Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G)

Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G)

TR¦êNG §¹I HäC B¸CH KHOA Hµ NéI

Bé GI¸O DôC Vµ §µO T¹O

TR¦êNG §¹I HäC B¸CH KHOA Hµ NéI

§ç V¨n Hßa

Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: GS.TS NguyÔn Thóc H¶i

Hµ Néi – 2007

MụC LụC

Các hình vẽ, bảng biểu trong luận văn 5

Thuật ngữ tiếng anh sử dụng trong luận văn 7

Lời giới thiệu 11

3.1.1 Giới thiệu chung 20

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

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

3.2.1 Bốn miền của mô hình tham chiếu 30

3.2.1.1 Miền dịch vụ và ứng dụng 31

3.2.1.2 Miền nền tảng dịch vụ 31

3.2.1.3 Miền mạng lõi chuyển mạch gói 33

3.2.1.4 Miền truy cập vô tuyến mới 34

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

3.2.2.1 Sự thuận tiện cho người sử dụng 36

3.2.2.2 Các dịch vụ tiên tiến 36

3.2.2.3 Quản lý hệ thống 41

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

3.2.3.1 Ví dụ điển hình và giao diện cho mạng truy cập vô tuyến mới 413.2.3.2 Cấu hình chức năng cho các nút/thiết bị đầu cuối trong hệ thống

di động 4G 43

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

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

3.3.1.1 Các kỹ thuật đa truy cập 44

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

3.3.1.3 Kỹ thuật đa sóng mang 53

3.3.1.4 Kỹ thuật ăngten dãy thích nghi tiên tiến 57

3.3.1.5 Kỹ thuật ghép kênh tiên tiến 62

3.3.2 Kỹ thuật không dây đa hệ thống 64

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

3.3.2.2 Kỹ thuật sóng vô tuyến được định nghĩa mềm 66

3.3.3 Điều khiển chuyển giao/tính di động 69

3.3.3.1 Kỹ thuật chuyển giao liên tục 70

3.3.3.2 Kỹ thuật điều khiển tính di động 71

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

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

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

Kết luận 93

Kết quả đạt được của luận văn 93

Hướng phát triển của đề tài 94

Tài liệu tham khảo 95

Các hình vẽ, bảng biểu trong luận văn

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

Hình 3.9 Mô hình tham chiếu nền tảng dịch vụ 37

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

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

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

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

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

Hình 3.15 Cơ bản về SCS-MC-CDMA 45

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

Hình 3.17 Phân bổ kênh con 48

Hình 3.18 Điều chế thích nghi sóng mang con 50

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

Bảng 3.1 Các tham số lập mã và điều chế 52

Hình 3.27 Cấu hình cơ bản của thiết bị SDR 67

Hình 3.28 Mô hình tham chiếu IEEE 802.21 70

Hình 3.29 IPv6 di động 72

Hình 3.30 Chuyển giao nhanh cho IPv6 di động 73

Hình 3.31 Điều khiển tính di động mạng NEMO 75

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

Thuật ngữ tiếng anh sử dụng trong luận văn

AAA Adaptive Array Antenna ăngten dãy thích nghi

& Accounting

Chứng thực, ủy quyền và thanh toán

AMPS Advanced Mobile Phone Service Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến

ARQ Automatic Repeat reQuest Kĩ thuật yêu cầu lặp tự động ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dị bộ

BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc

BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc

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

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

CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra d− vòng CTP Context Transfer Protocol Giao thức truyền ngữ cảnh

CDMA

DS-Direct Sequence CDMA CDMA chuỗi trực tiếp

DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số

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

cuối đến đầu cuối EIRP Effective Isotropically Radiated

Power

Công suất phát xạ đẳng hướng hiệu dụng

EV-DO Evolution Data Optimized

FDD Frequency Division Duplex ghép song công phân chia theo tần số

FDMA Frequency Division MultiAccess Đa truy cập phân chia theo tần số

OFDM

FH-Frequency Hopping Orthogonal Frequency

Division Multiple Access

OFDM nhảy tần

FMIPv6 Fast Handovers for Mobile IPv6 Chuyển giao nhanh cho IPv6 di động

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GPRS General Packet Radio System Hệ thống vô tuyến gói chung

HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest

ARQ (tự động yêu cầu lặp) lai

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

Protocol Version 6

IPv6 di động có phân cấp

HSDPA High Speed Downlink Packet Access

Hệ thống truy cập gói đường xuống tốc độ cao

HMI Human-Machine Interface Giao diện người – máy IMT-

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

Union

Liên minh Viễn thông Quốc tế

MAC Medium Access Control Điều khiển thâm nhập môi trường

MIH Media Independent Handover Chuyển giao độc lập phương tiện

MSC Mobitily Service Center Trung tâm dịch vụ di động MIMO Multi Input – Multi Output ăngten nhiều kênh vào –

nhiều kênh ra MC-

CDMA

Multi Carrier CDMA Đa truy cập phân chia theo mã đa sóng mang

OSI Open Systems Interconnection Mô hình tương kết các hệ thống mở

OFDM Orthononal Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh đa truy cập phân chia theo tần số trực giao

