HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
-------------------------------

NGUYỄN VIỆT ANH

GIẢI PHÁP TỰ PHỤC HỒI TRONG MẠNG EVOLVED PACKET
CORE LTE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - 2016


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
-------------------------------

NGUYỄN VIỆT ANH

GIẢI PHÁP TỰ PHỤC HỒI TRONG MẠNG EVOLVED PACKET
CORE LTE

CHUYÊN NGÀNH
MÃ SỐ

: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
: 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN ĐỨC NHÂN

HÀ NỘI - 2016


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Học viên

Nguyễn Việt Anh


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i
MỤC LỤC ....................................................................................................................... ii
THUẬT NGỮVIẾT TẮT .............................................................................................. iv
DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................. vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... viii
LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................................1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LTE EVOLVED PACKET CORE (EPC) ............2
1.1 Sơ lược về công nghệ mạng LTE (Long Term Evolution) .......................................2
1.1.1 Mạng truy cập E-UTRAN ..................................................................................3

1.1.2 Mạng Evolved Packet Core (EPC) .....................................................................4
1.1.3 Giao diện LTE ....................................................................................................6
1.1.4 Các giao thức sử dụng trong mạng LTE ............................................................8
1.1.4.1 Giao thức sử dụng tại mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu ............9
1.1.5 LTE EPS Bearer và QoS ..................................................................................13
1.1.5.1 LTE EPS Bearer.........................................................................................13
1.1.5.2 QoS LTE ....................................................................................................14
1.1.6 Thông tin ngữ cảnh UE (UE Context Information) .........................................16
1.2 Mạng tự điều khiển SON .........................................................................................17
1.2.1 Chức năng chính của SON trong LTE .............................................................18
1.2.2 Kiến trúc LTE SON .......................................................................................18
1.3 Kết luận ..................................................................................................................21
CHƢƠNG 2 :GIẢI PHÁP TỰ PHỤC HỒI TẠI EPC ...............................................22
2.1 Giới thiệu chungvề hệ thống tự phục hồi ................................................................22
2.2 Kiến trúc hệ thống chịu lỗi ......................................................................................24
2.2.1 Cấu hình N:M Active-Backup ..........................................................................25
2.2.2 Cấu hình 1:1 Active-Active ..............................................................................27
2.3 Phát hiện lỗi, thông báo và cô lập lỗi ......................................................................28
2.4 Phối hợp hệ thống lỗi ..............................................................................................29
2.5 Cơ chế phục hồi và thủ tục duy trì dịch vụ liên tục ................................................31
2.6 Kết luận ...................................................................................................................34
CHƢƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA GIẢI PHÁP PHỤC HỒI ................35
3.1 Mô hình khảo sát đánh giá giải pháp tự phục hồi ...................................................35


iii
3.1.1 Xây dựng mô hình mô phỏng ...........................................................................35
3.1.2 Thời gian phục hồi dịch vụ ...............................................................................37
3.1.3 Tải bản tin báo hiệu ..........................................................................................38
3.2 Khảo sát kết quả mô phỏng hệ thống sử dụng giải pháp tự phục hồi và đánh giá

giải pháp được đề xuất .............................................................................................40
3.2.1 Cấu hình N:1 Active-Backup ...........................................................................40
3.2.1.1 Cấu hình 1:1 Active-Backup .....................................................................40
3.2.1.2 Cấu hình 2:1 Active-Backup .....................................................................43
3.2.2 Cấu hình 1:1 Active-Active ..............................................................................43
3.2.3 Tính toán thời gian phục hồi dịch vụ ................................................................44
3.2.4 Tính toán chi phí bản tin tín hiệu .....................................................................46
3.3 Kết luận ...................................................................................................................48
KẾT LUẬN ....................................................................................................................49
HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .................................................................................50
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................51


