Tài liệu Nghiên cứu cơ chế quản lý chất lượng dịch vụ trong mạng lte

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------Bùi Quang Thái NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG LTE Chuyên ngành : Kỹ Thuật Viễn Thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : 1.TS. Nguyễn Quốc Khương Hà Nội – Năm 2016 LUẬN VĂN THẠC SĨ Lời cam đoan Tên tôi là: Bùi Quang Thái Học viên lớp cao học Kỹ thuật viễn thông - Khóa CH2014A - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cam đoan: Đề tài:” Nghiên cứu cơ chế quản lý chất lượng dịch vụ trong mạng LTE” do thầy giáo TS. NGUYỄN QUỐC KHƯƠNG hướng dẫn là công trình tổng hợp và nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả nội dung trong luận văn đúng như trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Học viên BÙI QUANG THÁI i LUẬN VĂN THẠC SĨ Mục lục Lời cam đoan ............................................................................................................... i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .........................................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................... xii DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................... xiii MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LTE (Long term evolution) .............5 1.1Giới thiệu chương ...............................................................................................5 1.2.Giới thiệu về công nghệ LTE ............................................................................5 1.3.Xu thế triển khai LTE trên thế giới và hiện trạng triển khai ở Việt Nam .........9 Tổng kết chương ....................................................................................................11 CHƯƠNG II: KIẾN TRÚC MẠNG VÀ GIAO THỨC ...........................................12 2.1.Giới thiệu chương ............................................................................................12 2.2.Kiến trúc mạng LTE ........................................................................................12 2.2.1.Tổng quan về cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống.....................................12 2.2.2.Thiết bị người dùng ( UE) .........................................................................13 2.2.3.E-UTRAN NodeB (eNodeB) ....................................................................13 2.2.4.Thực thể quản lý tính di động (MME) ......................................................14 2.2.5.Cổng phục vụ ( S-GW) ..............................................................................16 2.2.6.Cổng mạng dữ liệu gói( P-GW) ................................................................17 2.2.7.Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên ( PCRF) ..........................19 2.2.8.Máy chủ thuê bao thường trú (HSS) .........................................................19 2.2.Các giao diện và giao thức trong kiến trúc cơ bản của hệ thống .....................20 2.3.Giao thức trạng thái và chuyển tiếp trạng thái .................................................24 2.4.Kiến trúc hệ thống phát quảng bá đa điểm ......................................................25 2.5.Kiến trúc miền thời gian toàn phần(Overall time domai structure) ................27 2.6.Hệ thống kênh truyền trong LTE .....................................................................28 2.6.1 Hệ thống kênh đường xuống .....................................................................29 2.6.2. Hệ thống kênh đường lên .........................................................................31 ii LUẬN VĂN THẠC SĨ 2.7.Các thủ tục lớp vật lý .......................................................................................31 2.7.1. Thủ tục HARQ ......................................................................................31 2.7.2.Ứng trước định thời ...................................................................................33 2.7.3.