Tìm Hiểu Mạng LTE

LTE là Gì

LTE là viết tắt của Long Term Evolution và nó được bắt đầu như một dự án vào năm 2004 bởi cơ quan viễn thông được gọi là Dự án Đối tác Thế hệ Thứ ba (3GPP). LTE phát triển từ một hệ thống 3GPP trước đó được gọi là Hệ thống Viễn thông Di động Toàn cầu (UMTS), hệ thống này lần lượt phát triển từ Hệ thống Toàn cầu dành cho Truyền thông Di động (GSM

Mặc dù cho rằng bạn có hiểu biết rất ít hoặc bằng không về các công nghệ 2G và 3G như GSM, GPRS và UMTS nhưng nếu bạn có hiểu biết cơ bản về bất kỳ công nghệ nào như GSM, GPRS, Core Network, Radio Interfaces, v.v. thì nó sẽ giúp bạn rất nhiều trong việc hiểu các khái niệm được giải thích trong hướng dẫn này

Tổng quan về LTE

LTE là viết tắt của Long Term Evolution và nó được bắt đầu như một dự án vào năm 2004 bởi cơ quan viễn thông được gọi là Dự án Đối tác Thế hệ Thứ ba (3GPP). SAE (System Architecture Evolution) là sự phát triển tương ứng của sự phát triển mạng lõi gói GPRS / 3G. Thuật ngữ LTE thường được sử dụng để đại diện cho cả LTE và SAE.

LTE phát triển từ một hệ thống 3GPP trước đó được gọi là Hệ thống Viễn thông Di động Toàn cầu (UMTS), hệ thống này lần lượt phát triển từ Hệ thống Toàn cầu dành cho Truyền thông Di động (GSM). Ngay cả các thông số kỹ thuật liên quan đã được chính thức gọi là truy cập vô tuyến mặt đất UMTS phát triển (E-UTRA) và mạng truy cập vô tuyến mặt đất UMTS phát triển (E-UTRAN). Phiên bản đầu tiên của LTE đã được ghi lại trong Bản phát hành 8 của thông số kỹ thuật 3GPP.

Sự gia tăng nhanh chóng của việc sử dụng dữ liệu di động và sự xuất hiện của các ứng dụng mới như MMOG (Trò chơi trực tuyến đa phương tiện), TV di động, Web 2.0, nội dung phát trực tuyến đã thúc đẩy Dự án Đối tác Thế hệ thứ 3 (3GPP) hoạt động trên nền tảng Tiến hóa dài hạn (LTE) trên con đường hướng tới điện thoại di động thế hệ thứ tư. Mục tiêu chính của LTE là cung cấp tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp và công nghệ truy cập vô tuyến được tối ưu hóa gói hỗ trợ triển khai băng thông linh hoạt. Đồng thời, kiến trúc mạng của nó đã được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói với tính di động liền mạch và chất lượng dịch vụ tuyệt vời

Sự phát triển LTE

Năm	Biến cố
Tháng 3 năm 2000	Bản phát hành 99 – UMTS / WCDMA
Tháng 3 năm 2002	Đường ray 5 – HSDPA
Tháng 3 năm 2005	Rel 6 – HSUPA
Năm 2007	Rel 7 – DL MIMO, IMS (Hệ thống con đa phương tiện IP)
Tháng 11 năm 2004	Công việc bắt đầu trên đặc điểm kỹ thuật LTE
Tháng 1 năm 2008	Thông số kỹ thuật được hoàn thiện và phê duyệt với Bản phát hành 8
2010	Triển khai đầu tiên được nhắm mục tiêu

