Trong giai đoạn đầu triển khai LTE, khi cơ sở hạ tầng chƣa hoàn thiện; mạng di động IMS chƣa sẵn sàng. Lúc này, nhằm sớm đƣa mạng 4G vào hoạt động, một giải pháp để cung cấp dịch vụ thoại đƣợc gọi là CSFB (Circuit Switched Fallback) đã đƣợc đề nghị và đƣợc chuẩn hóa bởi 3GPP 23.272.
[11] Nguyên lý hoạt động của CSFB: bình thƣờng thuê bao hoạt động ở mạng LTE để dùng dịch vụ dữ liệu. Khi 1 thuê bao cần thực hiện cuộc gọi thoại hoặc khi 1 thuê bao nhận đƣợc tìm gọi (paging) thoại qua giao diện SGs thì thuê bao chuyển sang dùng dịch vụ thoại CS của mạng 2G/3G. Khi cuộc gọi kết thúc, thuê bao chuyển sang kết nối với mạng 4G-LTE nhƣ ban đầu. Việc chuyển đổi đƣợc thực hiện một cách tự động bởi mạng và thiết bị đầu cuối. CSFB là giải pháp phù hợp cho giai đoạn đầu triển khai mạng LTE khi chƣa triển khai mạng IMS cho di động, giảm đƣợc chi phí đầu tƣ ban đầu.
47
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý hoạt động CSFB.
Điểm đặc trƣng và quan trọng nhất của CSFB là kết nối giữa tổng đài MSC (trong 2G/3G) và tổng đài MME (trong 4G-LTE) thông qua giao diện SGs. Chức năng của giao diện này bao gồm quản lý di động và thực hiện các quy trình tìm gọi giữa miền dữ liệu (PS) và miền chuyển mạch kênh (CS).
Hình 3.5. Sơ đồ giao điện SGs dùng trong CFSB.
Yêu cầu đối với hệ thống mạng và thiết bị đầu cuối
Đầu cuối sử dụng CSFB phải có khả năng truy cập đồng thời vào mạng LTE và mạng GSM/UMTS.
Các thiết bị trong mạng LTE nhƣ MME, E-UTRAN và MSC đều cần thêm các tính năng bổ sung để có thể hỗ trợ CSFB. MME trong mạng LTE và MSC trong mạng GSM/UMTS phải đƣợc nâng cấp để có thể hỗ trợ giao diện SGs và thực hiện
48
các chức năng bổ sung khác. Ngoài ra, vùng phủ của mạng cũng nhƣ phƣơng án quy hoạch và chia ô trong LTE cần tƣơng đƣơng với GSM/UMTS để việc chuyển đổi đƣợc hiệu quả.
3.2.2 Phương thức hoạt động. [5]
Hình 3.6. Sơ đồ dự phòng chuyển mạch kênh.
Trình tự thực hiện 1 cuộc gọi thoại đối với thuê bao đang ở trong mạng LTE trải qua 7 bƣớc nhƣ trong sơ đồ trên, cụ thể nhƣ sau:
Bƣớc 1: thuê bao nằm trong mạng LTE-4G, báo hiệu CS đƣợc duy trì thông
qua giao diện e-Uu, S1, SGs.
Bƣớc 2: có cuộc gọi đến thuê bao LTE thông báo đến tổng đài MSC.
Bƣớc 3: tổng đài MSC thực hiện phát lệnh tìm gọi thông qua giao diện SGs,
S1, e-Uu; tức là bản tin tìm gọi sẽ định tuyến từ tổng đài MSC đến tổng đài MME, đến trạm thu phát eNodeB và đến thuê bao đang trong mạng LTE.
Bƣớc 4: thuê bao trong mạng LTE thực hiện đo tín hiệu trên các cell 2G/3G
49
Bƣớc 5: trạm thu phát eNodeB chỉ định thuê bao LTE kết nối đến 1 cell GSM/WCDMA (kết nối đến 1 tần số GSM hoặc 1 tần số WCDMA) với việc thiết lập 1 kết nối RRC thông qua bản tin chuyển hƣớng.
Bƣớc 6: thuê bao LTE hoàn thành kết nối vào mạng GSM/WCDMA, thông
tin hệ thống đƣợc đọc trong cell phục vụ.
Bƣớc 7: thuê bao phát bản tin trả lời tìm gọi, cuộc gọi thiết lập trong mạng GSM/WCDMA.