Điều khiển công suất .................................................................................33 2.7.4.Nhắn tin .....................................................................................................34 2.7.5.Thủ tục báo cáo phản hồi kênh ..................................................................35 2.7.6.Hoạt động chế độ bán song công ..............................................................35 2.7.7.Các lớp khả năng của UE và các đặc điểm được hỗ trợ ............................36 Tổng kết chương ....................................................................................................37 CHƯƠNG III: TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE .......................................38 3.1 Giới thiệu chương ............................................................................................38 3.2.Kỹ thuật đa truy nhập cho đường xuống OFDMA ..........................................38 3.2.1.OFDM .......................................................................................................38 3.2.2.Các tham số OFDMA ................................................................................40 3.2.3.Truyền dẫn dữ liệu hướng xuống ..............................................................43 3.3.Kỹ thuật đa truy nhập cho đường lên LTE SC-FDMA ...................................44 3.3.1.SC-FDMA .................................................................................................45 3.3.2.Các tham số SC-FDMA ............................................................................46 3.3.3.Truyền dẫn dữ liệu hướng lên ...................................................................47 3.4.Truy nhập ngẫu nhiên ......................................................................................48 Tổng kết chương ....................................................................................................51 CHƯƠNG IV CƠ CHẾ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG LTE............................................................................................................................52 4.1.Giới thiệu chương ............................................................................................52 4.2.Giới thiệu về QoS ............................................................................................52 4.3.Các thuộc tính của QoS ...................................................................................57 4.4.Kiến trúc QoS ..................................................................................................60 4.5.Cơ chế nâng cao và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng LTE ................63 4.5.1.Lập lịch và quản lý tài nguyên vô tuyến trong môi trường OFDMA-TDD ............................................................................................................................63 iii LUẬN VĂN THẠC SĨ 4.5.2.Quản lý tài nguyên vô tuyến......................................................................64 4.5.3.Cơ chế lập lịch ...........................................................................................72 4.5.4.Các yêu cầu lập lịch và báo cáo trạng thái bộ đệm ...................................76 4.5.5.Các kỹ thuật lập lịch trong LTE ................................................................78 4.6. Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng với các thuật toán lập lịch khác nhau. .......................................................................................................................86 4.6.1.Giới thiệu chương trình LTE System Level Simulation ...........................86 4.6.2.Thiết lập mô phỏng....................................................................................87 4.6.3. Đánh giá kết quả và phân tích. .................................................................90 4.7.Thách thức về chất lượng và dịch vụ trong mạng LTE .................................101 4.8.Bảo mật dịch vụ trong mạng LTE .................................................................102 Tổng kết chương ..................................................................................................103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................104 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................106 iv LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3GPP AAA ACF ACIR ACK ACLR ACS ADC ADSL AM AMBR AMD AMR AMRNB AMRWB ARP ATB AWGN Third Generation Partnership Project Authentication, Authorization and Accounting Analog Channel Filter Adjacent Channel Interference Rejection Acknowledgement Adjacent Channel Leakage Ratio Adjacent channel selectivity Analog-to Digital Conversion Asymmetric Digital Subscriber Line Acknowledged Mode Aggregate Maximum Bit Rate Acknowledged Mode Data Adaptive Multi-Rate Dự án các đối tác thế hệ thứ ba Xác thực, cấp phép và tính cước Bộ lọc kênh tương tự Loại bỏ nhiễu kênh lân cận Sự báo nhận Tỉ lệ dò kênh lân cận Chọn lọc kênh lân cận Chuyển đổi tương tự - số Đường dây thuê bao số không đối xứng Chế độ báo nhận Tốc độ bít tối đa cấp phát Dữ liệu chế độ báo nhận Đa tốc độ thích ứng Adaptive Multi-Rate Narrowband Băng hẹp đa tốc độ thích ứng Adaptive Multi-Rate Wideband Allocation Retention Priority Adaptive Transmission Bandwidth Additive White Gaussian Noise Băng rộng đa tốc độ thích ứng Ưu tiên duy trì cấp phát Băng thông truyền dẫn thích nghi Nhiễu Gauss trắng thêm vào Hệ thống điện thoại di động tiên tiến Băng gốc Kênh điều khiển phát quảng bá Kênh phát quảng bá Hệ thống điện thoại di động tiên tiến Bộ lọc băng tần Khóa dịch pha nhị phân Trạm gốc Điều khiển trạm gốc Báo cáo tình trạng bộ đệm Trạm thu phát gốc Dải thông Tốc độ bít không đổi AMPS BB BCCH BCH Advanced Mobile Phone Sytem Baseband Broadcast Control Channel Broadcast Channel AMPS BPF BPSK BS BSC BSR BTS BW CBR Advanced Mobile Phone Sytem Band Pass Filter Binary Phase Shift Keying Base Station Base Station Controller Buffer Status Report Base Transceiver Station Bandwidth Constant Bit Rate v LUẬN VĂN THẠC SĨ CCE CCCH CDD CDF CDM CDMA AIR CP CPICH CQI CRC Control Channel Element Common Control Channel Cyclic Delay Diversity Cumulative Density Function Code Division Multiplexing Code Division Multiple Access Carrier to Interference Ratio Cyclic Prefix Common Pilot Channel Channel Quality Information Cyclic Redundancy Check Cell Radio Network Temporary C-RNTI Identifier CS Circuit Switched CSCF D-BCH DCCH DCI DFCH A DFT DL UL DLSCH Call Session Control Function Dynamic Broadcast Channel Dedicated Control Channel Downlink Control Information Dynamic Frequency and Channel Allocation Discrete Fourier Transform Downlink Uplink EDGE EPC EPDG EUTRA N EDO Cấp phát kênh và tần số động Biến đổi fourier rời rạc Đường xuống Đường lên Kênh chia sẻ đường xuống Downlink Shared Channel Dedicated Physical Control DPCCH Channel DTX Discontinuous Transmission DwPTS E-DCH Phần tử kênh điều khiển Kênh điều khiển chung Phân tập trễ vòng Chức năng mật độ tích lũy Ghép kênh phân chia theo mã Đa truy nhập phân chia theo mã Tỷ số sóng mang trên tập âm Tiền tố vòng Kênh điều khiển chung Thông tin chất lượng kênh Kiểm tra dư vòng Nhận dạng tạm thời mạng vô tuyến tế bào Chuyển mạch kênh Chức năng điều khiển phiên cuộc gọi Kênh phát quảng bá động Kênh điều khiển riêng Thông tin điều khiển đường xuống Downlink Pilot Time Slot Enhanced DCH Enhanced Data Rates for GSM Evolution Evolved Packet Core Evolved Packet Data Gateway Kênh điều khiển vật lý riêng Truyền phát không liên tục Khe thời gian điều khiển đường xuống DCH được tăng cường Tốc độ dữ liệu tăng cường cho GSM phát triển Mạng lõi gói phát triển Cổng dữ liệu gói phát triển Evolved Universal Terrestrial Radio Access Evolution Data Only Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu phát triển Chỉ có dữ liệu phát triển vi LUẬN VĂN THẠC SĨ FD FDD FDM Frequency Domain Frequency Division Duplex Frequency Division Multiplexing Frequency Domain Packet FDPS Scheduling FFT Fast Fourier Transform FS Frequency Selective GERA GSM/EDGE Radio Access N Network GGSN Gateway GPRS Support Node GP Guard Period GPRS General packet radio service GPS Global Positioning System GRE Generic Routing Encapsulation Global System for Mobile GSM Communications GTP GPRS Tunneling Protocol GPRS Tunneling Protocol, Control GTP-C Plane Globally Unique Temporary GUTI Identity GW Gateway HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest HO Handover High Speed Downlink Packet HSDPA Access HSHigh Speed Downlink Shared DSCH Channel HSCSD HSPA HSPDSCH HSS HSSCCH HSUPA ICI ICIC ID High Speed Circuit Switched Data High Speed Packet Access High Speed Physical Downlink Shared Channel Home Subscriber Server High Speed Shared Control Channel High Speed Uplink Packet Access Inter-carrier Interference Inter-Cell Interference Control Identity vii Miền tần số Song công phân chia tần số Ghép kênh phân chia tần số Lập biểu gói miền tần số Biến đổi furier nhanh Lựa chọn tần số Mạng truy nhập vô tuyến GSM/EDGE Nút cổng hỗ trợ GPRS Khoảng bảo vệ Dịch vụ vô tuyến gói chung Hệ thống định vị toàn cầu Đống gói định tuyến chung Hệ thống truyền thông di động toàn cầu Giao thức đường hầm GPRS Mặt phẳng điều khiển, giao thức đường hầm GPRS Nhận dạng tạm thời duy nhất toàn cầu Cổng Yêu cầu lặp lại tự động hỗ hợp Sự chuyển vùng Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao Truy nhập gói tốc độ cao Kênh chia sẻ đường xuống vật lý tốc độ cao Máy chủ thuê bao thường trú Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao Truy nhập gói đường lên tốc độ cao Nhiễu liên sóng mang Điều khiển nhiễu liên ô Nhận dạng LUẬN VĂN THẠC SĨ IFFT IMS IMT IP ISDN