NGHIÊN cứu kỹ THUẬT tự tối ưu RONG MẠNG THÔNG TIN DI DỘNG LTE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

PHẠM THẾ HOÀN

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TỰ TỐI ƯU RONG
MẠNG THÔNG TIN DI DỘNG LTE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2014


2
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

PHẠM THẾ HOÀN

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TỰ TỐI ƯU RONG
MẠNG THÔNG TIN DI DỘNG LTE
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số

: 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. TRỊNH QUANG KHẢI

HÀ NỘI - 2014

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC
Họ và tên học viên: Phạm Thế Hoàn

Năm sinh: 28/01/1988

Cơ quan công tác: Công Ty Cổ Phần Viễn Thông FPT

Khoá: 20.2

Ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 60.52.02.08

Cán bộ hướng dẫn: TS. Trịnh Quang Khải

Bộ môn: KTVT

1. Tên đề tài luận văn:
Nghiên cứu kỹ thuật tự tối ưu trong mạng thông tin di động LTE
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài:
Kỹ thuật tự tối ưu trong mạng di động LTE đã được nghiên cứu thử nghiệm
trên thế giới, phát triển và chuẩn hóa bởi 3GPP.
3. Phương pháp nghiên cứu và kết quả đạt được:
Phân tích những kỹ thuật tự tối ưu và phương pháp áp dụng cho mạng
LTE, từ đó xem xét, giải quyết những khó khăn xảy ra khi triển khai, vận hành
mạng LTE như vấn đề về vùng phủ, chuyển giao, năng lượng.
4. Điểm bình quân môn học:

Điểm bảo vệ luận văn:

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

Ngày 10 tháng 01 năm 2015
Học viên

TS. Trịnh Quang Khải
Xác nhận của Bộ môn KTVT

Phạm Thế Hoàn


4

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn: "Nghiên cứu kỹ thuật tự tối ưu trong mạng
thông tin di động LTE" là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2015
Học viên

Phạm Thế Hoàn


5
LỜI CẢM ƠN
Trải qua một thời gian dài nỗ lực học tập và nghiên cứu, để đi đến được
kết quả như ngày hôm nay em đã được rất nhiều sự giúp đỡ của gia đình,
thầy cô và các bạn.
Qua đây em xin được gửi lời cảm ơn chân thành với lòng biết ơn sâu

sắc tới thầy giáo TS. Trịnh Quang Khải, người đã hết lòng giúp đỡ em hoàn
thành luận văn này.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các Thầy (Cô) trong khoa Điện Điện tử và Phòng Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Giao thông vận tải đã
tận tình truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá
trình học tập nghiên cứu, hoàn thành luận văn.
Cuối cùng, em xin gửi lời cám ơn đến gia đình và những người bạn đã
luôn động viên, ủng hộ và giúp đỡ em trong suất quá trình học tập và hoàn
thành Luận văn này.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng để hoàn thành luận văn bằng tất cả sự
nhiệt tình và khả năng của mình, tuy nhiên luận văn không thể tránh khỏi
những thiếu sót và hạn chế. Kính mong nhận được sự chia sẻ và đóng góp ý
kiến của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp.
Trân trọng cảm ơn.


6
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Thuật
ngữ viết
tắt
3GPP
ASE
AN
ANR
AS
AuC
BCCH
BCH
BSC
BTS

CCCH
CDMA
CN
COC
COD
CP
CRC
CS
DHCP
DLSCH
EDGE
ENodeB
EPC
EUTRAN
FDMA

Tiếng Anh
3rd Generation
Partnership Project
Advanced Encryption
Standard
Access Network
Automatic Neighbor
Relation
Access Stratum
Authentication Center
Broadcast Control
Channel
Broadcast Channel
Base Station Control

Base Tranceiver Station
Common Control
Channel
Code Division Multiple
Access
Core Network
Cell Outage
Compensation
Cell Outage Detection
Control Plane
Cyclic Redundancy
Check
Circuit Switching
Dynamic Host
Configuration Protocol
Downlink Shared
Channel
Enhanced Data Rates for
GSM Evolution
Evolved Node B
Evolved Packet Core
Evolved UTRA
Frequency Division

Ý nghĩa
Tổ chức chuẩn hóa các công
nghệ mạng thông tin di động tế
bào
Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến
Mạng truy nhập

