Nghiên cứu các giải pháp thiết kế và tối ưu hóa chất lượng mạng LTE

MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................... 1
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.............................................................................. 5
MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 7
CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠNG LTE ........ 9
1.1.

Sơ lƣợc về công nghệ và quá trình phát triển..................................... 9

1.2.

Cấu trúc tổng quan mạng LTE .......................................................... 11

1.3.

Chức năng các phần tử mạng LTE ................................................... 12

1.3. Băng tần thiết kế cho công nghệ LTE ............................................... 15
1.4. Công nghệ truy nhập trong mạng LTE ............................................ 15
1.4.1. Kỹ thuật đa truy nhập OFDMA ...................................................... 16
1.4.2.

Kỹ thuật đa truy nhập SC-FDMA ................................................... 18

CHƢƠNG II: CÁC THỦ TỤC TRUY NHẬP VÀ CHUYỂN GIAO TRONG
MẠNG LTE....................................................................................................... 21
2.1. Các thủ tục và giao diện mạng LTE .................................................. 21
2.1.1. Các giao diện của mạng LTE .......................................................... 21
2.1.2.

Cấu trúc kênh trên giao diện vô tuyến LTE .................................... 23

2.1.2.1. Các kênh logic ........................................................................... 23
2.1.2.2. Các kênh truyền tải .................................................................... 24
2.1.2.3. Các kênh vật lý .......................................................................... 25
2.1.3.

Thủ tục tìm kiếm mạng ................................................................... 27

2.1.4.

Thủ tục truy nhập ngẫu nhiên ......................................................... 28

2.1.5.

Thủ tục điều khiển tài nguyên vô tuyến .......................................... 29

2.1.6.

Thủ tục thiết lập kênh truyền tải ..................................................... 30

2.1.7.

Thủ tục truy nhập mạng ban đầu .................................................... 33

2.1.8.

Thủ tục yêu cầu kênh dành riêng .................................................... 35

2.2. Chuyển giao trong mạng LTE ........................................................... 37
2.2.1. Chuyển giao trên giao diện X2 ....................................................... 37

2.2.2.

Chuyển giao trên giao diện S1 ........................................................ 40

2.2.3.

Chuyển giao với mạng 2G/3G ........................................................ 42

CHƢƠNG III: QUẢN LÝ CHẤT LƢỢNG QOS & HIỆU NĂNG TRONG
MẠNG LTE....................................................................................................... 43
3.1.

Quản lý QoS và hiệu năng trong mạng LTE .................................... 43

3.2.

Các tham số QoS trong mạng LTE ................................................... 44
1


3.2.1.

Các lớp định danh chất lƣợng dịch vụ ............................................ 44

3.2.2.

Cấp phát và giữ quyền ƣu tiên ARP ............................................... 45

3.2.3.

Các tốc độ bít trong truyền tải ........................................................ 46

3.4. Quản lý chất lƣợng QoS trong eNodeB ............................................. 46
3.4.1. Cung cấp QoS ................................................................................. 46
3.4.1.1. Cung cấp QoS trên giao diện vô tuyến ...................................... 46
3.4.1.2. Cung cấp QoS trong mạng truyền tải ........................................ 48
3.4.2.

Điều khiển truy nhập vào ................................................................ 48

3.4.2.1. Điều khiển dựa trên tài nguyên vô tuyến ................................... 48
3.4.2.2. Điều khiển khi có nghẽn ............................................................ 51
3.5. Một số chỉ tiêu chất lƣợng mạng LTE............................................... 53
3.5.1. Nhóm chỉ tiêu về khả năng truy nhập ............................................. 53
3.5.2.
3.5.3.

Nhóm chỉ tiêu về khả năng duy trì dịch vụ ..................................... 54
Nhóm chỉ tiêu về khả năng di động, chuyển giao........................... 54

3.5.4.

Nhóm chỉ tiêu về hiệu suất sử dụng và độ khả dụng ...................... 55

3.5.5.

Nhóm chỉ tiêu về lƣu lƣợng và ngƣời sử dụng ............................... 55

3.5.6.

Nhóm chỉ tiêu về khả năng toàn vẹn của dịch vụ ........................... 56

CHƢƠNG IV: MẠNG LTE THỬ NGHIỆM THỰC TẾ TẠI NHÀ MẠNG
MOBIFONE ...................................................................................................... 57
4.1.

Thống kê năng lực mạng 2G/3G Mobifone hiện tại......................... 57

4.2.

Chủng loại thiết bị LTE cho thử nghiệm .......................................... 59

4.3.

Mô hình kết nối hệ thống LTE thử nghiệm ...................................... 59

4.4. Quy hoạch lại băng tần sử dụng cho LTE ........................................ 60
4.4.1. Quy hoạch lại tần số cho mạng 2G/1800 ........................................ 60
4.4.2.

Quy hoạch tần số 1800 cho mạng LTE thử nghiệm ....................... 61

4.4.3.

Thiết kế tần số 2600 cho mạng LTE thử nghiệm ........................... 61

4.5. Số lƣợng trạm eNodeB thử nghiệm ................................................... 61
4.5.1. Số trạm giai đoạn 1 ......................................................................... 61
4.5.2.

Số trạm giai đoạn 2 ......................................................................... 62

4.6. Khu vực lắp đặt thử nghiệm .............................................................. 62
4.6.1. Các vị trí lắp đặt giai đoạn 1 ........................................................... 62
4.6.2. Các vị trí lắp đặt giai đoạn 2 ........................................................... 62
4.6.3.

Thiết kế các trạm eNodeB giai đoạn 1............................................ 63

4.6.4.

Truyền dẫn cho các trạm giai đoạn 1 .............................................. 63
2


4.7.

Một số dịch vụ và ứng dụng của mạng thử nghiệm ......................... 64

4.8.