OFCDM Orthononal Frequency Code Division Multiplexing

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

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

PHS Personal Handyphone System Hệ thống điện thoại cá nhân PKI Public Key Infrastructure Cở sở hạ tầng khóa chung

Application Part

Phần ứng dụng mạng thâm nhập vô tuyến

RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNS Radio Network Subsystem Hệ thống con mạng vô tuyến

RO Route Optimization Tối ưu hóa đường đi

mềm SINR Signal to Interference and Noise

Power Ratio

Tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu và tạp âm

SMS SVD

based MIMO

Singular Value Decomposition based Multiple Input Multiple Output

TCP Transmision Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn

TPC Transmission Power Control Điều khiển công suất truyền dẫn

Telecommunication System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

CDMA

W-Wideband Code Division Multiple Access

Đa thâm nhập vô tuyến phân chia theo mã băng rộng

Lời giới thiệu

Trong những năm gần đây, thông tin di động đã đạt được những thành tựu vượt bậc Thông tin di động cho phép người sử dụng đàm thoại ở mọi lúc, mọi nơi trong vùng phủ sóng, kể cả khi đang di chuyển Ngoài ra, thông tin di động còn đáp ứng nhiều dịch vụ tiện ích khác như: nhắn tin, truyền số liệu, truyền thông đa phương tiện, xác định vị trí người sử dụng… mà các dịch vụ khác không thực hiện được Do vậy, nhu cầu về thông tin di động ngày một tăng lên và trong tương lai không xa đây sẽ là hình thức thông tin vạn năng và được ứng dụng sâu rộng vào cuộc sống, và sẽ có thể thay đổi lối sống của con người

Cho đến nay thông tin di động trên thế giới đã trải qua ba thế hệ Thế hệ thứ nhất sử dụng công nghệ tương tự từ những năm 70 và đến giữa những năm 80 hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai đã ra đời và phát triển rất mạnh mẽ Những năm đầu thế kỷ 21 (khoảng 2002) hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) đã được triển khai và ứng dụng rộng rãi phục vụ đời sống của con người ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động 3G đã được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ Saigon Postel, Hà Nội Telecom, EVN Telecom và được đưa vào khai thác vào năm 2006 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) đã được các Hãng viễn thông lớn trên thế giới, Hiệp hội Viễn thông quốc tế - ITU, diễn đàn Mobile IT (mITF – Mobile IT Forum) nghiên cứu và chuẩn hóa Theo dự báo, vào khoảng năm 2012, hệ thống thông tin di động 4G sẽ được triển khai và đưa vào khai thác Sự xuất hiện của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư có thể tạo ra một sự bùng nổ trong ngành công nghiệp thông tin di động nói riêng và ngành công nghiệp viễn thông nói chung

Chương 1 mở đầu

1.1 Cơ sở nghiên cứu và mục đích của luận văn

Nhu cầu trao đổi dữ liệu, sử dụng dịch vụ đa phương tiện, nhu cầu giải trí (nghe nhạc, xem phim, chơi game ) trên thiết bị di động ngày càng tăng khi điều kiện sống của chúng ta tăng Trước nhu cầu đó, các chuẩn các hệ thống thông tin di động 3.5G, 4G đã được nghiên cứu và phát triển Năm 2006, ở Nhật Bản, Hãng viễn thông NTT DoCoMo đã triển khai thành công và đưa vào khai thác hệ thống di động 3.5G HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) Hệ thống HSDPA được mở rộng, phát triển từ hệ thống di động thế hệ 3 (W-CDMA: Wideband Code Division Multiple Access), cho tốc độ đường xuống là 14Mbps, đường lên 5,7Mbps (trên lý thuyết) Còn với hệ thống 4G, theo thử nghiệm mới nhất của hãng viễn thông NTT DoCoMo (Nhật Bản), cho tốc độ 5Gbps ở môi trường trong nhà (indoor), và tốc độ 100Mbps ở môi trường ngoài trời trên đối tượng chuyển động tốc độ 250km/h

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

Hiện nay, ở nước ta đang tồn tại đồng thời nhiều thế hệ của hệ thống di động (2G, 2.5G, 3G) Việc triển khai hệ thống di động 4G vẫn là vấn đề trong tương lai xa Nhưng trước những xu thế phát triển chung về công nghệ viễn thông, đặc biệt là công nghệ thông tin di động, thì việc nghiên cứu, tìm hiểu hệ thống thông tin di động 4G là cần thiết

1.2 Tổ chức của luận văn

Luận văn được trình bày thành bốn chương Chương 1 trình bày sơ lược về cơ sở nghiên cứu, mục đích cũng như tổ chức của luận văn