Chức năng tự động liên kết cell
lân cận
Tầng truy nhập
Trung tâm xác thực
Kênh điều khiển quảng bá
Kênh quảng bá
Trung tâm điều khiển trạm gốc
Trạm thu phát sóng di động
Kênh điều khiển chung
Đa truy nhập phân chia theo
mã
Mạng lõi
Vùng phủ của cell bị sự cố
Phát hiện cell bị sự cố
Mặt phẳng điều khiển
Kiểm tra lỗi vòng
Chuyển mạch kênh
Giao thức cấu hình host tĩnh
Kênh chia sẻ kết nối đường
xuống
Công nghệ mạng di động nâng
cấp từ GPRS
NodeB được cải tiến
Mạng lõi gói cải tiến
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
UMTS được cải tiến
Đa truy nhập phân chia theo


7

GGSN

Multiple Access
Gateway GPRS Support
Node

GTP

GPRS Tunel Protocol

HARQ

Hybrid Automatic Repeat
reQuest
Home Location Register

HLR
Handov
er
HSDPA
HSPA

Handover
High Speed Downlink
Packet Access
High Speed Packet
Access
Home Subscriber Server

HSS
IP Multimedia Subsystem
IMS
LB

Load Balancing

LTE

Long Term Evolution
Medium Access Control

MAC
MIMO
MISO
MME
MSC
NAS
OAM
OFDM
OFDM
A

tần số
Cổng trao đổi dữ liệu giữa
mạng GPRS và mạng dữ liệu
gói
Giao thức đường hầm GRPS
Sự kết hợp của mã hóa sửa lỗi
trước FEC và điều khiển lỗi

ARQ cho các lỗi phát hiện
được nhưng không sửa được
Khối đăng ký định vị thường
trú

Multi-Input Multi-Output
Multi-Input SingleOutput
Mobility Management
Entity
Mobile Services
Switching Centre
Non Access Stratum
Operations,
Administration and
Maintenance
Orthogonal Frequency
Division Multiplexing
Orthogonal Frequency
Division Multiplexing
Access

Chuyển giao di động
Truy nhập mạng gói đường
xuống tốc độ cao
Truy nhập mạng gói tốc độ cao
Máy chủ quản lý thuê bao
thường trú
Phân hệ đa phương tiện trên nền
IP
Cân bằng tải

Phát triển dài hạn của công
nghệ mạng UMTS
Điều khiển truy nhập môi
trường
Đa đầu vào đa đầu ra
Đa đầu vào đơn đầu ra
Thực thể quản lý di động
Trung tâm chuyển mạch di
động
Tầng không truy nhập
Vận hành, quản lý và bảo
dưỡng
Ghép kênh phân chia theo tần
số trực giao
Đa truy nhập phân chia theo
tần số trực giao


8
PCCH
PCH
PDN
P-GW
PHY

Physical Control Channel
Physical Channel
Packet Data Network
Packet-Gateway
Physical Layer

PMIP

Proxy Mobile IP

PS
QoS
RACH
RAT

Packet Switch
Quality of Service
Random Access Channel
Quality of Service
Radio Network
Controller
Radio Network
Subsystem
Radio Resource
Management
System Architecture
Evolution
Single Carrier Frequency Division
Multiple Access
Serving GPRS Support
Node
Single Input Multiple
Output
Single Input Single
Output

Serving Gateway
Session Initiation
Protocol
Self Organization
Network
Timing Advance
Time Division Multiple
Access
Terminal Equipment
User Equipment
Universal Mobile
Telecommunications
System

RNC
RNS
RRM
SAE
SCFDMA
SGSN
SIMO
SISO
S-GW
SIP
SON
TA
TDMA
TE
UE
UMTS

Kênh điều khiển vật lý
Kênh vật lý
Mạng dữ liệu gói
Cổng mạng dữ liệu gói
Lớp vật lý
Giải pháp tiêu chuẩn xử lý tính
di động đầu cuối giữa các
mạng con IP
Chuyển mạch gói
Chất lượng dịch vụ
Kênh truy nhập ngẫu nhiên
Công nghệ truy nhập vô tuyến
Khối điều khiển mạng vô
tuyến
Phân hệ mạng vô tuyến
Quản lý tài nguyên vô tuyến
Sự phát triển kiến trúc hệ
thống
Đa truy nhập phân chia theo
tần số đơn sóng mang
Nút GRPS phục vụ
Đơn đầu vào đa đầu ra
Đơn đầu vào đơn đầu ra
Cổng phục vụ
Giao thức khởi tạo phiên
Mạng tự tổ chức
Vùng bám
Đa truy nhập phân chia theo
thời gian

