Quản lý di động trong mạng LTE 4g

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ HỘI



LUẬN VĂN THẠC SỸ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ


QUẢN LÝ DI ĐỘNG TRONG MẠNG LTE-4G
(MANAGEMENT Of NETWORK MOBILITY
IN LONG TERM EVOLUTION - 4G)



ĐINH QUANG QUẢNG





HÀ NỘI-2013

ii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ HỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ

QUẢN LÝ DI ĐỘNG TRONG MẠNG LTE-4G
(MANAGEMENT Of NETWORK MOBILITY IN LONG TERM
EVOLUTION - 4G)

ĐINH QUANG QUẢNG

CHUYÊN NGHÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 60520203

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS PHẠM MINH VIỆT


HÀ NỘI-2013


iii

LỜI CẢM ƠN
Lời ñầu tiên, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến PGS.TS. Phạm Minh Việt ñã
dành nhiều thời gian và công sức hướng dẫn, giúp ñỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Qua thời gian làm luận văn, với sự hướng dẫn nhiệt tình của Thầy, tôi ñã tiếp thu
ñược rất nhiều kiến thức mới mẻ, cũng như cách làm việc khoa học, cách giải quyết
vấn ñề chặt chẽ. Đó chính là những kinh nghiệm rất bổ ích cho tôi trong quá trình
học tập và công tác sau này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành ñến các Thầy Cô giáo của Khoa
ñào tạo Sau ñại học Viện Đại Học Mở Hà Nội, ñặc biệt là các Thầy Cô giáo ñã trực

tiếp giảng dạy cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại Viện.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn ñến Ban Giám ñốc Viện Đại Học Mở Hà Nội
cũng như các Phòng, Khoa của Viện ñã tạo ñiều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong
suốt quá trình học tập. Dù ñã có rất nhiều cố gắng, song do thời gian nghiên cứu có
hạn luận văn không thể tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót. Kính mong nhận ñược
sự chia sẻ và những ý kiến ñóng góp quý báu của các thầy cô giáo, các bạn ñồng
nghiệp.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia ñình, ñồng nghiệp ñã tạo mọi ñiều kiện thuận
lợi ñể cho tôi học tập, xin cảm ơn các bạn, các Anh Chị trong tập thể lớp K4 KTĐT
ñã hỗ trợ tôi trong việc học tập.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 10 năm 2013
Học viên thực hiện



Đinh Quang Quảng


iv

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN i
MỤC LỤC ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ ix
MỞ ĐẦU 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG LTE - 4G 3
1.1 TỔNG QUAN 3
1.1.1 Xu hướng phát triển công nghệ mạng di ñộng từ 3G lên 4G 3

1.1.2 Tổng quan về LTE- 4G 4
1.2. CÁC PHẦN TỬ MẠNG LTE- 4G 9
1.2.1 E-UTRAN 9
1.2.2.MME ( Mobility Management Entity) 13
1.2.3. Gateway 17
1.3 NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CỦA MẠNG LTE - 4G 27
1.3.1 Hỗ trợ lưu lượng IP 27
1.3.2 Hỗ trợ di ñộng tốt 27
1.3.3 Hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyến khác nhau 28
1.3.4 Không cần liên kết ñiều khiển 29
1.3.5 Hỗ trợ bảo mật ñầu cuối - ñầu cuối 29
1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 30
Chương 2: QUẢN LÝ DI ĐỘNG (MOBILITY) 31
2.1 GIỚI THIỆU 31
2.1.1 Vị trí của Mobile IP trong 4G 32
2.1.2 Truyền dữ liệu trong mạng Mobile IP- 4G 33
2.1.3 Thông báo và tìm kiếm trạm ñiều khiển 35
2.1.4 Đăng ký 36
2.1.5 Kênh số liệu và mã hóa 37
2.1.6 Tối ưu 38
2.2 QUẢN LÝ DI ĐỘNG Ở TRẠNG THÁI RỖI 40
2.2.1 Tổng quan 40
2.2.2 Dò tìm tế bào (cell search) 41

v

2.2.3 Truy cập ngẫu nhiên 47
2.2.4 Cập nhật vùng theo bám (TAU) 49
2.3. QUẢN LÝ DI ĐỘNG Ở TRẠNG THÁI TÍCH CỰC 51
2.3.1 Tổng quan 51

2.3.2 Di ñộng nội E-UTRAN với hỗ trợ X2 53
2.3.3 Di ñộng nội E-UTRAN không có hỗ trợ X2 57
2.3.4 Di ñộng nội E-UTRA với bố trí lại EPC 59
2.4 CHUYỂN GIAO TRONG LTE 61
2.4.1 Báo hiệu cho chuyển giao 61
2.4.2 Đo chuyển giao 63
2.5. CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG 63
2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 65
Chương 3: MỘT SỐ GIẢI PHÁP QUẢN LÝ DI ĐỘNG TRONG MẠNG LTE-4G
66
3.1 TỔNG QUAN 66
3.2. PHÂN TẦNG QUẢN LÝ DI ĐỘNG TRONG MẠNG-IP 67
3.3 MỘT SỐ GIẢI PHÁP 71
3.3.1 Giải pháp ở mức vĩ mô 71
3.3.2 Giải pháp ở mức vi mô 71
3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 75
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76
KIẾN NGHỊ CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Tiếng Anh
Tiếng việt
A


