Luận văn Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G)

Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO TRƯờNG ĐạI HọC BáCH KHOA Hà NộI ----------o0o---------- LUậN VĂN THạC Sỹ KHOA HọC Ngành: Xử lý Thông tin và Truyền thông Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G) Đỗ Văn Hòa Hà Nội – 2007 Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO TRƯờNG ĐạI HọC BáCH KHOA Hà NộI ----------o0o---------- LUậN VĂN THạC Sỹ KHOA HọC Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G) Ngành: Xử lý Thông tin và Truyền thông Mã số: Đỗ Văn Hòa Ng−ời h−ớng dẫn khoa học: GS.TS. Nguyễn Thúc Hải Hà Nội – 2007 Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 3 MụC LụC Các hình vẽ, bảng biểu trong luận văn ..................................... 5 Thuật ngữ tiếng anh sử dụng trong luận văn ....................... 7 Lời giới thiệu............................................................................................ 11 Ch−ơng 1. mở đầu ................................................................................... 12 1.1 Cơ sở nghiên cứu và mục đích của luận văn.......................................... 12 1.2 Tổ chức của luận văn ............................................................................. 13 Ch−ơng 2. các thế hệ thông tin di động ................................... 14 2.1 Lịch sử và xu thế phát triển của thông tin di động ............................... 14 2.1.1 Toàn cảnh hệ thống thông tin di động............................................. 14 2.1.2 Lộ trình phát triển của thông tin di động......................................... 16 2.2. Tổng kết các thế hệ thông tin di động .................................................. 19 Ch−ơng 3. hệ thống THÔNG TIN di động 4G ................................ 20 3.1 Tổng quan về hệ thống thông tin di động 4G ........................................ 20 3.1.1 Giới thiệu chung .............................................................................. 20 3.1.2 Các dịch vụ hệ thống di động 4G cung cấp..................................... 22 3.2 Mô hình tham chiếu hệ thống di động 4G............................................. 30 3.2.1 Bốn miền của mô hình tham chiếu .................................................. 30 3.2.1.1 Miền dịch vụ và ứng dụng......................................................... 31 3.2.1.2 Miền nền tảng dịch vụ............................................................... 31 3.2.1.3 Miền mạng lõi chuyển mạch gói .............................................. 33 3.2.1.4 Miền truy cập vô tuyến mới ...................................................... 34 3.2.2 Mô hình tham chiếu nhìn từ nền tảng dịch vụ................................. 34 3.2.2.1 Sự thuận tiện cho ng−ời sử dụng ............................................... 36 3.2.2.2 Các dịch vụ tiên tiến.................................................................. 36 3.2.2.3 Quản lý hệ thống....................................................................... 41 3.2.3 Mô hình tham chiếu cơ sở hạ tầng hệ thống ................................... 41 Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 4 3.2.3.1 Ví dụ điển hình và giao diện cho mạng truy cập vô tuyến mới 41 3.2.3.2 Cấu hình chức năng cho các nút/thiết bị đầu cuối trong hệ thống di động 4G............................................................................................. 43 3.3 Các công nghệ ứng dụng trong hệ thống di động 4G ............................ 44 3.3.1 Kỹ thuật truyền dẫn dung l−ợng lớn, tốc độ cao ............................. 44 3.3.1.1 Các kỹ thuật đa truy cập ........................................................... 44 3.3.1.2 Kỹ thuật điều chế/giải điều chế hiệu suất cao .......................... 49 3.3.1.3 Kỹ thuật đa sóng mang ............................................................ 53 3.3.1.4 Kỹ thuật ăngten dãy thích nghi tiên tiến .................................. 57 3.3.1.5 Kỹ thuật ghép kênh tiên tiến .................................................... 62 3.3.2 Kỹ thuật không dây đa hệ thống .................................................... 64 3.3.2.1 Khả năng cấu hình lại End-to-End ........................................... 64 3.3.2.2 Kỹ thuật sóng vô tuyến đ−ợc định nghĩa mềm ........................ 66 3.3.3 Điều khiển chuyển giao/tính di động .............................................. 69 3.3.3.1 Kỹ thuật chuyển giao liên tục ................................................... 70 3.3.3.2 Kỹ thuật điều khiển tính di động .............................................. 71 3.3.3.3 Tính di động mạng NEMO ...................................................... 74 3.4 Mạng thế hệ sau NGN và hệ thống di động 4G..................................... 77 3.4.1 Mạng thế hệ sau NGN..................................................................... 77 3.4.1.1 Giới thiệu chung........................................................................ 77 3.4.1.2 Đặc điểm mạng NGN................................................................ 77 3.4.1.3 Cấu trúc mạng NGN ................................................................. 80 3.4.2 Hệ thống di động 4G trên hạ tầng mạng NGN................................ 86 Ch−ơng 4. triển khai hệ thống di động 4G ở việt nam ...... 88 4.1 Hiện trạng mạng thông tin di động Việt Nam và trên thế giới .............. 88 4.2 Đề xuất giải pháp triển khai hệ thống 4G ở n−ớc ta .............................. 89 Kết luận ..................................................................................................... 93 Kết quả đạt đ−ợc của luận văn ..................................................................... 93 H−ớng phát triển của đề tài .......................................................................... 94 Tài liệu tham khảo............................................................................... 95 Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 5 Các hình vẽ, bảng biểu trong luận văn Hình 2.1. Lộ trình phát triển của thông tin di động...................................... 17 Bảng 2.1. Tổng kết các thế hệ thông tin di động .......................................... 19 Hình 3.1. Dịch vụ thông tin y tế ................................................................... 22 Hình 3.2. Hệ thống cung cấp nội dung tiên tiến........................................... 24 Hình 3.3. Hệ thống định vị ........................................................................... 25 Hình 3.4. Hệ thống đặt hàng di động ........................................................... 26 Hình 3.5. Hệ thống quản lý thực phẩm......................................................... 28 Hình 3.6. Hệ thống bảo hiểm rủi ro.............................................................. 29 Hình 3.7. Hệ thống quản lý di động ............................................................. 