4G hệ thống thông tin di động của tương lai

4G - H thng thụng tin di ng ca tng lai KS Nguyn Trung Kiờn I GII THIU H thng thụng tin di ng th h 3G (Third-generation) c tiờu chun hoỏ bi IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000), bt u c phỏt trin ti Nht Bn vo thỏng 10 nm 2001 T ú n 3G ó phỏt trin mt cỏch nhanh chúng v úng mt vai trũ quan trng vic phỏt trin cỏc loi dch v a phng tin ú phi k n dch v Video Vi xu hng phỏt trin nh hin nay, chỳng ta tin rng tng lai khụng xa thụng tin di ng s úng mt vai trũ quan trng hn na i sng hng ngy, v s dng in thoi di ng l mt phn khụng th thiu ca ngi dõn mi hot ng Chớnh vỡ lý ny, th h thụng tin di ng mi, th h 4G, cn phi cú nhng tớnh nng vt tri hn so vi kh nng ca IMT-2000 Nghiờn cu, nm bt v phỏt trin h thng thụng tin di ng 4G l mt yờu cu cn thit hin nay, phự hp vi xu th phỏt trin chung ca ngnh vin thụng Trong bi bỏo ny, chỳng tụi trỡnh by nhng nột c bn nht liờn quan n nhng yờu cu v phm cht v kh nng ca h thng 4G cn phi ỏp ng i kốm theo ú l nhng k thut v cu hỡnh h thng m bo nhng yờu cu ny II CC YấU CU V MC TIấU THIT K H THNG II.1 Nhng yờu cu Thụng tin bng rng T trc n nay, lu lng trờn mng thụng tin di ng ch yu l lu lng thoi H thng th h 2G, h thng t bo s cỏ nhõn PDC (Personal Digital Cellular) ó gii thiu cỏc dch v I-mode Nhng dch v ang c ph bin hin nh: truy cp Internet, thng mi in t, e-mail Nhng dch v ny ch yu l thụng tin d liu da trờn bn qua mng t bo H thng IMT-2000 xut nhng dch v tc cao t 64 n 384 kbit/s, v t l lu lng s liu trờn thoi tng lờn Tuy nhiờn, s phỏt trin mnh ca cỏc dch v bng rng nh ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), cỏc h thng truy nhp cỏp quang, cỏc mng LAN c quan, gia ỡnh ó lm tng nhu cu s dng cỏc dch v tng ng ca mng thụng tin di ng Chi phớ thp Khi cỏc dch v bng rng phỏt trin, cỏc thuờ bao cú th trao i rt nhiu loi thụng tin vi nhau, nhiờn h li khụng sn sng tr mt chi phớ quỏ cao cho lng thụng tin trao i quỏ nhiu nh vy Vỡ vy cn phi gim giỏ cc ca cỏc dch v xung bng hoc thp hn giỏ cc ca cỏc dch v hin ti H thng IMT-2000 ó gim mc cc tớnh theo bớt v a cỏc mc giỏ tng i thp, nhng h thng 4G ũi hi mt kờnh bng thụng rng vi mc giỏ thm thp hn mc giỏ theo bit m IMT-2000 a Vựng ph súng rng Mt nhng c tớnh ca thụng tin di ng l cú mt khp mi ni mi lỳc Nhng kh nng ny cng l mt tiờu quan trng cho s phỏt trin ca thụng tin di ng tng lai Khi mt h thng mi u tiờn c gii thiu thỡ núi chung rt khú khn vic cung cp mt vựng ph súng rng nh mng hin cú, v khỏch hng s khụng mua cỏc thit b u cui mi nu h b gii hn vựng ph súng Nhng thit b cú mn hỡnh hin th ln, nh PDAs (Personal Digital Assistans) v mỏy tớnh cỏ nhõn vi kh nng kt ni khụng dõy ngy cng c s dng ph bin Gn lin vi nhng thit b ny l cỏc dch v cao cp v thng c s dng nh, vỡ vy chỳng ta cn a cỏc dch v vi vựng ph súng nh tt 4 Dch v a dng v d s dng i tng s dng thụng tin di ng rt a dng v rt khỏc Trong tng lai, chỳng ta hy vng cú th nõng cao phm cht v chc nng h thng cú th cung cp nhiu loi hỡnh dch v, khụng ch l cỏc dch v thoi truyn thng m cũn truyn cỏc thụng tin liờn quan n tt c nm giỏc quan ca ngi V thuờ bao phi d dng s dng cỏc dch v ny (d dng ci t, d dng kt ni, ) II.2 Mc tiờu thit k Mc tiờu thit k h thng ỏp nhng yờu cu trờn õy c minh ho trờn Hỡnh Coi thụng tin d