Hướng dẫn nhanh 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 các 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 Tiến trình phát triển 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 gói được tối ưu hóa 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	Rel 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 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 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 nhiều 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 tiêu chuẩn hóa trên tất cả các giao diện để đảm bảo rằng yêu cầu của các 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 trao tay và chuyển vùng đến các mạng di động hiện có.

Ưu điểm của LTE

High throughput:Tốc độ dữ liệu cao có thể đạt được ở cả đường xuống cũng như đường lên. Điều này gây ra thông lượng cao.
Low latency: 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 and TDD in the same platform: Song công phân chia theo tần số (FDD) và song công phân chia theo thời gian (TDD), cả hai chương trình đều có thể được sử dụng trên cùng một nền tảng.
Superior end-user experience: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 ms) để có trải nghiệm người dùng tốt hơn.
Seamless Connection: LTE cũng sẽ hỗ trợ kết nối liền mạch với các mạng hiện có như GSM, CDMA và WCDMA.
Plug and play: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.
Simple architecture: Vì cấu trúc đơn giản chi phí hoạt động thấp (OPEX).

LTE - QoS

Kiến trúc LTE hỗ trợ hard QoS,với chất lượng dịch vụ đầu cuối và tốc độ bit được đảm bảo (GBR) cho người mang bộ đàm. 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 tín 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:

GBR Bearer nguồn lực được phân bổ vĩnh viễn bởi kiểm soát nhập học
Non-GBR Bearer không kiểm soát nhập học
Dedicated Bearer được liên kết với TFT cụ thể (GBR hoặc không phải GBR)
Default Bearer Không phải GBR, catch-all cho lưu lượng truy cập chưa được chỉ định

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, cho 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 nhập 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 4x4
Tốc độ dữ liệu cao nhất trong LTE	UL: 75Mbps (băng thông 20MHz) DL: 150Mbps (UE Category 4, 2x2 MIMO, băng thông 20MHz) DL: 300Mbps (UE loại 5, 4x4 MIMO, băng thông 20MHz)
MIMO (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 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:

Mobile Termination (MT) : Điều này xử lý tất cả các chức năng giao tiếp.
Terminal Equipment (TE) : Điều này kết thúc các luồng dữ liệu.
Universal Integrated Circuit Card (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).

A USIMlưu trữ dữ liệu người dùng cụ thể rất giống với thẻ SIM 3G. 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 phát triển 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 gốc phát triển, được gọi là eNodeB hoặc là 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 điện thoại 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 đây được eNB hỗ trợ:

ENB 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 mạng 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 eNB 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 dữ liệu gói (PDN) (P-GW) giao tiếp với thế giới bên ngoài. 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) điều khiển 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.

Sự phân chia chức năng giữa E-UTRAN và EPC

Sơ đồ sau đây 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	MME
SS7-MAP / ANSI-41 / RADIUS	Đường kính
Đường kính GTPc-v0 và v1	GTPc-v2
MIP	PMIP

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 điều hành của mình thì mạng đó được gọi là Home-PLMN nhưng chuyển vùng cho phép người dùng di chuyển ra ngoài mạng gia đình và sử dụng tài 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 bên dưới:

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 cổng phục vụ và cổng PDN được gọi là S5 / S8. Điều này có hai cách triển khai hơi khác nhau, đó 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.

Sạc 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:

Prepaid Charging- 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.
Postpaid Charging- Tính năng sử dụng dữ liệu trả sau hoạt động tương tự trong LTE giống như trong 3G, sử dụng phiên bản TAP 3.11 hoặc 3.12. Với 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 gián đoạn 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 theo 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.

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	The MME pool areas 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	The S-GW service areas 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	The Tracking areas 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 định danh 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 một vùng 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 vùng 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.

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.

Nhận dạng thuê bao di động tạm thời M (M-TMSI) xác định một di động đến MME đang phục vụ của nó. Việc 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.

Cuối cùng, thêm nhận dạng nhóm MME và danh tính PLMN với S-TMSI kết quả là Nhận dạng tạm thời duy nhất trên toàn cầu (GUTI).