Sự thật về LTE

LTE là công nghệ kế thừa không chỉ của UMTS mà còn của CDMA 2000.
LTE rất quan trọng vì nó sẽ mang lại hiệu suất cải thiện lên đến 50 lần và hiệu quả quang phổ tốt hơn nhiều cho các mạng di động.
LTE được giới thiệu để có tốc độ dữ liệu cao hơn, đường xuống cao nhất 300Mbps và đường lên cao nhất 75 Mbps. Trong sóng mang 20MHz, tốc độ dữ liệu vượt quá 300Mbps có thể đạt được trong điều kiện tín hiệu rất tốt.
LTE là công nghệ lý tưởng để hỗ trợ tốc độ ngày cao cho các dịch vụ như thoại qua IP (VOIP), truyền phát đa phương tiện, hội nghị truyền hình hoặc thậm chí là modem di động tốc độ cao.
LTE sử dụng cả chế độ Song công phân chia theo thời gian (TDD) và Song công phân chia theo tần số (FDD). Trong FDD truyền tải đường lên và đường xuống được sử dụng tần số khác nhau, trong khi trong TDD cả đường lên và đường xuống sử dụng cùng một sóng mang và được phân tách theo Thời gian.
LTE hỗ trợ băng thông sóng mang linh hoạt, từ 1,4 MHz đến 20 MHz cũng như cả FDD và TDD. LTE được thiết kế với băng thông sóng mang có thể mở rộng từ 1,4 MHz đến 20 MHz, băng thông được sử dụng phụ thuộc vào băng tần và lượng phổ có sẵn của nhà khai thác mạng.
Tất cả các thiết bị LTE phải hỗ trợ truyền nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO), cho phép trạm gốc truyền đồng thời một số luồng dữ liệu trên cùng một sóng mang.
Tất cả các giao diện giữa các nút mạng trong LTE hiện dựa trên IP, bao gồm cả kết nối backhaul tới các trạm gốc vô tuyến. Đây là sự đơn giản hóa tuyệt vời so với các công nghệ ban đầu dựa trên E1 / T1, ATM và các liên kết chuyển tiếp khung, với hầu hết chúng là băng thông hẹp và đắt tiền.
Cơ chế Chất lượng Dịch vụ (QoS) đã được chuẩn hóa trên tất cả các giao diện để đảm bảo rằng yêu cầu của cuộc gọi thoại về độ trễ và băng thông không đổi, vẫn có thể được đáp ứng khi đạt đến giới hạn dung lượng.

Hoạt động với các hệ thống GSM / EDGE / UMTS sử dụng phổ 2G và 3G hiện có và phổ mới. Hỗ trợ chuyển vùng và chuyển vùng đến các mạng di động hiện có.

Ưu điểm của LTE

Thông lượng cao: Tốc độ dữ liệu cao có thể đạt được ở cả đường xuống cũng như đường lên. Điều này gây ra thông lượng cao.
Độ trễ thấp: Thời gian cần thiết để kết nối với mạng nằm trong khoảng vài trăm mili giây và các trạng thái tiết kiệm điện hiện có thể được nhập và thoát rất nhanh chóng.
FDD và TDD trong cùng một nền tảng: Song công phân chia theo tần số (FDD) và Song công phân chia theo thời gian (TDD), cả hai sơ đồ đều có thể được sử dụng trên cùng một nền tảng.
Trải nghiệm người dùng cuối cao cấp: Tín hiệu được tối ưu hóa để thiết lập kết nối và các quy trình quản lý di động và giao diện không khí khác đã cải thiện hơn nữa trải nghiệm người dùng. Giảm độ trễ (còn 10 mili giây) để có trải nghiệm người dùng tốt hơn.
Kết nối liền mạch: LTE cũng sẽ hỗ trợ kết nối liền mạch với các mạng hiện có như GSM, CDMA và WCDMA.
Cắm và chạy: Người dùng không phải cài đặt trình điều khiển cho thiết bị theo cách thủ công. Thay vào đó, hệ thống sẽ tự động nhận dạng thiết bị, tải trình điều khiển mới cho phần cứng nếu cần và bắt đầu hoạt động với thiết bị mới được kết nối.

Kiến trúc đơn giản: Vì kiến trúc đơn giản chi phí hoạt động thấp (OPEX).

LTE – QoS

Kiến trúc LTE hỗ trợ QoS cứng, với chất lượng dịch vụ đầu cuối và tốc độ bit (GBR) được đảm bảo cho người mang sóng vô tuyến. Cũng giống như Ethernet và internet có các loại QoS khác nhau, ví dụ, các mức QoS khác nhau có thể được áp dụng cho lưu lượng LTE cho các ứng dụng khác nhau. Bởi vì LTE MAC đã được lên lịch đầy đủ, QoS là một sự phù hợp tự nhiên.

