chuyển giao trong mạng lte (4g)

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

TRANG PHỤ BÌA LUẬN VĂN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Họ và tên tác giả luận văn
VŨ THANH TÙNG

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG LTE (4G)

Chuyên ngành: Kĩ thuật Viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
KĨ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. TS. PHẠM DOÃN TĨNH

Hà Nội – Năm 2015
1


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật này là do tôi nghiên cứu và được thực hiện
dưới sự hướng dẫn của thầy TS. Phạm Doãn Tĩnh. Ngoài nội dung tự nghiên cứu tôi có
tham khảo thêm nội dung từ các nguồn tài liệu cũng như các công trình nghiên cứu khoa
học khác được trích dẫn đầy đủ. Nếu có vấn đề về sai phạm bản quyền, tôi xin hoàn toàn

chịu trách nhiệm trước Nhà trường.

Hà Nội, tháng 10 năm 2015
Học viên

Vũ Thanh Tùng

2


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được luận văn này em xin chân thành cảm ơn sâu sắc thầy giáo TS.Phạm
Doãn Tĩnh đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đúng tiến độ đề ra, hoàn thành theo đề cương
đã được Viện Điện tử - Viễn thông phê duyệt.
Đồng thời em chân thành cảm ơn cô PGS.TS Nguyễn Việt Hương, các thầy/cô ở Viện
Điện tử - Viễn thông, các bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ em tận tình, trao đổi tài liệu, trao
đổi kinh nghiệm, kĩ năng cho việc hoàn thành luận văn.

Hà Nội, tháng 10 năm 2015
Học viên

Vũ Thanh Tùng

3


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
2G
3G
3GPP
4G
CoS
FDD
FDMA
GERAN
GPRS
GSM
HARQ
HSDPA
HSPA
HSS
HSUPA
IEEE
IMS
IMT-2000
I-RAT
I-SHO
KPI
LTE
MAC
MCH
MCS
MIMO
MME
MTU
NACK

NAS
NRT
OFDM
OFDMA
PAPR
PCEF
PCH

Second Generation
Third Generation
Third Generation Partnership Project
Fourth Generation
Classify of Service
Frequency Division Duplex
Frequency Division Multiple Access
GSM EDGE Radio Access Network
General Packet Radio Service
Global System for Mobile
Hybrid Automatic Repeat Request
High Speed Downlink Packet Access
High Speed Packet Access
Home Subscriber Server
High Speed Uplink Packet Access
Institute of Electrical and Electronics Engineer
Internet Multimedia Subsystem
International Mobile Telecommunication 2000
Inter Radio Access Technology
Inter-System Handover
Key Performance Index
Long Term Evolution

Medium Access Control
Multicast Channel
Modulation and Coding Scheme
Multiple Input Multiple Output
Mobility Management Entity
Maximum Transfer Unit
Negative Acknowledgement
Non-Access Stratum
Non Real Time
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Orthogonal Frequency Division Multiple Access
Peak to Average Power Ratio
Policy Control Enforcement
Paging Channel
4


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

PCI
PCRF
PDCCH
PDCP
PDU
PLMN
PUCCH
QCI
QoS
RAB
RACH

RLC
RSCP
RSRP
RT
SAE
SC-FDMA
TCP/IP
TDMA
TM
TTI
TTL
TTT
UL-SCH
UM
USIM
UTRAN
WCDMA

Physical Cell Identification
Policy & Charge Rules Function
Physical Downlink Control Channel
Packet Data Convergence Protocol
Payload Data Units
Public Land Mobile Network
Physical Uplink Control Channel
QoS Class Indicator
Quality of Service
Radio Access Bearer
Random Access Channel
Radio Link Control

Received Scrambling Code Power
Reference Signal Received Power
Real Time
System Architecture Evolution
Single Carrier - Frequency Division Multiple Access
Transport Control Protocol/Internet Protocol
Time Division Multiple Access
Transparent Mode
Transmit Time Interval
Time To Live
Time to Trigger
Uplink Shared Channel
Unacknowledgement Mode
Universal Subscriber Identity Module
UMTS Terrestrial Radio Access Network
Widthband Code Division Multiple Access

5


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7

Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 1.10
Hình 1.11
Hình 1.12
Hình 1.13
Hình 1.14
Hình 1.15
Hình 1.16
Hình 1.17
Hình 1.18
Hình 1.19
Hình 1.20
Hình 1.21
Hình 1.22
Hình 1.23
Hình 1.24
Hình 1.25
Hình 1.26
Hình 1.27
Hình 1.28
Hình 1.29
Hình 1.30
Hình 1.31
Hình 1.32
Hình 1.33
Hình 1.34
Hình 1.35
Hình 1.36

