TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG & GIỚI THIỆU VỀ MẠNG 4G LTE
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất ( 1G)
Cuối thập niên 70, hệ thống điện thoại di động thế hệ thứ nhất ra đời, 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 analog.
NMT (Nordic Mobile Telephone) của công ty Ericsson tại Thụy Điển có hai phiên bản là NMT450 hoạt động ở băng tần 450 MHz và NMT900 ở băng tần 900 MHz Bên cạnh đó, AMPS (Advanced Mobile Phone System) là hệ thống điện thoại di động do AT&T và Motorola đề xuất vào năm 1982 Tất cả các hệ thống này đều thuộc thế hệ 1G, nhưng chúng gặp phải nhiều hạn chế như phân bố tần số hạn chế, dung lượng thấp, cùng với tiếng ồn và nhiễu khi di chuyển.
Trong môi trường phađing đa tia, 16 động chuyển dịch không đáp ứng được các dịch vụ mới hấp dẫn cho khách hàng, không cho phép giảm giá thành thiết bị di động và cơ sở hạ tầng, đồng thời không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi Sự không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở châu Âu, khiến thuê bao không thể sử dụng máy di động của mình ở nước khác Bảng 1.1 liệt kê một số thông số chính của các hệ thống di động.
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 hạn chế, tỉ lệ rớt cuộc gọi cao, 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 với các bộ chuyển mạch tương tự không còn đáp ứng nhu cầu Các nhà mạng cần nâng cao dung lượng và chất lượng cuộc gọi, đồng thời cung cấp thêm dịch vụ bổ sung Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã áp dụng số hóa hệ thống điện thoại di động và các kỹ thuật đa truy cập mới, dẫn đến sự ra đời của hệ thống điện thoại di động thế hệ thứ 2 (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) để cải thiện khả năng truyền tải dữ liệu và nâng cao hiệu suất mạng.
Access) Hệ thống này có nhiều ưu điểm vượt trội hơn hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống
The 2G system offers additional data transmission services, although at lower speeds Notable examples of 2G mobile systems include GSM (Global System for Mobile Communication) and IS-95 (Interim Standard-95).
GSM, hệ thống thông tin di động phổ biến nhất, được triển khai lần đầu vào khoảng năm 1991 Hệ thống này kết hợp kỹ thuật truy nhập TDMA và FDMA, hoạt động trên hai dải tần số xung quanh 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 tăng cường dung lượng cho các hệ thống thông tin di động, tần số của các hệ thống được chuyển 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
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 hiện diện ở nhiều quốc gia Tại Việt Nam, hệ thống thông tin di động GSM được triển khai 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 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, đã xuất hiện một số vấn đề phát sinh cần được giải quyết.
19 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 Sự ra đời của băng tần mới này xuất phát từ nhu cầu tăng cao về dung lượng do băng tần 900 MHz không đủ đáp ứng Băng tần 1800 MHz trở nên phổ biến hơn, đặc biệt tại các khu vực đông dân cư, cho phép người dùng tận dụng tối đa khả năng kết nối Do đó, cả hai băng tần di động được sử dụng song song, với điện thoại kết nối băng tần 1800 MHz khi có lưu lượng truy cập cao 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 gồm 124 sóng mang được chia thành 2 băng, mỗi băng rộng 25MHz, với khoảng cách giữa các sóng mang kề nhau là 200KHz Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt cho đường lên và xuống, được gọi là kênh song công, với khoảng cách giữa 2 tần số là 45MHz Mỗi kênh vô tuyến có 8 khe thời gian TDMA, trong đó mỗi khe thời gian là một kênh vật lý để trao đổi thông tin giữa MS và mạng GSM, với tốc độ truyền tải từ 6.5 đến 13 Kbps.
Từ năm 1989, tiêu chuẩn GSM được chuyển giao cho Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) và đã 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:
Một trong những nhược điểm của các hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ GSM là tốc độ truyền dữ liệu chậm Mặc dù tốc độ lý thuyết đạt tới 14.4 Kbps, nhưng thực tế đo được thường thấp hơn nhiều.
