Hiệu năng chuyển giao trong LTE có chứa trạm chuyển tiếp

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 i

MỤC LỤC
MỤC LỤC i
DANH MỤC HÌNH VẼ iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU vi
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii
LỜI MỞ ĐẦU xi
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ LTE 1
1.1. Tóm tắt quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động 1
1.2. Tổng quan về LTE 1
1.2.1. Tốc độ đỉnh và hiệu suất phổ 2
1.2.2. Lưu lượng tế bào và hiệu suất phổ 2
1.2.3. Tính di động và phạm vi của ô 3
1.3. Kiến trúc hệ thống 3
1.3.1. Mạng lõi (CN) và chức năng của các node logic trong mạng 4
1.3.1.1. Cổng mạng dữ liệu gói (P-GW) 4
1.3.1.2. Cổng mạng dịch vụ (S-GW) 5
1.3.1.3. Thực thể quản lý di động (MME) 5
1.3.1.4. Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên (PCRF) 6
1.3.1.5. Máy chủ thuê bao thường chú(HSS) 7
1.3.2. Mạng truy nhập 7
1.3.2.1. E-UTRAN NodeB (eNodeB) 8
1.4.2.2. Thiết bị người dùng (UE) 10
1.5. Kiến trúc giao thức của E-UTRAN 10
1.5.1. Mặt phẳng người dùng 10
1.5.1.1. Lớp con điều khiển truy nhập môi trường (MAC) 11
1.5.1.2. Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC) 12
1.5.1.3. Giao thức hội tụ dữ liệu gói (PDCP) 14

1.5.2. Điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC) 17
1.6. Tổng kết chương 19
CHƢƠNG 2. CHUYỂN GIAO TRONG LTE 20
2.1. Giới thiệu 20
Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 ii

2.2. Thủ tục chuyển giao 21
2.3. Định nghĩa các loại chuyển giao. 25
2.3.1. Chuyển giao không ngắt quãng (Seamless Handover) 25
2.3.2. Chuyển giao không có tổn thất (Lossless Handover) 25
2.3.3. UE trong chuyển giao 27
2.3.4. Xử lý ở mặt phẳng điều khiển trong chuyển giao. 27
2.3.5. Xử lý ở mặt phẳng người sử dụng trong chuyển giao 27
2.3.6. Trễ chuyển giao 28
2.4. Chuyển tiếp dữ liệu 29
2.5. Các tiêu chuẩn chính để thiết kế chuyển giao 30
2.6. Tổng kết chương 31
CHƢƠNG 3. KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP 32
3.1. Giới thiệu 32
3.2. Chức năng chính của trạm chuyển tiếp 32
3.3. Phân loại chuyển tiếp 33
3.3.1. Phân loại chuyển tiếp nhìn từ góc độ vô tuyến 34
3.3.2. Chuyển tiếp trong băng và ngoài băng. 35
3.3.3. Chuyển tiếp trong suốt và không trong suốt 35
3.3.4. Phân loại chuyển tiếp dựa trên kế hoạch 35
3.3.5. Chuyển tiếp Loại 1 và Loại 2 36
3.3.6. Khoảng cách chuyển tiếp truyền dẫn Un/Uu 38
3.4. Kiến trúc hệ thống chuyển tiếp 38

3.4.1. Kết nối giữa trạm chuyển tiếp với eNB đối với chuyển tiếp trong băng 38
3.4.2. Kết nối giữa trạm chuyển tiếp với eNB đối với chuyển tiếp ngoài băng 39
3.5. Tổng kết chương 3 39
CHƢƠNG 4. HIỆU NĂNG CHUYỂN GIAO TRONG LTE CÓ CHỨA TRẠM
CHUYỂN TIẾP 40
4.1. Giới thiệu và xác định vấn đề 40
4.2. Các trường hợp chuyển giao khác nhau 41
4.3 Mục đích nghiên cứu 43
4.4. Các giải pháp 44
4.4.1. DeNB có đệm PDCP SDU 44
Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 iii

4.4.2. Dự đoán chuyển giao 45
4.4.3. Đệm dữ liệu đường xuống khi nhận yêu cầu chuyền giao 45
4.4.4. Đệm dữ liệu đường xuống khi nhận yều chuyển giao cũng như truyền dữ
liệu tới RN 45
4.4.5. Thảo luận 46
4.4.6. Lượng dữ liệu qua lại trong liên kết Un 47
4.5. Phân tích kết quả mô phỏng 48
4.5.1. Tổng quan về mô phỏng 48
4.5.2. Mô phỏng mô hình 49
4.5.3. Khảo sát các kịch bản 50
4.5.3.1. Phương pháp tiếp cận mặc định 51
4.5.3.2. Phương pháp tiếp cận tối ưu 51
4.5.3.3. Phương pháp loại bỏ PDCP SDU 51
4.5.3.4. Phương pháp lý tưởng 51
4.5.4. Lượng dữ liệu được chuyển tiếp đi qua liên kết Un 51
4.5.5. Thời gian gián đoạn trong mặt phẳng người dùng 55

4.5.6. Nhận xét với từng loại chuyển giao 58
4.5.7. So sánh tốc độ bit 59
4.5.8 Tác động của quản lý hàng đợi tích cực lên tốc độ bit 66
4.6. Tổng kết chương 67
KẾT LUẬN 68
HƯỚNG PHÁT TRIỂN 69

Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 iv

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các phần tử trong mạng EPS 3
Hình 1.2. Kiến trúc của E-UTRAN 8
Hình 1.3. Chồng giao thức của E-UTRAN. 11
Hình 1.4. Định dạng “ PDCP Data PDU” cho các SRB 16
Hình 1.5. Định dạng “PDCP Data PDU” cho các DRB dùng chuỗi 12 bit 16
Hình 1.6. Định dạng “PDCP Data PDU” cho các DRB sử dụng chuỗi 7bit 16
Hình 1.7. Định dạng “PDCP Control PDU” xen gói tin phản hồi ROCH 16
Hình 1.8. Định dạng PDCP Control PDU cho thông báo trạng thái PDCP 17
Hình 2.1. Chuẩn bị chuyển giao…………………………………………………………….22
Hình 2.2. Thực hiện chuyển giao 23
Hình 2.3. Hoàn thành chuyển giao 24
Hình 2.4. Chuyển giao không tổn thất ở đường lên 26
Hình 2.5. Chuyển giao không có tổn thất ở đường xuống 26
Hình 2.6. Thời gian chuyển giao 29
Hình 3.1. Mô tả kết nối backhaul giữa RN và DeNB……………………………………32
Hình 3.2. Trạm chuyển tiếp được phục vụ bởi một eNodeB 33
Hình 3.3. Chuyển tiếp lớp 1 34
Hình 3.4. Chuyển tiếp lớp 2 34

Hình 3.5. Chuyển tiếp lớp 3 35
Hình 3.6. Chuyển tiếp Loại I và Loại II 36
Hình 3.7. Chuyển tiếp Loại I 37
Hình 3.8. Loại Ia 37
Hình 3.9. Loại Ib 37
Hình 4.1. Dữ liệu truyền đi truyền lại………………………………………………………41
Hình 4.2. Chuyển tiếp dữ liệu trong chuyển giao ở trường hợp 1 42
Hình 4.3. Chuyển tiếp dữ liệu trong chuyển giao trường hợp 3 42
Hình 4.4. Chuyển tiếp dữ liệu trong chuyển giao trường hợp 4 43
Hình 4.5. Mô hình mạng 50
Hình 4.6. CDF cho dữ liệu được chuyển tiếp với phương pháp mặc định và tối ưu, độ
lớn file 1MB, tốc độ di chuyển 50km/h 53
Hình 4.7. CDF cho dữ liệu được chuyển tiếp với phương pháp mặc định và tối ưu, độ
lớn file 1MB, tốc độ di chuyển 120km/h 53
Hình 4.8. CDF cho dữ liệu được chuyển tiếp với phương pháp mặc định và tối ưu, độ
lớn file 40MB, tốc độ di chuyển 50km/h. 54
Hình 4.9. CDF cho dữ liệu được chuyển tiếp với phương pháp mặc định và tối ưu, độ
lớn file 49MB, tốc độ di chuyển 120km/h. 55
Hình 4.10. CDF cho thời gian gián đoạn trong mặt bằng người dùng với phương pháp
mặc định và tối ưu, độ lớn file 1MB, tốc độ di chuyển 50km/h 56
Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 v