AAA Authentication, Authorization,

Accouting Protocol
Xác thực, Ủy quyền, Kế
toán
3 GPP Third Generation Partnership Project Tổ chức chuẩn hóa mạng
di ñộng thế hệ thứ 3
2G Second Generation Thế hệ thứ 2
3G Third Generation Thế hệ thứ ba
4G Fourth Generation Mạng di ñộng thế hệ thứ
tư
B


BS Base Station
Trạm gốc
BTS Base Transceiver Station
Trạm thu phát
C


CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia
theo mã
CRS Common Reference Signal

CSI Channel State Information

CRNTI CellRadioNetworkTemporary Identifier

Chỉ số nhận dạng tạm
thời mạng VT tuyến tế
bào

D


DCI Downlink Control Information Thông tin ñiều khiển
ñường xuống
DL Down Link
Đường xuống
DPCCH Delicated Physical Control Channel Kênh ñiều khiển vật lý
dành riêng
DPDCH Delicated Physical Data Channel Kênh dữ liệu vật lý dành
riêng
E

EPC Evolved Packet Core
Lõi gói cải tiến
E-UTRA Evolved UTRA
UTRA tăng cường
E-UTRAN Evolved UTRAN
UTRAN tăng cường
ETSI EuropeanTelecommunication
Standards Institute
Viện tiêu chuẩn viễn
thông Châu Âu
eNodeB E-UTRAN NodeB
NodeB E-UTRAN

vii

F

FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia
theo tần số
FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia
theo tần số
FEC Forward Error Correction
Sửa lỗi tại máy thu
G


GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng
GUTI Global Unique Temporary Identity Nhận dạng tạm thời duy
nhất toàn cầu
GSM GlobalSystemforMobile
Communications
Hệ thống truyền thông di
ñộng toàn cầu
GERAN GSM/EDGE Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến
dự trên công nghệ
GSM/EDGE
H


HSS Home Subscriber Server
Máy chủ thuê bao nhà
HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc ñộ cao
HARQ Hybrid ARQ
DRQ hỗn hợp
HSDPA High Speed Downlink Packet Access Truy nhập gói ñường
xuống tốc ñộ cao

I


Iu-CS The interface used for communication
between the RNC and the
GSM/WCDMA cỉcuit switched core
network
Giao diện dùng ñể liên
lạc giữa RNC và mạng
lõi chuyển mạch kênh
GSM/WCDMA
Iu-PS The interface used for communication
between the RNC and the
GSM/WCDMA packet switched core
network
Giao diện dùng ñể liên
lạc giữa RNC và mạng
lõi chuyển mạch gói
GSM/WCDMA
Iu The interface used for communication
between the RNC and the core network
Giao diện dùng ñể liên
lạc giữa RNC và mạng
lõi
Iub Giao diện ñược sử dụng ñể thông tin
giữa nút B và RNC

IMSI InternationalMobileSubscriber Identity Nhận dạng thuê bao di
ñộng quốc tế
IMT-2000 InternationalMobileTelecommunication

2000
Viễn thông di ñộng quốc
tế 2000

viii

IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ ña phương tiện
IP
ITU International Telecomunication Union Liên minh viễn thông thế
giới
ITU-R ITU Radio Commmunication Sector Ban thông tin vô tuyến
của ITU
IP Internet Protocol Giao thức Internet
IPv4 IP version 4 Phiên bản IP bốn
IPv6 IP version 6 Phiên bản IP sáu
IR Incremental Redundancy Phần dư tăng
L


LTE 3GPP Long Term Evolution
Sự phát triển dài hạn
LTE
AETACHED
LTE DETACHED
Tích cực LTE
LTE
ACTIVE
LTE ACTIVE
Rỗi LTE
M

MSRN Mobile Station Roaming Number Số roaming trạm di ñộng
MSC Mobile Switching Center Trung tâm chuyển mạch
di ñộng
MLC Mobile Location Center Trung tâm vị trí di ñộng
MME Mobility Management Entity
Quản lý di ñộng
N


NAS Non- Access Stratum
Tầng không truy nhập
O


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


PCRF Policy and ChargingResource Function

PCH Paging Channel Kênh tìm gọi

PCPCH Physical Common Packet Channel Kênh vật lý gói chung
PDCP Packet-Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ số liệu
gói
PCH Paging Channel
Kênh tìm gọi
PDCP Packet Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ dữ liệu
gói

ix

Q


QoS Quality-of- Service
Chất lượng dịch vụ
R
Real Time Protocol Giao thức thời gian thực
RTP Real Time Protocol Giao thức thời gian thực
RACH
Random Access Channel
Kênh truy nhập ngẫu
nhiên
RAT Radio Access Technology Công nghệ truy nhập vô
tuyến
RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

