nghiên cứu về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4g)

Thuật ngữ tiếng anh sử dụng trong luận văn AAA Adaptive Array Antenna ăngten dãy thích nghi AAA Aunthentication, Authorization & Accounting Chứng thực, ủy quyền và thanh toán AMPS Advanc

TRƯờNG ĐạI HọC BáCH KHOA Hà NộI

-o0o -

LUậN VĂN THạC Sỹ KHOA HọC

Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động

MụC LụC

Các hình vẽ, bảng biểu trong luận văn 5

Thuật ngữ tiếng anh sử dụng trong luận văn 7

Lời giới thiệu 11

Chương 1 mở đầu 12

1.1 Cơ sở nghiên cứu và mục đích của luận văn 12

1.2 Tổ chức của luận văn 13

Chương 2 các thế hệ thông tin di động 14

2.1 Lịch sử và xu thế phát triển của thông tin di động 14

2.1.1 Toàn cảnh hệ thống thông tin di động 14

2.1.2 Lộ trình phát triển của thông tin di động 16

2.2 Tổng kết các thế hệ thông tin di động 19

Chương 3 hệ thống THÔNG TIN di động 4G 20

3.1 Tổng quan về hệ thống thông tin di động 4G 20

3.1.1 Giới thiệu chung 20

3.1.2 Các dịch vụ hệ thống di động 4G cung cấp 22

3.2 Mô hình tham chiếu hệ thống di động 4G 30

3.2.1 Bốn miền của mô hình tham chiếu 30

3.2.1.1 Miền dịch vụ và ứng dụng 31

3.2.1.2 Miền nền tảng dịch vụ 31

3.2.1.3 Miền mạng lõi chuyển mạch gói 33

3.2.1.4 Miền truy cập vô tuyến mới 34

3.2.2 Mô hình tham chiếu nhìn từ nền tảng dịch vụ 34

3.2.2.1 Sự thuận tiện cho người sử dụng 36

3.2.2.2 Các dịch vụ tiên tiến 36

3.2.2.3 Quản lý hệ thống 41

3.2.3 Mô hình tham chiếu cơ sở hạ tầng hệ thống 41

3.2.3.1 Ví dụ điển hình và giao diện cho mạng truy cập vô tuyến mới 41 3.2.3.2 Cấu hình chức năng cho các nút/thiết bị đầu cuối trong hệ thống di động 4G 43

3.3 Các công nghệ ứng dụng trong hệ thống di động 4G 44

3.3.1 Kỹ thuật truyền dẫn dung lượng lớn, tốc độ cao 44

3.3.1.1 Các kỹ thuật đa truy cập 44

3.3.1.2 Kỹ thuật điều chế/giải điều chế hiệu suất cao 49

3.3.1.3 Kỹ thuật đa sóng mang 53

3.3.1.4 Kỹ thuật ăngten dãy thích nghi tiên tiến 57

3.3.1.5 Kỹ thuật ghép kênh tiên tiến 62

3.3.2 Kỹ thuật không dây đa hệ thống 64

3.3.2.1 Khả năng cấu hình lại End-to-End 64

3.3.2.2 Kỹ thuật sóng vô tuyến được định nghĩa mềm 66

3.3.3 Điều khiển chuyển giao/tính di động 69

3.3.3.1 Kỹ thuật chuyển giao liên tục 70

3.3.3.2 Kỹ thuật điều khiển tính di động 71

3.3.3.3 Tính di động mạng NEMO 74

3.4 Mạng thế hệ sau NGN và hệ thống di động 4G 77

3.4.1 Mạng thế hệ sau NGN 77

3.4.1.1 Giới thiệu chung 77

3.4.1.2 Đặc điểm mạng NGN 77

3.4.1.3 Cấu trúc mạng NGN 80

3.4.2 Hệ thống di động 4G trên hạ tầng mạng NGN 86

Chương 4 triển khai hệ thống di động 4G ở việt nam 88

4.1 Hiện trạng mạng thông tin di động Việt Nam và trên thế giới 88

4.2 Đề xuất giải pháp triển khai hệ thống 4G ở nước ta 89

Kết luận 93

Kết quả đạt được của luận văn 93

Hướng phát triển của đề tài 94

Tài liệu tham khảo 95

Các hình vẽ, bảng biểu trong luận văn

Hình 2.1 Lộ trình phát triển của thông tin di động 17

Bảng 2.1 Tổng kết các thế hệ thông tin di động 19

Hình 3.1 Dịch vụ thông tin y tế 22

Hình 3.2 Hệ thống cung cấp nội dung tiên tiến 24

Hình 3.3 Hệ thống định vị 25

Hình 3.4 Hệ thống đặt hàng di động 26

Hình 3.5 Hệ thống quản lý thực phẩm 28

Hình 3.6 Hệ thống bảo hiểm rủi ro 29

Hình 3.7 Hệ thống quản lý di động 30

Hình 3.8 Mô hình tham chiếu hệ thống di động 4G 32

Hình 3.9 Mô hình tham chiếu nền tảng dịch vụ 37

Hình 3.10 Mô hình tham chiếu nền tảng dịch vụ: tiện nghi người dùng 38

Hình 3.11 Mô hình tham chiếu nền tảng dịch vụ: Dịch vụ nâng cao 39

Hình 3.12 Mô hình tham chiếu nền tảng dịch vụ: quản lý hệ thống 40

Hình 3.13 Giao diện vô tuyến và ngữ cảnh thực tế của truy cập vô tuyến mới 42

Hình 3.14 Ví dụ về cấu hình chức năng cho các nút /các thiết bị đầu cuối trong hệ thống di động 4G 43

Hình 3.15 Cơ bản về SCS-MC-CDMA 45

Hình 3.16 Cấu trúc tế bào tối ưu của SCS-MC-CDMA 47

Hình 3.17 Phân bổ kênh con 48

Hình 3.18 Điều chế thích nghi sóng mang con 50

Hình 3.19 Lược đồ điều chế OFDM tốc độ lập mã có thể biến đổi 51

Bảng 3.1 Các tham số lập mã và điều chế 52

Bảng 3.2 Các tham số mô phỏng 53

Hình 3.20 Sơ đồ FH-OFDM 54

Hình 3.21 Cấu hình hệ thống 55

Hình 3.22 Nguyên lý của AAA 58

Hình 3.23 Độ tăng ích của AAA 59

Hình 3.24 Định hình búp sóng 60

Hình 3.25 Thuật toán theo dõi búp sóng 61

Hình 3.26 SVD based MIMO 63

Hình 3.27 Cấu hình cơ bản của thiết bị SDR 67

Hình 3.28 Mô hình tham chiếu IEEE 802.21 70

Hình 3.29 IPv6 di động 72

Hình 3.30 Chuyển giao nhanh cho IPv6 di động 73

Hình 3.31 Điều khiển tính di động mạng NEMO 75

Hình 3.32 Mạng cá nhân PAN (Personal Area Network) 76

Hình 3.33 Kiến trúc mạng NGN 79

Hình 3.34 Cấu trúc logic mạng NGN 80

Hình 3.35 Cấu trúc vật lý mạng NGN 84

Hình 4.1 Kiến trúc mạng 3G 90

Hình 4.2 Cấu trúc mạng di động 3G-WCDMA 91

Hình 4.3 Mô hình hệ thống 4G 92

Thuật ngữ tiếng anh sử dụng trong luận văn

AAA Adaptive Array Antenna ăngten dãy thích nghi

AAA Aunthentication, Authorization

& Accounting

Chứng thực, ủy quyền và thanh toán

AMPS Advanced Mobile Phone Service Dịch vụ điện thoại di động

tiên tiến

ARQ Automatic Repeat reQuest Kĩ thuật yêu cầu lặp tự động

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dị bộ

BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc

BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc

CDMA Code Division Multiple Access Đa thâm nhập phân chia theo

mã

CRC Cyclic Redundancy Code Mã vòng dư

CNR Carrier-to-Noise-Ratio Tỷ số sóng mang trên tạp âm

CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra dư vòng

CTP Context Transfer Protocol Giao thức truyền ngữ cảnh

DS-CDMA

Direct Sequence CDMA CDMA chuỗi trực tiếp

DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số

E2R End-to-End Reconfigurability Khả năng cấu hình lại từ đầu

cuối đến đầu cuối EIRP Effective Isotropically Radiated

Power

Công suất phát xạ đẳng hướng hiệu dụng

EV-DO Evolution Data Optimized FDD Frequency Division Duplex ghép song công phân chia theo

tần số FEC Forward Error Correct Mã sửa lỗi trước FDMA Frequency Division MultiAccess Đa truy cập phân chia theo tần

số FH-

HARQ Hybrid Automatic Repeat

reQuest

ARQ (tự động yêu cầu lặp) lai

HLR Home Location Register Thanh ghi định vị thường trú HMIPv6 Hierarchical Mobile Internet

