- Triểnkhai nhanhcỏc dịchvụ mới Dễ dàng triển khai cỏc dịch vụ mớ
CHƢƠNG 3 NGHIấN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG CễNG NGHỆ DI ĐỘNG 4G
3.4. NHỮNG THÁCH THỨC KHI CHUYỂN SANG MẠNG DI ĐỘNG 4G 1 Những thỏch thức
Với sự phỏt triển liờn tục khụng ngừng của mạng thụng tin vụ tuyến hiện nay, thỡ việc chuyển sang hệ thống di động thế hệ thứ tư(4G) trong vài thập kỷ tới là hoàn toàn cú thể. Hệ thống di động 4G tập trung vào việc tớch hợp cỏc cụng nghệ khụng dõy hiện tại nh− GSM, LAN vụ tuyến và Bluetooth. Khỏc hẳn với 3G chỉ tập trung vào việc phỏt triển cỏc chuẩn mới và phần cứng. Hệ thống 4G sẽ hỗ trợ cỏc dịch vụ thụng minh và mang tớnh cỏ nhõn, cung cấp hệ thống hoạt động với độ ổn định và chất lượng dịch vụ cao. Tuy nhiờn, việc chuyển từ cỏc hệ thống hiện nay sang 4G gặp phải những sự cạnh tranh lớn. Chương này đề cập đến cỏc thỏch thức khi chuyển sang hệ 4G như: trạm di động, hệ thống và dịch vụ và cỏc giải phỏp đ−ợc đề xuất.
Cỏc nhà nghiờn cứu hiện đang phỏt triển cỏc dạng mụ hỡnh cho mạng 4G t−ơng lai với cỏc ch−ơng trỡnh nghiờn cứu khỏc nhau nh− Mobile VCE, MIRAI, DoCoMo và đều cú quan điểm riờng của họ về cỏch tiến hành và cỏc đặc điểm của mạng 4G. Một số đặc điểm quan trọng (theo tiờu chớ của ng−ời sử dụng) của mạng 4G đ−ợc chỉ ra nh− sau:
- Tớnh tiện dụng cao: bất kỳ thời điểm nào, ở đõu và với bất kỳ cụng nghệ nào.
- Hỗ trợ dịch vụ multimedia với chi phớ truyền dẫn thấp.
- Mang tớnh cỏ nhõn.
- Tớch hợp nhiều loại dịch vụ.
Tr−ớc hết, mạng 4G là mạng tớch hợp hoàn toàn dựa trờn IP cho phộp ng−ời dựng sử dụng bất kỳ hệ thống nào tại bất kỳ thời điểm nào và tại bất cứ nơi đõu. Ng−ời sử dụng mang theo một thiết bị đầu cuối tớch hợp cú thể đ−ợc dựng rất nhiều cỏc ứng dụng đ−ợc cung cấp bởi vụ số mạng khụng dõy.
Thứ hai, hệ thống 4G cung cấp khụng chỉ cỏc dịch vụ viễn thụng thụng th−ờng mà cũn cung cấp cỏc dịch vụ truyền thụng đa phương tiện (multimedia). Để hỗ trợ đ−ợc cỏc dịch vụ này, dịch vụ dữ liệu tốc độ cao và cú độ tin cậy sẽ đ−ợc sử dụng. Song song với nú là mức chi phớ truyền dẫn tớnh theo bit thấp.
Thứ ba, cỏc dịch vụ mang tớnh cỏ nhõn sẽ đ−ợc cung cấp trong mạng thế hệ mới này. Ta cú thể hi vọng rằng khi cỏc dịch vụ 4G đ−ợc đ−a vào sử dụng thỡ dự ng−ời dựng ở vựng miền khỏc nhau và cú điều kiện kinh tế khỏc nhau đều cú thể sử dụng đ−ợc dịch vụ. Để đỏp ứng nhu cầu thay đổi của ng−ời sử dụng, nhà cung cấp dịch vụ nờn tạo ra cỏc dịch vụ cỏ nhõn hoỏ và đa dạng.
Điểm cuối cựng của hệ thống 4G là cung cấp sự tiện lợi với cỏc dịch vụ tớch hợp. Ng−ời sử dụng cú thể cựng lỳc dựng rất nhiều dịch vụ từ bất kỳ một nhà cung cấp dịch vụ nào. Vớ dụ, ta thử hỡnh dung một ng−ời sử dụng di động 4G, cần tỡm thụng tin về cỏc bộ phim trỡnh chiếu ở rạp chiếu phim gần đấy. Mỏy di động của anh ta cú thể đồng thời kết nối với cỏc hệ thống khụng dõy khỏc nhau. Cỏc hệ thống đú cú thể là Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) (xỏc định vị trớ hiện tại của anh ta), LAN khụng dõy (cú thể xem tr−ớc cỏc bộ phim chiếu ở rạp gần đấy), và cũng cú thể là đa truy nhập phõn chia theo mó (CDMA) (thực hiện cuộc gọi điện thoại cho ng−ời quản lý rạp chiếu phim). Trong vớ dụ này, anh ta thực sự đó sử dụng cỏc dịch vụ khụng dõy với mức độ chất l−ợng dịch vụ (QoS), cơ chế bảo mật, cấu hỡnh thiết bị, cỏch thức thay đổi cũng nh− ứng dụng khỏc nhau. Đú sẽ là một cuộc cỏch mạng lớn nếu nh− cỏc dịch vụ tớch hợp đú đều thực hiện đ−ợc trờn một thiết bị đầu cuối di động 4G.
Để chuyển cỏc hệ thống hiện tại sang 4G với cỏc đặc tớnh đó nờu trờn thỡ chỳng ta phải đối mặt với một loạt thỏch thức.
Bảng 3.3. Túm tắt những thỏch thức chớnh và đề xuất cỏc giải phỏp
Cỏc thỏch thức chớnh Đề xuất giải phỏp TRẠM DI ĐỘNG
Thiết bị đầu cuối ng−ời dựng đa chế độ
Cần một thiết bị đầu cuối ng−ời sử dụng cú thể hoạt động trong cỏc mạng khụng dõy khỏc nhau, đồng thời cú thể khắc phục cỏc vấn đề về thiết kế nh− hạn chế kớch th−ớc của đầu cuối, chi phớ, cụng suất tiờu thụ và khả năng t−ơng thớch ng−ợc với hệ thống
Cú thể theo h−ớng tiếp cận giao diện phần mềm nh− sau: đầu cuối ng−ời sử dụng tự thớch nghi với giao diện vụ tuyến của mạng.
Nhận biết hệ thống vụ tuyến
Nhận biết hệ thống vụ tuyến bằng cỏch xử lý cỏc tớn hiệu đ−ợc gửi tới từ cỏc hệ thống vụ tuyến khỏc nhau (với giao thức truy nhập khỏc nhau và cú thể khụng t−ơng thớch với nhau).
Phỏt hiện bờn khởi x−ớng là ng−ời sử dụng hay hệ thống bằng cỏch tải tự động cỏc module phần mềm với cỏc hệ thống vụ tuyến khỏc nhau. Lựa chọn hệ thống vụ tuyến
Mọi hệ thống vụ tuyến đều cú vai trũ cũng nh− đặc tớnh riờng. Sự phỏt triển nhanh chúng cụng nghệ khụng dõy gõy khú khăn trong việc lựa chọn một cụng nghệ phự hợp với một dịch vụ nào đú tại một thời điểm ở một nơi nào đú.
Lựa chọn hệ thống vụ tuyến mà phự hợp nhất với yờu cầu QoS của ng−ời sử dụng, với mạng hiện cú hoặc theo sự lựa chọn của ng−ời sử dụng.
HỆ THỐNG
Khả năng di động của đầu cuối
Xỏc định và bổ sung thụng tin về vị trớ của đầu cuối trong cỏc hệ thống khỏc nhau. Đồng thời chuyển giao theo hai chiều yờu cầu thời gian và mất mỏt gúi ớt nhất
Đề xuất cơ cấu chuyển giao nhanh và phối hợp tớn hiệu.
Hỗ trợ QoS và cơ sở hạ tầng mạng
Tớch hợp hệ thống dựa trờn nền IP và cỏc hệ thống khỏc, đồng thời đảm bảo QoS với dịch vụ end-to-end của cỏc hệ thống khỏc nhau.
Đề xuất cơ cấu QoS thụng minh, rừ ràng đối với hệ thống UMTS. Cơ cấu này cũng hỗ trợ t−ơng tỏc với cỏc cụng nghệ QoS chung khỏc.
Bảo mật
Sự phức tạp của mạng khụng dõy gõy khú khăn cho vấn đề bảo mật. Việc cấu hỡnh động, tớnh t−ơng thớch và cơ cấu bảo mật mức đơn giản cũng đ−ợc phỏt triển.
Thay đổi cơ cấu bảo mật hiện tại cú thể ứng dụng đ−ợc với mạng phức tạp này. Đề xuất hỗ trợ bảo mật chuyển giao cho phiờn ứng dụng.
Khả năng chịu lỗi và phục hồi
Giảm thiểu lỗi và ảnh h−ởng của chỳng đến cỏc mức trong mạng vụ tuyến
Đề xuất cấu trỳc chịu đ−ợc lỗi đối với mạng phức tạp và giao thức phục hồi lỗi.
DỊCH VỤ
Hệ thống tớnh c−ớc và đa ng−ời vận hành.
Tập trung, quản lý, và l−u thụng tin c−ớc của khỏch hàng từ nhiều nhà cung cấp dịch vụ. Ngoài ra, cũn tớnh c−ớc khỏch hàng đơn giản nh−ng vẫn chi tiết. Đề xuất cỏc khung tớnh c−ớc khỏc nhau. Khả năng di động của cỏ nhõn Cung cấp tớnh khả năng di động cỏ nhõn liờn tục cho ng−ời dựng mà khụng cần thay đổi mỏy chủ trong hệ thống. Đề xuất cỏc khung di động cỏ nhõn. Phần lớn là sử dụng cỏc trạm quỏ giang di động, cũn một số thỡ khụng. 3.4.2. GIẢI PHÁP 3.4.2.1. Trạm di động
Thiết bị đầu cuối ng−ời dựng đa chế độ (multimode) - để dựng đ−ợc nhiều loại dịch vụ và mạng khụng dõy trong hệ thống 4G, thỡ cần thiết phải cú loại thiết bị đầu cuối đa chế độ. Vỡ cỏc thiết bị này cú khả năng tự cấu hỡnh lại nờn sẽ t−ơng thớch với cỏc mạng khụng dõy khỏc nhau. Điều này sẽ giỳp loại bỏ việc phải sử dụng nhiều thiết bị đầu cuối (hoặc nhiều thiết bị phần cứng trong một đầu cuối). Kiến trỳc của thiết bị
hiệu quả. Để cú đ−ợc thiết bị đầu cuối đa chế độ thỡ th−ờng sử dụng phần mềm vụ tuyến. Hỡnh 3.9 biểu diễn sơ đồ một phần mềm vụ tuyến lý t−ởng. Phần t−ơng tự của bộ thu gồm một antenna, một bộ lọc thụng dải (BPF) và một khuếch đại tạp õm thấp (LNA). Tớn hiệu t−ơng tự thu đ−ợc ngay sau đú sẽ qua bộ chuyển đổi t−ơng tự/số (ADC) để số hoỏ. Xử lý ở b−ớc tiếp theo (th−ờng vẫn là xử lý t−ơng tự) thực hiện ở bộ xử lý tớn hiệu số băng tần gốc cú khả năng đặt lại ch−ơng trỡnh. DSP sẽ xử lý tớn hiệu số sao cho phự hợp với mụi tr−ờng vụ tuyến. Tuy nhiờn, cụng nghệ phần mềm vụ tuyến hiện tại khụng thể đỏp ứng đ−ợc tất cả cỏc mạng vụ tuyến khỏc nhau vỡ những vấn đề kỹ thuật sau đõy:
Thứ nhất, khụng thể chỉ dựng một anten và một LNA để phục vụ cho cả một dải băng tần rộng (vớ dụ nh− băng tần của tất cả cỏc mạng vụ tuyến 4G). Giải phỏp duy nhất là sử dụng rất nhiều phần xử lý tương tự để làm việc trong cỏc băng tần khỏc nhau. Điều này chắc chắn sẽ làm tăng độ phức tạp trong thiết kế và làm tăng kớch th−ớc của thiết bị đầu cuối.
Vấn đề thứ hai, tốc độ của cỏc bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC) hiện tại khụng đủ nhanh. Vớ dụ, dạng súng của GSM và dịch vụ viễn thụng di động toàn cầu (UMTS) cần độ phõn giải ớt nhất là 17 bit với tốc độ lấy mẫu rất cao (trờn 100 nghỡn mẫu/giõy). Để cung cấp đ−ợc độ phõn giải nh− vậy thỡ tốc độ ADC nhanh nhất hiện nay vẫn chậm hơn hai đến ba lần so với yờu cầu.
Vấn đề cuối cựng là phải cho phộp thực thi phần mềm thời gian thực cài cỏc chức năng giao diện vụ tuyến nh− chuyển đổi tần số, lọc số, phỏt súng, thu súng và sử dụng DSP song song. Điều này cũng làm nảy sinh vấn đề nh− tăng độ phức tạp của mạch, tiờu thụ điện lớn và lóng phớ.
Hỡnh 3.9: Hệ thống phần mềm vụ tuyến lý tưởng
Nhận biết hệ thống vụ tuyến
Để sử dụng cỏc dịch vụ 4G, thiết bị đầu cuối ng−ời dựng đa chế độ phải cú khả năng lựa chọn hệ thống vụ tuyến đớch. Trong hệ thống GSM, cỏc trạm gốc phỏt quảng bỏ cỏc bản tin bỏo hiệu về dịch vụ tới cỏc mỏy di động theo một chu kỳ nào đú. Tuy nhiờn, quỏ trỡnh này trở nờn phức tạp trong hệ thống 4G bởi vỡ sự khỏc nhau trong cụng nghệ vụ tuyến và giao thức truy nhập. Một giải phỏp đ−ợc đề xuất là dựng phần mềm thiết bị vụ tuyến cú khả năng quột cỏc mạng hiện cú. Sau khi quột, chỳng sẽ tải về phần mềm yờu cầu và tự cấu hỡnh cho phự hợp 3.10 là vớ dụ một thiết bị đầu cuối đa chế độ gắn với một WLAN đang quột cỏc mạng vụ tuyến. Một khi đầu cuối phỏt hiện ra hệ thống, nú cú thể tải phần mềm phự hợp về để cấu hỡnh lại phần mềm vụ tuyến. Nh− trong hỡnh vẽ, phần mềm cú thể đ−ợc tải xuống từ PC server, thẻ thụng minh hoặc thẻ nhớ hoặc qua mụi tr−ờng khụng gian (OTA). Mỗi cỏch đều cú −u và nh−ợc điểm riờng về tốc độ, độ chớnh xỏc, sử dụng nguồn và độ tiện lợi. OTA là cỏch thức phỏt hiện hệ thống vụ tuyến khú nhất nh−ng nú giải phúng ng−ời dựng khỏi sự nhàm chỏn khi tải. Ng−ời vận hành cũng sẽ đ−ợc đơn giản hoỏ trong việc quản lý mạng.
Với cỏc hỗ trợ của thiết bị ng−ời dựng 4G, cú thể chọn bất kỳ mạng vụ tuyến cú sẵn cho từng phiờn liờn lạc cụ thể. Vỡ mỗi mạng cú cỏc đặc tớnh riờng nờn dựng mạng phự hợp với dịch vụ cú thể giảm thiểu hoạt động của hệ thống và sử dụng tài nguyờn. Ngoài ra, lựa chọn mạng đỳng cú thể đảm bảo QoS theo yờu cầu với mỗi phiờn. Tuy nhiờn, chọn đ−ợc mạng thớch hợp với từng phiờn liờn lạc rất phức tạp vỡ mạng thay đổi liờn tục. Hơn nữa, cần phải cú hiểu biết đầy đủ về từng mạng tr−ớc khi lựa chọn: loại dịch vụ đ−ợc hỗ trợ, tốc độ dữ liệu hệ thống, yờu cầu QoS, chi phớ liờn lạc, và yờu cầu ng−ời dựng. Một ph−ơng ỏn đ−ợc đề xuất nh− sau: khi một mỏy khởi x−ớng cuộc gọi đến một mỏy khỏc thỡ tin nhắn giao thức khởi x−ớng phiờn (SIP) chứa thụng tin về vị trớ của mỏy di động nguồn, cỏc thụng tin về mạng chứa hai mỏy và yờu cầu ng−ời dựng đ−ợc đặt vào trong tài khoản.
Hỡnh 3.10: Đầu cuối đa chế độ gắn liền với WLAN và quột cỏc hệ thống hiện tại. Nú cú thể tải xuống phần mềm thớch hợp bằng tay hoặc tự động.
3.4.2.2. Hệ thống
Tớnh di động của đầu cuối
Để cung cấp dịch vụ vụ tuyến bất kỳ lỳc nào, tại bất cứ nơi đõu, thỡ chủ yếu phụ thuộc khả năng di động của đầu cuối 4G. Tớnh di động của đầu cuối cho phộp ng−ời dựng cú thể roaming qua ranh giới của cỏc mạng vụ tuyến, nh−ng khi đú sẽ phải giải quyết hai vấn đề chớnh: là quản lý vị trớ và quản lý chuyển giao. Để quản lý vị trớ, hệ thống sẽ tỡm vết và xỏc định đầu cuối di động để kết nối. Quản lý vị trớ cũn xử lý tất cả thụng tin liờn quan đến roaming: cell khởi xuất và cell hiện tại, thụng tin nhận thực và năng lực QoS. Quản lý chuyển giao bao gồm cỏc thụng tin trong quỏ trỡnh roaming.