Hình 4.11. CDF cho thời gian gián đoạn trong mặt bằng người dùng với phương pháp
mặc định và tối ưu, độ lớn file 1MB, tốc độ di chuyển 120km/h. 57
Hình 4.12. CDF cho thời gian gián đoạn trong mặt phẳng người dùng với phương
pháp mặc định và tối ưu, độ lớn file là 40MB, tốc độ di chuyển 50km/h 57
Hình 4.13. CDF cho được dữ liệu chuyển tiếp với phương pháp mặc định và tối ưu, độ
lớn file 40MB, tốc độ di chuyển 120km/h 58

Hình 4.14. CDF cho tốc độ bit với các loại chuyển giao khác nhau, kích cỡ file 20MB,
tốc độ di chuyển 120km/h 59
Hình 4.15. CDF cho tốc độ bit với phương pháp mặc định và tối ưu, độ lớn file 20MB,
tốc độ di chuyển 50km/h 60
Hình 4.16. CDF cho tốc độ bit cho phương pháp mặc định và phương pháp tối ưu, độ
lớn file 20MB, tốc độ di chuyển 120km/h 60
Hình 4.17. CDF cho tốc độ bit cho phương pháp mặc định và tối ưu, độ lớn file là
30MB, tốc độ di chuyển 50km/h 61
Hình 4.18. CDF cho tốc độ bit với phương pháp mặc định và tối ưu, độ lớn file 30MB,
tốc độ di chuyển 120km/h 62
Hình 4.19. CDF cho tốc độ bit với phương pháp mặc định và tối ưu, độ lớn file 40MB,
tốc độ di chuyển 50km/h 62
Hình 4.20. CDF cho tốc độ bit với phương pháp mặc định và tối ưu, độ lớn file 40MB,
tốc độ di chuyển 120km/h 63
Hình 4.21. CDF cho tốc độ bit với phương pháp mặc định và tối ưu, độ lớn file 50MB,
tốc độ di chuyển 120km/h 64
Hình 4.22. CDF cho tốc độ bit với phương pháp mặc định và tối ưu, độ lớn file 50MB,
tốc độ di chuyển 50km/h 64
Hình 4.23. CDF cho thời gian ngắt quãng trong mặt phẳng người dùng, độ lớn file
30MB, tốc độ di chuyển 50km/h 65
Hình 4.24. CDF cho thời gian ngắt quãng trong mặt phẳng người dùng, độ lớn file
40MB, tốc độ di chuyển 120km/h 66



Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục bảng biểu

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1. Các tham số mô phỏng 49


Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 vii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
3GPP
3 rd Generation Partnership Project
Đề án các đối tác thế hệ thứ
3
A


ACK
Acknowledgement
Công nhận
AF
Amplify and Forward
Khuếch đại và chuyển tiếp
AM
Acknowledgement Mode
Chế độ xác nhận
ARQ
Automatic Repeat Request
Yêu cầu phát lại tự động
AS
Access Stratum
Tầng truy nhập

B


BS
Base Station
Trạm cơ sở
BSR
Buffer Status Report
Báo cáo trạng thái bộ đệm
C


CCCH
Common Control Channel
Kênh điều chung
CDF
Cumulative Distribution Function
Hàm phân bố tích lũy
CDMA
Code Division Multiple Access
Truy nhập phân chia theo mã
CN
Core Network
Mạng lõi
C-RNTI
Cell Radio Network Temporary
Identifier
Ô nhận dạng tạm thời mạng
vô tuyến
D

DF
Decode and Forward
Giải mã và chuyển tiếp
DL
Downlink
Đường xuống
DRB
Data Radio Bearer
Kênh mang dữ liệu
DRX
Discontinous Reception
Thu không liên tục
E


EDGE
Enhanced Data rates for GSM
Evolution
Tốc độ số liệu tăng cường để
phát triển GPRS
eNB
Evolved NodeB
Nút B của E-UTRAN
EPC
Envolved Packet Core
Lõi gói phát triển
EPS
Envolved Packet System

Hệ thống gói phát triển
ETWS
Earthquake and Tsunami Warning
System
Hệ thống cảnh báo động đất
và sóng thần
E-UTRAN
Evolved-UTRAN
Mạng truy nhập vô tuyến
mặt đất phát triển
F


FDD
Frequency Division Duplex
Ghép song công phân chia
theo tần số
FMS
First Missing SDU
SDU mất đầu tiên
Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 viii

FTP
File Transfer Protocol
Giao thức truyền file
G

GERAN
GSM EDGE Radio Access
Network
Mạng truy nhập vô tuyến
GSM EGE
GPRS
General Packet Radio Service
Dịch vụ vô tuyến gói chung
GTP
GPRS Tunneling Protocol
Giao thức đường hầm GPRS
GUTI
Globally Unique Temporary
Identity
Nhận dạng tạm thời duy nhất
toàn cầu
GW
Gateway
Cổng
H


HARQ
Hybrid Automatic Repeat request
Yêu cầu phát lại tự động lai
ghép
HFN
Hyper Frame Number
Số siêu khung
HO

Handover
Chuyển giao
HSPA+
High Speed Packet Access
Evolution
Truy nhập gói tốc độ cao
HSS
Home Subcription Server
Server thuê bao tại nhà
I


IMS
IP Multimedia Sub-system
Phân hệ đa phương tiện IP
IP
Internet Protocol
Giao thức IP
L


LOS
Line of Site
Tầm nhìn thẳng
LSB
Least Significant Bit
Bit quan trọng bé nhất
LTE
Long Term Evolution
Phát triển dài hạn

M


MAC
Medium Access Control
Điều khiển truy nhập môi
trường
MAC-I
Message Authentication Code for
Integrity

MAG
Mobile Access Gateway

MBSFN
Multimedia Broadcast Single
Frequency Network
Mạng đa phương quảng bá
đơn tần
MIB
Master Information Blocks
Khối thông tin chủ
MIMO
Multi-Input-Multi-Output
Nhiều đầu vào nhiều đầu ra
MM
Mobility Management
Quản lý di động
MME
Mobility Management Entity

Thực thể quản lý di động
MMS
Multimedia Management Service
Dịch vụ quản lý đa phương
tiện
MT
Mobile Terminal
Kết cuối di động
Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 ix

N


NACK
Negative Acknowledgement
Phủ nhận
NAS
Non Access Stratum
Tầng không truy nhập
O


OFDMA
Orthogonal Frequency Division
Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo
tần số trực giao
P

PCC
Policy and Charging Control
Điều khiển và tính cước
PCEF
Policy and Charging Enforcement
Function
Chức năng thực thi chiến
lược và tính cước
PCRF
Policy and Charging Resource
Function
Chức năng chính sách và
tính cước tài nguyên
PDCP
Packet Data Convergence Protocol
Giao thức hội tụ dữ liệu gói
PDN
Packet Data Network
Mạng dữ liệu gói
PDSCH
Physical Downlink Shared Channel
Kênh chia sẻ đường xuống
vật lý
PDU
Protocol Data Unit
Khối dữ liệu giao thức
P-GW
PDN Gateway

Cổng mạng dữ liệu gói
PSDN
Public Switched Data Network
Mạng dữ liệu chuyển mạch
công cộng
Q


QoS
Quality of Service
Chất lượng dịch vụ
R


RACH
Random Access Channel
Kênh truy nhập ngẫu nhiên
RAN
Radio Access Network
Mạng truy nhập vô tuyến
RAT
Radio Access Technology
Công nghệ truy nhập vô
tuyến
RB
Radio Bearer
Kênh mang vô tuyến
RLC
Radio Link Control
Điều khiển kết nối vô tuyến

