2. TỔ CHỨC CỦA LUẬN VĂN
2.3.1.4 Miền truy cập vô tuyến
Truy cập vô tuyến mới, một khả năng truy cập vô tuyến mới cho các hệ thống 4G, có thể tạm chia thành ba khả năng:
+ Khả năng truy cập di ñộng mới
+ Khả năng truy cập không dây tự do mới + Khả năng mạng di chuyển
Khả năng truy cập di ñộng mới cho phép truy cập dải tần rộng thậm trí trong các môi trường dịch chuyển tốc ñộ cao, và ñưa ra khả năng sử dụng tương tự như các dịch vụ tế bào hiện nay.
Khả năng truy cập không dây tự do mới thực thì trước hết truy cập băng tần siêu rộng khi di chuyển ở tốc ñộ thấp, và ñưa ra khả năng sử dụng tương tự như các dịch vụ mạng LAN không dây hiện nay.
Khả năng mạng dịch chuyển là một khả năng ñể ñưa ra truy cập không dây trong các môi trường có số lượng lớn người di chuyển cùng lộ trình như một nhóm, như ở trên xe bus hay tầu hỏa. Nó ñược yêu cầu ñể thưc thi các khả năng truy cập vô tuyến ñể sử dụng tài nguyên vô tuyến một cách hiệu quả.
Ngoài ra, các thiết bị ñầu cuối sử dụng trong các hệ thống di ñộng 4G có thể hỗ trợ khả năng sử dụng nhiều sóng vô tuyến và khả năng ñể hình thành mạng Ad- hoc giữa các thiết bị ñầu cuối. Hơn nữa các khả năng vô tuyến mới ñược ñòi hỏi ñể thực thi ở giao diện vô tuyến có tính phổ biến cao.
Hình 2.2: Mô hình tham chiếu của hệ thống thông tin di ñộng 4G
Trong ñó:
- Service & Application: Miền dịch vụ và ứng dụng; gồm các dịch vụ sau: + Posional Information Services: Dịch vụ thông tin cá nhân
+ Disaster Detection/Admin Services: Dịch vụ phát hiện/quản trị thiên tai + High Quality Muntimedia Services: Dịch vụ ña phương tiện chất lượng cao + Mobile Commerce Services: Dịch vụ thương mại di ñộng
+ Digital Right Management Services: Dịch vụ quản trị bản quyền + Contents Delivery Services: Dịch vụ phân phối nội dung
+ Software Download Support Services: Dịch vụ hỗ trợ tải phần mềm + Remote Control Services: Dịch vụ ñiều khiển từ xa
- Service Platform: Nền tảng dịch vụ; gồm các tác nhân sau: + Social Systems: Hệ thống xã hội
+ Security, AAA anh Settlement: Bảo mật, thanh toán + Application QoS: Chất lượng dịch vụ ứng dụng
+ Database/Remote Services: Cơ sở dữ liệu/Máy chủ từ xa
+ High Speed & Large Capacity Network: Mạng dung lượng lớn, tốc ñộ cao + Network QoS I/F: Chức năng tương tác chất lượng dịch vụ mạng
- Packet Based Core Network: Miền mạng lõi chuyển mạch gói - New Radio Access: Miền truy cập vô tuyến mới
2.3.2 Mô hình tham chiếu nhìn từ nền tảng dịch vụ
Mô hình tham chiếu nhìn từ phương diện dịch vụ bao gồm ba yếu tố là các thiết bị di ñộng, cơ sở hạ tầng mạng di ñộng 4G, và nền tảng dịch vụ ñược mô tả trên hình.
Các thiết bị di ñộng thực hiện truyền thông ña ñường với cơ sở hạ tầng hệ thống di ñộng 4G và hệ thống mạng khác. Khi một cơ sở hạ tầng hệ thống không thể hoạt ñộng trong phạm vi có thể truy cập, truyền thông ña hop ñược thực hiện. Các thiết bị ñầu cuối hỗ trợ giao diện rất phong phú bao gồm ñặc tính xem tài liệu ñiện tử, và các chức năng trợ giúp, ví dụ như nhận diện chữ viết, hình ảnh, giọng
nói ñược xây dựng sẵn. Chúng cũng ñược cung cấp chức năng tăng cường tính bảo mật, chức năng tính toán và xác thực, tính năng quản lý bản quyền số và cảm biến sinh trắc học. Những thiết bị ñầu cuối có ñặc tính cấu hình lại cho phép người dùng tải xuống, thực thi và tùy biến nhiều loại chương trình khác nhau. Một ñặc ñiểm khác biệt của mô hình này là có nhiều yêu cầu về chức năng của thiết bị ñầu cuối cũng như thiết bị hiệu năng cao.
