Tài liệu Triển khai hệ thống thông tin di động 4g lte cho mạng di động mobifone tại tỉnh tuyên quang

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN .. TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN VIỆT PHÚ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G/LTE CHO MẠNG DI ĐỘNG MOBIFONE TẠI TỈNH TUYÊN QUANG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG THÁI NGUYÊN 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Việt Phú Sinh ngày: 14/10/1985 Học viên lớp cao học CHK20KTĐT - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Tổng công ty Viễn thông MobiFone Xin cam đoan: Đề tài “Triển khai hệ thống thông tin di động 4G/LTE cho mạng di động MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang” do Thầy giáo PGS. TS. Nguyễn Văn Chí hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc. Tuyên Quang, Ngày 01 tháng 6 năm 2020 Tác giả luận văn Nguyễn Việt Phú ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, sự giúp đỡ tận tình của các Thầy Cô giáo và bạn bè. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới: Thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Văn Chí, người đã tận tình chỉ dạy, giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn. Những dạy bảo, ý kiến nhận xét, đánh giá, góp ý mang tính gợi mở của Thầy vô cùng quý giá giúp tôi hiểu được sâu sắc hơn các vấn đề học tập và nghiên cứu và công việc của tôi sau này. Tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn các Thầy Cô và cán bộ thuộc trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt khóa học và làm luận văn đúng tiến độ quy định. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới Gia đình, đồng nghiệp cùng các bạn học viên lớp 20 Kỹ thuật Viễn Thông đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập vừa qua. iii MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN..............................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ....................................................................... ix CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠNG 4G/LTE ................................1 1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động ........................................................ 1 1.1.1 Hệ thống thông tin di động từ 1G đến 3G..........................................................2 1.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 2G/3G ............................................2 1.2 Nhu cầu tiến lên 4G LTE ...................................................................................... 6 1.2.1 Tăng trưởng dữ liệu người dùng ........................................................................6 1.2.2 Dung lượng hệ thống thông tin di động (lý thuyết shannon) .............................6 1.2.3 Tăng dung lượng hệ thống .................................................................................8 1.2.4 Các yếu tố khác tiến lên LTE .............................................................................8 1.3 Từ 3G tiến lên 4G LTE ......................................................................................... 9 1.3.1 LTE.....................................................................................................................9 1.3.2 Cải tiến phần mạng lõi .....................................................................................10 1.3.3 Hệ thống thông tin di động 4G .........................................................................11 1.3.4 Các tiêu chuẩn 3GPP cho LTE ........................................................................11 1.3.5 Sự khác biệt giữa mạng 4G và LTE .................................................................12 1.3.6 Sự tiến hóa LTE lên 4G ...................................................................................13 1.4 Kết luận Chương 1: ..................................................................................................17 CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE ......................19 2.1 Kiến trúc của LTE ............................................................................................... 