Đồ án 4G công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ tư

Đề án : Quản Trị Mạng Mạng 4G tiêu chuẩn Copyright © 5Hero_Team 4G công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ tư 4G, hay 4-G, viết tắt của  fourth-generation, là công nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 cho đến 1,5 Gb/giây. Tên gọi 4G do IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) đặt ra để diễn đạt ý nghĩa "3G và hơn nữa". 4G còn được hiểu như là ngôn ngữ sử dụng thứ tư trong công nghệ vi tính. Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây. Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo (hãng điện thoại lớn của Nhật Bản) cho biết: Điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Megabyte/giây khi di chuyển và tới 1 Gb/giây khi đứng yên. Cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên hình ảnh động chất lượng cao. Mạng điện thoại 3G hiện tại của DoCoMo có tốc độ tải là 384 kilobyte/giây và truyền dữ liệu lên với tốc độ 129 kilobyte/giây. NTT DoCoMo hy vọng đến năm 2010 sẽ có thể đưa mạng 4G vào kinh doanh. Một số điều cần biết về 4G 4G có nghĩa là gì? Thực ra, đây chỉ là một thuật ngữ mà các nhà cung cấp dịch vụ dùng để mô tả mạng truyền thông không dây thế hệ thứ tư. Bản chất của dịch vụ 4G khác nhau tùy vào công nghệ áp dụng của nhà cung cấp, tuy nhiên chúng thường có hiệu suất nhanh hơn từ 4 đến 10 lần so với mạng 3G.  Công nghệ đằng sau mạng 4G? Hiện nay, hai công nghệ chính chi phối mạng 4G là chuẩn Wimax và Long Term Evolution (LTE). Về bản chất, Wimax là một tiêu chuẩn được phát triển bởi IEEE còn LTE là sản phẩm của 3GPP, một bộ phận của liên minh các nhà mạng cung cấp dịch vụ GSM. Cả hai tiêu chuẩn Wimax và LTE đều sử dụng công nghệ ăng-ten tiên tiến nhằm cải thiện khả năng tiếp nhận và thực hiện, tuy nhiên lại hoạt động trên các băng tần khác nhau. So sánh tốc độ 4G và 3G? Các nhà cung cấp dịch vụ Wimax quảng cáo người dùng có thể tải về với tốc độ trung bình từ 2 Mbps đến 6 Mbps, tối đa 10 Mbps hoặc hơn nữa. Verzion, nhà mạng chuẩn bị triển khai mạng 4G tiêu chuẩn LTE dự kiến tốc độ tải về trong khoảng 5 Mbps đến 12 Mbps. Ngược lại, hầu hết các mạng 3G chỉ có thể tải về với tốc độ 400 kilobit/s  cho đến 1,5 Mbps. Tại sao người dùng cần mạng 4G? Mạng 4G có tốc độ tải về nhanh và cải thiện đáng kể hiệu suất tổng thể, nhất là với các tiện ích như video trực tuyến, hội nghị truyền hình và game nối mạng. Ngoài ra, dịch vụ 4G là bước thay thế hoàn hảo cho đường truyền internet cố định với phạm vi phủ sóng lớn. Chi phí của mạng 4G so với 3G? Với những nhà cung cấp dịch vụ 4G đang hoạt động, so sánh chi phí thực tế người dùng phải trả cho sản phẩm trọn gói vẫn rẻ hơn nhiều một gói cước 3G  tương đương, mà tốc độ lại hơn hẳn. Sử dụng điện thoại 3G hoặc USB 3G để vào mạng 4G? Điều này là không thể được do mạng 3G và 4G sử dụng những băng tần khác nhau, do đó người dùng cần