RS Reference Signals
Ký hiệu thao khảo
RLP Radio Link Protocol Giao thức liên kết vô
tuyến

RLB Radio Link Budget Quỹ ñường truyền
RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô
tuyến
RNC Radio Network Controller Bộ ñiều khiển mạng vô
tuyến
RR Round Robin Phương pháp vòng
RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô
tuyến
S


SC - FDMA Single carrier Frequency Division
Multiple Access
FDMA ñơn sóng mang
SIM Successive Identity Module Mô ñun nhận dạng thuê
bao
SAE System Architechture Evolution Sự tiến hóa kiến trúc hệ
thống
SGSN Serving GPRS Support Node
Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS

SAS Standalone SMLC SMLC ñộc lập
T


TDD Time Division Duplex Song công phân chia
theo thời gian
TDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia
theo thời gian
TDMA Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia

x

theo thời gian

U


UMB Ultra Mobile Broadbnd
Di ñộng băng cực rộng
UTRA Universal Terrestrial Radio Access Truy nhập vô tuyến mặt
ñất toàn cầu
UTRAN Universal Terrestrial Radio Access
Network
Mạng truy nhập vô tuyến
mặt ñất vạn năng
UE User Equipment
Thiết bị người dùng
UL Up link
Đường lên
UMTS Universal Mobile Telecommunication
System
Hệ thống viễn thông di
ñộng toàn cầu
URA UTRAN Registration Area Vùng ñăng ký UTRAN
UTM Universal Transverse Mercator Hệ tọa ñộ UTM
W

WCDMA Wideband Code Division Multiple

Access
CDMA băng rộng
WiMAX Worldwide Interoperability for
Microwave Access
Tương tác toàn cầu ñối
với truy nhập vi ba
WLAN Wireless Local Area Network LAN vô tuyến
VLR Visitor Location Register Thanh ghi vị trí tạm trú
WAP Wireless Application Protocol Giao thức ứng dụng
không dây
WCDMA Wideband CDMA CDMA băng rộng


xi

DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 3.1 So sánh một số ñặc ñiểm chính của ba giao thức 72


Hình 1.1. LTE, UMB, WiMAX: 3 công nghệ cho mạng 4G 3

Hình 1.2. Sự phát triển của các công nghệ thông tin vô tuyến. 4

Hình 1.3. Sự phát triển thuê bao băng rộng 6

Hình 1.4. So sánh sự phát triển lưu lượng dữ liệu thoại và dữ liệu gói 6

Hình 1.5. Cấu trúc LTE và SAE 9

Hình 1.6 Các kết nối của eNodeB ñến các nút logic khác và các chức năng
chính 10

Hình 1.7 Các giao diện giữa eNodeB với các nút mạng khác 11

Hình 1.8 So sánh giữa các kết nối một ñến nhiều và S1-flex (kết nối nhiều ñến
nhiều) 11

Hình 1.9 Phân chia chức năng giữa E-UTRAN và EPC 14

Hình 1.10 Các kết nối của MME ñến các nút logic khác và chức năng chính 17

Hình 1.11 Kiến trúc GERAN 21

Hình 1.12 Các kết nối của PCRF với các nút logic khác và các chức năng chính
24

Hình 2.1. Di ñộng chế ñộ rỗi và ñược kết nối RRC 31

Hình 2.2. Vị trí của Mobile IP 33

Hình 2.3: Kiến trúc mạng Mobile IP- 4G tổng quát 35

Hình 2.4: Các xử lý của HA tại ñầu vào kênh số liệu 37

Hình 2.5: Cấu trúc gói số liệu trong ñường hầm 38

Hình 2.6. Tổng quan di ñộng trong chế ñộ rỗi 41

Hình 2.7 Tín hiệu ñồng bộ sơ cấp và thứ cấp 42

Hình 2.8 Việc phát tín hiệu ñồng bộ trong miền tần số 44

Hình 2.9 Tổng quan của thủ tục truy cập ngẫu nhiên 47

Hình 2.10. Thí dụ về cập nhật vùng theo bám (TAU) 49

Hình 2.11 Lưu ñồ bản tin cập nhật TA giữa các MME 50

Hình 2.12 Tổng quan di ñộng nội E-UTRA với hỗ trợ X2 và không bố trí lại
EPC 54


xii

Hình 2.13 Chuyển mạch mặt phẳng người sử dụng 54

Hình 2.14 Lưu ñồ bản tin trong quá trình di ñộng nội E-UTRAN với hỗ trợ
X2 và không bố trí lại EPC. 56

