Nghiên cứu công nghệ LTE và các giải pháp ứng dụng triển khai LTE trên mạng lưới mobifone

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------PHẠM VĂN BÍCH

Phạm Văn Bích

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ LTE VÀ CÁC GIẢI PHÁP ÁP
DỤNG TRIỂN KHAI LTE TRÊN MẠNG LƢỚI MOBIFONE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật Viễn thông

2014B
Hà Nội – Năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Phạm Văn Bích

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ LTE VÀ CÁC GIẢI PHÁP ÁP DỤNG
TRIỂN KHAI LTE TRÊN MẠNG LƢỚI MOBIFONE

Chuyên ngành : Kỹ thuật Viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật Viễn thông

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS. PHẠM VĂN TIẾN

Hà Nội – Năm 2016


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Phạm Văn Bích
Đề tài luận văn: Nghiên cứu công nghệ LTE và các giải pháp áp dụng triển
khai LTE trên mạng lƣới Mobifone.
Chuyên ngành:Kỹ thuật Viễn thông
Mã số SV: CB140233
Tác giả, Ngƣời hƣớng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
28/10/2016 với các nội dung sau:
- Đã sửa chữa các lỗi chính tả trong luận văn.
- Đã bổ sung thêm các phần mở đầu, kết luận các chƣơng.
- Đã bổ sung thêm trích dẫn tài liệu tham khảo.
- Đã trình bày luận văn theo đúng hình thức quy định.
Ngày
Giáo viên hƣớng dẫn

TS. Phạm Văn Tiến

tháng
năm 2016
Tác giả luận văn

Phạm Văn Bích
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Vũ Văn Yêm


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Mục Lục
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 4
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT................................................................................... 5
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. 9
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... 11
LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................... 12
CHƢƠNG 1. ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ LTE VÀ LTE-A ................................... 14
1.1. Mở đầu chƣơng: ........................................................................................... 14
1.2. Tổng quan về công nghệ LTE và LTE-A. ..................................................... 14
1.3. Cấu trúc mạng LTE: ....................................................................................... 16
1.3.1. Sơ đồ cấu trúc mạng LTE ......................................................................... 16
1.3.2. Các thành phần, chức năng mạng lõi EPC: ............................................ 16
1.4. Cấu trúc kênh trên giao diện vô tuyến. .......................................................... 19
1.4.1. Kênh logic: bao gồm kênh lƣu lƣợng và kênh điều khiển ....................... 19
1.4.2. Kênh vận chuyển ...................................................................................... 20
1.4.3. Kênh vật lý ............................................................................................... 21
1.4.4. Báo hiệu vật lý .......................................................................................... 21
1.5. Kênh truyền tải LTE và chất lƣợng dịch vụ QoS........................................... 22
1.6. Các giao diện của LTE ................................................................................... 25
1.7. Các thủ tục cơ bản trong hệ thống LTE ......................................................... 26
1.7.1. Thủ tục tìm kiếm mạng (Cell Searching) ................................................. 26
1.7.2. Thủ tục truy nhập ngẫu nhiên (Random Access) ..................................... 26

1.7.3. Thủ tục điều khiển tài nguyên vô tuyến (Radio Resource Control) ......... 27
1.7.4. Thủ tục thiết lập kênh truyền tải mặc định và truy nhập ban đầu ............ 28
1.7.5. Kích hoạt lại kết nối RRC. ....................................................................... 31
1.7.6. Thủ tục yêu cầu kênh dành riêng. ............................................................ 33
1.7.7. Thủ tục chuyển giao trong LTE ............................................................... 34
1.7.8. VoLTE ...................................................................................................... 39
1.8. Mặt phẳng điều khiển EPS ............................................................................. 39
Phạm Văn Bích - CB140233

Page 1

2014B - KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

1.9. Mặt phẳng ngƣời dùng: .................................................................................. 41
1.10. Công nghệ thông tin di động LTE Advanced ............................................. 42
1.10.1 Tổng quan về LTE Advanced ................................................................. 42
1.10.2. Công nghệ ghép nhiều tần số sóng mang ............................................... 42
1.10.3. Công nghệ MIMO bậc cao ..................................................................... 44
1.10.4. Trạm phát lặp.......................................................................................... 44
1.10.5. Tính năng phối hợp hoạt động đa điểm .................................................. 45
1.11. Kết luận chƣơng. .......................................................................................... 45
CHƢƠNG 2: CÁC GIẢI PHÁP VÀ KẾT QUẢ TRIỂN KHAI THỰC TẾ LTE
TRÊN MẠNG MOBIFONE. .................................................................................... 47
2.1. Mở đầu chƣơng .............................................................................................. 47
2.2. Tổng quan về mạng 2G, 3G hiện tại của Mobifone ....................................... 47
2.2.1. Hiện trạng mạng lƣới 2G trên mạng Mobifone. ....................................... 47
2.2.2 Hiện trạng mạng lƣới 3G .......................................................................... 49

