Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chỉ số qos qoe để đánh giá chất lượng mạng di động vinaphone tại hải dương

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

Trần Văn Tuấn

NGHIÊN CỨU CHỈ SỐ QoS/QoE ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG
MẠNG DI ĐỘNG VINAPHONE TẠI HẢI DƯƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - 2021

e


HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
-----------------------------------------------------------

Trần Văn Tuấn
NGHIÊN CỨU CHỈ SỐ QoS/QoE ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG
MẠNG DI ĐỘNG VINAPHONE TẠI HẢI DƯƠNG

Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã số: 8.52.02.08
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. ĐẶNG THẾ NGỌC

HÀ NỘI - 2021

e


i

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Đặng Thế Ngọc, Học Viện Cơng
Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, người thầy đã dành nhiều thời gian tận tình hướng dẫn
định hướng giúp đỡ cho tơi trong suốt quá trình tìm hiểu và nghiên cứu luận văn.
Thầy đã đưa ra nhiều ý kiến đóng góp quý báu giúp tơi có thể hồn thiện tốt được
luận văn.
Tơi xin chân thành cám ơn các thầy cô của Học Viện đã đào tạo và cung cấp
các kiến thức quý báu và tạo điều kiện thuận lợi cho tơi nói riêng và cả lớp nói chung
trong suốt q trình học tập tại trường.
Tơi xin cám ơn gia đình, người thân, bạn bè và các đồng nghiệp tại VNPT Hải
Dương đã luôn động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi
Tôi xin chân thành cảm ơn !

e


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, thực hiện dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS Đặng Thế Ngọc. Những số liệu và kết quả nêu trong luận văn
đều là trung thực, chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác. Tơi
khơng sao chép các tài liệu hay các cơng trình nghiên cứu của người khác để làm luận

văn này.
Nếu phát hiện có bất cứ sự gian lận nào tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về
nội dung của luận văn. Trường Học Viện Bưu Chính Viễn Thơng khơng liên quan
đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong q trình thực hiện (nếu
có)
Hà nội, tháng 12 năm 2021
Tác giả luận văn

Trần Văn Tuấn

e


iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................... ii
MỤC LỤC ......................................................................................................................... iii
DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT .................................................................................. v
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH................................................................................................ vii
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN MẠNG DI ĐỘNG 4G VINAPHONE ............................... 3
1.1 Tổng quan mạng di dộng 4G ........................................................................................ 3
1.2 Mơ hình kết nối của hệ thống ....................................................................................... 4
1.2.1 Thiết bị người dùng - UE ......................................................................................... 5
1.2.2 Mạng truy nhập vô tuyến - RAN ............................................................................. 5
1.2.3 Mạng lõi chuyển mạch gói tiến hóa - EPC .............................................................. 7
1.3 Các giao thức và giao diện trong kiến trúc cơ bản của hệ thống ................................ 11

1.3.1 Các giao thức trong lớp NAS ................................................................................ 12
1.3.2 Các giao thức trong giao diện vô tuyến: ................................................................ 13
1.3.3 Các giao thức trong giao diện S1 giữa mạng lõi EPC và E–UTRAN: .................. 17
1.3.4 Các giao thức trong giao diện S5/S8 trong mạng lõi EPC: ................................... 18
1.3.5 Các giao thức trong giao diện X2: ......................................................................... 19
1.4 Kết luận chương 1: ..................................................................................................... 20
CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHỈ SỐ QoS/QoE MẠNG DI DỘNG .. 21
2.1. Chất lượng dịch vụ QoS ............................................................................................. 21
2.1.1 Đinh nghĩa QoS ..................................................................................................... 21
2.1.2 Các quan điểm về QoS .......................................................................................... 21
2.1.3 Các thành phần mạng di động có ảnh hưởng đến QoS .......................................... 25
2.2. Chất lượng trải nghiệm QoE ...................................................................................... 27
2.2.1 Định nghĩa QoE ..................................................................................................... 27
2.2.2 Mối quan hệ giữa QoS và QoE .............................................................................. 28
2.3 Phương pháp tính tốn chỉ số QoS/QoE mạng di động.............................................. 29
2.3.1 Phương pháp xây dựng chỉ số QoS/QoE ............................................................... 29

e


iv

2.3.2 Các tham số và phương pháp tính tốn SQI,UXI cho chỉ số QoS/QoE ................ 29
2.3.3 Phương pháp tính tốn QoS/QoE mạng di động ................................................... 32
2.4 Kết luận chương 2: ..................................................................................................... 35
CHƯƠNG 3 - ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MẠNG DI ĐỘNG VINAPHONE HẢI
DƯƠNG ........................................................................................................................... 36
3.1. Hiện trạng mạng di động tại VNPT Hải Dương......................................................... 36
3.1.1. Cấu trúc mạng di động Hải Dương........................................................................ 36
3.1.2. Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến 4G ................................................................... 37

