Nghiên cứu ứng dụng công nghệ 4G cho mạng di động di động Viettel Mobile

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ 4G cho mạng di động di động Viettel Mobile

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 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 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

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 Viettel đã đưa vào sử dụng GPRS 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 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 bao có thuê 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 2010 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 Viettel 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 Viettel

Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ 4G cho mạng di động di động Viettel Mobile” 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 Viettel.Với mục đích đó đề tài nghiên cứu của chúng tôi dược chia làm 4 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

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

Chương 4: Lộ trình tiến lên mạng thông tin di động 4G cho Viettel Mobile

Với việc triển khai đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ 4G cho mạng di động di động Viettel Mobile” , Viettel đã mở ra một cơ hội mới, động lực mới cho sự phát triển công nghệ mạng cũng như thương mại điện tử trong thời đại kinh tế số hiện nay, không chỉ cho công ty mà còn mong muốn sẽ đóng góp một phần vào sự phát triển trong lĩnh vực viễn thông – công nghệ thông tin của nước nhà Đó cũng là mong muốn lớn nhất của những người thực hiện đề tài này

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) 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 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 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 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

1.2 LỊCH SỬ VÀ XU HƯỚNG 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 gồm thoại, fax và internet ở bất cứ thời gian nào, bất cứ nơi đâu với sự chuyển vùng roaming toàn cầu không gián đoạn Chuẩn 3G toàn cầu của ITU đã mở đường cho các ứng dụng và dịch vụ sáng tạo (ví dụ loại hình giải trí đa phương tiện, các dịch vụ dựa trên vị trí,…) Mạng 3G đầu tiên được thiết lập tại Nhật bản năm 2001 Các mạng 2.5G, như 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)

Hình 1.1 – Các thế hệ di động

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 20 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 dịch vụ thông tin di động 3G Các dịch vụ di động 4G được chào đón bởi khả năng 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 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:

1 1 Hỗ trợ các dịch vụ tương tác đa phương tiện: truyền hình hội nghị, Internet không dây,…

2 2 Băng thông rộng hơn, tốc độ bit lớn hơn

3 3 Tinh di động toàn cầu và tính di chuyển dịch vụ 4 4 Giá thành hạ

5 5 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:

Truy nhập Chuyển giao Định vị đồng thời

Định nguồn tài nguyên mạng đồng thời để cung cấp cho người sử dụng mới Hỗ trợ multicasting

Hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS Xác thực và bảo mật vô tuyến Lỗi mạng và backup

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

* Xu hướng về 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 WiFi được bắt đầu từ năm 2005 cho các PC, máy tính xách tay, và PDA Trong các doanh nghiệp, tín hiệu thoại được truyền đi bởi công nghệ Voice qua mạng LAN vô tuyến (VoWLAN) Tuy nhiên chưa ai thấy rõ được công nghệ thành công tiếp theo là công nghệ nào Để đạt tới sự thống nhất về công nghệ 200 Mbps (và cao hơn nữa) vẫn 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) và các chuẩn khác Một số công nghệ quan trọng của 4G được mô tả như sau:

OFDMA

Ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM không chỉ tạo nên lợi ích rõ ràng cho thực thi lớp vật lý, mà còn hợp nhất việc cải thiện hiệu năng lớp 2 nhờ việc đưa ra thêm một mức độ tự do Nhờ việc sử dụng OFDM có thể khai thác miền thời gian, miền không gian, miền tần số và thậm chí cả miền mã để tối ưu hoá việc sử dụng kênh vô tuyến Chắc chắn rằng nó có ưu thế lớn với truyền dẫn trong môi trường đa đường với việc làm giảm thiểu sự phức tạp của bộ thu

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

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 được thiết lập chính xác cho kênh Đặc điểm này của OFDM giúp cho công đoạn xử lý được đơn giản hoá đi rất

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

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

Hình 1.2: Lộ trình hiệu năng do Alcatel thử nghiệm

Tối ưu giữa các lớp

Hiển nhiên có sự ảnh hưởng qua lại giữa MIMO và lớp MAC Các mối ảnh hưởng qua lại khác được thể hiện trên hình 1.3

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

Chuyển giao và tính di động

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

1.3 CÁC ỨNG DỤNG VÀ DỊCH VỤ TRONG 4G

Phần này sẽ đánh giá và chỉ ra được các dịch vụ vô tuyến đang nổi lên, các công nghệ tiềm năng cho tính an toàn chung được sử dụng trong tương lai gần và xa hơn Nó sẽ đưa ra một chuỗi các nghiên cứu tiếp theo cho các công nghệ vô tuyến không dây đang xuất hiện Sự nghiên cứu này tập chung chính vào các ứng dụng (các dịch vụ và các thách 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 triền ứng dụng đang trên con đường nhận ra các nhu cầu của người sử dụng nhưng đó vẫn là con đưòng 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

