nghiên cứu sự linh hoạt của công nghệ OFDMA/4G và sử dụng nguồn tài nguyên vô tuyến hữu hạn một cách hiệu quả nhất

Lịch sử phát triển của mạng di động Vào cuối những năm 1940, lần đầu tiên dịch vụ điện thoại qua sóng radio được giới thiệu và đã được thiết kế cho người dùng trong những chiếc xe ôtô tớ

LỜI CẢM ƠN.

Sau khoảng thời gian học tập tại trường, đây là thời gian khó quên nhất đối với chúng em Thầy cô đã chỉ bảo tận tình để giúp chúng em trang bị kiến thức vững vàng bước vào đời

Đẻ được như ngày hôm nay, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy Ths

Đỗ Huy Khôi, Giáo viên bộ môn Thực Hành, Khoa Công nghệ Điện tử và Truyền thông,

đã tận tình hướng dẫn em về chuyên môn, phương pháp làm việc để em có thể xây dựng

và hoàn thành nội dung báo cáo đồ án tốt nghiệp theo đúng kế hoạch

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới bố mẹ đã động viên giúp đỡ cả về vật chất lẫn tinh thần cho con bao nhiêu năm qua, đồng cảm ơn tới bạn bè đã luôn ở bên cạnhmình

Sau cùng, em xin chúc các Thầy, Cô trong Khoa Công nghệ Điện tử và Truyền thông cùng các Thầy, Cô trong Trường luôn dồi dào sức khỏe và niềm tin để tiếp tục thực hiện

sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho các bạn trong các khóa học tiếp theo

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 11 tháng 04 năm 2018 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Mỹ Quyên

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan những nội dung mà em tìm hiểu không cố tình sao chép bất hợppháp hay ăn cắp bản quyền của các bài viết hay công trình nghiên cứu của bất kì ai.Những kết quả đạt được là do em tìm hiểu và tự hoàn thành

Em xin cam đoan những lời trên là hoàn toàn đúng sự thật Em xin chịu mọi tráchnhiệm về những lời cam đoan trên

Người cam đoan

Nguyễn Thị Mỹ Quyên

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN MẠNG VỀ MẠNG VÔ TUYẾN 4G 6

1.1 Lịch sử phát triển của mạng di động 6

1.1.1 Công nghệ 1G thế hệ đầu tiên 6

1.1.2 Công nghệ 2G thế hệ thứ hai 6

1.1.3 Mạng thông tin di động 3G? 7

1.1.4 Mạng thông tin di động 4G 9

1.1.5 Mạng di động 5G 16

1.2 Cấu trúc mạng 4G 17

1.2.1 Mạng lõi 19

1.2.2 Mạng truy cập 21

1.2.3 Đường giao tiếp giữa mạng lõi với mạng truy cập vô tuyến 23

1.2.4 Đường giao tiếp với cơ sở dữ liệu người dùng 24

1.7 Kết luận chương 1 24

CHƯƠNG II: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN 25

2.1 Tổng quan về quản lý tài nguyên trong mạng vô tuyến 25

2.1.1 Tại sao phải quản lý tài nguyên trong mạng vô tuyến 25

2.1.2 Yêu cầu về quản lý tài nguyên vô tuyến 26

2.1.3 Mục đích của việc quản lý tài nguyên trong mạng vô tuyến 26

2.1.4 Các chức năng của quản lý tài nguyên trong mạng vô tuyến 27

2.1.4.1 Điều khiển công suất 27

2.1.4.2 Điều khiển chuyển giao 27

2.1.4.3 Điều khiển thu nạp 28

2.1.4.4 Điều khiển tải 28

2.2 Đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) 29

2.2.1 QoS là gì? 29

2.2.2 Yêu cầu về QoS 30

2.2.3 Các thuộc tính của QoS 33

2.2.4 Kiến trúc QoS 36

2.3 Kết luận chương 2 38

CHƯƠNG III: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN TRONG MẠNG 4G 39

3.1 Kỹ thuật truy nhập OFDMA trong mạng 4G 39

3.1.1 Khái niệm OFDMA 39

3.1.2 Đặc điểm 39

3.1.3 Sơ đồ hệ thống OFDMA 41

3.1.4 Sơ đồ truyền dẫn tuyến xuống 42

3.1.5 Sơ đồ truyền dẫn tuyến lên 44

3.1.6.Tại sao phải sử dụng kỹ thuật OFDMA cho 4G ở đường xuống 45

3.2 Cơ chế quản lý tài nguyên trong mạng 4G 45

3.2.1 Quản lý tài nguyên và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng 4G 45

3.2.2 Tại sao phải quản lý tài nguyên trong mạng 4G 46

3.2.3 Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng 4G 50

3.2.4 Quản lý chất lượng dịch vụ trong mạng 4G 51

3.3 Cơ chế quản lý tài nguyên trong mạng 4G 56

LỜI MỞ ĐẦU

Ngành công nghệ viễn thông đã chứng kiến nhiều phát triển ngoạn mục trong nhữngnăm gần đây Khi mà cả công nghệ mạng thông tin di động thế hệ thứ 3 3G chưa có đủthời gian để khẳng định vị thế của mình trên toàn cầu, người ta đã bắt đầu nói về côngnghệ 4G từ nhiều năm gần đây Thực tế, vào giữa những năm 2002, 4G là một khungnhận thức để thảo luận những yêu cầu của một mạng băng rộng tốc độ siêu cao trongtương lai mà cho phép hội tụ với mạng hữu tuyến cố định

Có rất nhiều thách thức và yêu cầu được đặt ra đối với thế hệ mạng thông tin diđộng băng thông rộng nói chung và hệ thống OFDMA/4G nói riêng để có thể nâng caotốc độ dữ liệu và cung cấp chất lượng dịch vụ cao tới những người sử dụng Để đạt đượcđiều này, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) và đa truy nhập phân chiatheo tần số trực giao (OFDMA) đã được chọn là công nghệ chính trong hệ thốngOFDMA/4G

Để nghiên cứu đầy đủ sự linh hoạt của công nghệ OFDMA và sử dụng nguồntài nguyên vô tuyến hữu hạn một cách hiệu quả nhất, việc nghiên cứu và đưa ra các kỹthuật quản lý tài nguyên vô tuyến thích ứng và thông minh (RRM) là rất quan trọng Córất nhiều vấn đề RRM mở trong mạng không dây nói chung và OFDMA trên các hệthống di động nói riêng Một trong những vấn đề đó là sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệusuất sử dụng tài nguyên và công bằng trong phân bổ nguồn tài nguyên giữa những người

sử dụng

Các kỹ thuật RRM xem xét trong luận án này được đánh giá bằng các mô phỏng

hệ thống-cấp Với hệ thống OFDMA\4G, các kỹ thuật RRM thích ứng được nghiên cứu

là các công cụ có giá trị cho các nhà khai thác di động bởi vì chúng là sự mở rộng của cácchiến lược RRM cổ điển đã được biết đến trong các tài liệu Những kỹ thuật đó có thểđảm bảo các mức công bằng khác nhau trong hệ thống và kiểm soát sự cân nhắc lựachọn giữa hiệu suất và công bằng người sử dụng khi phân bổ nguồn tài nguyên

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN MẠNG VỀ MẠNG VÔ TUYẾN 4G

1.1 Lịch sử phát triển của mạng di động

Vào cuối những năm 1940, lần đầu tiên dịch vụ điện thoại qua sóng radio được giới thiệu và đã được thiết kế cho người dùng trong những chiếc xe ôtô tới các mạng điệnthoại viễn thông công cộng Sau đó, vào thập niên 60, một hệ thống bởi Bell Systems được ra mắt Từ rất sớm các hệ thống tương tự đã được dựa trên IMTS (Improved MobileTelephone Service) và được tạo ra trong cuối thập niên 60 và 70 Hệ thống đó được gọi là