2.2.3. Các phần tử mạng bổ sung để triển khai mạng LTE. ............................... 51
2.3. Giải pháp triển khai LTE trên mạng Mobifone.............................................. 52
2.3.1 Giải pháp triển khai LTE trên băng tần 1800 (LTE 1800) ........................ 52
2.3.2. Phƣơng án chuyển lƣu lƣợng 2G và tái quy hoạch tần số 2G 1800 ........ 53
2.4. Kết quả triển khai thử nghiệm thực tế công nghệ LTE trên mạng Mobifone56
2.5. Kết luận chƣơng ............................................................................................. 61
CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CHUYỂN GIAO TỐI ƢU VÀ MÔ
PHỎNG BẰNG PHỀM MỀM NS3. ......................................................................... 62
3.1. Mở đầu chƣơng .............................................................................................. 62
3.2. Quá trình chuyển giao trên giao diện X2 theo thuật toán A3 ........................ 62
3.3. X y dựng thuật toán chuyển giao tối ƣu trên giao diện X2 ........................... 62
3.4. Mô phỏng thuật toán chuyển giao tối ƣu bằng phần mềm NS3 ..................... 66
3.5. Kết quả mô phỏng đạt đƣợc ........................................................................... 66
3.6. Phân tích kết quả mô phỏng: .......................................................................... 71
3.7. Kết luận chƣơng. ............................................................................................ 72
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 73
Phạm Văn Bích - CB140233

Page 2

2014B - KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT ..................................................................................... 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 75
PHỤ LỤC MÃ CODE MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM NS3 ............................. 76

Phạm Văn Bích - CB140233

Page 3

2014B - KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này là hoàn toàn do tôi tìm
hiểu, nghiên cứu và viết ra. Tất cả đều đƣợc tôi thực hiện cẩn thận và có sự định
hƣớng của giáo viên hƣớng dẫn. Nội dung của luận văn có tham khảo và sử dụng
một số thông tin, tài liệu từ các nguồn sách, tạp chí đƣợc liệt kê trong danh mục các
tài liệu tham khảo.
Tôi xin chịu trách nhiệm với những nội dung đã trình bày trong luận văn này.
Tác giả

Phạm Văn Bích

Phạm Văn Bích - CB140233

Page 4

2014B - KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
2G

2nd Generation of Mobile Telephone Systems (GSM) 3G

3G

3rd Generation of Mobile Telephone Systems (UMTS) 3GPP

3GPP

3rd Generation Partnership Project

4G

4th Generation of Mobile Telephone Systems (LTE)

AAA

Authorization, Authentication, Accounting

AMPS

Advanced Mobile Phone System

ARPU

Average Revenue Per User

ATCA

Advanced Telecommunications Computing Architecture

BCCH

Broadcast Control Channel

BCH

Broadcast Channel

BER

Bit Error Ratio

CCCH

Common Control Channel

CDMA

Code Division Multiple Access

CDMA2000

Code Division Multiple Access (3G standard competing to
WCDMA and mainly used in US and parts of Asia and Africa)

CP

Content Provider

D-AMPS

Digital Advanced Mobile Phone Service

DCCA

Diameter Credit Control Application DPI

DCCH

Dedicated Control Channel

DC-HSDPA Dual Carrier or Dual Cell High-Speed Downlink Packet Access
DC-HSUPA Dual Carrier or Dual Cell High-Speed Uplink link Packet Access
DL-SCH

Downlink Shared Channel

DPI

Deep Packet Inspection

DTCH

Dedicated Traffic Channel

EDGE

Enhanced Data Rates for GSM Evolution

EMM

EPS Mobility Management

eNodeB

Base Station in LTE EPC

EPC

Evolved Packet Core eUTRAN

Phạm Văn Bích - CB140233

Page 5

2014B - KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

EPS

Enhance Packet Service

eUTRAN

Evolved UTRAN

eLAA

Enhanced License Assisted Access

FDD

Frequency Division Duplex

FDMA

Frequency Division Multiple Access

Flexi NG

Flexi Network Gateway Gbps

GGSN

Gateway GPRS Support Node

GPRS

General Packet Radio System / Service GW

GSM

Global System for Mobile Telecomumination Gx

Gx

Interface between P-GW and PCRF

Gxc

Interface between S-GW and PCRF

HARQ

hybrid Automatic Repeat Request

HLR

Home Location Register

HSDPA

High-Speed Downlink Packet Access

HSPA

High Speed Packet Access

HSPA+

Evolved High Speed Packet Access

HSS

Home Subscriber server

I-HSPA

Internet - High Speed Packet Access IP

IMS

IP Multimedia subsystem

IP

Internet Protocol

ISSU

In-service Software Upgrade

LTE

Long Term Evolution (or 4G mobile networks)