30 Hình 3.8. Mô hình tham chiếu hệ thống di động 4G.................................... 32 Hình 3.9. Mô hình tham chiếu nền tảng dịch vụ .......................................... 37 Hình 3.10. Mô hình tham chiếu nền tảng dịch vụ: tiện nghi ng−ời dùng..... 38 Hình 3.11. Mô hình tham chiếu nền tảng dịch vụ: Dịch vụ nâng cao .......... 39 Hình 3.12. Mô hình tham chiếu nền tảng dịch vụ: quản lý hệ thống ........... 40 Hình 3.13. Giao diện vô tuyến và ngữ cảnh thực tế của truy cập vô tuyến mới....................................................................................................... 42 Hình 3.14. Ví dụ về cấu hình chức năng cho các nút /các thiết bị đầu cuối trong hệ thống di động 4G.............................................................. 43 Hình 3.15. Cơ bản về SCS-MC-CDMA ........................................................ 45 Hình 3.16. Cấu trúc tế bào tối −u của SCS-MC-CDMA............................... 47 Hình 3.17. Phân bổ kênh con........................................................................ 48 Hình 3.18. Điều chế thích nghi sóng mang con ........................................... 50 Hình 3.19. L−ợc đồ điều chế OFDM tốc độ lập mã có thể biến đổi ............ 51 Bảng 3.1. Các tham số lập mã và điều chế ................................................... 52 Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 6 Bảng 3.2. Các tham số mô phỏng ................................................................. 53 Hình 3.20. Sơ đồ FH-OFDM ........................................................................ 54 Hình 3.21. Cấu hình hệ thống....................................................................... 55 Hình 3.22. Nguyên lý của AAA ................................................................... 58 Hình 3.23. Độ tăng ích của AAA ................................................................ 59 Hình 3.24. Định hình búp sóng .................................................................... 60 Hình 3.25. Thuật toán theo dõi búp sóng ..................................................... 61 Hình 3.26. SVD based MIMO...................................................................... 63 Hình 3.27. Cấu hình cơ bản của thiết bị SDR............................................... 67 Hình 3.28. Mô hình tham chiếu IEEE 802.21.............................................. 70 Hình 3.29. IPv6 di động................................................................................ 72 Hình 3.30. Chuyển giao nhanh cho IPv6 di động......................................... 73 Hình 3.31. Điều khiển tính di động mạng NEMO ....................................... 75 Hình 3.32. Mạng cá nhân PAN (Personal Area Network) ........................... 76 Hình 3.33. Kiến trúc mạng NGN.................................................................. 79 Hình 3.34. Cấu trúc logic mạng NGN .......................................................... 80 Hình 3.35. Cấu trúc vật lý mạng NGN ......................................................... 84 Hình 4.1. Kiến trúc mạng 3G ....................................................................... 90 Hình 4.2. Cấu trúc mạng di động 3G-WCDMA........................................... 91 Hình 4.3. Mô hình hệ thống 4G.................................................................... 92 Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 7 Thuật ngữ tiếng anh sử dụng trong luận văn 2G 2nd Generation Thế hệ 2 3G 3rd Generation Thế hệ 3 4G 4th Generation Thế hệ 4 AAA Adaptive Array Antenna ăngten dãy thích nghi AAA Aunthentication, Authorization & Accounting Chứng thực, ủy quyền và thanh toán AMPS Advanced Mobile Phone Service Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến AR Access Router Bộ định tuyến truy cập ARQ Automatic Repeat reQuest Kĩ thuật yêu cầu lặp tự động ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dị bộ BS Base Station Trạm gốc BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BSS Base Station System Hệ thống trạm gốc BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc CDMA Code Division Multiple Access Đa thâm nhập phân chia theo mã CRC Cyclic Redundancy Code Mã vòng d− CN Core Network Mạng lõi CN Correspondent Node Nút trung gian CNR Carrier-to-Noise-Ratio Tỷ số sóng mang trên tạp âm CoA Care-of Address Địa chỉ tạm thời CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra d− vòng CTP Context Transfer Protocol Giao thức truyền ngữ cảnh DS Direct Sequence Chuỗi trực tiếp DS- CDMA Direct Sequence CDMA CDMA chuỗi trực tiếp DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số E2R End-to-End Reconfigurability Khả năng cấu hình lại từ đầu Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 8 cuối đến đầu cuối EIRP Effective Isotropically Radiated Power Công suất phát xạ đẳng h−ớng hiệu dụng EV-DO Evolution Data Optimized FDD Frequency Division Duplex ghép song công phân chia theo tần số FEC Forward Error Correct Mã sửa lỗi tr−ớc FDMA Frequency Division MultiAccess Đa truy cập phân chia theo tần số FH- OFDM Frequency Hopping Orthogonal Frequency Division Multiple Access OFDM nhảy tần FMIPv6 Fast Mobile IPv6 IPv6 di động nhanh FMIPv6 Fast Handovers for Mobile IPv6 Chuyển giao nhanh cho IPv6 di động GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GPRS General Packet Radio System Hệ thống vô tuyến gói chung HA Home Agent Tác nhân nhà HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest ARQ (tự động yêu cầu lặp) lai HLR Home Location Register Thanh ghi định vị th−ờng trú HMIPv6 Hierarchical Mobile Internet Protocol Version 6 IPv6 di động có phân cấp HoA Home Address Địa chỉ th−ờng trú HSDPA High Speed Downlink Packet Access Hệ thống truy cập gói đ−ờng xuống tốc độ cao HMI Human-Machine Interface Giao diện ng−ời – máy IMT- 2000 International Mobile Telecommunication - 2000 Thông tin di động toàn cầu- 2000 IP Internet Protocol Giao thức Internet IPv6 Internet Protocol Version 6 Giao thức Internet phiên bản 6 ITU International Telecommunication Union Liên minh Viễn thông Quốc tế Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 9 MAC Medium Access Control Điều khiển thâm nhập môi tr−ờng MAP Mobility Anchor Point Điểm treo di động MIH Media Independent Handover Chuyển giao độc lập ph−ơng tiện MN Mobile Node Nút di động MNN Mobile Network Node Nút mạng di động MNP Mobile Network Prefix Tiền tố mạng di động MR Mobile Router Bộ định tuyến di động MS Mobile Station Trạm di động MSC Mobitily Service Center Trung tâm dịch vụ di động MIMO Multi Input – Multi Output ăngten nhiều kênh vào – nhiều kênh ra MC- CDMA Multi Carrier CDMA Đa truy