Hình 2.15 Lưu ñồ bản tin di ñộng nội E-UTRAN không có X2 hỗ trợ. 58

Hình 2.16 Tổng quan di ñộng nội E-UTRAN với bố trí lại các nút của EPC 59

Hình 2.17 Lưu ñồ các bản tin di ñộng nội E-UTRAN với sắp xếp lại EPC 61

Hình 2.19: Thực hiện chuyển giao 62

Hình 2.20: Hoàn thành chuyển giao 63

Hình 2.21: Tổng quan chuyển giao từ LTE ñến UTRAN/GERAN 64

Hình 3.1: Mô hình quản lý di ñộng tổng quát 68

Hình 3.2: Mô hình quản lý di ñộng phân cấp 69

Hình 3.3: Mô hình quản lý di ñộng trong IPv6 70

Hình 3.4: Hierarchical FAs 72

Hình 3.5: Cellular IP 73

Hình 3.6: HAWAII 74




1
MỞ ĐẦU
Thông tin di ñộng ngày nay ñã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông
phát triển rất nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác. Sự phát triển
của thị trường viễn thông di ñộng ñã thúc ñẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển
khai các hệ thống thông tin di ñộng mới trong tương lai. Hệ thống di ñộng thế hệ
thứ hai, với GSM và CDMA là những ví dụ ñiển hình ñã phát triển mạnh mẽ ở
nhiều quốc gia. Tuy nhiên, thị trường viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rõ
những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di ñộng thế
hệ thứ hai. Sự ra ñời của hệ thống di ñộng thế hệ thứ ba với các công nghệ tiêu biểu
như WCDMA hay HSPA là một tất yếu ñể có thể ñáp ứng ñược nhu cầu truy cập dữ
liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc ñộ cao, băng thông rộng của người sử dụng.
Mặc dù các hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 2.5G hay 3G vẫn ñang phát triển

không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới ñã bắt ñầu tiến
hành triển khai thử nghiệm một chuẩn di ñộng thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng và
có thể sẽ trở thành chuẩn di ñộng 4G trong tương lai, ñó là LTE (LongTerm
Evolution). Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này ñã chứng tỏ năng lực tuyệt vời
của công nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE ñã ñến rất gần. Trước ñây,
muốn truy cập dữ liệu, bạn phải cần có 1 ñường dây cố ñịnh ñể kết nối. Trong tương
lai không xa với LTE, bạn có thể truy cập tất cả các dịch vụ mọi lúc mọi nơi trong
khi vẫn di chuyển: Xem phim chất lượng cao HDTV, ñiện thoại thấy hình, chơi
game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu v.v… với một tốc ñộ “siêu tốc”. Đó
chính là sự khác biệt giữa mạng di ñộng thế hệ thứ 3 (3G) và mạng di ñộng thế hệ
thứ tư (4G). Tuy vẫn còn khá mới mẻ nhưng mạng di ñộng băng rộng 4G ñang ñược
kỳ vọng sẽ tạo ra nhiều thay ñổi khác biệt so với những mạng di ñộng hiện nay. Tuy
nhiên, ñể ñáp ứng về nhu cầu ngày càng cao của người dùng, các hệ thống thông tin
di ñộng ñã không ngừng cải tiến và ñược chuẩn hoá bởi các tổ chức trên thế giới.
Việc các hệ thống thông tin di ñộng phát triển lên 4G là ñiều tất yếu.


2
Trong lĩnh vực thông tin di ñộng việc quản lý di ñộng trong mạng LTE-4G,
việc chuyển giao di ñộng trong mạng LTE-4G và chuyển giao giữa các hệ thống
trong toàn mạng luôn ảnh hưởng lớn ñến chất lượng dịch vụ. Việc chuyển giao giữa
các hệ thống trong mạng LTE-4G phải ñảm bảo yêu cầu kỹ thuật, chất lượng dịch
vụ. Nâng cao chất lượng hệ thống là một vấn ñề quan tâm hàng ñầu của các nhà
thiết kế mạng di ñộng LTE-4G.
Xuất phát từ những vấn ñề trên, ñể phục vụ cho công việc nghiên cứu và giảng
dạy, tôi ñã lựa chọn luận văn tốt nghiệp là: “Quản lý di ñộng trong mạng LTE-
4G” L uận văn ñi vào tìm hiểu tổng quan mạng LTE-4G và phân tích quản lý di
ñộng mạng LTE-4G từ ñó ñề tài cũng ñưa ra một số giải pháp quản lý di ñộng
trong mạng LTE-4G.
Luận văn bao gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng LTE- 4G
Chương 2: Quản lý di ñộng (MOBILITY)
Chương 3: Một số giải pháp quản lý di ñộng trong mạng LTE-4G
Tuy nhiên do LTE là công nghệ mới vẫn ñang ñược thử nghiệm, phát triển
và hoàn thiện cũng như là do giới hạn về kiến thức của tôi nên luận văn này chưa ñề
cập ñược hết các vấn ñề quản lý di ñộng của công nghệ LTE-4G nên không thể
tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong ñược sự ñóng góp ý kiến của thầy cô và các
bạn.






