Tài liệu Các thủ tục truyền và nhận dữ liệu trong 4g

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ---------- BÀI TIỂU LUẬN Môn: Báo hiệu và điều khiển kết nối Đề tài: “Các thủ tục truyền và nhận dữ liệu trong 4G” Giảng Viên: Nguyễn Thanh Trà Sinh viên thực hiện: Hà Nội, tháng 10 năm 2021 Page | 1 Báo hiệu và điều khiển kết nối nhận dữ liệu trong 4G Các thủ tục truyền và LỜI NÓI ĐẦU Ngành công nghệ viễn thông đã chứng kiến những phát triển ngoạn mục trong những năm gần đây. Khi mà công nghệ mạng thông tin di dộng thế hệ thứ 3 (3G) chưa có đủ thời gian để khẳng định vị thế của mình trên toàn cầu, người ta đã bắt đầu nói về công nghệ 4G (Fourth Generation) từ nhiều năm gần đây. Thế nhưng nói một cách chính xác thì 4G là gì? Liệu có một định nghĩa thống nhất cho thế hệ mạng thông tin di động 4G? Khái niệm 4G bắt nguồn từ đâu? Có nhiều định nghĩa khác nhau về 4G, có định nghĩa theo hướng công nghệ, có định nghĩa theo hướng dịch vụ. Đơn giản nhất, 4G là thế hệ tiếp theo cùa mạng thông tin di động không dây. 4G là một giải pháp dể vượt lên những giới hạn và những điểm yếu của mạng 3G. Thực tế, vào giữa năm 2002, 4G là một khung nhận thức để thảo luận những yêu cầu của một mạng băng rộng tốc độ siêu cao trong tương lai mà cho phép hội tụ với mạng hữu tuyến cố định. 4G còn là thể hiện của ý tưởng, hy vọng của những nhà nghiên cứu ở các trường đại học, học viện, các công ty xây dựng dựa trên nền tảng viễn thông hay thông tin di động hay nhiều công ty khác với momg muốn đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện mà 3G không thế đáp ứng được. Báo hiệu và điều khiển kết nối Các thủ cục truyền và nhận dữ liệu trong 4G MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ 4G LTE 1.1 Tổng quan về 4G LTE.........................................................................................................4 1.1.1 Khái niệm 4G LTE.......................................................................................................4 1.1.2 Ứng dụng.......................................................................................................................5 1.1.3 Hệ thống truyền thông 4G............................................................................................5 1.2 Sự phát triển triến trúc hệ thống 4G LTE........................................................................ 7 1.2.1 Kiến trúc của LTE........................................................................................................ 7 1.2.2 Thiết bị đầu cuối (hay còn gọi là thiết bị người dùng UE).........................................7 1.2.3 Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS đã phát triển (E-UTRAN/ Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network). 8 1.2.3.1 Kiến trúc của E-UTRAN.........................................................................................8 1.2.3.2 Các kiến trúc giao thức của E-UTRAN.................................................................. 9 1.2.4 Lõi gói phát triển (EPC)............................................................................................ 10 1.2.4.1 Kiến trúc của lõi gói phát triển............................................................................ 10 1.2.4.2 Kiến trúc chuyển vùng..........................................................................................11 1.2.4.3 Các khu vực mạng................................................................................................ 12 1.2.4.4 Đánh số, địa chỉ và nhận dạng.............................................................................12 1.2.5 Các giao thức truyền thông........................................................................................ 14 1.2.5.1 Mô hình giao thức................................................................................................ 14 1.2.5.2 Giao thức vận chuyển giao diện không trung...................................................... 15 1.2.5.3 Các giao thức vận chuyển mạng cố định..............................................................16 1.2.5.4 Giao thức mặt phẳng người dùng.........................................................................17 1.2.5.5 Các giao thức báo hiệu.........................................................................................17 1.2.6 Một vài ví dụ điển hình về báo hiệu điều khiển tròn 4G LTE.................................. 19 1.2.6.1 Báo hiệu tầng truy nhập....................................................................................... 19 1.2.6.2 Báo hiệu tầng không truy nhập............................................................................ 20 CHƯƠNG 2: CÁC THỦ TỤC TRUYỀN VÀ NHẬN DỮ LIỆU TRONG 4G LTE. 2.1 Thủ tục truyền dữ liệu...................................................................................................... 22 2.1.1 Truyền và tiếp nhận Downlink...................................................................................22 2.1.2 Truyền và tiếp nhận Uplink........................................................................................24 2.1.3 Semi Persistent Scheduling (lập lịch bán liên tục)....................................................26 2.2 Truyền thông điệp lập lịch trên PDCC............................................................................27 2.2.1 Thông tin điều khiển đường xuống (Downlink Control Information-DCI)............27 Nhóm 9 P a g e 2 | 52 Báo hiệu và điều khiển kết nối 2.2.2 Các thủ cục truyền và nhận dữ liệu trong 4G Phân bổ tài nguyên.....................................................................................................28 2.2.3 Tỉ số nhận dạng tạm thời của mạng vô tuyến...........................................................29 2.2.4 Truyền và tiếp nhận dữ liệu của PDCCH................................................................. 30 2.3 Truyền dữ liệu trên PDSCH và PUSCH......................................................................... 31 2.3.1 Xử lý kênh vận chuyển...............................................................................................31 2.3.2 Xử lý kênh vật lý.........................................................................................................32 2.4 Truyền các chỉ số ARQ lai trên PHICH..........................................................................34 2.4.1 Giới thiệu.................................................................................................................... 34 2.4.2 Ánh xạ phần tử tài nguyên của PHICH....................................................................34 2.4.3 Xử lý kênh vật lý của PHICH.................................................................................... 35 2.5 Thông tin điều khiển Uplink.............................................................................................36 2.5.1 Báo nhận Hybrid ARQ...............................................................................................36 2.5.2 Chỉ báo chất lượng kênh............................................................................................37 2.5.3 Chỉ báo xếp hạng........................................................................................................38 2.5.4 Chỉ báo ma trận precoding.........................................................................................38 2.5.5 Cơ chế báo cáo trạng thái kênh.................................................................................38 2.5.6 Yêu cầu lập lịch.......................................................................................................... 39 2.6 Truyền thông tin điều khiển Uplink trên PUSCH..........................................................40 2.6.1 Định dạng