RLF
Radio Link Failure
Sự cố liên kết vô tuyến
RN
Relay
Trạm chuyển tiếp
RNL
Radio Network Layer
Lớp mạng vô tuyến
ROHC
Robust Header Compression
Nén tiêu đề triệt để
RRC
Radio Resource Control
Điều khiển tài nguyên vô
tuyến
RRM
Radio Resource Management
Quản lý tài nguyên vô tuyến
RSRP
Reference Signal Received Power
Công suất thu tín hiệu tham
chiếu
RSRQ
Reference Signal Received Quality
Chất lượng thu tín hiệu tham
Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 x

chiếu
RTP
Real-time Transport Protocol
Giao thức vận chuyển thời
gian thực
S


SAE
System Architecture Evolution
Phát triển kiến trúc mạng
SAP
Service Access Point
Điểm truy nhập dịch vụ
SDU
Service Data Unit
Đơn vị dữ liệu dịch vụ
S-GW
Serving Gateway
Cổng dịch vụ
SIB
System Information Blocks
Các khối thông tin hệ thống
SINR
Signal-to-Interference plus Noise
Ratio
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
SM-R
Start Marker for Relay

SN
Sequence Number
Chuỗi số
SRB
Signaling Radio Bearer
Báo hiệu kênh mang vô
tuyến
T


TA
Tracking Area
Chế độ theo dõi khu vực
TB
Transport Block
Khối truyền tải
TCP
Transmission Control Protocol
Giao thức điều khiển truyền
dẫn
TDD
Time Division Duplex
Song công phân chia theo
thời gian
TE
Terminal Equipment
Thiết bị đầu cuối
TM
Transparent Mode
Chế độ t

TTT
Time to Trigger
Thời gian kích hoạt
U


UDP
User Datagram Protocol
Giao thức dữ liệu người
dùng
UE
User Equipment
Thiết bị người dung
UICC
Univeral Intergrated Circuit Card
Thẻ mạch tích hợp toàn cầu
UM
Unacknowledged Mode
Chế độ không xác nhận
UP
Uplink
Đường lên
USIM
Universal Subscriber Identity
Module
Môđun nhận dạng thuê bao
toàn cầu
UTRAN
Universal Terestrial Radio Access
Network

Mạng truy nhập vô tuyến
mặt đất toàn cầu


Đồ án tốt nghiệp đại học Lời mở đầu

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 xi

LỜI MỞ ĐẦU
Trước sự phát triển mạnh mẽ của các dịch vụ số liệu, trước xu hướng tích hợp
và IP hóa đã đặt ra các yêu cải tiến hệ thống thông tin di động. Trong bối cảnh đó con
người đã nghiên cứu và đang triển khai hệ thống thông tin di động thế mới LTE tại các
nước có nền công nghệ phát triển. Sự ra đời của hệ thống LTE mở ra khả năng tích
hợp các dịch vụ, cung cấp băng rộng, dung lượng lớn, truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao.
Để đạt được các yêu cầu trên, cùng với đảm bảo tốt chất lượng dịch vụ, các công nghệ
tiên tiến đã được ứng dụng: OFDM, anten MIMO… Một trong những công nghệ đem
lại nhiều ưu điểm và tính ứng dụng cao là kĩ thuật chuyển tiếp.
Để tăng vùng phủ và tốc độ truyền dữ liệu tại các vùng biên của tế bào, các
trạm chuyển tiếp được thiết kế để đặt giữa các trạm cơ sở và các UE trong hệ thống.
Điều đặc biệt của các trạm chuyển tiếp là khả năng tự kết nối đường truyền vô tuyến
(backhaul). Không cần sử dụng dây dẫn truyền tín hiệu, backhaul giúp cho hệ thống có
giá thành rẻ hơn và giúp người vận hành dễ dàng cài đặt. Các trạm chuyển tiếp luôn
được đặt tại biên của tế bào hoặc tại khu vực mà tín hiệu SINR nhận được có chất
lượng không tốt để cải thiện chất lượng. Chúng còn được sử dụng cho các giải pháp
cần mở rộng phạm vi của mạng và yêu cầu quá trình xây dựng nhanh.
Khi UE đến kết nối với trạm chuyển tiếp và được chuyển giao đến một node
khác trong mạng, lượng dữ liệu vừa truyền tới trạm chuyển tiếp từ eNB sẽ được truyền
lại về eNB và sau đó mới được chuyển tiếp tới đích. Vấn đề này được gọi là “ back
and forth data forwarding”. Nó gây ra tăng trễ và lãng phí tài nguyên trong backhaul.
Do đó mục tiêu của đồ án là tìm và đánh giá các phương pháp để loại bỏ hiện tượng

“back and forth data forwarding”. Từ đó lựa chọn phương pháp nào có độ trễ nhỏ và
cải thiện được tài nguyên sử dụng.
Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài đồ án của mình là “Hiệu
năng chuyển giao trong LTE có chứa trạm chuyển tiếp”. Theo đó, đề tài tiến hành
nghiên cứu theo bố cục gồm có 4 chương.
Chƣơng I :Tổng quan về LTE
Chương này em xin trình bày về kiến trúc LTE, chức năng của các node, chồng
giao thức và cách hoạt động của giao thức lớp 2. Đặc biệt là 2 giao thức Packet Data
Convergence Protocol(PDCP) và Radio Link Control (RLC) và tầm quan trọng của hai
giao thức đó.
Chƣơng II:
Trình bày và diễn giải các khái niệm chuyển giao cũng như thủ tục chuyển giao,
chuyển giao với các bản tin và các bước chuyển giao để hiểu những phần còn lại của
đồ án. Các yếu tố quan trọng trong thiết kế chuyển giao và các nội dung nghiên cứu
liên quan cũng được đề cập đến trong chương này.

Đồ án tốt nghiệp đại học Lời mở đầu

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 xii

Chƣơng III:
Chương này em sẽ trình bày và mô tả các trạm chuyển tiếp, các loại chuyển tiếp
chính, nêu trạng thái hoạt động của các trạm chuyển tiếp trong mạng và thách thức của
tính di động từ đó cho thấy lợi ích mà các trạm chuyển tiếp mang lại.
Chƣơng IV:
Chương này em sẽ xây dựng vấn đề và đưa ra các giải pháp để giải quyết vấn
đề. Phân tích kết quả mô phỏng và dựa vào kết quả mô phỏng sẽ giúp ta có thể đánh
giá chính xác đặc điểm của từng phương pháp.
Được sự quan tâm giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong quá trình nghiên cứu của cô
giáo Th.s Phạm Thị Thúy Hiền và những ý kiến đóng góp của các thầy các cô trong

bộ môn vô tuyến cùng với sự nỗ lực của bản thân, đồ án của em hoàn thành với nội
dung được giao ở mức độ và phạm vi nhất định. Do dưới hạn về trình độ và thời gian,
đồ án chắc chắn không tránh khỏi những sai sót. Rất mong được sự chỉ dẫn của các
thầy cô giáo cũng như những ý kiến đóng góp của bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn cô giáo Th.s Phạm Thị Thúy Hiền đã tận tình
hướng dẫn em trong suốt thời gian làm đồ án để em có được kết quả như ngày hôm
nay.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến cũng như
các thầy cô giáo trong khoa viễn thông đã có những ý kiến đóng góp và tạo điều kiện
cho em được hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình.
Xin chân thành cảm ơn bạn bè đã giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua.

Hà Nội, ngày…tháng…năm 2012
Sinh Viên
Nguyễn Tiến Ninh




Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Tổng quan về LTE

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 1

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ LTE
1.1. Tóm tắt quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động
Các thiết bị sử dụng mobile Internet được phát triển để làm hài lòng nhu cầu của
người sử dụng. Họ có thể truy cập Internet mọi lúc mọi nơi kể cả khi họ đang di
chuyển. Mạng di động băng rộng được đưa ra như một câu trả lời cho nhu cầu của
người dùng. Truyền thông di động là một trong những công nghệ phát triển nhanh nhất
từ khi nó ra đời.