Thiết bị đầu cuối
Thiết bị người dùng
Hệ thống viễn thông di động
toàn cầu


9
UP
UTRAN
VLR
VoIP

User Plane
UMTS Terrestrial Radio
Access Network
Visitor Location Register
Voice Over IP

Mặt phẳng người dùng
Mạng truy nhập vô tuyến mặt
đất UMTS
Khối đăng ký định vị tạm trú
Thoại trên nền IP

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ


10

MỤC LỤC

11
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngay từ khi ra đời cho đến nay, thông tin di động đã trở thành một ngành công
nghiệp viễn thông phát triển nhanh và đáp ứng ngày càng tốt hơn nhu cầu liên lạc
của con người. Công nghệ thông tin di động được chia thành nhiều thế hệ và không
ngừng phát triển từ 1G, 2G lên 3G…Tuy nhiên thị trường viễn thông ngày càng mở
rộng cho thấy rõ những hạn chế về tốc độ số liệu, độ trễ, dung lượng, băng thông mà
3G HSPA không thể đáp ứng được. Trong nỗ lực khắc phục những vấn đề của 3G,
mạng di động thế hệ tiếp theo LTE đã được nghiên cứu thử nghiệm và triển khai.
Cũng như các mạng viễn thông khác, LTE cũng được kiểm soát bởi một hệ
thống quản lý, hệ thống này có chức năng như: Thiết lập các thông số cho các phần
tử mạng hoạt động, quản lý phần mềm, phát hiện và sửa lỗi trong khi vận hành... Khi
sử dụng một hệ thống như trên, nhà điều hành mạng có thể tự cấu hình, tối ưu hóa tất
cả các trạm gốc ở trong mạng truy nhập và bất kỳ thành phần nào của mạng lõi. Tuy
nhiên, quá trình này yêu cầu phải thực hiện thủ công, chính vì thế sẽ mất nhiều thời
gian, tốn kém là dễ phát sinh lỗi.
Mặt khác nếu mạng LTE tiếp tục lộ trình theo phương thức truyền thống của
mạng 3G sẽ có rào cản lớn về kỹ thuật đối với các nhà mạng trong triển khai, vận
hành, khiến cho việc tiếp cận những tiện ích vượt trội của mạng di động thế hệ tiếp
theo ngày càng khó khăn với người dùng. Do vậy phải có kỹ thuật phá bỏ những rào
cản này.
Để giải quyết vấn đề này, 3GPP đã giới thiệu một kỹ thuật mới với tên gọi là
“kỹ thuật tự tối ưu” và ứng dụng kỹ thuật này cho mạng LTE.
Xuất phát từ những yêu cầu cấp thiết trên, đề tài này sẽ nghiên cứu về mạng tự
tối ưu và trên cơ sở đó ứng dụng công nghệ này cho các phiên bản R8, R9, R10.
2. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Kỹ thuật tự tối ưu trong mạng di động LTE đã được nghiên cứu thử nghiệm trên

thế giới, phát triển và chuẩn hóa bởi 3GPP.
3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài


12
Phân tích những kỹ thuật tự tối ưu và phương pháp áp dụng cho mạng LTE, từ
đó xem xét, giải quyết những khó khăn xảy ra khi triển khai, vận hành mạng LTE.
4. Phương pháp nghiên cứu
Tổng quan các công trình nghiên cứu và triển khai ứng dụng mạng LTE, kỹ thuật
tự tối ưu. Áp dụng vào thực tiễn mạng viễn thông trên thế giới. Đề xuất lộ trình triển
khai mạng di động LTE áp dụng kỹ thuật tự tối ưu tại Việt Nam.
5. Kết cấu của luận văn
Chương 1: Tổng quan công nghệ LTE.
Chương 2: Kỹ thuật tự tối ưu
Chương 3: Ứng dụng của kỹ thuật tự tối ưu trong mạng LTE.

