Tối ưu hóa vùng phủ cho mạng thông tin di động 4g LTE đã có tại viettel thái nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN ĐẮC TIẾN

TỐI ƯU HÓA VÙNG PHỦ CHO MẠNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG 4G LTE ĐÃ CÓ TẠI VIETTEL THÁI NGUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

THÁI NGUYÊN - 2020


i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Đắc Tiến
Sinh ngày: 26/08/1980
Học viên lớp cao học CHK20KTĐT - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
- Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Viettel Thái Nguyên – Chi nhánh Tập Đoàn Công
Nghiệp Viễn Thông Quân Đội
Xin cam đoan: Đề tài “Tối ưu hóa vùng phủ cho mạng thông tin di động 4G
LTE đã có tại Viettel Thái Nguyên” do Thầy giáo PGS.TS Đào Huy Du, hướng
dẫn là công trình nghiên cứu của riêng Tôi. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn
gốc, xuất xứ rõ ràng.
Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung
trong đề cương và yêu cầu của Thầy giáo hướng dẫn. Nếu sai Tôi hoàn toàn chịu trách
nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật.
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 3 năm 2020

Tác giả luận văn

Nguyễn Đắc Tiến

i


ii

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, được sự động viên,
giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Đào Huy Du, luận
văn với đề tài “Tối ưu hóa vùng phủ cho mạng thông tin di động 4G LTE đã có tại
Viettel Thái Nguyên” đã hoàn thành.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Đào Huy Du, đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ Tôi
hoàn thành luận văn này.
Trường Đại học công nghệ Kỹ thuật công nghiệp và đặc biệt là các Thầy, cô
trong Khoa Điện tử đã giúp đỡ Tôi trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận
văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên,
khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, thực hiện và hoàn
thành luận văn này.
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 3 năm 2020
Tác giả luận văn

Nguyễn Đắc Tiến

ii

iii

ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngành công nghệ viễn thông đã chứng kiến những phát triển ngoạn mục trong
những năm gần đây. Khi mà công nghệ mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G chưa
đủ để đáp ứng, người ta đã bắt đầu chuyển về công nghệ 4G (Fourth Generation) từ
nhiều năm gần đây.
Hiện nay, 4G gần như đã được phủ sóng toàn cầu, Việt Nam cũng đang triển
khai và đưa vào khai thác mạng 4G cũng như mạng 5G. Công nghệ LTE (Long Term
Evolution) hứa hẹn nhiều tiềm năng cho thị trường viễn thông Việt Nam với khả năng
thương mại sớm. Các nhà khai thác di động cũng như các công ty cung cấp giải pháp
đang ráo riết chuẩn bị cho việc xây dựng mạng 4G LTE và các dịch vụ mới trên nền
ctảng băng thông rộng nhằm đa dạng hóa dịch vụ và tăng ưu thế cạnh tranh trên thị
trường.
Việc triển khai 4G LTE ở Việt Nam là bước tiến tất yếu đối với nền công nghệ
viễn thông trong nước. Khi được triển khai sử dụng, mạng 4G LTE sẽ rút ngắn thời
gian truyền tải của các dòng dữ liệu lớn đến và đi khỏi thiết bị đồng thời mang lại lợi
ích cho những giao tiếp có tính chất trao đổi liên tục như trong các game trực tuyến
nhiều người chơi, các cuộc gọi video call cũng trở lên thực hơn nhờ độ trễ của âm
thanh và hình ảnh được rút ngắn…Xuất phát từ thực tế, đề tài đi vào nghiên cứu tìm
hiểu công nghệ 4G LTE, tính toán và xây dựng phần mềm quy hoạch mạng 4G LTE
Đối với việc tối ưu hóa các đầu vào cần thiết là tất cả các thông tin có sẵn về
mạng và tình trạng của nó. Các mạng số thống kê, báo động và giao thông chính nó
được theo dõi cẩn thận. Khiếu nại của khách hàng cũng là một nguồn đầu vào cho
nhóm tối ưu hóa mạng lưới. Quá trình tối ưu hóa bao gồm cả hai phép đo mức mạng
và cũng đo kiểm tra lĩnh vực để phân tích các địa điểm vấn đề và cũng để chỉ ra các
vấn đề tiềm năng.
Tối ưu hóa bao gồm ba khía cạnh chính: quy hoạch vùng phủ, công suất và tần
số. Các hoạt động có thể được thực hiện theo những gì đã được xác định như vấn đề

trên một cell hoặc một khu vực để hoạt động tốt hơn. Xem lại quy hoạch tần số, thay
đổi các thông số chuyển giao, chỉnh sửa thiết kế khu vực và các ứng dụng tham số cụ
thể chỉ là những ví dụ về các hoạt động tối ưu hóa thông thường. Thêm các khu vực
mới, BSC mới hoặc tổ chức lại TRXs cũng có thể là các giải pháp cải tiến. Thông qua
iii