Người mang hệ thống gói phát triển (EPS) cung cấp thư từ 1-1 với người mang sóng vô tuyến RLC và cung cấp hỗ trợ cho Mẫu lưu lượng truy cập (TFT). Có bốn loại mang EPS:

Tài nguyên GBR Bearer được phân bổ vĩnh viễn bởi kiểm soát nhập học
Người mang không phải GBR không có kiểm soát nhập học
Vòng bi chuyên dụng được liên kết với TFT cụ thể (GBR hoặc không phải GBR)

Mang mặc định Không phải GBR, nhận tất cả cho lưu lượng truy cập chưa được chỉ định

Các thông số cơ bản của LTE

Phần này sẽ tóm tắt các thông số cơ bản của LTE:

Thông số	Sự miêu tả
Dải tần số	Các băng tần UMTS FDD và các băng tần TDD được xác định trong 36.101 (v860) Bảng 5.5.1, được đưa ra dưới đây
In hai mặt	FDD, TDD, FDD bán song công
Mã hóa kênh	Mã Turbo
Tính di động	350 km / giờ
Băng thông kênh (MHz)	1,4 3 5 10 15 20
Cấu hình băng thông truyền NRB: (1 khối tài nguyên = 180kHz trong 1ms TTI)	6 15 25 50 75 100
Sơ đồ điều chế	UL: QPSK, 16QAM, 64QAM (tùy chọn) DL: QPSK, 16QAM, 64QAM
Lược đồ nhiều quyền truy cập	UL: SC-FDMA (Đa truy cập phân chia theo tần số sóng mang đơn) hỗ trợ 50Mbps + (phổ 20MHz) DL: OFDM (Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao) hỗ trợ 100Mbps + (phổ 20MHz)
Công nghệ đa ăng-ten	UL: MIMO cộng tác nhiều người dùng DL: TxAA, ghép kênh không gian, CDD, mảng tối đa 4×4
Tốc độ dữ liệu cao nhất trong LTE	UL: 75Mbps (băng thông 20MHz) DL: 150Mbps (UE Category 4, 2×2 MIMO, băng thông 20MHz) DL: 300Mbps (UE loại 5, 4×4 MIMO, băng thông 20MHz)
DESPITE (Nhiều đầu vào Nhiều đầu ra)	UL: 1 x 2, 1 x 4 ĐL: 2 x 2, 4 x 2, 4 x 4
Phủ sóng	5 – 100km với sự xuống cấp nhẹ sau 30 km
QoS	E2E QOS cho phép ưu tiên các loại dịch vụ khác nhau
Độ trễ	Độ trễ của người dùng cuối <10mS

Băng tần hoạt động E-UTRA

Sau đây là bảng cho các băng tần hoạt động E-UTRA lấy từ Phân tách LTE 36.101 (v860) Bảng 5.5.1:

Kiến trúc mạng LTE

Kiến trúc mạng cấp cao của LTE bao gồm ba thành phần chính sau:

Thiết bị Người dùng (UE).
Mạng truy cập vô tuyến mặt đất UMTS đã phát triển (E-UTRAN).
Lõi gói phát triển (EPC).

Lõi gói đã phát triển giao tiếp với các mạng dữ liệu gói ở thế giới bên ngoài như internet, mạng công ty tư nhân hoặc hệ thống con đa phương tiện IP. Các giao diện giữa các phần khác nhau của hệ thống được ký hiệu là Uu, S1 và SGi như hình dưới đây

Thiết bị Người dùng (UE)

Kiến trúc bên trong của thiết bị dành cho người dùng cho LTE giống với kiến trúc được sử dụng bởi UMTS và GSM thực chất là Thiết bị di động (ME). Thiết bị di động bao gồm các mô-đun quan trọng sau:

Ngắt kết nối di động (MT) : Điều này xử lý tất cả các chức năng giao tiếp.
Thiết bị đầu cuối (TE) : Điều này kết thúc các luồng dữ liệu.
Thẻ mạch tích hợp đa năng (UICC) : Đây còn được gọi là thẻ SIM cho thiết bị LTE. Nó chạy một ứng dụng được gọi là Mô-đun nhận dạng thuê bao chung (USIM).

Một USIM cửa hàng do người dùng cụ thể dữ liệu rất giống với thẻ 3G SIM. Điều này giữ thông tin về số điện thoại của người dùng, danh tính mạng gia đình và khóa bảo mật, v.v.

E-UTRAN (Mạng truy cập)

Kiến trúc của Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (E-UTRAN) đã được cải tiến đã được minh họa bên dưới.

E-UTRAN xử lý thông tin liên lạc vô tuyến giữa thiết bị di động và lõi gói đã phát triển và chỉ có một thành phần, các trạm cơ sở đã phát triển, được gọi là eNodeB hoặc eNB . Mỗi eNB là một trạm gốc điều khiển các điện thoại di động trong một hoặc nhiều ô. Trạm gốc đang giao tiếp với thiết bị di động được gọi là eNB phục vụ của nó.

LTE Mobile chỉ giao tiếp với một trạm gốc và một ô tại một thời điểm và có hai chức năng chính sau được eNB hỗ trợ:

EBN gửi và nhận các đường truyền vô tuyến đến tất cả các điện thoại di động bằng cách 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.

Mỗi eBN kết nối với EPC bằng giao diện S1 và nó cũng có thể được kết nối với các trạm gốc lân cận bằng giao diện X2, được sử dụng chủ yếu để báo hiệu và chuyển tiếp gói tin trong quá trình chuyển giao. ENB gia đình (HeNB) là một trạm gốc đã được người dùng mua để cung cấp vùng phủ sóng femtocell trong nhà. ENB gia đình thuộc nhóm thuê bao kín (CSG) và chỉ có thể được truy cập bởi điện thoại di động có USIM cũng thuộc nhóm thuê bao đóng

Lõi gói phát triển (EPC) (Mạng lõi)

Kiến trúc của Evolved Packet Core (EPC) đã được minh họa bên dưới. Có một số thành phần khác chưa được hiển thị trong sơ đồ để giữ cho nó đơn giản. Các thành phần này giống như Hệ thống cảnh báo động đất và sóng thần (ETWS), Sổ đăng ký nhận dạng thiết bị (EIR) và Chức năng quy tắc sạc và kiểm soát chính sách (PCRF)

Dưới đây là mô tả ngắn gọn về từng thành phần được hiển thị trong kiến trúc trên:

Thành phần Máy chủ Thuê bao Gia đình (HSS) đã được chuyển tiếp từ UMTS và GSM và là cơ sở dữ liệu trung tâm chứa thông tin về tất cả các thuê bao của nhà khai thác mạng.
Cổng vào mạng dữ liệu gói (PDN) (P-GW) giao tiếp với thế giới bên ngoài tức là. mạng dữ liệu gói PDN, sử dụng giao diện SGi. Mỗi mạng dữ liệu gói được xác định bằng một tên điểm truy cập (APN). Cổng PDN có vai trò giống như nút hỗ trợ GPRS (GGSN) và nút hỗ trợ GPRS phục vụ (SGSN) với UMTS và GSM.
Cổng phục vụ (S-GW) hoạt động như một bộ định tuyến và chuyển tiếp dữ liệu giữa trạm gốc và cổng PDN.
Thực thể quản lý di động (MME) kiểm soát hoạt động cấp cao của thiết bị di động bằng các thông báo báo hiệu và Máy chủ thuê bao tại nhà (HSS).
Chức năng Quy tắc tính phí và kiểm soát chính sách (PCRF) là một thành phần không được trình bày trong sơ đồ trên nhưng nó chịu trách nhiệm ra quyết định kiểm soát chính sách, cũng như kiểm soát các chức năng tính phí dựa trên luồng trong Chức năng thực thi kiểm soát chính sách ( PCEF), nằm trong P-GW.