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

Chương 3 trình bày mô hình tham chiếu của hệ thống di động 4G Mô hình tham chiếu của hệ thống 4G chia làm bốn miền: miền ứng dụng và dịch vụ, miền nền tảng dịch vụ, miền mạng lõi chuyển mạch gói, miền truy cập vô tuyến mới ở chương này cũng trình bày một số kỹ thuật, công nghệ tiên tiến như: các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến dung lượng lớn, tốc độ cao (OFDMA, SCS-MC-CMDA), kỹ thuật ăngten dãy thích nghi tiên tiến, kỹ thuật ghép kênh tiên tiến (MIMO) được triển khai ở hệ thống di động 4G

Chương 4 trình bày về hiện trạng các hệ thống thông tin di động tại Việt Nam và trên thế giới Sau đó là đề xuất giải pháp triển khai hệ thống di động 4G từ cở sở hạ tầng mạng hiện có của các nhà cung cấp

Sau nhiều năm phát triển, thông tin di động đã trải qua những giai đoạn phát triển quan trọng Từ hệ thống thông tin di động tương tự thế hệ thứ nhất đến hệ thống thông tin di động số thế hệ thứ hai, hệ thống thông tin di động băng rộng thế hệ thứ ba đang được triển khai trên phạm vi toàn cầu và hệ thống thông tin di động đa phương tiện thế hệ thứ tư đang được nghiên cứu tại một số nước Dịch vụ chủ yếu của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất và thứ hai là thoại còn dịch vụ thế hệ ba và thứ tư phát triển về dịch vụ dữ liệu và đa phương tiện

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

hiện tiêu chuẩn hoá cho hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000 ở Châu Âu, Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) đã thực hiện tiêu chuẩn hoá phiên bản của hệ thống này với tên gọi là UMTS (Universal Mobile Telecommunication System: Hệ thống viễn thông di động toàn cầu) Hệ thống mới này làm việc ở dải tần 2GHz và cung cấp nhiều loại dịch vụ bao gồm từ các dịch vụ thoại, số liệu tốc độ thấp hiện có đến các dịch vụ số liệu tốc độ cao, video và truyền thanh Tốc độ cực đại của người sử dụng có thể lên tới 2Mbps Tốc độ cực đại này chỉ có ở các ô pico trong nhà, còn các dịch vụ với tốc độ 14,4Kbps sẽ được đảm bảo cho thông tin di động thông thường ở các ô macro Người ta cũng đang nghiên cứu các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư có tốc độ cho người sử dụng khoảng 2Gbps ở hệ thống di động băng rộng (MBS) thì các sóng mang được sử dụng ở các bước sóng mm, độ rộng băng tần 64MHz và dự kiến sẽ nâng tốc độ của người sử dụng đến STM-1 [1]

Hiện nay, trên các quốc trên thế giới ở hầu hết các nước đã triển khai hệ thống di động 3G Theo thống kê của hai hãng Informa Telecom & Media và WCIS and 3G America, hiện nay có 181 hãng cung cấp dịch vụ trên 77 quốc gia đã đưa vào khai thác dịch vụ các mạng di động thế hệ 3 của mình Với hệ thống di động 3.5G (HSDPA) thì có đến 135 hãng cung cấp dịch vụ trên 63 quốc gia đã cung cấp các dịch vụ của hệ thống di động 3.5G Hệ thống tiền 4G (Pre-4G) là WiMax cũng đã được triển khai và đưa vào khai thác dịch vụ ở một số thành phố như London, New York vào quý 2 năm 2007

ở nước ta, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thông tin liên lạc nói chung trong những năm gần đây thông tin di động ra đời như một tất yếu khách quan nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin trong thời kỳ đổi mới của đất nước Vào thời kỳ ban đầu, xuất hiện một số mạng thông tin di động như mạng nhắn tin ABC, mạng nhắn tin toàn quốc có tính chất thử nghiệm cho công nghệ thông tin di động ở Việt Nam Sau đó, vào tháng 3/1993, mạng