CHƯƠNG 1


13
TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE
Chương này tập trung giới thiệu cái nhìn bao quát về lộ trình phát triển hệ
thống thông tin di động thế hệ trước đến LTE. Những ưu điểm, nhược điểm, yêu
cầu cấp thiết khi triển khai và vận hành hệ thống LTE.
1.1. Sự phát triển của các hệ thống thông tin di động
Trong những năm gần đây, công nghệ không dây là chủ đề được nhiều chuyên
gia quan tâm trong lĩnh vực máy tính và truyền thông. Trong thời gian này công
nghệ này được rất nhiều người sử dụng và đã trải qua rất nhiều thay đổi. Quá trình
thay đổi thể hiện qua các thế hệ:
 Thế hệ không dây thứ nhất là thế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ

đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA).
 Thế hệ thứ 2 sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theo
thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA).
 Thế hệ thứ 3 ra đời đánh giá sự nhảy vọt nhanh chóng về cả dung lượng và
ứng dụng so với các thế hệ trước đó, và có khả năng cung cấp các dịch vụ
đa phương tiện gói.
 Thế hệ tiếp theo (LTE và LTE Advance) cho phép truyền tải dữ liệu với tốc
độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 cho đến 1.5 Gb/giây.
1.1.1. Hệ thống thông tin di dộng thế hệ thứ nhất
Hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ đa truy nhập theo tần số
(FDMA: Frenquency Division Multiple Access) là hệ thống tế bào tương tự dung
lượng thấp và chỉ có dịch vụ thoại, tồn tại là các hệ thống NMT ( Bắc Âu), TACS
( Anh ), AMPS ( Mỹ ).
Đặc điểm:
- Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến.
- Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể.
- BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS.
- Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản.
Tuy nhiên hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng


14
về cả dung lượng và tốc độ. Lúc này các nhà phát triển công nghệ di động trên thế
giới nhận định cần phải xây dựng một hệ thống tế bào thế hệ hai mà hoàn toàn sử
dụng công nghệ số. Vì các khuyết điểm trên mà nguời ta đưa ra hệ thống di dộng
thế hệ hai ưu điểm hơn thế hệ một về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp.
1.1.2. Hệ thống thông tin di dộng thế hệ thứ hai
Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ
hai được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên
công nghệ số.

Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ hai sử dụng điều chế số. Và chúng sử
dụng hai phương pháp đa truy nhập:
- Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA).
- Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA).
1.1.2.1. Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA
Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải
tần liên lạc này dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời
gian trong chu kỳ một khung. Các thuê bao khác dùng chung kênh nhờ cài xen
thời gian, mỗi thuê bao được cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung.
Đặc điểm:
- Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số.
- Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong đó
một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di động và
một băng tần được sử dụng để truyền tuyến hiệu từ máy di động đến trạm gốc. Việc
phân chia tần như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạt động cùng một
lúc mà không sợ can nhiễu nhau.
- Giảm số máy thu phát ở BTS.
- Giảm nhiễu giao thoa.
Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global
System for Mobile - GSM).
Máy điện thoại di động kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn kỹ thuật FDMA. Hệ


15
thống xử lý số đối với tín hiệu trong MS tương tự có khả năng xử lý không quá 106
lệnh trong một giây, còn trong MS số TDMA phải có khả năng xử lý hơn 50x106
lệnh trên giây.
1.1.2.2. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA
Thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử
dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi, mà

không sợ gây nhiễu lẫn nhau. Những người sử dụng nói trên được phân biệt với
nhau nhờ dùng một mã đặc trưng không trùng với bất kỳ ai. Kênh vô tuyến
CDMA được dùng lại mỗi ô (cell) trong toàn mạng, và những kênh này cũng
được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên (PN).
Đặc điểm:
- Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz.
- Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.
- Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường
hiệu quả hơn FDMA, TDMA.
- Việc các thuê bao MS trong ô dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền
dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không còn vấn đề, chuyển
giao trở thành mềm, điều khiển dung lượng ô rất linh hoạt.
Đến năm 1999, để tăng thông lượng truyền phục vụ nhu cầu truyền thông tin
trên mạng di động 2G, GPRS đã ra đời. GPRS đôi khi được xem như là 2,5G. Tốc
độ truyền data rate của GPRS đã cải tiến tốc độ tăng lên gấp 3 lần so với GSM, tức
là khoảng từ 20-30 Kbit/s. GPRS cho phép phát triển dịch vụ WAP và Internet
(email) tốc độ thấp. Tiếp theo sau đó, năm 2000, EDGE đã ra đời với khả năng cung
ứng tốc độ lên được 250 Kbit/s ( trên lý thuyết ). EDGE còn được biết đến như là
2,75G trên con đường tới 3G.

