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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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 trên một tần số và nhận thông tin trên một tần số khác cao hơn (chênh lệch 80MHz trong D-AMPS và 55MHz trong GSM). Trong cả hai hệ thống, phương pháp dồn kênh phân chia thời gian lại được áp dụng cho một cặp tần số, làm tăng khả năng cung cấp dịch vụ đồng thời của hệ thống. Tuy nhiên, các kênh GSM rộng hơn các kênh AMPS (200kHz so với 30kHz) qua đó GSM cung cấp độ truyền dữ liệu cao hơn D-AMPS
- CDMA (code Division Multiple Access): D-AMPS và GSM là các hệ thống
tần số ra thành các kênh và các kênh này được gán với các khe thời gian. CDMA sử dụng công nghệ đa truy cập thông qua mã [3]. Nhờ công nghệ này mà CDMA có thể nâng cao dung lượng cung cấp đồng thời các cuộc gọi trong một cell cao hơn hẳn so với hai công nghệ trên.
Thông qua Qualcomm, CDMA đã phát triển và trở thành một giải pháp công nghệ tốt nhất và trở thành nền tảng của các hệ thống di động thế hệ thứ 3 (3G).
- PDC (Personal Digital Cellular): Là chuẩn được phát triển và sử dụng duy nhất
tại Nhật Bản. Giống như D-AMPS và GSM, PDC sử dụng TDMA. Chuẩn PDC được NTTDoCoMo đưa vào triển khai trong dịch vụ Digital MOVA vào tháng 3/1993. PDC sử dụng tần số mạch gói là 28.8kHz, 3 khe thời gian, đạt tốc độ chuyển mạch kênh là 9.6kbps và chuyển mạch gói là 28.8kHz. PDC hoạt động hai băng tần 800MHz và 1.5 Ghz.
Cải tiến từ các mạng 2G, các mạng 2.5G như GPRS sử dụng chuyển mạch kênh cho thoại và chuyển mạch gói cho dữ liệu, đã trở nên phổ biến vì phương thức chuyển mạch gói sử dụng băng thông hiệu quả hơn rất nhiều, băng thông tốc độ tối đa lên tới 171.2 kbps (thực tế là 33 kbps). Trong hệ thống này, tất cả các gói tin của mỗi người dùng đều cạnh tranh băng thông với nhau và người dùng chỉ bị tính cước cho lượng dữ liệu được gửi đi.
c. Thế hệ thứ 3 (3G)
Tiếp theo, các mạng 3G đã được đề xuất để khắc phục những nhược điểm của các mạng 2G và 2.5G đặc biệt ở tốc độ thấp và không tương thích giữa các công nghệ như TDMA và CDMA giữa các nước.
Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-200 (International Mobile Telecommunication-2000) cho hệ thống 3G với các ưu điểm chính được mong đợi đem lại bởi hệ thống 3G là:
- Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao
- Các dịch vụ tin nhắn (e-mail, fax, SMS, chat, ...)
- Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, xem truyền hình, nghe nhạc,...) - Truy nhập Internet (duyệt Web, tải tài liệu, ...)
- Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương thích toàn cầu giữa các hệ thống.
Để thoả mãn các dịch vụ đa phương tiện cũng như đảm bảo khả năng truy cập Internet băng thông rộng, IMT-2000 hứa hẹn cung cấp băng thông 2Mbps, nhưng thực tế triển khai chỉ ra rằng với băng thông này việc chuyển giao rất khó, vì vậy
chỉ có các người sử dụng không di động mới được đáp ứng băng thông kết nối này, còn khi đi bộ băng thông sẽ là 384 Kbps, khi di chuyển bằng ô tô sẽ là 144Kbps. Theo đặc tả của ITU một công nghệ toàn cầu sẽ được sử dụng trong mọi hệ thống IMT-2000, điều này dẫn đến khả năng tương thích giữa các mạng 3G trên toàn thế giới. Tuy nhiên, hiện nay trên thế giới tồn tại hai công nghệ 3G chủ đạo: UMTS (W-CDMA) và CDMA2000.
UMTS (W-CDMA)
UMTS (Universal Mobile Telephone System), dựa trên công nghệ W-CDMA, là giải pháp được ưa chuộng cho các nước đang triển khai các hệ thống GSM muốn chuyển lên 3G. UMTS được hỗ trợ bởi Liên Minh Châu Âu và được quản lý bởi 3GPP (third Generation Partnership Project), tổ chức chịu trách nhiệm cho các công nghệ GSM, GPRS. UMTS hoạt động ở băng thông 5MHz, cho phép các cuộc gọi có thể chuyển giao một cách hoàn hảo giữa các hệ thống UMTS và GSM đã có.
CDMA2000
Một chuẩn 3G quan trọng khác là CDMA2000, chuẩn này là sự tiếp nối đối với các hệ thống đang sử dụng công nghệ CDMA trong thế hệ 2. CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2, một tổ chức độc lập và tách rời khỏi 3GPP của UMTS. CDMA2000 có tốc độ truyền dữ liệu từ 144Kbps đến Mbps. Hệ thống CDMA2000 không có khả năng tương thích với các hệ thống GSM hoặc D-AMPS của thế hệ thứ 2.
Hiện nay, đã có nhiều nỗ lực hướng đến thống nhất hai chuẩn này thành một chuẩn chung, nhưng thực tế thì vấn đề ngăn cản tiến trình thống nhất này không đến từ các vấn đề kỹ thuật công nghệ mà chủ yếu từ vấn đề trong các lĩnh vực nhạy cảm như: kinh tế, chính trị.
Các ích lợi đem lại từ việc triển khai 3G là không thể chối cãi, tuy nhiên, các khó khăn trong việc duy trì nguồn ngân sách cho triển khai các hệ thống này (chi phí mua quyền sử dụng băng tần (licese), chi phí triển khai hệ thống) trong bối cảnh suy thoái kinh tế thế giới đã cản trở việc triển khai 3G tại nhiều quốc gia. Hiện tại chỉ có Nhật Bản và Hàn Quốc đã triển khai thành công các hệ thống điện thoại di động thế hệ 3.
8.5 Các đặc điểm công nghệ 4G
Trong mục này, chúng ta sẽ xem xét 5 đặc điểm cơ bản, là động lực cho sự phát triển hệ thống di động 4G.
8.5.1 Hỗ trợ lưu lượng IP
Sự xuất hiện của dịch vụ VoIP đã cho thấy việc truyền thoại có thể dễ dàng thực hiện qua mạng IP chuyển mạch gói, mặc dù vẫn có khó khăn về trễ đầu cuối-đầu cuối do triển khai trên cơ sở hạ tầng mạng hiện tại. Kiến trúc mạng 4G được xây dựng với mục tiêu chính là cung cấp dịch vụ IP chất lượng cao, khả năng xử lý lưu lượng thoại và các lưu lượng thời gian thực sẽ chỉ là mục tiêu thứ yếu. Việc cung cấp các dịch vụ có chất lượng theo yêu cầu qua mạng vô tuyến là một thử thách lớn đối với các hệ thống 4G.
8.5.2 Hỗ trợ tính di động tốt
Trong các hệ thống 4G, người dùng sẽ di động trong một vùng có kích thước đáng kể và giao tiếp thông qua các thiết bị đầu cuối vô tuyến. Người dùng phải có khả năng liên lạc bằng một số nhận dạng duy nhất. Như vậy, phải có cách để ánh xạ từ số nhận dạng này thành một địa chỉ mà các gói tin được định tuyến đến. Việc ánh xạ địa chỉ này chắc chắn phải do người dùng điều khiển vì chỉ người dùng mới có thể thay đổi địa chỉ đích và điều chỉnh truy nhập của người gọi. Trong trường hợp đường truyền từ nguồn tới đích đi qua nhiều vùng mạng khác nhau thì sẽ không tiện lợi nếu ánh xạ này chỉ liên hệ tới một nhà điều hành mạng duy nhất. Mạng 4G sẽ phải có một phương tiện phù hợp để nhận dạng người dùng và cho phép người dùng điều khiển số nhận dạng và thực hiện ánh xạ một cách hiệu quả tới một điểm đích chung.
8.5.3 Hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyến khác nhau
Các hệ thống di động 1G, 2G và 3G sử dụng phổ tần dành riêng cho mạng di động mặt đất và được cấp phép bởi một số ít các nhà điều hành mạng ở mỗi nước. Sự không thống nhất về thời gian cũng như cách thức cấp phát phổ tần đã dẫn đến nhu cầu về điện thoại đa mode có khả năng hoạt động ở nhiều dải tần khác nhau. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong các hệ thống 4G, sử dụng nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau. Xu hướng hiện nay là sử dụng phổ tần trong băng tần không cần cấp phép ISM. Công nghệ Bluetooth (mới được IEEE chuẩn hoá thành tiêu chuẩn 802.15.1) được dùng như là công nghệ cho mạng cá nhân vô tuyến WPAN. Tiêu chuẩn IEEE 802.11b được dùng cho mạng nội hạt vô tuyến WLAN cũng ở dải tần này. Các công nghệ này được sử dụng ngày càng rộng rãi để cung cấp các dịch vụ băng rộng cho người dùng trong khuôn viên toà nhà văn phòng, trường đại học hoặc ở các khu trung tâm. Ngoài ra còn có các phiên bản mới của tiêu chuẩn này như 802.11a hoạt động trong dải tần 5 GHz và 802.11g hoạt động cùng dải tần với tiêu chuẩn
802.11b, cho phép truyền với tốc độ lớn hơn. Nút mạng 4G có thể thích ứng các khả năng để khai thác một cách hiệu quả cả các dải tần còn trống.
8.5.4 Không cần liên kết điều khiển
Trong mô hình mạng GSM, người dùng phải đăng kí thuê bao với mạng và mạng sẽ dò theo thuê bao khi thuê bao di chuyển từ vùng này sang vùng khác, nhằm tối đa hoá khả năng phục vụ của mạng. Việc sử dụng dịch vụ của mạng GSM được đo và tính cước thông qua mạng thường trú. Mọi hoạt động của trạm di động cũng cần phải thông qua mạng thường trú. Thậm chí khi người dùng đã chuyển sang một vùng mới, người dùng vẫn có sự liên lạc với mạng thường trú để thiết lập đường truyền tới thực thể tính cước trước khi thực hiện cuộc gọi.
Hai máy đầu cuối GSM không thể liên lạc trực tiếp với nhau mà trước tiên chúng phải nhận thực với mạng, liên kết với các thông tin tính cước và sau đó mạng sẽ làm trung gian thực hiện kết nối giữa hai đầu cuối. Chế độ này khiến cho nhà điều hành phải sử dụng phổ tần, cấp băng tần cho từng cá nhân, thực hiện đo khi