cập phân chia theo mã đa sóng mang NEMO Network Mobility Tính di động mạng NGN Next Genaration Network Mạng thế hệ sau OSI Open Systems Interconnection Mô hình t−ơng kết các hệ thống mở OFDM Orthononal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh đa truy cập phân chia theo tần số trực giao OFCDM Orthononal Frequency Code Division Multiplexing Ghép kênh đa truy cập phân chia theo mã tần số trực giao PAN Persional Access Network Mạng truy cập cá nhân PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PHS Personal Handyphone System Hệ thống điện thoại cá nhân PKI Public Key Infrastructure Cở sở hạ tầng khóa chung QoS Quality of Service Chất l−ợng dịch vụ RANAP Radio Access Network Application Part Phần ứng dụng mạng thâm nhập vô tuyến RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNS Radio Network Subsystem Hệ thống con mạng vô tuyến Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 10 RO Route Optimization Tối −u hóa đ−ờng đi RR Return Routability Khả năng đinh tuyến đ−ờng về SDR Software Defined Radio Sóng vô tuyến định nghĩa mềm SINR Signal to Interference and Noise Power Ratio Tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu và tạp âm SMS-SC SMS Service Center Trung tâm dịch vụ tin nhắn SMS SVD based MIMO Singular Value Decomposition based Multiple Input Multiple Output TCP Transmision Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TPC Transmission Power Control Điều khiển công suất truyền dẫn UE User Equypment Thiết bị ng−ời sử dụng UMTS Universal Mobile Telecommunication System Hệ thống viễn thông di động toàn cầu UWB Ultra Wide band Băng tần cực rộng W- CDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa thâm nhập vô tuyến phân chia theo mã băng rộng W-LAN Wireless - LAN Mạng cục bộ không dây Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 11 Lời giới thiệu Trong những năm gần đây, thông tin di động đã đạt đ−ợc những thành tựu v−ợt bậc. Thông tin di động cho phép ng−ời sử dụng đàm thoại ở mọi lúc, mọi nơi trong vùng phủ sóng, kể cả khi đang di chuyển. Ngoài ra, thông tin di động còn đáp ứng nhiều dịch vụ tiện ích khác nh−: nhắn tin, truyền số liệu, truyền thông đa ph−ơng tiện, xác định vị trí ng−ời sử dụng… mà các dịch vụ khác không thực hiện đ−ợc. Do vậy, nhu cầu về thông tin di động ngày một tăng lên và trong t−ơng lai không xa đây sẽ là hình thức thông tin vạn năng và đ−ợc ứng dụng sâu rộng vào cuộc sống, và sẽ có thể thay đổi lối sống của con ng−ời. Cho đến nay thông tin di động trên thế giới đã trải qua ba thế hệ. Thế hệ thứ nhất sử dụng công nghệ t−ơng tự từ những năm 70 và đến giữa những năm 80 hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai đã ra đời và phát triển rất mạnh mẽ. Những năm đầu thế kỷ 21 (khoảng 2002) hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) đã đ−ợc triển khai và ứng dụng rộng rãi phục vụ đời sống của con ng−ời. ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động 3G đã đ−ợc triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ Saigon Postel, Hà Nội Telecom, EVN Telecom và đ−ợc đ−a vào khai thác vào năm 2006. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ t− (4G) đã đ−ợc các Hãng viễn thông lớn trên thế giới, Hiệp hội Viễn thông quốc tế - ITU, diễn đàn Mobile IT (mITF – Mobile IT Forum) nghiên cứu và chuẩn hóa. Theo dự báo, vào khoảng năm 2012, hệ thống thông tin di động 4G sẽ đ−ợc triển khai và đ−a vào khai thác. Sự xuất hiện của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ t− có thể tạo ra một sự bùng nổ trong ngành công nghiệp thông tin di động nói riêng và ngành công nghiệp viễn thông nói chung. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 12 Ch−ơng 1. mở đầu 1.1 Cơ sở nghiên cứu và mục đích của luận văn Nhu cầu trao đổi dữ liệu, sử dụng dịch vụ đa ph−ơng tiện, nhu cầu giải trí (nghe nhạc, xem phim, chơi game ...) trên thiết bị di động ngày càng tăng khi điều kiện sống của chúng ta tăng. Tr−ớc nhu cầu đó, các chuẩn các hệ thống thông tin di động 3.5G, 4G đã đ−ợc nghiên cứu và phát triển. Năm 2006, ở Nhật Bản, Hãng viễn thông NTT DoCoMo đã triển khai thành công và đ−a vào khai thác hệ thống di động 3.5G HSDPA (High Speed Downlink Packet Access). Hệ thống HSDPA đ−ợc mở rộng, phát triển từ hệ thống di động thế hệ 3 (W-CDMA: Wideband Code Division Multiple Access), cho tốc độ đ−ờng xuống là 14Mbps, đ−ờng lên 5,7Mbps (trên lý thuyết). Còn với hệ thống 4G, theo thử nghiệm mới nhất của hãng viễn thông NTT DoCoMo (Nhật Bản), cho tốc độ 5Gbps ở môi tr−ờng trong nhà (indoor), và tốc độ 100Mbps ở môi tr−ờng ngoài trời trên đối t−ợng chuyển động tốc độ 250km/h. Với sự bùng nổ về tốc độ của hệ thống di động 4G, thì hệ thống 4G sẽ đ−ợc ứng dụng rộng rãi cho rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Hệ thống 4G sẽ cung cấp rất nhiều dịch vụ nh−: dịch vụ cung cấp nội dung tiến tiến, dịch vụ chăm sóc sức khỏe, dịch vụ đặt hàng di động, th−ơng mại di động, phòng chống thiên tai ... Hiện nay, ở n−ớc ta đang tồn tại đồng thời nhiều thế hệ của hệ thống di động (2G, 2.5G, 3G). Việc triển khai hệ thống di động 4G vẫn là vấn đề trong t−ơng lai xa. Nh−ng tr−ớc những xu thế phát triển chung về công nghệ viễn thông, đặc biệt là công nghệ thông tin di động, thì việc nghiên cứu, tìm hiểu hệ thống thông tin di động 4G là cần thiết. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 13 1.2 Tổ chức của luận văn Luận văn đ−ợc trình bày thành bốn ch−ơng. Ch−ơng 1 trình bày sơ l−ợc về cơ sở nghiên cứu, mục đích cũng nh− tổ chức của luận văn. Ch−ơng 2 trình bày về lịch sử, các thế hệ và xu thế phát triển hệ thống thông tin di động. Ch−ơng 3 trình bày mô hình tham chiếu của hệ thống di động 4G. Mô hình tham chiếu của hệ thống 4G chia làm bốn miền: miền ứng dụng và dịch vụ, miền nền tảng dịch vụ, miền mạng lõi chuyển mạch gói, miền truy cập vô tuyến mới. ở ch−ơng này cũng trình bày một số kỹ thuật, công nghệ tiên tiến nh−: các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến dung l−ợng lớn, tốc độ cao (OFDMA, SCS-MC-CMDA), kỹ thuật ăngten dãy thích nghi tiên tiến, kỹ thuật ghép kênh tiên tiến (MIMO) ... đ−ợc triển khai ở hệ thống di động 4G. Ch−ơng 4 trình bày về hiện trạng các hệ thống thông tin di động tại Việt Nam và trên thế giới. Sau đó là đề xuất giải pháp triển khai hệ thống di động 4G từ cở sở hạ tầng mạng hiện có của các nhà cung cấp. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 14 Ch−ơng 2. các thế hệ thông tin di động 2.1 Lịch sử và xu thế phát triển của thông tin di động 2.1.1 Toàn cảnh hệ thống thông tin di động Thông tin di động luôn không ngừng phát triển và ngày càng đòi hỏi các kỹ thuật tiên tiến và công nghệ cao. ý t−ởng về sự liên lạc tức thời mà không quan tâm đến khoảng cách là một trong những giấc mơ lâu đời nhất của loài ng−ời và giấc mơ đó đang ngày càng trở thành hiện thực nhờ sự trợ giúp của kỹ thuật và công nghệ. Việc sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông tin diễn ra lần đầu tiên vào cuối thế kỷ 19. Kể từ đó nó trở thành một công nghệ đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong thông tin quân đội và sau này là thông tin vô tuyến công cộng. Sau nhiều năm phát triển, thông tin di động đã trải qua những giai đoạn phát triển quan trọng. Từ hệ thống thông tin di động t−ơng tự thế hệ thứ nhất đến hệ thống thông tin di động số thế hệ thứ hai, hệ thống thông tin di động băng rộng thế hệ thứ ba đang đ−ợc triển khai trên phạm vi toàn cầu và hệ thống thông tin di động đa ph−ơng tiện thế hệ thứ t− đang đ−ợc nghiên cứu tại một số n−ớc. Dịch vụ chủ yếu của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất và thứ hai là thoại còn dịch vụ thế hệ ba và thứ t− phát triển về dịch vụ dữ liệu và đa ph−ơng tiện. Các hệ thống thông tin di động tế bào số hiện nay đang ở giai đoạn thế hệ thứ hai cộng (2.5G), thế hệ thứ ba và thế hệ thứ ba cộng (3.5G). Để đáp ứng các nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ thông tin di động nên ngay từ đầu những năm 90 ng−ời ta đã tiến hành nghiên cứu hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba. Liên hiệp Viễn thông Quốc tế bộ phận vô tuyến (ITU-R) đã thực Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 15 hiện tiêu chuẩn hoá cho hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000. ở Châu Âu, Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) đã thực hiện tiêu chuẩn hoá phiên bản của hệ thống này với tên gọi là UMTS (Universal Mobile Telecommunication System: Hệ thống viễn thông di động toàn cầu). Hệ thống mới này làm việc ở dải tần 2GHz và cung cấp nhiều loại dịch vụ bao gồm từ các dịch vụ thoại, số liệu tốc độ thấp hiện có đến các dịch vụ số liệu tốc độ cao, video và truyền thanh. Tốc độ cực đại của ng−ời sử dụng có thể lên tới 2Mbps. Tốc độ cực đại này chỉ có ở các ô pico trong nhà, còn các dịch vụ với tốc độ 14,4Kbps sẽ đ−ợc đảm bảo cho thông tin di động thông th−ờng ở các ô macro. Ng−ời ta cũng đang nghiên cứu các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ t− có tốc độ cho ng−ời sử dụng khoảng 2Gbps. ở hệ thống di động băng rộng (MBS) thì các sóng mang đ−ợc sử dụng ở các b−ớc sóng mm, độ rộng băng tần 64MHz và dự kiến sẽ nâng tốc độ của ng−ời sử dụng đến STM-1 [1]. Hiện nay, trên các quốc trên thế giới ở hầu hết các n−ớc đã triển khai hệ thống di động 3G. Theo thống kê của hai hãng Informa Telecom & Media và WCIS and 3G America, hiện nay có 181 hãng cung cấp dịch vụ trên 77 quốc gia đã đ−a vào khai thác dịch vụ các mạng di động thế hệ 3 của mình. Với hệ thống di động 3.5G (HSDPA) thì có đến 135 hãng cung cấp dịch vụ trên 63 quốc gia đã cung cấp các dịch vụ của hệ thống di động 3.5G. Hệ thống tiền 4G (Pre-4G) là WiMax cũng đã đ−ợc triển khai và đ−a vào khai thác dịch vụ ở một số thành phố nh− London, New York vào quý 2 năm 2007. ở n−ớc ta, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thông tin liên lạc nói chung trong những năm gần đây thông tin di động ra đời nh− một tất yếu khách quan nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin trong thời kỳ đổi mới của đất n−ớc. Vào thời kỳ ban đầu, xuất hiện một số mạng thông tin di động nh− mạng nhắn tin ABC, mạng nhắn tin toàn quốc... có tính chất thử nghiệm cho công nghệ thông tin di động ở Việt Nam. Sau đó, vào tháng 3/1993, mạng Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 16 điện thoại di động MobiFone sử dụng kỹ thuật số GSM đã đ−ợc triển khai và chính thức đ−a vào hoạt động ở Việt Nam với các thiết bị của hãng ALCATEL. Tháng 6/1996, mạng Vinaphone ra đời và cùng tồn tại song song với mạng VMS. Năm 2003, mạng S-Phone sử dụng công nghệ CMDA của Saigon Postel đ−a vào khai thác. Đến năm 2004, mạng GSM của Viettel cũng chính thức đ−a vào hoạt động. Và gần đây, EVN Telecom, Hà Nội Telecom cũng đ−a vào khai thác mạng di động thế hệ thứ ba. Trong hai năm gần đây, số thuê bao của các mạng này đang tăng rất nhanh. 2.1.2 Lộ trình phát triển của thông tin di động Thời kỳ đầu, khi mới triển khai, hệ thống di động thế hệ thứ nhất mới chỉ cung cấp cho ng−ời sử dụng dịch vụ thoại, nh−ng nhu cầu về truyền số liệu tăng lên đòi hỏi các nhà khai thác mạng phải nâng cấp rất nhiều tính năng mới cho mạng và cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng trên cơ sở khai thác mạng hiện có. Từ đó các nhà khai thác đã phải triển khai các hệ thống di động 2G, 2.5G để cung cấp dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao hơn. Cùng với Internet, Intranet đang trở thành một trong những hoạt động kinh doanh ngày càng quan trọng, một trong các hoạt động này là xây dựng các công sở vô tuyến để kết nối các cán bộ “di động” với xí nghiệp hoặc công sở của họ. Ngoài ra, tiềm năng to lớn đối với các công nghệ mới là cung cấp trực tiếp tin tức và các thông tin khác cho các thiết bị vô tuyến sẽ tạo ra các nguồn lợi nhuận mới cho nhà khai thác. Do vậy, để đáp ứng đ−ợc các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình ảnh, đồng thời đảm bảo tính kinh tế thì hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (GSM, PDC, IS-136 và cdmaOne) đã từng b−ớc chuyển đổi sang hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba. Khi mà nhu cầu về các dịch vụ đa ph−ơng tiện chất l−ợng cao tăng mạnh, mà tốc độ của hệ thống 3G hiện tại không đáp ứng đ−ợc thì các tổ chức viễn thông trên thế giới đã nghiên cứu và chuẩn hóa hệ thống di động 4G. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 17 Lộ trình phát triển của thông tin di động từ thế hệ thứ nhất đến thế hệ thứ t− đ−ợc mô tả ở hình 2.1. Hình 2.1: Lộ trình phát triển của thông tin di động [1] Trong đó: + TACS (Total Access Communication System): Hệ thống thông tin truy nhập tổng thể. + NMT900 (Nordic Mobile Telephone 900): Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu băng tần 900MHz. + AMPS (Advanced Mobile Phone Service): Dịch vụ điện thoại di động tiến. + SMR (Specialized Mobile Radio): Vô tuyến di động chuyên dụng. + GSM(900) (Global System for Mobile): Hệ thống thông tin di động toàn cầu băng tần 900MHz. + GSM(1800): Hệ thống GSM băng tần 1800MHz. + GSM(1900): Hệ thống GSM băng tần 1900MHz. + IS-136 (Interim Standard – 136): Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA cải tiến do AT&T đề xuất. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 18 + IS-95 (CDMA) (Interim Standard – 95 CDMA): Tiêu chuẩn thông tin di động CDMA cải tiến của Mỹ (do Qualcomm đề xuất). + GPRS (Genneral Packet Radio System): Hệ thống vô tuyến gói chung. + EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution): Những tốc độ số liệu tăng c−ờng để phát triển GSM. + cdma2000 1x: Hệ thống cdma2000 giai đoạn 1. + WCDMA (Wideband CDMA): Hệ thống CDMA băng rộng. + cdma2000 Mx: Hệ thống cdma2000 giai đoạn 2 [1]. + HSPA (High Speed Packet Access): Hệ thống di động truy cập gói tốc độ cao. Hệ thống HSPA đ−ợc chia thành 3 công nghệ sau: - HSDPA (High Speed Downlink Packet Access): Hệ thống truy cập gói đ−ờng xuống tốc độ cao. - HSUPA (High Speed Uplink Packet Access): Hệ thống truy cập gói đ−ờng lên tốc độ cao. - HSODPA (High Speed OFDM Packet Access): Hệ thống truy cập gói OFDM tốc độ cao. + Pre-4G: các hệ thống tiền 4G, gồm có WiMax và WiBro (Mobile Wimax). + WiMax: Worldwide Interoperability for Microwave Access + WiBro: Wireless Broadband System: Hệ thống băng rộng không dây Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 19 2.2. Tổng kết các thế hệ thông tin di động Bảng 2.1 trình bày một số nét chính của các công nghệ thông tin di động từ 1G đến 4G [1]. Bảng 2.1. Tổng kết các thế hệ thông tin di động Thế hệ thông tin di động Hệ thống Dịch vụ chung Chú thích Thế hệ 1 (1G) AMPS, TACS, NMT Thoại FDMA, t−ơng tự Thế hệ 2 (2G) GSM, IS-136, IS-95 Chủ yếu cho thoại kết hợp với dịch vụ bản tin ngắn TDMA hoặc CDMA, công nghệ số, băng hẹp (8-13 kbps) Thế hệ 2+ (2.5G) GPRS, EDGE, cdma2000 1x Chủ yếu vẫn là thoại, dịch vụ số liệu gói tốc độ thấp và trung bình TDMA (kết hợp nhiều khe thời gian hoặc tần số) hoặc CDMA, sử dụng phổ chồng lên phổ tần của hệ thống 2G, tăng c−ờng truyền số liệu gói. Tốc độ tối đa đạt 144kbps. Thế hệ 3 (3G) cdma2000 1x EV DO/DV, cdma2000, WCDMA Truyền dẫn thoại và dịch vụ số liệu đa ph−ơng tiện CDMA, CDMA/ TDMA, băng rộng, riêng cdma2000 1x EV sử dụng phổ chồng lên phổ của hệ thống 2G. Tốc độ tối đa đ−ờng xuống 2Mbps, đ−ờng lên 384kbps. Thế hệ 3+ (3.5G) HSDPA HSUPA HSOPA Tích hợp thoại, dịch vụ số liệu và đa ph−ơng tiện tốc độ cao. Phát triển từ 3G, CDMA/HS- DSCH. HSPDA cho tốc độ tối đa đ−ờng xuống 14.4Mbps, HSUPA có tốc độ đ−ờng lên tối đa 5.7Mbps, HSOPA cho tốc độ Downlink/Uplink tối đa là 200Mbps/100Mbps. Thế hệ 4 (4G) 4G Truyền dẫn thoại, số liệu, đa ph−ơng tiện tốc độ cực cao. OFMA, MC/DS-CDMA, tốc độ tối đa ở môi tr−ờng trong nhà là 5Gbps, 100Mbps môi tr−ờng ngoài trời trên đối t−ợng chuyển động nhanh (250km/h). Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 20 Ch−ơng 3. hệ thống THÔNG TIN di động 4G 3.1 Tổng quan về hệ thống thông tin di động 4G 3.1.1 Giới thiệu chung Hệ thống di động thế hệ thứ t− (4G) dự kiến sẽ đ−a vào sử dụng, khai thác vào khoảng năm 2012. Với sự đột phá về tốc độ và dung l−ợng, hệ thống di động 4G sẽ cung cấp những dịch vụ phục vụ sâu hơn vào đời sống sinh hoạt th−ờng nhật, công việc cũng nh− có sự tác động lớn đến lối sống của chúng ta trong t−ơng lai gần. Cụ thể hơn trong từng khía cạnh của cuộc sống đ−ợc trình bày d−ới đây. Trong giáo dục, nghệ thuật, khoa học Nhờ có sự −u việt của hệ thống 4G, sự tiên tiến của thiết bị đầu cuối, học sinh, sinh viên, các nhà nghiên cứu khoa học có thể trao đổi thông tin hình ảnh, thoại, và các thông tin cần thiết cho việc học tập, nghiên cứu mà không có rào cản nào về khoảng cách cũng nh− ngôn ngữ. Thiết bị đầu cuối di động của hệ thống di động thế hệ 4G (điện thoại cầm tay, đồng hồ đeo tay ...) có tích hợp camera, có chức năng thông dịch ngôn ngữ tự động giúp họ trao đổi thông tin trực tiếp, học sinh, sinh viên có thể nhận những chỉ dẫn từ giáo viên từ xa .... Giải trí Hệ thống di động 4G đ−ợc sử dụng cho hệ thống tải nội dung, trò chơi và âm nhạc/video. Những trò chơi hình ảnh động có thể đ−ợc truy cập ở bất cứ nơi nào trên hệ thống. Những nội dung cực kì phong phú đa dạng về nhạc và phim trong hệ thống có thể tải ngay lập tức ở bất cứ nơi đâu, vào bất cứ thời gian nào. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 21 Truyền thông hình ảnh Hệ thống di động 4G cũng đ−ợc ứng dụng trong việc trao đổi thông tin giữa các điểm cách xa nhau. Một đoạn phim của một sự kiện thể thao có thể đ−ợc gửi bởi máy quay gắn trên một máy thu phát cầm tay và đ−ợc gửi đi tức thời cho các thành viên trong gia đình ở n−ớc ngoài hoặc ở xa. Th−ơng mại di động Hệ thống di động 4G đ−ợc ứng dụng trong trao đổi và thoả thuận mua bán hàng hoá. Bằng cách đơn giản là giữ thiết bị di động cầm tay theo tấm quảng cáo hoặc trên tạp chí, ng−ời sử dụng có thể thu đ−ợc những thông tin liên quan về sản phẩm, từ đó có thể đặt hàng và thanh toán bằng tài khoản thông qua thiết bị di động. Cuộc sống th−ờng nhật Công nghệ xác thực cá nhân tiên tiến cho phép ng−ời sử dụng mua những hàng hóa đắt tiền một cách an toàn và thanh toán bằng tài khoản thông qua mạng di động. Dữ liệu đ−ợc tải từ các thiết bị di động có thể đ−ợc sử dụng nh− là các thẻ thanh toán, thẻ ra vào, thẻ thành viên ... thay cho các loại thẻ cá nhân: thẻ ngân hàng (ATM, Visa Card ...), thẻ ra vào công ty, hộ chiếu (PassPort) .v.v. Các dịch vụ di động cũng đ−ợc sử dụng trong nhiều tr−ờng hợp của cuộc sống, ví dụ nh− tải ch−ơng trình tivi trên các máy chủ đặt tại gia đình lên thiết bị di động và xem chúng khi đi ra ngoài, hoặc sử dụng thiết bị cầm tay di động để điều khiển Robot từ xa. Y tế và chăm sóc sức khoẻ Công nghệ di động thế hệ thứ t− đ−ợc sử dụng trong y tế và chăm sóc sức khoẻ. Những dữ liệu về sức khoẻ có thể tự động gửi đến bệnh viện theo thời gian thực từ các thiết bị mang theo trên ng−ời của bệnh nhân, nhờ đó các bác sĩ có thể thực hiện việc kiểm tra sức khoẻ hoặc xử lý tức thì các tình trạng khẩn cấp. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 22 Điều trị trong các tình trạng khẩn cấp Ph−ơng tiện truyền thông di động đ−ợc sử dụng cho cấp cứu khẩn cấp ngay sau khi tai nạn giao thông xảy ra. Vị trí của vụ tai nạn sẽ đ−ợc thông báo tự động bằng cách sử dụng thông tin định vị, khi đó các bác sĩ tại trung tâm y tế đ−a ra các chỉ dẫn sơ cứu cho bệnh nhân thông qua việc quan sát bệnh nhân trên màn hình. Các dữ liệu y tế cũng đ−ợc truyền ngay lập tức đến các xe cứu th−ơng hoặc bệnh viện thông qua mạng di động. ứng dụng trong thảm họa thiên tai Hệ thống di động đóng vai trò là thiết bị thông tin quan trọng trong tr−ờng hợp xảy ra thảm họa thiên tai, cho phép truyền đi hình ảnh thực trạng của các khu vực xảy ra thảm hoạ. Do đó tại những nơi thảm họa không diễn ra, tất cả lãnh đạo chính phủ, các nhà quản lý, các ph−ơng tiện truyền thông đại chúng và ng−ời dân nói chung có thể chia sẻ thông tin [8]. 