4G là công nghệ đa phương tiện di động của tương lai. Đây là công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ 4, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng tới 1-1,5 GB/s. NTT Docomo xem 4G như sự mở rộng của mạng thông tin di động tế bào 3G. Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbit/s khi di chuyển và tới 1 Gbit/s khi đứng yên, cũng như cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên các hình ảnh, video clips chất lượng cao. Mạng điện thoại 3G hiện tại của DoCoMo có tốc độ tải là 384 Kbit/s và truyền dữ liệu lên với tốc độ 129 Kbit/s. NTT DoCoMo cũng hy vọng trong vòng 2010 - 2012 sẽ có thể đưa mạng 4G vào kinh doanh. .Quan điểm này được xem
GVHD: Lâm Hồng Thạch 6
như là một “quan điểm tuyến tính”, trong đó mạng 4G sẽ có cấu trúc tế bào được cải tiến để cung ứng tốc độ lên trên 100 MB/s. Với cách nhìn nhận này, 4G sẽ chính là mạng 3G LTE, UMB hay WiMAX 802.16m.
1.2.1 Hướng đến hệ thống 4G
Các giả thiết về tốc độ dữ liệu là mục đích cho sự nghiên cứu và khảo sát trên các công nghệ cơ sở cần thiết để thực hiện viễn cảnh đó. Yêu cầu kỹ thuật hệ thống và thiết kế tương lai sẽ dựa vào các kết quả của sự nghiên cứu và khảo sát này. Do yêu cầu tốc độ dữ liệu cao, phổ tần bổ sung sẽ cần cho các khả năng mới của hệ thống IMT-2000 mở rộng. Các mục tiêu về tốc độ dữ liệu cho thấy sự tiến bộ trong công nghệ và các giá trị này được mong đợi sẽ đạt được bởi tiến độ của công nghệ trong khoảng thời gian nghiên cứu và phát triển khả năng mới của các hệ thống IMT-2000 mở rộng.
Cùng với sự phát triển trong tương lai của IMT-2000 và các hệ thống IMT-2000 mở rộng. Sẽ có một mối quan hệ ngày càng tăng giữa việc truy nhập vô tuyến và các hệ thống thông tin liên lạc, ví dụ như mạng WPAN, LAN, quảng bá số và truy nhập không dây cố định. Dựa vào các yêu cầu về dịch vụ đã được vạch ra, dự tính lưu lượng và công nghệ truy nhập vô tuyến, ITU-R làm việc trên cấu trúc hệ thống tiềm năng, tương ứng từ hình 1.1 đến hình 1.3. Trong trường hợp này, tính lưu động chậm sẽ được tính bằng tốc độ đi bộ ( ≈ 3km/h), tính lưu động trung bình tương ứng với tốc độ xe ôtô trong thành phố (≈ 50-60km/h), lưu động nhanh tương ứng với tốc độ trên đường cao tốc hoặc xe lửa tốc độ cao ( ≈ 60km/h đến 250km/h hoặc hơn nữa).
Độ lưu động về cơ bản cũng liên quan đến kích thước cell trong hệ thống tế bào, cũng như khả năng của hệ thống. Nói chung, kích thước cell trong một hệ thống tế bào phải lớn hơn một độ lưu động cao nào đó để giảm tải chuyển giao trong mạng.
GVHD: Lâm Hồng Thạch 7
Hình 1.1 Năng lực của các hệ thống 3G mở rộng.
GVHD: Lâm Hồng Thạch 8
Hình 1.2 Mạng tương lai thống nhất, bao gồm nhiều hệ thống truy nhập đan xen nhau
Từ viễn cảnh của ngày hôm nay, ITU-R sẽ bắt đầu chuẩn hóa hệ thống, với các băng tần đã được xác định và bước đầu triển khai các hệ thống IMT-2000 mở rộng sau năm 2010. Hệ thống truy nhập tương lai sẽ bao gồm những công nghệ truy nhập mở rộng và sẵn có. Ngoài ra, các công nghệ truy nhập vô tuyến mới sẽ đạt được tốc độ dữ liệu cao cho truy nhập không dây có tính lưu động thấp và cho trường hợp tế bào với tính lưu động cao. Yêu cầu tốc độ dữ liệu cho trường hợp tế bào là một thách thức lớn của viễn cảnh công nghệ cùng với phổ tần tương lai sẽ được sử dụng.
1.2.2 Tìm hiểu sơ lược về hệ thống 4G
Việc tiến đến hệ thống thông tin di động 4G được đặt ra để giải quyết các vấn đề vẫn còn tồn tại ở hệ thống 3G và cũng để cung cấp khả năng đáp ứng rộng cho các dịch vụ mới, từ thoại chất lượng cao đến truyền hình độ phân giải cao, cho đến các kênh vô tuyến tốc độ dữ liệu cao. Thuật ngữ 4G được sử dụng với một ý nghĩa rộng bao gồm các loại khác nhau của hệ thống truyền thông truy nhập vô tuyến băng rộng, không chỉ riêng hệ thống điện thoại tế bào. Một trong các thuật ngữ cũng được dùng để miêu tả
GVHD: Lâm Hồng Thạch 9
4G đó là MAGIC – đa truyền thông di động (Mobile multimedia), mọi lúc mọi nơi (Anytime anywhere), hỗ trợ lưu động toàn cầu (Global mobility support), giải pháp vô tuyến tích hợp (Integrated wireless solution), và dịch vụ thuê bao cá nhân (Customized personal service). Hệ thống 4G không chỉ sẽ hỗ trợ các dịch vụ di động thế hệ sau mà còn hỗ trợ cho các mạng vô tuyến cố định.
1.2.3 Mục tiêu thiết kế hệ thống thông tin 4G
1.2.4.1 Thông tin băng rộng
Từ trước đến nay, lưu lượng trên mạng thông tin di động vẫn chủ yếu là lưu lượng thoại. Hệ thống thế hệ 2G, hệ thống tế bào số cá nhân PDC (Personal Digital Cellular) đã giới thiệu các dịch vụ I-mode. Những dịch vụ đang được phổ biến hiện nay như: truy cập Internet, thương mại điện tử, e-mail. Những dịch vụ này chủ yếu là thông tin dữ liệu dựa trên văn bản qua mạng tế bào. Hệ thống IMT-2000 đề xuất những dịch vụ tốc độ cao từ 64 đến 384 kbit/s, và tỷ lệ lưu lượng số liệu trên thoại tăng lên. Tuy nhiên, sự phát triển mạnh của các dịch vụ băng rộng như ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), các hệ thống truy nhập cáp quang, các mạng LAN cơ quan, gia đình đã làm tăng nhu cầu sử dụng các dịch vụ tương đồng của mạng thông tin di động.
1.2.4.2 Chi phí thấp
Khi các dịch vụ băng rộng phát triển, các thuê bao có thể trao đổi rất nhiều loại thông tin với nhau, tuy nhiên họ lại không sẵn sảng trả một chi phí quá cao cho lượng thông tin trao đổi quá nhiều như vậy. Vì vậy cần phải giảm giá cước của các dịch vụ xuống bằng hoặc thấp hơn giá cước của các dịch vụ hiện tại. Hệ thống IMT-2000 đã giảm mức cước tính theo bít và đưa ra các mức giá tương đối thấp, nhưng hệ thống 4G đòi hỏi một kênh băng thông rộng với mức giá thậm chí thấp hơn mức giá theo bit mà IMT-2000 đưa ra.
GVHD: Lâm Hồng Thạch 10
Hình 1.3 Những vấn đề kỹ thuật liên quan đến công nghệ vô tuyến 1.2.4.3 Vùng phủ sóng rộng
Một trong những đặc tính của thông tin di động là có mặt khắp mọi nơi mọi lúc. Những khả năng này cũng là một tiêu chí quan trọng cho sự phát triển của thông tin di động trong tương lai. Khi một hệ thống mới đầu tiên được giới thiệu thì nói chung rất khó khăn trong việc cung cấp một vùng phủ sóng rộng như mạng hiện có, và khách hàng sẽ không mua các thiết bị đầu cuối mới nếu họ bị giới hạn vùng phủ sóng
1.2.4.4 Dịch vụ đa dạng và dễ sử dụng
Đối tượng sử dụng thông tin di động rất đa dạng và rất khác nhau. Trong tương lai, chúng ta hy vọng có thể nâng cao phẩm chất và chức năng hệ thống để có thể cung cấp nhiều loại hình dịch vụ, không chỉ là các dịch vụ thoại truyền thống mà còn truyền
GVHD: Lâm Hồng Thạch 11
các thông tin liên quan đến tất cả năm giác quan của con người. Và thuê bao phải dễ dàng sử dụng các dịch vụ này (dễ dàng cài đặt, dễ dàng kết nối, …).
1.2.4.5 Tốc độ truyền dẫn
Đối tượng sử dụng thông tin di động rất đa dạng và rất khác nhau. Trong tương lai, chúng ta hy vọng có thể nâng cao phẩm chất và chức năng hệ thống để có thể cung cấp nhiều loại hình dịch vụ, không chỉ là các dịch vụ thoại truyền thống mà còn truyền các thông tin liên quan đến tất cả năm giác quan của con người. Và thuê bao phải dễ dàng sử dụng các dịch vụ này (dễ dàng cài đặt, dễ dàng kết nối, …).
