Tài liệu NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP LIÊN KẾT MẠNG TRONG LTE

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- Phạm Thanh Bình NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP LIÊN KẾT MẠNG TRONG LTE Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HÀ NỘI -2012 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học : TS. Trần Thiện Chính Phản biện 1: …………………………………………………………… Phản biện 2: …………………………………………………………… Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc :…. giờ …. ngày …. tháng …. năm 2012 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 1 LỜI MỞ ĐẦU Thông tin di động ngày nay đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển rất nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác dịch vụ. Gần đây công nghệ phát triển tương lai (LTE) đã xuất hiện và đang được các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động 3G chú ý. Các cuộc thử nghiệm và trình diễn đã chứng tỏ năng lực tuyệt vời của công nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE đã đến rất gần. Ở nước ta, mặc dù mới chỉ là “tiếp nhận công nghệ”, nhưng để có thể tiếp nhận được công nghệ thì những nghiên cứu, nắm bắt về công nghệ, kỹ thuật là rất cần thiết. Do đó nghiên cứu công nghệ LTE ứng dụng trong mạng thông tin di động là hướng nghiên cứu đón đầu công nghệ mới, dịch vụ mới. Chính vì vậy, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp liên kết mạng trong LTE” nhằm đón đầu ứng dụng công nghệ mới vào thực tế mạng thông tin di động của Việt Nam. Kết cấu của luận văn gồm 03 chương với các nội dung chính như sau: Chương 1: Tổng quan mạng thông tin di động. Chương 2: Mạng thông tin di động băng rộng LTE. Chương 3: Giải pháp liên kết mạng trong LTE. Tuy nhiên, do LTE là công nghệ mới vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu, phát triển, cũng như hoàn thiện cho nên luận văn chưa thể hiện được hết các vấn đề của công nghệ LTE và không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy cô, chuyên gia và đồng nghiệp. 2 Chương 1 TỔNG QUAN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Trong chương này, sẽ trình bày quá trình phát triển mạng thông tin di động. Đồng thời, cũng giới thiệu động lực phát triển LTE, sự ủng hộ và sẵn sàng của các nhà khai thác mạng, các nhà sản xuất thiết bị để đưa LTE trở thành tiêu chuẩn của mạng 4G trên toàn cầu. 1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Nửa đầu thập niên 1990 “Dịch vụ viễn thông chủ yếu là thoại”. Từ 1995 - 2000 đó là “Sự phát triển của di động và Internet”. Từ 2000 - 2005 được xem như là bùng nổ “Mobile Internet”. Từ 2005 đến nay phát triển mạnh mẽ “Phủ sóng toàn cầu và Mobile Broadband”. 1.2. LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THEO 3GPP TỪ R99 ĐẾN R8 Lịch trình nghiên cứu trong 3GPP và lộ trình tăng tốc độ dữ liệu trong các công bố của 3GPP như trong Bảng 1.1 và Hình 1.1. Bảng 1.1. Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP Rel-99 Năm phát hành 03-2000 Rel-4 03-2001 TD-SCDMA Rel-5 06-2002 HSDPA Rel-6 03-2005 HSUPA (truy nhập gói đường lên tốc độ cao) Rel-7 12-2007 HSPA+ (64QAM DL, 16QAM UL, MIMO) Nghiên cứu tính khả thi LTE và SAE Release Tính năng chính W-CDMA (FDD & TDD) 3 Rel-8 12-2008 LTE: OFDMA (đa truy nh ậ p theo t ầ n s ố trự c giao), SC-CDMA ( đa truy nhập theo mã đơn sóng mang) SAE ( phát triển kiến trúc hệ thống): mạng lõi IP mới HSPA cải tiến Hình 1.1: Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu của 3GPP 1.2.1. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R99 (R3) Hình 1.2: Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3 4 1.2.2. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4 Hình 1.3: Kiến trúc mạng phân bố theo công bố 3GPP R4 1.2.3. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5 và R6 Hình 1.4: Kiến trúc mạng 3GPP R5 và R6 5 1.2.4. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R7 và R8 Hình 1.5: Sự phát triển kiến trúc 3GPP 1.3. ĐỘNG LỰC PHÁT TRIỂN LTE 1.3.1. Sự ủng hộ Kế hoạch thử nghiệm và triển khai công nghệ LTE đang được các công ty viễn thông hàng đầu thế giới cùng hợp tác thúc đẩy và triển khai mạnh mẽ trên toàn thế giới. 1.3.2. Phát triển thiết bị và nội dung số Các nhà sản xuất thiết bị cầm tay như sản phẩm BlackBerry và nhà cung cấp nội dung số Google đã ủng hộ công nghệ LTE. 1.3.3. Nhu cầu phát triển LTE 6 Hình 1.6: Dự báo nhu cầu phát triển UMTS-HSPA-LTE 1.4. KẾT LUẬN Chương này đã giới thiệu quá trình phát triển mạng thông tin di động, động lực phát triển LTE. Sự ủng hộ của các nhà cung cấp dịch vụ và các nhà sản xuất thiết bị. Sự phát triển tất yếu của nhu cầu thị trường và xu hướng phát triển công nghệ mới, LTE đưa ra khả năng tái sử dụng phần lớn cơ sở hạ tầng, cùng với việc tái sử dụng phổ tần hiện có của họ. Chính vì vậy, LTE được chọn là công nghệ cho thế hệ 4G và trong chương tiếp theo sẽ thảo luận về kiến trúc mạng thông tin di động băng rộng LTE. 7 Chương 2 MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG BĂNG RỘNG LTE Chương 1 đã chỉ ra sự ủng hộ và sẵn sàng của các nhà cung cấp dịch vụ, của các nhà cung cấp thiết bị và nội dung số. Trong chương này, luận văn sẽ tập trung thảo luận về các vấn đề, cũng như kiến trúc hệ thống và các phần tử chức năng của hệ thống LTE. 2.1. CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG PHÁT TRIỂN T ƠNG LAI LTE 2.1.1. Giới thiệu LTE Hình 2.1: Lộ trình phát triển mạng thông tin di động lên LTE 2.1.2. Các yêu cầu và tính năng cơ bản của LTE * Giao diện vô tuyến nâng cao cho phép tăng tốc độ dữ liệu * Độ rộng băng thông linh hoạt * Hiệu quả sử dụng phổ tần cao * Giảm trễ * Môi trường toàn IP. * Cùng tồn tại với các hệ thống và tiêu chuẩn trước. * Khả năng giảm chi phí. 8 Bảng 2.1: Tốc độ dữ liệu đỉnh đường lên và đường xuống của LTE Tốc độ đỉnh đường xuống (DL) (64QAM) Cấu hình antenna SISO 2x2 MIMO 4x4 MIMO Tốc độ đỉnh (Mbps) 100 172,8 326,4 Tốc độ đỉnh đ ờng lên (UL) Kiểu điều chế QPSK 16QAM 64QAM Tốc độ đỉnh (Mbps) 50 57,6 86,4 2.1.3. Băng tần triển khai LTE Bảng 2.2: Băng tần triển khai LTE Băng tần EUTRA Băng tần đ ờng lên BS nhận, UE phát Băng tần đ ờng xuống BS phát, UE nhận FUL_low – FUL_high FDL_low – FDL_high 1 2 1920 – 1980 MHz 1850 – 1910 MHz 2110 – 2170 MHz 1930 – 1990 MHz FDD FDD … … … FDD 13 777 – 787 MHz 746 – 756 M FDD 14 788 – 798 MHz 758 – 768 MHz FDD … … … 17 704 – 716 MHz 734 – 746 MHz … … … 33 1900 – 1920 MHz 1900 – 1920 MHz TDD … … … TDD 39 1880 – 1920 MHz 1880 – 1920 MHz TDD 40 2300 – 2400 MHz 2300 – 2400 MHz TDD Chế độ song h ớng FDD 9 2.1.4. Các dịch vụ của LTE Bảng 2.3: Một vài dịch vụ và ứng dụng của LTE Dịch vụ Trình duyệt Thông tin trả tiền Cá nhân hóa Môi tr ờng hiện tại Truy cập vào dịch vụ thông tin trực tuyến, giới hạn truy cập WAP qua mạng GPRS và 3G Nội dung mà người dùng trả tiền theo phí mạng tiêu chuẩn. Chủ yếu là thông tin dựa trên văn bản Phần lớn là nhạc chuông, cũng bao gồm hình nền, nhạc chờ Trò chơi Trò chơi trực tuyến và có thể tải về TV/Video theo yêu cầu Xem trực tiếp và nội dung video có thể tải về Tin nhắn nội dung và đa phương tiện Nhắn tin peer to peer bằng cách sử dụng nội dung bên thứ ba cũng như tương tác với phương tiện khác Thương mại di động (Mcommerce) Đặt các giao dịch (bao gồm cả