trang bị những thiết bị tương thích để bắt sóng 4G. Mạng 4G hỗ trợ cuộc gọi thoại? Không có bất kỳ cuộc gọi thoại nào được thực hiện trực tiếp trên mạng 4G hiện nay, người dùng bắt buộc phải sử nhờ đến các dịch vụ gọi điện thoại qua Internet. Dịch vụ 4G hiện nay không phải 4G “thực”? Điều này có vẻ đúng, bởi lẽ các tiêu chuẩn viễn thông hiện hành đặt ra giới hạn tốc độ của mạng 4G cao hơn nhiều mức đạt được hiện nay. Khi nào thì có mạng 4G “thực”? Với tốc độ tải xuống tổi thiểu lên tới 100 Mbps thì chắc còn lâu nữa người dùng mới được tiếp cận mạng 4G “thực” ! Đã có chú dế 4G nào chưa? Câu trả lời là rồi , siêu phẩm HTC EVO 4G được giới thiệu hồi tháng 3 và dự kiến lên kệ trong khoảng mùa hè này. HTC EVO 4G Sử dụng mạng 4G khi đang di chuyển? Tất nhiên có rồi, mạng 4G không chỉ đơn thuần là một mạng băng rộng, nhưng nó là mạng băng rộng di động đúng nghĩa. Xài mạng 4G ở những nơi khác nhau? Với một chiếc điện thoại hỗ trợ roaming, người dùng có thể trải nghiệm mạng 4G ở bất kỳ đâu với điều kiện các nhà cung cấp dịch vụ sử dụng cùng một công nghệ phát sóng. Trong vài năm tới, teen mình mới có điều kiện tiếp xúc các thiết bị tương tác qua lại giữa Wimax và LTE(Long Term Evolution). 4G thay thế đường truyền ADSL và cáp quang? Nhờ vào những lợi thế vượt trội của mình, mạng 4G hoàn toàn thay thế được đường truyền cố định ADSL và cáp quang, trừ khi ai đấy muốn sở hữu một đường truyền riêng (leased line). Các tính năng then chốt của 4G: Tính thân thiện NSD và Cá nhân hóa NSD  - Nhằm khuyến khích mọi người chuyển hưởng sang công nghệ mới, một quá trình mất nhiều thời gian và nỗ lực của các nhà khai thác, sự kết hợp tính thân thiện và cá nhân hóa xuất hiện để chiến thắng điều đó. Tính thân thiện là ví dụ cho sự tương tác giữa các ứng dụng, cho phép NSD và thiết bị tương tác một cách tự nhiên. Cá nhân hóa người dùng xem như là cách họ có thể đặt cấu hình các chế độ hoạt động và tái lựa chọn nội dung dịch vụ được chọn dựa theo sự ưa thích của họ. Do mọi công nghệ mới được thiết kế trong đầu mục đích để thâm nhập thị trường và phải có ảnh hưởng lớn đến lối sống của mọi người, các khái niệm 4G mới đưa ra là dựa trên sự thừa nhận mỗi NSD muốn được xem xét như là một khách hàng riêng và được đối xử đặc biệt. Do đó, tính năng cá nhân hóa phải cung cấp với tính chất hạt nhân để một khối lượng lớn thông tin được lọc tùy theo lựa chọn của người dùng. Sự kết hợp hai tính năng này cho phép người dùng quản lí dễ dàng toàn bộ các tính năng của thiết bị và sự khai thác nhiều nhất tất cả các ứng dụng có thể, do đó đưa ra những giá trị tương xứng với chi phí họ đã bỏ ra. Tính không đồng nhất thiết bị đầu cuối và Hỗn hợp mạng  - Nhằm bước trên 3G, 4G không những phải cung cấp tốc độ cao hơn mà còn phải tạo ra những ưu điểm rõ ràng và hữu hình với mọi người trong cuộc sống hàng ngày. Do đó, sự thành công của 4G sẽ bao gồm sự kết hợp của tính không