Công nghệ HSCSD giúp tăng tốc độ truyền tải dữ liệu lên đến 9.6Kbps bằng cách sử dụng ghép kênh theo thời gian Một trạm di động có thể sử dụng tối đa 4 khe thời gian cho một kết nối dữ liệu, với mỗi khe có thể đạt tốc độ 9.6Kbps hoặc 14.4Kbps Tốc độ tổng thể được tính bằng số khe thời gian nhân với tốc độ dữ liệu của một khe HSCSD còn cho phép phân bố khe thời gian liên tục, ngay cả khi không có dữ liệu được truyền đi.
❖ GPRS (General Packet Radio Service) - Dịch vụ truyền dữ liệu theo gói:
GPRS là một hệ thống vô tuyến trung gian, được xem là 3G về mạng lõi, cung cấp kết nối dữ liệu chuyển mạch gói với tốc độ lên tới 171,2Kbps Hệ thống này hỗ trợ giao thức Internet TCP/IP và X25, từ đó nâng cao đáng kể các dịch vụ dữ liệu của GSM.
Việc tích hợp GPRS vào mạng GSM được thực hiện rất đơn giản bằng cách tận dụng một phần các khe trên giao diện vô tuyến để dành cho GPRS Điều này cho phép ghép kênh số liệu gói được lập lịch trình trước đối với một số trạm di động Để hỗ trợ GPRS, phân hệ trạm gốc chỉ cần nâng cấp một phần nhỏ liên quan đến khối điều khiển gói (PCU).
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 ( 3G)
Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-2000 (International Mobil 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
+ Truy nhập Internet (duyệt Web, tải tài liệu, )
Sử dụng công nghệ thống nhất giúp đảm bảo tính tương thích toàn cầu giữa các hệ thống IMT-2000 cam kết cung cấp băng thông rộng, đáp ứng nhu cầu dịch vụ đa phương tiện và khả năng truy cập Internet hiệu quả.
Băng thông 2Mbps thường gặp khó khăn trong việc triển khai thực tế, chỉ đáp ứng tốt cho người dùng không di động Khi di chuyển, băng thông giảm xuống còn 384 Kbps khi đi bộ và 144 Kbps khi di chuyển bằng ô tô Các hệ thống 3G điển hình cho thấy sự hạn chế này.
UMTS (Hệ thống Điện thoại Di động Toàn cầu) là giải pháp phổ biến cho các quốc gia chuyển đổi từ hệ thống GSM lên 3G, dựa trên công nghệ W-CDMA Được hỗ trợ bởi Liên Minh Châu Âu và quản lý bởi tổ chức 3GPP, UMTS hoạt động ở băng thông 5MHz, cho phép chuyển giao cuộc gọi mượt mà giữa các hệ thống UMTS và GSM hiện có Những đặc điểm nổi bật của WCDMA bao gồm khả năng cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao và cải thiện chất lượng cuộc gọi.
WCDMA sử dụng kênh truyền dẫn rộng 5 MHz để truyền dữ liệu, cho phép tốc độ truyền đạt lên đến 384 Kbps trong mạng di động và 2 Mbps trong các hệ thống tĩnh.
Hệ thống UMTS có cấu trúc phân tầng với ba tầng chính: tầng dịch vụ, tầng điều khiển và tầng kết nối Tầng dịch vụ ở trên cùng mang lại lợi ích như triển khai nhanh chóng các dịch vụ và tập trung hóa địa điểm Tầng giữa là tầng điều khiển, giúp nâng cấp quy trình và cho phép mạng lưới phân chia linh hoạt Cuối cùng, tầng kết nối cho phép sử dụng bất kỳ công nghệ truyền dữ liệu nào, trong đó dữ liệu âm thanh được chuyển qua ATM/AAL2 hoặc IP/RTP.