đánh bạc) và phương tiện thanh toán thông qua mạng di động Môi tr ờng LTE Duyệt web siêu nhanh, tải nội dung lên các trang mạng xã hội Báo điện tử, luồng âm thanh chất lượng cao Âm thanh thực (bản ghi âm gốc của ca sĩ), các trang web di động cá nhân Trải nghiệm trò chơi trực tuyến như nhau ở cả mạng di động và cố định Dịch vụ truyền hình quảng bá, truyền hình theo yêu cầu, luồng video chất lượng cao Phân bố trên phạm vi rộng các đoạn video, dịch vụ karaoke, quảng cáo hình ảnh di động Điện thoại di động như là thiết bị thanh toán, với chi tiết thanh toán thực hiện trên mạng tốc độ cao để cho phép hoàn thành nhanh chóng các giao dịch (Nguồn: Analysys Research/UMTS Forum 2007) 10 2.2. KIẾN TRÚC HỆ THỐNG LTE Hình 2.2 mô tả kiến trúc và các thành phần của mạng LTE/SAE. Hình vẽ cho ta thấy sự phân chia kiến trúc thành bốn phần chính : Thiết bị người dùng (UE), mạng truy nhập vô tuyến EUTRAN, mạng lõi chuyển mạch gói (EPC) và phần dịch vụ. Hình 2.2: Kiến trúc hệ thống SAE/LTE 2.3. CHỨC NĂNG CÁC PHẦN TỬ MẠNG TRONG LTE 2.3.1. Thiết bị người dùng (UE) 11 2.3.2. E-UTRAN Nút B (eNodeB) Chỉ có duy nhất một phần tử trong mạng truy nhập vô tuyến cải tiến E-UTRAN là eNodeB. Đây là trạm gốc vô tuyến, điều khiển tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến. Hình 2.3 chỉ ra những kết nối giữa eNodeB và các nút logic xung quanh (UEs, MME, S-GW, eNodeBs khác) và tóm tắt các chức năng chính của các giao diện này. Quản lý di động Điều khiển kênh mang Bảo mật Cung cấp đường hầm dữ liệu người dùng cho UP và DL Quản lý tài nguyên vô tuyến Quản lý di động Điều khiển kênh mang Phân phát dữ liệu người dùng Bảo mật và tối ưu Chuyển giao giữa các eNodeB Chuyển tiếp dữ liệu DL trong khi chuyển giao Hình 2.3: Kết nối giữa eNodeB với các nút khác 2.3.3. Thực thể quản lý di động (MME). Thực thể quản lý di động MME là thành phần điều khiển chính trong EPC. Nó chỉ hoạt động trong miền điều khiển (CP) mà không tham gia vào miền dữ liệu người dùng (UP). Các chức năng chính của MME trong kiến trúc hệ thống LTE/SAE như sau: * Chức năng xác thực và bảo mật. * Chức năng quản lý di động. 12 * Chức năng quản lý lịch sử thuê bao và kết nối dịch vụ. Hình 2.4 chỉ ra các kết nối giữa MME và các nút logic xung quanh (UEs, eNodeB, S-GW, HSS, MME khác), tóm tắt các chức năng chính của các giao diện này. Nhận thực và bảo mật Quản lý vị trí Thông tin thuê bao Điều khiển đường hầm cho dữ liệu người dùng Chuyển giao giữa 2 MME Di chuyển ở trạng thái Idle giữa 2 MME Chuyển giao giữa 2 eNodeB Quản lý kênh mang Tìm gọi Quản lý di động Quản lý kênh được yêu cầu từ UE Hình 2.4: Kết nối giữa MME và các nút khác 2.3.4. Gateway phục vụ (S-GW) Trong cấu hình kiến trúc hệ thống cơ bản, chức năng của SGW là quản lý và chuyển mạch đường hầm dữ liệu người dùng. SGW là một phần không thể thiếu của cơ sở hạ tầng mạng. S-GW có vai trò thứ yếu trong chức năng điều khiển. Nó chỉ chịu trách nhiệm cho các tài nguyên của mình và nó ấn định tài nguyên đó theo các yêu cầu từ MME, P-GW hoặc PCRF. Hình 2.5 chỉ ra cách mà S-GW kết nối vào các nút logic khác và các chức năng chính trong các giao diện này. 13 GTP S5/S8: Điều khiển đường hầm GTP Đường hầm GTP để phân phát dữ liệu UL và DL PMIP S5/S8: Các luồng dịch vụ IP Điều khiển đường hầm GTP và các luồng dịch vụ IP Điều khiển di động S-GW PMIP S5/S8: Thông tin ghép nối giữa luồng dịch vụ IP và đường hầm GTP Đường hầm dữ liệu người dùng để phân phát dữ liệu UL và DL Chuyển tiếp dữ liệu DL trong khi chuyển giao (định dạng S1-U), khi kết nối trực tiếp giữa 2 eNodeB không sẵn sàng Hình 2.5 : Kết nối giữa S-GW và các nút khác 2.3.5. Gateway