1.1.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba


16
Được thiết kế để cung cấp những dịch vụ băng rộng như truy cập Internet
tốc độ cao, video và truyền hình ảnh chất lượng cao… với chất lượng ngang
bằng với các mạng cố định. ITU – R đang tiến hành công tác tiêu chuẩn hóa cho
các hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000. Ở Châu Âu, ETSI tiến hành
chuẩn hóa phiên bản của hệ thống này với tên gọi UMTS. Cả IMT-2000 và
UMTS đều thống nhất sử dụng công nghệ WCDMA cho truy nhập giao diện vô

tuyến của mình.
Cung cấp rất nhiều loại hình dịch vụ bao gồm từ các dịch vụ thoại và số
liệu tốc độ thấp như hiện nay cho đến các loại dịch vụ số liệu tốc độ cao như:
video, truyền hình….
Tốc độ cực đại của người sử dụng lên tới tới 2Mbit/s. Tốc độ cực đại này sẽ
chỉ có ở các pico trong nhà, còn các dịch vụ với tốc độ 144Kbit/s sẽ được đảm
bảo cho di động thông thường ở các ô macro.
Những yêu cầu mới cho các hệ thống thế hệ thứ ba được liệt kê dưới đây :
- Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau :
+ Đường lên : 1885 – 2025 MHz
+ Đường xuống : 2110 – 2200 MHz
- Có tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến .
+ Tích hợp các thông tin hữu tuyến và vô tuyến.
+ Tương tác cho mọi loại dịch vụ viễn thông.
- Có khả năng truyền thông đa phương tiện, đảm bảo được tốc độ bit Rb của
người sử dụng đến 2Mbit/s. Môi trường được chia thành bốn vùng :
+ Vùng 1 : Trong nhà, ô pico có Rb ≤ 2 Mbit/s.
+ Vùng 2 : Thành phố, ô micro có Rb ≤ 384 Kbit/s.
+ Vùng 3 : Ngoại ô, ô macro có Rb ≤ 144 Kbit/s.
+ Vùng 4 : Toàn cầu có Rb ≤ 9,6 Kbit/s.
- Tăng dịch vụ chuyển mạch gói: Hệ thống thông tin thế hệ hai chỉ có phương
thức chuyển mạch kênh truyền thống, hiệu suất kênh tương đối thấp. Trong khi đó,
hệ thống thông tin di động thế hệ ba tồn tại đồng thời cả chuyển mạch kênh và


17
chuyển mạch gói.
- Tăng phương thức truyền tải không đối xứng. Do dịch vụ WWW có đặc
tính không đối xứng, truyền tải đường lên thường chỉ cần vài Kbit/s.
- Chất lượng truyền và chất lượng dịch vụ phải không thua kém chất lượng

dịch vụ mạng cố định, nhất là đối với thoại.
- Nâng cao tuổi thọ của ăc quy.
- Hiệu suất phổ tần cao hơn: Qua việc ứng dụng những kỹ thuật mới như
điều khiển công suất nhanh, chuyển giao mềm, hệ thống anten thông minh….
- Hiệu suất kênh cao hơn.[1]
Các hướng phát triển được minh họa như hình 1.1:

Hình 1.1: Các hướng phát triển lên mạng LTE
1.1.4. Hệ thống thông tin di động tiếp theo
Những kết quả đạt được của mạng LTE
Một số yêu cầu về kiến trúc được chuẩn 3GPP quy định cho LTE như sau:
-

Một hệ thống dựa trên cơ sở nền IP.
Kiến trúc phẳng cho đường truyền tải đã được tối ưu.
Tính mở cao của hệ thống.
Bảo mật mức cao với mạng truy nhập và mạng lõi.
Mô hình chất lượng dịch vụ (QoS) đơn giản.
Thời gian trễ giữa các Node mạng thấp.


