4G - Hệ thống thông tin di động của tương lai

4G - Hệ thống thông tin di động của tương lai KS. Nguyễn Trung Kiên I. GIỚI THIỆU Hệ thống thông tin di động thế hệ 3G (Third-generation) được tiêu chuẩn hoá bởi IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000), bắt đầu được phát triển tại Nhật Bản vào tháng 10 năm 2001. Từ đó đến nay 3G đã phát triển một cách nhanh chóng và đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển các loại dịch vụ đa phương tiện trong đó phải kể đến dịch vụ Video. Với xu hướng phát triển như hiện nay, chúng ta tin rằng trong tương lai không xa thông tin di động sẽ đóng một vai trò quan trọng hơn nữa trong đời sống hàng ngày, và sử dụng điện thoại di động là một phần không thể thiếu của người dân trong mọi hoạt động. Chính vì lý do này, thế hệ thông tin di động mới, thế hệ 4G, cần phải có những tính năng vượt trội hơn so với khả năng của IMT-2000. Nghiên cứu, nắm bắt và phát triển hệ thống thông tin di động 4G là một yêu cầu cần thiết hiện nay, phù hợp với xu thế phát triển chung của ngành viễn thông. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày những nét cơ bản nhất liên quan đến những yêu cầu về phẩm chất và khả năng của hệ thống 4G cần phải đáp ứng. Đi kèm theo đó là những vấn đề kỹ thuật và cấu hình hệ thống để đảm bảo những yêu cầu này. II. CÁC YÊU CẦU VÀ MỤC TIÊU THIẾT KẾ HỆ THỐNG II.1. Những yêu cầu 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. 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. 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. Những thiết bị có màn hình hiển thị lớn, như PDAs (Personal Digital Assistans) và máy tính cá nhân với khả năng kết nối không dây ngày càng được sử dụng phổ biến. Gắn liền với những thiết bị này là các dịch vụ cao cấp và thường được sử dụng trong nhà, vì vậy chúng ta cần đưa ra các dịch vụ với vùng phủ sóng trong nhà tốt. 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 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, …). II.2. Mục tiêu thiết kế Mục tiêu thiết kế hệ thống để đáp những yêu cầu trên đây được minh hoạ trên Hình 1. 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. B¾t ®Çu c¸c dÞch vô míi dùa trªn nh÷ng kh¶ n¨ng míi C¸c dÞch vô cao cÊp nhê n©ng cao phÈm chÊt, tÝnh n¨ng m¹ng Tèc ®é truyÒn dÉn: 384 kbit/s Dung l−îng hÖ thèng Chi phÝ HÖ thèng tr¹m gèc Thêi gian trÔ y100 Mbit/s (tèc ®é cao nhÊt cña m«i tr−êng di ®éng); 1Gbit/s (tèc ®é tèi ®a cña m«i tr−êng trong nhµ) ygÊp 10 lÇn hÖ thèng 3G y1/10 ®Õn 1/100 trªn bÝt yAll IP y50 ms hoÆc nhá h¬n H¹ tÇng dÞch vô míi - TriÓn khai nhanh c¸c dÞch vô míi - DÔ dµng triÓn khai c¸c dÞch vô míi KÕt nèi vµ chuyÓn giao linh ho¹t gi÷a nhiÒu hÖ thèng truy nhËp HÖ thèng IMT-2000 HÖ thèng 4G Hình 1: Mục tiêu thiết kế hệ thống 4G 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 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. III. Những vấn đề cơ bản trong cấu hình hệ thống 4G III.1. Những vấn đề kỹ thuật 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 2. 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. 