Kiến trúc mạng LTE

Kiến trúc mạng LTE được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ hoàn toàn chuyển mạch gói với tính di động linh hoạt, chất lượng dịch vụ cao và độ trễ tối thiểu. Với một thiết kế phẳng hơn, đơn giản hơn, chỉ với 2 nút cụ thể là nút B (eNodeB) và phần tử quản lý di động (MME/GW). Phần điều khiển mạng vô tuyến RNC được loại bỏ khỏi đường dữ liệu và chức năng của nó được thực hiện trong các eNodeB.

Hình 1 mô tả kiến trúc và thành phần mạng LTE chỉ có một E-UTRAN. Kiến trúc của mạng về cơ bản được chia làm 4 phần chính: thiết bị người sử dụng (User Equipment); mạng truy cập vô tuyến E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Access Network); mạng lõi gói phát triển EPC (Evolved Packet Core); và các mạng ngoài.

Hình 1. Kiến trúc hệ thống mạng LTE chỉ có E-UTRAN.

UE, E-UTRAN và EPC đại diện cho các giao thức mạng IP ở lớp kết nối. Chúng được gọi là hệ thống gói phát triển (EPS). Chức năng chính của lớp nay là cung cấp kết nối dựa trên nền tảng IP, tất cả các nút chuyển mạch và các giao diện được nhìn thấy trong kiến trúc 3GPP trước đó không có mặt trong E-UTRAN và EPC.

Sự phát triển của R-UTRAN tập trung vào nút B phát triển (eNodeB). Tất cả các chức năng vô tuyến kết thúc ở đó, tức là eNodeB là điểm kết thúc cho tất cả các giao thức vô tuyến có liên quan. E-UTRAN chỉ đơn giản là một mạng lưới của các eNodeB kết nối với nhau thông qua giao diện X2. Các eNodeB kết nối trực tiếp với mạng lõi EPC thông qua giao diện S1.

Mỗi eNodeB hỗ trợ các tính năng liên quan đến các quá trình lớp vật lý khi truyền phát và nhận thông qua các giao diện vô tuyến như: điều chế, giải điều chế; mã hóa kênh và giải mã hóa.

Ngoài ra eNodeB còn có những tính năng bổ xung thay cho các bộ kiếm soát trạm gốc trong mạng UTRAN trước đó. Ví dụ như: kiểm soát tài nguyên vô tuyến, quản lý tính di động vô tuyến, các giao thức lớp 2 về giao diện vô tuyến...

Một trong những thay đổi lớn trong kiến trúc mạng LTE là trong khu vực mạng lõi EPC không chứa các chuyển mạch kênh, và không có kết nối trực tiếp với các mạng chuyển mạch truyền thống như ISDN hay PSTN.

Mạng lõi EPC bao gồm các thực thể chức năng như: thực thể quản lý di động MME (Mobility Management Entity), máy chủ thuê bao lân cận HSS, cổng dịch vụ S-GW, cổng dữ liệu gói P-GW, chức năng tính toán chi phí và các chính sách dịch vụ PCRF.

MME chịu trách nhiệm về những tính năng trong mặt phẳng kiểm soát, liên quan tới việc quản lý các thuê bao và các phiên truyền dẫn. Nó hỗ trợ các phương thức bảo mật liên quan tới việc xác minh người sử dụng; xử lý các phiên truyền dẫn giữa thiết bị đầu cuối và mạng truy cập; quản lý các thiết bị rảnh rỗi.

HSS là sự kết hợp của HLR (Home Location Register) và AUC (Authentication Center), 2 khối chức năng đã xuất hiện trong các mạng 2G/GSM và 3G/UMTS.

Phần HLR của HSS có nhiệm vụ lưu trữ và cập nhật khi cần thiết cơ sở dữ liệu chứa tất cả các thông tin đăng ký của người sử dụng, bao gồm: thông tin nhận dạng người sử dụng và địa chỉ, thông tin chi tiết của người sử dụng (trạng thái hoạt động, chất lượng gói dịch vụ…).

Phần AUC của HSS có nhiệm vụ tạo ta những thông tin bảo mật từ chuỗi nhận dạng người sử dụng. Thông tin bảo mật này cung cấp cho HLR và xa hơn là thông tin đến các thực thể khác của mạng. Thông tin bảo mật này được sử dụng chủ yếu cho: việc xác minh qua lại các thiết bị mạng, mã hóa đường truyền dẫn vô tuyến, đảm bảo dữ liệu và tín hiệu báo hiệu được truyền giữa mạng và thiết bị người sử dụng không bị nghe trộm hay xâm nhập.

Phần tử SAE GW là sự kết hợp của cổng dịch vụ (S-GW) và cổng mạng dữ liệu gói (P-GW).

Cổng dịch vụ S-GW là một điểm đầu cuối của giao diện dữ liệu gói hướng đến mạng truy cập E-UTRAN. Khi các thiết bị người sử dụng di chuyển giữa các eNodeB trong mạng truy cập E-UTRAN, thì S-GW đóng vai trò như những điểm trung chuyển (chuyển giao). Nó cũng là điểm trung chuyển giữa mạng truy cập E-UTRAN với các mạng truy cập cũ hơn như 2G/GSM, 3G/UMTS.

Cũng giống như S-GW, P-GW là điểm đầu cuối của giao diện dữ liệu gói nhưng hướng tới các mạng dữ liệu gói bên ngoài (Packet Data Networks). P-GW hỗ trợ các tính năng về chính sách dịch vụ cũng như lọc các gói dữ liệu và hỗ trợ tính phí…

Máy chủ PCRF quản lý các chính sách dịch vụ và gửi thông tin về chất lượng dịch vụ cho mỗi phiên người sử dụng và các thông tin về quy tắc tính toán. PCRF là sự kết hợp của 2 nút chức năng PDF (The Policy Decision Function) và CRF (The Charging Rules Function). PDF là thực thể mạng có nhiệm vụ đưa ra những chính sách dịch vụ. Vai trò của CRF là cung cấp các quy tắc tính phí áp dụng cho từng dòng dữ liệu phục vụ. CRF chọn lựa những quy tắc tính phí chính xác dựa trên thông tin cung cấp từ P-CSCF, cũng như bộ nhận dạng ứng dụng, loại dòng tín hiệu (audio, video…), tốc độ dữ liệu…

Thiết bị người sử dụng thường là những thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh, laptop, máy tính bảng, hay một thẻ dữ liệu như mọi người vẫn sử dụng trong mạng 2G, 3G…