Tài liệu ứng dụng lập lịch bán duy trì để cải thiện dung lượng kênh điều khiển trong voice over lte

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................i MỤC LỤC ..................................................................................................................... ii DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................iv DANH MỤC BẢNG BIỂU ..........................................................................................vi BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................................. vii CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LTE ..........................................................................1 1.1. Giới thiệu ..........................................................................................................1 1.2. Kiến trúc của LTE ...........................................................................................2 1.2.1. Kiến trúc tổng quát của mạng 4G LTE .......................................................2 1.2.2. Các phần tử của mạng lõi ............................................................................4 1.3. Tổ chức lớp vật lý trong LTE .......................................................................11 1.3.1. Tổ chức tài nguyên ....................................................................................12 1.3.2. Các kênh được sử dụng trong LTE ...........................................................16 KẾT LUẬN CHƯƠNG I .........................................................................................27 CHƯƠNG II. CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI THOẠI TRÊN LTE ........................28 (Voice over LTE) .........................................................................................................28 2.1. Phân hệ đa phương tiện IP (IMS) ................................................................ 28 2.1.1. Tổng quan ..................................................................................................28 2.1.2. Quản lý phiên và định tuyến .....................................................................29 2.1.3. Cơ sở dữ liệu ............................................................................................. 33 2.1.4. Các phần tử dịch vụ ...................................................................................33 2.1.5. Các phần tử tương tác ...............................................................................34 2.1.6. Điều khiển chính sách và tính cước ..........................................................34 2.2. Công nghệ truyền tải thoại trên LTE...........................................................35 2.2.1. Tổng quan ..................................................................................................35 2.2.2. Các bước thực hiện VoLTE ......................................................................37 2.3. Các vấn đề kỹ thuật trong VoLTE ............................................................... 39 2.3.1. Lưu lượng ..................................................................................................39 2.3.2. Kênh điều khiển vật lý đường xuống ........................................................40 2.3.3. Chỉ số chất lượng kênh..............................................................................41 KẾT LUẬN CHƯƠNG II ....................................................................................41 CHƯƠNG III: LẬP LỊCH BÁN DUY TRÌ TRONG VOLTE................................ 38 3.1. Tổng quan .......................................................................................................38 ii 3.2. So sánh lập lịch bán duy trì và lập lịch động...............................................38 3.2.1. Lập lịch động............................................................................................. 38 3.2.2. Lập lịch bán duy trì ...................................................................................39 3.3. Ứng dụng lập lịch bán duy trì trong VoLTE ..............................................40 3.3.1. RNTI..........................................................................................................40 3.3.2. Cấu hình lập lịch bán duy trì trên UE .......................................................43 3.3.3. Đánh giá hiệu năng của lập lịch bán duy trì ..............................................48 KẾT LUẬN CHƯƠNG III ......................................................................................51 KẾT LUẬN ..................................................................................................................52 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................53 iii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1.Kiến trúc mạng 4G LTE ...................................................................................3 Hình 1.2.Các kết nối của MME đến các nút logic khác và các chức năng chính ...........6 Hình 1.3.Các kết nối S-GW với các nút logic khác và các chức năng chính ..................8 Hình 1.4.Các kết nối của P-GW với các nút logic khác và các chức năng chính .........10 Hình 1.5.Các kết nối của PCRF với các nút logic khác và các chức năng chính. .........11 Hình 1.6.Cấu trúc khung loại 1 .....................................................................................12 Hình 1.7. Cấu trúc khung loại 2 ....................................................................................13 Hình 1.8.Lưới tài nguyên đường xuống ........................................................................15 Hình 1.9.Quan hệ giữa các kênh đường xuống ............................................................. 16 Hình 1.10.. Quan hệ giữa các kênh đường lên .............................................................. 17 Hình 1.11.Vị trí kênh PRACH ......................................................................................22 Hình 1.12.Vị trí kênh PUCCH trên lưới tài nguyên ......................................................23 Hình 1.13.Vị trí kênh PUSCH trên lưới tài nguyên ......................................................24 Hình 1.14.Vị trí kênh PBCH trên lưới tài nguyên .........................................................25 Hình 1.15.Lưới tài nguyên đường xuống ......................................................................26 Hình 2.1. Mô hình IMS ................................................................................................. 23 Hình 2.1.Độ phủ sóng của VoLTE so với cuộc gọi trước kia .......................................35 Hình 2.2.So sánh VoIP và VoLTE ................................................................................36 Hình 2.3. Quá trình đăng ký IMS ..................................................................................38 Hình 2.4.VoLTE Call Flow ...........................................................................................38 Hình 3.1. Lập lịch động .................................................................................................39 Hình 3.2.Lập lịch bán duy trì.........................................................................................40 Hình 3.3.Các trường cụ thể trong SPS ..........................................................................44 Hình 3.4.Bản tin SPS-Config ........................................................................................45 Hình 3.5.Nội dung cấu hình SPS đường lên..................................................................45 Hình 3.6.Nội dung cấu hình SPS đường xuống ............................................................46 Hình 3.7.Minh họa lập lịch bán duy trì .........................................................................49 iv Hình 3.8.Quan hệ giữa số kênh điều khiển yêu cầu và số người sử dụng dịch vụ VoIP trên một ô .......................................................................................................................50 Hình 3.9.So sánh dung lượng của lập lịch động và lập lịch bán duy trì khi không bị giới hạn kênh điều khiển ............................................................................................... 51 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Cấu hình đường lên – đường xuống.............................................................. 13 UL Bảng 1.2. Số lượng N RB  NRBDL  theo từng băng thông hệ thống .................................... 14 Bảng 1.3. Tham số của resource block .......................................................................... 16 Bảng 1.4. Danh sách các kênh logic .............................................................................. 17 Bảng 1.5. Danh sách các kênh truyền tải....................................................................... 19 Bảng 1.6. Danh sách các kênh vật lý ............................................................................. 