý tính di động (MME) 13

2.2.5.Cổng phục vụ ( S-GW) 14

2.2.6.Cổng mạng dữ liệu gói( P-GW) 15

2.2.7.Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên ( PCRF) 16

2.2.8.Máy chủ thuê bao thường trú (HSS) 17

2.2. giaoCác diện và giao thức trong kiến trúc cơ bản của hệ thống [1] 17

2.3.Giao thức trạng thái và chuyển tiếp trạng thái [1], [3], [4] 21

2.4.Kiến trúc hệ thống phát quảng bá đa điểm [1], [4], [5] 22

2.5.Kiến trúc miền thời gian toàn phần(Overall time domai structure) 24

2.6. Hệ thống kênh truyền trong LTE [24] 26

2.6.1 Hệ thống kênh đường xuống [24] 27

2.7. Các thủ tục lớp vật lý [1] 28

2.7.1.Thủ tục HARQ [1] 28

2.7.2.Ứng trước định thời [1] 30

2.7.3.Điều khiển công suất [1] 31

2.7.4.Nhắn tin [1] 31

2.7.5.Thủ tục báo cáo phản hồi kênh [1] 32

2.7.6.Hoạt động chế độ bán song công [1] 32

2.7.7.Các lớp khả năng của UE và các đặc điểm được hỗ trợ [1] 33

Tổng kết chương: 34

CHƯƠNG III: TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE 35

3.1. Giới thiệu chương 35

3.2. thuậtKỹ đa truy nhập cho đường xuống OFDMA [1], [4], [5] 35

3.2.1.OFDM 35

3.2.2.Các tham số OFDMA [1] 37

3.2.3.Truyền dẫn dữ liệu hướng xuống [1] 39

3.3. thuậtKỹ đa truy nhập cho đường lên LTE SC-FDMA [1], [2], [3] 41

3.3.1.SC-FDMA 41

3.3.2.Các tham số SC-FDMA 43

3.3.3.Truyền dẫn dữ liệu hướng lên 44

3.4.Truy nhập ngẫu nhiên 45

Tổng kết chương 49

CHƯƠNGIV: CƠ CHẾ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG LTE 50

4.1. Giới thiệu chương 50

4.2. Giới thiệu về QoS [14] 50

4.3. thuộcCác tính của QoS 55

4.4 Kiến trúc QoS……… 59

4.5.Cơ chế nâng cao và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng LTE [23]

……… 61

4.5.2.Quản lý tài nguyên vô tuyến [23] 62

4.5.3.Cơ chế lập lịch [23] 72

4.5.4.Các yêu cầu lập lịch và báo cáo trạng thái bộ đệm 76

4.5.5.Các kỹ thuật lập lịch trong LTE [24] 78

4.6 Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng [11], [17], [18], [19], [23] 91

4.6.1. Giới thiệu chương trình LTE System Level Simulation 92

4.6.2 Thiết lập mô phỏng 92

4.6.3 Đánh giá kết quả và phân tích [11] 93

4.7.Thách thức về chất lượng và dịch vụ trong mạng LTE 112

4.8.Bảo mật dịch vụ trong mạng LTE 113

Tổng kết chương 115

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 117

TÀI LIỆU THAM KHẢO 119

4.4 Kiến trúc QoS

59

3GPP Third Generation Partnership

Project

Dự án các đối tác thế hệ thứ ba

ACIR Adjacent Channel Interference

ACLR Adjacent Channel Leakage Ratio Tỉ lệ dò kênh lân cận

ACS Adjacent channel selectivity Chọn lọc kênh lân cận

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số không đối

xứng

AMBR Aggregate Maximum Bit Rate Tốc độ bít tối đa cấp phát

AMC Adaptive Modulation and Coding Mã hóa và điều chế đáp ứng

ARQ Automatic Repeat Request Giao thức tự động truyền lại

AMPS Advanced Mobile Phone Sytem Hệ thống điện thoại di động tiên tiến

AMR-NB Adaptive Multi-Rate Narrowband Băng hẹp đa tốc độ thích ứng

AMR-WB Adaptive Multi-Rate Wideband Băng rộng đa tốc độ thích ứng

ARP Allocation Retention Priority Ưu tiên duy trì cấp phát

ATB Adaptive Transmission Bandwidth Băng thông truyền dẫn thích nghiAMPS Advanced Mobile Phone Sytem Hệ thống điện thoại di động tiên tiếnBCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển phát quảng bá

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

CCE Control Channel Element Phần tử kênh điều khiển

CDF Cumulative Density Function Chức năng mật độ tích lũy

CDM Code Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mã

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mãCIR Carrier to Interference Ratio Tỷ số sóng mang trên tập âm

CQI Channel Quality Information Thông tin chất lượng kênh

DL Downlink Đường xuống

E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial

Radio Access Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu phát triểnFDD Frequency Division Duplex Song công phân chia tần số

FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia tần số

triểnFFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh

FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân tần số

GSM Global System for Mobile

Communication Thông tin di động thếhệthứ hai

HARQ Hybrid Automatic Repeat Request Giao thức tự động truyền lại

ghép laiHSDPA High Speed Downlink Packet

Access

Truy cập gói tốc độ cao đường xuống

HSPA High Speed Packet Access Truy cập gói tốc độ cao

HSUPA High Speed Uplink Packet Access Truy cập gói tốc độ cao đường lên

ISI Inter-Symbol Interference Xuyên nhiễu giữa các symbol

MCS Modulation and Coding Scheme Kỹ thuật mã hóa và điều chế

MBMS Multimedia Broadcast Multicast

System Hệ thống phát quảng bá đa điểm đa phương tiệnMIMO Multiple Input Multiple Output Kỹ thuật anten đa thu đa phát

MME Mobility Management Entity Phần tử quản lý tính di động

PAPR Peak to Average Power Ratio Hệ số công suất đỉnh trên trung bình

PCRF Policy and Charging Resource

Function

Chức năng tính cước tài nguyên và chính sách

PRB Physical Resource Block Khối tài nguyên vật lý

PCCPCH Primary Common Control Physical

Channel

Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp

P-GW Packet Data Network Gateway Cổng mạng dữ liệu gói

PCFICH Physical Control Format

Indicator Channel Kênh chỉ thị dạng điều khiển vật lýPDCP Packet Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ dữ liệu gói

PRB Physical Resource Block Khối tài nguyên vật lý

PUCCH Physical Uplink Control Channel Kênh điều khiển hướng lên vật lýPUSCH Physical Uplink Shared Channel Kênh chia sẻ hướng lên vật lýQAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế QAM

