802.16 nhắm tới những kết nối băng rộng trong khoảng cách rộng. Điều này yêu phương pháp khác trên lớp 2 thứ nhất của nhóm giao thức khi so sánh với WLAN. Bằng sự phân chia theo thời gian và tần số, hệ thống 802.16 có thể dùng 2 băng được cấp phép và không được cấp phép. Truy cập internet nhanh với tốc độ trong khoảng 1 và 10Mbps trên khoảng cách vài km trong môi trường thực tế, mạng 802.16 có thể cạnh tranh với những kỹ thuật mạng đứng đầu khác như UMTS và HSDPA.
Trái ngược với HSDPA, 802.16 là sự phát triển tự nhiên cho mạng UMTS và sẽ được dùng bởi các nhà khai thác không dây đương thời, 802.16 là kỹ thuật gây sự hứng thú cho những nhà khai thác mạng mới muốn cạnh tranh với những giải pháp khác thuộc về truy cập internet băng rộng cố định và không dây. Sự mở rộng 802.16e là nhằm vào chuẩn để cải thiện tình huống thêm vào như tính di động, và những nhà sản xuất thiết bị notebook như Intel đã đưa ra chipset hỗ trợ sự mở rộng di động của chuẩn 802.16. Thêm vào đó kiến trúc mạng đã được định nghĩa cho
phép roaming quốc gia và quốc tế. 802.16 chứng tỏ là một sự chọn lựa kỹ thuật cho việc truy cập internet nhanh ở nông thôn và miền núi. Trong những nước phát triển, 802.16 cho phép những nhà khai thác cung cấp truy cập internet tới thị trường rộng lớn cũng giống như cách của mạng GSM.
Chuẩn 802.16e thêm di động tới hệ thống WiMAX và cho phép đầu cuối roam từ BS tới BS (Base Station). Ý định của sự mở rộng này là cạnh tranh với những kỹ thuật không dây khác như UMTS, CDMA và WLAN đối với sự di chuyển của thuê bao sử dụng thiết bị như notebook khi từ nhà hoặc văn phòng. 7.3 UMTS vệ tinh (satellite UMTS)
Hình 7.8: Kiến trúc mạng UMTS vệ tinh
Cơ sở hạ tầng mạng bao gồm miền AN và CN. Miền AN cung cấp những chức năng liên quan tới vô tuyến và CN cung cấp những chức năng tương tác mạng không liên quan đến vô tuyến và cố định.
Hình 7.9: Cấu trúc bên trong của cổng (GWS – the GateWay Subsystem, GTS – the GateWay Transceiver Subsystem, GSC – the Gateway Station Control)
Nội dung tích hợp yêu cầu sử dụng phần vệ tinh như RAN, được gọi là USRAN (UMTS Satellite Radio Access Network). Điều này sẽ cung cấp những thuật lợi khi tích hợp bởi vì chuẩn mặt đất có thể được tái sử dụng với một chút cố gắng thích nghi và/ hoặc sửa đổi. Một vài sự điều tra để đạt được hệ thống mục tiêu là tuỳ theo những điểm tham chiếu khác nhau, loại kỹ thuật truy cập vệ tinh (truy cập trực tiếp/gián tiếp), loại quỹ đạo vệ tinh (GSO (Geo Synchronous Orbit)/Non GSO (NGSO)) và mức xử lý on-board của vệ tinh, vệ tinh tái sinh/khuynh hướng - ống dẫn (BP)
Vệ tinh trong suốt
Trong vệ tinh trong suốt, tất cả giao thức của mạng lõi và truy cập vô tuyến được triển khai trên phần mặt đất, tức là cổng (GW). Vệ tinh thực hiện vai trò khuyếch đại những tín hiệu vô tuyến. Khi kết quả là không có chuyển mạch on- board hoặc mức độ định tuyến cao là có thể , tức là tất cả những kết nối giữa 2 đầu cuối liên kết với vệ tinh sẽ được định tuyến qua phần mặt đất ( double-hop).