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

2.1.2 Lộ trình phát triển của thông tin di động

Thời kỳ đầu, khi mới triển khai, hệ thống di động thế hệ thứ nhất mới chỉ cung cấp cho người sử dụng dịch vụ thoại, nhưng nhu cầu về truyền số liệu tăng lên đòi hỏi các nhà khai thác mạng phải nâng cấp rất nhiều tính năng mới cho mạng và cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng trên cơ sở khai thác mạng hiện có Từ đó các nhà khai thác đã phải triển khai các hệ thống di động 2G, 2.5G để cung cấp dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao hơn Cùng với Internet, Intranet đang trở thành một trong những hoạt động kinh doanh ngày càng quan trọng, một trong các hoạt động này là xây dựng các công sở vô tuyến để kết nối các cán bộ “di động” với xí nghiệp hoặc công sở của họ Ngoài ra, tiềm năng to lớn đối với các công nghệ mới là cung cấp trực tiếp tin tức và các thông tin khác cho các thiết bị vô tuyến sẽ tạo ra các nguồn lợi nhuận mới cho nhà khai thác Do vậy, để đáp ứng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình ảnh, đồng thời đảm bảo tính kinh tế thì hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (GSM, PDC, IS-136 và cdmaOne) đã từng bước chuyển đổi sang hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba Khi mà nhu cầu về các dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao tăng mạnh, mà tốc độ của hệ thống 3G hiện tại không đáp ứng được thì các tổ chức viễn thông trên thế giới đã nghiên cứu và chuẩn hóa hệ thống di động 4G

Lộ trình phát triển của thông tin di động từ thế hệ thứ nhất đến thế hệ thứ t− đ−ợc mô tả ở hình 2.1

Hình 2.1: Lộ trình phát triển của thông tin di động [1]

+ GSM(1800): Hệ thống GSM băng tần 1800MHz + GSM(1900): Hệ thống GSM băng tần 1900MHz

+ IS-136 (Interim Standard – 136): Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA cải tiến do AT&T đề xuất

+ IS-95 (CDMA) (Interim Standard – 95 CDMA): Tiêu chuẩn thông tin di động CDMA cải tiến của Mỹ (do Qualcomm đề xuất)

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

+ cdma2000 1x: Hệ thống cdma2000 giai đoạn 1

+ WCDMA (Wideband CDMA): Hệ thống CDMA băng rộng + cdma2000 Mx: Hệ thống cdma2000 giai đoạn 2 [1]

+ HSPA (High Speed Packet Access): Hệ thống di động truy cập gói tốc độ cao Hệ thống HSPA được chia thành 3 công nghệ sau:

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

- HSUPA (High Speed Uplink Packet Access): Hệ thống truy cập gói đường lên tốc độ cao

- HSODPA (High Speed OFDM Packet Access): Hệ thống truy cập gói OFDM tốc độ cao

+ Pre-4G: các hệ thống tiền 4G, gồm có WiMax và WiBro (Mobile Wimax)

+ WiMax: Worldwide Interoperability for Microwave Access

+ WiBro: Wireless Broadband System: Hệ thống băng rộng không dây

Chủ yếu cho thoại kết hợp với dịch vụ bản tin ngắn

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

Thế hệ 2+ (2.5G)

GPRS, EDGE, cdma2000 1x

Chủ yếu vẫn là thoại, dịch vụ số liệu gói tốc độ thấp và trung bình

TDMA (kết hợp nhiều khe thời gian hoặc tần số) hoặc CDMA, sử dụng phổ chồng lên phổ tần của hệ thống 2G, tăng cường truyền số liệu gói Tốc độ tối đa đạt 144kbps

Thế hệ 3 (3G)

cdma2000 1x EV DO/DV, cdma2000, WCDMA

Truyền dẫn thoại và dịch vụ số liệu đa phương tiện

CDMA, CDMA/ TDMA, băng rộng, riêng cdma2000 1x EV sử dụng phổ chồng lên phổ của hệ thống 2G Tốc độ tối đa đường xuống 2Mbps, đường lên 384kbps

Thế hệ 3+ (3.5G)

HSDPA HSUPA HSOPA

Tích hợp thoại, dịch vụ số liệu và đa phương tiện tốc độ cao

Phát triển từ 3G, DSCH

CDMA/HS-HSPDA cho tốc độ tối đa đường xuống 14.4Mbps, HSUPA có tốc độ đường lên tối đa 5.7Mbps, HSOPA cho tốc độ Downlink/Uplink tối đa là 200Mbps/100Mbps

Thế hệ 4 (4G) 4G

Truyền dẫn thoại, số liệu, đa phương tiện tốc độ cực cao

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

Chương 3 hệ thống THÔNG TIN di động 4G

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

Hệ thống di động thế hệ thứ tư (4G) dự kiến sẽ đưa vào sử dụng, khai thác vào khoảng năm 2012 Với sự đột phá về tốc độ và dung lượng, hệ thống di động 4G sẽ cung cấp những dịch vụ phục vụ sâu hơn vào đời sống sinh hoạt thường nhật, công việc cũng như có sự tác động lớn đến lối sống của chúng ta trong tương lai gần Cụ thể hơn trong từng khía cạnh của cuộc sống được trình bày dưới đây

