Nghiên cứu giải pháp NEMO CEM cho đánh giá chất lượng trải nghiệm trong mạng di động thế hệ 3g 4g

MỤC LỤC
MỤC LỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................iii
MỤC LỤC BẢNG .......................................................................................................... v
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................................................ vi
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G/4G .................................... 2
1.1

Tổng quan về hệ thống thông tin di động ...................................................... 2

1.2

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G UMTS) ................................ 6

1.2.1

Cấu trúc tổng quát của hệ thống ............................................................. 6

1.2.2

Thiết bị người sử dụng (UE) .................................................................... 7

1.2.3

Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN) ....................................... 8

1.2.4

Mạng lõi CN (Core Network) ................................................................. 10

1.2.5

Các giao diện của UMTS ........................................................................ 13

1.3

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G LTE) .................................. 13

1.3.1

Cấu trúc tổng quát của hệ thống ........................................................... 13

1.3.2

Thiết bị người sử dụng (UE) .................................................................. 15

1.3.3

Mạng truy nhập vô tuyến UMTS phát triển (E-UTRAN) .................. 15

1.3.4

Mạng lõi gói phát triển (EPC)................................................................ 16

1.3.5

Miền phục vụ ........................................................................................... 17

1.4

Kết luận chương 1 .......................................................................................... 17

CHƯƠNG 2: CHẤT LƯỢNG TRẢI NGHIỆM QoE.............................................. 18
2.1

Tổng quan QoS và phương hướng dịch chuyển sang QoE ....................... 18

2.1.1

Giới thiệu chung ...................................................................................... 18

2.1.2

Phương hướng dịch chuyển QoS sang QoE ......................................... 19

2.2

Chất lượng trải nghiệm QoE ........................................................................ 22

2.2.1

Thông lượng ............................................................................................. 24

2.2.2

Duyệt Web ................................................................................................ 29

2.2.3

Video trực tuyến ...................................................................................... 31

2.2.4

Thoại ......................................................................................................... 34

2.2.5

Phiên dữ liệu ............................................................................................ 35

Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

i


2.2.6

Vùng phủ dịch vụ .................................................................................... 37

2.2.7

Khả năng kết nối ..................................................................................... 38

2.2.8

Bắt các sự kiện thay đổi .......................................................................... 39

2.3

Kết luận chương 2 .......................................................................................... 40

CHƯƠNG 3 : GIẢI PHÁP NEMO CEM CHO ĐÁNH GIÁ QoE TRONG MẠNG

3G/4G............................................................................................................................. 41
3.1

Giới thiệu ......................................................................................................... 41

3.2

Giải pháp Nemo CEM .................................................................................. 42

3.2.1

Thành phần thu thập dữ liệu Nemo Qmon .......................................... 44

3.2.2

Thành phần quản lý, phân tích và tạo báo cáo Nemo Qview ............. 46

3.3

Kết quả thực nghiệm và đánh giá................................................................. 50

3.3.1

Kịch bản ................................................................................................... 50

3.3.2

Kết quả thực nghiệm ............................................................................... 51

3.4

Kết luận chương 3 .......................................................................................... 62

KẾT LUẬN ................................................................................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 64

Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

ii


MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Lộ trình phát triển thông tin di động ............................................................... 2
Hình 1. 2 Kiến trúc UMTS ............................................................................................... 7
Hình 1. 3 So sánh kiến trúc giữa UMTS và LTE ........................................................... 14
Hình 1. 4 Kiến trúc 4G LTE/SAE .................................................................................. 14
Hình 2. 1 Các thành phần đánh giá QoS ...................................................................... 19
Hình 2. 2 Các yếu tố đánh giá QoS ............................................................................... 20
Hình 2. 3 Mối quan hệ giữa người sử dụng và nhà cung cấp dịch vụ.......................... 20
Hình 2. 4 Các thành phần đánh giá QoE ...................................................................... 22
Hình 2. 5 Kiến trúc đánh giá QoE ................................................................................. 23
Hình 2. 6 Các pha trong quá trình đo thông lượng ...................................................... 24
Hình 2. 7 Pha kết nối trong quá trình đo thông lượng mono-socket ............................ 25
Hình 2. 8 Quá trình tải xuống trong đo thông lượng mono-socket .............................. 26
Hình 2. 9 Quá trình tải lên trong đo thông lượng mono-socket ................................... 27
Hình 2. 10 Pha kết nốt trong quá trình đo thông lượng multi-socket........................... 28
Hình 2. 11 Quá trình truyền tải trong đo thông lượng multi-socket............................. 29
Hình 2. 12 Các pha trong quá trình giám sát duyệt Web ............................................. 30
Hình 2. 13 Các pha trong quá trình giám sát video trực tuyến .................................... 31
Hình 2. 14 Quá trình phát video trực tuyến .................................................................. 32

Hình 2. 15 Pha kết thúc trong quá trình giám sát video trực tuyến ............................. 33
Hình 2. 16 Các pha trong quá trình giám sát cuộc gọi đi ............................................ 34
Hình 2. 17 Các pha trong quá trình giám sát cuộc gọi đến.......................................... 35
Hình 2. 18 Giám sát phiên dữ liệu................................................................................. 36
Hình 2. 19 Thuật toán thu thập KPI .............................................................................. 37
Hình 2. 20 Sơ đồ quy trình đăng ký mạng lưới ............................................................. 38
Hình 2. 21 Sự kiện thay đổi chế độ đăng ký .................................................................. 39
Hình 2. 22 Quá trình thay đổi công nghệ truy nhập vô tuyến ...................................... 39
Hình 2. 23 Bắt các sự kiện thay đổi công nghệ truy nhập vô tuyến ............................. 40
Hình 3. 1 Giải pháp Nemo CEM ................................................................................... 42
Hình 3. 2 Ứng dụng Nemo Qmon cài đặt trên thiết bị người sử dụng ......................... 43
Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

iii


Hình 3. 3 Giao diện QTrend View ................................................................................. 47
Hình 3. 4 Lập bản đồ loại hình dịch vu ......................................................................... 48
Hình 3. 5 Lập bản đồ theo loại hình công nghệ ............................................................ 48
Hình 3. 6 Giao diện của QCustomer View .................................................................... 49
Hình 3. 7 Mô hình triển khai giải pháp Nemo CEM ..................................................... 51
Hình 3. 8 Biểu đồ tỷ lệ thiết lập cuộc gọi ...................................................................... 52
Hình 3. 9 Biểu đồ tỷ lệ thời gian dành cho các trạng thái mạng .................................. 52
Hình 3. 10 Biểu đồ tổng lưu lượng trao đổi .................................................................. 52
Hình 3. 11 Biểu đồ tỷ lệ thời gian sử dụng.................................................................... 53
Hình 3. 12 Những người liên hệ hàng đầu .................................................................... 53
Hình 3. 13 Biểu đồ lưu lượng trao đổi trong từng ứng dụng........................................ 53
Hình 3. 14 Biểu đồ lưu lượng trao đổi hàng ngày ........................................................ 54
Hình 3. 15 Biểu đồ thay đổi trạng thái pin.................................................................... 54
Hình 3. 16 Đồ thị tín hiệu thu (a) Chất lượng (b) SNR (c) Công suất.......................... 55