20 Bảng 1.7. Số lượng vùng PUCCH theo băng thông ...................................................... 23 Bảng 1.8. Các định dạng PUCCH ................................................................................. 24 Bảng 3.1. So sánh dung lượng giữa lập lịch động và lập lịch bán duy trì khi bị giới hạn kênh điều khiển .............................................................................................................. 50 vi BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AF Application Function Chức năng ứng dụng AMR Adaptive Multi-Rate Thích ứng đa tốc độ AS Application Server Máy chủ ứng dụng BGCF Breakout Gateway Control Function Chức năng điều khiển công nối xuyên CCE Control Channel Elements Thành phần kênh điều khiển CCH Control Channel Kênh điều khiển CFI Control Format Indicator Chỉ số định dạng điều khiển CQI Channel Quality Indicator Chỉ số chất lượng kênh CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra dư thừa vòng EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution Tốc độ số liệu tăng cường cho GSM EPC Evolved Packet Core Lõi gói phát triển E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access Truy nhập vô tuyến mặt đất phát triển FDD Frequency Division Duplex Phân chia theo tần số FH Frequency Hopping Nhảy tần GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống di động toàn cầu GTP GPRS Tunnelling Protocol Giao thức truyền thông trong GPRS HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao HSS Home Subsscriber Server Server thuê bao nhà IBCF Interconnection Border Control Function Chức năng điều khiển biên giới kết nối vii I-CSCF TTransition GatewayT Khối điều khiển phiên cuộc gọi hỏi IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện IP IMS-MGW IMS Multimedia Gateway Cổng đa phương tiện IMS LTE Long Term Evolution Sự phát triển dài hạn MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập phương tiện MCS Modulation and Coding Scheme Kiểu mã hóa và điều chế MGCF Multimedia Gate Control Function Chức năng điều khiển cổng đa phương tiện MME Mobility Management Entity Thực thể quản lý di động MRFC Media Resource Function Bộ điều khiển chức năng tài nguyên NAS Non-Access Stratum Giao thức tầng không truy nhập NDI New Data Indicator Chỉ số dữ liệu mới PCRF Policy and Charging Rules Funtion Chức năng các quy tắc tính cước và chính sách P-CSCF Proxy Call Session Control Function Khối điều khiển phiên cuộc gọi đại diện PDN Packet Data Network Mạng số liệu gói PDU Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức P-GW Packet Data Network Gateway Cổng mạng số liệu gói PMI Pre-coding Matrix Index Ma trận tiền mã hóa PRB Physical Resource Block Khối tài nguyên vật lý QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RAR Random Access Response Phản hồi truy nhập ngẫu nhiên viii RE Resource Elements Thành phần tài nguyên RI Rank Index Chỉ số hạng RLC Radio Link Control Điều khiển lớp liên kết vô tuyến RNTI Radio Network Temporary Identifier Chỉ số nhận dạng tạm thời của mạng vô tuyến ROCH Robust Header Compression Nén tiêu đề mạnh RR Resource Request Yêu cầu tài nguyên RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyến RTP Real-Time Protocol Giao thức thời gian thực SAE System Architechture Evolution Phát triển kiến trúc hệ thống SAE-GW SAE Gateway Cổng SAE S-CSCF Serving Call Session Control Function Khối điều khiển phiên cuôc gọi phục vụ SDU Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ SFN System Frame Number Số khung hệ thống S-GW Serving Gateway Cổng phục vụ SID Slient Description Mô tả im lặng SIP Session Initiation Protocol Giao thức khởi tạo phiên SLF Subscription Locator Function Chức năng định vị thuê bao SR Scheduling Request Yêu cầu lập lịch TDD Time Division Duplex Phân chia theo thời gian TrGW Transition Gateway Cổng chuyển tiếp TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền UCI Uplink Control Information Thông tin điều khiển đường lên ix VoLTE Voice over Long Term Evolution Truyền thoại qua LTE WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập theo mã băng rộng x LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, nhu cầu sử dụng các dịch vụ điện thoại của thị trường ngày càng tăng. Yêu cầu về chất lượng cùng số lượng ngày càng khắt khe hơn. Với sự xuất hiện của LTE, được coi như thế hệ mạng di động thứ 4 đã mang đến những trải nghiệm chất lượng tốt hơn hẳn so với các thế hệ di động đi trước. Công nghệ mạng kết hợp chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói trong 3G trước đây được thay thế hoàn toàn bởi hệ thống LTE toàn IP. Kèm theo đó là các dịch vụ khác được ra đời theo. Đó chính là công nghệ truyền tải thoại trên nền LTE – Voice over LTE. Công nghệ này ra đời như một giải pháp cho các dịch vụ thoại VoIP đã không còn đủ thỏa mãn nhu cầu của người sử dụng. Người sử dụng sẽ được trải nghiệm một dịch vụ điện thoại không chỉ có tốc độ truyền dẫn số liệu cao mà chất lượng âm thanh cũng đạt ở mức tuyệt hảo nhờ công nghệ HD Voice. Nhờ vào băng thông lớn cùng công nghệ truyền tải hoàn toàn trên chuyển mạch gói mà LTE đã cung cấp dịch vụ đồng thời cho một số lượng lớn người dùng sử dụng dịch vụ Voice over LTE. Tuy nhiên, số lượng này vẫn còn một số hạn chế do cơ chế lập lịch và giới hạn kênh điều khiển nên không thể sử dụng tối đa phổ tần mà nhà mạng đã cung cấp. Cơ chế lập lịch động mặc định trong LTE giúp nhà khai thác tận dụng được tối đa phổ tần còn trống trong các khe thời gian một cách linh hoạt, nhưng lại có một nhược điểm lớn là cần đến một số lượng rất lớn kênh điều khiển để đạt được sự linh hoạt đó. Với dịch vụ truyền thoại, các gói tin truyền đi nhiều trong một khoảng thời gian nhất định, yêu cầu thời gian trễ thấp thì việc lập lịch động tiêu tốn một khối lượng khổng lồ báo hiệu điều khiển. Số lượng kênh điều khiển trong LTE lại có hạn nên sẽ ảnh hưởng lớn đến số lượng người dùng được cung cấp dịch vụ. Cơ chế lập lịch bán duy trì được đưa ra giúp giải quyết triệt để giới hạn kênh điều khiển trong LTE, từ đó nhà mạng có thể khai thác tối đa băng tần hệ thống giúp cải thiện dung lượng dịch vụ. Trong đồ án này, em xin trình bày về cơ chế lập lịch bán duy trì được sử dụng cho dịch vụ truyền tải thoại trên nền LTE, cách hoạt động và lợi ích của cơ chế này. Nội dung đồ án được chia thành ba chương như sau: - - Chương 1: Tổng quan về LTE, bao gồm giới thiệu tổng quan, kiến trúc hệ thống, lưới tài nguyên và việc sắp xếp các kênh vật lý lên lưới tài nguyên. Chương 2: Công nghệ truyền tải thoại trên LTE, bao gồm tổng quan về IMS, về công nghệ truyền thoại trên nền LTE, các bước thực hiện và các vấn đề kỹ thuật liên quan. Chương 3: Lập lịch bán duy trì trong VoLTE, bao gồm khái niệm, cách thức hoạt động và hiệu quả so sánh với cơ chế lập lịch động. xi Mặc dù đã cố gắng hết sức trong quá trình nghiên cứu, nhưng đồ án chắc chắn không thể tránh khỏi được những thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự thông cảm, góp ý, nhận xét và chỉ bảo của quý thầy/cô. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày … tháng 12 năm 2017 Phùng Lâm Hà Trang xii Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về LTE CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LTE 1.1. Giới thiệu LTE (Long Term Evolution – Tiến hóa dài hạn), công nghệ này được coi như công nghệ di động thế hệ thứ 4 (4G, nhưng thực chất LTE cung cấp tốc độ thấp hơn nhiều so với một mạng 4G thực sự). 4G LTE là một chuẩn cho truyền thông không dây tốc độ dữ liệu cao dành cho điện thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ liệu. Nó dựa trên các công nghệ mạng GSM/EDGE và UMTS/HSPA, LTE nhờ sử dụng các kỹ thuật điều chế mới và một loạt các giải pháp công nghệ khác như lập lịch phụ thuộc kênh và thích nghi tốc độ dữ liệu, kỹ thuật đa anten để tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu. Các tiêu chuẩn của LTE được tổ chức 3GPP ban hành và được quy định trong một loạt các chỉ tiêu kỹ thuật của phiên bản 8 (Release 8), với những cải tiến nhỏ được mô tả trong Phiên bản 9. Phần lớn tiêu chuẩn LTE hướng đến việc nâng cấp 3G UMTS để cuối cùng có thể thực sự trở thành công nghệ truyền thông di động thứ 4. Một lượng lớn công việc là nhằm mục đích đơn giản hóa kiến trúc hệ thống, vì nó chuyển từ mạng UMTE sử dụng kết hợp chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói sang hệ thống kiến trúc phẳng toàn IP. E-UTRAN là giao diện vô tuyến của LTE. Nó có các tính năng sau: - Tốc độ tải xuống đỉnh lên tới 299.6 Mbit/s và tốc độ tải lên đạt 75.4 Mbit/s phụ thuộc vào kiểu thiết bị người dùng (với 4x4 anten sử dụng độ rộng băng thông là 20 MHz). - Trễ truyền dẫn dữ liệu tổng thể thấp (thời gian trễ đi-về dưới 5ms cho các gói IP nhỏ trong điều kiện tối ưu), trễ tổng thể cho chuyển giao thời gian thiết lập kết nối nhỏ hơn so với các công nghệ truy nhập vô tuyến kiểu cũ. - Cải thiện hỗ trợ cho tính di động, thiết bị đầu cuối di chuyển với vận tốc lên tới 350 km/h hoặc 500 km/h vẫn