Kiến trúc mạng 4g LTE

1.1.1 Kiến trúc mạng 4G LTE
Hình1.7 miêu tả kiến trúc và các thành phần mạng trong cấu hình kiến
trúc nơi chỉ có 1 E-UTRAN tham gia. Hình này cũng cho thấy sự phân chia
kiến trúc mạng 4G LTE thành bốn thành phần chính: thiết bị người dùng
(UE), UTRAN phát triển (E-UTRAN), mạng lõi gói phát triển (EPC) và các
vùng dịch vụ.

Hình1.7 : Kiến trúc mạng 4G LTE
E-UTRAN và EPC đại diện cho các giao thức internet (IP) ở lớp kết
nối. Đây là một phần của hệ thống được gọi là hệ thống gói phát triển (EPS).
Chức năng chính của lớp này là cung cấp kết nối dựa trên IP và nó được tối


ưu hóa cao cho mục tiêu duy nhất. Tất cả các dịch vụ được cung cấp dựa
trên IP, tất cả các nút chuyển mạch và các giao diện được nhìn thấy trong
kiến trúc 3GPP trước đó không có mặt ở E-UTRAN và EPC. Công nghệ IP
chiếm ưu thế trong truyền tải, nơi mà mọi thứ được thiết kế để hoạt động và
truyền tải trên IP.
Các hệ thống con đa phương tiện IP (IMS) là một ví dụ tốt về máy
móc thiết bị phục vụ có thể được sử dụng trong lớp kết nối dịch vụ để cung
cấp các dịch vụ dựa trên kết nối IP được cung cấp bởi các lớp thấp hơn. Ví
dụ, để hỗ trợ dịch vụ thoại thì IMS có thể cung cấp thoại qua IP (VoIP) và sự
kết nối tới các mạng chuyển mạch cũ PSTN và ISDN thông qua các cổng đa
phương tiện của nó điều khiển.
Sự phát triển của E-UTRAN tập chung vào một nút, nút B phát triển
(eNode B). Tất cả các chức năng vô tuyến kết thúc ở đó, tức là eNB là điểm
kết thúc cho tất cả các giao thức vô tuyến có liên quan. E-UTRAN chỉ đơn
giản là một mạng lưới của các eNodeB được kết nối tới các eNodeB lân cận
với giao diện X2.
Một trong những thay đổi kiến trúc lớn là trong khu vực mạng lõi là
EPC không có chứa một vùng chuyển mạch-mạch, và không có kết nối trực

tiếp tới các mạng chuyển mạch mạch truyền thống như ISDN và PSTN là
cần thiết trong lớp này. Các chức năng của EPC là tương đương với vùng
chuyển mạch gói của mạng 3GPP hiện tại. Tuy nhiên những thay đổi đáng
kể trong việc bố trí các nút chức năng và kiến trúc phần này nên được coi
như là hoàn tòan mới.
1.1.2 Mạng lõi gói phát triển (EPC)
Mạng lõi EPC được phát triển bởi 3GPP bao gồm các thành phần:
thực thể quản lý tính di động (MME), cổng phục vụ (S-GW), cổng dữ liệu


gói (P-GW), chức năng chính sách và tính cước tài nguyên (PCRF), máy chủ
thuê bao thường trú (HSS).
Phần
tử
mạng

MME

SGW

PGW

PCR
F

HSS

Chức năng
+ Xác thực và bảo mật
+ Quản lý tính di động

- Chọn MME cho chuyển giao
- Chọn SGSN cho chuyển giao mạng ở 2G và 3G
(3GPP)
+ Quản lý hồ sơ thuê bao và dịch vụ kết nối
+ Giám sát quyền truy nhập vào mạng
+ Cung cấp dữ liệu đường hầm GTP cho hướng lên,
xuống
+ Gián tiếp chuyển dữ liệu hướng xuống khi thực hiện
chuyển giao
+ Ánh xạ giữa các luồng dịch vụ IP
+ Chức năng cao cấp của S-GW là quản lý đường hầm
UP và chuyển mạch
+ Chọn và lọc các luông IP của dữ liệu người dùng.
+ Điều khiển các đường hầm của mặt phẳng người
dùng.
+ Các yêu cầu về chính sách và quản lý tính cước.
+ Cấp các địa chỉ IP cho UE.
+ Chịu trách nhiệm về chính sách và điều khiển tính
cước.
+ Kiểm soát các yêu cầu và quy tắc QoS.
+ Các quy tắc QoS cho việc ánh xạ các luồng dịch vụ IP
và đường hầm GTP.
+ Lưu trữ bản gốc các thông tin của hồ sơ thuê bao.
+ Ghi lại vị trí của người sử dụng ở mức độ của nút
điều khiển mạng tạm trú.
+ Chứa các dịch vụ mà UE sử dụng.


