Nghiên cứu giải pháp liên kết mạng trong lte (tt)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

Phạm Thanh Bình

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP LIÊN KẾT MẠNG
TRONG LTE

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60.52.70

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

HÀ NỘI -2012


Luận văn được hồn thành tại:
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG

Người hướng dẫn khoa học : TS. Trần Thiện Chính

Phản biện 1:
……………………………………………………………

Phản biện 2:
……………………………………………………………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn
thạc sĩ tại Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng
Vào lúc :…. giờ …. ngày …. tháng …. năm 2012

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thơng


1

LỜI MỞ ĐẦU
Thông tin di động ngày nay đã trở thành một ngành công
nghiệp viễn thông phát triển rất nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận
cho các nhà khai thác dịch vụ.
Gần đây công nghệ phát triển tương lai (LTE) đã xuất hiện và
đang được các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động 3G chú ý. Các
cuộc thử nghiệm và trình diễn đã chứng tỏ năng lực tuyệt vời của
cơng nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE đã đến rất gần.
Ở nước ta, mặc dù mới chỉ là “tiếp nhận cơng nghệ”, nhưng để
có thể tiếp nhận được cơng nghệ thì những nghiên cứu, nắm bắt về
cơng nghệ, kỹ thuật là rất cần thiết. Do đó nghiên cứu công nghệ
LTE ứng dụng trong mạng thông tin di động là hướng nghiên cứu
đón đầu cơng nghệ mới, dịch vụ mới. Chính vì vậy, tác giả đã lựa
chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp liên kết mạng trong LTE”
nhằm đón đầu ứng dụng cơng nghệ mới vào thực tế mạng thông tin di
động của Việt Nam.
Kết cấu của luận văn gồm 03 chương với các nội dung chính
như sau:
Chương 1: Tổng quan mạng thông tin di động.
Chương 2: Mạng thông tin di động băng rộng LTE.
Chương 3: Giải pháp liên kết mạng trong LTE.
Tuy nhiên, do LTE là công nghệ mới vẫn đang được tiếp tục
nghiên cứu, phát triển, cũng như hoàn thiện cho nên luận văn chưa
thể hiện được hết các vấn đề của công nghệ LTE và khơng thể tránh

khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy cơ,
chun gia và đồng nghiệp.


2
Chương 1
TỔNG QUAN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
Trong chương này, sẽ trình bày q trình phát triển mạng
thơng tin di động. Đồng thời, cũng giới thiệu động lực phát triển
LTE, sự ủng hộ và sẵn sàng của các nhà khai thác mạng, các nhà sản
xuất thiết bị để đưa LTE trở thành tiêu chuẩn của mạng 4G trên toàn
cầu.
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
Nửa đầu thập niên 1990 “Dịch vụ viễn thông chủ yếu là thoại”.
Từ 1995 - 2000 đó là “Sự phát triển của di động và Internet”.
Từ 2000 - 2005 được xem như là bùng nổ “Mobile Internet”.
Từ 2005 đến nay phát triển mạnh mẽ “Phủ sóng tồn cầu và
Mobile Broadband”.
1.2. LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THEO 3GPP TỪ R99 ĐẾN R8
Lịch trình nghiên cứu trong 3GPP và lộ trình tăng tốc độ dữ
liệu trong các công bố của 3GPP như trong Bảng 1.1 và Hình 1.1.
Bảng 1.1. Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP

Rel-99

Năm phát
hành
03-2000

Rel-4

03-2001

TD-SCDMA

Rel-5

06-2002

HSDPA

Rel-6

03-2005

HSUPA (truy nhập gói đường lên tốc độ cao)

Rel-7

12-2007

HSPA+ (64QAM DL, 16QAM UL, MIMO)
Nghiên cứu tính khả thi LTE và SAE

Release

Tính năng chính
W-CDMA (FDD & TDD)