Những người sử dụng vô tuyến không không dây hôm nay mong đợi nhiều thứ lớn từ các mạng vô tuyến không dây ngày mai Họ chờ đợi rằng các mạng vô tuyến không dây thế hệ tiếp theo nhất là 4G sẽ mang lại gì Các nhà cung cấp dịch và các phát triển ứng dụng đang chú ý hơn nữa tới sự mong đợi của người sử dụng để quyết định hướng 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 nghành 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

.-Mảng theo độ tuổi (Age)

-Mảng theo cách sử dụng Internet (Internet Usage)
.-Mảng theo mức thu nhập (Income Brackets)

.-Mảng những người chuyên sử dụng Mobile (Mobile Profesional)

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 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 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 người sử dụng Income Bracket: 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 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

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 nghành 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

- 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 dữ 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 kiêủ 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 mạng (pull) nếu cô ta hay anh ta không lựa chọn để có thông tin này và thông tin này được đẩy tới (push) thiết bị không dây Sự thách thức với các dịch vụ dựa trên cơ sở xác định vị trí là nó không có trong các trình ứng dụng nhưng có trong sự bổ sung Để cho các dịch vụ định vị tồn tại ở bất kỳ giá trị thực nào, mạng phải có khả năng 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

-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 2

MÔ HÌNH CẤU TRÚC MẠNG 4G

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:

a Mạng 4G phải đáp ứng được yêu cầu 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,…vv, mà không cần quan tâm tới dạng thiết bị đang sử dụng cũng như việc họ đang ở đâu

Hình 2.2: Sự kết hợp các mạng khác nhau

b Mạng có tính mở

Xem xét các ứng dụng, dịch vụ mạng hiện nay, chúng ta thấy rằng các hệ thống mạng hiện nay vẫn đang phát triển như là các hệ thống đóng Trong mạng thế hệ hai, dịch vụ cung cấp chỉ là những dịch vụ đơn giản như tin nhắn SMS, MMS,… Các mạng di động thế hệ ba đã bắt đầu cung cấp một số ứng dụng, dịch vụ nhưng còn rất ít, chất lượng chưa cao Các nhà cung cấp dịch vụ cũng chỉ trong phạm vi là “third-party” trong mạng Điều này có thể được khắc phục trong mạng 4G Cấu trúc mở của mạng 4G cho phép cài đặt các thành phần mới với các giao diện mới giữa các cấu trúc khác nhau trên các lớp Đây là điều rất quan trọng, đặc biệt cho các dịch vụ tối ưu trong mạng di động với liên kết không dây và các đặc tính di động Mô hình được xây dựng ra phải có tính mở Điều này giúp cho hệ thống trở nên linh hoạt trong quá trình phát triển Yêu cầu về mở rộng, nâng cấp hệ thống hay thêm vào các ứng dụng, dịch vụ mới luôn là một đòi hỏi đối với các mạng viễn thông hiện nay Do đó mạng phải đảm bảo cho khả năng đáp ứng các nhu cầu này ngay từ thời điểm hiện tại cho đến tương lai

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

c 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

d 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 cung 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

e 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

f) 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

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: 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,…

b) Mạng thông tin di động thế hệ 3,5G HSDPA và HSUPA

Cuộc cách mạng của thị trường thông tin di động đưa ra các yêu cầu nâng cấp cải 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:

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, chúng tôi 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:

-Cung cấp nền tảng hạ tầng kết nối mạng dịch vụ -Điều khiển hệ thống:

.+ Báo hiệu
.+ Lưu lượng

.+ Bảo mật (Security)
.+ Billing

.+ Mobity và Roaming

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 đầu cuối, kể cả khi thiết bị đầu cuối là thiết bị di động không dây thuộc mạng khác

- Thiết bị đầu cuối:

