TỔNG QUAN VỀ HỆ TH ỐNG THÔNG TIN DI ĐỘ NG & GIỚI THIỆU VỀ MẠNG 4G LTE
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất ( 1G)
Vào những năm cuối thập niên 70, hệ thống điện thoại di động thế hệ thứ nhất được phát triển, sử dụng phương pháp truy cập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access) Hệ thống này chủ yếu cung cấp dịch vụ thoại và sử dụng các chuyến đàm mạch tương tự, tức là hệ thống truyền tín hiệu tương tự.
Hệ thống điện thoại di động Nordic Mobile Telephone (NMT) được phát triển bởi công ty Ericsson (Thụy Điển) với hai phiên bản chính là NMT450 hoạt động ở băng tần 450 MHz và NMT900 ở băng tần 900 MHz AMPS (Advanced Mobile Phone System) là hệ thống di động đầu tiên do AT&T và Motorola (Mỹ) đề xuất vào năm 1982, thuộc thế hệ 1G Tuy nhiên, hệ thống 1G này có nhiều hạn chế như băng thông hạn chế, chất lượng cuộc gọi kém, tiếng ồn cao và nhiễu khi di chuyển trong môi trường có sóng yếu Nó cũng không hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện, không đảm bảo tính tương thích giữa các thiết bị và không thể kết nối giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt là ở châu Âu, dẫn đến việc người dùng không thể sử dụng điện thoại di động của mình ở các quốc gia khác.
Băng tần 800 MHz 900 MHz 450 470 MHz –
Khoảng cách kênh 30 KHz 25 / 12.5 KHz 25 / 29 KHz Khoảng cách song công 45 MHz 45 MHz 10 MHz
Loại điều chế FM FM FM
Kế hoạch ô 4, 7, 12 4, 9, 12 7 Điều chế kênh điều khiển FSK FFSK FFSK Độ lệch kênh điều khi n ể 8 KHz 3.5 MHz 3.5 MHz
Mã kênh điều khiển Manchester NRZ NRZ
Dung lượng kênh điều khiển 77000 13000 13000
Tốc độ truyền d n ẫ 10 Kbps 1.2 Kbps 1.2 Kbps
Bảng 1.1 Các thông số của một vài hệ thống thông tin di động
Nhược điểm của hệ thống 1G bao gồm dung lượng dữ liệu thấp, xác suất kết nối không ổn định, khả năng chuyển cuộc gọi không đáng tin cậy, chất lượng âm thanh kém và thiếu chế độ bảo mật.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai ( 2G)
Khi số lượng thuê bao di động tăng nhanh, hệ thống thông tin di động cũ không còn đáp ứng đủ nhu cầu Các nhà mạng cần nâng cao dung lượng mạng, cải thiện chất lượng cuộc gọi và cung cấp thêm dịch vụ cho người dùng Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã áp dụng công nghệ số hóa cho hệ thống điện thoại di động, kết hợp với kỹ thuật truy cập đa kênh, dẫn đến sự ra đời của hệ thống điện thoại di động thế hệ thứ hai, hay còn gọi là 2G.
Hệ thống 2G sử dụng công nghệ truyền thông di động tiên tiến, bao gồm kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) Hệ thống này mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các thế hệ thông tin di động trước đó, đặc biệt là trong việc cải thiện chất lượng dịch vụ và khả năng truyền thông.
The 2G system also offers data transmission services, although the speed is relatively low Notable mobile communication systems under 2G include GSM (Global System for Mobile Communication) and IS-95 (Interim Standard-95).
GSM là hệ thống thông tin di động phổ biến nhất, được triển khai lần đầu vào năm 1991 Hệ thống này kết hợp công nghệ truy cập TDMA và FDMA, hoạt động trên băng tần 900 MHz.
Băng tần đầu tiên cho hệ thống di động hoạt động trong khoảng 890 MHz đến 915 MHz, trong khi băng tần thứ hai hoạt động từ 935 MHz đến 960 MHz Mỗi băng tần có chiều rộng 200 KHz và được chia thành 8 khe thời gian, với mỗi khe thời gian được gán cho một ngách cụ thể để sử dụng Để tối ưu hóa dung lượng cho các hệ thống thông tin di động, tần số của các hệ thống này được chuyển đổi từ vùng này sang vùng khác.
800 900 MHz v o v ng 1.8 1.9 GHz M t s n– à ù – ộ ố ước đã đưa v o s d ng c à ử ụ ả hai t n s (Dual Band) ầ ố
Hình 1.1 Sự phân bố tần số trong hệ thống GSM
Sơ đồ đa truy nhập TDMA
Phân bố tần số đường lên: 890-915 MHz Đường xu ng: 935-960 MHz ố
Tốc độ điều ch dế ữ liệu trên kênh vô tuyến 270.8333 Kb/s Điều chế 0.3 GMSK
Mã hoá kênh kết hợp mã hoá khối và mã xoắn
Bảng 1.2 Các thông số chính của hệthống GSM
Kể từ khi ra đời, hệ thống GSM đã phát triển nhanh chóng và được triển khai tại nhiều quốc gia Tại Việt Nam, hệ thống thông tin di động GSM được đưa vào sử dụng từ năm 1993 và đã được áp dụng rộng rãi trên toàn quốc.