iv

THUẬT NGỮVIẾT TẮT

Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

2G

2nd Generation

Hệ thống di động thế hệ thứ 2

3G


3rd Generation

Hệ thống di động thế hệ thứ 3

3GPP

Third Generation Partnership Project

Dự án đối tác thế hệ thứ 3

APN

Access Point Name

Tên điểm truy cập

EPS

Evolved Packet System

Hệ thống gói cải tiến

eNodeB

enhanced NodeB

NodeB nâng cao

E-UTRAN


Evolved Universal Terrestrial Radio

Mạng truy nhập vô tuyến mặt

Access Network

đất được cải tiến

EMM

EPS Mobility Management

Quản lý tính di động EPS

ESM

EPS Session Management

Quản lý phiên EPS

LTE

Long Term Evolution

Dự án tiến hóa dài hạn

GPRS

General Packet Radio Service


Tổng hợp các gói dịch vụ vô
tuyến

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống toàn cầu cho di động

GTP

GPRS Tunnelling Protocol

GUTI

Globally Unique Temporary
Identifier

GUMMEI

Globally Unique MME Identifier

HSS


Home Subscriber Server

Máy chủ thuê bao nhà

HSPA

High Speed Packet Acces

Truy nhập mạng gói tốc độ
cao

NGMN

Next Generation Mobile Networks

Thế hệ tiếp theo của mạng
lưới di động

MME

Mobility Management Entity

Thực thể quản lý di động

MSC

Mobile Switching Centre

Trung tâm chuyển mạch di



v
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt
động

NGMN

Next Generation Mobile Networks

Mạng di động thế hệ tiếp theo

OAM

Operation, Administration and

Vận hành, quản lý và bảo

Management

dưỡng

PDN

Packet Data Netwwork


Mạng dữ liệu gói

PCRF

Policy and Charging Rule Function

Chức năng quản lý chính sách
và quy tắc tính cước

RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

RAT

Radio Access Technology

Công nghệ truy nhập vô tuyến

RLF

Radio Link Failure

Liên kết truy nhập vô tuyến
thất bại

RNC


Radio Network Controller

Phân hệ điều khiển mạng vô
tuyến

S-GW

Serving Gateway

Cổng phục vụ

SON

Self-Organizing Networks

Mạng tự tổ chức

TE

Terminal equipment

Thiết bị đầu cuối

UE

User Equipment

Thiết bị người dùng

UMTS


Universal Mobile

Hệ thống viễn thông di động

Telecommunications System

toàn cầu

Universal Terrestrial Radio Access

Mạng truy nhập vô tuyến mặt

Network

đất UMTS

Voice over IP

Thoại trên nền IP

UTRAN

VoIP


vi

DANH MỤC HÌNH VẼ


Hình 1.1Kiến trúc mạng LTE ............................................................................................3
Hình 1.2 Kiến trúc LTE E-UTRAN ..................................................................................4
Hình 1.3 Tầng giao thức trong mặt phẳng điều khiển .......................................................8
Hình 1.4 Tầng giao thức trong mặt phẳng dữ liệu ............................................................8
Hình 1.5 Kiến trúc giao thức giữa eNodeB và MME......................................................10
Hình 1.6 Kiến trúc giao thức giữa các eNodeB...............................................................11
Hình 1.7 GTP-C trên giao diện S11 ................................................................................12
Hình 1.8 GTP-C trên giao diện S5/S8 .............................................................................12
Hình 1.9 GTP-U trên giao diện S1-U ..............................................................................13
Hình 1.10 Kiến trúc LTE EPS bearer ..............................................................................14
Hình 1.11 LTE EPS bearer và SDF tương ứng ...............................................................16
Hình 1.12 Kiến trúc mạng SON tập trung .......................................................................19
Hình 1.13 Kiến trúc mạng SON phân tán........................................................................20
Hình 1.14 Kiến trúc mạng SON hỗn hợp ........................................................................20
Hình 2.1 Hệ thống tự phục hồi theo cơ chế tập trung .....................................................23
Hình 2.2 Hệ thống tự phục hồi theo cơ chế phân tán ......................................................24
Hình 2.3 Cấu hình N:M Active-Backup ..........................................................................25
Hình 2.4 Cấu hình 1: 1 Active-Active .............................................................................27
Hình 2.5 Cập nhật trạng thái nút của cơ chế phục hồi lỗi ...............................................31
Hình 2.6 Tương tác giữa các thực thể mạng trong quá trình lỗi .....................................33
Hình 2.7 Luồng bản tin của thủ tục tái tạo lại bearer ......................................................34
Hình 3.1 Mô hình mô phỏng ...........................................................................................35
Hình 3.2 Luồng bản tin của phiên được khởi tạo từ UE .................................................39
Hình 3.3 Lưu lượng đường lên của trường hợp 1 ...........................................................40
Hình 3.4 Đường truyền GTP chuyển từ active EPC sang backup EPC của trường hợp 1
.........................................................................................................................................41
Hình 3.5 Trễ đường lên của trường hợp 1 .......................................................................42
Hình 3.6 Lưu lượng đường lên của trường hợp 2 ...........................................................42
Hình 3.7 Trễ đường lên của trường hợp 3 .......................................................................43
Hình 3.8 Trễ đường lên của trường hợp 4 .......................................................................44



