CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU MẠNG 4G_LTE 1. Giới thiệu về 4G. 4G là gì? Cũng giống như các thuật ngữ 2G hay 3G, 4G chỉ là một từ viết tắt của cụm từ “fourth generation” (thế hệ thứ 4) để thuận tiện cho các chương trình marketing c ủa các nhà mạng. Dịch vụ viễn thông hay kết nối không dây sử dụng công nghệ này thực ra rất khác biệt nhau và phụ thuộc vào các nhà cung cấp dịch vụ nhưng thông thường, một mạng không dây sử dụng công nghệ 4G sẽ có tốc độ nhanh hơn mạng 3G từ 4 đến 10 lần.
Tốc độ của 4G so với 3G như thế nào? Các nhà cung cấp dịch vụ sử dụng công nghệ WiMax thường quảng cáo mạng của họ có tốc độ tải xuống (download) từ 2 Mbps đến 6 Mbps và đỉnh điểm nhất có thể lên tới 10 Mbps hoặc cao hơn chút nữa. Verizon, nhà mạng triển khai LTE tại Mỹ cho biết, dịch vụ của họ sẽ có tốc độ khoảng từ 5-12 Mbps.Hầu hết các mạng 3G hiện tại đều có tốc độ từ 400 kilobit/s cho đến 1,5 Mbps. Mạng 4G sử dụng công nghệ nào? Hiện thế giới đang tồn tại 2 chuẩn công nghệ lõi của mạng 4G là WiMax và Long Term Evolution (LTE). WiMax là chuẩn kết nối không dây được phát triển bởi IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) còn LTE là chuẩn do 3GPP, một bộ phận của liên minh các nhà mạng sử dụng công nghệ GSM.
Cả WiMax và LTE đều sử dụng các công nghệ thu phát tiên tiến để nâng cao khả năng bắt sóng và hoạt động của thiết bị, mạng lưới. Tuy nhiên, mỗi công nghệ đều sử dụng một dải băng tần khác nhau. 3GPP (Third Generation Partnership Project) Long Term Evolution (LTE)là một giao diện vô tuyến rất linh hoạt với các triển khai ban đầu dự kiến trong năm 2009. Trọng tâm hiện nay dần dần thay đổi theo hướng sự phát triển hơn nữa của LTE, gọi tắt là LTE-Advanced.
Một trong những mục tiêu của sự tiến hóa này là để đạt được và thậm chí vượt qua các yêu cầu về IMT-Advanced. Những yêu cầu này sẽ bao gồm cải tiến thêm đáng kể về hiệu suất và khả năng so với các hệ thống di động hiện hành. Những mục tiêu thiết kế sau đây đã được thiết lập cho mạng mới này: • Giảm thời gian chuyển đổi trạng thái: trong các mạng HSPA hiện nay, thời gian để một UE chuyển từ trạng thái nghỉ sang nối kết với mạng và bắt đầu truyền thông tin trên một kênh truyền tải tốc độ cao là tương đối dài. Điều này ảnh hưởng tai hại lên tính khả dụng (usability) của mạng, bởi vì người dùng có thể cảm nhận được khoảng thời gian trễ này trong khi truy cập một dịch vụ trên Internet sau một khoảng thời gian dài thụ SVTH: NGUYỄN LINH TUẤN VŨ Trang 1 Luận văn: Nghiên cứu mạng di động 4G_ Ứng dụng định vị điện thoại động.
Vì thế, người ta đã quy ết định rằng thiết kế mạng mới LTE phải có khả năng chuyển từ trạng thái rỗi sang nối kết đầy đủ trong thời gian không đến 100 ms. • Giảm độ trễ ở mặt phẳng người dùng: một nhược điểm khác của các mạng tổ ong hiện nay là độ trễ truyền cao hơn nhiều so với các mạng đường dây cố định. Trong khi hiện nay độ trễ một chiều giữa máy tính của một người dùng ở biên của một mạng DSL với Internet khoảng chừng 15 ms, thì các mạng HSPA có độ trễ lên đến khoảng 50 ms. Điều này là bất lợi đối với các ứng dụng như thoại và chơi game thời gian thực.