Kiến trúc giao thức vô tuyến cho LTE có thể được tách thành control plane kiến trúc và user plane kiến trúc như hình bên dưới:

Ở phía mặt phẳng người dùng, ứng dụng tạo ra các gói dữ liệu được xử lý bởi các giao thức như TCP, UDP và IP, trong khi ở mặt phẳng điều khiển, giao thức kiểm soát tài nguyên vô tuyến (RRC) viết các thông điệp báo hiệu được trao đổi giữa trạm gốc và di động. Trong cả hai trường hợp, thông tin được xử lý bởi giao thức hội tụ dữ liệu gói (PDCP), giao thức điều khiển liên kết vô tuyến (RLC) và giao thức điều khiển truy cập phương tiện (MAC), trước khi được chuyển đến lớp vật lý để truyền.

Mặt phẳng người dùng

Ngăn xếp giao thức mặt phẳng người dùng giữa e-Node B và UE bao gồm các lớp con sau:

PDCP (Giao thức hội tụ dữ liệu gói)
RLC (Điều khiển liên kết vô tuyến)
Kiểm soát truy cập trung bình (MAC)

Trên bình diện người dùng, các gói trong mạng lõi (EPC) được đóng gói trong một giao thức EPC cụ thể và được đặt dưới đường hầm giữa P-GW và eNodeB. Các giao thức đường hầm khác nhau được sử dụng tùy thuộc vào giao diện. Giao thức đường hầm GPRS (GTP) được sử dụng trên giao diện S1 giữa eNodeB và S-GW và trên giao diện S5 / S8 giữa S-GW và P-GW.

Các gói được nhận bởi một lớp được gọi là Đơn vị Dữ liệu Dịch vụ (SDU) trong khi đầu ra gói của một lớp được tham chiếu bởi Đơn vị Dữ liệu Giao thức (PDU) và các gói IP theo luồng mặt phẳng người dùng từ các lớp trên xuống dưới.

Máy bay điều khiển

Mặt phẳng điều khiển bao gồm thêm lớp Điều khiển Tài nguyên Vô tuyến (RRC), lớp này chịu trách nhiệm cấu hình các lớp bên dưới.

Mặt phẳng điều khiển xử lý chức năng vô tuyến cụ thể phụ thuộc vào trạng thái của thiết bị người dùng, bao gồm hai trạng thái: nhàn rỗi hoặc được kết nối.

Chế độ	Sự miêu tả
Nhàn rỗi	Thiết bị người dùng cắm trại trên một ô sau quá trình lựa chọn ô hoặc chọn lại ô trong đó các yếu tố như chất lượng liên kết vô tuyến, trạng thái ô và công nghệ truy cập vô tuyến được xem xét. UE cũng giám sát kênh phân trang để phát hiện các cuộc gọi đến và thu nhận thông tin hệ thống. Trong chế độ này, các giao thức mặt phẳng điều khiển bao gồm các thủ tục chọn ô và chọn lại ô.
Đã kết nối	UE cung cấp cho E-UTRAN chất lượng kênh đường xuống và thông tin về ô lân cận để cho phép E-UTRAN chọn ô phù hợp nhất cho UE. Trong trường hợp này, giao thức mặt phẳng điều khiển bao gồm giao thức Điều khiển liên kết vô tuyến (RRC).

Ngăn xếp giao thức cho mặt phẳng điều khiển giữa UE và MME được hiển thị bên dưới. Vùng màu xám của ngăn xếp cho biết các giao thức tầng truy cập (AS). Các lớp dưới thực hiện các chức năng tương tự như đối với mặt phẳng người dùng ngoại trừ không có chức năng nén tiêu đề cho mặt phẳng điều khiển.