vii
Hình 3.9 So sánh trễ phục hồi đối với cấu hình 1:1 Active-Backup với số lượng người
dùng khác nhau ................................................................................................................46
Hình 3.10 Số lượng bản tin của quá trình phục hồi cho các phiên lỗi ............................47
Hình 3.11 Số lượng bản tin báo hiệu khi có UE mới trong thời gian phục hồi ..............47


viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Các thực thể trong mạng EPC ...........................................................................5
Bảng 1.2 Các giao diện LTE .............................................................................................6
Bảng 1.3 Bảng QCI .........................................................................................................15
Bảng 3.1 Cấu hình mạng trong mô phỏng.......................................................................36
Bảng 3.2 Tính toán thời gian khôi phục dịch vụ .............................................................37
Bảng 3.3 Giá trị trung bình của các thành phần trễ

,

và

...........................45


1

LỜI MỞ ĐẦU

3GPP Long Term Evolution (LTE) được xem là một công nghệ không dây di
động tương lai có ưu thế về hiệu năng và trải nghiệm người dùng.Với tiến bộ công
nghệ của mạng không dây, sự phụ thuộc và tác động kinh doanh của các dịch vụ
mạng di động đã tăng lên nhanh chóng. Do đó, vấn đề quan trọng được đặt ra là phải
giải quyết được các vấn đề liên quan đến cơ sở hạ tầng mạng và lỗi dịch vụ. Giải
pháp tự phục hồi được cho mạng LTE Evolved Packet Core (EPC) nhằm duy trì dịch
vụ liên tục trong trường hợp các phần tử mạng lõi là MME và S-GW lỗi. Những lỗi
của các phần tử mạng lõi có tác động đáng kể đến một số lượng lớn các thuê bao so
với những lỗi của các thành phần truy cập mạng.
Từ các vấn đề trên, em lựa chọn đề tài nghiên cứu “Giải pháp tự phục hồi
trong mạng Evolved Packet Core LTE”. Giải pháp được đề xuất nghiên cứu với 2
kiến trúc khác nhau là kiến trúc tập trung active-backup và phân tán active-active và
thực hiện với những kịch bản lỗi khác nhau. Đánh giá các kiến trúc thông qua các
tham số về lưu lượng, trễ khôi phục dịch vụ.
Kết cấu luận văn được chia làm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về LTE Evolved Packet Core (EPC)
Chương 2: Giải pháp tự phục hồi tại EPC.
Chương 3: Đánh giá hiệu năng của giải pháp phục hồi
Mặc dù đã hết sức cố gắng trong quá trình nghiên cứu, nhưng chắc chắn sẽ
không thể tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự thông cảm
và góp ý, nhận xét của các thầy cô giáo để đề tài được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn.
Hà Nội, Ngày 20 tháng 6 năm 2016
Nguyễn Việt Anh


2

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LTE EVOLVED PACKET
CORE (EPC)

1.1 Sơ lƣợc về công nghệ mạng LTE (Long Term Evolution)
LTE là sự phát triển của mạng UMTS/HSPA, mục tiêu của LTE là tăng dung
lượng và tốc độ dữ liệu của các mạng dữ liệu không dây bằng cách sử dụng các kỹ
thuật điều chế và DSP (xử lý tín hiệu số) mới được phát triển vào đầu thế kỷ 21. LTE
thiết kế lại và đơn giản hóa kiến trúc mạng thành một hệ thống dựa trên nền IP với độ
trễ truyền dẫn tổng giảm đáng kể so với kiến trúc 3G.
LTE đã đưa ra một kiến trúc truy cập mạng mới gọi là Evolved Universal
Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN), sử dụng Orthogonal Frequency
Division Multiple Access (OFDMA) là công nghệ truy cập cho đường xuống và
Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) sử dụng cho đường
lên. Không giống như các công nghệ 3GPP khác, LTE E-UTRAN là một kiến trúc
đơn giản và phẳng chỉ gồm một nút duy nhất, eNodeB sẽ thực hiện chức năng của
UMTS/HSPA NodeB và Radio Network Controller (RNC). Lợi ích chính của kiến
trúc phẳng là làm giảm số lượng các cấp và các nút trong mạng, do đó làm giảm thời
gian xử lý cuộc gọi, độ trễ và chi phí. 3GPP cũng định nghĩa một kiến trúc mạng lõi
phẳng, được gọi là Evolved Packet Core (EPC). Hình 1.1 là kiến trúc mạng LTE.