Thiết bị đầu cuối di động trong mạng 4G phải có sự phát triển trong việc chạy nhiều dạng ứng dụng khác nhau Điều này cũng đảm bảo cơ hội tăng lợi nhuận cho các nhà cung cấp dịch vụ bằng việc cung cấp thêm các dịch vụ giá trị gia tăng Do vậy, các thiết bị này phải hoạt động có tính thích nghi và linh động cao Hiện nay, các thiết bị đầu cuối di động đang trong quá trình chuyển dịch sang dạng tích hợp hội tụ Các nhà sản xuất cũng cung cấp các hệ điều hành (OS) và phần mềm dịch vụ có tính mở, có kiến trúc dạng lớp và có khả năng chạy trên những phần mềm của các nhà cung cấp thứ 3 Tính phức tạp của thế hệ thiết bị đầu cuối di động này sẽ phải chưa đựng đầy đủ các điều kiện về phần cứng và phần mềm như sau:

-Các dạng ứng dụng khác nhau về di động ( như email, MMS …) -Thực hiện được nhiều phần mềm ghép ứng dụng ( như dự đoán kiểu gõ, soạn thảo văn bản, kiểm tra phát âm …) -Thực hiện trên nhiều dạng hệ điều hành (như Symbian, SmartPhone,

Linux ) -Hoạt động trên nhiều môi trường ứng dụng ( như J2ME, NET) -Hoạt động trên nhiều phương thức mã hoá vô tuyến ( như cdma2000,

GPRS, GSM, W-CDMA, WiFi ….) -Hoạt động trên nhiều phương thức mã hoá ( tiếng nói, hình ảnh…) -Hoạt động trên nhiều phạm vi giao thức mạng ( Ipv4, IPv6 …) -Bộ vi xử lý mạng với các ứng dụng của di động và tính năng chung của PC -Có bộ nhớ lớn

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

Chức năng chính của RAP là thực hiện xử lý lớp 1 của giao diện vô tuyến (mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ,…) Nó cũng thực hiện một phần khai thác quản lý tài nguyên vô tuyến như điều khiển công suất vòng trong

Điểm truy nhập vô tuyến cũng tương tự như Node B trong 3G, tuy nhiên có một số kỹ thuật mới nhằm làm tăng tốc độ đường truyền, đó là:

+ Sử dụng Anten thông minh

Anten thông minh là một thành phần không thể thiếu được trong mạng 4G Một hệ thống anten thông minh là sự kết hợp của nhiều phần tử anten với một khả năng xử lý tín hiệu để tự động tối ưu mẫu thu và bức xạ của nó dựa vào sự hồi đáp của môi trường tính hiệu Hệ thống 3.5G dùng Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA – High Speed Downlink Packet Access) dựa trên công nghệ giao diện vô tuyến W-CDMA dự định cung cấp tốc độ lên đến 10 Mbps bằng cách sử dụng hiệu quả hơn phổ tần số 3G hiện hành Hệ

thống 4G sẽ dùng một phổ tần khác (có thể là 40 hoặc 60 GHz) và có thể cung cấp lên đến 100 Mbps cho tế bào WAN và đến 1 Gbps đối với truy suất không dây nội bộ

Mục đích của hệ thống anten thông minh là để làm tăng chất lượng tín hiệu của hệ thống vô tuyến bằng cách truyền tập trung các tín hiệu vô tuyến trong khi tăng dung lượng bằng cách tăng việc dùng lại tần số Bảng sau sẽ liệt kê các đặc tính và lợi ích của một hệ thống anten thông minh

Độ lợi tín hiệu: Tín hiệu ngỏ vào từ Vùng phủ tốt hơn: Việc tập trung năng

nhiều anten được kết hợp lại để tối ưu lượng gửi ra trong một tế bào sẽ làm công suất có sẵn nhằm thiết lập mức tăng vùng phủ của trạm gốc Các yêu vùng phủ đã cho cầu công suất tiêu thụ thấp hơn dẫn đến thời gian dùng pin lâu hơn và kích thước handset sẽ nhỏ hỏn

Sự loại bỏ nhiễu: Antenna pattern có Tăng dung lượng:Việc điều khiển chất

thể được tạo ra do các nguồn nhiễu đồng kênh, việc cải thiện tỷ số tín hiệu

lượng các null tín hiệu chính xác và giảm nhiễu kết hợp với việc sử dụng lại trên nhiễu của tín hiệu thu được tần số sẽ làm tăng dung lượng mạng Kỹ thuật thích nghi (như là đa truy cập phân chia theo không gian) hổ trợ việc

sử dụng lại tần số trong cùng một tế bào

Phân tập không gian: Thông tin được Loại bỏ đa đường: Có thể giảm tác

tập hợp từ mảng anten được dùng để tối động trải trể của kênh, cho phép truyền thiểu fading và các tác động của truyền tốc độ bit cao hơn mà không cần dùng đa đường không mong muốn bộ cân bằng