3.1.2 Các dịch vụ hệ thống di động 4G cung cấp Dịch vụ cung cấp thông tin y tế Hình 3.1. Dịch vụ thông tin y tế [8] Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 23 Trong đó: + Service charge (paid from insurance): phí dịch vụ (thanh toán từ bảo hiểm). + Access personal medical data: truy cập dữ liệu y tế cá nhân + Send personal medical data: gửi dữ liệu y tế cá nhân + Advice/Information/health analysis: Lời khuyên/Thông tin/phân tích tình trạng sức khỏe + Introduction to doctors, provision of adequate medicine: h−ớng dẫn từ bác sỹ, cung cấp thuốc thích hợp. + Medical data storage center: trung tâm l−u trữ dữ liệu y tế + Personal medical data: dữ liệu y tế cá nhân + Hospital/drug store: bệnh viện/kho thuốc Dịch vụ cung cấp thông tin y tế sẽ cung cấp cho khách hàng những thông tin chính xác và đầy đủ về tình trạng sức khỏe. Khách hàng sẽ nhận đ−ợc chỉ dẫn, đơn thuốc của bác sỹ khi có sự thay đổi về tình trạng sức khỏe từ trung tâm chăm sóc y tế trên thiết bị di động của mình. Đồng thời khách hàng có thể truy cập thông tin về sức khỏe của mình trên thiết bị di động [8]. Thậm chí trong dịch vụ này với công nghệ điều trị gen tiên tiến, khách hàng có thể tải những thông tin về gen của họ ngay lập tức để có những biện pháp điều trị thích hợp. Dịch vụ cung cấp nội dung tiên tiến Đơn giản, ng−ời dùng cho biết tên của video (không nhất thiết phải chính xác, có thể mơ hồ cũng đ−ợc) mà họ lựa chọn (ch−ơng trình ti vi đã phát, tin tức, kịch, điện ảnh, hoặc hoà nhạc …) thông qua yêu cầu bằng lời thoại, ng−ời sử dụng có thể xem ch−ơng trình video mình thích trên thiết bị di động đầu cuối ở bất cứ đâu, bất cứ thời gian nào. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 24 Nếu ng−ời dùng muốn xem phim ở rạp chiếu phim thì có thể đặt chỗ tr−ớc và cũng có thể mua vé điện tử. Những video cũng có thể đ−ợc chiếu trên tàu, trên một thiết bị kính đeo mắt có khả năng hiển thị hình ảnh. Hình 3.2. Hệ thống cung cấp nội dung tiên tiến [8] Trong đó: + Movie delivery: phân phát phim + Movie info. search: tìm kiếm thông tin phim + Ambigous search by voice: tìm kiếm thông tin phim bằng thoại + Ticket purchase: thẻ dịch vụ + Content streaming delivery: cung cấp luồng nội dung + Real media content distribution by compact high-density disc, memory cards: phân phối nội dung bằng thẻ nhớ, đĩa nén mật độ cao + Movie distributor: nhà cung cấp phim + Content server: máy chủ nội dung + Service provider: nhà cung cấp dịch vụ + Speech analysis: khối phân tích thoại + Seach server: máy chủ tìm kiếm + Member DB: cơ sở dữ liệu thành viên Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 25 Hệ thống định vị Hình 3.3. Hệ thống định vị [8] Trong đó: + Monthly charge: phí dịch vụ hàng tháng + Location info: thông tin vị trí + Vehicle info: thông tin xe cộ + Entertainment: giải trí + Control info: thông tin điều khiển + Emergency info: thông tin khẩn cấp + Logistics Info: thông tin hậu cần + Service provider: nhà cung cấp dịch vụ + Content provider: nhà cung cấp nội dung + Right holder: ng−ời giữ bản quyền + Content charge: phí nội dung Ng−ời sử dụng có thể truy cập các dịch vụ thông tin d−ới đây từ bên trong một chiếc xe đang chuyển động. Những thông tin này sẽ đ−ợc cung cấp một cách hợp lý phụ thuộc thời gian, địa điểm và tính chất ng−ời sử dụng. - Dịch vụ thông tin định vị (dịch vụ định vị, chỉ dẫn tuyến đ−ờng, thông tin giao thông…) Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 26 - Dịch vụ thông tin xe cộ (thông tin xe ôtô, thông tin điều chỉnh động cơ xe …) - Dịch vụ giải trí (radio, ch−ơng trình truyền hình, .v.v.) - Dịch vụ điều khiển (điều khiển xe trong sự kiện động đất, tai nạn …) - Dịch vụ khẩn cấp (tai nạn, ốm đau bất ngờ…) [8]. Dịch vụ đặt hàng di động Hình 3.4. Hệ thống đặt hàng di động [8] Trong đó: + Inquiry purchase application: yêu cầu mua ứng dụng + Product Info/Ads: thông tin sản phẩm/ quảng cáo + Product/Delivery charge: phí sản phẩm/phí phân phối + Commission: hoa hồng + Application info: thông tin ứng dụng + Product info: thông tin sản phẩm + Platform provider: nhà cung cấp nền tảng Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 27 + Ad cost: chi phí quảng cáo + Server utilization fee: phí sử dụng server. + Manufacturer: nhà sản xuất + Seller: ng−ời bán hàng + Transporter: hãng vận chuyển Cho phép đặt mua các sản phẩm hay thu thập thông tin về sản phẩm một cách dễ dàng nhờ thiết bị đầu cuối di động thông qua tạp chí, sách báo, áp phích … hay các hình ảnh. Thông tin liên quan tới sản phẩm đó (video, đặc tính kỹ thuật) sẽ đ−ợc tự động gửi tới thiết bị đầu cuối di động từ trung tâm sản phẩm, và đ−ợc hiển thị d−ới dạng các hình ảnh 3 chiều (3D). Ng−ời sử dụng có thể đặt hàng sản phẩm ngay lập tức, việc thanh toán bằng tài khoản đ−ợc thực hiện qua thiết bị đầu cuối di động của họ. Việc sử dụng chứng thực bằng võng mạc giúp cho việc đặt mua các sản phẩm có giá trị trở nên đơn giản, an toàn mà không cần bất kỳ sự bảo vệ nào. Quản lý thực phẩm Dịch vụ hỗ trợ cho ng−ời sử dụng có thể truy cập tới tủ lạnh gia đình bằng thiết bị đầu cuối di động từ bên ngoài - để thấy đ−ợc thực phẩm nào vẫn còn, thực phẩm nào hết. Và nhờ hình ảnh hiển thị ng−ời dùng có thể biết hạn sử dụng của thức ăn còn hay không. Ng−ời sử dụng cũng có thể tìm đ−ợc các công thức của thực đơn họ sẽ nấu sử dụng các thực phẩm có sẵn trong tủ lạnh thông qua thiết bị đầu cuối di động đó. Thực phẩm nào thiếu sẽ đ−ợc hiện ra trên màn hình, và nếu đặt hàng chúng sẽ đ−ợc gửi tới nhà vào buổi tối. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 28 Hình 3.5. Hệ thống quản lý thực phẩm [8] + Service register/entry fee: phí đăng ký dịch vụ + Food purchase charge: phí mua thực phẩm + Billing for purchase: hóa đơn bán hàng + Payment: thanh toán + User membership DB: cơ sở dữ liệu thành viên + Order placement: sắp xếp đặt hàng + Supermarket, convenience store, shopping arcade: siêu thị, kho hàng ... Dịch vụ bảo hiểm rủi ro Khi một ai đó bị kẹt trong đống đổ nát trong một trận động đất quy mô lớn, khả năng của mạng điện thoại di động có thể cung cấp chính xác thông tin nh− vị trí của ng−ời đó – thiết bị đầu cuối luôn luôn đ−ợc kết nối Internet trừ khi nó bị hỏng – và luôn sẵn sàng những hoạt động giải cứu một cách nhanh chóng. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 29 Hình 3.6. Hệ thống bảo hiểm rủi ro [8] Trong đó: + Rescue, paramedics: cứu hộ, cứu hộ y tế + Service provider: nhà cung cấp dịch vụ + Platform provider: nhà cung cấp nền tảng + Disaster site (user): khu vực xảy ra thiên tai + Displays current location and destination: hiển thị vị trí hiện tại + Designate wanted area thru pen input: chỉ định vùng cần kiểm soát (bằng bút cảm ứng) + Terminal location is indicated in blinks: vị trí thiết bị đầu cuối đ−ợc chỉ ra tức thời + Contact family using personal info: liên lạc với gia đình nhờ thông tin cá nhân + Obtain medical record from home doctor using personal info: có đ−ợc báo cáo y tế từ bác sỹ nhờ thông tin cá nhân + Disaster insurance premium: phí bảo hiểm thiên tai + Insurance premium: phí bảo hiểm + Notifies location by ring tone: thông báo vị trí bằng nhạc chuông Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 30 Dịch vụ hành chính (quản lý) di động Hình 3.7. Hệ thống quản lý di động [8] Khách hàng có thể truy cập thông tin và nhận đ−ợc nhiều dịch vụ hành chính khác nhau từ chính quyền quốc gia/địa ph−ơng trên một thiết bị đầu cuối di động tại nhà hoặc tại công sở. - ứng dụng cho các tài liệu/văn bằng khác nhau - Trả thuế, đ−a ra thuế thu nhập. - Phát hành sách chăm sóc sức khoẻ cho sản phụ, đ−a ra báo cáo về sinh sản, ứng dụng cho kiểm tra sức khoẻ của trẻ, và các dịch vụ sức khoẻ khác. - Bỏ phiếu bầu cử. 3.2 Mô hình tham chiếu hệ thống di động 4G 3.2.1 Bốn miền của mô hình tham chiếu Mô hình tham chiếu cho các hệ thống di động 4G mô tả theo ph−ơng diện mạng trên hình 3.8. Hệ thống di động 4G bao gồm bốn miền sau: dịch vụ và ứng dụng, nền tảng dịch vụ, mạng lõi chuyển mạch gói, và truy cập vô tuyến mới. Hệ thống di động 4G có 3 đặc tr−ng sau: Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 31 (1) Cung cấp cho ng−ời sử dụng những dịch vụ và ứng dụng ở mức độ độc lập cao từ hệ thống truy cập. (2) Thực thi kết nối và các dịch vụ liền mạch giữa các hệ thống thông qua mạng gói. (3) Ba khả năng vô tuyến của truy cập vô tuyến mới nhờ giao diện vô tuyến đ−a ra cấp độ phổ biến cao [8]. 3.2.1.1 Miền dịch vụ và ứng dụng Miền dịch vụ và ứng dụng cung cấp các dịch vụ và các ứng dụng của các hệ thống di động 4G. Các dịch vụ điển hình bao gồm các dịch vụ thông tin về vị trí, các dịch vụ ngăn ngừa/kiểm soát hiểm hoạ, các dịch vụ đa ph−ơng tiện chất l−ợng cao, các dịch vụ th−ơng mại di động, các dịch vụ quản lý bản quyền số, các dịch vụ phân phối nội dung, các dịch vụ hỗ trợ tải phần mềm, các dịch vụ điều khiển từ xa, cũng nh− nhiều dịch vụ khác. Các dịch vụ và ứng dụng này không chỉ bao gồm các vấn đề lần đầu tiên xuất hiện trên các hệ thống di động 4G, mà còn bao gồm các vấn đề đã đ−ợc cung cấp hoàn chỉnh trên mạng 3G hiện hành hay trên các hệ thống W-LAN và các phiên bản nâng cấp của chúng. Thêm vào đó, các dịch vụ và ứng dụng này nên đ−ợc tạo ra để có thể sử dụng trong cả truy cập sóng vô tuyến mới của các hệ thống di động 4G và các hệ thống truy cập hiện hành. Hơn nữa, một đặc tính tác nhân đ−ợc mong đợi tập trung vào lĩnh vực dịch vụ và ứng dụng để hỗ trợ sự cung cấp trơn tru các dịch vụ và ứng dụng. 3.2.1.2 Miền nền tảng dịch vụ Miền nền tảng dịch vụ cung cấp cơ sở dịch vụ để hỗ trợ triển khai các dịch vụ và ứng dụng đ−ợc đ−a ra bởi miền dịch vụ và ứng dụng. Cấu trúc cơ bản của cơ sở dịch vụ này đ−ợc hỗ trợ bởi ba bộ đặc tính: các đặc tính đa ph−ơng tiện, các đặc tính mạng tốc độ cao/dung l−ợng lớn, và các đặc tính chất l−ợng dịch vụ mạng. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 32 Hình 3.8. Mô hình tham chiếu hệ thống di động 4G Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 33 Chú thích: - 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 Multimedia Services: Dịch vụ đa ph−ơng tiện chất l−ợng cao + Mobile Commerce Services: Dịch vụ th−ơng mại di động + Digital Right Management Services: Dịch vụ quản trị bản quyền số + 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 điều khiển từ xa - Service Platform: Nền tảng dịch vụ; gồm các tác nhân sau: + Social Systems: Hệ thống xã hội + Security, AAA and Settlement: Bảo mật, thanh toán + Application QoS: Chất l−ợng dịch vụ ứng dụng + Database/Remote Server: Cơ sở dữ liệu/máy chủ từ xa + High speed & Large Capacity Network: Mạng dung l−ợng lớn, tốc độ cao + Network QoS I/F: Chức năng t−ơng tác chất l−ợng dịch vụ mạng - Packet Based Core Network: Miền mạng lõi chuyển mạch gói - New Radio Access: Miền truy cập vô tuyến mới 3.2.1.3 Miền mạng lõi chuyển mạch gói Miền mạng lõi chuyển mạch gói đóng vai trò kết nối các hệ thống truy cập khác nhau với miền nền tảng dịch vụ, và không phụ thuộc vào các hệ thống truy cập [8]. Mạng này cho phép sự kết nối giữa các hệ thống di động 4G cũng nh− các hệ thống truy cập khác (ví dụ nh− 2G/3G, mạng LAN không dây, DSRC, phát thanh số, và các mạng IP khác, v.v…), để cung cấp sự truy cập liền mạch cho ng−ời sử dụng. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 34 3.2.1.4 Miền truy cập vô tuyến mới Truy cập vô tuyến mới – một khả năng truy cập vô tuyến mới cho các hệ thống 4G – có thể đ−ợc tạm chia thành 3 khả năng: khả năng truy cập di động mới, khả năng truy cập không dây tự do mới, và khả năng mạng di chuyển. Khả năng truy cập di động mới cho phép truy cập dải tần rộng thậm chí trong các môi tr−ờng dịch chuyển tốc độ cao, và đ−a ra khả năng sử dụng t−ơng tự nh− các dịch vụ tế bào hiện nay. Truy cập không dây tự do mới thực thi tr−ớc hết truy cập băng tần siêu rộng khi di chuyển ở tốc độ thấp, và đ−a ra khả năng sử dụng t−ơng tự nh− các dịch vụ mạng LAN không dây hiện nay [8]. Khả năng mạng dịch chuyển là một khả năng để đ−a ra truy cập không dây trong các môi tr−ờng có số l−ợng lớn ng−ời di chuyển cùng lộ trình nh− một nhóm, nh− ở trên xe buýt hay trên tàu hoả. Nó đ−ợc yêu cầu để thực thi các khả năng truy cập vô tuyến để sử dụng tài nguyên vô tuyến một cách hiệu quả. Ngoài ra, các thiết bị đầu cuối sử dụng trong các hệ thống di động 4G có thể hỗ trợ khả năng sử dụng nhiều sóng vô tuyến và khả năng để hình thành mạng ad-hoc giữa các thiết bị đầu cuối. Hơn nữa, các khả năng vô tuyến mới của truy cập vô tuyến mới đ−ợc đòi hỏi để thực thi ở giao diện vô tuyến có tính phổ biến cao. 3.2.2 Mô hình tham chiếu nhìn từ nền tảng dịch vụ Mô hình tham chiếu nhìn từ ph−ơng diện dịch vụ bao gồm 3 yếu tố là các thiết bị di động, cơ sở hạ tầng mạng di động 4G, và nền tảng dịch vụ đ−ợc mô tả trên hình 3.9. Các thiết bị di động thực hiện truyền thông đa đ−ờng với cơ sở hạ tầng hệ thống di động 4G và hệ thống mạng khác. Khi một cơ sở hạ tầng hệ thống không thể hoạt động trong phạm vi có thể truy cập, truyền thông đa hop đ−ợc thực hiện. Các thiết bị đầu cuối hỗ trợ giao diện rất phong phú bao gồm đặc tính xem tài liệu điện tử, và các chức năng trợ giúp, ví dụ nh− nhận diện chữ Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 35 viết, hình ảnh, giọng nói đ−ợc xây dựng sẵn. Chúng cũng đ−ợc cung cấp chức năng tăng c−ờng 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 đầu cuối có đặc tính cấu hình lại cho phép ng−ời dùng tải xuống, thực thi và tùy biến nhiều loại ch−ơng trình khác nhau. Một đặc điểm khác biệt của mô hình này là có nhiều yêu cầu về chức năng của thiết bị đầu cuối cũng nh− thiết bị hiệu năng cao [8]. Cơ sở hạ tầng hệ thống di động 4G triển khai truyền dẫn dung l−ợng lớn, tốc độ cao và truyền dẫn đa ph−ơng tiện chất l−ợng cao. Cơ sở hạ tầng có đặc tính thông báo QoS giữa các lớp vì vậy sự phối hợp QoS giữa các lớp đ−ợc thực thi. Nền tảng dịch vụ bao gồm nhiều máy chủ và tác nhân, cung cấp các đặc tính định vị dựa trên các hệ thống thông tin vị