BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

PHẠM THẾ HOÀN

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TỰ TỐI ƯU RONG
MẠNG THÔNG TIN DI DỘNG LTE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2014


2
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

PHẠM THẾ HOÀN

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TỰ TỐI ƯU RONG
MẠNG THÔNG TIN DI DỘNG LTE
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số

: 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. TRỊNH QUANG KHẢI

HÀ NỘI - 2014



Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

Ngày 10 tháng 01 năm 2015
Học viên

TS. Trịnh Quang Khải
Xác nhận của Bộ môn KTVT

Phạm Thế Hoàn


4

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn: "Nghiên cứu kỹ thuật tự tối ưu trong mạng
thông tin di động LTE" là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2015
Học viên

Phạm Thế Hoàn


5
LỜI CẢM ƠN
Trải qua một thời gian dài nỗ lực học tập và nghiên cứu, để đi đến được
kết quả như ngày hôm nay em đã được rất nhiều sự giúp đỡ của gia đình,
thầy cô và các bạn.
Qua đây em xin được gửi lời cảm ơn chân thành với lòng biết ơn sâu

CCCH
CDMA
CN
COC
COD
CP
CRC
CS
DHCP
DLSCH
EDGE
ENodeB
EPC
EUTRAN
FDMA

Tiếng Anh
3rd Generation
Partnership Project
Advanced Encryption
Standard
Access Network
Automatic Neighbor
Relation
Access Stratum
Authentication Center
Broadcast Control
Channel
Broadcast Channel
Base Station Control

Chức năng tự động liên kết cell
lân cận
Tầng truy nhập
Trung tâm xác thực
Kênh điều khiển quảng bá
Kênh quảng bá
Trung tâm điều khiển trạm gốc
Trạm thu phát sóng di động
Kênh điều khiển chung
Đa truy nhập phân chia theo
mã
Mạng lõi
Vùng phủ của cell bị sự cố
Phát hiện cell bị sự cố
Mặt phẳng điều khiển
Kiểm tra lỗi vòng
Chuyển mạch kênh
Giao thức cấu hình host tĩnh
Kênh chia sẻ kết nối đường
xuống
Công nghệ mạng di động nâng
cấp từ GPRS
NodeB được cải tiến
Mạng lõi gói cải tiến
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
UMTS được cải tiến
Đa truy nhập phân chia theo


7

HSS
IP Multimedia Subsystem
IMS
LB

Load Balancing

LTE

Long Term Evolution
Medium Access Control

MAC
MIMO
MISO
MME
MSC
NAS
OAM
OFDM
OFDM
A

tần số
Cổng trao đổi dữ liệu giữa
mạng GPRS và mạng dữ liệu
gói
Giao thức đường hầm GRPS
Sự kết hợp của mã hóa sửa lỗi
trước FEC và điều khiển lỗi

Phát triển dài hạn của công
nghệ mạng UMTS
Điều khiển truy nhập môi
trường
Đa đầu vào đa đầu ra
Đa đầu vào đơn đầu ra
Thực thể quản lý di động
Trung tâm chuyển mạch di
động
Tầng không truy nhập
Vận hành, quản lý và bảo
dưỡng
Ghép kênh phân chia theo tần
số trực giao
Đa truy nhập phân chia theo
tần số trực giao


8
PCCH
PCH
PDN
P-GW
PHY

Physical Control Channel
Physical Channel
Packet Data Network
Packet-Gateway
Physical Layer

Serving Gateway
Session Initiation
Protocol
Self Organization
Network
Timing Advance
Time Division Multiple
Access
Terminal Equipment
User Equipment
Universal Mobile
Telecommunications
System

RNC
RNS
RRM
SAE
SCFDMA
SGSN
SIMO
SISO
S-GW
SIP
SON
TA
TDMA
TE
UE
UMTS

Thiết bị đầu cuối
Thiết bị người dùng
Hệ thống viễn thông di động
toàn cầu


9
UP
UTRAN
VLR
VoIP

User Plane
UMTS Terrestrial Radio
Access Network
Visitor Location Register
Voice Over IP

