Một số lý thuyết tối ưu cho mô hình mạng 4G LTE

MỤC LỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2
DANH MỤC HÌNH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
DANH MỤC BẢNG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
LỜI NÓI ĐẦU. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG DI ĐỘNG 4G LTE. . . . . . . . . . . . . . 7
1.1 Qúa trình phát triển của hệ thống thông tin di động. . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.1 Hệ thống thông tin di động thứ nhất (1G). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.2 Hệ thống thông tin di động thứ hai ( 2G). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.3 Hệ thống thông tin di động thứ ba (3G). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.4 Hệ thống thông tin di động thứ tư (4G). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.5 Hệ thống thông tin di động thứ năm (5G). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 Tổng quan về mạng 4G LTE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
1.2.1 Kiến trúc tổng quan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.2 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.3 Các chế độ truy cập vô tuyến. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
1.2.4 Các kĩ thuật sử dụng trong 4G LTE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
CHƯƠNG 2: TỐI ƯU MẠNG 4G LTE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.1 Sự cần thiết của tối ưu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2 Quy trình vận hành, quản lý chất lượng mạng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
2.3 Quy trình thực hiện tối ưu mạng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.1 Chuẩn bị. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.2 Thu thập dữ liệu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.3 Phân tích dữ liệu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.4 Tiến hành tối ưu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.5 Kiểm tra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4 Các vấn đề chính trong tối ưu mạng 4G LTE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
2.4.1 Các tham số quan trọng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4.2 Các tham số điều chỉnh của anten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51
2.4.3 Chuyển giao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG TỐI ƯU MẠNG 4G VINAPHONE. . . . . . . . . . . 60
3.1 Chuẩn bị. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2 Thu thập dữ liệu , phân tích và tiến hành điều chỉnh. . . . . . . . . . . . . . 61
3.3 Kiểm tra, đánh giá. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
KẾT LUẬN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 1
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết Tiếng Anh Tiếng Việt tắt 3GPP Third Generation
Tổ chức chuẩn hóa mạng di động Partnership Project 4G Four Generation Cel ular
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 ACK Acknowledgement Báo nhận BCCH Broadcast Control Channel
Kênh điều khiển quảng bá BER Bit-Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BLER Block-Error Rate Tỷ lệ lỗi khối BW Band Width Băng thông CDMA Code Division Multiple Access
Đa truy cập phân chia theo mã CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung CQI Channel Quality Indicator
Chỉ số chất lượng kênh CQT Call Quality Test
Chỉ số chất lượng cuộc gọi CS Circuit Switched Chuyển mạch kênh DCCH Dedicated Control Channel
Kênh điều khiển dành riêng DL Downlink Đường xuống DPCCH Dedicated Physical
Kênh điều khiển vật lý dành riêng Control Channel DPDCH Dedicated Physical Data
Kênh dữ liệu vật lý dành riêng Channel DTCH Dedicated Traffic Channel
Kênh lưu lượng dành riêng eNodeB Enhance NodeB NodeB cải tiến EPC Evolved Packet Core
Mạng lõi chuyển mạch gói cải tiến E- Evolved UMTS Terrestrial
Mạng truy nhập vô tuyến cải tiến UTRAN Radio Access FDD Frequency Division Duplex
Song công phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiple
Đa truy nhập phân chia theo tần số Access GSM Global Sytem For Mobile
Hệ thống truyền thông di động toàn Communications cầu HLR Home Location Register
Thanh ghi định vị thường trú 2 HO Handover Chuyển giao HSPA High Speed Packet Access
Truy nhập gói tốc độ cao HSS Home Subscriber Server Quản lý thuê bao IEEE Institute of Electrical and
Viện kỹ thuật Điện và Điện tử Electronics Engineers ITU International
Hiệp hội viễn thông quốc tế Telecommunications Union KPI Key Performance Indicator
Chỉ số đánh giá chất lượng LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn MBMS
