1. Nội dung thiết kế tốt nghiệ p:
1.4 Yêu cầu về thời gian gián đoạn
Non-real-time(ms) Real-time(ms)
LTE to WCDMA 500 300
LTE to GSM 500 300
Độ linh hoạt phổ: nền tảng cho những yêu cầu về độ linh hoạt phổ là những
điều kiện để LTE có thể triển khai trên những băng tần IMT-2000 hiện hành. Yêu cầu về mật độ linh hoạt phổ trong hệ thống LTE là khả năng triển khai việc truy cập vô tuyến dựa trên LTE cho dù phân bố phổ theo cặp hay đơn lẻ. Do vậy mà LTE có thể hỗ trợ cả TDD và FDD. Sơ đồ song công hay việc quy hoạch song cơng là một thuộc tính của cơng nghệ truy cập vô tuyến. Một phân bố phổ cho trước bao giờ cũng được liên kết với một quy hoạch song công cụ thể. Hệ thống FDD được triển khai theo một cặp phân bố nhỏ, cịn TDD thì được triển khai trong các phân bố đơn lẻ. Yêu cầu về độ linh hoạt phổ địi hỏi LTE có khả năng mở rộng trong miền tần số và có thể hoạt động trong nhiều băng tần khác nhau và được liệt kê thành danh sách phân bố phổ khác nhau (1.25, 1.6, 2.5, 5, 10, 15, 20 MHz). Ngồi ra LTE có thể hoạt động theo cặp phổ hoặc đơn lẻ, có thể triển khai trong nhiều băng tần khác nhau. Những băng tần được chỉ rõ dựa vào độc lập phiên bản nghĩa là phiên bản đầu tiên của LTE không phải hỗ trợ cho tất cả các băng tần ngay từ đầu. Hơn nữa về vấn đề cùng tồn tại và lắp đặt chung giữa LTE với GSM và WCDMA trên những tần số lân cận, cũng như sự cùng tồn tại giữa các nhà khai thác và hệ thống mạng lân cận trên những quốc gia khác nhau nhưng sử dụng phổ chồng nhau. Ở đây cũng có một điều kiện là khơng có hệ thống nào khác được yêu cầu hợp lệ khi một thiết bị đầu cuối nào truy nhập vào LTE, nghĩa là LTE phải có tất cả các tín hiệu điều khiển cần thiết được yêu cầu cho việc kích hoạt truy nhập.
1.3.4 Quản lý tài nguyên vô tuyến
Những yêu cầu về việc quản lý tài nguyên vô tuyến được chia ra thành: hỗ trợ nâng cao cho QoS end to end, hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn, và hỗ trợ cho việc chia sẻ tải cũng như là quản lý chính sách thơng qua các công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau.
Việc hỗ trợ nâng cao QoS end to end yêu cầu cải thiện sự thích ứng giữa dịch
vụ, ứng dụng và các điều kiện về giao thức (bao gồm báo hiệu lớp cao hơn) với tài ngun RAN và các đặc tính vơ tuyến.
Việc hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn địi hỏi LTE RAN phải có
khả năng cung cấp cơ cấu để hỗ trợ truyền dẫn hiệu suất cao và hoạt động của các giao thức ở lớp cao hơn qua giao tiếp vơ tuyến, chẳng hạn như q trình nén tiêu đề IP.
Việc hỗ trợ chia sẻ tải và quản lý chính sách thơng qua các cơng nghệ truy
cập vơ tuyến khác nhau địi hỏi phải xem xét đến việc lựa chọn các cơ cấu để định hướng các thiết bị đầu cuối di động theo các dạng cơng nghệ truy cập vơ tuyến thích hợp đã được nói rõ cũng như là hỗ trợ QoS end to end trong q trình chuyển giao giữa các cơng nghệ truy cập vô tuyến.
1.3.5 Kiến trúc và sự dịch chuyển
Một vài nguyên tắc cho việc thiết kế cấu trúc LTE RAN được đưa ra bởi 3GPP:
Một kiến trúc đơn LTE RAN được chấp nhận
Kiến trúc LTE RAN phải dựa trên gói, tuy vậy lưu lượng lớp thoại và thời
gian thực vẫn được hỗ trợ.
Kiến trúc LTE RAN có thể tối thiểu hóa sự hiện diện của những hư hỏng cục
bộ mà không cần tăng chi phí cho đường truyền.
Kiến trúc LTE RAN có thể đơn giản hóa và tối thiểu hóa số lượng giao tiếp
đã được giới thiệu.
Tương tác giữa lớp mạng vơ tuyến (RNL) và lớp mạng truyền tải (TNL) có
thể được loại trừ nếu chỉ cần quan tâm đến vấn đề cải thiện hiệu suất hệ thống.