3
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG LTE - 4G
LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS
thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA ñã ñược triển khai trên toàn thế giới. Để ñảm bảo
tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP ñã bắt ñầu
dự án nhằm xác ñịnh bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di ñộng UMTS với
tên gọi Long Term Evolution (LTE). 3GPP ñặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm
chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần
hiện có và băng tần mới, ñơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm
ñáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị ñầu cuối. Đặc tả kỹ thuật cho LTE ñang ñược
hoàn tất và dự kiến sản phẩm LTE sẽ ra mắt thị trường trong những năm tới.
1.1 TỔNG QUAN
1.1.1 Xu hướng phát triển công nghệ mạng di ñộng từ 3G lên 4G
Phát triển công nghệ mạng di ñộng từ 3G lên 4G là một xu thế tất yếu ñể ñáp
ứng nhu cầu của di ñộng băng rộng. Nền tảng 4G ñược phát triển dựa trên các công
nghệ như LTE, UMB và Wimax. Trong ñó, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của

3G/HSPA, công nghệ LTE hiện ñang chiếm ưu thế so với UMB trong cuộc chạy
ñua cạnh tranh với Wimax.

Hình 1.1. LTE, UMB, WiMAX: 3 công nghệ cho mạng 4G


4

Hình 1.2. Sự phát triển của các công nghệ thông tin vô tuyến.
1.1.2 Tổng quan về LTE- 4G
Mobile băng rộng ñang dần trở thành hiện thực, khoảng 1.8 tỷ người sẽ sử
dụng dịch vụ băng rộng vào năm 2012, trong số ñó 2/3 người dùng sẽ sử dụng dịch
vụ mobile băng rộng, chủ yếu là các dịch vụ HSPA (High Speed Packet Access) và
LTE (Long Term Evolution).
Người dùng có thể duyệt web hoặc gửi email bằng cách sử dụng máy tính xách
tay hỗ trợ HSPA, thay thế những modem DSL cố ñịnh bằng các thiết bị modem
HSPA hoặc dongle USB, gửi hay nhận video hoặc âm nhạc bằng ñiện thoại 3G. Với
LTE, người dùng sẽ ñược trải nghiệm dịch vụ tốt hơn, ví dụ như TV tương tác,
mobile video blogging, games và các dịch vụ chuyên nghiệp khác. LTE mang lại
nhiều lợi ích hơn cho người dùng và cả những nhà cung cấp dịch vụ:
- Dung lượng và chất lượng: Một trong những yêu cầu của LTE là cung cấp
tốc ñộ download tối thiểu 100Mbps. Công nghệ hiện nay cho phép ñạt ñược tốc ñộ
trên 200 Mbps. Thêm vào ñó, thời gian RTT (Round-Trip Times) của mạng RAN
có thể nhỏ hơn 10ms.
- Tính ñơn giản: Đầu tiên LTE hỗ trợ các băng thông sóng mang khác nhau, từ
5MHz tới 20MHz. LTE cũng hỗ trợ cả chế ñộ FDD (Frequency Division Duplex)


5
và TDD (Time Division Duplex). Hiện 3GPP ñã ñịnh nghĩa 10 cặp phổ tần FDD và

4 phổ tần TDD cho LTE. Điều này có nghĩa là một nhà cung cấp dịch vụ có thể lựa
chọn cung cấp LTE trên những băng tần mới với sóng mang 10MHz hay 20MHz.
Thứ hai, các sản phẩm vô tuyến LTE có một số tính năng làm ñơn giản hóa việc xây
dựng và quản lý mạng thế hệ mới. Ví dụ các tính năng như plug-and-play, tự cấu
hình, và tự tối ưu hóa sẽ làm ñơn giản hóa và giảm chi phí triển khai và quản lý
mạng. Thứ ba, LTE sẽ ñược triển khai ñồng thời với các mạng truyền tải và mạng
lõi dựa trên IP với ñặc ñiểm dễ xây dựng, bảo dưỡng và triển khai dịch vụ.
Số lượng ñầu cuối nhiều: Cùng với ñiện thoại di ñộng, nhiều loại máy tính,
thiết bị tiêu thụ ñiện như máy tính xách tay, thiết bị chơi game và camera sẽ sử dụng
những module nhúng LTE. Vì LTE hỗ trợ handover và roaming với những mạng di
ñộng hiện tại nên mọi thiết bị này có thể hoạt ñộng trong vùng phủ rộng khắp.
Tóm lại các nhà cung cấp có thể cung cấp LTE một cách linh ñộng ñể phù hợp
với mạng hiện tại, phổ tần và mục ñích kinh doanh với các dịch vụ multi-media và
mobile băng rộng.
* Đáp ứng những yêu cầu của người tiêu dùng:
Thuê bao băng rộng dự kiến sẽ tăng tới 2 tỷ người vào năm 2013. Hai phần ba
trong số ñó sẽ sử dụng dịch vụ di ñộng băng rộng. Lưu lượng dữ liệu di ñộng ñược
chờ ñợi sẽ vượt trên lưu lượng thoại vào năm 2010 khi ñó ñòi hỏi các mạng di ñộng
hiện nay và tương lai phải ñáp ứng các yêu cầu cao.
Có nhiều nguyên nhân sẽ dẫn tới sự bùng nổ của di ñộng băng rộng:
Đầu tiên, người tiêu dùng hiểu và ñánh giá cao những lợi ích mà di ñộng băng
rộng mang lại. Hầu hết mọi người ñã sử dụng ñiện thoại di ñộng và ñồng thời cũng
kết nối máy tính xách tay của họ với mạng WLAN. Bước phát triển tới mạng di
ñộng băng rộng là dễ hiểu và tất yếu, ñặc biệt với LTE, công nghệ cho phép cung
cấp vùng phủ liên tục và cho phép roaming với các mạng 2G và 3G hiện tại.