Hình 3. 17 Các thông số KIP cho loại hình dịch vụ (a) Tải xuống (b) Tải lên ............ 55
Hình 3. 18 Các thông số KPI cho loại hình dịch vụ (a) Duyệt Web (b) Video trực tuyến
........................................................................................................................................ 56
Hình 3. 19 Các báo cáo đánh giá chất lượng được tạo ra bởi Nemo Qview (a) (b) ... 57
Hình 3. 20 Tỷ lệ thời gian cho trạng thái và loại hình công nghệ ................................ 57
Hình 3. 21 Đánh giá điểm trải nghiệm của khách hàng ............................................... 58
Hình 3. 22 Biểu đồ mạng nhện ...................................................................................... 59
Hình 3. 23 Tỷ lệ thời gian theo chất lượng phủ sóng.................................................... 59
Hình 3. 24 Vùng phủ công nghệ theo từng khu vực ...................................................... 60
Hình 3. 25 Thông số SNR cho từng khu vực.................................................................. 60
Hình 3. 26 Chất lượng tín hiệu thu ................................................................................ 61

Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

iv


MỤC LỤC BẢNG
Bảng 1. 1 So sánh giữa HSDPA (R6) và 4G LTE ........................................................... 6
Bảng 1. 2 So sánh giữa HSUPA (R6) và 4G LTE ........................................................... 6
Bảng 3. 1 Đặc điểm và lợi ích của Nemo CEM ............................................................ 44

Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

v


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
2G

Second Generation

Thế hệ thứ hai

3G

Third Generation

Thế hệ thứ ba
Partnership Đề án các đối tác thế hệ thứ ba

3GPP

3ird
Genaration
Project

4G

Forth Generation

Thế hệ thứ tư

AuC

Authentication Center

Trung tâm nhận thực

BTS

Base Tranceiver Station

Trạm thu phát gốc

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CEM

Customer Experience Monitor

Giám sát chất lượng trải nghiệm

EDGE

Enhanced Data Rates for GSM Công nghệ di động được nâng cấp
Evolution
từ GPRS

EIR

Equipment Identity Register

Bộ ghi nhận dạng thiết bị

EPC

Evolved Packet Core

Lõi gói phát triển

E-UTRAN

Evolved UMTS Terrestrial Radio Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
Access Network
UMTS phát triển

FDMA

Frequency
Access

GGSN

Gateway GPRS Support Node

Nút hỗ trợ GPRS cổng

GMSC

Gateway MSC

Cổng MSC

GSM

Global System
Communications

HLR

Home Location Register

HSDPA

High Speed Downlink Packet Truy nhập hói đường xuống tốc độ
Access
cao

HSS

Home Subsscriber Server

HSUPA

High-Speed Uplink Packet Access Truy nhập gói đường lên tốc độ
cao

IMEI

International Mobile Equipment Số nhận dạng thiết bị di động quốc
Identity
tế

IMS

IP Multimedia Subsystem

IMSI

International Mobile Subsscribern Số nhận dạng thuê bao di động
Identity

ITU

International Telecommunications Liên đoàn Viễn thông quốc tế
Union

Division

For

Multiple Đa truy nhập phân chia theo tần số

Mobile Hệ thống thông tin di động toàn
cầu

Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

Bộ ghi định vị thường trú

Server thuê bao nhà

Phân hệ đa phương tiện IP

vi

IWF

Inter Networking Function

Chức năng tương tác mạng

KPI

Key Performance Indicator

Chỉ số hiệu năng mạng

LA

Location Area

Vùng định vị

LTE

Long Term Evolution

Phát triển dài hạn

MS

Mobile Station

Trạm di động

MSC

Mobile Services Switching Center Trung tâm chuyển mạch các dịch
vụ di động

OTT

Over The Top

PCRF

Policy and Charging Rules
Function

Chức năng các quy tắc tính cước
và chính sách

PDP

Packet Data Protocol

Giao thức số liệu gói

P-GW

Packet Data Network Gateway

Cổng mạng số liệu gói

QoE

Quality of Experience

Chất lượng trải nghiệm

RA

Routing Area

Vùng định tuyến

RNC

Radio Network Controller

Bộ điều khiển mạng vô tuyến

RSRP

Reference Signal Receive Power

Công suất thu tín hiệu tham chuẩn

RSRQ

Reference Signal Receive Quality

Chất lượng thu tín hiệu tham

chuẩn

RSSI

Received Signal Strength Indicator Chỉ thị cường độ tín hiệu thu

RTT

Round-trip delay Time

Thời gian trễ vòng

SGSN

Serving GPRS Support Node

Nút hỗ trợ GPRS phục vụ

S-GW

Serving Gateway

Cổng phục vụ

SINR

Signal to Interference plus Noise Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm nhiễu
Ratio

UICC

Universal IC Card

UMTS

Universal
Mobile Hệ thống thông tin di động toàn
Telecommunications System
cầu

URL

Uniform Resource Locator

USIM

UMTS
Module

UTRAN

UMTS Terrestrial Radio Access Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
Network
UMTS

VLR

Visitor Locatoin Register

WCDMA

Wideband Code Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo mã
Access
băng rộng

Subsscriber

Thẻ vi mạch vạn năng

Định vị tài nguyên thống nhất
Identity Module nhận dạng thuê bao
UMTS

Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

Bộ ghi định vị tạm trú

vii


LỜI NÓI ĐẦU
Trong cuộc sống hằng ngày thông tin liên lạc đóng một vai trò rất quan trọng và
không thể thiếu được. Nó quyết định nhiều khía cạnh của xã hội, giúp con người nhanh
chóng nắm bắt được những thông tin có giá trị như văn hoá, kinh tế, khoa học kỹ thuật.
Thông tin di động ngày càng trở nên quan trọng và đã trở thành một dịch vụ kinh doanh
không thể thiếu được của tất cả các nhà khai thác viễn thông trên thế giới.
Trong những năm gần đây, lĩnh vực thông tin di động trong nước đã có những bước
tiến vượt bậc cả về cơ sở hạ tầng lẫn chất lượng phục vụ. Thế nhưng yếu tố chất lượng
trải nghiệm của khách hàng trong thời gian vừa qua đang và đã trở thành yếu tố quan
trọng hơn bao giờ hết. Việc đặt khách hàng vào trung tâm của mỗi dịch vụ của nhà khai

thác sẽ tối ưu được doanh thu, đem lại lượng khách hàng tiềm năng và giữ được những
khách hàng trung thành.
Dựa trên ý tưởng đó, đồ án này nghiên cứu về chất lượng trải nghiệm (QoE) với
mong muốn tìm hiểu phương pháp đánh giá chất lượng cũng như giới thiệu giải pháp
Nemo CEM một giải pháp mới tiên tiến cho đánh giá chất lượng trải nghiệm. Đồ án
gồm ba chương:
Chương 1: Thông tin đi động thế hệ thứ 3 (3G) và thế hệ thứ 4 (4G): Trình bày tổng
quan quá trình phát triển của thông tin di động và nghiên cứu về hệ thống thông tin di
động thế hệ thứ 3 (3G) và thế hệ thứ 4 (4G).
Chương 2 : Chất lượng trải nghiệm QoE: Trình bày tổng quan về QoS và phương
hướng dịch chuyển sang QoE. Nghiên cứu các thông số KPI của từng dịch vụ sát thực
với người sử dụng nhất để đưa ra đánh giá về QoE
Chương 3: Giải pháp Nemo CEM: Giới thiệu giải pháp Nemo CEM của hãng
Keysight cho đánh giá QoE của người sử dụng đem lại cái nhìn chính xác nhất về chất
lượng trải nghiệm của khách hàng cho nhà khai thác dịch vụ.
Em xin chân thành cảm ơn Cô Th.S Dương Thị Thanh Tú đã tận tình hướng dẫn
em hoàn thành đồ án này. Em xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Học viện
Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, đặc biệt là các thầy cô trong khoa Viễn Thông 1
trong suốt thời gian 4 năm qua, thầy cô đã cùng với tri thức và sự tâm huyết của mình
để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em. Đó là những kiến thức quý giá, là
nền tảng cơ bản cho em bước vào cuộc sống trong tương lai.
Kính mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô và các bạn để đồ án cũng
như chính bản thân em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hoàng Tiến Tạo

Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

1

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G/4G
1.1

Tổng quan về 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 nhiều người sử dụng và thay đổi một cách không ngừng. Để có thể đưa ra những
công nghệ mới hỗ trợ người sử dụng cũng như tối ưu hoá cho nhà khai thác. Quá trình
thay đổi qua các thế hệ được thể hiện tóm tắt qua hình 1.1:

Hình 1. 1 Lộ trình phát triển thông tin di động
 Thế hệ thứ nhất (1G)
Hệ thống thông tin đi động thế hệ thứ nhất chỉ hỗ trợ các loại dịch vụ thoại tương tự và
sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người và sử dụng
phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA - Frequency Division Multiple
Access). Với FDMA, khách hàng được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các
kênh trong lĩnh vực tần số. Sơ đồ báo hiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp, khi MS
bật nguồn để hoạt động thì nó dò sóng tìm kiếm kênh điều khiển riêng cho nó. Nhờ
kênh này, MS nhận được dữ liệu báo hiệu gồm các lệnh về kênh tần số dành riêng cho
lưu lượng người sử dụng. Trong trường hợp số thuê bao nhiều hơn số lượng kênh tần
số có thể, thì một số người bị chặn lại và sẽ không được truy cập. Mặc dù là thế hệ mạng
di động đầu tiên với tần số chỉ từ 150MHz nhưng mạng 1G cũng phân ra khá nhiều
chuẩn kết nối theo từng phân vùng riêng trên thế giới: NMT (Nordic Mobile Telephone)
là chuẩn dành cho các nước Bắc Âu và Nga; AMPS (Advanced Mobile Phone System)
tại Hoa Kỳ; TACS (Total Access Communications System) tại Anh; JTAGS tại Nhật;
C-Netz tại Tây Đức; Radiocom 2000 tại Pháp; RTMI tại Ý.
Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

2


Đặc điểm:
- Mỗi MS được cấp phát một cặp kênh tần số trong suốt thời gian thông tuyến.
- Nhiễu giao thoa do các kênh lân cận là đáng kể
- BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS.
- Dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, chất lượng âm thanh kém, không có
chế độ bảo mật.
Hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người sử dụng về cả mặt
dung lượng và tốc độ. Vì thế, hệ thống di động thứ 2 ra đời được cải thiện về cả dung
lượng và tốc độ.
 Thế hệ thứ hai (2G)
Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ
2 được 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 dộng thế hệ thứ 2 sử dụng phương pháp điều chế số và
2 phương pháp truy cập:
- Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA.
- Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA.
Đa truy nhập phân chia chia theo thời gian TDMA
Băng tần quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải
tần liên lạc này được dùng cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên là một khe thời gian trong
chu kì của một khung. Các thuê bao khác nhau dùng chung kênh nhờ cài xen khe thời
gian, mỗi thuê bao được cấp phát một khe thời gian trong cấu trúc khung.
Đặc điểm:
- Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn theo dạng 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 tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc. Việc phân chia tần số
như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạt động cùng một lúc mà không có

sự can nhiễu lẫn nhau.
- Giảm số máy thu ở BTS.
- Giảm nhiễu giao thoa.
Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống thông tin đi động toàn cầu GSM. Máy di
động kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn FDMA. Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu trong
MS tương tự có khả năng xử lý không quá 106 lệnh trong 1 giây, còn trong MS số
TDMA có khả năng xử lý 50x106 lệnh trong 1 giây.

Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

3


Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA
Trong thông tin đi động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử
dụng có thể chiếm cùng kênh tần số vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi mà không
sợ gây nhiễu lẫn nhau. Nhưng người sử dụng nói trên được phân biệt với nhau nhờ mã
trải phổ giả ngẫu nhiên PN, được cấp phát khác nhau cho mỗi người sử dụng.
Đặc điểm:
- Dải tần tín hiệu rộng.
- Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.
- Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rất nhỏ
và chống fading hiệu quả hơn TDMA và FDMA.
Việc các thuê bao trong vùng cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn
đơn giản và việc thay đổi, chuyển giao, điều khiển dung lượng cell thực hiện rất linh
hoạt.
 Thế hệ thứ 3 (3G)
Để đáp ứng kịp thời các dịch vụ ngày càng phong phú và đa dạng của người sử
dụng, từ đầu thâp niên 90 người ta đưa ra hệ thống thông tin di động tổ ong thế hệ thứ
3. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ thứ 3 với tên gọi là ITM-200 đưa ra các mục

tiêu chinh sau:
- Tốc độ truy nhập cao đảm bảo các dịch vụ băng thông rộng như truy cập internet,
mail, hay các dịch vụ đa phương tiện như video trực tuyến.
- Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân và điện thoại vệ tinh.
Các tính nang này sẽ cho phép mở dộng đáng kể tầm phủ sóng của các hệ thống thông
tin di động.
- Tương tích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển
liên tục của thông tin di động.
3G hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói: đến 384 Kbps trong
miền CS và 2Mbps trong miền PS. Các kết nối tốc độ cao này đảm bảo cung cấp một
tập các dich vụ mới cho người sử dụng di động giống như trong các mạng điện thoại cố
định và Internet. Các dịch vụ này gồm: điện thoại có hình (Hội nghị video), âm thanh
chất lượng cao (CD) và tốc độ truyền cao tại đầu cuối. Một tính năng khác cũng được
đưa ra cùng với GPRS là "luôn luôn kết nối" đến Internet. UMTS cũng cung cấp thông
tin vị trí tốt hơn và vì thế hỗ trợ tốt hơn các dịch vụ dựa trên vị trí.
Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 ITM-2000 đã được đề
xuất, trong đó 2 hệ thống WCDMA và cdma-2000 được ITU chấp thuân và đang được
áp dụng trong những năm gần đây. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA,
điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện thông tin vô tuyến.
Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

4


 Thế hệ thứ tư (4G LTE)
Các nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng đều luôn mong muốn và hướng tới các
công nghệ không dây có thể cung cấp được nhiều loại hình dịch vụ hơn với tính năng
và chất lượng cao hơn. Với cách nhìn nhận này, Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU)
đã làm việc và ra đời một chuẩn cho mạng di động tế bào thế hệ thứ tư 4G. Công nghệ
này cho phép dựa trên IP, truyền số liệu và đa phương tiện với tốc độ cao hơn rất nhiều

so với các công nghệ mạng di động trước đó. 4G LTE là bước phát triển tiếp sau của
các hệ thống 2G và 3G để tiến đến cung cấp mức độ chất lượng tương tự như các mạng
hữa tuyển hiện nay.
Đặc điểm:
- Phần vô tuyến:
o

Cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần, thông lượng người sử dụng, trễ.

o

Di động lên đến 350km/giờ.

o

Đơn giản hoá mạng vô tuyến.

o

Hỗ trợ hiệu quả các dịch vụ như: MBMS, IMS.

- Phần mạng lõi:
o

Cải thiện trễ, dung lượng và thông lượng.

o

Đơn giản hoá mạng lõi.

o

Tối ưu hoá lưu lượng IP và các dịch vụ.

o

Đơn giản hoá việc hỗ trợ và chuyển giao đến các công nghệ không phải
3GPP.