Có 4 chuẩn chính đối với hệ thống 2G: Hệ Thống Thông Tin Di Động Toàn Cầu (GSM); AMPS số (D-AMPS); Đa Truy Cậ Phân Chia Theo Mã p IS-95; và Mạng tế bào Số Cá Nhân (PDC) GSM đạt đuợc thành công nhất và đuợ ửc s dụng rộng rãi trong hệ thống 2G
GSM cơ bản hoạt động trên băng tần 900MHz và áp dụng kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian TDMA Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng, có một số vấn đề phát sinh cần được lưu ý.
Frequency ( MHz ) quan trọng là hệ thống mô hình số 1800 (DCS 1800; cũng đuợc biết nhu GSM
Băng tần 1800 MHz và PCS 1900 (GSM 1900) được sử dụng chủ yếu ở Bắc Mỹ và Chile, trong khi DCS 1800 xuất hiện ở một số khu vực khác trên thế giới Nguyên nhân chính cho việc ra đời băng tần mới là sự thiếu dung lượng của băng tần 900 MHz Băng tần 1800 MHz trở nên phổ biến hơn và phù hợp hơn với nhu cầu sử dụng, đặc biệt tại các khu vực đông dân cư Do đó, cả hai băng tần di động này đều được sử dụng đồng thời, với điện thoại sử dụng băng tần 1800 MHz khi có các thiết bị khác hoạt động trên băng tần 900 MHz.
Hệ thống GSM 900 làm việc trong một băng tần hẹp, dài tần cơ bản t ừ (890- 960MHz) Trong đó băng tần cơ bản đuợc chia làm 2 phần :
Băng tần 935 - 960 MHz bao gồm 124 sóng mang, được chia thành 2 băng rộng 25 MHz, với khoảng cách giữa các sóng mang kề nhau là 200 KHz Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt cho cả đường lên và xuống, được gọi là kênh song công, với khoảng cách tần số cố định là 45 MHz Mỗi kênh vô tuyến có 8 khe thời gian TDMA, trong đó mỗi khe thời gian hoạt động như một kênh vật lý để trao đổi thông tin giữa thiết bị di động (MS) và mạng GSM, với tốc độ truyền tải từ 6.5 đến 13 Kbps.
Kể từ năm 1989, GSM đã được chuyển nhượng cho Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) và trải qua nhiều giai đoạn phát triển Đến năm 1997, tiêu chuẩn GSM 2G đã hoàn thành, kết hợp với dịch vụ số liệu chuyển mạch tốc độ cao (HSCSD) và dịch vụ truyền sóng vô tuyến gói đa dụng (GPRS).
❖ HSCSD High Speed Circuit Switched Data)( - Chuy n mể ạch kênh tốc độ cao:
Hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ GSM gặp nhược điểm lớn về tốc độ truyền dữ liệu, với tốc độ lý thuyết chỉ đạt 14.4Kbps và thực tế thường chỉ khoảng 9.6Kbps Để khắc phục điều này, công nghệ HSCSD được áp dụng nhằm tăng tốc độ truyền tải dữ liệu Công nghệ này sử dụng ghép kênh theo thời gian, cho phép một trạm di động có thể sử dụng tối đa 4 khe thời gian, mỗi khe có thể đạt tốc độ 9.6Kbps hoặc 14.4Kbps Tốc độ tổng thể của hệ thống sẽ là tổng số khe thời gian nhân với tốc độ dữ liệu của từng khe HSCSD còn hỗ trợ phân bố việc sử dụng khe thời gian một cách liên tục, ngay cả khi không có dữ liệu truyền đi.
GPRS (General Packet Radio Service) là một hệ thống vô tuyến thuộc giai đoạn trung gian, được xem là hệ thống 3G khi xét về mạng lõi GPRS cung cấp kết nối dữ liệu chuyển mạch gói với tốc độ truyền tối đa lên tới 171,2 Kbps, đồng thời hỗ trợ các giao thức Internet TCP/IP và X25 Nhờ đó, GPRS đã tăng cường đáng kể các dịch vụ dữ liệu của GSM.
Việc tích hợp GPRS vào mạng GSM rất đơn giản, với một phần các khe trên giao diện vô tuyến được dành riêng cho GPRS Điều này cho phép ghép kênh số liệu gói được lập lịch trước cho một số trạm di động Để thực hiện điều này, phân hệ trạm gốc chỉ cần nâng cấp một phần liên quan đến khối điều khiển gói (PCU).
Đơn vị Kiểm soát Gói (Packet Control Unit) cung cấp khả năng định tuyến gói giữa các đầu cuối di động và các nút cổng (gateway) Để hỗ trợ các hệ thống mã hóa kênh khác nhau, cần nâng cấp phần mềm Mạng lõi GSM được hình thành từ các kết nối chuyển mạch kênh, được mở rộng bằng cách thêm các nút chuyển mạch số liệu và các gateway mới như GGSN (Gateway GPRS Support Node) và SGSN (Serving GPRS Support Node) GPRS là một giải pháp đã được chuẩn hóa với các giao diện mở rộng, cho phép chuyển thẳng lên 3G trong cấu trúc mạng lõi.
