4G hệ thống thông tin di động của tương lai

Bắt đầu các dịch vụ mới dựa trên những khả năng mới Các dịch vụ cao cấp nhờ nâng cao phẩm chất, tính năng mạng Tốc độ truyền dẫn: 384 kbit/s Dung lượng hệ thống Chi phí Hệ thống trạm gốc

4G - Hệ thống thông tin di động của tương lai

KS Nguyễn Trung Kiên

I GIỚI THIỆU

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3G (Third-generation) được tiêu chuẩn hoá bởi IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000), bắt đầu được phát triển tại Nhật Bản vào tháng 10 năm 2001 Từ đó đến nay 3G đã phát triển một cách nhanh chóng và đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển các loại dịch vụ đa phương tiện trong đó phải kể đến dịch

vụ Video Với xu hướng phát triển như hiện nay, chúng ta tin rằng trong tương lai không xa thông tin di động sẽ đóng một vai trò quan trọng hơn nữa trong đời sống hàng ngày, và sử dụng điện thoại di động là một phần không thể thiếu của người dân trong mọi hoạt động Chính vì lý do này, thế hệ thông tin di động mới, thế hệ 4G, cần phải có những tính năng vượt trội hơn so với khả năng của IMT-2000 Nghiên cứu, nắm bắt và phát triển hệ thống thông tin di động 4G là một yêu cầu cần thiết hiện nay, phù hợp với xu thế phát triển chung của ngành viễn thông

Trong bài báo này, chúng tôi trình bày những nét cơ bản nhất liên quan đến những yêu cầu

về phẩm chất và khả năng của hệ thống 4G cần phải đáp ứng Đi kèm theo đó là những vấn

đề kỹ thuật và cấu hình hệ thống để đảm bảo những yêu cầu này

II CÁC YÊU CẦU VÀ MỤC TIÊU THIẾT KẾ HỆ THỐNG

II.1 Những yêu cầu

1 Thông tin băng rộng

Từ trước đến nay, lưu lượng trên mạng thông tin di động vẫn chủ yếu là lưu lượng thoại Hệ thống thế hệ 2G, hệ thống tế bào số cá nhân PDC (Personal Digital Cellular) đã giới thiệu các dịch vụ I-mode Những dịch vụ đang được phổ biến hiện nay như: truy cập Internet, thương mại điện tử, e-mail Những dịch vụ này chủ yếu là thông tin dữ liệu dựa trên văn bản qua mạng tế bào Hệ thống IMT-2000 đề xuất những dịch vụ tốc độ cao từ 64 đến 384 kbit/s,

và tỷ lệ lưu lượng số liệu trên thoại tăng lên Tuy nhiên, sự phát triển mạnh của các dịch vụ băng rộng như ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), các hệ thống truy nhập cáp quang, các mạng LAN cơ quan, gia đình đã làm tăng nhu cầu sử dụng các dịch vụ tương đồng của mạng thông tin di động

2 Chi phí thấp

Khi các dịch vụ băng rộng phát triển, các thuê bao có thể trao đổi rất nhiều loại thông tin với nhau, tuy nhiên họ lại không sẵn sảng trả một chi phí quá cao cho lượng thông tin trao đổi quá nhiều như vậy Vì vậy cần phải giảm giá cước của các dịch vụ xuống bằng hoặc thấp hơn giá cước của các dịch vụ hiện tại Hệ thống IMT-2000 đã giảm mức cước tính theo bít

và đưa ra các mức giá tương đối thấp, nhưng hệ thống 4G đòi hỏi một kênh băng thông rộng với mức giá thậm chí thấp hơn mức giá theo bit mà IMT-2000 đưa ra

3 Vùng phủ sóng rộng

Một trong những đặc tính của thông tin di động là có mặt khắp mọi nơi mọi lúc Những khả năng này cũng là một tiêu chí quan trọng cho sự phát triển của thông tin di động trong tương lai Khi một hệ thống mới đầu tiên được giới thiệu thì nói chung rất khó khăn trong việc cung cấp một vùng phủ sóng rộng như mạng hiện có, và khách hàng sẽ không mua các thiết bị đầu cuối mới nếu họ bị giới hạn vùng phủ sóng Những thiết bị có màn hình hiển thị lớn, như PDAs (Personal Digital Assistans) và máy tính cá nhân với khả năng kết nối không dây ngày càng được sử dụng phổ biến Gắn liền với những thiết bị này là các dịch vụ cao cấp và thường được sử dụng trong nhà, vì vậy chúng ta cần đưa ra các dịch vụ với vùng phủ sóng trong nhà tốt