4G LTE sẽ hỗ trợ tốc độ đỉnh tức thời tăng đáng kể. Tốc độ này được định cỡ tùy
theo kích thước của phổ được ấn định 4G LTE sẽ đảm bảo tốc độ số liệu đỉnh tức thời
đường xuống lên đến 100Mbit/s khi băng thông được cấp phát cực đại là 20MHz
(5bps/Hz) và tốc độ đỉnh đường lên 50 Mbit/s khi băng thông được cấp phát cực đại là
20MHz (2,5bps/Hz). Băng thông 4G LTE được cấp phát linh hoạt từ 1,25 MHz lên đến
20 MHz (gấp bốn lần băng thông 3G-UMTS).
Thông lượng đường xuống trong 4G LTE sẽ gấp ba đến bốn lần thông lượng đường
xuống trong R6 HSDPA tính trung bình trên một MHz. Cần lưu ý rằng thông lượng
HSDPA trong R6 được xét cho trường hợp một anten tại nút B với tính năng tăng cường
và một máy thu trong UE; trong khi đó 4G LTE sử dụng cực đại hai anten tại Node B
và hai anten tại UE. Ngoài ra cũng cần lưu ý rằng khi băng thông cấp phát tăng, thông
lượng cũng tăng.
Mặt khác thông lượng đường lên trong 4G LTE cũng gấp hai đến ba lần thông lượng
đường lên của R6 HSUPA tính trung bình trên một MHz. Trong đó giả thiết rằng R6

Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

5


HSUPA sử dụng một anten phát tại UE và hai anten thu tại Node B; còn đường lên

trong 4G LTE sử dụng cực đại hai anten phát tại UE và hai anten thu tại Node B.
Về mặt hiệu suất sử dụng phổ tần, trong 4G LTE phải đảm bảo tăng đáng kể hiệu
suất phổ tần và tăng tốc độ bit tại biên ô trong khi vẫn đảm bảo duy trì các vị trí đặt
trạm hiện có của UTRAN và EDGE. Hiệu suất phổ tần kênh đường xuống của 4G LTE
phải gấp 3 đến bốn lần R6 HSDPA tính theo bit/s/Hz/trạm. Trong đó giả thiết rằng R6
HSDPA sử dụng một anten tại Node B và một máy thu, còn 4G LTE sử dụng 2 anten
tại Node B và một anten tại UE. Hiệu suất phổ tần kênh đường lên trong E-UTRAN
phải gấp ba đến bốn lần R6 HSUPA tính theo bit/s/Hz/trạm với giả thiết HSUPA sử
dụng hai anten tại Node B và một anten tại UE còn 4G LTE sử dụng hai anten tại Node
B và hai anten tại UE.
HSDPA (R6)

4G LTE

Tốc độ đỉnh (Mbit/s)

14,4

100

Hiệu suất sử dụng phổ
trung bình (bps/Hz)

0.75

1.84

Hiệu suất sử dụng phổ
biên ô (bps/Hz)

0.006

0.0148

Bảng 1. 1 So sánh giữa HSDPA (R6) và 4G LTE
HSUPA (R6)

4G LTE

Tốc độ đỉnh (Mbit/s)

5,7

50

Hiệu suất sử dụng phổ
trung bình (bps/Hz)

0.26

0.67

Hiệu suất sử dụng phổ
biên ô (bps/Hz)

0.006

0.015

Bảng 1. 2 So sánh giữa HSUPA (R6) và 4G LTE

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G UMTS)
1.2.1 Cấu trúc tổng quát của hệ thống
Cấu trúc tổng quát của hệ thống UMTS bao gồm các phần từ mạng logic và các
giao diện. Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin di động thế hệ ba UMTS được thể
hiện ở hình 1.2 . Từ sơ đồ khối tổng quát có thể thấy rằng mạng thông tin di động thế
hệ ba UMTS gồm ba thành phần con là mạng lõi, mạng truy nhập vô tuyến mặt đất và
phần thiết bị di động.

Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

6


Hình 1. 2 Kiến trúc UMTS
Một mạng UMTS bao gồm ba phần: thiết bị người sử dụng (UE: User Equipment)
thực hện giao diện giữa người sử dụng với hệ thống, mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrrial Radio Network) thực hiện chức năng liên quan
đến vô tuyến và mạng lõi, mạng lõi (CN: Core Network) thực hiện các chuyển mạch,
định tuyến cuộc gọi và kết nối số liệu. Mỗi phần từ mạng thực hiện một số chức năng
nhất định.
1.2.2 Thiết bị người sử dụng (UE)
Thiết bị người sử dụng (UE) là đầu cuối mạng UMTS của người sử dụng. Có thể
nói đây là phần hệ thống có nhiều thiết bị nhất và sự phát triển của nó sẽ ảnh hưởng lớn
lên các ứng dụng và các dịch vụ khả dụng. Giá thành giảm nhanh chóng sẽ tạo điều kiện
cho người sử dụng mua thiết bị của UMTS. Điều này đạt được nhờ tiêu chuẩn hóa giao
diện vô tuyến và cài đặt mọi trí tuệ tại các card thông minh.
- Các đầu cuối (TE): Vì máy đầu cuối hiện tại không chỉ đơn thuần dành cho điện
thoại mà còn cung cấp các dịch vụ số liệu mới, nên tên của nó được chuyển thành đầu
cuối. Các nhà sản xuất chính đã đưa ra rất nhiều đầu cuối dựa trên các khái niệm mới,
nhưng trong thực tế chỉ một số ít là được đưa vào sản xuất. Mặc dù các đầu cuối dự kiến

khác nhau về kích thước và thiết kế, tất cả chúng đều có màn hình lớn và ít phím hơn
so với 2G. Lý do chính là để tăng cường sử dụng đầu cuối cho nhiều dịch vụ số liệu hơn
và vì thế đầu cuối trở thành tổ hợp của máy thoại di động, modem và máy tính bàn tay.
Đầu cuối hỗ trợ hai giao diện. Giao diện Uu định nghĩa liên kết vô tuyến (giao diện
WCDMA). Nó đảm nhiệm toàn bộ kết nối vật lý với mạng UMTS. Giao diện thứ hai là
giao diện Cu giữa UMTS IC card (UICC) và đầu cuối. Giao diện này tuân theo tiêu
chuẩn cho các card thông minh.

Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

7


Mặc dù các nhà sản xuất đầu cuối có rất nhiều ý tưởng về thiết bị, họ phải tuân theo
một tập tối thiểu các định nghĩa tiêu chuẩn để các người sử dụng bằng các đầu cuối khác
nhau có thể truy nhập đến một số các chức năng cơ sở theo cùng một cách.
Các tiêu chuẩn này gồm:
o

Bàn phím (các phím vật lý hay các phím ảo trên màn hình).

o

Đăng ký mật khẩu mới.

o

Thay đổi mã PIN.

o

Giải chặn PIN/PIN2 (PUK).

o

Trình bầy IMEI.

o

Điều khiển cuộc gọi.

- Thiết bị di động ME: Là đầu cuối vô tuyến được sử dụng cho thông tin vô tuyến
giao diện Uu.
- Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM): Trong hệ thống GSM, SIM card
lưu giữ thông tin cá nhân (đăng ký thuê bao) cài cứng trên card. Điều này đã thay đổi
trong UMTS, Modul nhận dạng thuê bao UMTS được cài như một ứng dụng trên UICC.
Điều này cho phép lưu nhiều ứng dụng hơn và nhiều chữ ký (khóa) điện tử hơn cùng
với USIM cho các mục đích khác (các mã truy nhập giao dịch ngân hàng an ninh).
Ngoài ra có thể có nhiều USIM trên cùng một UICC để hỗ trợ truy nhập đến nhiều
mạng.
USIM chứa các hàm và số liệu cần để nhận dạng và nhận thực thuê bao trong mạng
UMTS. Nó có thể lưu cả bản sao hồ sơ của thuê bao.
Người sử dụng phải tự mình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mã PIN. Điểu
này đảm bảo rằng chỉ người sử dụng đích thực mới được truy nhập mạng UMTS. Mạng
sẽ chỉ cung cấp các dịch vụ cho người nào sử dụng đầu cuối dựa trên nhận dạng USIM
được đăng ký.
1.2.3 Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN)
UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network: Mạng truy nhập vô tuyến mặt
đất UMTS) là liên kết giữa người sử dụng và CN. Nó gồm các phần tử đảm bảo các
cuộc truyền thông UMTS trên vô tuyến và điều khiển chúng.