Thế hệ 1G được thiết kế chỉ cho thoại sử dụng chuyển mạch tương tự. Hệ thống
1G có vùng phủ giới hạn và dung lượng của hệ thống rất nhỏ. Để giải quyết vấn đề này
hệ thống 2G ra đời, nó sử dụng kỹ thuật số thay cho tín hiệu tương tự của thế hệ 1G.
Hệ thống 2G mang tới cho người sử dụng di động 3 lợi ích: mã hóa dữ liệu dưới theo
dạng kĩ thuật số, phạm vi kết nối rộng hơn và đặc biệt là ngoài truyền thoại nó còn
xuất hiện tin nhắn dạng văn bản đơn giản SMS. Theo đó, các tín hiệu thoại khi được
thu nhận sẽ được mã hóa thành tín hiệu kĩ thuật số dưới nhiều dạng mã, cho phép
nhiều gói mã thoại được truyền trên cùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và chi
phí. Tuy nhiên tốc độ truyền dữ liệu của nó vẫn rất thấp vì vậy thế hệ 2.5G ra đời để
tăng tốc độ truyền dữ liệu. Lúc đầu hệ thống có thể truyền với tốc độ 56kbps sau đó
tăng lên 114kbps. Kế tiếp với nó hệ thống EDGE trong thế hệ thứ 2 ra đời cung cấp
tốc độ bit lên tới 236.8 kbps.
Chuyển từ kĩ thuật tương tự sang kĩ thuật số đã đem lại nhiều lợi ích như sử dụng
các kĩ thuật mã hóa để đạt hiệu năng tốt hơn cũng như tăng hiệu suất phổ. Với sự hỗ
trợ của IP thế hệ 3G đã ra đời, các nhà cung cấp và khai thác đã cố gắng giới thiệu
những công nghệ mới với sự hỗ trợ tích cực của Internet ở mọi nơi. Xây dựng thế hệ
3G được bắt đầu năm 1985 và nó đã hoàn thành sau 12 năm. Ngày nay hệ thống HSPA
có thể hỗ trợ tốc độ 42Mbit/s ở đường xuống và 5.8Mbit/s ở đường lên
Năm 2004 lộ trình cho 4G đã bắt đầu với 2 ứng cử viên là LTE và 802.16e.
Nhưng hai hệ thống này mới chỉ được xem là 3.9G vì chúng không thỏa mãn tất cả các
yêu của hệ thống 4G. LTE Release 8 có lưu lượng là 300Mbps ở đường xuống và
75Mbps ở đường lên, trễ nhỏ khoảng 5ms khi truy nhập vô tuyến. Thời gian thiết lập
kết nối khoảng 100ms. Sau đó, LTE-Advance (Release 10) và 802.16m là bản kế tiếp
802.16e đã được đưa ra làm chuẩn cho công nghệ 4G. Ngoài ra LTE-Advance sử dụng
các kĩ thuật như sóng mang kết hợp, tăng cường truyền dẫn đa anten DL/UL, hỗ trợ
HetNet và truyền nhận CoMP, tốc độ đường xuống đạt 3Gbps và đường lên là 1,5
Gbps.
1.2. Tổng quan về LTE
Trong LTE, sự tiến hóa trong kiến trúc hệ thống là kết quả của sự phát triển trong
giao diện vô tuyến. Con đường phát triển của kiến trúc hệ thống theo hướng hỗ trợ

hoàn toàn các dịch vụ chuyển mạch gói và tuân theo các mục tiêu thiết kế như là
chuyển giao cứng thay vì chuyển giao mềm trong HSPA. Ngoài ra tất cả các chức
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Tổng quan về LTE

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 2

năng vô tuyến được tập trung trong nodeB để làm cho kiến trúc đơn giản hơn. Việc
thay đổi kiến trúc hệ thống theo các mục tiêu khác nhau như là:
- Tối ưu kiến trúc hệ thống cho các dịch vụ chuyển mạch gói.
- Hỗ trợ lưu lượng cao hơn so với các công nghệ trước đó do yêu cầu tốc độ bit cao
ở phía kết cuối người dùng.
- Giảm trễ truyền gói
- Đơn giản hóa cho toàn bộ hệ thống
- Kết nối với các mạng truy nhập sử dụng 3GPP
Những mục tiêu được đề cập ở trên có thể đạt được bằng cách sử dụng kiến trúc
phẳng. Các node trong kiến trúc phẳng ít liên quan đến nhau nên trễ giảm và hiệu năng
hệ thống tăng. Để nói về các thành phần trong mạng chúng ta chia mạng ra thành 4
miền khác nhau là UE, E-UTRAN, EPC, vùng Service.
Lớp kết nối giao thức Internet được miêu tả bởi 3 miền UE, E-UTRAN, EPC và
khi chúng kết nối với nhau được gọi là hệ thống gói được cải tiến (Evolved Packet
System-EPS). EPS cung cấp kết nối và dịch vụ dựa trên IP. Nó không sử dụng các
node chuyển mạch kênh và tất cả các giao diện đều nằm trong EPS.
E-UTRAN chỉ có một loại node được gọi là eNodeB. Tất cả các chức năng vô
truyến được tập trung tại eNodeB. E-UTRAN được tạo thành bởi tập hợp các eNodeB
liên kết với nhau thông qua giao diện X2. EPC không có bất cứ chỗ nào thực hiện
chuyển mạch kênh và có lẽ điều này là thay đổi chính về mặt kiến trúc.
1.2.1. Tốc độ đỉnh và hiệu suất phổ
Tốc độ đỉnh được xác định là lưu lượng lớn nhất cho mỗi người dùng nếu toàn bộ
băng thông và số anten hỗ trợ là lớn nhất cấp cho một người. Trong hệ thống TDD tốc
độ đỉnh với đường lên và đường xuống được tính riêng. Hiệu suất phổ lớn nhất được

xác định bằng phép chia của tốc độ đỉnh cho phổ được phân bổ đã sử dụng. Hiệu suất
phổ đỉnh ở đường xuống với cấu hình anten 4x4 là 16b/s/Hz và cấu hình 8x8 là
30b/s/Hz. Trong đường lên hiệu suất phổ định cho cấu hình anten 2x2 là 8.1 b/s/Hz và
cho cấu hình 4x4 là 16b/s/Hz.
Tốc độ dữ liệu đỉnh là một tiêu chí để đánh giá một hệ thống có cải tiến hơn hệ
thống khác hay không nhưng trong thực tế nó vẫn chưa phải là tiêu chí tốt nhất. Để
thiết kế một hệ thống với tốc độ đỉnh cao cho người dùng gần với các trạm cơ sở thì
không khó nhưng sẽ rất khó để cung cấp tốc độ dữ liệu tốt cùng với yếu tố di đông và
vùng phủ. Vì vậy có một cách khác để đánh giá hiệu năng đó là hiệu năng cấp độ hệ
thống. Mô phỏng cấp độ hệ thống có thể đạt được bằng cách sử dụng chương trình mô
phỏng chứa tất cả các giao thức, giao diện và tế bào.
1.2.2. Lƣu lƣợng tế bào và hiệu suất phổ
Hiệu năng cấp độ tế bào (Cell-level) là một yếu tố rất quan trọng để xác định các
mức mà người khai thác sẽ thiết lập. Các phép đo câp độ tế bào được xác định như
sau:
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Tổng quan về LTE

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 3

-Lưu lượng trung bình tế bào [bps/cell] và hiệu suất phổ [bps/Hz/cell]
-Lưu lượng trung bình người dùng [bps/người dùng] và hiệu suất phổ [bps/Hz/user]
-Lưu lượng người dùng tại cạnh tế bào [bps/user] và hiệu suất phổ [bps/Hz/user]
1.2.3. Tính di động và phạm vi của ô
Người sử dụng di chuyển với tốc độ 350km/h thậm chí lên đến 500km/h được
phục vụ bởi hệ thống LTE thì vẫn có thể hoạt động. Tiêu chí này nhấn mạnh sự cần
thiết và tầm quan trọng của chuyển giao không tổn thất vì các dịch vụ vẫn được duy trì
khi ở tốc độ cao.
Các yêu cầu về vùng phủ là khoảng cách cực đại từ trạm tới đầu cuối di động
trong ô. Hiệu suất, phổ tần và thông lượng phải phục vụ tốt cho các ô bán kính 5km,
với các ô bán kính 30km cho phép giảm thông lượng và hiệu suất sử dụng phổ tần