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế QPSK

OFDM Orthogona Frequency Division

OFDMA Orthogonal Frequency Division

Multiple Access

Đa truy cập phân chia tần số trực giao

RNC Radio Network Controller Điều khiển mạng vô tuyến

RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyếnRTP Real-time Transport Protocol Giao thức truyền thời gian thựcSAE System Architecture Evolution Hệ thống mạng lõi LTE

TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền

UMTS Universal Mobile

Telecommunications System Hệ thống thông tin di động toàn cầuUTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network Hệ thống truy cập vô tuyến UMTSWCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia mã băng rộng

Bảng 1.1 Các đặc điểm chính của công nghệ LTE 4

Bảng 1.2 Tiến trình phát triển của các chuẩn 3GPP 8

Bảng 1.3 LTE và WiMax 9

Bảng 2.2 Tóm tắt các giao thức và giao diện trong cấu hình kiến trúc hệ thống cơ bản .21 Bảng 2.2 Các loại thiết bị LTE [1] 34

Bảng 3.1 Số lượng các khối tài nguyên cho băng thông LTE khác nhau 39

Bảng 3.2 Tham số cấu trúc khung đường xuống ( FDD & TDD ) 39

Bảng 3.3 Hiển thị các thông số cấu hình tổng quan 44

Bảng 4.1 Các tham số QoS trong mạng LTE 58

Bảng 4.2 Các ký hiệu sử dụng trong thuật toán E-WFQ 87

Bảng 4.3 Các ký hiệu được sử dụng trong mô hình toán học [23] 89

Bảng 4.4 Các tham số mô phỏng RR 93

Bảng 4.5 Bảng Các tham số mô phỏng CQI 93

Bảng 4.6 Tóm tắt các thiết lập mô phỏng thiết yếu và các thông số được sử dụng cho các kịch bản mô phỏng khác nhau 93

Hình 1.1 Lộ trình phát triển LTE và các công nghệ khác 7

Hình 2.2 Kiến trúc hệ thống cho mạng chỉ có E-UTRAN [1] 11

Hình 2.2 eNodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính [1] 12

Hình 2.3 MME kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính [1] 14

Hình 2.4 Các kết nối S-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính [1] 15

Hình 2.5 P-GW kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính [1] 16

Hình 2.6 PCRF kết nối tới các nút logic khác & các chức năng chính [1] 17

Hình 2.7 Kiến trúc phân lớp LTE [1] 17

Hình 2.8 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển trong EPS [1] 18

Hình 2.9 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng người dùng trong EPC [1] 20

Hình 2.20 Các ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng cho giao diện X2 [1]

21 Hình 2.21 Trạng thái của UE và chuyển tiếp trạng thái [1] 22

Hình 2.22 Khu vực dịch vụ eMBMS và các khu vực MBSFN [1] 23

Hình 2.23 Kiến trúc logic eMBMS [1] 24

Hình 2.24 Kiến trúc mặt phẳng người dùng eMBMS cho đồng bộ nội dung 24

Hình 2.25 Cấu trúc miền thời gian LTE [1] 25

Hình 2.26 Các ví dụ chỉ định khung phụ đường lên/ đường xuống trong trường hợp TDD và sự so sánh FDD [1]

26 Hình 2.27 Kênh truyền đường xuống [24] 27

Hình 2.28 Kênh truyền đường lên [24] 29

Hình 2.29 Vận hành LTE HARQ với 8 tiến trình [1] 30

Hình 2.20 Định thời LTE HARQ cho một gói tin đường xuống duy nhất [1] 30

Hình 2.21 Điều khiển định thời hướng lên [1] 30

Hình 2.22 Công suất hướng lên LTE với thay đổi tốc độ dữ liệu [1] 31

Hình 2.23 Thủ tục báo cáo thông tin trạng thái kênh (CSI) [1] 32

Hình 3.1 Biểu diễn tần số-thời gian của một tín hiệu OFDM [1] 35

Hình 3.2 Sự tạo ra ký hiệu OFDM có ích sử dụng IFFT [1] 36

Hình 3.4 Cấp phát sóng mang con cho OFDM & OFDMA [1] 37 Hình 3.5 Cấu trúc khung loại 1, 37

Hình 3.7 Lưới tài nguyên đường xuống [1] 38

Hình 3.8 Ghép kênh thời gian – tần số OFDMA [1] 40

Hình 3.9 Phát và thu OFDMA [1] 41

Hình 3.10 Sơ đồ khối DFT-S-OFDM [1] 43

Hình 3.11 Lưới tài nguyên đường lên [1] 44

Hình 3.12 Phát & thu hướng lên LTE [1] 45

Hình 3.13 Tổng quan về thủ tục truy nhập ngẫu nhiên [1] 46

Hình 3.14 Minh họa cơ bản cho truyền dẫn phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên 47

Hình 3.15 Định thời phần mở đầu tại eNodeB cho các người sử dụng truy nhập ngẫu nhiên khác nhau [1] 47

Hình 3.16 Sự phát hiện phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên trong miền tần số [1] 47

Hình 4.1 Dịch vụ và sự khác biệt thuê bao trong LTE [14] 51

Hình 4.2: Các thành phần cơ bản cung cấp chất lượng dịch vụ truy cập trong mạng [15] 52 Hình 4.3: Mối liên hệ giữa các khái niệm QoS theo ETSI 53

Hình 4.4: Khái niệm QoS và mối quan hệ QoS với chất lượng mạng 55

Hình 4.5 Đặc điểm QCI tiêu chuẩn 59

Hình 4.6: Kiến trúc dịch vụ trong mạng di động thế hệ sau 61

Hình 4.7: Mô hình sử dụng các thuật toán lập lịch [23] 62

Hình 4.8 Ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh trong môi trường multi-cell [23] 66

Hình 4.9: Phương pháp sử dụng lại tần số từng phần (fractional frequency reuse) 67

Hình 4.10: Phương pháp chia nhỏ vùng phủ sóng (sectoring) 67

Hình 4.11: Ghép dữ liệu của người sử dụng Ui vào khung OFDMA 68

Hình 4.12: Các thành phần của bộ lập lịch tại BS và MS [23] 73

Hình 4.13: Kế hoạch lập lịch đường xuống lớp MAC [23] 75

Hình 4.14 Kế hoạch lập lịch Round Robin 78

Hình 4.15 Thuật toán lập lịch Round Robin trong LTE 79

Hình 4.16: Kế hoạch lập lịch Best CQI 80

Hình 4.17 Thuật toán Best CQI trong LTE [24] 81

Hình 4.18 Thuật toán lập lịch PF trong LTE 83

Hình 4.19 Sắp xếp các khối dữ liệu vào các kênh con lần lượt từ trên xuống dưới 91