Hiệu quả công suất: kết hợp các ngỏ Chi phí giảm: Chi phí khuyếch đại công

vào đến nhiều thiết bị để tối ưu tăng ích suất, công suất tiêu thụ giảm và độ tin xử lý có sẳn trên đường xuống cậy cao hơn

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

.+ Một trong những kĩ thuật thích ứng liên kết sẽ được đề cập đến gọi là điều chế và mã hóa thích ứng (AMC – Adaptation and Modulation Coding).Với kĩ thuật AMC, điều chế và tỉ lệ mã hóa được thích ứng một cách liên tục và chất lượng kênh thay cho việc điều chỉnh công suất Truyền dẫn sử dụng nhiều mã Walsh cũng được sử dụng trong quá trình thích ứng liên kết Sự kết hợp của hai kỹ thuật thích ứng liên kết trên đã thay thế hoàn toàn kỹ thuật hệ số trải phổ biến thiên của truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao

.+ Ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM: Tín hiệu gửi đi được chia thành các sóng mang nhỏ, trên mỗi sóng mang đó tín hiệu là “băng hẹp” và vì vậy tránh được hiệu ứng đa đường, tạo nên một khoảng bảo vệ chèn vào giữa mỗi tín hiệu OMDF 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 này không chỉ tạo nên lợi ích rõ ràng cho thực thi lớp vật lý, mà còn hợp nhất việc cải thiện hiệu năng lớp 2 nhờ việc đưa ra thêm một mức độ tự do

Hình 2.7 Nguyên lý OFDM

+ MIMO:MIMO sử dụng ghép kênh tín hiệu giữa rất nhiều các anten phát và thời

gian hay tần số Nó kết hợp với OFDM xử lý các tín hiệu thời gian độc lập ngay khi dạng sóng OFDM được thiết kế chính xác cho kênh Sự kết hợp giữa OFDM và MIMO giúp cho việc xử lý đơn giản hơn, hiệu quả thu phát cao

Ngoài ra lớp thâm nhập dịch vụ còn sử dụng thêm một số kỹ thuật khác như kỹ thuật SDR,… để tăng thêm tính thích nghi cho UE trong môi trường mạng tích hợp chung

-Bộ điều khiển truy nhập vô tuyến (RAC: Radio Access Controller):

Bộ điều khiển truy nhập vô tuyến (RAC) là phần tử điều khiển của lớp truy nhập vô tuyến Chức năng RNC dùng để điều khiển lưu lượng và quản lý tài nguyên vô tuyến của lớp thâm nhập vô tuyến

Đối với một UE thì RAC thực hiện kết cuối cả đường nối Iu để truyền số liệu người sử dụng và cả báo hiệu tương ứng từ/tới mạng lõi RAC cũng kết cuối báo hiệu điều khiển tài nguyên vô tuyến, xử lý số liệu lớp đoạn nối số liệu từ/tới giao diện vô tuyến Các thao tác quản lý tài nguyên vô tuyến như sắp xếp các thông số vật mang thâm nhập vô tuyến với các thông số kênh truyền tải giao diện vô tuyến

Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến: RRM (Radio Resources Management) là một tập hợp các thuật toán được sử dụng để đảm bảo sự ổn định của đường truyền vô tuyến và QoS của kết nối vô tuyến bằng cách chia sẻ và quản lý tài nguyên vô tuyến một cách có hiệu quả

Trong 4G, thêm một số kỹ năng mới như yêu cầu phát lại tự động nhanh (HARQ: Hybrid Automatic Repeat Request), lập lịch nhanh, thời gian phát truyền dẫn ngắn (TTI: Transmission Time Interval) Hai tính năng quan trọng nhất của công nghệ WCDMA như điều khiển công suất vòng kín và hệ số trải phổ biến thiên không còn được sử dụng

2.3.2 Lớp mạng lõi

Mạng lõi phải tích hợp được tất cả các mạng viễn thông khác như các mạng di động, WLAN, WiMAX, các mạng không dây khác,… Để đạt được điều đó thì trong mạng lõi phải có:

-Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của NGN trên toàn cầu, người ta xây dựng hệ thống truyền dẫn trong mạng lõi sử dụng giao thức IPv6, đặc biệt việc sử dụng IP di động một cách linh hoạt giúp cho việc kết hợp giữa các mạng

-Cổng đa phương tiện (MGW: Multimedia Gateway): Trong mạng lõi, MGW thực hiện các chức năng chính là:

+ Thực hiện chuyển đổi dữ liệu sang gói IP và ngược lại

+ Thực hiện chức năng chuyển mạch, định tuyến dữ liệu từ/tới một vùng dịch vụ của mạng tuỳ thuộc vào vị trí thuê bao MGW được điều khiển bởi MGCF Đường truyền cho các cuộc gọi được

thực hiện giữa RNC và MGW Thông thường MGW nhận các cuộc gọi từ RNC, chuyển đổi dữ liệu theo định dạng gói IP và định tuyến các cuộc gọi này đến nơi nhận trên các đường trục gói Trong nhiều trường hợp đường trục gói sử dụng “Giao thức truyền tải thời gian thực”(RTP: Real Time Transport Protocol) trên “Giao thức Internet” (IP)

Ở nơi mà một cuộc gọi cần chuyển đến một mạng khác, PTSN chẳng hạn, có một cổng các phương tiện khác (MGW), MGW này sẽ chuyển tiếng thoại đóng gói thành PCM tiêu chuẩn để đưa đến PTSN Như vậy chuyển đổi mã chỉ cần thực hiện tại điểm này Truyền tải kiểu đóng gói này cho phép tiết kiệm đáng kể độ rộng băng tần, nhất là khi các MGW cách xa nhau

-Các router: Trong mạng lõi thì các router thực hiện chức năng chính là định tuyến cuộc gọi, đưa các gọi số liệu từ/tới các nơi theo đúng yêu cầu Các router sử dụng giao thức định tuyến tiên tiến trong mạng IP như BGP (BGP: Border Gateway Protocol) BGP là giao thức định tuyến một hệ thống mạng “tự trị” AS (AS: Autonomous System) Hệ thống tự trị

ở đây là một mạng hoặc một nhóm mạng có cùng quản lý chung với cùng chính sách định tuyến chung BGP được sử dụng để thay đổi thông tin định tuyến cho Internet và là giao thức được sử dụng giữa các nhà cung cấp dịch vụ ISP Khi định tuyến trong mạng, dựa trên bảng định tuyến router gửi cho các router “láng giềng” để các BGP láng giềng thay đổi thông tin định tuyến Việc cập nhập định tuyến BGP chỉ thông báo con đường tối ưu để gói tin tới mạng đích.Cùng với việc sử dụng Tuyến liên vùng không phân lớp CIDR (Classless Interdomain Routing), đã làm tăng hiệu quả của việc phân lớp sử dụng địa chỉ IP Khi BGP được sử giữa một nhóm mạng (AS) thì giao thức đó gọi là BGP ngoài, còn nếu nhà cung cấp dịch vụ sử dụng BGP để thay đổi định tuyến trong một AS, thì giao thức đó là BGP trong

Ngoài ra, mạng lõi còn sử dụng một kỹ thuật mới nữa là Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS (MPLS: Multiprotocol Label Switching) Trong môi trường định tuyến bình thường, các khung truyền từ nguồn đến đích theo từng bước từng bước một Định tuyến đánh giá mỗi khung tiêu đề lớp 3 và thực hiện bảng định tuyến để xác định bước nhảy tiếp theo hướng đến đích Điều này có khuynh hướng làm giảm dung lượng mạng bởi vì các yêu cầu CPU tập trung để xử lý mỗi khung Với sự bùng nổ số người sử dụng Internet, cùng với việc yêu cầu thay đổi về lưu lượng truyền tải thì phương pháp cũ không đáp ứng được MPLS thay đổi kiểu định tuyến từng bước bằng cách cho phép các đường dẫn cụ thể trong mạng dựa trên chất lượng và băng tần cần dùng cho các ứng dụng Nói cách khác, lựa chọn đường dẫn bây giờ có thể đưa vào lớp 2 Điều này sẽ làm tăng hiệu quả sử dụng lưu lượng trong mạng

2.3.3 Lớp chức năng

Lớp chức năng điều khiển dùng để điều khiển hệ thống như điều khiển hệ thống báo hiệu, điều khiển lưu lượng, bảo mật thông tin,… đồng thời cung cấp cơ sở hạ tầng cho lớp dịch vụ cung cấp các loại hình dịch vụ khác nhau Chức năng điều khiển gồm có:

-Chức năng báo hiệu: Báo hiệu trong mạng lõi là loại báo hiệu tập trung Do yêu cầu tích hợp được các mạng khác nhau, do đó phải có phương thức báo hiệu giống nhau cho các mạng Ở mạng lõi người ta xây dựng các trung tâm mã điểm báo hiệu STP dùng để điều khiển báo hiệu trong toàn mạng và để liên kết với các trung tâm mã điểm báo hiệu của các nhà cung cấp dịch vụ khác trong nước và trên quốc tế Một đặc điểm chính trong mạng 4G là tất cả đều hội tụ trên nền IP, do đó giao thức báo hiệu thực hiện chính trên mạng 4G là SS7oIP Điều này được thực hiện thông qua Gateway báo hiệu (SGW – Signalling gateway) Chức năng chính của SGW là kết nối các mạng báo hiệu khác nhau thông qua việc chuyển đổi giữa các lớp và điều khiển thực hiện báo hiệu trong nội mạng thông qua giao thức SS7oIP

-Chức năng bảo mật: Đây là một trong những chức năng quan trọng trong hệ thống tương lai, nó đảm bảo cho việc thông tin của người sử dụng được an toàn, bí mật và có tính

riêng tư Chức năng này được thực hiện thông qua Gateway an ninh (SEG - Security Gateway) để cung cấp về chính sách an toàn (proxy server) và bức tường lửa (firewall) Proxy server sẽ định ra các chính sách về an ninh trong toàn mạng Bên cạnh đó, Firewall sẽ thực hiện phân vùng an ninh và đảm bảo tính bảo mật cho các vùng mạng Để thực hiện bảo mật thông tin, dữ liệu sẽ được đi qua Security Gateway trước khi vào hoặc ra khỏi vùng bảo mật Vùng bảo mật này thường là mạng được quản lý chặt chẽ và SEG được đặt ở biên của mạng này Một nhà cung cấp có thể có 1 hoặc một vài SEG để đảm bảo tính an ninh cho mạng đồng thời phòng ngừa trường hợp bị sự cố trên 1 SEG đơn lẻ gây ảnh hưởng đến hoạt động của mạng

.-Chức năng về Billing: Chức năng này cung cấp cho mạng khả năng về nhận thực, tính cước đối với các dịch vụ sử dụng trong mạng Nó thực hiện nhận các thông tin về tính cước từ lớp mạng lõi, căn cứ vào các đặc điểm về thông tin

.tinh cước của từng UE, từng dịch vụ để chọn lọc thông tin về tính cước Các thông tin này sau đó được định dạng lại và được gửi đến các hệ thống tính cước tương ứng và gửi đến các UE

.-Chức năng về tính di động trong mạng (Mobility): Chức năng này được kế thừa từ các mạng di động thế hệ trước Nó được thể hiện qua các thành phần cũ của mạng như HLR, VLR, EIR, AUC, MSCS và cơ cấu điều khiển handover, handoff của thuê bao

.+ Thanh ghi định vị thường trú (HLR): là một cơ sở dữ liệu được đặt tại hệ thống chủ của người sử dụng để lưu bản sao chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng Lý lịch dịch vụ này bao gồm: thông tin về các dịch vụ được phép, các vùng không được phép chuyển mạng, và thông tin về các dịch vụ bổ sung như: trạng thái chuyển hướng cuộc gọi… Các thông tin liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông được lưu trong HLR không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao HLR thường là một máy tính đứng riêng không có khả năng chuyển mạng nhưng có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao

.+ Bộ ghi định vị tạm trú (VLR): chức năng của VLR là lưu giữ bản sao về lý lịch của người sử dụng khách cũng như vị trí của UE trong hệ thống đang phục vụ ở mức độ chính xác hơn HLR

.+ EIR: thực hiện quản lý thiết bị người sử dụng UE EIR lưu tất cả các dữ liệu liên quan đến UE EIR được nối đến MSC và SGSN qua đường báo hiệu để kiểm tra sự được phép của thiết bị Một thiết bị không được phép sẽ bị cấm

.+ Trung tâm nhận thực (AUC): quản lý các thông tin nhận thực và mật mă hóa liên quan đến từng cá nhân liên quan đến từng cá nhân thuê bao dựa trên khóa bí mật Việc quản lý thuê bao được thực hiện thông qua khóa nhận dạng bí mật duy nhất cho từng thuê bao Khóa này được lưu giữ vĩnh cửu và bí mật trong bộ nhớ của UE

.+ MSCS – MSC server là bộ phận cải tiến của mạng 3G so với các thế hệ trước Khi yêu cầu về dữ liệu sử dụng tăng cao, số thuê bao phát triển cao đã buộc MSC truyền thống tách thành 2 bộ phận chức năng riêng biệt: MSC Server dùng để điều khiển chung việc định tuyến cuộc gọi và phần chuyển mạch PS + CS được tập trung trong chức năng của MGW Với việc tách ra 2 thành phần chức năng này, MSCS đã tăng được hiệu quả hoạt động của hệ thống thông qua việc điều khiển tập trung các MGW Nó cũng thể hiện được tính linh động đồng thời giúp phần tăng dung lượng hệ thống