2 viễn cảnh có thể được xem xét trong những điểm giao diện giữa phần vệ tinh và mạng lõi mặt đất
Tích hợp ở giao diện Iub (Iub*)= BPNodeB
Trong viễn cảnh này, phần vệ tinh gồm vệ tinh và GW thực viện vai trò của Node B, và được kết nối tới RNC chuẩn (mặt đất) trên giao diện Iub. Chú ý, giao diện Uu* là giao diện không khí Uu đã biến đổi trong điều kiện diện mạo của L1, tần số mang, cấu trúc kênh vật lý và điều khiển năng lượng của thành phần vệ tinh GW sẽ có một đơn vị tương tác vệ tinh S-IWU (là Satellite-InterWorking Unit) nhằm quản lý tất cả thủ tục cụ thể của vệ tinh như quản lý di động vệ tinh inter/intra và thủ tục điều khiển năng lượng. GW không gồm chức năng RNC trong
NodeB
BP , như chức năng IW (Inter-Work) phải được trang bị trong RNC mặt đất. RNC cộng với S-IWU được coi là RNC*.
Viễn cảnh này có những ưu điểm là sự tích hợp phần vệ tinh vào UMTS mặt đất có thể chỉ với một chút biển đổi GW đang tồn tại, vì hầu hết những chức năng IW quan trọng được triển khải trong RNC* mặt đất. Nhược điểm quyết định của viễn cảnh này là thủ tục cụ thể của vệ tinh bị điều khiển bởi RNC mặt đất, tức là sự nỗ lực báo hiệu giữa vệ tinh và thành phần mặt đất trên Iub* là bất kỳ thủ tục RTI (Radio Technology Independent) cũng như giao thức RTD (Radio Technology Dependent)
Tích hợp ở giao diện Iu (BPRNC)
Trong viễn cảnh này, đoạn vệ tinh kết nối trực tiếp tới mạng lõi UMTS(ở SGSN) qua giao diện chuẩn Iu nếu như nó là mạng truy cập vô tuyến UMTS (UTRAN). Do đó, GW vệ tinh được mở rộng với S-IWU từ chức năng mạng truy cập vô tuyến mặt đất UMTS chuẩn
Hình 7.10: Viễn cảnh vệ tinh trong suốt – Tích hợp ở Iub ( BPNodeB ) và ở Iu (BPRNC)
Trái ngược với BPNodeB , thủ tục cụ thể của vệ tinh cho giao thức RTD bị điểu khiển trực tiếp bởi GW vệ tinh. Hơn nữa, khi GW chuyển đổi tín hiệu giao thức RTI tới định dạng chuẩn như ý và hướng tới mạng lõi UMTS.
Ưu điểm của viễn cảnh này là sự đơn giản của việc tích hợp mà phần vệ tinh được tích hợp vào UMTS mặt đất không cần mở rộng phần mặt đất, và hiểu quả của giao thức RTD mà mỗi đoạn vô tuyến có thể thực hiện thủ tục RAT (Radio Access Technology) độc lập với nhau.
Việc chọn chùm vệ tinh cho S-UMTS
Những chùm và quỹ đạo khác nhau có thể được hình dung cho sự khai thác những dịch vụ S-UMTS. Không có chùm vệ tinh nào là tốt nhất đang tồn tại vì sự thay đổi pros và cons của chùm vệ tinh. Dưới những đặc tính của 2 quỹ đạo, GEO và LEO, được so sánh trong những điều kiện thuộc khu vực hoạt động của chúng. Những vệ tinh đồng bộ GEO quay quanh trái đất ở độ cao 36000km kết quả là trễ truyền cao không như ý cho hệ thống thông tin. Trễ truyền giữa 2 trạm trái đất trên GEO là xung quanh 500ms. Theo sự định nghĩa của 3GPP cho lớp hội thoại, trễ
này không chấp nhận được, việc sử dụng vệ tinh GEO cho ứng dụng này là không thực tế. Mặc dù trễ truyền dài, việc sử dụng vệ tinh GEO trong S-UMTS là thú vị vì vùng phủ sóng rộng của chúng và tốc độ dữ liệu cao trên đường downlink
Vệ tinh quỹ đạo thấp (LEO- Low Earth Orbiting) quay ở độ cao trong khoảng từ 700 tới 2000km trên trái đất. Chúng có tiềm năng là thành công ở hệ thống viễn thông toàn cầu trong tương lai, như trễ truyền tín hiệu nhỏ hơn nhiều và yêu cầu ít năng lượng của đầu cuối trái đất. Hệ thống LEO cũng mạng lại những cell vệ tinh nhỏ hơn, cho phép tái sử dụng tần số tốt hơn và vì thế dung lượng cao hơn hệ thống GEO. Nhược điểm chính của LEO so sánh với GEO (hoặc mạng không dây mặt đất) là vệ tinh LEO di chuyển với tốc độ cao xung quanh trái đất, ví dụ, với tốc độ 8km/s so với mặt đất. Sự di chuyển của vệ tinh có thể làm tăng số lượng loại chuyển giao (handovers) trong xuốt cuộc gọi, việc tăng tổng số điều khiển và/ hoặc lưu lượng đặt trước.
Chương 8 Tổng quan về 4G
8.1 Yêu cầu xây dựng mạng di động không dây thế hệ mới 4G
Việc triển khai tại một số nước đã chỉ ra một vài vấn đề mà 3G chưa giải quyết được hoặc mới chỉ giải quyết được một phần đó là :
- Sự khó khăn trong việc tăng liên tục băng thông và tốc độ dữ liệu để thoả mãn nhu cầu ngày càng đa dạng các dịch vụ đa phương tiện, và các dịch vụ khác với nhu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) và băng thông khác nhau.
- Sự giới hạn của giải phổ sử dụng.
- Mặc dù được hứa hẹn khả năng chuyển vùng toàn cầu, nhưng do tồn tại những chuẩn công nghệ 3G khác nhau nên gây khó khăn trong việc chuyển vùng (roamming) giữa các môi trường dịch vụ khác biệt trong các băng tần số khác nhau.
- Thiếu cơ chế chuyển tải “seamless” (liền mạch) giữa đầu cuối với đầu cuối khi mở rộng mạng con di động với mạng cố định.
Trong nỗ lực khắc phục những vấn đề của 3G, để hướng tới mục tiêu tạo ra một mạng di động có khả năng cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ thoại, truyền dữ liệu và đặc biệt là các dịch vụ băng rộng multimedia tại mọi nơi (anywhere), mọi lúc (anytime), mạng di động thế hệ thứ tư - 4G (Fourth Generation) đã được đề xuất nghiên cứu và hứa hẹn những bước triển khai đầu tiên trong vòng một thập kỷ nữa (2010).
Hiện nay, 4G mới đang ở giai đoạn đầu của quá trình phát triển với cách tiếp cận tương đối khác nhau được đề xuất bởi một số tổ chức có uy tín trên thế giới.
8.2. Các quan điểm tiếp cận mạng thế hệ mới 4G 8.2.1. Cách tiếp cận theo quan điểm hệ thống 8.2.1. Cách tiếp cận theo quan điểm hệ thống
Cách tiếp cận này được NTTDoCoMo của Nhật Bản đề xuất, tốc độ hứa hẹn ở mức từ 2 đến 20Mbps, với các ý tưởng sau :
- Phát triển và xây dựng mạng truy nhập vô tuyến mới và để hỗ trợ cho mạng truy cập này, mạng lõi mới cũng cần phải được xây dựng nền tảng IP.
- Sử dụng dải phổ mới, đặc biệt là vùng đã được cấp phát cho mục đích quốc phòng hoặc quảng bá.
Cách tiếp cận này kế thừa cách tiếp cận khi xây dựng các thế hệ mạng di động trức đây, nghĩa là, tập trung chính vào việc xây dựng một hệ thống mới hoàn toàn.
8.2.2. Cách tiếp cận theo quan điểm tích hợp mạng
Trong cách tiếp cận này, thay vì nỗ lực phát triển các công nghệ và giao diện vô tuyến mới cho hệ thống 4G, các nhà nghiên cứu cho rằng về thực chất hệ thống 4G chỉ là sự tích hợp các hệ thống không dây đã được phát triển và đang triển khai trên thế giới như (WLAN, DSL, về tinh, quảng bá, 2G, 3G, ...). Cách tiếp cận này được Uỷ ban châu Âu (EC - European Commision) thông qua trong việc xây dựng các hệ thống 4G. Theo cách tiếp cận này, người sử dụng sẽ được hệ thống cung cấp khả năng “di động cá nhân” (personal mobility), theo đó, họ có thể từ thiết bị của mình truy nhập đến các dịch vụ mà không cần quan tâm đến các công nghệ giao diện không gian đang sử dụng (WLAN, GSM, GPRS,...). Theo quan điểm này, công nghệ IP cho mạng cố định sẽ được triển khai đến các trạm cơ sở (Base Station - viết tắt là BS), và các trạm này sẽ trở thành các router truy cập (access router).
Gần đây, quan điểm này được tái khẳng định trong “Báo cáo 4G 2005: Sự
thayđổi chuỗi giá trị không dây” đưa ra ngày 30 tháng 6 năm 2005 bởi VisionGain - Tổ chức uy tín chuyên đưa ra các đưa ra các phân tích đánh giá về tình hình công nghệ trên thế giới [39] - theo đó: “4G không chỉ định nghĩa ra một chuẩn mới, mà 4G đưa ra một môi trường trong đó các phương thức truy nhập không dây sẽ có khả năng phối hợp họat động để cung cấp các phiên truyền thông có khả năng chuyển giao thông suốt giữa chúng”.
Rõ ràng, theo quan điểm này hệ thống sẽ linh hoạt hơn (không phụ thuộc vào một công nghệ cụ thể nào), với chi phí triển khai thấp (dựa trên các công nghệ và hệ thống sẵn có). Hệ thống dựa trên quan điểm này được gọi là hệ thống ALL-IP 4G.
8.3. Định nghĩa mạng di động ALL-IP 4G
Định nghĩa mạng di động ALL-IP 4G : hay còn gọi là mạng di động thế hệ mới
với nền tảng là việc tích hợp các công nghệ truy cập dựa trên giao thức IP (Internet Protocol), nhằm mục đích cung cấp các dịch vụ tốc độ cao tại mọi nơi, mọi lúc, không gián đoạn cùng với khả năng cá nhân hoá cao cho người sử dụng.
Trong đó, các công nghệ không dây được tích hợp bao gồm: Truyền thông vệ tinh (satellite communication), Mạng điện thoại tế bào (cellular telephon network), Truyền hình số (digital video broadcast - DVB, Phát thanh số (digital audio broadcast - DAB), Mạng cục bộ không dây (wireless local area network - WLAN) dựa trên công nghệ mũi nhọn Bluetooth, Mạng di động đặc biệt (mobile ad hoc network - MANET), ...,
Qua sự tích hợp này mà khả năng đáp ứng băng thông rộng của mạng Wi-Fi, Bluetooth, MANET, ...; khả năng bao phủ dịch vụ trên diện rộng của mạng vệ tinh, tế bào, ...; với khả năng vượt trội đã được kiểm chứng của các cộng nghệ dựa trên nền IP được tận dụng nhằm đáp ứng tốt nhất nhu cầu được đáp ứng dịch vụ thông suốt với chất lượng cao của người sử dụng. Hơn nữa, với đặc điểm “cá nhân hoá”, hệ thống ALL-IP 4G có khả năng điều chỉnh cung cấp dịch vụ phù hợp với người sử dụng với các điều kiện khác nhau.
Hình 8.1: Các công nghệ không dây tích hợp mạng 4G
Với môi trường tích hợp nhiều công nghệ (hình 1-1), mạng di động ALL-IP 4G còn được gọi là mạng không đồng nhất (heterogeneous network) hay môi trường không đồng nhất (heterogeneous enviroment).
8.4. Các thế hệ công nghệ
Thông tin di động đã phát triển từ hệ thống tượng tự (analogue) thế hệ thứ nhất (1G) đến các thế hệ thống thế hệ thứ hai (2G) như CDMA và GSM. Hiện nay, thế hệ thứ ba (3G) đã bắt đầu được đưa vào sử dụng, cung cấp các dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao và hứa hẹn cho phép khả năng roarming toàn cầu. Mặc dù có chậm trễ trong việc triển khai do sự suy thoái kinh tế trên toàn thế giới nhưng triển vọng phát triển các thế hệ công nghệ kế tiếp - với khả năng đáp ứng băng rộng cũng như chất lượng dịch vụ ngày càng cao - là rất lớn.
DAB and DVB-T Sateline 2G, 3G Wireless LANs Wireless PANs Global Layer Regioal layer National layer Local layer
Persional network layer
Horizontal Handover
Vertical Handover
a. Thế hệ thứ nhất (1G)
Thế hệ thông tin di động đầu tiên (1G) là các hệ thống tương tự, sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), bắt đầu xuất hiện vào đầu thập niên 80 và hoạt động cho đến khi bị thay thế bởi các thế hệ hai (2G).
Các chuẩn công nghệ phổ biến nhất của thế hệ này là: Hệ thống điện thoại di động cao cấp (AMPS - Advance Mobile Phone System) phát minh bởi Bell Labs và cài đặt tại Mỹ năm 1982 [3,40]. Phiên bản được sử dụng tại châu Âu của AMPS có tên TACS (Total Access Communication System).
b. thế hệ thứ hai (2G)
Thế hệ thứ hai (2G) xuất hiện vào những năm 90 với mạng di động đầu tiên, sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA). Trong thời kỳ của thế hệ thứ hai, nền công nghệ thông tin di động đã tăng trưởng vượt trội cả về số lượng thuê bao và các dịch vụ giá trị gia tăng. Các mạng thế thứ hai cho phép truyền dữ liệu hạn chế trong khoảng từ 9.6 kbps đến 19.2 kbps. Các mạng này được sử dụng chủ yếu cho mục đích thoại và là các mạng chuyển mạch kênh.
Tương tự như trong 1G, không tồn tại một chuẩn chung toàn cầu nào cho 2G, hiện nay các hệ thống 2G dựa trên 3 chuẩn công nghệ chính sau:
D- AMPS (Digital AMPS): Được sử dụng tại Bắc Mỹ. D-AMPS đang dần được thay thế bởi GSM/GPRS và CDMA2000. D-AMPS sử dụng kênh AMPS sẵn có và cho phép sự chuyển đổi giữa các hệ thống số và tương tự trong cùng một khu vực diễn ra APMS chia mỗi cặp kênh 30kHz thành 3 khe thời gian và nén giữ liệu thoại theo các phương pháp số. Hệ thống số cũng làm cho các cuộc gọi trở nên an toàn hơn cho người sử dụng các phương pháp mã mật.
GSM (Global System for Mobile Communications): Các hệ thống triển khai GSM
được sưe dụng rất rộng rãi trên thế giới (ngoại trừ Bắc Mỹ, Nhật). Hệ thống GSM dồn kênh phân chia tần số được sử dụng, với mỗi đầu cuối di động truyền thông