QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
Giới thiệu tổng quan
Hiện nay trên thế giới nói chung và trong đó có Việt Nam chúng ta đã đang và sẽ tồn tại hai hệ thống thông tin di động đó là mạng điện thoại di động tổ ong GSM (Global System for Mobile Communication) và mạng di động sử dụng công nghệ CDMA (Code Division Multipe Acess) Mỗi hệ thống có những đặc tính riêng, có ưu nhược điểm đặc trưng mà hệ thống còn lại không (hoặc chưa) thay thế được. Trong chương này chúng ta sẽ đề cập đến cả hai hệ thống nói trên theo từng đặc tính chung và riêng của chúng.
1.1.1 Khái quát lịch sử phát triển
Cột mốc đánh dấu sự ra đời và phát triển của thông tin di động hiện nay phải được xét đến kể từ khi James Clerk Maxwell đưa ra lý thuyết về sóng điện từ vào năm
1861, đây là nền tảng lý thuyết quan trọng nhất của các kỹ thuật thông tin không dây nói chung và trong đó có cả thông tin di động của chúng ta Tuy nhiên để áp dụng được lý thuyết đó vào thực tế là cả một chặng đường lâu dài Cho đến những thập niên đầu thế kỹ XIX, các dạng thông tin di động đầu tiên được phát triển để phục vụ cho quân sự và các dịch vụ an toàn công cộng nhất là trong thế chiến thứ 2.
Sau thế chiến thứ hai, thông tin di động bắt đầu được phát triển cho mục đích thương mại, đầu tiên được xây dựng ở Mỹ hệ thống điện thoại di động MTS(Mobile Telephone System) vào năm 1946; nhưng trên mạng đó chỉ cho phép truyền đơn công và sử dụng chuyển mạch nhân công Mãi đến 1969 hệ thống điện thoại di động song công sử dụng chuyển mạch tự động mới được phát triển thành công là IMTS (Improved Mobile Telephone System) Mạng điện thoại này sử dụng dãi tần 450MHz và đã được chuẩn hóa tại Mỹ nhưng lại không thể đáp ứng nhu cầu phát triển.
Vào cuối thập kỷ 70, phòng thí nghiệm Bell LaBTS đã phát triển thành công hệ thống AMPS và đưa ra thương mại hóa bởi hãng AT&T vào năm 1983; hệ thống này sử dụng dãi tần trên 800MHz với hướng lên trong khoảng 824-846MHz và hướng xuống là 869-894MHz Trong AMPS sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự FM với khoảng dịch tần cực đại 12KHz cho kênh thoại và khoảng cách tần số là 30KHz; phân bố tần số trong mạng tuân theo nguyên lý chia ô AMPS chia sẽ cho hai nhà cung cấp với 832 kênh Các kênh được chia đều cho các nhà cung cấp dịch vụ, và khu vực địa lý, với 42 kênh mang thông tin của mạng (kênh báo hiệu chung).
Song song với AMPS của Mỹ thì Châu Âu cũng đã thực hiện được hệ thống di động cho mình vào 01/10/1981 bằng chuẩn NMT450 là một mạng di động tế bào chủ yếu phục vụ cho khu vực Bắc Âu NMT450 sử dụng dãi tần trên 450MHz với kỹ thuật FDMA/FM với khoảng dịch tần cực đại là 5KHz và khoảng cách tần giữa hai kênh là25KHz và sử dụng kỹ thuật điều chế khóa dịch tần FSK Sau đó hệ thống này đượcnâng cấp để sử dụng khoảng tần 900MHz và trở thành NMT900 vào năm
1986 và đây là cơ sở cho việc phát triển mạng di động số thế hệ thứ 2 được phổ biến rộng rãi với tên gọi GSM (Global System Mobile).
Dựa vào AMPS, tại Anh đưa ra chuẩn TACS (Total Access Communication
System), hệ thống truyền thông truy cập toàn thể, với sự thay đổi dãi tần của các kênh vô tuyến Hệ thống TACS sau này được phát triển ở nhiều nước như ở Nhật là J- TACS, hãy chuẩn mở rộng là N-TACS TACS có dãi tần kênh 25kHz ở dãi tần 890- 915MHz cho đường lên và 935-960MHz cho đường xuống với khoảng cách kênh 45MHz; ban đầu được cấp dãi 25MHz, dự trữ 10MHz cho hệ thống pan_TACS ở Anh và 16MHz cho chuẩn mở rộng N-TACS Trong hệ thống TACS sử dụng kênh điều khiển và báo hiệu ở tốc độ 8kbps.
Cùng với sự phát triển của công nghệ số hóa trong điện tử và viễn thông liên lạc thì việc chuyển đổi trong thông tin di động cũng có sự chuyển biến công nghệ,các mạng tương tự như trên đã dần được thay thế bằng các mạng số hóa mà thành công nhất là hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM (Global System Mobile) Sự chuyển đổi từ mạng tương tự qua mạng số thường được biết đến như sự chuyển đổi thế hệ mạng di động, mà ở đó mạng thông tin công nghệ tương tự được xem là thế hệ thứ nhất (1G) và mạng thông tin di động GSM là thế hệ thứ 2 (2G) Hiện nay chúng ta thường được nghe đến các khái niệm 2.5G và 3G chính là các thế hệ mạng thông tin mới được đề xuất và đang phát triển để đáp ứng nhu cầu trao đổi tin ngày càng cao của xã hội hiện đại Trong các thế hệ mạng sau này thì chủ yếu được nâng cấp kỹ thuật công nghệ để đáp ứng được các yêu cầu của thông tin đa phương tiện tốc độ cao (truyền hình,truyền số liệu tốc độ cao,…).