Kiến trúc LTE RAN có thể hỗ trợ QoS end to end, và khi đó lớp mạng truyền
tải có thể cung cấp QoS thích hợp nếu được u cầu bởi lớp mạng vơ tuyến.
Các cơ cấu của QoS có thể tính tốn đến các lưu lượng đang tồn tại khác
nhau để mang lại hiệu suất sự dụng băng thông cao: lưu lượng mặt phẳng điều khiển, lưu lượng mặt phẳng người dùng, lưu lượng Q&M…
LTE RAN có thể được thiết kế theo lối làm giảm biến đổi trễ đối với lưu
lượng cần độ jitter thấp (TCP/IP).
1.3.6 Độ phức tạp, chi phí và dịch vụ
Yêu cầu độ phức tạp trong LTE là xác định độ phức tạp của toàn hệ thống cũng như độ phức tạp của thiết bị đầu cuối di động. Về cơ bản những yêu cầu này đề cập tới số lượng những tùy chọn có thể tối thiểu hóa với những đặc tính dư thừa khơng bắt buộc. Điều này cũng đưa tới việc tối giản những trường hợp kiểm thử không cần thiết. Bên cạnh đó, việc giảm chi phí trong khi vẫn duy trì tốt hiệu suất yêu cầu cho tất cả các dịch vụ. Các vấn đề về đường truyền, hoạt động và bảo dưỡng cũng liên quan tới yếu tố chi phí. Vì thế khơng chỉ việc giao tiếp vô tuyến mà việc truyền tải đến trạm gốc và các hệ thống quản lý cũng phải được xác định rõ ràng. Một yếu cầu quan trọng về giao tiếp giữa nhiều nhà cung cấp cũng thuộc loại yêu cầu này. Ngoài ra những vấn đề liên quan như: độ phức tạp thấp, thiết bị đầu cuối di động tiêu thụ ít năng lượng cũng được địi hỏi. Đồng thời khi tung ra một sản phẩm cho người dùng thì việc đảm bảo chất lượng dịch vụ ln phải đặt lên hàng đầu.
CHƯƠNG 2
KIẾN TRÚC MẠNG VÀ KỸ THUẬT TRONG LTE
Sau khi đã nắm được đôi nét về thông số của LTE đồng thời biết được mục tiêu thiết kế LTE thì chương này em sẽ đi vào trình bày các đặc điểm kỹ thuật, cấu trúc mạng, các kênh truyền sử dụng trong công nghệ LTE, các kỹ thuật sử dụng cho đường lên và đường xuống đồng thời khái quát về các thủ tục liên quan tới giao diện vô tuyến như chuyển giao và điều khiển công suất.
2.1 Kiến trúc mạng LTE
Kiến trúc mạng LTE được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói với tính di động linh hoạt, chất lượng dịch vụ QoS và độ trễ tối thiểu. Một phương pháp chuyển mạch gói cho phép hỗ trợ tất cả các dịch vụ. Kết quả là trong một kiến trúc phẳng hơn, rất đơn giản là với hai nút cụ thể là eNodeB và phần tử quản lý di động/cổng (MME/GW). Một thay đổi lớn nữa là phần điều khiển mạng vô tuyến (RNC) được loại bỏ khỏi đường dữ liệu và chắc năng của nó hiện nay được thành lập ở eNodeB. Một số ích lợi của một nút duy nhất trong mạng truy nhập là giảm độ trễ và phân phối của việc xử lý tải RNC vào nhiều eNodeB.
2.1.1 Cấu hình cơ bản của hệ thống
Hình 2.1 miêu tả kiến trúc và các thành phần mạng trong cấu hình kiến trúc nơi chỉ có một E-UTRAN tham gia. Hình cũng cho ta thấy sự phân chia kiến trúc thành 4 phần chính: thiết bị người dùng UE, E-UTRAN, mạng gói lõi phát triển EPC và các vùng dịch vụ. Mạng truy nhập vô tuyến của LTE gọi là E-UTRAN và một trong những đặc điểm chính của nó là tất cả các dịch vụ thời gian thực sẽ được hỗ trợ qua các kênh gói cần chia sẻ, làm tăng hiệu suất sử dụng phổ từ đó tăng dung lượng hệ thống. Việc sử dụng truy nhập gói cho tất cả các dịch vụ là sự tích hợp cao hơn giữa những dịch vụ đa phương tiện và giữa những dịch vụ cố định và khơng dây. Có nhiều loại chức năng trong mạng tế bào, dựa vào đó chia mạng ra làm 2 thành phần: mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi. Những chức năng như điều chế, nén, chuyển giao thuộc mạng truy nhập.
Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản của LTE
Còn những chức năng khác như tính cước hoặc quản lý di động thuộc thành phần mạng lõi. Với cơng nghệ LTE, mạng truy nhập là E-UTRAN cịn mạng lõi là EPC. Mục đích chính của LTE là tối thiểu hóa số node, vì vậy người phát triển đã chọn một cấu trúc đơn node. Trạm gốc mới trong LTE được gọi là eNodeB. Những eNodeB có tất cả những chức năng cần thiết trong mạng truy nhập vô tuyến LTE, kể cả những chức năng liên quan tới tài nguyên vô tuyến. Giao diện vô tuyến sử dụng trong E-UTRAN là S1 và X2. Trong đó, S1 là giao diện vô tuyến để kết nối giữa eNodeB và mạng lõi. S1 chia làm 2 loại: S1-U là giao diện giữa eNodeB với S- GW; S1-MME là giao diện giữa eNodeB và MME. X2 là giao diện giữa các eNodeB với nhau.
Một trong những thay đổi kiến trúc lớn là trong khu vực mạng lõi là EPC khơng có chứa một vùng chuyển mạch-mạch, và khơng có kết nối trực tiếp với các mạng chuyển mạch-mạch truyền thống như ISDN và PSTN. Các chức năng của EPC là tương đương với các vùng chuyển mạch gói của mạng 3GPP hiện tại. Tuy nhiên những thay đổi đáng kể trong việc bố trí các nút chức năng và kiến trúc nên được coi là hoàn tồn mới. Cùng mục đích như E-UTRAN, số eNodeB trong EPC đã được cắt giảm, EPC chia luồng dữ liệu người dùng thành mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển. Một node cụ thể được định nghĩa cho mỗi mặt phẳng, cộng với Gateway chung kết nối mạng với internet và những hệ thống khác.
2.1.1.1 Thiết bị người dùng (UE)
UE là thiết bị mà người sử dụng đầu cuối để liên lạc. UE có chứa modum nhận dạng thuê bao (hay là thiết bị đầu cuối TE) toàn cầu USIM được sử dụng để nhận dạng và xác thực người sử dụng để lấy khóa bảo mật nhằm bảo vệ việc truyền tải trên giao diện vô tuyến. Chức năng của UE là nền tảng cho các ứng dụng truyền thơng mà có tín hiệu với mạng để thiết lập, duy trì các liên kết thông tin người dùng cần. UE cung cấp các giao diện người sử dụng cho người dùng cuối để các ứng dụng như VoIP được sử dụng và thiết lập một cuộc gọi thoại.
2.1.1.2 E-UTRAN NodeB (eNodeB)
Node duy nhất trên E-UTRAN là eNodeB. Đặt eNodeB là một trạm gốc vơ tuyến kiểm sốt tất cả các chức năng vơ tuyến liên quan trong phần cố định của hệ thống. Chức năng của eNodeB hoạt động như một cầu nối giữa 2 lớp UE và EPC, nó là điểm cuối của tất cả các giao thức vơ tuyến về phía UE, và tiếp nhận dữ liệu giữa các kết nối vô tuyến và các kết nối IP cơ bản tương ứng về phía EPC. eNodeB cũng chịu trách nghiệm chức năng ở mặt phẳng điều khiển trong việc quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) như phân bổ tài nguyên dựa trên yêu cầu, ưu tiên và lập lịch trình lưu lượng theo yêu cầu QoS, liên tục giám sát tình hình tài ngun. Ngồi ra, eNodeB cịn có vai trị quan trọng trong quản lý tính di động (MM), điều khiển eNodeB và đo đạc phân tích mức độ của tín hiệu vơ tuyến được thực hiện bởi UE. Khi một UE mới được kích hoạt và kết nối với mạng thì eNodeB có vai trị trong
Hình 2.2 Chức năng của eNodeB
Mỗi eNodeB có thể phục vụ được nhiều UE trong vùng phủ sóng nhưng mỗi UE thì chỉ kết nối được với một eNodeB trong cùng một thời điểm. Các eNodeB cần kết nối với nhau để thực hiện chuyển giao. Cả hai MME và S-GW có thể được gộp lại thành một tập hợp các nút được phân công để phục vụ một tập hợp các eNodeB. Khi đó mỗi UE sẽ được phục vụ chỉ bởi một cặp MME và S-GW duy nhất tại một thời điểm do chính eNodeB duy trì. Sự kết hợp này sẽ khơng bao giờ thay đổi từ một điểm eNodeB duy nhất vì nó chỉ thay đổi khi chuyển giao giữa các eNodeB.
