BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Nguyễn Ngọc Sơn
CHUYỂN GIAO (HANDOVER) TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG
MẠNG 3G VÀ LTE
Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật truyền thông
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. PHẠM DOÃN TĨNH
Hà Nội – Năm 2014
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 4
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ...................................................................................... 5
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................... 10
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................. 11
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 13
CHƯƠNG 1. CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG DI ĐỘNG ........................................ 15
1.1
Chuyển giao trong mạng di động nói chung .................................................... 15
1.2
Phân loại các loại hình chuyển giao (HO). ....................................................... 15
1.3
Các bước cơ bản trong một quá trình chuyển giao ........................................... 17
1.4
Các vấn đề cần quan tâm khi thiết kế một thuật toán (giao thức) chuyển giao 18
1.5
HO liên quan như thế nào với RRM? ............................................................... 19
CHƯƠNG 2: CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG LTE ................................................. 21
2.1
Công nghệ LTE ................................................................................................ 21
2.2
Truy cập vô tuyến trong mạng LTE ................................................................. 22
2.2.1
Hệ thống truyền dẫn đường xuống OFDMA ............................................. 22
2.2.2
Hệ thống truyền dẫn đường lên SC – FDMA ............................................ 23
2.2.3 Hoạch định phụ thuộc kênh truyền và sự thích ứng tốc độ (Channel
dependent scheduling and rate adptation) ............................................................... 25
2.2.3.1 Hoạch định đường xuống........................................................................... 25
2.2.3.2 Hoạch định đường lên ............................................................................... 25
2.3
Kiến trúc mạng LTE ........................................................................................ 26
2.4
Các thủ tục truy cập LTE.................................................................................. 29
2.4.1
Dị tìm cell ................................................................................................. 30
2.4.2
Dị tìm cell ban đầu và cell lân cận ............................................................ 30
2.4.3
Truy cập ngẫu nhiên RACH ...................................................................... 31
2.5
Giới thiệu về chuyển giao trong mạng LTE ..................................................... 34
2.6
Các thủ tục chính của một quá trình chuyển giao cơ bản. ................................ 34
1
2.7
Các xử lý trong một quá trình chuyển giao ...................................................... 39
2.7.1
Đo lường tại UE ......................................................................................... 40
2.7.2
Xử lý tại lớp 1: ........................................................................................... 42
2.7.3
Xử lý tại lớp 3: ........................................................................................... 42
2.8
Kích hoạt chuyển giao ...................................................................................... 43
2.9
Các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng chuyển giao ............................................. 44
2.9.1
Chuyển giao lỗi: ......................................................................................... 45
2.9.2
Hiệu ứng ping pong: .................................................................................. 46
2.9.3
CDF của RSRP của cell nguồn .................................................................. 46
2.9.4
Trễ trong tồn bộ q trình chuyển giao:................................................... 47
2.10 Các phương pháp chuyển giao trong trường hợp xảy ra lỗi đường truyền: ..... 47
2.10.1 Backward HO ............................................................................................ 47
2.10.2 RLF HO ..................................................................................................... 48
2.10.3 Khôi phục NAS .......................................................................................... 49
2.11 Các phương pháp cải tiến quá trình chuyển giao ............................................. 50
2.11.1 Chuyển đường nhanh (Fast path switch): .................................................. 51
2.11.2 Chuyển giao dự đoán trước (HO prediction): ............................................ 52
2.11.3 LTE forward HO ........................................................................................ 54
CHƯƠNG 3: CHUYỂN GIAO GIỮA LTE & UMTS .................................................. 56
3.1
Giới thiệu công nghệ SRVCC .......................................................................... 56
3.2
SRVCC from LTE to 3GPP2 1xCS.................................................................. 60
3.3
SRVCC from LTE to 3GPP UTRAN/GERAN ............................................... 66
3.4
Đánh giá hiệu suất Chuyển giao từ UMTS sang LTE và ngược lại ................. 71
3.4.1
Chuyển giao từ LTE sang UMTS sử dụng SRVCC ..................................... 71
3.4.2
Mô hình mơ phỏng ........................................................................................ 75
3.4.3
Mơ phỏng chuyển giao giữa UMTS và LTE ................................................ 80
3.4.3.1 Chuyển giao từ UMTS sang LTE ................................................................. 80
3.4.3.2 Chuyển giao từ LTE sang UMTS ................................................................. 84
2
3.4.3.3 Nhận xét ........................................................................................................ 89
KẾT LUẬN .................................................................................................................... 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 92
3
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật này là do tôi nghiên cứu và được
thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Phạm Dỗn Tĩnh. Các kết quả do tơi tự
nghiên cứu và tham khảo từ các nguồn tài liệu cũng như các cơng trình nghiên cứu
khoa học khác được trích dẫn đầy đủ. Nếu có vấn đề về sai phạm bản quyền, tơi xin
hồn tồn chịu trách nhiệm trước Nhà trường.