Chúng ta hãy xem xét kỹ tất cả các lớp có sẵn trong Ngăn xếp giao thức E-UTRAN mà chúng ta đã thấy trong chương trước. Dưới đây là sơ đồ hợp tác hơn của Ngăn xếp giao thức E-UTRAN:

Lớp vật lý (Lớp 1)

Lớp vật lý mang tất cả thông tin từ các kênh vận chuyển MAC qua giao diện không khí. Đảm nhận việc điều chỉnh liên kết (AMC), điều khiển công suất, tìm kiếm ô (cho mục đích đồng bộ hóa và chuyển giao ban đầu) và các phép đo khác (bên trong hệ thống LTE và giữa các hệ thống) cho lớp RRC.

Lớp truy cập trung bình (MAC)

Lớp MAC chịu trách nhiệm về việc Ánh xạ giữa các kênh logic và kênh vận chuyển, Ghép kênh MAC SDU từ một hoặc các kênh logic khác nhau lên các khối vận chuyển (TB) để được phân phối đến lớp vật lý trên các kênh truyền tải, de ghép các MAC SDU từ một hoặc các kênh logic khác nhau các kênh từ các khối vận chuyển (TB) được phân phối từ lớp vật lý trên các kênh vận chuyển, Lập lịch báo cáo thông tin, Sửa lỗi thông qua HARQ, Xử lý ưu tiên giữa các UE bằng cách lập lịch động, Xử lý ưu tiên giữa các kênh logic của một UE, Ưu tiên kênh logic.

Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC)

RLC hoạt động ở 3 chế độ hoạt động: Chế độ minh bạch (TM), Chế độ không xác nhận (UM) và Chế độ được xác nhận (AM).

Lớp RLC chịu trách nhiệm chuyển các PDU lớp trên, sửa lỗi thông qua ARQ (Chỉ dành cho truyền dữ liệu AM), Kết nối, phân đoạn và lắp ráp lại các SDU RLC (Chỉ dành cho truyền dữ liệu UM và AM).

RLC cũng chịu trách nhiệm phân đoạn lại các PDU dữ liệu RLC (Chỉ dành cho truyền dữ liệu AM), sắp xếp lại thứ tự các PDU dữ liệu RLC (Chỉ dành cho truyền dữ liệu UM và AM), phát hiện trùng lặp (Chỉ dành cho truyền dữ liệu UM và AM), loại bỏ RLC SDU (Chỉ dành cho truyền dữ liệu UM và AM), thiết lập lại RLC và phát hiện lỗi giao thức (Chỉ dành cho truyền dữ liệu AM).

Kiểm soát tài nguyên vô tuyến (RRC)

Các dịch vụ và chức năng chính của lớp con RRC bao gồm truyền phát Thông tin hệ thống liên quan đến tầng không truy cập (NAS), phát Thông tin hệ thống liên quan đến tầng truy cập (AS), Phân trang, thiết lập, duy trì và phát hành kết nối RRC giữa UE và E-UTRAN, Các chức năng bảo mật bao gồm quản lý khóa, thiết lập, cấu hình, bảo trì và phát hành các Bộ truyền sóng vô tuyến điểm tới điểm.

Kiểm soát hội tụ dữ liệu gói (PDCP)

Lớp PDCP chịu trách nhiệm nén Header và giải nén dữ liệu IP, Truyền dữ liệu (mặt phẳng người dùng hoặc mặt phẳng điều khiển), Duy trì Số thứ tự PDCP (SN), Phân phối theo trình tự các PDU lớp trên khi tái thiết lập các lớp dưới, Nhân bản loại bỏ các SDU lớp thấp hơn khi thiết lập lại các lớp thấp hơn cho người mang sóng vô tuyến được ánh xạ trên RLC AM, Mã hóa và giải mã dữ liệu máy bay người dùng và dữ liệu máy bay điều khiển, Bảo vệ tính toàn vẹn và xác minh tính toàn vẹn của dữ liệu máy bay điều khiển, Loại bỏ dựa trên bộ hẹn giờ, loại bỏ trùng lặp, PDCP được sử dụng cho SRB và DRB được ánh xạ trên loại kênh logic DCCH và DTCH.

