Quản lí tài nguyên vô tuyến trong mạng 3GPP LTE

Đồ án tốt nghiệp

Đại học Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, các mạng thông tin di động đang ngày càng phát triển để đáp ứng kịp
thời nhu cầu ngày càng cao về tốc độ truyền dẫn cũng như chất lượng dịch vụ của
khách hàng, đặc biệt là nhu cầu sử dụng các dịch vụ video trực tuyến thời gian thực
của các khách hàng di động khiến cho các mạng di động thế hệ thứ 3 chưa thể đáp ứng
đủ. Trước tình hình đó. ITU đã chuẩn hóa chuẩn 4G với các yêu khắt khe trong tiêu
chuẩn IMT Advanced. Tổ chức 3GPP đã đưa ra chuẩn LTE, một mạng thông tin di
động “3.9G” trong release 8 của tổ chức này. Với nhiều công nghệ nổi bật được ứng
dụng cho LTE, mạng thông tin di động này nhanh chóng được các nhà mạng chấp
nhận và đưa vào hoạt động ở nhiều nơi trên thế giới, trở thành một trong những hướng
quan trọng nhất đi lên chuẩn 4G.
Đối với bất cứ mạng thông tin di động hay mạng không dây nào, vấn đề quản lí tài
nguyên vô tuyến như tần số, khe thời gian, mã, công suất,…. đều rất được quan tâm,
bởi phân bổ tài nguyên này như thế nào cho thích hợp là một vấn đề không hề dễ giải
quyết. Đặc biệt là trong mạng LTE, với những đặc điểm riêng biệt so với các mạng
thông tin di động thế hệ trước, đã đạt ra những yêu cầu khác biệt trong việc quản lí tài
nguyên vô tuyến. Cũng vì lí do này, em đã lựa chọn đề tài “Quản lí tài nguyên vô
tuyến trong mạng 3GPP LTE” cho đồ án tốt nghiệp của mình
Trong đồ án này, em đã đi vào nghiên cứu các cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến
trong mạng thông tin di động LTE với bố cục đề tài bao gồm 3 chương:
 Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE
 Chương 2: Tổng quan về quản lí tài nguyên vô tuyến và các cơ chế quản lí tài
nguyên vô tuyến thường gặp trong các mạng thông tin di động.
 Chương 3: Các cơ chế và giải thuật quản lí tài nguyên vô tuyến trong mạng
LTE trong đó tập trung vào các giải pháp giải quyết vấn đề nhiễu liên cell
trong LTE.
Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do hạn chế về mặt kiến thức thực tế cũng như chuyên

môn nên chắc chắn bài đồ án của em vẫn không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất
mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô để bài đồ án được
hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 12 năm 2012
Sinh viên thực hiện

SVTH: D08VT1

i


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Lời cảm
ơn

LỜI CẢM ƠN
Có thể nói tốt nghiệp đại học là một cột mốc quan trọng trong sự nghiệp học tập
của một sinh viên. Để đến được cột mốc quan trọng đó, mỗi chúng ta phải trải qua rất
nhiều thử thách đòi hỏi sự cố gắng, kiên trì của bản thân và không thể không nói đến
những sự giúp đỡ tận tình của những người xung quanh mỗi chúng ta.
Để hoàn thành được đồ án này, ngoài sự cố gắng của cá nhân, em cũng đã nhận
được rất nhiều sự giúp đỡ, động viên từ gia đình, thầy cô và bạn bè.
Lời cảm ơn chân thành đầu tiên em xin dành gửi tới cô giáo hướng dẫn em thực
hiện đồ án, ThS. Dương Thị Thanh Tú, giảng viên khoa Viễn thông I, Học Viện
Công nghệ Bưu chính Viễn thông, đã luôn tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình
thực hiện đồ án. Mặc dù rất bận rộn nhưng cô luôn dành thời gian định hướng, góp ý,
sửa chữa giúp em có được phương pháp nghiên cứu tốt hơn, sắp xếp trình bày đồ án
một khách khoa học và đúng chuẩn nhất. Đồ án tốt nghiệp của em hoàn thành cũng

nhờ sự giúp đỡ tận tình của cô.
Em cũng xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô giáo đã dạy dỗ, dìu dắt em khôn
lớn, trưởng thành tới ngày hôm nay.
Xin cảm ơn các bạn của mình, đặc biệt là các bạn trong tập thể lớp D08VT1, đã
cùng mình học tập, vui chơi, nếu không có các bạn thì quãng thời gian ngồi trên ghế
trường đại học sẽ không có được nhiều màu sắc, ý nghĩa như thế. Cảm ơn các bạn đã
luôn bên cạnh giúp đỡ mình trong học tập, động viên và chia sẽ niềm vui nỗi buồn
trong cuộc sống.
Cuối cùng con xin gửi tới bố mẹ, gia đình, những người luôn yêu thương con nhất
lời cảm ơn từ tận đáy lòng. cảm ơn bố mẹ vì trong suốt khoảng thời gian vừa qua đã
hết sức tạo điều kiện, quan tâm chăm sóc con để con có thể hoàn thành đồ án này một
cách tốt nhất!
Hà Nội, tháng 12 năm 2012
Sinh viên thực hiện

SVTH: D08VT1

ii


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Mục lục

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................................ii
MỤC LỤC............................................................................................................................iii
DANH MỤC HÌNH VẼ...........................................................................................................v
DANH MỤC BẢNG BIỂU......................................................................................................vi

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT........................................................................................................vii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE............................................1
1.3.1 Kiến trúc mạng lõi của LTE.....................................................................................................................5
1.3.2 Kiến trúc mạng truy nhập của LTE.........................................................................................................8

Hình 1.3 Kiến trúc tổng quát mạng truy nhập LTE................................................................8
1.3.3 Kiến trúc Roaming..................................................................................................................................9

Hình 1.4 Kiến trúc roaming trong LTE................................................................................10
1.3.4 Kiến trúc giao thức...............................................................................................................................10

Hình 1.5 Các giao thức trong mặt bằng người dùng trong LTE..........................................11
Hình 1.6 Các giao thức trong mặt bằng điều khiển trong LTE.............................................12
Hình 1.9 Cấu trúc tổng quát chuỗi thu và phát trong LTE...................................................17
1.5.4 Phân loại thiết bị của người sử dụng...................................................................................................20

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN..........................................22
2.1 KHÁI NIỆM TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN....................................................................................22
2.2 QUY HOẠCH MẠNG...........................................................................................................23
2.3 KHÁI NIỆM QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN.......................................................................23
2.4 PHÂN LOẠI CÁC CƠ CHẾ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN...................................................24

Hình 3.1 Cấu trúc một khung trong truyền dẫn trong LTE..................................................33
Hình 3.2 Vấn đề nhiễu liên cell trong mạng LTE.................................................................34
3.2 CÁC CHỈ SỐ ĐO CẦN THIẾT ĐỂ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN...........................................34
3.2.1 Các chỉ số đo thực hiện bởi trạm di động............................................................................................34
3.2.2 Các chỉ số đo được thực hiện bởi eNodeB..........................................................................................35

3.3 CÁC GIẢI THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG LTE.......38
3.3.1 Các giải thuật quản lí chấp nhận kết nối (Admission Control).............................................................38

3.3.2 Các giải thuật điều khiển công suất (Power control)...........................................................................39

Hình 3.3 Các bản tin báo hiệu giữa UE và eNodeB trong cơ chế điều khiển công suất (Power
Control).............................................................................................................................40
3.3.3 Giải thuật thích ứng kết nối (Link Adaption)........................................................................................41