Hình 4.20 Tổng quan các kịch bản mô phỏng khác nhau trong mô phỏng LTE [23] 92

Hình 4.22 SNR so với thông lượng cho một người dùng 95

Hình 4.23 SNR so với thông lượng cho một người dùng 96

Hình 4.24 SNR so với thông lượng cho một người dùng 98

Hình 4.25 SNR so với thông lượng cho một người dùng 99

Hình 4.26 SNR so với thông lượng cho người dùng duy nhất 101

Hình 4.27 SNR so với thông lượng cho nhiều người dùng 102

Hình 4.28 SNR so với thông lượng, dạng nhiều người dùng 103

Hình 4.29 SNR so với thông lượng cho nhiều người dùng 104

Hình 4.30 SNR so với thông lượng cho nhiều người dùng 105

Hình 4.31 SNR so với thông lượng cho nhiều người dùng 106

Hình 4.32 SNR so với thông lượng cho nhiều người dùng 107

Hình 4.33 SNR so với thông lượng cho nhiều người dùng 107

Hình 4.34 SNR so với thông lượng cho nhiều người dùng 108

Hình 4.35 SNR so với thông lượng cho nhiều người dùng 110

Hình 4.36 SNR so với thông lượng cho nhiều người dùng 110

Hình 4.37 SNR so với thông lượng cho nhiều người dùng 111

Hình 4.38 SNR so với thông lượng cho nhiều người dùng 112

1 Tính cấp thiết của đề tài

MỞ ĐẦU

Sau khi mạng 3G được triển khai, việc sử dụng internet băng rộng, dịch vụnghe nhìn trực tuyến qua thiết bị di động đem lại nhiều tiện ích, sự tiện lợi chongười dùng, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống Công nghệ LTE ra đời là sự cảitiến đối với chuẩn thông tin di động WCDMA/HSPA, vốn được nâng cấp từ chuẩnthông tin di động GSM truyền thống, đưa mạng di động trở thành mạng hội tụ IPhoàn toàn, nâng khả năng truy cập dữ liệu với tốc độ lên đến hàng trăm Mb/s, hứahẹn đem lại cho người dùng một mạng băng rộng thực sự mọi lúc mọi nơi Công nghệLTE, 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 vụđảm bảo và kiểm soát chất lượng dich vụ QoS, nhằm phân bổ tài nguyên hợp lý và tối

ưu 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 vô tuyến

là thành phần quan trọng thực hiện chức năng này, trong đó kỹ thuật lập lịch là thànhphần cốt lõi của nó Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này đã chứng tỏ năng lựctuyệt vời của công nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE đã đến rất gần.Trước đây, muốn truy cập dữ liệu, phải cần có 1 đường dây cố định để kết nối Trongtươnglai không xa với LTE, có thể truy cập tất cả các dịch vụ mọi lúc mọi nơi trongkhi vẫn di chuyển: xem phim chất lượng cao HDTV, điện thoại thấy hình, chơigame, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu v.v… với một tốc độ “siêu tốc” Đóchính là sự khác biệt giữa mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) và mạng di động thế hệthứ tư (4G) Tuy vẫn còn khá mới mẻ nhưng mạng di động băng rộng 4G đang được

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 “Nghiên cứu cơ chế đảm bảo chất lượng trong LTE” (Long Term Evolution).

2 Mục đích nghiên cứu

Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan hệ thống thông tin di động LTE, kiến trúc mạng

và truy nhập vô tuyến trong mạng LTE cùng với cơ chế của các bộ lập lịch để nâng

cao chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng LTE luận văn tiến hành xây dựng các môhình, cách thức mô phỏng, thực hiện mô phỏng nhằm so sánh và đánh giá một số cơchế lập lịch, đề xuất cơ chế lập lịch phù hợp cho hệ thống thông tin di động LTE nhằmnâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng LTE.

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a Đối tượng nghiên cứu

Tổng quan về hệ thống thông tin di động LTE 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

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp tiếp cân thu thập thông tin liên quan tới đề tài như kiến thức mạng thôngtin di động LTE, giao diện vô tuyến LTE, các cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ trongmạng LTE

Kết hợp lý thuyết đã nghiên cứu, tiến hành lập mô hình, cách thức nhằm mô phỏng

và tính toán các thông số chất lượng dịch vụ ứng với các cơ chế lập lịch, cơ chế quản

lý tài nguyên vô tuyến Trong nội dung luận văn, các kết quả đạt được từ chươngtrình tính toán và mô phỏng bao gồm thông lượng và BLER sử dụng chươngtrìnhMatlab 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 nghệ LTE

là bước tiếp theo để các mạng di động tiến lên 4G, nhằm tạo nên hệ thống thông tin diđộng băng rộng mọi lúc mọi nơi Vì thế, hướng nghiên cứu này nhằm trang bị kiếnthức về công nghệ di động LTE và các cơ chế như cơ chế lập lịch, cơ chế quản lý tàinguyên để góp phần chọn giải pháp tối ưu cho giao diện vô tuyến, góp phần nâng caochất 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, Phụ lục,luận văn gồm các chươngsau:

CHƯƠNGI: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE

( Long term evolution)

Nội dung trình bày tổng quan hệ thống thông tin di động LTE và so sánh LTEvới công nghệ Wimax

CHƯƠNGII: KIẾN TRÚC MẠNG VÀ GIAO THỨC

Nội dung chươngtrình bày kiến trúc mạng và giao thức mạng trong LTE

CHƯƠNGIII: TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE

Nội dung chương trình bày về cách thức truy nhập vô tuyến trong mạng LTE, từ

đó đưa ra cơ chế quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

CHƯƠNG IV: CƠ CHẾ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG LTE.

Nội dung chươngtrình bày khái niệm của QoS và các tham số của QoS và các cơchế lập lịch trong mạng LTE và mô hình, mô phỏng kết quả các cơ chế lập lịch trongmạng LTE để nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng LTE

CHƯƠNGI: 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 cạnh tranhcho hệ thống này trong tươnglai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xácđịnh bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long TermEvolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí chomỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có vàbăng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể nănglượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối

Giao diện không gian và các thuộc tính liên quan của hệ thông LTE được tóm tắt trong bảng

Bảng 1 1 Các đặc điểm chính của công nghệ LTE

Đường lên SC-FDMAMIMO Đường xuống 2 * 2 ; 4 * 2 ; 4 * 4Đường lên 1 * 2 ; 1 * 4

Tốc độ dữ liệu đỉnh trong 20MHz

Đường xuống: 173 và 326Mb/s tươngứng 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

Mục tiêu của LTE là cung cấp 1 dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, độ trễ thấp, các gói dữliệu được tối ưu, công nghệ vô tuyến hỗ trợ băng thông một cách linh hoạt khi triểnkhai Đồng thời kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu lượng

chuyển mạch gói cùng với tính di động linh hoạt, chất lượng của dịch vụ, thời gian trễ tối thiểu.