song vẫn phải đáp ứng tính di động.
1.3. Kiến trúc hệ thống
Mục tiêu của LTE là để cung cấp kết nối IP thông suốt giữa người dùng và mạng
dữ liệu gói (Packet Data Network), trong mạng chỉ hỗ trợ các dịch vụ chuyển mạch
gói. Khả năng di động được hỗ trợ đầy đủ bởi LTE và các UE sẽ không phải đối mặt
với sự gián đoạn của việc kết nối tới các dịch vụ trong khi di chuyển. Để thực hiện
điều này cần có sự cải tiến trong truy nhập vô tuyến tiếp đến là những thay đổi của
mạng lõi để thích hợp với phần truy nhập. Phần mạng truy nhập vô tuyến được cải tiến
được gọi là LTE và phần lõi được gọi là EPC. Ngoài EPC thì những phần khác cũng
thay đổi như là SAE, EPC là một phần của SAE. LTE cùng với SAE được gọi là EPS.
Khái niệm “bearer” kênh mang được sử dụng cho việc định tuyến dữ liệu từ một
gateway trong PDN đến UE. Một bearer được định nghĩa là luồng gói IP với chất
lượng dịch vụ đã xác định được thiết lập giữa EPC và UE.
Kiến trúc của EPS được chia thành mạng lõi và mạng truy nhập
UE eNodeB
Cổng phục
vụ
Cổng
PDN
MME
HSS
PCRF
Operator’s IP Service
(e.g IMS,PSS etc.)
LTE-Uu S1-U S5/S8
S11
S1-MME
S6a
Gx
Rx

SGi

Hình 1.1. Các phần tử trong mạng EPS
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Tổng quan về LTE

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 4

EPS chịu trách nhiệm chính là cung cấp kết nối IP giữa người dùng và PDN để
người dùng có thể truy cập Internet. Như đã đề cập ở trước, EPS sử dụng “bearer” để
tạo kết nối giữa UE và PDN. UE có thể sử dụng nhiều hơn một bearer tại một thời
điểm. Các bearer có thể có QoS khác nhau và chúng được sử dụng cho những mục
đích khác nhau cùng một lúc. Ví dụ, một UE có thể lướt web trong khi đang tải dữ liệu
sử dụng FTP. EPS đảm bảo an ninh và tính riêng tư để chặn những mục đích xấu trong
mạng. Như có thể thấy trong hình 1.1, phần mạng lõi có nhiều node với những chức
năng khác nhau trong khi phần mạng truy nhập lại chỉ có E-NodeB.
1.3.1. Mạng lõi (CN) và chức năng của các node logic trong mạng
Mạng lõi(CN) hay còn được gọi là EPC ở trong các phần trước. Mạng lõi chịu
trách nhiệm điều khiển UE. Nó cũng thiết lập và giải phóng các bearer. Mạng lõi gồm
các node logic:
1.3.1.1. Cổng mạng dữ liệu gói (P-GW)
Cổng mạng dữ liệu gói (PDN-Gateway) có thể được coi như một router nằm giữa
EPS và một mạng dữ liệu gói bên ngoài. Nó là nút cuối di động mức cao nhất trong hệ
thống và nó thực hiện chức năng chọn lưu lượng và lọc theo yêu cầu bởi các dịch vụ
được đề cập. P-GW được duy trì tại các phòng điều hành tại một vị trí trung tâm.
Điển hình là P-GW cấp phát các địa chỉ IP cho UE và UE sử dụng nó để giao tiếp
với các máy chủ IP khác trong các mạng bên ngoài. Nó cũng 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 P-GW cho tất cả lưu lượng vào mạng đó. Địa chỉ IP luôn được cấp phát khi UE
yêu cầu một kết nối PDN, nó sẽ diễn ra ít nhất là khi UE được gắn vào mạng, và nó có
thể xảy ra sau khi có một kết nối PDN mới. Các P-GW thực hiện chức năng giao thức

cấu hình máy chủ động (DHCP) khi cần, hoặc truy vấn một máy chủ DHCP bên ngoài,
và cung cấp địa chỉ cho UE có thể là IPv4, IPv6 hoặc cả hai.
Như đã đề cập ở trên, một trong những nhiệm vụ của P-GW là thực hiện chọn
lưu lượng và lọc theo yêu cầu bởi các chính sách thiết lập cho UE hay được gọi là
PCEF.
Lưu lượng giữa P-GW và các mạng bên ngoài dưới dạng các gói tin IP thuộc về
các dòng dịch vụ IP khác nhau. Nếu giao diện S5/S8 hướng tới S-GW là dựa trên GTP
thì P-GW thực hiện ánh xạ các dòng dữ liệu tới các đường hầm GTP, các P-GW thiết
lập các phần tử mạng cơ bản dựa trên yêu cầu qua PCRF hoặc từ S-GW, mà chuyển
tiếp các thông tin từ MME. Nếu giao diện S5/S8 dựa trên PMIP, P-GW sẽ ánh xạ tất
cả các luồng dịch vụ IP từ các thông tin điều khiển chỉ được trao đổi với PCRF. P-GW
cũng có chức năng giám sát các luồng dữ liệu cho mục đích hoạch toán. Tính cước
thông tin được lựa chọn và thông báo bởi P-GW. Trong di động, nếu có một nhu cầu
thay đổi cổng phục vụ (S-GW), P-GW là điểm cao nhất của hệ thống có thể thay đổi
đường truyền từ S-GW cũ sang S-GW mới.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Tổng quan về LTE

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 5

1.3.1.2. Cổng mạng dịch vụ (S-GW)
Chức năng nổi bật của cổng mạng dịch vụ (S-GW) là quản lý đường hầm và
chuyển mạch. S-GW đóng vai trò rất nhỏ trong các chức năng điều khiển. Nó chỉ chịu
trách nhiệm về nguồn tài nguyên của riêng nó, và nó cấp phát chúng dựa trên các yêu
cầu từ MME, P-GW. Nếu các yêu cầu từ P-GW, S-GW sẽ gửi bản một bản copy của
yêu cầu này tới MME để MME có thể điều khiển các đường hầm tới eNodeB. Trong
thời gian chuyển giao, S-GW nhận được lệnh từ MME để chuyển mạch đường hầm từ
một eNodeB tới một eNodeB khác. MME có thể lệnh cho S-GW cung cấp tài nguyên
trong đường hầm cho chuyển tiếp dữ liệu từ eNodeB nguồn tới eNodeB đích nếu đó là
một yêu cầu cho chuyển tiếp dữ liệu. Nếu trong quá trình chuyển giao cần thay đổi S-
GW, MME điều khiển đường hầm thay đổi từ S-GW cũ sang S-GW mới.

Khi UE trong chế độ kết nối, tất cả lưu lượng dữ liệu từ eNodeB được chuyển tới
P-GW và ngược lại, trong khi ở chế độ chờ thì không có yêu cầu chuyển tiếp. Nếu UE
đang ở chế độ chờ và trong lúc ấy S-GW nhận một vài gói tin từ P-GW, S-GW bắt
đầu đệm dữ liệu và yêu cầu MME đánh số UE. Sau khi đánh sô UE và các đường hầm
thiết lập, S-GW có thể truyền dữ liệu được đệm. S-GW cũng có khả năng giám sát dữ
liệu trong các đường hầm cho mục đích tính cước hoặc phân phát dữ liệu đến nhưng
nơi cần.
1.3.1.3. Thực thể quản lý di động (MME)
Thực thể quản lý di động ( MME) là thành phần điều khiển chính trong EPC.
Thông thường MME sẽ là một máy chủ tại cơ sở của nhà điều hành. Nó chỉ hoạt đọng
trong mặt phẳng điều khiển. Ngoài giao diện cuối vào MME thì nó còn có một kết nối
trực tiếp tới UE và kết nối này được sử dụng như là kênh điều khiển chính giữa UE và
mạng.
Các chức năng chính của MME bao gồm:
a) Xác thực và bảo mật:
Khi một UE đăng ký vào mạng lần đầu tiên, MME sẽ khởi tạo xác thực,
bằng cách thực hiện: tìm danh tính thường trú của UE, hoặc từ các mạng truy
nhập trước đó hoặc chính bản thân UE, yêu cầu từ bộ phục vụ thuê bao thường
trú (HSS) trong mạng chủ của UE các điều khiển chứng thực có chứa các mệnh
lệnh chứng thực-trả lời các cặp tham số, gửi các thử thách với UE và so sánh
các trả lời nhận được từ UE vào một trong những cái đã nhận được từ mạng
chủ. Chức năng này để đảm bảo các yêu cầu bảo vệ cho UE. Các MME có thể
lặp lại chức năng xác thực khi cần thiết hoặc theo chu kỳ. Các chức năng này
dùng để bảo vệ các thông tin liên lạc khỏi việc nghe trộm và từ sự thay đổi cảu
bên thứ ba. Để bảo vệ quyền riêng tư của UE, MME cũng phân bổ cho mỗi UE
một mã tạm thời gọi là mã nhận dạng tạm thời duy nhât toàn cầu (GUTI), do đó
cần phải gửi mã nhận dạng thường trú UE-mã nhận dạng thuê bao quốc tế
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Tổng quan về LTE