LTE-A

LTE Advance

MAC

Medium Access Control

MBMS

Multimedia Broadcast Multicast Service

MCCH

Multicast Control Channel

MCH

Multicast Channel

Mcps

Mega chip per second

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Phạm Văn Bích - CB140233

Page 6

2014B - KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

MME

Mobility Management Entity

MMS

Multi-media Message Service

MPP

Multi-core Packet Processor

MSC

Mobile Switching Center

MTCH

Multicast Traffic Channel

NAS

Non Access Strum

NMT

Nordic Mobile Telephone

OFDM

Orthogonal frequency-division multiplexing

OMA

Operation and Maintenance Agent

OPEX

Operational Expenditure / Operating Expense OSI

PBCH

Physical Broadcast Channel

PCCH

Paging Control Channel

PCFICH

Physical Control Format Indicator Channel

PCH

Paging Channel

PCRF

Policy and Charging Rules Function

PDCCH

Physical Downlink Control Channel

PDCP

Packet Data Convergence Protoco

PDN

Packet Data Network

PDSCH

Physical Downlink Shared CHannel

PGW

Packet Data Network

PHICH

Physical Hybrid ARQ Indicator Channel

PMCH

Physical Hybrid ARQ Indicator Channel

PRACH

Physical Random Access Channel

PUCCH

Physical Uplink Control Channel

PUSCH

Physical Uplink Shared Channel

QoS

Quality of Service

RACH

Random Access Channel

RAN

Radio Access Network

RNC

Radio Network Controller (in 3G or UMTS) Rx

Phạm Văn Bích - CB140233

Page 7

2014B - KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

RRC

Radio Resource Control

RRM

Radio Resource Management

Rx

Release x

S5

Interface between S-GW and P-GW

SAB

Service Aware Blade

SAE

System Architecture Evolution

SCTP

Stream Control Transmission Protocol

SGSN

Serving GPRS Support Node

SGW

Serving Gateway

SNMP

Simple Network Management Protocol S-GW

SON

Self Organizing Networks

TA

Tracking Area

Tbps

Terabit per Second

TD-CDMA

Time Division CDMA

TDD

Time Division Duplex

TDMA

Time Division Multiple Access

UE

User Equipment

UL-SCH

Uplink Shared Channel

UMTS

Universal Mobile Telecommunication System (aka WCDMA)
UTRAN

UP

User Plane

UTRAN

UMTS Terrestrial Radio Access Network

VLR

Visitor Location Register

VoIP

Voice over IP

WCDMA

Wideband Code Division Multiple Access

Phạm Văn Bích - CB140233

Page 8

2014B - KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu trúc mạng LTE ...................................................................................16
Hình 1.2. Mô hình các kênh trong LTE ....................................................................22
Hình 1.3. Kênh truyền tải và QoS [2] .......................................................................22
Hình 1.4. Thủ tục truy nhập ngẫu nhiên [3] ..............................................................27
Hình 1.5. Thủ tục thiết lập kênh mặc định và truy nhập ban đầu [3] ......................30
Hình 1.6. Kích hoạt lại kết nối RRC .........................................................................32
Hình 1.7. Thủ tục yêu cầu cấp kênh dành riêng [3] .................................................33
Hình 1.8. Chuyển giao trên giao diện X2 [3] ............................................................35
Hình 1.9. Chuyển giao trên giao diện S1 [3] ...........................................................38
Hình 1.10. Sơ đồ mặt phẳng điều khiển LTE ...........................................................40
Hình 1.11.Sơ đồ mặt phẳng điều khiển eNodeB-eNodeB, MME-MME ..................41
Hình 1.12. Sơ đồ mặt phẳng ngƣời dùng LTE ..........................................................41

Hình 1.13. Công nghệ ghép đa sóng mang Carrier Aggregation [14] ......................43
Hình 1.14. Carrier Aggregation với các trƣờng hợp sóng mang khác nhau [14] .....43
Hình 1.15. Sơ đồ các trạm Relay Node trong công nghệ LTE Advanced [10] ........44
Hình 1.16. Tính năng Coordinated Multi Point operation trong LTE-A [8] ...........45
Hình 2.1. Cấu trúc mạng GSM/GRPS/EDGE MobiFone [1] ...................................47
Hình 2.2. Phân bố thiết bị 2G Mobifone ...................................................................49
Hình 2.3. Cấu trúc mạng 3G 3.5G MobiFone [1] .....................................................50
Hình 2.4. Phân bố thiết bị 3G mobifone ...................................................................51
Hình 2.5. Xu hƣớng quy hoạch băng tần cho các công nghệ trên thế giới [1] .........53
Hình 2.6. Thực hiện Refarming tần số GSM 1800 phục vụ cho LTE ......................53
Hình 2.7. Dải tần GSM 1800 của Mobifone .............................................................54
Hình 2.8. Quy hoạch tần số 1800 MHz sau Re-farming ...........................................55
Hình 2.9. RSRP (Idle) ...............................................................................................57
Hình 2.10. SINR (Idle) ..............................................................................................58
Hình 2.11. DL throughput. ........................................................................................59
Hình 3. 1. Thuật toán A3 ...........................................................................................62

Phạm Văn Bích - CB140233

Page 9

2014B - KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 3. 2. Sơ đồ thuật toán chuyển giao mới ............................................................64
Hình 3.3. Thuật toán chuyển giao mới trên giao diện X2 .........................................64
Hình 3. 4. Quá trình mô phỏng với TTT=5120 ms ...................................................66
Hình 3. 5. Quá trình dịch mã code phần mềm .........................................................67

Hình 3. 6. Quá trình mô phỏng với TTT=2560 ms ...................................................68
Hình 3.7. Đồ thị thời điểm chuyển giao ứng với UE có vận tốc 300 km/h ..............70
Hình 3.8. Đồ thị số lần chuyển giao ứng với UE có vận tốc 300 km/h ....................70
Hình 3.9. Đồ thị thời điểm chuyển giao ứng với UE có vận tốc 50 km/h ................71
Hình 3.10. Đồ thị số lần chuyển giao ứng với UE có vận tốc 50 km/h ....................71

