Trong các hệ thống thông tin di động từ thế hệ 2.5G đến thế hệ 4G, hệ thống mạng lõi đã triển khai công nghệ chuyển mạch gói. Hệ thống mạng lõi của các hệ thống thông tin này dựa trên nền tảng mạng NGN.
Dựa theo mô hình tham chiếu của hệ thống di động 4G (hình 1.1), mạng lõi của hệ thống 4G sử dụng công nghệ chuyển mạch gói. Mạng lõi này được xây dựng dựa trên nền tảng của mạng NGN hiện tại, nhưng cần nâng cấp tốc độ và dung lượng hệ thống cũng như các server ứng dụng để đáp ứng yêu cầu về tốc độ, dung lượng, dịch vụ của hệ thống di động 4G.
Mạng lõi hiện tại sử dụng công nghệ truyền dẫn quang SDH, và công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM. Công nghệ truyền dẫn quang SDH cho phép tạo trên đường truyền dẫn tốc độ cao (n*155 Mb/s) với khả năng bảo vệ của các mạch vòng. Công nghệ WDM cho phép sử dụng độ rộng băng tần rất lớn của sợi quang bằng cách kết hợp một số tín hiệu ghép kênh theo thời gian với độ dài các bước sóng khác nhau và ta có thể sử dụng được các của sổ không gian, thời gian và độ dài bước sóng. Công nghệ WDM cho phép nâng tốc độ truyền dẫn lên 5Gb/s,10Gb/s và 20Gb/s.
chỉ đạt được tốc độ cỡ vài chục Gbps (60Gbps là tốc độ truyền dẫn hiện tại của VNPT).
Như vậy để hệ thống mạng NGN có thể đáp ứng được yêu cầu về tốc độ và dung lượng cho hệ thống di động 4G, cần nâng cấp tốc độ truyền dẫn của mạng NGN bằng cách đẩy mạnh triển khai công nghệ WDM, hạn chế sử dụng công nghệ không đạt được tốc độ cao SDH, PDH. Nếu chưa có công nghệ truyền dẫn quang đạt được tốc độ cao hơn công nghệ WDM thì cần triển khai nhiều đường trục sử dụng WDM.
Như vậy mạng NGN chính là cơ sở hạ tầng hệ thống cho các hệ thống thông tin di động mà yêu cầu mạng NGN có tốc độ, dung lượng khác nhau.
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH CẤU TRÚC MẠNG 4G 2.1.Mô hình 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:
2.1.1.Vấn đề tích hợp
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 mạng 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,
Hình 2.2 Sự kết hợp các mạng khác nhau
2.1.2.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.
2.1.3.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.
2.1.4.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 chung đối với tất cả các hệ thống viễn thông.
2.1.5.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.
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.
2.1.6.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 2.4 Tốc độ truyền dữ liệu trong mạng 4G
2.2.Mô hình mạng 4G
2.2.1 Mô hình cấu trúc mạng 3G và 3,5G
2.2.1.1 Mạng thông tin di động thế hệ ba WCDMA
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. Với việc cấu trúc mạng dùng giao thức IP kết hợp với công nghệ ATM, cùng với việc hỗ trợ tốc độ lên tới 2Mbps, mạng thông tin di động thế hệ ba WCDMA có thể hỗ trợ người dùng các dịch vụ như: hội nghị truyền hình, truy cập internet tốc độ cao, download các file dữ liệu nhỏ,…
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 tải xuống 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,…
2.2.1.2 Mạng thông tin di động thế hệ 3,5G HSDPA và HSUPA
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 thểđưa 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.
2.2.1.3 Nhận xét
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 2.5 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 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.
2.3.1.1 Thiết bịđầu 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
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.
2.3.1.2 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 hệ thống gồm hai hay nhiều anten (phần tử của dãy) được bố trí phù hợp về mặt hình học và kết nối liên thông về điện để tạo ra một giản đồ phát xạ định hướng mong muốn. Đối với dãy anten điều khiển pha, pha của các dòng điện ở mỗi phần tử anten sẽ được điều khiển để thu được giản đồ phủ sóng của dãy, thường là tập trung búp sóng lớn nhất hoặc nhỏ nhất theo các hướng mong muốn. Điều khiển pha dòng điện của các phần tử trong dãy là phương thức để điều chỉnh hướng búp sóng.
Một hệ thống anten thông minh bao gồm một dãy anten, với phần cứng vô tuyến và khối điều khiển để thay đổi giản đồ phủ sóng theo điều kiện môi trường vô tuyến nhằm tăng cường hiệu năng của một hệ thống thông tin.
Thực ra, trong hệ thống Anten thông minh, bản thân các phần tử Anten không thông minh, mà sự thông minh được tạo ra do quá trình xử lý số tín hiệu các tín hiệu đến các phần tử Anten.
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
– High Speed Downlink Packet Access) dựa trên công nghệ giao diện vô tuyến W-