Tăng tốc độ truyền dữ liệu :

Trong điều kiện lý tưởng hệ thống hỗ trợ tốc độ dữ liệu đường xuống đỉnh lên tới326Mb/s với cấu hình 4*4 MIMO (multiple input multiple output ) trong vòng 20MHZbăng thông MIMO cho đường lên là không được sử dụng trong phiên bản đầu tiên củachuẩn LTE Tốc độ dữ liệu đỉnh đường lên tới 86Mb/s trong 20MHZ băng thông.Ngoài viêc cải thiện tốc độ dữ liệu đỉnh hệ thống LTE còn cung cấp hiệu suất phổ caohơn từ 2 đến 4 lần của hệ thống HSPA phiên bản 6

Dải tần co giãn được :

Dải tần vô tuyến của hệ thống LTE có khả năng mở rộng từ 1.4 MHz, 3MHz,

5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống Điều này dẫn đến sựlinh 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 mộtbăng 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 đến 120km/h, đối vớivận tốc trên 120 km/h thì hệ thống vẫn duy trì được kết nối trên toàn mạng tế bào,chức năng hỗ trợ từ 120 đến 350km/h hoặc 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 để một thiết bị đầu cuối (UE - User Equipment) chuyển từtrạng thái nghỉ sang nối kết với mạng, và bắt đầu truyền thông tin trên một kênhtruyền Thời gian này phải nhỏ hơn 100ms

Giảm độ trễ ở mặt phẳng người dùng: Nhược điểm của các mạng tổ ong (ô) hiệnnay là độ trễ truyền cao hơn nhiều so với các mạng đường dây cố định Điều này ảnhhưởng lớn đến các ứng dụng như thoại và chơi game …,vì cần thời gian thực Giaodiện vô tuyến của LTE và mạng lưới cung cấp khả năng độ trễ dưới 10ms cho việctruyền tải 1 gói tin từ mạng tới UE

Sẽ không còn chuyển mạch kênh :

Tất cả sẽ dựa trên IP Một trong những tính năng đáng kể nhất của LTE là sựchuyển dịch đến mạng lõi hoàn toàn dựa trên IP với giao diện mở và kiến trúc đơngiản hóa Sâu xa hơn, phần lớn công việc chuẩn hóa của 3GPP nhắm đến sự chuyển

đổi kiến trúc mạng lõi đang tồn tại sang hệ thống toàn IP Trong 3GPP Chúng cho

phép cung cấp các dịch vụ linh hoạt hơn và sự liên hoạt động đơn giản với các mạng diđộng phi 3GPP và các mạng cố định EPC dựa trên các giao thức TCP/IP – giốngnhư phần lớn các mạng số liệu cố định ngày nay, vì vậy cung cấp các dịch vụ giống

PC như thoại, video, tin nhắn và các dịch vụ đa phương tiện Sự chuyển dịch lên kiếntrúc toàn gói cũng cho phép cải thiện sự phối hợp với các mạng truyền thông khôngdây và cố định khác VoIP sẽ dùng cho dịch vụ thoại

Độ phủ sóng từ 5-100km :

Trong vòng bán kính 5km LTE cung cấp tối ưu về lưu lượng người dùng, hiệusuất phổ và độ di động Phạm vi lên đến 30km thì có một sự giảm nhẹ cho phép về lưulượng người dùng còn hiệu suất phổ thì lại giảm một cách đáng kể hơn nhưng vẫn cóthể chấp nhận được, tuy nhiên yêu cầu về độ di động vẫn được đáp ứng Dung lượnghơn 200 người/ô (băng thông 5MHz)

Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời.

Tuy nhiên mạng LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và2G hiện tại Điều này hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai LTE vìkhông 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 chiathời gian TDD Bán song công FDD được cho phép để hỗ trợ cho các người sử dụngvới 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 bộsong công đắt tiền trong UE Truy nhập đường lên về cơ bản dựa trên đa truy nhậpphân chia tần số đơn sóng mang SC-FDMA hứa hẹn sẽ gia tăng vùng phủ sóng đườnglên do tỉ số công suất đỉnh-trung bình thấp (PARR) liên quan tới OFDMA

Giảm chi phí:

Yêu cầu đặt ra cho hệ thống LTE là giảm thiểu được chi phí trong khi vẫn duytrì được hiệu suất nhằm đáp ứng được cho tất cả các dịch vụ Các vấn đề đườngtruyền, hoạt động và bảo dƣỡng cũng liên quan đến yếu tố chi phí, chính vì vậy khôngchỉ giao tiếp mà việc truyền tải đến các trạm gốc và hệ thống quản lý cũng cần xácđịnh rõ, ngoài ra một số vấn đề cũng được yêu cầu như là độ phức tạp thấp, các thiết bịđầu cuối tiêu thụ ít năng lượng

Cùng tồn tại với các chuẩn và hệ thống trước.

Hệ thống LTE phải cùng tồn tại và có thể phối hợp hoạt động với các hệ thống3GPP khác Người sử dụng LTE sẽ có thể thực hiện các cuộc gọi từ thiết bị đầu cuốicủa mình và thậm chí khi họ không nằm trong vùng phủ sóng của LTE Do đó, chophép chuyển giao các dịch vụ xuyên suốt, trôi chảy trong khu vực phủ sóng củaHSPA, WCDMA hay GSM/GPRS/EDGE Hơn thế nữa, LTE hỗ trợ không chỉ chuyểngiao trong hệ thống, liên hệ thống mà còn chuyển giao liên miền giữa miền chuyểnmạch gói và miền chuyển mạch kênh.