Phạm Văn Bích - CB140233

Page 10

2014B - KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Lịch sử phát triển các phiên bản của 3GPP ..............................................15
Bảng 2.1. Quy hoạch tần LTE 1800 và GSM 1800 ..................................................54
Bảng 2.2. Quy hoạch tần số GSM 1800 hiện tại trƣớc Refarming ...........................55
Bảng 2.3. Bảng phân bổ tần số 1800 MHz sau Re-farming ....................................55
Bảng 2.4. Bảng màu thể hiện RSCP .........................................................................56
Bảng 2.5. Kết quả đo RSCP ......................................................................................56
Bảng 2.6. Bảng màu thể hiện SINR ..........................................................................57
Bảng 2.7. Kết quả SINR ............................................................................................57
Bảng 2.8. Bảng màu thể hiện Download throughput ................................................58
Bảng 2.9. Kết quả Download throughput .................................................................59
Bảng 2.10. Bảng KPI Drivingtest LTE .....................................................................61
Bảng 3.1. Bảng kết quả Handover khi UE ở các vận tốc và TTT khác nhau ...........69

Phạm Văn Bích - CB140233

Page 11

2014B - KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

LỜI NÓI ĐẦU
Thế giới có sự phát triển vƣợt bậc về lĩnh vực viễn thông trong ba thập kỷ vừa
qua từ hệ thống thông tin di động thứ nhất đến hệ thống thông tin di động thứ 3 và
đang phát triển mạnh mẽ hệ thống thông tin di động thứ 4 (4G) có cấu trúc đơn giản
hoạt động trên nền tảng IP với băng thông rộng tốc độ cao. Tính đến nay công nghệ
LTE phát triển nhanh hơn bất kỳ hệ thống di động nào. Theo báo cáo của tổ chức
GSA tính đến tháng 11/8 2016 đã có 521 nhà mạng thuộc 170 quốc gia đã thƣơng
mại hóa mạng 4G với số thuê bao ƣớc tính 1453 tỷ thuê bao chiếm 20 % số lƣợng
thuê bao di động toàn cầu [6].
Tính đến tháng 5/2016 tại Việt Nam cả 3 nhà mạng Mobifone, Vinaphone và
Viettel đều đã thử nghiệm triển khai 4G thành công và sẽ thƣơng mại hóa toàn quốc
khi có cấp phép tần số chính thức.
Lý do chọn đề tài “Nghiên cứu công nghệ LTE và các giải pháp áp dụng triển
khai LTE trên mạng lƣới Mobifone” vì: Thứ nhất công nghệ LTE là công nghệ mới
và phổ biến nhất đƣợc thƣơng mại hóa trên thế giới và đang đƣợc triển khai thử
nghiệm tại Việt Nam. Công nghệ LTE đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng internet tốc
độ cao mà các công nghệ khác hiện tại không thể đạt đƣợc. Thứ 2 nắm vững đƣợc
các công nghệ trong LTE sẽ giúp các kỹ sƣ viễn Việt Nam làm chủ công nghệ viễn
thông hiện tại để có thể triển khai và tối ƣu mạng LTE hiệu quả tại Việt Nam.
Mục đích nghiên cứu của Luận Văn là nghiên cứu kỹ các đặc điểm công nghệ
LTE, các giao diện, các phƣơng thức thủ tục và thuật toán; Tìm hiểu quá trình triển
khai thử nghiệm thực tế công nghệ LTE trên mạng Mobifone; Nghiên cứu thuật

toán chuyển giao trên giao diện X2 đang áp dụng trên mạng Mobifone để từ đó đƣa
ra thuật toán tối ƣu chuyển giao trên giao diện này.
Nội dung đồ án đƣợc chia thành 3 chƣơng:
 Chƣơng 1: Tìm hiệu về công nghệ LTE và LTE-A.
Ở chƣơng này nghiên cứu về công nghệ LTE, LTE-A bao gồm cấu trúc
mạng, các phƣơng thức, thủ tục và giao diện vô tuyến.

Phạm Văn Bích - CB140233

Page 12

2014B - KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

 Chƣơng 2: Các giải pháp và kết quả triển khai thử nghiệm công nghệ LTE
trên mạng Mobifone.
Chƣơng này tác giả phân tích công nghệ mạng 2G, 3G hiện tại, đƣa ra các
giải pháp công nghệ có thể triển khai trên mạng Mobifone và kết quả triển
khai công nghệ LTE trên mạng Mobifone.
 Chƣơng 3: X y dựng thuật toán tối ƣu chuyển giao và mô phỏng quá trình
chuyển giao trên giao diện X2 bằng phần mềm NS3.
Chƣơng này đƣa ra thuật toán chuyển giao tối ƣu và đƣa ra kết quả áp dụng
thuật toán tối ƣu chuyển giao trên giao điện X2 mô phỏng bằng phần mềm
NS3.
Đóng góp của bản thân trong nội dung luận văn:
- Đƣa ra các giải pháp triển khai thử nghiệm công nghệ LTE trên mạng
Mobifone bao gồm quy hoạch thiết kế băng tần 1800 MHz cho mạng LTE và cho
mạng GSM 1800 Mhz hiện tại.