Protocol Version 6

IPv6 di động có phân cấp

HSDPA High Speed Downlink Packet

Thông tin di động toàn

cầu-2000

IPv6 Internet Protocol Version 6 Giao thức Internet phiên bản 6ITU International Telecommunication

Union

Liên minh Viễn thông Quốc tế

MAC Medium Access Control Điều khiển thâm nhập môi

trường MAP Mobility Anchor Point Điểm treo di động

MIH Media Independent Handover Chuyển giao độc lập phương

tiện

MNN Mobile Network Node Nút mạng di động

MNP Mobile Network Prefix Tiền tố mạng di động

MSC Mobitily Service Center Trung tâm dịch vụ di động

MIMO Multi Input – Multi Output ăngten nhiều kênh vào –

nhiều kênh ra MC-

CDMA

Multi Carrier CDMA Đa truy cập phân chia theo mã

đa sóng mang

NGN Next Genaration Network Mạng thế hệ sau

OSI Open Systems Interconnection Mô hình tương kết các hệ

thống mở OFDM Orthononal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh đa truy cập phân chia theo tần số trực giao OFCDM Orthononal Frequency Code

Division Multiplexing

Ghép kênh đa truy cập phân chia theo mã tần số trực giao PAN Persional Access Network Mạng truy cập cá nhân

PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công

suất trung bình PHS Personal Handyphone System Hệ thống điện thoại cá nhân

PKI Public Key Infrastructure Cở sở hạ tầng khóa chung

Application Part

Phần ứng dụng mạng thâm nhập vô tuyến

RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến

RNS Radio Network Subsystem Hệ thống con mạng vô tuyến

RO Route Optimization Tối ưu hóa đường đi

RR Return Routability Khả năng đinh tuyến đường vềSDR Software Defined Radio Sóng vô tuyến định nghĩa

mềm SINR Signal to Interference and Noise

Power Ratio

Tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu và tạp âm

SMS-SC SMS Service Center Trung tâm dịch vụ tin nhắn

SMS SVD

based MIMO

Singular Value Decomposition based Multiple Input Multiple Output

TCP Transmision Control Protocol Giao thức điều khiển truyền

dẫn TPC Transmission Power Control Điều khiển công suất truyền

dẫn

Telecommunication System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

CDMA

W-Wideband Code Division Multiple Access

Đa thâm nhập vô tuyến phân chia theo mã băng rộng

Lời giới thiệu

Trong những năm gần đây, thông tin di động đã đạt được những thành

tựu vượt bậc Thông tin di động cho phép người sử dụng đàm thoại ở mọi lúc,

mọi nơi trong vùng phủ sóng, kể cả khi đang di chuyển Ngoài ra, thông tin di

động còn đáp ứng nhiều dịch vụ tiện ích khác như: nhắn tin, truyền số liệu,

truyền thông đa phương tiện, xác định vị trí người sử dụng… mà các dịch vụ

khác không thực hiện được Do vậy, nhu cầu về thông tin di động ngày một

tăng lên và trong tương lai không xa đây sẽ là hình thức thông tin vạn năng và

được ứng dụng sâu rộng vào cuộc sống, và sẽ có thể thay đổi lối sống của con

người

Cho đến nay thông tin di động trên thế giới đã trải qua ba thế hệ Thế hệ

thứ nhất sử dụng công nghệ tương tự từ những năm 70 và đến giữa những năm

80 hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai đã ra đời và phát triển rất mạnh

mẽ Những năm đầu thế kỷ 21 (khoảng 2002) hệ thống thông tin di động thế

hệ thứ 3 (3G) đã được triển khai và ứng dụng rộng rãi phục vụ đời sống của

con người ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động 3G đã được triển khai bởi

các nhà cung cấp dịch vụ Saigon Postel, Hà Nội Telecom, EVN Telecom và

được đưa vào khai thác vào năm 2006 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ

tư (4G) đã được các Hãng viễn thông lớn trên thế giới, Hiệp hội Viễn thông

quốc tế - ITU, diễn đàn Mobile IT (mITF – Mobile IT Forum) nghiên cứu và

chuẩn hóa Theo dự báo, vào khoảng năm 2012, hệ thống thông tin di động

4G sẽ được triển khai và đưa vào khai thác Sự xuất hiện của hệ thống thông

tin di động thế hệ thứ tư có thể tạo ra một sự bùng nổ trong ngành công nghiệp

thông tin di động nói riêng và ngành công nghiệp viễn thông nói chung

Chương 1 mở đầu

1.1 Cơ sở nghiên cứu và mục đích của luận văn

Nhu cầu trao đổi dữ liệu, sử dụng dịch vụ đa phương tiện, nhu cầu giải trí (nghe nhạc, xem phim, chơi game ) trên thiết bị di động ngày càng tăng khi

điều kiện sống của chúng ta tăng Trước nhu cầu đó, các chuẩn các hệ thống thông tin di động 3.5G, 4G đã được nghiên cứu và phát triển Năm 2006, ở Nhật Bản, Hãng viễn thông NTT DoCoMo đã triển khai thành công và đưa vào khai thác hệ thống di động 3.5G HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) Hệ thống HSDPA được mở rộng, phát triển từ hệ thống di động thế

hệ 3 (W-CDMA: Wideband Code Division Multiple Access), cho tốc độ đường xuống là 14Mbps, đường lên 5,7Mbps (trên lý thuyết) Còn với hệ thống 4G, theo thử nghiệm mới nhất của hãng viễn thông NTT DoCoMo (Nhật Bản), cho tốc độ 5Gbps ở môi trường trong nhà (indoor), và tốc độ 100Mbps ở môi trường ngoài trời trên đối tượng chuyển động tốc độ 250km/h

Với sự bùng nổ về tốc độ của hệ thống di động 4G, thì hệ thống 4G sẽ

được ứng dụng rộng rãi cho rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống Hệ thống 4G sẽ cung cấp rất nhiều dịch vụ như: dịch vụ cung cấp nội dung tiến tiến, dịch vụ chăm sóc sức khỏe, dịch vụ đặt hàng di động, thương mại di động, phòng chống thiên tai

Hiện nay, ở nước ta đang tồn tại đồng thời nhiều thế hệ của hệ thống di

động (2G, 2.5G, 3G) Việc triển khai hệ thống di động 4G vẫn là vấn đề trong tương lai xa Nhưng trước những xu thế phát triển chung về công nghệ viễn thông, đặc biệt là công nghệ thông tin di động, thì việc nghiên cứu, tìm hiểu

hệ thống thông tin di động 4G là cần thiết

1.2 Tổ chức của luận văn

Luận văn được trình bày thành bốn chương Chương 1 trình bày sơ lược

về cơ sở nghiên cứu, mục đích cũng như tổ chức của luận văn

Chương 2 trình bày về lịch sử, các thế hệ và xu thế phát triển hệ thống

thông tin di động

Chương 3 trình bày mô hình tham chiếu của hệ thống di động 4G Mô

hình tham chiếu của hệ thống 4G chia làm bốn miền: miền ứng dụng và dịch

vụ, miền nền tảng dịch vụ, miền mạng lõi chuyển mạch gói, miền truy cập vô

tuyến mới ở chương này cũng trình bày một số kỹ thuật, công nghệ tiên tiến

như: các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến dung lượng lớn, tốc độ cao (OFDMA,

SCS-MC-CMDA), kỹ thuật ăngten dãy thích nghi tiên tiến, kỹ thuật ghép kênh

tiên tiến (MIMO) được triển khai ở hệ thống di động 4G

Chương 4 trình bày về hiện trạng các hệ thống thông tin di động tại Việt

Nam và trên thế giới Sau đó là đề xuất giải pháp triển khai hệ thống di động

4G từ cở sở hạ tầng mạng hiện có của các nhà cung cấp

Chương 2 các thế hệ thông tin di động

2.1 Lịch sử và xu thế phát triển của thông tin di động 2.1.1 Toàn cảnh hệ thống thông tin di động

Thông tin di động luôn không ngừng phát triển và ngày càng đòi hỏi các

kỹ thuật tiên tiến và công nghệ cao ý tưởng về sự liên lạc tức thời mà không quan tâm đến khoảng cách là một trong những giấc mơ lâu đời nhất của loài người và giấc mơ đó đang ngày càng trở thành hiện thực nhờ sự trợ giúp của

kỹ thuật và công nghệ Việc sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông tin diễn ra lần đầu tiên vào cuối thế kỷ 19 Kể từ đó nó trở thành một công nghệ được ứng dụng rộng rãi trong thông tin quân đội và sau này là thông tin vô tuyến công cộng