.+ Chức năng quản lý di động được thực hiện riêng biệt trên mạng lõi và mạng RAN Những tiến trình về truy nhập vô tuyến được thực hiện trên mạng RAN Do đó RAN quản lý tính di động ở mức cell, trong khi đó mạng lõi không cần quan tâm đến cấu trúc cell Các quá trình quản lý di động bao gồm:

.+ Quản lý trạng thái UE và vị trí của nó

.+ Quản lý UE khi thâm nhập vào mạng
.+ Cập nhật các vùng định tuyến

.+ Quản lý thay đổi Handover và phân định lại vùng phục vụ cho các UE thực hiện handover

-Chức năng IP Multimedia: Đây là khối chức năng tiên tiến so với các mạng di động 2G Điểm chính của khối chức năng này là thực hiện các chức năng điều khiển, quản lý các phiên làm việc IP trong mạng 4G Các thành phần trong IP Multimedia bao gồm:

Hình 2.8 Cấu trúc chức năng của khối IP Multimedia

+ HSS (Home Subcriber Server): Đây là cơ sở dữ liệu chính của hệ thống trong đó lưu giữ toàn bộ các thông tin về thuê bao và các dữ liệu liên quan đến dịch vụ IP Media Các thông tin này bao gồm số nhận thực thuê bao, các thông tin đăng ký, các tham số truy nhập … Nó bao gồm các chức năng tương tự như của HLR, AUC trong hệ thống di động chuyển mạch kênh nhưng đối với các thuê bao và dịch vụ chuyển mạch gói

+CSCF (Call Session Control Function): Chức năng điều khiển trạng thái phiên cuộc gọi, quản lý việc thiết lập, duy trì và giải phóng các phiên đa phương tiện đến và từ người sử dụng Nó bao gồm các chức năng như: phiên dịch và định tuyến

+MRCF (Multimedia Resource Control Function): Chức năng điều khiển tài nguyên đa phương tiện Khi có yêu cầu về các phiên làm việc đa phương tiện, MRFC sẽ điều khiển thực hiện trên MRFP MRFC cũng đảm nhận chức năng gửi

các thông tin về tính cước

.+ MRFP (Multimedia Resource Function Process): Cung cấp tài nguyênđược yêu cầu và chỉ dẫn bởi MRFC MRFP thực hiện những chức năng sau:

• Kết hợp giữa các dòng dữ liệu media đầu vào (có thể từ nhiều nhà cung cấp) • Là nguồn cung cấp các thông báo về đa phương tiện

• Xử lý các dòng dữ liệu đa phương tiện như chuyển đổi mã âm thanh …
.+ MGCF (Media Gateway Control Function): Chức năng điều khiển thiết lập kết nối giữa mạng chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh Nó xử lý các báo hiệu dịch vụ đến từ các thuê bao chuyển mạch gói và thực hiện chuyển đổi giao thức làm việc giữa 2 mạng

2.3.4 Lớp dịch vụ:

Có chức năng cung cấp các dịch vụ theo yêu cầu của người dùng, có chất lượng cao như: Các dịch vụ thông tin định vị, dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao, dịch vụ điều khiển từ xa,… Với mô hình này, lớp dịch vụ là lớp cung cấp các nội dung về dữ liệu cho

2.4 CÔNG NGHỆ TRÊN IP VÀ IP DI ĐỘNG

Trong hệ thống thông tin di động 4G thì IP di động (MIP: Mobile IP) là một vấn đề rất quan trọng Vấn đề thách thức đối với IP di động là phải chuyển các ứng dụng IP đến các kết cuối di động Hiện nay có hai phiên bản MIP là MIPv4 và MIPv6 được thiết kế để đảm bảo hỗ trợ di động bên trong mạng IPv4 và mạng IPv6 tương ứng Trong hệ thống thông tin di động 4G, trong giai đoạn đầu, chúng ta sử dụng cả hai loại này, sau đó sẽ dần thay thế IPv4 để được mạng toàn IPv6 Bởi vì MIPv6 có nhiều ưu điểm hơn hẳn so với MIPv4 như:

-Đánh địa chỉ: Chúng ta thấy rằng với độ dài 32bit thì MIPv4 không thể đánh hết địa chỉ cho các thiết bị đầu cuối được, còn ở MIPv6 thì số bit dùng để đánh địa chỉ là 128bit đủ sức để đánh địa chỉ cho toàn bộ các thiết bị

-Việc định tuyến tối ưu chỉ là một bộ phận thêm vào cho MIPv4 nhưng nó lại là một bộ phận tích hợp của MIPv6

-Định tuyến tối ưu MIPv4 vẫn đòi hỏi truyền đường hầm lưu lượng giữa các máy tính đối tác và nút di động Trong MIPv6 các gói có thể gửi đi không theo tunnel mà chỉ cần bổ sung thêm một tiêu đề định tuyến…

Các loại truy nhập trong mạng 4G

Trong giai đoạn phát triển đầu của mạng 4G, thì tồn tại cả hai giao thức IP là MIPv4 và MIPv6, do đó yêu cầu phải có sự chuyển đổi địa chỉ trong quá trình truy nhập khi cần thiết

Truy nhập từ MS đến các dịch vụ có các khả năng sau: 1) MS IPv4 truy nhập dịch vụ IPv4 qua mạng IPv4:

Cả MS, loại dịch vụ, và cả mạng sử dụng chung một giao thức đó là IPv4 Trường hợp này thường xảy ra khi chúng là các dịch vụ và thiết bị đầu cuối của 2,5G và 3G Khi MS và dịch vụ trong cùng mạng, địa chỉ IPv4 cá nhân được sử dụng, còn khi dịch vụ ở ngoài mạng thì phải sử dụng địa chỉ IPv4 công cộng để định tuyến, do đó bộ phiên dịch địa chỉ mạng NAT (NAT: Network Address Translator) được sử dụng

2) MS IPv6 truy nhập dịch vụ IPv6 qua mạng IPv6

Trong trường hợp này, cả MS, loại hình dịch vụ và mạng cũng đều sử dụng

cùng giao thức IPv6 Với địa chỉ IPv6, chúng ta không cần hỗ trợ của bộ phiên dịch địa chỉ mạng (NAT) Khi cả dịch vụ và người dùng nằm cùng trong một mạng thì chúng ta có thể dùng địa chỉ vị trí IPv6 3) MS IPv6 truy nhập dịch vụ IPv6 thông qua mang IPv4 Thường xảy ra trong giai đoạn đầu phát triển IPv6, yêu cầu có tunnel của IPv6 qua IPv4 Có hai trường hợp xảy ra: a) MS IPv6 ở trong mạng IPv6 nhưng phần mạng ngoài kết nối tới dịch vụ là IPv4 b) MS IPv6 roam tới một mạng IPv4 4) MS IPv6 truy nhập dịch vụ IPv4 Trường hợp này ít xảy ra trong mạng 4G Tuy nhiên khi xảy ra nhiều thì yêu cầu phải có NAT 5) MS IPv4 truy nhập dịch vụ của IPv6 Trường hợp này yêu cầu phải có bộ phiên dịch địa chỉ từ địa chỉ IPv4 sang địa chỉ IPv6 Điều này sẽ được hỗ trợ bởi một Router hoặc một node nào đó 6) MS IPv4 truy nhập dịch vụ IPv4 thông qua mạng IPv6

Giao tiếp giữa hai mạng dịch vụ: 7) Server IPv4 giao tiếp với Server IPv4 thông qua mạng IPv4 8) Server IPv6 giao tiếp với Server IPv6 thông qua mạng IPv6 9) Server IPv6 giao tiếp với Server IPv6 thông qua mạng IPv4 Trường hợp này thường xảy ra trong giai đoạn đầu chuyển tiếp lên IPv6 Yêu cầu phải có đường hầm (Tunnel) từ IPv6 qua IPv4 Đường hầm này có thể được thiết lập trước hoặc được thiết lập tự động 10) Server IPv6 giao tiếp với Server IPv4 Trường hợp này yêu cầu có bộ phiên dịch địa chỉ mạng-phiên dịch giao thức NAT-PT Nếu Server IPv6 là một IMS, thì ngoài việc chuyển đổi và riêng biệt giao thức IP, cón phải chuyển đổi SIP/SDP qua một ALG 11) Server IPv4 giao tiếp với Server IPv6 Trường hợp này giống trường hợp 4 12) Server IPv4 giao tiếp với Server IPv4 thông qua mạng IPv6 Trường hợp này ít xảy ra, bởi khi IPv6 chiếm ưu thế trong mạng và IPv4 không đủ thì khi đó tất cả dịch vụ sẽ được triển khai IPv6