Năm 1982, theo đề xuất của Cty Nordic Telecom (Viễn thông Bắc Âu), Netherlands, nhóm nghiên cứu Group Special Mobil (GSM) thì Tổ chức Bưu chính Viễn thông Châu Âu – CEPT (Conference Euro Posts and Telecommunication) đã hình thành tiêu chuẩn mới cho hệ thống thông tin di động xuyên Châu Âu Sau đó 5 năm
(1987) thì 13 nhà khai thác quản lý đã ký kết thỏa thuận đưa ra tiêu chuẩn GSM là viết tắt theo tên tiếng Pháp của Global System for Mobile Communication là tiêu chuẩn chúng ta sử dụng hiện nay GSM sử dụng mã hóa tiếng nói dự đoán đặc tuyến xung kích chính tắc (PRE-LPC) và phương thức TDMA phân chia theo thời gian.
Từ năm 1989 GSM được chuyển nhượng cho Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI) và được viện phát triển qua nhiều giai đoạn mãi đến năm 1997 mới hoàn thành tiêu chuẩn đầy đủ thành GSM 2G có kết hợp với dịch vụ số liệu chuyển mạch tốc độ cao (HSCSD) và dịch vụ truyền sóng vô tuyến gói đa dụng (GPRS).
GSM sử dụng giao diện vô tuyến ở dãi tần trên 850MHz, cụ thể là 890- 915MHz cho đường lên và 935-960 cho đường xuống đối với các mạng di động (hiện nay đang sử dụng dãi tần 1800MHz) Kỹ thuật điều chế của GSM là GMSK (Khóa mã cực tiểu Gaussian) với mỗi giá trị BT là 0.3 tại tốc độ dữ liệu tổng 270kbps Điều này đưa ra để cân đối tối ưu giữa độ phức tạp của thiết bị và hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống.
Bảng 1.1 Tóm lược lịch sử phát triển của GSM
1982 Nhóm nghiên cứu di động đặc biệt được CEPT thành lập (GSM ra đời)
1986 Dãi tần 900MHz dành riêng cho GSM được sự chấp thuận của EC Telecom
Có 3 sơ đồ truyền dẫn sóng vô tuyến khác nhau và khác cả tốc độ mã hóa âm thanh ở các quốc gia khác nhau.
1987 Các thông số cơ sở của chuẩn hóa GSM được chấp thuận vào tháng 2
1988 Đặc tả chi tiết GSM pha 1 được hoàn thành cho cơ sở hạ tầng mạng
1989 Nhóm di động đặc biệt chuyển sang cho ETSI thành hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM hiện nay) thành chuẩn hóa quốc tế cho mạng dịch vụ thoại di động cấu trúc tế bào.
1990 GSM bước đầu tương thích cho hoạt động ở băng tần DSC1800
1991 Mạng GSM đầu tiên được xây dựng ở Phần Lan
1992 Lần đầu tiên việc đăng ký chuyển vùng quốc tế được thực hiện giữa Viễn thông Phần Lan (Telecom Finland) và Vodafone (Vương quốc Anh).
Bản tin SMS đầu tiên được gửi đi.
1993 Telstra Australia trở thành mạng ngoài Châu Âu đầu tiên đi vào hoạt động Mạng GSM đầu tiên hoạt động trong dãi tần DCS1800 (GSM1800) ở
1994 GSM pha 2 (cho các dịch vụ mạng thông tin số liệu / fax) ban hành.
Số lượng thành viên của MoU GSM vượt qua con số 100, thuê bao GSM tiến đến con số hàng triệu.
1995 Mạng GSM đầu tiên hoạt động ở Nga và Trung Quốc
Số lượng thuê bao GSM tiến đến con số 50 triệu
1997 Máy cầm tay 3 băng đầu tiên được công bố
1998 Số thuê bao GSM trên toàn cầu vượt qua 100 triệu
1999 WAP bắt đầu được triển khai thử nghiệm ở Pháp và Italia
2000 Các dịch vụ GPRS thương mại đầu tiên được công bố, máy cầm tay GPRS đầu tiên được đưa ra thị trường Năm tỉ bản tin SMS được gửi trong 1 tháng
2001 Mạng 3G GSM đầu tiên đi vào cuộc sống.
Số lượng lượng thuê bao GSM trên toàn thế giới vượt xa 500 triệu.
2003 Mạng EDGE đầu tiên đi vào hoạt động.
Số lượng thành viên của hiệp hội GSM vượt qua 200 quốc gia Hơn nữa tỉ máy cầm tay được sản xuất trong 1 năm.
2008 Con số thuê bao GSM vượt qua ngưỡn 3 tỉ.
Hiện nay song song với hệ thống điện thoại di động tế bào GSM thì còn có một công nghệ mới, trước đây chỉ sử dụng cho mục đích quân sự là CDMA và được đưa ra thương mại bởi hãnh Qualcomm IS-95 (Interim Standard – 95A) với tên gọi là CDMA- ONE vào năm 1991 IS-95 sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) là nền tảng cho sự mở rộng dung lượng thuê bao, hạn chế công suất phát để chống nhiễu và nâng cao hiệu suất sử dụng dãi tần hạn chế Công nghệ CDMA ra đời hứa hẹn sự đột phá mới trong sự phát triển của hệ thống thông tin di động bởi khả năng chống nhiễu và tốc độ truyền tin cao đáp ứng cho các yêu cầu dịch vụ đa phương tiện.
Cấu trúc tế bào
Sở hữu một dãi tần vô tuyến giới hạn, các mạng di động sẽ chỉ có thể cung cấp một số lượng rất nhỏ các kênh vô tuyến cho truyền dẫn thông tin và từ đó số người dùng hạn chế Ví dụ, với hệ thống GSM sử dụng dãi tần 900MHz có dãi thông 25MHz sẽ có số lượng tối đa là 125 kênh tần số, dãi thông số mang 200kHz; nếu sử dụng ghép kênh thời gian với 8 khe thì cũng chỉ có 1000 kênh Nhưng quan trọng hơn là với sự phân bố rộng và sự di chuyển của đầu cuối, sử dụng cấp phát cố định kênh sẽ không thể sử dụng để liên kết đầu cuối với mạng và bài toán đặt ra sự phân chia khu vực phục vụ với các dãi tần khác nhau có thể lập lại ở những khoảng cách xa đã được áp dụng cho các mạng thông tin di động; mỗi khu vực phục vụ được gọi là một tế bào (cell) Nguyên lý chia cell và tái sử dụng tần số có thể mô tả như ở (H-1.)
Hình 1 : Mô hình mạng tế bào tái sử dụng tần số Các định nghĩa:
+ Tế bào (cell) là một khu vực phục vụ của trạm phát sóng cơ bản (BTS), toàn mạng phủ sóng sẽ được chia nhỏ thành các tế bào thường có dạng lục giác với trạm phát sóng sẽ ở trung tâm của tế bào.
+ Mỗi tế bào i có một tập con tần số Si được lấy từ tập dãi tần được cấp phát cho mạng Trong hệ thống GSM tập con S i gán cho một tế bào được gọi là Cấp phát tế bào (Cell Allocation - CA) Hai tế bào lân cận không bao giờ dùng chung một dãi tần, do yêu cầu tránh xuyên nhiễu cùng kênh của các tế bào liền kề.
+ Chỉ ở một khoảng D thì có thể sử dụng lại tập con tần số S i, các tế bào cách tế bào i một khoảng D có thể được gán cho một hoặc tất cả tập cho S i của tế bào i.
Khi thiết kế mạng di động, D phải được chọn đủ lớn để nhiễu đồng kênh là đủ nhỏ có thể chấp nhận được mà không làm giảm chất lượng tín hiệu nhận được.
Hình 1 : Tái sử dụng tần số và phân chia cluster trong mạng tế bào
+ Khi một trạm di động chuyển từ một tế bào này đến tế bào khác khi đang đàm thoại thì sẽ tự động có sự thông đổi kênh/tần số, gọi là handover
Phân lớp và giao thức trong mạng di động
1.3.1 Phân lớp trong mạng di động
Mạng di động cũng là một mạng thông tin nên vẫn tuân theo phân lớp chức năng theo mô hình 7 lớp OSI (Open System Interconnection), với các chức năng của từng lớp vẫn tuân thủ nguyên tác chung và đồng thời cũng có những đặc điểm riêng của thông tin di động Việc sử dụng mô hình 7 lớp cho mạng thông tin với các nguyên nhân sau:
- Sử dụng vi xử lý trong viễn thông sẽ cho phép mở rộng các dịch vụ mới nhưng làm gia tăng yêu cầu thông tin tại máy tính và tổng đài.
- Người dùng không quan tâm đến các kết nối vật lý thực tế của mạng, mà chỉ quan tâm đến quá trình trao đổi thông tin đơn giản và an toàn bảo đảm đến đích.
- Máy tính là một bộ phận có cấu trúc, nên có những khác biệt giữa các máy khác nhau nên cần phải có sự tương đồng trong hệ thống.
- Hệ thống ngày nay càng yêu cầu nhiều dịch vụ khác nhau, nên phải có sự mềm dẻo trong việc đáp ứng yêu cầu phát triển gia tăng trong hệ thống.
Từ các yêu cầu đó, ITU đã đề xuất mô hình 7 lớp như sau
Hình 1.2: Các lớp trong mô hình OSI
Nguyên tắc tổng quát cho mô hình 7 lớp có thể tóm tắt như sau:
+ Các lớp làm việc độc lập với nhau, lớp trên nhận dịch vụ của lớp dưới và cung cấp dịch vụ cho lớp ngay ở trên nó Lớp thấp hơn sẽ không quan tâm đến nội dung thông tin mà chỉ cung cấp dịch vụ truyền dẫn cho lớp trên mà thôi.
+ Mỗi lớp trong mô hình chỉ thông tin với lớp kề sát nó và tương thích ngang hành gián tiếp với lớp đó ở đầu cuối bắt tay (xem ở H-1.2).
+ Trong mạng thông tin, trong quá trình truyền dẫn qua nhiều nút mạng, mạng thông tin chỉ mở đóng gói tương ứng với chức năng của ba lớp thấp nhất (lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu và lớp mạng).
+ Giao thức tại ba lớp cuối không nhất thiết phải giống nhau tại mọi liên kết trong mạng Ví dụ trong mạng thông tin GSM, ở lớp 2 liên kết giữa BTS và BSC sử dụng là LAPD, trong khi liên kết giữa BSC và MSC lại sử dụng giao thức SS7.
+ Thông tin qua các lớp sẽ được tách gộp đóng gói tạo thành giao thức tương ứng cho mỗi lớp trong mạng cụ thể, từ lớp cao nhất xuống đến lớp thấp nhất thông tin sẽ được đóng gói và bổ sung tiêu đề qua mỗi lớp trong khi ở đầu nhận sẽ thực hiện theo chiều ngược lại Quá trình được mô tả như sau:
Hình 1.3: Luồng tin trong mô hình 7 lớp
Do đặc tính của mạng thông tin di động sử dụng môi trường truyền dẫn đa dạng và các liên kết bên trong mạng rất phức tạp nên giao thức được sử dụng cũng rất đa dạng cho từng đặc điểm liên kết Về mặt giao thức thông tin di động sử dụng các giao thức cho mạng GSM như sau: giao thức không gian (Air interface) cho liên kết giữa MS và BTS; giao thức Abis cho kết nối giữa BTS và MSC; giao thức A ứng dụng trong liên kết giữa MSC và BSC.
MS BTS BSC MSC/VLR HLR GMSC
Hình 1.4: Phân chia giao thức trong mạng di động
CẤU TRÚC MẠNG 4G
Tổng quan mạng 4G
4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMT Advanced) được định nghĩa bởi ITU-R Tốc độ dữ liệu đề ra là 100Mbps cho thuê bao di chuyển cao và 1Gbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linh động lên đến 40MHz Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụ như điện thoại IP, truy cập internet băng rộng, các dịch vụ game và dòng HDTV đa phương tiện… 3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên của LTE chưa đủ các tính năng theo yêu cầu của IMT Advanced LTE có tốc độ lý thuyết lên đến 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên đối với băng thông 20MHz Và sẽ hơn nữa nếu MIMO, các anten mảng được sử dụng LTE được phát triển đầu tiên ở hai thủ đô Stockholm và Olso vào ngày 14/12/2009 Giao diện vô tuyến vật lý đầu tiên được đặt tên là HSOPA (High Speed OFDM Packet Access), bây giờ có tên là E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access) Thực tế cho thấy, hầu hết các hãng sản xuất thiết bị viễn thông hàng đầu thế giới: Alcatel-Lucent, Ericsson, Motorola, Nokia, Nokia Siemens Networks, Huawei, LG Electronics, Samsung, NEC, Fujitsu đã bắt tay với các nhà mạng lớn trên thế giới (Verizon Wireless, AT&T, France Telecom-Orange, NTT DoCoMo, T-Mobile, China Mobile, ZTE ) thực hiện các cuộc thử nghiệm quan trọng trên công nghệ LTE và đã đạt những thành công đáng kể LTE Advanced là ứng viên cho chuẩn IMT-Advanced, mục tiêu của nó là hướng đến đáp ứng được yêu cầu của ITU LTE Advanced có khả năng tương thích với thiết bị và chia sẻ băng tần với LTE phiên bản đầu tiên
Di động WiMAX (IEEE 802 16e-2005) là chuẩn truy cập di động không dây băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ bít đỉnh đường xuống là 128 Mbps và
56 Mbps cho đường xuống với độ rộng băng thông hơn 20 MHz
UMB (Ultra Mobile Broadband) : UMB được các tổ chức viễn thông của Nhật Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hãng như AlcatelLucent, Apple, Motorola, NEC và Verizon Wireless phát triển từ nền tảng CDMA UMB có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz đến 20 MHz và làm việc ở nhiều dải tần số, với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288 Mbps cho luồng xuống và 75 Mbps cho luồng lên với độ rộng băng tần sử dụng là 20 MHz Qualcomm là hãng đi đầu trong nỗ lực phát triển UMB, mặc dù hãng này cũng đồng thời phát triển cả công nghệ LTE.
Mục tiêu và cách tiếp cận 4G cung cấp QoS và tốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G đang tồn tại, không chỉ là truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS), chat video, TV di động mà còn các dịch vụ HDTV, các dịch vụ tối thiểu như thoại, dữ liệu và các dịch vụ khác Nó cho phép chuyển giao giữa các mạng vô tuyến trong khu vực cục bộ và có thể kết nối với hệ thống quảng bá video số
Các mục tiêu mà 4G hướng đến :
Băng thông linh hoạt giữa 5 MHz đến 20 MHz, có thể lên đến 40 MHz
Tốc độ được quy định bởi ITU là 100 Mbps khi di chuyển tốc độ cao và 1 Gbps đối với thuê bao đứng yên so với trạm.
Tốc độ dữ liệu ít nhất là 100 Mbps giữa bất kỳ hai điểm nào trên thế giới.
Hiệu suất phổ đường truyền là 15bit/s/Hz ở đường xuống và 6.75 bit/s/Hz ở đường lên (có nghĩa là 1000 Mbps ở đường xuống và có thể nhỏ hơn băng thông 67 MHz).
Hiệu suất sử dụng phổ hệ thống lên đến 3 bit/s/Hz/cell ở đường xuống và 2.25 bit/s/Hz/cell cho việc sử dụng trong nhà.
Chuyển giao liền (Smooth handoff) qua các mạng hỗn hợp.
Kết nối liền và chuyển giao toàn cầu qua đa mạng
Chất lượng cao cho các dịch vụ đa phương tiện như âm thanh thời gian thực, tốc độ dữ liệu cao, video HDTV, TV di động…
Tương thích với các chuẩn không dây đang tồn tại
Tất cả là IP, mạng chuyển mạch gói không còn chuyển mạch kênh nữa.
Các điểm cần xét đến :
Vùng bao phủ, môi trường vô tuyến, phổ, dịch vụ, mô hình thương mại và số người sử dụng.
Các kỹ thuật được sử dụng:
Kỹ thuật sử dụng lớp vật lý
- MIMO : để đạt được hiệu suất phổ tần cao bằng cách sử dụng phân tập theo không gian, đa anten đa người dùng.
- Sử dụng lượng tử hóa trong miền tần số, chẳng hạn như OFDM hoặc SCFDE (single carrier frequency domain equalization) ở đường xuống : để tận dụng thuộc tính chọn lọc tần số của kênh mà không phải lượng tử phức tạp.
- Ghép kênh trong miền tần số chẳng hạn như OFDMA hoặc SC
- FDMA ở đường xuống : tốc độ bit thay đổi bằng việc gán cho người dùng các kênh con khác nhau dựa trên điều kiện kênh.
- Mã hóa sửa lỗi Turbo : để tối thiểu yêu cầu về tỷ số SNR ở bên thu.
Lập biểu kênh độc lập : để sử dụng các kênh thay đổi theo thời gian.
Thích nghi đường truyền : điều chế thích nghi và các mã sửa lỗi.
Sự khác nhau giữa 3G và 4G
Hiện nay, công nghệ 3G cho phép truy cập Internet không dây và các cuộc gọi có hình ảnh 4G được phát triển trên các thuộc tính kế thừa từ công nghệ 3G Về mặt lý thuyết, mạng không dây sử dụng công nghệ 4G sẽ có tốc độ nhanh hơn mạng 3G từ 4 đến
10 lần Tốc độ tối đa của 3G là tốc độ tải xuống 14Mbps và 5.8Mbps tải lên Với công nghệ 4G, tốc độ có thể đạt tới 100Mbps đối với người dùng di động và 1Gbps đối với người dùng cố định 3G sử dụng ở các dải tần quy định quốc tế cho UL : 1885-2025 MHz; DL : 2110-2200 MHz; với tốc độ từ 144kbps-2Mbps, độ rộng BW: 5 MHz Đối với 4G LTE thì Hoạt động ở băng tần : 700 MHz-2,6 GHz với mục tiêu tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp, công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu Tốc độ
DL :100Mbps( ở BW 20MHz), UL : 50 Mbps với 2 aten thu một anten phát Độ trễ nhỏ hơn 5ms với độ rộng BW linh hoạt là ưu điểm của LTE so với WCDMA, BW từ 1.25 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 MHz Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng
10 lần số người dùng/cell so với WCDMA Ưu điểm nổi bật
Tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều lần so với 3G.
Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trễ.
Cấu trúc mạng sẽ đơn giản hơn, và sẽ không còn chuyển mạch kênh nữa.
Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần user/cell so với WCDMA.
Độ rộng băng tần linh hoạt cũng là một ưu điểm quan trọng của LTE đối với WCDMA.
Các ứng dụng đã tạo nên ưu điểm của 4G so với 3G
- OFDM ở DL chống nhiễu đa đường
- SC-FDMA ở UL PAPR thấp
- Người dùng trực giao trong miền tần số
Tốc độ dữ liệu cao
- Phát nhiều dòng dữ liệu độc lập song song qua các anten riêng lẻ
=> tăng tốc độ dữ liệu (sử dụng MIMO)
- Thời gian cài đặt và thời gian trì hoãn chuyển tiếp ngắn.
- Trễ HO và thời gian ngắt ngắn : TTI ngắn, trạng thái RRC đơn giản
- Cấu trúc mạng đơn giản, giảm các thành phần của mạng.
Chất lượng dịch vụ cao
- Sử dụng các tần số cấp phép để đảm bảo chất lượng dịch vụ : LTE sử dụng các dải tần số khác nhau : 2100 MHz, 1900 MHz, 1700 MHz,
- Luôn luôn thử nghiệm ( giảm thời gian trễ trong điều khiển định tuyến)
- Giảm độ trễ khứ hồi ( round trip delay)
Tần số tái sử dụng
- Giảm nhiễu liên cell với tần số tái sử dụng lớn hơn 1.
- Các user ở cạnh cell : sử dụng dải 1 => SIR tốt
- Các user ở trung tâm cell : sử dụng toàn bộ băng => tốc độ dữ liệu cao
Dung lượng và vùng bao phủ của WCDMA UL bị giới hạn bởi can nhiễu:
- can nhiễu bên trong cell và can nhiễu liên cell Nhưng đối với 4G thì : do tính trực giao nên can nhiễu trong cùng một cell có thể không xét đến và giảm can nhiễu inter-cell bằng tái sử dụng cục bộ, thêm các anten có thể triệt can nhiễu.
Các công nghệ sử dụng trong 4G
Để đạt được tốc độ truyền dẫn cao, dung lượng lớn trong hệ thống di đông 4G, rất nhiều công nghệ tiên tiến được áp dụng cho thiết bị đầu cuối, cơ sở hạ tầng mạng, nền tảng dịch vụ mạng cũng như mạng truy cập vô tuyến mới cũng được nghiên cứu
2.2.1 Kĩ thuật truyền dung dượng lớn tốc độ cao
2.2.1.1 Các kĩ thuật đa truy cập (Multiple Access Techniques) Để đạt được tốc độ truyền dẫn sấp xỉ 100Mbps ở môi trường ngoài trời và 2Gbps ở môi trường trong nhà, và để mạng truy cập vô tuyến tương thích với hệ thống mạng có kiến trúc phân cấp dựa trên nền IP, các công nghệ truyền dẫn sau đã được nghiên cứu và phát triển:
- Ghép kênh phân chia theo mã và tần số trực giao có hệ số trải phổ thay đổi: VSF- OFCDM (Variable Spreading Factor – Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing)
- Đa truy cập phân chia theo mã đa sóng mang có lựa chọn sóng mang con: SCS- MC-CDMA (Subcarrier Selecting Multi Carrier Code Division Multi Access).
- Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao: OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multi Access)
- Đa truy cập phân chia theo tần số đan xen: IFDMA (Interleaved Frequency Division Multi Access)
VSF-OFCDM (Variable Spreading Factor – Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing) :
VSF-OFCDM là một hệ thống truy cập vô tuyến có thể cung cấp thông lượng lớn tốc độ cao trong nhiều môi trường và điều kiện lan truyền khác nhau qua một vùng phủ rộng Để triển khai được truyền dẫn dung lượng lớn, hệ thống này đã sử dụng hệ số trải phổ hai chiều thay đổi thích hợp trong miền thời gian và tần số tùy thuộc vào cấu hình ô, điều kiện lan truyền, tải trên kênh Công nghệ này vượt trội hơn công nghệ OFCDM dựa theo tốc độ ký hiệu thấp MC-CDMA sử dụng nhiều sóng mang con trong cùng giao diện vô tuyến Ưu thế của VSF-OFCDM là khả năng đạt được hiệu quả sử dụng phổ tần cao, truyền dẫn dung lượng lớn, tốc độ cao nhờ việc kế thừa hệ số trải phổ tối ưu tùy thuộc điều kiện lan truyền cụ thể trong cả môi trường nhiều ô (tế bào) và môi trường tế bào độc lập, sử dụng cùng giao diện vô tuyến Đặc tính truyền dẫn của VSF-OFCDM đã được thử nghiệm cả ở môi trường trong nhà và ngoài trời Báo cáo thử nghiệm cho kết quả 100Mbps ở môi trường ngoại ô, khoảng cách giữa trạm gốc và trạm di động là 80m- 100m, tần số sóng mang 4,635 GHz, băng thông 101,5 MHz, số sóng mang con 768, hệ số trải phổ thời gian 16, tốc độ di chuyển của thiết bị di động 30km/h, điều chế 16QAM.
SCS-MC-CDMA (Subcarrier Selecting Multi Carrier Code Division Multi Access):
Hình 2.1: Cơ bản về SCS-MC-CDMA
SCS-MC-CDMA là một lược đồ truy cập vô tuyến dựa trên công nghệ MC- CDMA, là phương pháp truyền dẫn ký hiệu trải phổ sử dụng nhiều sóng mạng con trực giao trong miền tần số Lợi dụng đặc tính của MC-CDMA là sử dụng nhiều sóng mang con, SCS-MC-CDMA gán nhiều sóng mang con cho mỗi ng-ời sử dụng tùy theo tốc độ dữ liệu của người dùng đó.
Bộ thu không yêu cầu bộ xử lý tín hiệu tốc độ cao để điều chế tất cả sóng mang con, nhưng truyền thông vẫn được thực thi bằng khả năng xử lý tín hiệu dựa vào số sóng mang con được lựa chọn nhờ bộ lọc lựa chọn sóng mang con SCS-MC-CDMA có thể thay đổi tốc độ dữ liệu tối đa gán cho một người sử dụng tùy theo khoảng cách giữa trạm gốc và thiết bị di động bằng việc điều chỉnh số sóng mang con và công suất phát cho mỗi sóng mang con
SCS-MC-CDMA gán số sóng mang con dựa theo tốc độ dữ liệu của người sử dụng Hơn nữa, tính trực giao giữa các sóng mang con được đảm bảo, nên cấu hình của máy phát không có sự khác biệt với máy phát của các hệ thống MC-CDMA Trong hệ thống SCS-MC-CDMA, máy thu sử dụng bộ lọc lựa chọn sóng mang con nên hệ thống sẽ cung cấp tốc độ dữ liệu cho người dùng một cách linh động Thậm chí trong các hệ thống sử dụng băng tần lớn, không cần phải thực hiện xử lý tín hiệu tốc độ cao cho cả băng tần mọi lúc mà chỉ cần mức độ xử lý tín hiệu và công suất phát tương ứng với tốc độ dữ liệu của người sử dụng Do đó, với hệ thống này có thể giảm được tải cho xử lý tín hiệu và công suất tiêu thụ của thiết bị đầu cuối so với các hệ thống khác sử dụng cả băng tần
SCS-MC-CDMA có thể thực hiện giải điều chế bằng khả năng xử lý tín hiệu tương ứng với tốc độ dữ liệu người sử dụng do đó có thể phát triển một cách linh động các thiết bị đầu cuối giá rẻ có khả năng xử lý thấp, công suất tiêu thụ thấp, thiết bị đầu cuối đắt tiền có khả năng xử lý cao, công suất tiêu thụ cao tùy theo sở thích, yêu cầu dịch vụ của người dùng.
High data rate: tốc độ cao
Middle data rate: tốc độ trung bình Low data rate: tốc độ thấp
Short range user: người dùng ở gần Mid range user: người dùng trong phạm vi trung bình Long range user: người dùng ở xa Transmitter power: c/s phát Frequency: tần số
Hình 2.2 Cấu trúc tế bào tối -u của SCS-MC-CDMA
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multi Access):
Hệ thống OFDM đạt được khả năng dung lỗi (chống nhiễu) đa đường rất tốt và thực hiện được truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao trong môi trường chuyển động, những hệ thống này thường được sử dụng kết hợp với các hệ thống đa truy cập khác như: FDMA, TDMA OFDMA là một phương thức triển khai đa truy cập trong đó tất cả người dùng chia sẻ tất cả các sóng mang con Một số sóng mang con tùy ý được đặt cho các kênh con và cho mỗi người dùng ở những khe thời gian tùy ý.
Hình 2.3: Phân bổ kênh con
Nhờ việc phân bổ sóng mang con cho mỗi người sử dụng, hệ thống OFDMA đạt được hiệu quả sử dụng phổ tần cao ở môi trường ngoại ô nhiều tế bào và dung lượng của toàn hệ thống có thể mở rộng Tuy nhiên, hệ thống này cũng có nhiều nhược điểm:
- Mào đầu mở rộng cho thông tin điều khiển truyền dẫn trở lên rất phức tạp
- Để tăng dung lượng hệ thống thì điều kiện kênh phải được biết dựa trên cơ sở thời gian thực và phải thực hiện được sự sắp xếp phân bổ kênh một cách chính xác cao.
- Do số lượng sóng mang con lớn (1024 đến 2048) và FFT/IFFT có tỷ lệ lớn nên ảnh hưởng không tốt đến kích thước của mạch điện và công suất tiêu thụ.
- Hệ thống yêu cầu sự đồng bộ về định thời có độ chính xác cao để đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang con.
- Phân bổ theo kênh dẫn tới hạn chế tốc độ dữ liệu của người dùng
2.2.1.2 Kỹ thuật điều chế/giải điều chế hiệu suất cao
Kỹ thuật điều chế/giải điều chế thích nghi hiệu suất cao kế thừa từ kỹ thuật điều chế biên độ cầu phương đa mức của hệ thống truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao cho phép sử dụng hiệu quả tài nguyên tần số Nhờ có sự truyền thông thích nghi theo môi trường kênh mà hiệu quả sử dụng phổ tần và chất lượng truyền thông được cải tiến Các kỹ thuật này gồm: các kỹ thuật điều chế, kỹ thuật lập mã, kỹ thuật điều khiển thích nghi, kỹ thuật đánh giá kênh. ở phần này trình bày hai kỹ thuật sau:
+ Kỹ thuật điều chế/giải điều chế thích nghi sóng mang con
+ Kỹ thuật điều chế thích nghi OFDM tốc độ lập mã có thể thay đổi
- Kỹ thuật điều chế/giải điều chế thích nghi sóng mang con (Subcarrier Adaptive Modulation/Demodulation Techniques)
Kỹ thuật điều chế/giải điều chế thích nghi là kỹ thuật có khuynh hướng cải thiện dung lượng hệ thống và thông lượng dưới môi trường lan truyền có sự thay đổi là hằng số trong các hệ thống thông tin di động mặt đất
Kỹ thuật điều chế thích nghi sử dụng nhiều mức điều chế và tốc độ lập mã làm tham số đã được triển khai trong hệ thống 3,5G HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) và đã nâng cao được tổng thông lượng. Điều chế thích nghi sóng mang con thực thi tối ưu hóa điều chế cho mỗi đơn vị sóng mang con và mỗi đơn vị khối (gồm một số sóng mang con) trong các hệ thống gồm nhiều sóng mang con như OFDM.
Hình 2.4:Điều chế thích nghi sóng mang con Ưu điểm của kỹ thuật này là: băng thông sử dụng cho mỗi người dùng tăng trong hệ thống di động 4G do đó sự khác nhau về công suất thu trên mỗi sóng mang con gây ra từ fading lựa chọn tần số trở thành một lợi thế.
QUI HOẠCH MẠNG 4G
Dự báo lưu lượng và phân tích vùng phủ
Việc quy hoạch mạng phải dựa trên nhu cầu về lưu lượng Do đó dự báo lưu lượng là bước đầu tiên cần thực hiện trong quá trình quy hoạch mạng.
Dự báo số thuê bao : Đối với thị trường cần phục vụ, cần phải đánh giá tổng số thuê bao Lý tưởng có thể chia việc đánh giá cho từng tháng để có thể thấy được xu thế phát triển thuê bao Điều này là cần thiết vì khi qui hoạch ta cần tính dự phòng cho tương lai Nếu có thể cung cấp các dịch vụ khác nhau, thì cần dự báo cho từng loại dịch vụ Chẳng hạn nhà khai thác có thể chọn tổ hợp các dịch vụ nào đó gồm chỉ tiếng, tiếng và số liệu hoặc chỉ số liệu Ngoài ra các dịch vụ số liệu cũng có thể được chia thành các dịch vụ và các thiết bị khác nhau Chẳng hạn, dịch vụ số liệu chỉ giới hạn ở trình duyệt web, hoặc cả trình duyệt web lẫn email và một số các dịch vụ khác như không gian web Dịch vụ số liệu cũng có thể là các dịch vụ đo lường từ xa Dự báo cần được thực hiện cho từng kiểu người sử dụng
Dự báo sử dụng lưu lượng tiếng: Dự báo sử dụng dịch vụ tiếng bao gồm việc đánh giá khối lượng lưu lượng tiếng do người sử dụng dịch vụ tiếng trung bình tạo ra. Để việc dự báo chính xác ta cần cung cấp dữ liệu đánh giá cho từng tháng Dữ liệu tiếng bao gồm phân bố lưu lượng: từ MS đến cố định, từ MS đến MS và từ MS đến E-mail. Đối với từ MS đến cố định cần phân thành : phần trăm nội hạt và đường dài Vì vậy ta cần có số liệu về số cuộc gọi trên một thuê bao trung bình ở giờ cao điểm và thời gian giữ trung bình (MHT: mean hold time) trên cuộc gọi Thông thường ta chỉ có thông số về số phút sử dụng (MoU: minutes of using) của thuê bao/cuộc gọi Trong trường hợp này nhóm dự báo bộ phận thiêt kế phải chuyển thành việc sử dụng trong giờ cao điểm.
Dự báo sử dụng lưu lượng số liệu: Ta cần phân loại những người sử dụng dịch vụ số liệu và dự báo cho từng kiểu người sử dụng cũng như khối lượng thông lượng số liệu Ta cũng cần dự báo khi nào thì thông lượng bắt đầu và khi nào thì nó kết thúc.
Dự phòng tương lai : Ta không thể chỉ qui hoạch mạng cho các dự kiến trước mắt mà cần qui hoạch mạng cho các dự kiến tương lai để không phải thuờng xuyên mở rộng mạng Ngoài ra việc dự phòng tương lai cũng cho phép mạng cung cấp lưu lượng bổ sung trong trường hợp sự tăng trưởng thuê bao lớn hơn thiết kế hoặc sự thay đổi đột ngột lưu lượng tại một thời điểm nhất định Về lý do kinh doanh, dự phòng tương lai cũng cần thiết để đưa ra các kế hoạch định giá mới cho phép thay đổi đáng kể số thuê bao hay hình mẫu sử dụng
3 2 2 Phân tích vùng phủ Để quy hoạch mạng vô tuyến cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư, bước tiếp theo ta cần khảo sát các chi tiết: nơi nào cần phủ sóng và các kiểu phủ sóng cần cung cấp cho các vùng này
Thông thường ta sẽ ưu tiên phủ sóng trước tiên ở các khu vực quan trọng như: các vùng thương mại, các vùng có mật độ dân cư đông đúc, các đường cao tốc chính dựa trên bản đồ mật độ dân cư Dựa trên bản đồ dân cư cho phép ta dự đoán được lưu lượng người sử dụng, điều kiện môi trường truyền sóng, các ảnh hưởng của nó lên mô hình truyền sóng để có thể đưa ra lựa chọn cho các hệ số hiệu chỉnh môi trường và thâm nhập toà nhà.
Theo điều kiện tối ưu 1: bán kính cell được xác định dựa trên quỹ đường truyền và mô hình truyền sóng thích hợp, kết hợp với diện tích cần phủ sóng ta tính được số eNodeB được lắp đặt Theo điều kiện tối ưu 2: dựa trên quy hoạch vùng phủ ta cũng xác định được số eNodeB Số eNodeB cuối cùng cần thiết lắp đặt cho một vùng cần phủ sóng là số eNodeB lớn hơn.
Tính toán quỹ đường truyền ước lượng suy hao tín hiệu cho phép cực đại (pathloss) giữa di động và trạm gốc Tổn hao lớn nhất cho phép cho ta ước lượng vùng phủ của cell lớn nhất với mô hình kênh truyền phù hợp Với vùng bao phủ của cell sẽ cho ta tính toán được số trạm gốc được sử dụng để bao phủ vùng địa lý mong muốn. Tính toán quỹ đường truyền cũng được dùng để so sánh quan hệ về vùng phủ của các hệ thống khác nhau Mối quan hệ quỹ đường truyền chỉ ra hệ thống vô tuyến LTE mới sẽ thực hiện tốt như thế nào khi nó được triển khai trong các trạm gốc đã tồn tại của hệ thống GSM và WCDMA.