Tiến trình phát triển của mạng di động
Danh mục thiết bị LTE – các mục UE của Release 8 (LTE)
H.3. Sơ đồ vật lý tổng quan của mạng 3G
Chế độ R99_Cell-DCH
Chế độ R99_Cell-FACH
Các trạng thái của UE
Các trạng thái của LTE
Các dịch vụ 3G và các lớp QoS
Nguyên tắc cơ bản của R5
Các đặc điểm kĩ thuật của dịch vụ HSDPA
Nguyên tắc cơ bản của R6
Công nghệ MIMO và 16 QAM của dịch vụ HSPA+
Công nghệ MIMO và 64 QAM của dịch vụ HSPA+
Cơ chế thu/phát của mạng LTE
Cơ chế thu/phát của mạng LTE chú trọng tới mào đầu
Giới hạn khả năng công nghệ mạng di động thế hệ mới
Biểu đồ phát triển của băng thông
Sơ đồ vật lý của mạng LTE
Các phương pháp đa truy nhập
Truyền dẫn mạng LTE
Cấu trúc mạng cơ bản LTE
Topology của mạng LTE 1
Topology của mạng LTE 2
Mạng LTE Core (EPC)
Topology kết nối Roaming
Mặt bằng thuê bao (User Plane) của LTE
Chuối bản tin thiết lập kết nối
Các thủ tục thiếp lập RAB
Chuyển mạch từ Serving-Gateway mới tới PDN-Gateway
Cấp phát QoS và TFT từ PDN-Gateway tới Serving-Gateway

Lọc gói cho các dịch vụ mang và ánh xạ giữa LTE-Uu và S1-U
Thiết lập dịch vụ mang từ mạng (IMS)
Các dịch vụ mang của giao diện LTE-Uu và S1-U
Thông tin về QCI
Mặt bằng người sử dụng
HSS
6


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

Hình 1.37
Hình 1.38
Hình 1.39
Hình 1.40
Hình 1.41
Hình 1.42
Hình 1.43
Hình 1.44
Hình 1.45
Hình 1.46
Hình 1.47
Hình 1.48
Hình 1.49
Hình 1.50
Hình 1.51
Hình 1.52
Hình 1.53
Hình 1.54
Hình 1.55

Hình 1.56
Hình 1.57
Hình 1.58
Hình 1.59
Hình 1.60
Hình 1.61
Hình 1.62
Hình 1.63
Hình 1.64
Hình 1.65
Hình 1.66
Hình 1.67
Hình 1.68
Hình 1.69
Hình 1.70
Hình 1.71
Hình 1.72
Hình 1.73
Hình 1.74

PDN-Gateway
PDN-Gateway kết nối với mạng không tuân theo 3GPP
Các giao thức NAS giữa UE và MME
Nguyên tắc dùng chung MME
Nguyên lý chia sẻ mạng core
Chức năng của UE (User Plane)
Chức năng của eNodeB (User Plane)
Giao thức mạng TCP/IP
Giao thức TCP
Mô hình tham chiếu OSI

Sơ đồ vật lý kết nối với FTP Server
Giao thức lớp ứng dụng mô hình TCP/IP
Thông tin của giao thức UDP 1
Thông tin của giao thức UDP 2
Giao thức Ping 1
Giao thức Ping 2
Giao thức Ping không thành công
Kết quả test Latency (RTT) của mạng LTE
Liên kết các mạng TCP/IP
Giao thức IP
MTU của mạng TCP/IP
Sự phân mảnh trong mạng TCP/IP
Time to Live (TTL)
Địa chỉ IP v4
Địa chỉ IP số thập phân
Phân lớp địa chỉ IP
Các địa chỉ IP đặc biệt
Mạng IP
Giao thức IPv6
Cấu trúc của địa chỉ IPv6
Giao thức IPv4
Type of Service
Differentiated Services
So sánh giao thức IPv4 và IPv6
DSCP ECN
Phân loại và đánh dấu gói tin
Các dịch vụ khác nhau (DiffServ)
Expedite Forwarding PHB
7

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

Hình 1.75
Hình 1.76
Hình 1.77
Hình 1.78
Hình 1.79
Hình 1.80
Hình 1.81
Hình 1.82
Hình 1.83
Hình 1.84
Hình 1.85
Hình 1.86
Hình 1.87
Hình 1.88
Hình 1.89
Hình 1.90
Hình 1.91
Hình 1.92
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 2.9

Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12
Hình 2.13
Hình 2.14
Hình 2.15
Hình 2.16
Hình 2.17
Hình 2.18
Hình 2.19
Hình 2.20

Best Effort
Weight Fair Queueing
Các phương thức đa truy nhập OFDM và OFDMA
Các kĩ thuật Antenna tiên tiến (MIMO)
SDMA
Phân tập trễ theo chu trình
FDD
TDD
Các Subframe đặc biệt trong chế độ TDD
Ấn định các subframe trong LTE TDD
Các độ rộng băng thông sóng mang
Các band E-UTRA và độ rộng băng thông của kênh
Cấu trúc khe và các nguồn tài nguyên vật lý
Số lượng của các RB trong băng thông truyền
Thành phần nguồn (RE)
Đa đường truyền kết hợp
OFDMA cho đường xuống
SC-FDMA cho đường lên