đồng nhất thiết bị đầu cuối và sự hỗn hợp mạng. Sự không đồng nhất các thiết bị quy vào sự khác nhau của các loại thiết bị về kích cỡ hiển thị, năng lượng sử dụng, khối lượng, độ phức tap… (Hình 2). Hình 2. Hỗn hợp mạng  Sự không đồng nhất về mạng liên quan đến tính không đồng nhất ngày càng tăng của các mạng không dây do sự tăng nhanh một số các công nghệ truy nhập khả dụng (UMTS, WiMAX, Wi-Fi, Bluetooth….). Các mạng này khác nhau về vùng phủ sóng, tốc độ truyền số liệu (Hình 2), độ trễ, và tốc độ suy hao. Do đó, mỗi trong số chúng được thiết kế để cung cấp một tập khác nhau của các thiết bị và dịch vụ cụ thể. Như đã giải thích ở trên, 4G sẽ bao gồm đa dạng các loại thiết bị cung cấp các dịch vụ độc lập với khả năng của chúng. Do đó, ráp nội dung của các thiết bị NSD cuối sẽ cần thiết nhằm có được sự tối ưu trong việc đưa ra các dịch vụ. Hơn thế nữa, khả năng của thiết bị đầu cuối đang dùng sẽ quyết định các dịch vụ mới có được cung cấp hay không, cũng như là cung cấp sự tận hưởng tốt nhất cho người dùng và chống lại sự từ chối sở thích và loại bỏ yêu cầu dịch vụ. Khái niệm này được xem như là Cá nhân hóa dịch vụ. Nó hoàn toàn ràng buộc với số công nghệ truy cập có thể do thiết bị cá nhân của NSD cung cấp. Tuy nhiên, giới hạn này có thể được giải quyết bằng các cách sau: -   Phát triển các thiết bị với “thiết kế tiến hóa” -   Giải quyết bằng phương tiện “chuyển nhượng cá nhân hóa” Thực tế cho thấy không thuận tiện khi thiết kế hệ thống 4G từ công nghệ truy nhập nhằm thỏa mãn các nhu cầu của NSD -  Hiểu biết về hoàn cảnh và chỉ tiêu sơ bộ của NSD là khía cạnh thích hợp và xác đáng để thiết kế. KHÍA CẠNH CÔNG NGHỆ Phổ tần vô tuyến là tài nguyên cơ bản nhưng giới hạn cho các công nghệ không dây và là sự thúc đẩy chính đối với các nghiên cứu 4G trên thế giới trực tiếp dẫn đến các hệ thống sử dụng phổ tần hiệu quả. Các công nghệ mới hứa hẹn về một sự cải thiện gấp 10 lần hiệu quả sự dụng phổ tần so với các giải pháp đang tồn tại. Các hệ thống 4G cũng được xem như các hệ thống tổ ong dựa trên IP. Một số các giao diện không gian 4G khác nhau hiện nay vẫn còn đang được xem xét. Các hệ thống 4G phải có hiệu quả chi phí và định hướng dịch vụ. Một số kỹ thuật có khả năng này, bao gồm: - Các công nghệ anten cấp cao như Antenna Array….có thể làm tăng giá trị giảm nhiễu và vấn đề dung lượng. Đa anten không gian x tần số x thời gian xử lý tạo thành một trong những tiến trình phát triển hứa hẹn nhất. Chùm định hình cung cấp các độ lợi triệt can nhiễu và cho phép giảm can nhiễu từ các ô khác tạo ra bằng cách tập trung năng lượng chỉ ở những nơi cần thiết. Khả năng giảm cản nhiễu cho phép xác suất phủ sóng tốt hơn và các dải tái sủ dụng tần số hẹp hơn. - Kết hợp đa anten với các kĩ thuật mã hóa cấp cao để hình thành một các hệ thống MIMO hiệu quả. MIMO hiện tại đề xuất một số chuẩn, cải thiện đáng kể thông lượng và quĩ đường truyền. Kiến