Multimedia Broadcast/Multicast Broadcast đa truyền thông/dịch vụ Service multicast MIMO Multiple Input Multiple Ouput
Nhiều đầu vào nhiều đầu ra MME Mobility Management Entity
Thực thể quản lý di động MSC Mobile Switching Center
Trung tâm chuyển mạch di động OFDM Orthogonal Frequency Division
Ghép kênh phân chia theo tần số Multiplexing trực giao OFDMA Orthogonal Frequency Division
Đa truy nhập phân chia theo tần số Multiple Access trực giao PCCH Paging Control Channel
Kênh điều khiển tìm gọi TDD Time Division Duplex
Song công phân chia theo thời gian 3 DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Qúa trình phát triển hệ thống thông tin di động. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Hình 1.2 Kiến trúc tổng quan mạng 4G LTE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
Hình 1.3 Mạng truy cập mặt đất E-UTRAN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Hình 1.4 Mạng lõi EPC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Hình 1.5 Các kênh truyền tải trong mạng 4G LTE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Hình 1.6 Chế độ truy cập mạng 4G LTE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Hình 1.7 Kỹ thuật OFDMA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Hình 1.8 So sánh kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
Hình 1.9 Kỹ thuật MIMO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
Hình 2.1 Quy trình vận hành mạng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Hình 2.2 Quy trình thực hiện quản lý chất lượng mạng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Hình 2.3 Quy trình thực hiện tối ưu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
Hình 2.4 Qúa trình kết nối RRC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
Hình 2.5 Phân bố RSRP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Hình 2.6 Ví dụ nhiễu pilot theo cường độ RSRP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
Hình 2.7 Phân bố RSRQ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
Hình 2.8 Electronic tilt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Hình 2.9 Mechanical tilt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Hình 2.10 Qúa trình chuyển giao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Hình 2.11 Cường độ RSRP ảnh hưởng đến chuyển giao (logfile drive test). . . . 59
Hình 3.1 Cường độ RSRP trước khi tối ưu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Hình 3.2 PCI của khu vực trước tối ưu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4
Hình 3.3 Dung lượng uplink lớp ứng dụng trước tối ưu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Hình 3.4 Tính toán vùng phủ của anten bằng công cụ Tilt calculator. . . . . . . . . .62
Hình 3.5 Phân bố RSRP sau khi tối ưu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Hình 3.6 Phân bố RSRQ sau khi tối ưu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Hình 3.7 Hiện tượng chéo cel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Hình 3.8 Tham số RSRQ sau khi tối ưu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
Hình 3.9 Hiện tượng overshoot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Hình 3.10 Tính toán vùng phủ cho trạm HTP047. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Hình 3.11 Hiện tượng overshoot do vùng phủ chồng lấn lên nhau. . . . . . . . . . . .66
Hình 3.12 Điều chỉnh Azimuth tilt để loại bỏ overshoot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66 DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Băng tần hoạt động của FDD và TDD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Bảng 2.1 Thu thập dữ liệu trước khi tối ưu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
Bảng 2.2 Đánh giá các tham số KPI theo giá trị đo được. . . . . . . . . . . . . . . . . . .51
Bảng 3.1 Thông tin thu thập trước khi tối ưu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 5 LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay công nghệ thông tin di động trên thế giới đã phát triển lên thế hệ
4G,5G. Trong nước, các nhà khai thác cũng đã hoàn thành hạ tầng và đưa vào
khai thác thương mại hệ thống mạng 4G LTE.
Các nhà khai thác mạng di động vừa phải đảm bảo đáp ứng dung lượng hệ
thống, vừa nâng cao chất lượng dịch vụ cũng như các tiện ích khác cho khách
hàng. Số lượng thuê bao ngày càng tăng, cấu trúc mạng ngày càng phức tạp, bên
cạnh đó là sự phát triển của các dịch vụ như: Video Streaming, Mobile Banking,
Mobile TV, Multiplayer Games…sẽ là một vấn đề đáng quan tâm của các nhà
khai thác. Chính vì vậy, tối ưu mạng là vấn đề rất cần thiết và mang ý nghĩa đặc
biệt quan trọng trong vấn đề đảm bảo chất lượng mạng.
Công tác đo kiểm và tối ưu hệ thống cung cấp dịch vụ là bước không thể
thiếu trong việc phát triển hệ thống thông tin di động. Các nhà mạng trên thế giới
đầu tư rất nhiều cho việc tối ưu mạng và nâng cao chất lượng dịch vụ. Vì vậy tôi
đã chọn đề tài theo hướng thực tế là “ Tối ưu hóa mạng di động 4G LTE ”.
Đề tài sẽ tập trung làm rõ cấu trúc mạng di động 4G, các vấn đề trong tối
ưu mạng di động 4G LTE và ứng dụng tối ưu hóa mạng 4G LTE tại Quận Tân Bình.
Nội dung đề tài gồm 3 chương:
Chương I : Tổng quan về mạng di động 4G LTE
Chương II : Tối ưu hóa trong mạng di động 4G LTE
Chương III : Ứng dụng tối ưu mạng 4G LTE VINAPHONE 6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG DI ĐỘNG 4G LTE
1.1 Qúa trình phát triển của hệ thống thông tin di động
Hình 1.1 Qúa trình phát triển hệ thống thông tin di động
1.1.1 Hệ thống thông tin di động thứ nhất (1G)
Là mạng thông tin di động không dây đầu tiên trên thế giới. Nó là hệ thống
giao tiếp thông tin qua kết nối tín hiệu analog được giới thiệu đầu tiên vào những
năm đầu thập niên 80. Mạng 1G sử dụng các ăng-ten thu phát sóng gắn ngoài, kết
nối theo tín hiệu analog tới các trạm thu phát sóng và nhận tín hiệu xử lý thoại
thông qua các module gắn trong máy di động. Chính vì thế mà các thế hệ máy di
động đầu tiên trên thế giới có kích thước khá to và cồng kềnh do tích hợp cùng
lúc hai module thu tín hiện và phát tín hiệu. Công nghệ được sử dụng là FDMA
( Frequency Division Multiple Access).
Mặc dù là thế hệ mạng di động đầu tiên với tần số chỉ từ 150MHz nhưng
mạng 1G cũng phân ra khá nhiều chuẩn kết nối theo từng phân vùng riêng trên
thế giới: NMT (Nordic Mobile Telephone) là chuẩn dành cho các nước Bắc Âu
và Nga; AMPS (Advanced Mobile Phone System) tại Hoa Kỳ; TACS (Total Access 7
Communications System) tại Anh; JTACS tại Nhật; C-Netz tại Tây Đức;
Radiocom 2000 tại Pháp; RTMI (Radio Telefono Mobile Integrato ) tại Ý.
Hầu hết các hệ thống đều là hệ thống tương tự và dịch vụ truyền chủ yếu
là thoại. Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba. Những
điểm yếu của thế hệ 1G là dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng
chuyển cuộc gọi không tin cậy, chất lượng âm thanh kém, không có chế độ bảo
mật…do vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng.
1.1.2 Hệ thống thông tin di động thứ hai ( 2G)
Là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách cũng như khác hoàn
toàn so với thế hệ đầu tiên. Nó sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số thay cho tín hiệu
analog của thế hệ 1G và được áp dụng lần đầu tiên tại Phần Lan bởi Radiolinja
(hiện là nhà cung cấp mạng con của tập đoàn Elisa Oyj) trong năm 1991. Mạng
2G mang tới cho người sử dụng di động 3 lợi ích tiến bộ trong suốt một thời gian
dài: mã hoá dữ liệu theo dạng kỹ thuật số, phạm vi kết nối rộng hơn 1G và đặc
biệt là sự xuất hiện của tin nhắn dạng văn bản đơn giản – SMS. Theo đó, các tin
hiệu thoại khi được thu nhận sẽ đuợc mã hoá thành tín hiệu kỹ thuật số dưới
nhiều dạng mã hiệu (codecs), cho phép nhiều gói mã thoại được lưu chuyển trên
cùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và chi phí. Song song đó, tín hiệu kỹ
thuật số truyền nhận trong thế hệ 2G tạo ra nguồn năng lượng sóng nhẹ hơn và sử
dụng các chip thu phát nhỏ hơn, tiết kiệm diện tích bên trong thiết bị hơn.