Cơ sở hạn tầng hệ thống di ñộng 4G triển khai truyền dẫn dung lượng lớn, tốc ñộ cao và truyền dẫn ña phương tiện chất lượng cao. Cơ sở hạ tầng có ñặc tính thông báo QoS giữa các lớp vì vậy sự phối hợp QoS giữa các lớp ñược thực thi.
Nền tảng dịch vụ bao gồm nhiều máy chủ và tác nhân, cung cấp các ñặc tính ñịnh vị dựa trên các hệ thống thông tin vị trí, việc quản lý quyền truy cập của người sử dụng thông qua xác thực sinh học cũng như việc quản lý và tham chiếu thông tin cá nhân. Hệ thống cơ sở dữ liệu phân tán và các máy phục vụ nội dung chất lượng cao ñược kết nối với nhau. Do ñó, quyền truy nhập ñược ñiều khiển bởi máy chủ chứng thực, video hoặc nhạc mà ñáp ứng nhu cầu người sử dụng và khả năng của các thiết bị ñầu cuối có thể ñược phân phối bởi các tác nhân từ máy chủ nội dung. Nền tảng dịch vụ cũng ñược gắn kết với các hệ thống xã hội. Trong trường hợp có thảm họa xảy ra, hệ thống mạng có ñộ tin cậy cao sẽ ñược cấu hình ñể truyền thông quảng bá về nơi diễn ra thảm họa. Ngoài ra thiết bị ñầu cuối có gắn các bộ cảm biến sinh học sẽ truyền tự ñộng thông tin trong các ñiều kiện khẩn cấp.
Theo khía cạnh dịch vụ, mô hình náy có thể chia nhỏ hơn thành ba loại: - Tính tiện lợi cho người sử dụng
- Các dịch vụ tiên tiến
- Quản lý hệ thống
Trong ba loại trên, tính tiện dụng cho người sử dụng và các dịch vụ tiên tiến ñược hỗ trợ bởi quản lý hệ thống. Và ñám mây trong hình chỉ ra một nền tảng ñể ñặt các máy chủ và cơ sở dữ liệu. Chúng ñược xây dựng dựa trên ba tiêu chí cơ sở hạ
tầng: “ña truyền thông chất lượng cao”, “truyền tải với tốc ñộ cao và dung lượng lớn”, và “QoS I/F”.
Hình 2.3 Mô hình tham chiếu nền tảng dịch vụ
2.3.2.1 Sự thuận tiện cho người sử dụng
Sự thuận tiện cho người sử dụng là một nhóm liên quan tới việc dễ dàng trong sử dụng, và bao gồm các ñặc tính như giao diện người sử dụng, trợ giúp, khả
năng xử lý - thời gian sử dụng, giao diện của thiết bị, và khả năng cấu hình lại thiết bị ñầu cuối. Với giao diện người sử dụng, yêu cầu phải thực thi sự hiển thị hình ảnh, giọng nói chất lượng cao hơn, và ñạt ñược sự nâng cao về giao diện ñể ñơ giản hóa các thủ tục nhập thông tin. Các yêu cầu cho các tác nhân bao gồm sự cung cấp các dịch vụ phù hợp với nhu cầu và hoàn cảnh của người sử dụng, khả năng ñể yêu cầu và nhận thông tin vì lợi ích của những người sử dụng, và sự thực hiện ñầy ñủ các ñặc tính tác nhân trong các thiết bị ñầu cuối, nền dịch vụ và nhà cung cấp dịch vụ. Liên quan ñến khả năng sử lý - thời gian sử dụng, giao diện của thiết bị ñầu cuối, khả năng xử lý của thiết bị có khả năng truy cập thông tin ña phương tiện chất lượng cao, thời gian sử dụng lâu hơn giúp người sử dụng không phải quan tâm ñến dung lượng của pin, và giao tiếp với loại thiết bị ngoại vi ñược ñưa ra. Khả năng cấu hình lại của thiết bị ñầu cuối bao gồm khả năng nâng cấp các phiên bản bằng việc thêm hoặc thay ñổi các ñặc tính thiết bị thông qua việc tải phần mềm, và cho phép truy cập qua các giao diện vô tuyến khác.
Hình 2.4: Mô hình tham chiếu nền tăng dịch vụ: tiện nghi người dùng 2.3.2.2 Các dịch vụ tiên tiến
Các dịch vụ tiên tiến, là khía cạnh có liên quan ñến tính hiện ñại của dịch vụ bao gồm các ñặc ñiểm sau: Đa truyền thông chất lượng cao, ñầu vào thông tin, vị trí/ñịnh vị, và cảm biến/ñiều khiển từ xa. Để cho phép người dùng nhận ñược dịch vụ tiên tiến chất lượng cao thông qua các thiết bị di ñộng có khả năng truy cập vào
cơ sở hạ tầng của hệ thống di ñộng 4G, thông tin môi trường xung quanh người sử dụng sẽ ñược truyền ñi bởi các thiết bị ñầu cuối và dựa trên thông tin này các hệ thống dịch vụ gia tăng khác nhau sẽ hoạt ñộng trên nền tảng dịch vụ.