UTRAN được định nghĩa giữa hai giao diện. Giao diện Iu giữa UTRAN và CN,
gồm hai phần: IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miền chuyển mạch kênh;
giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người sử dụng.
Chức năng của các phần tử trong hệ thống con mạng vô tuyến:
- Nút B (Node B): là một thuật ngữ sử dụng trong UMTS để biểu thị BTS (trạm
thu phát gốc) và sử dụng công nghệ WCDMA trên đường vô tuyến. Cũng như trong tất
cả các hệ thống tổ ong UMTS và GSM, Nút B thực hiện việc thu phát tần số vô tuyến
Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

8


để liên lạc trực tiếp với các máy di động di chuyển tự do xung quanh nó. Một cách
truyền thống, Nút B có những chức năng tối thiểu về thu phát vô tuyến và được điểu
khiển bởi RNC (Radio Network Controller). Việc sử dụng công nghệ WCDMA cho
phép một cell thuộc Nút B hoặc các Nút B khác nhau cùng được quản lý bởi các RNC
khác nhau để chồng lên nhau và vẫn sử dụng tần số giống nhau (trên thực tế, toàn bộ
mạng có thể dùng chỉ một cặp tần số). Chức năng chính của Nút B là thực hiện xử lý
L1 của giao diện vô tuyến (mã hoá kênh, đan xen, thích ứng tốc độm, trải phổ, điều
khiển công suất,…). Nó cũng thực hiện một phần phần khai thác tài nguyên vô tuyến
như điểu khiển công suất vòng trong. Về phần chức năng nó giống như trạm gốc ở
GSM. Lúc đầu node B được sử dụng như một thuật ngữ tạm thời trong quá trình chuẩn
hoá nhưng sau đó nó không bị thay đổi.
Nút B bao gồm các loại cấu hình: Macro Indoor, Macro Outdoor. Mini Indoor,
Micro Outdoor, Micro Indoor, Micro Outdoor, Pico,….
- Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC): là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều
khiển các tài nguyên vô tuyến của UTRAN. RNC về cơ bản có những chức năng giống
BSC trong BSS GSM:
o

Trung gian giữa Nút B và hệ thống mạng lõi.

o

Điểu khiển cuộc gọi vô tuyến (quản lý tài nguyên vô tuyến, điều khiển và
quản lý chuyên giao cuộc gọi,…)

RNC được kết nối đến:
o

Mạng lõi thông qua giao diện Iu

o

Các Nút B thông qua giao diện Iub. Một Nút B thực hiện giao tiếp vô
tuyến với một hoặc nhiều cell.

RNC là phần tử mạng chịu trách nhiệm điểu khiển các tài nguyên vô tuyến của
UTRAN. Nó giao tiếp với CN (thông thường với một MSC và một SGSN) và kết cuối
giao thức điểu khiển tài nguyên vô tuyến RRC (Radio Resoure Control), giao thức này
định nghĩa các bản tin và các thủ tục giữa MS và UTRAN. Nó đóng vai trờ như BSC.
Các chức năng chính của RNC:
o

Điểu khiển tài nguyên vô tuyến.

o

Cấp phát kênh

o

Thiết lập điểu khiển công suất

o

Điểu khiển chuyển giao

o

Mật mã hoá

o

Báo hiệu quảng bá

o

Điểu khiển công suất vỏng hở

Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

9


o

Một số RNC lần cận qua giao tiếp Iur

1.2.4 Mạng lõi CN (Core Network)

Mạng lõi gồm các trung tâm chuyển mạch kênh (MSC) và các nút hỗ trợ chuyển
mạch gói (SGSN). Các kênh thoại và kênh truyền số liệu được kết nối với các mạng
bên ngoài thông qua các trung tâm chuyển mạch di động cổng (GMSC) và nút hỗ trợ
GPRS cổng (GGSN). Để kết nối với trung tâm chuyển mạch kênh với các mạng ngoài
như ISDN, PSTN thì cần có thêm những phần tử làm chức năng tương tác mạng (IWF).
Ngoài các trung tâm chuyển mạch kênh và các nút hỗ trợ chuyển mạch gói, mạng lõi
còn có các cơ sở dữ liệu cần thiết cho mạng thông tin di động như: HLR, AuC và EIR.
Những chức năng chính của việc nghiên cứu mạng lõi UMTS là:
o

Quản lí, điều khiển báo hiệu thiết lập cuộc gọi giữa UE và mạng lõi.

o

Báo hiệu giữa các nút trong mạng lõi

o

Định nghĩa các chức năng giữa mạng lõi và các mạng bên ngoài

o

Những vấn đề liên quan đến truy nhập gói

o

Giao diện Iu và các yêu cầu quản lí và điều hành mạng

Mạng lõi UMTS gồm 2 thành phần: phần chuyển mạch kênh và phần chuyển mạch
gói:

o

Thành phần chuyển mạch kênh gồm: MSC, VLR và GMSC.

o

Thành phần chuyển mạch gói gồm các nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN:
Serving GPRS Support Node) và cổng hỗ trợ GPRS (GGSN: Gateway
GPRS Support Node). Một số thành phần mạng như HLR và AuC được
chia sẻ cho cả hai phần. Cấu trúc mạng lõi có thể được thay đổi khi các
dịch vụ mới và đặc điểm mới của của hệ thống được đưa ra.

Các phần tử chính của mạng lõi như sau:
- SGSN (SGSN: Serving GPRS Support Node: nút hỗ trợ GPRS phục vụ) là
nút chính của miền chuyển mạch gói. Nó nối đến UTRAN thông qua giao diện IuPS và
đến GGSN thông quan giao diện Gn. SGSN chịu trách nhiệm cho tất cả kết nối PS của
tất cả các thuê bao. Nó lưu hai kiểu dữ liệu thuê bao: thông tin đăng ký thuê bao và
thông tin vị trí thuê bao.
Số liệu thuê bao lưu trong SGSN gồm:
o

IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: số nhận dạng thuê bao
di động quóc tế)

o

Các nhận dạng tạm thời (P-TMSI: Packet- Temporary Mobile Subsscriber
Identity: số nhận dạng thuê bao di động tạm thời gói)

o

Các địa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gói)

Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

10


Số liệu vị trí lưu trên SGSN:
o

Vùng định tuyến thuê bao (RA: Routing Area)

o

Số VLR

o

Các địa chỉ GGSN của từng GGSN có kết nối tích cực

- GGSN (Gateway GPRS Support Node: Nút hỗ trợ GPRS cổng) là một SGSN
kết nối với các mạng số liệu khác. Tất cả các cuộc truyền thông số liệu từ thuê bao đến
các mạng ngoài đều qua GGSN. Cũng như SGSN, nó lưu cả hai kiểu số liệu: thông tin
thuê bao và thông tin vị trí.
Số liệu thuê bao lưu trong GGSN:
o

IMSI

o

Các địa chỉ PDP

Số liệu vị trí lưu trong GGSN:
o

Địa chỉ SGSN hiện thuê bao đang nối đến

- VLR (Visitor Locatoin Register: bộ ghi định vị tạm trú) là bản sao cuả HLR
cho mạng phục vụ (SN: Serving Network). Dữ liệu thuê bao cần thiết để cung cấp các
dịch vụ thuê bao được copy từ HLR và lưu ở đây. Cả MSC và SGSN đều có VLR nối
với chúng.
Số liệu sau đây được lưu trong VLR:
o