- Căn cứ vào các kết quả nghiên cứu thuật toán chuyển giao A3 trên giao diện
X2 tác giả đã đƣa ra đƣợc thuật toán tối ƣu trong chuyển giao khi bổ sung thêm
trạng thái chuyển động của UE và độ biến thiên về mức thu của MS với cell đang
phục vụ và các Neigbour
- Căn cứ vào thuật toán chuyển giao A3 trên phầm mềm NS3 em đã biến đổi
thuật toán chuyển giao A3 và đƣa ra kết quả mô phỏng bằng phần mềm NS3.
Trong quá trình thực hiện đồ án này, mặc dù đã rất cố gắng nhƣng chắc chắn
không thể tránh đƣợc những thiếu xót do nhận thức chƣa đúng về một nội dung nào
đó, nên em rất mong muốn đƣợc sự chỉ dẫn của các thày cô.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn ch n thành đến thầy giáo TS. Phạm Văn
Tiến, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn và góp ý sửa chữa để em có thể hoàn thành đề
tài luận văn này. Em xin ch n thành cám ơn thầy.

Phạm Văn Bích - CB140233

Page 13

2014B - KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

CHƢƠNG 1. ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ LTE VÀ LTE-A
1.1. Mở đầu chƣơng:
Nội dung chƣơng 1 trình bày lý thuyết cơ bản về công nghệ LTE và LTE-A
bao gồm lịch sự hình thành hệ thống thông tin di động, các thành phần cấu trúc
kênh, các giao diện và thủ tục trên mạng LTE, LTE-A.
1.2. Tổng quan về công nghệ LTE và LTE-A.
Lich sử hình thành và phát triển của hệ thống thông tin di động với nhiều công
nghệ khác nhau bắt đầu từ thế hế thứ nhất và hội tụ thành công nghệ LTE là thế hệ

thứ 4 ở hiện tại.
Mạng di động thế hệ thứ nhất (1G) là mạng tƣơng tự sử dụng kỹ thuật đa truy
nhập ph n chia theo mã FDMA đƣợc phát triển bởi các công ty NMT, AMPS,
TACS) trong thập niên 1970 và thƣơng mại hóa vào năm 1981. Mạng 1G chỉ đƣợc
dùng cho thoại và không truyền dữ liệu.
Mạng di động thế hệ thứ 2 là mạng di động số ứng dụng cho cả thoại và
truyền dữ liệu tốc độ thấp, sử dụng các kỹ thuật TDMA (mạng GSM ,D-AMPS,
PDC) và kỹ thuật CDMA( mạng IS-95). Mạng 2G đƣợc chuẩn hóa vào năm 1982
và thƣơng mại hóa vào năm 1991. Tốc độ truyền dữ liệu ở mạng 2G là rất thấp,
khoảng 50 kbps ( GPRS- thế hệ 2.5G) và 500 kbps (EDGE-thế hệ 2.75G)
Mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) đƣợc chuẩn hóa năm 1999 sử dụng các công
nghệ WCDMA và TD-CDMA, đƣợc thƣơng mại hóa vào năm 2001 ở Nhật Bản và
2003 ở Châu Âu. Mạng 3G bắt đầu từ phiên bản Release 99 (R99) với tốc độ
download bằng 2 Mbps cho đến Release 8 (R8) với tốc độ download 84 Mbps ( kết
hợp QAM64 với DC với MIMO).
Mạng di động thế hệ thứ 4 (4G đƣợc chuẩn hóa bắt đầu từ phiên bản Release 8 đƣợc
thƣợng mại hóa vào năm 2007, cho đến nay là phiên bản release 14 với sự phát triển
nhƣ ở bảng 1.1 sau đ y:

Phạm Văn Bích - CB140233

Page 14

2014B - KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Phiên

Ngày

bản

hoàn

Các đặc điểm chính

thành
R99

3/2000

UMTS 3.84 Mcps (WCDMA-FDD&TDD

R4

3/2001

1.28 Mcps TDD( TD-SCDMA)

R5

6/2002

HSDPA

R6

3/2005

HSUPA (E-DCH)

R7

12/2007

HSPA+ ( 64 QAM DL,MIMO, 16 QAM UL), nghiên cứu các
đặc điểm LTE & SAE

R8

3/2009

DC-HSDPA, LTE( OFDMA & SAE)

R9

3/2010

DC-HSUPA, DB-HSDPA, SON, MSR , MBSFN, nghiên
cứu LTE-A

R10

9/2011

4C-HSDPA,LTE-A, nghiên cứu CoMP

R11

3/2013

CoMP,

eDL

MIMO,

eCA,

MIMO

OTA,

HSUPA

TxD&64QAM&MIMO, HSDPA 8C&4x4 MIMO, MB MSR
R12

3/2015

3DL CA, D2D, MTC, NAICS,

R13

3/2016

LAA (LTE-U),4CA, nghiên cứu>5CA,MIMO OTA,FD
MIMO

R14

6/2017

LTE support for V2x services, eLAA, 4 band Carrier
Aggregation, inter-band Carrier Aggregation
Bảng 1.1. Lịch sử phát triển các phiên bản của 3GPP