IPv6 di động (MIPv6) là một giao thức di động dựa trờn nền IP chuẩn cho hệ thống vụ tuyến IPv6. Trong mụ hỡnh này, mỗi đầu cuối đều cú một địa chỉ IPv6 riờng. Mỗi khi đầu cuối ra khỏi mạng nội bộ thỡ địa chỉ riờng trở nờn khụng hợp lệ, và đầu cuối sẽ nhận một địa chỉ IPv6 riờng mới (gọi là địa chỉ trung chuyển) trong mạng khỏch. Mối liờn hệ giữa địa chỉ riờng với địa chỉ trung chuyển sẽ đ−ợc cập nhật về trạm của mạng để liờn lạc đ−ợc liờn tục. Tuy nhiờn, quỏ trỡnh chuyển giao sẽ làm tăng tải của hệ thống, độ trễ chuyển giao lớn, và mất gúi. Một khú khăn nữa cần phải giải quyết ở đõy là trong mạng 4G tồn tại hai phương phỏp chuyển giao: chuyển giao theo phương ngang và chuyển giao theo phương dọc. Hỡnh 3.11 là một vớ dụ về chuyển giao theo hai ph−ơng. Chuyển giao theo ph−ơng nằm ngang diễn ra khi thiết bị đầu cuối di chuyển từ một cell này đến một cell khỏc trong cựng một hệ thống vụ tuyến, cũn nếu nh− di chuyển giữa hai hệ thống vụ tuyến khỏc nhau (vớ dụ giữa mạng LAN và GSM) thỡ ta thực hiện chuyển giao theo ph−ơng nằm dọc. Hơn nữa, mạng 4G hỗ trợ cỏc dịch vụ multimedia thời gian thực, đõy là cỏc dịch vụ rất nhạy cảm về mặt thời gian. Ngoài ra, quỏ trỡnh chuyển giao MIPv6 cú thể làm suy giảm nghiờm trọng chất lượng phục vụ
của hệ thống đặc biệt là QoS; rất khú xỏc định chớnh xỏc thời gian chuyển giao bởi vỡ việc kiểm soỏt chuyển giao giữa cỏc hệ thống vụ tuyến khỏc nhau là rất phức tạp; và nếu nh− bổ sung thời gian kết thỳc chuyển giao khụng chớnh xỏc sẽ làm phức tạp thờm cơ cấu chuyển giao. Để giải quyết đ−ợc những vấn đề này, cỏc nhà nghiờn cứu hiện đang tỡm cỏc cơ chế và thuật toỏn chuyển giao mới cho loại mạng đa dạng.
Cấu trỳc mạng và hỗ trợ QoS
Cỏc hệ thống vụ tuyến hiện nay cú thể đ−ợc chia thành hai loại: khụng dựa trờn nền IP và dựa trờn nền IP. Hệ thống khụng dựa trờn nền IP th−ờng dựng để truyền thoại (vớ dụ nh− GSM, cdma2000, và UMTS), trong khi đú, hệ thống dựa trờn nền IP lại th−ờng dựng để truyền dữ liệu (vớ dụ WLAN 802.11 và HiperLAN). Với hệ thống vụ tuyến 4G, việc tớch hợp hai hệ thống này trở nờn cần thiết. Vấn đề đảm bảo QoS cho cỏc dịch vụ đầu cuối cần đ−ợc nghiờn cứu mặc dự rất khú khắc phục, đặc biệt đối với cỏc ứng dụng multimedia hay cỏc ứng dụng cú xột đến thời gian thực.
Cỏc thiết kế QoS hiện nay th−ờng đ−ợc gắn với một hệ thống vụ tuyến riờng. Vớ dụ, 3GPP đó đề xuất một cấu trỳc QoS thụng minh cho UMTS. Nú thực hiện QoS trong UMTS qua dịch vụ mạng UMTS và cỏc dịch vụ mạng cơ sở. Cú những định nghĩa rất rừ ràng về cỏc đặc tớnh và cỏc chức năng của từng dịch vụ mạng trong từng lớp. Nú cho phộp cung cấp QoS gắn liền với: điều khiển tớn hiệu, truyền qua giao diện vụ tuyến và chức năng quản lý QoS. Ngoài ra, để hỗ trợ cỏc dịch vụ khỏc nhau, UMTS định nghĩa cỏc lớp QoS và cỏc thuộc tớnh của lớp để phõn phối cho cỏc yờu cầu QoS khỏc nhau. Tuy nhiờn, chỉ cung cấp QoS trong UMTS khụng thể đảm bảo QoS đầu cuối vỡ hệ thống cũn cú cả phi UMTS. Để hiểu rừ vấn đề này, 3GPP nghiờn cứu thực hiện liờn