Phân tích và đánh giá hiệu năng của chuyển giao dọc cho các mạng vô tuyến thế hệ sau

Để giải quyết vấn đề đó, sự phát triển của công nghệ và các chuẩn ra đời nhằm thay thế các chuyển giao kết nối mới với việc cho phép những thiết bị di động nằm trong cự li truyền dẫn có

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

-
 -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA

CHUYỂN GIAO DỌC CHO CÁC MẠNG VÔ TUYẾN THẾ HỆ

SAU

HỌC VIÊN: TRẦN MẠNH CƯỜNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

-
 -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA

CHUYỂN GIAO DỌC CHO CÁC MẠNG VÔ TUYẾN THẾ HỆ

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể các thầy, cô giáo của Viện Đại Học Mở Hà Nội đã tận tình chỉ bảo tôi trong suốt thời gian học tập tại nhà trường Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo, Tiến sĩ Hồ Khánh Lâm, người đã trực tiếp hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi và tận tình chỉ bảo cho tôi trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp

Bên cạnh đó, để hoàn thành luận văn này, tôi cũng đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, những lời động viên quý báu của các bạn bè, các anh chị thân hữu, tôi xin hết lòng ghi ơn

Tuy nhiên, do thời gian hạn hẹp, mặc dù đã nỗ lực hết sức mình, nên luận văn khó tránh khỏi thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự thông cảm và chỉ bảo tận tình của quý thầy cô và các bạn

HỌC VIÊN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của TS Hồ Khánh Lâm Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây

Những dữ liệu, bảng biểu phục vụ cho việc nghiên cứu, phân tích được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Hà Nội, tháng 09 năm 2015

Tác giả luận văn

Trần Mạnh Cường

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN I LỜI CAM ĐOAN II

KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH IX

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU KỸ THUẬT CHUYỂN GIAO CỦA MẠNG VÔ TUYẾN THẾ HỆ SAU 3

1.1 Xu hướng công nghệ 3

1.2 Cấu trúc mạng 6

1.2.1 Kiến trúc chung của mạng 4G 6

1.2.2 Điểm nhấn trong mạng 4G 9

1.3 Các công nghệ mạng 4G 12

1.3.1 UMB (Ultra Mobile Broadband) 12

1.3.2 WiMAX (IEEE 802.16m) 12

1.3.3 LTE (Long-Term Evolution) 14

1.3.4 So sánh công nghệ LTE với công nghệ WIMAX 15

1.4 Khái niệm chung về chuyển giao trong hệ thống kết nối di động 18

1.4.1 Giới thiệu 18

1.4.2 Các thủ tục và phép đo đạc chuyển giao 19

1.4.3 Các kiểu chuyển giao 19

1.5 Chuyển giao trong hệ thống thông tin di động 4G 22

1.5.1 Chuyển giao ngang (horizontal handoff) 22

1.5.2 Chuyển giao dọc (vertical handover) 23

Kết luận chương 1 27

CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM VÀ YÊU CẦU CỦA CHUYỂN GIAO DỌC 28

2.1 Tổng quan về chuyển giao (HO) 28

2.1.1 Tìm hiểu về chuyển giao 28

2.1.2 Trình tự của chuyển giao 29

2.2 Các kiểu chuyển giao 30

2.2.1 Chuyển giao cứng (HHO- Hard Handover) 30

2.2.2 Chuyển giao mềm (SHO-Soft handover) 32

2.2.3 Chuyển giao ngang (Horizontal handover) 34

2.2.4 Chuyển giao dọc (Vertical Handover) 34

2.4 Thuật toán cho quyết định chuyển giao 39

2.4.1 Các yếu tố quyết định thuật toán chuyển giao 39

2.4.2 Phân loại các loại thuật toán chuyển giao 40

2.4.3 Các loại thuật toán chuyển giao 43

Kết luận chương 2 45

CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU CÔNG CỤ MÔ PHỎNG MATLAB 46

3.1 Giới thiệu về Matlab 46

3.1.1 Giao diện chính của Matlab 46

3.1.2 M-file trong Matlab 49

3.1.3 Tổng hợp một số lệnh cơ bản 51

3.1.4 Simulink trong Matlab 52

3.2 Các công cụ tính toán trong Matlab 55

3.2.1 Biến, biểu thức và các hàm format 55

3.2.2 Ma trận 56

3.2.3 Structure, Optimization toolbox, Statistics toolbox, Probability Distributions, Descriptive Statistics, Statistical plotting, Linear model, 57

3.2.4 Phép so sánh, phép tính logic, Symbolic Math toolbox, Symbolic object 59

3.2.5 Đồ thị 60

Kết luận chương 3 66

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ CHUYỂN GIAO DỌC NHỜ SỬ DỤNG CÔNG CỤ MÔ PHỎNG 67

4.1 Mô phỏng bàn giao dọc giữa UMTS với WIFI bằng phần mềm Matlab 67

4.1.1 Giả thiết các yếu tố mô phỏng 67

4.1.2 Thuật toán chuyển giao 75

4.1.3 Code 79

4.2 Kết quả mô phỏng 90

Kết luận chương 4 97

KẾT LUẬN 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

BM-SC

BS

Center Base Station

broadcast/multicast Trạm gốc

ETSI

European Telecommunication Standards Institute

Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

Communications

Hệ thống truyền thông di động toàn cầu

KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

VIẾT TẮT TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT

Project Broadcast/Multicast Service

Tổ chức chuẩn hóa mạng di động thế hệ thứ 3

Trung tâm dịch vụ

IMT-2000

ITU

Telecommunications 2000 International

Telecommunications Union

Viễn thông di động quốc tế 2000 Hiệp hội viễn thông quốc tế

System

Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu

Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần

số trực giao

Channel

Kênh điều khiển đường xuống vật lý

PRACH

Physical Random Access

RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

RLC Radio Link Protocol Giao thức liên kết vô tuyến RNC Radio Network Controller Khối điều khiển mạng vô tuyến SC-FDMA

Single Carrier FDMA FDMA đơn sóng mang

SHO Soft Handover Chuyển giao mềm

SIR Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

Time Division Multiple Access

Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access

Hệ thống truyền thông truy nhập tổng hợp

Đa truy nhập phân chia theo mã

TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền dẫn

Transparent Mode (RLC

TM

Configuration) User Equipment, the 3GPP

UE

name for the mobile terminal

Chế độ trong suốt (cấu hình RLC)