PUSCH.....................................................................................................40 2.6.2 Tài nguyên PUSCH....................................................................................................41 2.6.3 Xử lý kênh vật lý của PUSCH....................................................................................42 2.7 Tín hiệu tham chiếu Uplink..............................................................................................42 2.7.1 Tín hiệu tham chiếu giải điều chế............................................................................. 42 2.7.2 Tín hiệu tham chiếu âm thanh.................................................................................. 43 2.8 Điều khiển năng lượng...................................................................................................... 45 2.8.1 Tính toán năng lượng Uplink....................................................................................45 2.8.2 Các lệnh điều khiển công suất Uplink...................................................................... 46 2.8.3 Điều khiển công suất Downlink.................................................................................46 2.9 Sự tiếp nhận không liên tục.............................................................................................. 47 2.9.1 Tiếp nhận và phân trang không liên tục trong RRC_IDLE.....................................47 2.9.2 Tiếp nhận không liên tục trong RRC_Connected.....................................................48 Kết Luận....................................................................................................................................... 48 Lời cảm ơn.....................................................................................................................................49 Tài liệu tham khảo: 5. VoLTE and 4G Mobile Communications-Wiley (2014) Nhóm 9 P a g e 3 | 52 ACK Positive Acknowledgement Allocation Retention Priotity Automatic Repeat Request Access Stratrum Control Channel Element Cyclic Redundancy Check Channel Quality Indicator Downlink Control Information Discontinuous Reception DownLink Shared Channel UICC E-UTRAN cell global identifier EPC Evoled Packer Core EPS Evoled Packet System EPRE Energy Per Resource Element EEvolved UMTS Terrestrial UTRAN Radio Access Network FDD Frequency Division Duplex FFT Fast Fourier Transform GSM Global System for Mobile Communications GUMMEI Globally unique MME identifier IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IMT International Mobile Telecomunications IMSI International Mobile Subscriber Identity LTE Long Term Evolution MAC Medium Access Control MBMS Multimedia Broadcast/Mutiplecast Service MME Mobility Management Entity MIMO Multiple In, Multiple Out MPLS Multi Protocol Label Switching MT Mobile Termination NAS Non-access Stratrum NGN Next Generation Network OFDM Orthogonal frequency-division multiplexing UE User Equipment PDCP ARQ ARQ AS CCE CRC CQI DCI DRX DL-SCH ECGI UMTS PCFICH PDCCH PDSCH PNC PDN PHICH PMI PUCCH PUSCH RLC RNTI RRC S-GW SI-RNTI SCFDMA SRS SPS QAM QPSK TA TDD TE TMIS TPC WiMAX Universal Intergrated Circuit Card Universal Intergrated circuit card Physical Control Format Indicator Channel Physical downlink control channel Physical Downlink Shared Channel Packet Data Convergence Protocol Public Network Calculator Packet Data Network Physical Hybrid ARQ Indicator Channel Precoding Matrix Indicator Physical Uplink Control Channel Physical Uplink Shared Channel Radio Link Control Radio Network Temporary Identifier Radio Resource Control Serving Gateway System Information Radio Network Temporary Identifier Single-carrier Frequency Division Mutiple Access Sounding Reference Signal Semi president scheduling Quadrature amplitude modulation Quadrature Phase Shift keying Tracking Area Time Division Duplex Terminal Equipment Temporary Mobile Subscriber Identity Transmit Power Control Worldwide Interoperability for Microwave Access 4G Fourth Generation CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ 4G LTE 4G (viết tắt của Fourth_Generation) hay LTE (viết tắt của cụm từ Long Term Evolution, có nghĩa là tiến hóa dài hạn) là công nghệ truyền thông không dây thứ 4, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 đến 1.5Gb/giây. Tên gọi 4G do IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) đặt ra để diễn đạt ý nghĩa “3G là hơn nữa”. 