có thể được hỗ trợ phụ thuộc vào băng tần. - OFDMA được dùng cho đường xuống, SC-FDMA được dùng cho đường lên để tiết kiệm công suất. - Hỗ trợ cả hai hệ thống dùng FDD và TDD cũng như FDD bán song công cùng công nghệ truy nhập vô tuyến - Hỗ trợ cho tất cả các băng tần hiện đang được các hệ thống IMT sử dụng của ITU-R. - Tăng tính linh hoạt phổ tần: Độ rộng phổ tần 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz được chuẩn hóa. - Hỗ trợ kích thước tế bào từ bán kính hàng chục m (femto và picocell) lên tới các macrocell bán kính 100 km. Trong dải tần thấp hơn dùng cho các khu vực nông Phùng Lâm Hà Trang, D13VT6 1 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về LTE thôn, kích thước tế bào tối ưu là 5km, hiểu quả hoạt động hợp lý vẫn đạt được ở 30km, và khi lên đến 100km thì hiệu suất hoạt động của tế bào vẫn có thể chấp nhận được. Trong khu vực thành phố và đô thị, băng tần cao hơn (như 2,6GHz ở châu Âu) được dùng để hỗ trợ băng thông di động tốc độ cao. Trong trường hợp này, kích thước tế bào có thể chỉ còn 1km hoặc thậm chí ít hơn. - Hỗ trợ ít nhất 200 đầu cuối dữ liệu hoạt động trong mỗi tế bào có băng thông 5MHz. - Đơn giản hóa kiến trúc: phía mạng E-UTRAN chỉ gồm các eNodeB. - Hỗ trợ hoạt động với các chuẩn cũ (ví dụ như GSM/EDGE, UMTS và CDMA2000). Người dùng có thể bắt đầu một cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu trong một khu vực sử dụng chuẩn LTE, nếu tại một địa điểm không có mạng LTE thì người dùng vẫn có thể tiếp tục hoạt động nhờ vào các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS dùng WCDMA hay thậm chí mạng của 3GPP2 như cdmaOne hoặc CDMA2000. Tiêu chuẩn LTE có thể được dùng với nhiều băng tần khác nhau. Ở Bắc Mỹ, dải tần 700/800 và 1700/1900 MHz được quy hoạch cho LTE; 800, 1800, 2600 MHz ở châu Âu; 1800 và 2600 MHz ở châu Á; và 1800 MHz ở Australia. Do đó, điện thoại từ nước này không thể làm việc ở nước khác. Người dùng sẽ cần một chiếc điện thoại có khả năng làm việc ở mọi băng tần để chuyển vùng quốc tế. Ngoài ra, chính phủ Brazil và CPqD đang thử nghiệm một phiên bản cụ thể của LTE ở băng tần 450 MHz cho thị trường nông thôn. 1.2. Kiến trúc của LTE 1.2.1. Kiến trúc tổng quát của mạng 4G LTE Hình 1.1. cho thấy kiến trúc tổng quan mạng bao gồm các phần tử mạng và các giao diện chuẩn. Tại mức cao, mạng gồm mạng lõi (EPC: Evolved Packet Core: lõi gói) và mạng truy nhập (E-URTRAN: Evolved UTRAN). Trong khi mạng lõi gồm nhiều nút logic thì mạng truy nhập chỉ có một kiểu nút: eNodeB. Mỗi phần từ mạng được nối với nhau qua các giao diện chuẩn để đảm bảo tương tác giữa các nhà bán máy. Vì thế các nhà khai thác mạng có thể lựa chọn các phần tử mạng khác nhau từ các nhà bán máy khác nhau. Phùng Lâm Hà Trang, D13VT6 2 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về LTE Hình 1.1.Kiến trúc mạng 4G LTE 1.2.1.1. Thiết bị người sử dụng, UE UE là thiết bị mà người sử dụng đầu cuối sử dụng để thông tin. Về mặt chức năng, UE là một nền tảng cho các ứng dụng thông tin mà người sử dụng đầu cuối cần. Báo hiệu bao gồm cả các chức năng quản lý di động như chuyển giao và báo cáo vị trí máy đầu cuối và thực hiện các chức năng theo chỉ thị từ mạng. Các giao thức hoạt động giữa UE và mạng lõi được gọi là các giao thức tầng không truy nhập (NAS: NonAccess Stratum). 1.2.1.2. eNodeB Nút duy nhất trong E-UTRAN là eNodeB (evolved Node B: Nút B phát triển). eNodeB là trạm gốc vô tuyến chịu trách nhiệm điều khiển tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến trong phần cố định của hệ thống. Về mặt chức năng eNodeB hoạt động như một cầu nối lớp 2 giữa UE và EPC và là điểm kết cuối của tất cả các giao thức vô tuyến hướng đến UE và chuyển tiếp số liệu giữa kết nối vô tuyến và kết nối dựa trên IP tương ứng đến EPC. eNodeB thực hiện mật mã hóa/giải mật mã hóa số liệu Phùng Lâm Hà Trang, D13VT6 3 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về LTE và đồng thời nén/giải nén tiêu đề IP. eNodeB cũng chịu trách nhiệm quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM: Radio Resourse Management), nghĩa là điều khiển mức độ sử dụng giao diện vô tuyến bao gồm: ấn định tài nguyên vô tuyến theo yêu cầu, đặt mức ưu tiên và lập biểu lưu lượng theo chất lượng dịch vụ (QoS) yêu cầu và thường xuyên giám sát tình trạng sử dụng tài nguyên. Ngoài ra, eNodeB còn có một vai trò quan trọng trong quản lý di động (MM: Mobility Management). eNodeB điều khiển và phân tích các đo đạc mức tín hiệu vô tuyến do UE thực hiện, tự