Thiết bị người dùng, tên 3GPP đặt cho thiết bị đầu cuối di động

UL Uplink Đường lên

Telecommunications System Universal Terrestrial Radio

toàn cầu Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn

DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: So sánh LTE và WIMAX 17

Bảng 2.1: Bảng thông số giữa chuyển giao dọc và chuyển giao ngang 36

Bảng 2.2: Các loại thuật toán chuyển giao 40

Bảng 3.1: Các phép tính sử dụng trong Matlab 49

Bảng 3.2: Tổng hợp các lệnh cơ bản sử dụng trong phần mô phỏng chuyển giao 51

Bảng 4.1: Các thông số multipath fading để đo lường và định lượng 73

Bảng 4.2: Các thông số của Dopper 75

DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc mạng di động 4G [3] 6

Hình 1.2: Khả năng chuyển đổi trong mạng [3] 8

Hình 1.3: Truy nhập phân chia theo tần số trực giao [4] 11

Hình 1.4: Hệ thống anten MIMO [1] 12

Hình 1.5: Sơ đồ phát triển của công nghệ WiMax 13

Hình 1.6: Kiến trúc của mạng LTE [5] 15

Hình 1.7: Lộ trình phát triển của LTE và các công nghệ khác 16

Hình 1.8: So sánh giữa chuyển giao cứng và mềm [8] 21

Hình 1.9: Chuyển giao ngang [14] 23

Hình 1.10: Chuyển giao dọc [6] 23

Hình 1.11: Chuyển giao giữa LTE và 3G [2] 24

Hình 1.12: Các thủ tục chuẩn bị chuyển giao từ LTE sang 3G 25

Hình 1.13: Quá trình chuyển giao từ LTE sang 3G [2] 26

Hình 2.1: Mô hình chuyển giao theo quan điểm cũ [15] 28

Hình 2.2: Mô hình chuyển giao theo quan điểm mới [15] 28

Hình 2.3: Các trình tự của chuyển giao [9] 29

Hình 2.4: Ví dụ kiểu chuyển giao [7] 30

Hình 2.5: Quá trình chuyển giao cứng 30

Hình 2.7: Cơ chế của chuyển giao mềm 32

Hình 2.8: Cơ chế của chuyển giao mềm hơn [12] 33

Hình 2.9: Cơ chế của chuyển giao ngang WLAN TO WLAN 34

Hình 2.10: Cơ chế của chuyển giao dọc [13] 35

Hình 2.11: Chuyển giao dọc GPRS TO WLAN [1] 35

Hình 3.1: Màn hình khi khởi động Matlab [17] 47

Hình 3.2: Command history 48

Hình 3.3: Cửa sổ Workspace [11] 48

Hình 3.4: Cửa sổ Simulink Library 53

Hình 3.5: Cửa sổ xây dựng mô hình trong Simulink 54

Hình 3.6: Thao tác tạo các khối [14] 54

Hình 3.7: Nối tín hiệu 55

Hình 3.8: Đồ thị tạo ra bởi plot(x,y) 61

Hình 3.9: Empty figure 61

Hình 3.10: Dùng lệnh hold để vẽ chồng đồ thị [11] 62

Hình 3.11: Subplot 63

Hình 3.12: Đồ thị bar 63

Hình 3.13: Errorbar 64

Hình 3.14: Đồ thị pie 65

Hình 4.1: Kiến trúc mạng tích hợp UMTS và WIFI [3] 67

Hình 4.2: Kiến trúc đề xuất UMTS với WIFI 68

Hình 4.3: Sơ đồ trình tự quá trình bàn giao dọc từ WIFI sang UMTS 78

Hình 4.4: Sơ đồ trình tự quá trình bàn giao dọc từ UMTS sang WIFI 79

Hình 4.5: Giả thiết mô phỏng chuyển giao UMTS và WIFI 90

Hình 4.6: Cường độ tín hiệu RSS của mạng UMTS và WIFI với v = 20(km/h) 91

Hình 4.7: Cường độ tín hiệu RSS của mạng UMTS và WIFI với v = 50(km/h) 91

Hình 4.8: Cường độ tín hiệu RSS của mạng UMTS và WIFI với v = 80(km/h) 92 Hình 4.9: Bảng chuyển giao giữa UMTS và WIFI theo thời gian với v = 20(km/h)92

Hình 4.10: Bảng chuyển giao giữa UMTS và WIFI theo thời gian với v = 50(km/h) 93 Hình 4.11: Bảng chuyển giao giữa UMTS và WIFI theo thời gian với v = 80(km/h) 94 Hình 4.12: Cường độ tín hiệu RSS của mạng UMTS và WIFI đi ngược lại với v = 20(km/h) 95 Hình 4.13: Cường độ tín hiệu RSS của mạng UMTS và WIFI với v = 20(km/h) và dist = 500(m) 96 Hình 4.14: Bảng chuyển giao giữa UMTS và WIFI theo thời gian với v = 20(km/h)

và dist = 500(m) 96

LỜI NÓI ĐẦU

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

Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội Xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng lên và thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của nó Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ thế hệ di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triển trên thế giới - thế hệ 4

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 Các mạng di động cho phép người sử dụng có thể truy nhập các dịch vụ trong khi di chuyển , sự di động của các người sử dụng đầu cuối gây ra một sự biến đổi động cả trong chất lượng liên kết và mức nhiễu, người sử dụng đôi khi còn yêu cầu thay đổi trạm gốc phục vụ Quá trình này được gọi là chuyển giao Chuyển giao là một phần cần thiết cho việc xử lý sự di động của người sử dụng đầu cuối Nó đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ vô tuyến khi người sử dụng di động di chuyển qua ranh giới các ô tế bào Vì vậy quá trình chuyển giao trong mạng di động 4G là một vấn đề rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp tới QoS của mạng

Vì vậy, đề tài đã mạnh dạn nghiên cứu “Phân tích và đánh giá hiệu năng của chuyển giao dọc cho các mạng vô tuyến thế hệ sau”

Chương 4: Phân tích và đánh giá chuyển giao dọc nhờ sử dụng các công cụ

mô phỏng

Chương 1: TÌM HIỂU KỸ THUẬT CHUYỂN GIAO

CỦA MẠNG VÔ TUYẾN THẾ HỆ SAU

1.1 Xu hướng công nghệ

Ngày thông tin di động dựa trên nền tảng mạng không dây phát triển theo biểu đồ số mũ trong thập niên qua với những cơ sở hạ tầng và các ứng dụng rộng rãi như thiết bị vô tuyến, máy tính xách tay v v Những thiết bị này ngày càng trở nên quan trọng trong cuộc sống của chúng ta Một ví dụ cụ thể: người dùng có thể kiểm tra email và truy cập mạng Internet nhờ các thiết bị di động của họ Từ những thiết bị như máy tính xách tay, họ có thể tìm kiếm thông tin trong mạng Internet tại các địa điểm khác nhau như sân bay, nhà ga hay những nơi công cộng khác Các khách du lịch có thể sử dụng các thiết bị đầu cuối GPS đặt trong nhà hay trong ô tô

để định vị và thiết lập bản đồ đường đi Những hồ sơ, dữ liệu hoặc các thông tin khác có thể được trao đổi bởi các máy tính xách tay thông qua mạng LAN không dây (WLAN)

Không chỉ các thiết bị di động trở nên nhỏ hơn, rẻ hơn, tiện lợi hơn, mà các ứng dụng của nó cũng trở nên mạnh hơn và được áp dụng rộng rãi hơn

Theo khuynh hướng này thì hầu hết các kết nối những thiết bị vô tuyến được thực hiện thông qua các nhà cung cấp dịch vụ cố định dựa trên cơ sở hạ tầng mạng

cá nhân và các MSC trong mạng tế bào như vậy các máy tính xách tay có thể nối tới Internet không dây thông qua các điểm truy cập

Mặc dù những mạng có cơ sở hạ tầng đã cung cấp một lượng lớn các dịch vụ mạng cho các thiết bị di động nhưng nó mất rất nhiều thời gian để thiết lập cơ sở

hạ tầng mạng thích hợp với các dịch vụ của mạng di động và tất nhiên là giá thành

để thiết lập cơ sở hạ tầng này là rất cao Hơn nữa, thời điểm thiết lập là bất kỳ lúc nào khi có yêu cầu từ một thiết bị di động truy cập mạng mằm trong vùng phủ sóng Việc cung cấp các dịch vụ kết nối mạng đã đặt ra yêu cầu cần phải có một mạng di động đặc biệt

Để giải quyết vấn đề đó, sự phát triển của công nghệ và các chuẩn ra đời nhằm thay thế các chuyển giao kết nối mới với việc cho phép những thiết bị di động nằm trong cự li truyền dẫn có thể kết nối với nhau thông qua việc tự động thiết lập một mạng di động đặc biệt với tính linh hoạt cao Đây là khả năng thiết lập mạng động

Trong khi mạng không dây tiếp tục phát triển thì khả năng đặc biệt này trở nên quan trọng hơn Với các giải pháp công nghệ mà có thể là sử dụng các lớp khác nhau, các giải thuật và các nghi thức cần cho thao tác cầu hình mạng, tất cả đã thúc đẩy hình thành cấu trúc mạng di động 4G

Tính ưu việt của mạng 4G so với mạng 3G

3G và 4G phân loại công nghệ truyền thông không dây tiêu chuẩn nhất định và điểm chuẩn Trong quá trình tiến hóa của điện thoại di động, các tiêu chuẩn 3G và mạng 4G đã cách mạng hóa khả năng thế hệ tiếp theo của thuê bao điện thoại di động Cả hai tiêu chuẩn nhằm mục đích cung cấp tốc độ dữ liệu cao là yếu tố tối quan trọng cho các ứng dụng khác nhau sắp tới và nhu cầu của người sử dụng như

đa phương tiện, trực tuyến, hội nghị

Công nghệ truyền thông không dây 3G

Đây là thế hệ thứ ba của mạng di động đang hướng tới tốc độ dữ liệu cao cho các ứng dụng như gọi điện thoại video, video và âm thanh, hội nghị truyền hình và các ứng dụng đa phương tiện Có hai hợp tác tồn tại cụ thể là 3GPP và 3GPP2 sau này là một trong những tiêu chuẩn cho 3G dựa trên công nghệ CDMA Theo ITU (Liên minh Viễn thông quốc tế) các yêu cầu sau đây phải được đáp ứng bởi bất kỳ mạng được gọi là một mạng 3G như đề xuất bởi 3GPP

- Tốc độ truyền dữ liệu (xuống liên kết) 144Kbps tối thiểu cho việc di chuyển các thiết bị cầm tay và 384Kbps cho thiết bị cố định

- Về nhu cầu băng thông và truy cập internet băng thông rộng 2Mbps cũng theo quy định của 3GPP

Chính kỹ thuật đa truy nhập được sử dụng bởi các mạng 3G CDMA biến thể Đối với các mạng CDMA hiện có cho GSM sẽ tiếp tục sử dụng WCDMA (Wide band CDMA) sử dụng 5 MHz chiều rộng băng tần kênh có khả năng cung cấp 2Mbps tốc độ dữ liệu Ngoài ra công nghệ CDMA khác như CDMA2000, CDMA2000 1x EV-DO được sử dụng ở những nơi khác nhau trên toàn thế giới cho các mạng 3G

Công nghệ truyền thông không dây 4G

Đây là thế hệ tiếp theo của các mạng di động như được quy định bởi ITU và người tiền nhiệm của các mạng 3G Hiện nay có hai công nghệ đầy hứa hẹn đang

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) và LTE (Long Term Evolution) là những công nghệ đang được xem xét Thông số kỹ thuật sau đây cần phải được đáp ứng bởi bất kỳ mạng nào được coi là 4G:

- Tốc độ 100Mbps tốc độ dữ liệu trong môi trường di động và 1Gbps trong môi trường cố định

- Mạng lưới hoạt động trên các gói tin IP (Tất cả các mạng IP)

- Năng động kênh phân bổ kênh băng thông khác nhau từ 5MHz đến 20 MHz theo yêu cầu của ứng dụng

Sự khác nhau giữa công nghệ mạng 3G và 4G

1 Tốc độ tải dữ liệu 3G trong khoảng 2Mbps ở chế độ tĩnh trong khi các chi tiết kỹ thuật 4G nó phải là 1 Gbps và tốc độ môi trường di động tốc độ tải 3G khoảng 384Kbps và 100 Mbps trong mạng 4G

2 Kỹ thuật đa truy nhập được sử dụng ở 3G là CDMA và các biến thể của nó 4G cả hai công nghệ (LTE và WiMAX) sử dụng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) trong nhận dữ liệu

3 Trong đường lên LTE sử dụng SC-FDMA (Single Carrier FDMA) và

WiMAX tiếp tục sử dụng OFDMA trong khi mạng 3G sử dụng CDMA biến thể

các trình tiện ích

Các dữ liệu được hội tụ và VoIP

bào diện rộng

Hybrid – Tích hợp mạng LAN không dây (WiFi), Blue Tooth, Mạn diện rộng

Chuyển mạch Chuyển mạch hoặc

Hình 1.1: Cấu trúc mạng di động 4G

Kiến trúc này bao gồm một nhân mạng chung, nhân này được kết nối tới các phần khác nhau của mạng dây và mạng không dây

một thành phần chính của mạng GPRS GGSN đóng vai trò là mạng liên kết giữa mạng GPRS và các mạng chuyển mạch gói ngoài, nó cũng giống như mạng Internet

và mạng X25

Nó được kết nối với 2G qua SGSN tới BTS thông qua BSC (Kết nối hệ thống kinh doanh) SGSN (Serving GPRS Support Node) chịu trách nhiệm cho việc phân phát các gói dữ liệu từ và tới các trạm di động trong phân vùng địa lý mà nó cung cấp dịch vụ BTS (trạm thu phát vô tuyến) là một phần của thiết bị đó tạo điều kiện giao tiếp không dây giữa thiết bị người sử dụng (UE) và một mạng

Nó được kết nối với 3G qua SGSN đến Node B thông qua RNC Các mạng truy cập vô tuyến bao gồm các phần tử mạng mới, như là Node B và các bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNCs) Node B có thể so sánh với các trạm thu phát không dây trong mạng 2G RNC thay thế cho trạm điều khiển này, và cũng có thể được kết nối với các mạng khác như các mạng truy cập WLAN, Ad-hoc/PAN, mạng di động

và các giao thức như SIP (The Session Initiation Protocol) là một giao thức tín hiệu, được sử dụng rộng rãi để thiết lập và phân chia các phiên truyền thông đa phương tiện như thoại và video các cuộc gọi qua Internet

Các kiến trúc mạng 4G được thảo luận ở đây là dựa trên IPv6, hỗ trợ không ngừng cho các công nghệ truy cập khác nhau Di động là một vấn đề đáng kể trong môi trường, bởi vì sự chuyển giao giữa các công nghệ phải được hỗ trợ Ở đây, ta sử dụng Ethernet (802.3) để truy cập không dây, Wi-Fi (802.11b) để truy cập LAN không dây, và W-CDMA - giao diện vô tuyến của UMTS - để truy cập di động Với

sự đa dạng, di động không thể được xử lý một cách đơn giản bởi các tầng thấp hơn,

và nó cần phải được thực hiện tại tầng mạng Một cơ chế dựa trên IPv6 phải được

sử dụng để liên kết các mạng, và sẽ không có cơ chế chuyển đổi công nghệ bên trong, không trên mạng LAN không dây cũng không phải trên các công nghệ khác,

có thể được sử dụng Vì vậy, trên thực tế là không có các cơ chế được hỗ trợ trong các tế bào W-CDMA, nhưng thay vì cùng một giao thức IP hỗ trợ sự di chuyển giữa các tế bào Tương tự như vậy, các nút 802.11 chỉ trong chế độ BSS, và sẽ không tạo

ra một ESS: Tính linh động của IPv6 sẽ xử lý chuyển đổi giữa các tế bào

Hình 1.2: Khả năng chuyển đổi trong mạng

Hình minh họa một số trong những khả năng chuyển đổi trong mạng với một người sử dụng đang chuyển động Bốn vùng quản trị được thể hiện trong hình với các kiểu công nghệ truy cập khác nhau Mỗi vùng quản trị này được quản lý bởi một hệ thống AAC Tại ít nhất một mạng kiểm soát truy cập thực thể, có vai trò như các QoS Broker, được yêu cầu cho mỗi phân vùng mạng này Do các yêu cầu kiểm soát tất cả các dịch vụ từ nhà cung cấp dịch vụ, tất cả các chuyển đổi được xử lý một cách rõ ràng bởi các cơ sở hạ tầng quản lý thông qua các giao thức dưa trên IP, ngay cả khi chúng là những công nghệ bên trong, chẳng hạn như giữa hai điểm truy cập khác nhau trong chuẩn 802.11, hoặc giữa hai bộ điểu khiển mạng vô tuyến khác nhau trong WCDMA Tất cả các tài nguyên mạng được quản lý bởi các nhà cung cấp mạng, trong khi người dùng chỉ kiểm soát của nó tại mạng cục bộ, thiết bị đầu cuối, và các ứng dụng

Như vậy, các đối tượng chính trong hình trên là:

Một user - một người hoặc một công ty với một thỏa thuận mức độ dịch vụ (SLA) ký hợp đồng với một nhà điều hành một số các dịch vụ xác định

Một MT (Mobile Terminal) - một thiết bị đầu cuối từ thiết bị này người sử dụng sẽ truy cập các dịch vụ Khái niệm về mạng sẽ hỗ trợ thiết bị đầu cuối, nghĩa là một thiết bị đầu cuối có thể được chia sẻ giữa nhiều người dùng, mặc dù

AR (Access Router) - điểm kết nối vào mạng, mà có tên là RG (Radio Gateway) – truy cập không dây (WCDMA hoặc 802.11)

PA (Paging Agent) - đơn vị chịu trách nhiệm về định vị các MT khi nó đang ở trong "chế độ nhàn rỗi" trong khi có nhiều gói tin được gửi đến nó

QoS broker - tổ chức chịu trách nhiệm quản lý một hoặc nhiều ARS / AGS, kiểm soát người dung truy cập và các quyền truy cập theo thông tin được cung cấp bởi hệ thống AAAC

Hệ thống AAAC – Hệ thống xác thực, hệ thống cấp giấy phép, hệ thống tính toán và chịu trách nhiệm, chịu trách nhiệm quản lý cấp độ dịch vụ (bao gồm cả tính toán và chịu trách nhiệm) Trong bài báo cáo này, để đơn giản, các đơn vị đo được xem là một phần quan trọng của hệ thống AAAC này

NMS (Network Management System) - đơn vị chịu trách nhiệm quản lý, đảm bảo nguồn tài nguyên sẵn có trong nhân mạng, và việc quản lý và kiểm soát tổng thể toàn mạng

1.2.2 Điểm nhấn trong mạng 4G

4G được bắt đầu với giả thiết rằng mạng trong tương lai sẽ sử dụng kỹ thuật chuyển mạch gói (đây sự phát triển từ những giao thức đang được sử dụng trong mạng Internet hiện tại) Mạng di động 4G dựa trên nền tảng IP có những lợi thế cơ bản bởi vì IP thích hợp và độc lập với công nghệ truy cập vùng phủ sóng Điều

đó có nghĩa là mạng 4G được thiết kế và có thể phát triển độc lập từ những mạng truy cập

Chuyển mạch gói là công nghệ sử dụng phổ biến trong mạng máy tính Với chuyển mạch gói các gói tin chỉ được sử dụng khi mà thông tin được gửi đi Hiệu quả của việc sử dụng chuyển mạch gói cho phép các công ty sản xuất di động giảm thiểu tối đa băng thông đàm thoại Công nghệ 4G không còn sử dụng kỹ thuật chuyển mạch kênh với cả các cuộc gọi “voice calls” qua mạng và các cuộc gọi truyền hình Tất cả các thông tin truyền đi được đóng gói để đạt được tốc độ cao Chuyển mạch gói là một loại kĩ thuật gửi dữ liệu từ máy tính nguồn tới nơi nhận (máy tính đích) qua mạng dùng một loại giao thức thoả mãn 3 điều kiện sau:

 Dữ liệu cần vận chuyển được chia nhỏ ra thành các gói (hay khung) có kích thước (size) và định dạng (format) xác định

 Mỗi gói như vậy sẽ được chuyển riêng rẽ và có thể đến nơi nhận bằng các đường truyền (route) khác nhau Như vậy, chúng có thể dịch chuyển trong cùng thời điểm

 Khi toàn bộ các gói dữ liệu đã đến nơi nhận thì chúng sẽ được hợp lại thành dữ liệu ban đầu

Nhờ sử dụng kỹ thuật chuyển mạch gói nên các gói tin được truyền có các đặc điểm:

 Không cần phải hoàn tất một mạch liên tục nối từ máy gửi đến máy nhận Thay vào đó là các đường truyền dữ liệu giữa các bộ chuyển mạch (switcher) sẽ được thiết lập một cách tạm thời từng cặp một để làm trung gian vận chuyển (hay trung chuyển) các gói từ máy nguồn cho đến khi tới được địa chỉ máy nhận

 Các đoạn mạch nối trung chuyển cũng không cần phải thiết lập từ trước

mà chỉ cho đến khi có gói cần vận chuyển thì mới thành hình

 Trong trường hợp tắt nghẽn hay sự cố, các gói dữ liệu có thể trung chuyển bằng con đường thông qua các máy tính trung gian khác

 Dữ liệu vận chuyển bằng các gói sẽ tiết kiệm thời gian hơn là việc gửi trọn vẹn một dữ liệu cỡ lớn vì trong trường hợp dữ liệu thất lạc (hay hư hại) thì máy nguồn chỉ việc gửi lại đúng gói đã bị mất (hay bị hư) thay vì phải gửi lại toàn bộ dữ liệu gốc

Việc sử dụng một lõi mạng trên nền tảng IP cũng có nghĩa thoả mãn đa dịch vụ như tiếng nói dữ liệu hay được hỗ trợ bởi việc sử dụng một tập hợp VoIP với những giao thức như MEGACOP, MGCP, H.323 và SCTP Sự phát triển này giúp đơn giản hoá việc bảo trì các mạng riêng biệt nhau

Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing), OFDM là một dạng của điều chế sóng mang, làm việc theo nguyên tắc phân chia dòng bit truyền tại dải thông B thành nhiều dòng bit song song N với khoảng cách B/N (hình dưới) Mỗi dòng bit N

có tốc độ bit nhỏ hơn dòng bit ban đầu, nhưng tổng của chúng là một dòng bit có tốc độ rất cao Các sóng mang con trực giao N điều chế dòng bit song song, sau đó được tổng hợp lại trước khi truyền dẫn Một bộ phát OFDM chấp nhận dữ liệu từ

gửi tới bộ thu RF Mạch thu khôi phục lại dữ liệu bằng cách đảo chiều chu trình này Với các sóng mang con trực giao, bộ thu có thể tách biệt và xử lý mỗi sóng mang con mà không có nhiễu từ các sóng mang con khác Không bị pha đinh và trễ

đa đường như các công nghệ truyền dẫn khác

B Các sóng mang con Băng tần được ấn định

Hình 1.3: Truy nhập phân chia theo tần số trực giao

Anten thông minh (MIMO): Trong hệ thống anten MIMO (đa đầu vào, đa đầu ra), dòng số liệu từ một thiết bị đầu cuối được tách thành n dòng số liệu riêng biệt

có tốc độ thấp hơn (N là số anten phát) Mỗi dòng số liệu này sẽ được điều chế vào các symbol (tín hiệu) của các kênh truyền Các dòng số liệu này có tốc độ chỉ bằng 1/N tốc độ dòng số liệu ban đầu, được phát đồng thời, vì vậy, về mặt lý thuyết, hiệu suất phổ tần được tăng lên gấp N lần Các tín hiệu được phát đồng thời qua kênh vô tuyến trên cùng một phổ tần và được thu bởi M anten của hệ thống thu Hình sau

mô tả cấu trúc của hệ thống thông tin vô tuyến MIMO Hệ thống MIMO có hiệu suất sử dụng phổ tần cao bởi hệ thống có thể làm việc được trong môi trường phân tán Tín hiệu từ các anten phát hoàn toàn khác biệt nhau tại vị trí của các anten thu Khi truyền qua các kênh không tương quan giữa hệ thống phát và thu, tín hiệu từ mỗi anten phát tại vị trí thu có sự khác nhau về tham số không gian Hệ thống máy thu có thể sử dụng sự khác biệt này để tách các tín hiệu có cùng tần số được phát đồng thời từ các anten khác nhau

Khối

xử lý tín hiệu … …

……

S 5

Hình 1.4: Hệ thống anten MIMO 1.3 Các công nghệ mạng 4G

1.3.1 UMB (Ultra Mobile Broadband)

UMB (Mạng thông tin di động siêu băng rộng) là thế hệ mạng thông tin di động tiếp nối của CDMA2000 được phát triển bởi 3GPP2 mà chủ lực là Qualcomm UMB được sánh ngang với công nghệ LTE của 3GPP UMB sử dụng OFDMA, MIMO, đa truy cập phân chia theo không gian cũng như các kỹ thuật angten hiện đại để tăng khả năng của mạng, tăng vùng phủ và tăng chất lượng dịch vụ UMB có thể cho tốc độ dữ liệu đường xuống tới 280Mbit/giây và dữ liệu đường lên tới 75Mbit/giây

1.3.2 WiMAX (IEEE 802.16m)

WiMAX 802.16m (hay còn gọi là WiMAX II) được phát triển từ chuẩn IEEE 802.16e, là công nghệ duy nhất trong các công nghệ tiền 4G được xây dựng hoàn toàn dựa trên công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA (kỹ thuật đa truy cập vào kênh truyền OFDM) Công nghệ WiMAX II sẽ hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên tới 100 Mb/s cho các ứng dụng di động và có thể lên tới 1Gb/s cho các người dùng tĩnh Khoảng cách truyền của WiMAX II là khoảng 2 km ở môi trường thành thị và khoảng 10 km cho các khu vực nông thôn

WiMAX là tên thông dụng thường dùng để chỉ công nghệ truy nhập không dây băng rộng sử dụng giao diện của chuẩn IEEE 802.16 Gần đầy WiMAX đã được ITU-R chính thức công nhận là một chuẩn 3G trong họ IMT-2000 Điều này có ý nghĩa rất lớn đối với tương lai của WiMAX vì nó sẽ thúc đẩy sự triển khai rộng

khắp của WiMAX, đặc biệt trên băng tần 2.5-2.69GHz, để cung cấp dịch vụ Internet băng rộng, bao hàm cả VoIP và nhiều dịch vụ thông qua kết nối Internet Trong họ IEEE 802.16 nổi bật nhất là chuẩn 802.16e-2005 với khả năng đáp ứng cả các ứng dụng cố định cũng như các dịch vụ di động, nên còn được gọi là WiMAX di động Chuẩn này đã và đang được thử nghiệm ở nhiều nước Hiện tại, WiMAX di động "Wave 2" dùng 2 ăng-ten phát và 2 ăng-ten thu đã cho tốc độ tối

đa tầm 75Mbps Bên cạnh đó, nhóm làm việc IEEE 802.16 đang phát triển phiên bản 802.16j trong đó nghiên cứu triển khai các trạm relay (tiếp sức) bên cạnh các trạm phát sóng BS để sử dụng kênh truyền một cách hiệu quả, tăng tốc độ truyền dẫn và mở rộng vùng phủ sóng

Nhóm IEEE 802.16 cũng đang nghiên cứu phiên bản 802.16m với mục đích đẩy tốc độ dữ liệu của WiMAX lên hơn nữa trong khi vẫn tương thích với WiMAX

cố định và di động đã và đang được triển khai Phiên bản này theo dự kiến sẽ được hoàn thiện vào cuối năm 2009, như là một bước tiến để vượt trội hơn LTE Phiên bản 802.16m sẽ vẫn dựa trên kỹ thuật ăng-ten MIMO trên nền công nghệ đa truy nhập OFDMA với số lượng ăngten phát và thu nhiều hơn WiMAX di động « Wave

2 » 802.16m trang bị 4 ăng-ten phát và 4 ăng-ten thu sẽ có thể đẩy tốc độ truyền lên lớn hơn 350Mbps Theo dự kiến, WiMAX Release 2 với sự hoàn thiện của 802.16m

sẽ hoàn thành vào cuối năm 2009 và có thể bắt đầu triển khai dịch vụ từ 2010 (xem hình sau)

Hình 1.5: Sơ đồ phát triển của công nghệ WiMax

Nói tới WiMax, người ta có thể nghĩ tới rất nhiều giải pháp thay thế mà công nghệ này có thể mang lại Đó chính là khả năng thay thế đường xDSL giúp tiếp cận nhanh hơn các đối tượng người dùng băng rộng mà không cần phải đầu tư lớn Đặc biệt WiMAX rất hữu ích để cung cấp dịch vụ băng thông rộng ở những vùng xa xôi

mà giải pháp ADSL hoặc cáp quang là rất tốn kém Bên cạnh các dịch vụ cố định, WiMAX còn cung ứng các dịch vụ di động giống như những dịch vụ của mạng 3G: thoại VoIP, internet di động, TV di động…

1.3.3 LTE (Long-Term Evolution)

Long Term Evolution - Sự tiến hóa trong tương lai xa LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối Đặc tả kỹ thuật cho LTE đang được hoàn tất

và dự kiến sản phẩm LTE sẽ ra mắt thị trường trong 2 năm tới Các mục tiêu của công nghệ này là:

 Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz:

Tải xuống: 100 Mbps; Tải lên: 50 Mbps

 Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1 MHz

so với mạng HSDPA Rel 6:

Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần; Tải lên: gấp 2 đến 3 lần

 Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0 – 15 km/h Vẫn hoạt động tốt với tốc độ từ 15 – 120 km/h Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120 – 350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng tần)

 Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, giảm chút ít trong phạm vi đến 30km Từ 30 – 100 km thì không hạn chế

Hình 1.6: Kiến trúc của mạng LTE

 Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng 1.25 MHz, 1.6 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không

Để đạt được mục tiêu này, sẽ có rất nhiều kỹ thuật mới được áp dụng, trong đó nổi bật là kỹ thuật vô tuyến OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần số trực giao),

kỹ thuật anten MIMO (Multiple Input Multiple Output - đa nhập đa xuất) Ngoài ra

hệ thống này sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP (all-IP network), và hỗ trợ cả 2 chế độ FDD và TDD