Sau nhiều năm phát triển, thông tin di động đã trải qua những giai đoạn phát triển quan trọng Từ hệ thống thông tin di động tương tự thế hệ thứ nhất

đến hệ thống thông tin di động số thế hệ thứ hai, hệ thống thông tin di động băng rộng thế hệ thứ ba đang được triển khai trên phạm vi toàn cầu và hệ thống thông tin di động đa phương tiện thế hệ thứ tư đang được nghiên cứu tại một số nước Dịch vụ chủ yếu của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất

và thứ hai là thoại còn dịch vụ thế hệ ba và thứ tư phát triển về dịch vụ dữ liệu

và đa phương tiện

Các hệ thống thông tin di động tế bào số hiện nay đang ở giai đoạn thế hệ thứ hai cộng (2.5G), thế hệ thứ ba và thế hệ thứ ba cộng (3.5G) Để đáp ứng các nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ thông tin di động nên ngay từ đầu những năm 90 người ta đã tiến hành nghiên cứu hệ thống thông tin di động thế

hệ thứ ba Liên hiệp Viễn thông Quốc tế bộ phận vô tuyến (ITU-R) đã thực

hiện tiêu chuẩn hoá cho hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000 ở

Châu Âu, Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) đã thực hiện tiêu

chuẩn hoá phiên bản của hệ thống này với tên gọi là UMTS (Universal Mobile

Telecommunication System: Hệ thống viễn thông di động toàn cầu) Hệ thống

mới này làm việc ở dải tần 2GHz và cung cấp nhiều loại dịch vụ bao gồm từ

các dịch vụ thoại, số liệu tốc độ thấp hiện có đến các dịch vụ số liệu tốc độ

cao, video và truyền thanh Tốc độ cực đại của người sử dụng có thể lên tới

2Mbps Tốc độ cực đại này chỉ có ở các ô pico trong nhà, còn các dịch vụ với

tốc độ 14,4Kbps sẽ được đảm bảo cho thông tin di động thông thường ở các ô

macro Người ta cũng đang nghiên cứu các hệ thống thông tin di động thế hệ

thứ tư có tốc độ cho người sử dụng khoảng 2Gbps ở hệ thống di động băng

rộng (MBS) thì các sóng mang được sử dụng ở các bước sóng mm, độ rộng

băng tần 64MHz và dự kiến sẽ nâng tốc độ của người sử dụng đến STM-1 [1]

Hiện nay, trên các quốc trên thế giới ở hầu hết các nước đã triển khai hệ

thống di động 3G Theo thống kê của hai hãng Informa Telecom & Media và

WCIS and 3G America, hiện nay có 181 hãng cung cấp dịch vụ trên 77 quốc

gia đã đưa vào khai thác dịch vụ các mạng di động thế hệ 3 của mình Với hệ

thống di động 3.5G (HSDPA) thì có đến 135 hãng cung cấp dịch vụ trên 63

quốc gia đã cung cấp các dịch vụ của hệ thống di động 3.5G Hệ thống tiền

4G (Pre-4G) là WiMax cũng đã được triển khai và đưa vào khai thác dịch vụ ở

một số thành phố như London, New York vào quý 2 năm 2007

ở nước ta, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thông tin liên lạc nói

chung trong những năm gần đây thông tin di động ra đời như một tất yếu

khách quan nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin trong thời kỳ đổi mới

của đất nước Vào thời kỳ ban đầu, xuất hiện một số mạng thông tin di động

như mạng nhắn tin ABC, mạng nhắn tin toàn quốc có tính chất thử nghiệm

cho công nghệ thông tin di động ở Việt Nam Sau đó, vào tháng 3/1993, mạng

điện thoại di động MobiFone sử dụng kỹ thuật số GSM đã được triển khai và chính thức đưa vào hoạt động ở Việt Nam với các thiết bị của hãng ALCATEL Tháng 6/1996, mạng Vinaphone ra đời và cùng tồn tại song song với mạng VMS Năm 2003, mạng S-Phone sử dụng công nghệ CMDA của Saigon Postel đưa vào khai thác Đến năm 2004, mạng GSM của Viettel cũng chính thức đưa vào hoạt động Và gần đây, EVN Telecom, Hà Nội Telecom cũng đưa vào khai thác mạng di động thế hệ thứ ba Trong hai năm gần đây,

số thuê bao của các mạng này đang tăng rất nhanh

2.1.2 Lộ trình phát triển của thông tin di động

Thời kỳ đầu, khi mới triển khai, hệ thống di động thế hệ thứ nhất mới chỉ cung cấp cho người sử dụng dịch vụ thoại, nhưng nhu cầu về truyền số liệu tăng lên đòi hỏi các nhà khai thác mạng phải nâng cấp rất nhiều tính năng mới cho mạng và cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng trên cơ sở khai thác mạng hiện có Từ đó các nhà khai thác đã phải triển khai các hệ thống di động 2G, 2.5G để cung cấp dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao hơn Cùng với Internet, Intranet đang trở thành một trong những hoạt động kinh doanh ngày càng quan trọng, một trong các hoạt động này là xây dựng các công sở vô tuyến để kết nối các cán bộ “di động” với xí nghiệp hoặc công sở của họ Ngoài ra, tiềm năng to lớn đối với các công nghệ mới là cung cấp trực tiếp tin tức và các thông tin khác cho các thiết bị vô tuyến sẽ tạo ra các nguồn lợi nhuận mới cho nhà khai thác Do vậy, để đáp ứng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình ảnh, đồng thời đảm bảo tính kinh tế thì hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (GSM, PDC, IS-136 và cdmaOne) đã từng bước chuyển đổi sang

hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba Khi mà nhu cầu về các dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao tăng mạnh, mà tốc độ của hệ thống 3G hiện tại không đáp ứng được thì các tổ chức viễn thông trên thế giới đã nghiên cứu và chuẩn hóa hệ thống di động 4G

Lộ trình phát triển của thông tin di động từ thế hệ thứ nhất đến thế hệ thứ

+ SMR (Specialized Mobile Radio): Vô tuyến di động chuyên dụng

+ GSM(900) (Global System for Mobile): Hệ thống thông tin di động

toàn cầu băng tần 900MHz

+ GSM(1800): Hệ thống GSM băng tần 1800MHz

+ GSM(1900): Hệ thống GSM băng tần 1900MHz

+ IS-136 (Interim Standard – 136): Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA

cải tiến do AT&T đề xuất

+ IS-95 (CDMA) (Interim Standard – 95 CDMA): Tiêu chuẩn thông tin di

động CDMA cải tiến của Mỹ (do Qualcomm đề xuất)

+ GPRS (Genneral Packet Radio System): Hệ thống vô tuyến gói chung + EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution): Những tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM

+ cdma2000 1x: Hệ thống cdma2000 giai đoạn 1

+ WCDMA (Wideband CDMA): Hệ thống CDMA băng rộng

+ cdma2000 Mx: Hệ thống cdma2000 giai đoạn 2 [1]

+ HSPA (High Speed Packet Access): Hệ thống di động truy cập gói tốc

độ cao Hệ thống HSPA được chia thành 3 công nghệ sau:

- HSDPA (High Speed Downlink Packet Access): Hệ thống truy cập gói đường xuống tốc độ cao

- HSUPA (High Speed Uplink Packet Access): Hệ thống truy cập gói

TDMA hoặc CDMA, công nghệ số, băng hẹp (8-13 kbps)