ISI LNA LO LOS LTE MAC MAP MBMS MBR MCH MCS MGW MIMO MIP MM MME MPR MSC NACK NAS NAS NB NMT OFDM OFDM A O&M PAPR PAR PC Inverse Fast Fourier Transform IP Multimedia Subsystem International Mobile Telecommunications Internet Protocol Integrated Services Digital Network Inter Symbols Interference low noise amplifier Local Oscillator Line of Sight Long Term Evolution Medium Access Control Mobile Application Part Multimedia Broadcast Multicast System Maximum Bit Rate Multicast Channel Modulation and Coding Scheme Media Gateway Multiple Input Multiple Output Mobile IP Mobility Management Mobility Management Entity Maximum Power Reduction Mobile Switching Center Negative Acknowledgement Non-access Stratum Network Address Table Narrowband Nordic Mobile Telephone Orthogonal Frequency Division Multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access Operation and Maintenance Peak to Average Power Ratio Peak-to-Average Ratio Power Control viii Biến đổi furier nhanh nghịch đảo Hệ thống con đa phương tiện IP Truyền thông di động quốc tế Giao thức Internet Mạng số dịch vụ tích hợp Nhiễu liên ký tự Khuyêch đại âm nhiễu thấp Bộ dao động nội Tầm nhìn thẳng Sự phát triển dài hạn Điều khiển truy nhập môi trường Phần ứng dụng di động Hệ thống phát quảng bá đa điểm đa phương tiện Tốc độ bít tối đa Kênh đa điểm Sơ đồ mã hóa và điều chế Cổng phương tiện Đa đầu vào đa đầu ra IP di động Quản lý tính di động Phần tử quản lý tính di động Sự giảm công suất tối đa Chung tâm chuyển mạch di động Báo nhận không thành công Tầng không truy nhập Bảng địa chỉ mạng Băng hẹp Điện thoại di động Bắc Âu Ghép kênh phân chia tần số trực giao Đa truy nhập phân chia tần số trực giao Vận hành và bảo dưỡng Tỉ lệ công suất đỉnh tới trung bình Tỉ lệ đỉnh-trung bình Điều khiển công suất LUẬN VĂN THẠC SĨ Parallel Concatenated Convolution PCCC Coding PCCPC Primary Common Control Physical H Channel PCFIC Physical Control Format Indicator H Channel PCH Paging Channel PCI Physical Cell Identity PCM Pulse Code Modulation Policy and Charging Resource PCRF Function PCS Personal Communication Services Physical Downlink Control PDCCH Channel PDCP Packet Data Convergence Protocol PDN Packet Data Network PDU Payload Data Unit PDSCH Physical Downlink Shared Channel P-GW Packet Data Network Gateway PHICH Physical HARQ Indicator Channel PHY Physical Layer PLL Phase Locked Loop PLMN Public Land Mobile Network PMIP Proxy Mobile IP PN Phase Noise PRACH Physical Random Access Channel PRB Physical Resource Block PS Packet Switched PSD Power Spectral Density PSS Primary Synchronization Signal PUCCH Physical Uplink Control Channel PUSCH Physical Uplink Shared Channel QAM Quadrature Amplitude Modulation QCI QoS Class Identifier QoS Quality of Service QPSK Quadrature Phase Shift Keying RACH Random Access Channel RAN Radio Access Network RAR Random Access Response ix Mã xoắn ghép song song Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp Kênh chỉ thị dạng điều khiển vật lý Kênh nhắn tin Nhận dạng ô vật lý Điều chế xung mã Chức năng tính cước tài nguyên và chính sách Dịch vụ truyền thông cá nhân Kênh điều khiển đường xuống vật lý Giao thức hội tụ dữ liệu gói Mạng dữ liệu gói Đơn vị dữ liệu tải tin Kênh chia sẻ đường xuống vật lý Cổng mạng dữ liệu gói Kênh chỉ thị HARQ vật lý Lớp vật lý Vòng khóa pha Mạng di động mặt đất công cộng IP di động ủy nhiệm Tiếng ồn pha Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý Khối tài nguyên vật lý Chuyển mạch gói Mật độ phổ công suất Tín hiệu đồng bộ sơ cấp Kênh điều khiển hướng lên vật lý Kênh chia sẻ hướng lên vật lý Điều chế biên độ cầu phương Nhận dạng cấp QoS Chất lượng dịch vụ Khóa dịch pha vuông góc Kênh truy nhập ngẫu nhiên Mạng truy nhập vô tuyến Đáp ứng truy nhập ngẫu nhiên LUẬN VĂN THẠC SĨ RB RBG RF RI RLC RNC RRC RRM RS RSCP RSRP RSRQ RSSI SAE SCCPC H SCM SCFDMA SCH SCTP SDU SFBC SFN SGSN S-GW SIB SIMO SMS SNR SON SR SRACH SRB SRS SSS Resource Block Radio Bearer Group Radio Frequency Rank Indicator Radio Link Control Radio Network Controller Radio Resource Control Radio Resource Management Reference Signal Received Symbol Code Power Reference Symbol Received Power Reference Symbol Received Quality Received Signal Strength Indicator System Architecture Evolution Secondary Common Control Physical Channel Spatial Channel Model Single Carrier Frequency Division Multiple Access Synchronization Channel Stream Control Transmission Protocol Service Data Unit Space Frequency Block Coding System Frame Number Serving GPRS Support Node Serving Gateway System Information Block