Hà Nội, ngày…….tháng…… năm 2014
Học viên
Nguyễn Ngọc Sơn
4
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
0
3G
The third-generation
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba
3GPP
The 3rd Generation
Dự án đối tác thế hệ thứ ba
Partnership Project
The fourth-generation
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư
Automatic Repeat-reQuest
Tự động gửi lại yêu cầu
BCCH
Broadcast Control Channel
Kênh điều khiển quảng bá
BCH
Broadcast Channel
Kênh Quảng bá
BS
Base Station
Trạm gốc
BTS
Base Transceiver Station
Trạm thu phát sóng di động
Code Division Multiple
Đa truy cập phân chia theo mã
4G
A
ARQ
B
C
CDMA
Access
CDP
Cumulative Distribution
Chức năng phân bố chồng chất
Function
CN
Core Network
Mạng lõi
C-RNTI
Cell- Radio Network
Nhận dạng tạm thời mạng vô tuyến-tế bào
Temporary Identifier
D
DCCH
Dedicate Control Channel
Kênh điều khiển riêng
DFT
Discrete Fourier transform
Biến đổi fourier
DL
Downlink
Đường xuống
DL-SCH
Downlink-Share Channel
Kênh chia sẻ đường xuống
DTCH
Dedicate traffic Channel
Kênh vận chuyển riêng
5
E
eNodeB
Evolved-NodeB
NodeB cải tiến
EUTRAN Evolution- UMTS Terrestrial Mạng truy cập vô tuyến UMTS cải tiến
Radio Access Network
F
SCFDMA Single carrier frequency
FDD
Đa truy cập phân chia theo tần số sóng
division multiple access
mang đơn
Frequency division
Ghép kênh phân chia theo tần số
duplexing
FDMA
Frequency Division Multiple Đa truy cập phân chia theo tần số
Access
G
GSM
Global System for Mobile
Hệ thống thơng tin di động tồn cầu
Communications
H
HO
Handover
Chuyển giao
HRPD
High Rate Packet Data
Gói dữ liệu tốc độ cao
HSDPA
High Speed Downlink
Truy cập gói đường xuống tốc độ cao
Packet Access
HSPA
High Speed Packet Access
Truy cập gói tốc độ cao
HSS
Home Subscriber Service
Dịch vụ người đăng ký tại nhà
HSUPA
High Speed Uplink Packet
Truy cập gói đường lên tốc độ cao
Access
L
LTE
Long Term Evolution
Hệ thống thông tin di động LTE
Media Access Control
Kiểm sốt truy cập trung bình
M
MAC
6
ME
Mobile Equipment
Thiết bị di động
MIMO
multiple-input and
Đa nhập và đa xuất
multiple-output
MME
Mobility Management
Thực thể quản lý di động
Entity
MS
Mobile Station
Trạm di động
Non Access Stratum
Tầng không truy cập
Orthogonal frequency
Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao
N
NAS
O
OFDMA
division multiple access
P
PAPR
Peak to Average Power
Tỉ số năng lượng đỉnh trên trung bình
Ratio
PBCH
Physical Broadcast Channel Kênh quảng bá vật lý
PCCH
Paging Control Channel
Kênh điều khiển tìm gọi
PCDP
Packet Data Convergence
Giao thức hội tụ dữ liệu dữ liệu gói
Protocol
PCH
Paging Channel
Kênh tìm gọi
P-GW
Packet Data Network
Cổng mạng dữ liệu gói
Gateway
PHY
Physical Layer
Lớp vật lý
PN
Pseudo Noise
Nhiễu giả ngẫu nhiên
PUCCH
Physical Uplink Control
Kênh điều khiển đường lên vật lý
Channel
PUSCH
Physical Uplink Shared
Kênh chia sẻ đường xuống vật lý
Channel
7
Q
QAM
Quadrature amplitude
Điều biên vng góc
modulation
Quality of Service
Chất lượng dịch vụ
RACH
Random Access Channel
Kênh truy cập ngẫu nhiên
RF
Radio frequency
Tần số vô tuyến
RLF
Radio Link Failue
Lỗi link vô tuyến
RNC
Radio Network Controller
Điều khiển mạng vô tuyến
RRC
Radio Resource Control
Điều khiển tài nguyên vô tuyến
RRM
Radio resource
Quản lý tài ngun vơ tuyến
QoS
R
management
RRT
Round Trip Tỉme
Thời gian truyền vịng
RSRP
Reference Signal Received
Năng lượng thu tín hiệu chuyển đến
Power
RSRQ
Reference Signal Received
Chất lượng thu được tín hiệu chuyển đến
Quality
S
SGSN
Serving GPRS Support
Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS
Node
S-GW
Serving-Gateway
Cổng phục vụ
SIR
Signal to Interference Ratio
Tỉ lệ nhiễu tín hiệu
SMS
Short Message Service
Dịch vụ tin nhắn ngắn
SN
Sequence number
Số trình tự
TDD
Time-division duplexing
Ghép kênh phân chia theo thời gian
TTI
Transmission Time Interval
Khoảng thời gian truyền
TTT
Time-To-Trigger
Thời gian để kích hoạt
T
8
U
UE
User Equipment
Thiết bị người dùng
UL
Uplink
Đường lên
UL-SCH
Uplink-Share Channel
Kênh chia sẻ đường lên
UMTS
Universal Mobile
Công nghệ di động thế hệ ba cho các mạng
Telecommunications
di động dựa trên GSM
System
USIM
Universal Subscriber
Module nhận dạng thuê bao
Identity Module
UTRAN
UMTS Terrestrial Radio
Mạng truy cập vô tuyến UMTS
Access Network
W
WCDMA
Wideband Code Division
Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng
Multiple Access
9
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: So sánh CSFB và SRVCC. ......................................................................... 58
Bảng 3.2: Tham số mô phỏng .................................................................................... 74