3.1.3. Cấu trúc trạm vô tuyến Hải Dương ....................................................................... 38
3.2. Các kịch bản đánh giá chất lượng mạng di động 4G.................................................. 40
3.2.1. Chất lượng mạng 4G theo mức tỉnh/thành phố ..................................................... 40
3.2.2. Chất lượng mạng 4G theo mức quận/huyện .......................................................... 41
3.2.3. Chất lượng mạng 4G theo mức trạm ..................................................................... 42
3.2.4. Chất lượng mạng 4G theo mức Cell ...................................................................... 42
3.3. Phương thức đo kiểm và đánh giá để nâng cao chất lượng QoS/QoE ....................... 42
3.3.1. Phương thức đo kiểm và đánh giá ......................................................................... 42
3.3.2. Phương thức xác định kết quả thực hiện QoS,QoE ............................................... 44
3.3.3. Trường hợp xử lý thực tế nâng cao chất lượng tại VNPT Hải Dương .................. 45
3.4. Đánh giá chất lượng mạng di động Vinaphone Hải Dương ....................................... 48
3.4.1 Đánh giá chất lượng trải nghiệm QoE ................................................................... 48
3.4.2 Đánh giá chất lượng dịch vụ QoS .......................................................................... 51
3.5. Kết luận chương 3: ..................................................................................................... 55
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ .................................................................................. 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 58

e


v

DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
3G

Third generation

Thế hệ thứ 3

4G

Fourth generation

Thế hệ thứ 4

ARQ

Automatic repeat request

Yêu cầu lặp lại tự động

BER

Bit error rate

Tỷ lệ lổi bit

CDMA

Code division multiple access

Đa truy cập phân chia theo mã

EPC

Evolved Packet Core

Mạng lõi chuyển mạch gói tiến hóa

E-UTRAN

Envolved Universal Terrstrial

Mạng truy nhập vơ tuyến mặt đất

EPS

Evolved Packet System

Chuyển mạch gói phát triển

FDD

Frequency Division Duplexing

Phương thức truyền song công phân
chia theo tần số

FDMA

Frequency Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo tần số

Access
GPRS

General packet radio services

Dịch vụ vơ tuyến gói chung

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống viễn thơng di động tồn cầu

Telecommunication
HSPA

High speed packet access

Đa truy cập gói tốc độ cao

HSS

Home Subscriber Server

Máy chủ lưu thông tin trong thuê bao
mạng nhà

ITU

International Telecommunication

Liên minh viễn thông quốc tế

IMS

IP Multimedia System

Hệ thống đa phương tiện IP

LTE

Long term evolution

Sự phát triển trong tương lai

PDN-GW

Packet Data Network gateway

Cổng mạng dữ liệu gói

PCRF

Policy and Charging Resource

Chức năng quy định chính sách và tính

Function

cước

PCC

Policy and Charging Control

Chính sách và tính cước

S-GW

Serving gateway

Cổng phục vụ

TB

Transport Block

Khối vận chuyển

e


vi

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2. 1: KPI thành phần, ngưỡng và trọng số của QoS ................................................... 32
Bảng 2. 2: KPI thành phần, ngưỡng và trọng số của QoE ................................................... 34
Bảng 3. 1: Phân bố số lượng trạm di động 4G trên địa bàn tỉnh Hải Dương....................... 36
Bảng 3. 2: Kết quả cần đạt QoS,QoE theo nhóm tỉnh/TP ................................................... 41
Bảng 3. 3: Phân nhóm VNPT tỉnh/TP ................................................................................. 41
Bảng 3. 4: Mục tiêu và công việc thực hiện nâng cao chất lượng QoS,QoE....................... 43
Bảng 3. 5: Bảng điểm đánh giá kết quả thực hiện QoS ....................................................... 45
Bảng 3. 6: Bảng điểm đánh giá kết quả thực hiện QoE ....................................................... 45
Bảng 3. 7: Thống kê KPI đo kiểm khu vực TMN ............................................................... 47
Bảng 3. 8: Thống kê KPI hệ thống 3 khu vực thử nghiệm .................................................. 47
Bảng 3. 9: Số liệu thực tế tại VNPT Hải dương của QoE mức trạm tháng 09/2021 ........... 48