1.1 Tổng quan về 4G LTE 1.1.1 Khái niệm 4G LTE 4G là thế hệ tiếp theo của 3G, được IEEE đặt ra nhằm phân biệt với các chuẩn mạng trước đó (2G/3G). Những tiêu chuẩn cơ bản nhất cả mạng 4G được ITU-R chính thức thiết lập vào T3/2008, được gọi tên là IMT-Advanced (International Mobile Telecomunications Advanced). Được thúc đẩy bới các yêu cầu của ITU đối với IMT_Advance, 3GPP bắt đầu nghiên cứu cách nâng cao của LTE. Đẩu ra chính từ nghiên cứu là một đặc điểm kỹ thuật cho một hệ thống đã biết như LTE-Advanced, trong đó các yêu cầu chính như sau: Dựa vào chuyển mạch gói AII-IP (công nghệ mạng tiếp theo) Next Generation Network (NGN). Mạng NGN là một mạng chuyển mạch gói có khả năng cung cấp các dịch vụ viễn thông, các dịch vụ băng rộng, các công nghệ truyền tải đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS trong đó các dịch vụ cung cấp hoàn toàn độc lập với các công nghệ truyền dẫn lớp dưới. Mạng này cho phép người dùng có thể truy cập tới nhiều nhà cung cấp dịch vụ khác nhau đồng thời hỗ trợ các tính năng di động nhằm mục đích cung cấp dịch vụ một cách thống nhất và hoàn toàn trong suốt quá trình của người sử dụng. Trung tâm của mạng IP NGN gồm 3 yếu tố: -  Hội tụ mạng.  Hội tụ dịch vụ.  Hội tụ ứng dụng. LTE-Advanced được yêu cầu để cung cấp tốc độ dữ liệu peak là 1000 Mbps trong đường xuống (Down-link) và 500 Mbps ở đường lên (Up-link). Trong thực tế, hệ thống đã được thiết kế để có thể điều chỉnh cung cấp tốc độ dữ liệu cao nhất tương ứng là 3000 và 1500 Mbps. - Hiệu quả băng thông MAX = 5 bit/s/Hz (Down-link) và 6.75 bit/s/Hz (Uplink). Có thể tự động chia sẻ tài nguyên mạng để hỗ trợ nhiều người dùng cùng một lúc. - Sử dụng các kênh có băng thông 5-20 MHz, tùy chọn đến 40 MHz. Truyền tải dữ liệu trên các mạn không đồng nhất phải diễn ra trơn tru, ổn định. - Có khả năng cung cấp dịch vụ chấ lượng cao trong công việc hỗ trợ đa phương tiện thế hệ tiếp theo. 1.1.2 Ứng dụng.  Các dịch vụ, ứng dụng được triển khai trên nền mạng 4G LTE gồm: - Dịch vụ thoại, nhắn tin. - Truyền thông tốc độ cao (High Multimedia) - Dịch vụ dữ liệu (Data Service) - Dịch vụ đa phương tiện (Multimedia Service) - Tính toán mạng công cộng (PNC) - Bản tin hợp nhất (Unified Mesaging) - Thương mại điện tử (E-Commerce) - Trò chơi tương tác trên mạng (Interactive gaming) - Quản lý tại nhà (Home Manager) 1.1.3 Hệ thống truyền thông 4G  Các thành phần và công nghệ truyền dẫn trong 4G a. MIMO – OFDM MIMO, trái ngược với các hệ thống truyền thông truyền thống, tận dụng sự lan truyền đa luồng để tăng thông lượng, phạm vi/ vùng phủ sóng và độ tin cậy. các hệ thống MIMO sử dụng ghép kênh không gian, dùng nhiều anten phát và nhiều anten thu. Vì MIMO truyền nhiều tín hiệu trên kênh truyền thông. Tốc độ dữ liệu trong các hệ thống MIMO được nhân với số lượng anten được sử dụng. Trong OFDM, chính tín hiệu được chia thành các tần số băng tần hẹp khác nhau, được điều chế bởi dữ liệu và sau đó được ghép lại để tạo sóng mang OFDM. OFDM có thể được thực hiện hiệu quả bằng cách sử dụng các biến đổi Fourier nhanh (FFT) tại máy phát và máy thu. FFT cung cấp đáp ứng kênh cho từng tần số. Với MIMO, đáp ứng kênh trở thành ma trận và do đó, MIMO-OFDM có thể được xử lý bằng cách sử dụng đại số ma trận tương đối đơn giản b. IPv4 và IPv6 IPv4 sử dụng 32 bit và do đó có thể sử dụng 232 thiết bị có thể định địa chỉ Sự cạn kiệt địa chỉ IPv4 có thể sẽ ở giai đoạn cuối cùng vào thời điểm triển khai IPv6. Do đó, đối với công nghệ 4G, IPv6 đã phát triển để hỗ trợ một số lượng lớn thiết bị c. Mạng Adhoc Cơ chế điều chế và mã hóa thích ứng phản ứng với các biến đổi tức thời trong điều kiện kênh và theo đó sửa đổi các định dạng mã hóa và điều chế. Dựa trên phản hồi từ người nhận, phản hồi của kênh được ước tính và tùy thuộc vào điều kiện kênh, AMC cho phép các tốc độ dữ liệu khác nhau được chỉ định cho những người dùng khác nhau. Thống kê kênh hỗ trợ máy phát và máy thu để tối ưu hóa các tham số hệ thống như điều chế, mã hóa, băng thông, bộ lọc ước tính kênh và điều khiển khuếch đại tự động. d. Thích nghi lai ARQ Hiệu suất lớp kiểm soát truy cập trung bình (MAC) hiệu quả và đáng tin cậy là cực kỳ quan trọng đối với hiệu suất liên kết đáng tin cậy trên kênh không dây bị mất. Để đạt được điều này, một cơ chế truyền lại và phân mảnh tự động được gọi là Yêu cầu lặp lại tự động (ARQ) được sử dụng, trong đó máy phát chia các gói nhận được từ các lớp cao hơn thành các gói phụ nhỏ hơn, được truyền tuần tự. Nếu một gói phụ được nhận không chính xác, máy phát được yêu cầu truyền lại. Cơ chế này giới thiệu sự đa dạng thời gian vào hệ thống do khả năng phục hồi từ tiếng ồn, nhiễu và mờ dần. e. Cải tiến điều chế Các tiêu chuẩn trước đây đã sử dụng khóa dịch pha, các sơ đồ điều chế hiệu quả hơn như 64-QAM (Điều chế biên độ cầu phương) đang được sử dụng cho các hệ thống 4G.  Hệ thống truyền thông 4G Wirelessman-Advanced IMT-A phiên bản tương thích của WiMAX hoặc WiMAX 2 dựa trên chuẩn IEEE 802.16m - WiMAX (Khả năng tương tác toàn cầu cho truy cập lò vi sóng) là công nghệ truy cập băng thông rộng không dây dựa trên IP - Wirelessman đang được phát triển. - Việc triển khai WiMAX hiện tại không tuân thủ thông số kỹ thuật 4G - Sử dụng OFDM trong đường lên và đường xuống . - WiMAX di động, tiêu chuẩn IEEE 802.16e cung cấp tốc độ dữ liệu cao nhất của đường xuống 128 Mbit / s và đường lên 56 Mbit / s trên kênh rộng 20 MHz. 4G LTE (Tiến hóa dài hạn) Nâng cao - IMT-Một phiên bản khiếu nại của LTE, còn được gọi là E-UTRA (Truy cập vô tuyến UMTS mặt đất tiến hóa) hoặc E-UTRAN (Mạng truy cập vô tuyến mặt đất tiến hóa UMTS). - UMTS Long Term Evolution (LTE) đã được giới thiệu trong 3GPP Release 8, hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên tới 300 Mbps (4 × 4 MIMO) và lên tới 150 Mbps (2 × 2 MIMO) trong đường xuống và lên đến 75 Mbps trong đường lên. Bản phát hành 10 của LTE có khả năng tiếp cận IMT-A, tải xuống tối đa 1 Gbps và tải lên tối đa 500 Mbps. - Sử dụng OFDMA cho đường xuống & Sử dụng nhiều truy cập phân chia tần số sóng mang đơn (SC-FDMA) cho đường lên. - Sử dụng điều chế 64QAM - - Sử dụng MIMO và hình thành chùm tia với tối đa 4 ăng ten - Tất cả mạng IP 1.2 Sự phát triển triến trúc hệ thống 4G LTE Phần này ta sẽ trình bày về kiến trúc cấp cao của LTE. Chúng ta bắt đầu bằng cách mô tả các thành phần phần cứng trong mạng LTE và bằng cách xem xét các giao thức phần mềm mà các thành phần đó sử dụng đẻ giao tiếp. sau đó xem xét chi tiết hơn các kỹ thuật được sử dụng để vận chuyển dữ liệu trong LTE trước khi thảo luận về biểu đồ trạng thái và việc sử dụng phổ vô tuyến. 1.2.1 Kiến trúc của LTE Kiến trúc cao cấp của hệ thồng gói tin đã phát triển (EPS/ Evoled Packet System) có 3 thành phần chính đó là:  Thiết bị người dùng (UE/ User Equiqment).  Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS đã phát triển (E-UTRAN/ Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network).  