SVTH: D08VT1

iii


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Mục lục

Hình 3.4 Hoạt động của giải thuật thích nghi liên kết vòng ngoài (Outer Loop Link
Adaption)..........................................................................................................................41
3.3.4 Giải thuật quản lí chuyển giao (Handover Control).............................................................................42

Hình 3.5 Thủ tục chuyển giao trong LTE.............................................................................44
3.4 CÁC GIẢI THUẬT QUẢN LÍ NHIỄU LIÊN CELL (INTERCELL INTEFERENCE COORDINATION)........45

Hình 3.6 Cơ chế giải quyết nhiễu liên cell theo hai kiểu: ngẫu nhiên hóa và hợp tác – điều
phối..................................................................................................................................46
3.4.1 ICIC tĩnh................................................................................................................................................46

Hình 3.7 Phương án ICIC của Ericsson...............................................................................46
Hình 3.8 Phương án ICIC của Alcatel.................................................................................47
3.4.2 ICIC bán tĩnh.........................................................................................................................................47

Hình 3.9 Phương án ICIC của Siemens...............................................................................48
Hình 3.10 Phương án ICIC dựa trên lưu lượng của người dùng.........................................49
3.4.3 Các giải thuật lập lịch cho tài nguyên..................................................................................................49
3.4.4 Kết quả thử nghiệm và đánh giá hiệu năng của các phương án ICIC..................................................52

Hình 3.11 So sánh thông lượng cell giữa 4 phương án ICIC...............................................53
Hình 3.12 So sánh thông lượng cell ở biên của cell giữa 3 phương án ICIC........................53
Hình 3.13 Triển khai mạng theo phương án ICIC động......................................................54
Hình 3.14 So sánh thông lượng của cell mục tiêu và cell hàng xóm trong hai phương án
ICIC tĩnh và động...............................................................................................................55
Hình 3.15 So sánh tỉ lệ nghẽn giữa các phương án phân bổ tần số khác nhau...................56
3.4.5 Đánh giá hiệu năng của các thuật toán lập lịch...................................................................................57

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG...........................................................................................................57

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................60

SVTH: D08VT1

iv


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục hình
ve

DANH MỤC HÌNH VẼ
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................................ii

MỤC LỤC............................................................................................................................iii
DANH MỤC HÌNH VẼ...........................................................................................................v
DANH MỤC BẢNG BIỂU......................................................................................................vi
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT........................................................................................................vii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE............................................1
1.3.1 Kiến trúc mạng lõi của LTE.....................................................................................................................5
1.3.2 Kiến trúc mạng truy nhập của LTE.........................................................................................................8

Hình 1.3 Kiến trúc tổng quát mạng truy nhập LTE................................................................8
1.3.3 Kiến trúc Roaming..................................................................................................................................9

Hình 1.4 Kiến trúc roaming trong LTE................................................................................10
1.3.4 Kiến trúc giao thức...............................................................................................................................10

Hình 1.5 Các giao thức trong mặt bằng người dùng trong LTE..........................................11
Hình 1.6 Các giao thức trong mặt bằng điều khiển trong LTE.............................................12
Hình 1.9 Cấu trúc tổng quát chuỗi thu và phát trong LTE...................................................17
1.5.4 Phân loại thiết bị của người sử dụng...................................................................................................20

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN..........................................22
2.1 KHÁI NIỆM TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN....................................................................................22
2.2 QUY HOẠCH MẠNG...........................................................................................................23
2.3 KHÁI NIỆM QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN.......................................................................23
2.4 PHÂN LOẠI CÁC CƠ CHẾ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN...................................................24

Hình 3.1 Cấu trúc một khung trong truyền dẫn trong LTE..................................................33
Hình 3.2 Vấn đề nhiễu liên cell trong mạng LTE.................................................................34
3.2 CÁC CHỈ SỐ ĐO CẦN THIẾT ĐỂ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN...........................................34
3.2.1 Các chỉ số đo thực hiện bởi trạm di động............................................................................................34
3.2.2 Các chỉ số đo được thực hiện bởi eNodeB..........................................................................................35

3.3 CÁC GIẢI THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG LTE.......38
3.3.1 Các giải thuật quản lí chấp nhận kết nối (Admission Control).............................................................38
3.3.2 Các giải thuật điều khiển công suất (Power control)...........................................................................39

Hình 3.3 Các bản tin báo hiệu giữa UE và eNodeB trong cơ chế điều khiển công suất (Power
Control).............................................................................................................................40
3.3.3 Giải thuật thích ứng kết nối (Link Adaption)........................................................................................41

Hình 3.4 Hoạt động của giải thuật thích nghi liên kết vòng ngoài (Outer Loop Link
Adaption)..........................................................................................................................41
3.3.4 Giải thuật quản lí chuyển giao (Handover Control).............................................................................42

SVTH: D08VT1

v


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục hình
ve

Hình 3.5 Thủ tục chuyển giao trong LTE.............................................................................44
3.4 CÁC GIẢI THUẬT QUẢN LÍ NHIỄU LIÊN CELL (INTERCELL INTEFERENCE COORDINATION)........45

Hình 3.6 Cơ chế giải quyết nhiễu liên cell theo hai kiểu: ngẫu nhiên hóa và hợp tác – điều
phối..................................................................................................................................46
3.4.1 ICIC tĩnh................................................................................................................................................46

Hình 3.7 Phương án ICIC của Ericsson...............................................................................46
Hình 3.8 Phương án ICIC của Alcatel.................................................................................47
3.4.2 ICIC bán tĩnh.........................................................................................................................................47

Hình 3.9 Phương án ICIC của Siemens...............................................................................48
Hình 3.10 Phương án ICIC dựa trên lưu lượng của người dùng.........................................49
3.4.3 Các giải thuật lập lịch cho tài nguyên..................................................................................................49
3.4.4 Kết quả thử nghiệm và đánh giá hiệu năng của các phương án ICIC..................................................52

Hình 3.11 So sánh thông lượng cell giữa 4 phương án ICIC...............................................53
Hình 3.12 So sánh thông lượng cell ở biên của cell giữa 3 phương án ICIC........................53
Hình 3.13 Triển khai mạng theo phương án ICIC động......................................................54
Hình 3.14 So sánh thông lượng của cell mục tiêu và cell hàng xóm trong hai phương án
ICIC tĩnh và động...............................................................................................................55
Hình 3.15 So sánh tỉ lệ nghẽn giữa các phương án phân bổ tần số khác nhau...................56
3.4.5 Đánh giá hiệu năng của các thuật toán lập lịch...................................................................................57

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG...........................................................................................................57

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................60

SVTH: D08VT1

vi


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục bảng biểu

DANH MỤC BẢNG BIỂU
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................................ii
MỤC LỤC............................................................................................................................iii
DANH MỤC HÌNH VẼ...........................................................................................................v
DANH MỤC BẢNG BIỂU......................................................................................................vi
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT........................................................................................................vii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE............................................1
1.3.1 Kiến trúc mạng lõi của LTE.....................................................................................................................5
1.3.2 Kiến trúc mạng truy nhập của LTE.........................................................................................................8

Hình 1.3 Kiến trúc tổng quát mạng truy nhập LTE................................................................8
1.3.3 Kiến trúc Roaming..................................................................................................................................9

Hình 1.4 Kiến trúc roaming trong LTE................................................................................10
1.3.4 Kiến trúc giao thức...............................................................................................................................10

Hình 1.5 Các giao thức trong mặt bằng người dùng trong LTE..........................................11
Hình 1.6 Các giao thức trong mặt bằng điều khiển trong LTE.............................................12
Hình 1.9 Cấu trúc tổng quát chuỗi thu và phát trong LTE...................................................17
1.5.4 Phân loại thiết bị của người sử dụng...................................................................................................20