4 Dịch vụ đa dạng và dễ sử dụng

Đối tượng sử dụng thụng tin di động rất đa dạng và rất khỏc nhau Trong tương lai, chỳng ta

hy vọng cú thể nõng cao phẩm chất và chức năng hệ thống để cú thể cung cấp nhiều loại hỡnh dịch vụ, khụng chỉ là cỏc dịch vụ thoại truyền thống mà cũn truyền cỏc thụng tin liờn quan đến tất cả năm giỏc quan của con người Và thuờ bao phải dễ dàng sử dụng cỏc dịch vụ này (dễ dàng cài đặt, dễ dàng kết nối, …)

II.2 Mục tiờu thiết kế

Mục tiờu thiết kế hệ thống để đỏp những yờu cầu trờn đõy được minh hoạ trờn Hỡnh 1 Coi thụng tin dữ liệu và video là dịch vụ chớnh, hệ thống 4G phải cung cấp tốc độ truyền dẫn cao hơn với dung lượng lớn hơn (cả về số lượng thuờ bao là lưu lượng) IMT-2000

Bắt đầu các dịch vụ mới dựa

trên những khả năng mới

Các dịch vụ cao cấp nhờ nâng

cao phẩm chất, tính năng mạng

Tốc độ truyền dẫn: 384 kbit/s

Dung lượng hệ thống

Chi phí

Hệ thống trạm gốc Thời gian trễ

y100 Mbit/s (tốc độ cao nhất của môi trường di động); 1Gbit/s (tốc độ tối đa của môi trường trong nhà) ygấp 10 lần hệ thống 3G y1/10 đến 1/100 trên bít yAll IP

y50 ms hoặc nhỏ hơn

Hạ tầng dịch vụ mới

- Triển khai nhanh các dịch vụ mới

- Dễ dàng triển khai các dịch vụ mới Kết nối và chuyển giao linh hoạt giữa nhiều hệ thống truy nhập

Hỡnh 1: Mục tiờu thiết kế hệ thống 4G

Hiện nay, coi tốc độ chớnh là chất lượng truyền dẫn, mạng LAN đạt được tốc độ từ 10 đến

100 Mbit/s, và tốc độ của mạng ADSL cũng đạt được 2-3 Mbit/s Mục tiờu thiết kế hệ thống thụng tin di động là đạt tốc độ xấp xỉ 100 Mbit/s đối với mụi trường ngoài trời và cỡ Gbit/s với mụi trường trong nhà Sẽ khụng cú chỗ cho mạng thụng tin di động thế hệ mới nếu khụng cú tốc độ lớn hơn ớt nhất 10 lần tốc độ hiện tại của IMT-2000 Để đảm thụng tin thời gian thực giữa cỏc thiết bị đầu cuối với nhau thỡ hệ thống mới cần phải giảm thời gian trễ truyền dẫn xuống dưới 50 ms Giả sử rằng cỏc dịch vụ trong tương lai sẽ dựa trờn truyền dẫn

IP (Internet Protocol), hiệu quả truyền dẫn gúi IP qua mạng vụ tuyến cũng cần phải tớnh đến

Hệ thống mới bờn cạnh việc nõng cao dung lượng truyễn dẫn phải đảm bảo được việc giảm chi phớ Chi phớ tớnh trờn 1 bớt truyền dẫn phải giảm xuống bằng 1/10 hoặc 1/100 mức chi phớ hiện tại bằng cỏch giảm chi phớ thiết bị hạ tầng, chi phớ hoạt động và chi phớ xõy dựng Mục tiờu thiết kế được đề cập trờn đõy tập trung vào những dịch vụ cú phẩm chất tốt hơn cỏc dịch

vụ hiện tại, và dễ dàng sử dụng Điều mà những nhà đi tiờn phong trong thị trường dịch vụ 4G cần phải lưu ý là khả năng tớch hợp hệ thống LAN khụng dõy trong nhà với hệ thống hữu tuyến và thực hiện triển khai cỏc dịch vụ mới trong thời gian ngắn

III Những vấn đề cơ bản trong cấu hỡnh hệ thống 4G

III.1 Những vấn đề kỹ thuật

Vấn đề kỹ thuật cần thiết đối với mạng thụng tin di động thế hệ 4G để đỏp ứng những yờu cầu được nờu ra ở phần trờn được trỡnh bày trờn hỡnh 2

1 Dung lượng lớn và tốc độ truyền dẫn cao

IMT-2000 đó triển khai đa truy nhập theo mó băng rộng WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) và đạt được tốc độ 2Mbit/s với băng tần cú độ rộng 5 MHz Ngày nay, việc phỏt triển kỹ thuật điều chế và giải điều chế thớch nghi đa lớp cho phộp tốc độ truyền dẫn đạt xấp xỉ 10 Mbit/s với cựng một băng tần sử dụng Để đạt được tốc độ truyền dẫn từ 100 Mbit/s đến 1 Gbit/s, chỳng ta cần phải sử dụng băng tần lớn hơn và cỏc hệ thống truyền dẫn mới phự hợp với truyền dẫn tốc độ cao Đối với thụng tin dữ liệu, chỳng ta sẽ cần hệ thống truy nhập vụ tuyến cú thể truyền dẫn gúi tin hiệu quả Tầm quan trọng của việc phủ súng trong nhà đó thỳc đẩy cỏc cụng nghệ phải phỏt triển theo hướng cú thể sử dụng cho cả mụi trường truyền súng trong nhà và ngoài trời Để cú được những băng tần rộng cho truyền dẫn tốc độ cao và đỏp ứng nhu cầu lưu lượng thoại đang tăng cao, chỳng ta phải quan tõm đến cỏc băng tần mới, và phỏt triển cỏc phần tử mạng cần thiết như cỏc bộ khuếch đại, cỏc bộ lọc

và tớnh toỏn suy hao truyền súng cho những băng tần này Cựng với đú việc nghiờn cứu phỏt triển cỏc giải phỏp sử dụng hiệu quả tài nguyờn phổ tần hạn chế cũng rất cần thiết

2 Chi phớ thấp hơn

Với cỏc cụng nghệ cấu hỡnh hệ thống thụng thường, nếu sử dụng một băng tần cao hơn để đạt được tốc độ truyền dẫn cao hơn sẽ làm giảm kớch thước cell, hay giảm vựng phủ súng của một trạm gốc Để vẫn giữ được vựng phủ súng rộng như trước đõy yờu cầu phải cú nhiều trạm gốc hơn và do đú làm tăng chi phớ mạng Để trỏnh được vấn đề này chỳng ta cần phải

mở rộng bỏn kớnh cell bằng cỏch sử dụng những phương phỏp truyền dẫn vụ tuyến phẩm chất cao hơn, cỏc kỹ thuật điều chế và giải điều chế cải tiến, dàn anten thớch nghi, cỏc bộ thu tạp õm thấp Xa hơn nữa, để giảm chi phớ xõy dựng và hoạt động mạng, chỳng ta phải nghiờn cứu thực hiện kết nối cỏc trạm gốc với mạng đường trục, cụng nghệ trạm gốc điều khiển độc lập và cỏc cụng nghệ kết nối vụ tuyến phõn lớp

Công nghệ anten và truyền dẫn tín hiệu

y Truyền dẫn tốc độ cao/điều chế và giải điều

chế phẩm chất tốt

y Dung lượng lớn, truy nhập gói quảng bá

y Anten dàn thích nghi

y FEC, ARQ, TPC phẩm chất cao

Cấu trúc mạng truy nhập và điều khiển

y Điều khiển gói IP/điều khiển phân bố mạng truy nhập vô tuyến RAN

y Điều khiên QoS truyền dẫn dữ liệu gói

y Điều khiển liên kết liền mạch với các mạng khác

Thiết kế quỹ đường truyền

và truyền dẫn sóng vô tuyến

y Truyễn dẫn vi ba

y Truyền dẫn quảng bá

y Truyễn dẫn trong nhà

RF circuit/EMC

y Khuếch đại hiệu suất cao

y Bộ nhận tạp âm thấp

y Softwave defined radio

y Microwave EMC

Các tuyến truy nhập

y Các tuyến vô tuyến quảng bá

y Mạng tích hợp quang/vô tuyến

FEC : Mã sửa lỗi trước ARQ :Yêu cầu phát lại tự động TPC : Điều khiển công suất RAN : Mạng truy nhập vô tuyến QoS : Chất lượng dịch vụ

RF : Tần số vô tuyến EMC : Tương thích điện từ trường

Hỡnh 2: Những vấn đề kỹ thuật liờn quan đến cụng nghệ vụ tuyến

3 Kết nối liờn mạng dựa trờn cụng nghệ IP

Một biện phỏp để cho những thuờ bao sử dụng hệ thống mới khụng gặp phải vấn đề về vựng phủ súng là phải đảm bảo cỏc thiết bị đầu cuối mới phải hỗ trợ để hoạt động trờn cả hệ thống

cũ và hệ thống mới Mặt khỏc, chỳng ta phải tớnh đến khả năng roaming quốc tế, một thiết bị đầu cuối phải được hỗ trợ để hoạt động trờn nhiều hệ thống nhờ sử dụng cụng nghệ SDR (Softwave Defined Radio) Với cụng nghệ này, thiết bị đầu cuối cú thể hoạt động trờn nhiều băng tần khỏc nhau của cỏc quốc gia và khu vực khỏc nhau Hơn nữa, mạng thụng tin di động trong tương lai phải tớch hợp với nhiều phương thức truy nhập khỏc nhau, với rất nhiều loại cell cú cỏc khả năng kết nối liờn mạng dựa trờn cụng nghệ IP Chớnh vỡ vậy, kết nối liờn

mạng và chuyển giao giữa cỏc hệ thống truy nhập là một yờu cầu cần thiết ngoài yờu cầu về khả năng chuyển giao và roaming nội bộ và giữa hai mạng thụng tin di động với nhau

III.2 Cấu hỡnh hệ thống

1 Cấu hỡnh hệ thống dựa trờn IP

Hệ thống 4G phải được cấu hỡnh để kết nối với mạng IP, truyền dẫn hiệu quả cỏc gúi IP, cựng tồn tại với cỏc hệ thống truy nhập khỏc, linh hoạt khi đưa vào khai thỏc, cú khả năng

mở rộng khi cần, … Cỏc mạng IP cũng cú thể kết nối dễ dàng hoặc phự hợp với cỏc hệ thống truy nhập vụ tuyến khỏc hơn cỏc hệ thống 4G Điểm truy nhập vụ tuyến 4G (4G-AP-4G Access Point) sẽ được kết nối với một bộ định tuyến truy nhập AR (Access Router) như trờn Hỡnh 3 4G-AP cú cỏc chức năng điều khiển truyền dẫn vụ tuyến, chuyển giao, … cho phộp cỏc thiết bị di động liờn lạc với nhau dựa trờn IP Cỏc 4G-AP sẽ được đặt tương ứng với cỏc cell của chỳng Khi một thiết bị di động di chuyển giữa cỏc cell, việc chuyển giao sẽ được thực hiện bằng chuyển mạch đơn giản giữa cỏc điểm truy nhập và cỏc vựng vụ tuyến nếu hai điểm 4G-AP kết nối với cựng một AR Nếu hai điểm 4G-AP thuộc hai AR khỏc nhau thỡ định tuyến truyền dẫn gúi tin trong mạng IP phải thay đổi tức thỡ Liờt kết hoạt động giữa chuyển mạch 4G-IP và định tuyến mạng IP đúng một vai trũ rất quan trọng đối với quỏ trỡnh chuyển giao Đối với chuyển giao giữa một 4G-AP và một AP của hệ thống khỏc, thiết bị di động phải cú chức năng truy nhập cả hai mạng Chuyển giao sẽ được thực hiện bằng việc theo dừi và so sỏnh giữa cỏc hệ thống khỏc nhau để lựa chọn được một hệ thống phự hợp

Cell di động

Cell ngoài trời

Cell trong nhà

Mạng truy nhập khác

Mạng truy nhập khác

Nối với mạng khác (Internet, …)