Thời gian thiết lập cuộc gọi khi dùng CSFB:
Do việc thiết lập cuộc gọi phải trải qua nhiều giai đoạn hơn so với GSM/ WCDMA truyền thống, tốn thời gian hơn do mất nhiều thủ tục và giao diện hơn nên thời gian thiết lập cuộc gọi dùng CSFB sẽ lâu hơn so với bình thƣờng. Cụ thể, theo tính toán: đối với thiết lập cuộc gọi 3G sẽ lâu hơn khoảng 1.5s và đối với thiết lập cuộc gọi 2G sẽ lâu hơn khoảng 2.5s nhƣ hình vẽ bên dƣới.
Hình 3. 7. So sánh thời gian thiết lập cuộc gọi 2G/3G và CSFB.
Để giải quyết vấn đề này nhằm cải thiện thời gian thiết lập cuộc gọi, đảm bảo yêu cầu thông tin nhanh hơn, có 2 giải pháp đƣợc đƣa ra là RIM (Ran Information Management) và DMCR (Deferred Measurement Control Reading).
50
Hình 3. 8. Sơ đồ phƣơng pháp RIM giảm thời gian kết nối 2G/3G. Phƣơng pháp RIM cải tiến do thuê bao không cần đọc thông tin hệ thống SI trong mạng GSM/WCDMA nên thời gian thiết lập cuộc gọi sẽ nhanh hơn. Cụ thể, với 3G cải thiện 1.2s và với 2G cải thiện 2.0s.
51
Phƣơng pháp DMCR cải thiện thời gian kết nối cuộc gọi nhờ sử dụng việc đọc thông tin trong suốt thời gian cuộc gọi thông qua DMCR on/off. Phƣơng pháp này sử dụng cho 3G và cải thiện thời gian thiết lập khoảng 0.7s.
3.2.3 Ưu nhược điểm của giải pháp CSFB [8]
Ƣu điểm giải pháp CSFB:
Giải pháp CSFB không cần triển khai mạng IMS và tƣơng thích rộng rãi cho
roaming vì đƣợc chuẩn hóa với 3GPP.
Tận dụng lại hạ tầng cũ của 2G/3G hiện tại nên giảm chi phí đầu tƣ ban đầu, có khả năng triển khai nhanh đƣa 4G-LTE vào thực tế.
Nhƣợc điểm của giải pháp CSFB:
MSC cần phải nâng cấp để có thể tƣơng thích với giải pháp CSFB. Phiên dịch vụ dữ liệu phải ngừng lại khi thực hiện hay nhận cuộc gọi thoại trên nền chuyển mạch kênh CS.
Thời gian thiết lập cuộc gọi lớn hơn so với mạng GSM/WCDMA thông thƣờng.
Chuyển giao giữa LTE và non-LTE trạm phát sóng dẫn tới nhiều thông điệp
báo hiệu.
2.3 Giải pháp dùng SRVCC cho thoại trên LTE [8][9]
2.3.1 Khái niệm về SRVCC.
Nhƣ đã trình bày ở trên, trong thời gian đầu triển khai mạng 4G-LTE để giảm chi phí đầu tƣ giải pháp CSFB đƣợc sử dụng cho dịch vụ thoại. Tuy nhiên nhƣợc điểm chính của CSFB là quá trình chuyển giao từ LTE sang GSM/WCDMA cần nhiều thông tin báo hiệu hơn, do đó thời gian thiết lập cuộc gọi lâu hơn so với trƣờng hợp thông thƣờng.
Giai đoạn tiếp theo của LTE, mạng di động 4G sẽ trở nên hoàn thiện hơn với mạng di động IMS. Lúc này các hạn chế của CSFB trong giai đoạn đầu đƣợc khắc phục triệt để với 1 giải pháp mới, đƣợc gọi là SRVCC (Single Radio Voice Call Continuity). Giải pháp này đƣợc chuẩn hóa trong 3GPP TS23.216. SRVCC cho
52
phép phiên IMS đƣợc duy trì khi thiết bị đầu cuối chuyển giao từ công nghệ này sang công nghệ khác (và một lúc chỉ có thể kết nối với 1 công nghệ vô tuyến – single radio).