mạng dữ liệu gói (P-GW) P-GW hay còn gọi là PDN-GW là bộ định tuyến biên giữa mạng EPC và các mạng dữ liệu gói bên ngoài. Đây là mức kết cuối di động cao nhất trong hệ thống LTE/SAE và thông thường nó hoạt động như điểm truy nhập IP cho thiết bị người dùng (UE). Nó thực hiện chức năng lọc và mở lưu lượng khi dịch vụ yêu cầu. Tương tự với S-GW, P-GW cũng là thành phần quan trọng của mạng. Hình 2.6 chỉ ra kết nối giữa P-GW và các nút logic xung quanh nó và các chức năng chính trong các giao diện này. 14 Các luồng IP của dữ liệu người dùng Yêu cầu thông tin điều khiển cước và chính sách (PCC) Các qui tắc PCC Điều khiển các đường hầm dữ liệu người dùng Đường hầm dữ liệu người dùng để phân phát dữ liệu UL và DL Hình 2.6: Kết nối giữa P-GW và các nút khác 2.3.6. Chức năng quy định chính sách và tính c ớc (PCRF) PCRF là một thành phần mạng chịu trách nhiệm điều khiển tính cước và chính sách (PCC). Yêu cầu thông tin điều khiển cước và chính sách (PCC) Yêu cầu thông tin điều khiển cước và chính sách (PCC) Các qui tắc PCC Các qui tắc QoS khi S5/S8 là PMIP Yêu cầu điều khiển QoS khi S5/S8 là PMIP Các qui tắc QoS để ghép luồng dữ liệu IP và đường hầm GTP trong S1 khi S5/S8 là PMIP Hình 2.7: Kết nối giữa PCRF với các nút khác 15 2.3.7. Máy chủ thuê bao thường trú (HSS) HSS là nơi chứa dữ liệu cho tất cả thuê bao. Nó cũng ghi lại vị trí thuê bao như ở mức MME. HSS cũng lưu trữ thông tin về các dịch vụ mà thuê bao có thể được sử dụng, thông tin về các kết nối PDN mà thuê bao được phép kết nối đến và có được phép chuyển vùng tới mạng khách hay không. 2.3.8. Miền dịch vụ (Services Domain) Miền dịch vụ có thể bao gồm nhiều hệ thống con và các do đó có thể chứa nhiều nút logic. Dưới đây là các loại dịch vụ có thể cung cấp và loại cơ sở hạ tầng cần để cung cấp các dịch vụ: * Các dịch vụ nhà mạng dựa trên IMS * Các dịch vụ nhà mạng không dựa trên IMS * Những dịch vụ khác không được cung cấp bởi nhà mạng 2.4. KẾT LUẬN Chương này đã trình bày về các vấn đề của công nghệ LTE, các tính năng quan trọng của LTE. Chương này cũng đã giới thiệu kiến trúc của mạng LTE/SAE bao gồm 4 thành phần chính: Thiết bị người dùng (UE), mạng truy nhập vô tuyến E-UTRAN, mạng lõi chuyển mạch gói (EPC) và phần dịch vụ. Đồng thời chức năng của các khối trong cấu hình hệ thống cơ bản LTE/SAE cũng đã được thảo luận. Trong chương sau, luận văn sẽ nguyên cứu vấn đề chuyển giao trong mạng LTE, các giải pháp liên kết giữa mạng LTE với các mạng vô tuyến hiện có, cũng như ứng dụng triển khai tại Gtel Mobile. 16 Chương 3 GIẢI PHÁP LIÊN KẾT MẠNG TRONG LTE Trong chương trước, luận văn đã thảo luận các vấn đề, các tính năng quan trọng của LTE, cũng như kiến trúc hệ thống cơ bản và chức năng của các thành phần của mạng LTE. Trong chương này sẽ thảo luận vấn đề chuyển giao trong mạng LTE/SAE, các giải pháp liên kết với các mạng 3GPP và 3GPP2, và ứng dụng tại GTel Mobile. 3.1. CHUYỂN GIAO GIỮA HAI eNodeB. 3.1.1. Thủ tục chuyển giao Tổng quan về thủ tục chuyển giao và chuyển mạch dữ liệu người dùng giữa hai eNodeB như trong Hình 3.1 và 3.2. Tr ớc khi chuyển giao Chuẩn bị chuyển giao Dữ liệu trong vô tuyến Báo hiệu trong vô tuyến Đường hầm GTP Thực hiện chuyển giao Chuyển mạch đ ờng trễ Báo hiệu S1 Báo hiệu X2 Báo hiệu GTP Hình 3.1: Thủ tục chuyển giao giữa hai eNodeB 17 Tr ớc khi chuyển giao Chuyển tiếp dữ liệu Chuyển mạch đ ờng trễ Hình 3.2: Chuyển mạch dữ liệu người dùng trong chuyển giao 3.1.2. Báo hiệu chuyển giao Hình 3.3: Chuẩn bị chuyển giao 18 Hình 3.4: Thực hiện chuyển giao Hình 3.5: Hoàn thành chuyển giao 3.1.3. Chuyển giao liền mạch 3.1.4. Chuyển giao không tổn hao