Các trạng thái của LTE_UE
LTE HO tới mạng 2G và 3G
UE bật nguồn
Quản lý di động EPS
Cập nhật vùng định vị
Các bản tin của thủ tục TAU
IMSI và S-TMSI
Thủ tục yêu cầu RRC Connection
Thiết lập SAE dành riêng
Thiết lập RRC Connected khi có bản tin tìm gọi
Cấu trúc kênh sử dụng trong chế RRC Idle (Idle mode)
Trạng thái cell và lớp truy nhập
Các tín hiệu tham chiếu của RSRP
Kênh P-SCH và S-SCH
Chu trình của UE từ lúc bật máy đến RRC Idle
Thủ tục và tiêu chuẩn tính của Cell Reselection
Nguyên lý của Cell Reselection
Các trạng thái E-UTRA và các thủ tục di động inter-RAT
Thủ tục kích hoạt HO
Báo hiệu intra-LTE HO, inter-eNodeB
8


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

Hình 2.21
Hình 2.22
Hình 2.23
Hình 2.24
Hình 2.25

Hình 2.26
Hình 2.27
Hình 2.28
Hình 3.1
Hình 3.2

Cấu trúc roaming cho mạng truy nhập intra-3GPP
Inter-RAT HO từ E-UTRAN tới UTRAN, giai đoạn chuẩn bị
Inter-RAT HO từ E-UTRAN tới UTRAN, giai đoạn thực hiện
Thuật toán quyết định chuyển giao cứng
OptimizeRatio của thuật toán chuyển giao cứng
OptimizeRatio của thuật toán chuyển giao tích hợp
OptimizeRatio của thuật toán chuyển giao có sự ràng buộc RSRP trung bình
Số cuộc chuyển giao trung bình của UE bình trong một đơn vị thời gian
Tỷ lệ sử dụng smartphone ở một số quốc gia
Sản lượng bán ra và thị phần của 05 thương hiệu Tablet hàng đầu ở VN

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1
Bảng 2.2
Bảng 2.3
Bảng 2.4
Bảng 2.5
Bảng 2.6
Bảng 2.7

Các bối cảnh di động của UE
Báo cáo đo kích hoạt sự kiện cho E-UTRA và inter-RAT
Các tham số đánh giá thuật toán quyết định HO
Đánh giá thuật toán quyết định chuyển giao cứng

Đánh giá thuật toán quyết định chuyển giao tích hợp
Đánh giá thuật toán quyết định chuyển giao có sự ràng buộc RSRP trung bình
Tổng hợp kết quả đánh giá thuật toán quyết định HO

9


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA LUẬN VĂN ....................................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................................................. 2
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................................................ 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................................................... 6
DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................................................................... 9
MỤC LỤC....................................................................................................................................................... 10
LỜI MỞ ĐẦU................................................................................................................................................. 12
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ VÀ CÁC ĐẶC ĐIỂM KĨ THUẬT CỦA MẠNG LTE (4G)...... 14
1.1.

Giới thiệu về mạng LTE: .................................................................................................................... 14

1.2.

Cấu trúc mạng LTE:......................................................................................................................... 31

1.3.

Tổng quan về mạng IP Core: ............................................................................................................ 50

1.4.

Giao diện vô tuyến cơ bản của mạng LTE: ........................................................................................ 77

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG THỨC CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG LTE (4G) .................................................. 91
2.1.

Các bối cảnh di động của thuê bao: ................................................................................................. 91

2.2.

Quản lý sự di động thuê bao trong trạng thái RRC Idle: ................................................................. 93

2.2.1.

Các trạng thái của UE: .............................................................................................................. 93

2.2.2.

UE bật nguồn (UE Power-up): ................................................................................................. 94

2.2.3.

Các chế độ chức năng của LTE – MME: ................................................................................. 97

2.2.4.

Các trạng thái RRC của mạng LTE (RRC States): .................................................................. 99

2.2.5.

Công suất thu tín hiệu tham chiếu (Reference Signal Received Power _RSRP): .................... 103

2.2.6.

Thủ tục Cell Reselection: ........................................................................................................ 105

2.3.

Quản lý sự di động thuê bao trong trạng thái RRC Connected (Handover): ................................ 107

2.3.1.

Khái niệm và mục đích của HO:.............................................................................................. 107

2.3.2.

Các nền tảng cho HO ............................................................................................................. 108

2.3.3.

Chuyển giao Intra-LTE: ......................................................................................................... 109

2.3.4.

Inter-RAT LTE Handover:..................................................................................................... 113

2.3.5.

Các KPI cơ bản để đánh giá chất lượng của HO trong LTE: .................................................... 120

2.3.6.

Thuật toán quyết định HO:..................................................................................................... 121
10


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học
CHƯƠNG 3: TƯƠNG LAI SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ LTE TRÊN THẾ GIỚI VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LTE Ở
VIỆT NAM....................................................................................................................................................... 131
3.1.