Mạng 2G chia làm 2 nhánh chính: nền TDMA (Time Division Multiple
Access) và nền CDMA (Code Division Multiple Access) cùng nhiều dạng kết nối
mạng tuỳ theo yêu cầu sử dụng từ thiết bị cũng như hạ tầng từng phân vùng quốc gia:
• GSM (TDMA-based), khơi nguồn áp dụng tại Phần Lan và sau đó trở
thành chuẩn phổ biến trên toàn 6 Châu lục. Và hiện nay vẫn đang được sử
dụng bởi hơn 80% nhà cung cấp mạng di động toàn cầu. 8
• CDMA2000 – tần số 450 MHZ cũng là nền tảng di động tương tự GSM
nói trên nhưng nó lại dựa trên nền CDMA và hiện cũng đang được cung
cấp bởi 60 nhà mạng GSM trên toàn thế giới.
• IS-95 hay còn gọi là cdmaOne, (nền tảng CDMA) được sử dụng rộng rãi
tại Hoa Kỳ và một số nước Châu Á và chiếm gần 17% các mạng toàn cầu.
Tuy nhiên, tính đến thời điểm này thì có khoảng 12 nhà mạng đang
chuyển dịch dần từ chuẩn mạng này sang GSM (tương tự như HT Mobile
tại Việt Nam vừa qua) tại: Mexico, Ấn Độ, Úc và Hàn Quốc.
• PDC (nền tảng TDMA) tại Japan
• iDEN (nền tảng TDMA) sử dụng bởi Nextel tại Hoa Kỳ và Telus Mobility tại Canada.
• IS-136 hay còn gọi là D-AMPS, (nền tảng TDMA) là chuẩn kết nối phổ
biến nhất tính đến thời điểm này và được cung cấp hầu hết tại các nước
trên thế giới cũng như Hoa Kỳ.
1.1.3 Hệ thống thông tin di động thứ ba (3G)
Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-2000 (International Mobile
Telecommunication -2000) cho hệ thống 3G với các ưu điểm chính được mong
đợi đem lại bởi hệ thống 3G là:
• Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao.
• Các dịch vụ tin nhắn (e-mail, fax, SMS, chat, . .).
• Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, xem truyền hình, nghe nhạc,. .).
• Truy nhập Internet (duyệt Web, tải tài liệu, . .). 9
• Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương thích toàn
cầu giữa các hệ thống.
Để thoả mãn các dịch vụ đa phương tiện cũng như đảm bảo khả năng truy
cập Internet băng thông rộng, IMT-2000 hứa hẹn cung cấp băng thông 2Mbps,
nhưng thực tế triển khai chỉ ra rằng với băng thông này việc chuyển giao rất khó,
vì vậy chỉ có những người sử dụng không di động mới được đáp ứng băng thông
kết nối này, còn khi đi bộ băng thông sẽ là 384 Kbps, khi di chuyển bằng ô tô sẽ
là 144Kbps. Các hệ thống 3G điển hình là: ➢ UMTS (W-CDMA)
UMTS (Universal Mobile Telephone System), dựa trên công nghệ W-
CDMA, là giải pháp được ưa chuộng cho các nước đang triển khai các hệ thống
GSM muốn chuyển lên 3G. UMTS được hỗ trợ bởi Liên Minh Châu Âu và được
quản lý bởi 3GPP tổ chức chịu trách nhiệm cho các công nghệ GSM, GPRS.
UMTS hoạt động ở băng thông 5MHz, cho phép các cuộc gọi có thể chuyển giao
một cách hoàn hảo giữa các hệ thống UMTS và GSM đã có. Những đặc điểm của WCDMA như sau:
• WCDMA sử dụng kênh truyền dẫn 5 MHz để chuyển dữ liệu. Nó cũng
cho phép việc truyền dữ liệu ở tốc độ 384 Kbps trong mạng di động và 2 Mbps trong hệ thống tĩnh.