liu v video l dch v chớnh, h thng 4G phi cung cp tc truyn dn cao hn vi dung lng ln hn (c v s lng thuờ bao l lu lng) IMT-2000 Hạ tầng dịch vụ - Triển khai nhanh dịch vụ - Dễ dàng triển khai dịch vụ Kết nối chuyển giao linh hoạt nhiều hệ thống truy nhập Bắt đầu dịch vụ dựa khả Các dịch vụ cao cấp nhờ nâng cao phẩm chất, tính mạng Tốc độ truyền dẫn: 384 kbit/s Dung lợng hệ thống Chi phí Hệ thống trạm gốc Thời gian trễ y100 Mbit/s (tốc độ cao môi trờng di động); 1Gbit/s (tốc độ tối đa môi trờng nhà) ygấp 10 lần hệ thống 3G y1/10 đến 1/100 bít yAll IP y50 ms nhỏ Hệ thống IMT-2000 Hệ thống 4G Hỡnh 1: Mc tiờu thit k h thng 4G Hin nay, coi tc chớnh l cht lng truyn dn, mng LAN t c tc t 10 n 100 Mbit/s, v tc ca mng ADSL cng t c 2-3 Mbit/s Mc tiờu thit k h thng thụng tin di ng l t tc xp x 100 Mbit/s i vi mụi trng ngoi tri v c Gbit/s vi mụi trng nh S khụng cú ch cho mng thụng tin di ng th h mi nu khụng cú tc ln hn ớt nht 10 ln tc hin ti ca IMT-2000 m thụng tin thi gian thc gia cỏc thit b u cui vi thỡ h thng mi cn phi gim thi gian tr truyn dn xung di 50 ms Gi s rng cỏc dch v tng lai s da trờn truyn dn IP (Internet Protocol), hiu qu truyn dn gúi IP qua mng vụ tuyn cng cn phi tớnh n H thng mi bờn cnh vic nõng cao dung lng truyn dn phi m bo c vic gim chi phớ Chi phớ tớnh trờn bớt truyn dn phi gim xung bng 1/10 hoc 1/100 mc chi phớ hin ti bng cỏch gim chi phớ thit b h tng, chi phớ hot ng v chi phớ xõy dng Mc tiờu thit k c cp trờn õy trung vo nhng dch v cú phm cht tt hn cỏc dch v hin ti, v d dng s dng iu m nhng nh i tiờn phong th trng dch v 4G cn phi lu ý l kh nng tớch hp h thng LAN khụng dõy nh vi h thng hu tuyn v thc hin trin khai cỏc dch v mi thi gian ngn III Nhng c bn cu hỡnh h thng 4G III.1 Nhng k thut Vn k thut cn thit i vi mng thụng tin di ng th h 4G ỏp ng nhng yờu cu c nờu phn trờn c trỡnh by trờn hỡnh Dung lng ln v tc truyn dn cao IMT-2000 ó trin khai a truy nhp theo mó bng rng WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) v t c tc 2Mbit/s vi bng tn cú rng MHz Ngy nay, vic phỏt trin k thut iu ch v gii iu ch thớch nghi a lp cho phộp tc truyn dn t xp x 10 Mbit/s vi cựng mt bng tn s dng t c tc truyn dn t 100 Mbit/s n Gbit/s, chỳng ta cn phi s dng bng tn ln hn v cỏc h thng truyn dn mi phự hp vi truyn dn tc cao i vi thụng tin d liu, chỳng ta s cn h thng truy nhp vụ tuyn cú th truyn dn gúi tin hiu qu Tm quan trng ca vic ph súng nh ó thỳc y cỏc cụng ngh phi phỏt trin theo hng cú th s dng cho c mụi trng truyn súng nh v ngoi tri cú c nhng bng tn rng cho truyn dn tc cao v ỏp ng nhu cu lu lng thoi ang tng cao, chỳng ta phi quan tõm n cỏc bng tn mi, v phỏt trin cỏc phn t mng cn thit nh cỏc b khuch i, cỏc b lc v tớnh toỏn suy hao truyn súng cho nhng bng tn ny Cựng vi ú vic nghiờn cu phỏt trin cỏc gii phỏp s dng hiu qu ti nguyờn ph tn hn ch cng rt cn thit Chi phớ thp hn Vi cỏc cụng ngh cu hỡnh h thng thụng thng, nu s dng mt bng tn cao hn t c tc truyn dn cao hn s lm gim kớch thc cell, hay gim vựng ph súng ca mt trm gc gi c vựng ph súng rng nh trc õy yờu cu phi cú nhiu trm gc hn v ú lm tng chi phớ mng trỏnh c ny chỳng ta cn phi m rng bỏn kớnh cell bng cỏch s dng nhng phng phỏp truyn dn vụ tuyn phm cht cao hn, cỏc k thut iu ch v gii iu ch ci tin, dn anten thớch