Bảng 3. 10: Số liệu thực tế tại VNPT Hải dương của QoE mức trạm tháng 10/2021 ......... 48
Bảng 3. 11: Thống kê số trạm và điểm của các tham số ảnh hưởng QoE tháng 09/2021 ... 49
Bảng 3. 12: Thống kê số trạm và điểm của các tham số ảnh hưởng QoE tháng 10/2021 ... 49
Bảng 3. 13: Số liệu thực tế tại VNPT Hải dương của QoS mức Cell tháng 09/2021 .......... 51
Bảng 3. 14: Số liệu thực tế tại VNPT Hải dương của QoS mức Cell tháng 10/2021 .......... 52
Bảng 3. 15: Thống kê số Cell và điểm của các tham số ảnh hưởng QoS tháng 9/2021 ...... 53
Bảng 3. 16: Thống kê số Cell và điểm của các tham số ảnh hưởng QoS tháng 10/2021 .... 53

e


vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1: Kiến trúc hệ thống LTE ........................................................................................ 4
Hình 1. 2: E-UTRAN với giao diện X2 giữa các eNodeB .................................................... 5
Hình 1. 3: Kết nối giữa eNodeB và các nút khác................................................................... 6
Hình 1. 4: EPC và các giao diện liên quan ............................................................................ 7
Hình 1. 5: Kết nối giữa MME và các nút logic khác ............................................................. 8
Hình 1. 6: Kết nối giữa S-GW và các nút khác ..................................................................... 8
Hình 1. 7: Kết nối giữa P-GW và các nút khác ..................................................................... 9
Hình 1. 8: Kết nối giữa PCRF và các nút logic khác .......................................................... 10
Hình 1. 9: Các giao thức trên mặt phẳng điều khiển trong hệ thống EPS ........................... 12
Hình 1. 10: Các giao thức trong giao diện vơ tuyến của 4G-LTE ....................................... 13
Hình 1. 11: Chế độ UM trong phân lớp RLC ...................................................................... 15
Hình 1. 12: Chế độ AM trong phân lớp RLC ...................................................................... 16
Hình 1. 13: MAC Layer ....................................................................................................... 16
Hình 1. 14: Các giao thức trên mặt phẳng người sử dụng trong hệ thống EPS ................... 19
Hình 1. 15: Các giao thức trên mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người sử dụng cho giao
diện X2 ................................................................................................................................. 20

Hình 2. 1: Bốn góc nhìn của QoS ........................................................................................ 21
Hình 2. 2: Mối quan hệ giữa các góc nhìn ........................................................................... 23
Hình 2. 3: Quy trình quản lý QoS ........................................................................................ 24
Hình 2. 4: Mơ hình QoS....................................................................................................... 25
Hình 2. 5: Hành trình trải nghiệm của khách hàng .............................................................. 29
Hình 2. 6: Các kỹ thuật sử dụng tính tốn SQI & UXI........................................................ 30
Hình 2. 7: Kỹ thuật tính tốn – chuẩn hóa ........................................................................... 30
Hình 2. 8: Kỹ thuật tính tốn – trọng số .............................................................................. 31
Hình 2. 9: Kỹ thuật tổng hợp và tính tốn ........................................................................... 31
Hình 2. 10: Các bước tính tốn chỉ số QoS/QoE ................................................................. 32
Hình 3. 1: Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến 4G - VNPT Hải Dương ............................... 37
Hình 3. 2: Cấu trúc một trạm vơ tuyến di động VNPT Hải Dương ..................................... 38
Hình 3. 3: Sơ đồ khối BBU 3900 LTE Huawei ................................................................... 39
Hình 3. 4: Sơ đồ khối RRU 3959 /(3971) LTE Huawei ...................................................... 40

e


viii

Hình 3. 5: Quy trình đánh giá và nâng cao chất lượng QoS,QoE ........................................ 43
Hình 3. 6: Các mức thiết lập tín hiệu tham chiếu ................................................................ 46
Hình 3. 7: So sánh các thơng số chất lượng tín hiệu khu vực TMN .................................... 46

e


1

LỜI MỞ ĐẦU

Dịch vụ viễn thông hiện nay đang ngày một phát triển không ngừng dẫn đến
nhu cầu của người sử dụng về tốc độ truy cập dữ liệu mạng di động, cũng như chất
lượng mạng tăng cao. Một lĩnh vực cần được đầu tư lớn vào kỹ thuật và cơng nghệ
tiên tiến thì chất lượng ln ln là yếu tố quyết định sự thành bại và rõ ràng không
được xem nhẹ chất lượng dịch vụ. Thông thường chất lượng dịch vụ trong mạng
thông tin di động mặt đất được đánh giá qua các bộ tham số như tỷ lệ thiết lập thành
công, tỷ lệ bị rớt, chất lượng thoại, tốc độ tải dữ liệu... Việc đo kiểm, quản lý chất
lượng dịch vụ theo hướng như vậy là quản lý theo QoS. Về cơ bản thì QoS chỉ tập
trung đưa ra các tiêu chí khách quan mang tính kỹ thuật mà cơ sở hạ tầng mạng hay
ứng dụng cần phải đạt được để chất lượng dịch vụ được đảm bảo. Trong lĩnh vực
mạng viễn thơng thì QoS được định nghĩa bằng các tham số kỹ thuật. Tuy nhiên hiện
nay công nghệ mạng đang phát triển rất nhanh, xu hướng hội tụ trên nền mạng IP, do
vậy QoS khơng cịn là yếu tố duy nhất mang tính quyết định trong cuộc cạnh tranh
chiếm lĩnh thị trường giữa các nhà cung cấp dịch vụ. Theo xu hướng chung thì yếu
tố trở nên quan trọng để đánh giá mức độ và phân biệt được các nhà cung cấp dịch vụ
là những gói dịch vụ được thiết lập tốt đến mức nào theo nhu cầu cá nhân của khách
hàng sử dụng dịch vụ. Để bắt kịp xu hướng thì khái niệm chất lượng trải nghiệm QoE
(Quality of Experience) ra đời
Với mục đích nâng cao chất lượng, đảm bảo dịch vụ cung cấp cho khách hàng
và để phục vụ thực tiễn cho công việc hiện tại, học viên đã đăng ký đề tài luận văn
nghiên cứu “Nghiên cứu chỉ số QoS/QoE để đánh giá chất lượng mạng di động
Vinaphone tại VNPT Hải Dương”.
Nội dung luận văn được trình bày gồm 03 chương:
+ Chương 1 : Tổng quang mạng di động 4G
+ Chương 2 : Phương pháp tính tốn chỉ số QoS/QoE mạng di động
+ Chương 3 : Đánh giá chất lượng mạng di động Vinaphone Hải Dương