18
- Đạt hiệu quả sử dụng vô tuyến cao.
- Khả năng tận dụng phổ linh hoạt.
- Hiệu quả cao về chi phí khi triển khai.
Một số tiêu chí trên sẽ đạt được bằng việc triển khai một kiến trúc phẳng
với số lượng Node mạng ít. Việc giảm số lượng Node giúp giảm thời gian trễ và
cải thiện chất lượng toàn mạng.
Việc phát triển theo hướng kiến trúc phẳng đã bắt đầu từ công nghệ HSPA+
(phiên bản 7 của 3GPP UMTS). Trong đó có định nghĩa đường hầm kết nối trực tiếp

cho phép kết nối của người dùng trực tiếp đến GGSN và bỏ qua SGSN. Đặc điểm
này sẽ giúp chuyển các chức năng của RNC xuống NodeB như hình 1.2 dưới đây:

Hình 1.2: Cấu trúc mặt phẳng qua các phiên bản LTE

Trong phiên bản 8 của chuẩn 3GPP dành cho LTE, những chỉ tiêu kỹ thuật theo
hướng nhắm đến chất lượng dịch vụ như sau:
LTE đưa ra tốc độ dữ liệu đường xuống lớn nhất là ~ 100MBps và hướng lên là
~ 50MBps với phổ 20MHz. Đặt được tốc độ này bằng việc triển khai công nghệ sử


19
dụng nhiều anten và công nghệ định hướng tín hiệu truyền nhận: tập trung năng
lượng chùm tín hiệu phát đến từng user theo từng gói tin (packet). Công nghệ
beamforming được thực hiện theo hai hướng thu và phát:
* Hướng thu: Tín hiệu phát sóng từ user (bao gồm tín hiệu đa đường
(multipath) từ các hướng khác nhau sẽ được tổng hợp bởi các anten và bộ thu để tạo
thành tín hiệu công hưởng mang lại tín hiệu thu tốt nhất tại NodeB.
* Hướng phát: Từ việc tính toán tín hiệu thu, NodeB điều khiển chùm tín hiệu
phát ra từ các anten theo các đường khác nhau để tín hiệu thu được tại user là cao
nhất.
- Bằng cách sử dụng các anten và bộ xử lý tín hiệu, NodeB tận dụng hiện tượng
đa đường (multi path) làm tăng chất lượng tín hiệu thay vì bị ảnh hưởng suy hao bởi
hiện tượng này theo như các cách thu phát truyền thống. Kỹ thuật Beamforming
được thực hiện theo từng gói tin cho từng user khác nhau và được xử lý nhờ chip
ASIC bên trong NodeB.
- LTE đưa ra việc sử dụng phổ linh hoạt, từ 1.4MHz đến 20MHz trong cả hướng
lên và hướng xuống.
- Với cấu trúc phẳng, kết nối người dùng sẽ qua 2 Node mạng -> giảm thời gian
trễ. Mạng LTE quy định thời gian trễ kết nối người dùng (từ khi gửi đến khi nhận

được gói tin phản hồi) < 5ms. Trễ kết nối điều khiển từ chế độ dừng sang chế độ hoạt
động < 100ms và từ chế độ chờ sang chế độ hoạt động <50ms.
- Trong việc truyền dẫn lưu lượng thoại, LTE đạt hiệu quả hơn so với GSM 10
lần với năng lực xử lý ~ 200 người dùng /cell với phổ tần 5MHz.
- LTE được tối ưu tính năng di động mạnh mẽ. Hỗ trợ tối ưu cho người dùng di
chuyển ở tốc độ 0-15km/h; cung cấp chất lượng tốt khi di chuyển tốc độ 15120km/h.
- Bảo mật mức cao cho mạng truy nhập và mạng lõi.
- Triển khai một kỹ thuật mới “ S1 Flex” giúp sử dụng hiện quả phổ tần vô
tuyến.