10
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1:
Phổ tín hiệu OFDM theo tần số và thời gian ............................................ 20
Hình 2.2:
Sơ đồ DFT-s-OFDM ................................................................................. 22
Hình 2.3:
OFDMA và SC-FDMA ............................................................................ 22
Hình 2.4:
Mơ hình kiến trúc mạng LTE ................................................................... 24
Hình 2.5:
Phân chia chức năng trong E-UTRAN ..................................................... 27
Hình 2.6:
Tổng quan thủ tục truy cập ngẫu nhiên .................................................... 30
Hình 2.7:
Mơ hình hệ thống ...................................................................................... 34
Hình 2.8:
Các thủ tục trong một quá trình chuyển giao cơ bản ................................ 36
Hình 2.9:
Các đường kết nối trong một quá trình chuyển giao ................................ 38
Hình 2.10: Cấu trúc tín hiệu đường DL của LTE ....................................................... 39
Hình 2.11: Lọc kết quả đo và báo cáo ........................................................................ 40
Hình 2.12: Kích hoạt chuyển giao trong LTE ............................................................ 41
Hình 2.13: Quá trình chuyển giao backward trong LTE ............................................ 45
Hình 2.14: Quá trình chuyển giao RLF trong LTE .................................................... 46
Hình 2.15: Q trình khơi phục NAS ......................................................................... 48
Hình 2.16: Sơ đồ thể hiện sự thay đổi trong giao thức chuyển đường nhanh ............ 50
Hình 2.17: Sơ đồ thể hiện sự thay đổi trong chuyển giao dự đoán trước ................... 51
Hình 2.18: Quá trình chuyển giao forward ................................................................. 53
Hình 3.1. Mơ hình tham chiếu EPS của CSFB với UTRAN là mạng đích ................. 55
Hình 3.2. Mơ hình tham chiếu EPS của SRVCC với UTRAN là mạng đích .............. 57
Hình 3.3. SRVCC từ LTE đến mạng 1x CS ................................................................ 60
Hình 3.4. SRVCC từ LTE đến hệ thống thoại 1x CS .................................................. 62
Hình 3.5. SRVCC từ LTE đến 3GPP UTRAN/GERAN ............................................. 65
Hình 3.6. Dịng bản tin thiết lập cho SRVCC từ E-UTRAN đến GERAN khơng hỗ trợ
DTM
.................................................................................................................. 67
Hình 3.7. Các đối tượng liên quan đến cuộc gọi xuất phát từ mạng LTE ................... 70
11
Hình 3.8. thời gian gián đoạn dịch vụ từ LTE sang UMTS ......................................... 71
Hình 3.9. Thời gian gián đoạn dịch vụ VCC từ UMTS đến LTE ................................ 72
Hình 3.10. mơ hình mơ phỏng ..................................................................................... 73
Hình 3.11: Khung hình chuyển giao trong Utran với RLC ......................................... 75
Hình 3.12. thời gian gián đoạn dịch vụ trong chuyển giao LTE & UMTS so với BLER
.................................................................................................................. 78
Hình 3.13. Thời gian gián đoạn dịch vụ so với BLER................................................. 79
Hình 3.14. Dịng bản tin thiết lập cho SRVCC từ E-UTRAN đến GERAN khơng hỗ trợ
DTM
.................................................................................................................. 79
Hình 3.15. Thời gian gián đoạn dịch vụ so với trễ truyền ........................................... 80
Hình 3.16. chuyển giao SRVCC từ LTE sang UMTS, thời gian gián đoạn dịch vụ và
BLER
.................................................................................................................. 81
Hình 3.17. chuyển giao SRVCC từ LTE sang UMTS thời gian gián đoạn dịch vụ và
BLER trong sự thay đổi trễ truyền. .............................................................................. 83
Hình 3.18. chuyển giao SRVCC từ LTE sang UMTS gián đoạn dịch vụ so trễ truyền.84
Hình 3.19. SRVCC thời gian gián đoạn dịch vụ trong điều kiện thời gian thực ......... 85
12
MỞ ĐẦU
Hiện nay, ở nước ta đang khai thác sử dụng đến mạng di động thế hệ thứ 3 –
3G khá thành công, một số nhà mạng đã bắt đầu khởi động đi vào thử nghiệm công
nghệ mới – công nghệ 4G/LTE. Điều đó cho thấy tham vọng đi đầu công nghệ của các
nhà mạng là rất lớn.