e

2

Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn sẽ khơng tránh khỏi cịn những
thiếu sót. Do đó học viên rất mong nhận được những đóng góp quý báu từ q thầy
cơ để luận văn được hồn thiện hơn. Học viên xin chân thành cảm ơn

e


3

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN MẠNG DI ĐỘNG 4G
VINAPHONE
1.1

Tổng quan mạng di dộng 4G
Khi q trình triển khai cơng nghệ đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng

(WCDMA) đang phổ biến rộng rãi vào năm 2004, thì 3GPP đã bắt đầu xây dựng các
hệ thống thế hệ thứ tư (4G). Những ước tính vào thời điểm đó (cũng như những minh
chứng trong các bước phát triển tiếp theo) cho thấy rằng tốc độ truyền dữ liệu cũng
như hiệu suất sử dụng phổ của WCDMA không đáp ứng được nhu cầu cho các ứng
dụng trong tương lai, bởi thế cần phát triển một hệ thống mới. Với 3GPP, 4G là một
bước đột phá táo bạo khi quyết định thay đổi hồn tồn cả giao diện vơ tuyến và mạng
lõi. Tiêu chuẩn mới này có tên gọi 3GPP Long-Term Evolution, hay LTE.
Quá trình hình thành LTE song hành cùng với những bước phát triển tiếp theo
của WCDMA. Trong những năm 2007/2008, LTE đã chiếm vai trò trung tâm trong
các cuộc thảo luận của 3GPP. Những thông số cơ bản của giao diện vơ tuyến đã nhanh
chóng nhận được sự đồng thuận. Tuy nhiên chi tiết của việc thực hiện lại đòi hỏi
những nỗ lực lớn để có thể thống nhất được.

LTE đã nhận được sự ủng hộ lớn từ nhiều nhà sản xuất điện thoại và hạ tầng,
một số nguyên nhân chính là
-

Sự cần thiết tăng tốc độ dữ liệu và hiệu suất sử dụng phổ, đặc biệt là ở
những khu vực đô thị đông dân cư.

-

Với một số nhà vận hành, họ có thể nhảy cóc từ 2G lên 4G.

-

Sự cạnh tranh từ WiMAX.

-

Khả năng được cấp thêm dải tần mới khi khai thác hệ thống mới.

3GPP LTE là hệ thống tích hợp ứng dụng chuẩn 3GPP LTE cũng như các
chuẩn dịch vụ ứng dụng khác đầu tiên trên thế giới. Người dùng ngồi thực hiện được
cuộc gọi thì cịn có thể truyền dữ liệu giữa các mạng LTE và các mạng GSM/GPRS
hoặc UMTS dựa trên WCDMA một cách dễ dàng. LTE sử dụng chuyển mạch gói với
mạng thuần IP mục đích cung cấp dịch vụ chất lượng và độ trễ tối thiểu. Ngồi ra nó

e


4

cịn sử dụng băng thơng linh hoạt nhờ dựa vào mơ hình đa truy nhập OFDMA và SCFDMA. Truy cập đường lên dựa vào đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng
mang (SC-FDMA) cho phép tăng vùng phủ đường lên làm tỷ số công suất đỉnh trên
công suất trung bình (PAPR) thấp hơn so với OFDMA. LTE hỗ trợ cả song công phân
chia theo tần số (FDD) và song công phân chia theo thời gian (TDD) cũng như bán
song cơng FDD. Có thể giảm giá thành cho bộ song công trong UE do bán song công
FDD không yêu cầu phát và thu tại cùng một thời điểm. So với hệ thống HSPA
Release 6 thì LTE sử dụng 2 đến 4 lần hệ số phổ nên có thể cải thiện được tốc độ dữ
liệu đỉnh.