19 2.1.1 Cấu trúc tổng quát ............................................................................................19 2.1.2 Thiết bị người dùng ..........................................................................................19 2.1.3 Mạng truy nhập vô tuyến tiên tiến ...................................................................21 2.1.4 Mạng Core trong LTE ......................................................................................22 2.1.5 Cấu trúc roaming ..............................................................................................24 2.1.6 Vùng mạng (network area)...............................................................................25 2.1.7 Định danh, địa chỉ, đánh số ..............................................................................26 iv 2.2 Các giao thức thông tin ....................................................................................... 27 2.2.1 Mô hình giao thức ............................................................................................27 2.2.2 Các giao thức truyền tải giao diện vô tuyến.....................................................29 2.2.3 Các giao thức truyền tải giao diện mạng cố định .............................................30 2.2.4 Các giao thức người dùng (user plane) ............................................................30 2.2.5 Các giao thức báo hiệu .....................................................................................31 2.3 Một vài ví dụ về điều khiển cuộc gọi .................................................................. 33 2.3.1 Báo hiệu lớp truy nhập .....................................................................................33 2.3.2 Báo hiệu lớp truyền tải dữ liệu .........................................................................34 2.4 Quản lý tài nguyên .............................................................................................. 35 2.4.1 Kênh mang EPS ...............................................................................................35 2.4.2 Kỹ thuật đường hầm tunneling sử dụng GTP ..................................................38 2.4.3 Kỹ thuật đường hầm sử dụng GRE và PMIP ...................................................39 2.4.4 Kênh mang báo hiệu vô tuyến..........................................................................40 2.5 Sơ đồ trạng thái ................................................................................................... 41 2.5.1 Quản lý trạng thái di động EPS ........................................................................41 2.5.2 Quản lý kết nối EPS .........................................................................................42 2.5.3 Điều khiển tài nguyên vô tuyến .......................................................................43 2.6 Ấn định phổ ......................................................................................................... 44 2.7 Các kỹ thuật được dung trong 4G LTE ............................................................... 45 2.7.1 Ghép kênh theo tần số trực giao .......................................................................46 2.7.2 OFDMA trong thông tin di động .....................................................................51 2.7.3 Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang ........................................58 2.8 Quy trình quy hoạch mạng LTE ..............................................................................62 2.8.1 Khái quát về quá trình quy hoạch mạng LTE .................................................. 62 2.8.2 Dự báo lưu lượng và phân tích vùng phủ......................................................... 62 2.8.2.1 Dự báo lưu lượng ..........................................................................................62 2.8.2.2 Phân tích vùng phủ ........................................................................................64 2.8.2.3 Quy hoạch chi tiết ......................................................................................... 64 2.8.2.4 Quy hoạch vùng phủ .....................................................................................64 2.8.3 Quy hoạch dung lượng ....................................................................................65 2.8.4 Tối ưu mạng ..................................................................................................... 65 v 2.9 Kết luận Chương 2 : ............................................................................................ 