Single Input Multiple Output Short Message Service Signal to Noise Ratio Self Optimized Networks Scheduling Request Khối tài nguyên Nhóm truyền tải vô tuyến Tần số vô tuyến Chỉ thị bậc Điều khiển kết nối vô tuyến Điều khiển mạng vô tuyến Điều khiển tài nguyên vô tuyến Quản lý tài nguyên vô tuyến Tín hiệu chuẩn Công suất mã ký hiệu nhận được Công suất thu được ký hiệu chuẩn Short Random Access Channel Signaling Radio Bearer Sounding Reference Signals Secondary Synchronization Signal Kênh truy nhập ngẫu nhiên ngắn Phần tử mang báo hiệu vô tuyến Tín hiệu chuẩn thăm dò Tín hiệu đồng bộ thứ cấp x Chất lượng thu được ký hiệu chuẩn Chỉ thị cường độ tín hiệu thu được Phát triển kiến trúc hệ thống Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp Chế độ kênh không gian Đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang Kênh đồng bộ Giao thức truyền dẫn điều khiển luồng Đơn vị dữ liệu dịch vụ Mã khối tần số không gian Số khung hệ thống Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS Cổng phục vụ Khối thông tin hệ thống Đơn đầu vào đa đầu ra Dịch vụ bản tin ngắn Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu Mạng tự tối ưu Yêu cầu lập lịch biểu LUẬN VĂN THẠC SĨ SUMIMO S1AP TA TBS TACS TD TDD TDLTE TDSCDM A TPC TRX TTI UDP UE UL ULSCH UMTS UpPTS USIM UTRA UTRA N VMIMO VoIP WCDM A Single User Multiple Input Multiple Output S1 Application Protocol Tracking Area Transport Block Size Total Access Communication Sytem Time Domain Time Division Duplex Time Division Long Term Evolution Time Division Synchronous Code Đơn người dùng - Đa đầu vào đa đầu ra Giao thức ứng dụng S1 Khu vực theo dõi Kích thước khối truyền tải Hệ thống truyền thông truy nhập toàn phần Miền thời gian Song công phân chia thời gian Division Multiple Access Transmit Power Control Transceiver Transmission Time Interval Unit Data Protocol User Equipment Uplink Nhập phân chia theo mã đồng bộ Điều khiển công suất phát Bộ thu phát Khoảng thời gian truyền Giao thức đơn vị dữ liệu Thiết bị đầu cuối Đường lên Uplink Shared Channel Universal Mobile Telecommunications System Uplink Pilot Time Slot Universal Subscriber Identity Module Universal Terrestrial Radio Access Universal Terrestrial Radio Access Network Kênh chia sẻ đường lên Hệ thống thông tin di động toàn cầu Khe thời gian dẫn hướng đường lên Modun nhận dạng thuê bao toàn cầu Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu Virtual MIMO Voice over IP Wideband Code Division Multiple Access MIMO ảo Thoại qua IP Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng xi Phân chia theo thời gian - LTE Phân chia theo thời gian – đa truy LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các đặc điểm chính của công nghệ LTE .....................................................5 Bảng 2.1 Tóm tắt các giao thức và giao diện trong cấu hình kiến trúc hệ thống cơ bản. ............................................................................................................................23 Bảng 2.2 Các loại thiết bị LTE..................................................................................36 Bảng 3.1 Số lượng các khối tài nguyên cho băng thông LTE khác nhau. ................42 Bảng 3.2 Tham số cấu trúc khung đường xuống ( FDD & TDD ) ...........................43 Bảng 3.3 Hiển thị các thông số cấu hình tổng quan ..................................................47 Bảng 4.1 Các tham số QoS trong mạng LTE ............................................................59 Bảng 4.2 Các ký hiệu sử dụng trong thuật toán E-WFQ ..........................................84 Bảng 4.3 Các tham số mô phỏng RR ........................................................................87 Bảng 4.4 Bảng các tham số mô phỏng CQI ..............................................................89 Băng 4.5 Các thông số sử dụng cho các kịch bản mô phỏng ....................................90 xii LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sự tăng trưởng của lưu lượng và doanh thu theo thời gian..........................6 Hình 1.2 Bức tranh triển khai LTE trên thế giới .........................................................9 Hình 1.3 Tiến trình phát triển của các chuẩn của LTE ...............................................9 Hình 2.1. Kiến trúc hệ thống cho mạng chỉ có E-UTRAN .......................................12 Hình 2.2. eNodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính ................14 Hình 2.3 MME kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính ....................16 Hình 2.4. Các kết nối