Tìm hiểu công nghệ LTE và ứng dụng cho mạng mobifone

GMSC Gateway MSC Trung tâm chuyển mạch di động cổng Gn Interface Between Two GSNs Giao diện giữa hai GSN Gp Interface Between Two GGSNs Giao diện giữa hai GGSN Gr Interface Between SGSN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT

KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

Hà Nội – Năm 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT

KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN XUÂN DŨNG

MỤC LỤC

CÁC TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC BẢNG 10

DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ 11

LỜI MỞ ĐẦU 13

CHƯƠNG 1: XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ 15

VÀ DỊCH VỤ CỦA CÁC MẠNG DI ĐỘNG 15

1.1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 15

1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ XU HƯỚNG CÔNG NGHỆ 15

1.2.1 Lịch sử phát triển 15

1.2.2 Xu hướng công nghệ 20

1.2.2.1 OFDMA 21

1.2.2.2 MIMO – Multiple Input Multiple Output 22

1.2.2.3 Tối ưu giữa các lớp 22

1.2.2.4 Chuyển giao và tính di động 23

1.3 CÁC ỨNG DỤNG VÀ DỊCH VỤ TRONG 4G 23

1.3.1 Các trình ứng dụng và các dịch vụ chung: 26

1.3.2 Các dịch vụ dựa trên cơ sở xác định vị trí Push, Pull 28

1.3.3 Kết luận: 29

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH CẤU TRÚC MẠNG 4G 31

2.1 CÁC YÊU CẦU VỀ CẤU TRÚC MẠNG MỚI 31

2.2 MÔ HÌNH MẠNG 4G 36

2.2.1 Ưu nhược điểm của cấu trúc mạng 3G và 3,5G 36

a Mạng thông tin di động thế hệ ba WCDMA 36

2.2.2 Mô hình mạng thông tin di động 4G 38

2.3 CHỨC NĂNG CÁC PHẦN TỬ TRONG MÔ HÌNH 40

2.3.1 Các phần tử lớp truy nhập vô tuyến 40

2.3.1.1 Thiết bị đầu cuối: 40

2.3.1.2 Điểm truy nhập vô tuyến RAP (Radio Access Point): 41

2.3.2 Các phần tử của mạng lõi 44

2.3.3 Lớp chức năng điều khiển 46

2.3.4 Lớp dịch vụ 49

2.4 CÔNG NGHỆ TRÊN IP VÀ IP DI ĐỘNG 49

CHƯƠNG 3: DỊCH VỤ VÀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ 53

TRONG MẠNG 4G 53

3.1 DỊCH VỤ TRONG MẠNG 4G 53

3.1.1 Các loại dịch vụ cung cấp 53

3.1.2 Một số loại hình dịch vụ điển hình cho 4G 54

3.2 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG DI ĐỘNG 4G 59

3.2.1 Khái niệm QoS 59

3.2.1.1 Khái niệm QoS theo ITU 59

3.2.1.2 Khái niệm QoS theo ETSI 62

3.2.2 Kiến trúc QoS 63

3.2.3 Các tham số QoS trong mạng di động 4G 65

3.2.4 Thách thức về chất lượng dịch vụ trong mạng di động 4G 67

3.2.5 Bảo mật dịch vụ 68

CHƯƠNG 4: LỘ TRÌNH TIẾN LÊN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 4 CHO MOBIFONE, QUY HOẠCH MẠNG TẠI TP HỒ CHÍ MINH 71

4.1 ĐẶC ĐIỂM MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG MOBIFONE 71

4.2 TIẾN TRÌNH TRIỂN KHAI LÊN 4G TỪ 2.5 G CỦA MẠNG MOBIFONE 73

4.3 QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE VÀ ÁP DỤNG CHO TP.HCM 79

4.3.1 Khái quát về quá trình quy hoạch mạng 4G LTE 79

4.3.2 Dự báo lưu lượng và phân tích vùng phủ 79

4.3.2.1 Dự báo lưu lượng 79

4.3.2.2 Phân tích vùng phủ 80

4.3.3 Quy hoạch chi tiết 81

4.3.3.1 Quy hoạch vùng phủ 81

4.3.3.1.1 Quỹ đường truyền 81

4.3.3.1.2 Các mô hình truyền sóng 88

4.3.3.1.3 Tính bán kính cell 93

4.3.2 Quy hoạch dung lượng 95

4.3.4 Quy hoạch cho TP Hồ Chí Minh 98

4.3.5 Tối ưu mạng 99

4.3.6 Điều khiển công suất kênh PUSCH của LTE 100

4.4 KẾT LUẬN 101

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG 103

5.1 CÁC LƯU ĐỒ 103

5.2 QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE 104

5.2.1 Quy hoạch vùng phủ 104

5.2.1.1 Quỹ đường truyền 104

5.2.1.2 Các mô hình truyền sóng 105

5.2.1.3 Quy hoạch vùng phủ 106

5.2.2 Quy hoạch dung lượng của 4G LTE 107

5.2.3 Tối ưu số trạm 109

5.2.4 So sánh vùng phủ của LTE và WCDMA 110

5.3 CHUYỂN GIAO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 111

5.3.1 Giao diện chính 112

5.3.2 Điều khiển công suất 112

5.3.2.1 Điều khiển công suất LTE 112

5.3.2.2 So sánh điều khiển công suất của LTE và WCDMA 114

5.3.3 Chuyển giao 115

5.3.3.1 Trường hợp chuyển giao thành công 116

5.3.3.2 Trường hợp chuyển giao bị rớt 117

KẾT LUẬN 118

CÁC TỪ VIẾT TẮT

3G Third Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ 3

3GPP Third Generation Partnership

Project Dự án hợp tác thông tin di động thế hệ 3 4G Fourth Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 AAL ATM Adaptation Layer Lớp thích ứng ATM

AMC Adaptive Modulation and Coding Điều chế và mã hóa thích ứng

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ phát không đồng bộ

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá

BER Bit Error Rate Tốc độ lỗi bít

BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc

BSS Base Station System Hệ thống trạm gốc

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CPCH Common Packet Channel Kênh gói chung

CPCH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung

CPCH Common Packet Channel Power

Control Part

Phần điều khiển công suất kênh gói chung

CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lƣợng kênh

CRC Cyclic Redundance Check Kiểm tra vòng dƣ

CS Circuit Switching Chuyển mạch kênh

CSCF Call Session Control Function Chức năng điều khiển phiên cuộc gọi DCH Dedicated Channel Kênh riêng

DPCCH Dedicated Physical Control

Channel Kênh điều khiển vật lý dành riêng DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng

DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh dữ liệu vật lý riêng

DTX Discontinuos Transmission Phát không liên tục

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

EDGE Enhanced Data Rates for GSM

Evolution Tốc độ số liệu tăng cường phát triển

ETSI European Telecommunications

Standards Institute Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đường xuống

FDD Frequency Correction Channel Ghép song công phân chia theo tần số GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng

Gi Interface Between GGSN and

External Network

Giao diện giữa GGSN và mạng bên ngoài

GMSC Gateway MSC Trung tâm chuyển mạch di động cổng

Gn Interface Between Two GSNs Giao diện giữa hai GSN

Gp Interface Between Two GGSNs Giao diện giữa hai GGSN

Gr Interface Between SGSN and

Gs Interface Between SGSN and

Serving MSC/VLR

Giao diện giữa SGSN với MSC/VLR phục vụ

GSM Global System for Mobile

communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu

GTP-U User Plane Part of the GPRS

Tunelling Protocol

Phía người sử dụng của giao thức Tunel GPRS

HARQ Hybrid Automatic Repeat Request Yêu cầu phát lại tự động nhanh

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

HS-CSD High Speed Circuit Switched Data Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao

HS-DPA High Speed Downlink Packet

Access Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao High Speed Downlink Shared

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

HSS Home Subscriber Server

HS-SCCH Shared Control Channel for

HS-SICH Shared Information Channel for

HS-DSCH Kênh thông tin chia sẻ cho HS - DSCH

IMS Internet Protocol Multimedia

IP Internet Protocol Giao thức Internet

M3UA MTP3-User Adaptation Layer Lớp thích ứng người sử dụng-MTP3 MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường

MCS Modulation and Coding scheme Lược đồ điều chế và mã hóa

MEHO Mobile Evaluated Handover Chuyển giao quyết định bởi thuê bao MGCF Media Gateway Control Function Chức năng điều khiển cổng phương tiện MGW Media Gateway Cổng đa phương tiện

