Thiết kế và quy hoạch mạng 4G LTE thực tế triển khai áp dụng tại Trung tâm mạng lưới mobifone Miền Bắc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Phạm Văn Trưởng

THIẾT KẾ VÀ QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE
THỰC TẾ TRIỂN KHAI ÁP DỤNG TẠI TRUNG TÂM
MẠNG LƯỚI MOBIFONE MIỀN BẮC

Chuyên ngành : Kỹ thuật Viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Nguyễn Quốc Khương

Hà Nội - 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ cơng trình
nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng các thơng tin trích dẫn trong luận văn đều đã đƣợc chỉ
rõ nguồn gốc.
Ngày 15 tháng 8 năm 2018

Phạm Văn Trƣởng

i


LỜI CÁM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn, tôi đã nhận đƣợc sự hƣớng
dẫn, sự giúp đỡ tận tình của các Thầy Cơ giáo và bạn bè. Với lịng kính trọng và
biết ơn sâu sắc, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới: Thầy giáo TS. Nguyễn Quốc
Khƣơng, ngƣời đã tận tình chỉ dạy, giúp đỡ, động viên tơi trong suốt q trình học
tập và làm luận văn. Những dạy bảo, ý kiến nhận xét, đánh giá, góp ý mang tính gợi
mở của Thầy vơ cùng quý giá giúp tôi hiểu đƣợc 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 trƣờng
Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tơi hồn thành
tốt khóa học và làm luận văn đúng tiến độ quy định.
Tôi cũng xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới Gia đình, đồng nghiệp cùng các bạn
học viên lớp 16AKTVT đã luôn động viên, giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập
vừa qua.

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................. ii
MỤC LỤC.. ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT.................................................................................. vi
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................ vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................. viii
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ xi
Chƣơng I. Tổng quan về 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 trƣởng dữ liệu ngƣời dùng .................................................................6
1.2.2 Dung lƣợng hệ thống thông tin di động (lý thuyết shannon) ......................7
1.2.3 Tăng dung lƣợng hệ thống ..........................................................................9
1.2.4 Các yếu tố khác tiến lên LTE ......................................................................9
1.3 Từ 3G tiến lên 4G LTE .................................................................................... 10
1.3.1 LTE ............................................................................................................10
1.3.2 Cải tiến phần mạng lõi...............................................................................11
1.3.3 Hệ thống thông tin di động 4G ..................................................................12
1.3.4 Các tiêu chuẩn 3GPP cho LTE ..................................................................13
1.3.5 Sự khác biệt giữa mạng 4G và LTE ..........................................................13
1.3.6 Sự tiến hóa LTE lên 4G .............................................................................14
Chƣơng II. Cấu trúc mạng thông tin di động 4G LTE ............................................. 21
2.1 Kiến trúc của LTE ........................................................................................... 21
2.1.1 Cấu trúc tổng quát .....................................................................................21
2.1.2 Thiết bị ngƣời dùng ...................................................................................21

iii


2.1.3 Mạng truy nhập vô tuyến tiên tiến ............................................................23
2.1.4 Mạng Core trong LTE ...............................................................................24
2.1.5 Cấu trúc roaming .......................................................................................26
2.1.6 Vùng mạng (network area) ........................................................................27
2.1.7 Định danh, địa chỉ, đánh số .......................................................................28
2.2 Các giao thức thơng tin .................................................................................... 30
2.2.1 Mơ hình giao thức .....................................................................................30

2.2.2 Các giao thức truyền tải giao diện vô tuyến ..............................................32
2.2.3 Các giao thức truyền tải giao diện mạng cố định ......................................32
2.2.4 Các giao thức ngƣời dùng (user plane) .....................................................33
2.2.5 Các giao thức báo hiệu ..............................................................................33
2.3 Một vài ví dụ về điều khiển cuộc gọi .............................................................. 35
2.3.1 Báo hiệu lớp truy nhập ..............................................................................35
2.3.2 Báo hiệu lớp truyền tải dữ liệu ..................................................................38
2.4 Quản lý tài nguyên ........................................................................................... 38
2.4.1 Kênh mang EPS.........................................................................................38
2.4.2 Kỹ thuật đƣờng hầm tunneling sử dụng GTP ...........................................41
2.4.3 Kỹ thuật đƣờng hầm sử dụng GRE và PMIP ............................................43
2.4.4 Kênh mang báo hiệu vô tuyến ...................................................................43
2.5 Sơ đồ trạng thái ................................................................................................ 44
2.5.1 Quản lý trạng thái di động EPS .................................................................44
2.5.2 Quản lý kết nối EPS ..................................................................................45
2.5.3 Điều khiển tài nguyên vô tuyến.................................................................46
2.6 Ấn định phổ ..................................................................................................... 48
2.7 Các kỹ thuật đƣợc dung trong 4G LTE ........................................................... 50
2.7.1 Ghép kênh theo tần số trực giao ................................................................50
2.7.2 OFDMA trong thông tin di động...............................................................56
2.7.3 Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang ..................................65

iv


Chƣơng III. Quy hoạch mạng 4G LTE và thực tiễn triển khai áp dụng trên mạng
lƣới Mobifone Miền Bắc ........................................................................................... 69
3.1 Khái quát về quá trình quy hoạch mạng LTE .................................................. 69
3.2 Dự báo lƣu lƣợng và phân tích vùng phủ ........................................................ 70
3.2.1 Dự báo lƣu lƣợng ......................................................................................70

3.2.2 Phân tích vùng phủ ....................................................................................71
3.3 Quy hoạch chi tiết ............................................................................................ 71
3.3.1 Quy hoạch vùng phủ..................................................................................71
3.3.2 Quy hoạch dung lƣợng ..............................................................................73
3.4 Tối ƣu mạng ..................................................................................................... 73
3.5 Thực tiễn triển khai 4G LTE trên mạng lƣới Mobifone Miền Bắc ................. 73
3.5.1 Tình hình triển khai 4G LTE trên thế giới và Việt Nam ...........................73
3.5.2 Định hƣớng triển khai ...............................................................................75
3.5.3 Thực tiễn triển khai 4G LTE trên mạng MobiFone Miền Bắc .................76
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 88
PHỤ LỤC – SƠ ĐỒ VÙNG PHỦ VÀ CHẤT LƢỢNG MẠNG 4G MOBIFONE
MIỀN BẮC. .............................................................................................................. 89
Sơ đồ vùng phủ mạng MobiFone miền Bắc .......... Error! Bookmark not defined.

v


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

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1: Các điểm khác nhau giữa WCDMA và LTE trên giao diện vô tuyến.....11
Bảng 1. 2: Các điểm khác nhau giữa UMTS và LTE trên phần mạng CORE..........12
Bảng 1. 3: các tiêu chuẩn 3GPP từ UMTS lên LTE .................................................13
Bảng 2. 1: Kênh mang báo hiệu vô tuyến .................................................................44
Bảng 2. 2: Các băng tần TDD ...................................................................................49
Bảng 2. 3: Các băng tần FDD ...................................................................................49
Bảng 3. 1: Nâng cấp mạng lõi PS để triển khai LTE ................................................80
Bảng 3. 2: Quy hoạch số lƣợng eNode B LTE trên mạng Mobifone. (Nguồn: Đề án
quy hoạch mạng vô tuyến mobifone 2014 – 2020) ...................................................85

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Sự phát triển của hệ thống thơng 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 trƣởng dữ liệu ngƣời dùng thoại và data từ 2007 đến 2011 .............7
Hình 1. 6: Dự báo lƣu lƣợng thoại và data trên tồn thế giới .....................................8
Hình 1. 7: Dung lƣợng Shannon trong một hệ thống truyền thơng với băng thơng 5,
10, 20 Mhz ..................................................................................................................8
Hình 1. 8: Sự phát triển cấu trúc hệ thống từ mạng GSM/UMTS lên LTE ..............10

Hình 1. 9: LTE chỉ là một tiệm cận và là cách gọi tên chuẩn công nghệ 4G ...........14
Hình 1. 10: LTE-Advanced - Thế hệ mạng viễn thơng thứ 4 ...................................15
Hình 2. 1: Cấu trúc lớp cao của LTE ........................................................................21
Hình 2. 2: Cấu trúc bên trong của UE, quy định bởi ETSI .......................................22
Hình 2. 3: Kiến trúc mạng truy nhập vơ tuyến UMTS tiên tiến ...............................24
Hình 2. 4: Các thanh phần chính trong mạng core LTE ...........................................25
Hình 2. 5: Cấu trúc của LTE cho thuê bao roaming .................................................27
Hình 2. 6: Mối quan hệ giữa vùng tìm kiếm, vùng pool MME và vùng dịch vụ SGW ............................................................................................................................28
Hình 2. 7: Các định danh sử dụng bởi MME ............................................................29
Hình 2. 8: Các định danh tạm thời đƣợc sử dụng bởi máy đầu cuối ........................29
Hình 2. 9: Cấu trúc giao thức mức cao trong LTE....................................................30
Hình 2. 10: Các giao thức truyền tải sử dụng trong giao diện vơ tuyến ...................31
Hình 2. 11: Mối quan hệ giữa tầng truy nhập (access) và tầng khơng truy nhập
(nonaccess) trên giao diện vơ tuyến ..........................................................................31
Hình 2. 12: Các giao thức truyền tải sử dụng bởi phần tử mạng cố định .................32
Hình 2. 13: Các giao thức user plan sử dụng bởi LTE..............................................33
Hình 2. 14: Các giao thức báo hiệu sử dụng trong LTE ...........................................34
Hình 2. 15: Thủ tục trao đổi năng lực UE .................................................................35

viii


Hình 2. 16: Ngăn xếp giao thức trao đổi bản tin báo hiệu RRC giữa UE và eNB....36
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 .............................................................................36
Hình 2. 18: Ngăn xếp giao thức sử dụng để trao đổi bản tin báo hiệu tầng nonaccess giữa máy đầu cuối và MME...........................................................................37
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 ...................38
Hình 2. 20: Kênh mang EPS dành riêng và mặc định khi sử dụng S5/S8 dựa trên
GTP ...........................................................................................................................40

Hình 2. 21: Cấu trúc kênh mang LTE, khi sử dụng giao diện S5/S8 dựa trên GTP .40
Hình 2. 22: Triển khai đƣờng hầm trên đƣờng xuống sử dụng giao diện S5/S8 dựa
trên GTP ....................................................................................................................41
Hình 2. 23: Triển khai đƣờng hầm trên đƣờng xuống sử dụng giao diện S5/S8 dựa
trên PMIP ..................................................................................................................42
Hình 2. 24: Sơ đồ trạng thái quản lý di động EPS (EMM) .......................................45
Hình 2. 25: Sơ đồ trạng thái quản lý kết nối EPS (ECM) .........................................45
Hình 2. 26: Sơ đồ trạng thái điều khiển tài ngun vơ tuyến ...................................48
Hình 2. 27: Giảm ISI bằng cách truyền thơng tin trên nhiều sóng mang con ...........50
Hình 2. 28: Các bƣớc xử lý trong một máy phát analog OFDM đơn giản ...............51
Hình 2. 29: Các bƣớc xử lý trong một máy phát OFDM số .....................................53
Hình 2. 30: Sơ đồ khối ban đầu của một máy thu và máy phát OFDM....................56
Hình 2. 31: Triển khai đa truy nhập phân chia theo tần số và thời gian khi sử dụng
OFDMA ....................................................................................................................57
Hình 2. 32: Ví dụ về triển khai tái sử dụng tần số khi sử dụng OFDMA (a) sử dụng
miền tần số (b) kết quả quy hoạch trên mạng ...........................................................59
Hình 2. 33:Sơ đồ khối hồn chỉnh của một máy phát và máy thu OFDMA.............60
Hình 2. 34: Hoạt động chèn tiền tố cyclic .................................................................61
Hình 2. 35: Hoạt động chèn tiền số cyclic trên một sóng mang con đơn lẻ .............62

ix


Hình 2. 36: Biên độ của tín hiệu truyền đi trên các sóng mang con lân cận là một
hàm của tần số ...........................................................................................................63
Hình 2. 37: Ví dụ về dạng sóng OFDMA – (a) biên độ của các sóng mang con riêng
lẻ (b) biên độ của dạng sóng OFDMA. (c) cơng suất của dạng sóng OFDMA ........65
Hình 2. 38: Sơ đồ khối của máy phát và máy thu SC-FDMA ..................................67
Hình 3. 1: Khái quát về quá trình quy hoạch mạng LTE ..........................................69
Hình 3. 2: Triển khai LTE trên tồn thế giới (nguồn: ltemap.org) ...........................74

Hình 3. 3: So sánh hiệu quả về mặt băng tần của HSPA+ và LTE ...........................77
Hình 3. 4: Quy hoạch sử dụng tần sốmạng mobifone giai đoạn 2014-2020 ............78
Hình 3. 5: Mạng PS hiện tại của mobifone ...............................................................80
Hình 3. 6:giải pháp SAE của Huawei .......................................................................81
Hình 3. 7: Thiết bị BTS 3900 của Huawei ................................................................83
Hình 3. 8:Giải pháp tổng thể của NSN từ R6 HSPA đến Rel 8 hỗ trợ LTE .............83
Hình 3. 9: Giải pháp thiết bị vơ tuyến NSN cho LTE ...............................................84
Hình 3. 10: Giải pháp hệ thống MME/SAE GW của NSN ......................................85

x


LỜI MỞ ĐẦU
Hiện tại công nghệ thông tin di động phát triển với tốc độ rất cao, tại Việt
nam 3 nhà mạng lớn là Viettel, Mobifone, Vinaphone cạnh tranh khốc liệt để tăng
thị phần. Một trong các yếu tố để giữ thuê bao là không ngừng cải thiện chất lƣợng
mạng lƣới, mở rộng vùng phủ sóng, nâng cấp cơng 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 hƣớng tất yếu tại Việt nam.
Xuất phát từ công việc hiện tại là kỹ sƣ vận hành khai thác trực tiếp mạng
thông tin di động mobifone Miền Bắc và đồng thời đang là sinh viên cao học lớp
16AKTVT Khóa 2016 tại Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội tôi đã xin nhận đề tài
tốt nghiệp của mình là: “Thiết kế và quy hoạch mạng 4G LTE. Thực tế triển khai áp
dụng tại Trung tâm Mạng lƣới Mobifone Miền Bắc”.
Hiện tại nhà mạng Mobifone đã triển khai mạng 3G, 4G LTE rộng khắp trên
toàn bộ lãnh thổ Việt nam, theo lộ trình của Bộ thơng tin truyền thơng cho tiến trình
phát triển cơng nghệ di động, từ năm 2015 Vietnam đã bắt đầu triển khai công nghệ
4G mang lại các dịch vụ và tốc độ truy cập dữ liệu cao lên tới hàng trăm Mbps đến
ngƣời dùng. Tuy nhiên các thơng tin mang tính kỹ thuật về các công nghệ kỹ thuật
4G và thực tiễn triển khai cịn rất ít chƣa đáp ứng đƣợc nhu cầu của một bộ phận

cán bộ kỹ thuật, kỹ sƣ đang làm việc trực tiếp tại các nhà mạng. Do đó đề tài nghiên
cứu về mạng thơng tin di động 4G là một đáp ứng rất bức thiết trong điều kiện và
thời điểm hiện tại.
Mạng 4G là một nền tảng di động thế hệ mới đƣợc thiết kế dựa trên các công
nghệ phát truyền thông tin phát triển nhất, dựa trên các cơ sở lý thuyết đã đƣợc
nghiên cứu đầy đủ bởi tổ chức tiêu chuẩn hóa viễn thơng 3GPP. Trong mạng 4G 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 vơ tuyến cũng nhƣ 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
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 thƣơng mai hóa

xi


mạng 4G 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 thơng tin di động Mobifone.
Về mặt thực tế, đề tài có ý nghĩa ứng dụng cao, là tài liệu để các kỹ sƣ, cán
bộ kỹ thuật nghiên cứu, tìm hiểu để sẵn sàng làm việc khi triển khai và khai thác các
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.
Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài là phƣơng pháp phân tích lý thuyết kết
hợp triển khai ứng dụng thực tế trên mạng lƣới. Nội dung của đề tài bao gồm:
- Chƣơng 1: Tổng quan về mạng 4G LTE
- Chƣơng 2: Cấu trúc mạng thông tin di động 4G LTE
- Chƣơng 3: Quy hoạch mạng 4G LTE và thực tiễn triển khai áp dụng trên
mạng lƣới Mobifone Miền Bắc

xii


Chương 1. Tổng quan về mạng 4G LTE

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G LTE
Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội. Xã
hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con ngƣời càng tăng lên và
thông tin di động càng khẳng định đƣợc sự cần thiết và tính tiện dụng của nó. Cho
đến nay, hệ thống thơng 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 chƣơng này sẽ trình bày khái qt 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 tƣởng 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 đƣợc thử nghiệm tại ST
Louis, bang Missouri của Mỹ.
Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hƣởng 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 nhƣợc điểm mà trƣớc đây chƣa làm đƣợc.
Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết hợp đƣợc
các vùng phủ sóng riêng lẻ thành cơng, đã giải đƣợc bài tốn khó về dung lƣợng.

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

1

Chương 1. Tổng quan về 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 đƣợc giới thiệu vào năm 1980. Thế
hệ đầu tiên (1G) sử dụng các kỹ thuật truyền thơng tin analog hồn tồn, kích thƣớc
cell lớn và hiệu suất sử dụng phổ kém vì vậy dung lƣợng rất thấp so với các hệ
thống ngày nay.
Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đƣợc giới thiệu và thƣơng 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 đƣợc thiết kế để sử dụng truyền thoại sau đó đƣợc 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 tồn
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 vơ tuyến để cho phép ngƣời 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 đƣợc 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 chƣa đáp ứng đƣợc 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 trƣớc 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 vơ
tuyến đƣợc tận dụng tốt hơn 2G.
1.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 2G/3G
Một mạng di động đƣợc gọi là một PLMN đƣợc 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 nhƣ hình sau:

2


Chương 1. Tổng quan về mạng 4G LTE

Hình 1. 2: Cấu trúc mức cao của GSM và UMTS
Phần mạng core đƣợc chia làm 2 phần CS domain và PS domain, miền CS
đƣợc 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 tƣơng tự nhƣ mạng điện thoại cố định
PSTN, vùng PS đƣợc 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 thơng tin hồn tồn khác nhau, CS sử
dụng kỹ thuật chuyển mạch kênh tƣơng tự trong các tổng đài PSTN truyền thống do
vậy thông tin thoại đƣợc dành riêng tài nguyên cho từng cuộc gọi và đảm bảo đƣợc
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 ngƣời ta sử dụng
kỹ thuật chuyển mạch gói Packet Switching cho miền PS trong đó dữ liệu ngƣời
dùng đƣợc chia thành nhiều gói tin và đƣợc đánh dấu địa chỉ nguồn/đích sau đó
đƣợc gửi đi, tài ngun mạng đƣợc chia sẻ chung giữa các user vì vậy đỡ tốn kém
hơn. Tuy nhiên nó cũng có nhƣợc điểm là độ trễ cao nếu nhiều thuê bao cùng sử
dụng dịch vụ cùng một lúc.
Tại phần mạng truy nhập vô tuyến ngƣời 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

3


Chương 1. Tổng quan về mạng 4G LTE

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 đƣờng lên (từ UE đến mạng truy nhập vô tuyến) và đƣờng xuống (từ
mạng xuống đến UE).

Hình 1. 3: Cấu trúc của mạng truy nhập vô tuyến UTRAN
Thành phần quan trọng nhất trong mạng truy nhập vơ 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 vơ 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 thơng tin
liên tục kỹ thuật đƣợc sử dụng trong trƣờng 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).

4


Chương 1. Tổng quan về mạng 4G LTE

Các trạm gốc đƣợc 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.

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 nhƣ
một giao diện kết nối giữa server ngƣời dùng và mạng dữ liệu ngồi (ví dụ internet),

5


Chương 1. Tổng quan về mạng 4G LTE

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 tồn
mạng mang thơng tin về th bao trên toàn mạng và đƣợc 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 q trình hồn tất nó sẽ đƣợc phép sử dụng các dịch vụ, nếu không thuê bao
đƣợc 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.
1.2 Nhu cầu tiến lên 4G LTE
1.2.1 Tăng trƣởng dữ liệu ngƣời dùng
Sau nhiều năm lƣu lƣợng thoại chiếm đa số lƣu lƣợng truyền tải trong mạng di
động và là doanh thu chính của nhà mạng thì đến năm 2010 lƣu lƣợng sử dụng data
đã bắt đầu tăng trƣởng với tốc độ nhanh chóng. Hình sau chỉ ra lƣu lƣợng dữ liệu
ngƣời dùng hàng tháng trên tồn thế giới tính theo Petabyte (Triệu Gigabyte). Xu

hƣớng này đƣợc dự báo là sẽ vẫn còn tiếp tục trong những năm sắp tới. Song song
với nó lƣu lƣợng thoại có dấu hiệu tăng trƣởng chậm và thậm chí khơng 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… ngƣời sử dụng.

6


Chương 1. Tổng quan về mạng 4G LTE

Hình 1. 5: Tăng trưởng dữ liệu người dùng thoại và data từ 2007 đến 2011
1.2.2 Dung lƣợng 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 đƣợc 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 cơng suất
thu đƣợc tại máy thu chia cho công suất tổng tạp âm và nhiễu)
- B là băng thông của hệ thống thông tin (Hz)
- C là dung lƣợng kênh (bit/s)

7


Chương 1. Tổng quan về mạng 4G LTE

Hình 1. 6: Dự báo lưu lượng thoại và data trên toàn thế giới
Về mặt lý thuyết có thể truyền thơng tin từ máy phát đến máy thu mà khơng
có bất kỳ lỗi gì miễn là tốc độ dữ liệu phải nhỏ hơn dung lƣợng 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.
Nhƣ vậy để đạt đƣợc dung lƣợng kênh lớn với một mức tín hiệu trên tạp âm
cho phép thì băng thơng phải tăng lên, tuy nhiên băng thông là tài sản quốc gia và
khơng phải lúc nào cũng có thể mua đƣợc.

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

8


Chương 1. Tổng quan về mạng 4G LTE

1.2.3 Tăng dung lƣợng hệ thống
Có 3 cách để tăng dung lƣợng 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 lƣợng kênh của hệ thống là tốc độ
tối đa mà một cell riêng lẻ có thể đạt đƣợc. Nếu chia nhỏ các cell đồng nghĩa với
việc tăng dung lƣợng của mạng hay có thể sử dụng nhiều phƣơng trình Shannon
hơn trong cùng một mạng
Thứ 2 đó là tăng băng thơng của hệ thống, tuy nhiên đây là tài nguyên hữu
hạn và đƣợc quản lý bởi nhà nƣớc và các tổ chức quốc tế (ITU)
Cách thứ 3 đó là cải thiện cơng nghệ truyền thơng tin trong mạng. Cách này
mang lại một số lợi ích: tăng tốc độ ngƣời dùng tiệm cận với dung lƣợng kênh trong
lý thuyết Shannon, thứ 2 là hƣớng tới đạt đƣợc 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 lƣợng lớn hiện tại hoàn tồn có thể truyền thơng 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 đƣợc truyền qua giao diện vô
tuyến và các phần tử mạng. Độ trễ này là tƣơng đối lớn so với dịch vụ thoại và đặc
biệt không phù hợp với các dịch vụ yêu cầu thời gian thực nhƣ game tƣơng 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 đƣợc các dịch vụ và thiết bị mới trong khi phải tƣơng thích ngƣợc 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 tƣơng thích ngƣợc lại với hệ thống 2G/3G đang hoạt động.

9


Chương 1. Tổng quan về mạng 4G LTE

1.3 Từ 3G tiến lên 4G LTE
Hình sau mơ 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
ngƣời dùng: thoại cũng nhƣ data sử dụng công nghệ chuyển mạch gói mà trƣớc đây
vốn chỉ sử dụng cho data. Miền CS trong mạng 2G/3G khơng cịn tồn tại mà tồn bộ
thơng tin thoại sẽ đƣợc 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 ngƣời dùng và mạng lõi.
Cấu trúc mới đƣợc 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 đƣợc gọi là EPS (evolved packet system).
1.3.1 LTE
Một số yêu cầu cơ bản của LTE cần đạt đƣợc đó là: tốc độ dữ liệu đỉnh
đƣờng xuống là 100 Mbps, đƣờng lên là 50Mbps. Tuy nhiên thực tế có thể đạt đƣợc
là 300Mbps đƣờng xuống và 75Mbps đƣờng lên. Nếu so sánh với UMTS (release 6)

10


Chương 1. Tổng quan về mạng 4G LTE

thì tốc độ chỉ đạt đƣợc: 14Mbps đƣờng xuống và 5.7Mbps đƣờng lên.
Yêu cầu về trễ (latency) trong LTE cũng khá ngặt nghèo, trong LTE độ trễ
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 đƣợc thiết kế tối ƣu cho các cell lên tới
5km, suy giảm chất lƣợng ở 30km và hỗ trợ lên tới 100 km. Về sự di động của thuê
bao, trong LTE thiết kế tối ƣu cho thuê bao di động với tốc độ 15 km/h, hỗ trợ lên
tới 300 km/h.
Cuối cùng LTE đƣợc 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
OFDMA

and

Phƣơng pháp đa truy nhập

WCDMA

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

Dành
Kênh truyền tải

chia sẻ

Điều khiển công suất đƣờng

SC-

FDMA

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

riêng

và
Chia sẻ

Nhanh

Chậm

lên
1.3.2 Cải tiến phần mạng lõi
Mạng core sử dụng giao thức IP (Internet Protocol) có thể sử dụng IPv4 hoặc

11


Chương 1. Tổng quan về mạng 4G LTE

IPv6 hoặc song song cả IPv4 và IPv6. Trong mạng LTE các thuê bao ln đƣợc duy
trì các kết nối với các mạng dữ liệu ngồi khác với trong 2G/3G đó là kết nối chỉ
đƣợc kích hoạt khi th bao có nhu cầu và đƣợc hủy bỏ khi hết phiên truyền dữ liệu.
EPC đƣợc thiết kế với các đƣờng hầm thông tin để truyền tải dữ liệu mà
khơng quan tâm đó là thoại hay data, các mức dữ liệu có thể đƣợc đánh giá với các
mức QoS khác nhau để đƣợc sử dụng nhiều tải nguyên hơn.
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

Hỗ trợ các version USIM

Kỹ thuật truyền tải

Release 99 USIM
trở đi
Chuyển mạch kênh
và chuyển mạch gói

LTE
IPv4 và IPv6
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 nhƣ mô tả ban đầu của ITU về mạng di động 4G phải đƣợc thiết kế để
đáp ứng đƣợc các yêu cầu của IMT-Advanced. LTE-advanced và Wimax 2.0
(802.16m) đáp ứng đƣợc các yêu cầu này trong đó hỗ trợ 1000 Mbps trên đƣờng
xuống, và 500 Mbps trên đƣờng lên. Măc dù LTE và WiMAX 1.0 không đáp ứng
đƣợc 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 đƣợc gọi là mạng 4G.

12