Kết quả kiểm tra và đo kiểm các tính năng hệ thống ...................... 64

4.9. Kết quả đo kiểm tra các dịch vụ thử nghiệm ................................... 65
CHƢƠNG V: GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VÀ TỐI ƢU HÓA CHẤT LƢỢNG
MẠNG LTE....................................................................................................... 66
5.1. Giải pháp thiết kế và quy hoạch mạng LTE..................................... 66
5.1.1. Lý thuyết chung .............................................................................. 66
5.1.2.
5.2.

Số liệu tham khảo cho thiết kế và quy hoạch mạng LTE ............... 68

Số liệu thiết kế và quy hoạch mạng LTE Mobifone đến 2020 ........ 71

5.3. Quy trình tối ƣu hóa mạng vô tuyến LTE ........................................ 72
5.3.1. Đối với tối ƣu hóa mạng lõi ............................................................ 72
5.3.2.

Đối với tối ƣu hóa mạng vô tuyến .................................................. 73

5.3.3.

Các công cụ hỗ trợ thiết kế và tối ƣu hóa mạng ............................. 74

5.3.4.

Quy trình tối ƣu hóa theo khuyến nghị của hãng Samsung ............ 74

5.3.4.1. Quy trình thực hiện tối ƣu hóa từng trạm eNodeB .................... 74
5.3.4.2. Quy trình thực hiện tối ƣu hóa nhiều trạm (cluster) .................. 75
5.4.

Một số khuyến nghị để nâng cao chất lƣợng mạng LTE ...................... 76

5.4.1.

Chiến lƣợc tham số cho chế độ rỗi (Idle Mode) ............................. 76

5.4.2.

Chiến lƣợc tham số cho chế độ bận (Connected Mode) ................. 77

5.4.3.

Chiến lƣợc tham số khi điều khiển tải ............................................ 78

5.4.4.

Chiến lƣợc lựa chọn mạng 2G/3G/4G ở chế độ idle ...................... 78

5.4.5.

Khuyến nghị một số ngƣỡng chuyển giao ...................................... 79

5.4.6.
5.4.7.

Chiến lƣợc tham số cho dịch vụ CSFB ........................................... 80
Khuyến nghị về công nghệ ăng ten cho 4G .................................... 80

5.4.8.

Khuyến nghị nâng cấp tốc độ truyền dẫn ....................................... 80

5.4.9.

Khuyến nghị về cơ sở hạ tầng ......................................................... 80

5.4.10.

Đầu cuối UE hỗ trợ sử dụng mạng LTE ...................................... 81

5.5. Kết quả đo kiểm mạng LTE trƣớc và sau tối ƣu hóa ...................... 81
PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ ĐO DRIVETEST TRƢỚC VÀ SAU KHI THỰC HIỆN
TỐI ƢU HÓA MẠNG LTE MOBIFONE THỬ NGHIỆM GIAI ĐOẠN 1........ 84
PHỤ LỤC 2: MÔ PHỎNG VÙNG PHỦ SÓNG MẠNG LTE MOBIFONE THỬ
NGHIỆM GIAI ĐOẠN 2 ................................................................................... 85
PHỤ LỤC 3: MÔ PHỎNG VÙNG PHỦ SÓNG KHU VỰC MẠNG LTE MIỀN
BẮC MOBIFONE ĐƢỢC QUY HOẠCH ĐẦU TƢ NĂM 2016 ...................... 86
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 88
3


TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................. 89
CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................................... 90

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Lịch sử phát triển công nghệ mạng di động [17]
Hình 1.2. Cấu trúc cơ bản của mạng LTE [17]
Hình 1.3. So sánh cấu trúc mạng UMTS và mạng LTE [6]
Hình 1.4. Nguyên lý sử dụng các sóng mang con trực giao [17]
Hình 1.5. So sánh phổ tần số các kỹ thuật FDMA và OFDMA [17]
Hình 1.6. So sánh kỹ thuật OFDMA và kỹ thuật SC-FDMA [17]
Hình 1.7. Sơ đồ khối hệ thống thu phát SC-FDMA trong miền tần số [17]
Hình 2.1. Các giao diện và giao thức sử dụng giữa E-UTRAN và EPC [2]
Hình 2.2. Các chức năng lớp giao thức của giao diện vô tuyến Uu [2]

Hình 2.3. Cấu trúc kênh logic - truyền tải - vật lý giao diện Uu [2]
Hình 2.4. Thủ tục truy nhập mạng ngẫu nhiên [2]
Hình 2.5. Các kênh truyền tải trong mạng LTE [2]
Hình 2.6. Thủ tục thiết lập kênh mặc định và truy nhập ban đầu [2]
Hình 2.7. Thủ tục yêu cầu cấp kênh dành riêng [2]
Hình 2.8. Các thủ tục chuyển giao trên giao diện X2 [2]
Hình 2.9. Các thủ tục chuyển giao trên giao diện S1 [2]
Hình 3.1. Cấu trúc các phần tử và giao diện chính trong mạng LTE [3]
Hình 4.1. Mô hình kết nối mạng LTE thử nghiệm tại Mobifone [12]
Hình 4.2. Các vị trí trạm eNodeB lắp đặt giai đoạn 1
Hình 4.3. Các vị trí trạm eNodeB lắp đặt cả 2 giai đoạn
Hình 5.1. Mô phỏng bản đồ phủ sóng 2G Hà Nội tháng 10/2015
Hình 5.2. Mô phỏng bản đồ phủ sóng 3G Hà Nội tháng 10/2015
Hình 5.3. Mô phỏng mức chất lƣợng sóng 3G Hà Nội tháng 10/2015
Hình 5.4. Quy trình thực hiện tối ƣu hóa từng trạm eNodeB của Samsung [4]
Hình 5.5. Quy trình thực hiện tối ƣu hóa theo cluster của Samsung [4]
5