Tuy nhiên đây cịn là cơng nghệ mới và vẫn đang được hồn thiện. Do đó, thời
gian thử nghiệm sẽ chính là thời gian để doanh nghiệp đánh giá và hoàn thiện hơn về
cơng nghệ.
Và, để góp phần nhỏ vào việc đánh giá, đồ án này bước đầu giới thiệu cái nhìn
tổng quan về công nghệ băng thông rộng LTE, đồng thời nghiên cứu, phân tích và đưa
ra những phương pháp cải tiến nhằm nâng cao hơn hiệu suất quá trình chuyển giao
trong cơng nghệ này.
Cùng với đó là đưa ra phương pháp giải quyết bài toán chuyển giao dịch vụ
thoại giữa mạng LTE & 3G
Một bài tốn quan trọng đã và ln đặt ra cho mạng di động nói chung và đặc
biệt với chuyển giao giữa UMTS và LTE nói riêng đó chính là đảm bảo tính di động.
Cũng chính vì thế tất cả những phát triển công nghệ truyền thông không dây cho đến
ngày nay đều khơng nhằm ngồi mục đích là giúp người dùng di động có thể truy cập
tất cả các dịch vụ nhanh chóng và liên tục ngay cả khi đang di chuyển tốc độ cao. Để
giải quyết được bài toán di động này chúng ta cần phải giải quyết một vấn đề quan
trọng đó chính là cơng nghệ chuyển giao (Handover).
Xuất phát từ những vấn đề đó em đã quyết định chọn đề tài: “Chuyển giao
(handover) trong các môi trường mạng 3G và LTE.”.
Nội dung đồ án bao gồm 4 chương:
Chương 1: Chuyển giao trong mạng di động.
13
Giới thiệu tổng quan về quá trình chuyển giao mạng di động.
Chương 2: Chuyển giao trong mạng LTE.
Trình bày tóm tắt về mạng di động LTE (Long Term Evolution) và chuyển
giao trong LTE.
Chương 3: Chuyển giao giữa LTE & UMTS.
Đưa ra phương pháp giải quyết bài toán chuyển giao và chứng minh hiệu quả
chuyển giao.
14
CHƯƠNG 1. CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG DI ĐỘNG
1.1 Chuyển giao trong mạng di động nói chung
Trong mạng tế bào, mỗi trạm phát sóng, cụ thể trong mạng LTE mỗi eNodeB có
một vùng phủ sóng giới hạn. Do vậy khi bạn đang sử dụng thiết bị di động tham gia kết
nối mạng trong khi di chuyển sẽ xảy ra trường hợp bạn di chuyển từ cell này sang cell
khác, có nghĩa là bạn không thể kết nối cùng với 1 eNodeB[1]. Khi bạn di chuyển khỏi
vùng phủ sóng của một trạm phát sóng (A) và đi vào vùng phủ sóng của một trạm phát
sóng khác (B), lúc đó kết nối của thiết bị di động của bạn với trạm A sẽ bị ngắt và sẽ
được chuyển kết nối với trạm phát sóng B. Và tất nhiên kết nối của bạn vẫn ln là liên
tục[1].
Ngồi ra chuyển giao cịn xảy ra trong trường hợp dung lượng kết nối của một
cell (A) đã dùng hết, thì khi đó kết nối của những thiết bị di động nằm trong vùng giao
nhau của cell này với một cell khác (B) sẽ được chuyển kết nối sang cell đó (B) nhằm
làm giảm bớt kết nối ở cell A để các thiết bị di động khác có thể kết nối đến[1].
Chuyển giao (handover) chính là q trình chuyển đổi kết nối của thiết bị di
động của bạn từ một cell này sang một cell khác trong mạng tế bào.
Chuyển giao là một điều kiện tất yếu đối với người sử dụng thiết bị di động, nó
đảm bảo sự liên tục của các dịch vụ vô tuyến cũng như chất lượng của các dịch vụ
đó[1].
Nói cách khác chuyển giao là một phần tất yếu của công nghệ di động, nếu khơng có
chuyển giao chúng ta sẽ khơng có di động (no handover no mobility).