6
Thứ hai, kinh nghiệm của HSPA cho thấy khi những nhà cung cấp dịch vụ
cung cấp vùng phủ tốt, dịch vụ và máy ñầu cuối ña dạng, di ñộng băng rộng sẽ cất

cánh.

Hình 1.3. Sự phát triển thuê bao băng rộng
Lưu lượng dữ liệu gói ñã bắt ñầu vượt qua lưu lượng thoại trong tháng 5/2007
với các mạng WCDMA (như hình vẽ dưới ñây). Điều này chủ yếu là do sự xuất
hiện của HSPA. Thiết bị data cards và USB dongle HSPA hiện ñã rất phổ biến.

Hình 1.4. So sánh sự phát triển lưu lượng dữ liệu thoại và dữ liệu gói.
Trong nhiều trường hợp, di ñộng băng rộng có thể cạnh tranh với cố ñịnh băng
rộng về giá, chất lượng, tính bảo mật và tất nhiên là sự thuận tiện. Người dùng có
thể dùng thời gian sử dụng dịch vụ thay vì cài ñặt kết nối WLAN và lo lắng về tính
bảo mật hay ngoài vùng phủ sóng.


7
Thứ ba, một số ứng dụng băng rộng ñược mở rộng ñáng kể nhờ tính di ñộng.
Các trang cộng ñồng, tìm kiếm, các ứng dụng hiện tại và các trang chia sẻ nội dung
như YouTube chỉ là một số ít các ví dụ cho trường hợp này. Với ñặc tính di ñộng,
các ứng dụng này trở lên giá trị hơn với người dùng. Những nội dung ñược người
dùng tạo ra ñặc biệt hấp dẫn và thú vị vì những thay ñổi của nó làm cho lưu lượng
ñường lên trở lên quan trọng. Tốc ñộ dữ liệu cao và thời gian trễ ngắn của LTE cho
phép khai thác các ứng dụng thời gian thực như game và IPTV.
* Thỏa mãn các yêu cầu của nhà cung cấp dịch vụ:
Những nhà cung cấp làm kinh doanh trong một môi trường cạnh tranh ngày
càng tăng, cạnh tranh không chỉ với những nhà cung cấp dịch vụ khác mà với cả
những mô hình kinh doanh mới. Tuy nhiên, các mô hình kinh doanh mới cũng ñồng
nghĩa với những có hội mới và những nhà cung cấp dịch vụ di ñộng có lợi thế trong
việc cung cấp những dịch vụ di ñộng băng rộng trên nền mạng 2G và 3G hiện tại.
* Chuẩn hóa LTE
LTE là bước phát triển mới rất quan trọng của thông tin vô tuyến di ñộng,

ñược giới thiệu tại 3GPP Release 8. LTE sử dụng OFDM (Orthogonal Frequency
Division Multiplexing) làm công nghệ tuy nhập vô tuyến, cùng với những công
nghệ anten tiên tiến khác.
Bên cạnh LTE, 3GPP cũng xác ñịnh cấu trúc mạng IP-based. Cấu trúc này
ñược ñịnh nghĩa như một phần của SAE (System Architechture Evolution). Cấu
trúc LTE-SAE và các khái niệm ñược thiết kế ñể hỗ trợ một cách hiệu quả các mạng
sử dụng dịch vụ IP-based rộng rãi. Cấu trúc này ñược dựa trên sự phát triển mạng
lõi GSM/WCDMA hiện tại với hoạt ñộng ñơn giản hơn, chi phí triển khai thấp
hơn.Thêm vào ñó, các công việc hiện ñã ñược khởi ñộng giữa 3GPP và 3GPP2 (tổ
chức chuẩn hóa CDMA) ñể tối ưu internetworking giữa CDMA và LTE-SAE. Điều
này có nghĩa là những nhà cung cấp CDMA cũng sẽ có thể phát triển mạng của họ
lên LTE-SAE với chi phí thấp.