Hình 5.6. Minh họa chiến lƣợc tham số lựa chọn mạng ở chế độ rỗi [13]
Hình 5.7. Minh họa chiến lƣợc tham số lựa chọn mạng ở chế độ bận [13]
Hình 5.8. Minh họa chiến lƣợc tham số điều khiển tải lƣu lƣợng [13]
Hình 5.9. Minh họa chiến lƣợc ƣu tiên lựa chọn mạng 2G/3G/4G [13]
Hình 5.10. Minh họa các ngƣỡng chuyển giao với mạng 2G/3G [13]

6


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, ngành viễn thông thế giới đã chứng kiến sự

phát triển rất mạnh mẽ và thực sự bùng nổ. Đặc biệt là lĩnh vực thông tin di động,
số lƣợng khách hàng sử dụng dịch vụ ngày một tăng, dịch vụ mạng 2G và 3G đã
đạt đến trạng thái gần nhƣ bão hòa, công nghệ mạng cũng liên tục đƣợc cập nhật
và nâng cấp từ mạng thông tin di động 1G lên 2G, đến 2.5G, lên 3G và hiện nay
nhiều nƣớc đã đầu tƣ, nâng cấp công nghệ, chính thức khai thác thƣơng mại các
dịch vụ mạng thông tin di động thế hệ thứ 4 (LTE).
Tại Việt Nam, xu hƣớng công nghệ di động cũng rất phát triển và chuẩn bị
nâng lên thế hệ mạng 4G để đáp ứng nhu cầu về dịch vụ ngày càng cao của ngƣời
dân. Trong đó, công nghệ 4G-LTE và LTE Advanced, với mạng truy nhập vô
tuyến tiên tiến E-UTRAN, đƣợc dự đoán sẽ là nền tảng công nghệ chiếm hơn
80% thị phần lƣu lƣợng 4G toàn cầu có thể đƣợc ƣu tiên triển khai tại Việt Nam
do những ƣu điểm nổi trội cũng nhƣ khả năng tận dụng các hạ tầng mạng 2G/3G
hiện tại, khách hàng sẵn có, ...
Đề tài “Nghiên cứu các giải pháp thiết kế và tối ƣu hóa chất lƣợng mạng
LTE” đƣợc trình bày thành các chƣơng sau:
1)

2)
3)
4)

5)

Chƣơng I: Trình bày một cách khái quát về lịch sử phát triển các thế hệ
mạng thông tin di động. Giới thiệu tổng quan về công nghệ LTE, trong đó
có đề cập đến cấu trúc tổng quan và các phần tử chức năng mạng LTE.
Chƣơng II: Nghiên cứu, trình bày về các giao diện trong mạng LTE, thủ
tục truy nhập mạng và vấn đề chuyển giao trong LTE .
Chƣơng III: Nghiên cứu, giới thiệu các nội dung về quản lý chất lƣợng và
hiệu năng của mạng LTE.

Chƣơng IV: Giới thiệu công nghệ mạng LTE thiết bị Samsung, thiết bị
NSN đã và đang thử nghiệm tại Tổng Công ty Viễn thông Mobifone.
Trong đó có các số liệu đo kiểm tra thực tế, thực hiện các phân tích, đánh
giá minh họa cho một số dịch vụ mạng LTE thử nghiệm đã đƣợc cung cấp
tại Việt Nam.
Chƣơng V: Nghiên cứu, trình bày về giải pháp thiết kế và tối ƣu hóa chất
lƣợng mạng vô tuyến LTE. Đồng thời đề xuất một số khuyến nghị để nâng
cao chất lƣợng và dịch vụ mạng 4G.

7


Để hoàn thành báo cáo luận văn thạc sĩ này, tác giả xin gửi lời cảm ơn
chân thành nhất đến PGS.TS Nguyễn Văn Khang đã hƣớng dẫn, giúp đỡ tác giả
hoàn thành đúng thời gian và đầy đủ các nội dung theo đề cƣơng đã đƣợc Trƣờng
Đại Học Bách khoa Hà Nội giao.
Trong quá trình nghiên cứu, thực hiện luận văn thạc sĩ, do thời gian có hạn
và công nghệ LTE hiện vẫn chƣa có nhà mạng nào chính thức khai thác thƣơng
mại ở Việt Nam, tác giả còn có một số hạn chế do đó không tránh khỏi còn nhiều
thiếu sót. Tác giả rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy và chuyên
gia để bản luận văn này đƣợc hoàn thiện hơn.
Hà Nội, tháng 04 năm 2016
Học viên

Đỗ Trung Minh

8


CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG

NGHỆ MẠNG LTE
1.1.

Sơ lƣợc về công nghệ và quá trình phát triển
Trƣớc khi LTE ra đời, công nghệ thông tin di động đã trải qua 3 thế
hệ (1G, 2G và 3G) và đang hƣớng tới triển khai các công nghệ tiền 4G, trong
đó LTE thu hút sự quan tâm rộng rãi bởi LTE đƣợc xem nhƣ hệ thống tiến
hóa tiếp theo cho các công nghệ di động dựa trên nền tảng GSM/UMTS
(GSM, GPRS/ EDGE, HSPA/HSPA+). Mục đích của LTE là cung cấp công
nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng với độ trễ truyền tải thấp, đồng thời hỗ trợ
khả năng chuyển giao trong suốt cho lƣu lƣợng dữ liệu với GPRS/HSPA.
LTE bắt đầu đƣợc tiêu chuẩn hóa kể từ phiên bản 3GPP R8, cho đến hiện tại
3GPP đã ban hành đến phiên bản 3GPP R11. Kể từ phiên bản R10 trở đi,
LTE đƣợc gọi là LTE Advanced.
Phase 2+
(Release 97)

Release 99

Release 6

Release 8

GPRS
171.2kbit/s

UMTS
2Mbit/s

HSUPA

5.76Mbit/s

LTE
+300Mbit/s

Release 9/10
LTE
Advanced
GSM
9.6kbit/s

EDGE
473.6kbit/s

HSDPA
14.4Mbit/s

Phase 1

Release 99

Release 5

HSPA+
28.8Mbit/s
42Mbit/s
Release 7/8

Hình 1.1. Lịch sử phát triển công nghệ mạng di động [17]