1.2

Mơ hình kết nối của hệ thống
Hệ thống 4G-LTE được thiết kế nhằm mục đích hỗ trợ hồn tồn chuyển mạch

gói với tính di động linh hoạt, chất lượng dịch vụ cao và độ trễ tối thiểu. Kiến trúc
mạng cơ bản gồm 2 khối chính đó là khối mạng truy nhập vơ tuyến (RAN) và khối
mạng lõi chuyển mạch gói tiến hóa (EPC). Các phần tử cụ thể và giao diện giữa các
phần tử này được thể hiện chi tiết trong Hình 1.1.

Hình 1. 1: Kiến trúc hệ thống LTE

e


5

1.2.1 Thiết bị người dùng - UE
UE là thiết bị đầu cuối người dùng thường là các thiết bị cầm tay như
smartphone giống như đang sử dụng trong các mạng 2G, 3G hoặc có thể tích hợp
trong laptop,… UE có trang bị thẻ USIM để xác thực người dùng và tạo ra các mã an

ninh để bảo vệ truyền dẫn trên giao diện vơ tuyến.
UE có chức năng là một nền tảng cho các ứng dụng thông tin như báo hiệu với
mạng về thiết lập, duy trì và loại bỏ những kết nối mà người dùng cần đến. Trong đó,
báo hiệu bao gồm cả các chức năng quản lý di động chẳng hạn như chuyển giao hay
báo cáo vị trí của thiết bị và thực hiện các chức năng theo chỉ thị từ mạng.

1.2.2 Mạng truy nhập vô tuyến - RAN
Hệ thống truy cập của LTE (E-UTRAN) là mạng lưới các eNodeB. Khơng có
bộ điều khiển trung tâm trong E-UTRAN nên kiến trúc E-UTRAN được gọi là kiến
trúc phẳng. Các eNodeB được kết nối với nhau thông qua giao diện X2, kết nối với
UE thông qua giao diện Uu và kết nối với EPC thông qua giao diện S1, cụ thể như
trong Hình 1.2.

Hình 1. 2: E-UTRAN với giao diện X2 giữa các eNodeB

e


6

Hình 1. 3: Kết nối giữa eNodeB và các nút khác

Hình 1.3 mơ tả kết nối giữa eNodeB và các thực thể khác cùng với các chức
năng cụ thể của eNodeB với những thực thể này. eNodeB là loại nút duy nhất trong
E-UTRAN, có thể nói eNodeB là trạm gốc điều khiển tất cả các chức năng vô tuyến
trong phần cố định của hệ thống. Các eNodeB được rải khắp vùng bao phủ của hệ
thống và được đặt gần các anten. eNodeB đảm nhận vai trò cầu nối lớp 2 giữa UE và
EPC là điểm cuối tiếp nhận tất cả các giao thức vô tuyến tới UE, chuyển dữ liệu từ
kết nối vô tuyến và các kết nối trên nền IP về EPC. eNodeB thực hiện mã hóa/giải
mã dữ liệu ở mặt phẳng người dùng, đồng thời cũng nén/giải nén tiêu đề IP.

eNodeB cũng đảm nhiệm nhiều chức năng mặt phẳng điều khiển (CP) khác
như quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM), chẳng hạn điều khiển việc sử dụng tài
nguyên trên giao diện vơ tuyến, trong đó có việc cấp phát tài nguyên dựa theo yêu
cầu, phân cấp ưu tiên cho các luồng thông tin tương ứng với các mức QoS và theo
dõi tình hình sử dụng tài ngun. Ngồi ra cịn chức năng điều khiển cũng như phân
tích các mức tín hiệu vơ tuyến do UE thực hiện qua đo đạc.

e


7

1.2.3 Mạng lõi chuyển mạch gói tiến hóa - EPC
Mạng lõi đảm bảo các chức năng: Quản lý di động, chức năng tính cước, quản
lý thuê bao di động, giám sát chất lượng dịch vụ, chính sách điều khiển dịng dữ liệu
người dùng, và kết nối với các mạng ngoài
Mạng lõi bao gồm các thực thể: thiết bị quản lý di động MME, SGW cổng
phục vụ, PDN-GW cổng mạng số liệu gói, PCRF chức năng quy định cước và chính
sách, HSS máy chủ lưu thông tin trong thuê bao mạng nhà. Hình 1.4 thể hiện sự kết
nối giữa các thực thể trong EPC.

Hình 1. 4: EPC và các giao diện liên quan

Thiết bị quản lý di động (MME): là bộ phận điều khiển chính trong EPC, chỉ
làm việc trong mặt phẳng điều khiển (CP) mà không liên quan đến dữ liệu trong mặt
phẳng người dùng (UP), MME có hai nhóm chức năng chính là:
 Các chức năng liên quan đến quản lý kênh mang: thiết lập, duy trì và giải
phóng các kênh mang.
 Các chức năng liên quan đến quản lý kết nối và di động: thiết lập kết nối, an
ninh giữa mạng, UE và di động.

