BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
----------
BÀI TIỂU LUẬN
Môn: Báo hiệu và
điều khiển kết nối
Đề tài: “Các thủ tục truyền và nhận dữ liệu trong 4G”
Giảng Viên:
Nguyễn Thanh Trà
Sinh viên thực hiện:
Hà Nội, tháng 10 năm 2021
Page | 1
Báo hiệu và điều khiển kết nối
nhận dữ liệu trong 4G
Các thủ tục truyền và
LỜI NÓI ĐẦU
Ngành công nghệ viễn thông đã chứng kiến những phát triển ngoạn mục trong
những năm gần đây. Khi mà công nghệ mạng thông tin di dộng thế hệ thứ 3 (3G) chưa có
đủ thời gian để khẳng định vị thế của mình trên toàn cầu, người ta đã bắt đầu nói về công
nghệ 4G (Fourth Generation) từ nhiều năm gần đây. Thế nhưng nói một cách chính xác
thì 4G là gì? Liệu có một định nghĩa thống nhất cho thế hệ mạng thông tin di động 4G?
Khái niệm 4G bắt nguồn từ đâu?
Có nhiều định nghĩa khác nhau về 4G, có định nghĩa theo hướng công nghệ, có định
nghĩa theo hướng dịch vụ. Đơn giản nhất, 4G là thế hệ tiếp theo cùa mạng thông tin di
động không dây. 4G là một giải pháp dể vượt lên những giới hạn và những điểm yếu của
mạng 3G. Thực tế, vào giữa năm 2002, 4G là một khung nhận thức để thảo luận những
yêu cầu của một mạng băng rộng tốc độ siêu cao trong tương lai mà cho phép hội tụ với
mạng hữu tuyến cố định. 4G còn là thể hiện của ý tưởng, hy vọng của những nhà nghiên
cứu ở các trường đại học, học viện, các công ty xây dựng dựa trên nền tảng viễn thông
hay thông tin di động hay nhiều công ty khác với momg muốn đáp ứng các dịch vụ đa
phương tiện mà 3G không thế đáp ứng được.
Báo hiệu và điều khiển kết nối
Các thủ cục truyền và nhận dữ liệu
trong 4G
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ 4G LTE
1.1
Tổng quan về 4G LTE.........................................................................................................4
1.1.1
Khái niệm 4G LTE.......................................................................................................4
1.1.2
Ứng dụng.......................................................................................................................5
1.1.3
Hệ thống truyền thông 4G............................................................................................5
1.2
Sự phát triển triến trúc hệ thống 4G LTE........................................................................ 7
1.2.1
Kiến trúc của LTE........................................................................................................ 7
1.2.2
Thiết bị đầu cuối (hay còn gọi là thiết bị người dùng UE).........................................7
1.2.3
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS đã phát triển (E-UTRAN/ Evolved UMTS
Terrestrial Radio Access Network).
8
1.2.3.1
Kiến trúc của E-UTRAN.........................................................................................8
1.2.3.2
Các kiến trúc giao thức của E-UTRAN.................................................................. 9
1.2.4
Lõi gói phát triển (EPC)............................................................................................ 10
1.2.4.1
Kiến trúc của lõi gói phát triển............................................................................ 10
1.2.4.2
Kiến trúc chuyển vùng..........................................................................................11
1.2.4.3
Các khu vực mạng................................................................................................ 12
1.2.4.4
Đánh số, địa chỉ và nhận dạng.............................................................................12
1.2.5
Các giao thức truyền thông........................................................................................ 14
1.2.5.1
Mô hình giao thức................................................................................................ 14
1.2.5.2
Giao thức vận chuyển giao diện không trung...................................................... 15
1.2.5.3
Các giao thức vận chuyển mạng cố định..............................................................16
1.2.5.4
Giao thức mặt phẳng người dùng.........................................................................17
1.2.5.5
Các giao thức báo hiệu.........................................................................................17
1.2.6
Một vài ví dụ điển hình về báo hiệu điều khiển tròn 4G LTE.................................. 19
1.2.6.1
Báo hiệu tầng truy nhập....................................................................................... 19
1.2.6.2
Báo hiệu tầng không truy nhập............................................................................ 20
CHƯƠNG 2: CÁC THỦ TỤC TRUYỀN VÀ NHẬN DỮ LIỆU TRONG 4G LTE.