1.2 Phân loại các loại hình chuyển giao (HO).
Thực tế có nhiều khái niệm khác nhau liên quan đến chuyển giao (Handover HO). Trong đó, trong mạng tế bào, người ta phân biệt ra hai loại cơ bản nhất là chuyển
15
giao cứng (hard HO)[2] và chuyển giao mềm (soft HO) [2] (khái niệm này khơng có ở
mạng GSM).
Một chuyển giao cứng là chuyển giao trong đó kết nối tới các tế bào nguồn được
giải phóng và chỉ sau đó kết nối tới tế bào đích mới được thiết lập. Do đó, các kết nối
của thiết bị di động đến tế bào nguồn bị ngắt trước khi hoặc 'ngay khi' thực hiện kết
nối đến tế bào đích, vì thế mà chuyển giao này còn được gọi là: break-beforemake[3]. Chuyển giao cứng được tính tốn để thời gian ngắt là tức thời để giảm thiểu
sự gián đoạn cho cuộc gọi. Một chuyển giao cứng sẽ được giám sát bởi các kỹ sư mạng
trong suốt q trình kết nối. Và nó u cầu xử lý ít nhất đối với dịch vụ mạng cung cấp.
Một chuyển giao mềm là chuyển giao trong đó kết nối của thiết bị di động tới tế
bào nguồn được giữ lại và được kết nối đồng thời song song với kết nối tới tế bào đích.
Trong trường hợp này kết nối với tế bào đích là thành lập trước khi kết nối với tế bào
nguồn được giải phóng, do đó chuyển giao này được gọi là: make-before-break[3].
Trong khoảng thời gian trong đó hai kết nối được sử dụng song song có thể ngắn hoặc
đáng kể. Chuyển giao liên quan đến việc sử dụng kết nối cho nhiều hơn hai tế bào, ví
dụ như kết nối đến ba, bốn tế bào hoặc nhiều hơn có thể duy trì bởi một thiết bị di động
trong cùng một thời gian. Khi một kết nối được chuyển giao mềm thì tín hiệu thu được
là tốt nhất tại thời điểm đó, khi đó có thể kết hợp tất cả tín hiệu thu được để tạo ra một
tín hiệu rõ ràng nhất[3]. .
Một lợi thế của chuyển giao cứng là tại bất kỳ thời điểm nào trong thời gian một
kết nối chỉ sử dụng một kênh kết nối duy nhất. Trong khi đó thời gian ngắt trong
chuyển giao cứng thực sự là rất ngắn và thường không thể được nhận thấy bởi người
dùng di động. Đối với một cuộc gọi, trong hệ thống tương tự cũ nó có thể được nghe
như một tiếng click hay một tiếng bíp rất ngắn, cịn trong hệ thống kỹ thuật số sau này
thì là khơng đáng kể. Một ưu điểm khác của chuyển giao cứng nữa là phần cứng của
thiết bị di động khơng cần phải có khả năng nhận được hai hay nhiều kênh song song,
do đó nó có thiết kế đơn giản hơn và rẻ hơn. Tuy nhiên một nhược điểm là nếu chuyển
16
giao cứng thất bại thì các kết nối có thể tạm thời bị gián đoạn hoặc thậm chí bị ngừng
ngay lập tức. Công nghệ mà sử dụng chuyển giao cứng thường có các thủ tục có thể
thiết lập lại kết nối đến các tế bào nguồn nếu như kết nối đến các tế bào đích khơng thể
thực hiện được. Tuy nhiên tái thiết lập kết nối này không phải luôn ln là có thể
(trong trường hợp di chuyển ra khỏi cell) [3], trong trường hợp này kết nối sẽ bị chấm
dứt và thậm chí ngay cả khi có thể thiết lập lại kết nối vẫn có thể gây ra một sự gián
đoạn kết nối tạm thời.
Một lợi thế của chuyển giao mềm là sự kết nối đến các tế bào nguồn chỉ được
giải phóng khi một kết nối tin cậy đến các tế bào mục tiêu đã được thiết lập và do đó
các trường hợp kết nối bị kết thúc bất thường do chuyển giao không thành công sẽ thấp
hơn. Do đó độ tin cậy của kết nối là cao hơn khi kết nối thực hiện một chuyển giao
mềm[3]. Tuy nhiên điều này đi kèm với chi phí phần cứng phức tạp hơn trong thiết bị
di động, vì cần phải có khả năng xử lý hai kết nối song song. Ngoài ra nhược điểm nữa
của chuyển giao mềm là sử dụng đồng thời nhiều kênh trên mạng chỉ để hỗ trợ một kết
nối duy nhất. Điều này làm giảm số lượng các kênh cịn trống và do đó làm giảm khả
năng của mạng.