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 điểm tương đồng Cả 2 công nghệ đều dựa trên nền tảng IP Cả hai đều dùng kỹ thuật MINO

để cải thiện chất lượng truyền/nhận tín hiệu, đường xuống từ trạm thu phát đến thiết bị đầu cuối đều được tăng tốc bằng kỹ thuật OFDM hỗ trợ truyền tải dữ liệu đa phương tiện và video Công nghệ WiMAX, hay còn gọi là chuẩn 802.26 được biết tới là công nghệ không dây băng thông rộng Không giống các chuẩn không dây khác, WiMAXcho phép truyền dữ liệu trên nhiều dải tần, có thể tránh “đụng độ” với những ứng dụngkhông dây khác Theo lý thuyết chuẩn WiMax hiện tại 802.26e cho tốc độ tải xuốngtối đa là 70Mbps, còn LTE dự kiến có thể cho tốc độ đến 300Mbps Tuy nhiên khi LTE được triển khai ra thị trường có thể WiMax cũng sẽ được nâng cấp lên chuẩn 802.26m( còn gọi là WiMax 2.0) có tốc độ tương đương hoặc cao hơn

Hình 1.1 Lộ trình phát triển LTE và các công nghệ khácĐường lên từ thiết bị đầu cuối đến trạm thu phát có sự khác nhau giữa 2 côngnghệ WiMax dùng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access làmột biết thể của OFDM), cho phép tăng băng thông bằng cách chia tách các kênh băng

rộng thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh dùng tần số khác nhau để truyền đồng thời

các gói dữ liệu Còn LTE dùng kỹ thuật SC-FDMA ( Single Carrier FrequencyDivision Multiple Access) Về lý thuyết SC- FDMA được thiết kế làm việc hiệu quảhơn và các thiết bị đầu cuối tiêu thụ năng lượng thấp hơn OFDMA LTE còn ưu thếhơn WiMax vì được thiết kế tươngthích với cả phương thức TDD (Time DivisionDuplex) và FDD( Frequency Division Duplex) Ngƣợc lại WiMax hiện chỉ tươngthíchvới TDD nhưng WiMax Forum đang làm việc với một phiên bản Mobile WiMax tíchhợp FDD Mobile WiMAX cung cấp khả năng di động bằng cách cho phép chuyểnkênh truyền dữ liệu từ một trạm thu phát này sang một trạm khác khi người dùng dichuyển giữa 2 trạm Tươngtự phiên bản 802.21n của Wi-Fi, Mobile WiMAX dùngcông nghệ MIMO (Multiple Input Multiple Output) cho phép phát và thu qua nhiềuanten để cải thiện tốc độ và chất lượng tín hiệu Mobile Wimax được kỳ vọng cạnhtranh với các công nghệ di động, Wi-Fi và các công nghệ truy cập Internet như DSL.TDD truyền dữ liệu lên xuống thông qua 1 kênh tần số( dùng phương thức phân chiathời gian) còn FDD cho phép truyền dữ liệu lên xuống thông qua 2 kênh tần số riêngbiệt Điều này có nghĩa là LTE có nhiều phổ tần sử dụng hơn WiMax.

Bảng 1.2 Tiến trình phát triển của các chuẩn 3GPP

Phiên bản Thời điểm hoàn tất Tính năng chính/ Thông tin

Release99 Quí 1/2000 Giới thiệu UMTS (Universal Mobile

Telecommunications System) và WCDMA(Wideband CDMA)Release 4 Quí 2/2001 Bổ sung một số tính năng như mạng lõi dựa trên IP

và có những cải tiến cho UMTSRelease 5 Quí 1/2002 Giới thiệu IMS (IP Multimedia Subsystems) và

HSDPA (High Speed Download Packet Access)Release 6 Quí 4/2004 Kết hợp với Wireless Lan, thêm HSUPA( High

Speed upload Packet Access) và cas tính năng nâng cao cho IMS như Push to Talk over Cellular (PoC)Release 7 Quí 4/2007 Tập trung giảm độ trễ, cải thiện chất lượng dịch vụ

và các ứng dụng thời gian thực như VoIP Phuên bản này cũng tập trung vào HSPA+ High Speed Packet Evolution và EDGE Evolution

Release 8 Dự kiến cuối năm

2008 hoặc đầu năm2009

Giới thiệu LTE và kiến trúc lại UMTS như là mạng

IP thế hệ thứ tư hoàn toàn dự trên IP

Hiện tại WiMax có lợi thế đi Trước LTE: mạng WiMax đã được triển khai vàthiết bị WiMax cũng đã có mặt trên thị trường Còn LTE vẫn còn đang được triển khai

và trải nghiệm Tuy nhiên LTE vẫn có lợi thế quan trọng so với WiMax LTE được

hiệp hội các nhà khai thác GSM chấp nhận là công nghệ băng thông rộng di độngtươnglai của hệ di động hiện đang thống trị thị trường di động toàn cầu với khoảng2,5 tỷ thuê bao và trong các năm tới có thể chiếm 89% (theo Gartner) những con sốtrong mơ đối với WiMax Hơn nữa LTE cho phép tận dụng hạ tầng GSM có sẵn trongkhi WiMax phải xây dựng từ đầu Wimax và LTE là 2 công nghệ được đánh giá caonhất khi triển khai 4G.

Bảng 1.3 LTE và WiMax

Tính năng 3GPP LTE RAN1 802.26e/Mobile

WiMax R1

802.26e/Mobile WiMax R2

Băng tần dự kiến 700MHz-2,6GHz 2,3GHz, 2,5GHz,

3,3-3,8GHz

2,3GHz, 2,5GHz,3,3-3,8GHzTốc độ tối đa

Dự kiến cuối năm

2008 hoặc đầu năm

Các đặc tính của LTE bao gồm:

- Linh hoạt sử dụng phổ băng hẹp như 1.4 Mhz hay băng rộng 20Mhz

- Hoạt động mềm dẻo cả ở trong chế độ TDD và FDD

- Giảm trễ để hỗ trợ triển khai các ứng dụng thoại và dữ liệu chất lượng cao

- Trễ vòng (round trip) giữa máy đầu cuối và trạm gốc là 10msec, và thời gianchuyển trạng thái từ hoạt động sang không hoạt động thấp hơn 100 msec

Tổng kết chương:

Toàn chương một đã đưa ra cái nhìn tổng quan nhất về một số công nghệ mạngtruy nhập băng rộng, những đặc thù của các loại công nghệ truy nhập này nhằm tạo cơ

sở khách quan để đánh giá và lựa chọn công nghệ phù hợp

Chươngnày 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 trong triển

khai thực tế

Với những tìm hiểu sơ lược ta cũng thấy công nghệ LTE tỏ ra có rất nhiều đặc tính ưu việt trong việc triển khai dịch vụ băng thông rộng cho cả thiết bị cố định, xách tay và di động, thậm chí đến các vùng mà với các công nghệ Trước đây là khó khăn hoặc không thể Trong chươngtiếp theo ta sẽ tìm hiểu sâu hơn

về kiến trúc mạng và các kỹ thuật được sử dụng trong công nghệ LTE tiền 4G.

CHƯƠNG II: KIẾN TRÚC MẠNG VÀ GIAO THỨC 2.1 Giới thiệu chương

Chương này trình bày kiến trúc mạng và giao thức hệ thống trong mạng LTE, phân biệt các phân lớp trong eNodeB cũng như trình bày về các kỹ thuật quan trọng trong các phân lớp giao diện vô tuyến LTE và các giao thức chuyển trạng thái, những kiến trúc hệ thống phát quảng bá đa điểm, hệ thống kênh truyền, các thủ tục lớp vật lý.