TDMA (kết hợp nhiều khe thời gian hoặc tần số) hoặc CDMA, sử dụng phổ chồng lên phổ tần của hệ thống 2G, tăng cường truyền số liệu gói

số liệu đa phương tiện

CDMA, CDMA/ TDMA, băng rộng, riêng cdma2000 1x EV

sử dụng phổ chồng lên phổ của hệ thống 2G Tốc độ tối đa

đường xuống 2Mbps, đường lên 384kbps

và đa phương tiện tốc độ cao

Phát triển từ 3G, DSCH

CDMA/HS-HSPDA cho tốc độ tối đa

đường xuống 14.4Mbps, HSUPA có tốc độ đường lên tối đa 5.7Mbps, HSOPA cho tốc độ Downlink/Uplink tối đa

là 200Mbps/100Mbps

Thế hệ 4 (4G) 4G

Truyền dẫn thoại, số liệu, đa phương tiện tốc

độ cực cao

OFMA, MC/DS-CDMA, tốc

độ tối đa ở môi trường trong nhà là 5Gbps, 100Mbps môi trường ngoài trời trên đối tượng chuyển động nhanh (250km/h)

Chương 3 hệ thống THÔNG TIN di động 4G

3.1 Tổng quan về hệ thống thông tin di động 4G 3.1.1 Giới thiệu chung

Hệ thống di động thế hệ thứ tư (4G) dự kiến sẽ đưa vào sử dụng, khai thác vào khoảng năm 2012 Với sự đột phá về tốc độ và dung lượng, hệ thống

di động 4G sẽ cung cấp những dịch vụ phục vụ sâu hơn vào đời sống sinh hoạt thường nhật, công việc cũng như có sự tác động lớn đến lối sống của chúng ta trong tương lai gần Cụ thể hơn trong từng khía cạnh của cuộc sống được trình bày dưới đây

Trong giáo dục, nghệ thuật, khoa học

Nhờ có sự ưu việt của hệ thống 4G, sự tiên tiến của thiết bị đầu cuối, học sinh, sinh viên, các nhà nghiên cứu khoa học có thể trao đổi thông tin hình

ảnh, thoại, và các thông tin cần thiết cho việc học tập, nghiên cứu mà không

có rào cản nào về khoảng cách cũng như ngôn ngữ Thiết bị đầu cuối di động của hệ thống di động thế hệ 4G (điện thoại cầm tay, đồng hồ đeo tay ) có tích hợp camera, có chức năng thông dịch ngôn ngữ tự động giúp họ trao đổi thông tin trực tiếp, học sinh, sinh viên có thể nhận những chỉ dẫn từ giáo viên

từ xa

Giải trí

Hệ thống di động 4G được sử dụng cho hệ thống tải nội dung, trò chơi và

âm nhạc/video Những trò chơi hình ảnh động có thể được truy cập ở bất cứ nơi nào trên hệ thống Những nội dung cực kì phong phú đa dạng về nhạc và phim trong hệ thống có thể tải ngay lập tức ở bất cứ nơi đâu, vào bất cứ thời gian nào

Truyền thông hình ảnh

Hệ thống di động 4G cũng được ứng dụng trong việc trao đổi thông tin

giữa các điểm cách xa nhau Một đoạn phim của một sự kiện thể thao có thể

được gửi bởi máy quay gắn trên một máy thu phát cầm tay và được gửi đi tức

thời cho các thành viên trong gia đình ở nước ngoài hoặc ở xa

Thương mại di động

Hệ thống di động 4G được ứng dụng trong trao đổi và thoả thuận mua

bán hàng hoá Bằng cách đơn giản là giữ thiết bị di động cầm tay theo tấm

quảng cáo hoặc trên tạp chí, người sử dụng có thể thu được những thông tin

liên quan về sản phẩm, từ đó có thể đặt hàng và thanh toán bằng tài khoản

thông qua thiết bị di động

Cuộc sống thường nhật

Công nghệ xác thực cá nhân tiên tiến cho phép người sử dụng mua những

hàng hóa đắt tiền một cách an toàn và thanh toán bằng tài khoản thông qua

mạng di động Dữ liệu được tải từ các thiết bị di động có thể được sử dụng như

là các thẻ thanh toán, thẻ ra vào, thẻ thành viên thay cho các loại thẻ cá

nhân: thẻ ngân hàng (ATM, Visa Card ), thẻ ra vào công ty, hộ chiếu

(PassPort) v.v Các dịch vụ di động cũng được sử dụng trong nhiều trường

hợp của cuộc sống, ví dụ như tải chương trình tivi trên các máy chủ đặt tại gia

đình lên thiết bị di động và xem chúng khi đi ra ngoài, hoặc sử dụng thiết bị

cầm tay di động để điều khiển Robot từ xa

Y tế và chăm sóc sức khoẻ

Công nghệ di động thế hệ thứ tư được sử dụng trong y tế và chăm sóc sức

khoẻ Những dữ liệu về sức khoẻ có thể tự động gửi đến bệnh viện theo thời

gian thực từ các thiết bị mang theo trên người của bệnh nhân, nhờ đó các bác

sĩ có thể thực hiện việc kiểm tra sức khoẻ hoặc xử lý tức thì các tình trạng

khẩn cấp

Điều trị trong các tình trạng khẩn cấp

Phương tiện truyền thông di động được sử dụng cho cấp cứu khẩn cấp ngay sau khi tai nạn giao thông xảy ra Vị trí của vụ tai nạn sẽ được thông báo

tự động bằng cách sử dụng thông tin định vị, khi đó các bác sĩ tại trung tâm y

tế đưa ra các chỉ dẫn sơ cứu cho bệnh nhân thông qua việc quan sát bệnh nhân trên màn hình Các dữ liệu y tế cũng được truyền ngay lập tức đến các xe cứu thương hoặc bệnh viện thông qua mạng di động

ứng dụng trong thảm họa thiên tai

Hệ thống di động đóng vai trò là thiết bị thông tin quan trọng trong trường hợp xảy ra thảm họa thiên tai, cho phép truyền đi hình ảnh thực trạng của các khu vực xảy ra thảm hoạ Do đó tại những nơi thảm họa không diễn

ra, tất cả lãnh đạo chính phủ, các nhà quản lý, các phương tiện truyền thông

đại chúng và người dân nói chung có thể chia sẻ thông tin [8]

3.1.2 Các dịch vụ hệ thống di động 4G cung cấp

Dịch vụ cung cấp thông tin y tế

Hình 3.1 Dịch vụ thông tin y tế [8]

Trong đó:

+ Service charge (paid from insurance): phí dịch vụ (thanh toán từ bảo

hiểm)

+ Access personal medical data: truy cập dữ liệu y tế cá nhân

+ Send personal medical data: gửi dữ liệu y tế cá nhân

+ Advice/Information/health analysis: Lời khuyên/Thông tin/phân tích

tình trạng sức khỏe

+ Introduction to doctors, provision of adequate medicine: hướng dẫn từ

bác sỹ, cung cấp thuốc thích hợp

+ Medical data storage center: trung tâm lưu trữ dữ liệu y tế

+ Personal medical data: dữ liệu y tế cá nhân

+ Hospital/drug store: bệnh viện/kho thuốc

Dịch vụ cung cấp thông tin y tế sẽ cung cấp cho khách hàng những thông

tin chính xác và đầy đủ về tình trạng sức khỏe Khách hàng sẽ nhận được chỉ

dẫn, đơn thuốc của bác sỹ khi có sự thay đổi về tình trạng sức khỏe từ trung

tâm chăm sóc y tế trên thiết bị di động của mình Đồng thời khách hàng có thể

truy cập thông tin về sức khỏe của mình trên thiết bị di động [8]

Thậm chí trong dịch vụ này với công nghệ điều trị gen tiên tiến, khách

hàng có thể tải những thông tin về gen của họ ngay lập tức để có những biện

pháp điều trị thích hợp

Dịch vụ cung cấp nội dung tiên tiến

Đơn giản, người dùng cho biết tên của video (không nhất thiết phải chính

xác, có thể mơ hồ cũng được) mà họ lựa chọn (chương trình ti vi đã phát, tin

tức, kịch, điện ảnh, hoặc hoà nhạc …) thông qua yêu cầu bằng lời thoại, người

sử dụng có thể xem chương trình video mình thích trên thiết bị di động đầu

cuối ở bất cứ đâu, bất cứ thời gian nào

Nếu người dùng muốn xem phim ở rạp chiếu phim thì có thể đặt chỗ trước và cũng có thể mua vé điện tử Những video cũng có thể được chiếu trên tàu, trên một thiết bị kính đeo mắt có khả năng hiển thị hình ảnh

Hình 3.2 Hệ thống cung cấp nội dung tiên tiến [8]

Trong đó:

+ Movie delivery: phân phát phim + Movie info search: tìm kiếm thông tin phim + Ambigous search by voice: tìm kiếm thông tin phim bằng thoại + Ticket purchase: thẻ dịch vụ

+ Content streaming delivery: cung cấp luồng nội dung + Real media content distribution by compact high-density disc, memory cards: phân phối nội dung bằng thẻ nhớ, đĩa nén mật độ cao

+ Movie distributor: nhà cung cấp phim + Content server: máy chủ nội dung + Service provider: nhà cung cấp dịch vụ + Speech analysis: khối phân tích thoại + Seach server: máy chủ tìm kiếm + Member DB: cơ sở dữ liệu thành viên

Hệ thống định vị

Hình 3.3 Hệ thống định vị [8]

Trong đó: + Monthly charge: phí dịch vụ hàng tháng

+ Location info: thông tin vị trí

+ Vehicle info: thông tin xe cộ

+ Entertainment: giải trí

+ Control info: thông tin điều khiển

+ Emergency info: thông tin khẩn cấp

+ Logistics Info: thông tin hậu cần

+ Service provider: nhà cung cấp dịch vụ

+ Content provider: nhà cung cấp nội dung

+ Right holder: người giữ bản quyền

+ Content charge: phí nội dung

Người sử dụng có thể truy cập các dịch vụ thông tin dưới đây từ bên trong

một chiếc xe đang chuyển động Những thông tin này sẽ được cung cấp một

cách hợp lý phụ thuộc thời gian, địa điểm và tính chất người sử dụng

- Dịch vụ thông tin định vị (dịch vụ định vị, chỉ dẫn tuyến đường, thông

tin giao thông…)

- Dịch vụ thông tin xe cộ (thông tin xe ôtô, thông tin điều chỉnh động cơ

xe …)

- Dịch vụ giải trí (radio, chương trình truyền hình, v.v.)

- Dịch vụ điều khiển (điều khiển xe trong sự kiện động đất, tai nạn …)

- Dịch vụ khẩn cấp (tai nạn, ốm đau bất ngờ…) [8]

+ Application info: thông tin ứng dụng + Product info: thông tin sản phẩm + Platform provider: nhà cung cấp nền tảng

+ Ad cost: chi phí quảng cáo

+ Server utilization fee: phí sử dụng server

+ Manufacturer: nhà sản xuất

+ Seller: người bán hàng

+ Transporter: hãng vận chuyển

Cho phép đặt mua các sản phẩm hay thu thập thông tin về sản phẩm một

cách dễ dàng nhờ thiết bị đầu cuối di động thông qua tạp chí, sách báo, áp

phích … hay các hình ảnh

Thông tin liên quan tới sản phẩm đó (video, đặc tính kỹ thuật) sẽ được tự

động gửi tới thiết bị đầu cuối di động từ trung tâm sản phẩm, và được hiển thị

dưới dạng các hình ảnh 3 chiều (3D) Người sử dụng có thể đặt hàng sản phẩm

ngay lập tức, việc thanh toán bằng tài khoản được thực hiện qua thiết bị đầu

cuối di động của họ Việc sử dụng chứng thực bằng võng mạc giúp cho việc

đặt mua các sản phẩm có giá trị trở nên đơn giản, an toàn mà không cần bất

kỳ sự bảo vệ nào

Quản lý thực phẩm

Dịch vụ hỗ trợ cho người sử dụng có thể truy cập tới tủ lạnh gia đình

bằng thiết bị đầu cuối di động từ bên ngoài - để thấy được thực phẩm nào vẫn

còn, thực phẩm nào hết Và nhờ hình ảnh hiển thị người dùng có thể biết hạn

sử dụng của thức ăn còn hay không Người sử dụng cũng có thể tìm được các

công thức của thực đơn họ sẽ nấu sử dụng các thực phẩm có sẵn trong tủ lạnh

thông qua thiết bị đầu cuối di động đó Thực phẩm nào thiếu sẽ được hiện ra

trên màn hình, và nếu đặt hàng chúng sẽ được gửi tới nhà vào buổi tối

Hình 3.5 Hệ thống quản lý thực phẩm [8]

+ Service register/entry fee: phí đăng ký dịch vụ + Food purchase charge: phí mua thực phẩm + Billing for purchase: hóa đơn bán hàng + Payment: thanh toán

+ User membership DB: cơ sở dữ liệu thành viên + Order placement: sắp xếp đặt hàng

+ Supermarket, convenience store, shopping arcade: siêu thị, kho hàng

Dịch vụ bảo hiểm rủi ro

Khi một ai đó bị kẹt trong đống đổ nát trong một trận động đất quy mô lớn, khả năng của mạng điện thoại di động có thể cung cấp chính xác thông tin như vị trí của người đó – thiết bị đầu cuối luôn luôn được kết nối Internet trừ khi nó bị hỏng – và luôn sẵn sàng những hoạt động giải cứu một cách nhanh chóng

Hình 3.6 Hệ thống bảo hiểm rủi ro [8]

Trong đó:

+ Rescue, paramedics: cứu hộ, cứu hộ y tế

+ Service provider: nhà cung cấp dịch vụ

+ Platform provider: nhà cung cấp nền tảng

+ Disaster site (user): khu vực xảy ra thiên tai

+ Displays current location and destination: hiển thị vị trí hiện tại

+ Designate wanted area thru pen input: chỉ định vùng cần kiểm soát

+ Obtain medical record from home doctor using personal info: có được

báo cáo y tế từ bác sỹ nhờ thông tin cá nhân

+ Disaster insurance premium: phí bảo hiểm thiên tai

+ Insurance premium: phí bảo hiểm

+ Notifies location by ring tone: thông báo vị trí bằng nhạc chuông

Dịch vụ hành chính (quản lý) di động

Hình 3.7 Hệ thống quản lý di động [8]

Khách hàng có thể truy cập thông tin và nhận được nhiều dịch vụ hành chính khác nhau từ chính quyền quốc gia/địa phương trên một thiết bị đầu cuối di động tại nhà hoặc tại công sở

- ứng dụng cho các tài liệu/văn bằng khác nhau

- Trả thuế, đưa ra thuế thu nhập

- Phát hành sách chăm sóc sức khoẻ cho sản phụ, đưa ra báo cáo về sinh sản, ứng dụng cho kiểm tra sức khoẻ của trẻ, và các dịch vụ sức khoẻ khác

- Bỏ phiếu bầu cử

3.2 Mô hình tham chiếu hệ thống di động 4G 3.2.1 Bốn miền của mô hình tham chiếu

Mô hình tham chiếu cho các hệ thống di động 4G mô tả theo phương diện mạng trên hình 3.8 Hệ thống di động 4G bao gồm bốn miền sau: dịch vụ

và ứng dụng, nền tảng dịch vụ, mạng lõi chuyển mạch gói, và truy cập vô tuyến mới Hệ thống di động 4G có 3 đặc trưng sau:

(1) Cung cấp cho người sử dụng những dịch vụ và ứng dụng ở mức độ độc

lập cao từ hệ thống truy cập

(2) Thực thi kết nối và các dịch vụ liền mạch giữa các hệ thống thông qua

mạng gói

(3) Ba khả năng vô tuyến của truy cập vô tuyến mới nhờ giao diện vô tuyến

đưa ra cấp độ phổ biến cao [8]

3.2.1.1 Miền dịch vụ và ứng dụng

Miền dịch vụ và ứng dụng cung cấp các dịch vụ và các ứng dụng của các

hệ thống di động 4G Các dịch vụ điển hình bao gồm các dịch vụ thông tin về

vị trí, các dịch vụ ngăn ngừa/kiểm soát hiểm hoạ, các dịch vụ đa phương tiện

chất lượng cao, các dịch vụ thương mại di động, các dịch vụ quản lý bản

quyền số, các dịch vụ phân phối nội dung, các dịch vụ hỗ trợ tải phần mềm,

các dịch vụ điều khiển từ xa, cũng như nhiều dịch vụ khác Các dịch vụ và ứng

dụng này không chỉ bao gồm các vấn đề lần đầu tiên xuất hiện trên các hệ

thống di động 4G, mà còn bao gồm các vấn đề đã được cung cấp hoàn chỉnh

trên mạng 3G hiện hành hay trên các hệ thống W-LAN và các phiên bản nâng

cấp của chúng Thêm vào đó, các dịch vụ và ứng dụng này nên được tạo ra để

có thể sử dụng trong cả truy cập sóng vô tuyến mới của các hệ thống di động

4G và các hệ thống truy cập hiện hành Hơn nữa, một đặc tính tác nhân được

mong đợi tập trung vào lĩnh vực dịch vụ và ứng dụng để hỗ trợ sự cung cấp

trơn tru các dịch vụ và ứng dụng

3.2.1.2 Miền nền tảng dịch vụ

Miền nền tảng dịch vụ cung cấp cơ sở dịch vụ để hỗ trợ triển khai các

dịch vụ và ứng dụng được đưa ra bởi miền dịch vụ và ứng dụng Cấu trúc cơ

bản của cơ sở dịch vụ này được hỗ trợ bởi ba bộ đặc tính: các đặc tính đa

phương tiện, các đặc tính mạng tốc độ cao/dung lượng lớn, và các đặc tính

chất lượng dịch vụ mạng

Hình 3.8 Mô hình tham chiếu hệ thống di động 4G

Chú thích:

- Service & Application: Miền dịch vụ và ứng dụng; gồm các dịch vụ sau:

+ Posional Information Services: Dịch vụ thông tin cá nhân

+ Disaster Detection/Admin Services: Dịch vụ phát hiện/quản trị thiên tai

+ High Quality Multimedia Services: Dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao

+ Mobile Commerce Services: Dịch vụ thương mại di động

+ Digital Right Management Services: Dịch vụ quản trị bản quyền số

+ Contents Delivery Services: Dịch vụ phân phối nội dung

+ Software Download Support Services: Dịch vụ hỗ trợ tải phần mềm

+ Remote Control Services: Dịch vụ điều khiển từ xa

- Service Platform: Nền tảng dịch vụ; gồm các tác nhân sau:

+ Social Systems: Hệ thống xã hội

+ Security, AAA and Settlement: Bảo mật, thanh toán

+ Application QoS: Chất lượng dịch vụ ứng dụng

+ Database/Remote Server: Cơ sở dữ liệu/máy chủ từ xa

+ High speed & Large Capacity Network: Mạng dung lượng lớn, tốc độ cao

+ Network QoS I/F: Chức năng tương tác chất lượng dịch vụ mạng

- Packet Based Core Network: Miền mạng lõi chuyển mạch gói

- New Radio Access: Miền truy cập vô tuyến mới

3.2.1.3 Miền mạng lõi chuyển mạch gói

Miền mạng lõi chuyển mạch gói đóng vai trò kết nối các hệ thống truy

cập khác nhau với miền nền tảng dịch vụ, và không phụ thuộc vào các hệ

thống truy cập [8] Mạng này cho phép sự kết nối giữa các hệ thống di động

4G cũng như các hệ thống truy cập khác (ví dụ như 2G/3G, mạng LAN không

dây, DSRC, phát thanh số, và các mạng IP khác, v.v…), để cung cấp sự truy

cập liền mạch cho người sử dụng

3.2.1.4 Miền truy cập vô tuyến mới

Truy cập vô tuyến mới – một khả năng truy cập vô tuyến mới cho các hệ thống 4G – có thể được tạm chia thành 3 khả năng: khả năng truy cập di động mới, khả năng truy cập không dây tự do mới, và khả năng mạng di chuyển Khả năng truy cập di động mới cho phép truy cập dải tần rộng thậm chí trong các môi trường dịch chuyển tốc độ cao, và đưa ra khả năng sử dụng tương tự như các dịch vụ tế bào hiện nay Truy cập không dây tự do mới thực thi trước hết truy cập băng tần siêu rộng khi di chuyển ở tốc độ thấp, và đưa ra khả năng sử dụng tương tự như các dịch vụ mạng LAN không dây hiện nay [8] Khả năng mạng dịch chuyển là một khả năng để đưa ra truy cập không dây trong các môi trường có số lượng lớn người di chuyển cùng lộ trình như một nhóm, như ở trên xe buýt hay trên tàu hoả Nó được yêu cầu để thực thi các khả năng truy cập vô tuyến để sử dụng tài nguyên vô tuyến một cách hiệu quả Ngoài ra, các thiết bị đầu cuối sử dụng trong các hệ thống di động 4G có thể hỗ trợ khả năng sử dụng nhiều sóng vô tuyến và khả năng để hình thành

mạng ad-hoc giữa các thiết bị đầu cuối Hơn nữa, các khả năng vô tuyến mới

của truy cập vô tuyến mới được đòi hỏi để thực thi ở giao diện vô tuyến có tính phổ biến cao

3.2.2 Mô hình tham chiếu nhìn từ nền tảng dịch vụ

Mô hình tham chiếu nhìn từ phương diện dịch vụ bao gồm 3 yếu tố là các thiết bị di động, cơ sở hạ tầng mạng di động 4G, và nền tảng dịch vụ được mô tả trên hình 3.9

Các thiết bị di động thực hiện truyền thông đa đường với cơ sở hạ tầng hệ thống di động 4G và hệ thống mạng khác Khi một cơ sở hạ tầng hệ thống

không thể hoạt động trong phạm vi có thể truy cập, truyền thông đa hop được

thực hiện Các thiết bị đầu cuối hỗ trợ giao diện rất phong phú bao gồm đặc tính xem tài liệu điện tử, và các chức năng trợ giúp, ví dụ như nhận diện chữ

viết, hình ảnh, giọng nói được xây dựng sẵn Chúng cũng được cung cấp chức

năng tăng cường tính bảo mật, chức năng tính toán và xác thực, tính năng quản

lý bản quyền số và cảm biến sinh trắc học Những thiết bị đầu cuối có đặc tính

cấu hình lại cho phép người dùng tải xuống, thực thi và tùy biến nhiều loại

chương trình khác nhau Một đặc điểm khác biệt của mô hình này là có nhiều

yêu cầu về chức năng của thiết bị đầu cuối cũng như thiết bị hiệu năng cao [8]

Cơ sở hạ tầng hệ thống di động 4G triển khai truyền dẫn dung lượng lớn,

tốc độ cao và truyền dẫn đa phương tiện chất lượng cao Cơ sở hạ tầng có đặc

tính thông báo QoS giữa các lớp vì vậy sự phối hợp QoS giữa các lớp được

thực thi

Nền tảng dịch vụ bao gồm nhiều máy chủ và tác nhân, cung cấp các đặc

tính định vị dựa trên các hệ thống thông tin vị trí, việc quản lý quyền truy cập

của người sử dụng thông qua xác thực sinh học cũng như việc quản lý và tham

chiếu thông tin cá nhân Hệ thống cơ sở dữ liệu phân tán và các máy phục vụ

nội dung chất lượng cao được kết nối với nhau Do đó quyền truy nhập được

điều khiển bởi máy chủ chứng thực, video hoặc nhạc mà đáp ứng nhu cầu

người sử dụng và khả năng của các thiết bị đầu cuối có thể được phân phối bởi

các tác nhân từ máy chủ nội dung Nền tảng dịch vụ cũng được gắn kết với các

hệ thống xã hội Trong trường hợp có thảm hoạ xảy ra, hệ thống mạng có độ

tin cậy cao sẽ được cấu hình để truyền thông quảng bá về nơi diễn ra thảm

hoạ Ngoài ra, thiết bị đầu cuối có gắn các bộ cảm biến sinh học sẽ truyền tự

động thông tin trong các điều kiện khẩn cấp

Theo khía cạnh dịch vụ, mô hình này có thể chia nhỏ hơn thành 3 loại: (1)

tính tiện lợi cho người sử dụng, (2) các dịch vụ tiên tiến, (3) quản lý hệ thống

Trong 3 loại này, tính tiện dụng cho người dùng và các dịch vụ tiên tiến được

hỗ trợ bởi quản lý hệ thống Và đám mây trong hình chỉ ra một nền tảng để đặt

các máy chủ và cơ sở dữ liệu Chúng được xây dựng trên dựa trên 3 tiêu chí cơ

sở hạ tầng: “đa truyền thông chất lượng cao”, “truyền tải với tốc độ cao và

dung lượng lớn” và “QoS I/F”