2. Chi phí thấp hơn Với các công nghệ cấu hình hệ thống thông thường, nếu sử dụng một băng tần cao hơn để đạt được tốc độ truyền dẫn cao hơn sẽ làm giảm kích thước cell, hay giảm vùng phủ sóng của một trạm gốc. Để vẫn giữ được vùng phủ sóng rộng như trước đây yêu cầu phải có nhiều trạm gốc hơn và do đó làm tăng chi phí mạng. Để tránh được vấn đề này chúng ta cần phải mở rộng bán kính cell bằng cách sử dụng những phương pháp truyền dẫn vô tuyến phẩm chất cao hơn, các kỹ thuật điều chế và giải điều chế cải tiến, dàn anten thích nghi, các bộ thu tạp âm thấp. Xa hơn nữa, để giảm chi phí xây dựng và hoạt động mạng, chúng ta phải nghiên cứu thực hiện kết nối các trạm gốc với mạng đường trục, công nghệ trạm gốc điều khiển độc lập và các công nghệ kết nối vô tuyến phân lớp. C«ng nghÖ anten vµ truyÒn dÉn tÝn hiÖu yTruyÒn dÉn tèc ®é cao/®iÒu chÕ vµ gi¶i ®iÒu chÕ phÈm chÊt tèt yDung l−îng lín, truy nhËp gãi qu¶ng b¸ yAnten dµn thÝch nghi y FEC, ARQ, TPC phÈm chÊt cao CÊu tróc m¹ng truy nhËp vµ ®iÒu khiÓn y§iÒu khiÓn gãi IP/®iÒu khiÓn ph©n bè m¹ng truy nhËp v« tuyÕn RAN y§iÒu khiªn QoS truyÒn dÉn d÷ liÖu gãi y§iÒu khiÓn liªn kÕt liÒn m¹ch víi c¸c m¹ng kh¸c ThiÕt kÕ quü ®−êng truyÒn vµ truyÒn dÉn sãng v« tuyÕn yTruyÔn dÉn vi ba yTruyÒn dÉn qu¶ng b¸ yTruyÔn dÉn trong nhµ RF circuit/EMC yKhuÕch ®¹i hiÖu suÊt cao yBé nhËn t¹p ©m thÊp ySoftwave defined radio yMicrowave EMC C¸c tuyÕn truy nhËp yC¸c tuyÕn v« tuyÕn qu¶ng b¸ yM¹ng tÝch hîp quang/v« tuyÕn FEC : M· söa lçi tr−íc ARQ :Yªu cÇu ph¸t l¹i tù ®éng TPC : §iÒu khiÓn c«ng suÊt RAN : M¹ng truy nhËp v« tuyÕn QoS : ChÊt l−îng dÞch vô RF : TÇn sè v« tuyÕn EMC : T−¬ng thÝch ®iÖn tõ tr−êng Hình 2: Những vấn đề kỹ thuật liên quan đến công nghệ vô tuyến 3. Kết nối liên 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 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. III.2. Cấu hình hệ thống 1. 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 3. 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. Cell di ®éng Cell ngoµi trêi Cell trong nhµ M¹ng truy nhËp kh¸c M¹ng truy nhËp kh¸c Nèi víi m¹ng kh¸c (Internet, …) M¹ng IP AR : bé ®Þnh tuyÕn truy nhËp 4G-AP : ®iÓm truy nhËp v« tuyÕn 4G MR : bé ®Þnh tuyÕn di ®éng Hình 3: Cấu hình hệ thống 4G 2. 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 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. 3. Thông tin đa phương tiện Những mạng IP trước đây chủ yếu cung cấp các dịch vụ dạng TCP, nhưng với các ứng dụng thời gian thực mà được dự báo là sẽ phát triển mạnh trong tương lai như thông tin đa phương tiện thì vấn đề QoS (Quality of Service) của dịch vụ rất quan trọng và cần phải được chú ý. 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. Tr¹m gèc Nhµ cao tÇng Th«ng tin trùc tiÕp bÞ ch¾n bëi nhµ cao tÇng Th«ng tin trùc tiÕp kh«ng thÓ thùc hiÖn ®−îc do kho¶ng c¸ch lín h¬n ph¹m vi phñ sãng cña single-hop Hình 4: Liên lạc thông qua các kết nối multi-hop V. Kết luận Hệ thống thông tin di động 4G đã và đang được nghiên cứu ở nhiều nơi trên thế giới. Với mục đích giới thiệu những nét cơ bản nhất về hệ thống thông tin di động trong tương lai, hệ thống 4G, bài báo đã trình bày những đặc điểm cũng như những yêu cầu cơ bản của hệ thống. Bên cạnh đó, chúng tôi đề cập đến những vấn đề kỹ thuật liên quan trong việc cấu hình hệ thống 4G để đáp ứng những yêu cầu nêu trên. Tài liệu tham khảo [1]. [2]. F. ADACHI and M. UESUGI, Latest Trends in CDMA Technology, IEICE Journal, Vol. 86, No. 2, pp. 96-102, 2003. [3]. K. UEHARA, K. ARAKI, and M. UMEHIRA, Trends in Research and Development of Software Defined Radio, NTT Technical Review, Vol. 1, No. 4. pp. 10-14, 2003. [4]. A. Fujiwara, S. Takeda, H. Yoshino, T. Otsu, and Y. Yamao, System Capacity Expansion Effect of Multi-hop Access in a Broadband CDMA Cellular System, IEICE Trans. B, Vol. J85-B, No. 12, pp. 2073-2079, 2002. [5]. T. OTSU, The Challenge of Systems beyond IMT-2000—approach from wireless, ITU Journal, Vol. 33, No. 3, pp. 26-30, 2003. [6]. [7]. [8]. [9]. https://www.ist-winner.org/