2.3.2.3 Quản lý hệ thống
Quản lý hệ thống là khía cạnh liên quan ñến cơ chế hỗ trợ các dịch vụ. Các chức năng của phần này gồm: QoS, bảo mật/xác thực/ủy quyền/thanh toán, máy chủ từ xa/cơ sở dữ liệu, ñặc tính thích ứng môi trường, xã hội. Mô hình quản lý hệ thống này có mục ñích nâng cao tính bảo mật/xác thực/ tính toán như là nhân tố cốt lõi của dịch vụ làm nền tảng cho việc triển khai xã hội di ñộng 4G và cung cấp cho hệ thống khắc phục các loại lỗi khác nhau. Khái niệm QoS ứng dụng phối hợp QoS mạng ñược sử dụng, do ñó truyền dữ liệu liên tục tốc ñộ cao chống lại sự tắc nghẽn ñược cung cấp ngay cả trong ñiều kiện bất lợi.
2.3.3 Mô hình tham chiếu cơ sở hạ tầng của hệ thống
2.3.3.2 Ví dụñiển hình và giao diện cho mạng truy cập vô tuyến
Năm ví dụ ñiển hình về viễn cảnh trong mạng truy cập vô tuyến mới và các ví dụ về giao diện cho từng viễn cảnh ñược thể hiện trong hình 2.7.
Trong hình này, R1-R5 cho biết dạng của vô tuyến, N1-N3 cho biết dạng giao diện mạng.
Viễn cảnh một là một ví dụ giới thiệu về khả năng truy cập vô tuyến mới ở môi trường ngoài trời. Ở mức trung bình, có thể ñạt ñược tốc ñộ gói vô tuyến nhanh hơn khi thiết bị ñầu cuối gần trạm thu phát gốc (BTS).
Viễn cảnh hai là một ví dụ giới thiệu về khả năng truy cập di ñộng mới hoặc khả năng truy cập không dây tự do mới ở môi trường trong nhà quy mô rộng, chẳng hạn như ở những tòa nhà văn phòng rộng hoặc các cửa hàng
Viễn cảnh ba là một ví dụ giới thiệu về khả năng truy cập không dây tự do mới ở trong môi trường trong nhà quy mô nhỏ như nhà riêng.
Viễn cảnh bốn là ví dụ giới thiệu về khả năng mạng di chuyển. Trong ví dụ này các nút mạng di chuyển (MNN) sẽ ñược cài ñặt trong các ñối tượng chuyển ñộng ví dụ như tàu hỏa, xe bus ñể có thể truyền thông giữa các trạm cơ sở và trạm di ñộng thông qua các MNN.
Viễn cảnh năm là ví dụ về ñịnh dạng của một mô hình Ad-hoc ở giữa các trạm di ñộng, các trạm di ñộng ñược trang bị giao diện vô tuyến R5 cho phép truyền thông vô tuyến giữa các trạm di ñộng. Chú ý rằng, những trường hợp ñược giới thiệu này chỉ ñơn thuần là một vài ví dụ trong hệ thống di ñộng 4G, vì vậy có thể ñịnh dạng mạng kết nối ña chặng bằng cách kết nối các trạm cơ sở bằng sự kết nối vô tuyến là hoàn toàn có thể hiểu ñược.
BS (Base Station): Trạm gốc MS (Mobile Station): Trạn di ñộng MNN (Moving Network Node): Nút mạng di chuyển
R1: High Speed MS I/F: Tương tác MS tốc ñộ cao
R2: Large-Scale Indoor I/F: Tương tác trong nhà lớn
R3: Indoor I/F: Tương tác trong nhà
R4: Moving Network I/F: Tương tác mạng di chuyển R5: Ad-Hoc I/F: Tương tác mạng Ad-Hoc
N1: Outdoor BS I/F: Tương tác BS ngoài trời
N2: Large-Scale Indoor BS I/F: Tương tác BS trong nhà lớn
N3: Indoor BS I/F: Tương tác trong nhà
Hình 2.8 mô tả các ví dụ về cấu hình chức năng cho các nut/các thiết bị ñầu cuối trong các hệ thống di ñộng 4G. Xem xét như là các lớp chức năng, dịch vụ và ứng dụng (F5), hỗ trợ dịch vụ (F4), ñiều khiển mạng và truyền tải (F3), quản lý tài nguyên và nguồn kết nối (F2) và các chức năng truy cập không dây (F1) ñược ñịnh nghĩa. F5-F3 tương ứng các dịch vụ và miền ứng dụng, nền tảng dịch vụ, mạng lõi chuyển mạch gói thuộc hình 2.8 tương ứng với nơi mà F5, F4 ứng với trong miền truy cập sóng vô tuyến mới.