Hiện tại, có 6 băng tần được sử dụng cho UMTS/WCDMA, trong đó tập trung vào tần số UMTS với 2 băng tần chính: băng tần lên từ 1885 MHz đến 2025 MHz và băng tần xuống từ 2110 MHz đến 2200 MHz.
Sự phát triển của WCDMA lên 3.5G là HSxPA
CDMA2000 là một chuẩn 3G quan trọng, kế thừa công nghệ CDMA từ các hệ thống thế hệ 2 Chuẩn này được quản lý bởi 3GPP2, một tổ chức độc lập không liên quan đến 3GPP của UMTS CDMA2000 cung cấp tốc độ truyền dữ liệu từ 144 Kbps đến hàng Mbps.
Chuẩn đuợc ít biết đến hơn là TD-SCDMA đang đuợc phát triển tại Trung
Hiện nay, có nhiều chuẩn công nghệ cho 2G và các chuẩn công nghệ 3G, nhưng WCDMA (FDD) và CDMA 2000 là hai tiêu chuẩn quan trọng nhất với sản phẩm thương mại và khả năng triển khai rộng rãi toàn cầu WCDMA tương thích với giao thức mạng lõi GSM (GSM MAP), chiếm 65% thị trường thế giới, trong khi CDMA 2000 tương thích với mạng lõi IS-41 và chiếm 15% thị trường.
KIẾN TRÚC MẠNG VÀ GIAO THỨC
Kiến trúc mạng LTE
Nhiều mục tiêu đang chỉ ra rằng cần phát triển một kiến trúc phẳng, với ít nút tham gia để giảm độ trễ và cải thiện hiệu suất Sự phát triển này đã được khởi động từ phiên bản 7, nơi 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 nhằm 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 thoại, thông qua các kết nối gói Kiến trúc này đơn giản hóa với chỉ hai loại nút chính là nút B phát triển (eNB) và phần tử quản lý di động/cổng (MME/GW), hoàn toàn khác biệt so với kiến trúc phân cấp phức tạp của hệ thống 3G Một thay đổi quan trọng là phần điều khiển mạng vô tuyến (RNC) đã được loại bỏ khỏi đường dữ liệu, với chức năng của nó hiện được thực hiện tại eNB, mang lại lợi ích như giảm độ trễ trong mạng truy cập.
Việc phân phối xử lý tải RNC vào nhiều eNB là một yếu tố quan trọng, trong đó việc loại bỏ RNC khỏi mạng truy cập phần nào là do hệ thống LTE không hỗ trợ chuyển giao mềm.
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 Hình ảnh này phân chia kiến trúc thành bốn vùng chính: 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) ở lớp kết nối, thuộc hệ thống gói phát triển (EPS) Lớp này có chức năng chính là cung cấp kết nối dựa trên IP, được tối ưu hóa cho mục tiêu duy nhất, với tất cả các dịch vụ được cung cấp dựa trên nền tảng này.
Trong kiến trúc E-UTRAN và EPC, công nghệ IP trở thành ưu thế chủ đạo trong việc truyền tải dữ liệu, khi mà tất cả các nút chuyển mạch và giao diện trước đây trong 3GPP đều không còn hiện diện Mọi thứ được thiết kế để hoạt động hiệu quả và truyền tải thông tin trên nền tảng IP.
Hệ thống con đa phương tiện IP (IMS) là một ví dụ điển hình về thiết bị phục vụ 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, IMS hỗ trợ dịch vụ thoại bằng cách cung cấp thoại qua IP (VoIP) và kết nối với các mạng chuyển mạch mạch cũ 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 là một mạng lưới gồm các eNodeB 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 EPC thực hiện các chức năng tương đương với vùng chuyển mạch gói của mạng 3GPP hiện tại, tuy nhiên, sự thay đổi đáng kể trong bố trí các nút chức năng và kiến trúc phần này cần được xem như một hệ thống hoàn toàn mới.