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN..........................................22
2.1 KHÁI NIỆM TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN....................................................................................22
2.2 QUY HOẠCH MẠNG...........................................................................................................23
2.3 KHÁI NIỆM QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN.......................................................................23
2.4 PHÂN LOẠI CÁC CƠ CHẾ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN...................................................24

Hình 3.1 Cấu trúc một khung trong truyền dẫn trong LTE..................................................33
Hình 3.2 Vấn đề nhiễu liên cell trong mạng LTE.................................................................34

3.2 CÁC CHỈ SỐ ĐO CẦN THIẾT ĐỂ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN...........................................34
3.2.1 Các chỉ số đo thực hiện bởi trạm di động............................................................................................34
3.2.2 Các chỉ số đo được thực hiện bởi eNodeB..........................................................................................35

3.3 CÁC GIẢI THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG LTE.......38
3.3.1 Các giải thuật quản lí chấp nhận kết nối (Admission Control).............................................................38
3.3.2 Các giải thuật điều khiển công suất (Power control)...........................................................................39

Hình 3.3 Các bản tin báo hiệu giữa UE và eNodeB trong cơ chế điều khiển công suất (Power
Control).............................................................................................................................40
3.3.3 Giải thuật thích ứng kết nối (Link Adaption)........................................................................................41

Hình 3.4 Hoạt động của giải thuật thích nghi liên kết vòng ngoài (Outer Loop Link
Adaption)..........................................................................................................................41
SVTH: D08VT1

vi


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục bảng biểu

3.3.4 Giải thuật quản lí chuyển giao (Handover Control).............................................................................42

Hình 3.5 Thủ tục chuyển giao trong LTE.............................................................................44
3.4 CÁC GIẢI THUẬT QUẢN LÍ NHIỄU LIÊN CELL (INTERCELL INTEFERENCE COORDINATION)........45

Hình 3.6 Cơ chế giải quyết nhiễu liên cell theo hai kiểu: ngẫu nhiên hóa và hợp tác – điều
phối..................................................................................................................................46

3.4.1 ICIC tĩnh................................................................................................................................................46

Hình 3.7 Phương án ICIC của Ericsson...............................................................................46
Hình 3.8 Phương án ICIC của Alcatel.................................................................................47
3.4.2 ICIC bán tĩnh.........................................................................................................................................47

Hình 3.9 Phương án ICIC của Siemens...............................................................................48
Hình 3.10 Phương án ICIC dựa trên lưu lượng của người dùng.........................................49
3.4.3 Các giải thuật lập lịch cho tài nguyên..................................................................................................49
3.4.4 Kết quả thử nghiệm và đánh giá hiệu năng của các phương án ICIC..................................................52

Hình 3.11 So sánh thông lượng cell giữa 4 phương án ICIC...............................................53
Hình 3.12 So sánh thông lượng cell ở biên của cell giữa 3 phương án ICIC........................53
Hình 3.13 Triển khai mạng theo phương án ICIC động......................................................54
Hình 3.14 So sánh thông lượng của cell mục tiêu và cell hàng xóm trong hai phương án
ICIC tĩnh và động...............................................................................................................55
Hình 3.15 So sánh tỉ lệ nghẽn giữa các phương án phân bổ tần số khác nhau...................56
3.4.5 Đánh giá hiệu năng của các thuật toán lập lịch...................................................................................57

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG...........................................................................................................57

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................60

SVTH: D08VT1

vii


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Thuật ngữ viết tắt

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

3GPP

3rd Generation Partnership Project

Dự án đối tác thế hệ thứ ba

3GPP2

3rd Generation Partnership Project 2

Dự án đối tác thế hệ thứ ba số 2

AC

Admission Control

Cơ chế chấp nhận kết nối

AuC

Authentication Centre

Trung tâm nhận thực

AMPS

Advanced Mobile Phone System

Hệ thống mạng di động cải tiến

BCCH

Broadcast Control Channel

Kênh điều khiển quảng bá

BCH

Broadcast Channel

Kênh quảng bá

BLER

Block Error Rate

Tỉ lệ lỗi nghẽn

CCCH

Common Control Channel

Kênh điều khiển chung

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CQI

Channel Quality Indicator

Chỉ thị chất lượng kênh

DCCH

Dedicated Control Channel

Kênh điều khiển dùng riêng

DL-SCH

Downlink Shared Channel

Kênh chia sẻ đường xuống

DTCH

Dedicated Traffic Channel

Kênh lưu lượng dùng riêng

EDGE

Enhanced Data rates for GSM Evolution

Hệ thống nâng cao tốc độ cho
mạng GSM

eNodeB

Evolved NodeB

NodeB cải tiến

EPC

Evolved Packet Core

Mạng lõi gói tiến hóa

EPS

Evolved Packet Switching

Chuyển mạh gói tiến hóa

E-SMLC

Evolved Serving Location Centre

Trung tâm định vị di động cải tiến

ETSI

European Telecommunications Standards
Institute

Viện tiêu chuẩn viễn thông châu
Âu

E-UTRAN

Evolved Universal Terrestrial Radio
Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến cải tiến

FDD

Frequency Division Duplexing

Truyền song công theo tần số

FDMA

Frequency Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

FTP

File Transfer Protocol

Giao thức truyền dẫn tập tin

FPC

Fractional Power Control

Điều khiển công suất phân đoạn

GBR

Guaranteed Bit Rate

Tốc độ bit được đảm bảo

GERAN

GSM EDGE Radio Access Network

Mạng truy nhập của GSM, EDGE

SVTH: D08VT1

vii

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Thuật ngữ viết tắt

GMLC

Gateway Mobile Location Centre

Cổng trung tâm định vị di động

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

GSM

Global System Mobile Communications

Dịch vụ kết nối di động toàn cầu

GTP-U

GPRS-Tunnelling Protocol – User Plane

Giao thức đường hầm GPRS cho
mặt bằng người dùng

HARQ

Hybrid automatic repeat request

Cơ chế tự động gửi lại yêu cầu lai

HSDPA

High Speed Downlink Packet Access

Truy nhập gói tốc độ cao đường
xuống

HSPA+

High Speed Packet Access Plus

Truy nhập gói tốc độ cao cải tiến

HSS

Home Subscriber Server

Máy chủ thuê bao nhà

HSUPA

High Speed Uplink Packet Access

Truy nhập gói tốc độ cao đường
lên

ICIC

Intercell Interference Coordination

Điều phối nhiễu liên cell

IEEE

Institute of Electrical and Electronics
Engineers

Viện kĩ thuật điên và điện tử Hoa
Kì

IMS

IP Multimedia Subsystem

Hệ thống con đa phương tiện IP

IMT

International Mobile Telecommunications

Viễn thông di động quốc tế

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

ITU

International Telecommunication Union

Liên minh viễn thông quốc tế

J-TACS

Japanese Total Access Communication
System

Hệ thống truy nhập liên lạc của
Nhật Bản

LA

Link Adaption

Thích ứng kết nối

LTE

Long Term Evolution

Mạng di động phát triển dài hạn

LTE

Avanced

Long Term Evolution Advanced

Thế hệ sau của LTE

MAC

Media Access Control

Lớp điều khiển truy nhập môi
trường

MCH

Multicast Channel

Kênh đa điểm

MIMO

Multiple-Input Multiple-Output

Kĩ thuật đa anten

MME

Mobility Management Entity

Thực thể quản lí di động

MTCH

Multicast Traffic Channel

Kênh lưu lượng đa điểm

NMT

Nordic Mobile Telephone

Hệ thống di động Bắc Âu

NRT

Non Real-Time

Không theo thời gian thực

NAS

Non Access Stratum

Lớp ứng dụng trong LTE

SVTH: D08VT1

viii

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Thuật ngữ viết tắt

OFDM

Orthogonal Frequency Division
Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao

OFDMA

Orthogonal Frequency Division Multiple
Access

Đa truy nhập phan chia theo tần số
trực giao

OLLA

Outer Loop Link Adaption

Thích ứng liên kết vòng ngoài

OVSF

Orthogonal Variable Spreading Factor

Mã trực giao có độ dài khả biến

PAPR

Peak-to-Average Power Ratio

Tỉ số công suất đỉnh trên cống suất
trung bình

PBCH

Physical Broadcast Channel

Kênh quảng bá vật lí

PC

Power Control

Điều khiển công suất

PCCH

Paging Control Channel

Kênh điều khiển tìm gọi

PCFICH

Physical Control Format Indicator

Channel

Kênh vật lí chỉ thị định dạng điều
khiển

PCH

Paging Channel

Kênh tìm gọi

PCRF

Policy Control and charging Rules
Function

Bộ phận chức năng quản lí chính
sách và tính cước

PDCCH

Physical Downlink Control Channel

Kênh điều khiển vật lí đường
xuống

PDCP

Packet Data Convergence

Giao thức điều khiển hội tụ dữ liệu
gói

PDN

Packet Data Network

Mạng dữ liệu gói

PDSCH

Physical Downlink Shared Channel

Kênh chia sẻ vật lí đường xuống

P-GW

PDN - Gateway

Node truy nhập đến PDN trong
mạng lõi LTE

PHICH

Physical Hybrid ARQ Indicator Channel

Kênh vật lí chỉ thị HARQ

PLMN

Public Land Mobile Network

Mạng di động mặt đất

PMCH

Physical Multicast Channel

Kênh vật lí đa điểm

PRACH

Physical Random Access Channel

Kênh vật lí truy nhập ngẫu nhiên

PS

Packet Scheduling

Lập lịch gói

PUCCH

Physical Uplink Control Channel

Kênh điều khiển vật lí đường lên

PUSCH

Physical Uplink Shared Channel

Kênh chia sẻ vật lí đường lên

RACH

Random Access Channel

Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RLC

Radio Link Control

Điêu khiển liên kết vô tuyến

RRU

Radio Resource Unit

Đơn vị tài nguyên vô tuyến

SVTH: D08VT1

ix


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Thuật ngữ viết tắt

RRC

Radio Resource Control

Lớp điều khiển tài nguyên vô
tuyến

RRM

Radio Resource Management

Quản lí tài nguyên vô tuyến

RSRP

Reference Symbol Received Power

Công suất thu của kí hiệu tham
chiếu

RSRQ

Reference Symbol Received Quality

Chất lượng thu của kí hiệu tham
chiếu

RSSI

Received Signal Strength Indicator

Chỉ thị cường độ tín hiệu thu

RT

Real-Time

Theo thời gian thực

SAE

System Architecture Evolution

Kiến trúc hệ thống cải tiến

SC-FDMA Single Carrier – Frequency Division
Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số
đơn sóng mang

SCTP

Stream Control Transmission Protocol

Giao thức điều khiển truyền dẫn
luồng

SIR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

S-GW

Serving Gateway

Node phục vụ trong mạng lõi LTE

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo thời
gian

TDD

Time Division Duplexing

Truyền dẫn song công phân chia
theo thời gian

UDP

User Datagram Protocol

Giao thức UDP

UL-SCH

UpLink Shared Channel

Kênh chia sẻ đường lên

UMTS

Universal Mobile Telecommunications
System

Hệ thống thông tin di động toàn
cầu (mạng 3G)

VoIP

Voice over Internet Protocol

Thoại trên nền giao thức Internet

WCDMA

Wideband Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã
băng rộng

WiMAX

Worldwide interoperability for Microwave Chuẩn WiMAX
Access

SVTH: D08VT1

x


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động
LTE

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE
1.1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA LTE
1.1.1 Bối cảnh lịch sử
LTE là một trong những bước tiến mới nhất trong các hệ thống viễn thông di động.
Các hệ thống viễn thông di động mặt đất bắt đầu được nghiên cứu và phát triển bắt đầu
từ năm 1947 với khái niệm cell từ phòng thí nghiệm Bell, Hoa Kì. Việc sử dụng các
cell (tế bào) cho phép dung lượng của mạng di động tăng một cách đáng kể, bằng cách
chi nhỏ vùng phủ thành các cell nhỉ với trạm gốc hoạt động ở mỗi cell với một tần số
riêng biệt.
Các hệ thống đầu tiên chỉ giới hạn trong phạm vi biên giới quốc gia. Chúng chỉ có
được một số lượng nhỏ người dùng, vì giá thành cho các thiết bị là rất cao, mặt khác
chúng lại rất cồng kềnh và ngốn nguồn điện, vì thế chỉ thực sự hoạt động tốt khi đi
kèm với ô tô.
Hệ thống thông tin di động đầu tiên với qua mô lớn xuất hiện trên thị trường vào
những năm 1980 và còn được gọi là hệ thống “Thế hệ thứ nhất” (1G). Hệ thống 1G sử
dụng công nghệ analog và bao gồm nhiều mạng được phát triển trên toàn thế giới (ví
dụ như AMPS ở Mĩ, TACS ở châu Âu, NMT ở một phần của châu Âu, J-TACS ở

Nhật Bản và Hồng Kông).
Quá trình chuyển vùng quốc tế trở thành hiện thực lần đầu tiên với sự phát triển
của mạng di động “Thế hệ thứ hai” (2G) với hệ thống GSM, dựa hoàn toàn trên công
nghệ số. Sự thành công của GSM dựa trên tinh thần hợp tác để phát triển bằng cách
tập hợp một số các công ty hàng đầu của châu Âu làm việc cùng nhau trong tổ chức
ETSI, GSM đã thực sự trở thành một chuẩn mạnh mẽ và được chấp nhận rộng rãi.
Được tiếp sức bởi sự phát triển của công nghệ sản xuất các thiết bị cầm tay với
hình dáng nhỏ hơn, hợp thời trang và thời lượng pin dài hơn, sự chấp nhận đối với
chuẩn GSM vượt quá kì vọng ban đầu và giúp tạo nên một thị trường mới rất rộng lớn.
Kết quả của việc sự thâm nhập ngày càng phổ biến của các điện thoại GSM trên toàn
cầu dẫn đến việc thông tin liên lạc dễ dàng hơn trước đó rất nhiều, bắt đầu là thoại và
tin nhắn văn bản, sau đó là các dịch vụ dữ liệu ngày càng phát triển hơn. Với sự phát
triển của thế giới, GSM bắt đầu kết nối các cộng đồng và cá nhân ở các vùng cách xa
nhau mà đường dây cố định không kết nối với nhau được hoặc quá đắt đỏ để có thể
triển khai.
Sự tiện dụng của các mạng di động thân thiện với người sử dụng cùng với sự hiểu
biết ngày càng tăng của người dùng với các công nghệ cũng như độ tin cậy thực tế của
chúng, tạo nên bối cảnh phát triển thuận lợi cho các hệ thống mới với công nghệ tiên
tiến hơn và cung cấp dịch vụ tốt hơn. Phần tiếp theo sẽ chỉ ra một loạt các bước tiến
tiếp nối thành công của hệ thống GSM, mà đỉnh cao là sự phát triển của hệ thống LTE
(Long Term Evolution of UMTS – Hệ thống phát triển dài hạn của mạng thông tin di
động toàn cầu 3G).
SVTH - D08VT1