8
* Cấu trúc.
Song song với công nghệ truy nhập vô tuyến LTE, nhưng mạng lõi gói cũng
ñược phát triển lên cấu trúc SAE. Cấu trúc mới này ñược thiết kế ñể tối ưu hoạt
ñộng của mạng, cải thiện chi phí một cách hiệu quả và ñơn giản hóa việc cung cấp
các dịch vụ IP-based.
Chỉ có hai node trong mặt phẳng người dùng trong cấu trúc SAE: Trạm gốc
LTE (eNodeB) và SAE Gateway như hình vẽ dưới ñây. Trạm gốc LTE ñược kết nối
ñến mạng lõi bằng giao diện mạng lõi RAN, S1. Cấu trúc phẳng này sẽ giảm số
lượng các node liên quan trong các kết nối.
Các hệ thống 3GPP (GSM và WCDMA/HSPA) và 3GPP2 (CDMA2000
1xRTT, EV-DO) ñược tích hợp vào mạng SAE bằng những giao diện chuẩn hóa,
cho phép cung cấp khả năng di ñộng tối ưu với LTE. Việc tích hợp này sẽ cho phép
nâng cấp lên LTE một cách hết sức linh ñộng. Ví dụ tín hiệu ñiều khiển di ñộng
ñược quản lý bởi node MME (Mobility Management Entity) tách biệt với Gateway.
Điều này giúp tối ưu quá trình triển khai mạng và cho phép mở rộng dung lượng

một cách linh ñộng và hiệu quả.
HSS (Home Subscriber Server) kết nối ñến mạng lõi gói qua giao diện dựa
trên Diameter, không phải SS7 như trong các mạng GSM và WCDMA. Báo hiệu
mạng cho ñiều khiển chính sách và tính cước dựa trên Diameter. Điều này có nghĩa
là mọi giao diện trong cấu trúc ñều là các giao diện IP.
Các hệ thống GSM và WCDMA/HSPA hiện tại ñược tích hợp vào hệ thống
SAE thông qua các giao diện ñược chuẩn hóa giữa SGSN và mạng lõi SAE. Việc
tích hợp này sẽ hỗ trợ handover giữa các công nghệ vô tuyến khác nhau, cho phép
nâng cấp linh hoạt từ CDMA tới LTE.
LTE-SAE tuân thủ khái niệm QoS theo lớp. Điều này cung cấp giải pháp hiệu
quả, ñơn giản ñể nhà cung cấp ñưa ra các dịch vụ gói khác nhau.


9

Hình 1.5. Cấu trúc LTE và SAE
1.2. CÁC PHẦN TỬ MẠNG LTE- 4G
1.2.1 E-UTRAN.
Mạng truy nhập 4G LTE, E-UTRAN, chỉ có các eNodeB mà không có bộ ñiều
khiển chung trong E-UTRAN cho lưu lượng thông thường (không phải quảng bá)
của người sử dụng vì thế kiến trúc E-UTRAN ñược gọi là phẳng.
Hình 1.6 cho thấy các kết nối của eNodeB với các nút logic xung quanh và
tổng kết các chức năng chính trong giao diện này. Trong tất cả các kết nối eNodeB
có thể nằm trong quan hệ: (1) một với nhiều hoặc (2) nhiều với nhiều. eNodeB có
thể phục vụ nhiều UE trên vùng phủ của nó, tại một thời ñiểm mỗi UE chỉ ñược nối
ñến một eNodeB. Khi cần thực hiện chuyển giao, eNodeB ñược nối ñến các
eNodeB lân cận nó.


10

Hình 1.6 Các kết nối của eNodeB ñến các nút logic khác và các chức năng chính
Hình 1.6 cho thấy các giao diện giữa eNodeB và các nút quang. Thông thường
các eNodeB ñược nối với nhau qua giao diện X2 và nối ñến EPC qua giao diện S1
trong ñó nối ñến MME qua giao diện S1-MME và ñến S-GW qua giao diện S1-U.
Các MME và S-GW có thể ñược tổ chức thành các Pun, nghĩa là tập các nút
này sẽ ñược ấn ñịnh ñể phục vụ cho một tập các eNodeB cụ thể. Điều này có nghĩa
là từ một eNodeB có thể cần phải nối ñến nhiều MME hay nhiều S-GW. Tính năng
này ñược gọi là tính linh hoạt của S1 (S1-flex: S1-flexity). S1-flex cho phép linh
hoạt hơn khi kết nối giữa các nút truy nhập và các nút gói (Hình 1.7). Tuy nhiên tại
một thời ñiểm, mỗi một UE chỉ ñược phục vụ bởi một MME và một S-GW, và
eNodeB này sẽ duy trì mối liên kết này. Xét từ quan ñiểm eNodeB, mối liên kết này
sẽ không bao giờ thay ñổi, vì MME hay S-GW chỉ có thể thay ñổi khi xẩy ra chuyển
giao giữa các eNodeB.