Tương lai sử dụng công nghệ LTE trên thế giới: ............................................................................. 131

3.1.1.

Tương lai phát triển công nghệ LTE của các nhà mạng trên thế giới:..................................... 131

3.1.2.

Xu hướng phát triển thiết bị LTE: .......................................................................................... 132

3.1.3.

Xu hướng phát triển thiết bị đầu cuối thông minh: ................................................................ 133

3.2.

Tương lai ứng dụng công nghệ LTE ở Việt Nam: ......................................................................... 134

3.2.1.

Đánh giá về triển vọng sử dụng thiết bị di động cầm tay ở Việt Nam: ................................... 134

3.2.2.

Thực trạng công nghệ LTE tại Việt Nam: ................................................................................. 137

KẾT LUẬN ................................................................................................................................................... 141
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................................. 143

11


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

LỜI MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong những năm đầu thế kỉ thứ XXI, cùng với sự phát triển như vũ bão của số lượng
thuê bao di động cũng là sự phát triển không ngừng các nhu cầu đỏi hỏi về chất lượng dịch
vụ và tốc độ sử dụng dịch vụ ngày càng cao hơn, thuê bao có thể sử dụng nhiều ứng dụng
tốt trên nền tảng thiết bị di động thông minh (smartphone). Nhu cầu đòi hỏi đó là tất yếu khi
trình độ tri thức của con người ngày càng phát triển, xã hội ngày một tiến bộ, kinh tế tri thức
với nền tảng hạ tầng công nghệ thông tin tiên tiến đã đi sâu vào cuộc sống xã hội. Do đó,
mạng điện thoại di động thế hệ thứ 4 (4G) ra đời là tất yếu để đáp ứng được những nhu cầu
bức thiết của đời sống xã hội, của thuê bao. Đó cũng là sự phát triển theo trình tự logic tất
yếu từ mạng di động thế hệ thứ nhất (1G) tới mạng di động thế hệ thứ 2 (2G), mạng di động
thệ hệ thứ 3 (3G) và mạng di động thế hệ thứ 4 (4G). Mạng di động 4G là sự kế thừa những

ưu điểm vượt trội của các mạng di động thế hệ trước và bổ sung cho mình những ưu điểm
tốt hơn để đáp ứng được đòi hỏi của xã hội và thuê bao trong xu thế toàn cầu hóa và kết nỗi
thông tin nhanh ở khắp mọi nơi trên thế giới.
Một số ưu điểm của mạng thế hệ 4G đó là băng thông rộng hơn và hiệu quả sử dụng
băng thông tốt hơn, chất lượng dịch vụ tốt và vùng phủ rộng, tốc độ truyền dữ liệu cao và ổn
định có thể truyền dữ liệu cho các dịch vụ đòi hỏi độ nét cao, tích hợp các thiết bị ở nhiều
phân lớp khác nhau trên nền tảng công nghệ chuyển mạch gói IP. Vận hành dễ dàng và triển
khai mạng lưới nhanh, hiệu quả, tiết kiệm chi phí. Qua phân tích ở trên ta có thể thấy rằng
thế hệ 4G phù hợp với xu thế phát triển của mạng di động tại Việt Nam, điều đó cũng thôi
thúc các nhà vận hành mạng nghiên cứu công nghệ, làm chủ công nghệ và sớm đưa mạng di
động thế hệ 4G vào phục vụ người sử dụng trong tương lai.
2. Lịch sử nghiên cứu
Lịch sử hình thành nghiên cứu mạng LTE (4G) là dựa vào các kiến thức đã nghiên cứu
từ thế hệ mạng 2G, mạng 3G, các kiến thức thực tế, kinh nghiệm làm việc, kĩ năng công
việc để kế thừa và tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện mạng 4G.
Từ xu thế phát triển tất yếu của công nghệ mạng di động dẫn tới sự thôi thúc việc làm
chủ cộng nghệ, cập nhật những kiến thức mới để phục vụ cho việc quy hoạch, thiết kế vận
hành, triển khai, giám sát và tối ưu hóa mạng di động LTE trong tương lai.
3. Mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

12


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

Từ các lập luận ở trên, thì nhiệm vụ của luận văn tốt nghiệp sẽ phân tích rõ các đặc điểm
kĩ thuật, các ưu điểm của mạng 4G, các thuật toán quan trọng, sơ đồ cấu trúc, chức năng
thiết bị, cơ chế tổ chức kênh truyền qua giao diện vô tuyến và cơ chế cấp phát kênh… Đặc
biệt sẽ tìm hiểu rõ về thuật toán quan trọng của mạng di động thế hệ 4G là thuật toán chuyển
giao (HO) để giúp bản thân em và các bạn đọc có sự hiểu biết sâu về mạng di động 4G.