Phạm Văn Bích - CB140233

Page 15

2014B - KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

1.3. Cấu trúc mạng LTE:
1.3.1. Sơ đồ cấu trúc mạng LTE
RNC

IuPs

SGSN

Gn

GGSN

Gr
Gi

S3

S6a

HLR/HSS
Mạng IP

EPC

MME

S10

S4

SGi

S1CP

E-UTRAN

S11

X2

S1UP

EnodeB

SGW

S5/S8

PGW

S2

Non 3GPP
IP access

Gx
Um

PCRF
UE

Hình 1.1. Cấu trúc mạng LTE
Hình 1.1 mô tả cấu trúc mạng LTE gồm 2 phần chính là EPC và E-UTRAN,
đơn giản hơn so với cấu trúc 2G, 3G ( gồm 3 phần: Core, BSC/RNC, BTS/NodeB).
1.3.2. Các thành phần, chức năng mạng lõi EPC:
a) Chức năng của MME:
MME là phần tử chỉ thực hiện chức năng báo hiệu và do vậy dữ liệu IP thuê
bao không gửi qua MME. Một ƣu điểm của phần tử mạng riêng biệt cho báo hiệu là
dung lƣợng mạng cho báo hiệu và lƣu lƣợng có thể đƣợc mở rộng một cách độc lập
với nhau. Các chức năng chính của MME là đảm bảo khả năng kết nối đến UE
trong chế độ rỗi (idle- mode) bao gồm điều khiển và thực hiện truyền lại bản tin
nhắn tìm (paging), quản lý danh sách khu vực thuê bao, chuyển vùng, nhận thực,

cấp quyền, lựa chọn P-GW/S- GW, quản lý kênh truyền bao gồm thiết lập kênh
truyền riêng, đàm phán bảo mật và báo hiệu NAS,….MME có chức năng điều
khiển, quản lý thuê bao, quản lý phiên data, cụ thể nhƣ sau:

Phạm Văn Bích - CB140233

Page 16

2014B - KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

 Thực hiện phân phối các bản tin tìm gọi tới các eNB
 Điều khiển chính sách bảo mật
 Điều khiển di động trạng thái Idle
 Điều khiển kênh SAE
 Mã hóa/giải mã và bảo vệ tính nguyên vẹn của báo hiệu NAS.
b) Chức năng của SGW: kết nối dữ liệu gói với phần E-UTRAN qua giao diện
S1UP. S-GW hoạt động nhƣ một hệ thống di động chuyển tiếp và nhận các gói tin
tới và từ eNodeB phục vụ thuê bao.
c) Chức năng của PGW: Kết nối dữ liệu gói của LTE với mạng dữ liệu gói bên
ngoài nhƣ mạng Internet và IMS. P-GW cũng thực hiện các chức năng IP khác nhƣ
cấp phát địa chỉ, áp đặt chính sách, lọc gói tin và định tuyến.
d) Chức năng của PCRF: đƣa ra chính sách , tính cƣớc với các thuê bao trong các hệ
thống đa phƣơng tiện IMS.
e) Chức năng của HSS: lƣu trữ dữ liệu thuê bao trong mạng.
f) Chức năng của eNodeB: Các eNodeB kết nối với nhau bằng giao diện X2, và kết
nối với EPC bằng giao diện S1. Các eNodeB có chức năng giống nhƣ BTS RNC
trong các hệ thống 2G/3G, cụ thể nhƣ sau:

eNB là nút mạng RAN trong cấu trúc EPS chịu trách nhiệm thu phát sóng vô
tuyến với UEs trong một hoặc nhiều cell. eNB đƣợc kết nối với các nút mạng EPC
qua giao diện S1 và kết nối với các eNB lân cận qua giao diện X2. eNB đã có một
vài thay đổi quan trọng về chức năng so với mạng UTRAN. Phần lớn các chức năng
RNC Rel-6 đã đƣợc tích hợp vào trong phần tử mạng eNB. Các chức năng cơ bản
của eNB nhƣ sau:
 Điều khiển cell và hỗ trợ MME pool
eNB nằm giữa và điều khiển các tài nguyên vô tuyến các cell của nó. Tài
nguyên cell đƣợc yêu cầu và đƣợc cấp phát thông bởi MME theo một định dạng
nhất định. Việc sắp xếp này hỗ trợ khái niệm MME pooling. S-GW pooling đƣợc
quản lý bởi các MME và không thực sự nhận biết đƣợc tại eNB.
 Điều khiển di động

Phạm Văn Bích - CB140233

Page 17

2014B - KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

eNB chịu trách nhiệm điều khiển di động cho các thiết bị đầu cuối trong trạng
thái kích hoạt. Điều này đƣợc thực hiện thông qua việc yêu cầu UE đo tín hiệu và
thực hiện chuyển giao cần thiết.
 Bảo mật mặt phẳng điều khiển và ngƣời dùng
Mã hóa dữ liệu mặt phẳng ứng dụng thông qua giao diện vô tuyến đƣợc thực
hiện tại eNB. Ngoài ra mã hóa và bảo vệ độ tin cậy báo hiệu RRC cũng đƣợc thực
hiện tại eNB.
 Xử lý kênh chia sẻ