nghi, cỏc b thu õm thp Xa hn na, gim chi phớ xõy dng v hot ng mng, chỳng ta phi nghiờn cu thc hin kt ni cỏc trm gc vi mng ng trc, cụng ngh trm gc iu khin c lp v cỏc cụng ngh kt ni vụ tuyn phõn lp Công nghệ anten truyền dẫn tín hiệu y Truyền dẫn tốc độ cao/điều chế giải điều chế phẩm chất tốt y Dung lợng lớn, truy nhập gói quảng bá y Anten dàn thích nghi y FEC, ARQ, TPC phẩm chất cao Cấu trúc mạng truy nhập điều khiển y Điều khiển gói IP/điều khiển phân bố mạng truy nhập vô tuyến RAN y Điều khiên QoS truyền dẫn liệu gói y Điều khiển liên kết liền mạch với mạng khác Thiết kế quỹ đờng truyền truyền dẫn sóng vô tuyến y Truyễn dẫn vi ba y Truyền dẫn quảng bá y Truyễn dẫn nhà RF circuit/EMC y Khuếch đại hiệu suất cao y Bộ nhận tạp âm thấp y Softwave defined radio y Microwave EMC Các tuyến truy nhập y Các tuyến vô tuyến quảng bá y Mạng tích hợp quang/vô tuyến FEC ARQ TPC RAN QoS RF EMC : Mã sửa lỗi trớc :Yêu cầu phát lại tự động : Điều khiển công suất : Mạng truy nhập vô tuyến : Chất lợng dịch vụ : Tần số vô tuyến : Tơng thích điện từ trờng Hỡnh 2: Nhng k thut liờn quan n cụng ngh vụ tuyn Kt ni liờn mng da trờn cụng ngh IP Mt bin phỏp cho nhng thuờ bao s dng h thng mi khụng gp phi v vựng ph súng l phi m bo cỏc thit b u cui mi phi h tr hot ng trờn c h thng c v h thng mi Mt khỏc, chỳng ta phi tớnh n kh nng roaming quc t, mt thit b u cui phi c h tr hot ng trờn nhiu h thng nh s dng cụng ngh SDR (Softwave Defined Radio) Vi cụng ngh ny, thit b u cui cú th hot ng trờn nhiu bng tn khỏc ca cỏc quc gia v khu vc khỏc Hn na, mng thụng tin di ng tng lai phi tớch hp vi nhiu phng thc truy nhp khỏc nhau, vi rt nhiu loi cell cú cỏc kh nng kt ni liờn mng da trờn cụng ngh IP Chớnh vỡ vy, kt ni liờn mng v chuyn giao gia cỏc h thng truy nhp l mt yờu cu cn thit ngoi yờu cu v kh nng chuyn giao v roaming ni b v gia hai mng thụng tin di ng vi III.2 Cu hỡnh h thng Cu hỡnh h thng da trờn IP H thng 4G phi c cu hỡnh kt ni vi mng IP, truyn dn hiu qu cỏc gúi IP, cựng tn ti vi cỏc h thng truy nhp khỏc, linh hot a vo khai thỏc, cú kh nng m rng cn, Cỏc mng IP cng cú th kt ni d dng hoc phự hp vi cỏc h thng truy nhp vụ tuyn khỏc hn cỏc h thng 4G im truy nhp vụ tuyn 4G (4G-AP-4G Access Point) s c kt ni vi mt b nh tuyn truy nhp AR (Access Router) nh trờn Hỡnh 4G-AP cú cỏc chc nng iu khin truyn dn vụ tuyn, chuyn giao, cho phộp cỏc thit b di ng liờn lc vi da trờn IP Cỏc 4G-AP s c t tng ng vi cỏc cell ca chỳng Khi mt thit b di ng di chuyn gia cỏc cell, vic chuyn giao s c thc hin bng chuyn mch n gin gia cỏc im truy nhp v cỏc vựng vụ tuyn nu hai im 4G-AP kt ni vi cựng mt AR Nu hai im 4G-AP thuc hai AR khỏc thỡ nh tuyn truyn dn gúi tin mng IP phi thay i tc thỡ Liờt kt hot ng gia chuyn mch 4G-IP v nh tuyn mng IP úng mt vai trũ rt quan trng i vi quỏ trỡnh chuyn giao i vi chuyn giao gia mt 4G-AP v mt AP ca h thng khỏc, thit b di ng phi cú chc nng truy nhp c hai mng Chuyn giao s c thc hin bng vic theo dừi v so sỏnh gia cỏc h thng khỏc la chn c mt h thng phự hp Nối với mạng khác (Internet, ) Mạng IP Mạng truy nhập khác Cell nhà Mạng truy nhập khác Cell trời AR : định tuyến truy nhập 4G-AP : điểm truy nhập vô tuyến 4G MR : định tuyến di động Cell di động Hỡnh 3: Cu hỡnh h thng 4G Phõn loi v cu hỡnh cell