Phạm vi nghiên cứu là các tài liệu theo tiêu chuẩn 3GPP, các bài thuyết trình của các học
giả nổi tiếng, các quy trình và hướng dẫn vận hành của các nhà mạng đã có kinh nghiệm
khai thác mạng LTE.
4. Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới
Để giải quyết được các vấn đề nêu trên thì em cấu trúc luận văn thành 03 phần, cụ thể:
 Chương 1: Giới thiệu công nghệ và đặc điểm kĩ thuật của mạng LTE (4G).
 Chương 2: Phương thức chuyển giao trong mạng LTE (4G).
 Chương 3: Tương lai sử dụng công nghệ LTE trên thế giới và ứng dụng công nghệ
LTE ở Việt Nam.
Luận văn cũng giúp em phân tích sâu hơn về thuật toán HO các thống số quan trọng của
nó, giúp cho các bạn đọc có thể hiểu và sử dụng tốt thuật toán HO trong quá trình khai thác
và tối ưu mạng LTE. Luận văn cũng cấp được các luận cứ của bản thân để thấy rõ được tính
cấp thiết triển khai mạng LTE tại Việt Nam trong tương lại gần. Và luận văn cũng đưa ra
các bước triển khai cơ bản mạng LTE bạn đọc có thể tham khảo (chương 2, chương 3).
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu các tài liệu từ sách báo, giáo trình, hướng dẫn, luận văn tốt nghiệp, bài
thuyết trình của các học giả nổi tiếng để có được lý thuyết cơ bản nhằm làm rõ các vấn đề
của đề tài.
Nghiên cứu các tài liệu theo tiêu chuẩn 3GPP và từ các kinh nghiệm về việc triển khai
mạng di động thế hệ 2G, 3G để làm rõ các vấn để lý thuyết phù hợp với thực tế.
Phương pháp luận kết hợp lý thuyết đi kèm với hình vẽ để bạn đọc có thể hiểu một cách
dễ dàng hơn về các vấn đề đưa ra trong luận văn.

13


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ VÀ CÁC ĐẶC ĐIỂM KĨ THUẬT
CỦA MẠNG LTE (4G)

Chương này đưa ra một cách nhìn xuyên suốt về sự hình thành và phát triển của 3GPP
Long Term Evolution như là công nghệ mạng di động thế hệ thứ 4 (4G) và giải thích các
khái niệm chính được sử dụng trong mạng LTE. Do độ dài của luận văn là giới hạn nên
chương này chỉ cung cấp ngắn gọn các mục về tiến trình phát triển của LTE và các đặc điểm
kĩ thuật chính của nó, tập trung vào các mục liên quan đến HO. Mô tả chi tiết hơn của mạng
LTE được đưa ra theo tài liệu [3].
Nội dung của chương này bao gồm: Phần 1 giới thiệu về mạng LTE và tiến trình hình
thành và phát triển của nó. Sau đó phần 2 giới thiệu cấu trúc mạng LTE, sơ đồ vật lý, các
node mạng để hiểu rõ hơn về các phần tử mạng sẽ tham gia vào quá trình HO. Phần 3 giới
thiệu về mạng IP core nơi sẽ quyết định việc HO. Phần 4 giới thiệu về giao diện vô tuyến cơ
bản của mạng LTE với các kênh vô tuyến tham gia vào quá trình HO.
1.1.

Giới thiệu về mạng LTE:

1.1.1. Tiến trình phát triển của mạng di động:

Hình 1.1. Tiến trình phát triển của mạng di động [3]
Nhìn sơ đồ ta thấy mạng di động phát triển theo trình tự từ thế hệ 2G  2.5G  3G 
Evolved 3G. Sự phát triển của mạng di động tương ứng với sự phát triển của tốc độ truyền
dữ liệu và tích hợp nhiều dịch vụ trên nền tảng mạng di động.
14


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

Các Release (phiên bản) 3GPP tương ứng của mạng di động là:






R99, R4 cho mạng 3G phase 1.
R5, R6 cho mạng Evolved 3G-HSDPA và HSUPA.
R7 cho mạng 3G-HSPA+.
R8 cho mạng 4G-LTE.