Mặt phẳng người dùng
Mạng truy nhập vô tuyến mặt
đất UMTS
Khối đăng ký định vị tạm trú
Thoại trên nền IP

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ


10

MỤC LỤC

thế giới, phát triển và chuẩn hóa bởi 3GPP.
3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài


12
Phân tích những kỹ thuật tự tối ưu và phương pháp áp dụng cho mạng LTE, từ
đó xem xét, giải quyết những khó khăn xảy ra khi triển khai, vận hành mạng LTE.
4. Phương pháp nghiên cứu
Tổng quan các công trình nghiên cứu và triển khai ứng dụng mạng LTE, kỹ thuật
tự tối ưu. Áp dụng vào thực tiễn mạng viễn thông trên thế giới. Đề xuất lộ trình triển
khai mạng di động LTE áp dụng kỹ thuật tự tối ưu tại Việt Nam.
5. Kết cấu của luận văn
Chương 1: Tổng quan công nghệ LTE.
Chương 2: Kỹ thuật tự tối ưu
Chương 3: Ứng dụng của kỹ thuật tự tối ưu trong mạng LTE.

CHƯƠNG 1


13
TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE
Chương này tập trung giới thiệu cái nhìn bao quát về lộ trình phát triển hệ
thống thông tin di động thế hệ trước đến LTE. Những ưu điểm, nhược điểm, yêu
cầu cấp thiết khi triển khai và vận hành hệ thống LTE.
1.1. Sự phát triển của các hệ thống thông tin di động
Trong những năm gần đây, công nghệ không dây là chủ đề được nhiều chuyên
gia quan tâm trong lĩnh vực máy tính và truyền thông. Trong thời gian này công
nghệ này được rất nhiều người sử dụng và đã trải qua rất nhiều thay đổi. Quá trình
thay đổi thể hiện qua các thế hệ:
 Thế hệ không dây thứ nhất là thế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ

Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ hai sử dụng điều chế số. Và chúng sử
dụng hai phương pháp đa truy nhập:
- Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA).
- Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA).
1.1.2.1. Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA
Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải
tần liên lạc này dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời
gian trong chu kỳ một khung. Các thuê bao khác dùng chung kênh nhờ cài xen
thời gian, mỗi thuê bao được cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung.
Đặc điểm:
- Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số.
- Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong đó
một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di động và
một băng tần được sử dụng để truyền tuyến hiệu từ máy di động đến trạm gốc. Việc
phân chia tần như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạt động cùng một
lúc mà không sợ can nhiễu nhau.
- Giảm số máy thu phát ở BTS.
- Giảm nhiễu giao thoa.
Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global
System for Mobile - GSM).
Máy điện thoại di động kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn kỹ thuật FDMA. Hệ


15
thống xử lý số đối với tín hiệu trong MS tương tự có khả năng xử lý không quá 106
lệnh trong một giây, còn trong MS số TDMA phải có khả năng xử lý hơn 50x106
lệnh trên giây.
1.1.2.2. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA
Thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử
dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi, mà