Khác biệt lớn nhất giữa SRVCC so với CSFB chính là mạng di động IMS. Mạng IMS là kiến trúc điều khiển dịch vụ dựa trên kết nối toàn IP và độc lập với các công nghệ truy nhập. IMS không chỉ cung cấp các dịch vụ thoại truyền thống mà còn cung cấp nhiều dịch vụ giá trị gia tăng và dịch vụ đa phƣơng tiện tiên tiến.
Bình thƣờng thuê bao hoạt động trong vùng phủ sóng LTE, sẽ sử dụng dịch vụ thoại thông qua mạng IMS. Khi thuê bao di chuyển ra khỏi vùng có sóng LTE thì SRVCC sẽ giúp chuyển thuê bao sang mạng 2G/3G và vì vậy, cuộc thoại đƣợc tiếp tục duy trì. Đây là ƣu điểm lớn nhất của SRVCC, tại mỗi thời điểm chỉ sử dụng 1 mạng vô tuyến duy nhất; khi mạng LTE mất sóng hoặc sóng yếu thì sẽ chuyển sang 2G/3G giống nhƣ cách thức chuyển giao từ mạng 3G sang 2G nhƣ hiện tại.
53
2.3.2 Nguyên lý hoạt động SRVCC
SRVCC là cơ chế đảm bảo sự liên tục dịch vụ thoại trong mạng 4G-LTE và mạng 2G/3G. Với SRVCC quá trình chuyển giao đƣợc thực hiện, nhờ đó những vùng mà sóng LTE kém, thuê bao sẽ vẫn gọi bình thƣờng trong mạng 2G/3G truyền thống nhƣ hiện tại.
Hình 3.11. Sơ đồ SRVCC khi chuyển giao giữa LTE và 2G/3G. LTE: là E-UTRAN nhƣ trên sơ đồ (mạng truy nhập vô tuyến LTE)
2G/3G: là UTRAN và GERAN nhƣ trên sơ đồ (mạng truy nhập vô tuyến 2G/3G)
Các thành phần node mạng 2G/3G gồm:
Mạng truy nhập gồm: UTRAN (mạng truy nhập 3G) và GERAN (mạng truy
nhập GSM).
Mạng lõi gồm: tổng đài chuyển mạch MSC cho thoại; tổng đài chuyển mạch
SGSN cho data.
Các giao diện: giao diện Iu kết nối giữa mạng truy nhập và mạng lõi; gồm
54
Các thành phần node mạng 4G-LTE gồm:
Mạng truy nhập gồm: E-UTRAN.
Mạng lõi gồm: MME (Mobility Management Entity) là thành phần quản lý
di động; S-GW (Serving Gateway) là Gateway phục vụ; P-GW (Packet Data Network Gateway) là Gateway mạng dữ liệu gói; HSS (Home Subscription Server ) là máy chủ quản lý dữ liệu về thuê bao; IP multimedia subsystem: là mạng di động IMS và MSC Ehanced for SRVCC là tổng đài MSC mở rộng kết nối MSC với mạng IMS.
Các giao diện chính: S1-U, S11, S3, S4, S5, Sv, S6a, D, SGi thực hiện kết
nối giữa các thành phần trong mạng LTE với nhau.
Quá trình kết nối thực hiện cuộc gọi:
Khi thuê bao nằm trong mạng 4G-LTE: thuê bao kết nối đến mạng truy nhập E-UTRAN, thông qua 2 cổng S-GW và P-GW để kết nối đến mạng IMS để thực hiện cuộc gọi.
Khi thuê bao chuyển qua mạng 2G (GERAN) hoặc 3G (UTRAN): nếu là cuộc gọi thoại thì thuê bao sẽ kết nối đến mạng truy nhập, thông qua tổng đài MSC kết nối đến MSC mở rộng (đƣợc nâng cấp để tƣơng thích LTE) và kết nối đến mạng di động IMS. Nếu là thuê bao dùng data thì thuê bao sẽ kết nối qua mạng vô tuyến truy nhập, thông qua tổng đài SGSN, S-GW, P-GW và kết nối đến mạng di động IMS.
Đƣờng màu đỏ mô tả thuê bao không thực hiện cuộc gọi thoại chuyển giao từ LTE sang 2G/3G. Nét liền mô tả hành vi thuê bao trƣớc khi chuyển giao và nét đứt mô tả hành vi thuê bao sau khi chuyển giao.
Ngƣợc lại, đƣờng màu xanh mô tả thuê bao thực hiện cuộc gọi thoại chuyển giao từ LTE sang 2G/3G. Nét đứt mô tả hành vi thuê bao trƣớc khi chuyển giao và nét chấm gạch mô tả hành vi thuê bao sau khi chuyển giao.
55
Hình 3.12. Sơ đồ tiến trình chuyển giao từ LTE sang 2G/3G. Tiến trình chuyển giao cuộc gọi trải qua 6 bƣớc nhƣ sau: [5]
Bƣớc 1: mạng truy nhập E-UTRAN thu thập thông tin đo lƣờng và gửi yêu
cầu chuyển giao thuê bao (UE) sang mạng UTRAN/GERAN (3G/2G) đến MME.
Bƣớc 2: MME khởi tạo SRVCC thông qua giao diện Sv đến MSC.
Bƣớc 3: MME xử lý chuyển giao cho các dịch vụ phi thoại (nhƣ data…).
Bƣớc 4: Tổng đài MSC chuẩn bị cho quá trình chuyển giao thoại; kết nối đến
mạng IMS.
Bƣớc 5: Tổng đài MSC trả lời mạng MME; MME gửi thông tin về E- UTRAN phát lệnh yêu cầu chuyển giao.
Bƣớc 6: quá trình chuyển giao xảy ra, cuộc gọi tiếp tục duy trì.
Giải pháp SRVCC yêu cầu phải thiết lập một giao diện mới Sv giữa EPC (Evolved Packet Core) và CS core, nhờ đó MME (Mobility Management Entity) có thể yêu cầu MSC-S đặt trƣớc tài nguyên cần thiết ở mạng 2G/3G trƣớc khi chuyển giao. Tuy nhiên yêu cầu đặt ra là nhà mạng phải triển khai SCC AS (Service Centralization and Continuity Application Server) để quản lý chuyển giao thoại, video và đồng bộ hóa dịch vụ.
56
Khi cuộc gọi VoIP đƣợc hỗ trợ trong LTE, thì cũng phải cần chuyển giao cuộc gọi VoIP từ LTE sang mạng GSM/WCDMA khi thuê bao LTE ra khỏi vùng phủ sóng LTE.
2.3.3 Ưu nhược điểm của SRVCC
Ƣu điểm của giải pháp này là:
Cung cấp dịch vụ thoại và dữ liệu trên cùng một công nghệ LTE (không cần
phải duy trì mạng 2G/3G).
Profile đƣợc chuẩn hóa nên sẽ tƣơng thích rộng, dễ dàng trong việc roaming.
Thiết bị đầu cuối sẽ đƣợc chuẩn hóa để tƣơng thích VoLTE.
Chuyển giao đƣợc quản lý bởi tiến trình EPC/LTE do vậy nên không có ảnh
hƣởng gì đến lớp IMS.
Với giải pháp SRVCC, bài toán roaming sẽ không còn là bài toán nan giải
nữa vì nó tƣơng thích với chuẩn 3GPP. Vấn đề roaming giữa các mạng IMS cũng đang đƣợc chuẩn hóa bởi GSMA.
Nhƣợc điểm của giải pháp này là:
Các nhà mạng phải triển khai SCC AS (Service Centralization and
Continuity Application Server) để quản lý chuyển giao thoại, video và đồng bộ hóa dịch vụ.
Phải đầu tƣ xây dựng mạng IMS, triển khai các Application Server cần thiết
57
Kết chƣơng:
LTE cung cấp dịch vụ dữ liệu Internet di động tốc độ cao không dùng cho thoại và tin nhắn SMS, nhƣng đây là 2 dịch vụ truyền thống chiếm tỷ trọng lớn trong doanh thu dịch vụ di động toàn cầu nên cần VoLTE.
Dựa trên tình hình thực tế và đặc tính của công nghệ, có 2 nhóm giải pháp chính đƣợc đƣa ra để thực hiện thoại trên mạng 4G-LTE tùy là CSFB và SRVCC.
Giải pháp CSFB tận dụng lại hạ tầng cũ 2G/3G để cung cấp dịch vụ thoại. Đây là giải pháp ban đầu khi triển khai LTE nhằm giảm chi phí đầu tƣ và tận dụng mạng chuyển mạch kênh của 2G/3G sẵn có.