1.1.2. Phiên bản R99:
Mạng UMTS/WCDMA được phát minh ban đầu như một hệ thống dựa trên chuyển
mạch kênh và không phù hợp tốt với lưu lượng dữ liệu dựa trên gói IP. Khi hệ thống UMTS
được phát hành và triển khai, sự cần thiết cho khả năng dữ liệu gói tốt hơn trở lên rõ ràng,
đặc biệt với xu hướng tăng nhanh chóng theo hướng dịch vụ dữ liệu gói kiểu Internet nó là
sự bùng nổ cụ thể trong thực tế. Mạng này hỗ trợ cơ chế Cell-DCH và tốc độ điển hình
384kbps.
Release 5: Phiên bản này bao gồm phần mạng lõi của dịch vụ HSDPA. Nó cung cấp sự
hỗ trợ gói dữ liệu đường xuống, giảm trễ, tốc độ dữ liệu thô đạt 14 Mbps (bao gồm tải trọng,
các giao thức, hiệu chỉnh lỗi…) và giữ việc tăng dung lượng toàn bộ nhiều hơn khoảng ba
lần so với tiêu chuẩn 3GPP UMTS Release 99.
Release 6: Phiên bản này bao gồm mạng lõi của HSUPA. Nó cung cấp sự hỗ trợ gói dữ
liệu đường lên, giảm trễ, cải thiện tốc độ đường lên. Tốc độ đường lên thô đạt 5.76 Mbps và
giữ việc tăng dung lượng nhiều hơn khoảng hai lần so với tiêu chuẩn 3GPP UMTS Release
99. Cũng trong phiên bản này là dịch vụ Multimedia Broadcast Multicast Services (các dịch
vụ quảng bá đa phương tiện), nó cung cấp sự cải thiện các dịch vụ quảng bá như Mobile
TV.
Release 7: Phiên bản này của tiêu chuẩn 3GPP bao gồm sự vận hành tính năng MIMO
đường xuống cũng như hỗ trợ điều chế trật tự cao hơn lên tới 64 QAM ở đường lên và 16
QAM ở đường xuống. Tuy nhiên, nó chỉ cho phép sử dụng hoặc MIMO hoặc điều chế trật
tự cao hơn. Phiên bản này cũng giới thiệu các sự tiến bộ của giao thức để cho phép hỗ trợ
Continuous Packet Connectivity (kết nối gói liên tục).
Release 8: Phiên bản này của tiêu chuẩn 3GPP định rõ vận hạnh hai sóng mang (dual

carrier) cũng như cho phép vận hành đồng thời các sơ đồ điều chế trật tư cao và MIMO.
Thêm vào đó, tiềm năng được cải thiện để giữ nó trong lộ trình với yêu cầu nhiều các ứng
dụng mới được sử dụng.

15


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

Hình 1.2. Bảng thiết bị LTE – các mục UE của Release 8 (LTE)
1.1.3. UTRAN:

Hình 1.3. Sơ đồ vật lý tổng quan của mạng 3G [2]
Trong mạng UMTS, phân mạng UTRAN đươc tạo bởi các RNC, các Node B và các giao
diện định rõ. Một RNC trong mạng UMTS (3G) tương đương với BSC trong mạng GSM
(2G), nhưng RNC có nhiều chức năng hơn. Một trong số những sự khác biệt chính giữa
mạng UMTS và GSM là mạng UMTS có giao diện Iur để giao tác kết nối các RNC. Giao
16


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

diện thêm này cho phép các RNC thông tin với các RNC khác, cho phép soft – handover
(điều này không có trong mạng GSM).
Sự khác biệt khác giữa mạng UMTS và GSM là một vài thủ tục Mobility Management
(MM) được chuyển tới RNC từ mạng core, cho phép phân mạng UTRAN khởi phát tìm gọi.
RNC có khả năng điều khiển nhiều hơn qua một nhóm cell và chức năng này cho phép softhandover.
a) Mạng core:
Mạng core được phân chia thành hai miền chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Một
thành phần của chuyển mạch kênh là Mobile services Switching Centre (MSC), Visitor

Location Register (VLR), và Gateway MSC. Các thành phần của chuyển mạch gói là
Serving GPRS Support Node (SGSN) và Gateway GPRS Support Node (GGSN). Một vài
thành phần mạng, như Equipment Identity Register (EIR), Home Location Register (HLR),
Visitor Location Register (VLR) và Authentication Centre (AuC) được chia sẻ bởi cả 02
miền chuyển mạch.
Các chức năng của RNC bao gồm:











Radio Resource Control (điều khiển nguồn tài nguyên vô tuyến).
Admission Control (điều khiển sự đăng nhập).
Channel Allocation (ấn định kênh).
Load Control (điều khiển tải).
Handover Control (điều khiển chuyển giao).
Macro Diversity (phân tập lớn).
Ciphering (mã mật).
Segmentation/Reassembly (phân đoạn/tái hợp.
Broadcast signalling (báo hiệu quảng bá).
Open Loop Power Control (điều khiển công suất vòng hở).

17

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

Hình 1.4. Chế độ R99_Cell-DCH [3]

Hình 1.5. Chế độ R99_Cell-FACH [3]
b) Các trạng thái của UE:
Các trạng thái của UE trong mạng UMTS bao gồm RRC Idle và RRC connected.
Trong đó RRC Idle bao gồm Idle mode. RRC connected bao gồm: Cell – DCH, Cell –
FACH, Cell – URA (URA_PCH), Cell – PCH.

18


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

Hình 1.6. Các trạng thái của UE [2]
c) LTE luôn hoạt động:
LTE luôn ở trạng thái hoạt động, điều này sẽ cải thiện thông số Round Trip Time (RTT).
Trong khi phiên bản R99 sẽ thất bại khi quay lại trạng thái Cell – URA/Cell – PCH.