66 CHƯƠNG 3: QUY HOẠCH MẠNG 4G/LTE VÀ THỰC TIỄN TRIỂN KHAI ÁP DỤNG TRÊN MẠNG LƯỚI MOBIFONE TỈNH TUYÊN QUANG ........................66 3.1 Thực trạng hạ tầng mạng thông tin di động MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang. . 67 3.1.1 Hiện trạng CSHT nhà trạm: .............................................................................67 3.1.1.1. Phân bố trạm thu phát sóng: .........................................................................67 3.1.1.2. Hạ tầng cột Ăng-ten: ....................................................................................67 3.1.2 Hiện trạng hạ tầng truyền dẫn: .........................................................................69 3.2 Đánh giá chung hiện trạng hạ tầng mạng lưới MobiFone: ................................. 69 3.2.1 Kết quả đạt được ..............................................................................................69 3.2.2 Tồn tại và hạn chế ............................................................................................70 3.3 Hiện trạng sử dụng dịch vụ của thuê bao MobiFone tại Tuyên Quang:.................70 3.4 Định hướng triển khai 4G/LTE tại tỉnh Tuyên Quang:...........................................71 3.5 Những thách thức và giải pháp khi triển khai mạng 4G dựa trên nền tảng hạ tầng 3G sẵn có tại tỉnh Tuyên Quang. ...................................................................................73 3.5.1 Lựa chọn tần số sử dụng cho LTE ...................................................................73 3.5.2 Lựa chọn vị trí lắp đặt eNodeB: .......................................................................75 3.5.3 Nâng cấp mạng truyền dẫn hiện tại:.................................................................76 3.5.3.1 Truyền dẫn Viba:...........................................................................................76 3.5.3.2 Truyền dẫn quang:.........................................................................................76 3.5.4. Hệ thống anten: ...............................................................................................77 3.5.5: Hệ thống nguồn DC: .......................................................................................78 3.5.6. Nâng cấp mạng lõi: .........................................................................................79 3.6. Các giải pháp thiết bị eNodeB: .......................................................................... 80 3.6.1 Giải pháp của hãng Huawei: ............................................................................ 80 3.6.1.1 Giải pháp tổng thể hãng Huawei: ..................................................................80 3.6.1.2 Giải pháp thiết bị hãng Huawei: ...................................................................82 3.6.2 Giải pháp của hãng Nokia Siemens: ................................................................82 3.6.2.1 Giải pháp tổng thể hãng Nokia Siemens: ......................................................82 3.6.2.2 Giải pháp thiết bị của hãng Nokia Siemens: .................................................83 3.7 Quy hoạch phát triển mạng vô tuyến 4G/LTE mạng MobiFone tỉnh Tuyên Quang ........................................................................................................................ 85 vi 3.7.1 Lựa chọn giải pháp thiết bị: .............................................................................85 3.7.1.1 Giá thành: ......................................................................................................85 3.7.1.2 Khả năng vận hành khai thác: .......................................................................85 3.7.1.3 Khả năng cung ứng thiết bị và triển khai lắp đặt: .........................................85 3.7.1.4 Khả năng tương thích ngược với các hệ thống sẵn có của MobiFone: .........85 3.7.1.5 Dịch vụ hỗ trợ sau bán hàng: ........................................................................86 3.7.1.6 An toàn, bảo mật thông tin: ...........................................................................86 3.8 Kết luận Chương 3: ............................................................................................. 