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 6

(IMSI) qua giao diện vô tuyến được giảm thiểu. Các GUTI có thể được cấp trở
lại, ví dụ định kỳ để ngăn chặn theo dõi UE.
b) Quản lý di động:
MME theo dõi vị trí của tất cả các UE trong khu vực của mình, khi một
UE đăng ký vào mạng lần đầu tiên, MME sẽ tạo một lối vào cho UE và thông
báo với vị trí tới HSS trong mạng chủ của UE. MME yêu cầu tài nguyên thích
hợp được thiết lập trong eNodeB, cũng như trong các S-GW mà nó lựa chọn
cho UE. Các MME sau đó tiếp tục theo dõi vị trí của UE hoặc là dựa trên mức
độ của eNB, nếu UE vẫn kết nối và ở chế độ theo dõi khu vực (TA). MME cũng
đảm nhiệm chức năng điều khiển cac thiết lập và giải phóng tài nguyên dựa trên
những thay đổi chế độ hoạt động của UE. MME cũng tham gia vào việc điều
khiển tín hiệu chuyển giao của UE trong chế độ hoạt động giữa các eNB, S-GW
hoặc MME. MME tham gia vào mọi thay đổi của eNB vì không có phần tử điều
khiển mạng vô tuyến riêng biệt nên nó đã ẩn đi những nội dung này. Một UE ở
trạng thái rảnh rõi nó sẽ báo cáo vị trí của nó hoặc là định kỳ, hoặc là khi nó
chuyển tới một khu vực theo dõi. Nếu dữ liệu nhận được từ bên ngoài cho một
UE rảnh rỗi, MME sẽ được thông báo, nó sẽ yêu cầu các eNB trong TA đã
được lưu giữ cho UE tới vị trí nhớ của UE.
c) Quản lý hồ sơ thuê bao và dịch vụ kết nối:
Tại thời điểm UE đăng ký vào mạng, các MME sẽ chịu trách nhiệm lấy hồ
sơ đăng ký của nó từ mạng chủ về. Các MME sẽ lưu trữ thông tin này trong
suốt thời gian phục vụ UE. Hồ sơ này xác định những 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 cơ bản. Quá trình
này bao gồm cả báo hiệu CP với eNodeB và S-GW. Tại bất kỳ thời điểm nào
sau này, các MME có thể cần tới được tham gia vào việc thiết lập kênh mang
riêng cho các kênh mang riêng cho các dịch vụ nhận được từ xử lý cao hơn.
MME có thể nhận yêu cầu thiết lập một kênh mang riêng hoặc từ S-GW nếu
yêu cầu này xuất phát từ miền dịch vụ của nhà khai thác hay trực tiếp từ S-GW

nếu UE yêu cầu một kết nối cho một dịch vụ mà miền dịch vụ nhà khai thác
không biết và vì thế không thể khởi xướng yêu cầu từ miền này.
1.3.1.4. Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên (PCRF)
Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên(PCRF) là phần tử mạng đặt cùng
với các phần tử của mạng lõi tại các trung tâm chuyển mạch của nhà khai thác chịu
trách nhiệm cho việc điều khiển chính sách và tính cước (PCC: Plolicy and Charging
Control). Nó quyết định cách xử lý các dịch vụ theo QoS và cung cấp thông tin cho
PCEF (chức năng thực thi chiến lược và tính cước) đặt trong P-GW. Các thông tin
PCRF cung cấp cho PCEF được gọi là quy tắc PCC. PCRF sẽ gửi các quy tắc PCC khi
cần thiết lập một kênh mang mới. Chẳng hạn khi UE khởi đầu nhập mạng, thiết lập
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Tổng quan về LTE

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 7

kênh mang được yêu cầu và một kênh mang mặc định được thiết lập. Sau đó thiết lập
kênh mang được yêu cầu khi cần thiết lập một hay nhiều kênh mang riêng. PCRF có
khả năng cung cấp các quy tắc PCC theo yêu cầu hoặc từ P-GW hoặc từ S-GW trong
trường hợp PMIP giống như trong trường hợp nhập mạng. Ngoài ra nó có thể cung cấp
các quy tắc PCC theo yêu cầu từ chức năng ứng dụng (AF: Application Function) nằm
trong miền dịch vụ (như IMS). UE thông báo trực tiếp với miền dịch vụ (IMS) và AF
đẩy thông tin về QoS của dịch vụ đến PCRF, PCRF quyết định PCC và đẩy các quy
tắc PCC xuống P-GW và thông tin sắp xếp kênh mang xuống S-GW trong trường hợp
PMIP S5/S8.
1.3.1.5. Máy chủ thuê bao thường chú(HSS)
Máy chủ thuê bao thường chú là một cơ sở dữ liệu được bảo trì tại vị trí nhà khai
thác mạng, lưu giữ số liệu thuê bao cho tất cả số liệu cố định của người sử dụng và vị
trí của người sử dụng ở mức nút điều khiển mạng nơi mà người sử dụng đang làm
khách.
HSS lưu giữ 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 PDN được

phép và có được phép chuyển đến một mạng khác hay không. HSS cũng lưu những
nhận dạng của các P-GW được sử dụng. Nó lưu các số nhận dạng của các P-GW hiện
đang sử dụng để hỗ trợ di động giữa các mạng truy nhập không phải 3GPP. Khóa cố
định được sử dụng để tính toán các vectơ nhận thực được lưu lượng trong trung tâm
nhận thực (AuC: Authentication Centre) thường là một bộ phận của HSS. Các vectơ
nhận thực này được gửi đến mạng nơi UE làm khách để nhận thực người sử dụng và
rút ra các khóa khác để mật mã và bảo vệ tính toàn vẹn. Các HSS sẽ cần có khả năng
kết nối với mọi MME trong toàn mạng nơi mà các UE của nó được phép di chuyển.
Đối với mỗi UE, các hồ sơ HSS sẽ chỉ tới một MME phục vụ tại một thời điểm và
ngay sau đó là báo cáo về một MME mới mà nó phục vụ cho UE, HSS sẽ hủy bỏ vị trí
của MME trước.
1.3.2. Mạng truy nhập
Trong hình 1.2, mô tả toàn bộ kiến trúc của E-UTRAN là một mạng lưới các
eNodeB liên kết với nhau thông qua giao diện X2. eNodeB cũng được kết nối với
mạng lõi thông qua giao diện S1. Ngoài ra còn có những giao thức hoạt động giữa
eNodeB và UE, chúng được gọi là giao thức tầng truy nhập Access Stratum (AS).
Phần tiếp theo ngay sau đây, chúng ta lần lượt tìm hiểu từng phần tử trong E-UTRAN
và chức năng của chúng.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Tổng quan về LTE