1


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động

LTE

1.1.2 LTE trong tương quan với các công nghệ vô tuyến di động
Khác với các công nghệ truyền dẫn sử dụng dây dẫn như đường cáp đồng hay cáp
quang, phổ tần vô tuyến là một môi trường được chia sẻ bởi nhiều công nghệ khác
nhau và chúng có thể gây nhiễu lẫn nhau.
Vì thế, cơ quản quản lí tần số, mà cụ thể ở đây là ITU-R (bộ phận phụ trách vô
tuyến của liên minh viễn thông quốc tế) và cả cơ quan quản lí cấp khu vực và cấp quốc
gia giữ vai trò quan trọng trong cuộc cách mạng của các công nghệ vô tuyến vì họ
quyết định xem phần nào của phổ tần và bao nhiêu băng thông được sử dụng dành cho
các dịch vụ và công nghệ riêng biệt.
Các chức năng của cơ quan quản lí và các tổ chức chuẩn hóa có thể được tổng kết
lại bởi mối quan hệ như sau:
Tốc độ dữ liệu = Băng thông × Hiệu quả sử dụng phổ tần
(Các quy định và giấy phép) (Công nghệ và tiêu chuẩn)
(ITU-R, các cơ quan quản lí)

Trên cấp độ toàn thế giới, ITU-R xác định một họ các công nghệ và phân bố các
phần của phổ tần tương ứng với các họ này. Được hỗ trợ bởi ITU-R, phổ tần của các
công nghệ di động được xác định với các chuẩn công nghệ vô tuyến đáp ứng được yêu
cầu của ITU-R để có thể là thành viên của gia đình “Viễn thông di động quốc tế”
(IMT). IMT bao gồm các hệ thống 3G và các hệ thống đang được phát triển.
Từ góc độ tiêu chuẩn công nghệ, có ba tổ chức chính phát triển các tiêu chuẩn phù
hợp với yêu cầu của IMT, và ba tổ chức này tiếp tục chi phối bức tranh chung về các
hệ thống vô tuyến di động (hình 1.1).
Mũi tên trên cùng trong hình 1.1 chỉ ra quá trình phát triển các chuẩn của tổ chức
3GPP (Dự án đối tác mạng di động thế hệ thứ ba). 3GPP đã phát triển một số chuẩn
như sau: đầu tiên là thế hệ thứ hai, họ chuẩn GSM/GPRS/EDGE dựa trên nền tảng đa
truy nhập phân chia theo thời gian và phân chia theo tần số (TDMA/FDMA); “thế hệ
thứ ba” họ chuẩn UMTS đánh dấu bởi việc sử dụng đa truy nhập phân chia theo mã

(CDMA), được biết đến với các tên CDMA băng rộng (băng tần dành cho sóng mang
lên đến 5 MHz) hay còn gọi là WCDMA; cuối cùng là LTE (mạng di động phát triển
dài hạn) dựa trên nền công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao
(OFDMA).
Mục tiêu của hệ thống LTE đó là mở rộng xu hướng về các dịch vụ được cung cấp
vượt xa so với việc chỉ cung cấp cuộc gọi thoại thông thường. LTE được thiết kế với
mục đích cho phép tất các dich vụ hoạt động trên nền chuyển mạch gói thay vì chuyển
mạch kênh như trước đây. Thêm vào đó, LTE cũng đi kèm với một hệ thống mạng lõi
được cải tiến – SAE (Kiến trúc hệ thống tiến hóa). SAE chứa đựng mạng lõi gói đã
được cải tiến (EPC). Kết hợp với nhau, LTE và SAE tạo thành hệ thống chuyển gói
tiến hóa (EPS), với việc cả mạng lõi lẫn mạng truy nhập vô tuyến đều hoàn toàn sử
dụng chuyển mạch gói.
SVTH - D08VT1

2


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động
LTE

Hình 1.1 Các phương hướng tiến lên chuẩn 4G
Sự phát triển các công nghệ truy nhập vô tuyến kế thừa LTE sẽ vẫn được tiếp tục
bởi 3GPP. Kể từ Release 99 chuẩn hóa đối với UMTS, hàng loạt các cải tiến mới được
thêm vào qua mỗi release trong khi vẫn đảm bảo tính tương thích với các phiên bản
trước đó: công nghệ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA) trong release 5,
truy nhập gói đường lên tốc độ cao (HSUPA) trong release 6, kết hợp lại còn được gọi
là truy nhập gói tốc độ cao (HSPA), HSPA được cải tiến trong release 7 để thành
HSPA+ bằng cách sử dụng điều chế bậc cao kết hợp với truyền dẫn đa luồng qua công

nghệ đa ănten MIMO. Các release 8, 9, 10 hỗ trợ việc hoạt động nhiều sóng mang
5MHz cùng lúc ở đường lên và đường xuống. Phiên bản đầu tiên của LTE ra đời thông
qua release 8 của 3GPP với việc sử dụng những tiến bộ từ HSPA và HSPA+. LTE có
thể hoạt động ở cả chế độ song công theo tần số (FDD) lẫn song công theo thời gian
(TDD). Phiên bản thứ hai của LTE được phát triển tiếp trong các release 9 và release
10, với tên gọi LTE-Advanced.
Mũi tên phát triển thứ hai trong hình 1.1 cũng được thực hiện bởi một tổ chức đối
tác tương tự như 3GPP đó là 3GPP2. CDMA2000 được phát triển trên nền tảng của
chuẩn IS-95 ở Hoa Kì, là mạng di động tế bào đầu tiên sử dụng công nghệ CDMA;
được phát triển chủ yếu ở Mĩ, Hàn Quốc và Nhật Bản. Các tiêu chuẩn của 3GPP2 tiếp
tục với việc hướng đến một hệ thống hướng đến dịch vụ dữ liệu (EV-DO), tương tự
như hướng đi của 3GPP. Cần lưu ý rằng LTE có thể hoạt động tương thích hoàn toàn

SVTH - D08VT1

3


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động
LTE

với các hệ thống mạng đươc phát triển bởi 3GPP2, điều này cho phép sự chuyển đổi
dễ dàng sang LTE với các nhà mạng đã đi theo hướng phát triển của 3GPP2.
Mũi tên phát triển cuối cùng được phát triển bởi IEEE, tạo nên họ “802.16” – một
tiêu chuẩn truy nhập băng rộng không dây. Chuẩn này cũng hoàn toàn dựa trên chuyển
mạch gói. Chuẩn này còn được gọi là WiMAX và được thúc đẩy bởi WiMAX Forum.
Phiên bản đầu tiên 802.16-2004 chỉ dành cho truy nhập cố định, trong khí đó phiên
bản thứ hai 802.16e hỗ trợ cả di động và vì thế còn được gọi là “WiMAX di động”.

Tuy nhiên, cần chú ý rằng hệ thống WiMAX không được thiết kế với cùng điểm nhấn
vào tính di động và tính tương thích với mạng lõi của các nhà điều hành mạng như các
tiêu chuẩn của 3GPP. Tuy vậy, thế hệ mới nhất được phát triển bởi IEEE là 802.16m
có cùng mục tiêu như LTE-Advanced đó là đáp ứng chuẩn 4G đặt ra bởi ITU.
1.2 CÁC ĐẶC ĐIỂM YÊU CẦU VÀ MỤC TIÊU ĐỐI VỚI LTE
Bảng 1.1 So sánh các yêu cầu và mục tiêu cơ bản của LTE Release 8 với Release 6

Đường xuống

Yêu cầu cần
đạt

Chú giải

Tốc độ truyền dẫn
đỉnh

> 100 Mbps

14,4 Mbps

LTE: 20 MHz FDD, ghép
kênh không gian 2 × 2.