Mạng IP

AR : bộ định tuyến truy nhập 4G-AP : điểm truy nhập vô tuyến 4G

MR : bộ định tuyến di động

Hỡnh 3: Cấu hỡnh hệ thống 4G

2 Phõn loại và cấu hỡnh cell theo mụi trường truyền dẫn

Hệ thống 4G cú cell ở ngoài trời, trong nhà, trong phương tiện di chuyển, như trờn Hỡnh 3 Những cell ngoài trời cú vựng phủ súng rộng, cho phộp cỏc thiết bị đầu cuối đang di chuyển với tốc độ cao trao đổi thụng tin với tốc độ cao Vựng phủ trong nhà được thực hiện bởi cỏc indoor AP Cỏc Indoor AP được thiết kế khụng chỉ giỳp trao đổi thụng tin tốc độ cao và hoạt động đơn giản mà cũn đỏp ứng những yờu cầu của một mạng LAN vụ tuyến tương lai Ngoài

ra, cỏc cell trong phương tiện giao thụng di chuyển như xe buýt, tầu hoả (được gọi là cỏc cell/mạng di động) được phục vụ bởi một bộ định tuyến di động MR (Mobile Router) MR

cú chức năng chuyển tiếp tớn hiệu giữa trạm gốc và thiết bị đầu cuối trờn phương tiện, nờn những thiết bị đầu cuối này khụng liờn lạc trực tiếp với trạm gốc như thụng thường Cấu hỡnh này được thiết kế để đạt được hiệu quả về cụng suất phỏt của thiết bị đầu cuối, tốc độ truyền dẫn, độ lớn của tớn hiện điều khiển Kết nối multi-hop đa chặng, một phương phỏp hiệu quả

để mở rộng kớch thước cell sẽ được nghiờn cứu như là một cỏch để giải quyết vấn để cỏc

“điểm chết” gõy ra bởi hiệu ứng “búng” Truyền dẫn dữ liệu qua trạm chuyển tiếp được thực

hiện ngay cả khi bị giới hạn về công suất phát của thiết bị đầu cuối và suy hao truyền sóng lớn

3 Thông tin đa phương tiện

Những mạng IP trước đây chủ yếu cung cấp các dịch vụ dạng TCP, nhưng với các ứng dụng thời gian thực mà được dự báo là sẽ phát triển mạnh trong tương lai như thông tin đa phương tiện thì vấn đề QoS (Quality of Service) của dịch vụ rất quan trọng và cần phải được chú ý Cấu hình hệ thống 4G cho phép truyền dẫn với tốc độ cao, hoạt động liên kết với các mạng

IP trong khi vẫn phải đảm bảo được QoS của truyền dẫn gói

Tr¹m gèc Nhµ cao tÇng

Th«ng tin trùc tiÕp bÞ ch¾n bëi

nhµ cao tÇng

Th«ng tin trùc tiÕp kh«ng thÓ thùc hiÖn ®−îc do kho¶ng c¸ch lín h¬n ph¹m vi phñ sãng cña single-hop

Hình 4: Liên lạc thông qua các kết nối multi-hop

V Kết luận

Hệ thống thông tin di động 4G đã và đang được nghiên cứu ở nhiều nơi trên thế giới Với mục đích giới thiệu những nét cơ bản nhất về hệ thống thông tin di động trong tương lai, hệ thống 4G, bài báo đã trình bày những đặc điểm cũng như những yêu cầu cơ bản của hệ thống Bên cạnh đó, chúng tôi đề cập đến những vấn đề kỹ thuật liên quan trong việc cấu hình hệ thống 4G để đáp ứng những yêu cầu nêu trên

Tài liệu tham khảo

[1] http://www.itu.int/home/imt.html

[2] F ADACHI and M UESUGI, Latest Trends in CDMA Technology, IEICE Journal,

Vol 86, No 2, pp 96-102, 2003

[3] K UEHARA, K ARAKI, and M UMEHIRA, Trends in Research and Development

of Software Defined Radio, NTT Technical Review, Vol 1, No 4 pp 10-14, 2003 [4] A Fujiwara, S Takeda, H Yoshino, T Otsu, and Y Yamao, System Capacity Expansion Effect of Multi-hop Access in a Broadband CDMA Cellular System, IEICE

Trans B, Vol J85-B, No 12, pp 2073-2079, 2002

[5] T OTSU, The Challenge of Systems beyond IMT-2000—approach from wireless,

ITU Journal, Vol 33, No 3, pp 26-30, 2003

[6] http://www.mitf.org/index_e.html

[7] http://www.wireless-world-research.org/

[8] http://www.ambient-networks.org/

[9] https://www.ist-winner.org/