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 8

X2
S1
Un
DeNB
eNB
MME/ S-GW
X2
X2

S1
Un
eNB
MME/ S-GW
UE
UE

Hình 1.2. Kiến trúc của E-UTRAN
1.3.2.1. E-UTRAN NodeB (eNodeB)
Nút duy nhất trên E-UTRAN là E-UTRAN NodeB (eNodeB). Nó là một trạm
gốc điều khiển tất các các chức năng liên quan đến vô tuyến. Các trạm gốc được phân
bố trong toàn vùng phủ của mạng và mỗi eNodeB lại được đặt gần một anten.
Trong thực tế eNodeB đóng vai trò như một cầu nối giữa 2 lớp UE và EPC, nó là
điểm cuối của tất cả các giao thức vô tuyến về phía UE. Nó tiếp nhận dữ liệu giữa các
kết nối vô tuyến và các kết nối IP cơ sở với EPC. ENodeB còn thực hiện chức năng mã
hóa và giải mã dữ liệu trong mặt phẳng người dùng như nén và giải nén tiêu đề gói tin
IP. Ngoài ra, eNodeB thực hiện các chức năng trong mặt phẳng điều khiển như quản lý
tài nguyên vô tuyến thực hiện bằng cách kiểm soát việc sử dụng tài nguyên. Điều
khiển tài nguyên vô tuyến được chia ra thành nhiều loại như phân bổ tài nguyên dựa
trên yêu cầu, ưu tiên và lập lịch trình lưu lượng 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 di động (MM). Nó
nhận và phân tích kết quả đo, tự thực hiện một vài phép đo của mình và so sánh hai kết
quả đo với nhau để chuyển giao cho UE. eNodeB được yêu cầu để đổi tin nhắn thông
báo tới eNodeB khác cũng như tới MME.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Tổng quan về LTE

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 9

eNodeB đóng vai trò là trung tâm đối với các nhiều nút khác. Nhiều UE có thể

được phục vụ bởi eNodeB khi chúng nằm trong vùng phủ sóng của eNodeB nhưng
mỗi UE chỉ được kết nối tới một eNodeB cùng một thời điểm. Mỗi eNodeB sẽ kết nối
tới các eNodeB khác để UE có thể thực hiện chuyển giao. Các MME có thể được kết
nối lại với nhau tạo thành một vùng, điều này cũng có thể làm đối với các S-GW.
eNodeB có thể kết nối tới vùng này mặc dù mỗi UE chỉ được điều khiển bởi một
MME và phục vụ từ một S-GW.
Các chức năng liên quan đến vô tuyến của E-TRAN:
a) Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM):
Mục tiêu của RRM là để tính di động có thể thực hiện trong mạng với sự
giúp đỡ của UE mà không cần sự can thiệp từ người sử dụng. Để khả năng di
động được cao thì phải đối mặt với các vấn đề phức tạp cùng tồn tại trong UE
như tiêu thụ năng lượng, xử lý công suất và giá. Do đó luôn phải tính toán giữa
vấn đề đạt hiệu năng tốt hơn và tăng độ phức tạp của hệ thống. Về phía UE,
hoạt động chính là thực hiện hỗ trợ tính di động được thông suốt bằng cách
chọn ô, đo lường và chuyển giao. Nhìn chung, ta có thể phân loại tất cả các
chức năng của RRM là lập lịch trình, điều khiển truy nhập, điều khiển kênh
mang và điều khiển di động.
b) Nén tiêu đề:
Tiêu đề gói tin IP có thể có mào đầu lớn, do đó nén tiêu đề là cách hợp lý
cho việc sử dụng hiệu quả giao diện vô tuyến. Chức năng này được đảm nhiệm
bởi PDCP là lớp con của lớp mạng. Nén tiêu đề trong PDCP được thực hiện
bằng cách sử dụng giao thức ROHC. Tầm quan trọng của nén tiêu đề trong LTE
là do sử dụng chuyển mạch gói và không dùng chuyển mạch kênh. Chính vì sử
dụng chuyển mạch gói mà dịch vụ thoại trong LTE kém chất lượng hơn so với
dịch thoại sử dụng chuyển mạch kênh. Mặt khác tiêu đề là rất lớn so với phần
dữ liệu thoại sẽ gây lãng phí tài nguyên nên việc nén tiêu đề của IP/UDP/RTP
là cần thiết.
c) An ninh:
Cung cấp tính bảo mật là cần thiết để tránh việc truy cập dữ liệu trái phép.
Để duy trì bảo mật, hai chức năng chính là mã hóa và bảo vệ tính toàn vẹn được

sử dụng. Mã hóa được áp dụng cho cả dữ liệu ở mặt phẳng điều khiển như
Signaling Radio Bearer (SRB) và dữ liệu ở mặt phẳng người dùng Data Radio
Bearer (DRB) trong khi bảo vệ tính toàn vẹn chỉ được thực hiện trong dữ liệu
mặt phẳng điều khiển. Mã hóa là một chức năng để đảm bảo rằng bên thứ ba
không nhận được luồng dữ liệu. Bảo vệ tính toàn vẹn cho phép người nhận phát
hiện việc chèn dữ liệu và thay thế nó. RRC luôn kích hoạt hai chức năng này
cùng với nhau. Nhìn chung, bảo mật nghĩa là mã hóa được sử dụng cho tất cả
các dữ liệu gửi qua giao diện vô tuyến.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Tổng quan về LTE

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 10

d) Kết nối với EPC:
Chức năng khác trong E-UTRAN là gửi và nhận thông báo cần thiết với
MME và thiết lập kênh mang tới S-GW.
Tất cả những chức năng đã đề cập ở trên được tập trung trong eNodeB vì trong
LTE tất cả chức năng điều khiển vô tuyến cùng nằm trong eNodeB. Tập trung giúp các
lớp giao thức khác nhau tương tác với nhau tốt hơn và chấm dứt giảm trễ và tăng hiệu
suất.
1.4.2.2. Thiết bị người dùng (UE)
UE là thiết bị mà người dùng đầu cuối sử dụng để liên lạc. Thông thường nó là
thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh hoặc nó có thể là thiết bị được gắn vào máy
tính xách tay. UE được chia làm hai phần: USIM và phần còn lại của thiết bị UE gọi là
thiết bị đầu cuối (TE). USIM là một ứng dụng được đặt vào một thẻ thông minh có thể
tháo rời được gọi là thẻ mạch tích hợp toàn cầu (UICC). 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.
Nhìn chung các chức năng của UE là nền tảng cho các ứng dụng có tín hiệu với
mạng để thiết lập, duy trì và loại bỏ kết nối thông tin cần thiết. UE cũng hỗ trợ trong
thủ tục chuyển giao và gửi các thông báo về vị trí kết cuối cho mạng.

1.5. Kiến trúc giao thức của E-UTRAN
1.5.1. Mặt phẳng ngƣời dùng
Đường hầm được tạo giữa P-GW và eNodeN để gói tin IP chuyển tiếp đến UE.
Khác với các giao thức tạo đường hầm thường được dùng, giao thức đường hầm sử
dụng trong 3GPP được gọi là “GPRS tunneling protocol” (GTP). Trong hình 1.3, mô
tả phân lớp chồng giao thức của E-TRAN gồm có PDCP, RLC, MAC. PDCP chịu
trách nhiệm bảo vệ dữ liệu trong suốt quá trình chuyển giao. Không giống như PDCP,
RLC và MAC cùng bắt đầu phiên làm việc mới sau khi chuyển giao với một chuỗi các
số từ 0.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Tổng quan về LTE

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 11

RRC
PDCP
RLC
MAC
MAC
L
1
L
2
L
3
Các kênh mang
Các kênh logic
Các kênh truyền tải
Mặt bằng điều khiển
Mặt bằng người
dùng

Hình 1.3. Chồng giao thức của E-UTRAN.
1.5.1.1. Lớp con điều khiển truy nhập môi trường (MAC)
MAC là lớp con thấp nhất trong Tầng 2. Nó được đặt giữa lớp con RLC và lớp
vật lý. Các kênh logic liên kết lớp MAC với RLC và các kênh truyền tải liên kết lớp
MAC với lớp vật lý. Vì vậy lớp MAC chịu trách nhiệm trong việc sắp xếp các kênh
logic lên kênh truyền tải.
Lớp con MAC được đặt dưới lớp con RLC trong chồng giao thức vì nó nhận các
gói tin từ RLC trong quá trình truyền dẫn và phân các gói tới RLC trong quá trình
nhận. Chức năng chính của lớp MAC là ghép các PDU của RLC sang các khối truyền
tải (Transport Block-TB) và sau đó giao chúng cho lớp vật lý trong quá trình truyền
phát. Ngược lại, trong quá trình nhận các TB từ lớp vật lý, chúng được tách trở lại
thành các PDU của RLC và sau đó sẽ được đưa tới lớp RLC. Lớp MAC cũng thực
hiện độn các bit nếu dữ liệu còn chưa đủ trong PDU của lớp MAC. Ngoài ra lớp MAC
còn đảm nhiệm các chức năng khác như:
 Lớp con MAC sẽ thực hiện đo và thông báo lưu lượng qua lớp này. Kết quả đo
và thông báo được thực hiện để cung cấp thông tin về lưu lượng đã qua cho lớp
RRC.
 Sửa lỗi: bằng cách truyền lại dữ liệu tới lớp vật lý thông qua HARQ.
 Chức năng lập lịch trong eNodeB: Tài nguyên luôn có sẵn trong tế bào. Chức
năng này phân phối nguồn tài nguyên giữa UE và tế bào đó. Vì UE có nhiều
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Tổng quan về LTE