Hình 2.8: Ví dụ về cấu hình chức năng các nút/các thiết bịñầu cuối F1 F2 F3 F4 F5 I3 I4 I2 I1 P1 P2 P4 T yp e 1 : B rid ge T yp e T yp e 2 : R ou te r T yp e (T yp e 3 : M an ag em en t S erv ic e T yp e) T yp e 4 : T erm in ar T yp e Sevice & Applicatiom Service & Applicatiom Service Support Transport & Network control
Link & Resource Management Wireless Access Functions Service Support Transport & Network control
Link & Resource Management Wireless Access Functions P5 P3 F1 – F5 : Function I1 – I4 : Interface P1 – P5 : Protocol
Nói cách khác, khi xem xét như là các loại nút.thiết bị ñầu cuối, thì gồm các loại: Bridge, bao gồm các lớp chức năng F1-F2; Router, bao gồm các lớp chức năng F1 – F3; loại máy chủ quản lý gồm các lớp chức năng F1 – F4; và các loại thiết bị ñầu cuối gồm các chức năng F1 – F5.
2.4 CÁC CÔNG NGHỆỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG 4G
Để ñạt ñược tốc ñộ truyền dẫn cao, dung lượng lớn trong hệ thống di ñộng 4G, rất nhiều công nghệ tiên tiến cho thiết bị ñầu cuối, cơ sở hạ tầng mạng, nền tảng dịch vụ, thử nghiệm và ñạt ñược kết quả ñề ra. Sau ñây là một số công nghệ ñược ứng dụng cho hệ thống di ñộng 4G.
2.4.1 Kỹ thuật truyền dẫn dung lượng lớn, tốc ñộ cao
2.4.1.1 Các kỹ thuật ña truy nhập (Multiple Access Techniques)
Để ñạt tốc ñộ truyền dẫn sấp xỉ 100Mbps ở môi trường ngoài trời và 2Gbps ở môi trường trong nhà, và ñể truy cập vô tuyến tương thích với hệ thống mạng có kiến trúc phân cấp dựa trên nền IP, các công nghệ truyền dẫn sau ñã ñược nghiên cứu và phát triển:
- Ghép kênh phân chia theo mã và tần số trưc giao có hệ số trải phổ thay ñổi: VSF-OFCDM (Variable Spreading Factor – Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing).
- Đa truy nhập phân chia theo mã ña sóng mang có lựa chọn sóng mang con: SGS – MC – CDMA (Subcarrier Selecting Multi Carrier Code Division Multi Access).
- Đa truy nhập phân chi theo tần số trực giao: OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multi Access).
- Đa truy nhập phân chia theo tần số ñan xen: IFDMA (Interleaved Frequency Division Multi Access).
VSF – OFCDM (Variable Spreading Factor – Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing):
VSF – OFCDM là một hệ thống truy cập vô tuyến có thể cung cấp trông lượng lớn, tốc ñộ cao trong nhiều môi trường và ñiều kiện lan truyền khác nhau qua một vùng phủ sóng rộng. Để triển khai ñược truyền dẫn dung lượng lớn, hệ thống này sử dụng hệ số trải phổ hai chiều thay ñổi thích hợp trong miền thời gian và tần số tùy thuộc vào cấu hình ô, ñiều kiện lan truyền, tải trên kênh.Công nghệ này vượt trội hơn công nghệ OFCDM dựa theo tốc ñộ kí hiệu thấp MC-CDMA sử dụng nhiều sóng mang con trong cùng giao diện vô tuyến.
Ưu thế của VSF-OFCDM là khả năng ñạt ñược hiệu quả sử dụng phổ tần cao, truyền dẫn dung lượng lớn, tốc ñộ cao nhờ việc kế thừa hệ số trải phổ tối ưu tùy thuộc ñiều kiện lan truyền cụ thể trong cả môi trường nhiều tế bào và môi trường tế bào ñôc lập, sử dụng cùng giao diện vô tuyến. Đặc tính truyền dẫn của VSF-OFCDM ñã ñược thử nghiệm cả môi trường trong nhà và ngoài trời. báo cáo thử nghiệm cho kết quả 100Mbps ở môi trường ngoại ô, khoảng cách giữa trạm gốc và trạm di ñộng là 80m – 100m, tần số sóng mang 4,635GHz, băng thông 101,5MHz, số sóng mang con 768, hệ số trải phổ thời gian 16, tốc ñộ di chuyển của thiết bị di ñộng 30km/h, ñiều chế 16QAM.
SCS-MC-CDMA (Subcarrier Selecting Multi Carrier Code Division