Hình 2.1 và 2.2 minh họa sự tồn tại của phần tử SAE GW, được xác định là sự kết hợp của cổng phục vụ (S-GW) và cổng mạng dữ liệu gói (P-GW), phục vụ cho các xử lý UP trong EPC Việc gộp hai cổng này lại thành SAE GW thể hiện cấu hình kiến trúc cơ bản của hệ thống, với chức năng được quy định trong tài liệu 3GPP TS 23.401.
1.1.2 Thiết bị người dùng ( UE)
UE là thiết bị mà người dùng đầu cuối sử dụng để liên lạc Thông thường
Thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh và thẻ dữ liệu hiện nay vẫn sử dụng mạng 2G và 3G, hoặc có thể được tích hợp vào máy tính xách tay Thiết bị người dùng (UE) bao gồm các mô-đun nhận dạng thuê bao toàn cầu (USIM), là một phần tách biệt với thiết bị đầu cuối (TE) USIM là ứng dụng được cài đặt trên thẻ thông minh có thể tháo rời, gọi là thẻ mạch tích hợp toàn cầu (UICC), và được sử dụng để xác thực người dùng nhằm bảo vệ dữ liệu truyền tải qua 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 phải tuân thủ hướng dẫn từ mạng Đặc biệt, UE cung cấp giao diện người dùng cho người sử dụng cuối, cho phép các ứng dụng như VoIP thiết lập cuộc gọi thoại một cách hiệu quả.
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 hệ thống Các eNodeB thường được phân bố rộng rãi trong khu vực phủ sóng của mạng, và mỗi eNodeB thường nằm gần các anten vô tuyến hiện có của chúng.
eNodeB đóng vai trò cầu nối giữa thiết bị người dùng (UE) và mạng lõi (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 cơ bản từ phía EPC, đồng thời thực hiện mã hóa và giải mã dữ liệu.
UP, và cũng có nén / giải nén tiêu đề IP, tránh việc gửi đi lặp lại giống nhau hoặc dữ liệu liên tiếp trong tiêu đề IP
eNodeB đảm nhiệm nhiều chức năng quan trọng trong mặt phẳng điều khiển (CP), bao gồm quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) Nó 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 trình lưu lượng theo yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS), đồng thời liên tục giám sát tình hình sử dụng tài nguyên.
Các giao diện và giao thức trong cấu hình kiến trúc cơ bản của hệ thống42 2.3 QoS và kiến trúc dịch vụ mang chuyển
Hình 2.8 minh họa các giao thức CP liên quan đến việc kết nối của UE với một PDN Giao diện từ MME được chia thành hai phần: phần trên là các giao thức kết nối với E-UTRAN và UE, trong khi phần dưới thể hiện các giao thức hướng tới các cổng Các giao thức được hiển thị trên nền trắng.
Các giao thức trong nền xám được phát triển bởi IETF, đại diện cho các công nghệ mạng tiêu chuẩn dùng cho truyền tải trong EPS 3GPP phát triển 43 và xác định cách cụ thể mà các giao thức này được sử dụng.
Lớp trên cùng trong CP gồm các lớp không truy cập (NAS), với 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 RRC không chỉ quản lý tín hiệu của thiết bị người dùng (UE) và các kết nối dữ liệu mà còn bao gồm các chức năng chuyển giao, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho mạng.
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) quản lý các kết nối UP trong EPC, bao gồm báo hiệu QoS và các thông số liên quan Khi GTP được áp dụng trong giao diện S5/S8, nó còn có nhiệm vụ quản lý các đường hầm GTP-U Ngoài ra, GTP-C cũng thực hiện chức năng quản lý di động trong EPC, đặc biệt là khi cần chuyển các đường hầm GTP-U của một UE từ nút này sang nút khác.