tuyến của mình.
Cung cấp rất nhiều loại hình dịch vụ bao gồm từ các dịch vụ thoại và số
liệu tốc độ thấp như hiện nay cho đến các loại dịch vụ số liệu tốc độ cao như:
video, truyền hình….
Tốc độ cực đại của người sử dụng lên tới tới 2Mbit/s. Tốc độ cực đại này sẽ
chỉ có ở các pico trong nhà, còn các dịch vụ với tốc độ 144Kbit/s sẽ được đảm
bảo cho di động thông thường ở các ô macro.
Những yêu cầu mới cho các hệ thống thế hệ thứ ba được liệt kê dưới đây :
- Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau :
+ Đường lên : 1885 – 2025 MHz
+ Đường xuống : 2110 – 2200 MHz
- Có tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến .
+ Tích hợp các thông tin hữu tuyến và vô tuyến.
+ Tương tác cho mọi loại dịch vụ viễn thông.
- Có khả năng truyền thông đa phương tiện, đảm bảo được tốc độ bit Rb của
người sử dụng đến 2Mbit/s. Môi trường được chia thành bốn vùng :
+ Vùng 1 : Trong nhà, ô pico có Rb ≤ 2 Mbit/s.
+ Vùng 2 : Thành phố, ô micro có Rb ≤ 384 Kbit/s.
+ Vùng 3 : Ngoại ô, ô macro có Rb ≤ 144 Kbit/s.
+ Vùng 4 : Toàn cầu có Rb ≤ 9,6 Kbit/s.
- Tăng dịch vụ chuyển mạch gói: Hệ thống thông tin thế hệ hai chỉ có phương
thức chuyển mạch kênh truyền thống, hiệu suất kênh tương đối thấp. Trong khi đó,
hệ thống thông tin di động thế hệ ba tồn tại đồng thời cả chuyển mạch kênh và


17
chuyển mạch gói.
- Tăng phương thức truyền tải không đối xứng. Do dịch vụ WWW có đặc
tính không đối xứng, truyền tải đường lên thường chỉ cần vài Kbit/s.
- Chất lượng truyền và chất lượng dịch vụ phải không thua kém chất lượng

cho phép kết nối của người dùng trực tiếp đến GGSN và bỏ qua SGSN. Đặc điểm
này sẽ giúp chuyển các chức năng của RNC xuống NodeB như hình 1.2 dưới đây:

Hình 1.2: Cấu trúc mặt phẳng qua các phiên bản LTE

Trong phiên bản 8 của chuẩn 3GPP dành cho LTE, những chỉ tiêu kỹ thuật theo
hướng nhắm đến chất lượng dịch vụ như sau:
LTE đưa ra tốc độ dữ liệu đường xuống lớn nhất là ~ 100MBps và hướng lên là
~ 50MBps với phổ 20MHz. Đặt được tốc độ này bằng việc triển khai công nghệ sử


19
dụng nhiều anten và công nghệ định hướng tín hiệu truyền nhận: tập trung năng
lượng chùm tín hiệu phát đến từng user theo từng gói tin (packet). Công nghệ
beamforming được thực hiện theo hai hướng thu và phát:
* Hướng thu: Tín hiệu phát sóng từ user (bao gồm tín hiệu đa đường
(multipath) từ các hướng khác nhau sẽ được tổng hợp bởi các anten và bộ thu để tạo
thành tín hiệu công hưởng mang lại tín hiệu thu tốt nhất tại NodeB.
* Hướng phát: Từ việc tính toán tín hiệu thu, NodeB điều khiển chùm tín hiệu
phát ra từ các anten theo các đường khác nhau để tín hiệu thu được tại user là cao
nhất.
- Bằng cách sử dụng các anten và bộ xử lý tín hiệu, NodeB tận dụng hiện tượng
đa đường (multi path) làm tăng chất lượng tín hiệu thay vì bị ảnh hưởng suy hao bởi
hiện tượng này theo như các cách thu phát truyền thống. Kỹ thuật Beamforming
được thực hiện theo từng gói tin cho từng user khác nhau và được xử lý nhờ chip
ASIC bên trong NodeB.
- LTE đưa ra việc sử dụng phổ linh hoạt, từ 1.4MHz đến 20MHz trong cả hướng
lên và hướng xuống.
- Với cấu trúc phẳng, kết nối người dùng sẽ qua 2 Node mạng -> giảm thời gian
trễ. Mạng LTE quy định thời gian trễ kết nối người dùng (từ khi gửi đến khi nhận