Lõi gói phát triển (EPC/ Evolved Packet Core). Đổi lại, gói phát triển lõi giao tiếp với các mạng dữ liệu gói ở thế giới bên ngoài như internet, mạng công ty tư nhận hoặc các hệ thồng con đa phương tiện IP. Các giao diện giữa các phần khác nhau của hệ thống được kí hiệu là Uu, S1, Sgi. Mỗi UE, E-UTRAN và EPC đều có kiến trúc nội bộ riêng của mình. Hình 1.1: Kiến trúc cao cấp của LTE 1.2.2 Thiết bị đầu cuối (hay còn gọi là thiết bị người dùng UE). Kiến trúc của thiết bị đầu cuối (UE). Hình 1.2: Kiến trúc của thiết bị đầu cuối người dùng (UE)  Thiết bị liên lạc thực tế được gọi là thiết bị di động (ME/ Mobility Equiqment). Trong trường hợp của điện thoại di động hoặc điện thoại thông minh, đây chỉ là một thiết bị duy nhất. Tuy nhiên, thiết bị di dộng cũng có thể được chia thành 2 phần đó là: - Thiết bị đầu cuối di động (MT/ Mobile Termination) xử lý tất cả các chức năng giao tiếp. - Thiết bị đầu cuối (TE/ Terminal Equipment) là nơi kết thúc các luồng dữ liệu. Ví dụ: đầu cuối di động có thể là một thẻ LTE plug-in cho máy tính xách tay, trong trường hợp này, thiết bị đầu cuối sẽ là chính máy tính xách tay.  Thẻ mạch tích hợp đa năng (UICC/ Universal Integrated Circuit Card) là một thẻ thông minh, thường được gọi là thẻ SIM (Subscriber Identity Module). - Nó chạy một ứng dụng được gọi là mô-đun nhận dạng thuê bao chung (USIM/ Universal Subscriber Identity Module), lưu trữ dữ liệu đành riêng cho người dùng, chẳng hạn như số điện thoại người dùng và dnah tính mạng gia đình. - Một số dữ liệu trên USIM có thể được tải xuống từ các máy chủ quản lý thiết bị do nhà điều hành quản lý  Ngoài ra, LTE hỗ trợ điện thoại di động đang sử dụng IPv4, IPv6, hoặc IP kép phiên bản v4 hoặc v6. Một điện thoại di động nhận một điện chỉ IP cho mỗi mạng dữ liệu gói mà nó đang giao tiếp. 1.2.3 Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS đã phát triển (EUTRAN/ Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network). 1.2.3.1 Kiến trúc của E-UTRAN. Mạng truy nhập vô tuyến UMTS đã phát triển (E-UTRAN) xử lý thông tin liên lạc vô tuyến giữa thiết bị di động và gói lõi đã phát triển và chỉ có các eNodeB (eNB). Vì thế kiến trúc E-UTRAN được gọi là kiến trúc phẳng.  Phần lõi chính của kiến trúc E-UTRAN là nút B (eNodeB), cung cấp giao diện vô tuyến với mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển kết nối hướng đến UE.  Mục tiêu của công nghệ mới này là tăng vùng phủ, tốc độ dữ liệu cao hơn và hiệu năng QoS tốt hơn và công bằng hơn với các người sử dụng khác nhau.  eNB có 3 chức năng chính đó là: - eNB gửi các đường truyền vô tuyến đến tất cả các điện thoại di động của nó trên đường xuống và nhận các đường truyền từ chúng trên đường trên, sử dụng các chức năng xử lý tín hiệu tương tự và kỹ thuật số của giao diện không khí LTE. - eNB kiểm soát hoạt động cấp thấp của tất cả các điện thoại di động của nó bằng cách gửi cho chúng các thông điệp báo hiệu như lệnh chuyển giao liên quan đến các đường truyền vô tuyến đó.  Mỗi trạm gốc được kết nối với EPC bằng giao diện S1. Nó cũng có thể được kết nối với các trạm gốc lân cận được gọi là giao diện X2, được sử dụng chủ yếu để bảo hiệu và chuyển tiếp gói tin trong quá trình chuyển giao. Hình 1.3: Kiến trúc của EUTRAN 1.2.3.2 Các kiến trúc giao thức của EUTRAN.  Mặt phẳng người sử dụng: Giao thức mặt phẳng người dùng E-UTRAN, bao gồm các lớp con PDCP (Packet Data Convergence Protocol), RLC (Radio Link Control) và MAC (Medium Access Control).  PDCP (Packet Data Convergence Protcol) : Là giao thức hội tụ số liệu gói, đảm bảo nén tiêu đề giao thức và thực hiện mật mã hóa số liệu.  RLC (Radio Link Control): điều khiển liên kết vô tuyến, chịu trách nhiệm truyền số liệu tin cậy, lớp con của lớp 2.  MAC (Medium Access Control): điều khiển môi trường, chịu trách nhiệm lập biểu và phát lại nhanh, lớp con của lớp 2.  Mặt phẳng điều khiển: chỉ ra các giao thức tầng truy cập. các lớp thấp hơn hoạt động với cùng chức năng như bên mặt phẳng người dùng, chỉ khác ở chỗ là không nén Header. Hình 1.4: Chồng giao thức 1.2.4 Lõi gói phát triển (EPC) 1.2.4.1 Kiến trúc của lõi gói phát triển Các thành phần chính của mạng lõi phát triển EPC bao gồm: Hình 1.5: Các thành phần chính của lõi gói phát triển (EPC)  Thực thể quản lí di động (MME/ Mobility Management Entity). Kiểm soát hoạt động cấp caocuar thiết bị di động bằng cách gửi cho nó các thông điệp báo hiệu về các vấn đề như bảo mật và quản lý các luồng dữ liệu không liên quan đến truyền thông vô tuyến.  