Bởi vì eNB nắm giữ các tài nguyên vô tuyến trong cell, eNB phải quản lý các
kênh truy nhập ngẫu nhiên và chia sẻ đƣợc sử dụng cho báo hiệu và truy nhập ban
đầu.
 Phân chia/Ghép gói tin
Các gói tin dữ liệu dịch vụ RLC SDU nhận đƣợc từ lớp giao thức PDCP bao
gồm toàn bộ các gói tin IP và có thể có kích thƣớc lớn hơn kích thƣớc gói tin truyền
tải hỗ trợ bởi lớp vật lý. Do vậy, lớp RLC phải hỗ trợ việc ph n chia và ghép để
định dạng gói tin lớp trên theo kích thƣớc gói tin truyền tải.
 HARQ
Cơ chế yêu cầu truyền lặp tự động lai ghép HARQ tại lớp MAC với phản hồi
nhanh chóng sẽ cung cấp phƣơng thức sử lỗi nhanh nhất cho các kênh vô tuyến. Để
đạt đƣợc độ trễ thấp và sử dụng hiệu quản tài nguyên vô tuyến , HARQ hoạt động
với một tốc độ lỗi dữ liệu ban đầu chỉ đủ đáp ứng cho các dịch vụ với yêu cầu
BER trung bình chẳng hạn nhƣ VoIP. Tôc độ lỗi thấp hơn đƣợc thực hiện thông qua
việc cho phép một lớp yêu cầu truyền lặp tự động ARQ trong eNC xử lý các lỗi
HARQ.
 Lập kế hoạch truyền tải
Lập kế hoạch truyền tải với hỗ trợ QoS cung cấp cơ chế lập kế hoạch truyền
tải hiệu quả các dữ liệu mặt phẳng UP và CP.
 Ghép và ánh xạ kênh: eNB thực hiện sắp xếp các kênh vật lý vào các kênh
truyền tải.

Phạm Văn Bích - CB140233

Page 18

2014B - KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

 Chức năng lớp vật lý
eNB xử lý các chức năng lớp vật lý bao gồm ngẫu nhiên hóa, phân tập Tx, xử
lý beamforming và điều chế OFDM. eNB cũng xử lý các chức năng lớp vật lý khác
nhƣ thích ứng kênh kết nối và điều khiển công suất.
 Các phép đo tín hiệu và báo cáo
eNB hỗ trợ các chức năng cấu hình và thực hiện các phép đo đạc trên môi
trƣờng vô tuyến và các tham số trạng thái nội tại của eNB. Dữ liệu thu thập đƣợc
đƣợc sử dụng để quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) trong cell nhƣng cũng có thể
đƣợc báo cáo cho mục đích quản lý tài nguyên vô tuyến giữa các cell khác nhau.
 Vận hành và khai thác tự động
eNB cung cấp các chức năng ANR (quan hệ cell lân cận tự động) và tích hợp
tự động trong cấu trúc mạng hỗ trợ tự tổ chức SON.
1.4. Cấu trúc kênh trên giao diện vô tuyến.
Cấu trúc kênh trên giao diện vô tuyến đƣợc chia làm 4 loại kênh: kênh logic,
kênh vận chuyển, kênh vật lý và các báo hiệu vật lý và đƣợc mô tả ở hình 1.2.
1.4.1. Kênh logic: bao gồm kênh lƣu lƣợng và kênh điều khiển
- Kênh lƣu lƣợng: bao gồm 2 kênh: kênh lƣu lƣợng dành riêng DTCH và kênh lƣu
lƣợng quảng bá MTCH.
Kênh DTCH là kênh dùng cho cả đƣờng lên và đƣờng xuống truyền từ điểm
đến điểm dùng để vận chuyển thông tin ngƣời dùng, dành riêng cho một UE.
Kênh MTCH là kênh đƣờng xuống từ điểm đến đa điểm, truyền dữ liệu
MBMS.
- Kênh điều khiển: gồm có 5 kênh
Kênh điều khiển quảng bá BCCH là kênh đƣờng xuống quảng bá thông tin
điều khiển hệ thống.
Kênh điều khiển nhắn tin PCCH: là kênh đƣờng xuống truyền thông tin nhắn
tin UE, kênh này đƣợc dùng khi mạng không biết vị trí của UE.

Phạm Văn Bích - CB140233

Page 19

2014B - KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Kênh điều khiển dùng chung CCCH dùng cho đƣờng lên và đƣờng xuống ,
đƣợc dùng bởi các UE khi không có tồn tại các kết nối RRC với mạng.
Kênh điều khiển đa đƣờng MCCH là kênh đƣờng xuống từ điểm đến đa điểm
truyền các thông tin điều khiển và các phần MBMS từ mạng đến UE, cho một hoặc
vài kênh MTCH. Sau khi thiết lập một kết nối RRC, kênh này chỉ đƣợc sử dụng bởi
các UE nhận MBMS.
Kênh điều khiển dành riêng DCCH là kênh đƣờng lên, đƣờng xuống từ điểm
đến điểm mang thông tin điều khiển dành riêng giữa UE và mạng. Đƣợc sử dụng
bởi các UE có một kết nối RRC.
1.4.2. Kênh vận chuyển: bao gồm các kênh vận chuyển đƣờng xuống và đƣờng lên.
-

Các kênh vận chuyển đƣờng xuống:
Kênh quảng bá BCH: là kênh có tốc độ bít thấp mang thông tin hệ thống

quảng bá toàn bộ vùng phủ của cell. Beamforming không đƣợc cung cấp.
Kênh chia sẻ đƣờng xuống DL-SCH sử dụng HARQ và thích ứng liên kết
thông qua điều chế, má hóa, và công suất đƣờng truyền. Kênh DL-SCH có thể phát
quảng bá trên toàn bộ cell và công nghệ Beamforming có thể đƣợc cung cấp. Công
nghệ DRX đƣợc hỗ trợ nhằm tiết kiệm điện năng cho UE và đƣờng truyền MBMS
cũng đƣợc hỗ trợ. Kênh DL-SCH mang dữ liệu ngƣời dùng, báo hiệu điều khiển và
thông tin hệ thống.