Giao thức truyền tải UDP-IP sử dụng giao thức dữ liệu đơn vị (UDP) và IP như là phương thức truyền tải cơ bản và tiêu chuẩn UDP được lựa chọn thay vì các giao thức khác do tính năng đơn giản và hiệu quả trong việc truyền tải dữ liệu.
Giao thức điều khiển truyền dẫn (TCP) cung cấp khả năng truyền tải tin cậy nhờ vào cơ chế khắc phục lỗi và truyền lại Trong hệ thống EPC, các gói tin IP có thể được vận chuyển qua nhiều công nghệ khác nhau ở các lớp 1 và 2.
Các giao thức sau được sử dụng khi S5/S8 dựa trên PMIP:
❖ IP di động ủy nhiệm (PMIP) : PMIP là giao thức khác cho giao diện
S5/S8 giữ vai trò quản lý tính di động nhưng không bao gồm các chức năng quản lý phần tử mang Tất cả lưu lượng liên quan đến một kết nối của UE với một PDN riêng sẽ được xử lý đồng nhất.
❖ IP : PMIP chạy trực tiếp trên IP, và nó được sử dụng như là truyền tải IP tiêu chuẩn
Cấu trúc giao thức UP cho UE kết nối với P-GW, như minh họa trong hình 2.9, bao gồm các lớp của người dùng IP cuối, với các giao thức hình thành lớp 2 để vận chuyển các gói tin IP đến người sử dụng cuối Cấu trúc 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 về 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
Giao thức trạng thái và chuyển tiếp trạng thái
Trong hệ thống LTE, điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC) có hai chế độ chính: chế độ RRC rảnh dỗi và chế độ RRC kết nối Một thiết bị người dùng (UE) chuyển từ trạng thái RRC rảnh dỗi sang trạng thái RRC kết nối khi kết nối RRC được thiết lập thành công Ngược lại, UE có thể quay trở lại trạng thái RRC rảnh dỗi bằng cách giải phóng kết nối RRC Ở trạng thái RRC rảnh dỗi, UE có khả năng nhận dữ liệu phát quảng bá và phát đa điểm, giám sát kênh tìm gọi để phát hiện cuộc gọi đến, thực hiện các phép đo ô lân cận, cũng như lựa chọn hoặc lựa chọn lại ô và thu thập thông tin về hệ thống.
Trong trạng thái RRC rảnh rỗi, mỗi UE có chu kỳ DRX riêng được cấu hình bởi các lớp phía trên, giúp tiết kiệm điện năng Hơn nữa, tính di động của UE cũng được điều khiển trong trạng thái này.
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 hoặc từ UE, cũng như dữ liệu phát quảng bá và đa điểm Ở các lớp thấp hơn, UE có thể được cấu hình với DRX/DTX cho truyền dẫn gián đoạn Các kênh điều khiển giám sát UE liên kết với kênh dữ liệu dùng chung để xác định và lập biểu dữ liệu, cung cấp thông tin phản hồi về chất lượng, thực hiện đo đạc ô lân cận, và thu thập thông tin hệ thống Khác với trạng thái RRC rảnh rỗi, tính di động trong trạng thái này được điều khiển bởi mạng.
Hỗ trợ tính di động liên tục
Một đặc điểm quan trọng của hệ thống không dây di động 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) rất cần thiết cho các dịch vụ nhạy cảm với độ trễ như VoIP Chuyển giao xảy ra thường xuyên hơn giữa các eNB so với các mạng lõi, do khu vực mà MME/GW phục vụ thường 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 này.
