NGUYỄN CẢNH MINH Bộ môn Kỹ thuật Viễn thông Khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo dành cho việc nghiên cứu tổng quan các công nghệ sử dụng cho hệ thốn
Trang 1CHUYỂN TIẾP CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
TỪ THẾ HỆ 3 SANG THẾ HỆ THỨ 4
TS NGUYỄN CẢNH MINH
Bộ môn Kỹ thuật Viễn thông Khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Bài báo dành cho việc nghiên cứu tổng quan các công nghệ sử dụng cho hệ
thống 4G, các tham số cơ bản của hệ thống 4G và lộ trình phát triển hệ thống thông tin di
động lên 4G
Summary: This paper introduces an overview of technologies, the basic parameters
applied in 4G system and the evolution of mobile communication system to 4G
I GIỚI THIỆU CHUNG
Mặc dù các mạng 3G có đủ các tham số cần thiết nhằm cung cấp các dịch vụ tiên tiến,
nhưng công nghệ không dây tương lai đã đặt nền móng cho một thế hệ mới, mà hiện nay gọi là
Công nghệ 4G cần phải duy trì các dịch vụ đa phương tiện tương tác, hội nghị truyền hình
và internet không dây, có độ rộng băng tần lớn hơn, và rõ ràng có vận tốc truyền và tính di động
toàn cầu cao hơn Các tính năng này không có ở hệ thống 3G Phân tích đã cho thấy hệ thống
4G sẽ cho giả cả rẻ hơn so với 3G, do nó được xây dựng trên cơ sở mạng hiện có và không mất
chi phí lớn khi chuyển đổi thiết bị [1, 2]
II CÁC CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG CHO HỆ THỐNG 4G
Trên hình 1 đưa ra các công nghệ mới, mà ảnh hưởng lớn đến hệ thống 4G, có mặt trên thị
trường di động trong những năm gần đây
Hình 1 Các công nghệ sử dụng trong hệ thống 4G
Trang 2Hệ thống 4G sẽ từng bước sử dụng các công nghệ mới hiện có như:
♦ OFDM WLAN (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) - mạng LAN không dây, sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
♦ DVB-T - truyền hình quảng bá số mặt đất;
♦ UWB - công nghệ truyền băng siêu rộng;
♦ TD-SCDMA(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access) - công nghệ
đa truy nhập phân chia theo mã đồng bộ - phân chia theo thời gian;
♦ Smart antennas - ăng ten thông minh;
♦ BLAST - công nghệ ghép kênh phân chia theo không gian, nghiên cứu ở phòng thí nghiệm Bella (Mỹ);
♦ Software radio - Radio phần mềm;
♦WAP - Giao thức ứng dụng vô tuyến: truy nhập di động vào internet;
♦ Turbo-code - mã turbo;
♦ Bluetooth - công nghệ Bluetooth;
♦ Satellites - các vệ tinh;
♦ Micro-fuel cells - Pin nhiên liệu nhỏ;
CT 2
♦ All-IP - Công nghệ toàn IP;
♦ Optical Wireless - công nghệ liên lạc kết hợp sợi quang và vô tuyến;
♦ Ad-hoc - công nghệ truyền số liệu (cho mạng phi thực thể Ad-hoc)
III CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG 4G
Hệ thống 4G đảm bảo tốc độ truyền số liệu đến 100Mb/s Trong hội thảo lần thứ 8 diễn ra
ở Tokio, ITU-R đã đạt được thỏa thuận về tiến trình phát triển là các hệ thống viễn thông di động sẽ được thống nhất với các hệ thống khác, ví dụ như với mạng nội vùng không dây và đến năm 2010 sẽ đạt vận tốc truyền dữ liệu 100Mb/s
Điểm cơ bản quan trọng nhất của hệ thống 4G là ở chỗ nó đảm bảo “sự chuyển đổi” tự do giữa các chuẩn khác nhau, giữa các mạng máy tính, giữa các mạng thông tin, giữa các hệ thống
vệ tinh, giữa các người sử dụng hình ảnh - âm thanh, …, sử dụng các công nghệ mới và các thuật ngữ mới
Đồ thị trên hình 2 cho thấy tốc độ truyền số liệu ở các công nghệ viễn thông khác nhau