trúc MIMO trong 4G sẽ hoạt động với một số lượng lớn các anten và sẽ sử dụng hoạt động vòng lặp đóng. MIMO và chùm định hình kết hợp với quản lý nhiễu đa ô RRM hi vọng sẽ làm tăng dung lượng mạng lên gấp 4 lần. - Các hệ thống tái cấu hình và tương thích như SDR (Software Defined Radio), có thể tối ưu hóa việc điều chế, điều khiển công suất mã hóa và trước hết thay đổi điều kiện truyền dẫn. Điều chế bậc cao, mã hóa Turbo và LDPC (low-density parity-check codes) là các công cụ để thực thi dễ dàng. Hình 3. Nguyên lí phân ô bổ sung Công nghệ được đề xuất nhiều nhất trong các hệ thống 4G là MIMO-OFDMA. Ngoài ra theo khía cạnh của các nhà khai thác, 4G còn bao gồm: -   Đưa ra các loại site khác nhau nhằm đưa ra vùng phủ sóng có hiệu quả sử dụng phổ tần quả với việc xử lí nhiễu một cách có hiệu quả thông qua việc quản lí nguồn vô tuyến đa ô. Những triển khai như thế này cũng cải thiện sự thâm nhập vùng phủ sóng trong nhà -   Các kỹ thuật truy nhập không dây như OFDMA (orthogonal frequency-division multiple access) và  MC-CDMA (multiple carrier code-division multiple access) là những đối thủ chính cho các hệ thống tương lai. Hệ thống dựa trên gói lịch trình đơn là sơ đồ truy cập căn bản hơn cho đường xuống. -   Sự lai ghép giữa mạng tổ ong và quảng bá như là sử dụng một số công nghệ phát quảng bá để mang các dữ liệu phát đa hướng đường xuống độ rộng băng lớn, dẫn đến hiệu quả sử dụng phổ tần được cải thiện. Hiện nay, không có công nghệ đơn nào được sử dụng để đáp ứng các yêu cầu của ITU 4G. Do đó, xu hướng kết hợp nhiều công nghệ cho hệ thống 4G đang được thực hiện. -   Tái cầu hình về tần số của cả cơ sở hạ tầng và thiết bị đầu cuối nhằm thu được sự kinh tế trên phạm vi lớn. Đạt được sự định vị đơn lẻ là không thuận tiện và các nhà khai thác sẽ phân mảnh các cổng. SDR ở cả thiết bị và hạ tầng giải quyết các vấn đề liên quan đến công nghiệp. Ngoài ra nó còn đặt ra vấn đề tối ưu hóa việc sử dụng các băng tần đưa ra với các chuẩn khác nhau , các dung lượng khác nhau. Có thể giải quyết vấn đề này bằng các thuật toán nhận dạng và sự liên hoạt động giữa các công nghệ truy nhập vô tuyến. -   Hệ thống sắp tới sẽ mang lại nhiều lợi ích về dung lượng xử lí cho các trạm gốc. Kiến trúc “phẳng hơn” với việc tạo ra ít các nút hơn. Hai nút sẽ là đủ cho chức năng di động nhưng điều này không tích hợp các nút vận chuyển và tập kết. Một vài QoS sẽ được đề xuất trong truy nhập và độ trễ thấp sẽ đáng tin cậy hơn. Loại kiến trúc này sẽ thuận tiện cho việc đưa ra các ô femto với vùng phủ sóng rất nhỏ, sử dụng chính cho vùng phủ sóng điểm nóng (hot-spot) hoặc indoor. Một số vấn đề khác sẽ vẫn được giải quyết sau như: phạm vi, chuyển vùng (roaming), các chức năng kiểm tra gói, an ninh. Hình 4. Kiến trúc phẳng và phẳng hơn -   Phát quảng bá sẽ giảm yêu cầu về độ rộng băng tần. Hai khả năng có thể hoặc là sử dụng chuẩn phát quảng bá hoặc là đưa ra chức