20
- Kết hợp được với các đặc tính của mạng SON để giảm chi phí đầu tư
(CAPEX) và chi phí vận hành (OPEX).[7]
1.2. Kiến trúc mạng và các kỹ thuật cơ bản trong LTE
1.2.1. Kiến trúc mạng

Hình 1.3: Kiến trúc mạng LTE
1.2.1.1. Mạng lõi gói cải tiến
Tương đương mạng lõi trong hệ thống GSM/UMTS, bao gồm các thực thể thể
hiện chức năng mạng lõi gồm các chức năng: Quản lý cuộc gọi thoại, quản lý cuộc
gọi dữ liệu, tính cước và các chức năng khác.
• Thực thể quản lý di động (MME)
Đây là “trái tim” của EPC, MME có trong các chức năng “định tuyến” liên quan
đến thuê bao và quản lý các phiên. MME cung cấp một đường định tuyến logic trực
tiếp đến thiết bị di động người dùng và được sử dụng như một kênh điều khiển cơ sở
giữa mạng và thiết bị người dùng, được minh họa như hình 1.4:


21

Hình 1.4: Vị trí thực thể MME trong EPC
MME là thực thể chịu trách nhiệm cho nguồn gốc của quá trình xác thực và
định vị thiết bị thiết bị người dùng khi lần đầu kết nối vào mạng. Để bảo mật cho
thiết bị người dùng, MME đăng ký cho mỗi thiết bị người dùng một nhận dạng tạm
thời gọi là “nhận dạng tạm thời duy nhất mang tính cục bộ GUTI”. GUTI sẽ loại bỏ
yêu cầu phải gửi IMSI của thiết bị người dùng trên các kênh vô tuyến. GUTI có thể
được cấp lại định kỳ và thay đổi để ngăn chặn quá trình bám không được xác thực
của thiết bị người dùng.
MME bám theo tất cả thiết bị người dùng trong vùng dịch vụ, bám trên
ENodeB nếu thiết bị người dùng đang kết nối và bám theo vùng nếu thiết bị người
dùng đang ở chế độ Idle.
MME cũng chịu trách nhiệm thiết lập tài nguyên cho thiết bị người dùng. MME
thực hiện bằng cách lấy mô tả về thiết bị người dùng từ “hệ thống máy chủ thuê bao
thường trú - HSS” và quyết định những kết nối với mạng dữ liệu gói tới thiết bị
người dùng tại điểm khởi tạo. MME thiết lập một cách tự động kết nối mặc định
bằng việc tạo cho thiết bị người dùng một kết nối IP cơ sở bao gồm báo hiệu định
tuyến kết nối với EnodeB và cổng kết nối phục vụ S-GW.
MME cũng tham gia điều khiển báo hiệu cho chuyển giao của thiết bị người
dùng giữa các ENodeB, cổng kết nối phục vụ S-GW và chuyển giao giữa các thực


22
thể MME. MME sẽ được kết nối với bất kỳ MME nào khác trong mạng và kết nối
với một số hệ thống máy chủ thuê bao thường trú, có thể phục vụ nhiều thiết bị
người dùng tại cùng một thời điểm.[7]
• Cổng kết nối phục vụ (S-GW)
S-GW gồm những chức năng chính trong quản lý đường định tuyến kết nối với
thiết bị người dùng, chuyển mạch và một số quá trình khác. S-GW không bao gồm
các hoạt động điều khiển định tuyến kết nối. S-GW chỉ nắm giữ tài nguyên của chính

nó và phân chia tài nguyên này dựa vào yêu cầu của MME, P-GW hay chức năng
tính cước và thiết lập chính sách (PCRF).
S-GW có thể sử dụng kết nối GTP hoặc giải pháp tiêu chuẩn xử lý tính di động
đầu cuối giữa các mạng con IP (PMIP) để truyền dữ liệu, đóng vai trò quyết định về
mặt di động trong quá trình chuyển giao giữa các ENodeB.
S-GW có thể kết nối đến bất kỳ P-GW nào trong hệ thống, trong khi P-GW
không thay đổi trong suốt quá trình “di động” thì S-GW có thể thay đổi. Với những
kết nối liên quan đến một thiết bị di động, S-GW luôn báo hiệu đến một MME và
các điểm định tuyến kết nối với một ENodeB. Nếu một thiết bị di động được cho
phép kết nối đến nhiều mạng chuyển mạch gói qua các cổng chuyển mạch gói khác
nhau, khi đó S-GW cần kết nối đến các P-GW khác nhau.