Giao thức tầng không truy cập (NAS)

Các giao thức tầng không truy cập (NAS) tạo thành tầng cao nhất của mặt phẳng điều khiển giữa thiết bị người dùng (UE) và MME.

Các giao thức NAS hỗ trợ tính di động của UE và các thủ tục quản lý phiên để thiết lập và duy trì kết nối IP giữa UE và PDN GW.

Dưới đây là biểu đồ logic của các lớp Giao thức E-UTRAN với mô tả luồng dữ liệu qua các lớp khác nhau:

Các gói được nhận bởi một lớp được gọi là Đơn vị Dữ liệu Dịch vụ (SDU) trong khi đầu ra gói của một lớp được gọi là Đơn vị Dữ liệu Giao thức (PDU). Hãy xem luồng dữ liệu từ trên xuống dưới:

Lớp IP gửi các SDU PDCP (Gói IP) đến lớp PDCP. Lớp PDCP thực hiện nén tiêu đề và thêm tiêu đề PDCP vào các SDU PDCP này. Lớp PDCP gửi các PDCP PDU (RLC SDU) đến lớp RLC.

PDCP Header Compression: PDCP xóa tiêu đề IP (Tối thiểu 20 byte) khỏi PDU và thêm Mã thông báo có kích thước 1-4 byte. Điều này cung cấp một khoản tiết kiệm đáng kể về số lượng tiêu đề mà nếu không sẽ phải đi qua không khí.
Lớp RLC thực hiện phân đoạn các SDUS này để tạo các PDU RLC. RLC thêm tiêu đề dựa trên chế độ hoạt động của RLC. RLC gửi các RLC PDU (MAC SDU) này đến lớp MAC.

RLC Segmentation: Nếu RLC SDU lớn hoặc tốc độ dữ liệu vô tuyến khả dụng thấp (dẫn đến các khối truyền tải nhỏ), RLC SDU có thể được chia thành nhiều RLC PDU. Nếu RLC SDU nhỏ hoặc tốc độ dữ liệu vô tuyến khả dụng cao, một số SDU RLC có thể được đóng gói thành một PDU duy nhất.
Lớp MAC thêm tiêu đề và đệm để phù hợp với MAC SDU này trong TTI. Lớp MAC gửi MAC PDU đến lớp vật lý để truyền nó lên các kênh vật lý.
Kênh vật lý truyền dữ liệu này vào các khe của khung phụ.

Các luồng thông tin giữa các giao thức khác nhau được gọi là các kênh và tín hiệu. LTE sử dụng một số loại kênh logic, kênh truyền tải và kênh vật lý khác nhau, được phân biệt bởi loại thông tin mà chúng mang theo và cách thức thông tin được xử lý.

Logical Channels : Định nghĩa whattype thông tin được truyền qua không khí, ví dụ như các kênh lưu lượng, kênh điều khiển, quảng bá hệ thống, v.v. Dữ liệu và các bản tin báo hiệu được truyền trên các kênh logic giữa giao thức RLC và MAC.
Transport Channels : Định nghĩa howismột cái gì đó được truyền qua không khí, ví dụ như mã hóa là gì, các tùy chọn xen kẽ được sử dụng để truyền dữ liệu. Dữ liệu và các bản tin báo hiệu được thực hiện trên các kênh truyền tải giữa MAC và lớp vật lý.
Physical Channels : Định nghĩa whereismột cái gì đó truyền qua không khí, ví dụ N ký hiệu đầu tiên trong khung DL. Dữ liệu và các bản tin báo hiệu được truyền trên các kênh vật lý giữa các mức khác nhau của lớp vật lý.

Kênh logic

Các kênh logic xác định loại dữ liệu được truyền. Các kênh này xác định các dịch vụ truyền dữ liệu do lớp MAC cung cấp. Dữ liệu và các bản tin báo hiệu được truyền trên các kênh logic giữa giao thức RLC và MAC.