Ngoài ra, MME cũng hỗ trợ các thủ tục an ninh, xử lý phiên giữa UE đến mạng, quản
lý di động khi UE rỗi. Hình 1.5 mơ tả kết nối giữa MME và các thực thể khác, cùng
với các chức năng cụ thể của MME với những thực thể này.

e


8

Hình 1. 5: Kết nối giữa MME và các nút logic khác

Cổng phục vụ (S-GW): là điểm kết cuối của giao diện tới E-UTRAN. Mỗi 1
thiết bị(UE) được nối tới một S-GW duy nhất. S-GW đóng vai trị như một neo di
động nội hạt cho các kênh mạng số liệu khi UE chuyển động giữa các eNodeB và
thực hiện một số chức năng quan trọng trong mạng khách như thu nhập thơng tin tính
cước và chặn. Hình 1.6 mơ tả kết nối giữa SGW và các thực thể khác, cùng với các
chức năng cụ thể của SGW với những thực thể này.

Hình 1. 6: Kết nối giữa S-GW và các nút khác

e


9

Cổng mạng số liệu gói (P-GW): P–GW là các bộ định tuyến biên giữa EPS
và các mạng chuyển mạch gói khác. Thông thường P–GW hoạt động như một nút IP
được gắn với UE, nó thực hiện các chức năng chọn và lọc lưu lượng đi qua theo yêu
cầu của dịch vụ. Tương tự như S–GW thì P–GW cũng được khai thác tại một vị trí
trung tâm trong mạng của các nhà cung cấp dịch vụ. P-GW có chức năng phân bổ IP

cho các UE và UE sẽ dùng địa chỉ IP đó để kết nối với các IP host mạng ngồi. Một
mạng PDN ngồi mà UE kết nối đến có thể phân bố địa chỉ đang sử dụng bởi UE và
P-GW tạo các đường hầm cho tất cả lưu lượng đến mạng đó. Hình 1.7 mơ tả kết nối
giữa P-GW và các thực thể khác, cùng với các chức năng cụ thể của PGW với những
thực thể này.

Hình 1. 7: Kết nối giữa P-GW và các nút khác

Chức năng quy định chính sách và tính cước (PCRF): là phần tử mạng chịu
trách nhiệm cho việc điều khiển chính sách và ghi cước (PCC), đồng thời PCRF cũng
quyết định các mức QoS tương ứng với hồ sơ người dùng và theo dõi để đảm bảo

e


10

mức QoS này. Thông tin mà PCRF cung cấp đến PCEF trong P-GW được gọi là luật
điều khiến chính sách và tính cước PCC, PCRF gửi các luật PCC bất cứ khi nào có 1
sóng mang mới được thiết lập mà điều này cần thiết đối với việc thiết lập sóng mang,
ví dụ khi UE khởi tạo việc kết nối đến mạng và 1 sóng mang được thiết lập và tiếp
đó 1 hoặc nhiều sóng mang dành riêng sẽ được thiết lập thì PCRF có thể cung cấp
các luật PCC dựa trên yêu cầu từ P-GW và S-GW trong giao diện S5/S8 dựa trên giao
thức PMIP hoặc dựa trên yêu cầu từ các chức năng ứng dụng (AF) nằm trong các
vùng dịch vụ (Service Domain). Trong kịch bản này UE sẽ nhận báo hiệu trực tiếp từ
Service Domain và AF đẩy thông tin QoS của dịch vụ tới PCRF để tạo ra các luật
PCC sau đó sẽ đẩy các luật này tới P–GW, các thơng tin ánh xạ sóng mang tới S–GW
sau đó các sóng mang EPC được thiết lập dựa trên các thơng tin đó. Hình 1.8 mơ tả
kết nối giữa PCRF và các thực thể khác, cùng với các chức năng cụ thể của PCRF
với những thực thể này

Hình 1. 8: Kết nối giữa PCRF và các nút logic khác

e


11

Máy chủ lưu thông tin trong thuê bao mạng nhà (HSS): là nơi lưu trữ dữ liệu
thuê bao cho tất cả số liệu cố định của người sử dụng, chứa thơng tin về các PDN mà
UE có thể kết nối, lưu thông tin di động và liên kết với trung tâm nhận thực (AuC).
HSS là một máy chủ cơ sở dữ liệu được khai thác tại một vị trí trung tâm trong mạng
của nhà cung cấp dịch vụ
Miền dịch vụ (Services Domain): trong miền này gồm các hệ thống con trong
đó có nhiều nút logic. Ta phân loại dịch vụ theo 2 loại là các loại dịch vụ có thể cung
cấp đến khách hàng và loại cơ sở hạ tầng cần để cung cấp các dịch vụ:
* Các dịch vụ của nhà cung cấp dịch vụ dựa trên IMS (IP Multimedia System)
* Các dịch vụ của nhà cung cấp dịch vụ không dựa trên IMS
* Các dịch vụ không được cung cấp bởi các nhà cung cấp mạng di động ví dụ