Ngồi ra cịn có các khái niệm chuyển giao dọc (horizontal HO)[3] - chuyển
giao trong cùng một hệ thống, trong cùng một công nghệ và chuyển giao dọc (vertical
HO)[3] – chuyển giao giữa hai công nghệ khác nhau.
Tiến tới các mạng tế bào hiện nay cịn có thêm các khái niệm fast part switch
HO, HO prediction…
1.3 Các bước cơ bản trong một quá trình chuyển giao
Chuyển giao ngang (horizontal HO) trong cùng hệ thống một mạng tế bào có
thể phân ra thành 3 bước chính như sau:
1. HO measurement (đo đạc/theo dõi chất lượng đường truyền radio)
2. HO decision (ra quyết định chuyển giao)
17
3. HO Execution (tiến hành chuyển giao)
Cụ thể từng bước như sau:
Bước 1: Trong suốt quá trình liên lạc, thiết bị di động (UE) sẽ luôn đo năng
lượng thu được từ trạm phát sóng đang nối kết và của cả các trạm phát sóng khác xung
quanh nó theo một thời gian định kỳ. UE thường xuyên gửi báo cáo về tình hình đo đạc
này về trạm phát sóng[4] (Node B trong UMTS/BTS trong GSM/eNodeB trong LTE)
và thiết bị quản lý radio (RNC trong UMTS/BSC trong GSM).
Bước 2. Nếu chất lượng đường truyền từ trạm phát hiện tại kết nối đến UE bị
giảm mạnh dưới một mức nào đó, thì mạng sẽ quyết định tiến hành HO. Mạng sẽ chọn
ra một trạm phát sóng lân cận mà cho chất lượng đường truyền tốt nhất để UE nối kết
tới.
Bước 3. UE thiết lập nối kết tới trạm mới và tài nguyên dành riêng cho UE ở
trạm cũ sẽ được giải phóng. Tùy theo chuyển giao là chuyển giao cứng hay chuyển
giao mềm (soft/hard HO) mà các quá trình này sẽ được thực hiện một cách khác nhau.
1.4 Các vấn đề cần quan tâm khi thiết kế một thuật toán (giao thức) chuyển
giao
Trước hết là làm thế nào để đo được chất lượng đường truyền cũng như các
thông tin liên quan của một trạm phát sóng lân cận trong khi UE vẫn đang liên lạc với
trạm phát sóng nó đang kết nối? Vấn đề này sẽ là đơn giản nếu như trạm phát sóng lân
cận hoạt động cùng một tần số với trạm phát sóng nó đang kết nối. Nếu trong trường
hợp các trạm phát sóng lân cận khơng cùng tần số với trạm phát sóng đang kết nối, giả
sử UMTS hoạt động ở mode FDM thì UE phải dùng "compressed mode" để dừng liên
lạc đang diễn ra và shift đến tần số của BS lân cận để có thể đo được năng lượng phát
ra từ trạm phát sóng lân cận. Nếu trạm lân cận lại thuộc một cơng nghệ khác thì UE
cần có hai giao diện vơ tuyến, một dùng liên lạc với trạm phát sóng cũ, một cái khác
dùng để dị thơng tin của trạm phát sóng mới hoặc UE chỉ có một giao diện vơ tuyến
mà có khả năng tự cấu hình lại để hoạt động ở cả 2 chế độ.
18
Trong trường hợp chuyển giao khác hệ thống, bên cạnh thơng tin trên bạn cịn
cần các thơng tin khác, ví dụ "cost" của từng trạm phát sóng lân cận (giá bạn phải trả
nếu thực hiện kết nối thông qua trạm phát sóng đấy). Và cịn nhiều thơng tin khác...
Khi nào thì UE cần thiết phải thực hiện chuyển giao? Vấn đề không hẳn đơn
giản là khi UE sắp mất kết nối với trạm phát sóng đang kết nối. Có thể UE thực hiện
chuyển giao sang một trạm phát sóng có chất lượng tốt hơn/ giá rẻ hơn ngay khi nó vẫn
đang kết nối với trạm phát sóng cũ....
Ai sẽ ra quyết định trong quá trình chuyển giao? UE hay các trạm phát sóng?
Một khi có tất cả thơng tin cấn thiết để thực hiện chọn lựa trạm phát sóng lân
cận tốt nhất. Tốt nhất là theo nghĩa nào? Tốt nhất đối với UE này sẽ không phải là với
tốt nhất đối với tất cả các UE khác…
Một câu hỏi khác nữa là liệu trạm phát sóng lân cận đó có đảm bảo được QoS
(Quality of Service) mà UE yêu cầu (expect) khơng?
Làm thế nào để UE, trạm phát sóng gốc và trạm phát sóng đích (trạm được
chọn trong số các BS lân cận để UE chuyển giao tới) có thể đồng thời trao đổi thông tin
với nhau để thực hiện q trình authentication?