Các kênh logic có thể được chia thành kênh điều khiển và kênh lưu lượng. Kênh điều khiển có thể là kênh chung hoặc kênh riêng. Kênh chung có nghĩa là chung cho tất cả người dùng trong một ô (Điểm đến đa điểm) trong khi các kênh dành riêng có nghĩa là các kênh chỉ có thể được sử dụng bởi một người dùng (Điểm đến điểm).

Các kênh logic được phân biệt bởi thông tin mà chúng mang theo và có thể được phân loại theo hai cách. Thứ nhất, các kênh lưu lượng logic mang dữ liệu trong bình diện người dùng, trong khi các kênh điều khiển logic mang thông điệp báo hiệu trong bình diện điều khiển. Bảng sau liệt kê các kênh logic được LTE sử dụng:

Tên kênh	Từ viết tắt	Kênh kiểm soát	Kênh lưu lượng
Kênh điều khiển phát sóng	BCCH	X
Kênh điều khiển phân trang	PCCH	X
Kênh điều khiển chung	CCCH	X
Kênh điều khiển chuyên dụng	DCCH	X
Kênh điều khiển đa hướng	MCCH	X
Kênh lưu lượng chuyên dụng	DTCH		X
Kênh lưu lượng đa phương	MTCH		X

Kênh vận chuyển

Các kênh truyền tải xác định cách thức và kiểu đặc điểm mà dữ liệu được chuyển bởi lớp vật lý. Dữ liệu và các bản tin báo hiệu được thực hiện trên các kênh truyền tải giữa MAC và lớp vật lý.

Các kênh vận chuyển được phân biệt theo cách mà bộ xử lý kênh vận chuyển thao tác với chúng. Bảng sau liệt kê các kênh truyền tải được LTE sử dụng:

Tên kênh	Từ viết tắt	Đường xuống	Đường lên
Kênh truyền hình	BCH	X
Kênh chia sẻ đường xuống	DL-SCH	X
Kênh phân trang	PCH	X
Kênh Multicast	MCH	X
Kênh chia sẻ đường lên	UL-SCH		X
Kênh truy cập ngẫu nhiên	RACH		X

Kênh vật lý

Dữ liệu và thông điệp báo hiệu được truyền trên các kênh vật lý giữa các mức khác nhau của lớp vật lý và do đó chúng được chia thành hai phần:

Kênh dữ liệu vật lý
Các kênh kiểm soát vật lý

Các kênh dữ liệu vật lý

Các kênh dữ liệu vật lý được phân biệt theo cách mà bộ xử lý kênh vật lý thao tác với chúng và theo cách mà chúng được ánh xạ vào các ký hiệu và sóng mang con được sử dụng bởi ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDMA). Bảng sau liệt kêphysical data channels được LTE sử dụng:

Tên kênh	Từ viết tắt	Đường xuống	Đường lên
Kênh chia sẻ đường xuống vật lý	PDSCH	X
Kênh truyền hình thực tế	PBCH	X
Kênh đa hướng vật lý	PMCH	X
Kênh chia sẻ đường lên vật lý	PUSCH		X
Kênh truy cập ngẫu nhiên vật lý	PRACH		X

Các transport channelbộ xử lý soạn một số loại thông tin điều khiển, để hỗ trợ hoạt động cấp thấp của lớp vật lý. Chúng được liệt kê trong bảng dưới đây:

Tên trường	Từ viết tắt	Đường xuống	Đường lên
Thông tin kiểm soát đường xuống	DCI	X
Kiểm soát chỉ báo định dạng	CFI	X
Chỉ báo ARQ kết hợp	CHÀO	X
Thông tin kiểm soát đường lên	UCI		X

Các kênh kiểm soát vật lý

Bộ xử lý kênh truyền tải cũng tạo ra thông tin điều khiển hỗ trợ hoạt động mức thấp của lớp vật lý và gửi thông tin này đến bộ xử lý kênh vật lý dưới dạng các kênh điều khiển vật lý.