88 KẾT LUẬN ....................................................................................................................89 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................91 vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. 1 Các điểm khác nhau giữa WCDMA và LTE trên giao diện vô tuyến ......10 Bảng 1. 2: Các điểm khác nhau giữa UMTS và LTE trên phần mạng CORE..........11 Bảng 1. 3: các tiêu chuẩn 3GPP từ UMTS lên LTE .................................................11 Bảng 2. 1: Kênh mang báo hiệu vô tuyến .................................................................40 Bảng 2. 2: Các băng tần TDD ...................................................................................45 Bảng 2. 3: Các băng tần FDD ...................................................................................45 Bảng 3. 1: Số lượng trạm thông tin di động 2G/3G trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang tính đến tháng 4/2018 ...............................................................................................67 Bảng 3. 2: Hiện trạng phân loại hạ tầng cột Ăng-ten thu phát sóng thông tin di động MobiFone tỉnh Tuyên Quang ....................................................................................68 Bảng 3. 3: Số lượng trạm thông tin di động 2G/3G trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang tính đến tháng 4/2018 ...............................................................................................69 Bảng 3. 4: Thuê bao thông tin di động tại tỉnh Tuyên Quang ..................................71 Bảng 3. 5: Chi tiết đầu cuối hỗ trợ các chế độ mạng MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang: .......................................................................................................................72 Bảng 3. 6:Nâng cấp mạng lõi PS để triển khai LTE .................................................79 Bảng 3. 7: Quy hoạch số lượng eNode B LTE trên mạng MobiFone. .....................86 Bảng 3. 8: Danh sách dự kiến các trạm lắp đặt 4G pha 1 tại tỉnh Tuyên Quang ......87 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. 1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động ..............................................1 Hình 1. 2 Cấu trúc mức cao của GSM và UMTS .......................................................3 Hình 1. 3 Cấu trúc của mạng truy nhập vô tuyến UTRAN.........................................4 Hình 1. 4 Cấu trúc mạng Core trong 2G/3G ...............................................................5 Hình 1. 5 Tăng trưởng dữ liệu người dùng thoại và data từ 2007 đến 2011...............6 Hình 1. 6 Dự báo lưu lượng thoại và data trên toàn thế giới ......................................7 Hình 1. 7 Dung lượng Shannon trong một hệ thống truyền thông với băng thông 5, 10, 20 Mhz ..................................................................................................................7 Hình 1. 8 Sự phát triển cấu trúc hệ thống từ mạng GSM/UMTS lên LTE .................9 Hình 1. 9: LTE chỉ là một tiệm cận và là cách gọi tên chuẩn công nghệ 4G ...........12 Hình 1. 10: LTE-Advanced - Thế hệ mạng viễn thông thứ 4 ...................................13 Hình 2. 1: Cấu trúc lớp cao của LTE ........................................................................19 Hình 2. 2: Cấu trúc bên trong của UE, quy định bởi ETSI .......................................20 Hình 2. 3: Kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến UMTS tiên tiến ...............................21 Hình 2. 4: Các thanh phần chính trong mạng core LTE ...........................................23 Hình 2. 5: Cấu trúc của LTE cho thuê bao roaming .................................................25 Hình 2. 6: Mối quan hệ giữa vùng tìm kiếm, vùng pool MME và vùng dịch vụ SGW ............................................................................................................................25 Hình 2. 7: Các định danh sử dụng bởi MME ............................................................26 Hình 2. 8: Các định danh tạm thời được sử dụng bởi máy đầu cuối ........................27 Hình 2. 9: Cấu trúc giao thức mức cao trong LTE....................................................27 Hình 2. 10: Các giao thức truyền tải sử dụng trong giao diện vô tuyến ...................28 Hình 2. 