3

Rel-8

12-2008

LTE: OFDMA (đa truy nh ậ p theo t ầ n s ố trự c
giao), SC-CDMA ( đa truy nhập theo mã đơn
sóng mang)
SAE ( phát triển kiến trúc hệ thống): mạng lõi IP
mới
HSPA cải tiến

Hình 1.1: Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu của 3GPP
1.2.1. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R99 (R3)

Hình 1.2: Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3


4
1.2.2. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4

Hình 1.3: Kiến trúc mạng phân bố theo công bố 3GPP R4
1.2.3. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5 và R6

Hình 1.4: Kiến trúc mạng 3GPP R5 và R6


5
1.2.4. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R7 và R8

Hình 1.5: Sự phát triển kiến trúc 3GPP

1.3. ĐỘNG LỰC PHÁT TRIỂN LTE
1.3.1. Sự ủng hộ
Kế hoạch thử nghiệm và triển khai công nghệ LTE đang được
các công ty viễn thông hàng đầu thế giới cùng hợp tác thúc đẩy và
triển khai mạnh mẽ trên toàn thế giới.
1.3.2. Phát triển thiết bị và nội dung số
Các nhà sản xuất thiết bị cầm tay như sản phẩm BlackBerry và
nhà cung cấp nội dung số Google đã ủng hộ công nghệ LTE.
1.3.3. Nhu cầu phát triển LTE


6

Hình 1.6: Dự báo nhu cầu phát triển UMTS-HSPA-LTE
1.4. KẾT LUẬN
Chương này đã giới thiệu quá trình phát triển mạng thông tin
di động, động lực phát triển LTE. Sự ủng hộ của các nhà cung cấp
dịch vụ và các nhà sản xuất thiết bị. Sự phát triển tất yếu của nhu cầu
thị trường và xu hướng phát triển công nghệ mới, LTE đưa ra khả
năng tái sử dụng phần lớn cơ sở hạ tầng, cùng với việc tái sử dụng
phổ tần hiện có của họ. Chính vì vậy, LTE được chọn là công nghệ
cho thế hệ 4G và trong chương tiếp theo sẽ thảo luận về kiến trúc
mạng thông tin di động băng rộng LTE.


7

Chương 2
MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG BĂNG RỘNG LTE
Chương 1 đã chỉ ra sự ủng hộ và sẵn sàng của các nhà cung
cấp dịch vụ, của các nhà cung cấp thiết bị và nội dung số. Trong
chương này, luận văn sẽ tập trung thảo luận về các vấn đề, cũng như
kiến trúc hệ thống và các phần tử chức năng của hệ thống LTE.
2.1. CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG PHÁT TRIỂN T ƠNG LAI LTE

2.1.1. Giới thiệu LTE

Hình 2.1: Lộ trình phát triển mạng thông tin di động lên LTE
2.1.2. Các yêu cầu và tính năng cơ bản của LTE
* Giao diện vô tuyến nâng cao cho phép tăng tốc độ dữ liệu
* Độ rộng băng thông linh hoạt
* Hiệu quả sử dụng phổ tần cao
* Giảm trễ
* Mơi trường tồn IP.
* Cùng tồn tại với các hệ thống và tiêu chuẩn trước.
* Khả năng giảm chi phí.


8
Bảng 2.1: Tốc độ dữ liệu đỉnh đường lên và đường xuống của LTE
Tốc độ đỉnh đường xuống (DL) (64QAM)
Cấu hình antenna

SISO

2x2 MIMO

4x4 MIMO

Tốc độ đỉnh (Mbps)

100

172,8

326,4

Tốc độ đỉnh đ ờng lên (UL)
Kiểu điều chế

QPSK

16QAM

64QAM

Tốc độ đỉnh (Mbps)

50

57,6

86,4

2.1.3. Băng tần triển khai LTE
Bảng 2.2: Băng tần triển khai LTE
Băng

tần
EUTRA

Băng tần đ ờng
lên BS nhận, UE
phát

Băng tần đ ờng
xuống BS phát, UE
nhận

FUL_low – FUL_high

FDL_low – FDL_high

1
2

1920 – 1980 MHz
1850 – 1910 MHz

2110 – 2170 MHz
1930 – 1990 MHz

FDD
FDD

…

…

…

FDD

13

777 – 787 MHz

746 – 756 M

FDD

14

788 – 798 MHz

758 – 768 MHz

FDD

…

…

…

17

704 – 716 MHz

734 – 746 MHz

…

…

…

33

1900 – 1920 MHz

1900 – 1920 MHz

TDD

…

…

…

TDD

39

1880 – 1920 MHz

1880 – 1920 MHz

TDD

40

2300 – 2400 MHz

2300 – 2400 MHz

TDD

Chế độ
song
h ớng

FDD


9
2.1.4. Các dịch vụ của LTE
Bảng 2.3: Một vài dịch vụ và ứng dụng của LTE
Dịch vụ
Trình
duyệt
Thơng tin
trả tiền
Cá nhân
hóa

Mơi tr ờng hiện tại

Truy cập vào dịch vụ thông
tin trực tuyến, giới hạn truy
cập WAP qua mạng GPRS và
3G
Nội dung mà người dùng trả
tiền theo phí mạng tiêu
chuẩn. Chủ yếu là thông tin
dựa trên văn bản
Phần lớn là nhạc chuông,
cũng bao gồm hình nền, nhạc
chờ

Trị chơi

Trị chơi trực tuyến và có thể
tải về

TV/Video
theo yêu
cầu

Xem trực tiếp và nội dung
video có thể tải về

Tin nhắn
nội dung
và đa
phương
tiện

Nhắn tin peer to peer bằng
cách sử dụng nội dung bên
thứ ba cũng như tương tác
với phương tiện khác

Thương
mại di
động (Mcommerce)

Đặt các giao dịch (bao gồm
cả đánh bạc) và phương tiện
thanh tốn thơng qua mạng di
động

Môi tr ờng LTE
Duyệt web siêu nhanh, tải
nội dung lên các trang
mạng xã hội
Báo điện tử, luồng âm
thanh chất lượng cao
Âm thanh thực (bản ghi
âm gốc của ca sĩ), các
trang web di động cá nhân
Trải nghiệm trò chơi trực
tuyến như nhau ở cả mạng
di động và cố định
Dịch vụ truyền hình quảng
bá, truyền hình theo yêu
cầu, luồng video chất
lượng cao

Phân bố trên phạm vi rộng
các đoạn video, dịch vụ
karaoke, quảng cáo hình
ảnh di động

Điện thoại di động như là
thiết bị thanh toán, với chi
tiết thanh toán thực hiện
trên mạng tốc độ cao để
cho phép hồn thành
nhanh chóng các giao dịch
(Nguồn: Analysys Research/UMTS Forum 2007)


10
2.2. KIẾN TRÚC HỆ THỐNG LTE
Hình 2.2 mơ tả kiến trúc và các thành phần của mạng
LTE/SAE. Hình vẽ cho ta thấy sự phân chia kiến trúc thành bốn phần
chính : Thiết bị người dùng (UE), mạng truy nhập vô tuyến EUTRAN, mạng lõi chuyển mạch gói (EPC) và phần dịch vụ.

Hình 2.2: Kiến trúc hệ thống SAE/LTE
2.3. CHỨC NĂNG CÁC PHẦN TỬ MẠNG TRONG LTE

2.3.1. Thiết bị người dùng (UE)


11
2.3.2. E-UTRAN Nút B (eNodeB)
Chỉ có duy nhất một phần tử trong mạng truy nhập vô tuyến
cải tiến E-UTRAN là eNodeB. Đây là trạm gốc vô tuyến, điều khiển

tất cả các chức năng liên quan đến vơ tuyến.
Hình 2.3 chỉ ra những kết nối giữa eNodeB và các nút logic
xung quanh (UEs, MME, S-GW, eNodeBs khác) và tóm tắt các chức
năng chính của các giao diện này.

Quản lý di động
Điều khiển kênh mang
Bảo mật

Cung cấp đường hầm dữ liệu
người dùng cho UP và DL

Quản lý tài nguyên vô tuyến
Quản lý di động
Điều khiển kênh mang
Phân phát dữ liệu người dùng
Bảo mật và tối ưu

Chuyển giao giữa các eNodeB
Chuyển tiếp dữ liệu DL trong khi
chuyển giao

Hình 2.3: Kết nối giữa eNodeB với các nút khác
2.3.3. Thực thể quản lý di động (MME).
Thực thể quản lý di động MME là thành phần điều khiển chính
trong EPC. Nó chỉ hoạt động trong miền điều khiển (CP) mà không
tham gia vào miền dữ liệu người dùng (UP).
Các chức năng chính của MME trong kiến trúc hệ thống
LTE/SAE như sau:
* Chức năng xác thực và bảo mật.

* Chức năng quản lý di động.


12
* Chức năng quản lý lịch sử thuê bao và kết nối dịch vụ.
Hình 2.4 chỉ ra các kết nối giữa MME và các nút logic xung
quanh (UEs, eNodeB, S-GW, HSS, MME khác), tóm tắt các chức
năng chính của các giao diện này.
Nhận thực và bảo mật
Quản lý vị trí
Thơng tin thuê bao

Điều khiển đường hầm
cho dữ liệu người dùng

Chuyển giao giữa 2 MME
Di chuyển ở trạng thái Idle
giữa 2 MME

Chuyển giao giữa 2 eNodeB
Quản lý kênh mang
Tìm gọi

Quản lý di động
Quản lý kênh được yêu cầu từ UE

Hình 2.4: Kết nối giữa MME và các nút khác
2.3.4. Gateway phục vụ (S-GW)
Trong cấu hình kiến trúc hệ thống cơ bản, chức năng của SGW là quản lý và chuyển mạch đường hầm dữ liệu người dùng. SGW là một phần khơng thể thiếu của cơ sở hạ tầng mạng.
S-GW có vai trị thứ yếu trong chức năng điều khiển. Nó chỉ

chịu trách nhiệm cho các tài nguyên của mình và nó ấn định tài
nguyên đó theo các yêu cầu từ MME, P-GW hoặc PCRF.
Hình 2.5 chỉ ra cách mà S-GW kết nối vào các nút logic khác
và các chức năng chính trong các giao diện này.


13

GTP S5/S8:
Điều khiển đường hầm GTP
Đường hầm GTP để phân phát
dữ liệu UL và DL
PMIP S5/S8:
Các luồng dịch vụ IP

Điều khiển đường hầm GTP
và các luồng dịch vụ IP
Điều khiển di động S-GW

PMIP S5/S8:
Thông tin ghép nối giữa
luồng dịch vụ IP và đường
hầm GTP

Đường hầm dữ liệu người dùng
để phân phát dữ liệu UL và DL

Chuyển tiếp dữ liệu
DL trong khi
chuyển giao (định

dạng S1-U), khi kết
nối trực tiếp giữa 2
eNodeB khơng sẵn
sàng

Hình 2.5 : Kết nối giữa S-GW và các nút khác
2.3.5. Gateway mạng dữ liệu gói (P-GW)
P-GW hay cịn gọi là PDN-GW là bộ định tuyến biên giữa
mạng EPC và các mạng dữ liệu gói bên ngồi. Đây là mức kết cuối di
động cao nhất trong hệ thống LTE/SAE và thơng thường nó hoạt
động như điểm truy nhập IP cho thiết bị người dùng (UE). Nó thực
hiện chức năng lọc và mở lưu lượng khi dịch vụ yêu cầu. Tương tự
với S-GW, P-GW cũng là thành phần quan trọng của mạng.
Hình 2.6 chỉ ra kết nối giữa P-GW và các nút logic xung quanh
nó và các chức năng chính trong các giao diện này.


14

Các luồng IP của dữ
liệu người dùng

Yêu cầu thông tin điều khiển
cước và chính sách (PCC)
Các qui tắc PCC

Điều khiển các đường hầm
dữ liệu người dùng
Đường hầm dữ liệu người
dùng để phân phát dữ liệu

UL và DL

Hình 2.6: Kết nối giữa P-GW và các nút khác
2.3.6. Chức năng quy định chính sách và tính c ớc (PCRF)
PCRF là một thành phần mạng chịu trách nhiệm điều khiển
tính cước và chính sách (PCC).

u cầu thơng tin điều khiển
cước và chính sách (PCC)

u cầu thơng tin điều khiển cước
và chính sách (PCC)
Các qui tắc PCC
Các qui tắc QoS khi S5/S8 là PMIP

Yêu cầu điều khiển QoS khi S5/S8 là PMIP
Các qui tắc QoS để ghép luồng dữ liệu IP và
đường hầm GTP trong S1 khi S5/S8 là PMIP

Hình 2.7: Kết nối giữa PCRF với các nút khác


15
2.3.7. Máy chủ thuê bao thường trú (HSS)
HSS là nơi chứa dữ liệu cho tất cả thuê bao. Nó cũng ghi lại vị
trí thuê bao như ở mức MME. HSS cũng lưu trữ thông tin về các dịch
vụ mà thuê bao có thể được sử dụng, thơng tin về các kết nối PDN
mà thuê bao được phép kết nối đến và có được phép chuyển vùng tới
mạng khách hay khơng.
2.3.8. Miền dịch vụ (Services Domain)

Miền dịch vụ có thể bao gồm nhiều hệ thống con và các do đó
có thể chứa nhiều nút logic. Dưới đây là các loại dịch vụ có thể cung
cấp và loại cơ sở hạ tầng cần để cung cấp các dịch vụ:
* Các dịch vụ nhà mạng dựa trên IMS
* Các dịch vụ nhà mạng không dựa trên IMS
* Những dịch vụ khác không được cung cấp bởi nhà mạng
2.4. KẾT LUẬN
Chương này đã trình bày về các vấn đề của cơng nghệ LTE,
các tính năng quan trọng của LTE.
Chương này cũng đã giới thiệu kiến trúc của mạng LTE/SAE
bao gồm 4 thành phần chính: Thiết bị người dùng (UE), mạng truy
nhập vô tuyến E-UTRAN, mạng lõi chuyển mạch gói (EPC) và phần
dịch vụ. Đồng thời chức năng của các khối trong cấu hình hệ thống
cơ bản LTE/SAE cũng đã được thảo luận.
Trong chương sau, luận văn sẽ nguyên cứu vấn đề chuyển giao
trong mạng LTE, các giải pháp liên kết giữa mạng LTE với các mạng
vơ tuyến hiện có, cũng như ứng dụng triển khai tại Gtel Mobile.


16

Chương 3
GIẢI PHÁP LIÊN KẾT MẠNG TRONG LTE
Trong chương trước, luận văn đã thảo luận các vấn đề, các tính năng
quan trọng của LTE, cũng như kiến trúc hệ thống cơ bản và chức
năng của các thành phần của mạng LTE. Trong chương này sẽ thảo
luận vấn đề chuyển giao trong mạng LTE/SAE, các giải pháp liên kết
với các mạng 3GPP và 3GPP2, và ứng dụng tại GTel Mobile.

3.1. CHUYỂN GIAO GIỮA HAI eNodeB.

3.1.1. Thủ tục chuyển giao
Tổng quan về thủ tục chuyển giao và chuyển mạch dữ liệu
người dùng giữa hai eNodeB như trong Hình 3.1 và 3.2.
Tr ớc khi chuyển giao

Chuẩn bị chuyển giao

Dữ liệu trong vô tuyến
Báo hiệu trong vô tuyến
Đường hầm GTP

Thực hiện chuyển giao

Chuyển mạch đ ờng trễ

Báo hiệu S1
Báo hiệu X2

Báo hiệu GTP

Hình 3.1: Thủ tục chuyển giao giữa hai eNodeB


17
Tr ớc khi chuyển giao

Chuyển tiếp dữ liệu

Chuyển mạch đ ờng trễ

Hình 3.2: Chuyển mạch dữ liệu người dùng trong chuyển giao
3.1.2. Báo hiệu chuyển giao

Hình 3.3: Chuẩn bị chuyển giao


18

Hình 3.4: Thực hiện chuyển giao

Hình 3.5: Hồn thành chuyển giao

3.1.3. Chuyển giao liền mạch
3.1.4. Chuyển giao không tổn hao


19

Các gói
3 và 4
được
truyền
lại, mặc
dù gói 4
đã được
nhận

Các gói
1, 2, đã
được

xác
nhận

Các gói
1, 2, 3,
4, và 5
đã được
truyền

Hình 3.6: Chuyển giao khơng tổn hao trong đường lên

Gói cuối
cùng

Các gói
1, 2, 3
và 4 đã
được
truyền

Các gói
1, 2, đã
được
xác
nhận

Các gói
3 và 4
được
truyền

lại, mặc
dù gói 4
đã được
nhận

Các gói 1, 2 và 4
đã được nhận

Hình 3.7: Chuyển giao không tổn hao trong đường xuống


20
3.2. CHUYỂN GIAO GIỮA HAI MẠNG E-UTRAN

Hình 3.8. Thủ tục chuyển giao trên giao diện S1
3.3. LIÊN KẾT MẠNG GIỮA E-UTRAN VỚI CÁC CÔNG
NGHỆ TRUY NHẬP VÔ TUẾN (RAT) KHÁC
3.3.1. Liên kết với các mạng 3GPP khác
3.3.1.1. Kiến trúc hệ thống liên kết mạng
Hình 3.9 mơ tả kiến trúc và các thành phần mạng trong kiến
trúc mạng khi các mạng truy nhập của 3GPP.


21

Hình 3.9: Liên kết giữa E-UTRAN với các mạng 3GPP khác
3.3.1.2. Chuyển giao giữa LTE và các mạng truy nhập 3GPP khác

Hình 3.10: Chuyển giao từ E-UTRAN đến UTRAN/GERAN

22
3.3.2. Liên kết với các mạng CDMA2000
3.3.2.1. Kiến trúc hệ thống liên kết mạng
Hình 3.11 mơ tả kiến trúc hệ thống liên kết mạng giữa EUTRAN và mạng dữ liệu gói tốc độ cao (HRPD) CDMA2000. Nó
đưa ra mạng dữ liệu gói tốc độ cao tiến hóa (E-HRPD) với một số sự
điều chỉnh để thích hợp cho kết nối tới mạng lõi EPC.

Hình 3.11: Liên kết giữa E-UTRAN với các mạng CDMA2000


23
3.3.2.2. Chuyển giao giữa LTE và mạng truy nhập CDMA2000

Hình 3.12: Đường hầm điều khiển giữa E-UTRAN và E-HRPD
3.4. HỖ TRỢ DỊCH VỤ CHUYỂN MẠCH KÊNH VỚI CÁC
MẠNG TRUY NHẬP 3GPP KHÁC
3.4.1. Giới thiệu
3.4.2. Dự phòng chuyển mạch kênh (CSFB)
Dự phòng chuyển mạch kênh trong EPS là giải pháp dành cho
mạng khơng hỗ trợ cuộc gọi VoIP.
UTRAN

Iu-ps

SGSN

Gs
Gb
Uu

GERAN
S3

Iu-cs
MSC
Server

A

Um

SGs
UE

LTE-Uu

S1-MME
E-UTRAN

MME

Hình 3.13: Kiến trúc EPS cho dự phòng chuyển mạch kênh