Thông tin truyền đi xa đến tận bộ xử lý kênh truyền tải trong máy thu, nhưng hoàn toàn vô hình đối với các lớp cao hơn. Tương tự, bộ xử lý kênh vật lý tạo ra các tín hiệu vật lý, hỗ trợ các khía cạnh cấp thấp nhất của hệ thống.

Các kênh kiểm soát vật lý được liệt kê trong bảng dưới đây:

Tên kênh	Từ viết tắt	Đường xuống	Đường lên
Kênh chỉ báo định dạng điều khiển vật lý	PCFICH	X
Kênh chỉ báo ARQ hỗn hợp vật lý	PHICH	X
Kênh điều khiển đường xuống vật lý	PDCCH	X
Chuyển tiếp kênh điều khiển đường xuống vật lý	R-PDCCH	X
Kênh điều khiển đường lên vật lý	PUCCH		X

Trạm gốc cũng truyền hai tín hiệu vật lý khác, giúp thiết bị di động thu được trạm gốc sau khi nó bật lần đầu tiên. Chúng được gọi là tín hiệu đồng bộ hóa sơ cấp (PSS) và tín hiệu đồng bộ hóa thứ cấp (SSS).

Để khắc phục ảnh hưởng của vấn đề mờ đa đường có sẵn trong UMTS, LTE sử dụng Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) cho đường xuống - nghĩa là từ trạm gốc đến thiết bị đầu cuối để truyền dữ liệu qua nhiều băng tần hẹp 180 KHz mỗi đường thay thế lan truyền một tín hiệu trên toàn bộ băng thông nghề nghiệp 5MHz tức là. OFDM sử dụng một số lượng lớn sóng mang con hẹp để truyền đa sóng mang để mang dữ liệu.

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), là một sơ đồ ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) được sử dụng như một phương pháp điều chế đa sóng mang kỹ thuật số.

OFDM đáp ứng yêu cầu LTE về tính linh hoạt của phổ tần và cung cấp các giải pháp tiết kiệm chi phí cho các nhà cung cấp dịch vụ rất rộng với tốc độ đỉnh cao. Tài nguyên vật lý cơ bản của đường xuống LTE có thể được coi là lưới tần số thời gian, như được minh họa trong Hình dưới đây:

Các ký hiệu OFDM được nhóm thành các khối tài nguyên. Các khối tài nguyên có tổng kích thước 180kHz trong miền tần số và 0,5ms trong miền thời gian. Mỗi khoảng thời gian truyền 1ms (TTI) bao gồm hai khe cắm (Tslot).

Mỗi người dùng được cấp phát một số khối tài nguyên được gọi là trong lưới time.frequency. Người dùng nhận được càng nhiều khối tài nguyên và điều chế được sử dụng trong các phần tử tài nguyên càng cao thì tốc độ bit càng cao. Khối tài nguyên nào và số lượng người dùng nhận được tại một thời điểm nhất định phụ thuộc vào cơ chế lập lịch nâng cao trong thứ nguyên tần suất và thời gian.

Các cơ chế lập lịch trong LTE tương tự như các cơ chế được sử dụng trong HSPA và cho phép hiệu suất tối ưu cho các dịch vụ khác nhau trong các môi trường vô tuyến khác nhau.

Ưu điểm của OFDM

Ưu điểm chính của OFDM so với các sơ đồ đơn sóng mang là khả năng đối phó với các điều kiện kênh khắc nghiệt (ví dụ, sự suy giảm của tần số cao trong một dây đồng dài, nhiễu băng hẹp và phai chọn tần số do đa đường) mà không cần các bộ lọc cân bằng phức tạp.
Việc cân bằng kênh được đơn giản hóa vì OFDM có thể được xem là sử dụng nhiều tín hiệu băng hẹp được điều chế chậm hơn là một tín hiệu băng rộng được điều chế nhanh.
Tỷ lệ ký hiệu thấp làm cho việc sử dụng khoảng bảo vệ giữa các ký hiệu hợp lý, giúp loại bỏ nhiễu giữa các ký hiệu (ISI).
Cơ chế này cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế mạng tần số đơn (SFN), trong đó một số máy phát lân cận gửi cùng một tín hiệu đồng thời ở cùng tần số, vì các tín hiệu từ nhiều máy phát ở xa có thể được kết hợp một cách xây dựng, thay vì gây nhiễu như thường xảy ra trong truyền thống hệ thống một sóng mang.