“tế bào” vì vùng phủ sóng lớn được chia thành các khu vực nhỏ hơn hoặc “cell”, mỗi tế bào được phục vụ bởi một máy phát công suất thấp và máy thu

1.1.1 Công nghệ 1G thế hệ đầu tiên

Là mạng thông tin di động không dây cơ bản đầu tiên trên thế giới Nó là hệ thống giao tiếp thông tin qua kết nối tín hiệu analog được giới thiệu lần đầu tiên vào những nămđầu thập niên 80s Nó sử dụng các ăng-ten thu phát sóng gắn ngoài, kết nối theo tín hiệu analog tới các trạm thu phát sóng và nhận tín hiệu xử lý thoại thông qua các module gắn trong máy di động

Mặc dù là thế hệ mạng di động đầu tiên với tần số chỉ từ 150MHz nhưng mạng 1Gcũng phân ra khá nhiều chuẩn kết nối theo từng phân vùng riêng trên thế giới: NMT (Nordic Mobile Telephone) là chuẩn dành cho các nước Bắc Âu và Nga; AMPS

(Advanced Mobile Phone System) tại Hoa Kỳ; TACS (Total Access Communications System) tại Anh; JTAGS tại Nhật; C-Netz tại Tây Đức; Radiocom 2000 tại Pháp; RTMI tại Ý

 Điểm yếu của 1G là:

- Dung lượng thấp

- Xác suất dớt cuộc gọi cao

- Khả năng truyển cuộc gọi không tin cậy

- Chất lượng âm thanh kém

di động 3 lợi ích tiến bộ trong suốt một thời gian dài: mã hoá dữ liệu theo dạng kỹ thuật

số, phạm vi kết nối rộng hơn 1G và đặc biệt là sự xuất hiện của tin nhắn dạng văn bản

đơn giản – SMS Theo đó, các tin hiệu thoại khi được thu nhận sẽ đuợc mã hoá thành tín hiệu kỹ thuật số dưới nhiều dạng mã hiệu (codecs), cho phép nhiều gói mã thoại được lưuchuyển trên cùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và chi phí Song song đó, tín hiệu

kỹ thuật số truyền nhận trong thế hệ 2G tạo ra nguồn năng lượng sóng nhẹ hơn và sử dụng các chip thu phát nhỏ hơn, tiết kiệm diện tích bên trong thiết bị hơn

Mạng 2G chia làm 2 nhánh chính: nền TDMA (Time Division Multiple Access) và nền CDMA cùng nhiều dạng kết nối mạng tuỳ theo yêu cầu sử dụng từ thiết bị cũng như

hạ tầng từng phân vùng quốc gia:

 Một số ưu điểm của mạng 2G:

- Dữ liệu số của giọng nói được nén và ghép kênh hiệu quả hơn so với mã hóa Analog nhờ sử dụng nhiều hình thức mã hóa, cho phép nhiều cuộc gọi cùng được nmax hóa trên một dải băng tần

- Hệ thống kĩ thuật số được thiết kế giảm bớt năng lượng sóng radio phát từ điện thoại Nhờ vậy, có thể thiết kế điện thoại 2G nhỏ gọn hơn, đồng thời giảm chi phí đầu tư những tháp phát sóng

- Mạng 2G trở lên phổ biến cũng do công nghệ này có thể triển khai một số dịch vụ dữ liệu như Email, SMS Đồng thời, mức độ bảo mật cá nhân cao hơn so với 1G

 Mặt hạn chế mạng 2G:

- Tín hiệu kỹ thuật số yếu hơn, tại những nơi dân cư thưa thớt, sóng kỹ thuật

số yếu có thể không tới được các tháp phát sóng Tại những điểm như vậy,chất lượng truyền sóng cũng như chất lượng cuộc gọi sẽ bị giảm đáng kể

- Đường cong bị phân rã góc

- Giảm phạm vi truyền âm thanh

1.1.3 Mạng thông tin di động 3G?

Là thế hệ truyền thông di động thứ ba, tiên tiến hơn hẳn các thế hệ trước đó Nó cho phép người dùng di động truyền tải cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh, âm thanh, video clips

Trong số các dịch vụ của 3G, điện thoại video thường được miêu tả như là lá cờ đầu Giá tần số cho công nghệ 3G rất đắt tại nhiều nước, nơi mà các cuộc bán đầu giá tần số mang lại hàng tỷ Euro cho các chính phủ Bởi vì chi phí cho bản quyền về các tần số phải trang trải trong nhiều năm trước khi các thu nhập từ mạng 3G đem lại, nên một khối lượng vốn đầu tư khổng lồ là cần thiết để xây dựng mạng 3G Nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đã rơi vào khó khăn về tài chính và điều này đã làm chậm trễ việc triển khai mạng 3G tại nhiều nước ngoại trừ Nhật Bản và Hàn Quốc, nơi yêu cầu về bản quyền tần số được bỏ qua do phát triển hạ tâng cơ sở IT quốc gia được đặt lên làm vấn đề ưu tiên nhất

Và cũng chính Nhật Bản là nước đầu tiên đưa 3G vào khai thác thương mại một cách rộng rãi, tiên phong bởi nhà mạng NTT DoCoMo Tính đến năm 2005, khoảng 40% các thuê bao tại Nhật Bản là thuê bao 3G, và mạng 2G đang dần dần đi vào lãng quên trong tiềm thức công nghệ tại Nhật Bản

Công nghệ 3G cũng được nhắc đến như là một chuẩn IMT-2000 của Tổ chức Viễnthông Thế giới (ITU) Ban đầu 3G được dự kiến là một chuẩn thống nhất trên thế giới, nhưng trên thực tế, thế giới 3G đã bị chia thành 4 phần riêng biệt:

 FOMA, thực hiện bởi công ty viễn thông NTT DoCoMo Nhật Bản năm 2001, được coi như là một dịch vụ thương mại 3G đầu tiên Tuy là dựa trên công nghệ W-CDMA, nhưng công nghệ này vẫn không tương thích với UMTS (mặc dù có các bước tiếp hiện thời để thay đổi lại tình thế này)

CDMA 2000

 Là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95 Các đề xuất của CDMA2000được đưa ra bàn thảo và áp dụng bên ngoài khuôn khổ GSM tại Mỹ, Nhật Bản và Hàn Quốc CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2 – một tổ chức độc lập với 3GPP Và đã có nhiều công nghệ truyền thông khác nhau được sử dụng trong CDMA2000 bao gồm 1xRTT, CDMA2000-1xEV-DO và 1xEV-DV

 CDMA 2000 cung cấp tốc độ dữ liêu từ 144 kbit/s tới trên 3 Mbit/s Chuẩn này đã được chấp nhận bởi ITU

 Người ta cho rằng sự ra đời thành công nhất của mạng CDMA-2000 là tại KDDI của Nhận Bản, dưới thương hiệu AU với hơn 20 triệu thuê bao 3G Kể từ năm 2003, KDDI đã nâng cấp từ mạng CDMA2000-1x lên mạng CDMA2000-1xEV-DO với tốc độ

dữ liệu tới 2.4 Mbit/s Năm 2006, AU nâng cấp mạng lên tốc độ 3.6 Mbit/s SK Telecom của Hàn Quốc đã đưa ra dịch vụ CDMA2000-1x đầu tiên năm 2000, và sau đó là mạng 1xEV-DO vào tháng 2 năm 2002

* 3.5G: là hệ thống mạng di động truyền tải tốc độ cao HSDPA (High Speed Downlink

Packet Access), phát triển từ 3G và hiện đang được 166 nhà mạng tại 75 nước đưa vào cung cấp cho người dùng Nó đuợc kết hợp từ 2 công nghệ kết nối không dây hiện đại HSPA và HSUPA, cho phép tốc độ truyền dẫn lên đến 7.2Mbp/s

 Ưu điểm:

- Cải thiện được chất lượng cuộc gọi, tín hiệu và tốc độ so với thế hệ trước

- Truy cập Internet tốc độ cao kể cả khi di đang chuyển

- Cùng với sự bùng nổ smartphone, kết nối 3G cho phép người dùng truy cập vào thế giới nội dung đa phương tiện phong phú bao gồm nhạc, phim, hình ảnh chất lượng cao

- Kết hợp với các ứng dụng nhắn tin OTT như Viber, Skype, Zalo, Line…, 3G giúp người dùng có thể online, trò chuyện mọi lúc mọi nơi với chi phí rẻ hơn rất nhiều so với dạng tin nhắn SMS truyền thống

 Hạn chế mạng 3G:

- Tầm phủ sóng bị giới hạn

- Giá cước, thiết bị đầu cuối cao

- Chất lượng chưa ổn định Mặt khác khi nhiều người cùng truy cập đến sóngcủa một trạm BTS ( Base Transceiver Station – Trạm thu phát sóng diđộng) thì tốc độ truyền dẫn của 3G sẽ bị chia sẻ dẫn tới tốc độ truy cậpgiảm, đó là những khó khăn mà các nhà mạng cần phải giải quyết

Yêu cầu kĩ thuật của 4G bao gồm cả mạng chuyển mạch gói tin dựa trên địa chỉ IP

và một kênh với bang thông có khả năng mở rộng lên đến 40Mhz

Hai công nghệ là xem như là tiền 4G là chuẩn Wimax2 và Long Tern Evolution (LTE) vì chưa đáp ứng được chuẩn của 4G là cho phép truyền tải ở tốc độ 100Mbyte/s khi di chuyển và 1Gb/s khi đứng yên Về bản chất Wimax2 là một tiêu chuẩn được phát triển bởi IEEE còn LTE là sản phẩm của 3GPP, một bộ phận của liên minh các nhà mạng cungcấp dịch vụ GSM Cả hai tiêu chuẩn Wimax2 và LTE đều sử dụng công nghệ anten tiên tiến nhằm cải thiện khả năng tiếp nhận và thực hiện, tuy nhiên lại hoạt động trên các băngtần khác nhau

Wimax2 cung cấp khả năng kết nối Internet không dây nhanh hơn so với wifi, tốc

độ up và down cao hơn, sử dụng được nhiều ứng dụng hơn, vùng phủ sóng rộng hơn, không bị ảnh hưởng bởi địa hình Wimax có thể thay đổi một cách tự động phương thức điều khiển điều chế để có thể tăng vùng phủ bằng cách giảm tốc độ truyền và ngược lại,

có tốc độ bit net lý thuyết là 128 Mbit/s cho download và 64 Mbit/s cho upload

LTE Advanced là ứng viên cho chuẩn 4G, mục tiêu của nó là hướng đến đáp ứng đượcyêu cầu của ITU LTE Advanced có khả năng tương thích với thiết bị và chia sẻ bang tần

với LTE phiên bản đầu tiên Nhưng đã có thể thấy trong tương lai không xa, một số xuhướng sẽ làm tăng yêu cầu về bandwidth:

- Mức độ sử dụng mạng không dây ngày càng tăng: do giá thành ngày càng hạ,ngày càng có nhiều người sử dụng các ứng dụng không dây cần truy cập mạng

- Nội dung đa phương tiện: tuy những nỗ lực đầu tiên di động hóa Web chỉ đạtđược các trang Web chủ yếu là văn bản, nhưng nội dung đồ họa ngày càng trở nên phổbiến hơn Một hình ảnh có thể nói thay cho hàng nghìn từ ngữ, nhưng nó cũng làm tănglượng dữ liệu cần được truyền đi cho mỗi trang Web Việc tải xuống âm nhạc và phimảnh cũng đang trở nên phổ biến hơn, làm tăng hơn nữa yêu cầu về băng thông

- Các mạng xã hội di động: tương tự như trong Internet đường dây cố định, có mộtdòng ứng dụng mới đang thay đổi cách thức con người sử dụng Internet Trong quá khứ,người dùng chủ yếu chỉ tiêu thụ nội dung Ngày nay thì các blog, các site chia sẻ hình ảnh

và các cổng truyền tải phim đang định hình lại Internet, bởi vì người dùng không chỉ tiêuthụ nội dung nữa mà nay đã dùng mạng để chia sẻ những ý tưởng, hình ảnh và phim ảnhcủa họ với người khác

- Voice over IP: thế giới thoại đường dây cố định đang nhanh chóng chuyển sanghướng VoIP Nhiều khả năng là chỉ khoảng năm năm nữa, nhiều mạng thoại chuyển kênhđường dây cố định hiện nay sẽ chuyển hoàn toàn sang truyền thoại dựa trên IP Tương tựnhư vậy, về phương diện truy cập mạng, nhiều người dùng sẽ sử dụng VoIP như dịch vụthoại chính của họ, ví dụ như qua các mạng DSL hoặc TV cáp Hiện nay có thể thấy nhữngđộng thái chuyển dịch này rồi, bởi vì thị trường thoại chuyển kênh đang chịu áp lực ngàycàng tăng do sự sụt giảm số lượng thuê bao Kết quả là, nhiều nhà cung cấp dịch vụ thoạiđường dây cố định không còn đầu tư vào công nghệ chuyển kênh nữa Có thể quan sát thấymột xu hướng tương tự trong các mạng không dây Tuy nhiên, sự dịch chuyển ở đây chậmhơn nhiều, đặc biệt là do yêu cầu về băng thông cao hơn để truyền các cuộc thoại qua mộtđường truyền chuyển gói

- Sự thay thế cho đường dây cố định: trong khi lượng thông thoại ngày càng tăngthì doanh thu ngày càng giảm ở các mạng đường dây cố định lẫn không dây do cước thuêbao ngày càng giảm VÌ vậy, ở nhiều nước, các nhà cung cấp dịch vụ không dây đang cố

gắng kìm giữ hoặc tăng doanh thu bình quân trên mỗi thuê bao bằng cách chào mời khảnăng truy cập Internet cho máy PC, máy tính xách tay và các thiết bị di động trên cácmạng UMTS/HSDPA hoặc CDMA của họ Như vậy là họ bắt đầu cạnh tranh trực tiếpvới các nhà cung cấp dịch vụ DSL và cáp Muốn cạnh tranh thành công, họ cũng phảităng thêm băng thông trên mạng của mình.

- Sự cạnh tranh từ những nhà cung cấp dịch vụ Internet không dây khác: ở một sốnước, các nhà cung cấp dịch vụ khác đã và đang chào mời khả năng truy cập Internetkhông dây broadband bằng các mạng Wifi hoặc Wimax/802.16 Những nhà cung cấp nhưthế cạnh tranh trực tiếp với các nhà cung cấp dịch vụ UMTS và CDMA truyền thống vẫnđang hoạt động trong thị trường này

Một số công nghệ không dây hiện đang được xây dựng hoặc đang trong giai đoạntriển khai ban đầu, được thiết kế để đáp ứng nhu cầu tương lai này: LTE của 3GPP,HSPA+ và Wimax Câu hỏi đặt ra là trong bối cảnh như vậy, những công nghệ nào là 3Ghiện nay, và công nghệ nào được xem là 4G trong tương lai?