1.3.4 So sánh công ngh ệ LTE với công nghệ WIMAX

Về công nghệ, LTE và WiMax có một số khác biệt nhưng cũng có nhiều điểm tương đồng Cả hai công nghệ đều dựa trên nền tảng IP Cả hai đều dùng kỹ thuật MIMO để cải thiện chất lượng truyền/nhận tín hiệu, đường xuống từ trạm thu phát đến thiết bị đầu cuối đều được tăng tốc bằng kỹ thuật OFDM hỗ trợ truyền tải dữ liệu đa phương tiện và video Theo lý thuyết, chuẩn WiMax hiện tại (802.16e) cho tốc độ tải xuống tối đa là 70Mbps, còn LTE dự kiến có thể cho tốc độ đến 300Mbps Tuy nhiên, khi LTE được triển khai ra thị trường có thể WiMax cũng sẽ được nâng cấp lên chuẩn 802.16m (còn được gọi là WiMax 2.0) có tốc độ tương đương hoặc cao hơn

Hình 1.7: Lộ trình phát triển của LTE và các công nghệ khác

Đường lên từ thiết bị đầu cuối đến trạm thu phát có sự khác nhau giữa 2 công nghệ WiMax dùng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access – một biến thể của OFDM), còn LTE dùng kỹ thuật SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access) Về lý thuyết, SC-FDMA được thiết kế làm việc hiệu quả hơn và các thiết bị đầu cuối tiêu thụ năng lượng thấp hơn OFDMA LTE còn có ưu thế hơn WiMax vì được thiết kế tương thích với cả phương thức TDD (Time Division Duplex) và FDD (Frequency Division Duplex) Ngược lại, WiMax hiện chỉ tương thích với TDD (theo một báo cáo được công bố đầu năm nay, WiMax Forum đang làm việc với một phiên bản Mobile WiMax tích hợp FDD) TDD truyền dữ liệu lên và xuống thông qua 1 kênh tần số (dùng phương thức phân chia thời gian), còn FDD cho phép truyền dữ liệu lên và xuống thông qua

2 kênh tần số riêng biệt Điều này có nghĩa LTE có nhiều phổ tần sử dụng hơn WiMax Tuy nhiên, sự khác biệt công nghệ không có ý nghĩa quyết định trong cuộc chiến giữa WiMax và TLE

Bảng 1.1: So sánh LTE và WIMAX

RAN1

802.16E/MOBILE WIMAX R1

802.16M/MOBILE WIMAX R2

2,6GHz

2,3GHz, 2,5GHz, 3,3-3,8GHz

2,3GHz, 2,5GHz, 3,3-3,8GHzTốc độ tối đa

Thời thế đổi thay, nhận thấy lợi thế của LTE, một số nhà khai thác mạng đã cân nhắc lại việc triển khai WiMax và đã có nhà khai thác quyết định từ bỏ con đường WiMax để chuyển sang LTE, đáng kể trong số đó có hai tên tuổi lớn nhất tại

Mỹ là AT&T và Verizon Wireless Theo một khảo sát do RCR Wireless News và Yankee Group thực hiện gần đây, có đến 56% nhà khai thác di động chọn LTE, chỉ

có 30% đi theo 802.16e Khảo sát cho thấy các nhà khai thác di động ở Bắc Mỹ và Tây Âu nghiêng về LTE, trong khi các nước mới phát triển (đặc biệt là ở khu vực châu Á - Thái Bình Dương) thì ủng hộ WiMax

Nhiều hãng sản xuất thiết bị đi nước đôi, một mặt tuyên bố vẫn ủng hộ WiMax, mặt khác lại dốc tiền đầu tư cho LTE Ngay như Intel, đầu tàu hậu thuẫn WiMax, cũng “thay đổi” Cả Siavash M Alamouti, giám đốc kỹ thuật Wireless Mobile Group và Sean Maloney, giám đốc tiếp thị của Intel, trong các phát biểu gần đây đều cho rằng WiMax có thể “hoà hợp” với LTE

Trong cuộc đua 4G, WiMax và LTE hiện là hai công nghệ sáng giá nhất Liệu hai công nghệ này có thể cùng tồn tại độc lập hay sẽ sát nhập thành một chuẩn chung Hiệu năng của WiMax và LTE tương đương nhau, do vậy việc quyết định hiện nay phụ thuộc vào yếu tố sẵn sàng và khả năng thâm nhập thị trường

1.4 Khái niệm chung về chuyển giao trong hệ thống kết nối di động

1.4.1 Gi ới thiệu

Các mạng di động cho phép người sử dụng có thể truy nhập các dịch vụ trong khi di chuyển nên có thuật ngữ “tự do” cho các thiết bị đầu cuối Tuy nhiên tính “tự do” này gây ra một sự không xác định đối với các hệ thống di động Sự di động của các người sử dụng đầu cuối gây ra một sự biến đổi động cả trong chất lượng liên kết

và mức nhiễu, người sử dụng đôi khi còn yêu cầu thay đổi trạm gốc phục vụ Quá trình này được gọi là chuyển giao

Chuyển giao là một phần cần thiết cho việc xử lý sự di động của người sử dụng đầu cuối Nó đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ vô tuyến khi người sử dụng di động di chuyển từ qua ranh giới các ô tế bào

Trong các hệ thống tế bào thế hệ thứ nhất như AMPS, việc chuyển giao tương đối đơn giản Sang hệ thống thông tin di động thế hệ 2 như GSM thì có nhiều cách đặc biệt hơn bao gồm các thuật toán chuyển giao được kết hợp chặt chẽ trong các hệ thống này và trễ chuyển giao tiếp tục được giảm đi Khi đưa ra công nghệ CDMA, một ý tưởng khác được đề nghị để cải thiện quá trình chuyển giao được gọi là chuyển giao mềm Với hệ thống 3G và 4G thì quá trình chuyển giao đã trở lên khá phức tạp, bao gồm chuyển giao giữa các trạm BTS trong cùng 1 mạng, chuyển giao giữa các công nghệ mạng, chuyển giao giữa các tần số Chuyển giao có thể được thực hiện bởi nhà mạng, thiết bị đầu cuối, người sử dụng

1.4.2 Các th ủ tục và phép đo đạc chuyển giao

Thủ tục chuyển giao có thể chia thành 3 pha: Đo đạc, quyết định, và thực thi chuyển giao

Trong pha đo đạc chuyển giao, các thông tin cần thiết để đưa ra quyết định chuyển giao được đo đạc Các thông số cần đo thực hiện bởi máy thường là tỷ số Ec/I02 (Ec: là năng lượng kênh hoa tiêu trên một chip, và I0: là mật độ phổ công suất nhiễu tổng thể) của kênh hoa tiêu chung (CPICH) của cell đang phục vụ máy di động đó và của các cell lân cận Đối với các kiểu chuyển giao xác định, cần đo các thông số khác Trong mạng không đồng bộ UTRA FDD (WCDMA ), các thông số định thời liên quan giữa các cell cần được đo để điều chỉnh việc định thời truyền dẫn trong chuyển giao mềm để thực hiện việc kết hợp thống nhất trong bộ thu Rake Mặt khác, sự truyền dẫn giữa các BS khác nhau sẽ khó để kết hợp, đặc biệt là hoạt động điều khiển công suất trong chuyển giao mềm sẽ phải chịu ảnh hưởng của trễ

bổ sung

Trong pha quyết định chuyển giao, kết quả đo được so sánh với các ngưỡng đã xác định và sau đó sẽ quyết định có bắt đầu chuyển giao hay không Các thuật toán khác nhau có điều kiện khởi tạo chuyển giao khác nhau