2.1
Thủ tục truyền dữ liệu...................................................................................................... 22
2.1.1
Truyền và tiếp nhận Downlink...................................................................................22
2.1.2
Truyền và tiếp nhận Uplink........................................................................................24
2.1.3
Semi Persistent Scheduling (lập lịch bán liên tục)....................................................26
2.2
Truyền thông điệp lập lịch trên PDCC............................................................................27
2.2.1
Thông tin điều khiển đường xuống (Downlink Control Information-DCI)............27
Nhóm 9
P a g e 2 | 52
Báo hiệu và điều khiển kết nối
2.2.2
Các thủ cục truyền và nhận dữ liệu
trong 4G
Phân bổ tài nguyên.....................................................................................................28
2.2.3
Tỉ số nhận dạng tạm thời của mạng vô tuyến...........................................................29
2.2.4
Truyền và tiếp nhận dữ liệu của PDCCH................................................................. 30
2.3
Truyền dữ liệu trên PDSCH và PUSCH......................................................................... 31
2.3.1
Xử lý kênh vận chuyển...............................................................................................31
2.3.2
Xử lý kênh vật lý.........................................................................................................32
2.4
Truyền các chỉ số ARQ lai trên PHICH..........................................................................34
2.4.1
Giới thiệu.................................................................................................................... 34
2.4.2
Ánh xạ phần tử tài nguyên của PHICH....................................................................34
2.4.3
Xử lý kênh vật lý của PHICH.................................................................................... 35
2.5
Thông tin điều khiển Uplink.............................................................................................36
2.5.1
Báo nhận Hybrid ARQ...............................................................................................36
2.5.2
Chỉ báo chất lượng kênh............................................................................................37
2.5.3
Chỉ báo xếp hạng........................................................................................................38
2.5.4
Chỉ báo ma trận precoding.........................................................................................38
2.5.5
Cơ chế báo cáo trạng thái kênh.................................................................................38
2.5.6
Yêu cầu lập lịch.......................................................................................................... 39
2.6
Truyền thông tin điều khiển Uplink trên PUSCH..........................................................40
2.6.1
Định dạng PUSCH.....................................................................................................40
2.6.2
Tài nguyên PUSCH....................................................................................................41
2.6.3
Xử lý kênh vật lý của PUSCH....................................................................................42
2.7
Tín hiệu tham chiếu Uplink..............................................................................................42
2.7.1
Tín hiệu tham chiếu giải điều chế............................................................................. 42
2.7.2
Tín hiệu tham chiếu âm thanh.................................................................................. 43
2.8
Điều khiển năng lượng...................................................................................................... 45
2.8.1
Tính toán năng lượng Uplink....................................................................................45
2.8.2
Các lệnh điều khiển công suất Uplink...................................................................... 46
2.8.3
Điều khiển công suất Downlink.................................................................................46
2.9
Sự tiếp nhận không liên tục.............................................................................................. 47
2.9.1
Tiếp nhận và phân trang không liên tục trong RRC_IDLE.....................................47
2.9.2
Tiếp nhận không liên tục trong RRC_Connected.....................................................48
Kết Luận....................................................................................................................................... 48