Giới thi u v m ng 4G LTE ệ ề ạ
Để tài “Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE (Long Term
Bài viết này tập trung vào việc khám phá công nghệ LTE, bao gồm các kỹ thuật và thành phần chính, nhằm làm rõ những tiềm năng hấp dẫn mà công nghệ này mang lại Ngoài ra, nó cũng đề cập đến tình hình triển khai công nghệ LTE trên thế giới và tại Việt Nam Đề tài được chia thành 5 chương, mỗi chương sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về các khía cạnh khác nhau của công nghệ LTE.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ LTE 4
KI ẾN TRÚC MẠNG VÀ GIAO THỨ C
Kiến trúc mạng LTE
Việc phát triển kiến trúc phẳng với ít nút tham gia là cần thiết để giảm độ trễ và cải thiện hiệu suất Mục tiêu này đã được khởi xướng từ phiên bản 7, với ý tưởng về đường hầm trực tiếp giúp mặt phẳng người dùng (UP) có thể bỏ qua SGSN.
Hình 2.1 Phát triển kiến trúc 3GPP
Kiến trúc mạng LTE được thiết kế để hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói với tính di động linh hoạt, chất lượng dịch vụ (QoS) và độ trễ tối thiểu Phương pháp chuyển mạch gói cho phép hỗ trợ tất cả các dịch vụ thông qua các kết nối gói, tạo ra một kiến trúc phẳng với chỉ hai loại nút chính là nút B phát triển (eNB) và phần tử quản lý di động/cổng (MME/GW) Điều này hoàn toàn khác biệt với kiến trúc mạng phân cấp phức tạp của hệ thống 3G, nơi có nhiều nút mạng Bên cạnh đó, phần điều khiển mạng vô tuyến (RNC) đã được loại bỏ khỏi đường dữ liệu, với chức năng của nó hiện được thực hiện bởi eNB Việc sử dụng một nút duy nhất trong mạng truy nhập giúp giảm độ trễ và phân phối tải RNC vào nhiều eNB, đồng thời loại bỏ RNC cũng là do hệ thống LTE không hỗ trợ chuyển giao mềm.
1.1.1 Tổng quan v cề ấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống
Hình 2.2 minh họa kiến trúc và các thành phần mạng trong cấu hình chỉ có một E-UTRAN tham gia, với sự phân chia thành bốn vùng chính: thiết bị người dùng (UE), E-UTRAN, mạng lõi gói phát triển (EPC) và các vùng dịch vụ.
Hình 2.2 Kiến trúc và các thành phần mạng
UE, E-UTRAN và EPC là các giao thức internet (IP) quan trọng trong lớp kết nối, thuộc hệ thống được gọi là hệ thống gói phát triển (EPS) Chức năng chính của hệ thống này là cung cấp kết nối dựa trên IP, được tối ưu hóa cho một mục tiêu duy nhất, đảm bảo tất cả các dịch vụ được cung cấp đều dựa trên nền tảng này.
Công nghệ IP đóng vai trò chủ đạo trong kiến trúc E-UTRAN và EPC, khác biệt so với các nút chuyển mạch và giao diện trong kiến trúc 3GPP trước đó Tất cả các thành phần trong hệ thống đều được thiết kế để hoạt động và truyền tải thông tin hiệu quả trên nền tảng IP.
Hệ thống con đa phương tiện IP (IMS) là một ví dụ điển hình về thiết bị hỗ trợ trong lớp kết nối dịch vụ, cho phép cung cấp các dịch vụ dựa trên kết nối IP từ các lớp thấp hơn Chẳng hạn, để hỗ trợ dịch vụ thoại, IMS có khả năng cung cấp thoại qua IP (VoIP) và kết nối với các mạng chuyển mạch cũ như PSTN và ISDN thông qua các cổng đa phương tiện được điều khiển.
Sự phát triển của E-UTRAN tập trung vào nút B, cụ thể là eNode B, nơi mà tất cả các chức năng vô tuyến kết thúc eNode B đóng vai trò là điểm kết thúc cho tất cả các giao thức vô tuyến liên quan E-UTRAN là một mạng lưới các eNode B được kết nối với nhau thông qua giao diện X2.
Một trong những thay đổi lớn trong kiến trúc mạng lõi là EPC, không còn chứa vùng chuyển mạch mạch và không cần kết nối trực tiếp với các mạng chuyển mạch truyền thống như ISDN và PSTN Các chức năng của EPC tương đương với vùng chuyển mạch gói của mạng 3GPP hiện tại, nhưng với sự thay đổi đáng kể trong bố trí các nút chức năng và kiến trúc, nó được coi là hoàn toàn mới.
Hình 2.1 và 2.2 minh họa sự tồn tại của phần tử SAE GW, trong đó hình 2.2 thể hiện sự kết hợp giữa cổng phục vụ gói (S-GW) và cổng mạng dữ liệu gói (P-GW), được định nghĩa cho các xử lý UP trong EPC Hai cổng này được gộp lại thành SAE GW, với cấu hình kiến trúc cơ bản và chức năng được quy định trong tài liệu 3GPP TS 23.401.
1.1.2 Thiết bị người dùng ( UE)
Thiết bị người dùng cuối (UE) là công cụ mà người dùng sử dụng để liên lạc, thường là điện thoại thông minh hoặc thẻ dữ liệu trong mạng 2G và 3G UE có thể được nhúng vào các thiết bị như máy tính xách tay và bao gồm các mô-đun nhận dạng thuê bao toàn cầu (USIM) USIM là một ứng dụng nằm trong thẻ thông minh có thể tháo rời, gọi là thẻ mạch tích hợp toàn cầu (UICC), dùng để nhận dạng và xác thực người sử dụng, giúp bảo mật thông tin trong quá trình truyền tải trên giao diện vô tuyến.
Các chức năng của UE đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng truyền thông, giúp thiết lập, duy trì và loại bỏ các liên kết thông tin cần thiết cho người dùng Điều này bao gồm quản lý tính di động như chuyển giao và báo cáo vị trí thiết bị, với UE thực hiện theo hướng dẫn của mạng Quan trọng nhất, UE cung cấp giao diện người dùng cho người dùng cuối, cho phép sử dụng các ứng dụng như VoIP để thiết lập cuộc gọi thoại.
Nút duy nhất trong E UTRAN là eNodeB, một trạm gốc vô tuyến chịu trách nhiệm kiểm soát tất cả các chức năng vô tuyến trong phần cố định của hệ thống Các eNodeB thường được phân bố rộng rãi trong khu vực phủ sóng của mạng và thường nằm gần các anten vô tuyến hiện tại của chúng.
eNodeB đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối người dùng (UE) với hệ thống lõi (EPC), hoạt động như một cầu nối giữa hai lớp Nó là điểm cuối của các giao thức vô tuyến hướng tới UE, đồng thời tiếp nhận và truyền tải dữ liệu giữa các kết nối vô tuyến và các kết nối IP cơ bản của EPC Trong quá trình này, EPC thực hiện chức năng mã hóa và giải mã dữ liệu để đảm bảo thông tin được truyền tải một cách an toàn và hiệu quả.
eNodeB đóng vai trò quan trọng trong việc nén và giải nén tiêu đề IP, nhằm tránh việc gửi dữ liệu lặp lại hoặc liên tiếp trong tiêu đề Ngoài ra, eNodeB còn đảm nhận nhiều chức năng của mặt phẳng điều khiển (CP), bao gồm quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) Điều này có nghĩa là eNodeB kiểm soát việc sử dụng giao diện vô tuyến, phân bổ tài nguyên dựa trên yêu cầu và ưu tiên, lập lịch trình lưu lượng theo yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS), đồng thời giám sát liên tục tình hình sử dụng tài nguyên.
eNodeB đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý tính di động (MM) bằng cách điều khiển và phân tích mức độ tín hiệu vô tuyến từ UE Quá trình này bao gồm việc trao đổi tín hiệu chuyển giao giữa các eNB và MME Khi một UE mới được kích hoạt theo yêu cầu của eNB và kết nối vào mạng, eNodeB sẽ đảm nhận trách nhiệm định tuyến, đề xuất các MME đã phục vụ trước đó cho UE hoặc lựa chọn một MME mới nếu các MME cũ không khả dụng hoặc thông tin định tuyến không chính xác.
Các giao diện và giao thứ c trong c ấu hình kiến trúc cơ bả n của hệ thống42 2.3 QoS và kiến trúc dịch vụ mang chuy n ể
Hình 2.8 minh họa các giao thức CP liên quan đến việc kết nối của UE với PDN Các giao diện từ MME được chia thành hai phần: phần trên thể hiện các giao thức hướng tới E-UTRAN và UE, trong khi phần dưới trình bày các giao thức hướng tới các cổng Các giao thức hiển thị trong nền trắng được phát triển bởi 3GPP, còn các giao thức trong nền xám do IETF phát triển, đại diện cho các công nghệ mạng tiêu chuẩn được sử dụng cho truyền tải trong EPS 3GPP chỉ ra các phương thức cụ thể mà các giao thức này được áp dụng.
Lớp trên cùng trong CP bao gồm các lớp không truy cập (NAS), với hai giao thức riêng biệt thực hiện truyền tín hiệu trực tiếp giữa UE và MME Các giao thức NAS đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý kết nối và truyền thông trong mạng.
1- Quản lý tính di động EPS ( EMM): các giao thức MME có trách nhiệm về điều khiển tính di động c a UE trong hủ ệ thống Nó bao gồm các chức năng kế ối vào và tách ra từ ạng, và thựt n m c hiện vi c c p nh t vệ ậ ậ ị trí Điều này được gọi là cập nhật khu vực theo dõi (TAU), và nó diễn ra trong chế độ nhàn dỗ Chú ý rằng các chuyểi n giao trong chế độ ế k t nối được xử lý bởi các giao thức lớp thấp hơn, nhưng cacs lớp EMM không bao gồm các chức năng tái kích hoạt các UE từ chế độ nhàn rỗi
Hình 2.8: Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển trong EPS
2- Quản lý phiên EPS ( ESM): Giao thức này có thể được s dử ụng để điều khiển việc quản lý phần tử mang giữa UE và MME, và nó được s d ng b ử ụ ổ sung cho E-UTRAN trong vi c quệ ản lý phần tử mang Lưu ý rằng sẽ không sử dụng các thủ ụ t c ESM nếu tình trạng của các phần tử mang là đã có sẵn trong mạng lưới và quy trình E UTRAN có thể- chạy ngay lập tức.
Điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC) là giao thức quản lý việc sử dụng tài nguyên vô tuyến, điều phối báo hiệu của thiết bị người dùng (UE) và các kết nối dữ liệu Giao thức này cũng đảm nhận các chức năng chuyển giao, đảm bảo hiệu suất và ổn định trong việc kết nối mạng.
3- Giao th c h i t dứ ộ ụ ữ liệu gói ( PDCP): Các chức năng chính của PDCP là nén tiêu đề IP (UP), mã hóa và bảo vệ sự toàn vẹn ( chỉ với CP)
4- Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC) : Giao thức RLC có trách nhiệm phân đoạn và ghép nối các PDCP PDU để- truyền cho giao diện vô tuyến Nó cũng thực hiện vi c s a l i vệ ử ỗ ới phương pháp yêu cầu truyền l i tạ ự động (ARQ)
5- Điều khi n truy nhể ập môi trường (MAC) : Lớp MAC có trách nhiệm lập kế hoạch dữ liệu theo các ưu tiên và ghép kênh dữ liệu tới các khối truyền t i ả ở lớp 1 Lớp MAC cũng cung cấp việc sửa lỗi v i HARQ ớ
6- L p vớ ật lý (PHY) : Đây là lóp 1 của giao diện vô tuyến LTE-UU nó có các chức năng giống như của DS-CDMA
7- Trong EPC c ó hai giao thức khác cho giao diện S5/S8 Các giao thức sau có liên quan khi GTP được sử dụng trong S5/S8 :
Mặt phẳng điều khiển giao thức đường hầm GPRS (GTP-C) đóng vai trò quản lý các kết nối UP trong EPC, bao gồm việc báo hiệu về QoS và các thông số liên quan Khi GTP được áp dụng trong giao diện S5/S8, nó còn quản lý các đường hầm GTP-U Bên cạnh đó, GTP-C cũng thực hiện các chức năng quản lý di động trong EPC, như việc chuyển đổi các đường hầm GTP-U từ một nút này sang nút khác khi cần thiết.
Giao thức dữ liệu đơn vị (UDP) và IP được sử dụng như là phương thức truyền tải IP cơ bản và tiêu chuẩn UDP thường được chọn thay vì giao thức điều khiển truyền dữ liệu (TCP) vì các lớp cao hơn đã cung cấp sự truyền tải tin cậy với cơ chế khắc phục lỗi và truyền tải Các gói tin IP trong hệ thống EPC có thể được vận chuyển qua nhiều công nghệ khác nhau ở lớp 1 và lớp 2.
Các giao thức sau được sử dụng khi S5/S8 dựa trên PMIP:
Giao thức IP di động ẩn danh (PMIP) là một giải pháp thay thế cho giao diện S5/S8, giúp quản lý tính di động mà không cần các chức năng quản lý phần tử mang Tất cả lưu lượng liên quan đến kết nối của thiết bị người dùng (UE) với một mạng dữ liệu riêng (PDN) được xử lý đồng nhất.
❖ IP : PMIP ch y tr c tiạ ự ếp trên IP, và nó được s dử ụng như là truyề ản t i IP tiêu chuẩn
Cấu trúc giao thức UP cho UE kết nối với P-GW được minh họa trong hình 2.9, bao gồm các lớp của người dùng IP cuối, tức là các giao thức hình thành lớp 2 để vận chuyển các gói tin IP đến người sử dụng cuối Cấu trúc giao thức này tương tự như CP, cho thấy toàn bộ hệ thống được thiết kế để vận chuyển dữ liệu gói chung, với cả tín hiệu CP và dữ liệu UP đều là dữ liệu gói, chỉ khác nhau về kích thước.
Hình 2.9: N găn xếp giao thức mặt phẳng người dùng trong EPC
Hầu hết các giao thức được đưa ra đã được nêu ở trên, ngoại trừ hai điều sau đượ ực l a chọn trong b giao th c c a giao di n S5/S8: ộ ứ ủ ệ
1- Mặt phẳng người dùng giao thức đường hầm GPRS ( GTP-U) : GTP-U được s dử ụng khi S5/S8 là dựa trên GTP Dạng th c c a GTP-ứ ủ U đó là đường hầm GTP-U được dùng để ửi các gói tin của người dùng IP cuố g i về một mang chuyển EPS Nó được s d ng trong giao di n S1-ử ụ ệ U và sử ụ d ng trong S5/S8 n u CP s d ng GTP-ế ử ụ C.
2- Đóng gói định tuyến chung ( GRE): GRE s d ng giao di n S5/S8 kử ụ ệ ết họp v i PMIP D ng th c cớ ạ ứ ủa GRE là một IP trong đường hầm IP để vận chuyển t t cấ ả các dữ liệu thuộc về một kết nối c a UE tủ ới một PDN cụ thể GRE là chạy trực tiếp trên IP và UDP là không sử dụng
Hình 2.10 minh họa cấu trúc giao thức giao diện X2, mà tương tự như của giao di n S1 Chệ ỉ có giao thức ứng dụng CP là khác nhau.
Hình 2.10 Các ngăn xế: p giao thức mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng cho giao di n X2ệ
Giao diện X2 được sử dụng trong quá trình di chuyển giữa các eNodeB, với X2AP đảm nhiệm chức năng chuẩn bị chuyển giao và duy trì liên lạc giữa các eNodeB lân cận Giao diện UP trong X2 cho phép chuyển tiếp dữ liệu tạm thời trong quá trình chuyển giao, khi các kết nối vô tuyến đã bị ngắt ở phía nguồn và chưa được thiết lập lại ở phía đích Chuyển tiếp dữ liệu được thực hiện cho dữ liệu hướng xuống, trong khi dữ liệu hướng lên có thể được điều chỉnh hiệu quả bởi thiết bị người dùng (UE).
Bảng 2.1 tóm tắt các giao thức và giao diện trong cấu hình kiến trúc hệ thống cơ bản
Bảng 2.1 Các giao thức và giao diện LTE
2.3 QoS và kiến trúc dịch vụ mang chuy n ể
Các ứng dụng như VoIP, duyệt web, thoại video và tạo luồng video có nhu cầu QoS đặc biệt Vì vậy, một đặc điểm quan trọng của bất kỳ mạng toàn gói nào là cung cấp cơ chế QoS cho phép phân biệt các dòng gói tin dựa trên nhu cầu QoS Trong EPS, dòng QoS được gọi là mang chuyển EPS, được thiết lập giữa UE và P-GW.
Giao th c tr ứ ạng thái và chuyể n tiếp tr ạng thái
Trong hệ thống LTE, điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC) bao gồm hai chế độ: RRC rảnh dỗi và RRC kết nối Một UE có thể chuyển từ trạng thái RRC rảnh dỗi sang trạng thái RRC kết nối khi thiết lập kết nối RRC thành công, và ngược lại, có thể trở lại trạng thái RRC rảnh dỗi bằng cách giải phóng kết nối Ở trạng thái RRC rảnh dỗi, UE có khả năng nhận dữ liệu phát quảng bá, giám sát kênh tìm gọi để phát hiện cuộc gọi đến, thực hiện đo đạc ô lân cận, lựa chọn ô và thu thập thông tin hệ thống Mỗi UE cũng có chu kỳ DRX riêng, được cấu hình bởi các lớp phía trên nhằm tiết kiệm năng lượng Hơn nữa, tính di động của UE được điều khiển trong trạng thái RRC rảnh dỗi.
Hình 2.12 Trạng thái của UE và chuyển tiếp trạng thái
Trong chế độ RRC không kết nối, việc truyền dữ liệu đơn hướng từ UE và truyền dữ liệu phát quảng bá/đa điểm tới UE có thể diễn ra Ở các lớp thấp hơn, UE có thể được cấu hình với một UE cụ thể để thực hiện DRX/DTX (truyền dẫn gián đoạn) Các kênh điều khiển giám sát UE được liên kết với kênh dữ liệu dùng chung nhằm xác định liên kết dữ liệu và lập biểu cho nó, đồng thời cung cấp kênh thông tin phản hồi về chất lượng, thực hiện các phép đo ô lân cận, báo cáo đo đạc và thu thập thông tin hệ thống Khác với trạng thái RRC rảnh rỗi, tính di động được điều khiển bởi mạng ở trạng thái này.
Hỗ trợ tính di động liên tục
Một trong những đặc điểm quan trọng của hệ thống không dây di động như LTE là khả năng hỗ trợ tính di động liên tục giữa các eNB và các MME/GW Việc chuyển giao nhanh chóng và liên tục (HO) đặc biệt quan trọng đối với các dịch vụ nhạy cảm với độ trễ như VoIP Chuyển giao thường xảy ra nhiều hơn giữa các eNB so với giữa các mạng lõi, do khu vực được phục vụ bởi MME/GW thường bao phủ một số lượng lớn eNB và lớn hơn nhiều so với khu vực của một eNB đơn Tín hiệu trên giao diện X2 giữa các eNB được sử dụng để chuẩn bị cho quá trình chuyển giao, trong khi S-GW hoạt động như nút cuối cho việc chuyển giao giữa các eNB.
Trong hệ thống LTE, việc chuyển giao giữa các ô lân cận dựa vào UE để phát hiện và đo đạc tần số sóng mang, mà không cần thông tin từ mạng Khi một UE di chuyển từ eNB nguồn (eNB1) sang eNB đích (eNB2), quá trình chuyển giao diễn ra trong trạng thái RRC kết nối UE gửi báo cáo đo lường từ eNB1, cho thấy chất lượng tín hiệu từ eNB2 tốt hơn Khi chuẩn bị chuyển giao, eNB1 gửi thông tin cần thiết về UE đến eNB2 qua giao diện X2 eNB2 thực hiện điều khiển nhập vào dựa trên thông tin QoS và cấu hình tài nguyên cần thiết, đồng thời cấp C-RNTI cho UE Khi eNB2 sẵn sàng, nó thông báo cho eNB1 qua bản tin phản hồi HO, và eNB1 lệnh cho UE thực hiện chuyển giao sang eNB2 UE nhận lệnh HO và thực hiện theo chỉ dẫn mà không gặp phải độ trễ trong quá trình chuyển giao.
Hoạt động chuyển giao diễn ra khi UE nhận lệnh HO và kết nối với eNB đích thông qua kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH) Nếu có phần mở đầu RACH được phân bổ, quá trình sẽ diễn ra nhanh chóng; nếu không, sẽ cần thủ tục tranh chấp cơ bản Mạng sẽ cấp phát tài nguyên đường lên và định thời từ UE Sau khi truy nhập thành công, UE gửi thông tin xác nhận HO (C-RNTI) cùng với báo cáo tình trạng bộ đệm đường lên eNB đích sẽ thông báo cho MME về việc UE đã chuyển sang ô mới, và MME sẽ cập nhật mặt phẳng người dùng tới S-GW S-GW chuyển đường dẫn dữ liệu xuống tới eNB đích và gửi các gói “dấu hiệu kết thúc” tới eNB nguồn, giải phóng tài nguyên mặt phẳng người dùng Cuối cùng, MME xác nhận thông báo chuyển đổi đường dẫn từ eNB đích, hoàn tất quá trình chuyển giao.
Trong quá trình chuyển giao, eNB nguồn gửi thông báo giải phóng tài nguyên để giải phóng tài nguyên vô tuyến và tài nguyên liên quan đến mặt phẳng điều khiển, tùy thuộc vào hoàn cảnh của UE Trong khi thực hiện chuyển giao, các đường hầm giữa eNB nguồn và eNB đích được thiết lập để truyền dữ liệu lên và xuống cho mạng chuyển mạch EPS, cho phép dữ liệu người dùng được chuyển từ eNB nguồn sang eNB đích một cách hiệu quả.
Trong quản lý tính di động của UE trong trạng thái RRC rảnh rỗi, khu vực theo dõi (TA) đóng vai trò quan trọng Một TA thường bao gồm nhiều eNB và được xác định bởi nhận dạng khu vực theo dõi (TAI), thông tin này được phát quảng bá trong hệ thống thông tin Khi UE phát hiện sự thay đổi TAI, nó sẽ cập nhật thông tin TA mới tới MME khi di chuyển qua TA khác P-GW lưu trữ dữ liệu của UE và hỏi MME về vị trí của nó, sau đó MME thông báo cho UE trong các TA hiện tại UE có thể đăng ký đồng thời ở nhiều TA, giúp tiết kiệm năng lượng trong điều kiện di động cao và giảm tải cho biên của TA.
2.6 Kiến trúc hệ thống phát q ảng bá đa điểu m
Trong hệ thống LTE, MBMS có thể sử dụng truyền đơn ô hoặc truyền đa ô Trong truyền đơn ô, MBMS chỉ được truyền trong phạm vi của một ô cụ thể, do đó không hỗ trợ truyền dẫn từ nhiều ô Truyền dẫn MBMS đơn ô được thực hiện trên DL SCH, sử dụng kiến trúc mạng tương tự như lưu lượng truyền đơn hướng Các MTCH và MCCH được ánh xạ vào DL-SCH để thực hiện truyền dẫn điểm-đa điểm, và sự lập biểu được thực hiện bởi các eNB Các UE có thể nhận kênh phản hồi đường lên riêng, giống như người dùng trong truyền đơn hướng, cho phép HARQ ACK/NACK và phản hồi CQI.
Việc truyền tải HARQ được thực hiện thông qua một nhóm dịch vụ cụ thể RNTI, kết hợp với truyền dẫn trên MTCH Tất cả các UE nhận được MBMS có khả năng nhận lại và kết hợp với thông tin được truyền tại cấp HARQ Trong trạng thái RRC kết nối, các UE được cấp phát kênh thông tin phản hồi riêng biệt cho đường lên Để tránh việc truyền MBMS không cần thiết trên MTCH trong ô không có người sử dụng, mạng có thể phát hiện người dùng quan tâm đến dịch vụ MBMS thông qua yêu cầu dịch vụ từ UE Truyền từ nhiều ô hỗ trợ phát triển các dịch vụ truyền thông đa phương tiện (eMBMS) bằng cách phát sóng giống nhau từ nhiều ô mạng MTCH và MCCH được ánh xạ vào MCH cho truyền điểm - đa điểm, hình thức này gọi là mạng đơn tần số phát quảng bá đa điểm (MBSFN) Truyền MBSFN từ nhiều ô trong khu vực MBSFN được xem như là truyền đơn lẻ của UE Khu vực MBSFN bao gồm một nhóm ô đồng bộ phối hợp để truyền MBSFN, và được định nghĩa là khu vực mà tất cả các eNB đều có thể đồng bộ và thực hiện truyền MBSFN Một khu vực dịch vụ MBMS có thể bao gồm nhiều khu vực MBSFN, với mỗi ô trong khu vực đồng bộ MBSFN có thể hình thành phần của nhiều SFN với nội dung khác nhau.
Hình 2.15 Khu vực dịch vụ eMBMS và các khu vực MBSFN
Khu vực MBSFNA bao gồm các ô A1 đến A5 cùng với ô AB1 và AB2, trong khi khu vực MBSFNB bao gồm các ô B1 đến B5 cũng như ô AB1 và AB2 Hai ô AB1 và AB2 là thành phần chung của cả hai khu vực MBSFNA và MBSFNB Ô B5 thuộc khu vực B nhưng không tham gia vào việc truyền MBSFN Ô được gọi là ô khu vực dành riêng MBSFN có khả năng truyền tải các dịch vụ khác với nguồn tài nguyên phân bố cho MBSFN, nhưng với hạn chế nhất định Khu vực đồng bộ MBSFN, khu vực MBSFN và các ô dành riêng có thể được cấu hình bán tĩnh bởi O & M.
Kiến trúc MBMS cho truyền dẫn đa ô được thể hiện qua hình 2.16, trong đó phần tử phối hợp phát đa điểm đa ô (MCE) đóng vai trò là một phần tử logic, có thể tương tự như một phần của eNB MCE thực hiện các chức năng quan trọng như phân bổ nguồn tài nguyên vô tuyến cho tất cả các eNB trong khu vực MBSFN, đồng thời xác định cấu hình vô tuyến, bao gồm sơ đồ điều chế và mã hóa.
MBMS GW là một phần tử logic quan trọng, có chức năng chính là gửi và phát quảng bá các gói MBMS qua giao thức SYNC tới từng eNB Nó hỗ trợ DPCP cho phép quản lý người dùng và thực hiện phát đa điểm sử dụng IP, nhằm truyền tải dữ liệu người dùng MBMS tới eNB một cách hiệu quả.
Hình 2.16 Kiến trúc logic eMBMS
Các eNB kết nối với eMBMS GW qua giao diện M1, một giao diện mặt phẳng người dùng thuần túy không có phần ứng dụng điều khiển Hai giao diện điều khiển M2 và M3 được xác định, trong đó M2 chuyển dữ liệu cấu hình vô tuyến cho các eNB với chế độ truyền dẫn đa ô, còn M3 giữa MBMS GW và MCE thực hiện điều khiển phiên MBMS, bao gồm các thủ tục bắt đầu và dừng phiên truyền tín hiệu lên cấp độ mang chuyển EPS.
Một yêu cầu quan trọng trong truyền tải dịch vụ MBMS đa ô là đồng bộ nội dung MBMS để hỗ trợ hoạt động MBSFN Kiến trúc mặt phẳng người dùng eMBMS cho việc đồng bộ nội dung được minh họa trong hình 2.17.
Hình 2.17 Kiến trúc mặt phẳng người dùng eMBMS cho đồng bộ nội dung
Lớp giao thức SYNC được xây dựng dựa trên lớp mạng vận chuyển (TNL) nhằm hỗ trợ đồng bộ hóa nội dung Giao thức SYNC cung cấp thông tin bổ sung giúp các eNB xác định thời điểm truyền khung vô tuyến và phát hiện mất gói Các eNB tham gia truyền MBMS đa ô phải tuân thủ cơ chế đồng bộ hóa nội dung, trong khi các eNB chỉ truyền dịch vụ đơn ô không bị ràng buộc bởi các yêu cầu thời gian nghiêm ngặt của giao thức SYNC Nếu PDCP được sử dụng để nén tiêu đề, nó sẽ nằm trong eMBMS GW.
Các UE nhận MTCH truyền và tham gia vào ít nhất một kế hoạch phản hồi MBMS phải ở trong trạng thái RRC kết nối Ngược lại, các UE nhận MTCH mà không tham gia cơ chế phản hồi MBMS có thể ở chế độ RRC rảnh rỗi hoặc RRC không kết nối Để nhận truyền đơn ô của MTCH, UE cần ở chế độ RRC kết nối, và tín hiệu kích hoạt chuyển sang chế độ này chỉ phục vụ cho việc thu nhận đơn ô mang trên MCCH.