mình thực hiện đo đạc tương tự và dựa trên các kết quả đo đạc này đưa ra quyết định chuyển giao UE giữa các ô. 1.2.1.3. EPC Đây là phần lõi của mạng LTE, tiếp nhận tất cả các yêu cầu của UE được truyền đến từ eNodeB và xử lý chúng. Trong EPC có nhiều phần tử khác nhau chịu trách nhiệm điều khiển UE. Các phần tử của EPC được trình bày cụ thể ở phần dưới. 1.2.2. Các phần tử của mạng lõi Mạng lõi (được gọi là EPC) chịu trách nhiệm điều khiển tổng thể UE và thiết lập các kênh mang. Các nút logic chính của mạng lõi là: - Thực thể quản lý di động (MME) - Cổng phục vụ (S-GW) - Cổng mạng số liệu gói (P-GW) Ngoài các nút trên, EPC còn có các nut logic khác và các chức năng khác như HSS (server thuê bao nhà) và PCRF (Chức năng các quy tắc điều khiển chính sách và tính cước). E-UTRA và EPC hợp thành EPS (Evolved Packet System: Hệ thống gói phát triển). Vì EPS chỉ cung cấp đường truyền kênh mạng của một QoS nhất định, nên điều khiển các ứng dụng đa phương tiện như VoIP được đảm bảo bởi IMS (phân hệ đa phương tiện IP) được coi là nằm ngoài EPS 1.2.2.1. MME Thực thể quản lý di động (MME: Mobility Management Entity) là phần tử điều khiển chính trong EPC. Thông thường MME là một server đặt tại một vị trí an toàn ngay tại hãng khai thác. Nó chỉ hoạt động trong mặt phẳng điều khiển (CP) và không tham gia vào đường truyền số liệu của UP. Ngoài các giao diện kết cuối tại MME như thấy trong cấu trúc trên Hình 1.1 MME cũng có một kết nối logic trực tiếp CP đến UE và kết nối này được sử dụng như là kênh điều khiển sơ cấp giữa UE và mạng. Dưới đây là các chức năng chính của MME trong cấu hình kiến trúc hệ thống cơ sở: Phùng Lâm Hà Trang, D13VT6 4 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về LTE - An ninh và nhận thực. Khi UE đăng ký lần đầu với mạng. MME khởi xướng nhận thực như sau: nó tìm ra một nhận dạng cố định của UE hoặc từ mạng khách trước đó hoặc từ chính UE; nó yêu cầu HSS trong mạng nhà của UE các vectơ nhận thực gồm: hô lệnh nhận thực- các cặp thông số trả lời; nó phát đi hô lệnh đến UE; nó so sánh trả lời nhận được từ UE với trả lời nhận từ mạng nhà. Chức năng này cần thiết để nhận thực rằng UE hợp lệ. MME có thể lặp lại nhận thực khi cần thiết hoặc định kỳ. MME sẽ tính toán các khóa mật mật mã và khóa bảo vệ tính tòan vẹn của UE từ khóa chủ nhận được từ vectơ nhận thực nhận được từ mạng nhà và điều khiển các thiết lập liên quan trong E-UTRAN cho UP và CP. Các chức năng này được sử dụng để bảo vệ thông tin không bị nghe trộm và thay đổi bởi phía thứ ba không được phép. Để bảo vệ tính riêng tư của UE, MME cũng ấn định một nhận dạng tạm thời cho từng UE với tên gọi là nhận dạng tạm thời duy nhất toàn cầu (GUTI: Global Unique Temporary Identity) để có thể giảm thiểu việc cần thiết phải phát nhận dạng cố định của UE (IMSI: International Mobile Subscriber Identity: nhận dạng thuê bao di động quốc tế) trên giao diện vô tuyến. GUTI có thể được ấn định lại (theo định kỳ chẳng hạn) để tránh sự giám sát trái phép đối với UE. - Quản lý di động. MME theo dõi vị trí của các UE trong vùng phục vụ của nó. Khi UE thực hiện đăng ký lần đầu, MME sẽ tạo lập một entry (một mục) cho UE và thông báo vị trí này cho HSS trong mạng nhà của UE. MME yêu cầu thiết lập các tài nguyên tương ứng trong eNodeB cũng như trong S-GW mà nó lựa chọn cho UE. Sau đó MME sẽ theo rõi vị trí của UE hoặc tại mức eNodeB nếu UE vẫn duy trì kết nối (trong trạng thái thông tin tích cực) hoặc tại mức vùng theo bám (TA: Tracking Area) bao gồm một tập các eNodeB trong trường hợp UE chuyển vào chế độ rỗi và không cần thiết quy trì đường truyền số liệu kết nối. MME điều khiển quá trình thiết lập, giải phóng các tài nguyên dựa trên các thay đổi trạng thái tích cực của UE. MME cũng tham gia điều khiển báo hiệu để chuyển giao UE trạng thái tích cực giữa các eNodeB, S-GW hay các MME. MME tham gia vào mọi sự thay đổi eNodeB, vì không có RNC tách riêng để che đậy tất cả các sự kiện này. UE rỗi sẽ báo cáo vị trí của nó hoặc định kỳ hoặc khi nó chuyển dịch đến một vùng theo rõi (TA) khác. Nếu mạng nhận được số liệu từ mạng ngoài cho một UE rỗi, MME sẽ được thông báo và nó sẽ yêu cầu các eNodeB trong TA nơi có UE để các eNodeB này phát báo hiệu tìm gọi UE. - Quản lý hồ sơ thuê bao và kết nối dịch vụ. Tại thời điểm UE đăng ký với mạng, MME chịu trách nhiệm nhận hồ sơ thuê bao từ mạng nhà. MME sẽ lưu thông tin này trong suốt quá trình nó phục vụ UE. Hồ sơ này sẽ xác định cần ấn định các kết nối mạng số liệu gói nào cho UE