năng quảng bá trong hệ thống truyền thông. Tuy nhiên, một hệ thống tối ưu phải bao gồm hỗn hợp giữa phát quảng bá và phát unicast. KHÍA CẠNH CÁC NHÀ KHAI THÁC MẠNG Những nhà khai thác mạng khác nhau có những yêu cầu khác nhau, gồm cả vùng phủ sóng di động hoặc cố định. Mỗi miền sử dụng cụ thể sẽ cần những chuẩn khác nhau. Người ta trông chờ sẽ có nhiều cấu hình băng tần dựa theo vùng, bản quyền và lịch sử của mỗi nhà khai thác mạng. Từ khía cạnh nhà khai thác mạng, những điều sau đây sẽ là định hướng cho 4G : Kết nối: Ngoài thoại, thư điện tử, client server và video, các kết nối khác ngang hàng (như peer to peer, buddy to buddy, machine to machine) làm gia tăng đáng kể lưu lượng thoại luân chuyển. Các mô hình kinh doanh phẳng cũng được mong đợi sẽ tạo thuận lợi cho cả vùng phủ sóng di động cố định và sự gia tăng lưu lượng. Thiết bị đầu cuối: Sự gia tăng lưu lượng này phụ thuộc vào loại thiết bị đầu cuối và việc sử dụng chúng. Loại thứ nhất có thể xem là loại cổ điển, thiết bị cầm tay có thời gian tồn tại ngắn (2-3 năm), có khả năng giao diện NSD nhất và có một số tính linh động. Loại thứ hai là các thiết bị đầu cuối như modem, có giao diện với các thiết bị khác thông qua mạng PAN với tuổi thọ trung bình và linh hoạt trong khả năng lựa chọn vô tuyến tốt nhất ở bất kì thời điểm nào. Loại thứ ba là các thiết bị không hiển thị, ví dụ thiết bị đầu cuối gắn trong thiết bị khác với khả năng chi phí thấp nhất, tốc độ số liệu cao nhất và thời gian tồn tại của thiết bị mà nó gắn vào. Loại cuối cùng là thiết bị hạ tầng cơ sở với thời gian tồn tại rất lâu dài (relay, sensor, thiết bị đầu cuối hạ tầng cơ sở,...). Xu hướng chung là sự gia tăng số băng tần một thiết bị có thể xử lí. Sử dụng : Càng sử dụng lâu, dung lượng vô tuyến cần thiết càng cao. Tăng thời gian tồn tại của một sự việc phụ thuộc vào ứng dụng và dung lượng quảng bá là một nhân tố chìa khóa. Dung lượng truyền thông qua dịch vụ cố định là một nhân tố khác. Người ta mong chờ các nhà khai thác sẽ xác định sự cân bằng giữa mỗi hạ tầng cơ sở (cố định, di động, lưu động). Liên quan đến việc mỗi NSD riêng rẽ có khả năng kết nối cả với mạng di động và cố định, lưu lượng luân chuyển ở mạng di động sẽ tăng 10% so với mạng cố định. Hình 5. Lưu lượng nhận được trên mỗi thiết bị mỗi ngày Hình 5 chỉ ra lưu lượng trao đổi mỗi ngày bởi một thuê bao di động. Về khoảng thời gian tồn tại, Hình 6 chỉ ra quá trình tăng trưởng tiến đến ½ giờ mỗi ngày. Việc sử dụng này bị áp đi một cách mạnh mẽ bởi việc thu quảng bá. Khoảng thời gian này bị nêm chặt bởi tốc độ sóng mang. Ở Hình 7, tốc độ sóng mang tăng từ HSDPA đến Gb/s. Nó được xác định bởi khối lượng phổ tần khả dụng thực thi trung bình trên mỗi ô. Xem xét xa hơn, có thể năm năm là thời gian cần thiết để thiết lập sự gia tăng lưu lượng số liệu. Mô hình này là mô hình khu vực mật độ cao, những mô hình quen thuộc có thể thực hiện cho các khu