như các dịch vụ được cung cấp qua Internet

1.3

Các giao thức và giao diện trong kiến trúc cơ bản của hệ thống
Hình 1.9 chỉ ra các giao thức trên mặt phẳng điều khiển có liên quan tới kết

nối của UE đến một mạng chuyển mạch gói PDN. Các giao diện từ một MME riêng
lẻ được chia ra làm 2 phần, hình phía trên cho chúng ta thấy các giao thức về phía E–
UTRAN và UE cịn hình ở dưới cho chúng ta thấy các giao thức về phía các gateway.

Các giao thức trong nền màu trắng được phát triển bởi 3GPP, các giao thức trong nền
màu xám thì được phát triển bởi IETF, các giao thức này là các giao thức đại diện
cho các công nghệ internet được dùng cho việc truyền tải trong các hệ thống chuyển
mạch gói phát triển (EPS) . 3GPP chỉ định nghĩa cách thức cụ thể mà các giao thức
này được sử dụng.
Theo Hình 1.9 lớp trên cùng trong mặt phẳng điều khiển là giao thức tầng
không truy nhập (NAS), được chia làm hai giao thức riêng biệt và được truyền tải
bằng các báo hiệu trực tiếp giữa UE và MME ENodeB khơng nhìn thấy được nội
dung trong các giao thức lớp NAS. ENodeB khơng tham gia vào các nội dung này
ngồi việc truyền tải các tin nhắn và cung cấp một số chỉ dẫn trên lớp truyền tải cùng
với các tin nhắn trong một số trường hợp.

e


12

Hình 1. 9: Các giao thức trên mặt phẳng điều khiển trong hệ thống EPS

1.3.1 Các giao thức trong lớp NAS
Giao thức quản lý tính di động trong (EPS Mobility Management): Giao thức
EMM có trách nhiệm xử lý tính di động của UE trong hệ thống. Nó bao gồm các chức
năng kết nối và rời khỏi mạng, thực hiện cập nhật vị trí, điều này được gọi là TAU
(Tracking Area Updating) và nó hoạt động trong trạng thái rảnh rỗi. Chú ý rằng các
chuyển giao trong trạng thái đã kết nối được xử lý bởi các các giao thức lớp thấp hơn,
nhưng lớp EMM vẫn có các chức năng để tái kích hoạt UE khỏi trạng thái rảnh rỗi.
Các trường hợp mà UE khởi tạo được gọi là yêu cầu dịch vụ, trong khi đó Paging đại
diện cho các trường hợp do mạng khởi tạo. Việc xác thực và bảo vệ định danh của
UE, ví dụ như phân bố các định danh tạm thời GUTI tới UE là một phần nhiệm vụ
của EMM, cũng như việc điều khiển các chức năng bảo mật trong lớp NAS bao gồm

việc mã hóa và bảo vệ toàn vẹn.
Giao thức quản lý phiên trong EPS – ESM (EPS Session Management): Giao
thức này có thể được sử dụng để xử lý việc quản lý các sóng mang giữa UE mà MME,
và nó cịn được sử dụng thêm cho các quy trình quản lý các sóng mang trong mạng
truy nhập vô tuyến E – UTRAN. Lưu ý rằng với mục đích khơng sử dụng quy trình

e


13

ESM thì các ngữ cảnh cho các sóng mang phải sẵn sàng trong các quy trình của mạng
và U – TRAN, và có thể chạy ngay lập tức.

1.3.2 Các giao thức trong giao diện vơ tuyến:

Hình 1. 10: Các giao thức trong giao diện vơ tuyến của 4G-LTE

Kiểm sốt tài nguyên vô tuyến RRC: Lớp RRC
Giao thức này dùng để điều khiển việc sử dụng tài ngun vơ tuyến, nó quản
lý các kết nối báo hiệu, dữ liệu của UE và bao gồm cả các chức năng cho việc chuyển
giao. Chức năng mà lớp giao thức RRC cung cấp là : chức năng quảng bá, thiết lập,
duy trì và giải phóng các kết nối RRC giữa UE và E-UTRAN. Chức năng quản lý bảo
mật, thiết lập cấu hình, duy trì và giải phóng các sóng mang vơ tuyến theo dạng điểm
– điểm. Điều khiển việc báo cáo đo kiểm cho UE, quản lý việc chuyển giao, điều
khiển chọn và chọn lại cell cho UE. Quản lý các ngữ cảnh truyền tải giữa các EnodeB
đồng thời cho NAS truyền tải bản tin trực tiếp giữa UE và mạng, quản lý năng lực
truyền tải của các UE và xử lý các lỗi giao thức chung, hỗ trợ tự cấu hình và tự tối
ưu.
Kiểm sốt hội tụ dữ liệu gói - PDCP:

Giao thức PDCP được đặt tại phân lớp giữa 2 phân lớp RLC và trong mặt
phẳng người sử dụng và giao thức này cũng được sử dụng hầu hết các bản tin của
RRC. Sự khác biệt quan trọng nhất so với WCDMA đó là tất cả dữ liệu của người sử
dụng đều đi qua phân lớp PDCP, bởi vì việc mã hóa hiện nay nằm trong phân lớp này

e


14

và nó nằm trong ENodeB. Trong những kiến trúc LTE đầu PDCP được biết đến như
một phía của giao diện S1 (trong mạng lõi) tuy nhiên về sau này nó được đặt trong
ENodeB cùng với tất cả các giao diện vơ tuyến khác. Các chức năng chính của PDCP
bao gồm:
Nén tiêu đề và giải nén tương ứng cho các gói tin IP. Việc này dựa trên giao
thức nén tiêu đề mạnh mẽ (ROHC) được quy định trong IETF và một phần trong
phân lớp PDCP của WCDMA. Việc nén tiêu đề là quan trọng trong hơn cho việc yêu
cầu các gói tin IP nhỏ, đặc biệt trong các kết nối tới dịch vụ VoIP.
Mã hóa và giải mã, truyền dữ liệu trên cả mặt phẳng người sử dụng và mặt
phẳng điều khiển. Trong WCDMA chức năng này được đặt trong các phân lớp MAC
và RLC. Xác minh và bảo vệ toàn vẹn để bảo đảm rằng các thông tin điều khiển đến
từ các nguồn chính xác trên mặt phẳng điều khiển.
Điều khiển liên kết vô tuyến RLC: Lớp RLC
Các chức năng cơ bản của RLC bao gồm:
Truyền tải các PDU nhận được từ các phân lớp cao hơn ví dụ như từ RRC và
PDCP.Sau đó tùy thuộc vào chế độ RLC được sử dụng, tiến hành sửa lỗi với phương
thức yêu cầu lặp lại tự động (ARQ), phân mảnh/ghép nối, truyền tải khơng tuần tự và
việc phát hiện trùng lặp có thể được chấp nhận trong giao thức. Giao thức sẽ xử lý
các lỗi phát hiện được và phục hồi chúng từ các nguyên nhân gây ra trạng thái lỗi của
giao thức ví dụ như các lỗi về báo hiệu.

Giao thức RLC có thể chia làm 3 chế độ khác nhau:
Chế độ truyền trong suốt (TM). Trong chế độ này, RLC chỉ truyền và nhận các
PDU trên một kênh logic và không gắn thêm bất cứ tiêu đề nào cho các PDU nên nó
sẽ khơng theo dõi các PDU nhận được đó. Chế độ TM chỉ hoạt động tương thích với
các dịch vụ mà không sử dụng việc truyền lại ở lớp vật lý hoặc dịch vụ không nhạy
cảm với các yêu cầu truyền tải. Như vậy các kênh logic như BCCH, CCCH, PCCH
có thể được hoạt động trong chế độ TM
Chế độ chưa được công nhận (UM). Chế độ này hoạt động cung cấp nhiều
chức năng bao gồm việc truyền tải không tuần tự các dữ liệu tuần tự nhận được từ

e


15

hoạt động HARQ tại các phân lớp thấp hơn. Dữ liệu trong chế độ UM (UMD) được
phân mảnh và ghép nối sao cho phù hợp với kích thước của các SDU RLC và các tiêu
đề UMD sẽ được thêm vào. Các tiêu đề RLC UM bao gồm các số thứ tự để dễ dàng
hơn cho việc truyền tải không tuần tự (cũng như để phát hiện trùng lặp). Ngoài các
kênh DCCH và DTCH, chế độ UM RLC cũng được lên kế hoạch để sử dụng cho các
kênh multicast (MCCH/MTCH) dự kiến sẽ được hồn thành sau phiên bản 8.

Hình 1. 11: Chế độ UM trong phân lớp RLC

Chế độ được cơng nhận (AM). Chế độ AM ngồi các chức năng như trong chế
độ UM nó cịn có chức năng truyền lại nếu các PDU bị mất là kết quả của các hoạt
động của các phân lớp thấp hơn. Các dữ liệu trong chế độ AM (AMD) có thể được
tái phân đoạn để phù hợp với nguồn tài nguyên lớp vật lý có sẵn cho việc truyền lại
như được chỉ ra trong Hình 1.12. Các tiêu đề bây giờ chứa các thơng tin về gói tin
cuối cùng nhận được một cách chính xác ở phía bên nhận cùng với số thứ tự như

trong chế độ UM.

e