MIMO Multi Input Multi Output Đa đầu vào đa đầu ra

MRFC Multimedia Resource Function

Controller Điều khiển chức năng tài nguyên đa

MRFP Multimedia Resource Function

Processor

Xử lý chức năng tài nguyên đa phương tiện

MSC Mobile Switching Centre Trung tâm chuyển mạch di động

MTP3b Message Transfer Part Level 3 Mức 3 của phần truyền bản tin

NEHO Network Evaluated Handover Chuyển giao quyết định bởi mạng NNI Network Node Interface Giao diện nút mạng

PDN Packet Data Network Mạng dữ liệu gói

PDU Protocol Data Unit Đơn vị số liệu giao thức

PRACH Physical Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý

PS Packet Switching Chuyển mạch gói

QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu phương

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

Modulation QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương

RAB Radio Access Bearer Kênh mang truy nhập vô tuyến

RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

RANAP Radio Access Network

Application Part Phần ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến RLB Radio Link Budget Quỹ đường truyền

RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô tuyến

RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến

RNS Radio Network Subsystem Phân hệ mạng vô tuyến

RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyến

SCCP Signalling Connection Control

Part Phần điều khiển nối thông báo hiệu

SCTP Simple Control Transmission

Protocol

Giao thức truyền dẫn điều khiển đơn giản

SDU Service Data Unit Đơn vị số liệu phục vụ

SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS phục vụ

SMS Short Message Service Dịch vụ tin ngắn

SSCF- Service Specific Co-ordination

Function- Chức năng điều phối đặc thù dịch vụ-

SSCOP Service Specific Connection

Oriented Protocol

Giao thức định hướng theo nối thông đặc thù dịch vụ

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối

TFCI Transport Format Combination

Indicator Chỉ thị tổ hợp khuôn dạng phát

TFRC Transport Format Resource

Combination Tổ hợp tài nguyên khuôn dạng phát

TFRI Transport Format and Resource

Indicator

Điều khiển khuôn dạng và tài nguyên phát

TPC Transmit Power Control Điều khiển công suất phát

TSN Transmission Sequence Number Số chuỗi phát

UDP User Datagram Protocol Giao thức datagram người sử dụng

UE User Equipment Thiết bị người dùng

UMTS Universal Mobile

Telecommunications System Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

USIM Universal Subcriber Identity

Module Môđun chỉ thị thuê bao toàn cầu

UTRA Universal Terrestrial Radio

Access Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu

UTRAN Universal Terrestrial Radio

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Bảng so sánh tham số công nghệ cơ bản

Bảng 2.1: Các đặc tính và lợi ích của hệ thống anten thông minh

Bảng 3.1: Các tham số QoS trong mạng di động 4G

Bảng 4.1: Ví dụ về quỹ đường lên của mạng 4G LTE

Bảng 4.2: Ví dụ về quỹ đường xuống mạng 4G LTE

Bảng 4.3: So sánh quỹ đường truyền lên của các hệ thống

Bảng 4.4: So sánh về quỹ đường truyền xuống của các hệ thống

Bảng 4.5: Các giá trị K sử dụng cho tính toán vùng phủ sóng

Bảng 4.6: Tốc độ bit đỉnh tương ứng với từng tốc độ mã hóa và băng thông Bảng 4.7: Giá trị của băng thông cấu hình tương ứng với băng thông kênh truyền Bảng 4.8: Diện tích và dân số từng quận của TP.HCM

Bảng 4.9: Lớp công suất phát của UE

DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Các thế hệ di động

Hình 1.2: Lộ trình hiệu năng do Alcatel thử nghiệm

Hình 1.3: Ảnh hưởng qua lại giữa các lớp và tối ưu liên quan

Hình 2.8: Cấu trúc chức năng của khối IP multimedia

Hình 4.1: Mô hình phát triển lên 4G từ hệ thống GSM

Hình 4.2: Cấu trúc mạng GSM-GPRS

Hình 4.3: Mô hình triển khai mạng UMTS

Hình 4.4: Mạng lõi cơ sở IP

Hình 4.5: Mô hình mạng 3.5G Mobifone

Hình 4.6: Thay đổi RNC và Node B

Hình 4.7: Mô hình cấu trúc mạng 4G Mobifone

Hình 4.8: Khái quát về quá trình quy hoạch mạng 4G LTE

Hình 4.9: Các tham số của mô hình Walfish-Ikegami

Hình 4.10: Quan hệ giữa băng thông kênh truyền và băng thông cấu hình Hình 5.1: Lưu đồ phần mô phỏng quy hoạch 4G LTE

Hình 5.2 : Lưu đồ phần chuyển giao và điều khiển công suất

Hình 5.3: Giao diện phần quy hoạch mạng LTE

Hình 5.4: Quỹ đường truyền của LTE

Hình 5.5 Môi trường truyền sóng trong nhà

Hình 5.6 : Môi trường truyền sóng ngoài trời

Hình 5.7: Môi trường xe cộ

Hình 5.8: Quy hoạch vùng phủ 4G LTE

Hình 5.9 : Quy hoạch dung lượng 4G LTE

Hình 5.10: Tính toán tốc độ đỉnh

Hình 5.11: Tối ưu số trạm

Hình 5.12: So sánh quỹ đường truyền lên của LTE và WCDMA

Hình 5.13: So sánh quỹ đường truyền xuống của LTE và WCDMA

Hình 5.14: So sánh vùng phủ của LTE và WCDMA

Hình 5.15: Giao diện phần chuyển giao và điều khiển công suất

Hình 5.16: Nhập dữ liệu cho điều khiển công suất

Hình 5.17: Điều khiển công suất ở LTE

Hình 5.18: Nhập liệu của WCDMAHình 5.19: So sánh điều khiển công suất của LTE và WCDMA

Hình 5.20: Trường hợp chuyển giao thành công

Hình 5.21: Trường hợp chuyển giao bị rớt

LỜI MỞ ĐẦU

Trước sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của các dịch vụ số liệu, trước xu hướng tích hợp và IP hoá đã đặt ra các yêu cầu mới đối với công nghiệp Viễn Thông di động Mạng thông tin di động thế hệ ba ra đời đã khắc phục được các nhược điểm của các mạng thông tin di động thế hệ trước đó Tuy nhiên, mạng di động này cũng có một số nhược điểm như: Tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất là 2Mbps, vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao của người dùng, khả năng đáp ứng các dịch vụ thời gian thực như hội nghị truyền hình là chưa cao, rất khó trong việc download các file dữ liệu lớn,…chưa đáp ứng được các yêu cầu như: khả năng tích hợp với các mạng khác (Ví dụ: WLAN, WiMAX,…) chưa tốt, tính mở của mạng chưa cao, khi đưa một dịch vụ mới vào mạng sẽ gặp rất nhiều vấn đề do tốc độ mạng thấp, tài nguyên băng tần ít,…

Trong bối cảnh đó người ta đã chuyển hướng sang nghiên cứu hệ thống thông tin di động mới có tên gọi là 4G LTE Sự ra đời của hệ thống này mở ra khả năng tích hợp tất

cả các dịch vụ, cung cấp băng thông rộng, dung lượng lớn, truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao, cung cấp cho người sử dụng những hình ảnh video màu chất lượng cao, các trò chơi đồ hoạ 3D linh hoạt, các dich vụ âm thanh số Việc phát triển công nghệ giao thức đầu cuối dung lượng lớn, các dịch vụ gói dữ liệu tốc độ cao, công nghệ dựa trên nền tảng phần mềm công cộng mang đến các chương trình ứng dụng download, công nghệ truy nhập vô tuyến đa mode, và công nghệ mã hoá media chất lượng cao trên nền các mạng di động Hiện nay thị trường di động Việt Nam được đánh giá là tăng trưởng đứng thứ 2 trên thế giới sau Trung Quốc, số thuê bao không ngừng tăng, nhu cầu về việc sử dụng các dịch vụ và các dịch vụ đa phương tiện ngày càng cao và càng đòi hỏi cao hơn trong tương lai Do đó việc nghiên cứu một công nghệ mới để đáp ứng các nhu cầu thị trường trong tương lai là rất cần thiết

Hiện nay, Mobifone đã đưa vào sử dụng GPRS/EDGE/HSDPA để đáp ứng nhu cầu

sử dụng các dịch vụ dữ liệu ngày càng cao của các thuê bao Các dịch vụ chủ yếu của GPRS/EDGE/HSDPA như: WAP, truy nhập Internet có hai phương thức là truy nhập gián tiếp và truy nhập trực tiếp, dịch vụ nhắn tin đa phương tiện, video, xem các đoạn phim tải về, xem video trực tuyến Ngoài ra, còn có dịch vụ thương mại điện tử di động, dịch vụ ngân hàng, quảng cáo trên điện thoại di động…do giá cước còn cao nên các loại thuê bao hiện có vẫn là các thuê bao có mức độ truy nhập trung bình và cao Dựa trên

nhu cầu thị trường Việt Nam, hiện tại chúng ta thấy rằng nhu cầu chính trong thông tin di động vẫn là dịch vụ thoại truyền thống, dịch vụ dữ liệu cũng bắt đầu tăng trưởng, theo dự đoán tổng số thuê bao có nhu cầu dịch vụ dữ liệu chiếm khoảng 50% vào năm 2014 Với đời sống thu nhập ngày càng cao của người dân, nhu cầu các dịch vụ chất lượng tốt ngày càng lớn, thì mạng di động Mobifone ngày càng phải nâng cấp để đáp ứng được các nhu cầu này Mặt khác, xu hướng chung trên thế giới là hội tụ tất cả các mạng viễn thông lại với nhau Do đó, yêu cầu phát triển mạng thông tin di động lên thế hệ 4G có tốc độ cao,

sử dụng “all IP” có khả năng tích hợp với các mạng khác là yêu cầu tất yếu của mạng di động Mobifone

Luận văn “Tìm hiểu công nghệ LTE và ứng dụng cho mạng Mobifone” được đưa ra

không chỉ nhằm mục đích tìm hiểu, nghiên cứu các dịch vụ mà nó đáp ứng mà còn cố gắng đưa vào áp dụng ở Việt Nam cụ thể là trên mạng di động của Mobifone.Với mục đích đó đề tài nghiên cứu của tôi được chia làm 05 chương:

Chương 1: Xu hướng phát triển công nghệ và dịch vụ của các mạng di động

Chương 2: Mô hình cấu trúc mạng 4G LTE

Chương 3: Dịch vụ và chất lượng dịch vụ trong mạng 4G LTE

Chương 4: Lộ trình tiến lên mạng thông tin di động 4G LTE cho Mobifone, quy hoạch mạng tại TP Hồ Chí Minh

CHƯƠNG 1: XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

VÀ DỊCH VỤ CỦA CÁC MẠNG DI ĐỘNG

1.1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

Việc nghiên cứu chuyển hướng sang các hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G LTE) để giải quyết các vấn đề tồn tại trong hệ thống di động thế hệ 3 (3G) Đó là việc cung cấp các loại hình dịch vụ ngày càng đa dạng hơn, từ tín hiệu thoại chất lượng cao sang tín hiệu video độ phân giải cao, các kênh vô tuyến có tốc độ dữ liệu cao Khái niệm 4G LTE được sử dụng rộng rãi không chỉ có các hệ thống điện thoại tế bào mà còn bao gồm các kiểu hệ thống viễn thông truy nhập vô tuyến băng thông rộng Một trong số các thuật ngữ dùng để mô tả 4G là MAGIC: Mobile multimedia (Đa phương tiện di động), Anytime anywhere (Bất cứ khi nào, bất cứ nơi đâu), Global mobility support (Hỗ trợ di động toàn cầu), Integrated wireless solution (Giải pháp vô tuyến tích hợp) và Customized personal service (Dịch vụ theo yêu cầu cá nhân) Như là một lời hứa cho tương lai, hệ thống 4G LTE là hệ thống truy nhập vô tuyến tế bào băng thông rộng, đã và đang là mối quan tâm lớn của lĩnh vực thông tin di động 4G LTE không chỉ hỗ trợ cho các dịch vụ thông tin di động thế hệ tiếp theo mà còn hỗ trợ cho cả các mạng vô tuyến cố định

Chúng ta xem xét trên cơ sở cái nhìn tổng quan về các đặc trưng của 4G, cách tổ chức và tích hợp hệ thống di động Đặc trưng của 4G có thể cô đọng lại bằng từ “tích hợp” Các hệ thống 4G là một sự tích hợp gắn kết không tách rời của các thành phần thiết

bị đầu cuối, mạng lưới và các ứng dụng nhằm thoả mãn đòi hỏi không ngừng và ngày càng cao của người sử dụng

1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ XU HƯỚNG CÔNG NGHỆ

1.2.1 Lịch sử phát triển

Lịch sử ra đời và sự phát triển của dịch vụ di động từ thế hệ đầu tiên 1G tới thế hệ 4G trải qua nhiều giai đoạn khác nhau Bảng 1.1 cho thấy tóm lược quá trình tiến triển của công nghệ thông tin di động thoại

Quá trình bắt đầu với các thiết kế đầu tiên được biết đến như là 1G trong những năm 70 của thế kỷ trước Các hệ thống ra đời sớm nhất được thực hiện dựa trên công nghệ tương tự và cấu trúc tế bào cơ bản của thông tin di động Nhiều vấn đề có tính

nguyên tắc cơ bản đã được giải quyết trong những hệ thống này Và có nhiều các hệ thống không tương thích đã được đưa ra cung cấp dịch vụ trong những năm 80

Các hệ thống thế hệ thứ 2 (2G) được xây dựng trong những năm 80 vẫn được sử dụng chủ yếu cho thoại nhưng đã được thực hiện trên cơ sở công nghệ số, bao gồm các

kỹ thuật xử lý tín hiệu số Các hệ thống 2G này cung cấp các dịch vụ thông tin dữ liệu chuyển mạch kênh ở tốc độ thấp Tính cạnh tranh lại một lần nữa dẫn tới việc thiết kế và thực hiện các hệ thống bị phân hoá thành các chuẩn khác nhau không tương thích như: GSM (hệ thống di động toàn cầu) chủ yếu ở châu Âu, TDMA (đa truy nhập phân chia theo thời gian) IS-54/IS-136 ở Mỹ, PDC (hệ thống di động tế bào số cá nhân) ở Nhật và CDMA (đa truy nhập phân chia theo mã) IS95, một hệ thống khác tại Mỹ Các hệ thống này hoạt động rộng khắp trên lãnh thổ quốc gia hoặc quốc tế và hiện nay chúng vẫn chiếm vai trò là các hệ thống chủ đạo, mặc dù tốc độ dữ liệu của các thuê bao trong hệ thống bị giới hạn nhiều

Bước chuyển tiếp giữa 2G và 3G là 2.5G Thế hệ 2,5G được phát triển từ 2G với dịch vụ dữ liệu và các phương thức chuyển mạch gói, và nó cũng chú trọng tới các dịch

vụ 3G cho các mạng 2G Về cơ bản nó là sự phát triển của công nghệ 2G để tăng dung lượng trên các kênh tần số vô tuyến của 2G và bước đầu đưa các dịch vụ dữ liệu dung lượng cao hơn vào, có thể nâng tới 384 Kbps Một khía cạnh rất quan trọng của 2.5G là các kênh dữ liệu được tối ưu hoá cho dữ liệu gói truy nhập vào Internet từ các thiết bị di động như điện thoại, PDA hoặc máy tính xách tay Trên cùng một mạng lưới với 2G, thế

hệ 2.5G đã đưa internet vào thế giới thông tin di động cá nhân Đây thực sự đã là một khái niệm mang tính cách mạng cho hệ thống viễn thông lai ghép hybrid

Trong thập kỷ 90, các nhà nghiên cứu đã định nghĩa ra hệ thống di động thế hệ kế tiếp, thế hệ thứ 3, đã loại trừ được những sự không tương thích của các hệ thống trước đây và thực sự trở thành hệ thống toàn cầu Hệ thống 3G có các kênh thoại chất lượng cao cũng như các khả năng về dữ liệu băng rộng, có thể đạt tới 2Mbps

Các hệ thống 3G hứa hẹn cung cấp những dịch vụ viễn thông tốc độ cao hơn, bao

là GPRS (dịch vụ vô tuyến gói chung) đã sẵn sàng ở Châu Âu Công nghệ 3G hỗ trợ băng thông 144 Kbps với tốc độ di chuyển lớn (trên xe hơi), 384 Kbps (trong một khu vực), và

2 Mbps (đối với trường hợp trong nhà)

dữ liệu đến 9,6 kbps

Cung cấp cuộc gọi thoại tín hiệu

số, tin nhắn ngắn

Cung cấp hiệu suất cao, dữ liệu được đóng gói

Cung cấp hiệu suất cao, dữ liệu băng thông rộng đến 2 Mbps

Cung cấp hiệu suất cao, hoàn thành hướng IP,

đa phương tiện,

dữ liệu đến hàng trăm Mbps

NMT, ect

TDMA, CDMA, GSM, PDC

GPRS, EDGE, 1xRTT

WCDMA, CDMA2000

Tiêu chuẩn duy nhất

Băng thông

Gói FDMA TDMA, CDMA TDMA, CDMA CDMA CDMA?

liệu mạng Gói dữ liệu mạng Internet

Bảng 1.1 – Bảng so sánh tham số công nghệ cơ bản

Tuy nhiên đòi hỏi của viễn thông đa phương tiện truy nhập tốc độ cao đối với xã hội ngày nay, phụ thuộc rất lớn vào công nghệ thông tin số Theo các con số lịch sử của cuộc cách mạng về công nghệ diễn ra trong 1 thập kỷ thì thời điểm hiện tại chính là thời điểm thích hợp để nghiên cứu hệ thống thông tin di động 4G

Hiện nay tốc độ download ở chế độ dữ liệu đang bị giới hạn ở 9.6 Kbps, thấp hơn khoảng 6 lần so với 1 đường kết nối cố định ISDN (Mạng số tích hợp dịch vụ) Gần đây, với các thiết bị cầm tay 504i tốc độ download dữ liệu đã được tăng lên 3 lần đạt 28.8 Kbps Tuy nhiên trong thực tế sử dụng tốc độ dữ liệu thường thấp hơn, đặc biệt là ở những khu vực đông đúc, hoặc là khi mạng bị “nghẽn” Tốc độ dữ liệu di động thế hệ 3 là tối đa 384 Kbps download, điển hình là xấp xỉ 200 kbps, và upload đạt 64 kbps từ năm

2001 Thông tin di động thế hệ 4 sẽ có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn, dự kiến có thể đạt tới 200 Mbps

3G được các nhà sản xuất đề xuất đầu tiên mà không phải là từ các nhà khai thác Năm 1996 nó được triển khai nhờ NTT (Hãng điện thoại và điện báo Nhật bản) cùng Ericsson, năm 1997 Hiệp hội công nghiệp Viễn thông TIA ở Mỹ chọn CDMA như là 1 công nghệ cho 3G, năm 1998 CDMA băng rộng (W-CDMA) và CDMA2000 được thông qua cho Hệ thống thông tin di động chung UMTS Trong đó W-CDMA và CDMA2000

là 2 đề xuất chính của 3G Tuy nhiên 3G vẫn tồn tại một số vấn đề khiếm khuyết ở những điểm sau:

- Rất khó cho việc tăng băng thông liên tục và tốc độ dữ liệu cao để đáp ứng được yêu cầu của các dịch vụ đa phương tiện, cùng với sự tồn tại song song của các dịch vụ khác nhau cần có băng thông và QoS khác nhau

- Giới hạn phổ và phân bố phổ

- Khó roaming qua các môi trường dịch vụ khác nhau ở các băng tần khác nhau

- Thiếu cơ chế vận chuyển liên tục từ đầu cuối đến đầu cuối để liên kết mở rộng một mạng di động nhỏ với một mạng cố định nhỏ khác

Trong các lĩnh vực thông tin di động, dịch vụ di động 4G là sự phát triển của các

dich vụ gói dữ liệu tốc độ cao, công nghệ dựa trên nền tảng phần mềm công cộng mang đến các chương trình ứng dụng download, công nghệ truy nhập vô tuyến đa mode, và công nghệ mã hoá media chất lượng cao trên nền các mạng di động Với sự xuất hiện của mạng 4G, nó sẽ giải quyết được:

- Hỗ trợ các dịch vụ tương tác đa phương tiện: truyền hình hội nghị, Internet không dây,…

- Băng thông rộng hơn, tốc độ bit lớn hơn

- Tinh di động toàn cầu và tính di chuyển dịch vụ

- Giá thành hạ

- Tăng độ khả dụng của hệ thống thông tin di động

Các nhà nghiên cứu và nhà cung cấp đã phát triển các mối quan tâm vào mạng vô tuyến 4G để hỗ trợ đa roaming các mạng di động và vô tuyến toàn cầu, ví dụ từ một mạng di động tế bào sang một mạng công nghệ vệ tinh cũng như sang tới mạng LAN không dây băng rộng

Với đặc trưng này, người dùng sẽ có thể truy nhập vào các dịch vụ khác nhau, tăng vùng phủ, thuận tiện cho các thiết bị đơn lẻ, một hoá đơn cho việc giảm tối đa tổng cộng các chi phí và rất nhiều truy nhập không dây đáng tin cậy khác, thậm chí ngay cả khi có

sự hư hỏng hay lỗi của 1 hay nhiều mạng đồng thời Các mạng 4G cũng có đặc trưng liên

hệ IP cho truy nhập Internet di động không ngắt quãng và tốc độ bit có thể đạt 50 Mbps hay cao hơn

Do việc triển khai 4G trên thực tế chỉ có thể thực hiện được từ sau năm 2006 hoặc thậm chí còn lâu hơn nữa nên các nhà phát triển hy vọng có thời gian để giải quyết nhiều vấn đề liên quan tới các mạng hỗn hợp, cụ thể là:

- Tính cước

Cấu trúc mạng sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng được tất cả những đòi hỏi trên Hỗ trợ QoS trong mạng 4G là một thử thách chính vì tốc độ bit, đặc trưng kênh, gán băng thông, mức lỗi và hỗ trợ chuyển giao giữa các mạng vô tuyến hỗn hợp Hỗ trợ QoS có thể thực hiện đối với gói, chuyển dịch tác vụ, kênh, người dùng và các cấp mạng

- Mức QoS gói ứng dụng cho jitter, thông lượng, và tỉ lệ lỗi Các nguồn tài nguyên mạng như khoảng đệm và giao thức truy nhập là những ảnh hưởng có khả năng

- Mức QoS chuyển giao tác vụ mô tả cả 2 yếu tố: thời gian cần thiết để hoàn thành transaction và tỉ lệ mất gói Các chuyển giao chắc chắn có thể rất nhạy về thời gian, trong khi một số chuyển giao khác thì không được phép để mất gói

- Mức QoS kênh bao gồm block cuộc gọi mới cũng như các cuộc gọi đang thực hiện

Nó phụ thuộc ngay vào khả năng của mạng thiết lập và duy trì kênh thông tin từ thiết

bị đầu cuối đến thiết bị đầu cuối Định tuyến cuộc gọi và quản lý định vị là 2 thuộc tính quan trọng của mức kênh

- Mức QoS người sử dụng phụ thuộc vào tính di động và loại ứng dụng của người dùng Vị trí mới có thể hỗ trợ nhu cầu QoS cực tiểu, thậm chí với các ứng dụng thích nghi

Trong một giải pháp vô tuyến hoàn thiện, thông tin từ điểm cuối đến điểm cuối giữa hai người sử dụng cũng có khả năng liên quan tới nhiều mạng vô tuyến Vì QoS sẽ thay đổi qua các mạng khác nhau, nên QoS cho những thuê bao này có khả năng là mức tối thiểu mà những mạng này hỗ trợ

1.2.2 Xu hướng công nghệ

Có ba xu hướng có thể tiếp cận Thứ nhất là hướng tập trung quanh 3G, trong đó đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) sẽ được đẩy dần tới điểm tại đó các nhà sản xuất thiết bị đầu cuối sẽ từ bỏ Khi đạt tới thời điểm đó, cần có công nghệ khác để đáp ứng được đòi hỏi tăng lên về dung lượng và tốc độ dữ liệu

Xu hướng thứ hai là xu hướng về mạng LAN vô tuyến Sự phát triển rộng khắp của

còn là một chặng đường lâu dài và có quá nhiều giải pháp cần đề xuất

Xu hướng thứ 3 là IEEE 802.16e và 802.20 thực hiện đơn giản hơn 3G Sự phát triển của mạng lõi hướng tới thế hệ NGN băng rộng sẽ hỗ trợ cho việc áp dụng các công nghệ mạng truy nhập mới thông qua các gateway truy nhập tiêu chuẩn, dựa trên các chuẩn ETSI-TISPAN, ITU-T,3GPP, hiệp hội tiêu chuẩn viễn thông Trung Quốc (CCSA)

Tín hiệu được chia thành các sóng mang nhỏ trực giao, trên mỗi sóng mang đó tín hiệu là “băng hẹp” (vài KHz) và vì vậy tránh được hiệu ứng đa đường, tạo nên một khoảng bảo vệ chèn vào giữa mỗi tín hiệu OFDM OFDM cũng tạo nên một độ lợi về phân tập tần số, cải thiện hiệu năng của lớp vật lý Nó cũng tương thích với những công nghệ mở rộng nâng cao khác, như là các anten thông minh và MIMO

Điều chế OFDM cũng có thể tận dụng như là một công nghệ đa truy nhập (đa truy nhập phân chia tần số trực giao, OFDMA) Trong trường hợp này mỗi tín hiệu OFDM có thể truyền thông tin từ/tới một vài thuê bao sử dụng một bộ các sóng mang nhỏ khác nhau (subcarrier, subchannel) Điều này không chỉ cung cấp thêm độ linh hoạt cho việc cấp nguồn tài nguyên (tăng dung lượng), mà còn có thể tối ưu hoá các lớp chéo của việc

sử dụng link vô tuyến Vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm – SDR

Lợi ích của vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm SDR mang lại hiệu suất xử lý cao để phát triển các trạm gốc và thiết bị đầu cuối đa băng, đa chuẩn Mặc dù trong tương lai các đầu cuối sẽ thích ứng với giao diện vô tuyến để sẵn sàng cho công nghệ truy nhập

vô tuyến, ở thời điểm hiện nay điều này đã được thực hiện nhờ có cơ sở hạ tầng SDR mang lại nhiều lợi ích cho một số cơ sở hạ tầng Ví dụ để tăng dung lượng mạng tại thời điểm nhất định (ví dụ như 1 sự kiện thể thao), nhà khai thác sẽ cấu hình lại mạng của họ

nhờ việc lắp thêm vào trạm gốc vài thiết bị modem SDR khiến cho việc cấu hình lại này rất dễ dàng

Trong bối cảnh các hệ thống 4G, SDR sẽ tạo điều kiện dễ dàng cho một tập hợp rất nhiều các picocell và microcell đa chuẩn Đối với nhà sản xuất, việc này có thể là một sự

hỗ trợ lớn trong việc cung cấp các thiết bị đa chuẩn, đa băng và giảm đi những nỗ lực phát triển và hạ giá thành thông qua việc xử lý đa kênh một cách đồng thời

1.2.2.2 MIMO – Multiple Input Multiple Output

MIMO sử dụng ghép kênh tín hiệu giữa rất nhiều các anten phát (đa thành phần không gian) trên miền thời gian hoặc miền tần số Điều này rất phù hợp với OFDM, bởi

vì có thể xử lý các tín hiệu thời gian độc lập ngay khi dạng sóng OFDM đƣợc thiết lập chính xác cho kênh Đặc điểm này của OFDM giúp cho công đoạn xử lý đƣợc đơn giản

hoá đi rất nhiều Tín hiệu phát đi bởi m anten đƣợc n anten thu lại Việc xử lý các tín hiệu

thu đƣợc có thể mang lại một vài cải thiện hiệu năng: phạm vi, chất lƣợng của tín hiệu thu và hiệu suất phổ Triển khai hiệu năng trong mạng tế bào vẫn đang còn là đối tƣợng cho nhiều nghiên cứu và mô phỏng (hình 1.2) Tuy nhiên, nói chung có thể thừa nhận rằng những gì nhận đƣợc từ việc sử dụng hiệu quả phổ liên quan trực tiếp tới số lƣợng anten cực tiểu trong tuyến kết nối

Hình1.3: Ảnh hưởng qua lại giữa các lớp và tối ưu liên quan

Các công nghệ chuyển giao dựa trên công nghệ IP di động cần có sự xem xét cả về

dữ liệu và thoại Các kỹ thuật IP di động thường chậm nhưng có thể được tăng tốc với các phương pháp cổ điển (IP di động nhanh, phân cấp) Các phương pháp này có thể áp dụng được cho dữ liệu và cũng có thể cho cả thoại Trong những mạng đơn tần, có thể xem xét các phương pháp chuyển giao Một số kỹ thuật có thể sử dụng khi tỉ số sóng mang/nhiễu có giá trị âm (ví dụ VSFOFDM), nhưng điều trở ngại của những kỹ thuật này chính là dung lượng Trong OFDM, cùng một lựa chọn có thể thay thế có trong CDMA,

có thể sử dụng phân tập macro Trong trường hợp OFDM, MIMO cho phép xử lý phân tập macro với các độ lợi về hiệu năng Tuy nhiên, thực hiện phân tập macro dẫn đến việc

xử lý MIMO được tập trung và truyền dẫn được đồng bộ Điều này không phức tạp như trong CDMA, nhưng những kỹ thuật này chỉ sử dụng trong các tình huống mà phổ rất khan hiếm

thức) đang hoạch định cho sự phát triển của mạng vô tuyến không dây thế hệ thứ tư 4G Phần này sẽ trình bày nhiều hơn và cung cấp chi tiết hơn các dịch vụ thấy được trong mạng 4G Trên thực tế sự thúc đẩy mạnh mẽ chủ yếu cho các công nghệ 4G là cung cấp thông tin dữ liệu gói hóa, độ rộng băng lớn, tốc độ cao Thậm chí người ta mong muốn rằng lưu lượng thoại được truyền đi tới các thiết bị cầm tay ở trong các gói (trái ngược với việc phân phát thông qua kênh chuyển mạch dành riêng) Chuyển mạch kênh liên quan tới kỹ thuật trong đó các kênh dành riêng được sử dụng để phát và nhận tín hiệu thoại hay dữ liệu Sự thông tin dữ liệu gói hóa liên quan tới kỹ thuật báo hiệu số trong đó thông tin (thoại hay dữ liệu) được chuyển thành mã nhị phân và được chia cắt thành các đoạn ngắn (segments) Các đoạn này sau đó sẽ được giải đóng gói theo thứ tự sắp xếp chính xác và được chuyển đổi ngược lại thành các thông tin ban đầu ở phía thu Trong chuyển mạch gói chỉ có tín hiệu thọai có nội dung thực sự được đóng gói và gửi tới hệ thống Điều này là có thể nhờ sự tiến bộ trong các kỹ thuật đa truy cập và công nghệ Thật đáng tiếc là các kỹ thuật truy nhập vô tuyến không dây ngày nay không hỗ trợ việc truyền băng rộng và truyền tốc độ cao Sự hạn chế này chính là sự thúc đẩy cho quá trình phát triển thông tin vô tuyến không dây Trong thị trường vô tuyến không dây ngày nay, những người sử dụng yêu cầu các dịch vụ giá trị gia tăng Cùng với sự giới thiệu rầm rộ các dịch vụ thế hệ 3, những người sử dụng mong muốn công nghệ vô tuyến ở thế hệ kế tiếp sẽ không chỉ là phương tiện thông tin thoại mà còn sẽ có chức năng hóa giống như Internet Các nhà cung cấp dịch vụ và các nhà phát triển ứng dụng đang trên con đường nhận ra các nhu cầu của người sử dụng nhưng đó vẫn là con đường dài ở phía trước Thực tế, trong triển khai 3G, việc mong muốn việc chức năng hóa đặc điểm Internet theo đường thông tin vô tuyến không dây chúng ta có thể không nhận thức đầy đủ được Các

kỹ thuật đa truy nhập hoạch định cho 3G sẽ không hỗ trợ các tốc độ truyền dữ liệu và băng thông được yêu cầu cho các ứng dụng cải tiến mà người sử dụng mong muốn Các công nghệ 3G sẽ thực sự có các chức năng mạnh hơn các hệ thống vô tuyến không dây ngày nay, tuy nhiên không mạnh bằng khi chúng ta triển khai 4G

phát triển và đưa ra các loại hình dịch vụ Từ đó các nhà cung cấp phân chia những người

sử dụng vô tuyến ra thành các mảng chung Các ngành kinh doanh vô tuyến phải hiểu được các mảng này, sự mong chờ và các nhu cầu của mảng (segment) sẽ đi theo hướng nào trong công nghệ vô tuyến không dây thế hệ tiếp theo lên 4G Những người sử dụng được phân mảng theo nhiều cách Theo như cách trình bày ở hội thảo gần đây của Lucent Technologies tại Supercomm, Lucent đang xem xét phân chia các người sử dụng thành 5 mảng như sau:

- Mảng Gender: Tìm đến các người sử dụng là phụ nữ Những người sử dụng này điển

hình là những cá nhân thu nhập trung bình Các kiểu ứng dụng đang phát triển cho mảng này là các ứng dụng giải trí và xã hội như dịch vụ chat và nhắn tin nhanh

- Mảng theo độ tuổi (Age): Được bao gồm thị trường giới trẻ các đối tượng 18 tuổi

hoặc trẻ hơn Họ không phải trả tiền cho dịch vụ do chính họ dùng mà việc trả tiền đó

là do bố mẹ hay người có liên quan thực hiện Các kiểu ứng dụng đang được phát triển cho đoàn này là các ứng dụng giải trí và xã hội như các dịch vụ âm nhạc

- Mảng theo cách sử dụng Internet (Internet Usage): Bao gồm điển hình là các cá

nhân sử dụng nhiều hơn so với mức trung bình (nhiều hơn 30 phút trên một phiên) để trình duyệt Internet Những người sử dụng trong mảng này được hội tụ công nghệ Các kiểu ứng dụng đang phát triển là các ứng dụng thông tin như các dịch vụ tin tức

cá nhân và các dòng tin tức chính (được truyền đi với âm thanh, hình ảnh, văn bản, hoặc bất kỳ sự kết hợp nào ở thế hệ thứ 3) Các nhà cung cấp dịch đặc biệt khó khăn trong việc đáp ứng nhu cầu của các khách hàng này bởi họ đã quen vơi việc tính tiền kiểu Internet

- Mảng theo mức thu nhập (Income Brackets): Bao gồm những cá nhân ở độ tuổi

trung lưu những cá nhân biết hiểu rõ giá trị dịch vụ Các loại ứng dụng đang phát triển trong mảng này là các dịch vụ thông tin như dịch vụ thời gian ngắn (up-to-the-minute), personalized stock tickers Những người sử dụng này cũng được định hướng tính an toàn chung; vì thế các thông tin dữ liệu và thoại có độ tin cậy được nâng cao

- Mảng những người chuyên sử dụng Mobile (Mobile Profesional): Hướng tới những

người sử dụng tin tưởng vào các thiết bị vô tuyến không dây để quản lý công việc kinh doanh hàng ngày Mảng này bao gồm những người sử dụng chuyên nghiệp Những người sử dụng này hầu hết rất quan trọng đối với các nhà cung cấp dịch vụ

bởi họ thường xuyên sử dụng nhiều hơn các dịch vụ mà họ yêu cầu Các kiểu ứng dụng đang phát triển cho mảng này là fax di động, thư điện tử, nhắn tin nhanh Để tăng sự tin cậy các ứng dụng, các nhà cung cấp cũng đang phát triển thiết bị thuê bao

để có thể chuyển vùng vào các mạng vô tuyến không dây khác nhau trên toàn thê giới

sử dụng một thiết bị thông tin đơn Giống như mảng Income Brackets, Mobile Professional yêu cầu các phương tiện thông tin dữ liệu và thoại phải tin cậy và liên tục Tính an toàn chung sẽ được quan tâm và hiệu chỉnh hợp lý trong mảng này Toàn

bộ chức năng sẽ được thêm vào để đảm bảo tính bảo mật thông tin cho người sử dụng

Hình 1.4 Các dịch vụ và ứng dụng trong 4G

1.3.1 Các trình ứng dụng và các dịch vụ chung:

Mục đích của phần này là định nghĩa các dịch vụ cũng như chức năng mà nhà cung cấp đưa ra cho khách hàng Các trình ứng dụng được định nghĩa như các phần mềm, chương trình hoặc các tính năng mang lại lợi thế cho các dịch vụ cung cấp bởi nhà khai thác Nhìn chung có bốn loại dịch vụ hoặc trình ứng dụng được phát triển và đưa vào sử dụng ở thông tin vô tuyến thế hệ tiếp theo Đó là dịch vụ thông tin cá nhân/khoanh vùng, các phương tiện liên lạc, tổ chức, giải trí Các ứng dụng và các dịch vụ thông tin cá nhân/

Thông tin nội địa/

cá nhân hóa Truyền thông

Cơ quan, tổ chức

Giải trí

Tin tức, Du lịch, Thương mại điện tử, Địa điểm

Tin nhắn, Emai, Fax, Hội nghị truyền hình

Ứng dụng kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân, các công cụ

Âm nhạc, Phim, Tán gẫu, Game

Các dịch vụ này cho phép người sử dụng xác minh các thông tin đơn lẻ liên quan tới người sử dụng dù họ ở trong vùng phục vụ hay chuyển vùng sang các hệ thống khác Các quốc gia Châu Âu đã có các ứng dụng theo dõi phương tiện giao thông công cộng Từ các thông tin giám sát này người sử dụng có thể xác định thời gian xe buýt hay tầu điện dừng lại ở bến Kiểu dịch vụ thông tin cá nhân/khoanh vùng này đã được triển khai giới hạn trong các quốc gia Dịch vụ này có thể là push-based hoặc pull-based, phụ thuộc vào vị trí thuê bao muốn thông tin phát tập trung tự động gửi tới thiết bị vô tuyến không giây hoặc nếu muốn thông tin phát tập trung trên một điểm có nhu cầu Các dịch vụ push và pull sẽ đựơc thảo luận chi tiết sau ở phần này Các dịch vụ và các ứng dụng có một tầm quan trọng đối với tất cả các mảng người sử dụng đặc biệt là mảng Mobile Professional

- Các dịch vụ thông tin (Communication): bao gồm có dịch vụ nhắn tin ngắn (SMS),

thư điện tử, hội thảo truyền hình, fax, và các bulletin board Mặc dù một số các dịch

vụ đã được sẵn sàng trong các hệ thống không dây ngày nay, nhưng các dịch vụ này

sẽ tiếp tục được nâng cao hơn trong thế hệ tương lai Trong các dịch vụ này: thoại và

độ tin cậy được chú ý nhất trong kế hoạch phát triển

- Các dịch vụ Organizational: bao gồm các khả năng hỗ trợ số cá nhân (PDA Personal

digital assistant), trao đổi tiền tệ dựa trên cơ sở xác định người sử dụng, và các trình ứng dụng quản lý cá nhân khác (ví dụ: lịch công tác, quản lý cuộc gọi, sổ lưu địa chỉ) Các dịch vụ và cách trình ứng dụng Organizational có liên quan tới tất cả các mảng người sử dụng nhưng nó được hướng tới phục vụ cho các mảng người sử dụng là Income Brackets và Mobile Professional

- Các dịch vụ giải trí (Entertainment): được đưa vào tầm ngắm của các nhà cung cấp

dịch vụ và các nhà cung cấp quay trở lại đầu tư vào nó khi nhận thấy nó có một tiềm năng lớn Các dịch vụ giải trí có thể gồm có đoạn âm thanh, đoạn video, chat, trao đổi hình ảnh, và chơi game Trong thị trường vô tuyến không giây Châu Á 3G đang được phát triển, các dịch vụ giả trí đang tạo ra lợi nhuận đáng kể Mảng mà các dịch vụ giải trí hướng tới đó là mảng Age

- Một dịch vụ khác đang tạo ra rất nhiều sự sôi động trong ngành kinh doanh đó là

thương mại di động (M-Commerce) Thương mại di động đưa ra khả năng cho thuê

bao đăng ký mua các món hàng (ví dụ: mua gas, thức ăn từ các máy bán hàng tự động.v.v) sử dung một thiết bị vô tuyến không dây Ví dụ để đăng ký mua một món

hàng từ máy bán hàng tự động, mọi người sử dụng sẽ quay số điện thoại hoặc mã truy nhập liên quan tới món hàng đó và món hàng đó sẽ được phân phối tới người mua Trong sự phối hợp này, máy bán hàng tự động sẽ được kết nối tới mạng điện thoại chuyển mạch công cộng (PSTN) thông qua một modem hoặc một thiết bị kiểu gateway Các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến không dây sẽ gửi thông tin tới công ty bán hàng và công ty này sẽ gửi thông tin tới máy bán hàng tự động để chỉ thị cho máy bán hàng phân phối món hàng Tài khoản của người sử dụng dịch vụ không dây sẽ được tính vào các món hàng mà họ đăng ký, giống như một thẻ tín dụng Kiểu dịch vụ thương mại di động này hiện thời đang được thử nghiệm và đã được thực hiện (trên

cơ sở còn nhiều hạn chế) trong các quốc gia ở Châu Âu và Châu Á và thực sự đang tiến xa Thương mại di động có thể được xem như là một kiểu dịch vụ Information hoặc Organzation

1.3.2 Các dịch vụ dựa trên cơ sở xác định vị trí Push, Pull

Các dịch vụ Push và Pull đưa ra độ tin cậy cho mạng về khả năng xác định vị trí các thuê bao Trong mạng 4G, điều đó có thể nhận thấy, mạng có khả năng xác định vị trí chính xác của các thuê bao ở cả trong nhà và ngoài nhà Khả năng này được thực hiện từ các chức năng được thêm vào từ các nhà cung cấp dịch vụ

Các thông tin cá nhân người dùng được thiết lập và cập nhật bởi các thuê bao, đảm bảo thông tin tới mỗi người sử dụng đúng yêu cầu Thông tin cá nhân chứa đựng các sở thích của thuê bao (ví dụ: thích/không thích, kế hoạch làm việc, khuôn khổ) và sự cho phép các thuê bao (ví dụ: người nào được phép biết hiện tại họ đang ở đâu) Nhà cung cấp dịch vụ sẽ duy trì và lưu giữ thông tin cá nhân người sử dụng trong cơ sở dữ liệu Mạng phục vụ sẽ sử dụng các thông tin này để đẩy các dịch vụ cho các thuê bao Ví dụ: nếu một thuê bao thích một kiểu thức ăn riêng, mạng sẽ xem trong thông tin cá nhân của thuê bao đó và sẽ đẩy (push) các thông tin có liên quan tới nhiều nhà hàng mà phục vụ kiểu món ăn đó ở vị trí của thuê bao

Tương tự, người sử dụng có thể yêu cầu các thông tin giống như vậy xuất phát từ

chỉ ta vị trí của các thuê bao với độ chính xác cao có thể trong khoảng vài Feet Các mạng không dây hiện thời không có khả năng này Các mạng ngày nay nhìn vào các cell đang phục vụ và đang thông tin với thiết bị cầm tay để xác định vị trí của thuê bao Kỹ thuật này có thể chính xác cao nhất ở một vài khối nhà trong thành phố nhưng đối với các trình ứng dụng của 4G sự chính xác này gần như là không cần thiết Các kế hoạch hiện thời cho mạng 4G bao gồm sử dụng giao thức Internet phiên bản 6 (IPv6) để định tuyến các gói dữ liệu tới máy điện thoại cầm tay IPv6 đã gắn liền với việc theo dõi định vị và điều này sẽ làm tăng khả năng xác định một cách chính xác vị trí của thuê bao trong mạng

Một số đã được đề xuất áp dụng các khả năng của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) vào các máy cầm tay giúp cho việc xác định vị trí của các thuê bao Tuy nhiên GPS sẽ chỉ hữu ích đối với phạm vi nhỏ GPS tin vào khả năng máy thu bắt được tín hiệu từ các vệ tinh quay quanh trái đất Nếu máy thu không truy cập ở bên ngoài (ở trong nhà), các thông tin về vị trí không được cung cấp Ngoài vị trí ra, mạng phải có khả năng xác định các số liệu thống kê khác

1.3.3 Kết luận:

Các dịch vụ và các trình ứng dụng cho 4G vẫn đang được định nghĩa, nó phát triển

và dịch chuyển theo nhu cầu người sử dụng Các ứng dụng 4G hướng tới phục vụ cho thị trường khách hàng có nhu cầu lớn về chất lượng dịch vụ cũng như sự đa dạng của dịch

vụ Với khả năng của mình, 4G thực sự đáp ứng được các nhu cầu về đa dịch vụ của khách hàng hiện tại và trong tương lai Chương này mới chỉ giới thiệu và đưa ra một số loại hình dịch vụ điển hình và một số ví dụ về các ứng dụng trong 4G theo một khía quan điểm chung Phần dịch vụ và mô hình cụ thể của nó sẽ được giới thiệu kỹ hơn trong chương 3 Định hướng phát triển các dịch vụ cho 4G dựa trên nền tảng của 3G nhưng với

độ tin cậy và tính an toàn cao hơn, mô hình dưới đây có thể là các dịch vụ cụ thể cho 4G:

Hình 1.5 Mô hình các dịch vụ trong mạng 4G

 Chương 1 đã khái quát được những nét đặc trưng, ưu nhược điểm và sự phát triển của các hệ thống thông tin di động thế hệ 1,2 và 3,4 đồng thời đã sơ lượt tổng quan của hệ thống thông tin di động thế hệ 4 Hai thông số quan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin của người sử dụng và tính di động, ở các thế

hệ tiếp theo các thông số này càng được cải thiện Nêu được ưu điểm của 4G so với 3G

và các cơ sở để hình thành ưu điểm đó Để tìm hiểu thêm về 4G ta qua chương tiếp theo

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE

2.1 CÁC YÊU CẦU VỀ CẤU TRÚC MẠNG MỚI

Mạng 4G ra đời là cuộc cách mạng về tốc độ truyền dữ liệu, khả năng tương tác, giao tiếp giữa các mạng khác nhau Nó là sự kết hợp giữa các mạng khác nhau dựa trên nền IP Mục đích chính của mạng là cho phép người dùng có thể truy nhập và khai thác các dịch vụ trong mạng với tốc độ cao, chất lượng tốt, an toàn, bảo mật Vì vậy, để đáp ứng được các nhu cầu và các dịch vụ đó, mạng 4G phải đáp ứng được các yêu cầu sau:

o Mạng 4G phải đáp ứng được yêu cầu tích hợp

Tích hợp được các mạng khác như các mạng di động thế hệ 2, thế hệ 3, thế hệ 3,5G,… và WLAN, WiMAX, và các mạng không dây khác

Hình 2.1: Sự phát triển của các mạng khác nhau dẫn đến 4G

Mạng 4G có khả năng kết hợp với các mạng khác nhau dựa trên nền giao thức IP, với tốc độ cao, nó cung cấp các dịch vụ đa dạng thời gian thực, các ứng dụng chất lượng cao,… Đây là yếu tố rất quan trọng giúp cho một mạng, công nghệ mới đạt được thành công Với sự kết hợp này, người sử dụng có khả năng kết nối tới nhiều mạng, có thể sử dụng nhiều dạng dịch vụ khác nhau như PSTN, ISDN, internet, WLAN, WiMAX,… mà

không cần quan tâm tới dạng thiết bị đang sử dụng cũng nhƣ việc họ đang ở đâu

Hình 2.3: Người dùng ở các mạng khác nhau có thể truy nhập vào hệ thống

o Đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng đa phương tiện trên nền IP:

Để đảm bảo chất lượng dịch vụ, cần sự kết hợp chặt chẽ giữa các lớp truy nhập, truyền tải và các dịch vụ Internet Đặc biệt đối với các vấn đề về độ trễ mạng, băng thông dịch vụ…vv Mạng 4G yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu cao, độ trễ nhỏ, dịch vụ thời gian thực, chất lượng cao

o Đảm bảo tính an toàn, bảo mật thông tin

Đây là yêu cầu quan trọng hàng đầu của hệ thống Hệ thống thông tin càng phát triển, càng có nhiều người dùng ở các mạng khác nhau cùng truy nhập vào hệ thống thì thông tin bí mật của người dùng càng không đảm bảo an toàn Tính an toàn của hệ thống được đánh giá qua khả năng bảo mật trong truyền thông, tính đúng đắn và riêng tư của các dữ liệu người sử dụng cũng như khả năng quản lý, giám sát hệ thống Bảo mật là yêu cầu chung đối với tất cả các hệ thống viễn thông

o Mạng đảm bảo tính di động:

Một trong những vấn đề quan trọng của 4G đó là cách để truy nhập nhiều mạng di

động và không dây khác nhau Có ba khả năng: Sử dụng thiết bị đa chế độ, vùng phủ đa dịch vụ, hoặc sử dụng giao thức truy nhập chung

Các thiết bị đa chế độ:

Thiết bị đa chế độ có nhiều chế độ hoạt động khác nhau, ví dụ như đa truy nhập phân chia theo mã, thông tin di động toàn cầu GSM, chế độ truy nhập vệ tinh,… Do đó, khi thiết bị nằm ngoài vùng phủ của mạng mình thì nó vẫn có thể truy nhập được vào thống thông qua các mạng khác Đối với loại thiết bị này thì vấn đề chất lượng dịch vụ yêu cầu phải được xử lý tốt Xem (hình 2.4 – a)

Vùng phủ đa dịch vụ:

Trong kiến trúc này, người dùng truy nhập vào vùng phủ đa dịch vụ gồm nhiều điểm truy chung (UAP: Universal Access Point) Những UAP này kích hoạt để chọn mạng dựa trên những cái có sẵn, đặc điểm chất lượng, và sự lựa chọn thông thường của người dùng Người dùng, thiết bị có thể chuyển dịch vụ khi di chuyển từ UAP này sang UAP khác Xem (hình 2.4 – b)

Giao thức truy nhập chung:

Trong trường hợp này các mạng không dây có thể hỗ trợ một hoặc hai giao thức truy nhập chuẩn Khi đó thiết bị có thể chuyển mạng có cùng giao thức truy nhập khi không truy nhập được vào mạng của mình Xem (hình 2.4 - c)

Hình 2.4: Tính di động của mạng

o Mạng phải đảm bảo về tốc độ:

Mạng mới ra đời phải có tốc độ truyền dữ liệu cao, đáp ứng được yêu cầu của người sử dụng Tốc độ truyền dữ liệu trong mạng mới có thể lên đến 100Mbps, và 160Mbps khi sử dụng MIMO (Nhiều đầu vào - Nhiều đầu ra)

Hình 2.5: Tốc độ truyền dữ liệu trong mạng 4G

2.2 MÔ HÌNH MẠNG 4G LTE

2.2.1 Ưu nhược điểm của cấu trúc mạng 3G và 3,5G

a Mạng thông tin di động thế hệ ba WCDMA

Mạng thông tin di động thế hệ ba ra đời đã khắc phục được các nhược điểm của các mạng thông tin di động thế hệ trước đó Với việc cấu trúc mạng dùng giao thức IP kết hợp với công nghệ ATM, cùng với việc hỗ trợ tốc độ lên tới 2Mbps, mạng thông tin di động thế hệ ba WCDMA có thể hỗ trợ người dùng các dịch vụ như: hội nghị truyền hình, truy cập internet tốc độ cao, download các file dữ liệu nhỏ,…

Tuy nhiên, mạng di động này cũng có một số nhược điểm như: Tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất là 2Mbps, vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao của người dùng, khả năng đáp ứng các dịch vụ thời gian thực như hội nghị truyền hình là chưa cao, rất khó trong việc download các file dữ liệu lớn,…

Mạng thông tin di động thế hệ ba WCDMA chưa đáp ứng được các yêu cầu như:

tiến về cả dung lượng hệ thống lẫn tốc độ truyền dẫn dữ liệu Mạng thông tin di động thế

hệ ba WCDMA ra đời là một bước phát triển mạnh mẽ về tốc độ và chất lượng dịch vụ Tuy nhiên, tốc độ dữ liệu tối đa trong WCDMA chỉ đạt tới 2Mbps Để tăng khả năng hỗ trợ cho các dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói, đặc biệt là nâng cao tốc độ truyền dữ liệu,

mà trước hết là tốc độ đường xuống, 3GPP đã phát triển và chuẩn hóa trong phiên bản Release 5 một công nghệ mới, đó là công nghệ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA) với những tính năng mới được đề cập trong các phiên bản R5 của 3GPP cho hệ thống truy nhập vô tuyến WCDMA/UTRA –FDD và được xem như là một trong những công nghệ tiên tiến cho hệ thống thông tin di động 3,5G HSDPA bao gồm một tập các tính năng mới kết hợp chặt chẽ với nhau để cải thiện dung lượng mạng, và tăng tốc độ dữ liệu đỉnh trên 10 Mbps đối với lưu lượng gói đường xuống Những cải tiến về mặt kỹ thuật cho phép các nhà khai thác có thể đưa ra nhiều dịch vụ tốc độ bit cao, cải thiện chất lượng dịch vụ (QoS) của các dịch vụ hiện có, và đạt chi phí thấp nhất Khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu và tính di động của HSDPA là chưa từng có trong các phiên bản trước đây của 3GPP

Các khía cạnh kỹ thuật trong nội dung HSDPA bao gồm:

• Phát kênh chia sẻ

• Điều chế và mã hóa thích ứng

• Kỹ thuật phát đa mã

• Yêu cầu lặp lại tự động nhanh HARQ

Mục đích của HSDPA là hỗ trợ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao bằng cách

sử dụng một kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao (HS-DSCH) và hỗ trợ thoại được tích hợp trên kênh DCH và dữ liệu tốc độ cao trên kênh HS-DSCH trên cùng một sóng mang (tương tự như DSCH trong Release 99)

Lợi ích của HSDPA như đã trình bày trong các phần trước cho đường xuống khi hầu hết lưu thông dữ liệu 3G được trông đợi đầu tiên là đường xuống Release 6 sẽ nói về cải tiến, nâng cấp đường lên, được gọi là nâng cấp đường lên HSUPA (HSUPA: High Speed Uplink Packet Access) HSUPA sử dụng tương tự các đặc điểm chính như HSDPA, nhưng thay vì áp dụng cho đường xuống thì nó lại áp dụng cho đường lên Điều này sẽ làm tăng tốc độ truyền đường xuống

c Nhận xét:

Các mạng thông tin di động thế hệ 3 WCDMA và thế hệ 3,5G HSDPA và HSUPA

ra đời đã phần nào đáp ứng được nhu cầu của người tiên dùng như: tốc độ truyền dữ liệu lên tới 2Mbps đối với mạng WCDMA, 10Mbps đường xuống đối với công nghệ 3,5G),

có thể truy nhập được nhiều dịch vụ như: truyền hình hội nghị, truy nhập Internet tốc độ cao,…

Tuy nhiên, các mạng di động này còn nhiều nhược điểm như: tốc độ truyền dữ liệu chưa cao, do đó chất lượng của các dịch vụ thời gian thực chưa cao, tốc độ truyền dữ liệu vẫn còn thấp, đặc biệt là tính di động kém Khi người dùng đi vào vùng phủ của loại mạng khác ví dụ như mạng WLAN, WiMAX,… mà không nằm trong vùng phủ sóng của mình thì mạng không thể phục vụ người dùng được Ngoài ra, việc sử dụng IPv4 cũng gây ra các hạn chế như không đủ địa chỉ để triển khai theo yêu cầu của mạng,… Khả năng triển khai các dịch vụ mới trên các mạng này rất khó do các hạn chế về tốc độ truyền thông và băng tần,…

Trong tương lai, người sử dụng mong muốn được sử dụng nhiều loại hình dịch vụ khác nhau với tốc độ truyền cao lên tới hàng trăm Mbps, có chất lượng tốt, có thể thâm nhập vào mạng từ mọi nơi, có khả năng sử dụng các dịch vụ mới một cách dễ dàng,

2.2.2 Mô hình mạng thông tin di động 4G LTE

Phạm vi của mạng 4G sẽ bao phủ toàn bộ từ các phần truyền dẫn vô tuyến, truyền dẫn trong mạng lõi đến tận các ứng dụng trên thiết bị đầu cuối Với yêu cầu một kiến trúc phân lớp cho hệ thống, nhằm đảm bảo tính mở và tính thích ứng cho hệ thống, các thành phần chức năng trong mạng sẽ được chuẩn hoá theo các chức năng chung và mỗi chức năng chung này sẽ đại diện cho chức năng trong 1 lớp Với yêu cầu này, người thực hiện phân chia cấu trúc mạng trên cơ sở của 4 lớp chức năng, tương ứng với 4 phạm vi chức năng của các thành phần trong hệ thống mạng

Hình 2.6: Mô hình cấu trúc mạng 4G

Với mô hình trên, tính tích hợp hệ thống đã được giải quyết trên lớp truyền dẫn Các

hệ thống sử dụng môi trường truyền vô tuyến được tích hợp chung vào mạng RAN Với

mô hình này, các mạng truy nhập vô tuyến được tích hợp vào một môi trường chung, có nghĩa thuê bao di động đầu cuối khi ở bất cứ môi trường truyền vô tuyến nào cũng đảm bảo hoạt động trong mạng

Tính tương tác giữa các lớp giúp cho mô hình có tính mở trong việc phát triển công

nghệ cũng như dịch vụ trong tương lai Việc xử lý các công nghệ điều chế, mã hoá và truy nhập trên các lớp tương tác cũng tạo ra tính thích nghi với các yêu cầu về dịch vụ, đảm bảo đầy đủ các yêu cầu về tốc độ dịch vụ trong tương lai

 Chức năng mạng truy nhập vô tuyến:

 Có khả năng tích hợp giữa các thiết bị đầu cuối

 Đảm bảo tốc độ dịch vụ

 Chức năng của mạng lõi:

 Kết nối các mạng khác nhau: mạng không dây và mạng có dây

 Truyền tải traffic trên các tuyến từ nơi gửi đến đích an toàn

 Định tuyến lưu lượng

 Chuyển đổi dạng dữ liệu all IP

 Chức năng điều khiển:

 Dịch vụ: Cung cấp dịch vụ sử dụng cho người dùng

2.3 CHỨC NĂNG CÁC PHẦN TỬ TRONG MÔ HÌNH

2.3.1 Các phần tử lớp truy nhập vô tuyến

Nhiệm vụ chính của mạng truy nhập vô tuyến (Radio Access Network) là tạo và duy trì các kênh mang truy nhập vô tuyến (RAB) để thực hiện thông tin giữa thiết bị di động (UE) với mạng lõi (CN) Thiết bị người dùng ở đây có thể là các MS, các thiết bị xách tay,… Do đó, mạng truy nhập vô tuyến phải có khả năng giao tiếp với các thiết bị