3.2.2.1 Sự thuận tiện cho người sử dụng

Mô tả trong hình 3.10, sự thuận tiện cho người sử dụng là một nhóm liên quan tới việc dễ dàng trong sử dụng, và bao gồm các đặc tính như giao diện người sử dụng, trợ giúp, khả năng xử lý/thời gian sử dụng/giao diện của thiết

bị, và khả năng cấu hình lại thiết bị đầu cuối Với giao diện người sử dụng, yêu cầu phải thực thi sự hiển thị hình ảnh, giọng nói với chất lượng cao hơn,

và đạt được sự nâng cao về giao diện để đơn giản hoá các thủ tục nhập thông tin Các yêu cầu cho các tác nhân bao gồm sự cung cấp các dịch vụ phù hợp với nhu cầu và hoàn cảnh của người sử dụng, khả năng để yêu cầu và nhận thông tin vì lợi ích của những người sử dụng, và sự thực hiện đầy đủ của các

đặc tính tác nhân trong các thiết bị đầu cuối, nền dịch vụ và nhà cung cấp dịch

vụ Liên quan tới khả năng xử lý/thời gian sử dụng/giao diện của thiết bị đầu cuối, khả năng xử lý của thiết bị có khả năng truy cập thông tin đa phương tiện chất lượng cao, thời gian sử dụng lâu hơn giúp người sử dụng không phải quan tâm tới dung lượng của pin, và giao tiếp với nhiều loại thiết bị ngoại vi

được đưa ra Khả năng cấu hình lại của thiết bị đầu cuối bao gồm khả năng nâng cấp các phiên bản bằng việc thêm hoặc thay đổi các đặc tính thiết bị thông qua việc tải phần mềm, và cho phép truy cập qua các giao diện vô tuyến khác [8]

3.2.2.2 Các dịch vụ tiên tiến

Các dịch vụ tiên tiến, hình 3.11, là khía cạnh có liên quan đến tính hiện

đại của dịch vụ, và bao gồm các đặc điểm sau: đa truyền thông chất lượng cao,

đầu vào thông tin, vị trí/định vị, và cảm biến/điều khiển từ xa Để cho phép người dùng nhận được dịch vụ tiên tiến chất lượng cao thông qua các thiết bị

di động có khả năng truy cập vào cơ sở hạ tầng hệ thống di động 4G [8], thông tin môi trường xung quanh người sử dụng sẽ được truyền đi bởi các thiết bị

đầu cuối và dựa trên thông tin này các hệ thống dịch vụ gia tăng khác nhau sẽ hoạt động trên nền tảng dịch vụ

H×nh 3.9 M« h×nh tham chiÕu nÒn t¶ng dÞch vô H×nh 3.10 M« h×nh tham chiÕu nÒn t¶ng dÞch vô: tiÖn nghi ng−êi dïng

H×nh 3.11 M« h×nh tham chiÕu nÒn t¶ng dÞch vô: DÞch vô n©ng cao

H×nh 3.12 M« h×nh tham chiÕu nÒn t¶ng dÞch vô: qu¶n lý hÖ thèng

3.2.2.3 Quản lý hệ thống

Mô tả trong hình 3.12, quản lý hệ thống là khía cạnh liên quan đến cơ chế

hỗ trợ các dịch vụ Các chức năng của phần này gồm: QoS, bảo mật/xác

thực/ủy quyền/thanh toán, máy chủ từ xa/cơ sở dữ liệu, đặc tính thích ứng môi

trường, xã hội Mô hình quản lý hệ thống này có mục đích nâng cao tính bảo

mật/ xác thực/ tính toán như là nhân tố cốt lõi của các dịch vụ làm nền tảng

cho việc triển khai xã hội di động 4G và cung cấp cho hệ thống khả năng khắc

phục các loại lỗi khác nhau [8] Khái niệm QoS ứng dụng phối hợp QoS mạng

được sử dụng, do đó truyền dữ liệu liên tục tốc độ cao chống lại sự tắc nghẽn

được cung cấp ngay cả trong điều kiện bất lợi

3.2.3 Mô hình tham chiếu cơ sở hạ tầng hệ thống

3.2.3.1 Các ví dụ điển hình và giao diện cho mạng truy cập vô tuyến mới

Năm ví dụ điển hình về viễn cảnh trong mạng truy cập vô tuyến mới và

các ví dụ về giao diện cho từng viễn cảnh được thể hiện trong hình 3.13

Trong hình này, R1-R5 cho biết dạng của giao diện vô tuyến, N1-N3 cho biết

dạng giao diện mạng

Viễn cảnh 1 là một ví dụ giới thiệu về khả năng truy cập vô tuyến mới ở

môi trường ngoài trời ở mức trung bình, có thể đạt được tốc độ gói vô tuyến

nhanh hơn khi thiết bị đầu cuối gần trạm thu phát gốc (BTS) Viễn cảnh 2 là

một ví dụ giới thiệu về khả năng truy cập di động mới hoặc khả năng truy cập

không dây tự do mới ở môi trường trong nhà quy mô rộng chẳng hạn như ở

những toà nhà văn phòng rộng hoặc các cửa hàng Viễn cảnh 3 là một ví dụ

giới thiệu về khả năng truy cập không dây tự do mới ở môi trường trong nhà

quy mô nhỏ như nhà riêng Viễn cảnh 4 là ví dụ giới thiệu về khả năng mạng

di chuyển Trong ví dụ này các nút mạng di chuyển (MNN) sẽ được cài đặt

trong các đối tượng chuyển động ví dụ như tàu hoả, xe buýt để có thể truyền

thông giữa các trạm cơ sở và trạm di động qua các MNN Viễn cảnh 5 là ví dụ

về định dạng của một mô hình ad-hoc ở giữa các trạm di động, các trạm di

động được trang bị giao diện vô tuyến R5 cho phép truyền thông vô tuyến giữa các trạm di động [8] Chú ý rằng, những trường hợp được giới thiệu này chỉ đơn thuần là một vài ví dụ trong hệ thống di động 4G, vì vậy có thể định dạng mạng kết nối đa chặng bằng cách kết nối các trạm cơ sở bằng sự kết nối vô tuyến là hoàn toàn có thể hiểu được

BS (Base Station): Trạm gốc

MS (Mobile Station):

Trạm di động MNN (Moving Network Node): Nút mạng di chuyển

R1: High Speed MS I/F: Tương tác MS tốc độ cao

R2: Large-Scale Indoor I/F: Tương tác trong nhà lớn

R3: Indoor I/F: Tương tác trong nhà R4: Moving Network I/F: Tương tác mạng di chuyển

R5: Ad Hoc I/F: tương tác mạng Ad Hoc

N1: Outdoor BS I/F: tương tác

BS ngoài trời N2: Large-Scale Indoor BS I/F: tương tác BS trong nhà lớn

N3: Indoor BS I/F: tương tác

BS trong nhà

Hình 3.13 Giao diện vô tuyến và ngữ cảnh thực tế của truy cập vô tuyến mới [8]

Thêm vào đó, sẽ có những đòi hỏi lớn để thiết kế và phát triển 5 giao diện vô tuyến này có mức độ phổ dụng cao, để các thiết bị đầu cuối của hệ thống di

động 4G có thể dễ dàng điều khiển khả năng đa sóng vô tuyến và có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau trong nhiều môi trường khác nhau

3.2.3.2 Cấu hình chức năng cho các nút/thiết bị đầu cuối trong hệ thống

di động 4G

Hình 3.14 mô tả các ví dụ về cấu hình chức năng cho các nút/các thiết bị

đầu cuối trong các hệ thống di động 4G Xem xét như là các lớp chức năng,

dịch vụ và ứng dụng (F5), hỗ trợ dịch vụ (F4), điều khiển mạng và truyền tải

(F3), quản lý tài nguyên và đường kết nối (F2) và các chức năng truy cập

không dây (F1) được định nghĩa F5-F3 tương ứng với dịch vụ và miền ứng

dụng, nền tảng dịch vụ, mạng lõi chuyển mạch gói thuộc hình 3.8 tương ứng

với nơi mà F5, F4 ứng với trong miền truy cập sóng vô tuyến mới [8]

Hình 3.14 Ví dụ về cấu hình chức năng cho các nút/các thiết bị đầu cuối [8]

Nói cách khác, khi xem xét như là các loại nút/thiết bị đầu cuối, thì gồm

các loại: Bridge, bao hàm các lớp chức năng F1-F2; Router bao hàm các lớp

chức năng F1-F3; loại máy chủ quản lý gồm các lớp chức năng F1-F4; và loại

thiết bị đầu cuối gồm các chức năng F1-F5

3.3 Các công nghệ ứng dụng trong hệ thống di động 4G

Để đạt được tốc độ truyền dẫn cao, dung lượng lớn trong hệ thống di

động 4G, rất nhiều công nghệ tiên tiến cho thiết bị đầu cuối, cơ sở hạ tầng mạng, nền tảng dịch vụ cũng như là mạng truy cập vô tuyến mới đã được nghiên cứu, thử nghiệm và đã đạt được kết quả đề ra Sau đây là một số công nghệ được ứng dụng cho hệ thống di động 4G trong tương lai