Trên toàn thế giới, hơn 80% nhà cung cấp dịch vụ di động hiện tại
đang sử dụng công nghệ GSM. Lợi thế về cơ sở hạ tầng sẵn có và số lƣợng
khách hàng sử dụng đông đảo là lý do chính để phát triển thị trƣờng di động
băng rộng với công nghệ 3G/HSPA và tiếp theo sẽ là LTE. Công nghệ LTE
có khả năng tƣơng thích gần nhƣ hoàn hảo với công nghệ nền tảng
GSM/UMTS. Thực tế cho thấy, hầu hết các hãng sản xuất thiết bị viễn thông
hàng đầu trên thế giới nhƣ: Nokia Siemens Networks, Ericsson, AlcatelLucent, Huawei, Motorola, ZTE, LG Electronics, Samsung, NEC, Fujitsu,...
9


đã nhận ra tiềm năng to lớn này và đã cùng bắt tay với các mạng di động lớn
trên thế giới (Vodafone, Verizon Wireless, AT&T, France Telecom-Orange,
NTT DoCoMo, T-Mobile, China Mobile, China Telecom, ...) thực hiện các
cuộc thử nghiệm quan trọng trên công nghệ LTE và đã đạt những thành công
đáng kể.
Mạng LTE đầu tiên đƣa vào khai thác thƣơng mại năm 2009 (02
mạng), sang 2010 có 16 mạng, năm 2011 có 46 mạng, các năm tiếp sau đó số
lƣợng mạng LTE tăng nhanh chóng, năm 2014 đã có 288 mạng LTE và đến
cuối năm 2015 đã có 442 nhà mạng trên thế giới chính thức cung cấp dịch vụ
mạng LTE cho khách hàng tại 147 quốc gia. Số lƣợng khách hàng sử dụng
dịch vụ mạng LTE cũng tăng lên đáng kể, đến đầu năm 2014 trên thế giới đã
có 200 triệu ngƣời sử dụng dịch vụ mạng LTE, dự kiến giai đoạn 2015-2017
số lƣợng khách hàng sẽ phát triển mạnh mẽ, đến 2017 con số đó ƣớc sẽ đạt
khoảng 1 tỷ khách hàng.
Ở Việt Nam, mạng di động 3G dựa trên công nghệ UMTS bắt đầu
triển khai và cung cấp dịch vụ tới khách hàng từ cuối năm 2009 và hiện đã
đạt đƣợc vùng phủ sóng khá tốt, các nhà mạng đang trong quá trình nâng cao
chất lƣợng sóng, cải thiện tốc độ dữ liệu cũng nhƣ phát triển các dịch vụ nội
dung. Số lƣợng ngƣời sử dụng dịch vụ 3G chiếm khoảng 56% tổng số lƣợng
thuê bao toàn mạng do còn nhiều hạn chế về thiết bị đầu cuối, vùng phủ sóng,

giá cƣớc dịch vụ và các nội dung ứng dụng chƣa phát triển. Tuy nhiên quá
trình triển khai thử nghiệm LTE đã bắt đầu đƣợc tiến hành gần đây. Bộ
Thông tin Truyền thông đã cấp giấy phép thử nghiệm công nghệ 4G cho các
doanh nghiệp VNPT, CMC, FPT, VTC và Viettel. Theo đó các doanh nghiệp
sẽ thử nghiệm công nghệ 4G trong thời hạn 1 năm và có thể kéo dài trong
thời gian 2 năm để đánh giá công nghệ và nhu cầu của ngƣời sử dụng tại Việt
Nam. Đi đầu trong việc triển khai cung cấp thử nghiệm dịch vụ công nghệ
4G tại Việt Nam là Tập đoàn VNPT và đơn vị triển khai thử nghiệm đầu tiên
là Công ty VDC. Tháng 10/2010, những trạm phát sóng công nghệ LTE đầu
tiên tại Việt Nam đã đƣợc lắp đặt. Nhà mạng Mobifone và Vinaphone cũng
chuẩn bị có kế hoạch thử nghiệm mạng LTE của riêng mình.
Các mạng thông tin di động tại Việt Nam hầu hết đang hoạt động
với 2 công nghệ truy nhập vô tuyến là GSM/GPRS/EDGE cho mạng 2G và
UMTS/HSPA/HSPA+ cho mạng 3G. Có thể nói nhu cầu sử dụng và ứng
10


dụng các dịch vụ di động băng rộng tại Việt Nam ngày càng gia tăng. Tuy
nhiên tốc độ truy nhập mạng 3G vẫn còn một số hạn chế (tốc độ tải xuống/tải
lên trung bình đạt 8.5 Mbps/2.5 Mbps tại khu vực thành phố lớn, các khu vực
còn lại đạt khoảng 3.5 Mbps/1.2 Mbps). Do vậy các ứng dụng nhƣ Video
Call, Mobile TV hiện tại có chất lƣợng còn thấp, chƣa đáp ứng nhu cầu tốc
độ cao của ngƣời sử dụng 3G. Trong tƣơng lai việc các nhà mạng tại Việt
Nam triển khai, đầu tƣ nâng cấp mạng di động hiện tại lên LTE là nhu cầu
gần nhƣ tất yếu nhằm cung cấp các dịch vụ ứng dụng băng rộng, tốc độ cao
nhƣ truyền hình HD & VoD, Video/VoIP Call chất lƣợng cao, trò chơi trực
tuyến, … phục vụ cho khách hàng.
1.2.