2.1.1.3 Thực thể quản lý tính di động (MME)
Thực thể quản lý tính di động là thành phần điều khiển chính trong EPC. Ngồi giao diện cuối vào MME trong kiến trúc thì MME cịn có một kết nối logic trực tiếp tới UE và kết nối này được sử dụng như kênh điều khiển chính giữa UE và mạng. MME chỉ hoạt động ở CP chứ không hoạt động ở UP. Hình 2.3 thể hiện sụ kết nối
Hình 2.3 MME kết nối với các node logic khác và các chức năng chính Chức năng của thực thể quản lý tính di động:
Xác thực và bảo mật: Khi một UE đăng ký vào mạng lần đầu tiên, MME sẽ
khởi tạo sự xác thực để đảm bảo các yêu cầu bảo vệ với UE. Chức năng này dùng để bảo vệ các thông tin liên lạc khỏi việc nghe trộm từ bên thứ ba cho phép.
Quản lý tính di động: Khi một UE đang ký vào mạng đầu tiên, MME sẽ theo
dõi tất cả các UE trong khu vực của mình. MME điều khiển các thiết lập và giải phóng nguồn tài nguyên, tham gia điều khiển tín hiệu chuyển giao của các UE trong chế độ hoạt động giữa các eNodeB, MME, S-GW.
Quản lý hồ sơ thuê bao và dịch vụ kết nối: Khi UE đăng ký vào mạng, các
MME chịu trách nhiệm lấy hồ sơ đăng ký từ mạng chủ và lưu trữ thông tin trong suốt thời gian phục vụ UE.
Mỗi MME được cấu hình để điều khiển một tập hợp các S-GW và eNodeB. Các MME có thể phục vụ nhiều UE cùng một lúc nhưng ngược lại thì khơng.
2.1.1.4 Cổng phục vụ S-GW
Là vị trí kết nối của giao tiếp dữ liệu gói với E-UTRAN. Nó hoạt động như một node định tuyến đến những kỹ thuật 3GPP khác. Cổng phục vụ S-GW có chức năng quản lý đường hầm UP và chuyển mạch nhưng lại chịu trách nhiệm rất nhỏ trong các chức năng điều khiển. Hình 2.4 thể hiện vai trị của cổng phục vụ S-GW.
Hình 2.4 Các kết nối S-GW và chức năng chính
Ta thấy tất cả các giao diện kết nối S-GW được cấu hình là một-nhiều, một S- GW chỉ có thể phục vụ một số hữu hạn eNodeB và có thể kết nối với bất kỳ một P- GW nào trong mạng lưới. Hai eNodeB, eNodeB với P-GW có thể truyền dữ liệu gián tiếp thông qua kết nối với một S-GW.
2.1.1.5 Cổng mạng dữ liệu gói (P-GW)
Là tuyến biên giữa EPS và các mạng dữ liệu gói bên ngồi. Nó là node cuối di động cao nhất trong hệ thống, hoạt động như là điểm IP của các thiết bị cho UE, là Router đến mạng Internet. Chức năng của P-GW là chọn lưu lượng và lọc theo yêu cầu bởi các dịch vụ được đề cập. P-GW cấp phát địa chỉ IP để UE giao tiếp với
Hình 2.5 thể hiện chức năng chính và sự kết nối tới các node khác của P-GW. Mỗi P-GW kết nối với một hoặc nhiều PCRF, S-GW và mạng bên ngồi.
Hình 2.5 P-GW kết nối tới các node khác và các chức năng chính
2.1.1.6 Máy chủ thuê bao thường trú (HSS)
Là kho dữ liệu thuê bao cho tất cả các dữ liệu người dùng thường xuyên. Nó là một máy chủ dữ liệu trung tâm ghi lại vị trí của người sử dụng ở mức độ của node điều khiển mạng tạm trú. Để thực hiện các chức năng trên thì HSS cần phải tương tác với MME. Các HSS cần có khả năng kết nối với MME trong toàn bộ mạng lưới nơi mà các UE ln di chuyển.
2.1.1.7 Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên (PCRF)
Là phần tử mạng chịu trách nhiệm chính sách và điều khiển tính cước (PCC), điều khiển việc tạo ra bảng giá và cấu hình hệ thống con đa phương tiện IP IMS cho mỗi người dùng. Nó tạo ra quyết định về cách xử lý các dịch vụ QoS, cung cấp thông tin cho PCRF đặt trong P-GW. Mỗi một PCRF có thể kết nối với một hoặc
nhiều AF, P-GW, S-GW. Chỉ có một PCRF liên kết với mỗi kết nối PDN đó là một