khi nó nhập mạng. MME sẽ tự động thiết lập kênh mang mặc định này để cấp cho UE kết nối IP cơ sở. Quá trình này bao gồm cả báo hiệu CP với eNodeB và S-GW. Sau đó MME có thể phải tham gia vào quá trình Phùng Lâm Hà Trang, D13VT6 5 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về LTE thiết lập các kênh mang riêng cho các dịch vụ nhận được từ xử lý cao hơn. MME có thể nhận yêu cầu thiết lập một kênh mang riêng hoặc từ S-GW nếu yêu cầu này xuất phát từ miền dịch vụ của nhà khai thác hay trực tiếp từ S-GW nếu UE yêu cầu một kết nối cho một dịch vụ mà miền dịch vụ nhà khai thác không biết và vì thế không thể khởi xướng yêu cầu từ miền này. Hình 1.2 cho thấy các kết nối của MME với các nút logic xung quanh và tổng kết các chức năng chính của các giao diện này. Về nguyên tắc, MME có thể kết nối đến mọi MME khác trong hệ thống, nhưng thông thường kết nối chỉ hạn chế đến mạng của một khai thác. Kết nối xa giữa các MME có thể được sử dụng khi một UE di rời ra xa và UE có thể đăng ký đến một MME mới. Khi này MME nhận số nhận dạng cố định của UE, IMSI từ MME mà nó làm khách trước đó. Cũng cần phải hỗ trợ kết nối đến một vài HSS. HSS được đặt trong từng mạng nhà và có thể tìm được tuyến nối đến nó dựa trên IMSI. Mỗi MME được lập cấu hình để điều khiển một tập các S-GW và các eNodeB. Các S-GW và các eNodeB đều có thể được nối đến các MME khác. MME có thể phụ vụ một số UE đồng thời trong khi mỗi UE chỉ nối đến một MME tại một thời điểm. Hình 1.1.Các kết nối của MME đến các nút logic khác và các chức năng chính 1.2.2.2. S-GW Trong cấu hình kiến trúc cơ sở, chức năng mức cao của S-GW là quản lý tunnel UP và chuyển mạch. S-GW là bộ phận của hạ tầng mạng dược quản lý tập trung tại nơi khai thác. Khi giao diện S5/S6 được xây dựng trên cơ sở GTP, S-GW sẽ có các GTP tunnel trên tất cả các giao diện UP. Quá trình sắp xếp các luồng dịch vụ IP vào các GTP tunnel được thực hiện trong P-GW và S-GW không cần nối đến PCRF. Tất cả điều khiển đều liên quan đến các GTP tunnel và đến từ MME hoặc P-GW. Khi giao Phùng Lâm Hà Trang, D13VT6 6 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về LTE diện S5/S6 sử dụng PMIP, S-GW sẽ thực hiện sắp xếp các luồng dịch vụ IP trong S5/S6 vào các GTP tunnel trong các giao diện S1-U và sẽ nối đến PCRF để nhận thông tin về sắp xếp. S-GW có vai trò rất thứ yếu trong các chức năng điều khiển. Nó chỉ chịu trách nhiệm cho các tài nguyên của chính mình và ấn định chúng dựa trên các yêu cầu từ MME, P-GW hay PCRF. Nếu yêu cầu nhận được từ P-GW hay PCRF, S-GW sẽ chuyển tiếp lệnh đến MME để MME điều khiển tunnel đến eNodeB. Tương tự khi yêu cầu khởi xướng từ MME, S-GW sẽ thông báo cho hoặc P-GW hoặc PCRF phụ thuộc vào S5/S8 đựơc xây dựng trên GTP tunnel hay PMIP (Proxy Mobile IP: IP di động đại diện). Nếu giao diện S5/S8 được xây dựng trên PMIP, số liệu trên giao diện này sẽ là các luồng IP trong một GRE tunnel (GRE: Generic Routing Encapsulation: đóng bao định tuyến chung). Vì thế S-GW hỗ trợ S5/S8 PMIP chiụ trách nhiệm thiết lập ràng buộc kênh mang, nghĩa là sắp xếp các luồng IP trên giao diện S5/S8 vào các kênh mang trên giao diện S1. Chức năng này được gọi là thiết lập ràng buộc kênh mang và báo cáo sự kiện (BBERF: Bearer Binding and Event Reporting Function). Không phụ thuộc vào việc báo hiệu kênh mang xuất sứ từ đâu, BBERF luôn luôn nhận được thông tin ràng buộc kênhmang từ PCRF. Trong quá trình di động giữa các eNodeB, S-GW hoạt động như một điểm neo di động. MME lệnh cho S-GW cung cấp các tài nguyên tunnel để chuyển hướng số liệu khi có nhu cầu chuyển hướng số liệu từ một eNodeB đến eNodeB đích trong quá trình chuyển giao. Kịch bản di động cũng bao gồm cả việc thay đổi từ một S-GW này đến một S-GW khác và MME điều khiển thay đổi này bằng cách lọai bỏ các tunnel trong S-GW cũ và thiết lập các tunnel trong S-GW mới. Đối với tất cả các luồng số liệu thuộc một UE trong chế độ kết nối, S-GW chuyển tiếp số liệu giữa eNodeB và P-GW. Tuy nhiên khi UE trong chế độ rỗi, các tài nguyên trong eNodeB được giải phóng, và tuyến số liệu kết cuối tại S-GW. Nếu S-GW nhận được gói từ P-GW trên tunnel bất kỳ, nó sẽ nhớ đệm các gói này và khi các tunnel được nối lại các gói nhớ đệm sẽ được chuyển đi. S-GW sẽ giám sát số liệu trong các tunnel này và có thể thu thập số liệu cần thiết cho thanh toán và tính cứơc. SGW cũng gồm cả chức năng chặn theo luật, nghĩa là có thể chuyển số liệu của người sử dụng bị giám sát đến các cơ quan thẩm quyền đề điều tra tiếp. Hình 1.3 