3

Hình 1.1Kiến trúc mạng LTE
(Nguồn:http:// www.netmanias.com – Internet)

1.1.1 Mạng truy cập E-UTRAN
Mạng truy cập vô tuyến LTE là eNodeB, một trạm phát vô tuyến điều khiển tất
cả các chức năng vô tuyến.Nút kế thừa các chức năng của 3G NodeB.Ngoài ra, hầu
hết các chức năng hoặc giao thức thực hiện trong 3G Radio Network Controller
(RNC) được chuyển giao cho eNodeB. Lợi ích của việc sáp nhập RNC và eNodeB sẽ
khiến cho giảm độ trễ và bước nhảy tại mặt phẳng điều khiển và dữ liệu, nút cũng
chịu trách nhiệm cho nén tiêu đề, mã hóa và truyền tin cậy gói tin. Tại mặt phẳng

điều khiển, chức năng như kiểm soát quyền truy cập và quản lý tài nguyên vô tuyến
(RRM) cũng được tích hợp vào eNodeB. Giao diện X2 là một giao diện mới dùng để
kết nối các eNodeB, chức năng chính của giao diện này là tạo thuận lợi cho di động
người dùng không bị mất dữ liệu khi thực hiện chuyển giao vô tuyến. Hình 1.2 là
kiến trúc E-UTRAN.


4

Hình 1.2Kiến trúc LTE E-UTRAN
(Nguồn:Internet)

1.1.2 Mạng Evolved Packet Core (EPC)
Một chức năng quan trọng của EPC là chuyển mạch kênh cho dịch vụ thoại và
chuyển mạch gói cho dịch vụ dữ liệu của mạng 2G và 3G được thống nhất dưới một
nền tảng IP, đây là một sự tiến hóa của miền chuyển mạch gói của mạng
GPRS/UMTS. Hơn nữa, mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu có giao diện và
thực thể mạng riêng biệt trong EPC. Chức năng này cung cấp sự linh hoạt cho nhà
khai thác mạng để tối ưu hóa tín hiệu và đường truyền dữ liệu một cách độc lập.
LTE-EPC có các thành phần chính:
 Mobility Management Entity (MME).
 Serving Gateway (S-GW)
 Packet Data Network (PDN) Gateway
EPC cũng bao gồm một số nút khác như Home Subscriber Server (HSS) và
Policy Control and Charging Rules Functions (PCRF). Tại HSS sẽ chứa các thông tin
thuê bao người dùng và có các hoạt động như xác thực thông tin người dùng, mã
hóa…QoS và các quy tắc tính cước được thực hiện trên PCRF. Bảng 1.1 sẽ mô tả
chức năng các nút tại EPC được vẽ trong hình 1.1.



5
Bảng 1.1. Các thực thể trong mạng EPC

Nút

Mô tả

MME

MME là thực thể mạng điều khiển chính đối với E-UTRAN. Nút thực
hiện giao tiếp với HSS để lấy thông tin và xác thực đối với người
dùng. Quản lý tính di động và phiên UE qua báo hiệu NAS. Các chức
năng chính hỗ trợ bởi MME như:
 Báo hiệu NAS (EMM, ESM và NAS Security).
 Xác thực người dùng và roaming với HSS qua giao diện S6a.
 Quản lý tính di động (Paging, Tracking Area List (TAI)
management và handover management).
 Quản lý EPS bearer.

S-GW

S-GW là thành phần thuộc mặt phẳng dữ liệu trong LTE EPC. Chức
năng chính của S-GW là chuyển tiếp dữ liệu người dùng từ eNodeB
và P-GW, cấp phát tài nguyên tới MME và P-GW. Nút làm việc như
một mỏ neo di động trong mặt phẳng dữ liệu trong trường hợp chuyển
giao giữa các eNodeB cũng như khi chuyển giao giữa LTE và một
công nghệ 3GPP khác. S-GW sẽ đệm dữ liệu người dùng khi UE ở
trạng thái ECM-IDLE. Nút sẽ truyền dữ liệu đệm tới UE khi UE kết
nối tới mạng hoặc chuyển sang trạng thái ECM-CONNECTED sau
khi thực hiện paging thành công.


P-GW

P-GW sẽ cung cấp cho UE kết nối tới PDN bằng cách cấp phát địa chỉ
IP từ dãy địa chỉ của PDN. Nút như một mỏ neo di động trong trường
hợp chuyển giao giữa 3GPP và một công nghệ không phải 3GPP. PGW sẽ thực thi các chính sách, lọc gói tin và tính cước dựa trên quy
tắc PCC nhận được từ PCRF. Các chức năng chính hỗ trợ bởi P-GW
như:
 Chuyển tiếp và định tuyến gói tin IP.
 Lọc gói tin.
 Cấp phát địa chỉ IP cho UE.