IMSI (số nhận dạng thuê bao di động)

o

MSISDN

o

TMSI (nếu có)

o

LA hiện thời của thuê bao

o

MSC/SGSN hiện thời mà thuê bao nối đến

Ngoài ra VLR có thể lưu giữ thông về các dịch vụ mà thuê bao được cung cấp.
Cả SGSN và MSC đều được thực hiện trên cùng một nút vật lý với VLR vì thế được
gọi là VLR/SGSN và VLR/MSC.
- Trung tâm chuyển mạch dịch vu di động (MSC) thực hiện các kết nối CS giữa
đầu cuối và mạng. Nó thực hiện các chức năng báo hiệu và chuyển mạch cho các thuê
bao trong vùng quản lý của mình. Chức năng của MSC trong UMTS giống chức năng
MSC trong GSM, nhưng nó có nhiều khả năng hơn. Các kết nối CS được thực hiện trên
giao diện CS giữa UTRAN và MSC. Các MSC được nối đến các mạng ngoài qua
GMSC.
- GMSC có thể là một trong số các MSC. GMSC chịu trách nhiệm thực hiện các
chức năng định tuyến đến vùng có MS. Khi mạng ngoài tìm cách kết nối đến PLMN
Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

11


cuả một nhà khai thác, GMSC nhận yêu cầu thiết lập kết nối và hỏi HLR về MSC hiện
thời quản lý MS.
- Thanh ghi định vị thường trú (HLR): là một cơ sở dữ liệu có nhiệm vụ quản
lý các thuê bao di động. Một mạng di động có thể chứa nhiều HLR tùy thuộc vào số
lượng thuê bao, dung lượng của từng HLR và tổ chức bên trong mạng.
Cơ sở dữ liệu này chứa IMSI (International Mobile Subsscribern Identity: số nhận
dạng thuê bao di động), ít nhất một MSISDN (Mobile Station ISDN: số thuê bao có
trong danh bạ điện thọai) và ít nhất một địa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức
số liệu gói). Cả IMSI và MSISDN có thể sử dụng làm khoá để truy nhập đến các thông
tin được lưu khác. Để định tuyến và tính cước các cuộc gọi, HLR còn lưu giữ thông tin

về SGSN và VLR nào hiện đang chịu trách nhiệm thuê bao. Các dịch vụ khác như
chuyển hướng cuộc gọi, tốc độ số liệu và thư thoại cũng có trong danh sách cùng với
các hạn chế dịch vụ như các hạn chế chuyển mạng.
HLR và AuC là hai nút mạng logic, nhưng thường được thực hiện trong cùng một
nút vật lý. HLR lưu giữ mọi thông tin về người sử dụng và đăng ký thuê bao. Như:
thông tin tính cước, các dịch vụ nào được cung cấp và các dịch vụ nào bị từ chối và
thông tin chuyển hướng cuộc gọi. Nhưng thông tin quan trong nhất là hiện VLR và
SGSN nào đang phụ trách người sử dụng.
- Trung tâm nhận thực (AuC): lưu giữ toàn bộ số liệu cần thiết để nhận thực,
mật mã hóa và bảo vệ sự toàn vẹn thông tin cho người sử dụng. Nó liên kết với HLR và
được thực hiện cùng với HLR trong cùng một nút vật lý. Tuy nhiên cần đảm bảo rằng
AuC chỉ cung cấp thông tin về các vectơ nhận thực (AV: Authetication Vector) cho
HLR.
AuC lưu giữ khóa bí mật chia sẻ K cho từng thuê bao cùng với tất cả các hàm tạo
khóa từ f0 đến f5. Nó tạo ra các AV, cả trong thời gian thực khi SGSN/VLR yêu cầu
hay khi tải xử lý thấp, lẫn các AV dự trữ.
- Bộ ghi nhận thực thiết bị (EIR): chịu trách nhiệm lưu các số nhận dạng thiết
bị di động quốc tế (IMEI: International Mobile Equipment Identity). Đây là số nhận
dạng duy nhất cho thiết bị đầu cuối. Cơ sở dữ liệu này được chia thành ba danh mục:
danh mục trắng, xám và đen. Danh mục trắng chứa các số IMEI được phép truy nhập
mạng. Danh mục xám chứa IMEI của các đầu cuối đang bị theo dõi còn danh mục đen
chứa các số IMEI cuả các đầu cuối bị cấm truy nhập mạng. Khi một đầu cuối được
thông báo là bị mất cắp, IMEI của nó sẽ bị đặt vào danh mục đen vì thế nó bị cấm truy
nhập mạng. Danh mục này cũng có thể được sử dụng để cấm các seri máy đặc biệt
không được truy nhập mạng khi chúng không hoạt động theo tiêu chuẩn.
- Các mạng ngoài: Các mạng ngoài không phải là bộ phận của hệ thống UMTS,
nhưng chúng cần thiết để đảm bảo truyền thông giữa các nhà khai thác. Các mạng ngoài
có thể là các mạng điện thoại như: PLMN (Public Land Mobile Network: mạng di động
mặt đất công cộng), PSTN (Public Switched Telephone Network: Mạng điện thoại
Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

12


chuyển mạch công cộng), ISDN hay các mạng số liệu như Internet. Miền PS kết nối
đến các mạng số liệu còn miền CS nối đến các mạng điện thoại.
1.2.5 Các giao diện của UMTS
- Giao diện Cu: Giao diện Cu là giao diện chuẩn cho các card thông minh. Trong
UE đây là nơi kết nối giữa USIM và UE.
- Giao diện Uu: Giao diện Uu là giao diện vô tuyến của WCDMA trong UMTS.
Đây là giao diện mà qua đó UE truy nhập vào phần cố định của mạng. Giao diện này
nằm giữa nút B và đầu cuối.
- Giao diện Iu: Giao diện Iu kết nối UTRAN và CN. Nó gồm hai phần, IuPS cho
miền chuyển mạch gói, IuCS cho miền chuyển mạch kênh. CN có thể kết nối đến nhiều
UTRAN cho cả giao diện IuCS và IuPS. Nhưng một UTRAN chỉ có thể kết nối đến một
điểm truy nhập CN.
- Giao diện Iur: Đây là giao diện RNC-RNC. Ban đầu được thiết kế để đảm bảo
chuyển giao mềm giữa các RNC, nhưng trong quá trình phát triển nhiều tính năng mới
được bổ sung. Giao diện này đảm bảo bốn tính năng nổi bật sau:
1.

Di động giữa các RNC

2.

Lưu thông kênh riêng

3.

Lưu thông kênh chung

4.

Quản lý tài nguyên toàn cục

- Giao diện Iub: Giao diện Iub nằm giữa RNC và một node B. RNC điều khiển
node B thông qua Iub một số tác vụ như: thỏa thuận tài nguyên vô tuyến, bổ sung hoặc
loại bỏ các tế báo khỏi node B, hỗ trợ các kiểu truyền thông khác nhau và các liên kết
điều khiển.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba 3G UMTS dựa trên công nghệ truy nhập
băng rộng phân chia theo mã WCDMA và đến nay hệ thống này đã được chuẩn hoá và
sử dụng rộng dãi trên toàn thế giới.
1.3

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G LTE)

1.3.1 Cấu trúc tổng quát của hệ thống
Với sự phát triển của hệ thống thông tin di động qua các thế hệ, hình 1.3 cho ta thấy
sự khác nhau về cấu trúc của UTMS và LTE. Song song với truy nhập vô tuyến LTE,
mạng gói lõi cũng đang cải tiến lên cấu trúc tầng SAE. Cấu trúc mới này được thiết kế
để tối ưu hiệu suất mạng, cải thiện hiệu quả chi phí và thuận tiện thu hút phần lớn dịch
vụ trên nền IP.

Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

13


Hình 1. 3 So sánh kiến trúc giữa UMTS và LTE
Hình 1.4 cho thấy kiến trúc bao gồm bốn miền chính: (1) thiết bị người sử dụng

(UE: User Equipment), (2) mạng truy nhập vô tuyến UMTS phát triển (E-UTRAN), (3)
mạng lõi gói phát triển (EPC) và (4) miền các dịch vụ.

Hình 1. 4 Kiến trúc 4G LTE/SAE
Các miền kiến trúc mức cao có chức năng giống như các chức năng hiện có trong
các hệ thống 3GPP. Phát triển kiến trúc mới chủ yếu tập trung lên mạng truy nhập vô
tuyến và mạng lõi: E-UTRAN và EPC. Các miền UE và dịch vụ không đổi về mặt kiến
trúc.

Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

14


1.3.2 Thiết bị người sử dụng (UE)
UE là thiết bị mà người sử dụng đầu cuối sử dụng để thông tin. UE chứa USIM.
USIM là một ứng dụng được đặt trong một thẻ thông minh tháo rời được và được gọi
là UICC (Universal IC Card: thẻ vi mạch vạn năng). USIM được sử dụng để nhận dạng
và nhận thực người sử dụng cũng như để rút ra các khóa an ninh để bảo vệ truyền dẫn
trên giao diện vô tuyến.
Về mặt chức năng, UE là một nền tảng cho các ứng dụng thông tin như báo hiệu với
mạng về thiết lập, duy trì và giải phóng các liên kết thông tin mà người sử dụng đầu
cuối cần. Báo hiệu bao gồm cả các chức năng quản lý di động như chuyển giao và báo
cáo vị tri máy đầu cuối và thực hiện các chức năng theo chỉ thị từ mạng. Các giao thức
hoạt động giữa UE và mạng lõi được gọi là các giao thức tầng không truy nhập (NAS:
Non-Access Stratum).
1.3.3 Mạng truy nhập vô tuyến UMTS phát triển (E-UTRAN)
Mạng truy nhập vô tuyến RAN (Radio Access Network): mạng truy nhập vô tuyến
của LTE được gọi là E-UTRAN và một trong những đặc điểm chính của nó là tất cả các
dịch vụ, bao gồm dịch vụ thời gian thực, sẽ được hỗ trợ qua những kênh gói được chia

sẻ. Phương pháp này sẽ tăng hiệu suất phổ, làm cho dung lượng hệ thống trở nên cao
hơn. Một kết quả quan trọng của việc sử dụng truy nhập gói cho tất cả các dịch vụ là sự
tích hợp cao hơn giữa những dịch vụ đa phương tiện và giữa những dịch vụ cố định và
không dây.
- eNode B: Nút duy nhất trong E-UTRAN là eNodeB (evolved Node B: Nút B
phát triển). eNodeB là trạm gốc vô tuyến chịu trách nhiệm điều khiển tất cả các chức
năng liên quan đến vô tuyến trong phần cố định của hệ thống. eNodeB thông thường
được phân bố trên các vùng phủ sóng của mạng, eNodeB được đặt gần các anten vô
tuyến thực tế.
Về mặt chức năng eNodeB hoạt động như một cầu nối lớp 2 giữa UE và EPC và là
điểm kết cuối của tất cả các giao thức vô tuyến hướng đến UE và chuyển tiếp số liệu
giữa kết nối vô tuyến và kết nối dựa trên IP tương ứng đến EPC. Trong vai trò này,
eNodeB thực hiện mật mã hóa/giải mật mã hóa số liệu và đồng thời nén/giải nén tiêu
đề IP.
eNodeB cũng chịu trách nhiệm cho nhiều chức năng của mặt phẳng điều khiển (CP).
eNodeB chịu trách nhiệm quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM: Radio Resource
Management), nghĩa là điều khiển mức độ sử dụng giao diện vô tuyến bao gồm: ấn định
các tài nguyên vô tuyến theo yêu cầu, đặt mức ưu tiên và lập biểu lưu lượng theo chất
lượng dịch vụ (QoS) yêu cầu và thường xuyên giám sát tình trạng sử dụng tài nguyên.
Ngoài ra, eNodeB còn có một vai trò quan trọng trong quản lý di động (MM:
Mobility Management). eNodeB điều khiển và phân tích các đo đạc mức tín hiệu vô
tuyến do UE thực hiện, tự mình thực hiện đo đạc tương tự và dựa trên các kết quả đo
Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

15


đạc này đưa ra quyết định chuyển giao UE giữa các ô. Quá trình này bao gồm trao đổi
báo hiệu giữa các eNodeB và MME. Khi một UE mới tích cực trong một eNodeB và
yêu cầu kết nối đến mạng, eNodeB cũng chịu trách nhiệm định tuyến yêu cầu này đến

MME trước đây đã phục vụ UE này hoặc chọn một MME mới nếu không có tuyến đến
MME trước đây hoặc không có thông tin định tuyến.
1.3.4 Mạng lõi gói phát triển (EPC)
Mạng lõi mới là sự mở rộng hoàn toàn của mạng lõi trong hệ thống 3G, và nó chỉ
bao phủ miền chuyển mạch gói. Vì vậy, nó có một cái tên mới: Evolved Packet Core
(EPC)
- Thực thể 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. Xét cề chức năng
nhiệm vụ, MME hỗ trợ các quá trình sau:
o

Các thủ tục an ninh: Liên quan đến nhận thực người sử dụng đầu cuối
cũng như khởi đầu các giải thuật mật mã và bảo vệ tính toàn vẹn.

o

Xử lý phiên giữa UE đến mạng: Liên quan đến tất cả các thủ tục báo
hiệu để thiết lập ngữ cảnh số liệu gói (Packet Data Context) và đàm phán
các thông số liên quan như QoS

o

Quản lý di dộng khi UE rỗi: Liên quan đến quá trình cập nhật theo bám
(TA) để có thể tìm gọi đầu cuối cho các phiên vào.

- Cổng phục vụ (S-GW) là vị trí kết nối của giao tiếp dữ liệu gói với E-UTRAN.
Nó còn hoạt động như một node định tuyến đến những kỹ thuật 3GPP khác. Nó cũng
giữ lại thông tin về các kênh mang nói trên khi UE trong trạng thái rỗi (được gọi là
ECM-IDLE) và nhớ đệm tạm thời số liệu đường xuống khi MME khởi xướng tìm gọi
UE để thiết lập các kênh mang. Ngoài ra S-GW thực hiện một số chức năng quan trọng

trong mạng khách như thu thập thông tin tính cứơc (khối lượng số liệu được phát hay
được nhận tại UE) và chặn theo luật
- Cổng mạng số liệu gói (P-GW) là điểm đầu cuối cho những phiên hướng về
mạng dữ liệu gói bên ngoài. Nó cũng là Router đến mạng Internet, P-GW cũng hỗ trợ
các tính năng thực thi chính sách (thực hiện các quy tắc được nhà khai thác định nghĩa
để ấn định tài nguyên và mức độ sử dụng) cũng như lọc (giảm sát gói để phát hiện chữ
ký virus) và hỗ trợ tính cước phát triển như tính cứơc cho từng URL (Uniform Resource
Locator: định vị tài nguyên đồng nhất, dùng để nhận dạng một tài nguyên internet khả
dụng chẳng hạn như địa chỉ của các trang WEB).
- Chức năng các quy tắc chính sách và tính cước (PCRF) điều khiển việc tạo

ra bảng giá và cấu hình hệ thống con đa phương tiện IP IMS (the IP Multimedia
Subsystem) cho mỗi người sử dụng. PCRF đảm bảo trao quyền QoS (nhận dạng loại
QoS và tốc độ bit), nó quyết định cách thức xử lý một luồng số liệu và đảm bảo rằng
điều này phù hợp với hồ sơ thuê bao của người sử dụng.
Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