Hình 1.7. Các trạng thái của LTE [3]
Sự tồn tại chung với các hệ thống và các tiêu chuẩn kế thừa. Người sử dụng LTE có thể
tạo cuộc gọi thoại từ từ máy đầu cuối của họ và truy nhập tới các dịch vụ dữ liệu cơ bản mặc
dù lúc đó các thuê bao đang ở trong vùng không có sóng mạng LTE. Do đó, mạng LTE cho
phép chuyển giao dịch vụ nguyên trạng, phẳng trong các vùng của vùng phủ HSPA,
WCDMA hoặc GSM/GPRS/EDGE. Hơn thế nữa, LTE/SAE hỗ trợ không những chuyển
giao trong hệ thống và liên hệ thống, mà còn chuyển giao liên miền giữa các phiên chuyển
mạch gói và chuyển mạch kênh.
1.1.4. Các dịch vụ 3G và các lớp QoS:

Mỗi một ứng dụng tạo ra các yêu cầu khác nhau cho các lớp QoS khác nhau.

19


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

Hình 1.8. Các dịch vụ 3G và các lớp QoS [2]
Trong mạng UMTS, 04 lớp Quality of Service (QoS) đã được định rõ:
Lớp thoại là lớp QoS cho các dịch vụ thời gian thực nhạy cảm với trễ như dịch vụ điện
thoại.
Lớp luồng dữ liệu cũng được quan tâm như một lớp QoS thời gian thực. Nó cũng nhạy
cảm vơi trễ, nó mang lưu lượng, nó nhìn nhận như thời gian thực tới người sử dụng là con
người. Một ứng dụng cho lớp QoS luồng dữ liệu là luồng âm thanh, ở các file music được
tải xuống tới máy thu. Có thể xảy ra việc ngắt quãng trong quá trình truyền dữ liệu, nó
không tác động đến người sử dụng ứng dụng, dù thời gian dài vẫn có đủ dữ liệu rời bộ đệm
của thiết bị thu để cung cấp ứng dụng nguyên khối.
Lớp tương tác là lớp thời gian không thực. Nó được sử dụng cho các ứng dụng với sự
nhạy cảm trễ giới hạn (gọi là các ứng dụng tương tác). Nhưng có nhiều ứng dụng trên mạng
internet vẫn có sự cưỡng ép, như http, ftp, telnet, and smtp. Một sự phản hồi tới một yêu cầu
được mong đợi trong chu kì thời gian định rõ. Đó là QoS đã đề nghị bởi lớp tương tác.
Lớp nền tảng là lớp QoS thời gian không thực cho các ứng dụng nền tảng, nó không
nhạy cảm với trễ. Ví dụ các ứng dụng là email và tải xuống file.
1.1.5. HS-PDSCH (kênh chia sẻ đường xuống vật lý tốc độ cao):

20


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

Hình 1.9. Nguyên tắc cơ bản của R5 [3]
1.1.6. Các đặc điểm kĩ thuật của dịch vụ HSDPA (R5):
Dịch vụ HSDPA (R5) có các đặc điểm nổi bật và thêm so với dịch vụ R99 thông thường
để có thể đáp ứng được tốc độ truyền dữ liệu cao hơn , cụ thể các đặc điểm ta quan sát ở
bảng dưới:

Hình 1.10. Các đặc điểm kĩ thuật của dịch vụ HSDPA [3]

21


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

1.1.7. HSUPA:

Hình 1.11. Nguyên tắc cơ bản của R6 [3]
 Các tốc độ bit lớp vật lý (Physical Layer) của dịch vụ HSDPA (R5) và HSUPA
(R6).
Tiêu chuẩn của 3GPP_R5 giới thiệu các tốc độ bit đường xuống nâng cao với công nghệ
HSDPA (High Speed Downlink Packet Access). Sơ đồ điều chế trật tự cao hơn (16-QAM)
dẫn tới tốc độ bit cao hơn trong cùng band tần sử dụng.
HSDPA (R5) tốc độ bit lý thuyết lớn nhất đạt 14.4 Mbps, khả năng khởi phát tốc độ bit
đạt từ 1.8  3.6 Mbps.

HSUPA (R6) tốc độ bit lý thuyết lớn nhất đạt 5.76 Mbps, khả năng khởi phát tốc độ bit
đạt từ 1.46 Mbps.

22

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

TTI (Transmission Time Interval) của kênh HS-DSCH có thể là 2ms, 10ms, 20ms, 40ms
hoặc 80ms.
1.1.8. Dịch vụ HSPA+ (R7):
Các chức năng quan trọng của dịch vụ HSPA+ (R7) là:





MIMO (Multiple Input Multiple Output) đường xuống.
Điều chế trật tự cao cho cả đường lên và đường xuống.
Sự cải tiến ở các giao thức lớp 2.
CPC (Continuous Packet Conectivity) cho phép trạng thái luôn bật “always - on”
hoạt động hiệu quả.
 Tốc độ dữ liệu lớn nhất với HSPA+ là 28 Mbps ở đường xuống và 11.5 Mbps ở
đường lên.
 Sử dụng các kĩ thuật Antenna 2x2 MIMO (Multiple - Input Multiple – Output) và
16QAM (Quadrature Amplitude Modulation).