Lời cảm ơn.....................................................................................................................................49
Tài liệu tham khảo:
5. VoLTE and 4G Mobile Communications-Wiley (2014)
Nhóm 9
P a g e 3 | 52
ACK
Positive Acknowledgement
Allocation Retention Priotity
Automatic Repeat Request
Access Stratrum
Control Channel Element
Cyclic Redundancy Check
Channel Quality Indicator
Downlink Control Information
Discontinuous Reception
DownLink Shared Channel
UICC
E-UTRAN cell global
identifier
EPC
Evoled Packer Core
EPS
Evoled Packet System
EPRE
Energy Per Resource Element
EEvolved UMTS Terrestrial
UTRAN
Radio Access Network
FDD
Frequency Division Duplex
FFT
Fast Fourier Transform
GSM
Global System for Mobile
Communications
GUMMEI Globally unique MME
identifier
IEEE
Institute of Electrical and
Electronics Engineers
IMT
International Mobile
Telecomunications
IMSI
International Mobile
Subscriber Identity
LTE
Long Term Evolution
MAC
Medium Access Control
MBMS
Multimedia
Broadcast/Mutiplecast Service
MME
Mobility Management Entity
MIMO
Multiple In, Multiple Out
MPLS
Multi Protocol Label
Switching
MT
Mobile Termination
NAS
Non-access Stratrum
NGN
Next Generation Network
OFDM
Orthogonal frequency-division
multiplexing
UE
User Equipment
PDCP
ARQ
ARQ
AS
CCE
CRC
CQI
DCI
DRX
DL-SCH
ECGI
UMTS
PCFICH
PDCCH
PDSCH
PNC
PDN
PHICH
PMI
PUCCH
PUSCH
RLC
RNTI
RRC
S-GW
SI-RNTI
SCFDMA
SRS
SPS
QAM
QPSK
TA
TDD
TE
TMIS
TPC
WiMAX
Universal Intergrated Circuit
Card
Universal Intergrated circuit
card
Physical Control Format
Indicator Channel
Physical downlink control
channel
Physical Downlink Shared
Channel
Packet Data Convergence
Protocol
Public Network Calculator
Packet Data Network
Physical Hybrid ARQ
Indicator Channel
Precoding Matrix Indicator
Physical Uplink Control
Channel
Physical Uplink Shared
Channel
Radio Link Control
Radio Network Temporary
Identifier
Radio Resource Control
Serving Gateway
System Information Radio
Network Temporary Identifier
Single-carrier Frequency
Division Mutiple Access
Sounding Reference Signal
Semi president scheduling
Quadrature amplitude
modulation
Quadrature Phase Shift keying
Tracking Area
Time Division Duplex
Terminal Equipment
Temporary Mobile Subscriber
Identity
Transmit Power Control
Worldwide Interoperability for
Microwave Access
4G
Fourth Generation
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ 4G LTE
4G (viết tắt của Fourth_Generation) hay LTE (viết tắt của cụm từ Long Term
Evolution, có nghĩa là tiến hóa dài hạn) là công nghệ truyền thông không dây thứ 4, cho
phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 đến 1.5Gb/giây.
Tên gọi 4G do IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) đặt ra để diễn đạt
ý nghĩa “3G là hơn nữa”.
1.1
Tổng quan về 4G LTE
1.1.1
Khái niệm 4G LTE
4G là thế hệ tiếp theo của 3G, được IEEE đặt ra nhằm phân biệt với các chuẩn
mạng trước đó (2G/3G). Những tiêu chuẩn cơ bản nhất cả mạng 4G được ITU-R
chính thức thiết lập vào T3/2008, được gọi tên là IMT-Advanced (International
Mobile Telecomunications Advanced).
Được thúc đẩy bới các yêu cầu của ITU đối với IMT_Advance, 3GPP bắt
đầu nghiên cứu cách nâng cao của LTE. Đẩu ra chính từ nghiên cứu là một đặc
điểm kỹ thuật cho một hệ thống đã biết như LTE-Advanced, trong đó các yêu cầu
chính như sau:
Dựa vào chuyển mạch gói AII-IP (công nghệ mạng tiếp theo) Next
Generation Network (NGN). Mạng NGN là một mạng chuyển mạch gói có khả
năng cung cấp các dịch vụ viễn thông, các dịch vụ băng rộng, các công nghệ
truyền tải đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS trong đó các dịch vụ cung cấp hoàn
toàn độc lập với các công nghệ truyền dẫn lớp dưới. Mạng này cho phép người
dùng có thể truy cập tới nhiều nhà cung cấp dịch vụ khác nhau đồng thời hỗ trợ
các tính năng di động nhằm mục đích cung cấp dịch vụ một cách thống nhất và
hoàn toàn trong suốt quá trình của người sử dụng. Trung tâm của mạng IP NGN
gồm 3 yếu tố:
-
Hội tụ mạng.
Hội tụ dịch vụ.
Hội tụ ứng dụng.
LTE-Advanced được yêu cầu để cung cấp tốc độ dữ liệu peak là 1000 Mbps
trong đường xuống (Down-link) và 500 Mbps ở đường lên (Up-link). Trong
thực tế, hệ thống đã được thiết kế để có thể điều chỉnh cung cấp tốc độ dữ
liệu cao nhất tương ứng là 3000 và 1500 Mbps.
-
Hiệu quả băng thông MAX = 5 bit/s/Hz (Down-link) và 6.75 bit/s/Hz (Uplink).
Có thể tự động chia sẻ tài nguyên mạng để hỗ trợ nhiều người dùng cùng
một lúc.
-
Sử dụng các kênh có băng thông 5-20 MHz, tùy chọn đến 40 MHz.
Truyền tải dữ liệu trên các mạn không đồng nhất phải diễn ra trơn tru, ổn định.
-
Có khả năng cung cấp dịch vụ chấ lượng cao trong công việc hỗ trợ đa
phương tiện thế hệ tiếp theo.
1.1.2
Ứng dụng.
Các dịch vụ, ứng dụng được triển khai trên nền mạng 4G LTE gồm:
- Dịch vụ thoại, nhắn tin.