Hiệu suất sử dụng
phổ tần đỉnh

>5bps/ Hz

3bps/ Hz

HSDPA, 5 MHz FDD,
đơn anten
LTE: ghép kênh không
gian 2 × 2, máy thu IRC.

Hiệu suất phổ tần
trung bình của cell

>1,6 – 2,1
bps/Hz/cell

0,53 bps/Hz/cell

Hiệu suất phổ tần
ở biên cell

>0,04 – 0,06
bps/Hz/user

0,02
bps/Hz/user

Như trên, giả sử có 10
người sử dụng mỗi cell

N/A

Vật mang riêng cho chế
độ broadcast

Hiệu suất phổ tần
>1 bps/Hz
broadcast
Đường lên

Release 6 (nhằm
so sánh)

HSDPA: máy thu Rake, 2
anten thu.

Tốc độ truyền dẫn
đỉnh

>50 Mbps

11 Mbps

LTE: 20 Mhz FDD,
truyền dẫn đơn anten.

Hiệu suất sử dụng
phổ tần đỉnh

>2,5 bps/Hz

2 bps/Hz

HSUPA: 5MHz FDD,

truyền dẫn đơn anten

Hiệu suất phổ tần
trung bình của cell

>0,66 – 1,0
bps/Hz/cell

0,33 bps/Hz/cell

Hiệu suất phổ tần
ở biên cell

> 0,02 – 0,03
bps/Hz/user

0,01
bps/Hz/user

SVTH - D08VT1

LTE: truyền dẫn đơn
anten, máy thu IRC.
HSUPA: máy thu Rake, 2
anten thu
Như trên, giả sử có 10
người dùng mỗi cell
4

Hệ thống

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động
LTE

Trễ mặt phẳng
người dùng (trễ vô
tuyến hai chiều)

< 10 ms

Mục tiêu của LTE bằng
khoảng 1/5 so với công
nghệ tham chiếu (release
6)

Trễ thiết lập kết
nối

< 100 ms

Từ trạng thái tĩnh sang
trạng thái hoạt động

Băng thông hoạt
động

1,4 – 20 MHz

Dung lượng VoIP

NGMN đặt mục tiêu là > 60 phiên/MHz/cell

5 MHz

(yêu cầu khởi tạo bắt đầu
từ mức 1,25 MHz)

Bảng 1.1 chỉ ra so sánh giữa các thông số của LTE (3GPP release 8) và 3GPP
release 6. Từ việc so sánh với một tiêu chuẩn được 3GPP phát triển sau 3G cụ thể ở
đây là release 6, ta có thể tổng kết các đặc điểm yêu cầu và mục tiêu cần phải đạt đến
của LTE được như sau:
-

Giảm độ trễ, cả trong quá trình thiết lập kết nối cũng như trong quá trình truyền
dẫn.

-

Tăng tốc độ dữ liệu cho người dùng.

-

Tăng tốc độ bit ở biên của cell, cho phép đồng bộ chất lượng dịch vụ;

-

Cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần;

-

Tăng tính linh hoạt trong việc sử dụng phổ tần, cả ở các băng tần mới cũng như
các băng tần đã sử dụng;

-

Đơn giản hóa cấu trúc mạng;

-

Cung cấp khả năng di động một cách thông suốt và liền mạch, bao gồm cả giữa
các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau;

-

Tiêu thụ điện năng một cách hợp lí đối với các thiết bị đầu cuối di động

1.3 KIẾN TRÚC TỔNG QUÁT VỀ MẠNG LTE
Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu các kiểu kiến trúc của LTE bao gồm có kiến
trúc mạng lõi, mạng truy nhập, kiến trúc roaming và kiến trúc giao thức.
1.3.1 Kiến trúc mạng lõi của LTE
EPS cung cấp cho người dùng kết nối IP đến một PDN để truy nhập Internet, cũng
như chạy các dịch vụ như VoIP. Một vật mang EPS sẽ được thiết lập với một QoS
nhất định. Nhiều vật mang có thể được thiết lập cùng lúc đến một người sử dụng để
cung cấp các luồng QoS khác nhau hoặc các kết nối đến các PDN khác nhau. Ví dụ,
một người dùng có thể nhận một cuộc gọi VoIP trong khi vẫn đang duyệt web hay
download file thông qua giao thức FTP. Một vật mang dành cho cuộc gọi VoIP cso thể
cung cấp QoS cần thiết cho cuộc gọi thoại, trong khi vật mang theo kiểu nỗ lực tối đa

SVTH - D08VT1

5


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động
LTE

(best-effort) thích hợp cho việc duyệt web hoặc các phiên FTP. Hệ thống mạng cũng
phải cung cấp quá trình bảo mật và chính sách cho người dùng.

Hình 1.2 Kiến trúc tổng quát mạng lõi LTE
Chức năng của các thiết bị trong mạng lõi
Mạng lõi (được gọi là EPC trong SAE) có trách nhiệm điều khiển UE và thiết lập
các vật mang. Các node mạng trong EPC gồm có:
-

Gateway PDN (P-GW);

-

Gateway phục vụ (S-GW);

-

Thực thể quản lí di động (MME);

-

Trung tâm dịch vụ định vị di động (E-SMLC) .

Bên cạnh các node này, EPC cũng có thêm các node logic khác và các chức năng
như Gateway trung tâm định vị di động (GMLC), server thuê bao nhà (HSS) và chức
năng điều khiển chính sách và tính cước (PCRF). Vì EPS chỉ cung cấp vật mang với
QoS xác định, quá trình điều khiển các ứng dụng đa phương tiện như VoIP được cung
cấp bởi hệ thống IMS, hệ thống này hoạt động riêng biệt với EPS. Khi một người sử
dụng chuyển vùng bên ngoài mạng nhà của thuê bao đó, P-GW, GMLC và miền IMS
của người dùng có thể đặt ở mạng nhà hoặc mạng khách. Các node logic trong mạng
lõi được chỉ ra trong hình 1 và có các chức năng như được mô tả dưới đây.
• PCRF. PCRF chịu trách nhiệm quyết định chính sách điều khiển, cũng như
kiểm soát chức năng tính cước theo luồng trong khối chức năng điều khiển
chính sách bắt buộc đi liền với gateway P-GW. Khối chức năng PCRF cung
cấp quá trình nhận thực QoS (xác định lớp QoS và tốc độ bit) qua đó quyết
SVTH - D08VT1

6


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động
LTE

định xem một dòng dữ liệu xác định trên PCEF sẽ được xử lí như thế nào và
bảo đảm điều này phù hợp với profile mô tả của người sử dụng.
• GMLC. GMLC chứa các chức năng cần thiết để hỗ trợ các dịnh định vị
(LCS). Sau khi thực hiện quá trình nhận thực, nó gửi các yêu cầu xác định