11

Hình 1.7 Các giao diện giữa eNodeB với các nút mạng khác

Hình 1.8 So sánh giữa các kết nối một ñến nhiều và S1-flex (kết nối nhiều ñến nhiều)
Các giao thức hoạt ñộng giữa các eNodeB và UE ñược gọi là các giao thức AS.
* E-UTRAN chịu trách nhiệm cho tất cả các chức năng liên quan ñến vô tuyến dưới ñây:
+ Nén tiêu ñề: Các tiêu ñề của gói IP chiếm băng thông khá lớn nhất là ñối với
VoIP, vì thế nén tiêu ñề cho phép sử dụng hiệu suất giao diện vô tuyến

12
+ An ninh: Tất cả các số liệu ñược phát trên giao diện vô tuyến ñều phải ñược
mật mã hóa
+ Kết nối ñến EPC : Bao gồm báo hiệu ñến MME và ñường truyền kênh
mang ñến S-GW

+ Lựa chọn MME: Khi không xác ñịnh ñược tuyến tới MME từ thông tin ñược
cung cấp bởi UE
+ Sóng mang UL cưỡng bức tốc ñộ trên cơ sở UE-AMBR và MBR thông qua
lập biểu ñường lên (ví dụ như hạn chế tài nguyên UL ñược cấp cho mỗi UE)
+ Sóng mang DL cưỡng bức tốc ñộ trên cơ sở UE-AMBR
+ Điều khiển thêm mức sóng mang UL và DL
+ Truyền tải bản tin ñã ñánh dấu ñường lên, ví dụ như thiết lập DSCP trên cơ
sở QCI của sóng mang EPS liên kết
+ Điều khiển tắc nghẽn dựa trên ECN
Tại phía mạng, tất cả các chức năng này ñều ñược ñặt trong eNodeB. Mỗi
eNodeB chịu trách nhiệm quản lý nhiều UE. Không như các công nghệ 2G và 3G,
LTE tích hợp chức năng bộ ñiều khiển vô tuyến vào eNodeB. Điều này cho phép
tương tác chặt chẽ hơn giữa các lớp giao thức khác nhau của mạng truy nhập vô
tuyến và nhờ vậy giảm ñược trễ và tăng hiệu suất. Điều khiển phân tán như vậy loại
bỏ ñược sự cần thiết phải có một bộ ñiều khiển xử lý mạnh và ñộ sẵn sàng cao và
cho phép giảm giá thành cũng như tránh ñược “các ñiểm sự cố ñơn”. Ngoài ra vì
LTE không hỗ trợ chuyển giao mềm nên không cần thiết phải có một chức năng kết
hợp số liệu tập trung trong mạng.
Một hệ lụy của thiếu một nút ñiều khiển tập trung là khi UE chuyển dịch,
mạng phải chuyển giao tất cả các thông tin liên quan ñến UE, nghĩa là UE context
cùng với số liệu ñược nhớ ñệm từ một eNodeB này sang một eNodeB khác.


13
Một tính năng quan trọng của giao diện S1 liên kết mạng truy nhập với mạng
lõi là S1-flex. Đây là một khái niệm trong ñó nhiều nút của mạng lõi (các MME/S-
GW) có thể phục vụ một vùng ñịa lý chung ñược kết nối bởi một mạng dạng lưới
ñến một tập hợp các eNodeB trong vùng này. Như vậy một eNodeB có thể ñược
phục vụ bởi nhiều MME/S-GW giống như trường hợp eNodeB 2. Tập các nút
MME/S-GW phục vụ một vùng chung ñược gọi là vùng Pun MME/S-GW. Khái

niệm này cho phép các UE trong các ô ñược ñiều khiển bởi một eNodeB ñược chia
sẻ giữa nhiều nút của mạng CN, vì thế ñảm bảo khả năng chia tải và ñồng thời loại
bỏ ñiểm sự cố ñơn ñối với các nút CN. Thông thường UE context ñược duy trì với
cùng một MME chừng nào UE còn nằm trong vùng Pun.
1.2.2.MME ( Mobility Management Entity)
Thực thể quản lý di ñộng (MME: Mobility Management Entity) là phần tử
ñiều khiển chính trong EPC. Thông thường MME là một server ñặt tại một vị trí an
toàn ngay tại hãng khai thác. Nó chỉ hoạt ñộng trong mặt phẳng ñiều khiển (CP) và
không tham gia vào ñường truyền số liệu của UP.
Ngoài các giao diện kết cuối tại MME như thấy trong cấu trúc trên hình 1.9.
MME cũng có một kết nối logic trực tiếp CP ñến UE và kết nối này ñược sử dụng
như là kênh ñiều khiển sơ cấp giữa UE và mạng. Dưới ñây là các chức năng chính
của MME trong cấu hình kiến trúc hệ thống cơ sở: