Triển khai hệ thống thông tin di động 4GLTE cho mạng di động mobifone tại tỉnh tuyên quang

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN VIỆT PHÚ

TRIỂN KHAI HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G/LTE
CHO MẠNG DI ĐỘNG MOBIFONE TẠI TỈNH TUYÊN QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

THÁI NGUYÊN 2020
i


LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Việt Phú
Sinh ngày: 14/10/1985
Học viên lớp cao học CHK20KTĐT - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
- Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Tổng công ty Viễn thông MobiFone
Xin cam đoan: Đề tài “Triển khai hệ thống thông tin di động 4G/LTE
cho mạng di động MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang” do Thầy giáo PGS. TS.
Nguyễn Văn Chí 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.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.

Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ
rõ nguồn gốc.
Tuyên Quang, Ngày 01 tháng 6 năm 2020
Tác giả luận văn

Nguyễn Việt Phú

ii


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn, tôi đã nhận được sự hướng
dẫn, sự giúp đỡ tận tình của các Thầy Cô giáo và bạn bè. Với lòng kính trọng và
biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới: Thầy giáo PGS.TS. Nguyễn
Văn Chí, người đã tận tình chỉ dạy, giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học
tập và làm luận văn. Những dạy bảo, ý kiến nhận xét, đánh giá, góp ý mang tính gợi
mở của Thầy vô cùng quý giá giúp tôi hiểu được sâu sắc hơn các vấn đề học tập và
nghiên cứu và công việc của tôi sau này.
Tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn các Thầy Cô và cán bộ thuộc trường
Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện
cho tôi hoàn thành tốt khóa học và làm luận văn đúng tiến độ quy định.
Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới Gia đình, đồng nghiệp cùng các bạn học viên
lớp 20 Kỹ thuật Viễn Thông đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học
tập vừa qua.

iii


MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN..............................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ....................................................................... ix
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠNG 4G/LTE ................................1
1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động ........................................................ 1
1.1.1 Hệ thống thông tin di động từ 1G đến 3G..........................................................2
1.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 2G/3G ............................................2
1.2 Nhu cầu tiến lên 4G LTE ...................................................................................... 6
1.2.1 Tăng trưởng dữ liệu người dùng ........................................................................6
1.2.2 Dung lượng hệ thống thông tin di động (lý thuyết shannon) .............................6
1.2.3 Tăng dung lượng hệ thống .................................................................................8
1.2.4 Các yếu tố khác tiến lên LTE .............................................................................8
1.3 Từ 3G tiến lên 4G LTE ......................................................................................... 9
1.3.1 LTE.....................................................................................................................9
1.3.2 Cải tiến phần mạng lõi .....................................................................................10
1.3.3 Hệ thống thông tin di động 4G .........................................................................11
1.3.4 Các tiêu chuẩn 3GPP cho LTE ........................................................................11
1.3.5 Sự khác biệt giữa mạng 4G và LTE .................................................................12
1.3.6 Sự tiến hóa LTE lên 4G ...................................................................................13
1.4 Kết luận Chương 1: ..................................................................................................17
CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE ......................19
2.1 Kiến trúc của LTE ............................................................................................... 19
2.1.1 Cấu trúc tổng quát ............................................................................................19
2.1.2 Thiết bị người dùng ..........................................................................................19
2.1.3 Mạng truy nhập vô tuyến tiên tiến ...................................................................21
2.1.4 Mạng Core trong LTE ......................................................................................22
2.1.5 Cấu trúc roaming ..............................................................................................24
2.1.6 Vùng mạng (network area)...............................................................................25
2.1.7 Định danh, địa chỉ, đánh số ..............................................................................26

iv


2.2 Các giao thức thông tin ....................................................................................... 27
2.2.1 Mô hình giao thức ............................................................................................27
2.2.2 Các giao thức truyền tải giao diện vô tuyến.....................................................29
2.2.3 Các giao thức truyền tải giao diện mạng cố định .............................................30
2.2.4 Các giao thức người dùng (user plane) ............................................................30
2.2.5 Các giao thức báo hiệu .....................................................................................31
2.3 Một vài ví dụ về điều khiển cuộc gọi .................................................................. 33
2.3.1 Báo hiệu lớp truy nhập .....................................................................................33
2.3.2 Báo hiệu lớp truyền tải dữ liệu .........................................................................34
2.4 Quản lý tài nguyên .............................................................................................. 35
2.4.1 Kênh mang EPS ...............................................................................................35
2.4.2 Kỹ thuật đường hầm tunneling sử dụng GTP ..................................................38
2.4.3 Kỹ thuật đường hầm sử dụng GRE và PMIP ...................................................39
2.4.4 Kênh mang báo hiệu vô tuyến..........................................................................40
2.5 Sơ đồ trạng thái ................................................................................................... 41
2.5.1 Quản lý trạng thái di động EPS ........................................................................41
2.5.2 Quản lý kết nối EPS .........................................................................................42
2.5.3 Điều khiển tài nguyên vô tuyến .......................................................................43
2.6 Ấn định phổ ......................................................................................................... 44
2.7 Các kỹ thuật được dung trong 4G LTE ............................................................... 45
2.7.1 Ghép kênh theo tần số trực giao .......................................................................46
2.7.2 OFDMA trong thông tin di động .....................................................................51
2.7.3 Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang ........................................58
2.8 Quy trình quy hoạch mạng LTE ..............................................................................62
2.8.1 Khái quát về quá trình quy hoạch mạng LTE .................................................. 62
2.8.2 Dự báo lưu lượng và phân tích vùng phủ......................................................... 62
2.8.2.1 Dự báo lưu lượng ..........................................................................................62

2.8.2.2 Phân tích vùng phủ ........................................................................................64
2.8.2.3 Quy hoạch chi tiết ......................................................................................... 64
2.8.2.4 Quy hoạch vùng phủ .....................................................................................64
2.8.3 Quy hoạch dung lượng ....................................................................................65
2.8.4 Tối ưu mạng ..................................................................................................... 65
v


2.9 Kết luận Chương 2 : ............................................................................................ 66
CHƯƠNG 3: QUY HOẠCH MẠNG 4G/LTE VÀ THỰC TIỄN TRIỂN KHAI ÁP
DỤNG TRÊN MẠNG LƯỚI MOBIFONE TỈNH TUYÊN QUANG ........................66
3.1 Thực trạng hạ tầng mạng thông tin di động MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang. . 67
3.1.1 Hiện trạng CSHT nhà trạm: .............................................................................67
3.1.1.1. Phân bố trạm thu phát sóng: .........................................................................67
3.1.1.2. Hạ tầng cột Ăng-ten: ....................................................................................67
3.1.2 Hiện trạng hạ tầng truyền dẫn: .........................................................................69
3.2 Đánh giá chung hiện trạng hạ tầng mạng lưới MobiFone: ................................. 69
3.2.1 Kết quả đạt được ..............................................................................................69
3.2.2 Tồn tại và hạn chế ............................................................................................70
3.3 Hiện trạng sử dụng dịch vụ của thuê bao MobiFone tại Tuyên Quang:.................70
3.4 Định hướng triển khai 4G/LTE tại tỉnh Tuyên Quang:...........................................71
3.5 Những thách thức và giải pháp khi triển khai mạng 4G dựa trên nền tảng hạ tầng
3G sẵn có tại tỉnh Tuyên Quang. ...................................................................................73
3.5.1 Lựa chọn tần số sử dụng cho LTE ...................................................................73
3.5.2 Lựa chọn vị trí lắp đặt eNodeB: .......................................................................75
3.5.3 Nâng cấp mạng truyền dẫn hiện tại:.................................................................76
3.5.3.1 Truyền dẫn Viba:...........................................................................................76
3.5.3.2 Truyền dẫn quang:.........................................................................................76
3.5.4. Hệ thống anten: ...............................................................................................77
3.5.5: Hệ thống nguồn DC: .......................................................................................78

3.5.6. Nâng cấp mạng lõi: .........................................................................................79
3.6. Các giải pháp thiết bị eNodeB: .......................................................................... 80
3.6.1 Giải pháp của hãng Huawei: ............................................................................ 80
3.6.1.1 Giải pháp tổng thể hãng Huawei: ..................................................................80
3.6.1.2 Giải pháp thiết bị hãng Huawei: ...................................................................82
3.6.2 Giải pháp của hãng Nokia Siemens: ................................................................82
3.6.2.1 Giải pháp tổng thể hãng Nokia Siemens: ......................................................82
3.6.2.2 Giải pháp thiết bị của hãng Nokia Siemens: .................................................83
3.7 Quy hoạch phát triển mạng vô tuyến 4G/LTE mạng MobiFone tỉnh Tuyên
Quang ........................................................................................................................ 85
vi


3.7.1 Lựa chọn giải pháp thiết bị: .............................................................................85
3.7.1.1 Giá thành: ......................................................................................................85
3.7.1.2 Khả năng vận hành khai thác: .......................................................................85
3.7.1.3 Khả năng cung ứng thiết bị và triển khai lắp đặt: .........................................85
3.7.1.4 Khả năng tương thích ngược với các hệ thống sẵn có của MobiFone: .........85
3.7.1.5 Dịch vụ hỗ trợ sau bán hàng: ........................................................................86
3.7.1.6 An toàn, bảo mật thông tin: ...........................................................................86
3.8 Kết luận Chương 3: ............................................................................................. 88
KẾT LUẬN ....................................................................................................................89
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................91

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1 Các điểm khác nhau giữa WCDMA và LTE trên giao diện vô tuyến ......10
Bảng 1. 2: Các điểm khác nhau giữa UMTS và LTE trên phần mạng CORE..........11

Bảng 1. 3: các tiêu chuẩn 3GPP từ UMTS lên LTE .................................................11
Bảng 2. 1: Kênh mang báo hiệu vô tuyến .................................................................40
Bảng 2. 2: Các băng tần TDD ...................................................................................45
Bảng 2. 3: Các băng tần FDD ...................................................................................45
Bảng 3. 1: Số lượng trạm thông tin di động 2G/3G trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang
tính đến tháng 4/2018 ...............................................................................................67
Bảng 3. 2: Hiện trạng phân loại hạ tầng cột Ăng-ten thu phát sóng thông tin di động
MobiFone tỉnh Tuyên Quang ....................................................................................68
Bảng 3. 3: Số lượng trạm thông tin di động 2G/3G trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang
tính đến tháng 4/2018 ...............................................................................................69
Bảng 3. 4: Thuê bao thông tin di động tại tỉnh Tuyên Quang ..................................71
Bảng 3. 5: Chi tiết đầu cuối hỗ trợ các chế độ mạng MobiFone tại tỉnh Tuyên
Quang: .......................................................................................................................72
Bảng 3. 6:Nâng cấp mạng lõi PS để triển khai LTE .................................................79
Bảng 3. 7: Quy hoạch số lượng eNode B LTE trên mạng MobiFone. .....................86
Bảng 3. 8: Danh sách dự kiến các trạm lắp đặt 4G pha 1 tại tỉnh Tuyên Quang ......87

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1. 1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động ..............................................1
Hình 1. 2 Cấu trúc mức cao của GSM và UMTS .......................................................3
Hình 1. 3 Cấu trúc của mạng truy nhập vô tuyến UTRAN.........................................4
Hình 1. 4 Cấu trúc mạng Core trong 2G/3G ...............................................................5
Hình 1. 5 Tăng trưởng dữ liệu người dùng thoại và data từ 2007 đến 2011...............6
Hình 1. 6 Dự báo lưu lượng thoại và data trên toàn thế giới ......................................7
Hình 1. 7 Dung lượng Shannon trong một hệ thống truyền thông với băng thông 5,
10, 20 Mhz ..................................................................................................................7
Hình 1. 8 Sự phát triển cấu trúc hệ thống từ mạng GSM/UMTS lên LTE .................9

Hình 1. 9: LTE chỉ là một tiệm cận và là cách gọi tên chuẩn công nghệ 4G ...........12
Hình 1. 10: LTE-Advanced - Thế hệ mạng viễn thông thứ 4 ...................................13
Hình 2. 1: Cấu trúc lớp cao của LTE ........................................................................19
Hình 2. 2: Cấu trúc bên trong của UE, quy định bởi ETSI .......................................20
Hình 2. 3: Kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến UMTS tiên tiến ...............................21
Hình 2. 4: Các thanh phần chính trong mạng core LTE ...........................................23
Hình 2. 5: Cấu trúc của LTE cho thuê bao roaming .................................................25
Hình 2. 6: Mối quan hệ giữa vùng tìm kiếm, vùng pool MME và vùng dịch vụ SGW ............................................................................................................................25
Hình 2. 7: Các định danh sử dụng bởi MME ............................................................26
Hình 2. 8: Các định danh tạm thời được sử dụng bởi máy đầu cuối ........................27
Hình 2. 9: Cấu trúc giao thức mức cao trong LTE....................................................27
Hình 2. 10: Các giao thức truyền tải sử dụng trong giao diện vô tuyến ...................28
Hình 2. 11: Mối quan hệ giữa tầng truy nhập (access) và tầng không truy nhập
(nonaccess) trên giao diện vô tuyến ..........................................................................29
Hình 2. 12: Các giao thức truyền tải sử dụng bởi phần tử mạng cố định .................29
Hình 2. 13: Các giao thức user plan sử dụng bởi LTE..............................................31
Hình 2. 14: Các giao thức báo hiệu sử dụng trong LTE ...........................................32
Hình 2. 15: Thủ tục trao đổi năng lực UE .................................................................32
Hình 2. 16: Ngăn xếp giao thức trao đổi bản tin báo hiệu RRC giữa UE và eNB....33
ix


Hình 2. 17: Thủ tục tái chỉ định GUTI (a) Các bản tin tầng non-access và (b) truyền
tải bản tin sử dụng tầng truy nhập .............................................................................33
Hình 2. 18: Ngăn xếp giao thức sử dụng để trao đổi bản tin báo hiệu tầng nonaccess giữa máy đầu cuối và MME...........................................................................34
Hình 2. 19: Ngăn xếp giao thức sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa máy đầu cuối và
các server bên ngoài mạng khi sử dụng giao diện S5/S8 dựa trên GTP ...................35
Hình 2. 20: Kênh mang EPS dành riêng và mặc định khi sử dụng S5/S8 dựa trên
GTP ...........................................................................................................................37
Hình 2. 21: Cấu trúc kênh mang LTE, khi sử dụng giao diện S5/S8 dựa trên GTP .37

Hình 2. 22: Triển khai đường hầm trên đường xuống sử dụng giao diện S5/S8 dựa
trên GTP ....................................................................................................................38
Hình 2. 23: Triển khai đường hầm trên đường xuống sử dụng giao diện S5/S8 dựa
trên PMIP ..................................................................................................................39
Hình 2. 24: Sơ đồ trạng thái quản lý di động EPS (EMM) .......................................41
Hình 2. 25: Sơ đồ trạng thái quản lý kết nối EPS (ECM) .........................................41
Hình 2. 26: Sơ đồ trạng thái điều khiển tài nguyên vô tuyến ...................................44
Hình 3. 1: Sơ đồ phân bố trạm thu phát sóng trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang .........69
Hình 3. 2: So sánh hiệu quả về mặt băng tần của HSPA+ và LTE ...........................74
Hình 3. 3: Quy hoạch sử dụng tần sốmạng mobifone giai đoạn 2014-2020 ............74
Hình 3. 4: Thiết bị BBU 3910 ...................................................................................75
Hình 3. 5: Rack 42U thường được sử dụng trong trạm BTS ....................................76
Hình 3. 6: hệ thống anten tiêu biểu của trạm thu phát sóng di động ........................78
Hình 3. 7: Mạng PS hiện tại của MobiFone ..............................................................80
Hình 3. 8:giải pháp SAE của Huawei .......................................................................81
Hình 3. 9: Thiết bị BTS 3910 của Huawei ................................................................82
Hình 3. 10:Giải pháp tổng thể của NSN từ R6 HSPA đến Rel 8 hỗ trợ LTE ...........83
Hình 3. 11: Giải pháp thiết bị vô tuyến NSN cho LTE .............................................84
Hình 3. 12: Giải pháp hệ thống MME/SAE GW của NSN ......................................84
Hình 3. 13: Sơ đồ phân bổ các trạm lắp đặt 4G Pha 1 tại tỉnh Tuyên Quang ...........88

x


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Giải thích

2G

2nd Generation of Mobile Telephone Systems (GSM)

3GPP

Third Generation Partnership Project

4G

4th Generation of Mobile Telephone Systems (LTE)

eNodeB

Base Station in LTE

EPC

Evolved Packet Core

EUTRAN

Evolved UTRAN

GGSN

Gateway GPRS Support Node

GPRS

General Packet Radio System / Service

GW

Gateway

HLR

Home Location Register

HSPA

High Speed Packet Access

LTE

Long Term Evolution (or 4G mobile networks)

MME

Mobility Management Entity

MSC

Mobile Switching Center

OPEX

Operational Expenditure / Operating Expense

P-GW

Packet Data Network Gateway

PMIP

Proxy Mobile IP

QoS

Quality of Service

RNC

Radio Network Controller (in 3G or UMTS)

S5/S8

Interface between S-GW and P-GW

SAE

System Architechture Evolution

SGSN

Serving GPRS Support Node

S-GW

Serving Gateway

UMTS

Universal Mobile Telecommunication System

UTRAN

UMTS Terrestrial Radio Access Network

xi


LỜI MỞ ĐẦU
Hiện tại công nghệ thông tin di động phát triển với tốc độ rất cao, tại Việt
nam 03 nhà mạng lớn là MobiFone, Viettel, Vinaphone cạnh tranh khốc liệt để tăng
thị phần. Một trong các yếu tố để giữ thuê bao là không ngừng cải thiện chất lượng
mạng lưới, mở rộng vùng phủ sóng, nâng cấp công nghệ hiện đại bắt kịp với sự phát
triển công nghệ trên thế giới trong đó phát triển mạng từ thế hệ 2G/3G lên thế hệ 4G
là xu hướng tất yếu tại Việt nam.
Xuất phát từ công việc hiện tại là kỹ sư vận hành khai thác trực tiếp mạng
thông tin di động MobiFone Miền Bắc và đồng thời đang là sinh viên cao học lớp
Kỹ thuật Viễn Thông - Khóa 20 tại Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái
Nguyên tôi đã xin nhận đề tài tốt nghiệp của mình là: “Triển khai hệ thống thông tin
di động 4G/LTE cho mạng di động MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang”.
Hiện tại nhà mạng MobiFone đang dự kiến triển khai mạng 4G/LTE trên địa
bàn tỉnh Tuyên Quang. Tuy nhiên các thông tin mang tính kỹ thuật về các công
nghệ kỹ thuật 4G/LTE và thực tiễn triển khai còn rất ít chưa đáp ứng được nhu cầu
của một bộ phận cán bộ kỹ thuật, kỹ sư đang làm việc trực tiếp tại các nhà mạng.
Do đó đề tài nghiên cứu về mạng thông tin di động 4G/LTE là một đáp ứng rất bức
thiết trong điều kiện và thời điểm hiện tại.

Mạng 4G/LTE là một nền tảng di động thế hệ mới được thiết kế dựa trên các
công nghệ phát truyền thông tin phát triển nhất, dựa trên các cơ sở lý thuyết đã được
nghiên cứu đầy đủ bởi tổ chức tiêu chuẩn hóa viễn thông 3GPP. Trong mạng
4G/LTE áp dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao, kỹ thuật
đa anten, đơn giản hóa phần mạng truy nhập vô tuyến cũng như phần mạng lõi để
hạn chế tối đa trễ thời gian… đây là các kỹ thuật rất phức tạp vì vậy đề tài nghiên
cứu mạng 4G/LTE mang ý nghĩa khoa học cao. Đặc biệt tại thời điểm hiện tại các
nhà cung cấp thiết bị (Ericsson, Huawei, Alcatel..) đã cung cấp giải pháp và triển
khai thương mai hóa mạng 4G/LTE trên nhiều quốc gia (Mỹ - Verizon, Nhật – NTT
Docomo, Singapore - Singtel…) trong đó có Việt Nam, nên đề tài mang ý nghĩa
thực tiễn cao đối với tình hình triển khai 4G trên mạng thông tin di động MobiFone
tại tỉnh Tuyên Quang.
Về mặt thực tế, đề tài có ý nghĩa ứng dụng cao, là tài liệu để các kỹ sư, cán
bộ kỹ thuật nghiên cứu, tìm hiểu để sẵn sàng làm việc khi triển khai và khai thác các
xii


công nghệ thiết bị mới trong mạng di động 4G, đảm bảo quá trình nâng cấp và triển
khai và khai thác xuyên xuốt, theo đúng lộ trình đề ra.
Mục đích của đề tài là nghiên cứu công nghệ và các kỹ thuật chính sử dụng
trong mạng 4G LTE, thực tiễn triển khai 4G tại Việt nam và áp dụng triển khai trên
một mạng thông tin di động cụ thể là MobiFone Miền Bắc.
Phương pháp nghiên cứu của đề tài là phương pháp phân tích lý thuyết kết
hợp triển khai ứng dụng thực tế trên mạng lưới. Nội dung của đề tài bao gồm:
- Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE
- Chương 2: Cấu trúc mạng thông tin di động 4G/LTE
- Chương 3: Quy hoạch mạng 4G LTE và thực tiễn triển khai áp dụng trên
mạng lưới MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang.

xiii

Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠNG 4G/LTE
Thông tin di động đã và đang chiếm lĩnh một vai trò cực kỳ quan trọng trong
đời sống xã hội ngày nay. Khi xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động
của con người càng tăng lên và thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết
và tính tiện dụng của nó. Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều
giai đoạn phát triển, từ thế hệ di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang triển khai
rộng khắp trên thế giới - thế hệ thứ 4. Trong chương này sẽ trình bày khái quát về
các đặc tính chung của các hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G.
1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động
Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý tưởng về
thiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di động
sau này. Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm tại ST
Louis, bang Missouri của Mỹ.
Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đến
lĩnh vực thông tin di động. Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin di động đã
cải thiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được.
Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết hợp được
các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải được bài toán khó về dung lượng.

Hình 1. 1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động

1


Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE

1.1.1 Hệ thống thông tin di động từ 1G đến 3G
Hệ thống thông tin di động lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1980. Thế
hệ đầu tiên (1G) sử dụng các kỹ thuật truyền thông tin analog hoàn toàn, kích thước
cell lớn và hiệu suất sử dụng phổ kém vì vậy dung lượng rất thấp so với các hệ
thống ngày nay.
Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 được giới thiệu và thương mại hóa vào
đầu những năm 1990 là thế hệ sử dụng kỹ thuật số đầu tiên cho phép tận dụng tốt
hơn phổ vô tuyến, và giá thành thiết bị đầu cuối rẻ và gọn nhẹ hơn. Hệ thống này
đầu tiên được thiết kế để sử dụng truyền thoại sau đó được mở rộng ra để truyền tin
nhắn SMS. Hệ thống 2G phổ biến nhất trên thế giới là GSM (Global System for
Mobile Communications) sử dụng ban đầu tại Châu Âu sau đó phổ biến trên toàn
thế giới, bên cạnh đó có CDMAOne phổ biến tại Mỹ, Nhật và Hàn Quốc. Do thời
điểm xuất hiện hệ thống di động 2G cũng là thời điểm xuất hiện internet vì vậy các
tổ chức tiêu chuẩn hóa đã nâng cấp cấu trúc của hệ thống 2G tại phần mạng lõi và
giao diện vô tuyến để cho phép người sử dụng có thể sử dụng các dịch vụ data trên
thiết bị đầu cuối, kết quả là hệ thống 2.5G GPRS (General Packet Radio Service),
IS95 được phát triển cho phép xử lý cả thoại và dữ liệu. Ngoài ra để cải thiện tốc độ
truyền dữ liệu, thế hệ 2.75G EDGE ra đời cải thiện hiệu năng của GSM Enhanced
Data Rates for GSM Evolution.
Thế hệ 2G/2.75G vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu của khách hàng về tốc độ
truyền/nhận dữ liệu vì vậy hệ thống thông tin di động thế hệ 3/3.5G ra đời sử dụng
các kỹ thuật khác các thế hệ trước nó trên giao diện vô tuyến cho phép cải thiện tốc
độ đỉnh của dữ liệu và đặc biệt sử dụng kỹ thuật trải phổ vì vậy phổ tín hiệu vô
tuyến được tận dụng tốt hơn 2G.
1.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 2G/3G
Một mạng di động được gọi là một PLMN được vận hành bởi một nhà
mạng gọi là network operator. Mạng di động thế hệ 2 GSM và thế hệ 3 UMTS chia
sẻ chung một cấu trúc mạng như hình sau:

2

Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE

Hình 1. 2 Cấu trúc mức cao của GSM và UMTS
Phần mạng core được chia làm 2 phần CS domain và PS domain, miền CS
được sử dụng để truyền thông tin thoại từ thuê bao này đến một thuê bao khác qua
những vùng địa lý mà nhà mạng quản lý tương tự như mạng điện thoại cố định
PSTN, vùng PS được sử dụng để truyền thông tin data (web, email..) giữa thuê bao
và các mạng dữ liệu data khác ví dụ internet hoặc mạng riêng ảo.
Hai miền PS và CS có cách truyền thông tin hoàn toàn khác nhau, CS sử
dụng kỹ thuật chuyển mạch kênh tương tự trong các tổng đài PSTN truyền thống do
vậy thông tin thoại được dành riêng tài nguyên cho từng cuộc gọi và đảm bảo được
độ trễ cho phép. Tuy nhiên kỹ thuật này tốn kém về băng thông và không phù hợp
để truyền dữ liệu data là dữ liệu biến đổi liên tục về tốc độ vì vậy người ta sử dụng
kỹ thuật chuyển mạch gói Packet Switching cho miền PS trong đó dữ liệu người
dùng được chia thành nhiều gói tin và được đánh dấu địa chỉ nguồn/đích sau đó
được gửi đi, tài nguyên mạng được chia sẻ chung giữa các user vì vậy đỡ tốn kém
hơn. Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là độ trễ cao nếu nhiều thuê bao cùng sử
dụng dịch vụ cùng một lúc.
Tại phần mạng truy nhập vô tuyến người ra chia ra làm GE-RAN và UTRAN (GSM/EDGE radio access network và terrestrial radio access network). GERAN là mạng truy nhập GSM 2G còn UTRAN là mạng truy nhập 3G. Hai mạng
này sử dụng kỹ thuật truyền thông vô tuyến khác nhau và chia sẻ chung một mạng
CORE.
Các thuê bao (UE) trao đổi thông tin với mạng truy nhập qua giao diện vô
tuyến qua đường lên (từ UE đến mạng truy nhập vô tuyến) và đường xuống (từ
mạng xuống đến UE).
3


Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE

Hình 1. 3 Cấu trúc của mạng truy nhập vô tuyến UTRAN
Thành phần quan trọng nhất trong mạng truy nhập vô tuyến UTRAN đó là
các trạm thu phát sóng NodeB (trong mạng GERAN gọi là các BTS), mỗi NodeB
có 1 hoặc nhiều anten để thu phát sóng tín hiệu vô tuyến với UE. Một nhà mạng lớn
có thể có đến nhiều nghìn trạm thu phát sóng BTS/Node B. Khi thuê bao di chuyển
từ một trạm này sang một trạm khác nó thực hiện ngừng gửi/nhận thông tin đến
trạm này và chuyển sang truyền/nhận thông tin với trạm kia. Để duy trì thông tin
liên tục kỹ thuật được sử dụng trong trường hợp này là Handover hoặc cell
reselection. Trong UMTS một thuê bao có thể cùng một lúc duy trì kết nối đến
nhiều cell sử dụng kỹ thuật soft-handover (Chuyển giao mềm).
Các trạm gốc được quản lý chung bới 1 thiết bị gọi là RNC (Radio network
Controller) hay trogn GERAN gọi là BSC (quản lý nhiều BTS). Chức năng của
chúng là chuyển tiếp thông tin từ thuê bao đến mạng lõi và điều khiển các trạm gốc
qua các bản tin báo hiệu. Mỗi RNC quản lý từ vài chục đến vài trăm trạm gốc. Một
nhà mạng có thể vận hành cùng lúc cả mạng 2G và mạng 3G, khi thuê bao chuyển
từ mạng này sang mạng kia thì gọi là một chuyển giao liên hệ thống inter-system
handover.

4


Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE

Hình 1. 4 Cấu trúc mạng Core trong 2G/3G
Trong miền CS các MGW định tuyến chuyển các cuộc gọi từ nguồn đến đích
trong khi các MSC server xử lý phần báo hiệu cho phép thiết lập, duy trì, quản lý,
và xóa bỏ các cuộc gọi. MGW và MSC server là 1 hệ thống độc lập với 2 chức năng
khác nhau. MSC server có VLR (Visitor Location Register) là cơ sở dữ liệu vị trí
tạm thời của thuê bao di động.

Trong miền PS hệ thống GGSN gateway GPRS support nodes hoạt động như
một giao diện kết nối giữa server người dùng và mạng dữ liệu ngoài (ví dụ internet),
nó cũng xử lý phần báo hiệu cho phép thiết lập, duy trì, quản lý, và xóa bỏ các
luồng dữ liệu gói.
HSS (trong 2G/3G gọi là HLR&AUC) là cơ sở dữ liệu trung tâm của toàn
mạng mang thông tin về thuê bao trên toàn mạng và được chia sẻ trên cả 2 miền CS
và PS. HLR/HSS sẽ mang các thông tin về dịch vụ, nhận thực, QoS, profile của
thuê bao và vị trí hiện tại của thuê bao đang thuộc MSC server nào quản lý. Khi một
thuê bao bật máy lên nó sẽ tiến hành thủ tục đăng ký và nhận thực với HLR quản lý
nó, nếu quá trình hoàn tất nó sẽ được phép sử dụng các dịch vụ, nếu không thuê bao
được coi là không hợp lệ và không thể sử dụng dịch vụ. Trong quá trình thiết lập
cuộc gọi MSC server sẽ hỏi HLR xem thuê bao đang nằm tại đâu để có thể định
tuyến đúng cuộc gọi đến đích.
5


Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE

1.2 Nhu cầu tiến lên 4G LTE
1.2.1 Tăng trưởng dữ liệu người dùng
Sau nhiều năm lưu lượng thoại chiếm đa số lưu lượng truyền tải trong mạng di
động và là doanh thu chính của nhà mạng thì đến năm 2010 lưu lượng sử dụng data
đã bắt đầu tăng trưởng với tốc độ nhanh chóng. Hình sau chỉ ra lưu lượng dữ liệu
người dùng hàng tháng trên toàn thế giới tính theo Petabyte (Triệu Gigabyte). Xu
hướng này được dự báo là sẽ vẫn còn tiếp tục trong những năm sắp tới. Song song
với nó lưu lượng thoại có dấu hiệu tăng trưởng chậm và thậm chí không tăng do sự
phát triển của một số dịch vụ OTT, sự ra đời của điện thoại thông minh Iphone,
Android phone với giao diện hấp dẫn, thân thiện cho phép gọi điện thoại miễn phí
và các dịch vụ game, web, facebook… người sử dụng.

Hình 1. 5 Tăng trưởng dữ liệu người dùng thoại và data từ 2007 đến 2011
1.2.2 Dung lượng hệ thống thông tin di động (lý thuyết shannon)
Năm 1948 Shannon đã công bố lý thuyết giới hạn của tốc độ dữ liệu có thể
đạt được trong một hệ thống thông tin với một công thức đơn giản sau:
C = B log2 (1 + SINR)
Trong đó:
- SINR là tỷ số tín hiệu trên tạp âm và nhiễu (hay nói cách khác là công suất
thu được tại máy thu chia cho công suất tổng tạp âm và nhiễu)
6


Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE

- B là băng thông của hệ thống thông tin (Hz)
- C là dung lượng kênh (bit/s)

Hình 1. 6 Dự báo lưu lượng thoại và data trên toàn thế giới
Về mặt lý thuyết có thể truyền thông tin từ máy phát đến máy thu mà không
có bất kỳ lỗi gì miễn là tốc độ dữ liệu phải nhỏ hơn dung lượng kênh. Trong hệ
thống thông tin di động C là tốc độ dữ liệu tối đa mà một cell có thể xử lý và bằng
với tốc độ của các máy đầu cuối trong cell kết hợp lại.
Như vậy để đạt được dung lượng kênh lớn với một mức tín hiệu trên tạp âm
cho phép thì băng thông phải tăng lên, tuy nhiên băng thông là tài sản quốc gia và
không phải lúc nào cũng có thể mua được.

Hình 1. 7 Dung lượng Shannon trong một hệ thống truyền thông với băng thông 5,
10, 20 Mhz

7

Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE

1.2.3 Tăng dung lượng hệ thống
Có 3 cách để tăng dung lượng kênh trong một hệ thống thông tin di động.
Cách 1 và cũng là cách quan trọng nhất đó là sử dụng các cell nhỏ hơn. Trong một
hệ thống thông tin di động tế bào thì tổng dung lượng kênh của hệ thống là tốc độ
tối đa mà một cell riêng lẻ có thể đạt được. Nếu chia nhỏ các cell đồng nghĩa với
việc tăng dung lượng của mạng hay có thể sử dụng nhiều phương trình Shannon
hơn trong cùng một mạng
Thứ 2 đó là tăng băng thông của hệ thống, tuy nhiên đây là tài nguyên hữu
hạn và được quản lý bởi nhà nước và các tổ chức quốc tế (ITU)
Cách thứ 3 đó là cải thiện công nghệ truyền thông tin trong mạng. Cách này
mang lại một số lợi ích: tăng tốc độ người dùng tiệm cận với dung lượng kênh trong
lý thuyết Shannon, thứ 2 là hướng tới đạt được tỷ số SINR cao hơn và băng thông
bao hơn bằng các kỹ thuật công nghệ tiên tiến. Đây là lý do chính để LTE ra đời.
1.2.4 Các yếu tố khác tiến lên LTE
Một số yếu tố khác để LTE ra đời đó là, thứ nhất các nhà mạng 2G/3G phải
vận hành cùng một lúc hai mạng Core, một mạng CS và một mạng PS, điều này gây
tốn kém về chi phí CAPEX và OPEX trong khi với năng lực của các thiết bị router
dung lượng lớn hiện tại hoàn toàn có thể truyền thông tin thoại qua mạng gói sử
dụng các chế độ nén và mã hóa thích hợp, kỹ thuật đó gọi là Voice over IP (VoIP).
Nếu thực hiện điều này thì chi phí vận hành khai thác hệ thống sẽ giảm đáng kể.
Một yếu tố khác đó là trong mạng 3G (do có sự tồn tại của RNC) độ trễ
truyền dữ liệu có thể lên tới 100 ms sau khi dữ liệu được truyền qua giao diện vô
tuyến và các phần tử mạng. Độ trễ này là tương đối lớn so với dịch vụ thoại và đặc
biệt không phù hợp với các dịch vụ yêu cầu thời gian thực như game tương tác, vì
vậy cần có một giải pháp để giảm thiểu độ trễ end-to-end.
Thứ ba, các tiêu chuẩn về GSM và UMTS ngày càng phức tạp do phải thiết
kế để đáp ứng được các dịch vụ và thiết bị mới trong khi phải tương thích ngược lại

với các thiết bị cũ. Vì vậy nhu cầu cần phải có một thế hệ di động mới, cấu trúc đơn
giản hơn, giảm thiểu độ trễ end-to-end, cung cấp nhiều dịch vụ data tốc độ cao và
đồng thời có khả năng tương thích ngược lại với hệ thống 2G/3G đang hoạt động.

8


Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE

1.3 Từ 3G tiến lên 4G LTE
Hình sau mô tả sự phát triển từ hệ thống 3G lên hệ thống LTE

Hình 1. 8 Sự phát triển cấu trúc hệ thống từ mạng GSM/UMTS lên LTE
Trong cấu trúc bên trên phần EPC (evolved packet core) sẽ thay thế trực tiếp
cho miền PS trong mạng GSM/UMTS. EPC sẽ truyền tải tất cả các loại thông tin thời
người dùng: thoại cũng như data sử dụng công nghệ chuyển mạch gói mà trước đây
vốn chỉ sử dụng cho data. Miền CS trong mạng 2G/3G không còn tồn tại mà toàn bộ
thông tin thoại sẽ được truyền qua mạng gói IP sử dụng kỹ thuật Voice over IP.
Phần E-UTRAN thay thế cho phần GERAN/UTRAN trong phần 2G/3G và là
trung gian truyền thông tin giữa người dùng và mạng lõi.
Cấu trúc mới được thiết kế bởi 2 nhóm trong tổ chức 3GPP, SAE (system
architecture evolution) liên quan đến phát triển phần Core và LTE (Long Term
Evolution) liên quan đến phát triển phần mạng truy nhập vô tuyến. Xét trên tổng thể
toàn hệ thống được gọi là EPS (evolved packet system).
1.3.1 LTE
Một số yêu cầu cơ bản của LTE cần đạt được đó là: tốc độ dữ liệu đỉnh
đường xuống là 100 Mbps, đường lên là 50Mbps. Tuy nhiên thực tế có thể đạt được
là 300Mbps đường xuống và 75Mbps đường lên. Nếu so sánh với UMTS (release 6)
thì tốc độ chỉ đạt được: 14Mbps đường xuống và 5.7Mbps đường lên.
Yêu cầu về trễ (latency) trong LTE cũng khá ngặt nghèo, trong LTE độ trễ

9


Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE

truyền tải dữ liệu giữa máy đầu cuối và các phần tử mạng cố định phải ít hơn 5 mili
giây. Đồng thời thời gian chuyển từ trạng thái standby sang trạng thái active của
thuê bao trong LTE phải nhỏ hơn 100 mili giây.
Một số yêu cầu về vùng phủ: LTE được thiết kế tối ưu cho các cell lên tới
5km, suy giảm chất lượng ở 30km và hỗ trợ lên tới 100 km. Về sự di động của thuê
bao, trong LTE thiết kế tối ưu cho thuê bao di động với tốc độ 15 km/h, hỗ trợ lên
tới 300 km/h.
Cuối cùng LTE được thiết kế với khả năng sử dụng nhiều băng tần khác nhau
tại dải từ 1.4 MHz tới 20 MHz.
Một số so sánh giữa UMTS và LTE trên giao diện vô tuyến:
Bảng 1. 1 Các điểm khác nhau giữa WCDMA và LTE trên giao diện vô tuyến
Đặc điểm