Trong giáo dục, nghệ thuật, khoa học

Nhờ có sự ưu việt của hệ thống 4G, sự tiên tiến của thiết bị đầu cuối, học sinh, sinh viên, các nhà nghiên cứu khoa học có thể trao đổi thông tin hình ảnh, thoại, và các thông tin cần thiết cho việc học tập, nghiên cứu mà không có rào cản nào về khoảng cách cũng như ngôn ngữ Thiết bị đầu cuối di động của hệ thống di động thế hệ 4G (điện thoại cầm tay, đồng hồ đeo tay ) có tích hợp camera, có chức năng thông dịch ngôn ngữ tự động giúp họ trao đổi thông tin trực tiếp, học sinh, sinh viên có thể nhận những chỉ dẫn từ giáo viên từ xa

Giải trí

Hệ thống di động 4G được sử dụng cho hệ thống tải nội dung, trò chơi và âm nhạc/video Những trò chơi hình ảnh động có thể được truy cập ở bất cứ nơi nào trên hệ thống Những nội dung cực kì phong phú đa dạng về nhạc và phim trong hệ thống có thể tải ngay lập tức ở bất cứ nơi đâu, vào bất cứ thời gian nào

Truyền thông hình ảnh

Hệ thống di động 4G cũng được ứng dụng trong việc trao đổi thông tin giữa các điểm cách xa nhau Một đoạn phim của một sự kiện thể thao có thể được gửi bởi máy quay gắn trên một máy thu phát cầm tay và được gửi đi tức thời cho các thành viên trong gia đình ở nước ngoài hoặc ở xa

Thương mại di động

Hệ thống di động 4G được ứng dụng trong trao đổi và thoả thuận mua bán hàng hoá Bằng cách đơn giản là giữ thiết bị di động cầm tay theo tấm quảng cáo hoặc trên tạp chí, người sử dụng có thể thu được những thông tin liên quan về sản phẩm, từ đó có thể đặt hàng và thanh toán bằng tài khoản thông qua thiết bị di động

Cuộc sống thường nhật

Công nghệ xác thực cá nhân tiên tiến cho phép người sử dụng mua những hàng hóa đắt tiền một cách an toàn và thanh toán bằng tài khoản thông qua mạng di động Dữ liệu được tải từ các thiết bị di động có thể được sử dụng như là các thẻ thanh toán, thẻ ra vào, thẻ thành viên thay cho các loại thẻ cá nhân: thẻ ngân hàng (ATM, Visa Card ), thẻ ra vào công ty, hộ chiếu (PassPort) v.v Các dịch vụ di động cũng được sử dụng trong nhiều trường hợp của cuộc sống, ví dụ như tải chương trình tivi trên các máy chủ đặt tại gia đình lên thiết bị di động và xem chúng khi đi ra ngoài, hoặc sử dụng thiết bị cầm tay di động để điều khiển Robot từ xa

Y tế và chăm sóc sức khoẻ

Công nghệ di động thế hệ thứ tư được sử dụng trong y tế và chăm sóc sức khoẻ Những dữ liệu về sức khoẻ có thể tự động gửi đến bệnh viện theo thời gian thực từ các thiết bị mang theo trên người của bệnh nhân, nhờ đó các bác sĩ có thể thực hiện việc kiểm tra sức khoẻ hoặc xử lý tức thì các tình trạng khẩn cấp

Điều trị trong các tình trạng khẩn cấp

Phương tiện truyền thông di động được sử dụng cho cấp cứu khẩn cấp ngay sau khi tai nạn giao thông xảy ra Vị trí của vụ tai nạn sẽ được thông báo tự động bằng cách sử dụng thông tin định vị, khi đó các bác sĩ tại trung tâm y tế đưa ra các chỉ dẫn sơ cứu cho bệnh nhân thông qua việc quan sát bệnh nhân trên màn hình Các dữ liệu y tế cũng được truyền ngay lập tức đến các xe cứu thương hoặc bệnh viện thông qua mạng di động

ứng dụng trong thảm họa thiên tai

Hệ thống di động đóng vai trò là thiết bị thông tin quan trọng trong trường hợp xảy ra thảm họa thiên tai, cho phép truyền đi hình ảnh thực trạng của các khu vực xảy ra thảm hoạ Do đó tại những nơi thảm họa không diễn ra, tất cả lãnh đạo chính phủ, các nhà quản lý, các phương tiện truyền thông đại chúng và người dân nói chung có thể chia sẻ thông tin [8]

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

Dịch vụ cung cấp thông tin y tế

Hình 3.1 Dịch vụ thông tin y tế [8]

+ Hospital/drug store: bệnh viện/kho thuốc

Dịch vụ cung cấp thông tin y tế sẽ cung cấp cho khách hàng những thông tin chính xác và đầy đủ về tình trạng sức khỏe Khách hàng sẽ nhận được chỉ dẫn, đơn thuốc của bác sỹ khi có sự thay đổi về tình trạng sức khỏe từ trung tâm chăm sóc y tế trên thiết bị di động của mình Đồng thời khách hàng có thể truy cập thông tin về sức khỏe của mình trên thiết bị di động [8]