Cổng phục vụ (S-GW/ Serving Gateway). Hoạt động như một thiết bị định tuyến mức cao và chuyển tiếp dữ liệu giữa trạm gốc và cổng PDN. Một mạng điển hình có thể chứa một số ít các cồng phục vụ, mỗi cổng trông nom các điện thoại di động trong một khu vực địa lý nhất định. Mỗi thiết bị di động được chỉ định đến một cổng phục vụ duy nhấ, nhưng cổng phục vụ có thể thay đổi nếu thiết bị di dộng di chuyển đủ xa.  Cổng mạng dữ liệu gói (PDN-GW/ Packet Data Network Gateway). Là điểm liên lạc của EPC với thế giới bên ngoài thông qua giao diện SGi, mỗi cổng PDN trao đổi dữ liệu với một hoặc nhiều thiết bị bên ngoài hoặc mạng dữ liệu gói. Ví dụ: một cho Internet và một cho hệ thống con đa phương tiện IP. 1.2.4.2 Kiến trúc chuyển vùng. Chuyển vùng cho phép người dùng di chuyển ra ngoài cùng phủ sóng của nhà khai thác mạng của họ bằng cách sử dụng tài nguyên từ 2 mạng khác nhau. Nó dựa trên sự tồn tại của một thỏa thuận chuyển vùng. Hình 1.6: Kiến trúc thông thường của LTE cho di động chuyển vùng đang giao tiếp với Internet và hệ thống con đa phương tiện IP  Bằng cách sử dụng kiến trúc này, nhà khai thác mạng gia định có thể xem tất cả lưu lượn cà có thể tính phí trực tiếp, vì vậy nó chỉ yêu cầu 1 thỏa thuận chuyển vùng cơ bản với mạng được truy cập. hai mạng trao đổi thông tin sử dụng đường trục giữa các nhà khai thác được gọi là trao đổi gói IP (IPX) hoặc bằng tên cũ hơn của nó là trao đổi chuyển vùng GPRS (GRX).  Giao tiếp với hệ thống con đa phương tiện IP thường sử dụng breakout cục bộ, trong đó cổng PDN nằm trong mạng được truy cập. Điều này có hai lợi ích quan trọng đối với liên lạc bằng giọng nói: người dùng có thể thực hiện cuộc gọi thoại nội hạt mà không cần lưu lượng truy cập trở lại mạng gia đình và có thể thực hiện cuộc gọi khẩn cấp do các dịch vụ khẩn cấp địa phương xử lý. 1.2.4.3 Các khu vực mạng. EPC được chia thành 3 loại khu vực khác nhau. Hình 1.7: Mối quan hệ giữa các khu vực Tracking, khu vực Pool MME và khu vực Service S-GW.  Pool area MME là khu vực mà thiết bị di động có thể di chueyenr mà không cần thay đổi phục vụ MME. Mọi khu vực chung đều được điều khiển bởi một hoặc nhiều MME, trong khi mọi trạm gốc được kết nối với tất cả các MME trong khu vực chung bằng giao diện S1-MME. Các khu vực hồ bơi cũng có thể chồng lên nhau. Các khu vực pool có thể chồng lên nhau.  Service area S-GW là vùng được phục vụ bởi một hoặc nhiều cổng phục vụ, qua đó thiết bị di động có thể di chuyển mà không cần thay đổi cổng phục vụ. Service area S-GW không nhất thiết phải tương ứng với Pool area MME.  Pool areas MME và Service area S-GW đều được làm từ các đơn vị nhỏ hơn, không chồng chéo được gọi là khu vực theo dõi (TA/ Tracking Area). Chúng được sử dụng để theo dõi vị trí của điện thoại di động ở chế độ chờ và tương tự như vị trí và khu vực định tuyến từ UMTS và GSM. 1.2.4.4 Đánh số, địa chỉ và nhận dạng. - - Mỗi MME có 3 đặc điểm nhận dạng chính: Mỗi khu vực nhóm MME được xác định bằng cách xử dụng danh tính nhóm MME 16 bits (MMEGI), trong khi mã MME 8 bits (MMEC) xác định duy nhất MME trong khu vực nhóm. Việc kết hợp chúng để tạo ra mã định danh (MME (MMEI) 24 bits, xác định duy nhấ MME trong một mạng cụ thể. Bằng cách danh tính mạng, ta có được số nhận dạng MME duy nhất trên toàn cầu (GUMMEI). Hình 1.8: Danh tính được MME sử dụng.  Mỗi khu vực theo dõi (TA) có 2 đặc điểm nhận dạng chính: - Mã vùng theo dõi 16 bits (TAC) các định một vùng theo dõi trong một mạng cụ thể. - Kết hợp điều này với nahanj dạng mạng sẽ tạo ra nhận dạng khu vực theo dõi duy nhất trên toàn cầu (TAI).  Cells cũng có 3 kiểu nhận dạng: - Nhận dạng cells E-UTRAN 28 bits xác định 1 cells trong mạng cụ thể, trong khi mã nhận dạng toàn cầu tế bào E-UTRAN (ECGI) xác định một ô ở bất kỳ đâu trên thế giới.  