Bảng 1.1: Chức năng của các phần tử trong mạng lõi EPC.
1.1.3 Mạng truy nhập E-UTRAN

Nghiên cứu phát triển trong E-UTRAN tập trung lên 1 nút, nút B phát
triển (eNodeB: Evolved Node B). eNodeB là một điểm kết cuối cho tất cả
các giao thức vô tuyến . E-UTRAN đơn giản là một mạng lưới các eNodeB
được kết nối với nhau qua giao diện X2 và kết nối với EPC bằng đường giao
tiếp S1. Các đường giao tiếp này được dùng để chuẩn bị những cuộc
chuyển giao và cũng được dùng để gửi chuyển tiếp dữ liệu người dùng (các
gói IP) từ mạng cơ sở hiện tại sang mạng cơ sở mới để giảm thiểu dữ liệu
người dùng thất thoát trong quá trình chuyển giao. Không giống trong
UMTS, các mạng vô tuyến LTE chỉ thực hiện các cuộc chuyển giao cứng,
tức là vào mỗi thời điểm chỉ có một cell liên lạc với UE.
Về mặt chức năng eNodeB hoạt động như một cầu nối 2 lớp giữa UE
và EPC, và là điểm kết cuối của tất cả các giao thức vôt uyến 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 thởi nén/giải nén tiêu đề IP.
Về phương diện mạng, mỗi eNodeB sẽ quản lí một số lượng cell
nhất định. Khác với 2G hay 3G, LTE tích hợp chức năng bộ điều khiển
vô tuyến trong eNodeB. Điều này cho phép sự tương tác thích hợp giữa
những lớp giao thức khác nhau của mạng truy cập vô tuyến, vì vậy có thể
giảm trễ và cải thiện hiệu suất.
Ngoài ra, eNodeB còn có một vai trò quan trọng trong quản lý di
động (MM: Mobility Management). eNodeB điều kiển và phân tích các
đo đạc mức tín hiệu vô tuyến do UE thực hiện, tự mình tìm thực hiện đo
đạc tương tụ và dựa trên kết quả đo đạc đưa ra quyết định chuyển giao
UE giữa các ô.


Mặt phẳng người sử dụng: Giao thức mặt phẳng người dùng EUTRAN, bao gồm các lớp con PDCP, RLC và MAC:

Hình 1.8: Ngăn xếp giao thức mặt phẳng người dùng
+ MAC : Điều khiển truy nhập môi trường chịu trách nhiệm lập biểu và

phát lại nhanh. Chức năng lập biểu được đặt tại eNodeB, mỗi nút này có 1
thực thể MAC cho 1 ô, cho cả đường lên và đường xuống.
+ RLC : Điều khiển liên kết vô tuyến chịu trách nhiệm phân đoạn/móc nối,
xử lý phát lại và chuyển theo thứ tự đến lớp cao hơn.
+ PDCP : Giao thức hội tụ số liệu gói thực hiện nén tiêu đề để giảm số bít
cần thiết phát trên giao diện vô tuyến. PDCP chịu trách nhiệm mật mã hóa
và bảo vệ toàn vẹn số liệu phát. Tại phía thu PDCP thực hiện giải mã và giải
nén. Mỗi đầu cuối được lập cấu hinh một thực thể PDCP trên 1 kênh mang
vô tuyến.
+ Lớp vậy lý ( PHY ): Xử lý mã hóa/giải mã, điều chế/giải điều chế, sắp
xếp đa anten và các chức năng điển hình khác của lớp vật lý.
+ NAS: Giao diện giữa UE và MME trong mạng ngoài ( bên ngoài EUTRAN). Giữa việc thực hiện nhận thực khác nhau của UE, điều khiển bảo
mật và tạo ra một phần của các bản tin cuộc gọi.


+ Điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC): giao thức này nhằm kiểm soát
việc sử dụng nguồn tài nguyên vô tuyến. Nó quản lý báo hiệu của UE và các
kết nối dữ liệu, và nó cũng bao gồm các chức năng chuyển giao [2], [6]

Hình1.9: Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển