TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG & GIỚI THIỆU VỀ MẠNG 4G LTE
Tổng quan về hệ thống thông tin di động
Các hệ thống thông tin di động đầu tiên xuất hiện vào những năm 1920, chủ yếu phục vụ cho việc liên lạc giữa các đơn vị cảnh sát tại Mỹ Vào ngày 17/6/1946, AT&T và Southwestern Bell đã giới thiệu hệ thống thông tin di động đầu tiên ở Mỹ với 6 kênh ở băng tần 150 MHz, sử dụng công nghệ bán song công và có độ rộng kênh là 60 KHz Hệ thống này đã nhanh chóng không đủ đáp ứng nhu cầu sử dụng tại các thành phố lớn, dẫn đến việc giảm độ rộng kênh xuống còn 30 KHz So với các hệ thống di động hiện nay, những hệ thống đầu tiên này có dung lượng và tính tiện lợi rất hạn chế.
1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất ( 1G)
Vào cuối thập niên 70, hệ thống điện thoại di động thế hệ thứ nhất được phát triển, sử dụng công nghệ thông tin di động tương tự với phương pháp đa 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 chuyển mạch tương tự, cho phép truyền tín hiệu theo hình thức tương tự.
NMT (Nordic Mobile Telephone) của công ty Ericsson tại Thụy Điển có hai phiên bản chính là NMT450 hoạt động ở băng tần 450 MHz và NMT900 ở băng tần 900 MHz Hệ thống AMPS (Advanced Mobile Phone System) do AT&T và Motorola phát triển vào năm 1982 cũng thuộc hệ thống 1G Tuy nhiên, các hệ thống 1G này gặp nhiều hạn chế như phân bố tần số hạn chế, dung lượng thấp, tiếng ồn và nhiễu khi di chuyển trong môi trường phức tạp, không đáp ứng được nhu cầu dịch vụ mới của khách hàng, không giảm đáng kể chi phí thiết bị và hạ tầng, không đảm bảo tính riêng tư của cuộc gọi, và thiếu tính tương thích giữa các hệ thống, đặc biệt là ở châu Âu, dẫn đến việc thuê bao không thể sử dụng điện thoại di động ở nước khác.
Tham số AMPS NMT 900 NMT 450
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 khiển 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 dẫn 10 Kbps 1.2 Kbps 1.2 Kbps
Bảng 1.1 Các thông số của một vài hệ thống thông tin di động
Thế hệ 1G gặp nhiều nhược điểm, bao gồm dung lượng thấp và xác suất rớt cuộc gọi cao Hệ thống chuyển cuộc gọi không đáng tin cậy, chất lượng âm thanh kém và thiếu chế độ bảo mật, gây ảnh hưởng đến trải nghiệm người dùng.
1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai ( 2G)
Sự gia tăng nhanh chóng số lượng thuê bao di động đã khiến hệ thống thông tin di động đầu tiên với các bộ chuyển mạch tương tự không còn đáp ứng đủ Để nâng cao dung lượng mạng, cải thiện chất lượng cuộc gọi và cung cấp thêm dịch vụ, các nhà mạng đã cần áp dụng các biện pháp hiệu quả Giải pháp cho vấn đề này là việc số hóa hệ thống điện thoại di động kết hợp với các kỹ thuật đa truy cập mới, 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 điện tử số, áp dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA) So với hệ thống di động thế hệ thứ nhất, 2G mang lại nhiều ưu điểm vượt trội, không chỉ cung cấp dịch vụ thoại truyền thống mà còn cải thiện chất lượng và khả năng kết nối.
Hệ thống 2G không chỉ cung cấp dịch vụ thoại mà còn hỗ trợ một số dịch vụ truyền dữ liệu, mặc dù tốc độ vẫn còn hạn chế Một trong những hệ thống di động 2G tiêu biểu là GSM (Global System for Mobile Communications).
Mobile Communication), IS-95 (Iterim Standard-95)
Hệ thống thông tin di động GSM, được triển khai lần đầu vào năm 1991, là công nghệ phổ biến nhất hiện nay GSM kết hợp hai kỹ thuật truy nhập là TDMA và FDMA, hoạt động trên hai dải tần số khoảng 900 MHz.
Băng tần đầu tiên cho đường lên hoạt động trong khoảng 890 MHz đến 915 MHz, trong khi băng tần thứ hai cho đường xuống nằm trong khoảng 935 MHz đến 960 MHz Mỗi kênh vật lý có băng thông 200 KHz và được chia thành 8 khe thời gian, với mỗi khe thời gian được gán cho một người sử dụng Để nâng cao dung lượng cho các hệ thống thông tin di động, tần số của các hệ thống được chuyển đổi từ vùng này sang vùng khác.
800 – 900 MHz vào vùng 1.8 – 1.9 GHz Một số nước đã đưa vào sử dụng cả hai tần số (Dual Band)
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 xuống: 935-960 MHz Băng thông kênh 200 KHz
Tốc độ điều chế dữ 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 hệ thống GSM
Kể từ khi ra đời, hệ thống GSM đã phát triển nhanh chóng và được triển khai ở nhiều quốc gia Tại Việt Nam, hệ thống thông tin di động GSM đã được đưa vào sử dụng từ năm 1993 và hiện nay 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 Cập Phân Chia Theo Mã IS-95; và Mạng tế bào Số Cá Nhân (PDC) GSM đạt đuợc thành công nhất và đuợc sử 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 triển khai, có một số vấn đề phát sinh cần được lưu ý.
Uplink Downlink 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 sự ra đời của băng tần mới này là do sự thiếu dung lượng của băng tần 900 MHz Băng tần 1800 MHz không chỉ mang lại ý nghĩa sử dụng lớn hơn mà còn trở nên phổ biến, đặc biệt tại các khu vực đông dân cư Do đó, cả hai băng tần di động đều được sử dụng đồng thời, với điện thoại sử dụng băng tần 1800 MHz khi có người khác kết nối trên mạng 900 MHz.
Hệ thống GSM 900 làm việc trong một băng tần hẹp, dài tần cơ bản từ
(890- 960MHz) Trong đó băng tần cơ bản đuợc chia làm 2 phần :
Băng tần được chia thành 2 băng, mỗi băng rộng 25MHz với 124 sóng mang, và khoảng cách giữa các sóng mang kề nhau là 200KHz Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt cho đường lên và xuống, gọi là kênh song công, với khoảng cách không đổi là 45MHz Hệ thống vô tuyến sử dụng 8 khe thời gian TDMA cho mỗi kênh, trong đó mỗi khe thời gian là một kênh vật lý để trao đổi thông tin giữa thiết bị di động (MS) và mạng GSM, với tốc độ truyền dữ liệu từ 6.5 đến 13 Kbps.
Từ năm 1989, tiêu chuẩn GSM đã được chuyển giao 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 thiện, bao gồm 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) - Chuyển mạch kênh tốc độ cao:
KIẾN TRÚC MẠNG VÀ GIAO THỨC
Kiến trúc mạng LTE
Kiến trúc phẳng đang được phát triển với nhiều mục tiêu nhằm giảm độ trễ và cải thiện hiệu suất thông qua việc giảm số lượng nút tham gia Sự phát triển này đã bắt đầu từ phiên bản 7, với ý tưởng về đường hầm trực tiếp cho phép mặt phẳng người dùng (UP) 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 tích hợp tất cả các dịch vụ, bao gồm cả thoại, thông qua các kết nối gói, dẫn đến một kiến trúc phẳng hơn với chỉ hai loại nút chính: nút B phát triển (eNB) và phần tử quản lý di động/cổng (MME/GW) Điều này hoàn toàn khác biệt so với kiến trúc mạng phân cấp của hệ thống 3G với nhiều nút Một thay đổi đáng chú ý là phần điều khiển mạng vô tuyến (RNC) đã được loại bỏ khỏi đường dữ liệu, và chức năng của nó hiện được thực hiện tại eNB Việc sử dụng một nút duy nhất trong mạng truy cập giúp giảm độ trễ và phân phối tải RNC vào nhiều eNB, đồng thời loại bỏ RNC cũng phản ánh sự không hỗ trợ chuyển giao mềm của hệ thống LTE.
1.1.1 Tổng quan về cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống
Hình 2.2 mô tả kiến trúc và các thành phần mạng trong cấu hình chỉ có một E-UTRAN tham gia, với bốn vùng chính bao gồm thiết bị người dùng (UE), UTRAN phát triển (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) thuộc lớp kết nối trong hệ thống gói phát triển (EPS) Lớp này chủ yếu cung cấp kết nối IP và được tối ưu hóa cho một mục tiêu duy nhất, nhằm đảm bảo hiệu suất tối ưu cho các dịch vụ được cung cấp.
Trong kiến trúc E-UTRAN và EPC, công nghệ IP đã trở thành yếu tố chủ đạo, thay thế hoàn toàn các nút chuyển mạch và giao diện của các kiến trúc 3GPP trước đây Mọi thiết kế và truyền tải trong hệ thống đều được tối ưu hóa để hoạt động trên nền tảng IP.
Các hệ thống con đa phương tiện IP (IMS) là ví dụ điển hình về thiết bị hỗ trợ trong lớp kết nối dịch vụ, cho phép cung cấp các dịch vụ dựa trên 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 mạch truyền thống như PSTN và ISDN thông qua các cổng đa phương tiện của nó.
Sự phát triển của E-UTRAN tập trung vào nút B, cụ thể là eNode B, nơi 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 đơn giản là một mạng lưới các eNode B được kết nối với nhau qua giao diện X2.
Một trong những thay đổi kiến trúc quan trọng trong mạng lõi là EPC, không còn 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 sự thay đổi đáng kể trong bố trí các nút chức năng và kiến trúc khiến nó trở thành một hệ thống hoàn toàn mới.
Hình 2.1 và 2.2 minh họa sự tồn tại của phần tử SAE GW, được cấu thành từ hai cổng: cổng phục vụ (S-GW) và cổng mạng dữ liệu gói (P-GW), chịu trách nhiệm cho các xử lý UP trong EPC Sự kết hợp này tạo nên 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 giao tiếp chính, thường là điện thoại thông minh hoặc thẻ dữ liệu trong các mạng 2G và 3G, nhưng cũng có thể được tích hợp vào máy tính xách tay UE bao gồm các mô-đun nhận dạng thuê bao toàn cầu (USIM), được coi là một phần tách biệt với thiết bị đầu cuối (TE) USIM được cài đặt trên thẻ thông minh tháo rời (UICC) và có vai trò quan trọng trong việc nhận dạng và xác thực người dùng, đồng thời cung cấp khóa bảo mật để bảo vệ dữ liệu truyền tải qua giao diện vô tuyến.
Các chức năng của UE là cơ sở cho các ứng dụng truyền thông, cho phép thiết lập, duy trì và loại bỏ các liên kết thông tin cần thiết cho người dùng Chúng bao gồm quản lý tính di động như chuyển giao và báo cáo vị trí thiết bị, đồng thời UE phải tuân theo hướng dẫn của mạng Quan trọng nhất, UE cung cấp giao diện người dùng cho người dùng cuối, giúp các ứng dụng như VoIP có thể thực hiện cuộc gọi thoại.
E-UTRAN chỉ có một nút duy nhất là E-UTRAN NodeB (eNodeB), đóng vai trò là trạm gốc vô tuyến kiểm soát tất cả các chức năng vô tuyến trong phần cố định của hệ thống Các eNodeB được phân bố rộng rãi trên toàn khu vực phủ sóng của mạng và thường được đặt gần các anten vô tuyến hiện tại để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
eNodeB đóng vai trò cầu nối giữa người dùng (UE) và lõi mạng (EPC), là điểm cuối cho tất cả các giao thức vô tuyến từ phía UE Nó tiếp nhận dữ liệu giữa các kết nối vô tuyến và các kết nối IP trong EPC Trong vai trò này, EPC thực hiện mã hóa và giải mã dữ liệu.
eNodeB đóng vai trò quan trọng trong việc nén và giải nén tiêu đề IP, nhằm ngăn chặn 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, bao gồm quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) Điều này có nghĩa là eNodeB kiểm soát việc sử dụng giao diện vô tuyến thông qua việc phân bổ tài nguyên dựa trên yêu cầu và ưu tiên, lập lịch 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 quản lý tính di động (MM) bằng cách điều khiển và đo đạc tín hiệu vô tuyến thông qua UE Quá trình này bao gồm việc trao đổi tín hiệu chuyển giao giữa các eNB khác nhau và MME Khi một UE mới được kích hoạt theo yêu cầu của eNB và kết nối vào mạng, eNodeB chịu trách nhiệm định tuyến, đề xuất các MME đã phục vụ cho UE trước đó hoặc chọn một MME mới nếu không có tuyến đường đến các MME trước đó hoặc thông tin định tuyến không khả dụng.
Các giao diện và giao thức trong cấu hình kiến trúc cơ bản của hệ thống
Hình 2.8 minh họa các giao thức CP liên quan đến việc kết nối của UE với PDN Giao diện từ MME được chia thành hai phần: phần trên là các giao thức hướng tới E-UTRAN và UE, trong khi phần dưới thể hiện các giao thức hướng tới các cổng Các giao thức nền trắng được phát triển bởi 3GPP, còn các giao thức nền xám do IETF phát triển, đại diện cho các công nghệ mạng tiểu chuẩn trong EPS 3GPP chỉ định cách thức cụ thể mà các giao thức này được áp dụng.
Lớp trên cùng trong CP là các lớp không truy cập (NAS), bao gồm hai giao thức riêng biệt thực hiện việc truyền tải tín hiệu trực tiếp giữa UE và MME Các giao thức lớp NAS đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
1- Quản lý tính di động EPS ( EMM): các giao thức MME có trách nhiệm về điều khiển tính di động của UE trong hệ thống Nó bao gồm các chức năng kết nối vào và tách ra từ mạng, và thực hiện việc cập nhật vị trí Điều này được gọi là cập nhật khu vực theo dõi (TAU), và nó diễn ra trong chế độ nhàn dỗi Chú ý rằng các chuyển giao trong chế độ kết 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 sử dụng để điều khiển việc quản lý phần tử mang giữa UE và MME, và nó được sử dụng bổ sung cho E-UTRAN trong việc quản lý phần tử mang Lưu ý rằng sẽ không sử dụng các thủ tục 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 quan trọng trong việc quản lý và kiểm soát việc sử dụng nguồn tài nguyên vô tuyến Giao thức này không chỉ quản lý báo hiệu của thiết bị người dùng (UE) mà còn điều phối các kết nối dữ liệu, bao gồm cả các chức năng chuyển giao.
3- Giao thức hội tụ dữ 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 việc sửa lỗi với phương pháp yêu cầu truyền lại tự động (ARQ)
5- Điều khiển truy nhập 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 tải ở lớp 1 Lớp MAC cũng cung cấp việc sửa lỗi với HARQ
6- Lớp vật 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 quan trọng trong việc quản lý các kết nối UP trong EPC, bao gồm việc báo hiệu QoS và các thông số khác Khi GTP được sử dụng trong giao diện S5/S8, nó còn quản lý các đường hầm GTP-U Ngoài ra, GTP-C cũng thực hiện các chức năng quản lý di động trong EPC, chẳng hạn như chuyển đổi các đường hầm GTP-U của một UE từ nút này sang nút khác.
Giao thức UDP-IP, bao gồm giao thức dữ liệu đơn vị (UDP) và IP, được sử dụng như phương thức truyền tải IP cơ bản và tiêu chuẩn UDP được lựa chọn thay vì giao thức điều khiển truyền dẫn (TCP) vì các lớp ứng dụng cao hơn đã cung cấp khả năng truyền tải tin cậy thông qua cơ chế khắc phục lỗi và truyền lại Các gói tin IP trong EPC có khả năng vận chuyển qua nhiều công nghệ khác nhau ở lớp 1 và lớp 2.
Các giao thức sau đƣợc sử dụng khi S5/S8 dựa trên PMIP:
IP di động ủy nhiệm (PMIP) là một giao thức sử dụng 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 chạy trực tiếp trên IP, và nó được sử dụng như là truyền tải IP tiêu chuẩn.
Hình 2.9 minh họa cấu trúc giao thức UP cho UE kết nối với P-GW, trong đó UP 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 với CP, cho thấy rằng 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 ở kích thước.
Hình 2.9: Ngăn 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 được lựa chọn trong bộ giao thức của giao diện S5/S8:
1- Mặt phẳng người dùng giao thức đường hầm GPRS ( GTP-U) : GTP-U được sử dụng khi S5/S8 là dựa trên GTP Dạng thức của GTP-U đó là đường hầm GTP-U được dùng để gửi các gói tin của người dùng IP cuối về một mang chuyển EPS Nó được sử dụng trong giao diện S1-U và sử dụng trong S5/S8 nếu CP sử dụng GTP-C
2- Đóng gói định tuyến chung ( GRE): GRE sử dụng giao diện S5/S8 kết họp với PMIP Dạng thức của GRE là một IP trong đường hầm IP để vận chuyển tất cả các dữ liệu thuộc về một kết nối của UE tới 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 diện S1 Chỉ có giao thức ứng dụng CP là khác nhau
Hình 2.10: Các ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng cho giao diện X2
Giao diện X2 được sử dụng khi di chuyển giữa các eNodeB, với X2AP đảm nhận chức năng chuẩn bị chuyển giao và duy trì liên lạc giữa các eNodeB lân cận Trong giao diện X2, UP hỗ trợ chuyển tiếp dữ liệu tạm thời trong quá trình chuyển giao, khi các giao diện vô tuyến đã ngắt kết nối ở phía nguồn và chưa kết nối lại ở phía đích Chuyển tiếp dữ liệu chủ yếu diễn ra với các dữ liệu hướng xuống, trong khi dữ liệu hướng lên có thể được điều chỉnh hiệu quả bởi 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
QoS và kiến trúc dịch vụ mang chuyển
Các ứng dụng như VoIP, duyệt web, video call và video streaming yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) đặc biệt Một yếu tố quan trọng của mạng toàn gói là khả năng cung cấp cơ chế QoS, cho phép phân loại các dòng gói tin theo nhu cầu QoS Trong hệ thống EPS, dòng QoS được gọi là mang chuyển EPS, được thiết lập giữa thiết bị người dùng (UE) và cổng mạng chính (P-GW).
Hình 2.11 Kiến trúc dịch vụ mang truyền EPS
Một phần tử mang vô tuyến chịu trách nhiệm vận chuyển các gói tin của một mang chuyển EPS giữa một UE và một eNB Mỗi dòng IP được liên kết với một mang chuyển EPS riêng biệt, cho phép các mạng ưu tiên lưu lượng một cách hiệu quả Khi P-GW nhận gói tin IP từ internet, nó sẽ phân loại gói dựa trên các thông số đã xác định và chuyển tiếp đến mang chuyển EPS phù hợp Dựa trên mang chuyển EPS này, eNB sẽ ánh xạ các gói tin tới phần tử mang vô tuyến với QoS tương ứng Có sự ánh xạ một - một giữa mỗi mang chuyển EPS và phần tử mang vô tuyến.
Giao thức trạng thái và chuyển tiếp trạng thái
Trong hệ thống LTE, điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC) có hai chế độ: RRC rảnh dỗi và RRC kết nối Một UE chuyển từ trạng thái RRC rảnh dỗi sang RRC kết nối khi thiết lập thành công một kết nối RRC, và ngược lại, có thể chuyển về 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 lường ô lân cận, và thu thập thông tin hệ thống Thêm vào đó, mỗi UE trong trạng thái này có chu kỳ DRX riêng, được cấu hình để tiết kiệm năng lượng, trong khi tính di động cũng được điều khiển bởi UE.
Hình 2.12 Trạng thái của UE và chuyển tiếp trạng thái
Trong chế độ RRC kết nối, dữ liệu có thể được truyền đơn hướng tới và từ UE, cũng như dữ liệu phát quảng bá và đa điểm UE có thể được cấu hình với DRX/DTX để truyền dẫn gián đoạn ở các lớp thấp hơn Các kênh điều khiển giám sát UE liên kết với kênh dữ liệu chung nhằm xác định và lập biểu cho dữ liệu, cung cấp thông tin phản hồi về chất lượng, thực hiện đo đạc ô lân cận, báo cáo đo đạc và thu thập thông tin hệ thống Khác với trạng thái RRC rảnh, trong trạng thái này, tính di động được điều khiển bởi mạng.
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 MME/GW Chuyển giao nhanh chóng và liên tục (HO) là rất cần thiết cho các dịch vụ nhạy cảm với độ trễ như VoIP Chuyển giao thường xảy ra nhiều hơn giữa các eNB thay vì giữa các mạng lõi, vì khu vực được phục vụ bởi MME/GW thường bao gồm nhiều eNB và lớn hơn so với khu vực của một eNB đơn Giao diện X2 giữa các eNB được sử dụng để chuẩn bị cho quá trình chuyển giao, trong khi S-GW đóng vai trò là nút cuối cho việc chuyển giao giữa các eNB.
Trong hệ thống LTE, việc chuyển giao giữa các ô lân cận được dựa vào thiết bị người dùng (UE) để phát hiện, mà không cần thông tin từ mạng UE chỉ cần báo cáo về chất lượng tín hiệu giữa các eNB để xác định ô đích Khi UE di chuyển từ eNB1 sang eNB2, eNB1 sẽ gửi thông tin về UE tới eNB2 qua giao diện X2 để chuẩn bị cho quá trình chuyển giao eNB2 sẽ cấu hình tài nguyên cần thiết dựa trên thông tin QoS nhận được và cấp một C-RNTI để nhận diện UE Khi eNB2 xác nhận đã sẵn sàng cho chuyển giao, eNB1 sẽ ra lệnh cho UE chuyển sang eNB2 UE nhận lệnh HO và thực hiện chuyển giao mà không gặp phải độ trễ, đồng thời gửi phản hồi HARQ/ARQ về eNB nguồn.
Hình 2.13 Hoạt động chuyển giao
Sau khi nhận lệnh HO, UE thực hiện kết nối với eNB đích qua kênh RACH, có thể thông qua thủ tục tranh chấp tự do hoặc cơ bản Mạng sẽ cấp phát tài nguyên đường lên và định thời cho UE Khi UE truy nhập thành công vào ô đích, nó gửi bản tin xác nhận HO (C-RNTI) và báo cáo tình trạng bộ đệm đường lên Sau đó, eNB đích thông báo cho MME về việc UE đã chuyển đổi ô, và MME cập nhật mặt phẳng người dùng tới S-GW S-GW chuyển dữ liệu xuống tới eNB đích, gửi gói “dấu hiệu kết thúc” tới eNB nguồn và giải phóng tài nguyên Cuối cùng, MME xác nhận thông báo chuyển đổi đường dẫn từ eNB đích, hoàn tất quy trình chuyển giao.
HO đến eNB nguồn được thực hiện bằng cách gửi thông báo giải phóng tài nguyên, kích hoạt quá trình giải phóng tài nguyên Sau khi nhận được thông báo này, eNB nguồn có khả năng giải phóng tài nguyên vô tuyến và các tài nguyên liên quan đến mặt phẳng điều khiển, phù hợp với tình huống của UE.
Trong quá trình chuyển giao, các đường hầm mặt phẳng người dùng được thiết lập giữa eNB nguồn và eNB đích, bao gồm một đường hầm cho dữ liệu hướng lên và một đường hầm cho dữ liệu hướng xuống cho mỗi mang chuyển EPS Điều này cho phép dữ liệu người dùng được chuyển tiếp từ eNB nguồn đến eNB đích một cách hiệu quả.
Khu vực theo dõi (TA) đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý tính di động của UE trong trạng thái RRC rảnh rỗi Mỗi TA thường bao gồm nhiều eNB và được xác định bởi mã nhận diện khu vực theo dõi (TAI), thông tin này được phát quảng bá trong hệ thống Khi UE phát hiện sự thay đổi TAI, nó sẽ cập nhật thông tin TA mới cho MME khi di chuyển qua TA khác P-GW lưu trữ dữ liệu của UE và hỏi MME về vị trí của nó, cho phép UE được đăng ký đồng thời ở nhiều TA Tính năng này giúp tiết kiệm năng lượng cho UE trong điều kiện di động cao và giảm tải cho biên của TA.
Kiến trúc hệ thống phát quảng bá đa điểm
Trong hệ thống LTE, MBMS có hai phương thức truyền là truyền đơn ô và truyền đa ô Trong truyền đơn ô, MBMS chỉ được phát trong một ô cụ thể, không hỗ trợ truyền dẫn từ nhiều ô Truyền dẫn MBMS đơn ô diễn ra 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 cho truyền dẫn điểm-đa điểm, với việc lập biểu do các eNB thực hiện Các UE có thể nhận kênh phản hồi đường lên dành riêng, tương tự như người dùng trong truyền đơn hướng, cho phép thực hiện HARQ ACK/NACK và phản hồi CQI.
Việc truyền lại HARQ sử dụng RNTI kết hợp với truyền MTCH gốc, cho phép tất cả các UE nhận được MBMS có thể nhận truyền lại và kết hợp với bản gốc ở cấp HARQ Các UE được cấp kênh phản hồi cho đường lên khi ở trạng thái RRC kết nối Để tránh truyền MBMS không cần thiết, mạng có thể phát hiện người dùng quan tâm qua yêu cầu dịch vụ Truyền phát đa ô hỗ trợ phát triển dịch vụ truyền thông đa phương tiện (eMBMS) bằng cách phát sóng giống nhau từ nhiều ô mạng cùng lúc MTCH và MCCH được ánh xạ vào MCH cho truyền điểm - đa điểm, gọi là mạng đơn tần số phát quảng bá đa điểm (MBSFN) Truyền MBSFN từ nhiều ô trong khu vực MBSFN được xem như truyền đơn lẻ của UE, với khu vực MBSFN bao gồm các ô đồng bộ để thực hiện truyền Khu vực dịch vụ MBMS có thể bao gồm nhiều khu vực MBSFN, trong đó một ô có thể thuộc nhiều SFN khác nhau, mỗi khu vực đặc trưng bởi nội dung và các ô mạng tham gia 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 cùng với ô AB1 và AB2 Các ô AB1 và AB2 là 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 khu vực dành riêng MBSFN có thể truyền tải các dịch vụ khác, nhưng với khả năng hạn chế 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 minh họa trong hình 2.16, với phần tử phối hợp phát đa điểm đa ô (MCE) đóng vai trò quan trọng MCE là một phần tử logic, có thể tích hợp vào các bộ phận mạng như eNB Chức năng của MCE bao gồm phân bổ tài nguyên vô tuyến cho tất cả các eNB trong khu vực MBSFN và xác định cấu hình vô tuyến, bao gồm sơ đồ điều chế và mã hóa.
MBMS GW là một thành phần logic quan trọng, có chức năng chính là gửi và phát quảng bá các gói MBMS qua giao thức SYNC đến từng eNB cung cấp dịch vụ Nó hoạt động như một cổng lớp DPCP trong mặt phẳng người dùng, sử dụng công nghệ phát đa điểm IP để chuyển tiếp dữ liệu người dùng MBMS tới eNB.
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, với M2 vận chuyển dữ liệu cấu hình vô tuyến cho các eNB trong chế độ truyền dẫn đa ô Giao diện M3 giữa MBMS GW và MCE thực hiện điều khiển phiên MBMS, bao gồm các thủ tục như bắt đầu và dừng phiên truyền tín hiệu lên cấp độ mang chuyển EPS.
Một yêu cầu quan trọng trong việc 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 rõ ràng 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 trên lớp mạng vận chuyển (TNL) nhằm hỗ trợ đồng bộ hóa nội dung Giao thức này cung cấp thông tin cần thiết để các eNB xác định thời điểm truyền khung vô tuyến và phát hiện mất gói Các eNB tham gia vào việc 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 yêu cầu tuân theo các quy định 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 kế hoạch phản hồi MBMS cần ở trạng thái RRC kết nối, trong khi các UE nhận MTCH mà không tham gia có thể ở chế độ RRC rảnh rỗi hoặc RRC kết nối Để nhận truyền đơn ô của MTCH, UE thường cần ở chế độ RRC kết nối Tín hiệu kích hoạt chuyển đổi sang chế độ RRC kết nối chỉ nhằm mục đích thu nhận đơn ô trên MCCH.