• Kết cấu phân tầng: Hệ thống UMTS dựa trên các dịch vụ được
phân tầng, không giống như mạng GSM. Ở trên cùng là tầng dịch
vụ, đem lại những ưu điểm như triển khai nhanh các dịch vụ, hay các địa
điểm được tập trung hóa. Tầng giữa là tầng điều khiển, giúp cho việc
nâng cấp các quy trình và cho phép mạng lưới có thể được phân
chia linh hoạt. Cuối cùng là tầng kết nối, bất kỳ công nghệ truyền dữ liệu
nào cũng có thể được sử dụng và dữ liệu âm thanh sẽ được chuyển qua ATM/AAL2 hoặc IP/RTP. 10
• Tần số: hiện tại có 6 băng sử dụng cho UMTS/WCDMA, tập trung vào
UMTS tần số cấp phát trong 2 băng đường lên (1885 MHz– 2025 MHz)
và đường xuống (2110 MHz – 2200 MHz).
Sự phát triển của WCDMA lên 3.5G là HSPA. ➢ CDMA2000
Một chuẩn 3G quan trọng khác là CDMA2000, chuẩn này là sự tiếp nối đối
với các hệ thống đang sử dụng công nghệ CDMA trong thế hệ 2. CDMA2000
được quản lý bởi 3GPP2, một tổ chức độc lập và tách rời khỏi 3GPP của UMTS.
CDMA2000 có tốc độ truyền dữ liệu từ 144Kbps đến Mbps. ➢ TD-SCDMA
Chuẩn được ít biết đến hơn là TD-SCDMA đang được phát triển tại Trung
Quốc bởi các công ty Datang và Siemens.
Hiện tại có nhiều chuẩn công nghệ cho 2G nên sẽ có nhiều chuẩn công
nghệ 3G đi theo, tuy nhiên trên thực tế chỉ có hai tiêu chuẩn quan trọng nhất đã
có sản phẩm thương mại và có khả năng được triển khai rộng rãi trên toàn thế
giới là WCDMA (FDD) và CDMA 2000. WCDMA được phát triển trên cơ sở
tương thích với giao thức của mạng lõi GSM (GSM MAP), một hệ thống chiếm
tới 65% thị trường thế giới. Còn CDMA 2000 nhằm tuơng thích với mạng lõi IS-
41, hiện chiếm 15% thị trường.
1.1.4 Hệ thống thông tin di động thứ tư (4G)
4G-LTE là thế hệ thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS thế hệ
thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới. Để đảm bảo tính cạnh
tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm
xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long
Term Evolution (LTE). 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho
mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn 11
giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối.
Đặc tính cơ bản của hệ thống LTE :
• Hoạt động ở băng tần : 700 MHz- 2600 MHz. • Tốc độ:
- Downlink : 100Mbps ( ở BW 20MHz)
- Uplink : 50 Mbps với hai anten thu một anten phát
• Độ trễ : nhỏ hơn 5ms
• Độ rộng BW linh hoạt : 1,4MHz; 3MHz; 5MHz; 10MHz;15MHz;20MHz. Hỗ
trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không.
• Tính di động : Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15 km/h nhưng vẫn hoạt động
tốt với tốc độ di chuyển từ 15-120 km/h, có thể lên đến 500 km/h tùy băng tần. • Phổ tần số:
- Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD
- Độ phủ sóng từ 5-100 km
- Dung lượng 200 user/cel ở băng tần 5Mhz.
• Chất lượng dịch vụ :
- Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS.
- VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng UTMS. 12
1.1.5 Hệ thống thông tin di động thứ năm (5G)
Công nghệ thông tin di động 5G được Liên minh viễn thông quốc tế (ITU-
R) phê chuẩn tên gọi chính thức là IMT-2020 (vào năm 2015). Về bản chất,
mạng 5G vẫn phát triển dựa trên nền tảng của 4G nhưng ở mức độ cao hơn.
Mạng 5G sẽ hỗ trợ LAS-CDMA (Large Area Synchronized Code Division
Multiple Access), UWB (Ultra Wideband), Network-LMDS (Local Multipoint
Distribution Service), Ipv6 và BDMA (Beam Division Multiple Access).
Với sự hỗ trợ đa dạng các nền tảng, người dùng có thể kết nối cùng lúc với
nhiều thiết bị qua mạng không dây và dễ dàng chuyển đổi qua lại một cách nhanh
chóng mà không gặp phải bất kỳ trở ngại nào. Không những vậy, mạng 5G còn
giúp cho tốc độ đăng tải và tải về dữ liệu trên điện thoại nhanh hơn gấp 20 lần so
với mạng 4G. Dự kiến năm 2020 sẽ có mạng 5G thương mại đầu tiên trên thế giới.
1.2 Tổng quan về mạng 4G LTE
1.2.1 Kiến trúc tổng quan
Kiến trúc của hệ thống 4G LTE gồm 4 vùng chính: thiết bị người dùng
(UE), E-UTRAN, mạng lõi EPC và các vùng dịch vụ.
Hình 1.2 Kiến trúc tổng quan mạng 4G LTE 13
UE, E-UTRAN và EPC đại diện cho các giao thức internet (IP) ở lớp kết
nối. Đây là một phần của hệ thống được gọi là hệ thống gói phát triển (EPS).
Chức năng chính của lớp này là cung cấp kết nối dựa trên IP và nó được tối ưu
hóa cao cho mục tiêu duy nhất. Tất cả các dịch vụ được cung cấp dựa trên IP, tất
cả các nút chuyển mạch và các giao diện được nhìn thấy trong kiến trúc 3GPP
trước đó không có mặt ở E-UTRAN và EPC. Công nghệ IP chiếm ưu thế trong
truyền tải, nơi mà mọi thứ được thiết kế để hoạt động và truyền tải trên IP.
Các hệ thống con đa phương tiện IP ( IMS) là một ví dụ tốt về máy móc
thiết bị phục vụ có thể được sử dụng trong lớp kết nối dịch vụ để cung cấp các
dịch vụ dựa trên kết nối IP được cung cấp bởi các lớp thấp hơn. Ví dụ, để hỗ trợ
dịch vụ thoại thì IMS có thể cung cấp thoại qua IP ( VoIP) và sự kết nối tới các
mạng chuyển mạch-mạch cũ PSTN và ISDN thông qua các cổng đa phương tiện của nó điều khiển.
Sự phát triển của E-UTRAN tập chung vào một nút, nút B phát triển
( eNode B). Tất cả các chức năng vô tuyến kết thúc ở đó, tức là eNB là điểm kết
thúc cho tất cả các giao thức vô tuyến có liên quan. E-UTRAN chỉ đơn giản là
một mạng lưới của các eNodeB được kết nối tới các eNodeB lân cận với giao diện X2.
Một trong những thay đổi kiến trúc lớn là trong khu vực mạng lõi là EPC
không có chứa một vùng chuyển mạch-mạch, và không có kết nối trực tiếp tới
các mạng chuyển mạch mạch truyền thống như ISDN và PSTN là cần thiết trong
lớp này. Các chức năng của EPC là tương đương với vùng chuyển mạch gói của
mạng 3GPP hiện tại. Tuy nhiên những thay đổi đáng kể trong việc bố trí các nút
chức năng và kiến trúc phần này nên được coi như là hoàn tòan mới. 14
1.2.1.1 Thiết bị người dùng (UE)
UE là thiết bị mà người dùng đầu cuối sử dụng để liên lạc. Thông thường
nó là những thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh hoặc một thẻ dữ liệu như
mọi người vẫn đang sử dụng hiện tại trong mạng 2G và 3G. Hoặc nó có thể được
nhúng vào, ví dụ một máy tính xách tay. UE cũng có chứa các mođun nhận dạng
thuê bao toàn cầu( USIM). Nó là một mođun riêng biệt với phần còn lại của UE,
thường được gọi là thiết bị đầu cuối (TE). USIM là một ứng dụng được đặt vào
một thẻ thông minh có thể tháo rời được gọi là thẻ mạch tích hợp toàn cầu
( UICC). USIM được sử dụng để nhận dạng và xác thực người sử dụng để lấy
khóa bảo mật nhằm bảo vệ việc truyền tải trên giao diện vô tuyến.
Các chức năng của UE là nền tảng cho các ứng dụng truyền thông, mà
có tín hiệu với mạng để thiết lập, duy trì và loại bỏ các liên kết thông tin người
dùng cần. Điều này bao gồm các chức năng quản lý tính di động như chuyển giao,
báo cáo vị trí của thiết bị, và các UE phải thực hiện theo hướng dẫn của mạng.
1.2.1.2 Truy cập vô tuyến mặt đất E-UTRAN
Mạng truy nhập vô tuyến của LTE được gọi là E-UTRAN và một trong
những đặc điểm chính của nó là tất cả các dịch vụ, bao gồm dịch vụ thời gian
thực, sẽ được hỗ trợ qua những kênh gói được chia sẻ. Phương pháp này sẽ
tăng hiệu suất phổ, làm cho dung lượng hệ thống trở nên cao hơn. Một kết quả
quan trọng của việc sử dụng truy nhập gói cho tất cả các dịch vụ là sự tích hợp
cao hơn giữa những dịch vụ đa phương tiện và giữa những dịch vụ cố định và không dây. 15
Mục đích chính của LTE là tối thiểu hóa số node. Vì vậy, người phát triển
đã chọn một cấu trúc đơn node. Trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong mạng
truy cập vô tuyến WCDMA/HSPA, và vì vậy được gọi là eNodeB (Enhance
Node B). Những eNodeB có tất cả những chức năng cần thiết cho mạng truy
nhập vô tuyến LTE, kể cả những chức năng liên quan đến quản lý tài nguyên vô tuyến.
Hình 1.3 Mạng truy cập mặt đất E-UTRAN
Giao diện vô tuyến sử dụng trong E-UTRAN là S1 và X2. Trong đó S1
là giao diện vô tuyến kết nối giữa eNodeB và mạng lõi, X2 là giao diện giữa các eNodeB với nhau.
E-UTRAN chịu trách nhiệm về các chức năng liên quan đến vô tuyến, gồm có:
• Quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến. • Nén header. • Bảo mật.
• Kết nối đến mạng lõi EPC. 16 1.2.1.3 Mạng lõi EPC
Mạng lõi mới là sự mở rộng hoàn toàn của mạng lõi trong hệ thống 3G và
nó chỉ bao phủ miền chuyển mạch gói. Vì vậy, nó có một cái tên mới : Evolved Packet Core (EPC). Hình 1.4 Mạng lõi EPC
Cùng một mục đích như E-UTRAN, số node trong EPC đã được giảm.
EPC chia luồng dữ liệu người dùng thành mặt phẳng người dùng và mặt phẳng
điều khiển. Một node cụ thể được định nghĩa cho mỗi mặt phẳng, cộng với
Gateway chung kết nối mạng LTE với internet và những hệ thống khác. EPC
gồm có một vài thực thể chức năng.
➢ MME(Mobility Management Entity): là thực thể quản lý di động, điều
khiển các Node xử lý tín hiệu giữa UE và mạng lõi. Giao thức giữa UE và 17
mạng lõi là Non-Access Stratum (NAS). MME là phần tử điều khiển
chính trong EPC. Thông thường MME là một server đặt tại một vị trí an
toàn ngay tại nhà khai thác. Nó chỉ hoạt động trong mặt phẳng điều khiển
(CP) và không tham gia vào đường truyền số liệu (UP). Các chức năng chính của MME:
• Các chức năng liên quan đến quản lý thông báo: chức năng này bao
gồm thiết lập, duy trì và gửi đi các thông báo, được điều khiển bởi
lớp quản lý phiên trong giao thức NAS.
• Các chức năng liên quan đến quản lý kết nối: bao gồm việc kết nối
và bảo mật giữa mạng và UE, được điều khiển bởi lớp quản lý tính
di động hoặc kết nối trong giao thức NAS.
➢ S-Gateway (Serving Gateway): là vị trí kết nối của giao tiếp dữ liệu
gói với E-UTRAN, tất cả các gói IP người dùng được chuyển đi thông qua
S-GW. Nó còn hoạt động như một node định tuyến đến những kỹ
thuật 3 GPP khác. Trong cấu hình kiến trúc cơ sở, chức năng mức cao của
S-GW là quản lý tunnel UP (user plan) và chuyển mạch. S-GW là bộ phận
của hạ tầng mạng dược quản lý tập trung tại nơi khai thác.
➢ P-Gateway (Packet Data Network Gateway): là điểm đầu cuối cho
những phiên hướng về mạng dữ liệu gói bên ngoài. Nó cũng là Router đến
mạng Internet. Thông thường P-GW ấn định địa chỉ IP cho UE và UE sử
dụng nó để thông tin với các máy IP trong các mang ngoài (internet).
Cũng có thể mạng ngoài nơi mà UE nối đến sẽ ấn định địa chỉ IP cho UE
sử dụng và P-GW truyền tunnel tất cả lưu lượng đến mạng này. P-GW
cũng thực hiện các chức năng lọc và mở cổng theo yêu cầu được thiết lập
cho UE và dịch vụ tương ứng. Ngoài ra nó thu thập và báo cáo thông tin
tính cước liên quan. Tương tự như S-GW, các P-GW có thể được khai
thác ngay tại vị trí trung tâm của nhà khai thác. 18
➢ PCRF (Policyand Charging Rules Function): điều khiển việc tạo ra
bảng giá và cấu hình hệ thống con đa phương tiện IP IMS (the IP
Multimedia Subsystem) cho mỗi người dùng.
➢ HSS (Home Subscriber Server): là nơi lưu trữ dữ liệu của thuê bao
cho tất cả dữ liệu của người dùng. Nó là cơ sở dữ liệu chủ trung tâm
trong trung tâm của nhà khai thác.
Đường giao tiếp S1 được dùng cho cả dữ liệu người dùng (nối với S-GW)
và dữ liệu báo hiệu (nối với MME) nên kiến trúc giao thức S1 được chia thành 2 bộ giao thức:
• S1-C (điều khiển): dùng để trao đổi các thông điệp điều khiển giữa một UE và MME.
• S1-U (người dùng): dùng để truyền dữ liệu của UE đến S-GW.
Nút Gateway giữa mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi phân ra thành hai
thực thể luận lí: S-GW và MME. Kết hợp với nhau chúng thực hiện công việc
tương tự SGSN trong mạng mạng UMTS. Đường giao tiếp S11 sẽ được dùng để
liên lạc giữa hai thực thể đó.
Một đường giao tiếp quan trong nữa trong mạng lõi LTE là đường giao
tiếp S6 nối giữa các MME và cơ sở dữ liệu thông tin thuê bao. Trong
UMTS/GSM, cơ sở dữ liệu này gọi là HLR (Home Location Register). Trong
LTE, HLR được cải tiến và đổi tên thành HSS.
1.2.1.4 Miền dịch vụ
Các miền dịch vụ bao gồm IMS (IP Multimedia Sub-system) dựa trên
các nhà khai thác, IMS không dựa trên các nhà khai thác và các dịch vụ khác.
IMS là một kiến trúc mạng nhằm tạo sự thuận tiện cho việc phát triển và phân
phối các dịch vụ đa phương tiện đến người dùng, bất kể là họ đang kết nối thông
qua mạng truy nhập nào. IMS hỗ trợ nhiều phương thức truy nhập như GSM, 19
UMTS, CDMA2000, truy nhập hữu tuyến băng rộng như cáp xDSL, cáp quang,
cáp truyền hình, cũng như truy nhập vô tuyến băng rộng WLAN, WiMAX. IMS
tạo điều kiện cho các hệ thống mạng khác nhau có thể tương thích với nhau. IMS
hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích cho cả người dùng lẫn nhà cung cấp dịch vụ. Nó
đã và đang được tập trung nghiên cứu cũng như thu hút được sự quan tâm lớn
của giới công nghiệp. Tuy nhiên IMS cũng gặp phải những khó khăn nhất định
và cũng chưa thật sự đủ độ chín để thuyết phục các nhà cung cấp mạng đầu tư
triển khai nó. Kiến trúc IMS được cho là khá phức tạp với nhiều thực thể và vô
số các chức năng khác nhau.
1.2.2 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN
Hình 1.5 Các kênh truyền tải trong mạng 4G LTE
➢ Kênh vật lý : các kênh vật lý sử dụng cho dữ liệu người dùng bao gồm:
• Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) : Kênh chia sẻ vật lý đường xuống.
• Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) : PUSCH được dùng để
mang dữ liệu người dùng. Các tài nguyên cho PUSCH được 20