Cấu trúc tổng quan mạng LTE

Cấu trúc cơ bản của mạng LTE với hai thành phần chính là mạng lõi
và mạng truy nhập vô tuyến, đƣợc thể hiện nhƣ ở hình vẽ dƣới đây:

Hình 1.2. Cấu trúc cơ bản của mạng LTE [17]

Một trong những mục tiêu hƣớng tới của công nghệ mạng LTE là tối
thiểu hóa số lƣợng các phần tử mạng. Do đó phần tử RNC trong mạng 3G đã
11


đƣợc loại bỏ. Các chức năng của RNC đƣợc mạng LTE thiết kế lại, chuyển
một phần chức năng sang các trạm eNodeB cơ sở, và một phần chuyển sang
các nút cổng giao tiếp của mạng lõi. Để phân biệt với các trạm cơ sở 3GUMTS, các trạm cơ sở của LTE đƣợc gọi là eNodeB. Các trạm này sẽ thực
hiện chức năng quản lý dữ liệu truyền tải một cách độc lập, đồng thời bảo
đảm chất lƣợng dịch vụ.
Hình vẽ sau đây mô tả sự chuyển đổi trong cấu trúc mạng thông tin
di động từ công nghệ WCDMA (UMTS) sang công nghệ mạng 4G LTE.

MME/ S-GW

MME/ S-GW

S1

S1
X2

E-UTRAN
eNodeB

eNodeB

eNo
deB

Hình 1.3. So sánh cấu trúc mạng UMTS và mạng LTE [6]

Một số đặc điểm chính:
1.3.

Cấu trúc mạng LTE đơn giản hơn mạng 3G.
Số lƣợng phần tử mạng không nhiều, dễ triển khai.
Trễ truyền tải thấp và rất dễ vận hành khai thác, bảo dƣỡng mạng.
Các giao diện S1 và X2 đều sử dụng truyền dẫn Full-IP.
Tốc độ truyền tải dữ liệu rất cao.

Chức năng các phần tử mạng LTE
Mạng LTE bao gồm hai khối chính, đó là khối E-UTRAN và EPC
12


eNB
Inter Cell RRM
RB Control
Connection Mobility Cont.
MME
Radio Admission Control
NAS Security
eNB Measurement
Configuration & Provision

Idle State Mobility
Handling

Dynamic Resource
Allocation (Scheduler)

EPS Bearer Control
RRC
PDCP
S-GW

P-GW

RLC
Mobility
Anchoring

MAC

UE IP address
allocation

S1
PHY

Packet Filtering
internet

E-UTRAN

EPC

Khối E-UTRAN (eNodeB): Có các chức năng chính sau đây
 Truyền dữ liệu của ngƣời sử dụng.
 Mã hóa và giải mã kênh vô tuyến.
 Bảo vệ toàn vẹn dữ liệu.
 Nén tiêu đề.
 Các chức năng điều khiển di động.
 Chuyển giao.
 Tìm gọi.
 Định vị.
 Phối hợp giảm nhiễu giữa các cell .
 Thiết lập và giải phóng kết nối.
 Cân bằng tải.
 Phân chia các bản tin NAS. Bản tin NAS sử dụng để chuyên chở các
báo hiệu non-radio (báo hiệu không thu phát trên giao diện vô tuyến)
giữa UE và MME.
 Lựa chọn NAS.
 Chức năng đồng bộ.
13


 Chia sẻ tài nguyên mạng truy nhập vô tuyến.
 Phát quảng bá MBMS.
Khối EPC: Bao gồm các phần tử
 Phần tử quản lý di động MME: chịu trách nhiệm xử lý những chức
năng mặt bằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao và quản lý
phiên. MME là phần tử điều khiển quan trọng nhất của mạng truy
nhập LTE. Nó đảm nhiệm các chức năng chính sau:
+

Tìm kiếm UE trong trạng thái idle và connected, bao gồm cả
truyền tải lại.

+

Kích hoạt/giải hoạt các phiên dữ liệu, lựa chọn SGW cho một
UE khi bắt đầu kết nối và chuyển giao trong mạng LTE liên
quan tới thay đổi node trong mạng lõi.

+

Xác định ngƣời dùng (trao đổi với hệ thống HSS), hay tạo ra
và phân bổ các nhận diện tạm thời đến UE.

+

Là điểm kết cuối trong mạng cho việc mã hóa/bảo vệ tích hợp
báo hiệu NAS và xử lý việc quản lý mã an ninh.

+

Hỗ trợ báo hiệu dành cho nghe lén hợp pháp

+

Cung cấp các chức năng lớp điều khiển cho chuyển giao di
động giữa LTE và mạng truy nhập 2G/3G với kết cuối giao
diện S3 từ SGSN tại MME.

+

Là điểm kết cuối giao diện S6a đến HSS cho các thuê bao
chuyển vùng.

 Cổng dịch vụ SGW: là vị trí kết nối dữ liệu gói với E-UTRAN.
SGW cũng hoạt động nhƣ một node định tuyến đến những thành
phần mạng công nghệ 3GPP khác. SGW thực hiện chức năng định
tuyến và chuyển tiếp các gói dữ liệu khách hàng, trong khi vẫn hoạt
động nhƣ một lớp giao tiếp di động cho lớp ngƣời dùng trong quá
trình chuyển giao giữa các eNodeB. SGW còn thực hiện chức năng
chuyển vùng giữa LTE và các công nghệ 3GPP khác. Đối với các
UE ở trạng thái rỗi (chƣa sử dụng), SGW kết nối đƣờng dữ liệu
hƣớng xuống và tìm gọi UE khi có dữ liệu hƣớng xuống. Nó cũng
14


quản lý và lƣu trữ các ngữ cảnh cho UE, ví dụ nhƣ các tham số của
phiên dịch vụ IP, thông tin định tuyến nội mạng. SGW cũng thực
hiện sao chép lƣu lƣợng ngƣời dùng trong trƣờng hợp triển khai
nghe lén hợp pháp.
 Cổng dữ liệu gói PGW: là điểm đầu cuối cho những phiên hƣớng về
mạng dữ liệu gói bên ngoài và cũng là router kết nối đến mạng
Internet. PGW cung cấp kết nối cho UE đến các mạng gói ngoài với
việc hoạt động nhƣ một cổng ra vào cho lƣu lƣợng UE. Một UE có
thể có nhiều kết nối tới nhiều PGW. PGW cũng thực thi việc áp đặt
chính sách, lọc gói cho ngƣời dùng, hỗ trợ ghi cƣớc và nghe lén hợp
pháp. Một vai trò quan trọng khác của PGW là hoạt động nhƣ một
cổng giao tiếp di động giữa công nghệ 3GPP và các công nghệ khác
nhƣ WiMAX,...