- Truyền thông tốc độ cao (High Multimedia)
- Dịch vụ dữ liệu (Data Service)
- Dịch vụ đa phương tiện (Multimedia Service)
- Tính toán mạng công cộng (PNC)
- Bản tin hợp nhất (Unified Mesaging)
- Thương mại điện tử (E-Commerce)
- Trò chơi tương tác trên mạng (Interactive gaming)
- Quản lý tại nhà (Home Manager)
1.1.3
Hệ thống truyền thông 4G
Các thành phần và công nghệ truyền dẫn trong 4G
a. MIMO – OFDM
MIMO, trái ngược với các hệ thống truyền thông truyền thống, tận dụng sự lan
truyền đa luồng để tăng thông lượng, phạm vi/ vùng phủ sóng và độ tin cậy. các hệ thống
MIMO sử dụng ghép kênh không gian, dùng nhiều anten phát và nhiều anten thu. Vì
MIMO truyền nhiều tín hiệu trên kênh truyền thông. Tốc độ dữ liệu trong các hệ thống
MIMO được nhân với số lượng anten được sử dụng.
Trong OFDM, chính tín hiệu được chia thành các tần số băng tần hẹp khác nhau,
được điều chế bởi dữ liệu và sau đó được ghép lại để tạo sóng mang OFDM.
OFDM có thể được thực hiện hiệu quả bằng cách sử dụng các biến đổi Fourier
nhanh (FFT) tại máy phát và máy thu. FFT cung cấp đáp ứng kênh cho từng tần số. Với
MIMO, đáp ứng kênh trở thành ma trận và do đó, MIMO-OFDM có thể được xử lý bằng
cách sử dụng đại số ma trận tương đối đơn giản
b. IPv4 và IPv6
IPv4 sử dụng 32 bit và do đó có thể sử dụng 232 thiết bị có thể định địa chỉ
Sự cạn kiệt địa chỉ IPv4 có thể sẽ ở giai đoạn cuối cùng vào thời điểm triển khai
IPv6. Do đó, đối với công nghệ 4G, IPv6 đã phát triển để hỗ trợ một số lượng lớn thiết bị
c. Mạng Adhoc
Cơ chế điều chế và mã hóa thích ứng phản ứng với các biến đổi tức thời trong điều
kiện kênh và theo đó sửa đổi các định dạng mã hóa và điều chế. Dựa trên phản hồi từ
người nhận, phản hồi của kênh được ước tính và tùy thuộc vào điều kiện kênh, AMC cho
phép các tốc độ dữ liệu khác nhau được chỉ định cho những người dùng khác nhau. Thống
kê kênh hỗ trợ máy phát và máy thu để tối ưu hóa các tham số hệ thống như điều chế, mã
hóa, băng thông, bộ lọc ước tính kênh và điều khiển khuếch đại tự động.
d. Thích nghi lai ARQ
Hiệu suất lớp kiểm soát truy cập trung bình (MAC) hiệu quả và đáng tin cậy là
cực kỳ quan trọng đối với hiệu suất liên kết đáng tin cậy trên kênh không dây bị mất. Để
đạt được điều này, một cơ chế truyền lại và phân mảnh tự động được gọi là Yêu cầu lặp
lại tự động (ARQ) được sử dụng, trong đó máy phát chia các gói nhận được từ các lớp
cao hơn thành các gói phụ nhỏ hơn, được truyền tuần tự. Nếu một gói phụ được nhận
không chính xác, máy phát được yêu cầu truyền lại. Cơ chế này giới thiệu sự đa dạng
thời gian vào hệ thống do khả năng phục hồi từ tiếng ồn, nhiễu và mờ dần.
e. Cải tiến điều chế
Các tiêu chuẩn trước đây đã sử dụng khóa dịch pha, các sơ đồ điều chế hiệu quả
hơn như 64-QAM (Điều chế biên độ cầu phương) đang được sử dụng cho các hệ thống
4G.
Hệ thống truyền thông 4G
Wirelessman-Advanced
IMT-A phiên bản tương thích của WiMAX hoặc WiMAX 2 dựa trên chuẩn
IEEE 802.16m
- WiMAX (Khả năng tương tác toàn cầu cho truy cập lò vi sóng) là công nghệ
truy cập băng thông rộng không dây dựa trên IP
- Wirelessman đang được phát triển.
- Việc triển khai WiMAX hiện tại không tuân thủ thông số kỹ thuật 4G
- Sử dụng OFDM trong đường lên và đường xuống .
- WiMAX di động, tiêu chuẩn IEEE 802.16e cung cấp tốc độ dữ liệu cao nhất
của đường xuống 128 Mbit / s và đường lên 56 Mbit / s trên kênh rộng 20 MHz.