Đối với LTE, người ta đã quyết định rằng độ trễ trên giao tiếp vô tuyến phải khoảng chừng 5 ms để đạt đến độ trễ truyền từ UE này đến UE kia tương đương với độ trễ ở các mạng đường dây cố định. • Dải tần co giãnđư ợc: các mạng HSPA hiện bị hạn chế ở dải tần là 5 MHz. Trong khi đó, chỉ có thể đạt đến mức thông suất cao hơn thỏa đáng bằng cách tăng dải tần của kênh truyền tải. Đối với một số ứng dụng thì một kênh truyền tải 5 MHz lại quá rộng, và vì vậy người ta đã quy ết định rằng giao tiếp vô tuyến của hệ thống mới LTE cũng phải có tính co giãn được(scalable) ở hướng còn lại.
• Thông suất gia tăng: đối với hệ thống mới LTE, phải đạt đến một thông suất tối đa trong những điều kiện lý tưởng là 100 Mbit/s. Kiến trúc mạng.1 Các trạm cơ sở cải tiến Hình 1.1 Kiến trúc mạng LTE SVTH: NGUYỄN LINH TUẤN VŨ Trang 2 Luận văn: Nghiên cứu mạng di động 4G_ Ứng dụng định vị điện thoại Hình trên cho thấy các thành phần chính của một mạng lõi và mạng truy nhập vô tuyến LTE. So sánh với UMTS, mạng vô tuyến ít phức tạp hơn. Người ta đã quyết định rằng các RNC nên được gỡ bỏ, và chức năng của chúng đã đư ợc chuyển một phần sang các trạm cơ sở và một phần sang nút gateway của mạng lõi.
Để phân biệt với các trạm cơ sở UMTS, các trạm cơ sở LTE được gọi là Enhanced NodeB (eNodeB). Bởi vì không còn phần tử điều khiển ở trung ương trong mạng vô tuyến nữa, nên giờ đây các trạm cơ sở thực hiện chức năng quản lý dữ liệu truyền tải một cách tự lập, và bảo đảm chất lượng dịch vụ. Điều này cũng đã ph ần nào được thực hiện trong UMTS với sự xuất hiện của HSPA. Tuy nhiên, các RNC vẫn điều khiển các kênh truyền tải dành cho dịch vụ thoại chuyển kênh.
Ngoài ra, các trạm cơ sở giờ đây còn chịu trách nhiệm thực hiện các cuộc chuyển giao cho các UE tích cực. Vì mục đích này, giờ đây các eNodeB có thể liên lạc trực tiếp với nhau thông qua các đường giao tiếp X2. Các đường giao tiếp này được dùng để chuẩn bị những cuộc chuyển giao và cũng có th ể được dùng để gửi chuyển tiếp dữ liệu người dùng (các gói IP) từ mạng cơ sở hiện tại sang mạng cơ sở mới để giảm thiểu lượng dữ liệu người dùng thất thoát trong quá trình chuyển giao. Các trạm cơ sở cũng có khả năng liên lạc với nhau thông qua gateway truy cập để chuẩn bị các cuộc chuyển giao.
Tuy nhiên trong trường hợp này, dữ liệu người dùng không được gửi chuyển tiếp trong quá trình chuyển giao. Một số dữ liệu đã được mạng gửi đi tới trạm cơ sở hiện tại có thể thất thoát, bởi vì sau khi một quyết định chuyển giao được thực hiện, nó phải được thi hành càng nhanh càng tốt trước khi đường truyền vô tuyến mất đi. Không giống trong UMTS,các mạng vô tuyến LTE chỉ thực hiện các cuộc chuyển giao cứng, tức là vào mỗi thời điểm chỉ có một cell liên lạc với UE. Đường giao tiếp nối các eNodeB với các nút gateway giữa mạng vô tuyến và mạng lõi là đư ờng S1.
Nó hoàn toàn dựa trên giao thức IP, vì vậy không biết gì về công nghệ vận chuyển tầng thấp. Đây là một khác biệt lớn với UMTS. Trong UMTS, các đường giao tiếp giữa các NodeB, các RNC và SGSN nhất thiết dựa trên giao thức ATM dành cho các tầng thấp. Giữa RNC và NodeB, IP không hề được dùng cho việc gửi chuyển tiếp các gói.