Giải pháp SRVCC cần triển khai mới 1 mạng di động riêng, hoàn toàn có cả chuyển mạch kênh LTE gọi là mạng di động IMS để cung cấp dịch vụ thoại. Đây là giải pháp thƣờng đƣợc triển khai trong giai đoạn sau, khi mạng LTE đã dần hoàn thiện và yêu cầu tốn kém về mặt chi phí.
58
CHƢƠNG 4: QUÁ TRÌNH THỬ NGHIỆM LTE CỦA VIETTEL VÀ ĐỀ XUẤT
4.1 Tình hình triển khai LTE tại Việt Nam và thế giới
4.1.1 Tình hình triển khai LTE trên thế giới. [10] [12]
LTE đƣợc hãng NTT DoCoMo của Nhật đề xuất đầu tiên vào năm 2004, các nghiên cứu về tiêu chuẩn mới chính thức bắt đầu vào năm 2005. Tháng 5 năm 2007, liên minh Sáng kiến thử nghiệm LTE/SAE (LSTI) đƣợc thành lập, liên minh này là sự hợp tác toàn cầu giữa các hãng cung cấp thiết bị và hãng cung cấp dịch vụ viễn thông với mục tiêu kiểm nghiệm và thúc đẩy tiêu chuẩn mới để đảm bảo triển khai công nghệ này trên toàn cầu càng hợp càng tốt. Tiêu chuẩn LTE đƣợc hoàn thành vào tháng 12 năm 2008 và dịch vụ LTE đầu tiên đƣợc hãng TeliaSonera khai trƣơng ở Oslo và Stockholm vào ngày 14 tháng 12 năm 2009, đó là kết nối dữ liệu với một modem USB. Năm 2011, các dịch vụ LTE đƣợc khai trƣơng ở thị trƣờng Bắc Mỹ, với việc hãng MetroPCS giới thiệu mẫu điện thoại thông minh hỗ trợ LTE đầu tiên là Samsung Galaxy Indulge vào ngày 10 tháng 2 năm 2011.
Trong năm 2009 có 2 nhà cung cấp dịch vụ LTE đầu tiên là TeliaSonera ở Na- Uy và Thụy Điển. Năm 2010 có 16 nhà cung cấp dịch vụ LTE. Năm 2011 có 46 nhà mạng LTE. Đầu năm 2012, có 3 nhà mạng cung cấp dịch vụ LTE mới là Viva Bahrain, T-Mobile Hungary và KT Hàn Quốc, tới cuối năm 2012 là 148 nhà mạng với 75 triệu thuê bao.
Theo tổ chức GSA tính tới ngày 18 tháng 12 năm 2013 có 251 nhà mạng triển khai LTE tại 93 quốc gia. Số lƣợng các quốc gia có dịch vụ LTE tăng 45% trong năm 2013 với 29 quốc gia mới.
59
Hình 4.1: Biểu đồ tăng trƣởng số nhà mạng LTE đến 2013.
Tính đến cuối 2013 thì Mỹ đang thống trị thị trƣờng LTE toàn cầu với khoảng 46% thuê bao, theo sau là Nhật Bản và Hàn Quốc, mỗi quốc gia cùng chiếm 17%. Trung Quốc là thị trƣờng mới nhất khai trƣơng mạng LTE vào tháng 12/2013, điều này là cơ sở để dự báo những thay đổi lớn trên thị trƣờng này. Theo dự báo, thuê bao LTE tại Trung Quốc sẽ đạt mức tăng trƣởng hàng năm là 280% trong vòng 4 năm tới, nghĩa là Trung Quốc sẽ vƣợt Mỹ để trở thành thị trƣờng LTE lớn nhất thế giới vào năm 2017.
60
Hình 4.2 Biểu đồ lƣợng thuê bao LTE đến 2013.
Số thuê bao LTE toàn cầu đƣợc dự báo sẽ đạt 1.36 tỷ vào cuối năm 2018. Kết quả tăng trƣởng cao này có đƣợc do những triển khai thành công của các nhà khai thác nhƣ Verzon Wireles, SK Telecom, NTT DoCoMo, Everything Everywhere và Vodafone D2 (Đức).
4.1.2 Tình hình triển khai LTE tại Việt Nam. [13]
Ngày 01 tháng 9 năm 2010, Bộ Thông tin và Truyền thông đã cấp phép cho 05 doanh nghiệp đƣợc thử nghiệm mạng và dịch vụ LTE, bao gồm: VNPT; Viettel;