1. Nội dung thiết kế tốt nghiệ p:
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 vô 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 tồn 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 UE duy nhất đã có. Hình 2.6 thể hiện kết nối của PCRF với các node khác.
Hình 2.6 PCRF kết nối với các node trong mạng
2.1.2 Các giao diện và giao thức trong kiến trúc mạng LTE
Như đã biết, MME là phần tử kết nối với tất cả các phần tử khác trong toàn mạng nên giao diện thể hiện với những giao thức tương ứng với từng node kết nối. Lớp trên cùng là các lớp không truy cập (NAS) gồm hai giao thức riêng biệt được thực hiện truyền tải tín hiệu trực tiếp giữa UE và MME. Các giao thức lớp này gồm:
Quản lý tính di động EPC (EMM): chức năng điều khiển tính di động của
UE trong hệ thống. Nó bao gồm các chức năng kết nối và tách ra từ mạng, và thực hiện việc cập nhật vị trí.
Quản lý phiên EPS (ESM): điều khiển quản lý phần tử mạng giữa UE và
MME. Không sử dụng ESM nếu các phần tử mạng đã có sẵn trong mạng lưới và quy trình của E-UTRAN có thể hoạt động ngay lập tức.
Điều khiển tài nguyên vơ tuyến (RRC): giao thức này nhằm kiểm sốt việc
sử dụng nguồn tài nguyên vô tuyến, quản lý báo hiệu của UE và các kết nối dữ liệu, cũng bao gồm các chức năng chuyển giao.
Giao thức hội tụ dữ liệu gói (PDCP): chức năng chính là nén tiêu đề IP (UP),
mã hóa và bảo vệ sự toàn vẹn chỉ với CP.
Điều khiển liên kết vơ tuyến (RNC): giao thức này có trách nhiệm ghép nối
và phân đoạn PDCP-PDU để truyền cho giao diện vơ tuyến. Nó cũng thực hiện việc sửa lỗi với phương pháp yêu cầu truyền lại tự động (ARQ).
Điều khiển truy nhập mơi 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. Lớp MAC cũng cung cấp việc sửa lỗi với HARQ.
Lớp vật lý (PHY): đây là lớp 1 của giao diện vô tuyến LTE-UU.
Trong EPC có hai giao thức khác cho giao diện S5/S8. Các giao thức khi
S5/S8 sử dụng trên GTP:
- Mặt phẳng điều khiển giao thức đường hầm GPRS (GTP-C): nó quản lý các kết nối UP trong EPC gồm báo hiệu QoS và các thông số khác, quản lý đường hầm GTP-U, GTP-C thực hiện chức năng quản lý trong EPC.
- Truyền tải UDP-IP: giao thức dữ liệu đơn vị UDP và IP được sử dụng như truyền tải IP căn bản và tiêu chuẩn. UDP được sử dụng thay giao
thức điều khiển truyền dẫn (TCP) bởi vì các lớp cao hơn đã được cung cấp sự truyền tải tin cậy với cơ chế khắc phục lỗi và truyền lại.
Các giao thức sử dụng khi S5/S8 sử dụng trên PMIP:
- IP di động ủy nhiệm (PMIP): PMIP là giao thức khác cho giao diện S5/S8. Nó quản lý tính di động nhưng không quản lý phần tử mạng. - IP: PMIP chạy trực tiếp trên IP và được sử dụng như một IP tiêu
chuẩn.
Cấu trúc giao thức trong UP kết nối UE với P-GW được thể hiện qua hình 2.8. UP được thể hiện gồm các lớp của người dùng IP cuối, tức là các giao thức được hình thành nên lớp 2 và được sử dụng để vận chuyển gói IP tới người sử dụng cuối. Cấu trúc giao thức là tương tự với CP. Như vậy toàn bộ hệ thống 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 là khác nhau.
Hình 2.8 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng người dùng (UP) trong EPC
Giao diện X2 được sử dụng trong khi di chuyển giữa các eNodeB, quan trọng hơn là có chức năng trong việc chuyển giao và duy trì liên lạc giữa các eNodeB lân cận. X2 trong UP được dùng để chuyển tiếp dữ liệu tạm thời trong quá trình chuyển giao, khi các giao diện vô tuyến bị ngắt kết nối ở phía nguồn và chưa kết nối lại ở phía đích. Sau đây là bảng tóm tắt các giao diện và giao thức sử dụng trong kiến
Bảng 2.1 Tóm tắt các giao thức và giao diện cơ bản
Giao diện Giao thức
LTE-Uu CP: RRC/PDCP/RLC/MAC/PHY UP: PDCP/RLC/MAC/PHY X2 CP: X2AP/SCTP/IP UP: GTP-U/UDP/IP S1-MME S1AP/SCTP/UDP/IP S1-U GTP-U/UDP/IP S5/S8 (GTP) GTP/UDP/IP S5/S8 (PMIP) CP: PMIP/IP UP: GRE/IP S11 GTP-C/UDP/IP S10 GTP-C/UDP/IP 2.1.3 Hỗ trợ tính di động liên tục
Một đặc điểm quan trọng trong hệ thống thông tin du động sử dụng công nghệ LTE là hỗ trợ tính di động liên tục giữa các eNodeB với nhau và giữa các MME/GW. Chuyển giao nhanh chóng và liên tục (HO) là đặc biệt quan trọng với những dịch vụ như VoIP. Việc chuyển giao xảy ra thường xuyên giữa các eNodeB hơn là các mạng lõi. Tín hiệu trên giao diện X2 giữa các eNodeB được sử dụng để chuẩn bị chuyển giao, S-GW hoạt động như là một node cuối cho việc chuyển giao giữa các eNodeB. Trong hệ thống LTE, mạng dựa vào UE để phát hiện các ô lân cận để chuyển giao và do đó khơng có thơng tin ơ lân cận nào là tín hiệu từ mạng. Đối với tìm kiếm và đo đạc tần số giữa các ô lân cận thì chỉ có các tần số sóng mang là cần được chỉ ra. Cịn đối với việc quản lý tính di động trong trạng thái RRC rảnh rỗi ta cần chú ý tới khu vực cần theo dõi. Một khu vực theo dõi bao gồm nhiều eNodeB, nhận dạng khu vực theo dõi cho biết thông tin một eNodeB thuộc khu vực nào.
2.1.4 Kiến trúc phát quảng bá đa điểm (MBMS)
Trong hệ thống LTE, MBMS sử dụng hoặc truyền đơn ô hoặc truyền đa ô. Trong truyền đơn ô, MBMS chỉ truyền được trong một ô cụ thể và được thực hiện trên kênh chia sẻ đường xuống (DL-SCH) do đó sử dụng kiến trúc mạng như lưu lượng truyền đơn hướng. Các UE có thể được cấp phát kênh phản hồi đường lên dành riêng giống với người dùng trong truyền đơn hướng, nó cho phép tự động phản hồi HARQ ACK/NACK và phản hồi CQI. Kiến trúc MBMS cho truyền dẫn