Một điện thoại di động cũng được liên kết với một số danh tính khác nhau. Quan trọng nhất là nhận dạng thiết bị di động và nhận dạng thuê bao di động quốc tế (IMSI), cái mà nhận dạng duy nhất cho UICC và USIM. IMSI là một trong những số lượng mà kẻ xâm nhập cần để nhân bản một thiết bị di động, vì vậy chúng tôi tránh truyền nó qua giao diện không khí bất cứ khi nào có thể. Thay vào đó, MME phục vụ xác định từng thiết bị di động bằng cách sử dụng danh tính tạm thời, được cập nhật định kỳ. Ba loại nhận dạng tạm thời là quan trọng và được thể hiện dưới hình 1.9 phần màu xám. Hình 1.9: Danh tính tạm thời được sử dụng bởi điện thoại di động  Việc thêm mã MME dẫn đến nhận dạng thuê bao di dộng tạm thời 40 bit S (STMSI), nhận dạng di động trong khu vực nhím MME. Cuối cùng, việc thêm danh tính nhóm MME và danh tính PLMN dẫn đến số lượng quan trọng nhất , danh tính tạm thời duy nhất trên toàn cầu (GUTI). 1.2.5 Các giao thức truyền thông 1.2.5.1 Mô hình giao thức. Mỗi giao diện từ phần trước được liên kết với ngăn xếp giao thức, mà các yếu tố mạng sử dụng để trao đổi dữ liệu và tin nhắn báo hiệu. Hình 2.10 cho thấy cấu trúc cấp cao của các ngăn giao giao thức đó. Hình 1.10 Kiến trúc giao thức cấp cao của LTE  Ngăn xếp giao thức có hai mặt phẳng. Các giao thức trong mặt phẳng người dùng xử lý dữ liệu quan tâm tới người dùng, trong khi các giao thức trong mặt phẳng điều khiển xử lý các thông báo báo hiệu chỉ quan tâm đến các yếu tố mạng của chính chúng. Ngăn xếp giao thức cũng có hai lớp chính: - Lớp trên thao tác thông tin theo cách cụ thể đối với LTE. - Lớp thấp hơn vận chuyển thông tin từ điểm này sang điểm khác.  Không có tên phổ quát cho những lớp này, nhưng trong E-UTRAN, chúng được gọi một cách tương đối là lớp mạng radio và lớp mạng vận chuyển. Ta có 3 loại giao thức: - Giao thức báo hiệu (signaling protocols) xác định một ngôn ngữ mà hai thiết bị có thể trao đổi tin nhắn tín hiệu với nhau. - Giao thức mặt phẳng (user plane protocols) người dùng vận chuyển dữ liệu trong mặt phẳng người dùng, thường xuyên nhất để giúp định tuyến dữ liệu trong mạng. - Giao thức vận chuyển (transport protocols) truyền dữ liệu và tin nhắn báo hiệu từ điểm này sang điểm khác.  Trên giao diện không trung, có một mức phức tạp hơn nữa, được hiển thị trong Hình 2.11. Hình 1.11 Mối quan hệ giữa tầng truy cập và tầng không truy cập trên giao diện không trung Như đã lưu ý trước đó, MME(Mobile Management Entity) điều khiển hành vi cấp cao của thiết bị di động bằng cách gửi tin nhắn báo hiệu. Tuy nhiên, không có con đường trực tiếp giữa MME và thiết bị di động mà phải thông qua những tin nhắn báo hiệu đó. Để xử lý việc này, giao diện không trung được chia thành hai cấp độ, được gọi là Tầng Access (AS) và Tầng non-access (NAS). Tin nhắn báo hiệu mức độ cao nằm trong tầng không truy cập và được vận chuyển bằng cách sử dụng giao thức tầng truy cập của giao diện S1 và Uu.(S1 và Uu: giao diện không trung) 1.2.5.2 Giao thức vận chuyển giao diện không trung Giao diện không trung hay còn được gọi là giao diện Uu nằm ở giữa thiết bị di động và trạm gốc. Hình 2.12 cho thấy các giao thức vận chuyển của giao diện không trung. Hình 1.12 Giao thức vận chuyển được sử dụng trên giao diện không trung. Nguồn: TS 36.300. Được sao chép bởi sự cho phép của ETSI  Bắt đầu từ đáy, lớp vật lý giao diện không trung chứa các chức năng xử lý tín hiệu số và tín hiệu tương tự mà trạm di động và trạm gốc sử dụng để gửi và nhận thông tin. (Nếu muốn tìm hiểu lỹ hơn về phần này có thể đọc chương 6)  Ba giao thức tiếp theo tạo nên lớp liên kết dữ liệu (lớp 2 của mô hình OSI): - Giao thức điều khiển rung bình truy cập (MAC: medium access control) thực hiện điều khiển mức độ thấp của lớp vật lý, đặc biệt bằng cách lập lịch truyền dữ liệu giữa thiết bị di động và trạm gốc.