Trong hệ thống LTE, việc chuyển giao giữa các ô lân cận được thực hiện dựa vào UE mà không cần thông tin từ mạng UE chỉ cần báo cáo tần số sóng mang của các ô lân cận Khi một UE di chuyển từ eNB nguồn (eNB1) sang eNB đích (eNB2) trong trạng thái RRC kết nối, eNB1 sẽ nhận báo cáo đo lường từ UE về chất lượng tín hiệu và chuẩn bị chuyển giao Thông qua giao diện X2, eNB1 gửi thông tin ghép nối tới eNB2, cho phép eNB2 điều khiển nhập vào dựa trên thông tin QoS eNB2 sẽ cấu hình tài nguyên cần thiết và cấp C-RNTI cho UE Khi eNB2 sẵn sàng thực hiện chuyển giao, nó sẽ thông báo cho eNB1, sau đó eNB1 sẽ ra lệnh cho UE chuyển sang eNB2 UE nhận lệnh HO và thực hiện chuyển giao mà không bị trễ, đồng thời cung cấp phản hồi HARQ/ARQ cho eNB nguồn.
Hình 2.13 Hoạt động chuyển giao
Sau khi nhận lệnh chuyển giao (HO), UE đồng bộ với eNB đích và truy cập ô đích qua kênh truy cập ngẫu nhiên (RACH) sau một quy trình tranh chấp tự do hoặc cơ bản Mạng sẽ cấp phát tài nguyên đường lên và định thời cho UE Khi UE truy cập thành công ô đích, nó gửi bản tin xác nhận HO (C-RNTI) cùng với báo cáo tình trạng bộ đệm đường lên, cho biết quá trình chuyển giao đã hoàn tất Sau khi nhận bản tin xác nhận HO, eNB đích thông báo cho MME về việc UE đã chuyển đổi ô MME tiếp tục gửi thông điệp cập nhật mặt phẳng người dùng tới S-GW, và S-GW sẽ chuyển dữ liệu đường xuống tới eNB đích, đồng thời gửi các gói “dấu hiệu kết thúc” tới eNB nguồn trên đường dẫn cũ.
Giải phóng tài nguyên mặt phẳng người dùng với eNB nguồn là bước đầu tiên, sau đó S-GW gửi thông báo hồi đáp cập nhật mặt phẳng người dùng tới MME Tiếp theo, MME xác nhận thông báo chuyển đổi đường dẫn từ eNB đích thông qua thông báo phản hồi chuyển đổi đường dẫn Cuối cùng, khi eNB đích nhận được thông báo phản hồi, nó sẽ thông báo thành công.
HO đến eNB nguồn được thực hiện thông qua việc gửi thông báo giải phóng tài nguyên, kích hoạt quá trình giải phóng tài nguyên Khi nhận được thông báo này, eNB nguồn có khả năng giải phóng tài nguyên vô tuyến cùng với các tài nguyên liên quan đến mặt phẳng điều khiển, phù hợp với tình huống của UE.
Trong quá trình chuẩn bị chuyển giao, các đường hầm mặt phẳng người dùng sẽ được thiết lập giữa eNB nguồn và eNB đích Cụ thể, một đường hầm được tạo ra để truyền dữ liệu hướng lên, trong khi một đường hầm khác đảm nhận việc truyền dữ liệu hướng xuống cho mỗi mang chuyển EPS Khi thực hiện chuyển giao, dữ liệu người dùng sẽ được chuyển từ eNB nguồn sang eNB đích một cách hiệu quả.
Khu vực theo dõi (TA) là khái niệm quan trọng trong quản lý tính di động của UE khi ở trạng thái RRC rảnh rỗi Một khu vực theo dõi thường bao gồm các thành phần cần thiết để theo dõi và cập nhật vị trí của người dùng.
Khu vực theo dõi (TAI) cho biết thông tin về eNB trong hệ thống thông tin, cho phép UE phát hiện sự thay đổi khu vực khi nhận TAI khác Khi di chuyển qua TA mới, UE cập nhật MME với thông tin TAI mới P-GW lưu trữ dữ liệu của UE và hỏi MME về vị trí của nó, trong khi MME gửi tin nhắn tới UE trong các TA hiện tại UE có thể đăng ký đồng thời ở nhiều TA, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm tải cho TA trong điều kiện di động cao.