cho thấy S-GW được nối đến các nút logic khác như thế nào và các chức năng chính trên các giao diện kết nối này. Tất cả các giao diện đều được lập cấu hình kiểu một đến nhiều xét từ quan điểm S-GW. Phùng Lâm Hà Trang, D13VT6 7 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về LTE Hình 1.1.Các kết nối S-GW với các nút logic khác và các chức năng chính Một S-GW có thể chỉ phục vụ một vùng địa lý cụ thể với một tập hữu hạn các eNodeB và tương tự một tập hữu hạn các MME điều khiển vùng này. S-GW phải có khả năng kết nối đến một P-GW bất kỳ trong toàn bộ mạng, vì P-GW sẽ không thay đổi còn S-GW có thể được ấn định lại khi UE di chuyển. Đối với các kết nối liên quan đến một UE, S-GW luôn luôn chỉ báo hiệu với một MME và tại một thời điểm UP chỉ ra một eNodeB (ngoại trừ trường hợp chuyển hướng số liệu gián tiếp). Nếu một UE được phép kết nối đế nhiều PDN (mạng số liệu gói) thông qua nhiều P-GW, thì S-GW cần kết nối riêng đến các P-GW này. Nếu giao diện S5/S8 được xây dựng trên PMIP, S-GW sẽ nối đến một PCRF đối với từng P-GW mà UE sử dụng. Hình 1.2 cũng cho thấy trường hợp chuyển hướng số liệu gián tiếp trong đó số liệu UP được chuyển hướng giữa các eNodeB thông qua các S-GW. Giao diện giữa các S-GW không có tên đặc thù, vì khuôn dạng hoàn toàn giống như trên giao diện S1U và các S-GW liên quan có thể coi rằng chúng thông tin trực tiếp với một eNodeB. Đây cũng sẽ là trường hợp khi xảy ra chuyển hướng số liệu trực tiếp với chỉ một SGW, nghĩa là cả hai eNodeB đều nối đến cùng một S-GW. 1.2.2.3. P-GW Cổng mạng số liệu gói (P-GW là viết tắt của PDN-GW) là một router biên giữa EPS và các mạng số liệu bên ngoài. Nó là một điểm neo di động mức cao nhất trong hệ thống và thường hoạt động như một điểm nhập mạng IP đối với UE. Nó thực hiện các chức năng mở cổng lưu lượng và lọc theo yêu cầu của dịch vụ. Tương tự như SGW, các P-GW có thể được khai thác ngay tại vị trí trung tâm của nhà khai thác. Thông thường P-GW ấn định địa chỉ IP cho UE và UE sử dụng nó để thông tin với các máy IP trong các mang ngoài (internet). Cũng có thể mạng ngoài nơi mà UE Phùng Lâm Hà Trang, D13VT6 8 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về LTE nối đến sẽ ấn định địa chỉ IP cho UE sử dụng và P-GW truyền tunnel tất cả lưu lượng đến mạng này. Địa chỉ IP luôn luôn được ấn định khi UE yêu cầu một kết nối PDN. Yêu cầu này xẩy ra khi UE nhập mạng và có thể xẩy ra sau đó khi cần có một kết nối PDN mới. P-GW thực hiện chức năng của một DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol: giao thức lập cấu hình máy động) yêu cầu hoặc nó yêu cầu một DHCP server ngoài và chuyển địa chỉ này đến UE. Tiêu chuẩn cũng hỗ trợ lập cấu hình tự động. Hoặc chỉ địa chỉ IPv4, hoặc chỉ địa chỉ IPv6 hoặc cả hai được ấn định phụ thuộc vào nhu cầu và UE có thể thông báo nó có muốn nhận địa chỉ (hoặc các địa chỉ) trong báo hiệu nhập mạng, hoặc nó có muốn thực hiện cấu hình địa chỉ sau khi lớp liên kết đã được kết nối hay không. P-GW bao gồm cả PCEF (Policy and Charging Enforcement Function: chức năng thực thi chiến lược và tính cước), nghĩa là nó thực hiện các chức năng lọc và mở cổng theo yêu cầu của các chính sách được thiết lập cho UE và dịch vụ tương ứng. Ngoài ra nó thu thập và báo cáo thông tin tính cước liên quan. Lưu lượng UP giữa P-GW và các mạng ngoài có dạng các gói IP thuộc các luồng dịch vụ IP khác nhau. Nếu giao diện S5/S8 đến S-GW được xây dựng trên cơ sở GTP, thì P-GW thực hiện sắp xếp các luồng số liệu IP lên các GTP tunnel (tương ứng với các kênh mang). Nếu giao diện S5/S8 được xây dựng trên cơ sở PMIP, P-GW sắp xếp tất cả các luồng dịch vụ IP thuộc UE từ mạng ngoài vào một GRE tunnel và tất cả các thông tin điều khiển chỉ được trao đổi với PCRF. P-GW cũng có chức năng giám sát luồng số liệu cho các mục đính thanh toán cũng như chặn theo luật. P-GW là điểm neo di động mức cao nhất trong hệ thống. Khi UE chuyển dịch từ một S-GW này đến một S-GW khác, các kênh mang phải được chuyển mạch bên trong PGW. P-GW sẽ nhận được một chỉ thị để chuyển mạch các luồng từ một S-GW mới. Hình 1.4 cho thấy các kết nối của P-GW với các nút logic lân cận và các chức năng chính của các giao diện này. Mỗi P-GW có thể được kết nối đến một hay nhiều PCRF, S-GW và mạng ngoài. Đối với một UE liên kêt với P-GW cho trước, sẽ chỉ có một S-GW nhưng có thể phải hỗ trợ nhiều kết nối đến nhiều mạng ngòai và tương ứng đến nhiều PCRF nếu phải hỗ trợ kết nối đến nhiều PDN thông qua một P-GW. Phùng Lâm Hà Trang, D13VT6 9