16


- Server thuê bao nhà (HSS) là nơi lưu trữ dữ liệu như của thuê bao cho tất cả

dữ liệu của người sử dụng. Nó là cơ sở dữ liệu chủ trung tâm trong trung tâm của nhà
khai thác. Ngoài ra HSS có lưu thông tin động như số nhận dạng MME mà hiện thời
UE đang đăng nhập hay đăng ký. HSS cũng có thể liên kết với trung tâm nhận thực
(AuC) nơi tạo ra các vectơ cho nhận thực và các khóa an ninh.
1.3.5 Miền phục vụ
Miền phục vụ có thể bao gồm các phân hệ khác nhau, mỗi phân hệ này chứa một
số nút logic. Dưới đây ta sẽ phân loại các kiểu dịch vụ có thể có và mô tả ngắn gọn kiểu
hạ tần cần có để cung cấp các dịch vụ này:

- Các dịch vụ dựa trên IMS: Phân hệ đa phương tiện IP (IMS) là một bộ máy
dịch vụ mà người sử dụng có thể sử dụng để cung cấp các dịch vụ sử dụng Giao thức
khởi đầu phiên (SIP). IMS có kiến trúc được 3GPP định nghĩa
- Các dịch vụ không dựa trên IMS: Kiến trúc cho các dịch vụ của nhà khai thác
không dựa trên IMS không được định nghĩa trong tiêu chuẩn. Nhà khai thác có thể đơn
giản đặt một server và mạng của mình và các UE nối đến server này thông qua một giao
thức được thỏa thuận nào đó và được hỗ trợ bởi ứng dụng trong UE. Dịch vụ luồng
video do một server luồng cung cấp là một thí dụ
- Các dịch vụ khác không do nhà khai thác di động cung cấp: Các dịch vụ
được cung cấp qua internet chẳng hạn. Các chuẩn 3GPP không đề cập đến kiến trúc này
và kiến trúc này phụ thuộc vào yêu cầu dịch vụ. Cấu hình điển hình là một UE nối đến
một server trong internet chẳng hạn đến một web-server cho dịch vụ trình duyệt hay tới
một SIP server cho điện thoại internet (VoIP).
1.4

Kết luận chương 1

Chương 1 đã cho thấy một góc nhìn tổng quan nhất về lịch sử phát triển của thông
tin di động. Các hệ thống 1G là các hệ thống tương tự dựa trên đa truy nhập phân chia
theo tần số (FDMA) được thiết kế để truyền thoại với tốc độ thấp. 1G có dung lượng
thấp. Các hệ thống thông tin di động 2G được thiết kế trước hết là để giải quyết vấn đề
dung lượng thấp của 1G. Các hệ thống 2G là các hệ thống số dựa trên các phương thức
đa truy nhập tiên tiến hơn như TDMA và CDMA. 2G được thiết kế cho thoại tốc độ cao
hơn (13 kbps) và cho phép truyền số liệu với sử dụng modem. Nhu cầu phát triển các
dịch vụ IP trong thông tin di động đã dẫn đến sự ra đời cuả các hệ thống thông tin di
động 3G. Các hệ thống 3G đều sử dụng công nghệ đa truy nhập CDMA và cho tốc độ
truyền số liệu cao lên đến 384kbps. Các cải tiến của các hệ thống này cho tốc độ lên
đến trên 10 Mbps. Cũng như sự ra đời của hệ thống 4G LTE nhảy vọt về tốc độ cũng
như hàng loạt ưu điểm mới so với hệ thống di động cũ.
Phần tiếp theo trình bày kiến trúc của hệ thống thông tin di động thế hệ ba 3G

UMTS và hệ thống thông tin di động 4G LTE. Phân tích và chức năng của các thành
phần trong kiến trúc.
Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

17


CHƯƠNG 2: CHẤT LƯỢNG TRẢI NGHIỆM QoE
2.1 Tổng quan QoS và phương hướng dịch chuyển sang QoE
2.1.1 Giới thiệu chung
Trong những thập kỷ gần đây, mạng viễn thông đã và đang phát triển một cách
không ngừng, kèm theo đó là thách thức cho nhà điều hành và khai thác dịch vụ. Xu
hướng mạng hội tụ dựa trên nền IP dẫn đến một khái niệm chất lượng dịch vụ (QoS:
Quality of Service) trên nền mạng IP đã được đưa vào nhận thức của đông đảo người
sử dụng cũng như các nhà cung cấp và khai thác dịch vụ mạng. QoS cũng chính là động
lực thúc đẩy mạnh mẽ sự đầu tư của các nhà khai thác dịch vụ viễn thông và sự tập
trung cao độ của cộng đồng nghiên cứu lĩnh vực mạng, hướng tới các giải pháp có tính
ổn định và hiệu quả cao nhằm đảm bảo chất lượng cho các dịch vụ qua mạng.
Trong nhận thức chung của cộng đồng chuyên ngành mạng, cũng như đã được
chuẩn hóa bởi các tổ chức quốc tế có uy tín như Liên minh Viễn thông quốc tế ITU
(ITU), QoS trong mạng viễn thông được định nghĩa cụ thể qua các tham số kỹ thuật
được lượng hóa rõ ràng. Trên nền mạng IP, QoS được định nghĩa theo mức gói IP hoặc
theo mức kết nối. Ở mức gói IP, các tham số QoS điển hình bao gồm độ trễ của các gói
IP, độ biến thiên trễ của các gói IP, tỷ lệ mất gói IP. Ở mức kết nối cuộc gọi, QoS có
thể được đánh giá qua các tham số như tỷ lệ cuộc gọi kết nối bị chặn, tỷ lệ các cuộc gọi
kết nối bị rớt giữa chừng.
Tương tự như vậy, trong phần mạng vô tuyến của các thế hệ mạng di động thứ 3
hay thứ 4 cũng được chú trọng vào các tham số kỹ thuật để đánh giá QoS như RSRP,
RSRQ, RSSI, SINR,… cùng một loạt các tham số để đánh giá và tối ưu phần mạng vô
tuyến.

Tuy nhiên, trong bối cảnh hiện nay, các thách thức ngày càng trở nên phức tạp, các
dịch vụ viễn thông trên nền mạng IP, đặc biệt là VoIP (Voice over IP), IPTV (Internet
Protocol Television) ngày càng trở nên phổ biến và thông dụng hơn, QoS không còn là
yếu tố duy nhất mang tính quyết định trong cuộc cạnh tranh chiếm lĩnh thị trường giữa
các nhà cung cấp dịch vụ.
Các nhà khai thác mạng gặp phải ba thách thức lớn:
- Để phát triển tại những khu vực mới, khách hàng mới thì ngày càng phức tạp và
gặp phải nhiều sự cạnh tranh hơn.
- Chất lượng trở thành một yếu tố quan trọng nhất khi triển khai tới khách hàng.
- Các dịch vụ OTT làm thay đổi cách mà người sử dụng sử dụng mạng, đặt ra yêu
cầu cho nhà khai thác mạng cần đẩy mạnh hơn nữa tốc độ dữ liệu mạng.
Theo xu hướng chung, yếu tố trải nghiệm dần trở nên quan trọng hơn để phân biệt
mức độ và đánh giá các nhà cung cấp dịch vụ là những gói dịch vụ được thiết lập tốt
đến mức nào theo nhu cầu cá nhân của người sử dụng, có thể được tùy chỉnh theo yêu
cầu cá nhân khách hàng đến đâu để thỏa mãn tối đa yêu cầu của họ. Đây chính là tiền
Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học - Hoàng Tiến Tạo

18