6
 Mỏ neo di động giữa 3GPP và không phải 3GPP.
 Chức năng PCEF.
 Tính cước thuê bao dựa theo các dịch vụ người dùng sử dụng.
HSS

HSS là trung tâm cơ sở dữ liệu, lưu trữ thông tin người dùng, nút sẽ
cung cấp thông tin nhận thực người dùng và thông tin người dùng tới
MME.

PCRF

PCRF là thực thể mạng điều khiển và thực thi tính cước. Quyết định
chính sách cho SDF và cung cấp quy tắc PCC (quy tắc về QoS và tính
cước) tới PCEF (P-GW).

SPR


SPR sẽ cung cấp thông tin người dùng tới PCRF. Nhận được thông
tin, PCRF sẽ thực hiện chính sách thuê bao và khởi tạo quy tắc PCC.

OCS

OCS sẽ thực hiện chức năng tính cước thời gian thực dựa theo âm
thanh, thời gian và sự kiện

1.1.3 Giao diện LTE
Giao diện LTE thường được gọi là các điểm tham chiếu, LTE đưa ra một số
giao diện mới và một số giao diện kết hợp với mạng UMTS/HSDPA sẵn có. Bảng
1.2 sẽ mô tả một số giao diện quan trọng của mạng truy cập và lõi được đề cập trong
luận văn.
Bảng 1.2 Các giao diện LTE

Điểm tham
chiếu

LTE-Uu

Giao thức

Mô tả

E-UTRA

Đây là giao diện của mặt phẳng điều khiển và

(mặt phẳng điều


mặt phẳng dữ liệu giữa UE và E-UTRAN

khiển và mặt

(eNodeB). Báo hiệu kết nối trên LTE-Uu là RRC

phẳng dữ liệu)

Connection được biểu diễn bởi Signaling Radio
Bearers (SRBs)và kết nối mặt phẳng dữ liệu là
kênh logic biểu diễn bởi Data Radio Bearers
(DRBs).

X2-AP (mặt phẳng
X2

Đây là giao diện của mặt phẳng điều khiển và
mặt phẳng dữ liệu giữa 2 eNodeB, giao diện


7
điều khiển)

được sử dụng trong trường hợp X2 handover và

GTP-U (mặt phẳng Self Organizing Network (SON). X2-AP là giao
thức được sử dụng trên mặt phẳng điều khiển và
dữ liệu)
GTP-U trên mặt phẳng dữ liệu.

S1-U

GTP-U

Giao diện trên mặt phẳng dữ liệu giữa EUTRAN (eNodeB) và S-GW, cung cấp GTP
tunnel đối với mỗi bearer.

S1-MME

S1-AP

Giao diện trên mặt phẳng điều khiển giữa EUTRAN (eNodeB) và MME.

S11

GTP-C

Giao diện trên mặt phẳng điều khiển giữa MME
và S-GW.

S5

GTP-C (mặt phẳng

Giao diện giao tiếp giữa S-GW và P-GW trên

điều khiển)

mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu.


GTP-U (mặt phẳng Giao diện S5 cung cấp GTP tunnel đối với mỗi
kênh mang trên mặt phẳng dữ liệu và quản lý
dữ liệu)
GTP tunnel (khởi tạo, điều chỉnh và xóa) tương
ứng với mỗi người dùng trên mặt phẳng điều
khiển.

S8

GTP-C (mặt phẳng

Điểm khác biệt giữa giao diện S5 và S8 là giao

điều khiển)

diện S8 được sử dụng trong trường hợp người

GTP-U (mặt phẳng dùng sử dụng roaming, truyền dữ liệu giữa SGW và P-GW khi S-GW đóng vai trò là Visited
dữ liệu)
PLMN (VPLMN) và P-GW giữ vai trò Home
PLMN (HPLMN).
Giao diện giao tiếp giữa MME và HSS trên mặt

S6a

Diameter

phẳng điều khiển, trao đổi thông tin người dùng
và thông tin xác thực.
Giao diện giao tiếp giữa PCRF và P-GW trên


Gx

Diameter

mặt phẳng điều khiển, trao đổi chính sách và quy


8
tắc tính cước từ PCRF tới P-GW.
Đây là giao diện của mặt phẳng điều khiển và
SGi

IP

mặt phẳng dữ liệu giữa P-GW và PDN.