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 Truyền đơn ô chỉ cho phép MBMS được phát sóng trong phạm vi một ô cụ thể, không hỗ trợ truyền từ nhiều ô Việc 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, với sự lập biểu do các eNB đảm nhiệm Các UE có thể nhận kênh phản hồi đường lên riêng biệt, giống như người dùng trong truyền đơn hướng, cho phép gửi HARQ ACK/NACK và phản hồi CQI.
Việc truyền lại HARQ được thực hiện thông qua một nhóm RNTI kết hợp với truyền MTCH gốc, cho phép tất cả các UE nhận được MBMS có thể tiếp nhận và kết hợp với bản gốc ở cấp HARQ Các UE được cấp phát một kênh thông tin phản hồi riêng biệt cho đường lên khi ở trạng thái RRC kết nối Để tối ưu hóa việc truyền MBMS, mạng có khả năng phát hiện sự hiện diện của người dùng MBMS, nhằm tránh việc truyền không cần thiết trên MTCH trong các ô không có người sử dụng.
Dịch vụ MBMS đang thu hút sự quan tâm của 54% người sử dụng nhờ vào khả năng truyền phát đa ô, cho phép cung cấp các dịch vụ truyền thông đa phương tiện (eMBMS) thông qua việc phát sóng đồng thời từ nhiều ô mạng Trong mô hình này, MTCH và MCCH được ánh xạ vào MCH để thực hiện truyền điểm - đa điểm, được gọi là mạng đơn tần số phát quảng bá đa điểm (MBSFN) Việc truyền MBSFN từ nhiều ô trong một khu vực MBSFN được xem như là truyền đơn lẻ cho UE Khu vực MBSFN bao gồm một nhóm các ô đồng bộ, cho phép tất cả các eNB trong khu vực đó thực hiện truyền MBSFN Một khu vực dịch vụ MBMS có thể bao gồm nhiều khu vực MBSFN, trong đó một ô trong khu vực đồng bộ MBSFN có thể tham gia vào nhiều SFN khác nhau, mỗi khu vực được đặc trưng bởi nội dung và tập hợp ô mạng riêng biệt Ví dụ, khu vực dịch vụ MBMS có thể bao gồm hai khu vực MBSFN, khu vực A và khu vực B.
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 Các ô AB1 và AB2 thuộc cả hai khu vực MBSFNA và MBSFNB Ô B5 nằm trong khu vực B nhưng không tham gia vào truyền MBSFN Ô được gọi là ô khu vực dành riêng MBSFN, có thể truyền tải các dịch vụ khác với nguồn tài nguyên phân bố cho MBSFN, 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 thể hiện trong hình 2.16, trong đó phần tử phối hợp phát đa điểm đa ô (MCE) là một phần tử logic quan trọng MCE không chỉ là một bộ phận của mạng như eNB mà còn thực hiện nhiều chức năng thiết yếu, bao gồm phân bổ nguồn 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 quan trọng trong mạng, có nhiệm vụ gửi và phát quảng bá các gói MBMS qua giao thức SYNC đến từng eNB cung cấp dịch vụ Nó hoạt động ở lớp DPCP của mặt phẳng người dùng và sử dụng IP để thực hiện việc phát đa điểm, chuyển tiếp dữ liệu người dùng MBMS đến 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 mặt phẳng điều khiển M2 và M3 được xác định, trong đó M2 vận chuyển dữ liệu cấu hình vô tuyến cho các eNB với chế độ truyền dẫn đa ô M3, giữa MBMS GW và MCE, thực hiện điều khiển phiên MBMS và 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 hóa nội dung MBMS, nhằm 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 trên nền tảng 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 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 bắt buộc phải tuân theo các yêu cầu về thời gian nghiêm ngặt.
57 ngặt được chỉ định bởi giao thức SYNC Trong trường hợp PDCP được sử dụng để nén tiêu đề, nó 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 cơ chế phản hồi MBMS 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 phục vụ mục đích thu nhận đơn ô trên MCCH.