Giao diện giữa các cổng phục vụ và PDN được gọi là S5 / S8. Điều này có hai cách triển khai hơi khác nhau, cụ thể là S5 nếu hai thiết bị ở trong cùng một mạng và S8 nếu chúng ở trong các mạng khác nhau

Sự phân chia chức năng giữa E-UTRAN và EPC

Sơ đồ sau cho thấy sự phân chia chức năng giữa E-UTRAN và EPC cho mạng LTE:

2G / 3G so với LTE

Bảng sau so sánh các giao thức Tín hiệu & Phần tử Mạng quan trọng khác nhau được sử dụng trong LTE 2G / 3G.

2G / 3G	LTE
GERAN và UTRAN	E-UTRAN
SGSN / PDSN-FA	S-GW
GGSN / PDSN-HA	PDN-GW
HLR / AAA	HSS
VLR	BÀ
SS7-MAP / ANSI-41 / RADIUS	Đường kính
Đường kính GTPc-v0 và v1	GTPc-v2
MIP	PMIP

Kiến trúc chuyển vùng LTE

Mạng do một nhà khai thác ở một quốc gia điều hành được gọi là Mạng di động mặt đất công cộng (PLMN) và khi người dùng đã đăng ký sử dụng PLMN của nhà khai thác của mình thì mạng đó được gọi là Home-PLMN nhưng chuyển vùng cho phép người dùng di chuyển ra ngoài mạng gia đình của họ và sử dụng các tài nguyên từ mạng của nhà khai thác khác. Mạng khác này được gọi là Visited-PLMN. Người dùng chuyển vùng được kết nối với E-UTRAN, MME và S-GW của mạng LTE đã truy cập. Tuy nhiên, LTE / SAE cho phép sử dụng P-GW của mạng đã truy cập hoặc mạng gia đình, như được hiển thị trong hình dưới đây:

P-GW của mạng gia đình cho phép người dùng truy cập các dịch vụ của nhà khai thác mạng gia đình ngay cả khi đang ở trong một mạng được truy cập. Một P-GW trong mạng được truy cập cho phép “đột phá cục bộ” tới Internet trong mạng được truy cập. Giao diện giữa các cổng phục vụ và PDN được gọi là S5 / S8. Điều này có hai cách triển khai hơi khác nhau, cụ thể là S5 nếu hai thiết bị ở trong cùng một mạng và S8 nếu chúng ở trong các mạng khác nhau. Đối với điện thoại di động không chuyển vùng, các cổng phục vụ và PDN có thể được tích hợp vào một thiết bị duy nhất, để giao diện S5 / S8 biến mất hoàn toàn.

Chuyển vùng LTE

Sự phức tạp của các cơ chế tính phí mới được yêu cầu để hỗ trợ chuyển vùng 4G phong phú hơn nhiều so với môi trường 3G. Dưới đây là một vài lời về cả tính phí trả trước và trả sau cho chuyển vùng LTE:

Tính phí trả trước – Tiêu chuẩn CAMEL, cho phép các dịch vụ trả trước trong 3G, không được hỗ trợ trong LTE; do đó, thông tin khách hàng trả trước phải được chuyển trở lại mạng gia đình thay vì được xử lý bởi mạng truy cập cục bộ. Do đó, các nhà khai thác phải dựa vào các luồng kế toán mới để truy cập dữ liệu khách hàng trả trước, chẳng hạn như thông qua Cổng P của họ trong cả môi trường IMS và không phải IMS hoặc qua CSCF của họ trong môi trường IMS.
Tính phí trả sau – Tính phí sử dụng dữ liệu trả sau hoạt động tương tự trong LTE cũng như trong 3G, sử dụng phiên bản TAP 3.11 hoặc 3.12. Với sự đột phá cục bộ của các dịch vụ IMS, TAP 3.12 là bắt buộc.