Hình 1.5: Vị trí cổng S-GW trong mạng LTE


23
• Cổng kết nối mạng dữ liệu gói (P-GW)
Là một bộ định tuyến nằm giữa EPS và mạng dữ liệu gói ngoại. P-GW hoạt
động như một phân tử di động mức cao nhất trong EPS và như một điểm kết nối IP
cho thiết bị người dùng. P-GW như một cổng truyền lưu lượng và có chức năng lọc
dữ liệu theo yêu cầu dịch vụ. Thông thường P-GW sẽ đăng ký một địa chỉ IP cho
thiết bị người dùng để trao đổi thông tin với mạng ngoài. Kèm theo P-GW là chức
năng Giao thức cấu hình host tĩnh (DHCP).
Khi một thiết bị di động di chuyển từ P-GW sang P-GW khác, những kết nối vô
tuyến sóng mang sẽ chuyển theo.
Mỗi P-GW có thể kết nối đến một hay nhiều chức năng tính cước và thiết lập
chính sách, S-GW và mạng ngoài. Chỉ duy nhất một S-GW quyết định thiết bị người
dùng kết nối đến P-GW.

Hình 1.6: Vị trí cổng P-GW trong mạng LTE

• Chức năng nguồn cước và thiết lập chính sách (PCRF)
PCRF là một phần tử mạng đáp ứng việc kiểm soát chính sách và tính cước.
PCRF đưa ra quyết định liên quan đến dịch vụ theo yêu cầu chất lượng dịch vụ, cung
cấp thông tin cho chức năng thi hành chính sách và tính cước trong P-GW.


24

Hình 1.7: Vị trí khối tính cước và thiết lập chính sách trong mạng LTE
• Hệ thống máy chủ thuê bao thường trú
Lưu thông tin về thuê bao, loại dịch vụ thuê bao được cung cấp, thông báo vị trí
của thuê bao ở mức “viếng thăm” node mạng điều khiển: VD node MME. Để hỗ trợ
tính năng di động giữa các mạng truy nhập (AN) không được 3GPP chuẩn hóa, HSS
lưu giữ thông tin các P-GW thực hiện nhiệm vụ này.

Hình 1.8: Hệ thống máy chủ thuê bao thường trú
1.2.1.2. Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu cải tiến (E-UTRAN)
Bao gồm các NodeB được cải tiến (ENodeB). ENodeB trong hệ thống có cấu
trúc cải tiến (SAE) của mạng LTE tương đương trạm thu phát sóng BTS trong hệ


25
thống GSM/GPRS nhưng có thêm nhiều chức năng và kiểm soát tất cả các chức
năng vô tuyến.
Về mặt chức năng, ENodeB cung cấp cầu nối giữa thiết bị di động và mạng lõi
được cải tiến (EPC), hoạt động như một cầu lớp hai của hệ thống EPC. Là điểm
quyết định giao thức vô tuyến đền thiết bị di động và hoạt động như một khối
chuyển tiếp dữ liệu giữa kết nối vô tuyến và kết nối IP tương ứng đến EPC. Đồng
thời có chức năng mã hóa/giải mã dữ liệu mặt phẳng người dùng, nén và giải nén
mào đầu gói tin IP.

ENodeB hỗ trợ các đặc tính sau:
- Quản lý kết nối vô tuyến: Gồm các thủ tục thiết lập và giải phóng kết nối vô
tuyến, các chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến cho việc kiểm soát khởi tạo và xác
định kết nối. Các chức năng thiết lập được MME kiểm soát qua giao diện S1 trong
suốt quá trình thiết lập phiên, các pha điều chỉnh và giải phóng tài nguyên.
- Thu và truyền dẫn trên giao diện vô tuyến – gồm điều chế/giải điều chế các kênh
vô tuyến cũng như mã hóa và giải mã kênh.
- Quản lý động tài nguyên vô tuyến với hướng lên và hướng xuống, thiết lập
chương trình gói dữ liệu – đây là chức năng then chốt nhất đòi hỏi ENodeB bao quát
nhiều yêu cầu đối lập nhau (chất lượng kết nối vô tuyến, mức ưu tiên người dùng,
yêu cầu chất lượng dịch vụ) cũng như có khả năng kết hợp nhiều loại dữ liệu khác
nhau qua giao diện vô tuyến và tạo hiệu quả cao nhất trong việc sử dụng tài nguyên
có sẵn.

Hình 1.9: ENodeB trong mạng LTE