Kênh nhắn tin PCH là kênh mang thông tin quảng bá tới toàn bộ cell, DRX
đƣợc hỗ trợ.
Kênh đa đƣờng MCH là kênh vận chuyển dành riêng cho MBMS, quảng bá
lƣu lƣợng MBMS cho toàn bộ cell. Công nghệ kết hợp đƣờng truyền MBMS với
các cell đƣợc hỗ trợ (MBSFN).
- Các kênh vận chuyển đƣờng lên:
Kênh chia sẻ đƣờng lên UL-SCH là kênh sử dụng HARQ và thích ứng liên
kết sử dụng các kỹ thuật mã hóa, điều chế và công suất đƣờng truyền. Công nghệ
đáp ứng thích nghi Beamforming có thể đƣợc áp dụng. Kênh UL-SCH mang dữ liệu
ngƣời dùng và các báo hiệu điều khiển.

Phạm Văn Bích - CB140233

Page 20

2014B - KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Kênh truy cập ngẫu nhiên RACH chứa đựng đồng bộ thời gian (truy cập ngẫu
nhiên không đồng bộ) và truyền thông tin cần cho các khoảng bảo vệ (truy cập ngẫu
nhiên đồng bộ).
1.4.3. Kênh vật lý:
Kênh vật lý tƣơng ứng với sự thiết lập tài nguyên vật lý sử dụng để truyền các
thông tin điều khiển và/hoặc thông tin dữ liệu từ lớp MAC. Các kênh vật lý bao
gồm:
Kênh vật lý chia sẻ đƣờng xuống PDSCH là đƣờng truyền của kênh vận
chuyển DL-SCH.
Kênh vật lý chia sẻ đƣờng lên PUSCH là đƣờng truyền của kênh vận chuyển

đƣờng lên UL-SCH.
Kênh vật lý điểu khiển chỉ định nhận dạng PCFICH: chỉ định định dạng
PDCCH ở đƣờng xuống.
Kênh điều khiển vật lý đƣờng xuống PDCCH mang báo hiệu điều khiển
đƣờng xuống L1/L2.
Kênh điều khiển vật lý đƣờng lên PUCCH mang các báo hiệu điều khiển
đƣờng lên L1/L2.
Kênh vật lý chỉ định HARQ mang thông tin HARQ ở đƣờng xuống.
Kênh vật lý quảng bá PBCH là kênh đƣờng xuống truyền kênh vận chuyển
BCH.
Kênh vật lý đa đƣờng PMCH là kênh đƣờng xuống truyền kênh vận chuyển
đa đƣờng MCH.
Kênh vật lý truy cập ngẫu nhiên là kênh đƣờng lên truyền các ký hiệu
preamble truy cập ngẫu nhiên đƣợc đƣa bởi các kênh vận chuyển RACH.
1.4.4. Báo hiệu vật lý: bao gồm các kênh:
Báo hiệu tham chiếu RS hỗ trợ đo lƣờng và điều chế ở đƣờng lên và đƣờng
xuống.
Báo hiệu đồng bộ sơ cấp P-SS và thứ cấp S-SS: chỉ dành cho đƣờng xuống sử
dụng cho thủ tục tìm kiếm cell.

Phạm Văn Bích - CB140233

Page 21

2014B - KTVT


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Báo hiệu tham chiếu âm thanh: là kênh đƣờng lên hỗ trợ đo lƣờng kênh UL.

PCCH

MTCH

MCCH

BCCH

PCH

MCH

BCH

DL-SCH

PMCH

PBCH

PDSCH

PCFICH

P-SCH

DTCH

DCCH

Kênh logic

CCCH

UL-SCH

PDCCH

PHICH

PUCCH

S-SCH

RS

SRS

RACH

PUSCH

Kênh vận chuyển

PRACH

Kênh vật lý

Báo hiệu vật lý

Hình 1.2. Mô hình các kênh trong LTE
Hình 1.2 mô tả cấu trúc 3 loại kênh trên giao diện vô tuyến bao gồm các kênh
đƣờng lên, kênh đƣờng xuống và cả hai loại kênh.
1.5. Kênh truyền tải LTE và chất lƣợng dịch vụ QoS
Kênh truyền tải (bearer) là kênh thực hiện vận chuyển thông tin. Có ba loại
kênh truyền tải trong LTE: kênh vô tuyến, kênh S1 và kênh EPS nhƣ đƣợc mô tả
trong hình 1.3 nhƣ sau:

Hình 1.3. Kênh truyền tải và QoS [2]
Các kênh vô tuyến mạng thông tin trên giao diện vô tuyến trong khi kênh S1
nằm giữa eNB và MME/SGW. Các kênh EPS nằm giữa MME và SGW (và giữa

Phạm Văn Bích - CB140233

Page 22

2014B - KTVT