vị trí đến MME và nhận được các thông tin ước chừng chính thức về vị trí
thuê bao.
• HSS. Server thuê bao nhà (HSS) chứa dữ liệu mô tả SAE của người dùng
như là profile về QoS của các thuê bao EPS và bất cứ hạn chế nào khi
chuyển vùng. HSS cũng lưu trữ thông tin về các mạng PDN mà người sử
dụng có thể kết nối. Điều này có thể được lưu dưới dạng tên điểm truy nhập
(APN) (là một nhãn đặt tên theo quy ước DNS để miêu tả điểm truy nhập
đến PDN), hoặc một địa chỉ PDN (chỉ một hoặc nhiều địa chỉ IP đã được
đăng kí). Thêm vào đó, HSS lưu giữ các thông tin động như nhận dạng của
MME về người sử dụng đang được gắn hoặc được đăng kí. Bên cạnh đó,
HSS có thể tích hợp luôn cả trung tâm nhận thực (AuC) để tạo ra các vectơ
dành cho các khóa nhận thực và bảo mật.
• P-GW. P-GW chịu trách nhiệm phân bổ địa chỉ IP cho UE, cũng như bảo
đảm QoS và quá trình tính cước dựa trên luồng theo đúng những quy định
của PCRF. P-GW có trách nhiệm lọc các gói tin IP đường xuống đến người
dùng theo các vật mang dựa trên QoS. P-GW thực hiện quá trình thiết lập
bắt buộc QoS với các vật mang GBR tức cần đảm bảo tốc độ bit. P-GW
cũng hoạt động như là một trạm trung chuyển để chuyển mạng giữa LTE
với các mạng không được phát triển bởi 3GPP như là CDMA2000 và
WiMAX.
• S-GW. Tất cả các gói tin IP đều được chuyển qua S-GW, gateway này hoạt
động như là cổng chuyển di động nội vùng dành cho các vật mang dữ liệu
khi UE di chuyển giữa các eNodeB. Nó cũng giữ lại các thông tin về vật
mang khi UE ở trang thái tĩnh và tạm thời lưu trữ đệm dữ liệu đường xuống
trong khi MME đang bắt đầu tìm gọi UE để tái thiết lập vật mang. Thêm
vào đó, S-GW còn thực hiện một số chức năng quản lí trong mạng khách,
như là thu thập thông tin tính cước (ví dụ như số lượng dữ liệu gửi và nhận
của thuê bao) và quá trình giám sát hợp pháp. Nó cũng hoạt động như trạm
trung chuyển di động để hoạt động liên mạng với các tiêu chuẩn kĩ thuật đã
được phát triển bởi 3GPP như là GPRS hay UMTS.

•

MME. MME là node điều khiển để xử lí thông tin báo hiệu giữa UE và
mạng lõi. Các giao thức hoạt động giữa UE và mạng lõi được gọi là các giao
thức Non-Access Stratum.
Chức năng chính được hỗ trợ bởi MME được phân loại như sau:
Các chức năng liên quan đến việc quản lí vật mang. Bao gồm có thiết
lập, duy trì và giải phóng các vật mang.

SVTH - D08VT1

7


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động
LTE

Các chức năng liên quan đến việc quản lí kết nối. Bao gồm có việc thiết
lập kết nối và bảo mật giữa mạng và UE.
• E-SMLC. E-SMLC quản lí sự phối hợp tổng thể và lập lịch phân bổ các tài
nguyên cần thiết để xác định vị trí của UE đang được gắn với E-UTRAN.
Nó cũng tính toán vị trí cuối cùng dựa trên các ước lượng mà nó nhận được,
qua đó ước tính tốc độ và độ chính xác đạt được của UE.
1.3.2 Kiến trúc mạng truy nhập của LTE

Hình 1.3 Kiến trúc tổng quát mạng truy nhập LTE
Mạng truy nhập của LTE, E-UTRAN chỉ đơn giản bao gồm một mạng các
eNodeB, như được mô tả ở trong hình 3. Đối với lưu lượng thông thường dành cho

người dùng, không có một trung tâm điều khiển tập trung nào trong E-UTRAN, vì
thế có thể nói kiến trúc E-UTRAN là kiến trúc “phẳng”.
Các eNodeB kết nối với nhau thông qua giao diện X2, và kết nối với EPC thông
qua giao diện S1, cụ thể hơn là kết nối MME thông qua giao diện S1-MME và kết
nối với S-GW thông qua giao diện S1-U.
E-UTRAN chịu trách nhiệm cho tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến,
được tổng kết lại như sau:
• Quản lí tài nguyên vô tuyến. Chức năng này bao gồm tất cả các chức năng
liên quan đến các vật mang vô tuyến như điều khiển vật mang vô tuyến,

SVTH - D08VT1

8


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động
LTE

điều khiển quyền truy nhập, điều khiển di động, lập lịch và cấp phát động tài
nguyên cho UE cả ở đường lên và đường xuống.
• Nén mào đầu. Chức năng này bảo đảm việc sử dụng có hiệu quả các giao
diện vô tuyến bằng cách nén các mào đầu IP có mào đầu khá lớn, đặc biệt là
đối với các gói kích thước nhỏ như trong VoIP.
• Bảo mật. Tất cả các dữ liệu được gửi qua giao diện vô tuyến đều được mã
hóa.
• Định vị. E-UTRAN cung cấp các thông số cần thiết và các dữ liệu khác cho
E-SMLC và hỗ trợ E-SMLC trong việc xác định vị trí của UE.
• Kết nối với EPC. Chức năng này bao gồm báo hiệu với MME và đường dẫn

của vật mang nối với S-GW.
Về phía mạng, tất cả các chức năng trên đều thuộc về eNodeB, mỗi eNodeB có
trách nhiệm quản lí một số cell. Không như đối với mạng 2G và 3G, LTE tích hợp
chức năng điều khiển vô tuyến vào eNodeB. Điều này cho phép thời gian đáp ứng
nhanh hơn giữa các tầng giao thức của mạng truy nhập vô tuyến, qua đó giảm trễ, và
cải thiện hiệu năng. Phương thức điều khiển phân tán này không cần đến một trung
tâm điều khiển có khả năng sẵn sàng cũng như năng lực xử lí cao, dẫn đến việc giảm
giá thành và tránh tình trạng hỏng một trung tâm điều khiển làm ngưng trệ cả hệ thống.
Thêm vào đó, LTE không hỗ trợ chuyển giao mềm nên không cần có chức năng tập
trung các dữ liệu kết hợp ở trong mạng.
Tuy nhiên, một hệ quả của việc không có trung tâm điều khiển tập trung đó là khi
UE di chuyển, mạng sẽ phải chuyển tất cả các thông tin liên quan đến UE ví dụ như
context của UE, cùng với các dữ liệu đệm, từ một eNodeB này sang một eNodeB
khác. Cần có các cơ chế hoạt động ở giao diện X2 để nhằm tránh mất dữ liệu trong quá
trình chuyển giao.
Một tính năng quan trọng của giao diện S1 kết nối mạng truy nhập với mạng lõi đó
là S1-flex. Đây là khái niệm về nhiều node ở mạng lõi (MME/S-GW) có thể hoạt động
chung trong một vùng địa lí, được kết nối bởi một mạng mesh các eNodeB trong khu
vực đó. Một eNodeB có thể hoạt động với nhiều MME/S-GW. Tập hợp các MME/SGW gọi là một pool area. Định nghĩa này cho phép các UE ở trong các cell được điều
khiển bởi một eNodeB có thể được chia sẻ với nhiều node CN khác nhau, qua đó cung
cấp khả năng chia sẻ tải và tránh việc hỏng một node mạng lõi dẫn đến mạng không
thể làm việc. Context của UE thường được giữ ở cùng một MME miễn là UE vẫn ở
trong một pool area.
1.3.3 Kiến trúc Roaming
Một mạng hoạt động bởi một nhà điều hành ở một nước được gọi là mạng di động
công cộng mặt đất (PLMN). Chuyển vùng (roaming) là khi người sử dụng được phép
kết nối với nhiều PLMN mà họ không phải là thuê bao, tạo nên một đặc tính mạnh mẽ
cho các mạng di động và LTE/SAE không phải là ngoại lệ. Người dùng chuyển vùng
được kết nối với E-UTRAN, MME và S-GW ở mạng LTE khách. Tuy nhiên,
SVTH - D08VT1

9


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động
LTE

LTE/SAE cho phép sử dụng P-GW của mạng nhà hoặc mạng khách, như hình 4. Sử
dụng P-GW của mạng nhà cho phép người dùng có thể truy nhập đến các dịch vụ của
nhà điều hành mạng nhà ngay cả khi đang ở mạng khách. Một P-GW của mạng khách
cho phép một “local breakout” (truy nhập địa phương) đến Internet trong mạng khách.