Thậm chí trong dịch vụ này với công nghệ điều trị gen tiên tiến, khách hàng có thể tải những thông tin về gen của họ ngay lập tức để có những biện pháp điều trị thích hợp

Dịch vụ cung cấp nội dung tiên tiến

Đơn giản, người dùng cho biết tên của video (không nhất thiết phải chính xác, có thể mơ hồ cũng được) mà họ lựa chọn (chương trình ti vi đã phát, tin tức, kịch, điện ảnh, hoặc hoà nhạc …) thông qua yêu cầu bằng lời thoại, người sử dụng có thể xem chương trình video mình thích trên thiết bị di động đầu cuối ở bất cứ đâu, bất cứ thời gian nào

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

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

Trong đó:

+ Movie delivery: phân phát phim

+ Movie info search: tìm kiếm thông tin phim

+ Ambigous search by voice: tìm kiếm thông tin phim bằng thoại + Ticket purchase: thẻ dịch vụ

+ Content streaming delivery: cung cấp luồng nội dung

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

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

Người sử dụng có thể truy cập các dịch vụ thông tin dưới đây từ bên trong một chiếc xe đang chuyển động Những thông tin này sẽ được cung cấp một cách hợp lý phụ thuộc thời gian, địa điểm và tính chất người sử dụng

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

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

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

- Dịch vụ điều khiển (điều khiển xe trong sự kiện động đất, tai nạn …) - Dịch vụ khẩn cấp (tai nạn, ốm đau bất ngờ…) [8]

+ Application info: thông tin ứng dụng + Product info: thông tin sản phẩm

+ Platform provider: nhà cung cấp nền tảng

+ Ad cost: chi phí quảng cáo

+ Server utilization fee: phí sử dụng server + Manufacturer: nhà sản xuất

+ Seller: người bán hàng

+ Transporter: hãng vận chuyển

Cho phép đặt mua các sản phẩm hay thu thập thông tin về sản phẩm một cách dễ dàng nhờ thiết bị đầu cuối di động thông qua tạp chí, sách báo, áp phích … hay các hình ảnh

Thông tin liên quan tới sản phẩm đó (video, đặc tính kỹ thuật) sẽ được tự động gửi tới thiết bị đầu cuối di động từ trung tâm sản phẩm, và được hiển thị dưới dạng các hình ảnh 3 chiều (3D) Người sử dụng có thể đặt hàng sản phẩm ngay lập tức, việc thanh toán bằng tài khoản được thực hiện qua thiết bị đầu cuối di động của họ Việc sử dụng chứng thực bằng võng mạc giúp cho việc đặt mua các sản phẩm có giá trị trở nên đơn giản, an toàn mà không cần bất kỳ sự bảo vệ nào

Quản lý thực phẩm

Dịch vụ hỗ trợ cho người sử dụng có thể truy cập tới tủ lạnh gia đình bằng thiết bị đầu cuối di động từ bên ngoài - để thấy được thực phẩm nào vẫn còn, thực phẩm nào hết Và nhờ hình ảnh hiển thị người dùng có thể biết hạn sử dụng của thức ăn còn hay không Người sử dụng cũng có thể tìm được các công thức của thực đơn họ sẽ nấu sử dụng các thực phẩm có sẵn trong tủ lạnh thông qua thiết bị đầu cuối di động đó Thực phẩm nào thiếu sẽ được hiện ra trên màn hình, và nếu đặt hàng chúng sẽ được gửi tới nhà vào buổi tối

Hình 3.5 Hệ thống quản lý thực phẩm [8]

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

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

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

Dịch vụ bảo hiểm rủi ro

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

Hình 3.6 Hệ thống bảo hiểm rủi ro [8]

Trong đó:

+ Rescue, paramedics: cứu hộ, cứu hộ y tế + Service provider: nhà cung cấp dịch vụ + Platform provider: nhà cung cấp nền tảng + Disaster site (user): khu vực xảy ra thiên tai

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

+ Designate wanted area thru pen input: chỉ định vùng cần kiểm soát (bằng bút cảm ứng)

+ Terminal location is indicated in blinks: vị trí thiết bị đầu cuối đ−ợc chỉ ra tức thời

+ Contact family using personal info: liên lạc với gia đình nhờ thông tin cá nhân

+ Obtain medical record from home doctor using personal info: có đ−ợc báo cáo y tế từ bác sỹ nhờ thông tin cá nhân

+ Disaster insurance premium: phí bảo hiểm thiên tai + Insurance premium: phí bảo hiểm

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

Dịch vụ hành chính (quản lý) di động

Hình 3.7 Hệ thống quản lý di động [8]

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

- ứng dụng cho các tài liệu/văn bằng khác nhau - Trả thuế, đưa ra thuế thu nhập

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

- Bỏ phiếu bầu cử

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

Mô hình tham chiếu cho các hệ thống di động 4G mô tả theo phương diện mạng trên hình 3.8 Hệ thống di động 4G bao gồm bốn miền sau: dịch vụ và ứng dụng, nền tảng dịch vụ, mạng lõi chuyển mạch gói, và truy cập vô tuyến mới Hệ thống di động 4G có 3 đặc trưng sau:

(1) Cung cấp cho người sử dụng những dịch vụ và ứng dụng ở mức độ độc lập cao từ hệ thống truy cập

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

(3) Ba khả năng vô tuyến của truy cập vô tuyến mới nhờ giao diện vô tuyến đưa ra cấp độ phổ biến cao [8]

3.2.1.1 Miền dịch vụ và ứng dụng

Miền dịch vụ và ứng dụng cung cấp các dịch vụ và các ứng dụng của các hệ thống di động 4G Các dịch vụ điển hình bao gồm các dịch vụ thông tin về vị trí, các dịch vụ ngăn ngừa/kiểm soát hiểm hoạ, các dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao, các dịch vụ thương mại di động, các dịch vụ quản lý bản quyền số, các dịch vụ phân phối nội dung, các dịch vụ hỗ trợ tải phần mềm, các dịch vụ điều khiển từ xa, cũng như nhiều dịch vụ khác Các dịch vụ và ứng dụng này không chỉ bao gồm các vấn đề lần đầu tiên xuất hiện trên các hệ thống di động 4G, mà còn bao gồm các vấn đề đã được cung cấp hoàn chỉnh trên mạng 3G hiện hành hay trên các hệ thống W-LAN và các phiên bản nâng cấp của chúng Thêm vào đó, các dịch vụ và ứng dụng này nên được tạo ra để có thể sử dụng trong cả truy cập sóng vô tuyến mới của các hệ thống di động 4G và các hệ thống truy cập hiện hành Hơn nữa, một đặc tính tác nhân được mong đợi tập trung vào lĩnh vực dịch vụ và ứng dụng để hỗ trợ sự cung cấp trơn tru các dịch vụ và ứng dụng

3.2.1.2 Miền nền tảng dịch vụ

Miền nền tảng dịch vụ cung cấp cơ sở dịch vụ để hỗ trợ triển khai các dịch vụ và ứng dụng được đưa ra bởi miền dịch vụ và ứng dụng Cấu trúc cơ bản của cơ sở dịch vụ này được hỗ trợ bởi ba bộ đặc tính: các đặc tính đa phương tiện, các đặc tính mạng tốc độ cao/dung lượng lớn, và các đặc tính chất lượng dịch vụ mạng

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

Chú thích:

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

+ Posional Information Services: Dịch vụ thông tin cá nhân

+ Disaster Detection/Admin Services: Dịch vụ phát hiện/quản trị thiên tai + High Quality Multimedia Services: Dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao

+ Mobile Commerce Services: Dịch vụ thương mại di động

+ Digital Right Management Services: Dịch vụ quản trị bản quyền số + Contents Delivery Services: Dịch vụ phân phối nội dung

+ Software Download Support Services: Dịch vụ hỗ trợ tải phần mềm + Remote Control Services: Dịch vụ điều khiển từ xa

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

+ Social Systems: Hệ thống xã hội

+ Security, AAA and Settlement: Bảo mật, thanh toán + Application QoS: Chất lượng dịch vụ ứng dụng

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

+ High speed & Large Capacity Network: Mạng dung lượng lớn, tốc độ cao + Network QoS I/F: Chức năng tương tác chất lượng dịch vụ mạng

- Packet Based Core Network: Miền mạng lõi chuyển mạch gói - New Radio Access: Miền truy cập vô tuyến mới

3.2.1.3 Miền mạng lõi chuyển mạch gói

Miền mạng lõi chuyển mạch gói đóng vai trò kết nối các hệ thống truy cập khác nhau với miền nền tảng dịch vụ, và không phụ thuộc vào các hệ thống truy cập [8] Mạng này cho phép sự kết nối giữa các hệ thống di động 4G cũng như các hệ thống truy cập khác (ví dụ như 2G/3G, mạng LAN không dây, DSRC, phát thanh số, và các mạng IP khác, v.v…), để cung cấp sự truy cập liền mạch cho người sử dụng

3.2.1.4 Miền truy cập vô tuyến mới

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

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

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

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

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

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

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

viết, hình ảnh, giọng nói được xây dựng sẵn Chúng cũng được cung cấp chức năng tăng cường tính bảo mật, chức năng tính toán và xác thực, tính năng quản lý bản quyền số và cảm biến sinh trắc học Những thiết bị đầu cuối có đặc tính cấu hình lại cho phép người dùng tải xuống, thực thi và tùy biến nhiều loại chương trình khác nhau Một đặc điểm khác biệt của mô hình này là có nhiều yêu cầu về chức năng của thiết bị đầu cuối cũng như thiết bị hiệu năng cao [8] Cơ sở hạ tầng hệ thống di động 4G triển khai truyền dẫn dung lượng lớn, tốc độ cao và truyền dẫn đa phương tiện chất lượng cao Cơ sở hạ tầng có đặc tính thông báo QoS giữa các lớp vì vậy sự phối hợp QoS giữa các lớp được thực thi