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 12

hơn một kênh mang vô tuyến cùng một lúc nên bộ lập lịch sẽ thực hiện phân bổ
tài nguyên giữa các kênh mang.
 Lập kế hoạch truyền tin: phân bổ tài nguyên chỉ được thực hiện khi có dữ liệu
được gửi hoặc được nhận. Như đã đề cập ở trên, lập lịch và phân bổ được thực
hiện trong eNodeB. Trong đường xuống eNodeB biết lượng dữ liệu trong bộ

đệm vì thế nó có thể phân bổ tài nguyên một cách dễ dàng. Nhưng với đường
lên, bộ đệm nằm trong UE, việc gửi một BSR từ UE đến eNodeB là cần thiết để
thông báo cho eNodeB về lượng dữ liệu đang nằm trong bộ đệm. UE gửi thông
báo trạng thái bộ đệm (BSR) trên đường lên tới eNodeB. Sau đó eNodeB phân
bổ tài nguyên của đường xuống cho UE dựa trên BSR.
 Quá trình truy cập ngẫu nhiên (Random Accesss Procedure): điều khiển quá
trình truy cập ngẫu nhiên là một trong những chức năng quan trọng của lớp
MAC. Hai trường hợp truy cập ngẫu nhiên có thể sử dụng:
1. Khi UE có dữ liệu cần gửi nhưng tài nguyên trên đường lên không
không được phân bổ cho UE.
2. Khi UE không được đồng bộ về mặt thời gian trên đường lên.
 Sắp xếp thời gian trên đường lên: nhằm mục đích dữ liệu của một UE không
chồng lên dữ liệu của một UE khác. Giữ đồng bộ trong khi sử dụng sắp xếp thời
gian khi không có dữ liệu được truyền thì gây lãng phí tài nguyên. Do đó UE
được phép mất tính đồng bộ của nó ngay cả khi ở chế độ RRC-CONNECTED.
Sau đó, nếu có dữ liệu, trước khi truyền, thủ tục truy cập ngẫu nhiên sẽ được sử
dụng để lấy lại đồng bộ.
 Thu không liên tục (Discontinous reception-DRX): Thông thường UE giám sát
các kênh đường xuống bằng cách thiết lập chức năng DRX trong chế độ RRC-
CONNECTED. Ở chức năng này, sẽ có một khoảng thời gian để UE được yêu
cầu giám sát các kênh đường xuống và một khoảng thời gian UE không phải
giám giám sát. Chức năng DRX giúp kéo dài thời gian sử dụng pin.
1.5.1.2. Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC)
RLC cũng là một lớp con của lớp liên kết dữ liệu. Nó được đặt giữa PDCP và
MAC. Giao tiếp giữa lớp RLC và lớp PDCP được thực hiện thông qua điểm truy nhập
dịch vụ (SAP) và giao tiếp của lớp RLC với lớp MAC được thực hiện thông qua các
kênh logic. Vì RLC được đặt giữa PDCP và MAC, nó sẽ nhận các PDU PDCP từ lớp
PDCP trong thời gian truyền dẫn, định dạng lại và giao chúng cho lớp MAC. Trong
thời gian nhận RLC nhận các PDU RLC từ MAC, tập hợp chúng lại và gửi cho lớp
PDCP. Chức năng khác của RLC là thực hiện việc sắp xếp lại (reordering). Trong

UMTS, sắp xếp lại chịu trách nhiệm bởi lớp MAC, nhưng trong LTE trách nhiệm này
được bổ nhiệm cho lớp RLC.
Trong RLC có ba chế độ truyền dẫn gồm: chế độ rõ ràng (Transparent Mode),
chế độ không được xác nhận ( Unacknowledged Mode), và chế độ xác nhận
(Acknowledge Mode).
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Tổng quan về LTE

Nguyễn Tiến Ninh, D08VT5 13

a)Chế độ rõ ràng (TM):
Trong chế độ rõ ràng, không có sự thay đổi nào được thực hiện với PDU
và không có mào đầu nào được thêm vào các PDU này có nghĩa là các SDU
RLC đã được ánh xạ trực tiếp tới các PDU RLC và ngược lại. Các bản tin này
giống như bản tin RLC mà không cần RLC cấu hình có thể sử dụng chế độ TM.
Mặt khác chế độ TM không được sử dụng cho tất cả dữ liệu mặt phẳng người
dùng. Chế độ TM RLC cung cấp truyền dữ liệu đơn hướng cho phát hoặc nhận.
b)Chế độ không được xác nhận (TM):
Chế độ không xác nhận là không có quá trình truyền lại. Do đó sử dụng
UM cho trễ ít hơn và xác xuất lỗi nhiều hơn. Các ứng dụng thời gian thực như
VoIP thì nhạy cảm với trễ nhưng có thể chịu được các lỗi khi sử dụng chế độ
UM. Tương tự như TM RLC dữ liệu truyền trong UM RLC là đơn hướng. Các
chức năng chính của UM RLC bao gồm:
- Phân đoạn và nối các SDU RLC: là hai chức năng của lớp RLC. Hai
chức năng này được thực hiện trên các SDU RLC mà chúng đến từ lớp
trên để tạo các PDU RLC. Độ lớn của các PDU RLC có thể khác nhau
phụ thuộc vào nguồn tài nguyên sẵn có và các điều kiện vô tuyến mà
được thông báo bởi MAC.
- Sắp xếp lại, phát hiện trùng lặp, tập hợp lại: khi nhận các PDU RLC,
phần tử RLC UM sắp xếp lại các PDU nếu chúng không được nhận với
thứ tự đúng. PDU RLC không theo trật tự được giữ trong bộ đệm cho

đến khi tất cả các PDU RLC cũ được nhận và được giao cho lớp cao
hơn. Bằng cách kiểm tra số thứ tự, tất cả các SDU RLC trùng lặp sẽ
được xác định và xóa. Nhận các PDU trùng lặp là do hiểu sai HARQ
ACK là HARQ NACK ở trong lớp MAC. Xóa bỏ trùng lặp là một phần
trong quy trình sắp xếp lại. Tập hợp lại chỉ được thực hiện khi tất cả các
mảnh của SDU RLC đầy đủ.
c) Chế độ xác nhận (Acknowledge Mode):
AM RLC là chế độ cho phép truyền dữ liệu theo hai chiều. Sự khác nhau
nổi bật giữa AM RLC và UM RLC là sự truyền lại, vì vậy tất cả các chức năng
được thực hiện bởi UM RLC cũng được áp dụng cho AM RLC. Ví dụ, nối và
phân mảnh các SDU RLC được thực hiện ở phía phát để tạo thành các PDU
RLC và tập hợp các SDU RLC từ các PDU RLC nhận được sẽ thực hiện ở phía
thu. Chế độ AM RLC có truyền lại bằng cách sử dụng ARQ (Automatic Repeat
reQuest) để hỗ trợ truyền không có lỗi. Vì truyền lại có thể sửa các lỗi, AM
RLC là một chế độ thích hợp cho các ứng dụng phi thời gian thực là những ứng
dụng mà dẽ bị ảnh hưởng bởi lỗi và cho phép trễ. Bên cạnh những chức năng
chung giữa AM RLC và UM RLC thì AM RLC có một số chức năng khác:
- Truyền lại và phân mảnh lại