1.3.

Băng tần thiết kế cho công nghệ LTE

Trên thế giới, công nghệ mạng LTE đã đƣợc thiết kế hoạt động tại
các băng tần số sau: 2.1GHz, 1.9GHz, 1.8GHz, 2.6GHz, 900 MHz, 800 MHz,
450 MHz, … trong đó 43% nhà mạng sử dụng băng tần 1800.
Băng thông tƣơng ứng có thể đạt đƣợc:
Băng thông kênh
[MHz]
Tốc độ tối đa tải
xuống (Mbps)

1.4.

10

20

30

40

60

75

150

225

300

600

•

Nhƣ vậy, tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20Mhz:
 Tải lên (UL): 75 Mbps.
 Tải xuống (DL): 150 Mbps.

•

Khi đó, dung lƣợng dữ liệu truyền tải trung bình của một
ngƣời dùng trên 1Mhz so với mạng 3G/HSPA nhƣ sau:
 Tải lên (UL): gấp 2 đến 3 lần.
 Tải xuống (DL): gấp 3 đến 4 lần.

Công nghệ truy nhập trong mạng LTE

15


Công nghệ truy nhập mạng LTE sử dụng các kỹ thuật đa truy nhập
phân chia theo tần số trực giao OFDMA cho truy nhập đƣờng xuống và kỹ
thuật đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang SC-FDMA cho các
truy nhập đƣờng lên.
1.4.1. Kỹ thuật đa truy nhập OFDMA
Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA dựa
trên nền tảng công nghệ điều chế trực giao OFDM, một trƣờng hợp đặc biệt

của phƣơng pháp điều chế đa sóng mang. Nguyên lý cơ bản của OFDM là
chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp
hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau. Các
sóng mang này đƣợc điều chế để trực giao với nhau, và nhờ đó phổ tín hiệu
của các sóng mang này đƣợc phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn có
thể khôi phục lại đƣợc tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm
cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ
thuật điều chế thông thƣờng. Đồng thời, bởi vì chu kỳ của các kí hiệu tăng lên
nên lƣợng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đƣờng đƣợc giảm xuống một cách
đáng kể. Nguyên lý sử dụng các sóng mang con trực giao này đƣợc minh họa
cụ thể trong hình vẽ dƣới đây:

Hình 1.4. Nguyên lý sử dụng các sóng mang con trực giao [17]

Bằng cách sử dụng kỹ thuật đa sóng mang con chồng xung, ta có thể
tiết kiệm đƣợc đáng kể băng thông sử dụng. Thông quan kỹ thuật này hiệu
quả sử dụng phổ tần số cũng đƣợc nâng lên đáng kể. Hình vẽ dƣới đây minh
họa cho sự khác nhau về phổ tần số giữa các kỹ thuật truy nhập FDMA và
OFDMA.
16


Hình 1.5. So sánh phổ tần số các kỹ thuật FDMA và OFDMA [17]

Ƣu điểm của kỹ thuật OFDMA trong truy nhập đƣờng xuống:
- Loại bỏ hiện tƣợng nhiễu xuyên tín hiệu nếu độ dài chuỗi bảo vệ lớn
hơn độ trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền.
- Thực hiện việc chuyển đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song,
tăng chu kỳ của các kí hiệu, dẫn tới việc giảm sự phân tán theo thời
gian gây bởi trải trễ do truyền dẫn đa đƣờng.

- Tăng hiệu quả sử dụng phổ tần bằng việc cho phép chồng phổ giữa
các sóng mang con. Hạn chế đƣợc ảnh hƣởng của fading bằng cách
chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh con phẳng tƣơng
ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau.
- Rất phù hợp cho thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng (tốc độ
truyền dẫn cao), giảm tối đa các ảnh hƣởng của phân tập tần số đối
với chất lƣợng mạng so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.
- Cấu trúc máy thu đơn giản. Tƣơng thích với các bộ thu và các loại
ăng ten tiên tiến.
- Thích ứng đƣờng truyền và lập biểu trong miền tần số.
Nhƣợc điểm của kỹ thuật OFDMA:
- Đƣờng bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng. Điều này
gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuyếch đại công suất ở các máy phát
và máy thu.

17


- Các chuỗi bảo vệ đƣợc sử dụng để triệt tiêu nhiễu phân tập đa
đƣờng, nhƣng đồng thời cũng làm giảm đi một phần hiệu suất sử
dụng đƣờng truyền, do bản thân các chuỗi bảo vệ không mang thông
tin có ích.
- Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống
OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doopler cũng nhƣ sự dịch tần và
dịch thời gian do sai số đồng bộ.
1.4.2. Kỹ thuật đa truy nhập SC-FDMA
Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang SCFDMA là kỹ thuật đƣợc 3GPP sử dụng cho đƣờng truyền hƣớng lên của LTE.
Các tín hiệu SC-FDMA có tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình thấp
hơn nhiều so với kỹ thuật OFDMA. Điều này giúp tăng đáng kể hiệu quả sử
dụng các bộ khuếch đại công suất tại UE. Ngoài ra, việc xử lý tín hiệu của kỹ