1.1.4 Các giao thức sử dụng trong mạng LTE
Giao thức sử dụng trong mạng LTE được sử dụng trên mặt phẳng điều khiển
(control plane) và mặt phẳng dữ liệu (user plane). Chức năng chính của mặt
phẳng điều khiển là thiết lập cho mặt phẳng dữ liệu như khởi tạo, chỉnh sửa và
giải phóng mặt phẳng dữ liệu. Mặt phẳng điều khiển sẽ truyền dữ liệu người dùng
giữa các người dùng hoặc ứng dụng. Hình 1.3 và 1.4 biểu diễn tầng giao thức giao
tiếp điểm tới điểm trong mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu.

Hình 1.3 Tầng giao thức trong mặt phẳng điều khiển

(Nguồn:3GPP TS 23.401 v.10.4.0)

Hình 1.4 Tầng giao thức trong mặt phẳng dữ liệu


(Nguồn:3GPP TS 23.401 v.10.4.0)


9

1.1.4.1 Giao thức sử dụng tại mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu
a) Non-access Stratum (NAS)
Đây là tầng giao thức trên cùng của mặt phẳng điều khiển giao tiếp giữa mạng
truy cập và mạng lõi. Bản tin báo hiệu được truyền trực tiếp từ UE tới MME thông
qua NAS, thông suốt qua eNodeB và được chuyển tiếp tới MME. Tầng giao thức
NAS được chia thành 2 phần:
 EPS Mobility Management (EMM): giao thức EMM quản lý tính di động
của UE tại E-UTRAN, chịu trách nhiệm cho các chức năng liên quan tới việc
quản lý kết nối ví dụ khi UE kết nối hoặc rời khỏi mạng. Những chức năng
khác của tầng EMM là xử lý khi UE khởi tạo thủ tục yêu cầu dịch vụ service
request hoặc mạng khởi tạo thủ tục paging, xác thực UE và bảo mật cho lớp
NAS.
 EPS Session Management (ESM): Giao thức ESM xử lý context bearer giữa
UE và MME, quản lý E-UTRAN bearer và hỗ trợ UE khởi tạo thủ tục bearer
như khởi tạo, chỉnh sửa và giải phóng EPS bearer cùng với QoS xác định.
Tại giao diện vô tuyến, mặt phẳng điều khiển sử dụng các lớp PDCP, RLC,
MAC và PHY để truyền giữa RRC (Radio Resource Control) và bản tin NAS tới
mạng lõi. Tầng PDCP, RLC, MAC, PHY sẽ thực hiện chức năng giống nhau cho mặt
phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu.
b) Radio Resource Control (RRC)
Tầng RRC cung cấp kết nối tín hiệu vô tuyến E-UTRAN tới tầng phía trên
trong chồng giao thức, ví dụ, quản lý tài nguyên vô tuyến (Radio Resource
Management) được sử dụng để tạo thuận lợi hơn trong việc truyền luồng bản tin báo
hiệu của các tầng phía trên. Báo hiệu kết nối được sử dụng giữa UE và mạng lõi. Khi

UE ở trạng thái ACTIVE sẽ duy trì kết nối RRC với eNodeB và khi ở trạng thái
IDLE sẽ không có kết nối RRC.
c) Packet Data Convergence Protocol (PDCP)
PDCP hỗ trợ truyền dữ liệu, nén tiêu đề cũng như mã hóa dịch vụ cho cả mặt
phẳng điều khiển (RRC) và mặt phẳng dữ liệu (ứng dụng).
d) Radio Link Control (RLC)


10
Tầng RLC sẽ phân đoạn và lắp ghép cũng như các thủ tục sửa lỗi.
e) Medium Access Control (MAC)
Tại eNodeB, tầng MAC sẽ thực hiện một kịch bản để phân phối băng thông có
sẵn tới một số lượng active UE, đồng thời cũng thực hiện hoạt động HARQ cho việc
truyền lại dữ liệu.
Tại giao diện S1 và X2 sử dụng kết nối E-UTRAN tới EPC và E-UTRAN tới EUTRAN khác, sẽ có các giao thức:
f) S1-AP
Giao thức S1-AP (S1 Appilcation Protocol) được sử dụng tại mặt phẳng điều khiển
để truyền bản tin báo hiệu giữa E-UTRAN và EPC. Hình 1.5 mô tả chồng giao thức
tại giao diện S1-C, dưới đây là các tính năng chính của giao thức S1-AP:
 Truyền bản tin báo hiệu NAS giữa MME và UE.
 Thiết lập, chỉnh sửa và giải phóng EPS bearer.
 Quản lý tính năng S1 handover như chuẩn bị handover, cấp phát tài nguyên,
thông báo và chuyển tuyến theo yêu cầu.
 Paging và các hoạt động báo cáo vị trí của UE.
 Chức năng quản lý mạng như thiết lập S1 (S1 Setup), cập nhật cấu hình
eNodeB và MME, quá tải…

S1-AP

S1-AP


SCTP

SCTP

IP

IP

L2

L2

L1

L1

eNodeB

S1-MME

MME

Hình 1.5 Kiến trúc giao thức giữa eNodeB và MME

(Nguồn:3GPP TS 23.401 v.10.4.0)


11
g) X2-AP

Giao thức X2AP chủ yếu chịu trách nhiệm cho việc X2 handover. Hình 1.6 mô tả
chồng giao thức trên giao diện X2 bao gồm X2AP, dưới đây là các chức năng chính
của giao thức:
 Quản lý tính di động UE giữa các E-UTRAN.
 Sử dụng tính năng quản lý, các eNodeB sẽ trao đổi tình trạng tài nguyên như
cấu hình mạng, tải đường truyền…Bằng cách này, một eNodeB quá tải có thể
chuyển UE tới một eNodeb khác có tải nhẹ hơn.
 Thủ tục thiết lập S2 (S2 Setup) trao đổi dữ liệu cần thiết cho các eNodeB để
thiết lập giao diện X2.

Hình 1.6 Kiến trúc giao thức giữa các eNodeB

(Nguồn:3GPP TS 23.401 v.10.4.0)
h) Stream Control Transmission Protocol (SCTP)
Để đảm bảo độ tin cậy cao về việc truyền lại và trễ các bản tin báo hiệu, LTE
S1-C sử dụng SCTP là một giao thức truyền tải giữa E-UTRAN và EPC. SCTP là
một giao thức hướng kết nối tương tự như TCP, cung cấp các cơ chế về lưu lượng,
tắc nghẽn, cơ chế truyền lại, phát hiện và sai lệch dữ liệu…Ngoài ra, giao thức cung
cấp 2 tính năng quan trọng là multi-homing và multi-streaming là 2 tính năng TCP
không hỗ trợ.
i) GPRS Tunneling Protocol-Control Plane (GTP-C)
Giao thức được sử dụng tại mạng lõi, là giao thức sử dụng trên nền tảng
IP.Trong viễn thông, tunnel đại diện cho một tuyến hai chiều từ điểm tới điểm được


12
thiết lập giữa hai thực thể. GTP-C thực hiện các thủ tục cần thiết để khởi tạo, duy trì,
xóa tunnel. Ngoài ra, GTP-C chuyển tiếp thông tin di chuyển của người dùng khi
thay đổi vị trí, hình 1.7 mô tả GTP-C tại chồng giao thức trên giao diện S11 và hình
1.8 trên giao diện S5/S8

GTP-C

GTP-C

UDP

UDP

IP

IP

L2

L2

L1

L1
S11

MME

S-GW

Hình 1.7 GTP-C trên giao diện S11

(Nguồn:3GPP TS 23401 v.10.4.0)
GTP-C


GTP-C

UDP

UDP

IP

IP

L2

L2

L1

L1

S- GW

S5 or S8

P-GW

Hình 1.8 GTP-C trên giao diện S5/S8

(Nguồn:3GPP TS 23401 v.10.4.0)
j) GPRS Tunneling Protocol-User Plane (GTP-U)
GTP-U sử dụng để truyền dữ liệu giữa E-UTRAN và EPC, giao thức sử dụng
trên giao diện S1-U, S10, S5 và S8. Hình 1.8 mô tả GTP-U tại chồng giao thức trên

giao diện S1-U


13
GTP-U

GTP-U

UDP

UDP

IP

IP

L2

L2

L1

L1

eNodeB

S1-U

S-GW


Hình 1.9 GTP-U trên giao diện S1-U

(Nguồn:3GPP TS 23401 v.10.4.0)