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]

Hình 2.1 miêu tả kiến trúc và các thành phần mạng trong cấu hình kiến trúc nơi chỉ cómột E-UTRAN tham gia Hình này cũng cho thấy sự phân chia kiến trúc thành bốnvùng chính: thiết bị người dùng (UE) ; UTRAN phát triển( E-UTRAN); mạng lõi góiphát triển(EPC); và các vùng dịch vụ UE, E-UTRAN và EPC đại diện cho các giaothức internet (IP) ở lớp kết nối Đây là một phần của hệ thống được gọi là hệ thốnggói phát triển (EPS) Chức năng chính của lớp này là cung cấp kết nối dựa trên IP và

nó được tối ưu hóa cao cho mục tiêu duy nhất Tất cả các dịch vụ được cung cấpdựa trên IP, tất cả các nút chuyển mạch và các giao diện được nhìn thấy trong kiếntrúc 3GPP trước đó không có mặt ở E-UTRAN và EPC Công nghệ IP chiếm ưu thếtrong truyền tải, nơi mà mọi thứ được thiết kế để hoạt động và truyền tải trên IP

Các hệ thống con đa phương tiện IP ( IMS) là một ví dụ tốt về máy móc thiết bịphục vụ có thể được sử dụng trong lớp kết nối dịch vụ để cung cấp các dịch vụ dựatrên kết nối IP được cung cấp bởi các lớp thấp hơn Ví dụ , để hỗ trợ dịch vụ thoại thìIMS có thể cung cấp thoại qua IP ( VoIP) và sự kết nối tới các mạng chuyển mạch-mạch cũ PSTN và ISDN thông qua các cổng đa phương tiện của nó điều khiển

2.2.2 Thiết bị người dùng ( UE)

UE là thiết bị mà người dùng đầu cuối sử dụng để liên lạc Thông thường nó lànhững thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh hoặc một thẻ dữ liệu như mọingười vẫn đang sử dụng hiện tại trong mạng 2G và 3G Hoặc nó có thể được nhúngvào, ví dụ một máy tính xách tay UE cũng có chứa các mođun nhận dạng thuê baotoàn cầu ( USIM) Nó là một mođun riêng biệt với phần còn lại của UE, thường đượcgọi là thiết bị đầu cuối (TE) USIM là một ứng dụng được đặt vào một thẻ thôngminh có thể tháo rời được gọi là thẻ mạch tích hợp toàn cầu ( UICC) USIM được sửdụng để nhận dạng và xác thực người sử dụng để lấy khóa bảo mật nhằm bảo vệ việctruyền tải trên giao diện vô tuyến

2.2.3 -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 trongphần cố định của hệ thống Các trạm gốc như eNB thường phân bố trên toàn khuvực phủ sóng của mạng Mỗi eNB thường cư trú gần các anten vô tuyến hiện tại củachúng

Chức năng của eNB hoạt động như một cầu nối giữa 2 lớp là UE và EPC, nó làđiểm cuối của tất cả các giao thức vô tuyến về phía UE, và tiếp nhận dữ liệu giữa cáckết nối vô tuyến và các kết nối IP cơ bản tương ứng về phía EPC eNB cũng chịu tráchnhiệm về nhiều các chức năng của mặt phẳng điều khiển (CP) eNB chịu tráchnhiệm về quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM), tức là kiểm sóat việc sử dụng giao diện

vô tuyến , bao gồm : phân bổ tài nguyên dựa trên yêu cầu, ưu tiên và lập lịch trình lưulượng 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 Hình 2.2 cho thấy các kết nối với eNB đã đến xung quanh các nút logic, và tómtắt các chức năng chính trong giao diện này

Cả hai MME và S-GW có thể được gộp lại, có nghĩa là một tập hợp các nút đượcphân công để phục vụ cho một tập hợp các eNB Từ một viễn cảnh eNB đơn này cónghĩa là nó có thể cần phải kết nối tới nhiều MME và S-GW Tuy nhiên mỗi UE sẽđược phục vụ bởi chỉ có một MME và S-GW tại một thời điểm và eNB phải duy trìtheo dõi các liên kết này

Sự kết hợp này sẽ không bao giờ thay đổi từ một điểm eNodeB duy nhất, bởi vìMME hoặc S-GW chỉ có thể thay đổi khi kết hợp với sự chuyển giao liên eNodeB

Hình 2.2 eNodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính [1]

2.2.4 thể quản lý tính di động (MME)

Thực thể quản lý tính di động (MME) là thành phần điều khiển chính trong EPC.Thông thường MME sẽ là một máy chủ ở một vị trí an toàn tại các cơ sở của nhà điều

hành Nó chỉ hoạt động trong 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 2.2, MMEcòn có một kết nối logic trực tiếp tới UE, và kết nối này được sử dụng như là kênhđiều khiển chính giữa UE và mạng Sau đây là danh sách các chức năng chính củaMME 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 sẽkhởi tạo sự xác thực, bằng cách thực hiện những điều sau: nó tìm ra danh tínhthường trú của UE, hoăc từ các mạng truy nhập Trước đó hoặc chính bản thân UE, yêucầu từ bộ phục vụ thuê bao thường trú (HSS) trong mạng chủ của UE các điều khiểnchứng thực có chứa các mệnh lệnh chứng thực – trả lời các cặp tham số, gửi các thửthách với UE và so sánh các trả lời nhận được từ UE vào một trong những cái đã nhận

- Quản lý hồ sơ thuê bao và dịch vụ kết nối: vào thời điểm một UE đăng ký vàomạng, các MME sẽ chịu trách nhiệm lấy hồ sơ đăng ký của nó từ mạng chủ về CácMME sẽ lưu trữ thông tin này trong suốt thời gian phục vụ UE Hồ sơ này xác địnhnhững gì các kết nối mạng dữ liệu gói được phân bổ tới các mạng ở tập tin đính kèm.Các MME sẽ tự động thiết lập mặc định phần tử mang, cho phép các UE kết nối IP cơbản Hình 2.3 cho thấy các kết nối MME đến quanh các nút logic, và tóm tắt các chứcnăng chính trong giao diện này Về nguyên tắc MME có thể được kết nối với bất kỳMME khác trong hệ thống, nhưng thường kết nối được giới hạn trong một nhà điềuhành mạng duy nhất Các kết nối giữa các MME với các MME lân cận được sử dụngtrong chuyển giao

Hình 2.3 MME kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính [1]