Mục tiêu thiết kế hệ thống để đáp những yêu cầu trên đây. Coi thông tin dữ liệu và video là dịch vụ chính, hệ thống 4G phải cung cấp tốc độ truyền dẫn cao hơn với dung lượng lớn hơn (cả về số lượng thuê bao là lưu lượng) IMT-2000. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hiện nay, coi tốc độ chính là chất lượng truyền dẫn, mạng LAN đạt được tốc độ từ 10 đến 100 Mbit/s, và tốc độ của mạng ADSL cũng đạt được 2-3 Mbit/s. Mục tiêu thiết kế hệ thống thông tin di động là đạt tốc độ xấp xỉ 100 Mbit/s đối với môi trường ngoài trời và cỡ Gbit/s với môi trường trong nhà. Sẽ không có chỗ cho mạng thông tin di động thế hệ mới nếu không có tốc độ lớn hơn ít nhất 10 lần tốc độ hiện tại của IMT- 2000. Để đảm thông tin thời gian thực giữa các thiết bị đầu cuối với nhau thì hệ thống mới cần phải giảm thời gian trễ truyền dẫn xuống dưới 50 ms. Giả sử rằng các dịch vụ trong tương lai sẽ dựa trên truyền dẫn IP (Internet Protocol), hiệu quả truyền dẫn gói IP qua mạng vô tuyến cũng cần phải tính đến. Hệ thống mới bên cạnh việc nâng cao dung lượng truyễn dẫn phải đảm bảo được việc giảm chi phí. Chi phí tính trên 1 bít truyền dẫn phải giảm xuống bằng 1/10 hoặc 1/100 mức chi phí hiện tại bằng cách giảm chi phí thiết bị hạ tầng, chi phí hoạt động và chi phí xây dựng. Mục tiêu thiết kế được đề cập trên đây tập trung vào những dịch vụ có phẩm chất tốt hơn các dịch vụ hiện tại, và dễ dàng sử dụng. Điều mà những nhà đi tiên phong trong thị trường dịch vụ 4G cần phải
GVHD: Lâm Hồng Thạch 12
lưu ý là khả năng tích hợp hệ thống LAN không dây trong nhà với hệ thống hữu tuyến và thực hiện triển khai các dịch vụ mới trong thời gian ngắn.
1.2.4 Những vấn đề cơ bản trong cấu hình hệ thống 4G
Vấn đề kỹ thuật cần thiết đối với mạng thông tin di động thế hệ 4G để đáp ứng những yêu cầu được nêu ra ở phần trên được trình bày trên hình 1.7.
1.2.5.1. Dung lượng lớn và tốc độ truyền dẫn cao
IMT-2000 đã triển khai đa truy nhập theo mã băng rộng WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) và đạt được tốc độ 2Mbit/s với băng tần có độ rộng 5 MHz. Ngày nay, việc phát triển kỹ thuật điều chế và giải điều chế thích nghi đa lớp cho phép tốc độ truyền dẫn đạt xấp xỉ 10 Mbit/s với cùng một băng tần sử dụng. Để đạt được tốc độ truyền dẫn từ 100 Mbit/s đến 1 Gbit/s, chúng ta cần phải sử dụng băng tần lớn hơn và các hệ thống truyền dẫn mới phù hợp với truyền dẫn tốc độ cao.
Đối với thông tin dữ liệu, chúng ta sẽ cần hệ thống truy nhập vô tuyến có thể truyền dẫn gói tin hiệu quả. Tầm quan trọng của việc phủ sóng trong nhà đã thúc đẩy các công nghệ phải phát triển theo hướng có thể sử dụng cho cả môi trường truyền sóng trong nhà và ngoài trời. Để có được những băng tần rộng cho truyền dẫn tốc độ cao và đáp ứng nhu cầu lưu lượng thoại đang tăng cao, chúng ta phải quan tâm đến các băng tần mới, và phát triển các phần tử mạng cần thiết như các bộ khuếch đại, các bộ lọc và tính toán suy hao truyền sóng cho những băng tần này. Cùng với đó việc nghiên cứu phát triển các giải pháp sử dụng hiệu quả tài nguyên phổ tần hạn chế cũng rất cần thiết.
1.2.5.3 Kết nối mạng dựa trên công nghệ IP
Một biện pháp để cho những thuê bao sử dụng hệ thống mới không gặp phải vấn đề về vùng phủ sóng là phải đảm bảo các thiết bị đầu cuối mới phải hỗ trợ để hoạt động
GVHD: Lâm Hồng Thạch 13
trên cả hệ thống cũ và hệ thống mới. Mặt khác, chúng ta phải tính đến khả năng roaming quốc tế, một thiết bị đầu cuối phải được hỗ trợ để hoạt động trên nhiều hệ thống nhờ sử dụng công nghệ SDR (Softwave Defined Radio). Với công nghệ này, thiết bị đầu cuối có thể hoạt động trên nhiều băng tần khác nhau của các quốc gia và khu vực khác nhau. Hơn nữa, mạng thông tin di động trong tương lai phải tích hợp với nhiều phương thức truy nhập khác nhau, với rất nhiều loại cell có các khả năng kết nối liên mạng dựa trên công nghệ IP. Chính vì vậy, kết nối liên mạng và chuyển giao giữa các hệ thống truy nhập là một yêu cầu cần thiết ngoài yêu cầu về khả năng chuyển giao và roaming nội bộ và giữa hai mạng thông tin di động với nhau.
1.2.5.4 Cấu hình hệ thống dựa trên IP
Hệ thống 4G phải được cấu hình để kết nối với mạng IP, truyền dẫn hiệu quả các gói IP, cùng tồn tại với các hệ thống truy nhập khác, linh hoạt khi đưa vào khai thác, có khả năng mở rộng khi cần, … Các mạng IP cũng có thể kết nối dễ dàng hoặc phù hợp với các hệ thống truy nhập vô tuyến khác hơn các hệ thống 4G. Điểm truy nhập vô tuyến 4G (4G-AP-4G Access Point) sẽ được kết nối với một bộ định tuyến truy nhập
AR (Access Router) như trên Hình 1.4. 4G-AP có các chức năng điều khiển truyền dẫn
vô tuyến, chuyển giao, … cho phép các thiết bị di động liên lạc với nhau dựa trên IP. Các 4G-AP sẽ được đặt tương ứng với các cell của chúng. Khi một thiết bị di động di chuyển giữa các cell, việc chuyển giao sẽ được thực hiện bằng chuyển mạch đơn giản giữa các điểm truy nhập và các vùng vô tuyến nếu hai điểm 4G-AP kết nối với cùng một AR. Nếu hai điểm 4G-AP thuộc hai AR khác nhau thì định tuyến truyền dẫn gói tin trong mạng IP phải thay đổi tức thì. Liêt kết hoạt động giữa chuyển mạch 4G-IP và định tuyến mạng IP đóng một vai trò rất quan trọng đối với quá trình chuyển giao. Đối với chuyển giao giữa một 4G-AP và một AP của hệ thống khác, thiết bị di động phải có chức năng truy nhập cả hai mạng. Chuyển giao sẽ được thực hiện bằng việc theo dõi và so sánh giữa các hệ thống khác nhau để lựa chọn được một hệ thống phù hợp.
GVHD: Lâm Hồng Thạch 14
Hình 1.4 Cấu hình hệ thống 4G
1.2.5.5 Phân loại và cấu hình cell theo môi trường truyền dẫn
Hệ thống 4G có cell ở ngoài trời, trong nhà, trong phương tiện di chuyển, như trên Hình 3. Những cell ngoài trời có vùng phủ sóng rộng, cho phép các thiết bị đầu cuối đang di chuyển với tốc độ cao trao đổi thông tin với tốc độ cao. Vùng phủ trong nhà được thực hiện bởi các indoor AP. Các Indoor AP được thiết kế không chỉ giúp trao đổi thông tin tốc độ cao và hoạt động đơn giản mà còn đáp ứng những yêu cầu của một mạng LAN vô tuyến tương lai.
Ngoài ra, các cell trong phương tiện giao thông di chuyển như xe buýt, tầu hoả (được gọi là các cell/mạng di động) được phục vụ bởi một bộ định tuyến di động MR
(Mobile Router). MR có chức năng chuyển tiếp tín hiệu giữa trạm gốc và thiết bị đầu
cuối trên phương tiện, nên những thiết bị đầu cuối này không liên lạc trực tiếp với trạm
GVHD: Lâm Hồng Thạch 15
gốc như thông thường. Cấu hình này được thiết kế để đạt được hiệu quả về công suất phát của thiết bị đầu cuối, tốc độ truyền dẫn, độ lớn của tín hiện điều khiển. Kết nối multi-hop đa chặng, một phương pháp hiệu quả để mở rộng kích thước cell sẽ được nghiên cứu như là một cách để giải quyết vấn để các “điểm chết” gây ra bởi hiệu ứng “bóng”. Truyền dẫn dữ liệu qua trạm chuyển tiếp được thực hiện ngay cả khi bị giới hạn về công suất phát của thiết bị đầu cuối và suy hao truyền sóng lớn.
1.2.5.6 Thông tin đa phương tiện
Cấu hình hệ thống 4G cho phép truyền dẫn với tốc độ cao, hoạt động liên kết với các mạng IP trong khi vẫn phải đảm bảo được QoS của truyền dẫn gói.