1.1.5 LTE EPS Bearer và QoS
1.1.5.1 LTE EPS Bearer
Tại LTE, kênh mang EPS được thiết lập tại mạng EPS (mạng lõi EPC và mạng
truy cập E-UTRAN) được dùng để truyền dữ liệu người dùng từ UE tới PDN. Có 2
loại kênh mang EPS: kênh mang mặc định và kênh mang dành sẵn. Khi một UE kết
nối tới mạng LTE, kênh mang mặc định EPS được thiết lập. Khi người dùng yêu cầu
một dịch vụ cần có QoS cao hơn QoS hiện thời của kênh mang mặc định (ví dụ dịch
vụ IPTV, video on Demand,…) một kênh mang dành sẵn được thiết lập nhằm đáp
ứng được những yêu cầu cao hơn về QoS. Khi UE khởi tạo kết nối tới mạng, MME
cần thông tin để thiết lập các kênh mang mặc định như là QoS và thông tin mạng
PDN kết nối tới. Để có được thông tin này MME cần lấy thông tin của thuê bao từ
HSS.Để thiết lập kênh mang dành sẵn, PCRF sẽ quyết định một quy tắc tương ứng
sau đó gửi thông tin quy tắc (PCC rule) này tới P-GW. P-GW nhận được quy tắc này
sẽ thực hiện hoặc tạo ra một kênh mang dành sẵn mới hoặc gộp luồng dịch vụ này
vào kênh mang sẵn có để đáp ứng được yêu cầu của luồng dịch vụ này.
EPS bearer giữa UE và PDN gồm có 3 đoạn:
 Kênh mang vô tuyến (Radio bearer) giữa UE và eNodeB.
 Kênh mang dữ liệu (data bearer) giữa eNodeB và S-GW (S1 bearer).
 Kênh mang dữ liệu (data bearer) giữa S-GW và P-GW (S5/S8 bearer).


14

Hình 1.10 Kiến trúc LTE EPS bearer

(Nguồn:http:// www.netmanias.com – Internet)


1.1.5.2 QoS LTE
QoS (Quality of Service) là khả năng của mạng để đạt được băng thông tối đa
cũng như việc xử lý các yếu tố liên quan tới hiệu năng của mạng như độ trễ, tỷ lệ mất
gói,…Chất lượng dịch vụ cũng liên quan tới việc kiểm soát và quản lý tài nguyên của
mạng bằng cách thiết lập các độ ưu tiên khác nhau cho các loại dịch vụ khác nhau.
Mỗi thuê bao khác nhau khi sử dụng dịch vụ đều có một QoS khác nhau, tùy thuộc
vào từng loại dịch vụ cũng như chi phí mà thuê bao sẵn sàng trả cho dịch vụ. QoS
bao gồm một số các tham số:
 QCI (QoS Class Identifier): là một số nguyên từ 1-9, thể hiện các đặc trưng
về QoS của gói tin IP (độ trễ, tỉ lệ mất gói).
 ARP (Allocation and Retention Priority): ARP được sử dụng khi một EPS
bearer mới được yêu cầu thiết lập nhưng không đủ tài nguyên. Các nút mạng
(PGW, SGW, eNodeB) sẽ căn cứ vào giá trị của ARP để:
o Xóa một EPS bearer đang tồn tại nhưng có độ ưu tiên thấp hơn để tạo
kênh mang mới có độ ưu tiên cao hơn.
o Từ chối tạo bearer mới.
 GBR (Minimum guaranteed bit rate): được sử dụng cho GBR bearer có
QoS xác định, người dùng có thể nhận được tốc độ bit cao tới giới hạn của
MBR.


15
 Non-GBR (Non-guaranteed bit rate): được sử dụng cho non-GBR bearer
không có QoS xác định, đây là một số dịch vụ yêu cầu Qos thấp như http, file
transfer.
 MBR (Minimum bit rate): được sử dụng cho GBR bearer nhằm thể hiện tốc
độ bit tối đa mà mạng LTE có thể cung cấp, các gói dữ liệu có tốc độ bit lớn
hơn giá trị này đều bị loại bỏ.
 APN-AMBR: là tham số được sử dụng cho kênh non-GBR, đây là tổng băng

thông của các kênh non-GBR trong một PDN.
 UE-AMBR: là băng thông lớn nhất của tất cả các kênh non-GBR liên quan tới
UE mà không đề cập tới số lượng PDN được kết nối với UE. Tham số này
được sử dụng bởi eNodeB.
Bảng 1.3 Bảng QCI

(Nguồn: Internet)
Tại LTE đưa ra các khái niệm cơ bản:
a) SDF
Lưu lượng người dùng sử dụng các dịch vụ (hoặc các ứng dụng khác nhau) có
các QoS khác nhau. Một SDF là một IP flow hoặc một nhóm các IP flow có cùng
tính chất dịch vụ. Như vậy SDF đóng vai trò là một đơn vị áp dụng các chính sách
QoS tuân theo các quy tắc PCC. Tại P-GW có nhiều các SDF template, mỗi một SDF
template được sử dụng để filter các luồng dịch vụ khác nhau. Mỗi một SDF có một