Trang 3Hình 2 Tốc độ truyền số liệu ở các công nghệ viễn thông
Broadband RLANs - Mạng LAN vô tuyến băng rộng
Bluetooth - Công nghệ không dây mới cho mạng nội bộ ở dải tần 2,4 GHz
Infrared (IrDA) - chuẩn IRDA cho truyền số liệu bằng hồng ngoại
Future Very High-Speed RLANs - mạng LAN vô tuyến tốc độ truyền rất cao trong tương lai
Hệ thống 4G với các đặc điểm then chốt như:
• Đủ tập hợp các hệ thống và thiết bị đa dạng khác nhau;
• Có nhiều ưu thế liên lạc máy - máy;
CT 2
• Đưa ra các dịch vụ đa dạng;
• Đa dạng các giao thức di động, băng tần và chất lượng dịch vụ QoS;
• Tính bảo mật và an toàn;
• Các giao diện vô tuyến và mạng động hơn;
• Sử dụng phổ hiệu quả và có ích hơn
Trong bảng 1 đưa ra các tham số cơ bản của hệ thống 4G Các tham số này đến thời điểm
hoàn thiện hệ thống 4G có thể thay đổi, nhưng nó minh họa rõ sự khác nhau giữa hệ thống 3G
và 4G
Bảng 1 Các tham số cơ bản của hệ thống 4G
Sơ đồ đa truy nhập MC-CDMA (OFDM sử dụng CDMA)
hoặc OFDM
Sửa lỗi trực tiếp,
không yêu cầu truyền lặp lại Các sơ đồ mã hóa chuỗi
Vận tốc di chuyển lớn nhất 200 km/giờ
Tốc độ truyền số liệu Mbit/s
Cao
Cố định
Thấp
Khả năng di động
Trang 4Tốc độ truyền số liệu, yêu cầu cho hệ thống 4G, có thể đạt được nhờ sơ đồ W-OFDM Sơ
đồ mạng nội vùng với ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Wi-LAN's Wideband Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Đây là sơ đồ cho phép truyền đồng thời các dòng số liệu tốc độ lớn được mã hóa ở các tần số cao Điều này cho phép đảm bảo tính an toàn ở mức cao, tăng dung lượng số liệu được phát và sử dụng hiệu quả hơn dải tần được cấp phát W-OFDM dựa trên chuẩn IEEE 802.11a, là chuẩn cơ bản của IEEE 802.16 Công nghệ W-W-OFDM hiên nay sử dụng các mạng nội vùng dải rộng không dây WLAN
Nó phù hợp sử dụng với các mạng nhiều điểm công suất nhỏ, tránh được sự ảnh hưởng giữa các mạng kề nhau Điều này giúp các kênh độc lập có thể làm việc trong giới hạn băng tần, cho phép các mạng nhiều điểm và các mạng trục chính dạng điểm - điểm làm việc trong cùng một dải tần
Phương pháp OFDM thay đổi các tần sóng mang theo thời gian cho phép điều khiển hiệu quả chất lượng và các vận tốc truyền số liệu Khả năng này đã được xem xét cho các thiết bị di động 3G Hệ thống OFDM chia kênh theo thời gian TDD với 512 sóng mang TDD và dải kênh 5Mhz đã được xem xét Nó cho phép nhận tốc độ truyền số liệu 8Mb/s trong các áp dụng cố định và đến 1Mb/s trong các áp dụng di động
Để đáp ứng các yêu cầu mới đưa ra cần các hệ thống băng rộng với độ rộng băng tần lớn hơn đáng kể so với hệ thống 3G Băng tần cho hệ thống 4G sẽ là 2-8GHz với độ rộng băng tần
từ 5-20MHz
Độ rộng băng tần, dành cho thông tin di động không dây, không thể đồng đều và hiệu quả nếu thiếu triển khai các sơ đồ đa truy nhập mới Một điều quan trọng là không làm mất tính tương thích giữa các hệ thống CDMA 2G và 3G hiện có cũng như với mạng đa truy nhập dải rộng BRAN (Broadband Access Networks), sử dụng OFDM
CT 2
Một trong các sơ đồ đưa ra là sơ đồ FS/MC DS-CDMA Nó chia tất cả các băng tần thành các băng tần con, mà mỗi băng tần con có sóng mang riêng Để sử dụng đồng đều và hiệu quả các tài nguyên tần số của hệ thống bộ chuyển đổi tần số nhanh chậm được sử dụng Không yêu cầu các băng sóng con như nhau, nhằm cho phép đưa ra các sóng mang con cho các hệ thống dải hẹp như IS - 95 hoặc cho các hệ thống CDMA với nhiều sóng mang Số các sóng mang đủ lớn và được xác định bằng tập các hệ số mở rộng phổ
Dãy các băng tần được chia cho các hệ thống điển hình Đồng thời cũng đảm bảo sự tương thích với hệ thống đa truy nhập dải rộng BRAN và các hệ thống không cần cấp phép Dãy các kênh con với các hệ số mở rộng dải tần thay đổi có thể sử dụng cho các dịch vụ khác nhau,với các yêu cầu vận tốc truyền thấp hoặc rất cao, điều này cần thiết ví dụ như khi truy nhập không dây vào internet
Một khả năng khác cho các hệ thống đa truy nhập sử dụng hiệu quả băng tần được chia - là
sử dụng công nghệ LAS (Large AreaSynchronization) - CDMA Công nghệ này cho phép sử dụng việc truyền số liệu trong băng tần đến 5,53 MHz và nhiều người có thể sử dụng đồng thời Công nghệ này là hợp nhất của công nghệ CDMA và TDD Khi này không cần băng tần bổ
Trang 5sung khi thêm các dịch vụ truyền số liệu và tiếng mới Công nghệ đưa ra tương thích với công
nghệ IS-95, IS-41 và các hệ thống không dây GSM
LAS-CDMA sử dụng các công nghệ mới mã hóa thông minh và mở rộng phổ, khắc phục
nhược điểm giao thoa trong cũng như giữa các ô liền kề Sơ đồ LAS mở rộng phổ và mã hóa
giảm sự giao thoa bằng cách thống nhất 2 mức mã hóa, gọi là mã LA và mã LS Sử dụng việc
truyền các mã thông minh giúp hệ thống LAS-CDMA tối ưu hóa phổ, điều này cho phép nâng
cao hiệu quả thu Ngoài ra thực hiện việc tách số liệu và tiếng nói cũng là biện pháp nâng cao
hiệu quả
IV LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LÊN 4G
Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G được chỉ ra trên hình 3:
♦ HSPA (High Speed Packet Data) - giai đoạn 3G+: gọi chung của hai công nghệ truy
nhập HSDPA (truy nhập gói đường xuống tốc độ cao) và HSUPA (truy nhập gói đường lên tốc
độ cao) HSDPA có thể cung cấp tốc độ lên đến 10Mbps Nó tăng dung lượng đường xuống
bằng cách thay thế điều chế QPSK trong 3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA Hoạt động
trên cơ sở kết hợp ghép kênh theo thời gian (TDM) với ghép kênh theo mã và sử dụng thích ứng
đường truyền Nó cũng đưa ra một kênh điều khiển riêng để đảm bảo tốc độ truyền dẫn số liệu
Các kỹ thuật tương tự cũng được áp dụng cho đường lên trong chuẩn HSUPA
♦ LTE (Long Term Evolution) hay Super-3G - giai đoạn đầu của 4G: trong giai đoạn này
tốc độ số liệu đạt được 30-100Mbps với băng thông 20MHz
CT 2
♦ IMT-Adv (IMT tiên tiến) - giai đoạn phát triển của 4G: Đây là thời kỳ tiếp sau của LTE
Tốc độ số liệu đạt được từ 100 đến 1000 Mbps và băng thông 100MHz
Hình 3 Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G
Trang 6V KẾT LUẬN
Với các dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao ngày các trở nên phổ biến, nhu cầu của hệ thống 3G cũng như phát triển nó lên 4G ngày càng trở nên cấp thiết với các nước trên thế giới cũng như Việt nam Trong giai đoạn đầu của 4G tốc độ số liệu đạt được 30-100Mbps với băng thông 20MHz Tiếp sau thời kỳ phát triển của 4G với tốc độ từ 100 đến 1000 Mbps và băng thông 100MHz
Tài liệu tham khảo
[1] А М Шлома, М Г Бакулин, Б В Крейинделин, А П Шумов, “Новые алгоритмы
Формирования и обработки сигналов в системах подвижной связи”, Изд “Горячая линия”, 2008
[2] Nguyễn Phạm Anh Dũng: “Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G”, Học viện Công nghệ
BCVT, 12/2008♦
CT 2