vực mật độ kém hơn. Khi dùng mô hình tổ ong, tốc độ thực thi đỉnh ở mỗi site được đưa ra ở hình 5 Hình 6. Khoảng thời gian sử dụng hiệu quả thiết bị mỗi ngày KHÍA CẠNH CÁC CHUẨN Cuộc cạnh tranh giữa các chuẩn có thể giải thích từ 2 quan điểm. Như trên Hình 5, có thể nhận ra 4 con đường 3GPP, 3GPP2, IEEE và chuẩn khu vực. Ở 40 Mb/s và lớn hơn, truy cập OFDM chiếm ưu thế vượt trội nhưng sự khác nhau chính hoặc thứ yếu giữa các chuẩn khác nhau bảo đảm những thị trường khác nhau sẽ không bao giờ hòa hợp với nhau. Một cái nhìn khác về cuộc cạnh tranh giữa các chuẩn có thể thấy khi xem xét nguồn gốc của các chuẩn khác nhau. Có 2 nguồn chính: châu Âu và Bắc Mỹ. Bắc Mỹ cho ra các chuẩn gốc IEEE 802.xx trong khi châu Âu định hướng 3G UMTS. Là vị trí tích cực trong nghiên cứu 4G, châu Á Thái Bình Dương trở thành người cộng tác rất ý nghĩa nếu tích cực ủng hộ các chuẩn mới. Sự phân mảnh các chuẩn khiến ngành công nghiệp khá phức tạp nhằm giữ giá thấp. Các công nghệ mới sẽ xuất hiện và khiến nó có thể thực hiện được khi nguồn gốc khác của sự phân mảnh là phổ tần khả dụng. Định vị toàn thế giới là giải pháp tốt nhất nhưng không thường xuyên thực hiện và giải pháp vô tuyến sẽ ngày càng tương thích hơn với việc triển khai phổ tần hỗn hợp. Phổ tần cần cho sự gia tăng khu vực, khiến nó trở nên đồng nhất là khá khó. Cùng tồn tại nhiều chuẩn khác nhau trong một băng tần đã đăng kí bản quyền sẽ được thực hiện, sau đó hướng các thiết bị đầu cuối và hạ tầng cơ sở thực hiện ở phần vô tuyến nhưng không cần thiết trong các chuẩn. Hình 7. Sự cạnh tranh giữa các chuẩn KẾT LUẬN Thông tin di động thế hệ 3 đã được triển khai ở nhiều nước trên thế giới, trong đó có cả Việt Nam. Hiển nhiên, con đường tiến lên 4G đang ở phía trước. Vì vậy cần phải nghiên cứu, phân tích và xem xét 4G một cách toàn diện. Bài báo đã phác họa về một hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư được nhìn trên nhiều khía cạnh từ khía cạnh công nghệ, các chuẩn không dây, nhà khai thác mạng đến NSD. Trong đó, khía cạnh NSD được đưa lên đầu tiên nhằm giới thiệu về một phương pháp phân tích từ trên xuống từ khía cạnh xã hội đến khía cạnh kỹ thuật. Từ kịch bản NSD suy ra một khung làm việc mới - hệ thống lấy NSD làm trung tâm - cụ thể gồm 4 tính năng then chốt của 4G là Tính thân thiện NSD Cá nhân hóa NSD Tính không đồng nhất thiết bị đầu cuối Hỗn hợp mạng. Đặc biệt, cấu trúc này chỉ ra mối quan hệ phức tạp giữa chúng và phác thảo các kĩ thuật thực tế thiết lập cho 4G. Và kết quả cuối cùng, 4G được định nghĩa là một nền tảng của sự hội tụ, cung cấp các ưu điểm rõ ràng về vùng phủ sóng, độ rộng băng tần và công suất tiêu thụ. Hơn thế nữa nó sẽ cung cấp đa dạng các dịch vụ không đồng nhất mới từ dịch vụ quảng cáo pop-up đến định vị và các dịch vụ phát số liệu IP. Tất cả các đặc tính này sẽ cung cấp bằng các thiết bị đa chế độ/tái cấu hình và thực thi hoạt động liên mạng.