Hình 1.12. Công nghệ MIMO và 16 QAM của dịch vụ HSPA+ [3]
 Tuy nhiên, HSPA+ có thể đạt tới tốc độ dữ liệu tăng thêm lên tới 42 Mbps ở đường
xuống và 23 Mbps ở đường lên, sử dụng công nghệ 2x2 MIMO và 64 QAM.

23


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

Hình 1.13. Công nghệ MIMO và 64 QAM của dịch vụ HSPA+ [3]
1.1.9. Lộ trình nâng cấp tới mạng LTE:
Chúng ta nhất thiết phải lựa chọn một lộ trình nâng cấp hệ thống thông tin di động sử
dụng công nghệ LTE.
LTE (Long Term Evolution) mô tả các tiêu chuẩn hóa bởi 3GPP (3 Generation
Partnership Project) để định nghĩa một phương pháp truy nhập mạng vô tuyến tốc độ cao
mới cho các hệ thống thông tin di động. LTE là bước phát triển tiếp theo của lộ trình mạng
di động và nó được gọi là hệ thống thông tin di động thế hệ 4G.
Quá trình phát triển mô tả: 2G  R99 (3G)  R5  R6  HSPA+ (DL: 42Mbps) 
LTE (Bandwidth: 20MHz, DL: 300Mbps, UL: 75Mbps).
Hệ thống LTE là hệ thống của tương lai đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của thuê
bao di động cả về chất lượng dịch vụ và tốc độ bit. Gần một thập kỉ từ khi bắt đầu khai
trương mạng 3G/UMTS, công nghệ tế bào luôn phải tính đến việc đầu tư thêm tài nguyên
cho phần truy nhập vô tuyến (radio access) và phần mạng lõi (core) của nó. Nguyên nhân là
vì bối cảnh thị trường thay đổi, yêu cầu của người sử dụng tăng liên tục. Trong thế giới
mạng cố định (ADSL), kết nối băng rộng bây giờ là điều kiện tiên quyết với đa tốc độ đạt
tới Mbps sẵn có với chi phí hợp lý cung cấp tới khách hàng và người dùng thương mại qua
DSL (Digital Subscriber Line) và các kết nối cable. Đó là thách thức lớn cho sự phát triển
của mạng di động với kết nối không dây qua giao diện vô tuyến.
1.1.10.Tổng quan về mạng LTE (4G) – phiên bản R8:
a. Đối với mạng LTE (4G) bỏ mào đầu (overhead):
Mục tiêu tốc độ dữ liệu cao nhất là 100 Mbps đường xuống (downlink) và 50 Mbps
đường lên (uplink) cho độ rộng băng ấn định là 20MHz, sử dụng 02 Antenna thu và 01
Antenna phát tại đầu cuối.

24


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội/Viện đào tạo sau Đại học

Hình 1.14. Cơ chế thu/phát của mạng LTE [3]
Kết quả của các tính năng giao diện vô tuyến này được cải thiện một cách có ý nghĩa
hoạt động vô tuyến, dung lượng lên tới gấp 05 lần dung lượng (throughput) trung bình của
HSPA. Các tốc độ dữ liệu cao nhất downlink được mở rộng lên tới tốc độ lớn nhất theo lý
thuyết 300 Mbps/phổ tần 20MHz. Tương tự, tốc độ đường lên theo lý thuyết LTE có thể đạt
75 Mbps/phổ tần 20 MHz, với lý thuyết hỗ trợ cho ít nhất 200 thuê bao hoạt động trên cell ở
băng thông 5 MHz.
Latency (RTT) giảm: Bằng cách giảm RTT (round-trip time) tới 10ms hoặc ít hơn (so
sánh với giá trị 40  50ms của HSPA) LTE phân phát một sự phản hồi nhanh hơn mà
người sử dụng có thể trải nghiệm. Sự cải tiến này cho phép các dịch vụ thời gian thực, tương
tác như âm thanh chất lượng cao/hội nghị truyền hình và game nhiều người chơi hoạt động
tốt.
b. Đối với mạng LTE chú trọng tới mào đầu (overhead):
Mục tiêu tốc độ dữ liệu cao nhất có thể đạt 300 Mbps đường xuống, ấn định phổ tần
20MHz, sử dụng 04 antenna thu và 04 antenna phát tại đầu cuối.

Hình 1.15. Cơ chế thu/phát của mạng LTE chú trọng tới mào đầu [3]
R8-LTE có thể sử dụng băng tần số bất cứ với độ rộng băng thông từ 1.4MHz tới
20MHz. Các trường hợp sử dụng băng thông khác nhau là:
 Độ rộng băng thông 1.4 MHz: Tốc độ bit khoảng 3.2 Mbps, 01 antenna phát,
không chú ý tới các mào đầu.

25