11: Mối quan hệ giữa tầng truy nhập (access) và tầng không truy nhập (nonaccess) trên giao diện vô tuyến ..........................................................................29 Hình 2. 12: Các giao thức truyền tải sử dụng bởi phần tử mạng cố định .................29 Hình 2. 13: Các giao thức user plan sử dụng bởi LTE..............................................31 Hình 2. 14: Các giao thức báo hiệu sử dụng trong LTE ...........................................32 Hình 2. 15: Thủ tục trao đổi năng lực UE .................................................................32 Hình 2. 16: Ngăn xếp giao thức trao đổi bản tin báo hiệu RRC giữa UE và eNB....33 ix Hình 2. 17: Thủ tục tái chỉ định GUTI (a) Các bản tin tầng non-access và (b) truyền tải bản tin sử dụng tầng truy nhập .............................................................................33 Hình 2. 18: Ngăn xếp giao thức sử dụng để trao đổi bản tin báo hiệu tầng nonaccess giữa máy đầu cuối và MME...........................................................................34 Hình 2. 19: Ngăn xếp giao thức sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa máy đầu cuối và các server bên ngoài mạng khi sử dụng giao diện S5/S8 dựa trên GTP ...................35 Hình 2. 20: Kênh mang EPS dành riêng và mặc định khi sử dụng S5/S8 dựa trên GTP ...........................................................................................................................37 Hình 2. 21: Cấu trúc kênh mang LTE, khi sử dụng giao diện S5/S8 dựa trên GTP .37 Hình 2. 22: Triển khai đường hầm trên đường xuống sử dụng giao diện S5/S8 dựa trên GTP ....................................................................................................................38 Hình 2. 23: Triển khai đường hầm trên đường xuống sử dụng giao diện S5/S8 dựa trên PMIP ..................................................................................................................39 Hình 2. 24: Sơ đồ trạng thái quản lý di động EPS (EMM) .......................................41 Hình 2. 25: Sơ đồ trạng thái quản lý kết nối EPS (ECM) .........................................41 Hình 2. 26: Sơ đồ trạng thái điều khiển tài nguyên vô tuyến ...................................44 Hình 3. 1: Sơ đồ phân bố trạm thu phát sóng trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang .........69 Hình 3. 2: So sánh hiệu quả về mặt băng tần của HSPA+ và LTE ...........................74 Hình 3. 3: Quy hoạch sử dụng tần sốmạng mobifone giai đoạn 2014-2020 ............74 Hình 3. 4: Thiết bị BBU 3910 ...................................................................................75 Hình 3. 5: Rack 42U thường được sử dụng trong trạm BTS ....................................76 Hình 3. 6: hệ thống anten tiêu biểu của trạm thu phát sóng di động ........................78 Hình 3. 7: Mạng PS hiện tại của MobiFone ..............................................................80 Hình 3. 8:giải pháp SAE của Huawei .......................................................................81 Hình 3. 9: Thiết bị BTS 3910 của Huawei ................................................................82 Hình 3. 10:Giải pháp tổng thể của NSN từ R6 HSPA đến Rel 8 hỗ trợ LTE ...........83 Hình 3. 11: Giải pháp thiết bị vô tuyến NSN cho LTE .............................................84 Hình 3. 12: Giải pháp hệ thống MME/SAE GW của NSN ......................................84 Hình 3. 13: Sơ đồ phân bổ các trạm lắp đặt 4G Pha 1 tại tỉnh Tuyên Quang ...........88 x DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Giải thích 2G 2nd Generation of Mobile Telephone Systems (GSM) 3GPP Third Generation Partnership Project 4G 4th Generation of Mobile Telephone Systems (LTE) eNodeB Base Station in LTE EPC Evolved Packet Core EUTRAN Evolved UTRAN GGSN Gateway GPRS Support Node GPRS General Packet Radio System / Service GW Gateway HLR Home Location Register HSPA High Speed Packet Access LTE Long Term Evolution (or 4G mobile networks) MME Mobility Management Entity MSC Mobile Switching Center OPEX Operational Expenditure / Operating Expense P-GW Packet Data Network Gateway PMIP Proxy Mobile IP QoS Quality of Service RNC Radio Network Controller (in 3G or UMTS) S5/S8 Interface between S-GW and P-GW SAE System Architechture Evolution SGSN Serving GPRS Support Node S-GW Serving Gateway UMTS Universal Mobile