Mặt hạn chế của OFDM

Tỷ lệ cao nhất trên trung bình
Nhạy cảm với độ lệch tần số, do đó đối với dịch chuyển Doppler

Công nghệ SC-FDMA

LTE sử dụng phiên bản OFDM được mã hóa trước được gọi là Đa truy nhập phân chia theo tần số sóng mang đơn (SC-FDMA) trong đường lên. Điều này là để bù đắp cho một nhược điểm với OFDM thông thường, có Tỷ lệ công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) rất cao.

PAPR cao đòi hỏi các bộ khuếch đại công suất đắt tiền và không hiệu quả với yêu cầu cao về độ tuyến tính, điều này làm tăng chi phí của thiết bị đầu cuối và làm hao pin nhanh hơn.

SC-FDMA giải quyết vấn đề này bằng cách nhóm các khối tài nguyên lại với nhau theo cách làm giảm nhu cầu tuyến tính và tiêu thụ điện năng trong bộ khuếch đại công suất. PAPR thấp cũng cải thiện phạm vi bao phủ và hiệu suất cạnh tế bào.

Kỳ hạn	Sự miêu tả
3GPP	Dự án hợp tác thế hệ thứ 3
3GPP2	Dự án Đối tác Thế hệ thứ 3 2
ARIB	Hiệp hội các ngành và doanh nghiệp vô tuyến điện
ATIS	Liên minh các giải pháp công nghiệp viễn thông
AWS	Dịch vụ không dây nâng cao
CAPEX	Chi tiêu vốn
CCSA	Hiệp hội tiêu chuẩn truyền thông Trung Quốc
CDMA	Đa truy cập phân chia mã
CDMA2000	Phân chia mã đa truy cập 2000
THOA	Phát âm thanh kỹ thuật số
DSL	Đường dây thuê bao kỹ thuật số
DVB	Phát video kỹ thuật số
eHSPA	Truy cập gói tốc độ cao đã phát triển
ETSI	Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu
FDD	Song công phân chia tần số
FWT	Thiết bị đầu cuối không dây cố định
GSM	Hệ thống toàn cầu cho liên lạc di động
HSPA	Truy cập gói tốc độ cao
HSS	Máy chủ thuê bao tại nhà
IEEE	Viện Kỹ sư Điện và Điện tử
IPTV	Truyền hình giao thức Internet
LTE	Sự tiến hóa dài hạn
MBMS	Dịch vụ đa phương tiện phát sóng đa phương tiện
MIMO	Nhiều đầu vào Nhiều đầu ra
MME	Thực thể quản lý di động
NGMN	Mạng di động thế hệ tiếp theo
OFDM	Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
OPEX	Chi phí hoạt động
PAPR	Tỷ lệ công suất cao nhất trên trung bình
PCI	Kết nối thành phần ngoại vi
PCRF	Chức năng quy tắc tính phí và chính sách
PDSN	Nút phục vụ dữ liệu gói
PS	Gói đã chuyển
QoS	Chất lượng dịch vụ
ĐÃ CHẠY	Mạng truy cập vô tuyến
SAE	Kiến trúc hệ thống phát triển
SC-FDMA	Đa truy cập phân chia tần số sóng mang đơn
SGSN	Cung cấp nút hỗ trợ GPRS
TDD	Song công phân chia thời gian
TTA	Hiệp hội Công nghệ Viễn thông
TTC	Ủy ban Công nghệ Viễn thông
TTI	Khoảng thời gian truyền
UTRA	Truy cập vô tuyến mặt đất toàn cầu
UTRAN	Mạng truy cập vô tuyến mặt đất đa năng
WCDMA	Đa truy cập phân chia mã băng rộng
WLAN	Mạng lưới không dây khu vực địa phương