Trong pha thực thi, quá trình chuyển giao được hoàn thành và các thông số liên quan được thay đổi tuỳ theo các kiểu chuyển giao khác nhau Chẳng hạn như, trong pha thực thi của chuyển giao mềm, máy di động sẽ thực hiện hoặc rời bỏ trạng thái chuyển giao mềm, một BS mới sẽ được bổ sung hoặc giải phóng, tập hợp các

BS đang hoạt động sẽ được cập nhật và công suất của mỗi kênh liên quan đến chuyển giao mềm được điều chỉnh

1.4.3 Các ki ểu chuyển giao

Chuyển giao bên trong hệ thống xuất hiện trong phạm vi một hệ thống Nó có thể chia nhỏ thành chuyển giao bên trong tần số (Intra-frequency HO) và chuyển giao giữa các tần số (Inter- frequency HO) Chuyển giao trong tấn số xuất hiện giữa các cell thuộc cùng một sóng mang WCDMA, còn chuyển giao giữa các tần số xuất hiện giữa các cell hoạt động trên các sóng mang WCDMA khác nhau

Kiểu chuyển giao này xuất hiện giữa các cell thuộc về 2 công nghệ truy nhập

vô tuyến khác nhau (RAT) hay Các chế độ truy nhập vô tuyến khác nhau (RAM)

Trường hợp phổ biến nhất cho kiểu đầu tiên dùng để chuyển giao giữa các hệ thống WCDMA và GSM/EDGE Chuyển giao giữa 2 hệ thống CDMA cũng thuộc kiểu này

HHO là một loại thủ tục chuyển giao trong đó tất cả các liên kết vô tuyến cũ của một máy di động được giải phóng trước khi các liên kết vô tuyến mới được thiết lập Đối với các dịch vụ thời gian thực, thì điều đó có nghĩa là có một sự gián đoạn ngắn xảy ra, còn đối với các dịch vụ phi thời gian thực thì HHO không ảnh hưởng

gì Chuyển giao cứng diễn ra như là chuyển giao trong cùng tần số và chuyển giao ngoài tần số

Chuyển giao mềm chỉ có trong công nghệ CDMA So với chuyển giao cứng thông thường, chuyển giao mềm có một số ưu điểm Tuy nhiên, nó cũng có một số các hạn chế về sự phức tạp và việc tiêu thụ tài nguyên tăng lên Việc quy hoạch chuyển giao mềm ban đầu là một trong các phần cơ bản của của việc hoạch định và tối ưu mạng vô tuyến

Nguyên lý chuyển giao mềm:

Chuyển giao mềm khác với quá trình chuyển giao cứng truyền thống Đối với chuyển giao cứng, một quyết định xác định là có thực hiện chuyển giao hay không

và máy di động chỉ giao tiếp với một BS tại một thời điểm Đối với chuyển giao mềm, một quyết định có điều kiện được tạo ra là có thực hiện chuyên giao hay không Tuỳ thuộc vào sự thay đổi cường độ tín hiệu kênh hoa tiêu từ hai hay nhiều trạm gốc có liên quan, một quyết định cứng cuối cùng sẽ được tạo ra để giao tiếp với duy nhất 1 BS Điều này thường diễn ra sau khi tín hiệu đến từ một BS chắc chắn sẽ mạnh hơn các tín hiệu đến từ BS khác Trong thời kỳ chuyển tiếp của chuyển giao mềm, MS giao tiếp đồng thời với các BS trong tập hợp tích cực (Tập hợp tích cực là danh sách các cell hiện đang có kết nối với MS)

Hình 1.8: So sánh giữa chuyển giao cứng và mềm

Trong suốt quá trình chuyển giao mềm, một máy di động đồng thời giao tiếp với cả 2 hoặc nhiều cell ( đối với cả 2 loại chuyển giao mềm) thuộc về các trạm gốc khác nhau của cùng một bộ điều khiển mạng vô tuyến (intra-RNC) hoặc các bộ điều khiển mạng vô tuyến khác nhau (inter-RNC) Trên đường xuống (DL), máy di động nhận các tín hiệu để kết hợp với tỷ số lớn nhất Trên đường lên (UL), kênh mã di động được tách sóng bởi cả 2 BS (đối với cả 2 kiểu SHO), và được định tuyến dến

bộ điều khiển vô tuyến cho sự kết hợp lựa chọn Hai vòng điều khiển công suất tích cực đều tham gia vào chuyển giao mềm: mỗi vòng cho một BS Trong trường hợp chuyển giao mềm hơn, một máy di động được điều khiển bởi ít nhất 2 sector trong cùng một BS, RNC không quan tâm và chỉ có một vòng điều khiển công suất hoạt động Chuyển giao mềm và chuyển giao mềm hơn chỉ có thể xảy ra trong một tần số sóng mang, do đó chúng là các quá trình chuyển giao trong cùng tần số

Các đặc điểm của chuyển giao mềm:

So với phương thức chuyển giao cứng truyền thống, chuyển giao mềm có

những ưu điểm rõ ràng, như loại trừ hiệu ứng “ping-pong” và tạo ra sự liên tục

trong truyền dẫn (không có ngắt quãng trong chuyển giao mềm) Không có hiệu ứng

”ping-pong” có nghĩa là tải trong báo hiệu mạng thấp hơn và trong chuyển giao

mềm, thì không có suy hao dữ liệu do truyền dẫn bị ngắt như trong chuyển giao cứng

Tất cả các chuyển giao nói trên có thể qui về hoặc là chuyển giao cùng công nghệ: là chuyển giao giữa các mạng có sử dụng cùng công nghệ như WLAN sang WLAN hay UMTS sang UMTS hoặc là chuyển giao khác công nghệ là chuyển giao giữa các mạng có sử dụng công nghệ khác nhau như WLAN sang UMTS và ngược lại và do đó trên thiết bị di động phải có các giao diện khác nhau cho từng loại công nghệ Chuyển giao ngang là chuyển giao cùng công nghệ, còn chuyển giao dọc có thể là chuyển giao cùng hay khác công nghệ

Để có thể sử dụng trong thực tế thì mọi quá trình chuyển giao phải thỏa mãn các các yêu cầu sau:

 Chuyển giao liên tục: quá trình chuyển giao phải xảy ra mà không có tổn thất (gói dữ liệu) hoặc có rất ít và phải có độ trễ thấp

 Sự thay đổi về giao thức cũng như bổ sung thêm các thành phần là chấp nhận được (dựa trên nền tảng giao thức và thiết bị đang phổ biến hiện nay)

và không làm ảnh hưởng đến các hoạt động mạng bình thường khác

1.5 Chuyển giao trong hệ thống thông tin di động 4G

Mạng 4G là 1 mạng được biết đến với nhiều công nghệ mạng khác nhau, bởi vậy ta có thế khái quát Quá trình một thiết bị di động (điện thoại di động, máy tính xách tay, hay pda …) đang kết nối vào mạng mà thay đổi điểm kết nối (từ mạng này sang mạng khác) gọi là quá trình chuyển giao (handover hay handoff) Trong mạng thông tin di động 4G Có nhiều loại chuyển giao khác nhau, chủ yếu chia thành hai loại sau đây:

1.5.1 Chuy ển giao ngang (horizontal handoff)

Là quá trình chuyển giao chỉ ảnh hưởng đến lớp kết nối (lớp hai) mà không làm thay đổi địa chỉ IP (nằm ở lớp ba) Ví dụ như khi thiết bị di động di chuyển