Nếu là chuyển giao dọc thì việc tính tốn lợi nhuận (billing) của nhà phát hành
từng cơng nghệ sẽ phân chia và giải quyết thế nào?
Trong quá trình thực hiện chuyển giao, thời gian gián đoạn kết nối không được
quá lớn: low handover latency + less packet loss.
1.5 HO liên quan như thế nào với RRM?
- Hệ thống phải đảm bảo cung cấp đủ tài nguyên cho một kết nối. Do vậy, muốn
đảm bảo điều đó thì phải cần có một cơ chế điều khiển quản lý (Admission control) và
tài nguyên dành riêng (resource reservation) tốt. Nói cách khác là RRM tốt.
19
- Nếu khi mà lượng tải của một trạm phát sóng đã lớn. Có nghĩa là trạm phát
sóng đó đã và đang có nhiều UE cùng kết nối với nó, thì trạm phát sóng sẽ khơng đồng
ý thêm bất cứ UE nào mới truy cập vào.
- Ngoài ra hệ thống phải đặt một độ ưu tiên nhất định đối với các user thực hiện
HO từ cell lân cận sang nó so với các user mới bắt đầu khởi tạo kết nối. Nghĩa là khi
lưu lượng tải của một trạm phát sóng ở một mức nào đó, nó sẽ khơng nhập kết nối mới
bắt đầu trong vùng của nó, nhưng nó sẽ để dành một phần tài nguyên để nhận các user
thực hiện chuyển giao từ cell bên cạnh sang nó. Cái này cũng đã được quan tâm nghiên
cứu nhiều.
- Trong trường hợp một trạm phát sóng có lưu lượng tải cao, nó sẽ cưỡng ép các
UE thực hiện HO sang cell lân cận nếu được để giảm bớt lượng tải. Cái này liên quan
nhiều đến cân bằng tải (load balancing).
- Riêng về phía UE, trong q trình chọn cell, nó sẽ chọn các cell đang có lượng
tải thấp. Cũng là một cách để thực hiện cân bằng tải trong hệ thống…
Do vậy, HO là một vấn đề liên quan mật thiết trong RRM.
20
CHƯƠNG 2: CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG LTE
2.1 Công nghệ LTE
LTE (Long Term Evolution) là một hệ thống công nghệ được phát triển từ họ
công nghệ GSM/UMTS (WCDMA,HSPA) được 3GPP (3rd Generation Partnership
Project) nghiên cứu và phát triển để tạo nên một hệ thống truy cập băng rộng thế hệ
mới, hướng đến hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư – 4G. LTE là cơng nghệ có
khả năng cung cấp cho người dùng tốc độ truy cập dữ liệu nhanh, cho phép các thiết bị
di động có thể phát triển thêm nhiều dịch vụ truy cập sóng vơ tuyến mới dựa trên nền
tảng IP tối ưu, và đặc biệt thuận lợi cho việc nâng cấp mạng từ 3G lên 4G. Các yêu cầu
mà 3GPP đặt ra cho LTE bao gồm: giảm chi phí cho mỗi bit thơng tin, cung cấp dịch
vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến
trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu
cuối. Các mục tiêu của cơng nghệ này là:
• Tốc độ: Tốc độ tải xuống (Downlink – DL) cao nhất ở băng thơng 20MHz có
thể lên đến 100Mbps, cao hơn 3-4 lần công nghệ HSDPA (3GPP phiên bản 6) và tốc
độ tải lên (Uplink – UL) có thể lên đến 50 Mbps, cao hơn từ 2-3 lần so với công nghệ
HSPUA (3GPP phiên bản 6) với 2 anten thu và 1 anten phát ở thiết bị đầu cuối. [5]
• Độ trễ: Thời gian trễ tối đa cho phép đối với người dùng phải thấp hơn 5ms. [5]
• Độ rộng băng thơng linh hoạt: có thể hoạt động với băng thơng 5MHz,
10MHz, 15MHz, 20MHz, thậm chí nhỏ hơn 5MHz như 1,25MHz và 2,5 MHz. [5]
• Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-5km/h, và vẫn hoạt động tốt với tốc
độ di chuyển từ 15-120km/giờ, thậm chí lên đến 500km/h tùy băng tần. [5]
• Vùng phủ sóng: Độ phủ sóng từ 5-100km (tín hiệu suy yếu từ km thứ 30), dung
lượng hơn 200 người/cell (băng thông 5MHz). [5]
Để đạt được các mục tiêu trên, LTE đã sử dụng các kỹ thuật mới: OFDMA
(Truy cập đa phân chia theo tần số trực giao) cho hướng downlink và SC-FDMA (Truy
21
cập phân chia theo tần số sóng mang đơn) cho hướng uplink. Đặc biệt là kỹ thuật anten
MIMO (đa nhập đa xuất). Ngoài ra hệ thống sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP, và hỗ trợ cả
hai chế độ ghép kênh theo thời gian TDD (Time-division duplexing) và ghép kênh theo
tần số FDD (Frequency-division duplexing).
