Tài liệu Tổng quan về hệ thống thông tin di động lte

Tổng quan vềề hệ thốống thống tn di động LTE 1.1.1 Giới thiệu vềề LTE Long Term Evolution (LTE) là một công nghệ băng thông rộng không dây 4G được phát triển bởi 3GPP - dự án hợp tác thế hệ thứ 3. Công nghệ LTE cho phép kết nối Internet di động nhanh, có những tiến bộ vượt bậc về công nghệ cũng như tính năng so với thế hệ 3G trước đó. Mục tiêu của LTE là cung cấp công nghệ truy cập vô tuyến tốc độ cao, độ trễ thấp và tối ưu hóa gói tin hỗ trợ các triển khai băng thông linh hoạt [7]. Song song đó, kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói với khả năng di động, chất lượng dịch vụ và độ trễ tối thiểu [8]. LTE cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn cho cả đường lên và đường xuống, mạng lõi có kiến trúc đơn giản hóa. Trong khi đó, truy cập đã phát triển từ TDMA (Đa truy cập phân chia theo thời gian) sang OFDMA (Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao) do nhu cầu về tốc độ và khối lượng dữ liệu cao hơn. // [7] 3GPP TSG RAN TR 25.913 v7.3.0, Requirements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) and Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN). [8] 3GPPTSG RAN TR 23.882 v1.15.1, 3GPP SystemArchitecture Evolution: Report on Technical Options and Conclusions. 1.1.2 Kiến trúc mạng LTE Kiến trúc mạng LTE được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói với khả năng di động liên tục, chất lượng dịch vụ (QoS) và độ trễ tối thiểu. Cách tiếp cận chuyển mạch gói cho phép hỗ trợ tất cả các dịch vụ bao gồm thoại thông qua kết nối gói. Kết quả là kiến trúc đơn giản hơn với chỉ 2 loại node là NodeB phát triển (eNodeB) và thực thể quản lý di động/cổng (MME/GW). Điều này tương phản với các node mạng khác trong kiến trúc mạng phân cấp hiện tại của hệ thống 3G. Một thay đổi lớn là bộ điều khiển trạm gốc (RNC) được loại bỏ khỏi đường dẫn dữ liệu và các chức năng của nó hiện đã được kết hợp trong eNB. Một số lợi ích của một loại nút duy nhất trong mạng truy cập là độ trễ giảm khi người dùng trao đổi thông tin. Hình trên miêu tả kiến trúc và các thành phần mạng trong cấu hình kiến trúc tổng quát mạng 4G LTE. Kiến trúc mạng lớp cao của LTE gồm 4 thành phần chính: thiết bị người dùng (UE), mạng truy cập vô tuyến phát triển (E-UTRAN) mạng lõi gói phát triển (EPC) và các vùng dịch vụ. a. Phần thiết bị người dùng (UE) gồm 2 khối chính MS và UICC. MS (mobile station): trạm di động có khả năng điều khiển các chức năng truyền thông, đầu cuối dữ liệu, xử lí dữ liệu …Universal Integrated Circuit Card (UICC): Còn được gọi là SIM card cho các thiết bị LTE, chạy ứng dụng gọi là mô đun nhận dạng thuê bao chung USIM, lưu trữ dữ liệu người dùng cụ thể là số điện thoại người dùng và nhận dạng mạng nhà. USIM cũng thực hiện các tính toán liên quan đến an ninh khác nhau, sử dụng các khóa an toàn mà thẻ thông minh lưu trữ. b. Phần mạng truy cập E-UTRAN xử lý các kết nối vô tuyến giữa thiết bị di động và mạng lõi, và chỉ có 1 thành phần là NodeB phát triển (eNB). Mỗi eNB là một trạm cơ sở điều khiển các thiết bị người dùng trong 1 hoặc nhiều ô. Thiết bị di động LTE chỉ giao tiếp với một trạm cơ sở và chỉ 1 ô tại 1 thời điểm.Trạm cơ sở đang giao tiếp với điện thoại di động được gọi là eNB phục vụ của nó. E-NodeB có hai chức năng chính. Thứ nhất, eNB gửi tín hiệu vô tuyến đến tất cả các điện thoại di động của nó trên đường xuống và nhận các tín hiệu truyền từ chúng trên đường lên, sử dụng các chức năng xử lý tín hiệu tương tự và tín hiệu số của giao diện vô tuyến không dây LTE. Thứ hai, eNB kiểm soát hoạt động cấp thấp của tất cả các điện thoại di động, bằng cách gửi cho họ các thông điệp báo hiệu như các lệnh chuyển giao liên quan. Trong việc thực hiện các chức năng này, eNB kết hợp các chức năng trước đây của node B và bộ điều khiển mạng vô tuyến(RNC), để giảm độ trễ phát sinh khi điện thoại di động trao đổi thông tin với mạng. Tất cả các giao diện mạng được dựa trên giao thức IP. Giao diện vô tuyến trong hệ thống thông tin di động 3G gồm hai giao diện: S1 cho mặt phẳng điều khiển và X1 cho mặt phẳng người dùng. Giao diện vô tuyến sử dụng trong E-UTRAN bây giờ được bổ sung thêm giao diện X2 bao gồm cả mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng. Trong đó S1 là giao diện vô tuyến kết nối giữa eNodeB và mạng lõi. S1 chia làm hai loại là S1-U là giao diện giữa eNodeB và SAE –GW và S1-MME là giao diện giữa eNodeB và MME. Nó cũng có thể được kết nối với các trạm cơ sở gần đó bằng giao diện X2, chủ yếu được sử dụng cho báo hiệu và chuyển tiếp gói tin trong quá trình chuyển giao. Giao diện X2 được tùy chọn theo hai mặt. Thứ nhất, việc giao tiếp chỉ cần thông tin liên lạc giữa các trạm gốc gần đó có thể liên quan đến việc chuyển giao, trong khi các trạm cơ sở ở xa không phải tương tác. Thứ hai, các giao tiếp X2 quan trọng nhất cũng có thể được đi qua mạng lõi gói phát triển bằng cách sử dụng hai trường hợp của S1, mặc dù gián tiếp và chậm hơn. Ngay cả khi nó được sử dụng, giao diện X2 không phải được cấu hình bằng tay, thay vào đó, một mạng có thể thiết lập các giao diện X2 của nó tự động bằng cách sử dụng các chức năng tự tối ưu hóa. c. Mạng lõi EPC bao gồm các thực thể chức năng như: thực thể quản lý di động MME (Mobility Management Entity), máy chủ thuê bao lân cận HSS, cổng dịch vụ S-GW, cổng dữ liệu gói P-GW, chức năng tính toán chi phí và các chính sách dịch vụ PCRF. MME chịu trách nhiệm về những tính năng trong mặt phẳng kiểm soát, liên quan tới việc quản lý các thuê bao và các phiên truyền dẫn. Nó hỗ trợ các phương thức bảo mật liên quan tới việc xác minh người sử dụng; xử lý các phiên truyền dẫn giữa thiết bị đầu cuối và mạng truy cập; quản lý các thiết bị rảnh rỗi. HSS là sự kết hợp của HLR (Home Location Register) và AUC (Authentication Center), 2 khối chức năng đã xuất hiện trong các mạng 2G/GSM và 3G/UMTS. Phần HLR của HSS có nhiệm vụ lưu trữ và cập nhật khi cần thiết cơ sở dữ liệu chứa tất cả các thông tin đăng ký của người sử dụng, bao gồm: thông tin nhận dạng người sử dụng và địa chỉ, thông tin chi tiết của người sử dụng (trạng thái hoạt động, chất lượng gói dịch vụ…). Phần AUC của HSS có nhiệm vụ tạo ta những thông tin bảo mật từ chuỗi nhận dạng người sử dụng. Thông tin bảo mật này cung cấp cho HLR và xa hơn là thông tin đến các thực thể khác của mạng. Thông tin bảo mật này được sử dụng chủ yếu cho: việc xác minh qua lại các thiết bị mạng, mã hóa đường truyền dẫn vô tuyến, đảm bảo dữ liệu và tín hiệu báo hiệu được truyền giữa mạng và thiết bị người sử dụng không bị nghe trộm hay xâm nhập. Phần tử SAE GW là sự kết hợp của cổng dịch vụ (S-GW) và cổng mạng dữ liệu gói (P-GW). Cổng dịch vụ S-GW là một điểm đầu cuối của giao diện dữ liệu gói hướng đến mạng truy cập E-UTRAN. Khi các thiết bị người sử dụng di chuyển giữa các eNodeB trong mạng truy cập E-UTRAN, thì S-GW đóng vai trò như những điểm trung chuyển (chuyển giao). Nó cũng là điểm trung chuyển giữa mạng truy cập E-UTRAN với các mạng truy cập cũ hơn như 2G/GSM, 3G/UMTS. Cũng giống như S-GW, P-GW là điểm đầu cuối của giao diện dữ liệu gói nhưng hướng tới các mạng dữ liệu gói bên ngoài (Packet Data Networks). PGW hỗ trợ các tính năng về chính sách dịch vụ cũng như lọc các gói dữ liệu và hỗ trợ tính phí… Máy chủ PCRF quản lý các chính sách dịch vụ và gửi thông tin về chất lượng dịch vụ cho mỗi phiên người sử dụng và các thông tin về quy tắc tính toán. PCRF là sự kết hợp của 2 nút chức năng PDF (The Policy Decision Function) và CRF (The Charging Rules Function). PDF là thực thể mạng có nhiệm vụ đưa ra những chính sách dịch vụ. Vai trò của CRF là cung cấp các quy tắc tính phí áp dụng cho từng dòng dữ liệu phục vụ. CRF chọn lựa những quy tắc tính phí chính xác dựa trên thông