4G LTE (Tiến hóa dài hạn) Nâng cao
- IMT-Một phiên bản khiếu nại của LTE, còn được gọi là E-UTRA (Truy cập vô
tuyến UMTS mặt đất tiến hóa) hoặc E-UTRAN (Mạng truy cập vô tuyến mặt
đất tiến hóa UMTS).
- UMTS Long Term Evolution (LTE) đã được giới thiệu trong 3GPP Release 8,
hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên tới 300 Mbps (4 × 4 MIMO) và lên tới 150 Mbps (2 × 2
MIMO) trong đường xuống và lên đến 75 Mbps trong đường lên. Bản phát hành
10 của LTE có khả năng tiếp cận IMT-A, tải xuống tối đa 1 Gbps và tải lên tối
đa 500 Mbps.
- Sử dụng OFDMA cho đường xuống & Sử dụng nhiều truy cập phân chia tần
số sóng mang đơn (SC-FDMA) cho đường lên.
- Sử dụng điều chế 64QAM
-
- Sử dụng MIMO và hình thành chùm tia với tối đa 4 ăng ten
- Tất cả mạng IP
1.2 Sự phát triển triến trúc hệ thống 4G LTE
Phần này ta sẽ trình bày về kiến trúc cấp cao của LTE. Chúng ta bắt đầu
bằng cách mô tả các thành phần phần cứng trong mạng LTE và bằng cách xem xét
các giao thức phần mềm mà các thành phần đó sử dụng đẻ giao tiếp. sau đó xem
xét chi tiết hơn các kỹ thuật được sử dụng để vận chuyển dữ liệu trong LTE trước
khi thảo luận về biểu đồ trạng thái và việc sử dụng phổ vô tuyến.
1.2.1
Kiến trúc của LTE
Kiến trúc cao cấp của hệ thồng gói tin đã phát triển (EPS/ Evoled Packet
System) có 3 thành phần chính đó là:
Thiết bị người dùng (UE/ User Equiqment).
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS đã phát triển (E-UTRAN/
Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network).
Lõi gói phát triển (EPC/ Evolved Packet Core).
Đổi lại, gói phát triển lõi giao tiếp với các mạng dữ liệu gói ở thế giới bên
ngoài như internet, mạng công ty tư nhận hoặc các hệ thồng con đa phương tiện
IP.
Các giao diện giữa các phần khác nhau của hệ thống được kí hiệu là Uu, S1,
Sgi. Mỗi UE, E-UTRAN và EPC đều có kiến trúc nội bộ riêng của mình.
Hình 1.1: Kiến trúc cao cấp của LTE
1.2.2
Thiết bị đầu cuối (hay còn gọi là thiết bị người dùng UE).
Kiến trúc của thiết bị đầu cuối (UE).
Hình 1.2: Kiến trúc của thiết bị đầu cuối người dùng (UE)
Thiết bị liên lạc thực tế được gọi là thiết bị di động (ME/ Mobility
Equiqment). Trong trường hợp của điện thoại di động hoặc điện thoại
thông
minh, đây chỉ là một thiết bị duy nhất. Tuy nhiên, thiết bị di dộng cũng có
thể được chia thành 2 phần đó là:
- Thiết bị đầu cuối di động (MT/ Mobile Termination) xử lý tất cả
các chức năng giao tiếp.
- Thiết bị đầu cuối (TE/ Terminal Equipment) là nơi kết thúc các luồng
dữ liệu.
Ví dụ: đầu cuối di động có thể là một thẻ LTE plug-in cho máy tính xách
tay, trong trường hợp này, thiết bị đầu cuối sẽ là chính máy tính xách tay.
Thẻ mạch tích hợp đa năng (UICC/ Universal Integrated Circuit Card) là
một thẻ thông minh, thường được gọi là thẻ SIM (Subscriber Identity
Module).
- Nó chạy một ứng dụng được gọi là mô-đun nhận dạng thuê bao chung
(USIM/ Universal Subscriber Identity Module), lưu trữ dữ liệu đành
riêng cho người dùng, chẳng hạn như số điện thoại người dùng và
dnah tính mạng gia đình.
- Một số dữ liệu trên USIM có thể được tải xuống từ các máy chủ quản
lý thiết bị do nhà điều hành quản lý
Ngoài ra, LTE hỗ trợ điện thoại di động đang sử dụng IPv4, IPv6, hoặc IP
kép phiên bản v4 hoặc v6. Một điện thoại di động nhận một điện chỉ IP
cho mỗi mạng dữ liệu gói mà nó đang giao tiếp.
1.2.3 Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS đã phát triển (EUTRAN/ Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network).