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 đượccấu hình để điều khiển một tập hợp các S-GW và eNodeB Cả hai S-GW và eNodeB cũng có thể được kết nối tới các MME khác Các MME có thể phục vụ một số UE cùng một lúc, trong khi mỗi UE sẽ chỉ kết nối tới một MME tại một thời điểm

2.2.5 Cổng phục vụ ( S-GW)

Trong cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống, chức năng cao cấp của S-GW là quản

lý đường hầm UP và chuyển mạch S-GW là một phần của hạ tầng mạng nó được duytrì ở các phòng điều hành trung tâm của mạng

Khi giao diện S5/S8 dựa trên GTP, S-GW sẽ có đường hầm GTP trên tất cả cácgiao diện UP của nó Ánh xạ giữa các luồng dịch vụ IP và đường hầm GTP được thựchiện trong P-GW, và S-GW không cần được kết nối với PCRF

S-GW có một vai trò rất nhỏ trong các chức năng điều khiển Nó chỉ chịu tráchnhiệm về nguồn tài nguyên của riêng nó, và nó cấp phát chúng dựa trên các yêu cầu từMME, P-GW hoặc PCRF, từ đó mà các hành động được thiết lập , sửa đổi hoặc xóasạch các phần tử mang cho UE

Hình 2.4 Các kết nối S-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính [1]Trong khi di chuyển giữa các eNodeB, S-GW hoạt động như nút cuối di động địaphương MME sẽ lệnh S-GW để chuyển sang đường hầm từ một eNodeB khác.MME cũng có thể yêu cầu S-GW cung cấp tài nguyên đường hầm cho dữ liệuchuyển tiếp khi có nhu cầu cần chuyển dữ liệu từ eNodeB nguồn tới eNodeB đíchtrong thời điểm UE có chuyển giao vô tuyến.

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) là tuyếnbiên giữa EPS và các mạng dữ liệu gói bên ngoài Nó là nút cuối di động mức cao nhấttrong hệ thống, và nó thường hoạt động như là điểm IP của các thiết bị cho UE Nóthực hiện các chức năng chọn lưu lượng và lọc theo yêu cầu bởi các dịch vụ được đềcập Tương tự như S-GW, các P-GW được duy trì tại các phòng điều hành tại một vịtrí trung tâm

Điển hình là P-GW cấp phát các địa chỉ IP cho UE, và UE sử dụng nó để giaotiếp với các máy chủ IP khác trong các mạng bên ngoài ( ví dụ như Internet ) Nócũng có thể là PDN bên ngoài mà UE đã được kết nối cấp phát các địa chỉ đó là để

sử dụng bởi các UE, các đường hầm GW cho tất cả lưu lượng vào mạng đó Các

P-GW thực hiện chức năng giao thức cấu hình máy chủ động (DHCP) khi cần, hoặc truyvấn một máy chủ DHCP bên ngoài, và cung cấp địa chỉ cho UE Ngoài ra tự cấu hìnhđộng được hỗ trợ bởi các tiêu chuẩn Chỉ IPv4, chỉ IPv6 hoặc cả hai, các địa chỉ có thểđược phân bổ tùy theo nhu cầu

P-GW bao gồm cả PCEF, có nghĩa là nó thực hiện các chức năng chọn lưu lượng

và lọc theo yêu cầu bởi các chính sách được thiết lập cho UE và các dịch vụ nói đến,

nó cũng thu thập các báo cáo thông tin chi phí liên quan

P-GW là điểm cuối di đông mức cao nhất trong hệ thống Khi một UE di chuyển

từ một S-GW tới một cái khác, các phần tử mang phải được chuyển vào P-GW P-GW

sẽ nhận được chỉ dẫn để chuyển các luồng từ các S-GW mới

Hình 2.5 cho thấy các kết nối P-GW đã đến xung quanh các nút logic, và danh sáchcác chức năng chính trong giao diện này

Hình 2.5 P-GW kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính [1]

Mỗi P-GW có thể được kết nối tới một hoặc nhiều PCRF, S-GW và mạng bênngoài Đối với một UE liên kết với P-GW thì chỉ có duy nhất một S-GW, nhưng có cáckết nối tới nhiều các mạng bên ngoài và tươngứng có nhiều các PCRF có thể cần phảiđược hỗ trợ, nếu có kết nối tới nhiều các PDN được hỗ trợ thông qua một P-GW

2.2.7 ức năng chính sách và tính cước tài nguyên ( PCRF)

Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên(PCRF) là phần tử mạng chịu tráchnhiệm về chính sách và điều khiển tính cước ( PCC) Nó tạo ra các quyết định về cách

xử lý các dịch vụ về QoS, và cung cấp thông tin cho PCEF được đặt trong P-GW, đểcho việc thiết lập các phần tử mang thích hợp và việc lập chính sách PCRF là mộtmáy chủ và thường được đặt với các phần tử CN khác tại các trung tâm điều hànhchuyển mạch

Hình 2.6 PCRF kết nối tới các nút logic khác & các chức năng chính [1]

Các kết nối giữa PCRF và các nút khác được thể hiện như trong hình 2.6, mỗiPCRF có thể được kết nối với một hoặc nhiều AF, P-GW và S-GW Chỉ có mộtPCRF liên kết với mỗi kết nối PDN đó là một UE duy nhất đã có.

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 Nó cũng ghi lại vị trí của người sử dụng ở mức độ của nútđiều khiển mạng tạm trú, chẳng hạn như MME Nó là một máy chủ cơ sở dữ liệu vàđược duy trì tại các phòng trung tâm của nhà điều hành

HSS lưu trữ bản gốc của hồ sơ thuê bao, trong đó chứa các thông tin về các dịch

vụ được áp dụng đối với người sử dụng, bao gồm thông tin về các kết nối PDNđược cho phép, và liệu có chuyển tới một mạng tạm trú riêng được hay không HSScũng lưu những nhận dạng của các P-GW được sử dụng

2.2 Các giao diện và giao thức trong kiến trúc cơ bản của hệ thống [1]

Mạng truy nhập LTE rất đơn giản và giảm thiểu chỉ còn trạm gốc là eNodeB vàphần giao diện vô tuyến LTE phủ sóng cho người dùng (UE) truy cập vào mạng

Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE được chia thành hai phần là phần điều khiển vàphần người dùng Phần điều khiển đảm nhận việc thiết lập kết nối, báo hiệu giữa UE

và eNodeB Phần người dùng có nhiệm vụ truyền nhận và xử lý dữ liệu truy nhập giữa

UE và eNodeB Phần điều khiển bao gồm có các lớp chính: lớp vật lý, lớp MAC, lớpRLC, lớp RRC Phần người dùng bao gồm các lớp chính: lớp vật lý, lớp MAC, lớpRLC, lớp PDCP

Hình 2.7 Kiến trúc phân lớp LTE [1]

các giao thức hướng tới E-UTRAN và UE, và phần dưới hiện thị các giao thức hướngtới các cổng Các giao thức hiển thị trong nền trắng được phát triển bởi 3GPP, trongkhi các giao thức trong nền xám được phát triển trong IETF, và đại diện cho cáccông nghệ mạng tiểu chuẩn được sử dụng cho truyền tải trong EPS 3GPP chỉ xác địnhnhững cách cụ thể mà các giao thức này được sử dụng.