Tuy cho phép đồng bộ hóa dễ hơn giữa các nút, song việc cần phải sử dụng ATM để vận chuyển dữ liệu trên các tầng thấp khiến kết cấu không linh hoạt và phức tạp. Trong những năm gần đây, tình hình này càng t ệ hơn bởi vì nhu cầu thông lượng tăng cao không còn được với những đường truyền ATM trên các kênh E1 2 Mbit/s thỏa mãn nữa. Vì vậy, chuẩn UMTS sau này đã đư ợc cải tiến để cũng dùng IP làm một giao thức vận chuyển giữa mạng lõi và trạm cơ sở. Nhưng LTE thì ngay t ừ đầu đã hoàn toàn dựa trên vận chuyển IP trong mạng vô tuyến.
Các trạm cơ sở được trang bị những cổng Ethernet 100 Mbit/s hoặc 1 Gbit/s quen thuộc trong thế giới PC, hoặc các cổng cáp quang Gigabit Ethernet. SVTH: NGUYỄN LINH TUẤN VŨ Trang 3 Luận văn: Nghiên cứu mạng di động 4G_ Ứng dụng định vị điện thoại 1.2 Đường giao tiếp giữa mạng lõi với mạng truy nhập vô tuyến. Như được minh họa trong Hình 1.1, nút gateway giữa mạng truy cập vô tuyến và mạng lõi đư ợc phân ra thành hai phần: Serving Gateway (Serving-GW) và Mobility Management Entity (MME). Kết hợp với nhau, chúng thực hiện những công việc tương tự như SGSN (Serving GPRS Support Node) trong các mạng UMTS.
Trong thực tế, cả hai thành phần này có thể được thực hiện trên cùng một thiết bị phần cứng hoặc có thể được tách ra để có thể tăng giảm kích cỡ độc lập với nhau. MME là thực thể thuộc mặt phẳng điều khiển của LTE, chịu trách nhiệm những phần việc sau đây: • Báo hiệu quản lý phiên làm việc và quản lý tính di động của thuê bao. Phần việc này bao gồm những tác vụ như xác minh (hoặc nhận thực _ authentication), thiết lập các kênh truyền tải vô tuyến, hậu thuẫn việc chuyển giao giữa các eNodeB khác nhau và đến/từ các mạng vô tuyến khác nhau (ví dụ như GSM, UMTS). • Theo dõi vị trí của các UE trong chế độ rỗi, tức là trong khi không có kênh truyền tải vô tuyến nào được thiết lập bởi vì chúng đã không trao đ ổi các gói dữ liệu với mạng trong một quãng thời gian kéo dài.
• Chọn lựa một gateway nối với Internet khi UE yêu cầu thiết lập một phiên làm việc, tức là khi nó yêu cầu mạng cấp một địa chỉ IP. Serving-GW chịu trách nhiệm gửi chuyển tiếp các gói IP giữa các UE và Internet. Sự khác biệt với UMTS là, đường hầm dành cho một người dùng trong mạng vô tuyến được kết thúc trực tiếp trong chính eNodeB chứ không còn trên một thành phần trung gian như RNC nữa. Bởi vì đường giao tiếp S1 được dùng cho cả dữ liệu người dùng (nối với Serving- GW) lẫn dữ liệu báo hiệu (nối với MME), nên kiến trúc của các giao thức tầng cao hơn được phân ra thành hai bộ giao thức khác biệt: S1-C và S1-U.
Giao thức S1-C (điều khiển) được dùng để trao đổi các thông điệp điều khiển giữa một UE và MME. Như được trình bày bên dưới, các thông điệp này được trao đổi qua các kênh “non-IP” đặc biệt trên giao tiếp vô tuyến rồi sau đó được NodeB đặt vào trong các gói IP trước khi chúng được gửi chuyển tiếp đến MME. Tuy nhiên, dữ liệu người dùng đã đư ợc truyền với tính cách các gói IP qua giao tiếp vô tuyến, và chúng được gửi chuyển tiếp qua giao thức S1-U (người dùng) đến Serving-GW.