Telecommunication System UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network xi LỜI MỞ ĐẦU Hiện tại công nghệ thông tin di động phát triển với tốc độ rất cao, tại Việt nam 03 nhà mạng lớn là MobiFone, Viettel, Vinaphone cạnh tranh khốc liệt để tăng thị phần. Một trong các yếu tố để giữ thuê bao là không ngừng cải thiện chất lượng mạng lưới, mở rộng vùng phủ sóng, nâng cấp công nghệ hiện đại bắt kịp với sự phát triển công nghệ trên thế giới trong đó phát triển mạng từ thế hệ 2G/3G lên thế hệ 4G là xu hướng tất yếu tại Việt nam. Xuất phát từ công việc hiện tại là kỹ sư vận hành khai thác trực tiếp mạng thông tin di động MobiFone Miền Bắc và đồng thời đang là sinh viên cao học lớp Kỹ thuật Viễn Thông - Khóa 20 tại Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên tôi đã xin nhận đề tài tốt nghiệp của mình là: “Triển khai hệ thống thông tin di động 4G/LTE cho mạng di động MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang”. Hiện tại nhà mạng MobiFone đang dự kiến triển khai mạng 4G/LTE trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang. Tuy nhiên các thông tin mang tính kỹ thuật về các công nghệ kỹ thuật 4G/LTE và thực tiễn triển khai còn rất ít chưa đáp ứng được nhu cầu của một bộ phận cán bộ kỹ thuật, kỹ sư đang làm việc trực tiếp tại các nhà mạng. Do đó đề tài nghiên cứu về mạng thông tin di động 4G/LTE là một đáp ứng rất bức thiết trong điều kiện và thời điểm hiện tại. Mạng 4G/LTE là một nền tảng di động thế hệ mới được thiết kế dựa trên các công nghệ phát truyền thông tin phát triển nhất, dựa trên các cơ sở lý thuyết đã được nghiên cứu đầy đủ bởi tổ chức tiêu chuẩn hóa viễn thông 3GPP. Trong mạng 4G/LTE áp dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao, kỹ thuật đa anten, đơn giản hóa phần mạng truy nhập vô tuyến cũng như phần mạng lõi để hạn chế tối đa trễ thời gian… đây là các kỹ thuật rất phức tạp vì vậy đề tài nghiên cứu mạng 4G/LTE mang ý nghĩa khoa học cao. Đặc biệt tại thời điểm hiện tại các nhà cung cấp thiết bị (Ericsson, Huawei, Alcatel..) đã cung cấp giải pháp và triển khai thương mai hóa mạng 4G/LTE trên nhiều quốc gia (Mỹ - Verizon, Nhật – NTT Docomo, Singapore - Singtel…) trong đó có Việt Nam, nên đề tài mang ý nghĩa thực tiễn cao đối với tình hình triển khai 4G trên mạng thông tin di động MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang. Về mặt thực tế, đề tài có ý nghĩa ứng dụng cao, là tài liệu để các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật nghiên cứu, tìm hiểu để sẵn sàng làm việc khi triển khai và khai thác các xii công nghệ thiết bị mới trong mạng di động 4G, đảm bảo quá trình nâng cấp và triển khai và khai thác xuyên xuốt, theo đúng lộ trình đề ra. Mục đích của đề tài là nghiên cứu công nghệ và các kỹ thuật chính sử dụng trong mạng 4G LTE, thực tiễn triển khai 4G tại Việt nam và áp dụng triển khai trên một mạng thông tin di động cụ thể là MobiFone Miền Bắc. Phương pháp nghiên cứu của đề tài là phương pháp phân tích lý thuyết kết hợp triển khai ứng dụng thực tế trên mạng lưới. Nội dung của đề tài bao gồm: - Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE - Chương 2: Cấu trúc mạng thông tin di động 4G/LTE - Chương 3: Quy hoạch mạng 4G LTE và thực tiễn triển khai áp dụng trên mạng lưới MobiFone tại tỉnh Tuyên Quang. xiii Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠNG 4G/LTE Thông tin di động đã và đang chiếm lĩnh một vai trò cực kỳ quan trọng trong đời sống xã hội ngày nay. Khi xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng lên và thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của nó. Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ thế hệ di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang triển khai rộng khắp trên thế giới - thế hệ thứ 4. Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các đặc tính chung của các hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G. 1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý tưởng về thiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di động sau này. Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ. Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đến lĩnh vực thông tin di động. Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin di động đã cải thiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được. Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết hợp được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải được bài toán khó về dung lượng. Hình 1. 1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động 1 Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE 1.1.1 Hệ thống thông tin di động từ 1G đến 3G Hệ thống thông tin di động lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1980. Thế hệ đầu tiên (1G) sử dụng các kỹ thuật truyền thông tin analog hoàn toàn, kích thước cell lớn và hiệu suất sử dụng phổ kém vì vậy dung lượng rất thấp so với các hệ thống ngày nay. Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 được giới thiệu và thương mại hóa vào đầu những năm 1990 là thế hệ sử dụng kỹ thuật số đầu tiên cho phép tận dụng tốt hơn phổ vô tuyến, và giá thành thiết bị đầu cuối rẻ và gọn nhẹ hơn. Hệ thống này đầu tiên được thiết kế để sử dụng truyền thoại sau đó được mở rộng ra để truyền tin nhắn SMS. Hệ thống 2G phổ biến nhất trên thế giới là GSM (Global System for Mobile Communications) sử dụng ban đầu tại Châu Âu sau đó phổ biến trên toàn thế giới, bên cạnh đó có CDMAOne phổ biến tại Mỹ, Nhật và Hàn Quốc. Do thời điểm xuất hiện hệ thống di động 2G cũng là thời điểm xuất hiện internet vì vậy các tổ chức tiêu chuẩn hóa đã nâng cấp cấu trúc của hệ thống 2G tại phần mạng lõi và giao diện vô tuyến để cho phép người sử dụng có thể sử dụng các dịch vụ data trên thiết bị đầu cuối, kết quả là hệ thống 2.5G GPRS (General Packet Radio Service), IS95 được phát triển cho phép xử lý cả thoại và dữ liệu. Ngoài ra để cải thiện tốc độ truyền dữ liệu, thế hệ 2.75G EDGE ra đời cải thiện hiệu năng của GSM Enhanced Data Rates for GSM Evolution. Thế hệ 2G/2.75G vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu của khách hàng về tốc độ truyền/nhận dữ liệu vì vậy hệ thống thông tin di động thế hệ 3/3.5G ra đời sử dụng các kỹ thuật khác các thế hệ trước nó trên giao diện vô tuyến cho phép cải thiện tốc độ đỉnh của dữ liệu và đặc biệt sử dụng kỹ thuật trải phổ vì vậy phổ tín hiệu vô tuyến được tận dụng tốt hơn 2G. 1.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 2G/3G Một mạng di động được gọi là một PLMN được vận hành bởi một nhà mạng gọi là network operator. Mạng di động thế hệ 2 GSM và thế hệ 3 UMTS chia sẻ chung một cấu trúc mạng như hình sau: 2 Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE Hình 1. 2 Cấu trúc mức cao của GSM và UMTS Phần mạng core được chia làm 2 phần CS domain và PS domain, miền CS được sử dụng để truyền thông tin thoại từ thuê bao này đến một thuê bao khác qua những vùng địa lý mà nhà mạng quản lý tương tự như mạng điện thoại cố định PSTN, vùng PS được sử dụng để truyền thông tin data (web, email..) giữa thuê bao và các mạng dữ liệu data khác ví dụ internet hoặc mạng riêng ảo. Hai miền PS và CS có cách truyền thông tin hoàn toàn khác nhau, CS sử dụng kỹ thuật chuyển mạch kênh tương tự trong các tổng đài PSTN truyền thống do vậy thông tin thoại được dành riêng tài nguyên cho từng cuộc gọi và đảm bảo được độ trễ cho phép. Tuy nhiên kỹ thuật này tốn kém về băng thông và không phù hợp để truyền dữ liệu data là dữ liệu biến đổi liên tục về tốc độ vì vậy người ta sử dụng kỹ thuật chuyển mạch gói Packet Switching cho miền PS trong đó dữ liệu người dùng được chia thành nhiều gói tin và được đánh dấu địa chỉ nguồn/đích sau đó được gửi đi, tài nguyên mạng được chia sẻ chung giữa các user vì vậy đỡ tốn kém hơn. Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là độ trễ cao nếu nhiều thuê bao cùng sử dụng dịch vụ cùng một lúc. Tại phần mạng truy nhập vô tuyến người ra chia ra làm GE-RAN và UTRAN (GSM/EDGE radio access network và terrestrial radio access network). GERAN là mạng truy nhập GSM 2G còn UTRAN là mạng truy nhập 3G. Hai mạng này sử dụng kỹ thuật truyền thông vô tuyến khác nhau và chia sẻ chung một mạng CORE. Các thuê bao (UE) trao đổi thông tin với mạng truy nhập qua giao diện vô tuyến qua đường lên (từ UE đến mạng truy nhập vô tuyến) và đường xuống (từ mạng xuống đến UE). 3 Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE Hình 1. 