2.2 Truy cập vô tuyến trong mạng LTE
2.2.1 Hệ thống truyền dẫn đường xuống OFDMA
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Đa truy cập phân
chia theo tần số trực giao), là công nghệ đa truy cập phân chia theo sóng mang được
phát triển dựa trên cơng nghệ OFDM. Như ta đã biết, nguyên lý cơ bản của OFDM là
Băng thơng 5 MHz
Các sóng
mang con
FFT
Các khoảng
bảo vệ
Tần số
Các symbol
Thời gian
Hình 2.1: Phổ tín hiệu OFDM theo tần số và thời gian
chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng
thời trên một số các sóng mang con trực giao. Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho
các sóng mang con do tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa
đường được giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do
việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. [6]
22
Tuy nhiên khác so với trong OFDM, trong OFDMA, một số các sóng mang con,
khơng nhất thiết phải nằm kề nhau, được gộp lại thành một kênh con (sub-channel) và
các user khi truy cập vào tài nguyên sẽ được cấp cho một hay nhiều kênh con để truyền
nhận tùy theo nhu cầu lưu luợng cụ thể. OFDMA cho phép nhiều người dùng cùng truy
cập vào một kênh truyền bằng cách phân chia một nhóm các sóng mang con
(subcarrier) cho một người dùng tại một thời điểm. Ở các thời điểm khác nhau, nhóm
sóng mang con cho 1 người dùng cũng khác nhau.
2.2.2 Hệ thống truyền dẫn đường lên SC – FDMA
Trong khi OFDMA là giải pháp tối ưu đối với các yêu cầu LTE ở đường
downlink, nhưng lại không được sử dụng đối với hướng uplink bởi vì đặc điểm của tín
hiệu OFDMA là có PAPR (peak-to-average power ratio – tỉ số năng lượng đỉnh trên
trung bình) khá cao khơng thích hợp đối với hướng uplink. Do đó LTE sử dụng kỹ
thuật SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) là kỹ thuật đa
truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang. Tuy nhiên việc xử lý tín hiệu SCFDMA có nhiều điểm tương đồng với xử lý tín hiệu OFDMA, do đó tham số đường
lên và đường xuống vẫn được hài hịa [1].
Việc sử dụng điều chế đơn sóng mang cho đường lên đem lại tỷ số đỉnh trên
trung bình PAPR của tín hiệu được truyền thấp hơn khi mà so sánh với kỹ thuật truyền
dẫn đa sóng mang OFDMA. Đây là một trong những lý do chính để chọn SC-FDMA
cho LTE đường UpLink. PAPR giúp mang lại hiệu quả cao trong việc thiết các bộ
khuếch đại công suất UE, điều này đặc biệt quan trọng đối với những thiết bị đầu cuối
bị giới hạn về năng lượng. Và việc xử lý tín hiệu của SC-FDMA vẫn có một số điểm
tương đồng với OFDMA, do đó, tham số hướng DL và UL có thể cân đối với nhau.
23
Phương pháp để tạo ra một tín hiệu SC-FDMA là DFT-spread-OFDM (DFT-sOFDM).
Chuyển
đổi nối
Dịng bit đến
tiếp
sang
song
song
Sắp xếp
sóng
mang
con
DFT
M
điểm
Chuyển
đổi
song
song
sang
nối tiếp
IDFT
N
điểm
Chèn
CP/PS
M
Hình 2.2: Sơ đồ DFT-s-OFDM
1,1
-1,1
1,1
-1,-1
1,-1
-1,-1
1,1
1,-1
-1,1
Dòng dữ liệu được truyền đi
1,-1
-1,-1
-1,1
Điều chế
QPSK
Ký tự
OFDMA
Thời
gian
Ký tự
SC-FDMA
Thời
gian
Ký tự
SC-FDMA
Ký tự
OFDMA
Tần số
Tần số
SC-FDMA
OFDMA
Hình 2.3: OFDMA và SC-FDMA
Xử lý DFT là do sự khác biệt cơ bản giữa tín hiệu SC-FDMA và tín hiệu
OFMDA[6]. Trong một tín hiệu SC-FDMA, mỗi sóng mang con được sử dụng để
truyền đi thông tin của tất cả các ký hiệu điều chế truyền, kể từ dòng dữ liệu đầu vào đã
được truyền do biến đổi DFT trên sóng mang phụ có sẵn. Trái ngược với điều này mỗi
sóng mang con của tín hiệu OFDMA chỉ mang thông tin liên quan đến các ký hiệu cụ
thể. Sự khác nhau giữa OFDMA và SC-FDMA được thể hiện trong hình 2.3.
24