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… ).
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.
Đặc tính Lợi ích
Độ lợi tín hiệu: Tín hiệu ngỏ vào từ nhiều anten được kết hợp lại để tối ưu công suất có sẵn nhằm thiết lập mức vùng phủ đã cho.
Vùng phủ tốt hơn: Việc tập trung năng lượng gửi ra trong một tế bào sẽ làm tăng vùng phủ của trạm gốc. Các yêu cầu công suất tiêu thụ thấp hơn dẫn đến thời gian dùng pin lâu hơn và kích thước handset sẽ nhỏ hơn.
Sự loại bỏ nhiễu: Antenna pattern có thể được tạo ra do các nguồn nhiễu đồng kênh, việc cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu thu được.
Tăng dung lượng:Việc điều khiển chất lượng các null tín hiệu chính xác và giảm nhiễu kết hợp với việc sử dụng lại 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 tập hợp từ mảng anten được dùng để tối thiểu fading và các tác động của truyền đa đường không mong muốn.
Loại bỏ đa đường: Có thể giảm tác Loại bỏ đa đường: Có thể giảm tác tốc độ bit cao hơn mà không cần dùng bộ cân bằng.
Hiệu quả công suất: kết hợp các ngỏ vào đến nhiều thiết bị để tối ưu tăng ích xử lý có sẳn trên đường xuống.
Chi phí giảm: Chi phí khuyếch đại công suất, công suất tiêu thụ giảm và độ tin 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.