WCDMA

LTE

Phương pháp đa truy nhập

WCDMA

OFDMA and SC-FDMA

Tái sử dụng tần số

100%

Linh hoạt

Sử dụng anten MIMO

From Release 7

Có sử dụng

Băng tần

5MHz

Độ rộng khung

10 ms

10 ms

Khoảng thời gian truyền dẫn

2 or 10ms

1ms

Mô hình hoạt động

FDD and TDD

FDD and TDD

Kênh truyền tải

Dành riêng và chia sẻ Chia sẻ

Điều khiển công suất đường lên

Nhanh

1.4, 3, 5, 10, 15 or
20MHz

Chậm

1.3.2 Cải tiến phần mạng lõi
Mạng core sử dụng giao thức IP (Internet Protocol) có thể sử dụng IPv4 hoặc
IPv6 hoặc song song cả IPv4 và IPv6. Trong mạng LTE các thuê bao luôn được duy
trì các kết nối với các mạng dữ liệu ngoài khác với trong 2G/3G đó là kết nối chỉ
được kích hoạt khi thuê bao có nhu cầu và được hủy bỏ khi hết phiên truyền dữ liệu.
EPC được thiết kế với các đường hầm thông tin để truyền tải dữ liệu mà
không quan tâm đó là thoại hay data, các mức dữ liệu có thể được đánh giá với các
mức QoS khác nhau để được sử dụng nhiều tải nguyên hơn.

10


Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE

Bảng 1. 2: Các điểm khác nhau giữa UMTS và LTE trên phần mạng CORE

Đặc điểm

UMTS

Hỗ trợ các version IP

IPv4 và IPv6

LTE
IPv4 và IPv6

Release 99 USIM

Hỗ trợ các version USIM

trở đi
Chuyển mạch kênh

Kỹ thuật truyền tải

và chuyển mạch gói

Release 99 USIM trở đi

Chuyển mạch gói

Các thành phần miền CS

MSC server, MGW

n/a

Các thành phần miền PS

SGSN, GGSN

MME, S-GW, P-GW

Kết nối IP

Sau khi đăng ký

Trong quá trình đăng ký

Thoại và SMS

Bao gồm

Mở rộng

1.3.3 Hệ thống thông tin di động 4G
Theo như mô tả ban đầu của ITU về mạng di động 4G phải được thiết kế để
đáp ứng được các yêu cầu của IMT-Advanced. LTE-advanced và Wimax 2.0
(802.16m) đáp ứng được các yêu cầu này trong đó hỗ trợ 1000 Mbps trên đường
xuống, và 500 Mbps trên đường lên. Măc dù LTE và WiMAX 1.0 không đáp ứng
được yêu cầu của ITU về mạng 4G tuy nhiên trên thế giới đã có sự phát triển của
các nhà mạng từ mạng 3G lên LTE mà không trực tiếp phát triển lên LTEadvanced. Tháng 12 năm 2010 ITU thừa nhận rằng tất cả các hệ thống thông tin di
động bao gồm LTE, WiMAX 1.0 mà cung cấp hiệu năng tốt hơn mạng thông tin di
động 3G được gọi là mạng 4G.
1.3.4 Các tiêu chuẩn 3GPP cho LTE

Bảng 1. 3: các tiêu chuẩn 3GPP từ UMTS lên LTE
Releases

Thời điểm ban hành

Các đặc điểm mới

R99

3/2000

WCDMA air interface

R4

3/2001

TD-SCDMA air interface

R5

6/2012

HSDPA, IP multimedia
subsystem

R6

3/2005

HSUPA

R7

12/2007

Enhancements to HSPA

R8

12/2008

LTE, SAE

11


Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE

R9

12/2009

Enhancements to LTE and SAE

R10

3/2011

LTE-Advanced

R11

9/2012

Enhancements to LTEAdvanced

1.3.5 Sự khác biệt giữa mạng 4G và LTE
Chuẩn kết nối 4G được Liên minh viễn thông quốc tế (ITU) chính thức thông
qua vào 3-2008. Chữ “G” trong 4G tức “generation” (thế hệ), như vậy, đây là chuẩn
kết nối thế hệ thứ 4 mới nhất, theo lý thuyết, có thể giúp các thiết bị di động như
điện thoại thông minh, máy tính bảng... đạt tốc độ kết nối 100 Mbps và lên tới 1
Gbps khi không di chuyển.
Hiện có hai hệ thống 4G đã triển khai là chuẩn Mobile WiMAX (lần đầu tiên
ở Hàn Quốc năm 2007) và chuẩn LTE, triển khai ở Na Uy năm 2009.
LTE viết tắt của Long Term Evolution (Tiến hóa dài hạn), chưa phải là một
công nghệ chuẩn 4G, thay vào đó chỉ là một chuẩn tiệm cận công nghệ mạng thứ tư.
Trên thực thế, tuy điện thoại của bạn có thể hiển thị biểu tượng “4G” ở góc phải
phía trên màn hình, nhưng thực chất lại không phải kết nối 4G theo chuẩn.

Hình 1. 9: LTE chỉ là một tiệm cận và là cách gọi tên chuẩn công nghệ 4G
Khi Liên minh Viễn thông Quốc tế định chuẩn mức tốc độ 4G tối thiểu, các
thử nghiệm thực tế vẫn chưa đạt được. Kết quả là, các nhà làm luật đã quyết định
dùng LTE để gọi tên chuẩn công nghệ 4G, miễn là tốc độ mạng LTE khi triển khai
phải vượt trội đáng kể so với 3G.
12