1.2.3.1 Kiến trúc của E-UTRAN.
Mạng truy nhập vô tuyến UMTS đã phát triển (E-UTRAN) xử lý thông
tin liên lạc vô tuyến giữa thiết bị di động và gói lõi đã phát triển và chỉ có các
eNodeB (eNB). Vì thế kiến trúc E-UTRAN được gọi là kiến trúc phẳng.
Phần lõi chính của kiến trúc E-UTRAN là nút B (eNodeB), cung cấp giao
diện vô tuyến với mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển kết
nối hướng đến UE.
Mục tiêu của công nghệ mới này là tăng vùng phủ, tốc độ dữ liệu cao
hơn và hiệu năng QoS tốt hơn và công bằng hơn với các người sử dụng
khác nhau.
eNB có 3 chức năng chính đó là:
-
eNB gửi các đường truyền vô tuyến đến tất cả các điện thoại di động của nó
trên đường xuống và nhận các đường truyền từ chúng trên đường trên, sử dụng
các chức năng xử lý tín hiệu tương tự và kỹ thuật số của giao diện không khí
LTE.
-
eNB kiểm soát hoạt động cấp thấp của tất cả các điện thoại di động của nó bằng
cách gửi cho chúng các thông điệp báo hiệu như lệnh chuyển giao liên quan
đến các đường truyền vô tuyến đó.
Mỗi trạm gốc được kết nối với EPC bằng giao diện S1. Nó cũng có thể
được kết nối với các trạm gốc lân cận được gọi là giao diện X2, được
sử dụng chủ yếu để bảo hiệu và chuyển tiếp gói tin trong quá trình
chuyển giao.
Hình 1.3: Kiến trúc của EUTRAN 1.2.3.2 Các kiến trúc giao thức của EUTRAN.
Mặt phẳng người sử dụng: Giao thức mặt phẳng người dùng E-UTRAN, bao
gồm các lớp con PDCP (Packet Data Convergence Protocol), RLC (Radio
Link Control) và MAC (Medium Access Control).
PDCP (Packet Data Convergence Protcol) : Là giao thức hội tụ số liệu gói, đảm
bảo nén tiêu đề giao thức và thực hiện mật mã hóa số liệu.
RLC (Radio Link Control): điều khiển liên kết vô tuyến, chịu trách nhiệm
truyền số liệu tin cậy, lớp con của lớp 2.
MAC (Medium Access Control): điều khiển môi trường, chịu trách nhiệm
lập biểu và phát lại nhanh, lớp con của lớp 2.
Mặt phẳng điều khiển: chỉ ra các giao thức tầng truy cập. các lớp thấp hơn
hoạt động với cùng chức năng như bên mặt phẳng người dùng, chỉ khác ở chỗ
là không nén Header.
Hình 1.4: Chồng giao thức
1.2.4 Lõi gói phát triển (EPC)
1.2.4.1 Kiến trúc của lõi gói phát triển
Các thành phần chính của mạng lõi phát triển EPC bao gồm:
Hình 1.5: Các thành phần chính của lõi gói phát triển (EPC)
Thực thể quản lí di động (MME/ Mobility Management Entity). Kiểm soát hoạt
động cấp caocuar thiết bị di động bằng cách gửi cho nó các thông điệp báo
hiệu về các vấn đề như bảo mật và quản lý các luồng dữ liệu không liên quan
đến truyền thông vô tuyến.
Cổng phục vụ (S-GW/ Serving Gateway). Hoạt động như một thiết bị định tuyến
mức cao và chuyển tiếp dữ liệu giữa trạm gốc và cổng PDN. Một mạng điển
hình có thể chứa một số ít các cồng phục vụ, mỗi cổng trông nom các điện thoại
di động trong một khu vực địa lý nhất định. Mỗi thiết bị di động được chỉ định
đến một cổng phục vụ duy nhấ, nhưng cổng phục vụ có thể thay đổi nếu thiết bị
di dộng di chuyển đủ xa.
Cổng mạng dữ liệu gói (PDN-GW/ Packet Data Network Gateway). Là điểm
liên lạc của EPC với thế giới bên ngoài thông qua giao diện SGi, mỗi cổng PDN
trao đổi dữ liệu với một hoặc nhiều thiết bị bên ngoài hoặc mạng dữ liệu gói. Ví
dụ: một cho Internet và một cho hệ thống con đa phương tiện IP.
1.2.4.2 Kiến trúc chuyển vùng.
Chuyển vùng cho phép người dùng di chuyển ra ngoài cùng phủ sóng của nhà khai
thác mạng của họ bằng cách sử dụng tài nguyên từ 2 mạng khác nhau. Nó dựa trên sự tồn
tại của một thỏa thuận chuyển vùng.