S-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính ...........17 Hình 2.5 P-GW kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính .................18 Hình 2.6 PCRF kết nối tới các nút logic khác & các chức năng chính .....................19 Hình 2.7 Kiến trúc phân lớp LTE .............................................................................20 Hình 2.8 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển trong EPS ...............................21 Hình 2.9 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng người dùng trong EPC .............................22 Hình 2.10 Các giao thức mặt phẳng điều khiển và người dùng cho giao diện X2 ...23 Hình 2.11. Trạng thái của UE và chuyển tiếp trạng thái ...........................................24 Hình 2.12. Khu vực dịch vụ eMBMS và các khu vực MBSFN ..............................25 Hình 2.13 Kiến trúc logic eMBMS ...........................................................................26 Hình 2.14 Kiến trúc mặt phẳng người dùng eMBMS cho đồng bộ nội dung ...........27 Hình 2.15 Cấu trúc miền thời gian LTE ...................................................................28 Hình 2.16 Các ví dụ chỉ định khung phụ đường lên/ đường xuống trong trường hợp TDD và sự so sánh FDD ...........................................................................................28 Hình 2.17 Kênh truyền đường xuống........................................................................30 Hình 2.18 Vận hành LTE HARQ với 8 tiến trình .....................................................32 Hình 2.19 Định thời LTE HARQ cho một gói tin đường xuống duy nhất ...............32 Hình 2.20 Điều khiển định thời hướng lên ...............................................................33 Hình 2.21 Công suất hướng lên LTE với thay đổi tốc độ dữ liệu .............................34 Hình 2.22 Thủ tục báo cáo thông tin trạng thái kênh (CSI) ......................................35 Hình 3.1 Biểu diễn tần số-thời gian của một tín hiệu OFDM ...................................38 Hình 3.2 Sự tạo ra ký hiệu OFDM có ích sử dụng IFFT ..........................................39 Hình 3.3 Sự tạo ra chuỗi tín hiệu OFDM ..................................................................40 Hình 3.4 Cấp phát sóng mang con cho OFDM & OFDMA .....................................40 Hình 3.5 Cấu trúc khung loại 1 .................................................................................41 Hình 3.6 Cấu trúc khung loại 2 .................................................................................41 Hình 3.7 Lưới tài nguyên đường xuống ....................................................................42 Hình 3.8 Ghép kênh thời gian – tần số OFDMA ......................................................43 Hình 3.9 Phát và thu OFDMA ..................................................................................44 Hình 3.10 Sơ đồ khối DFT-S-OFDM .......................................................................46 Hình 3.11 Lưới tài nguyên đường lên .......................................................................46 xiii LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 3.12 Phát & thu hướng lên LTE .......................................................................48 Hình 3.13 Tổng quan về thủ tục truy nhập ngẫu nhiên .............................................49 Hình 3.14 Minh họa cơ bản cho truyền dẫn phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên .....50 Hình 3.15 Định thời phần mở đầu các người sử dụng truy nhập khác nhau ............50 Hình 3.16 Sự phát hiện phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên trong miền tần số ........50 Hình 4.1 Dịch vụ và sự khác biệt thuê bao trong LTE .............................................53 Hình 4.2: Các thành phần cơ bản cung cấp chất lượng truy cập...............................54 Hình 4.3: Mối liên hệ giữa các khái niệm QoS theo ETSI .......................................55 Hình 4.4: Khái niệm QoS và mối quan hệ QoS với chất lượng mạng ......................56 Hình 4.5 Đặc điểm QCI tiêu chuẩn ...........................................................................60 Hình 4.6: Kiến trúc dịch vụ trong mạng di động thế hệ sau .....................................62 Hình 4.7: Mô hình sử dụng các thuật toán lập lịch ...................................................63 Hình 4.8. Ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh trong môi trường multi-cell .................66 Hình 4.9: Phương pháp sử dụng lại tần số từng phần (fractional frequency reuse) .67 Hình 4.10: Phương pháp chia nhỏ vùng phủ sóng ( sectoring) .................................68 Hình 4.11: Ghép dữ liệu của người sử dụng Ui vào khung OFDMA .......................69 Hình 4.12: Các thành phần của bộ lập lịch tại BS và MS .........................................73 Hình 4.13: Kế hoạch lập lịch đường xuống lớp MAC ..............................................75 Hình 4.14 Kế hoạch lập lịch Round Robin ...............................................................79 Hình 4.15 Thuật toán lập lịch Round Robin trong LTE ...........................................80 Hình 4.16: Kế hoạch lập lịch Best CQI ....................................................................81 Hình 4.17 Thuật toán Best CQI trong LTE ...............................................................82 Hình 4.18 Thuật toán lập lịch PF trong LTE ............................................................83 Hình 4.19 Sắp xếp các khối dữ liệu vào các kênh con lần lượt từ trên xuống dưới .86 Hình 4.20 Tổng quan các kịch bản mô phỏng khác nhau trong mô phỏng LTE ......87 Hình 4.21 SNR so với thông lượng cho một người dùng .........................................92 Hình 4.22 SNR so với thông lượng cho một người dùng .........................................93 Hình 4.23 SNR so với thông lượng cho một người dùng .........................................94 Hình 4.24 SNR so với thông lượng cho người dùng duy nhất .................................95 Hình 4.25 SNR so với thông lượng cho các hệ thống và thuật toán lập lịch với kênh người sử dụng đi bộ PedB .........................................................................................96 Hình 4.26 SNR so với thông lượng cho các hệ thống và thuật toán lập lịch với kênh người sử dụng đi bộ VehA ........................................................................................97 Hình 4.27 SNR so với thông lượng cho nhiều người dùng ......................................98 Hình 4.28 SNR so với thông lượng, dạng nhiều người dùng ...................................99 Hình 4.29 SNR so với thông lượng cho nhiều người dùng ....................................100 Hình 4.30 SNR so với thông lượng cho nhiều người dùng ....................................101 xiv MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Dữ liệu di động băng rộng hiện nay đã trở thành chiến lược cạnh tranh của các nhà cung cấp dịch vụ mạng và các dịch vụ của nó được sử dụng rộng rãi bởi mọi người tại Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung. Sau khi mạng 3G được triển khai, việc sử dụng internet băng rộng, dịch vụ nghe nhìn trực tuyến qua thiết bị di động đã được phổ biến ngày càng rộng rãi, đem lại nhiều tiện ích, sự tiện lợi cho người dùng, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống. Công nghệ LTE ra đời là sự cải tiến đối với chuẩn thông tin di động WCDMA/HSPA, vốn được nâng cấp từ chuẩn thông tin di động GSM truyền thống, đưa mạng di động trở thành mạng hội tụ IP hoàn toàn, nâng khả năng truy cập dữ liệu với tốc độ lên đến hàng trăm Mb/s, hứa hẹn đem lại cho người dùng một mạng băng rộng thực sự mọi lúc mọi nơi. Công nghệ LTE, được phát triển trên nền tảng IP hoàn toàn, phục vụ cho các dịch vụ VOIP, video, streaming, internet băng rộng với tốc độ cao. Khi đó lớp truy nhập của LTE có nhiệm vụ đảm bảo và kiểm soát chất lượng dich vụ QoS, nhằm phân bổ tài nguyên hợp lý và tối ưu cho người dùng, với khả năng truy cập dịch vụ với độ trễ thấp nhất, băng thông rộng nhất có thể. Bộ lập lịch được sử dụng trong lớp MAC trong giao diện vô tuyến là thành phần quan trọng thực hiện chức năng này, trong đó kỹ thuật lập lịch là thành phần cốt lõi của nó. Trước đây, muốn truy cập dữ liệu, phải cần có 1 đường dây cố định để kết nối. Hiện tại với LTE, có thể truy cập tất cả các dịch vụ mọi lúc mọi nơi trong khi vẫn di chuyển: xem phim chất lượng cao HD, video call, chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu v.v… với một tốc độ “siêu nhanh”. Đó chính là sự khác biệt giữa mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) và mạng di động thế hệ thứ tư (4G). Đang trong những bước đầu phát triển mạnh mẽ, mạng di động băng rộng 4G đang được kỳ vọng sẽ tạo ra nhiều thay đổi khác biệt so với những mạng di động hiện nay. Chính vì vậy, tôi đã lựa chọn làm luận văn tốt nghiệp về đề tài “Nghiên cứu cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng LTE” (Long Term Evolution). 