3.3.1 Kỹ thuật truyền dẫn dung lượng lớn, tốc độ cao 3.3.1.1 Các kỹ thuật đa truy cập (Multiple Access Techniques)

Để đạt được tốc độ truyền dẫn sấp xỉ 100Mbps ở môi trường ngoài trời và 2Gbps ở môi trường trong nhà, và để mạng truy cập vô tuyến tương thích với

hệ thống mạng có kiến trúc phân cấp dựa trên nền IP, các công nghệ truyền dẫn sau đã được nghiên cứu và phát triển:

- Ghép kênh phân chia theo mã và tần số trực giao có hệ số trải phổ thay

đổi: VSF-OFCDM (Variable Spreading Factor – Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing)

- Đa truy cập phân chia theo mã đa sóng mang có lựa chọn sóng mang con: SCS-MC-CDMA (Subcarrier Selecting Multi Carrier Code Division Multi Access)

- Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao: OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multi Access)

- Đa truy cập phân chia theo tần số đan xen: IFDMA (Interleaved Frequency Division Multi Access)

VSF-OFCDM (Variable Spreading Factor – Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing) :

VSF-OFCDM là một hệ thống truy cập vô tuyến có thể cung cấp thông lượng lớn tốc độ cao trong nhiều môi trường và điều kiện lan truyền khác nhau qua một vùng phủ rộng Để triển khai được truyền dẫn dung lượng lớn, hệ

thống này đã sử dụng hệ số trải phổ hai chiều thay đổi thích hợp trong miền

thời gian và tần số tùy thuộc vào cấu hình ô, điều kiện lan truyền, tải trên kênh

[9] Công nghệ này vượt trội hơn công nghệ OFCDM dựa theo tốc độ ký hiệu

thấp MC-CDMA sử dụng nhiều sóng mang con trong cùng giao diện vô tuyến

Ưu thế của VSF-OFCDM là khả năng đạt được hiệu quả sử dụng phổ tần

cao, truyền dẫn dung lượng lớn, tốc độ cao nhờ việc kế thừa hệ số trải phổ tối

ưu tùy thuộc điều kiện lan truyền cụ thể trong cả môi trường nhiều ô (tế bào)

và môi trường tế bào độc lập, sử dụng cùng giao diện vô tuyến Đặc tính

truyền dẫn của VSF-OFCDM đã được thử nghiệm cả ở môi trường trong nhà

và ngoài trời Báo cáo thử nghiệm cho kết quả 100Mbps ở môi trường ngoại ô,

khoảng cách giữa trạm gốc và trạm di động là 80m-100m, tần số sóng mang

4,635 GHz, băng thông 101,5 MHz, số sóng mang con 768, hệ số trải phổ thời

gian 16, tốc độ di chuyển của thiết bị di động 30km/h, điều chế 16QAM

SCS-MC-CDMA (Subcarrier Selecting Multi Carrier Code Division Multi

Access):

Hình 3.15 Cơ bản về SCS-MC-CDMA [9]

SCS-MC-CDMA là một lược đồ truy cập vô tuyến dựa trên công nghệ MC-CDMA, là phương pháp truyền dẫn ký hiệu trải phổ sử dụng nhiều sóng mạng con trực giao trong miền tần số Lợi dụng đặc tính của MC-CDMA là sử dụng nhiều sóng mang con, SCS-MC-CDMA gán nhiều sóng mang con cho mỗi người sử dụng tùy theo tốc độ dữ liệu của người dùng đó [9]

Bộ thu không yêu cầu bộ xử lý tín hiệu tốc độ cao để điều chế tất cả sóng mang con, nhưng truyền thông vẫn được thực thi bằng khả năng xử lý tín hiệu dựa vào số sóng mang con được lựa chọn nhờ bộ lọc lựa chọn sóng mang con SCS-MC-CDMA có thể thay đổi tốc độ dữ liệu tối đa gán cho một người sử dụng tùy theo khoảng cách giữa trạm gốc và thiết bị di động bằng việc điều chỉnh số sóng mang con và công suất phát cho mỗi sóng mang con

SCS-MC-CDMA gán số sóng mang con dựa theo tốc độ dữ liệu của người

sử dụng Hơn nữa, tính trực giao giữa các sóng mang con được đảm bảo, nên cấu hình của máy phát không có sự khác biệt với máy phát của các hệ thống MC-CDMA Trong hệ thống SCS-MC-CDMA, máy thu sử dụng bộ lọc lựa chọn sóng mang con nên hệ thống sẽ cung cấp tốc độ dữ liệu cho người dùng một cách linh động Thậm chí trong các hệ thống sử dụng băng tần lớn, không cần phải thực hiện xử lý tín hiệu tốc độ cao cho cả băng tần mọi lúc mà chỉ cần mức độ xử lý tín hiệu và công suất phát tương ứng với tốc độ dữ liệu của người sử dụng [9] Do đó, với hệ thống này có thể giảm được tải cho xử lý tín hiệu và công suất tiêu thụ của thiết bị đầu cuối so với các hệ thống khác sử dụng cả băng tần

SCS-MC-CDMA có thể thực hiện giải điều chế bằng khả năng xử lý tín hiệu tương ứng với tốc độ dữ liệu người sử dụng do đó có thể phát triển một cách linh động các thiết bị đầu cuối giá rẻ có khả năng xử lý thấp, công suất tiêu thụ thấp, thiết bị đầu cuối đắt tiền có khả năng xử lý cao, công suất tiêu thụ cao tùy theo sở thích, yêu cầu dịch vụ của người dùng

SCS-MC-CDMA có thể điều khiển tốc độ dữ liệu tối đa và khoảng cách

truyền dẫn bằng việc điều chỉnh số sóng mang con và công suất phát cho mỗi

sóng mang con Nói cách khác, cấu trúc tế bào hiệu quả nhất (best-effort) có

thể được triển khai Cấu trúc này cho phép tăng tốc độ dữ liệu khi thiết bị đầu

cuối gần trạm gốc hơn và giảm khi thiết bị đầu cuối di chuyển ra biên của tế

bào Nếu cấu trúc này được chấp nhận thì nó có thể đáp ứng được cho nhiều

người sử dụng có yêu cầu dịch vụ khác nhau và đạt được hiệu quả sử dụng phổ

tần cao bằng việc linh động thay đổi số sóng mang con và gán mã tương ứng

số người dùng nằm trong tế bào, và thay đổi tốc độ dữ liệu, khoảng cách liên

lạc của mỗi người sử dụng

High data rate: tốc độ cao

Middle data rate: tốc độ trung bình

Low data rate: tốc độ thấp

Short range user: người dùng ở gần Mid range user: người dùng trong phạm

vi trung bình Long range user: người dùng ở xa

Transmitter power: c/s phát Frequency: tần số

Hình 3.16 Cấu trúc tế bào tối ưu của SCS-MC-CDMA [9]

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multi Access):

Hệ thống OFDM đạt được khả năng dung lỗi (chống nhiễu) đa đường rất

tốt và thực hiện được truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao trong môi trường chuyển

động, nhưng hệ thống này thường được sử dụng kết hợp với các hệ thống đa

truy cập khác như: FDMA, TDMA OFDMA là một phương thức triển khai đa truy cập trong đó tất cả người dùng chia sẻ tất cả các sóng mang con Một số sóng mang con tùy ý được đặt cho các kênh con và cho mỗi người dùng ở những khe thời gian tùy ý [6] [7]

Hình 3.17 Phân bổ kênh con [9]

Nhờ việc phân bổ sóng mang con cho mỗi người sử dụng, hệ thống OFDMA đạt được hiệu quả sử dụng phổ tần cao ở môi trường ngoại ô nhiều tế bào và dung lượng của toàn hệ thống có thể mở rộng Tuy nhiên, hệ thống này cũng có nhiều nhược điểm:

- Mào đầu mở rộng cho thông tin điều khiển truyền dẫn trở lên rất phức tạp

- Để tăng dung lượng hệ thống thì điều kiện kênh phải được biết dựa trên cơ sở thời gian thực và phải thực hiện được sự sắp xếp phân bổ kênh một cách chính xác cao