thuật SC-FDMA có một số điểm tƣơng đồng với kỹ thuật OFDMA, và do đó
các tham số hƣớng xuống và hƣớng lên vẫn có thể cân đối với nhau.
Giống nhƣ trong kỹ thuật OFDMA, các máy phát trong kỹ thuật SCFDMA cũng sử dụng các tần số trực giao khác nhau để phát đi các tín hiệu
thông tin. Tuy nhiên các ký hiệu này đƣợc phát đi lần lƣợt chứ không phải
song song nhƣ trong kỹ thuật OFDMA, và do đó làm giảm đáng kể sự dao
động về biên độ của đƣờng bao tín hiệu sóng phát, dẫn tới việc các tín hiệu
SC-FDMA có tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình thấp hơn so với
các tín hiệu OFDMA. Đây cũng là lý do chính để công nghệ mạng LTE lựa
chọn kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang SC-FDMA
cho đƣờng lên với mục đích đảm bảo dung lƣợng pin cho các thiết bị ngƣời
sử dụng có thể kéo dài nhất có thể và kích thƣớc máy đầu cuối đƣợc dễ dàng
thiết kế, đảm bảo nhỏ gọn, ...
Đổi lại, các tín hiệu SC-FDMA thu đƣợc tại các trạm gốc bị nhiễu
giữa các ký tự khá lớn. Các trạm thu phát gốc sẽ phải sử dụng bộ cân bằng
thích ứng miền tần số để loại bỏ nhiễu này.

18


Hình 1.6. So sánh kỹ thuật OFDMA và kỹ thuật SC-FDMA [17]

Hình vẽ trên cho thấy sự khác nhau giữa kỹ thuật OFDMA và kỹ
thuật SC-FDMA trong quá trình truyền các ký hiệu số liệu theo thời gian. Ở
mô hình này, mỗi ngƣời sử dụng sẽ đƣợc cấp bốn sóng mang con (P = 4) với
băng thông sóng con bằng 15KHz. Mỗi ký hiệu OFDMA hoặc SC-FDMA
truyền bốn bít số liệu đƣợc điều chế QPSK cho ngƣời sử dụng. Đối với
OFDMA, bốn bít số liệu này đƣợc truyền đồng thời với băng tần con cho mỗi
ký hiệu là 15KHz trong mỗi khoảng thời gian hiệu dụng (TFFT) của một ký
hiệu OFDMA, trong khi đó đối với kỹ thuật SC-FDMA, bốn ký hiệu số liệu
này đƣợc truyền lần lƣợt trong khoảng thời gian bằng 1/P (P = 4) thời gian

hiệu dụng của một ký hiệu SC-FDMA với băng tần con bằng P x 15KHz
(4x15 KHz) cho mỗi ký hiệu.
Trong kỹ thuật OFDMA, biến đổi Fourier nhanh FFT đƣợc sử dụng
ở đầu thu cho mỗi khối ký tự và FFT ngƣợc ở đầu phát. Còn với kỹ thuật SCFDMA, cả hai thuật toán này đƣợc sử dụng ở cả đầu phát và đầu thu. Cấu
trúc các bộ thu-phát tín hiệu SC-FDMA đƣợc thể hiện nhƣ hình sau:

19


Hình 1.7. Sơ đồ khối hệ thống thu phát SC-FDMA trong miền tần số [17]

20


CHƢƠNG II: CÁC THỦ TỤC TRUY NHẬP VÀ
CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG LTE
2.1.

Các thủ tục và giao diện mạng LTE

2.1.1. Các giao diện của mạng LTE

Hình 2.1. Các giao diện và giao thức sử dụng giữa E-UTRAN và EPC [2]

Hình vẽ trên mô tả các phần tử mạng chính, các giao diện và giao thức sử
dụng trong mạng truy nhập (E-UTRAN) và trong mạng lõi dữ liệu (EPC) của hệ
thống LTE.
 Giao diện vô tuyến Uu:
Đây là giao diện vô tuyến giữa UE và eNodeB. Giao thức RRC đƣợc sử
dụng cho kết nối giữa UE và eNodeB. Trên giao thức RRC có một lớp không cho

phép truy nhập NAS tại UE. Lớp NAS kết thúc tại MME và eNodeB sẽ làm
nhiệm vụ chuyển tiếp các bản tin lớp NAS tới MME.
 Giao diện S1-MME:

21


Các eNodeB và MME giao tiếp với nhau sử dụng giao diện này. Giao thức
S1-AP là giao diện lớp ứng dụng. Các giao thức truyền tải đƣợc sử dụng tại đây
là giao thức SCTP.
 Giao diện X2:
Giao diện này đƣợc sử dụng bởi eNodeB để kết nối với các eNodeB khác.
Giao diện này cũng sử dụng truyền tải IP qua giao thức SCTP. Giao thức X2-AP
là giao thức ứng dụng đƣợc sử dụng bởi các eNodeB để thực hiện giao tiếp kết
nối với nhau.
 Giao diện S11:
Là một giao diện IP giữa MME và SGW. Giao thức GTPv2 là các giao
thức đƣợc sử dụng ở lớp ứng dụng, giao thức GTPv2 chạy trên truyền tải UDP để
kết nối MME với SGW.
 Giao diện S5:
Đây là giao diện giữa SGW và PGW. Giao diện IP có hai lựa chọn. Giao
diện S5 có thể là giao diện GTP hoặc giao diện PMIP. Giao diện PMIP đƣợc sử
dụng để hỗ trợ truy nhập mạng không theo chuẩn 3GPP (non-trusted 3GPP), còn
giao diện GTP đƣợc sử dụng cho các truy nhập mạng theo chuẩn 3GPP.
 Giao diện S1-U:
Giao diện lớp ngƣời dùng giữa eNodeB và SGW. Giao thức GTP-U là giao
thức ứng dụng thực hiện đóng gói UE payload. Giao thức GTP-U chạy trên UDP.
Toàn bộ các giao diện IP có thể hỗ trợ các công nghệ IPv4 hoặc IPv6.