1 2. Mục đích nghiên cứu Luận văn đi vào nghiên cứu tổng quan hệ thống thông tin di động LTE, kiến trúc mạng và truy nhập vô tuyến trong mạng LTE cùng với cơ chế của các bộ lập lịch để nâng cao chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng LTE và có thể hiểu rõ thêm về những tiềm năng hấp dẫn mà công nghệ này sẽ mang lại. Trên cơ sở những hiểu biết có được, luận văn đề cập đến việc ứng dụng lý thuyết vào việc mô phỏng một số thuật toán lập lịch của LTE với phần mềm Matlab để so sánh, đánh giá và đề xuất cơ chế lập lịch phù hợp cho hệ thống thông tin di động LTE. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a. Đối tượng nghiên cứu  Tổng quan về hệ thống thông tin di động LTE.  Kiến trúc mạng và giao thức, truy nhập vô tuyến và thủ tục dò tìm.  Tổng quan về chất lượng dịch vụ (QoS). Các thuộc tính của QoS.  Cơ chế quản lý tài nguyên vô tuyến.  Cơ chế lập lịch, mô hình lập lịch. b. Phạm vi nghiên cứu Luận văn tập trung vào các cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ trên giao diện vô tuyến, sau đó nghiên cứu các mô hình mô phỏng tính toán, so sánh và đánh giá các cơ chế lập lịch trong LTE. Nội dung luận văn chủ yếu tập trung vào cơ chế quản lý tài nguyên vô tuyến, các kỹ thuật lập lịch; các thông số đánh giá QoS bao gồm thông lượng eNodeB, thông lượng của người dùng UE, tỉ lệ lỗi BLER, Throughput và các kỹ thuật lập lịch Round Robin, Best CQI.. 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp tiếp cân thu thập thông tin liên quan tới đề tài như kiến thức mạng thông tin di động LTE, giao diện vô tuyến LTE, các cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng LTE. Kết hợp lý thuyết đã biết để tiến hành mô phỏng thông lượng và BLER bằng chương trình Matlab. 2 5. Kết luận Các mạng di động hiện nay tại Việt Nam đang sử dụng công nghệ 2G GSM và 2,5G và công nghệ 3G UMTS/WCDMA. Công nghệ LTE là bước tiếp theo để các mạng di động tiến lên 4G, nhằm tạo nên hệ thống thông tin di động băng rộng mọi lúc mọi nơi. Vì thế, hướng nghiên cứu này nhằm trang bị kiến thức về công nghệ di động LTE và các cơ chế như cơ chế lập lịch, cơ chế quản lý tài nguyên để góp phần chọn giải pháp tối ưu cho giao diện vô tuyến, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ cho người sử dụng mạng LTE và tối ưu hiệu quả đầu tư cho nhà cung cấp dịch vụ. 6. Cấu trúc luận văn Ngoài các phần mở đầu, kết luận và hướng phát triển, Tài liệu tham khảo, Phụ lục, nội dung luận văn gồm các chương sau: CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LTE ( Long term evolution) Nội dung trình bày tổng quan hệ thống thông tin di động LTE, các lợi ích của LTE khiến đây trở thành con đường để đi lên 4G. Xu thế triển khai LTE trên thế giới và hiện trạng triển khai LTE ở Việt Nam. CHƯƠNG II: KIẾN TRÚC MẠNG VÀ GIAO THỨC Nội dung chương trình bày kiến trúc mạng và giao thức mạng trong LTE. CHƯƠNG III: TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE Nội dung chương trình bày về cách thức truy nhập vô tuyến trong mạng LTE, từ đó đưa ra cơ chế quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE. CHƯƠNG IV: CƠ CHẾ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG LTE Nội dung chương trình bày khái niệm của QoS và các tham số của QoS và mô phỏng các cơ chế lập lịch để nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng LTE nhằm so sánh, đánh giá. Bài luận văn tốt nghiệp đã được hoàn thành với sự hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình của Tiến sỹ NGUYỄN QUỐC KHƯƠNG. 3 Em xin chân thành cảm ơn Tiến sỹ NGUYỄN QUỐC KHƯƠNG nói riêng, và khoa điện tử Viễn Thông, Trường Đại Học Bách Khoa Hà nội nói chung. Do thời gian có hạn nên bản luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Học viên BÙI QUANG THÁI 4 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LTE (Long term evolution) 1.1Giới thiệu chương Nội dung trình bày cái nhìn tổng quan hệ thống thông tin di động LTE và các tính năng nổi trội của LTE khiến đây trở thành con đường để đi lên 4G. Xu thế triển khai LTE trên thế giới và hiện trạng triển khai LTE ở Việt Nam. 1.2.Giới thiệu về công nghệ LTE 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 giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối [10]. Giao diện không gian và các thuộc tính liên quan của hệ thông LTE được tóm tắt trong bảng. Bảng 1.1 Các đặc điểm chính của công nghệ LTE [10] Băng tần Song công Di động Đa truy nhập MIMO Tốc độ dữ liệu đỉnh trong 20MHz Điều chế Mã hóa kênh 1,25 – 20 MHz FDD, TDD, bán song công FDD 350km/h Đường xuống OFDMA Đường lên SC-FDMA Đường xuống 2 * 2 ; 4 * 2 ; 4 * 4 Đường lên 1 * 2 ; 1 * 4 Đường xuống: 173 và 326Mb/s với MIMO 2*2 và 4*4 Đường lên: 86Mb/s với cấu hình 1*2 anten QPSK; 16 QAM và 64 QAM Mã tubo 5