Tính toán quỹ đường lên cho 4G
Các thông số và công thức sử dụng để tính toán quỹ đường truyền lên cho LTE:
- Công suất máy phát (PTxm) : đối với đường lên công suất máy phát ở đây là công suất của UE Tùy thuộc vào lớp công suất phát mà UE sử dụng sẽ có giá trị công suất tối đa khác nhau Đơn vị dùng để tính toán cho công suất máy phát là dBm
- Khuếch đại anten (Gm) : phụ thuộc vào thiết bị và băng tần sử dụng Nó có giá trị từ -5 đến 10 dBi
- Tổn hao phi đơ và bộ nối (Lfm) ; Tổn hao cơ thể (Lbody) : là tổn hao điển hình đối với quỹ đường truyền cho dịch vụ thoại vì di động được giữ gần với tai nghe.
Có giá trị từ 3 đến 5 dB đối với dịch vụ thoại Đơn vị là dB
- Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương (EIRPm) : có đơn vị là dBm và được tính toán theo công thức sau: EIPRm = PTxm + Gm + Lfm – Lbody (3 1)
- Công suất tạp âm nhiệt đầu vào máy thu (Ni) : có đơn vị là dBm và được tính toán bằng công thức sau:
Với k là hằng số Boltzman và có giá trị k = 1 3824 x 10-23 J/K B là băng thông phụ thuộc vào tốc độ bit, tương ứng với mỗi tốc độ bit sẽ có số RB khác nhau được phát đi Chẳng hạn như 64 kbps tương ứng với 2 RB được phát đi tương ứng với B là 360 KHz.
- Công suất tạp âm nền máy thu (Ni) : có đơn vị là dBm và được tính toán theo công thức sau : N = Ni + NF (3 3)
- Dự trữ nhiễu (Mi) : dự trữ nhiễu ở 4G sẽ nhỏ hơn dự trữ nhiễu ở WCDMA vì các tín hiệu ở đường lên đã được trực giao Nó có đơn vị là dB và nó có giá trị nằm trong khoảng từ 1-10 dB
- Tổng tạp âm nhiễu + giao thoa (N + I) : có đơn vị là dBm và được tính toán theo công thức sau : (N + I)(dBm) = N + Mi (3 4)
- Tỷ số SNR yêu cầu (SNRr) : được lấy từ mô phỏng Có đơn vị là dB
- Độ nhạy máy thu hiệu dụng (Pmin) : có đơn vị là dB và được xác định theo công thức sau: Pmin = (N + I) (dBm) + SNRr (dB) (3 5)
- Khuếch đại anten trạm gốc (Gb) : phụ thuộc vào kích cỡ anten và số sector Có giá trị từ 15 đến 21 dBi Đơn vị của nó là dBi
- Tổn hao phi đơ và bộ nối (Lf) : tổn hao ở phía trạm gốc Có đơn vị là dB
- Khuếch đại MHA (GMHA) : MHA là bộ khuếch đại trên tháp anten, nó có đơn vị là dB
- Tổn hao đường truyền cực đại cho phép (Lmax) : có đơn vị là dB và được tính toán theo công thức sau: Lmax = EIRPm – Pmin + Gb – Lf + GMHA (3 6)
Tính toán quỹ đường xuống cho 4G
Các thông số và công thức sử dụng để tính toán quỹ đường truyền xuống cho 4G:
- Công suất máy phát (PTxb) : đối với đường lên công suất máy phát ở đây là công suất của trạm gốc Đơn vị dùng để tính toán cho công suất máy phát là dBm Giá trị điển hình là từ 43 - 48 dBm
- Khuếch đại anten (Gb) : phụ thuộc vào kích cỡ anten và số sector Có giá trị từ
15 đến 21 dBi Đơn vị của nó là dBi
- Tổn hao phi đơ và bộ nối (Lf)
- Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương (EIRPb) : có đơn vị là dBm và được tính toán theo công thức sau: EIPRb = PTxm + Gb + Lf (3 7)
- Hệ số tạp âm máy thu (NF) : trong trường hợp này máy thu là trạm gốc và có đơn vị là dB
- Công suất tạp âm nhiệt đầu vào máy thu (Ni) : có đơn vị là dBm và được tính toán bằng công thức sau: Ni = 30 + 10lgk + 10log290K + 10lgB (3 8) Với k là hằng số Boltzman và có giá trị k = 1 3824 x 10-23 J/K B là băng thông phụ thuộc vào tốc độ bit, tương ứng với mỗi tốc độ bit sẽ có số RB khác nhau được phát đi Chẳng hạn như 1Mbps tương ứng với 50 RB được phát đi tương ứng với B là 9 MHz
- Công suất tạp âm nền máy thu (Ni) : có đơn vị là dBm và được tính toán theo công thức sau : N = Ni + NF (3 9)
- Dự trữ nhiễu (Mi) : Nó có đơn vị là dB và có giá trị từ 3-8 dB
- Bổ sung nhiễu kênh diều khiển (Mcch)
-Tổng tạp âm nhiễu + giao thoa (N + I) : có đơn vị là dBm và được tính toán theo công thức sau : (N + I)(dBm) = N + Mi + Mcch (3 10)
-Tỷ số SNR yêu cầu (SNRr) : được lấy từ mô phỏng Có đơn vị là dB.
-Độ nhạy máy thu hiệu dụng (Pmin) : có đơn vị là dB và được xác định theo công thức sau:
-Khuếch đại anten trạm gốc (Gm) : phụ thuộc vào thiết bị và băng tần sử dụng.
Nó có giá trị từ -5 đến 10 dBi.
-Tổn hao phi đơ và bộ nối (Lfm) : tổn hao ở phía UE Có đơn vị là dB.