Nền tảng dịch vụ bao gồm nhiều máy chủ và tác nhân, cung cấp các đặc tính định vị dựa trên các hệ thống thông tin vị trí, việc quản lý quyền truy cập của người sử dụng thông qua xác thực sinh học cũng như việc quản lý và tham chiếu thông tin cá nhân Hệ thống cơ sở dữ liệu phân tán và các máy phục vụ nội dung chất lượng cao được kết nối với nhau Do đó quyền truy nhập được điều khiển bởi máy chủ chứng thực, video hoặc nhạc mà đáp ứng nhu cầu người sử dụng và khả năng của các thiết bị đầu cuối có thể được phân phối bởi các tác nhân từ máy chủ nội dung Nền tảng dịch vụ cũng được gắn kết với các hệ thống xã hội Trong trường hợp có thảm hoạ xảy ra, hệ thống mạng có độ tin cậy cao sẽ được cấu hình để truyền thông quảng bá về nơi diễn ra thảm hoạ Ngoài ra, thiết bị đầu cuối có gắn các bộ cảm biến sinh học sẽ truyền tự động thông tin trong các điều kiện khẩn cấp

Theo khía cạnh dịch vụ, mô hình này có thể chia nhỏ hơn thành 3 loại: (1) tính tiện lợi cho người sử dụng, (2) các dịch vụ tiên tiến, (3) quản lý hệ thống Trong 3 loại này, tính tiện dụng cho người dùng và các dịch vụ tiên tiến được hỗ trợ bởi quản lý hệ thống Và đám mây trong hình chỉ ra một nền tảng để đặt các máy chủ và cơ sở dữ liệu Chúng được xây dựng trên dựa trên 3 tiêu chí cơ sở hạ tầng: “đa truyền thông chất lượng cao”, “truyền tải với tốc độ cao và dung lượng lớn” và “QoS I/F”

3.2.2.1 Sự thuận tiện cho người sử dụng

Mô tả trong hình 3.10, sự thuận tiện cho người sử dụng là một nhóm liên quan tới việc dễ dàng trong sử dụng, và bao gồm các đặc tính như giao diện người sử dụng, trợ giúp, khả năng xử lý/thời gian sử dụng/giao diện của thiết bị, và khả năng cấu hình lại thiết bị đầu cuối Với giao diện người sử dụng, yêu cầu phải thực thi sự hiển thị hình ảnh, giọng nói với chất lượng cao hơn, và đạt được sự nâng cao về giao diện để đơn giản hoá các thủ tục nhập thông tin Các yêu cầu cho các tác nhân bao gồm sự cung cấp các dịch vụ phù hợp với nhu cầu và hoàn cảnh của người sử dụng, khả năng để yêu cầu và nhận thông tin vì lợi ích của những người sử dụng, và sự thực hiện đầy đủ của các đặc tính tác nhân trong các thiết bị đầu cuối, nền dịch vụ và nhà cung cấp dịch vụ Liên quan tới khả năng xử lý/thời gian sử dụng/giao diện của thiết bị đầu cuối, khả năng xử lý của thiết bị có khả năng truy cập thông tin đa phương tiện chất lượng cao, thời gian sử dụng lâu hơn giúp người sử dụng không phải quan tâm tới dung lượng của pin, và giao tiếp với nhiều loại thiết bị ngoại vi được đưa ra Khả năng cấu hình lại của thiết bị đầu cuối bao gồm khả năng nâng cấp các phiên bản bằng việc thêm hoặc thay đổi các đặc tính thiết bị thông qua việc tải phần mềm, và cho phép truy cập qua các giao diện vô tuyến khác [8]

3.2.2.2 Các dịch vụ tiên tiến

Các dịch vụ tiên tiến, hình 3.11, là khía cạnh có liên quan đến tính hiện đại của dịch vụ, và bao gồm các đặc điểm sau: đa truyền thông chất lượng cao, đầu vào thông tin, vị trí/định vị, và cảm biến/điều khiển từ xa Để cho phép người dùng nhận được dịch vụ tiên tiến chất lượng cao thông qua các thiết bị di động có khả năng truy cập vào cơ sở hạ tầng hệ thống di động 4G [8], thông tin môi trường xung quanh người sử dụng sẽ được truyền đi bởi các thiết bị đầu cuối và dựa trên thông tin này các hệ thống dịch vụ gia tăng khác nhau sẽ hoạt động trên nền tảng dịch vụ

H×nh 3.9 M« h×nh tham chiÕu nÒn t¶ng dÞch vô

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

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

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