iv
kiểm tra ổ đĩa, NMS và có thể thu nhập thông tin phân tích, các lỗi được chuẩn đoán,
các khuyến cáo mới được thử nghiệm, thay đổi tham số và đánh giá mạng.
Để thực hiện tốt trong giai đoạn tối ưu hóa, người tối ưu hóa mạng phải hợp tác
chặt chẽ với các dịch vụ khác. Nhóm hoạt động và bảo dưỡng (OMC) là liên quan
nhất, trong tất cả các điều chỉnh được đề xuất bởi nhân viên tối ưu hóa nên được thực
hiện thông qua OMC. Nhóm triển khai là nhóm chịu trách nhiệm cho tất cả các hoạt
động của khu vực đó ( tái thiết kế khu vực các công trình dân dụng, lưu trữ khu vực
từ BSC sang BSC, sắp xếp lại TRX, v.v.). Nhóm bảo dưỡng đảm bảo theo dõi báo
động, quản lý lỗi phần cứng và các biện pháp bảo trì. Sau đó, nhà bảo hành ở một
mức độ tương tác khác để quan tâm đến việc quản lý, xác nhận và các phương tiện
làm việc ( quyền truy cập, ủy quyền, v.v…)
Với sự ra đời của tự động hóa, người tối ưu hóa giải quyết các vấn đề tiên tiến hơn.
Trong cách mạng phức tạp hơn nữa, nhiệm vụ tối ưu hóa cần có các hướng khác nhau
từ trước. Hiệu quả hơn, trước đây tập trung vào kiến thức tối ưu về một công nghệ cụ
thể và các phương pháp tối ưu hóa thủ công. Ngày nay, sự cạnh tranh trên thị trường
viễn thông đã đạt đến một mức độ khốc liệt, nơi mà sự tập trung vào công nghệ của
riêng mình không còn nữa. Thay vào đó là các nhà đa cung cấp, đa công nghệ. Năng
lực của các nhà đa cung cấp có thể giải quyết bất kì vấn đề tối ưu hóa hoặc quy hoạch
nào của bất kể nhà sản xuất thiết bị nào.
Nội dung luận văn được trình bày 03 chương:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về công nghệ 4G LTE.
Chương 2: Nghiên cứu về tối ưu hóa trong mạng thông ti di động thế hệ thứ 4

LTE.
Chương 3: Đánh Giá, Tối Ưu Hóa Vùng Phủ Cho Mạng Di Động Thế Hệ Thứ
4 - Viettel Thái Nguyên.

MỤC LỤC
ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................................1

iv


v
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... II
MỤC LỤC ............................................................................................................... IV
DANH MỤC HÌNH ẢNH .....................................................................................VII
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ
4 LTE
.............................................................................................................1
1.1 Quá trình phát triển công nghệ di động 4G.................................................... 1
1.1.1 Công nghệ UMB ( Ultra Mobile Broadband) .............................................1
1.1.2 WiMAX .......................................................................................................1
1.1.3

Công nghệ 4G LTE .....................................................................................2

1.2 Kiến trúc mạng .................................................................................................. 4
1.2.1 Thiết bị người dùng (UE) ............................................................................5
1.2.2

Truy cập vô tuyến mặt đất E-UTRAN ........................................................5

1.2.3
1.2.4

Mạng lõi EPC ..............................................................................................9
Miền dịch vụ .............................................................................................11

1.3 Các kênh sử dụng trong kiến trúc E-UTRAN .............................................. 12
1.4 Các kỹ thuật sử dụng trong LTE ................................................................... 15
1.4.1 Kỹ thuật truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM ........................16
1.4.2 Kỹ thuật SC-FDMA ..................................................................................18
1.4.3 Kỹ thuật MIMO.........................................................................................20
1.4.4 Mã hóa Turbo ............................................................................................22
1.5 Tổng kết chương .............................................................................................. 22
CHƯƠNG 2: TỐI ƯU HÓA TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE
...........................................................................................................24
2.1 Sự cần thiết của tối ưu .................................................................................... 24
2.2 Quy trình vận hành, quản lý chất lượng mạng. ........................................... 25
2.3 Lựa chọn các tham số cho việc đo kiểm và đánh giá chất mạng và dịch vụ
4G (LTE/LTE Advanced) ....................................................................................... 26
2.3.1 Khái niệm ..................................................................................................26
2.3.2 Mục đích của việc sử dụng KPI ................................................................27
2.3.3 Phân loại các tham số KPI. .......................................................................28
2.3.4
2.3.5

Performance measurement KPI.................................................................28
Drive Test KPI ..........................................................................................33

2.4 Quy trình thực hiện tối ưu mạng ................................................................... 39
2.4.1 Kế hoạch đo kiểm......................................................................................40

2.4.2 Chuẩn bị cơ sở dữ liệu, thiết bị đo kiểm ...................................................40
2.4.3 Phân tích dữ liệu........................................................................................41
v


vi
2.4.4

Tiến hành tối ưu ........................................................................................42

2.4.5

Kiểm tra .....................................................................................................43

2.5 Tổng kết chương .............................................................................................. 43
CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ, TỐI ƯU HÓA VÙNG PHỦ CHO MẠNG DI ĐỘNG
THẾ HỆ THỨ 4 - VIETTEL THÁI NGUYÊN ...................................................44
3.1 Khu vực thực hiện ........................................................................................... 44
3.2 Thời gian và phương án thực hiện................................................................. 44
3.2.1 Thu thập số liệu .........................................................................................44
3.2.2
3.2.3

Driver Test ................................................................................................45
Phân tích tối ưu .........................................................................................46

3.3 Thực hiện Driver test ...................................................................................... 46
3.3.1 Chuẩn bị ....................................................................................................46
3.3.2
3.3.3

3.3.4

Thiết lập bài đo..........................................................................................47
Đo kiểm: ....................................................................................................48
Một số lưu ý trong quá trình đo kiểm .......................................................52

3.4 Đánh giá kết quả đo vùng phủ. ...................................................................... 53
3.4.1 Tiêu chuẩn đánh giá. .................................................................................53
3.4.2 Kết quả đo vùng phủ .................................................................................55
3.5 Tổng kết chương .............................................................................................. 74
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..............................................75

vi


vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Quá trình phát triển công nghệ di động 4G .................................................2
Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của LTE.............................................................................4
Hình 1.3 Mạng truy cập mặt đất E-UTRAN ..............................................................6
Hình 1.4 Các kết nối của ENodeB tới các nút logic khác và các chức năng chính ...8
Hình 1.5 Mạng lõi EPC ..............................................................................................9
Hình 1.6 Các kênh truyền tải trong mạng 4G LTE ..................................................12
Hình 1.7 Truyền đơn sóng mang ..............................................................................16
Hình 1.8 Nguyên lý của FDMA ...............................................................................16
Hình 1.9 Nguyên lý đa sóng mang ...........................................................................16
Hình 1.10 So sánh phổ tần của OFDM với FDMA .................................................17
Hình 1.11 OFDMA và SC-FDMA ...........................................................................19
Hình 1.12 Thu phát SC-FDMA trong miền tần số ...................................................20

Hình 1.13 Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO .......................................................21
Hình 1.14 Ghép kênh không gian ............................................................................22
Hình 2.1 Quy trình vận hành mạng ..........................................................................25
Hình 2.2 Quy trình thực hiện quản lý chất lượng mạng ..........................................26
Hình 2.3 Sử dụng KPI trong tối ưu mạng ................................................................27
Hình 2.4 Phân loại KPI trong mạng LTE.................................................................28
Hình 2.5 Qúa trình kết nối RRC...............................................................................29
Hình 2.6 Quy trình thực hiện tối ưu .........................................................................40
Hình 3.1 Khu vực thực hiện đo. ...............................................................................44
Hình 3.2 Thông số của cellfile .................................................................................45
Hình 3.3 Thử nghiệm Drive Test .............................................................................46
Hình 3.4 Google Earth .............................................................................................47
Hình 3.5 Vị trí cell của các trạm BTS tại huyện đại từ và các khu vực lân cận ...... 54
Hình 3.6 Tiêu chuẩn của tham số RSRP ..................................................................54
Hình 3.7 Tiêu chuẩn của tham số RSRQ .................................................................55
Hình 3.8 Cường độ tín hiệu RSRP của khu vực huyện Đại Từ ...............................56
Hình 3.9 Cường độ tín hiệu RSRP của khu vực huyện Đại Từ ..............................57
vii


viii
Hình 3.10 Cường độ tín hiệu RSRP của khu vực huyện Đại Từ ............................58
Hình 3.11 Cường độ tín hiệu RSRP của khu vực huyện Đại Từ ..............................59
Hình 3.12 Cường độ tín hiệu RSRP của khu vực huyện Đại Từ .............................60
Hình 3.13 Các điểm có vùng phủ kém ....................................................................61

viii


ix

DANH MỤC VIẾT TẮT
Thuật ngữ

Tiếng Anh

Tiếng Việt

3G

Third Generation

Thế hệ thứ ba

4G

Fourth Generation

Thế hệ thứ tư

BTS

Base Tranceiver Station

Trạm thu phát gốc

BW

Band Width

Băng thông

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

Cell

Cellular

Ô

eNodeB

Enhance NodeB

NodeB phát triển

EDGE

Enhanced Data Rates for GSM
Evolution (Enhanced GPRS)

Công nghệ được nâng cấp từ
GPRS cho phép truyền dữ liệu với
tốc độ cao

EPC

Evolved Packet Core

Mạng lõi thế hệ mới

EPS

Evolved Packet System

Hệ thống mạng gói thế hệ mới

E-UTRA

Evolved UTRA

Truy nhập vô tuyến mặt đất
UMTS phát triển

EUTRAN/ERAN

Evolved UTRA/ Evolved RAN

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
UMTS phát triển

GSM

Global System For Mobile
Communications

Hệ thống thông tin di động toàn
cầu

HARQ

Hybrid Automatic Repeat reQuest

Yêu cầu phát lại tự động linh hoạt

HLR

Home Location Register

Thanh ghi định vị thường trú

HS DPCCH

High – Speed Dedicated Physical
Control Channel

Kênh điều khiển vật lý riêng tốc
độ cao

HS-DSCH

High – Speed Dedicated Shared
Channel

Kênh chia sẻ riêng tốc độ cao

HSDPA

High Speed Downlink Packet
Access

Truy nhập gói đường xuống tốc
độ cao

HSPA

High Speed Packet Access

Truy nhập gói tốc độ cao

ix


x
HSS

Home Subscriber Server

Quản lý thuê bao

HSUPA

High Speed Uplink Packet
Access

Truy nhập gói đường lên tốc độ

cao

IBI

Inter – Block Interference

Nhiễu giữa các khối

IMT- 2000

International Mobile
Telecommunications 2000

Thông tin di động quốc tế 2000

IMTAdvanced

International Mobile
Telecommunications Advanced

Thông tin di động quốc tế tiên tiến

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

IR

Incremental Redundancy

Phần dư tăng

ITU

International Telecommunications
Union

Tổ chức viễn thông quốc tế

ITU-R

International Telecommunications
Union – Radio Sector

Tổ chức viễn thông quốc tế - bộ
phận vô tuyến

Iu

Giao diện được sử dụng để thông tin giữa RNC và mạng lõi

Iub

Giao diện được sử dụng để thông tin giữa nút B và RNC

Iur

Giao diện được sử dụng để thông tin giữa các RNC

LTE

Long Term Evolution

Phát triển dài hạn

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập môi trường

MC-CDMA

Multi Carrier CDMA

Đa sóng mang con CDMA

NodeB

Nút B

OFDMA

Orthogonal Frequency
Division Multiplexing Access

Đa truy nhập phân chia theo tần
số trực giao

O&M

Operation and Maintenance

Bảo dưỡng và vận hành

PAPR

Peak to Average Power Ratio

Tỷ số công suất đỉnh trên công
suất trung bình

PARC

Per-Antenna Rate Control

Điều khiển tốc độ cho một anten

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Khóa chuyển pha vuông góc

TCP/IP

Transmission Control Protocol IP

Giao thức điều khiển truyền dẫn
IP

x


xi

TDD

Time Division Duplex

Ghép song công phân chia theo
thời gian

TDM

Time Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo thời
gian

TD- CDMA

Time Division – Synhcronous
Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã
đồng bộ - phân chia theo thời gian

TSN

Transmission Sequence Number

Số trình tự phát

TTI

Transmission Time Interval

Khoảng thời gian truyền

TSG

Technical Specication Group

Nhóm đặc tả kỹ thuật

TV

Tivi

Vô tuyến truyền hình

UE

User Equipment

Thiết bị người dùng

Thuật ngữ

Tiếng Anh

Tiếng Việt

UMB

Unltra Mobile Broadband

Di động băng thông mở rộng

UMTS

Universal Mobile
Telecommunications System

Hệ thống thông tin di động toàn
cầu

UTRAN

UMTS Terrestrial Radio Access
Network

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
UMTS

WMAN

Wireless Metropolitan Area
Network

Mạng lưới không dây khu vực đô
thị

WCDMA

Wideband Code Division
Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã
băng rộng

xi


1

CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ MẠNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 4 LTE
Hệ thống 4G được xây dựng nhằm chuẩn bị một cơ sở hạ tầng di động chung
có khả năng phục vụ các dịch vụ hiện tại và tương lai. Cơ sở hạ tầng 4G được thiết

kế với điều kiện những thay đổi, phát triển về kỹ thuật có khả năng phù hợp với mạng
hiện tại mà không làm ảnh hưởng đến các dịch vụ đang sử dụng. Để thực hiện điều
đó, cần tách biệt giữa kỹ thuật truy cập, kỹ thuật truyền dẫn, kỹ thuật dịch vụ (điều
khiển kết nối) và các ứng dụng của người sử dụng.
1.1

Quá trình phát triển công nghệ di động 4G
Con đường phát triển công nghệ mạng di động 4G trên thế giới đang đi theo 03

hướng chính tương ứng với 03 tổ chức hỗ trợ đó là:
+ LTE với sự hỗ trợ của 3GPP.
+ UMB với sự hỗ trợ của 3GPP2.
+ WiMax với sự hỗ trợ của IEEE.
1.1.1 Công nghệ UMB ( Ultra Mobile Broadband)
Công nghệ UMB là thế hệ mạng thông tin di động tiếp nối của CDMA2000
được phát triển bởi 3GPP2 mà chủ lực là Qualcomm. UMB cũng được sánh ngang
với công nghệ LTE của 3GPP với kỳ vọng trở thành lựa trọn cho thế hệ di động thứ
4G. UMB sử dụng OFDMA, MIMO, đa truy cập phân chia theo không gian cũng như
các kỹ thuật anten hiện đại để tăng khả năng của mạng, tăng vùng phủ và tăng chất
lượng dịch vụ. UMB có thể cho tốc độ dữ liệu đường xuống tới 280Mbit/giây và dữ
liệu đường lên tới 75Mbit/giây.
1.1.2 WiMAX
IEEE 802.16 đã công bố một phiên bản vào tháng 10/2004, được thiết kế với
tên gọi IEEE 802.16.2004. Phiên bản di động của IEEE 802.16 đã được phát triển
trong dự án IEEE 802.16e được biết rộng rãi với cái tên Mobile WiMAX, đặc biệt
xem xét sử dụng OFDMA tại lớp PHY. Tại cuộc họp ITU-R vào 5/2007 Mobile
WiMAX đã được khuyến cáo như là OFDMA TDD WMAN (mặc dù vẫn cần được
1

2
chấp nhận chính thức) và do đó đã để lại 50MHz băng tần quốc tế có sẵn ở dải 2.57
– 2.62 GHz ở phổ 3GHz TDD, đối với từng quốc gia.
1.1.3 Công nghệ 4G LTE
Hiện nay, công nghệ LTE vẫn đang được 3GPP tiếp tục nghiên cứu phát triển.
Phiên bản hoàn chỉnh đến thời điểm hiện tại là Rel-10 hoàn thiện vào năm 2011 cho
phiên bản LTE-Advanced đáp ứng tiêu chuẩn 4G.
Hệ thống 3GPP LTE, là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng không
dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là một trong những công nghệ
tiềm năng nhất cho truyền thông 4G. Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã định
nghĩa truyền thông di động thế hệ thứ 4 là IMT Advanced.
LTE (Long Term Evolution) là công nghệ di động thế hệ thứ tư ra đời năm
2009, được phát triển bới 3GPP từ công nghệ di động thế hệ thứ ba UMTS. LTE
được kì vọng có tốc độ dữ liệu và hiệu suất sử dụng phổ tần vượt trội so với 3G trong
khi độ trễ tín hiệu giảm và linh hoạt hơn trong việc lựa chọn băng tần và cấp phát tài
nguyên vô tuyến.

Hình 1.1 Quá trình phát triển công nghệ di động 4G
Trước thời điểm ra đời của LTE, 2 tổ chức tồn tại song song 3GPP và 3GPP2
cùng hướng tới tiêu chuẩn IMT-2000 dành cho 3G. 3GPP2 tập trung vào hướng phát
triển CDMA, cdma 2000 và EV-DO trong khi 3GPP tập trung vào GSM, WCDMA
và HSPA. Cả 2 tổ chức cùng hướng tới phát triển công nghệ di động thế hệ thứ 4, tuy
nhiên chỉ có LTE của 3GPP được chọn là bước tiến tiếp theo cho công nghệ di động
4G và do đó, LTE có khả năng tương thích với 3G UMTS và 2G GSM cao hơn.
-

Bắt đầu năm 2004, dự án LTE tập trung vào phát triển thêm UTRAN và tối ưu
cấu trúc truy cập vô tuyến của 3GPP.

2

3
-

Mục tiêu hướng đến là dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người
dùng trên 1 MHz so với mạng HSDPA Rel-6 tải xuống gấp 3 đến 4 lần
(100Mbps). Tải lên gấp 2 đến 3 lần (50Mbps).

-

Năm 2007, LTE của kỹ thuật truy cập vô tuyến thế hệ thứ 3 - "EUTRA"- phát
triển từ những bước khả thi để đưa ra các đặc tính kỹ thuật được chấp nhận.
Cuối năm 2008 các kỹ thuật này được sử dụng trong thương mại.

-

Các kỹ thuật OFDMA được sử dụng cho đường xuống và SCFDMA được sử
dụng cho đường lên.

Các đặc tính cơ bản của LTE
-

Hoạt động ở băng tần: 700 MHz-2,6 GHz

-

Tốc độ: DL là 100Mbps (ở BW 20MHz), UL là 50 Mbps với 2 anten thu, một
anten phát.

-

Độ trễ: nhỏ hơn 5ms

-

Độ rộng BW linh hoạt:1,4 MHz; 3 MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15 MHz; 20 MHz.
Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không.

-

Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15 km/h nhưng vẫn hoạt động tốt
với tốc độ di chuyển từ 15-120 km/h, có thể lên đến 500 km/h tùy băng tần.

-

Phổ tần số:
 Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD
 Độ phủ sóng từ 5-100 km
 Dung lượng 200 user/cell ở băng tần 5Mhz.

-

Chất lượng dịch vụ:
 Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS.
 VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng
UMTS.

-

Liên kết mạng:
 Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các hệ
thống không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo.
 Thời gian trễ trong việc truyển tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN
sẽ nhỏ hơn 300ms cho các dịch vụ thời gian thực và 500ms cho các dịch
vụ còn lại.
3


4
1.2

Kiến trúc mạng
Với mục tiêu thiết kế hệ thống toàn IP kiến trúc phẳng hơn nhằm nâng cao tốc

độ dữ liệu, giảm trễ, LTE được thiết kế chỉ hỗ trợ chuyển mạch gói (PS) mà không
hỗ trợ chuyển mạch kênh (CS) như trong các hệ thống thế hệ trước. Nó cung cấp kết
nối IP giữa thiết bị người dùng (UE) và mạng dữ liệu gói (PDN: Packet Data
Network). Thuật ngữ LTE bao hàm mạng truy nhập vô tuyến E-UTRAN, nó được
kết hợp với mạng lõi Evolved Packet Core EPC. LTE và EPC kết hợp tạo thành hệ
thống gói Evolved Packet System – EPS.

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của LTE
Hình 1.2 miêu tả kiến trúc và các thành phần mạng trong cấu hình kiến trúc tổng
quát mạng 4G LTE/SAE cơ sở với chỉ mạng truy nhập EUTRAN. Hình này cũng cho
thấy sự phân chia kiến trúc thành bốn vùng chính: thiết bị người dùng (UE) ; UTRAN
phát triển (E-UTRAN); mạng lõi gói phát triển (EPC); và các vùng dịch vụ.
UE, 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

4


5
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 mạchmạch 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.
1.2.1 Thiết bị người dùng (UE)
UE cũng có chứa các mođun nhận dạng thuê bao toàn cầu( USIM). Nó là một
mođun riêng biệt với phần còn lại của UE, thường được gọi là thiết bị đầu cuối (TE).
USIM là một ứng dụng được đặt vào một thẻ thông minh có thể tháo rời được gọi là
thẻ mạch tích hợp toàn cầu ( UICC). USIM được sử dụng để nhận dạng và xác thực
người sử dụng để lấy khóa bảo mật nhằm bảo vệ việc truyền tải trên giao diện vô
tuyến.
1.2.2 Truy cập vô tuyến mặt đất E-UTRAN

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

5


6
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.
Mục đích chính của LTE là tối thiểu hóa số node. Vì vậy, người phát triển đã
chọn một cấu trúc đơn node. Trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong mạng truy cập
vô tuyến WCDMA/HSPA, và vì vậy được gọi là eNodeB (Enhance Node B). Những
eNodeB có tất cả những chức năng cần thiết cho mạng truy nhập vô tuyến LTE, kể
cả những chức năng liên quan đến quản lý tài nguyên vô tuyến.

Hình 1.3 Mạng truy cập mặt đất E-UTRAN
Giao diện vô tuyến sử dụng trong E-UTRAN là S1 và X2. Trong đó S1 là giao
diện vô tuyến kết nối giữa eNodeB và mạng lõi, X2 là giao diện giữa các eNodeB với
nhau.
E-UTRAN chịu trách nhiệm về các chức năng liên quan đến vô tuyến, gồm có:
+ Quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến.
+ Nén header.
+ Bảo mật.
+ Kết nối đến mạng lõi EPC.
1.2.2.1 EnodeB
E – UTRAN đơn giản có thể hiểu là một mạng các ENodeB kết nối với nhau,
các ENodeB được phân bố khắp các vùng phủ sóng của mạng ENodeB là trạm gốc
mới phát triển từ NodeB trong UTRAN của UMTS và là nút mạng duy nhất trong

mạng truy nhập vô tuyến E - UTRAN. ENodeB vừa thực hiện chức năng như một
NodeB bình thường vừa thực hiện chức năng điều khiển như RNC (Radio Network

6


7
Controller), việc đơn giản hóa kiến trúc này cho phép giảm thời gian trễ trong các
hoạt động của giao diện vô tuyến.ENodeB hoạt động như một cầu nối lớp 2 giữa UE
và mạng lõi EPC, ENodeB là điểm kết thúc của tất cả các giao thức vô tuyến về phía
UE và chuyển tiếp dữ liệu giữa kết nối vô tuyến và các kết nối IP tương ứng về phía
EPC. Trong vai trò này các EnodeB thực hiện việc nén/giải nén các tiêu đề IP, mã
hóa/giải mã các dữ liệu trên mặt phẳng người sử dụng.
1.2.2.2 Các giao diện kết nối của ENodeB:
 ENodeB kết nối với thiết bị của người sử dụng thông qua giao diện LTE – Uu
bằng giao thức OFDMA (theo hướng xuống) và giao thức SC – FDMA (theo
hướng lên).
 ENodeB kết nối với thực thể quản lý di động MME thông qua giao thức S1 –
AP trên giao diện S1 – MME (hay S1 – C) cho các lưu lượng của mặt phẳng
điều khiển.
 ENodeB kết nối với Serving Gateway (S - GW) thông qua giao thức GTP – U
trên giao diện S1 – U cho các lưu lượng của mặt phẳng người sử dụng.
Cả 2 giao diện S1 – MME và S1 – U được gọi chung là giao diện S1 là giao
diện kết nối từ ENodeB tới mạng lõi EPC.
 ENodeB sử dụng giao thức X2 – AP trên giao diện X2 để kết nối với các
ENodeB khác.

7

8

Hình 1.4 Các kết nối của ENodeB tới các nút logic khác và các chức năng chính
ENodeB cũng thực hiện nhiều các chức năng trên mặt phẳng điều khiển:
 Quản lý tài nguyên vô tuyến RRM (Radio Resource Management): điều khiển
việc sử dụng tài nguyên trên các giao diện vô tuyểnnhư phân bố tài nguyên dựa trên
yêu cầu, cấu hình và lập lịch lưu lượng theo các yêu cầu QoS, liên tục giám sát việc
sử dụng tài nguyên trên giao diện vô tuyến.
 Quản lý tính di động MM (Mobility Management): đo đạc và phân tích mức
độ tín hiệu trên các kết nối với UE, quản lý các UE trong vùng phủ sóng của ENodeB,
kết nối tới các ENodeB khác để trao đổi các thông tin chuyển giao giữa ENodeB đó
và MME, lựa chọn MME khi có yêu cầu từ một UE, cung cấp dữ liệu mặt phẳng
người sử dụng tới các cổng dịch vụ S – GW. Các ENodeB có thể phục vụ đồng thời
nhiều UE trong vùng phủ sóng của nó nhưng mỗi UE chỉ được kết nối tới một
ENodeB trong cùng một thời điểm. Một ENodeB có thể kết nối tới nhiều MME và S
– GW nhằm mục đích phân tải và dự phòng, tuy nhiên mỗi UE chỉ được phục vụ bởi
một MME và S – GW tại một thời điểm và ENodeB phải chịu trách nhiệm về việc
định tuyến cũng như phải duy trì việc theo dõi các liên kết này.
Hình 1.4 cho chúng ta thấy các kết nối của ENodeB tới các nút logic khác cùng
với các chức năng chính của ENodeB trên các giao diện này. Trong tất cả các kết nối
của ENodeB có thể có dạng một – nhiều hoặc nhiều – nhiều. Một ENodeB có thể
8


9
phục vụ nhiều UE trong vùng phủ sóng của nó, tuy nhiên mỗi UE chỉ kết nối tới một
ENodeB trong một thời điểm. Việc các ENodeB kết nối tới các ENodeB hàng xóm
để trao đổi thông tin chuyển giao là rất cần thiết khi nó phải thực hiện chuyển giao.
Các MME và S – GW là một tập hợp các nút được gộp lại để phục vụ một tập hợp
các ENodeB riêng biệt. Một ENodeB có thể kết nối tới nhiều nhiều MME và S – GW

tuy nhiên mỗi UE chỉ được phục vụ bởi một MME và S – GW tại một thời điểm, và
ENodeB sẽ theo dõi các liên kết này. Các liên kết này sẽ không bao giờ thay đổi với
một ENodeB riêng lẻ, bởi vì MME và S – GW chỉ thay đổi liên kết khi có sự chuyển
giao liên ENodeB.
1.2.3 Mạng lõi 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).

Hình 1.5 Mạng lõi EPC
Cùng một mục đích như E-UTRAN, số node trong EPC đã được giảm. EPC
chia luồng dữ liệu người dùng thành mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển.
Một node cụ thể được định nghĩa cho mỗi mặt phẳng, cộng với Gateway chung kết

9


10
nối mạng LTE với internet và những hệ thống khác. EPC gồm có một vài thực thể
chức năng.
 MME(Mobility Management Entity): là thực thể quản lý di động, điều
khiển các Node xử lý tín hiệu giữa UE và mạng lõi. Giao thức giữa UE
và 18 mạng lõi là Non-Access Stratum (NAS). MME là phần tử điều
khiển chính trong EPC. Thông thường MME là một server đặt tại một vị
trí an toàn ngay tại nhà khai thác. Nó chỉ hoạt động trong mặt phẳng điều
khiển (CP) và không tham gia vào đường truyền số liệu (UP). Các chức
năng chính của MME:
 Các chức năng liên quan đến quản lý thông báo: chức năng này
bao gồm thiết lập, duy trì và gửi đi các thông báo, được điều khiển
bởi lớp quản lý phiên trong giao thức NAS.

 Các chức năng liên quan đến quản lý kết nối: bao gồm việc kết
nối và bảo mật giữa mạng và UE, được điều khiển bởi lớp quản
lý tính di động hoặc kết nối trong giao thức NAS.
 S-Gateway (Serving Gateway): là vị trí kết nối của giao tiếp dữ liệu gói
với E-UTRAN, tất cả các gói IP người dùng được chuyển đi thông qua
S-GW. Nó còn hoạt động như một node định t
 uyến đến những kỹ thuật 3 GPP khác. Trong cấu hình kiến trúc cơ sở,
chức năng mức cao của S-GW là quản lý tunnel UP (user plan) và chuyển
mạch. S-GW là bộ phận của hạ tầng mạng dược quản lý tập trung tại nơi
khai thác.
 P-Gateway (Packet Data Network Gateway): là điểm đầu cuối cho những
phiên hướng về mạng dữ liệu gói bên ngoài. Nó cũng là Router đến mạng
Internet. Thông thường P-GW ấn định địa chỉ IP cho UE và UE sử dụng
nó để thông tin với các máy IP trong các mang ngoài (internet). Cũng có
thể mạng ngoài nơi mà UE nối đến sẽ ấn định địa chỉ IP cho UE sử dụng
và P-GW truyền tunnel tất cả lưu lượng đến mạng này. P-GW cũng thực
hiện các chức năng lọc và mở cổng theo yêu cầu được thiết lập cho UE
và dịch vụ tương ứng. Ngoài ra nó thu thập và báo cáo thông tin tính

10


11
cước liên quan. Tương tự như S-GW, các P-GW có thể được khai thác
ngay tại vị trí trung tâm của nhà khai thác.
 PCRF (Policyand Charging Rules Function): 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 dùng
 HSS (Home Subscriber Server): là nơi lưu trữ dữ liệu của thuê bao cho
tất cả dữ liệu của người dùng. Nó là cơ sở dữ liệu chủ trung tâm trong

trung tâm của nhà khai thác.
Đường giao tiếp S1 được dùng cho cả dữ liệu người dùng (nối với S-GW) và
dữ liệu báo hiệu (nối với MME) nên kiến trúc giao thức S1 được chia thành 2 bộ giao
thức:
 S1-C (điều khiển): dùng để trao đổi các thông điệp điều khiển giữa một
UE và MME.
 S1-U (người dùng): dùng để truyền dữ liệu của UE đến S-GW
Nút Gateway giữa mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi phân ra thành hai thực
thể luận lí: S-GW và MME. Kết hợp với nhau chúng thực hiện công việc tương tự
SGSN trong mạng mạng UMTS. Đường giao tiếp S11 sẽ được dùng để liên lạc giữa
hai thực thể đó.
Một đường giao tiếp quan trong nữa trong mạng lõi LTE là đường giao tiếp S6
nối giữa các MME và cơ sở dữ liệu thông tin thuê bao. Trong UMTS/GSM, cơ sở dữ
liệu này gọi là HLR (Home Location Register). Trong LTE, HLR được cải tiến và
đổi tên thành HSS.
1.2.4 Miền dịch vụ
Các vùng dịch vụ có thể bao gồm các hệ thống trong đó có một vài nút logic.
Các vùng dịch vụ được phân loại theo các dịch vụ có thể được cung cấp cùng với một
mô tả ngắn về cơ sở hạ tầng cần phải cung cấp cho chúng:
-

Các dịch vụ của nhà cung cấp dựa trên IMS (IP Multimedia Sub-system)

dựa trên các nhà khai thác, IMS không dựa trên các nhà khai thác và các dịch vụ khác.
IMS là một kiến trúc mạng nhằm tạo sự thuận tiện cho việc phát triển và phân phối
các dịch vụ đa phương tiện đến người dùng, bất kể là họ đang kết nối thông qua mạng
truy nhập nào.
11

12
IMS hỗ trợ nhiều phương thức truy nhập như GSM, 20 UMTS, CDMA2000,
truy nhập hữu tuyến băng rộng như cáp xDSL, cáp quang, cáp truyền hình, cũng như
truy nhập vô tuyến băng rộng WLAN, WiMAX. IMS tạo điều kiện cho các hệ thống
mạng khác nhau có thể tương thích với nhau. IMS hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích cho
cả người dùng lẫn nhà cung cấp dịch vụ. Nó đã và đang được tập trung nghiên cứu
cũng như thu hút được sự quan tâm lớn của giới công nghiệp. Tuy nhiên IMS cũng
gặp phải những khó khăn nhất định và cũng chưa thật sự đủ độ chín để thuyết phục
các nhà cung cấp mạng đầu tư triển khai nó. Kiến trúc IMS được cho là khá phức tạp
với nhiều thực thể và vô số các chức năng khác nhau.
-

Các dịch vụ của nhà cung cấp không dựa trên IMS: các dịch vụ này

không được định nghã trong các tiêu chuẩn. Một cách đơn giản các nhà cung cấp có
thể đặt một máy chủ trong mạng của họ và UE kết nối tới máy chủ đó thông qua một
vài giao thức được cho phép mà hỗ trợ bởi các ứng dụng của UE.
-

Các dịch vụ khác không được cung cấp bởi các nhà cung cấp mạng di

động ví dụ như các dịch vụ được cung cấp qua Internet: các kiến trúc này không được
đề cập đến trong các tiêu chuẩn của 3GPP, và nó phụ thuộc vào yêu cầu dịch vụ. Cấu
hình điển hình sẽ là UE kết nối tới một máy chủ trong mạng Internet.
1.3

Các kênh sử dụng trong kiến trúc E-UTRAN

Hình 1.6 Ánh xạ của các loại kênh sử dụng trong LTE.

12


13
 Kênh vật lý: các kênh vật lý sử dụng cho dữ liệu người dùng bao gồm:
 Physical Downlink Shared Channel (PDSCH): Kênh chia sẻ vật lý
đường xuống.
 Physical Uplink Shared Channel (PUSCH): PUSCH được dùng để
mang dữ liệu người dùng. Các tài nguyên cho PUSCH được 21 chỉ định
trên một subframe cơ bản bởi việc lập biểu đường lên. Các sóng mang
được chỉ định là 12 khối tài nguyên (RB) và có thể nhảy từ subframe
này đến subframe khác. PUSCH có thể dùng các kiểu điều chế QPSK,
16 QAM, 64QAM.
 Physical Uplink Control Channel (PUCCH): Có chức năng lập biểu,
ACK/NAK, dùng cho đường lên
 Physical Downlink Control Channel (PDCCH): Lập biểu, ACK/NAK,
dùng cho đường xuống.
 Physical Broadcast Channel (PBCH): Mang các thông tin đặc trưng của
cell.
 Physical Random Access Channel (PRACH): Kênh truy cập ngẫu nhiên.
 Kênh logic: được định nghĩa bởi thông tin truyền tải trong giao diện vô tuyến
như các kênh lưu lượng, kênh điều khiển, kênh quảng bá hệ thống…. Các kênh
này định nghĩa các dịch vụ truyền tải dữ liệu được đưa ra trong các lớp MAC.
Các bản tin báo hiệu và dữ liệu được truyền tải trên các kênh logic giữa các
giao thức RLC và MAC.
Các kênh logic có thể chia làm 2 loại: kênh điều khiển và kênh lưu lượng.
Trong kênh điều khiển có thể chia làm kênh chung và kênh riêng. Một kênh
chung có nghĩa là dùng chung cho tất cả người sử dụng trong 1 cell (mô hình
điểm – đa điểm) trong khi đó các kênh dành riêng chỉ có thể được sử dụng bởi
một người sử dụng (mô hình điểm – điểm). Các kênh lưu lượng truyền tải dữ

liệu trong mặt phẳng người sử dụng trong khi đó các kênh điều khiển truyền
tải các bản tin báo hiệu trong mặt phẳng điều khiển. Các kênh điều khiển bao
gồm: BCCH, PCCH, CCCH, DCCH, MCCH; các kênh lưu lượng bao gồm:
DTCH và MTCH.
 Các kênh logic được định nghĩa trong hướng lên của LTE bao gồm:
13