Các nhà khai thác không có cùng mức độ hiển thị đối với các hoạt động của thuê bao như họ làm trong các tình huống định tuyến tại nhà trong trường hợp các tình huống đột phá cục bộ vì các phiên dữ liệu thuê bao được giữ trong mạng được truy cập; do đó, để nhà điều hành gia đình nắm bắt thông tin thời gian thực về cả khách hàng trả trước và trả sau, họ phải thiết lập giao diện Đường kính giữa hệ thống tính phí và P-Gateway của mạng được truy cập. Trong trường hợp đột phá cục bộ của kịch bản dịch vụ ims, mạng được truy cập sẽ tạo bản ghi chi tiết cuộc gọi (CDR) từ (các) S-Gateway, tuy nhiên, các CDR này không chứa tất cả thông tin cần thiết để tạo phiên hoặc nhắn tin di động TAP 3.12 hồ sơ sự kiện cho việc sử dụng dịch vụ. Do đó, các nhà khai thác phải tương quan các CDR mạng dữ liệu lõi với các CDR IMS để tạo các bản ghi TAP

Đánh số & định địa chỉ LTE

Một khu vực mạng LTE được chia thành ba loại khu vực địa lý khác nhau được giải thích dưới đây:

SN	Khu vực và Mô tả
1	Các khu vực hồ bơi MME Đây là khu vực mà điện thoại di động có thể di chuyển mà không cần thay đổi MME phục vụ. Mỗi khu vực hồ bơi MME được kiểm soát bởi một hoặc nhiều MME trên mạng.
2	Các khu vực kinh doanh của S-GW Đây là khu vực được phục vụ bởi một hoặc nhiều cổng phục vụ S-GW, qua đó thiết bị di động có thể di chuyển mà không cần thay đổi cổng phục vụ.
3	Các khu vực theo dõi Các khu vực nhóm MME và khu vực dịch vụ S-GW đều được tạo ra từ các đơn vị nhỏ hơn, không chồng chéo được gọi là khu vực theo dõi (TA). Chúng tương tự như vị trí và khu vực định tuyến từ UMTS và GSM và sẽ được sử dụng để theo dõi vị trí của điện thoại di động đang ở chế độ chờ.

Do đó, một mạng LTE sẽ bao gồm nhiều vùng MME pool, nhiều vùng dịch vụ S-GW và nhiều vùng theo dõi.

ID mạng

Bản thân mạng sẽ được nhận dạng bằng Nhận dạng Mạng Di động Mặt đất Công cộng (PLMN-ID) sẽ có mã quốc gia di động ba chữ số (MCC) và mã mạng di động hai hoặc ba chữ số (MNC). Ví dụ: Mã quốc gia di động cho Vương quốc Anh là 234, trong khi mạng Vodafone tại Vương quốc Anh sử dụng Mã mạng di động là 15

ID MME

Mỗi MME có ba đặc điểm nhận dạng chính. Mã MME (MMEC) xác định duy nhất MME trong tất cả các khu vực chung. Một nhóm MME được chỉ định Nhận dạng Nhóm MME (MMEGI) hoạt động cùng với MMEC để tạo mã nhận dạng MME (MMEI). MMEI xác định duy nhất MME trong một mạng cụ thể

Nếu chúng tôi kết nối PLMN-ID với MMEI thì chúng tôi sẽ nhận được Mã nhận dạng MME duy nhất trên toàn cầu (GUMMEI), xác định MME ở bất kỳ đâu trên thế giới:

ID khu vực theo dõi

Mỗi khu vực theo dõi có hai đặc điểm nhận dạng chính. Mã vùng theo dõi (TAC) xác định khu vực theo dõi trong một mạng cụ thể và nếu chúng tôi kết hợp mã này với PLMN-ID thì chúng tôi sẽ đến với Nhận dạng khu vực theo dõi duy nhất trên toàn cầu (TAI).

ID di động

Mỗi ô trong mạng có ba kiểu nhận dạng. Nhận dạng tế bào E-UTRAN (ECI) xác định một ô trong một 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. Nhận dạng ô vật lý, là một số từ 0 đến 503 và nó phân biệt một ô với các ô lân cận trực tiếp của nó.

ID thiết bị di động

Nhận dạng thiết bị di động quốc tế (IMEI) là nhận dạng duy nhất cho thiết bị di động và Nhận dạng thuê bao di động quốc tế (IMSI) là nhận dạng duy nhất cho UICC và USIM. Danh tính thuê bao di động tạm thời M (M-TMSI) xác định một di động tới MME đang phục vụ của nó. Thêm mã MME trong M-TMSI dẫn đến nhận dạng thuê bao di động tạm thời S (S-TMSI), nhận dạng di động trong khu vực nhóm MME.