Hình 1.6: Kiến trúc thông thường của LTE cho di động chuyển vùng đang giao tiếp với
Internet và hệ thống con đa phương tiện IP
Bằng cách sử dụng kiến trúc này, nhà khai thác mạng gia định có thể xem tất cả
lưu lượn cà có thể tính phí trực tiếp, vì vậy nó chỉ yêu cầu 1 thỏa thuận chuyển
vùng cơ bản với mạng được truy cập. hai mạng trao đổi thông tin sử dụng đường
trục giữa các nhà khai thác được gọi là trao đổi gói IP (IPX) hoặc bằng tên cũ
hơn của nó là trao đổi chuyển vùng GPRS (GRX).
Giao tiếp với hệ thống con đa phương tiện IP thường sử dụng breakout cục bộ,
trong đó cổng PDN nằm trong mạng được truy cập. Điều này có hai lợi ích quan
trọng đối với liên lạc bằng giọng nói: người dùng có thể thực hiện cuộc gọi thoại
nội hạt mà không cần lưu lượng truy cập trở lại mạng gia đình và có thể thực
hiện cuộc gọi khẩn cấp do các dịch vụ khẩn cấp địa phương xử lý.
1.2.4.3 Các khu vực mạng.
EPC được chia thành 3 loại khu vực khác nhau.
Hình 1.7: Mối quan hệ giữa các khu vực Tracking, khu vực Pool MME và khu vực
Service S-GW.
Pool area MME là khu vực mà thiết bị di động có thể di chueyenr mà không
cần thay đổi phục vụ MME. Mọi khu vực chung đều được điều khiển bởi một
hoặc nhiều MME, trong khi mọi trạm gốc được kết nối với tất cả các MME
trong khu vực chung bằng giao diện S1-MME. Các khu vực hồ bơi cũng có thể
chồng lên nhau. Các khu vực pool có thể chồng lên nhau.
Service area S-GW là vùng được phục vụ bởi một hoặc nhiều cổng phục vụ, qua
đó thiết bị di động có thể di chuyển mà không cần thay đổi cổng phục vụ.
Service area S-GW không nhất thiết phải tương ứng với Pool area MME.
Pool areas MME và Service area S-GW đều được làm từ các đơn vị nhỏ hơn,
không chồng chéo được gọi là khu vực theo dõi (TA/ Tracking Area). Chúng
được sử dụng để theo dõi vị trí của điện thoại di động ở chế độ chờ và tương
tự như vị trí và khu vực định tuyến từ UMTS và GSM.
1.2.4.4 Đánh số, địa chỉ và nhận dạng.
-
-
Mỗi MME có 3 đặc điểm nhận dạng chính:
Mỗi khu vực nhóm MME được xác định bằng cách xử dụng danh tính nhóm
MME 16 bits (MMEGI), trong khi mã MME 8 bits (MMEC) xác định duy
nhất MME trong khu vực nhóm.
Việc kết hợp chúng để tạo ra mã định danh (MME (MMEI) 24 bits, xác định
duy nhấ MME trong một mạng cụ thể. Bằng cách danh tính mạng, ta có được
số nhận dạng MME duy nhất trên toàn cầu (GUMMEI).
Hình 1.8: Danh tính được MME sử dụng.
Mỗi khu vực theo dõi (TA) có 2 đặc điểm nhận dạng chính:
- Mã vùng theo dõi 16 bits (TAC) các định một vùng theo dõi trong một mạng
cụ thể.
- Kết hợp điều này với nahanj dạng mạng sẽ tạo ra nhận dạng khu vực theo
dõi duy nhất trên toàn cầu (TAI).
Cells cũng có 3 kiểu nhận dạng:
- Nhận dạng cells E-UTRAN 28 bits xác định 1 cells trong mạng cụ thể, trong
khi mã nhận dạng toàn cầu tế bào E-UTRAN (ECGI) xác định một ô ở bất kỳ
đâu trên thế giới.
Một điện thoại di động cũng được liên kết với một số danh tính khác nhau.
Quan trọng nhất là nhận dạng thiết bị di động và nhận dạng thuê bao di động
quốc tế (IMSI), cái mà nhận dạng duy nhất cho UICC và USIM.
IMSI là một trong những số lượng mà kẻ xâm nhập cần để nhân bản một thiết bị di
động, vì vậy chúng tôi tránh truyền nó qua giao diện không khí bất cứ khi nào có thể.