22

Hình 2.2. Các chức năng lớp giao thức của giao diện vô tuyến Uu [2]

2.1.2. Cấu trúc kênh trên giao diện vô tuyến LTE
Lớp vật lý cung cấp các kênh truyền tải tới lớp trên L2 (Layer 2). Các kênh
truyền tải khác nhau ở các đặc tính dữ liệu đƣợc truyền và ánh xạ tới các kênh
logic khác nhau của lớp MAC. Các kênh logic sẽ mô tả loại dữ liệu đƣợc truyền
tải đi.
2.1.2.1. Các kênh logic
Các kênh logic có thể đƣợc chia thành các nhóm kênh điều khiển và kênh
lƣu lƣợng. Các kênh điều khiển đƣợc sử dụng để truyền thông tin mặt phẳng điều
khiển (CP) và các kênh lƣu lƣợng đƣợc sử dụng để truyền tải thông tin mặt phẳng
ứng dụng (UP). Các kênh logic đƣợc hỗ trợ bởi mạng LTE bao gồm:
Các kênh điều khiển:
 Kênh điều khiển quảng bá (BCCH): là kênh sử dụng ở đƣờng xuống
cung cấp thông tin điều khiển hệ thống đƣợc phát quảng bá.

23


 Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH): kênh đƣợc sử dụng ở đƣờng
xuống mà truyền tải thông tin tìm gọi thuê bao. Kênh này đƣợc sử
dụng khi mạng không biết vị trí cell hiện tại của thuê bao UE.
 Kênh điều khiển chung (CCCH): kênh đƣợc sử dụng bởi UE không
có kết nối RRC với mạng. Kênh CCCH sẽ đƣợc sử dụng bởi UE khi
truy nhập một cell mới hoặc sau khi thực hiện lựa chọn lại cell.
 Kênh điều khiển Multicast (MCCH): Một kênh đƣờng xuống điểm đa điểm đƣợc sử dụng để truyền thông tin điều khiển và lập kế
hoạch phát quảng bá từ mạng tới UE, cho một hoặc một vài MTCH.
Sau khi thiết lập một kết nối RRC, kênh này chỉ đƣợc sử dụng bởi

UE để nhận dữ liệu phát quảng bá MBMS.
 Kênh điều khiển dành riêng (DCCH): Một kênh hai chiều điểm điểm thực hiện truyền thông tin điều khiển dành riêng giữa một UE
và mạng. Kênh này đƣợc sử dụng bởi các UE đã đƣợc cấp phát kết
nối RRC.
Các kênh lưu lượng:
 Kênh lƣu lƣợng dành riêng (DTCH): kênh điểm - điểm đƣợc dành
riêng cho một UE để truyền thông tin dữ liệu thuê bao. Một kênh
DTCH có thể tồn tại ở cả đƣờng lên và đƣờng xuống.
 Kênh lƣu lƣợng Multicast (MTCH): Một kênh đƣờng xuống điểm –
đa điểm để truyền dữ liệu lƣu lƣợng từ mạng tới nhiều UE sử dụng
MBMS.
2.1.2.2. Các kênh truyền tải
Cơ chế đƣợc sử dụng để giảm thiểu số lƣợng các kênh truyền tải nhằm hạn
chế các chuyển mạch không cần thiết giữa các loại kênh khác nhau. Thực tế là
chỉ chó một kênh truyền tải ở đƣờng xuống và một kênh truyền tải ở đƣờng lên
vận chuyển dữ liệu thuê bao, chuyển mạch kênh không cần thiết thực hiện.
Trong LTE, các kênh truyền tải sau đây đƣợc cung cấp tại lớp vật lý:
Đường xuống:
24


 Kênh quảng bá (BCH): Một kênh quảng bá tốc độ bít thấp cố định
sử dụng cho toàn bộ một khu vực phủ sóng của cell. Kỹ thuật tạo
chùm sóng mang không đƣợc sử dụng cho kênh loại này.
 Kênh chia sẻ đƣờng xuống (DL-SCH): kênh có khả năng sử dụng
thông tin HARQ và liên kết thích ứng bằng cách thay đổi điều chế,
mã hóa và công suất phát. Kênh có khả năng quảng bá thông tin
trong toàn bộ cell và có thể sử dụng kỹ thuật tạo chùm sóng mang
(beamforming). Chế độ phát tiết kiệm công suất UE đƣợc hỗ trợ để
giảm tiêu thụ công suất cho thiết bị ngƣời sử dụng. Truyền tải phát

quảng bá cũng đƣợc hỗ trợ.
 Kênh tìm gọi (PCH): một kênh thực hiện phát quảng bá thông tin
tìm gọi thuê bao cho toàn bộ cell. Phát tiết kiệm công suất đƣợc hỗ
trợ để cho phép tiết kiệm công suất tiêu thụ cho ngƣời sử dụng.
 Kênh Multicast (MCH): Một kênh truyền tải riêng cho Multicast.
Kênh này đƣợc phát quảng bá trong toàn bộ cell. Chức năng kết hợp
truyền tải phát quảng bá từ nhiều cell đƣợc hỗ trợ.
Đường lên:
 Kênh chia sẻ đƣờng lên (UL-SCH): Một kênh có khả năng sử dụng
HARQ và khả năng tƣơng thích kết nối bằng cách thay đổi công suất
phát, điều chế và mã hóa. Kỹ thuật tạo chùm sóng mang cũng có thể
đƣợc sử dụng.
 Kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH): kênh đƣợc sử dụng để lấy
thông tin đồng bộ thời gian (đối với truy nhập ngẫu nhiên cận đồng
bộ) và để gửi thông tin cần thiết để đƣợc cấp quyền truyền dữ liệu
(truy nhập ngẫu nhiên đồng bộ). Các UE đã có một kết nối RRC sẽ
có sự hỗ trợ hạn chế đối với truy nhập ngẫu nhiên.
2.1.2.3. Các kênh vật lý
Lớp vật lý cung cấp các dịch vụ tới lớp MAC dƣới dạng các kênh truyền
tải. Dữ liệu ngƣời dùng cần gửi đi đƣợc cung cấp tới lớp vật lý từ lớp MAC dƣới

25