Hình 1.4 Kiến trúc roaming trong LTE
1.3.4 Kiến trúc giao thức
Ở phần này chúng ta sẽ có cái nhìn tổng quát về kiến trúc giao thức trong E-UTRAN.
1.3.4.1 Mặt phẳng người dùng

SVTH - D08VT1

10


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động
LTE

Hình 1.5 Các giao thức trong mặt bằng người dùng trong LTE

Một gói tin IP đến một UE được đóng gói trong một giao thức EPC riêng biệt và
sau đó theo đường hầm tạo giữa P-GW và eNodeB truyền đến UE. Các giao thức
đường hầm khác nhau được sử dụng thông qua các giao diện khác nhau. Giao thức
đường hầm được xây dựng bởi 3GPP là Giao thức đường hầm GPRS (GTP) được
dùng giưa các giao diện lõi mạng, S1 và S5/S8.
Chồng giao thức mặt phẳng người dùng E-UTRAN (tô đậm trong hình 1.5) bao
gồm giao thức hội tụ dữ liệu gói (Packet Data Convergence - PDCP), lớp điều khiển
liên kết vô tuyến (Radio Link Control - RLC) và lớp điều khiển phương tiện truy nhập
(MAC) kết cuối ở eNodeB về phía mạng.
Vì không có một trung tâm điều khiển tập trung nào, dữ liệu được lưu đệm trong
quá trình chuyển giao do sự di động của người dùng trong E-UTRAN phải được xử lí
bởi chính eNodeB. Giao thức PDCP chịu trách nhiệm bảo vệ dữ liệu trong khi chuyển
giao. Giao thức lớp RLC và MAC đều được tái khởi động trong cell mới sau khi quá
trình chuyển giao hoàn thành.
1.3.4.2 Mặt phẳng điều khiển
Chồng giao thức mặt phẳng điều khiển giữa UE và MME được chỉ ra trong hình
1.6 dưới đây.
Phần tô đậm chỉ thị các giao thức AS. Các lớp thấp hơn thực hiện cùng chức năng
như trong mặt phẳng người dùng ngoại trừ việc không có chức năng nén mào đầu
trong mặt phẳng điều khiển.
Giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC protocol) được biết đến như “Lớp
3” trong chồng giao thức AS. Đây là chức năng chính trong AS, chịu trách nhiệm thiết
lập vật mang vô tuyến và cấu hình tất cả các lớp thấp hơn sử dụng báo hiệu RRC giữa
eNodeB và UE.

SVTH - D08VT1

11

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động
LTE

Hình 1.6 Các giao thức trong mặt bằng điều khiển trong LTE

1.4 MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA LTE
1.4.1 Khoảng băng tần sử dụng cho LTE
Có rất nhiều khoảng băng tần có thể được sử dụng trong hệ thống LTE, tùy thuộc
vào từng quốc gia hoặc lục địa. Các mạng LTE có thể triển khai trên các băng tần đã
tồn tại hoặc băng tần mới như:
• Băng tần 900 MHz và 1800 MHz hiện đang dành cho hệ thống GSM;
• Băng tần 850 MHz và 1900 MHz dành cho hệ thống GSM ở Bắc Mĩ;
• Băng tần 700 MHz dành cho mạng truyền hình quảng bá analog và đang
được thay thế dần bởi các hệ thống truyền hình số;
• Băng tần 2100 MHz ở ngoài nước Mĩ, và băng tần kết hợp 1700 MHz và
2100 MHz ở Mĩ đang được dùng rộng rãi cho các hệ thống 3G như là
UMTS/WCDMA và HSPA;
• Băng tần mới 2600 MHz hiện chưa được sử dụng ở hầu khắp thế giới.
1.4.2 Các loại kênh truyền dẫn trong LTE
Các loại kênh trong LTE được phân chia làm 3 loại:
• Kênh vật lí: là các kênh truyền dẫn dùng để mang dữ liệu của người dùng và
các bản tin điều khiển.
• Kênh giao vận: Các kênh giao vận thuộc phân lớp vật lí cho phép trao đổi
thông tin giữa lớp MAC và các lớp cao hơn.
• Kênh logic: Cung cấp dịch vụ cho lớp MAC trong cấu trúc giao thức của LTE.
1.4.2.1 Kênh vật lí
SVTH - D08VT1

12


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động
LTE

• Đường xuống:
 Kênh chia sẻ vật lí đường xuống (PDSCH – Physical Downlink Shared
Channel): Sử dụng để truyền dẫn dữ liệu của người dùng, kênh PDSCH được
thiết kế dành cho tốc độ dữ liệu cao. Các sơ đồ điều chế tùy chọn bao gồm có
QPSK, 16-QAM, và 64-QAM.
 Kênh quảng bá vật lí (PBCH – Physical Broadcast Channel): Kênh vật lí này
mang các thông tin hệ thống cho các UE cần thiết để truy cập mạng. Nó chỉ
mang các thông tin định dạng của cell và các thông số cần thiết kiểm soát truy
nhập cần thiết. Kênh này guiử bản tin mỗi 40 ms và chỉ sử dụng điều chế
QPSK.
 Kênh điều khiển vật lí đường xuống (PDCCH – Physical Downlink Control
Channel): kênh vật lí này sử dụng điều chế QPSK. Mục đích chính của kênh
vật lí này là mang các thông tin các thông tin phân bổ và lập lịch tài nguyên
chia làm 4 loại như sau:
 Lập lịch tài nguyên đường xuống
 Hướng dẫn điều khiển công suất đường lên
 Cấp phép sử dụng tài nguyên đường xuống
 Chỉ thị các thông tin hoa tiêu hoặc thông tin hệ thống.
 Kênh chỉ thị định dạng điều khiển vật lí (PCFICH – Physical Control Format
Indicator Channel): kênh này thông báo cho UE biết định dạng tín hiệu mà nó
sẽ nhận. Nó chỉ ra số các kí hiệu OFDM sử dụng cho PDCCH là 1, 2 hay là 3.

Thông tin từ kênh PCFICH là cần thiết vì UE không có thông tin trước đó về
kích thước của vùng điều khiển. Kênh này cũng sử dụng điều chế QPSK.
 Kênh vật lí đa điểm (PMCH – Physical Multicast Channel): Kênh PMCH
mang thông tin muticast (đa điểm), và cũng như PDSCH, PMCH có nhiều lựa
chọn điều chế bao gồm QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Thông tin multicast được
gửi đến nhiều UE cùng lúc.
 Kênh vật lí chỉ thị HARQ (PHICH – Physical Hybrid ARQ Indicator
Channel): Kênh vật lí này mang thông tin phản hồi đối với truyền dẫn đường
lên (ACK/NACK). Các bản tin ACK và NACK xác nhận dữ liệu đã được
truyền đi hoặc yêu cầu truyền dẫn lại các khối dữ liệu thu không chính xác.
• Đường lên:
 Kênh chia sẻ vật lí đường lên (PUSCH – Physical Uplink Shared Channel):
Chức năng tương tự như PDSCH. Có thể dùng điều chế QPSK, 16-QAM, 64QAM. Tài nguyên trên kênh PUSCH được phân bổ dựa trên bộ lập lịch đường
lên.
 Kênh điều khiển vật lí đường lên (PUCCH – Physical Uplink Control
Channel): Kênh PUCCH cung cấp thông tin điều khiển đường lên và không
bao giờ truyền cùng lúc với dữ liệu trên kênh PUSCH. PUCCH chứa các
SVTH - D08VT1

13