Lớp trên cùng trong CP là các lớp không truy cập (NAS), bao gồm có hai giaothức riêng biệt được thực hiện truyền tải tín hiệu trực tiếp giữa UE mà MME Các giaothức lớp NAS là :

Quản lý tính di động EPS ( EMM): các giao thức MME có trách nhiệm về điều

khiển tính di động của UE trong hệ thống Nó bao gồm các chức năng kết nối vào vàtách ra từ mạng, và thực hiện việc cập nhật vị trí Điều này được gọi là cập nhật khuvực theo dõi (TAU), và nó diễn ra trong chế độ nhàn dỗi Chú ý rằng các chuyển giaotrong chế độ kết nối được xử lý bởi các giao thức lớp thấp hơn, nhưng các lớp EMMkhông bao gồm các chức năng tái kích hoạt các UE từ chế độ nhàn rỗi

Hình 2.8 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển trong EPS [1]

Quản lý phiên EPS ( ESM): Giao thức này có thể được sử dụng để điều khiển

việc quản lý phần tử mang giữa UE và MME, và nó được sử dụng bổ sung cho E- UTRAN trong việc quản lý phần tử mang Lưu ý rằng sẽ không sử dụng các thủ tục ESM nếu tình trạng của các phần tử mang là đã có sẵn trong mạng lưới và quy trình E-UTRAN có thể chạy ngay lập tức

Điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC): Giao thức này nhằm kiểm soát việc sử

dụng nguồn tài nguyên vô tuyến Nó quản lý báo hiệu của UE và các kết nối dữ liệu,

và nó cũng bao gồm các chức năng chuyển giao

Giao thức hội tụ dữ liệu gói ( PDCP): Các chức năng chính của PDCP là nén

tiêu đề IP (UP), mã hóa và bảo vệ sự toàn vẹn ( chỉ với CP)

Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC): Giao thức RLC có trách nhiệm phân đoạn

và ghép nối các PDCP-PDU để truyền cho giao diện vô tuyến Nó cũng thực hiện việcsửa lỗi với phương pháp yêu cầu truyền lại tự động (ARQ)

Điều khiển truy nhập môi trường (MAC): Lớp MAC có trách nhiệm lập kế

hoạch dữ liệu theo các ưu tiên và ghép kênh dữ liệu tới các khối truyền tải ở lớp 1 LớpMAC cũng cung cấp việc sửa lỗi với HARQ

Lớp vật lý (PHY): Đây là lớp 1 của giao diện vô tuyến LTE-UU nó có các chức

năng giống như của DS-CDMA Trong EPC có hai giao thức khác cho giao diệnS5/S8 Các giao thức sau có liên quan khi GTP được sử dụng trong S5/S8 :

- Mặt phẳng điều khiển giao thức đường hầm GPRS ( GTP-C) : Nó quản lý cáckết nối UP trong EPC Nó bao gồm báo hiệu QoS và các thông số khác Nếu GTPđược sử dụng trong giao diện S5/S8 thì nó còn quản lý các đường hầm GTP-U GTP-Ccũng thực hiện các chức năng quản lý di động trong EPC Như việc khi các đườnghầm GTP-U của một UE cần phải được chuyển từ một nút tới một nút khác

- Truyền tải UDP-IP : giao thức dữ liệu đơn vị ( UDP) và IP được sử dụng như

là truyền tải IP căn bản và tiêu chuẩn UDP được sử dụng thay vì giao thức điều khiểntruyền dẫn (TCP) bởi vì các lớp cao hơn đã được cung cấp sự truyền tải tin cậy với cơchế khắc phục lỗi và truyền lại Các gói tin IP trong EPC có thể được vận chuyển trênmột loạt các công nghệ ở lớp 1 và lớp 2

Các giao thức sau được sử dụng khi S5/S8 dựa trên PMIP:

+ IP di động ủy nhiệm (PMIP) : PMIP là giao thức khác cho giao diện

S5/S8 nó giữ việc quản lý tính di động, nhưng không bao gồm các chức năng như quản lý phần tử mang

+ IP : PMIP chạy trực tiếp trên IP, và nó được sử dụng như là truyền tải IP tiêuchuẩn

UP được thể hiện như trong hình 2.8 minh họa cấu trúc giao thức UP cho UE kết

nối với P-GW Bao gồm các lớp của người dùng IP cuối, tức là các giao thức thành

hình thành nên lớp 2 và được sử dụng để vận chuyển các gói tin IP đến người sử dụngcuối Cấu trúc giao thức là tươngtự với CP Điều này ấn định một thực tế là toàn bộ hệthống được thiết kế để vận chuyển dữ liệu gói chung, và cả hai tín hiệu CP và dữ liệu

UP cuối cùng đều là dữ liệu gói Chỉ có kích thước khác nhau

Hình 2.9 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng người dùng trong EPC [1]

Hầu hết các giao thức được đưa ra đã được nêu ở trên, ngoại trừ hai điều sauđược lựa chọn trong bộ giao thức của giao diện S5/S8:

Mặt phẳng người dùng giao thức đường hầm GPRS ( GTP-U) : GTP-U được sửdụng khi S5/S8 là dựa trên GTP Dạng thức của GTP-U đó là đường hầm GTP-U đượcdùng để gửi các gói tin của người dùng IP cuối về một mang chuyển EPS Nó được sửdụng trong giao diện S1-U và sử dụng trong S5/S8 nếu CP sử dụng GTP-C Đóng góiđịnh tuyến chung ( GRE) : GRE sử dụng giao diện S5/S8 kết hợp với PMIP Dạngthức của GRE là một IP trong đường hầm IP để vận chuyển tất cả các dữ liệu thuộc vềmột kết nối của UE tới một PDN cụ thể GRE là chạy trực tiếp trên IP và UDP làkhông sử dụng Hình 2.20 minh họa cấu trúc giao thức giao diện X2, mà tương tự nhưcủa giao diện S1 Chỉ có giao thức ứng dụng CP là khác nhau

Hình 2.10 Các ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển và mặ phẳng người dùng cho giao

diện X2 [1]