Hình 1.4: Vị trí thực thể MME trong EPC
MME là thực thể chịu trách nhiệm cho nguồn gốc của quá trình xác thực và
định vị thiết bị thiết bị người dùng khi lần đầu kết nối vào mạng. Để bảo mật cho
thiết bị người dùng, MME đăng ký cho mỗi thiết bị người dùng một nhận dạng tạm
thời gọi là “nhận dạng tạm thời duy nhất mang tính cục bộ GUTI”. GUTI sẽ loại bỏ
yêu cầu phải gửi IMSI của thiết bị người dùng trên các kênh vô tuyến. GUTI có thể
được cấp lại định kỳ và thay đổi để ngăn chặn quá trình bám không được xác thực
của thiết bị người dùng.
MME bám theo tất cả thiết bị người dùng trong vùng dịch vụ, bám trên
ENodeB nếu thiết bị người dùng đang kết nối và bám theo vùng nếu thiết bị người
dùng đang ở chế độ Idle.
MME cũng chịu trách nhiệm thiết lập tài nguyên cho thiết bị người dùng. MME
thực hiện bằng cách lấy mô tả về thiết bị người dùng từ “hệ thống máy chủ thuê bao
thường trú - HSS” và quyết định những kết nối với mạng dữ liệu gói tới thiết bị
người dùng tại điểm khởi tạo. MME thiết lập một cách tự động kết nối mặc định
bằng việc tạo cho thiết bị người dùng một kết nối IP cơ sở bao gồm báo hiệu định
tuyến kết nối với EnodeB và cổng kết nối phục vụ S-GW.
MME cũng tham gia điều khiển báo hiệu cho chuyển giao của thiết bị người
dùng giữa các ENodeB, cổng kết nối phục vụ S-GW và chuyển giao giữa các thực


22
thể MME. MME sẽ được kết nối với bất kỳ MME nào khác trong mạng và kết nối
với một số hệ thống máy chủ thuê bao thường trú, có thể phục vụ nhiều thiết bị
người dùng tại cùng một thời điểm.[7]
• Cổng kết nối phục vụ (S-GW)
S-GW gồm những chức năng chính trong quản lý đường định tuyến kết nối với
thiết bị người dùng, chuyển mạch và một số quá trình khác. S-GW không bao gồm
các hoạt động điều khiển định tuyến kết nối. S-GW chỉ nắm giữ tài nguyên của chính

• Chức năng nguồn cước và thiết lập chính sách (PCRF)
PCRF là một phần tử mạng đáp ứng việc kiểm soát chính sách và tính cước.
PCRF đưa ra quyết định liên quan đến dịch vụ theo yêu cầu chất lượng dịch vụ, cung
cấp thông tin cho chức năng thi hành chính sách và tính cước trong P-GW.


24

Hình 1.7: Vị trí khối tính cước và thiết lập chính sách trong mạng LTE
• Hệ thống máy chủ thuê bao thường trú
Lưu thông tin về thuê bao, loại dịch vụ thuê bao được cung cấp, thông báo vị trí
của thuê bao ở mức “viếng thăm” node mạng điều khiển: VD node MME. Để hỗ trợ
tính năng di động giữa các mạng truy nhập (AN) không được 3GPP chuẩn hóa, HSS
lưu giữ thông tin các P-GW thực hiện nhiệm vụ này.

Hình 1.8: Hệ thống máy chủ thuê bao thường trú
1.2.1.2. Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu cải tiến (E-UTRAN)
Bao gồm các NodeB được cải tiến (ENodeB). ENodeB trong hệ thống có cấu
trúc cải tiến (SAE) của mạng LTE tương đương trạm thu phát sóng BTS trong hệ


25
thống GSM/GPRS nhưng có thêm nhiều chức năng và kiểm soát tất cả các chức
năng vô tuyến.
Về mặt chức năng, ENodeB cung cấp cầu nối giữa thiết bị di động và mạng lõi
được cải tiến (EPC), hoạt động như một cầu lớp hai của hệ thống EPC. Là điểm
quyết định giao thức vô tuyến đền thiết bị di động và hoạt động như một khối
chuyển tiếp dữ liệu giữa kết nối vô tuyến và kết nối IP tương ứng đến EPC. Đồng
thời có chức năng mã hóa/giải mã dữ liệu mặt phẳng người dùng, nén và giải nén
mào đầu gói tin IP.