tin cung cấp từ P-CSCF, cũng như bộ nhận dạng ứng dụng, loại dòng tín hiệu (audio, video…), tốc độ dữ liệu… Khung giao thức mặt phẳng người dùng được đưa ra trong Hình 2.3. Chúng tôi lưu ý rằng các giao thức gói dữ liệu hội tụ (PDCP) và các lớp điều khiển liên kết vô tuyến (RLC) truyền thống kết thúc bằng RNC ở phía mạng bây giờ đã kết thúc bằng eNB. - PDCP (Packet Data Convergence Protcol: giao th ức h ội t ụ sốố li ệu gói): đ ảm b ảo nén tều đềề giao thức và thực hiện mật mã hoá sốố liệu. - RLC (Radio Link Control: điềều khi ển liền kềốt vố tuyềốn): ch ịu trách nhiệm truyềền sốố liệu tn cậy, lớp con c ủa l ớp 2 - MAC (Medium Access Control: điềều khiển mối tr ƣờng): ch ịu trách nhi ệm l ập bi ểu và phát l ại nhanh, lớp con của lớp 2. Hình 2.4 cho biết ngăn xếp giao thức điều khiển mặt phẳng điều khiển. Chúng tôi lưu ý rằng chức năng RRC truyền thống được thực hiện trong RNC hiện được tích hợp vào eNB. Các lớp RLC và MAC thực hiện các chức năng giống như chức năng ở mặt phẳng người dùng. Các chức năng do RRC thực hiện bao gồm phát sóng thông tin, phân trang, điều khiển vô tuyến, quản lý kết nối RRC, các chức năng di động và báo cáo và kiểm soát đo lường của UE. Giao thức NAS không được truy cập (MMC) đã kết thúc trong MME ở phía mạng và tại UE ở phía cuối thực hiện các chức năng như quản lý người quản lý gói tin EPS (hệ thống phát triển), xác thực và kiểm soát an ninh, v.v ... Khung giao thức giao diện S1 và X2 được thể hiện trong Hình 2.5 và 2.6 tương ứng. Chúng ta lưu ý rằng các giao thức tương tự được sử dụng trên hai giao diện này. Giao diện máy bay người dùng S1 (S1-U) được định nghĩa giữa eNB và S-GW. Giao diện S1-U sử dụng giao thức GTP-U (đường hầm GPRS đường hầm dữ liệu người dùng) [2] trên UDP / IPtransport và cung cấp các giao thức PDUs không được đảm bảo giữa eNB và S-GW. GTP-U là một giao thức đường hầm dựa trên IP đơn giản, cho phép nhiều đường hầm giữa mỗi tập kết thúc. Giao diện máy điều khiển S1 (S1-MME) được định nghĩa là nằm giữa eNB và MME. Tương tự như mặt phẳng của người dùng, lớp mạng truyền tải được xây dựng trên giao thức IP và để truyền tín hiệu tin cậy SCTP (giao thức truyền kiểm soát luồng) được sử dụng trên đầu trang IP. Giao thức SCTP hoạt động tương tự như TCP đảm bảo tin cậy, theo thứ tự vận chuyển tin nhắn có kiểm soát tắc nghẽn [3]. Các giao thức báo hiệu lớp ứng dụng được gọi là giao thức ứng dụng giao thức S1 (S1-AP) và giao thức ứng dụng X2 (X2-AP) cho các mặt phẳng điều khiển giao diện S1 và X2 tương ứng 2 Xu hướng phát triển mạng 5G 2.1Mô hình mạng 2.2D2D Dịch vụ truyền thông di động đã được giả định là rất quan trọng bằng nhiều cách, như dữ liệu di động, dịch vụ video và truyền hình bây giờ trở thành một phần của cuộc sống hàng ngày của con người. Theo nhu cầu ngày càng tăng về nhu cầu dữ liệu cho các dịch vụ này. Để thực hiện điều này, chúng ta cần phải nâng cao năng lực của mình để cung cấp các dịch vụ này cho người dùng cuối. Đối với điều này, chúng tôi sẽ giới thiệu một ứng dụng thiết bị để thiết bị truyền thông trong đó thiết bị được giao tiếp với nhau với sự trợ giúp của mạng di động. Truyền thông D2D làm giảm tải trên mạng di động và tăng hiệu quả quang phổ. Trong luận án này chúng ta sẽ phát triển một phương pháp trong đó truyền thông D2D sẽ được kiểm soát bởi các mạng di động. Để đạt được SINR tối thiểu cho trước, chúng ta đã tạo ra một mối quan hệ khoảng cách tối thiểu giữa hai liên kết D2D đang hoạt động đồng thời. Để hoàn thành các yêu cầu tối thiểu này chúng tôi phát triển một ý tưởng cho việc nhóm và lập kế hoạch của các liên kết để họ có thể hoạt động cùng một lúc. Cuối cùng, chúng ta thực hiện mô phỏng trong tình huống khác nhau để thấy hiệu quả của cách tế bào được phổ biến với các liên kết khác nhau và chúng ta cũng thấy rằng làm thế nào chúng ta đạt được SINR yêu cầu tối thiểu trong các tình huống khác nhau.