Hình 1.9: Chuyển giao ngang

1.5.2 Chuy ển giao dọc (vertical handover)

Quá trình chuyển giao làm ảnh hưởng đến cả lớp kết nối và lớp mạng được gọi

là chuyển giao dọc Quá trình chuyển giao này có thể làm thay đổi địa chỉ IP của thiết bị Ví dụ: thiết bị di động có thể di chuyển giữa các điểm truy nhập thuộc quyền quản lý của các Router truy nhập khác nhau, hay thiết bị di động có thể di chuyển giữa hai mạng thuộc về hai nhà cung cấp khác nhau, hay thiết bị di động có thể di chuyển khỏi vùng phủ sóng của 1 mạng WLAN và đi vào vùng phủ sóng của

1 mạng di động: GPRS hoặc UMTS mà hai mạng này được quản lý bởi các nhà cung cấp khác nhau

Hình 1.10: Chuyển giao dọc

Ta sẽ xét quá trình chuyển giao giữa mạng LTE và 3G

Hình 1.11: Chuyển giao giữa LTE và 3G

Quá trình chuẩn bị chuyển giao được thực hiện trước khi chuyển đổi hệ thống, bao gồm các công việc như bảo vệ các nguồn tài nguyên trên mạng đích thông qua quá trình xử lý giữa các hệ thống truy nhập vô tuyến Khi chuyển giao xảy ra, để giảm thiểu thời gian xử lý chỉ các đường dẫn cần thiết mới được chuyển đổi, chức năng chuyển tiếp dữ liệu được sử dụng để tránh mất các gói tin được chuyển đến trước thời điểm chuyển giao

Các bước chuẩn bị thực hiện chuyển giao từ LTE sang 3G:

Hình 1.12: Các thủ tục chuẩn bị chuyển giao từ LTE sang 3G

Bước 1: Thiết bị đầu cuối sẽ gửi một báo cáo chất lượng sóng của các trạm cơ

sở và các thông tin khác cho các eNodeB Dựa trên các thông tin trên ENodeB sẽ quyết định bàn giao, xác định các trạm cơ sở và RNC để chuyển sang, và bắt đầu chuẩn bị chuyển giao

Bước 2-3: eNodeB gửi yêu cầu chuyển giao tới MME, chỉ ra RNC cho hệ thống truy cập vô tuyến đích MME xác định các SGSN kết nối với RNC đich và gửi kiểm soát truyền thông và thông tin khác nhận được từ eNodeB tới SGSN trong một bản tín yêu cầu chuyển tiếp vị trí, chứa các thông tin cần thiết để cấu hình các đường dẫn giữa S-GW và SGSN, được sử dụng để truyền dữ liệu sau khi MME đã hoàn tất quá trình chuyển giao

Bước 4-5: SGSN chuyển các yêu cầu kết nối của eNodeB đến RNC RNC thực hiện việc xử lý cấu hình sóng radio dựa trên các thông tin nhận được và trả lời SGSN

Bước 6: SGSN gửi một bản tin trả lời chuyển tiếp vị trí tới MME để thông báo thủ tục tái định cư đã hoàn thành Tín hiệu này cũng bao gồm các dữ liệu do SSGN tạo ra, cấu hình kết nối giữa S-GW và SGSN, được sử dụng để chuyển tiếp dữ liệu Bước 7 - 8: MME gửi một yêu cầu thiết lập đường hầm chuyển dữ liệu gián tiếp đến S-GW, thông báo các thông tin nó vừa nhận được từ SSGN Từ những

thông tin mà S-GW nhận được, nó thiết lập đường thông tin liên lạc từ S-GW đến SGSN để chuyển tiếp dữ liệu và gửi một bản tin trả lời đến MME

Thông qua quá trình chuẩn bị bàn giao này, tài nguyên truy nhập mạng vô tuyến 3G đã sẵn sàng, sóng mang truy nhập giữa SGSN và RNC đã được cấu hình,

và đường dẫn chuyển tiếp dữ liệu từ S-GW đến SGSN được cấu hình xong

Các thủ tục thực hiện chuyển giao từ LTE sang 3G

Hình 1.13: Quá trình chuyển giao từ LTE sang 3G

Bước 1-2: Khi quá trình chuẩn bị chuyển giao được hoàn thành, MME gửi một lệnh chuyển giao cho eNodeB Khi nhận được tín hiệu này, eNodeB sẽ gửi một lệnh chuyển giao từ LTE cho thiết bị đầu cuối để chuyển đổi các hệ thống vô tuyến Lưu

ý khi eNodeB nhận được lệnh chuyển giao từ MME, nó bắt đầu chuyển tiếp các gói

dữ liệu nhận được từ S-GW Sau đó, các gói tin được đi theo đường dẫn: S-GW, eNodeB, S-GW, SGSN, RNC

Bước 3-6: Thiết bị đầu cuối chuyển sang 3G và khi đường truyền được hoàn thiện cấu hình, một thông báo kết nối với 3G sẽ được truyền từ thiết bị đầu cuối đến RNC, từ RNC đến SGSN và từ SGSN MME Bằng cách này, MME có thể thực hiện Bước (10) mô tả dưới đây để giải phóng tài nguyên eNodeB sau một khoảng thời gian định trước

Bước 7: MME chuyển bản tin xác nhận hoàn thành quá trình chuyển tiếp tới SGSN Sau 1 khoảng thời gian từ khi nhận được tín hiệu này SGSN sẽ giải phóng các tài nguyên liên quan đến chuyển tiếp dữ liệu

Bước 8: SGSN gửi một yêu cầu chuyển đổi sóng mang tới S-GW thay đổi đường thông tin liên lạc trước khi bàn giao, giữa S-GW và eNodeB, giữa S-GW và SGSN Tín hiệu này có chứa các thông tin cần thiết để cấu hình đường đi từ S-GW SGSN Khi S-GW nhận được tín hiệu này, nó sẽ cấu hình một đường thông tin từ S-

GW tới SGSN Bằng cách này, đường thông tin liên lạc sẽ đi từ: S-GW, SGSN, RNC, thiết bị đầu cuối, và quá trình truyền dữ liệu cho hệ thống truy cập vô tuyến 3G bắt đầu Lưu ý rằng sau thời điểm này, dữ liệu chuyển tiếp không còn cần thiết,

do đó, S-GW gửi một gói tin đến các eNodeB với một "Marker End" đính kèm, và khi eNodeB nhận được gói tin này, nó giải phóng các tài nguyên của mình liên quan đến dữ liệu chuyển tiếp

Bước 9 - 10: S-GW gửi một bản tin trả lời về việc sửa đổi sóng mang tới SGSN, chỉ ra thủ tục chuyển giao đã hoàn thành MME cũng giải phóng các tài nguyên của eNodeB mà không còn cần thiết

Thông qua thủ tục chuyển giao, dữ liệu được chuyển tiếp trong quá trình chuyển giao, việc chuyển đổi sóng mang truy nhập được hoàn thành, và con đường thông tin liên lạc từ P-GW thiết bị đầu cuối được cập nhật Trong ví dụ này, tôi mô

tả các thủ tục bàn giao giữa các hệ thống truy cập 3GPP, trong đó S-GW không thay đổi, nhưng chuyển giao với S-GW di chuyển cũng có thể được Trong những trường hợp này, P-GW cung cấp các chức năng chuyển đổi đường truyền giống như với các thiết bị chuyển mạch cho các hệ thống truy cập non - 3GPP