Thay vào đó, MME phục vụ xác định từng thiết bị di động bằng cách sử dụng danh tính
tạm thời, được cập nhật định kỳ. Ba loại nhận dạng tạm thời là quan trọng và được thể
hiện dưới hình 1.9 phần màu xám.
Hình 1.9: Danh tính tạm thời được sử dụng bởi điện thoại di động
Việc thêm mã MME dẫn đến nhận dạng thuê bao di dộng tạm thời 40 bit S (STMSI), nhận dạng di động trong khu vực nhím MME. Cuối cùng, việc thêm
danh
tính nhóm MME và danh tính PLMN dẫn đến số lượng quan trọng nhất , danh
tính tạm thời duy nhất trên toàn cầu (GUTI).
1.2.5 Các giao thức truyền thông
1.2.5.1 Mô hình giao thức.
Mỗi giao diện từ phần trước được liên kết với ngăn xếp giao thức, mà các yếu
tố mạng sử dụng để trao đổi dữ liệu và tin nhắn báo hiệu. Hình 2.10 cho thấy cấu
trúc cấp cao của các ngăn giao giao thức đó.
Hình 1.10 Kiến trúc giao thức cấp cao của LTE
Ngăn xếp giao thức có hai mặt phẳng. Các giao thức trong mặt phẳng người dùng
xử lý dữ liệu quan tâm tới người dùng, trong khi các giao thức trong mặt phẳng
điều khiển xử lý các thông báo báo hiệu chỉ quan tâm đến các yếu tố mạng của
chính chúng. Ngăn xếp giao thức cũng có hai lớp chính:
- Lớp trên thao tác thông tin theo cách cụ thể đối với LTE.
- Lớp thấp hơn vận chuyển thông tin từ điểm này sang điểm khác.
Không có tên phổ quát cho những lớp này, nhưng trong E-UTRAN, chúng được
gọi một cách tương đối là lớp mạng radio và lớp mạng vận chuyển.
Ta có 3 loại giao thức:
-
Giao thức báo hiệu (signaling protocols) xác định một ngôn ngữ mà hai thiết bị
có thể trao đổi tin nhắn tín hiệu với nhau.
- Giao thức mặt phẳng (user plane protocols) người dùng vận chuyển dữ liệu trong
mặt phẳng người dùng, thường xuyên nhất để giúp định tuyến dữ liệu trong
mạng.
- Giao thức vận chuyển (transport protocols) truyền dữ liệu và tin nhắn báo hiệu từ
điểm này sang điểm khác.
Trên giao diện không trung, có một mức phức tạp hơn nữa, được hiển thị
trong Hình 2.11.
Hình 1.11 Mối quan hệ giữa tầng truy cập và tầng không truy cập trên giao diện không
trung
Như đã lưu ý trước đó, MME(Mobile Management Entity) điều khiển hành vi cấp
cao của thiết bị di động bằng cách gửi tin nhắn báo hiệu. Tuy nhiên, không có con đường
trực tiếp giữa MME và thiết bị di động mà phải thông qua những tin nhắn báo hiệu đó. Để
xử lý việc này, giao diện không trung được chia thành hai cấp độ, được gọi là Tầng
Access (AS) và Tầng non-access (NAS). Tin nhắn báo hiệu mức độ cao nằm trong tầng
không truy cập và được vận chuyển bằng cách sử dụng giao thức tầng truy cập của giao
diện S1 và Uu.(S1 và Uu: giao diện không trung)
1.2.5.2 Giao thức vận chuyển giao diện không trung
Giao diện không trung hay còn được gọi là giao diện Uu nằm ở giữa thiết bị di
động và trạm gốc. Hình 2.12 cho thấy các giao thức vận chuyển của giao diện không trung.
Hình 1.12 Giao thức vận chuyển được sử dụng trên giao diện không trung. Nguồn: TS
36.300. Được sao chép bởi sự cho phép của ETSI
Bắt đầu từ đáy, lớp vật lý giao diện không trung chứa các chức năng xử lý tín
hiệu số và tín hiệu tương tự mà trạm di động và trạm gốc sử dụng để gửi và nhận
thông tin. (Nếu muốn tìm hiểu lỹ hơn về phần này có thể đọc chương 6)
Ba giao thức tiếp theo tạo nên lớp liên kết dữ liệu (lớp 2 của mô hình OSI):
- Giao thức điều khiển rung bình truy cập (MAC: medium access control) thực
hiện điều khiển mức độ thấp của lớp vật lý, đặc biệt bằng cách lập lịch truyền
dữ liệu giữa thiết bị di động và trạm gốc.
- Xem thêm -