3 Cấu trúc của mạng truy nhập vô tuyến UTRAN Thành phần quan trọng nhất trong mạng truy nhập vô tuyến UTRAN đó là các trạm thu phát sóng NodeB (trong mạng GERAN gọi là các BTS), mỗi NodeB có 1 hoặc nhiều anten để thu phát sóng tín hiệu vô tuyến với UE. Một nhà mạng lớn có thể có đến nhiều nghìn trạm thu phát sóng BTS/Node B. Khi thuê bao di chuyển từ một trạm này sang một trạm khác nó thực hiện ngừng gửi/nhận thông tin đến trạm này và chuyển sang truyền/nhận thông tin với trạm kia. Để duy trì thông tin liên tục kỹ thuật được sử dụng trong trường hợp này là Handover hoặc cell reselection. Trong UMTS một thuê bao có thể cùng một lúc duy trì kết nối đến nhiều cell sử dụng kỹ thuật soft-handover (Chuyển giao mềm). Các trạm gốc được quản lý chung bới 1 thiết bị gọi là RNC (Radio network Controller) hay trogn GERAN gọi là BSC (quản lý nhiều BTS). Chức năng của chúng là chuyển tiếp thông tin từ thuê bao đến mạng lõi và điều khiển các trạm gốc qua các bản tin báo hiệu. Mỗi RNC quản lý từ vài chục đến vài trăm trạm gốc. Một nhà mạng có thể vận hành cùng lúc cả mạng 2G và mạng 3G, khi thuê bao chuyển từ mạng này sang mạng kia thì gọi là một chuyển giao liên hệ thống inter-system handover. 4 Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE Hình 1. 4 Cấu trúc mạng Core trong 2G/3G Trong miền CS các MGW định tuyến chuyển các cuộc gọi từ nguồn đến đích trong khi các MSC server xử lý phần báo hiệu cho phép thiết lập, duy trì, quản lý, và xóa bỏ các cuộc gọi. MGW và MSC server là 1 hệ thống độc lập với 2 chức năng khác nhau. MSC server có VLR (Visitor Location Register) là cơ sở dữ liệu vị trí tạm thời của thuê bao di động. Trong miền PS hệ thống GGSN gateway GPRS support nodes hoạt động như một giao diện kết nối giữa server người dùng và mạng dữ liệu ngoài (ví dụ internet), nó cũng xử lý phần báo hiệu cho phép thiết lập, duy trì, quản lý, và xóa bỏ các luồng dữ liệu gói. HSS (trong 2G/3G gọi là HLR&AUC) là cơ sở dữ liệu trung tâm của toàn mạng mang thông tin về thuê bao trên toàn mạng và được chia sẻ trên cả 2 miền CS và PS. HLR/HSS sẽ mang các thông tin về dịch vụ, nhận thực, QoS, profile của thuê bao và vị trí hiện tại của thuê bao đang thuộc MSC server nào quản lý. Khi một thuê bao bật máy lên nó sẽ tiến hành thủ tục đăng ký và nhận thực với HLR quản lý nó, nếu quá trình hoàn tất nó sẽ được phép sử dụng các dịch vụ, nếu không thuê bao được coi là không hợp lệ và không thể sử dụng dịch vụ. Trong quá trình thiết lập cuộc gọi MSC server sẽ hỏi HLR xem thuê bao đang nằm tại đâu để có thể định tuyến đúng cuộc gọi đến đích. 5 Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE 1.2 Nhu cầu tiến lên 4G LTE 1.2.1 Tăng trưởng dữ liệu người dùng Sau nhiều năm lưu lượng thoại chiếm đa số lưu lượng truyền tải trong mạng di động và là doanh thu chính của nhà mạng thì đến năm 2010 lưu lượng sử dụng data đã bắt đầu tăng trưởng với tốc độ nhanh chóng. Hình sau chỉ ra lưu lượng dữ liệu người dùng hàng tháng trên toàn thế giới tính theo Petabyte (Triệu Gigabyte). Xu hướng này được dự báo là sẽ vẫn còn tiếp tục trong những năm sắp tới. Song song với nó lưu lượng thoại có dấu hiệu tăng trưởng chậm và thậm chí không tăng do sự phát triển của một số dịch vụ OTT, sự ra đời của điện thoại thông minh Iphone, Android phone với giao diện hấp dẫn, thân thiện cho phép gọi điện thoại miễn phí và các dịch vụ game, web, facebook… người sử dụng. Hình 1. 5 Tăng trưởng dữ liệu người dùng thoại và data từ 2007 đến 2011 1.2.2 Dung lượng hệ thống thông tin di động (lý thuyết shannon) Năm 1948 Shannon đã công bố lý thuyết giới hạn của tốc độ dữ liệu có thể đạt được trong một hệ thống thông tin với một công thức đơn giản sau: C = B log2 (1 + SINR) Trong đó: - SINR là tỷ số tín hiệu trên tạp âm và nhiễu (hay nói cách khác là công suất thu được tại máy thu chia cho công suất tổng tạp âm và nhiễu) 6 Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng 4G/LTE - B là băng thông của hệ thống thông tin (Hz) - C là dung lượng kênh (bit/s) Hình 1. 6 Dự báo lưu lượng thoại và data trên toàn thế giới Về mặt lý thuyết có thể truyền thông tin từ máy phát đến máy thu mà không có bất kỳ lỗi gì miễn là tốc độ dữ liệu phải nhỏ hơn dung lượng kênh. Trong hệ thống thông tin di động C là tốc độ dữ liệu tối đa mà một cell có thể xử lý và bằng với tốc độ của các máy đầu cuối trong cell kết hợp lại. Như vậy để đạt được dung lượng kênh lớn với một mức tín hiệu trên tạp âm cho phép thì băng thông phải tăng lên, tuy nhiên băng thông là tài sản quốc gia và không phải lúc nào cũng có thể mua được. Hình 1. 7 Dung lượng Shannon trong một hệ thống truyền thông với băng thông 5, 10, 20 Mhz 7