theo mụi trng truyn dn H thng 4G cú cell ngoi tri, nh, phng tin di chuyn, nh trờn Hỡnh Nhng cell ngoi tri cú vựng ph súng rng, cho phộp cỏc thit b u cui ang di chuyn vi tc cao trao i thụng tin vi tc cao Vựng ph nh c thc hin bi cỏc indoor AP Cỏc Indoor AP c thit k khụng ch giỳp trao i thụng tin tc cao v hot ng n gin m cũn ỏp ng nhng yờu cu ca mt mng LAN vụ tuyn tng lai Ngoi ra, cỏc cell phng tin giao thụng di chuyn nh xe buýt, tu ho (c gi l cỏc cell/mng di ng) c phc v bi mt b nh tuyn di ng MR (Mobile Router) MR cú chc nng chuyn tip tớn hiu gia trm gc v thit b u cui trờn phng tin, nờn nhng thit b u cui ny khụng liờn lc trc tip vi trm gc nh thụng thng Cu hỡnh ny c thit k t c hiu qu v cụng sut phỏt ca thit b u cui, tc truyn dn, ln ca tớn hin iu khin Kt ni multi-hop a chng, mt phng phỏp hiu qu m rng kớch thc cell s c nghiờn cu nh l mt cỏch gii quyt cỏc im cht gõy bi hiu ng búng Truyn dn d liu qua trm chuyn tip c thc hin c b gii hn v cụng sut phỏt ca thit b u cui v suy hao truyn súng ln Thụng tin a phng tin Nhng mng IP trc õy ch yu cung cp cỏc dch v dng TCP, nhng vi cỏc ng dng thi gian thc m c d bỏo l s phỏt trin mnh tng lai nh thụng tin a phng tin thỡ QoS (Quality of Service) ca dch v rt quan trng v cn phi c chỳ ý Cu hỡnh h thng 4G cho phộp truyn dn vi tc cao, hot ng liờn kt vi cỏc mng IP phi m bo c QoS ca truyn dn gúi Thông tin trực tiếp thực đợc khoảng cách lớn phạm vi phủ sóng single-hop Thông tin trực tiếp bị chắn nhà cao tầng Nhà cao tầng Trạm gốc Hỡnh 4: Liờn lc thụng qua cỏc kt ni multi-hop V Kt lun H thng thụng tin di ng 4G ó v ang c nghiờn cu nhiu ni trờn th gii Vi mc ớch gii thiu nhng nột c bn nht v h thng thụng tin di ng tng lai, h thng 4G, bi bỏo ó trỡnh by nhng c im cng nh nhng yờu cu c bn ca h thng Bờn cnh ú, chỳng tụi cp n nhng k thut liờn quan vic cu hỡnh h thng 4G ỏp ng nhng yờu cu nờu trờn Ti liu tham kho [1] http://www.itu.int/home/imt.html [2] F ADACHI and M UESUGI, Latest Trends in CDMA Technology, IEICE Journal, Vol 86, No 2, pp 96-102, 2003 [3] K UEHARA, K ARAKI, and M UMEHIRA, Trends in Research and Development of Software Defined Radio, NTT Technical Review, Vol 1, No pp 10-14, 2003 [4] A Fujiwara, S Takeda, H Yoshino, T Otsu, and Y Yamao, System Capacity Expansion Effect of Multi-hop Access in a Broadband CDMA Cellular System, IEICE Trans B, Vol J85-B, No 12, pp 2073-2079, 2002 [5] T OTSU, The Challenge of Systems beyond IMT-2000approach from wireless, ITU Journal, Vol 33, No 3, pp 26-30, 2003 [6] http://www.mitf.org/index_e.html [7] http://www.wireless-world-research.org/ [8] http://www.ambient-networks.org/ [9] https://www.ist-winner.org/ ... môi trờng di động) ; 1Gbit/s (tốc độ tối đa môi trờng nhà) ygấp 10 lần hệ thống 3G y1/10 đến 1/100 bít yAll IP y50 ms nhỏ Hệ thống IMT-2000 Hệ thống 4G Hỡnh 1: Mc tiờu thit k h thng 4G Hin nay,... nhập 4G- AP : điểm truy nhập vô tuyến 4G MR : định tuyến di động Cell di động Hỡnh 3: Cu hỡnh h thng 4G Phõn loi v cu hỡnh cell theo mụi trng truyn dn H thng 4G cú cell ngoi tri, nh, phng tin di. .. multi-hop V Kt lun H thng thụng tin di ng 4G ó v ang c nghiờn cu nhiu ni trờn th gii Vi mc ớch gii thiu nhng nột c bn nht v h thng thụng tin di ng tng lai, h thng 4G, bi bỏo ó trỡnh by nhng c im