Cơ quan chịu trách nhiệm phân loại các mạng không dây là ITU (InternationalTelecommunication Union) ITU phân loại các mạng viễn thông di động quốc tế(international mobile telecommunication_IMT) như sau:

- Các hệ thống IMT-2000: tức những hệ thống mà ta gọi là 3G hiện nay, ví dụUMTS và CDMA2000

- Các hệ thống Enhanced IMT-2000: sự phát triển của các hệ thống IMT-2000 (tứcsau 3G), ví dụ như HSPA, CDMA 1xEvDo và những thế hệ phát triển hơn nữa của chúngtrong tương lai

- Các hệ thống IMT-Advance: các hệ thống thuộc loại này được xem là hệ thống4G

Trong liên minh viễn thông quốc tế ITU, nhóm công tác 8F (ITU-R WP 8F) đangtiến hành nghiên cứu các hệ thống kế tiếp sau IMT-2000 ITU-R WP 8F tuyên bố rằngcần có các công nghệ vô tuyến di động mới để đáp ứng các khả năng cao hơn IMT-2000,tuy nhiên vẫn chưa chỉ rõ đó là công nghệ nào Thuật ngữ IMT-Adv cũng sẽ có các bướcphát triển giống như IMT-2000 và sẽ có các khả năng của các hệ thống trước đó

Trong giới nghiên cứu, một số đề án đang được tiến hành trong IMT-Advance vàthế hệ sau của truy nhập vô tuyến Chẳng hạn như đề án Winner được hỗ trợ một phầnkinh tế từ liên minh châu Âu là đề án dành cho nghiên cứu vấn đề này Khái niệm củaWinner có rất nhiều các phần tử gần giống với LTE Tuy nhiên Winner đặt mục tiêu chotốc độ số liệu cao hơn và vì thế được thiết kế cho băng thông rộng hơn 20Mhz.

LTE là một trong các con đường tiến tới 4G LTE sẽ tồn tại trong giai đoạn đầucủa 4G, tiếp theo đó sẽ là IMT Adv LTE cho phép chuyển đổi dần từ 3G UMTS sanggiai đoạn đầu của 4G sau đó sang IMT Adv Chuyển đổi dần từ LTE sang IMT Adv làchìa khóa của thành công trên thị trường 3GPP đã bắt đầu hướng đến IMT- Advancecũng cho vô tuyến vùng nội hạt dưới cái tên LTE-Advance LTE-Advance là một phầncủa 3GPP Release 10 và IMT-Advance sẽ được triển khai vào năm 2013 hoặc sau đó

Hình 1.1: Tốc độ bit và sự phát triển di động đến IMT-Advance

Ngoài LTE của 3GPP còn có các hướng chuyển đổi khác sang 4G 3GPP2 cũng đã

và đang thực hiện kế hoạch nghiên cứu LTE cho mình, hệ thống do 3GPP2 đề xuất làUMB (Ultra Mobile Broadband) Ngoài ra Wimax cũng có kế hoạch tiến tới 4G

Một lộ trình tiến tới mạng 4G của các công nghệ được thể hiện như hình 1.2:

Hình 1.2: Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động 4G

- UMB

Chuẩn UMB hiện nay được phát triển bởi 3GPP2 với kế hoạch là sẽ thương mạihoá trước 2009

* Một số đặc điểm kỹ thuật như sau:

- Các kỹ thuật Multiple radio và antenna tiên tiến:

Multiple Input Multiple Output (MIMO), đa truy nhập phân chia theo không gian(Spatial Division Multiple Access (SDMA)) và kỹ thuật beamforming antenna

- Các kỹ thuật quản lý nhiễu tiên tiến (Improved interference managementtechniques)

- Tốc độ dữ liệu cao nhất (peak data rates)

- Lên tới 288 Mbps đường lên, 75 Mbps đường xuống

- Lên tới 1000 người sử dụng VoIP đồng thời (với sự cấp phát 20 MHz FDD)

* IEEE 802.x

Chuẩn này bắt nguồn từ mạng WiFi, sau đó tiến lên 802.16e rồi 802.16m và bâygiờ là 802.20

Chuẩn IEEE 802.20 còn được gọi là truy nhập vô tuyến băng rộng di độngWBMA (Mobile Broadband Wireless Access) Nó có thể hỗ trợ ngay cả khi đang dichuyển với vận tốc lên tới 250 km/h.

Trong khi chuyển vùng (roaming) của WiMAX nhìn chung bị giới hạn trong mộtphạm vi nhất định, thì chuẩn IEEE 802.20 giống như 3G có khả năng hỗ trợ chuyển vùngtoàn cầu Ngoài ra, cũng giống như WiMAX, IEEE 802.20 cũng hỗ trợ các kỹ thuật QoSnhằm cung cấp những dịch vụ có yêu cầu cao về độ trễ, jitter Trong mạng EEE 802.20,việc đồng bộ giữa đường lên và đường xuống đều được thực hiện hiệu quả Dự kiến,chuẩn IEEE 802.20 tương lai sẽ kết hợp một số tính năng của IEE 802.16e và các mạng

dữ liệu 3G, nhằm cung cấp và tạo ra một mạng truyền thông đa dạng (richcommunication)

* 3GPP LTE

Hệ thống 3GPP LTE, là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng khôngdây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là một trong những công nghệ tiềmnăng nhất cho truyền thông 4G Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã định nghĩatruyền thông di động thế hệ thứ 4 là IMT Advanced và chia thành hai hệ thống dùng cho

di động tốc độ cao và di động tốc độ thấp 3GPP LTE là hệ thống dùng cho di động tốc

độ cao Ngoài ra, đây còn là công nghệ hệ thống tích hợp đầu tiên trên thế giới ứng dụng

cả chuẩn 3GPP LTE và các chuẩn dịch vụ ứng dụng khác, do đó người sử dụng có thể dễdàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa các mạng LTE và các mạngGSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên WCDMA

3GPP LTE có khả năng cấp phát phổ tần linh động và hỗ trợ các dịch vụ đaphương tiện với tốc độ trên 100Mb/s khi di chuyển ở tốc độ 3km/h, và đạt 30Mb/s khi dichuyển ở tốc độ cao 120km/h thì tốc độ truyền là trên 30 Mb/s Tốc độ này nhanh hơngấp 7 lần so với tốc độ truyền dữ liệu của công nghệ HSDPA (truy nhập gói dữ liệu tốc

độ cao) Do công nghệ này cho phép sử dụng các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao trongkhi di chuyển ở bất kỳ tốc độ nào nên nó có thể hỗ trợ sử dụng các dịch vụ nội dung códung lượng lớn với độ phân giải cao ở cả điện thoại di động, máy tính bỏ túi PDA, điệnthoại thông minh

Ưu điểm nổi bật:

- Dung lượng truyền trên kênh đường xuống có thể đạt 100 Mbps và trên kênh đường lên

có thể đạt 50 Mbps

- Tăng tốc độ truyền trên cả người sử dụng và các mặt phẳng điều khiển

- Sẽ không còn chuyển mạch kênh Tất cả sẽ dựa trên IP VoIP sẽ dùng cho dich

vụ thoại

- Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời Tuy nhiên mạng3GPP LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G hiện tại Điều nàyhết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai 3GPP LTE vì không cần thay đổitoàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có

- OFDMA và MIMO được sử dụng trong 3G LTE thay vì CDMA như trong 3G

- LTE-Advance

Sự phát triển của LTE Advance/IMT Advance được chỉ ra ở bảng dưới và sự tiếntriển từ các dịch vụ của 3G được phát triển từ kĩ thuật UMTS/W-CDMA

Bảng 1.1 So sánh thông số đặc diểm của các hệ thống

Một số đặc điểm của LTE Advance:

- Tốc độ dữ liệu đỉnh: 1 Gbps cho đường xuống và 500 Mbps cho đường lên

- Băng thông sử dụng: 20Mhz_100Mhz.

- Hiệu quả phổ đỉnh: 30 bps / Hz cho đường xuống và 15 bps / Hz cho đường lên

- Thời gian chờ: nhỏ hơn 50 ms khi chuyển từ trạng thái rỗi sang trạng thái kết nối

và nhỏ hơn 5ms cho mỗi chuyển mạch gói riêng lẻ

- Tính di động: giống LTE

- Khả năng tương thích: LTE Advance có khả năng liên kết mạng với LTE và các

hệ thống của 3GPP

1.1.5 Mạng di động 5G

Mạng di độngh 5G là bước đệm cho ngành công nghiệp IoT

Cụm từ 5G là viết tắt của từ 5th Generation, thế hệ thứ 5 của mạng di động Mỗi thế hệtương ứng với một tập hơp các yêu cầu riêng, quyết định chất lượng thiết bị và hệ thốngmạng nào đủ chuẩn đáp ứng yêu cầu và tương thích với các hệ thống mạng khác, mô tảnhững công nghệ mới, mang lại khả năng giao tiếp mới

Mạng 5G chắc chắn sẽ vượt trội hơn 4G

Đầu tháng 01/2012, Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU - InternationalTelecommunications Union) chứng nhận chỉ có 2 công nghệ là LTE-Advanced vàWirelessMAN-Advanced (WiMAX 2) mới đạt chuẩn mạng 4G Theo tiêu chuẩn củaITU, mạng 4G phải đạt được tốc độ 100Mbit/giây khi di chuyển tốc độ cao và tốc độ1Gbit/giây đối với những thiết bị cố định

Do chuẩn 5G xuất hiện sau 4G nên nó được mong đợi còn có tốc độ nhanh hơnnhiều chuẩn kết nối 4G hiện tại Tuy nhiên, chưa có tài liệu nào quy định chính xácnhanh hơn bao nhiêu

 Hoạt động của mạng 5G

5G sẽ sử dụng sóng milimét (Millimetre wave) Sóng milimét đại diện cho phổ tínhiệu RF giữa các tần số 20GHz và 300GHz với bước sóng từ 1~15mm, nhưng xét về khía

cạnh mạng vô tuyến và các thiết bị thông tin, tên gọi sóng milimét tương ứng với các dảitần 24GHz, 38GHz, 60GHz và gần đây, các dải tần 70GHz, 80 GHz cũng đã được sửdụng công cộng cho mục đích thiết lập mạng và truyền thông vô tuyến Những dải tầnnày được tận dụng thì có thể cải thiện rất nhiều tốc độ và băng thông không dây.

Hiện thời, gần như không có dữ liệu nào truyền trên mốc 24GHz, bởi những bước sóngnày có xu hướng sử dụng ở tầm gần, hoạt động với khoảng cách ngắn hơn Ví dụ, mạng4G LTE của AT&T hiện thời hoạt động ở dải tần 700MHz, 850MHz, 1,9GHz và 2,1GHz.Thay vì những trạm cơ sở trên mặt đất đang được sử dụng bởi mạng 2G, 3G và 4G, cóthể 5G sẽ sử dụng các trạm HAPS (High Altitude Stratospheric Platform Stations) Về cơbản, các trạm HAPS là những chiếc máy bay treo lơ lửng ở một vị trí cố định trongkhoảng cách từ 17km~22km so với mặt đất và hoạt động như một vệ tinh Cách này sẽgiúp đường tín hiệu được thẳng hơn và giảm tình trạng bị cản trở bởi những kiến trúc caotầng

Ngoài ra, nhờ độ cao, trạm cơ sở có khả năng bao phủ diện tích rộng lớn; do đó làmgiảm, nếu không nói là loại bỏ những vấn đề về diện tích vùng phủ sóng Thậm chí trênbiển, nơi các trạm phát sóng trên đất liền không thể phủ sóng, người ta cũng có thể bắtđược tín hiệu 5G

 Ưu điểm của mạng 5G:

- Tốc độ nhanh hơn 4G khoảng 40 lần

- Mở rộng vùng phủ sóng

- Sử dụng tần số 73.000 MHz làm cho tốc dộ tải dữ liệu tăng lên đáng kể

- Cải thiện về phương pháp truyền dữ liệu

- Tiết kiệm năng lượng

tiến EPC (Evolved Packet Core) LTE cùng với SAE tạo thành hệ thống gói cải tiến EPS(Evolved Packet System).

Hình 1.6 Sự chuyển đổi trong cấu trúc mạng từ UTRAN sang E-UTRAN

Hình 1.6 cho thấy các thành phần chính của một mạng lõi và mạng truy nhập vôtuyến LTE So sánh với UMTS, mạng vô tuyến ít phức tạp hơn Mục đích chính của LTE

là tối thiểu hóa số Node Vì vậy, người ta đã quyết định rằng các RNC nên được gỡ bỏ,

và chức năng của chúng đã được chuyển một phần sang các trạm cơ sở và một phần sangnút Gateway của mạng lõi Để phân biệt với các trạm cơ sở UMTS, các trạm cơ sở củaLTE được gọi là Enhanced NodeB (eNodeB) Bởi vì không còn phần tử điều khiển ởtrung ương trong mạng vô tuyến nữa nên giờ đây các trạm cơ sở thực hiện chức năngquản lí dữ liệu truyền tải một cách tự lập, và bảo đảm chất lượng dịch vụ Tuy nhiên cácRNC vẫn điều khiển các kênh truyền tải dành cho dịch vụ thoại chuyển kênh

Hình 1.7 Cấu trúc EPS

EPS dùng khái niệm “EPS bearers” tạm dịch là thông báo EPS để định tuyến IP từGateway trong PDN đến UE Một thông báo là một gói IP được gọi là QoS (Quality ofService) giữa Gateway và UE

Hình 1.8 Các thành phần trong mạng EPS

EPS cung cấp cho người dùng một kết nối IP đến một PDN để truy cập Internet,cũng như là thực thi các dịch vụ như VoIP Một thông báo EPS điển hình được kết hợpvới một QoS Nhiều thông báo có thể được thiết lập cho một người dùng để cung cấpnhiều dòng QoS khác nhau hoặc để kết nối đến các PDN khác nhau Ví dụ như, ngườidùng vừa thực hiện cuộc gọi VoIP, vừa duyệt Web hoặc download FTP (File TransferProtocol) Một thông báo VoIP sẽ cung cấp QoS cần thiết cho cuộc gọi thoại, trong khimột thông báo best-effort sẽ thích hợp cho duyệt Web hoặc phiên FTP

Hình 1.8 chỉ ra một cấu trúc mạng EPS bao gồm nhiều thành phần mạng và cácgiao diện chuẩn Ở tầng cao, mạng gồm có Core Network CN (EPC) và mạng truy cập E-UTRAN Trong khi CN bao gồm những nút vật lí thì mạng truy cập chỉ có một nút duynhất, đó là eNodeB (evolved NodeB), phần tử kết nối đến các UE Mỗi phần tử sẽ kết nốivới các phần tử khác thông qua những giao diện chuẩn cho phép tương kết

- Mobility Management Entity (MME)

Hình 1.9 Phân chia chức năng giữa E-UTRAN và EPC

Ngoài các Node này, EPC cũng gồm có những Node và chức năng vật lí khác nhưHSS (Home Subscriber Server) và PCRF (Policy Control Charging Rules Function)

 Chức năng:

- PCRF: chịu trách nhiệm việc điều khiển chính sách ra quyết định cũng như điềukhiển các thực thể trong PCEF (Policy Control Enforcement Function) thường trú trongP-GW PCRF cấp phép cho QoS quyết định cách thức một dòng dữ liệu hoạt động trongPCEF và đảm bảo phù hợp thuê bao người dùng

- HLR (Home Location Register): HLR chứa dữ liệu thuê bao người dùng Nócũng giữ thông tin về các PDN mà người dùng có thể kết nối Ngoài ra, HLR còn nắmgiữ thông tin động như là việc nhận dạng người dùng đang đăng kí của MME HLR còntích hợp AuC (Authentication Centre) phần tử phát mã bảo vệ và cấp phép

- P-GW: chịu trách nhiệm định vị địa chỉ IP cho UE, cũng như thực thi QoS từPCRF PCRF sẽ lọc các gói IP hướng xuống người sử dụng trong các thông báo QoSkhác nhau

- S-GW: tất cả các gói IP người dùng được chuyển đi thông qua S-GW, S-GW nhưmột trạm di động địa phương cung cấp các thông báo dữ liệu khi UE di chuyển giữa các

eNodeB Nó cũng giữ lại thông tin về các thông báo khi UE trong tình trạng rỗi và làm bộđệm tạm thời cho dữ liệu hướng xuống trong khi MME bắt đầu nhắn tin thông báo thiếtlập lại đến UE Thêm vào đó, S-GW còn thực hiện các chức năng điều khiển trong mạngkhách như là thu thập thông tin để tính cước (ví dụ như lưu lượng dữ liệu gửi và nhận từngười dùng) Nó cũng cung cấp các trạm di động để kết nối liên mạng với các kĩ thuậtkhác của 3GPP như GPRS và UMTS.

- MME: điều khiển các Node xử lí tín hiệu giữa UE và CN Giao thức giữa UE và

CN là Non-Access Stratum (NAS)

Chức năng chính của MME được phân loại như sau :

- Các chức năng liên quan đến quản lí thông báo : chức năng này bao gồm thiếtlập, duy trì và gởi đi các thông báo và được điều khiển bởi lớp quản lí phiên trong giaothức NAS

- Các chức năng liên quan đến quản lí kết nối : bao gồm việc kết nối và bảo mậtgiữa mạng và UE được điều khiển bởi lớp quản lí tính di động hoặc kết nối trong giaothức NAS Các thủ tục lớp không truy cập NAS (Non-Acess Stratum)

Các thủ tục NAS là các thủ tục quản lí kết nối đặc biệt, về cơ bản giống vớiUMTS Sự khác biệt chính với UMTS là EPS cho phép ghép nối nhiều thủ tục để sự thiếtlập của các kết nối và thông báo nhanh hơn

1.2.2 Mạng truy cập

E-UTRAN là một cấu trúc phẳng Các eNodeB kết nối với nhau thông qua cácđường giao tiếp X2, và kết nối với EPC bằng đường giao tiếp S1 Mạng truy cập củaLTE, E-UTRAN, đơn giản bao gồm một mạng lưới các eNodeB như hình 1.6

Các trạm cơ sở giờ đây còn chịu trách nhiệm thực hiện các cuộc chuyển giao chocác UE tích cực Vì mục đích này, giờ đây các eNodeB có thể liên lạc trực tiếp với nhauthông qua các đường giao tiếp X2 Các đường giao tiếp này được dùng để chuẩn bịnhững cuộc chuyển giao và cũng có thể được dùng để gửi chuyển tiếp dữ liệu người dùng(các gói IP) từ mạng cơ sở hiện tại sang mạng cơ sở mới để giảm thiểu dữ liệu ngườidùng thất thoát trong quá trình chuyển giao Bởi lẽ các đường giao tiếp X2 không bắtbuộc phải có, nên các trạm cơ sở cũng có khả năng liên lạc với nhau thông qua Gateway

truy cập để chuẩn bị các cuộc chuyển giao Tuy nhiên trong trường hợp này, dữ liệungười dùng không được chuyển tiếp trong quá trình chuyển giao Điều đó nghĩa là một số

dữ liệu đã được mạng gửi đi tới trạm cơ sở hiện tại có thể thất thoát, bởi vì sau khi mộtquyết định chuyển giao được thực hiện, nó phải được thi hành càng nhanh càng tốt trướckhi đường truyền vô tuyến mất đi Không giống trong UMTS, các mạng vô tuyến LTEchỉ thực hiện các cuộc chuyển giao cứng, tức là vào mỗi thời điểm chỉ có một cell liên lạcvới UE

Đường giao tiếp nối các eNodeB với các nút gateway giữa mạng vô tuyến vàmạng lõi là đường S1 Nó hoàn toàn dựa trên giao thức IP, nên không biết gì về côngnghệ vận chuyển tầng thấp cả Đây là một khác biệt lớn với UMTS Trong UMTS, cácđường giao tiếp giữa các NodeB, các RNC và SGSN nhất thiết dựa trên giao thức ATMdành cho các tầng thấp Giữa RNC và NodeB, IP không hề được dùng cho việc gửichuyển tiếp các gói Tuy cho phép đồng bộ hóa dễ hơn giữa các nút, song việc cần phải

sử dụng ATM để vận chuyển dữ liệu trên các tầng thấp khiến kết cấu không linh hoạt vàphức tạp Trong những năm gần đây, tình hình này càng tệ hơn do nhu cầu thông lượngtăng cao không còn phù hợp với những đường truyền ATM trên các kênh E1 2 Mbit/snữa Vì vậy, chuẩn UMTS sau này đã được cải tiến để cũng dùng IP làm một giao thứcvận chuyển giữa mạng lõi và trạm cơ sở Nhưng LTE thì ngay lúc bắt đầu đã hoàn toàndựa trên vận chuyển IP trên mạng vô tuyến Các trạm cơ sở được trang bị những cổngEthernet 100 Mbit/s hoặc 1Gbit/s quen thuộc trong thế giới PC, hoặc các cổng cáp quangGigabit Ethernet Giao thức giữa các eNodeB và UE là giao thức lớp truy cập AS (AccessStratum) E-UTRAN chịu trách nhiệm về các chức năng liên quan đến vô tuyến, gồm có :

Quản lí nguồn tài nguyên vô tuyến

Nén Header

Bảo mật

Kết nối với EPC

Về phương diện mạng, mỗi EnodeB sẽ quản lí một số lượng cell nhất định Khácvới 2G hay 3G, LTE tích hợp chức năng bộ điều khiển vô tuyến trong eNodeB Điều nàycho phép sự tương tác thích hợp giữa những lớp giao thức khác nhau của mạng truy cập

vô tuyến, vì vậy có thể giảm trễ và cải thiện hiệu suất Việc điều khiển phân phối sẽtránh được tình trạng đòi hỏi một bộ điều khiển xử lí chuyên sâu, do đó, sẽ giảm giáthành Hơn nữa, khi LTE không hỗ trợ chuyển giao mềm thì không cần chức năng liênkết dữ liệu tập trung trong mạng.

1.2.3 Đường giao tiếp giữa mạng lõi với mạng truy cập vô tuyến

Như trong hình 1.8, nút Gateway giữa mạng truy nhâp vô tuyến và mạng lõi đượcphân ra thành hai thực thể luận lí : Serving Gateway (Serving-GW) và Mobility ManagerEntity (MME) Kết hợp với nhau, chúng thực hiện những công việc tương tự như SGSN(Serving GPRS Support Node) trong các mạng UMTS Trong thực tế, cả hai thành phầnluận lí này có thể được thực hiện trên cùng một thiết bị phần cứng hoặc có thể được tách

ra để có thể tăng giảm kích cỡ độc lập với nhau Bởi vì đường giao tiếp S1được dùng cho

cả dữ liệu người dùng (nối với Serving_GW) lẫn dữ liệu báo hiệu (nối với MME), nênkiến trúc của các giao thức tầng cao hơn được phân ra thành hai bộ giao thức khác biệt :S1-C và S1-U Giao thức S1-C (điều khiển) được dùng để trao đổi các thông điệp điềukhiển giữa một UE và MME Như được trình bày bên dưới, các thông điệp này được traođổi qua các kênh “non-IP” đặc biệt trên giao tiếp vô tuyến rồi sau đó được eNodeB đặtvào trong các gói IP trước khi chúng được gửi chuyển tiếp đến MME Tuy nhiên, dữ liệungười dùng đã được truyền với tính cách các gói IP qua giao tiếp vô tuyến, và chúngđược gửi chuyển tiếp qua giao thức S1-U (người dùng) đến Serving-GW

Nếu MME và Serving-GW được thực hiện riêng biệt, đường giao tiếp S11 sẽ đượcdùng để liên lạc giữa hai thực thể đó Cần có sự liên lạc giữa hai thực thể đó, ví dụ như đểtạo ra các kênh truyền khi người dùng nối vào mạng, hoặc để sửa đổi một đường hầm khimột người dùng nào đó di chuyển từ cell này sang cell khác

Không giống như các mạng vô tuyến không dây trước đó, khi một Gateway củamạng truy nhập (SGSN) chịu trách nhiệm đối với một số RNC nhất định và mỗi RNCđến lượt nó lại chịu trách nhiệm đối với một số trạm cơ sở nhất định, đường giao tiếp S1hậu thuẫn một kiến trúc nối kết mắc lưới (mesh) Thế có nghĩa là không phải chỉ một mà

là vài MME và Serving-GW có thể liên lạc với từng eNodeB, và số lượng MME vàServing-GW có thể khác biệt Điều này làm giảm số lượng các cuộc chuyển giao liên-

MME khi người dùng di chuyển, và cho phép số lượng MME phát triển độc lập với sốlượng Serving-GW, bởi vì dung lượng của MME lệ thuộc vào tải trọng báo hiệu, còndung lượng của Serving-GW lệ thuộc vào tải trọng dữ liệu truyền của người dùng Nhữngdung lượng này có thể phát triển khác nhau qua thời gian Một kiến trúc mắt lưới củagiao tiếp S1 cũng bổ sung tính dự phòng cho mạng Nếu một MME hỏng, thì một MMEthứ hai có thể tự động tiếp quản nếu nó được cấu hình để phục vụ những cell giống nhưMME kia Tác hại duy nhất của một cơ chế khôi phục tự động khi gặp hỏng hóc như vậy

là, những người dùng được phục vụ bởi MME hỏng phải đăng kí lại với mạng Nhữngkhả năng mắt lưới của giao tiếp S1 được dùng trong thực tế như thế nào là tùy thuộc vàochính sách của các nhà cung cấp dịch vụ mạng và vào kiến trúc của mạng vận chuyển bêndưới

1.2.4 Đường giao tiếp với cơ sở dữ liệu người dùng

Một đường giao tiếp quan trọng nữa trong các mạng lõi LTE là đường giao tiếp S6nối giữa các MME và cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin thuê bao TrongUMTS/GPRS/GSM, cơ sở dữ liệu này được gọi là HLR (Home Location Register).Trong LTE, HLR được sử dụng lại và được đổi tên thành HSS (Home Subscriber Server)

Về cơ bản, HSS là một HLR cải tiến, và chứa thông tin thuê bao cho GSM, GPRS,UMTS, LTE Đường giao tiếp S6 dùng giao thức Diameter dựa trên IP HSS là một cơ sở

dữ liệu kết hợp, và nó được sử dụng đồng thời bởi các mạng GSM, UMTS và LTE thuộccùng một nhà cung cấp dịch vụ mạng Vì thế, ngoài đường giao tiếp S6 dành cho LTE ra,

nó tiếp tục hậu thuẫn đường giao tiếp MAP truyền thống

1.7 Kết luận chương 1

Trong chương này em đã trình bày tổng quát về lịch sử phát triển của hệ thốngmạng di động từ 1G đến 5G Chương này em tập chủ yếu trình bày về cấu trúc củamạng 4G

CHƯƠNG II: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN 2.1 Tổng quan về tài nguyên trong mạng vô tuyến

2.1.1 Khái niệm về tài nguyên vô tuyến và quản lý tai nguyên vô tuyến

Tài nguyên vô tuyến ở đây có thể hiểu là bề rộng phổ cho phép để truyềntin Bề rộng phổ cho phép là giới hạn trong khi đó bất kì hệ thống truyền dẫn nàongười ta đều yêu cầu chất lượng tối thiểu, đồng thời nhu cầu về tốc độ truyền dẫnngày càng cao để đáp ứng các dịch vụ phức tạp

Vấn đề đặt ra của quản lý tài nguyên vô tuyến là làm sao với một băng tần

cố định cho trước của kênh truyền, hệ thống có thể truyền dữ liệu với dung lượngcao nhất và với chất lượng truyền dữ liệu tốt nhất Người ta nói lên rằng hệ thống

có hiệu suất sử dụng phổ tín hiệu càng cao khi hệ thống và tốc độ truyền số liệucàng lớn Nhiệm vụ của quản lý tài nguyên vô tuyến còn là phân chia bề rộng phổsẵn có cho các hệ thống thông tin khác nhau sao cho các hệ thống có hiệu suất sửdụng phổ cao nhất Đối với các hệ thống có nhiều người sử dụng thì quản lý tàinguyên vô tuyến là sự phân chia bề rộng băng tần và điều khiển đa truy nhập saocho hệ thống được tối ưu về chất lượng và phổ tín hiêu

2.1.2 Tại sao phải quản lý tài nguyên trong mạng vô tuyến

Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) là một trong những vấn đề thách thức lớn nhất

và quan trọng nhất của các mạng thông tin vô tuyến hiện đại Một kỹ thuật quản lý tàinguyên vô tuyến hiệu quả và thông minh có thể cải thiện đáng kể hiệu năng của hệthống.Vậy mục đích của việc quản lý tài nguyên vô tuyến trong các mạng không dây làgì? Nhiệm vụ của các nhà phát triển là phân phối, quản lý, tối ưu hóa các tài nguyên này

để đạt được hiệu quả sử dụng cao nhất, ít tốn kém và hạn chế được tối đa nhiễu để đảmbảo chất lượng dịch vụ cũng như tiết kiệm công suất truyền cho hệ thống Ở cơ chế RRMthông thường thì khá phức tạp do các mục tiệu tối ưu trong sử dụng hiệu quả những tàinguyên hệ thống thường là đối lập nhau, các tối ưu phủ sóng khả năng hỗ trợ di động lại

phải cân đối với tối ưu hóa dung lượng Ngoài ra, vấn đề nhiễu trong hệ thống giữa các

hệ thống khác nhau cũng là một vấn đề lớn cần được xem xét, vì nhiễu trong hệ thống sẽlàm giảm thiểu đáng kể hiệu năng hoạt động (Khi sử dụng phương thức điều chếOFDMA ta hoàn toàn có thể tránh được các hiện tượng về nhiễu trong kênh)….vv

Quản lý tài nguyên rất cần thiết để tối ưu trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ(QoS), và dung lượng mạng RRM gồm nhiều loại điều khiển như: điều khiển truy cập(AC), điều khiển công suất (PC), điều khiển chuyển giao (HC), lập lịch gói (PS), điềukhiển tải hay là quản lý tải (LC)

2.1.3 Yêu cầu về quản lý tài nguyên vô tuyến

Những yêu cầu về quản lí tài nguyên vô tuyến được chia ra như sau: hỗ trợ nângcao cho QoS end to end, hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn, và hỗ trợ cho việcchia sẻ tải cũng như là quản lí chính sách thông qua các công nghệ truy cập vô tuyến khácnhau

Việc hỗ trợ nâng cao cho QoS end to end yêu cầu cải thiện sự thích ứng giữa dịch

vụ, ứng dụng và các điều kiện về giao thức (bao gồm báo hiệu lớp cao hơn) với tàinguyên RAN và các đặc tính vô tuyến

Việc hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn đòi hỏi LTE RAN phải có khảnăng cung cấp cơ cấu để hỗ trợ truyền dẫn hiệu suất cao và hoạt động của các giao thức ởlớp cao hơn qua giao tiếp vô tuyến, chẳng hạn như quá trình nén tiêu đề IP (IP header)

Việc hỗ trợ chia sẻ tải và quản lí chính sách thông qua các công nghệ truy cập vôtuyến khác nhau đòi hỏi phải xem xét đến việc lựa chọn lại các cơ cấu để định hướng cácthiết bị đầu cuối di động theo các dạng công nghệ truy cập vô tuyến thích hợp đã đượcnói rõ cũng như là hỗ trợ QoS end to end trong quá trình chuyển giao giữa các công nghệtruy cập vô tuyến

2.1.4 Mục đích của việc quản lý tài nguyên trong mạng vô tuyến

Trong các mạng không dây hiện đại, đặc biệt là các mạng không dây băng rộng thìbăng thông, tần số, khe thời gian, cũng như công suất hoạt động của hệ thống đều lànhững tài nguyên hữu hạn rất quan trọng và quý giá Nhiệm vụ của các nhà phát triển là

phân phối, quản lý, tối ưu hóa các tài nguyên này để đạt được hiệu quả sử dụng cao nhất,

ít tốn kém nhất và hạn chế tối đa ảnh hưởng của nhiễu để đảm bảo chất lượng dịch vụcũng như tiết kiệm công suất truyền cho hệ thống

Các cơ chế RRM thông thường khá phức tạp do các mục tiêu tối ưu trong sử dụnghiệu quả những tài nguyên hệ thống thường là đối lập nhau Đó là các vấn đề tối ưu hóacác tài nguyên (tần số, băng thông, khe thời gian, công suất) của người sử dụng phải cânđối với vấn đề tối ưu hóa vùng phủ sóng (coverage) và dung lượng hệ thống (capacity).Ngoài ra tối ưu hóa khả năng hỗ trợ di động phải cân đối với tối ưu hóa dung lượng.v.v

Ngoài ra các vấn đề về nhiễu trong hệ thống và giữa các hệ thống khác nhau cũng

là một vấn đề lớn cần xem xét Nhiễu trong hệ thống sẽ làm giảm đáng kể hiệu năng hoạtđộng, vì thế các bài toán cấp phát tài nguyên cũng phải quan tâm đặc biệt với các vấn đềchống nhiễu như chống nhiễu trong kênh, nhiễu xuyên kênh, nhiễu đồng kênh, nhiễu đatruy cập để đảm bảo chất lượng hoạt động của hệ thống Thí dụ như trong hệ thống 4G,nếu nhà quản lý thực hiện tốt được công việc quản lý tài nguyên bao gồm việc cấp phátkênh con (time slots và subcarriers), điều khiển tốc độ truyền, điều khiển công suất thì sẽhạn chế được các vấn đề về nhiễu xuyên kênh và nhiễu đồng kênh (đường xuống của 4G

sử dụng phương thức điều chế OFDM nên tránh được các hiện tượng về nhiễu trongkênh)

Do đó, việc sử dụng phổ hiệu quả và tối ưu cấp phát tài nguyên nằm trong nhiệm

vụ của quản lý tài nguyên vô tuyến RRM là đặc biệt quan trọng đối với hiệu năng hoạtđộng của các mạng không dây hiện đại Nếu không thực hiện tốt RRM thì rất có thể sẽdẫn đến các vấn đề đáng tiếc như để trống vùng phủ, hay chất lượng dịch vụ QoS khôngđược đảm bảo, thiếu hoặc quá dư thừa tài nguyên cũng sẽ dẫn đến tình trạng bất ổn địnhcủa hệ thống Mặt khác trong các hệ thống multi-cell hiện nay có một vấn đề được đặt ra

là việc thay đổi cấp phát tài nguyên trong một vùng phủ sóng nhất định sẽ ảnh hưởng đếnhiệu năng hoạt động của các vùng phủ sóng khác kề bên, vì vậy cần xem xét vấn đề mộtcách thấu đáo, đặt trong mối liên hệ tương tác qua lại của từng thành phần mạng

2.1.5 Các chức năng của quản lý tài nguyên trong mạng vô tuyến

Quản lý tài nguyên vô tuyến có thể chia thành các chức năng: Điều khiển côngsuất, chuyển giao, điều khiển tải, điều khiển thu nhận và lập lịch cho gói tin.

2.1.5.1 Điều khiển công suất

Điều khiển công suất là một công việc quan trọng trong tất cả các hệ thống di động

vì vấn đề tuổi thọ của pin và các lý do an toàn, nhưng trong các hệ thống điều khiển côngsuất là cần thiết bởi vì đặc điểm giới hạn nhiễu

Trong các hệ thống GSM, chỉ áp dụng điều khiển công suất chậm Trong IS-95,điều khiển công suất nhanh với tần số 800 Hz được hỗ trợ ở đường lên, nhưng trên đườngxuống một vòng điều khiển công suất tương đối chậm điều khiển công suất truyền

2.1.5.2 Điều khiển chuyển giao

Chuyển giao là một phần quan trọng của hệ thống thông tin di động tế bào Sự dichuyển gây ra sự biến đổi chất lượng liên kết và các mức nhiễu trong các hệ thống tế bào,yêu cầu khi một người sử dụng cụ thể thay đổi trạm gốc phục vụ nó Sự thay đổi nàyđược gọi là chuyển giao

2.1.5.3 Điều khiển thu nạp

Nếu tải giao diện vô tuyến được cho phép tăng lên một cách liên tục, vùng phủsóng của cell bị giảm đi dưới giá trị đã hoạch định và QoS của các kết nối đang tồn tạikhông thể đảm bảo Vì thế trước khi thu nhận một kết nối mới, điều khiển thu nạp cầnkiểm tra xem việc nhận kết nối mới sẽ không ảnh hưởng đến vùng phủ sóng hoặc QoScủa các kết nối đang hoạt động Điều khiển thu nạp chấp nhận hay từ chối yêu cầu thiếtlập một bộ mạng truy cập vô tuyến trong mạng vô tuyến Chức năng điều khiển thu nạpđược đặt trong bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC, nơi mà lưu trữ về tải của một số cell

Nhìn chung các chiến lược điều khiển thu nạp có thể chia thành hai loại: chiếnlược điều khiển thu nạp dựa vào công suất băng rộng và chiến lược điều khiển thu nạpdựa vào thông lượng Việc điều khiển thu nạp được áp dụng một cách tách biệt trên cảđường lên và đường xuống và ở mỗi hướng có thể sử dụng các chiến lược điều khiển thunạp khác nhau

2.1.5.4 Điều khiển tải

Một công cụ quan trọng của các chức năng quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến làđảm bảo cho hệ thống không bị quá tải và duy trì tính ổn định Nếu hệ thống được quyhoạch một cách hợp lý và công việc điều khiển thu nạp hoạt động tốt, các tình huống quátải sẽ bị loại trừ Tuy nhiên, trong mạng di động sự quá tải ở một nơi nào đó là không thểtránh khỏi vì các tài nguyên vô tuyến được ấn định trước trong mạng Khi quá tải được

xử lý bởi điều khiển tải, hay còn gọi là điều khiển nghẽn, hoạt động điều khiển này sẽ trảlại cho hệ thống tải mục tiêu, được vạch ra trong quá trình quy hoạch mạng một cáchnhanh chóng và có khả năng điều khiển được Các hoạt động điều khiển tải để làm giảmhay cân bằng tải được liệt kê như sau:

- Từ chối các lệnh công suất tới trên đường xuống nhận từ MS

- Giảm chỉ tiêu Eb/Io đường lên sử dụng bởi điều khiển công suất nhanhđường lên

- Thay đổi kích cỡ của miền chuyển giao mềm để phục vụ nhiều người sửdụng hơn

- Chuyển giao tới sóng mang khác nhau

- Giảm thông lượng của lưu lượng dữ liệu gói ( các dữ liệu phi thời gianthực)

- Ngắt các cuộc gọi trên một đường điều khiển

Hoạt động đầu tiên là các hoạt động nhanh được thực hiện bên trong BS Các hoạtđộng này có thể diễn ra trong một khe thời gian, nghĩa là với một tần số 1,5KHz, cungcấp một quyền ưu tiên cho các dịch vụ khác nhau Hoạt động thứ 3 thay đổi kích cỡ củamiền chuyển giao mềm có một lợi ích đặc biệt đối với mạng giới hạn đường xuống

Các phương pháp điêu khiển tải khác thì chậm hơn Chuyển giao bên trong băngtần và chuyển giao bên trong hệ thống có thể khắc phục được hiện tượng quá tải bằngcách cân bằng tải Hoạt động cuối cùng là các ngắt người sử dụng dịch vụ thời gian thực

để giảm tải Hoạt động này chỉ được sử dụng khi tải của toàn bộ mạng vẫn rất lớn thậmchí sau khi các hoạt động điều khiển tải khác vừa có tác dụng để giảm quá tải Giao diện

vô tuyến va các yêu cầu tăng của lưu lượng phi thời gian thực đem lại nhiều sự lựa chọn