trí, việc quản lý quyền truy cập của ng−ời sử dụng thông qua xác thực sinh học cũng nh− 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 l−ợng cao đ−ợc kết nối với nhau. Do đó quyền truy nhập đ−ợc điều khiển bởi máy chủ chứng thực, video hoặc nhạc mà đáp ứng nhu cầu ng−ời sử dụng và khả năng của các thiết bị đầu cuối có thể đ−ợc phân phối bởi các tác nhân từ máy chủ nội dung. Nền tảng dịch vụ cũng đ−ợc gắn kết với các hệ thống xã hội. Trong tr−ờng hợp có thảm hoạ xảy ra, hệ thống mạng có độ tin cậy cao sẽ đ−ợc cấu hình để truyền thông quảng bá về nơi diễn ra thảm hoạ. Ngoài ra, thiết bị đầu cuối có gắn các bộ cảm biến sinh học sẽ truyền tự động thông tin trong các điều kiện khẩn cấp. Theo khía cạnh dịch vụ, mô hình này có thể chia nhỏ hơn thành 3 loại: (1) tính tiện lợi cho ng−ời sử dụng, (2) các dịch vụ tiên tiến, (3) quản lý hệ thống. Trong 3 loại này, tính tiện dụng cho ng−ời dùng và các dịch vụ tiên tiến đ−ợc hỗ trợ bởi quản lý hệ thống. Và đám mây trong hình chỉ ra một nền tảng để đặt các máy chủ và cơ sở dữ liệu. Chúng đ−ợc xây dựng trên dựa trên 3 tiêu chí cơ sở hạ tầng: “đa truyền thông chất l−ợng cao”, “truyền tải với tốc độ cao và dung l−ợng lớn” và “QoS I/F”. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 36 3.2.2.1 Sự thuận tiện cho ng−ời sử dụng Mô tả trong hình 3.10, sự thuận tiện cho ng−ời sử dụng là một nhóm liên quan tới việc dễ dàng trong sử dụng, và bao gồm các đặc tính nh− giao diện ng−ời 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 đầu cuối. Với giao diện ng−ời sử dụng, yêu cầu phải thực thi sự hiển thị hình ảnh, giọng nói với chất l−ợng cao hơn, và đạt đ−ợc sự nâng cao về giao diện để đơn giản hoá 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 ng−ời sử dụng, khả năng để yêu cầu và nhận thông tin vì lợi ích của những ng−ời sử dụng, và sự thực hiện đầy đủ của các đặc tính tác nhân trong các thiết bị đầu cuối, nền dịch vụ và nhà cung cấp dịch vụ. Liên quan tới khả năng xử lý/thời gian sử dụng/giao diện của thiết bị đầu cuối, khả năng xử lý của thiết bị có khả năng truy cập thông tin đa ph−ơng tiện chất l−ợng cao, thời gian sử dụng lâu hơn giúp ng−ời sử dụng không phải quan tâm tới dung l−ợng của pin, và giao tiếp với nhiều loại thiết bị ngoại vi đ−ợc đ−a ra. Khả năng cấu hình lại của thiết bị đầu cuối bao gồm khả năng nâng cấp các phiên bản bằng việc thêm hoặc thay đổi các đặc tính thiết bị thông qua việc tải phần mềm, và cho phép truy cập qua các giao diện vô tuyến khác [8]. 3.2.2.2 Các dịch vụ tiên tiến Các dịch vụ tiên tiến, hình 3.11, là khía cạnh có liên quan đến tính hiện đại của dịch vụ, và bao gồm các đặc điểm sau: đa truyền thông chất l−ợng cao, đầu vào thông tin, vị trí/định vị, và cảm biến/điều khiển từ xa. Để cho phép ng−ời dùng nhận đ−ợc dịch vụ tiên tiến chất l−ợng cao thông qua các thiết bị di động có khả năng truy cập vào cơ sở hạ tầng hệ thống di động 4G [8], thông tin môi tr−ờng xung quanh ng−ời sử dụng sẽ đ−ợc truyền đi bởi các thiết bị đầu cuối và dựa trên thông tin này các hệ thống dịch vụ gia tăng khác nhau sẽ hoạt động trên nền tảng dịch vụ. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 37 Hình 3.9. Mô hình tham chiếu nền tảng dịch vụ Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 38 Hình 3.10. Mô hình tham chiếu nền tảng dịch vụ: tiện nghi ng−ời dùng Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 39 Hình 3.11. Mô hình tham chiếu nền tảng dịch vụ: Dịch vụ nâng cao Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 40 Hình 3.12. Mô hình tham chiếu nền tảng dịch vụ: quản lý hệ thống Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 41 3.2.2.3 Quản lý hệ thống Mô tả trong hình 3.12, quản lý hệ thống là khía cạnh liên quan đến 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, đặc tính thích ứng môi tr−ờng, xã hội. Mô hình quản lý hệ thống này có mục đích nâng cao tính bảo mật/ xác thực/ tính toán nh− là nhân tố cốt lõi của các dịch vụ làm nền tảng cho việc triển khai xã hội di động 4G và cung cấp cho hệ thống khả năng khắc phục các loại lỗi khác nhau [8]. Khái niệm QoS ứng dụng phối hợp QoS mạng đ−ợc sử dụng, do đó truyền dữ liệu liên tục tốc độ cao chống lại sự tắc nghẽn đ−ợc cung cấp ngay cả trong điều kiện bất lợi. 3.2.3 Mô hình tham chiếu cơ sở hạ tầng hệ thống 3.2.3.1 Các ví dụ điển hình và giao diện cho mạng truy cập vô tuyến mới Năm ví dụ điển hình về viễn cảnh trong mạng truy cập vô tuyến mới và các ví dụ về giao diện cho từng viễn cảnh đ−ợc thể hiện trong hình 3.13. Trong hình này, R1-R5 cho biết dạng của giao diện vô tuyến, N1-N3 cho biết dạng giao diện mạng. Viễn cảnh 1 là một ví dụ giới thiệu về khả năng truy cập vô tuyến mới ở môi tr−ờng ngoài trời. ở mức trung bình, có thể đạt đ−ợc tốc độ gói vô tuyến nhanh hơn khi thiết bị đầu cuối gần trạm thu phát gốc (BTS). Viễn cảnh 2 là một ví dụ giới thiệu về khả năng truy cập di động mới hoặc khả năng truy cập không dây tự do mới ở môi tr−ờng trong nhà quy mô rộng chẳng hạn nh− ở những toà nhà văn phòng rộng hoặc các cửa hàng. Viễn cảnh 3 là một ví dụ giới thiệu về khả năng truy cập không dây tự do mới ở môi tr−ờng trong nhà quy mô nhỏ nh− nhà riêng. Viễn cảnh 4 là ví dụ giới thiệu về khả năng mạng di chuyển. Trong ví dụ này các nút mạng di chuyển (MNN) sẽ đ−ợc cài đặt trong các đối t−ợng chuyển động ví dụ nh− tàu hoả, xe buýt để có thể truyền thông giữa các trạm cơ sở và trạm di động qua các MNN. Viễn cảnh 5 là ví dụ Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 42 về định dạng của một mô hình ad-hoc ở giữa các trạm di động, các trạm di động đ−ợc trang bị giao diện vô tuyến R5 cho phép truyền thông vô tuyến giữa các trạm di động [8]. Chú ý rằng, những tr−ờng hợp đ−ợc giới thiệu này chỉ đơn thuần là một vài ví dụ trong hệ thống di động 4G, vì vậy có thể định dạng mạng kết nối đa chặng bằng cách kết nối các trạm cơ sở bằng sự kết nối vô tuyến là hoàn toàn có thể hiểu đ−ợc. BS (Base Station): Trạm gốc MS (Mobile Station): Trạm di động MNN (Moving Network Node): Nút mạng di chuyển R1: High Speed MS I/F: T−ơng tác MS tốc độ cao R2: Large-Scale Indoor I/F: T−ơng tác trong nhà lớn. R3: Indoor I/F: T−ơng tác trong nhà R4: Moving Network I/F: T−ơng tác mạng di chuyển R5: Ad Hoc I/F: t−ơng tác mạng Ad Hoc N1: Outdoor BS I/F: t−ơng tác BS ngoài trời N2: Large-Scale Indoor BS I/F: t−ơng tác BS trong nhà lớn N3: Indoor BS I/F: t−ơng tác BS trong nhà Hình 3.13. Giao diện vô tuyến và ngữ cảnh thực tế của truy cập vô tuyến mới [8] Thêm vào đó, sẽ có những đòi hỏi lớn để thiết kế và phát triển 5 giao diện vô tuyến này có mức độ phổ dụng cao, để các thiết bị đầu cuối của hệ thống di động 4G có thể dễ dàng điều khiển khả năng đa sóng vô tuyến và có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau trong nhiều môi tr−ờng khác nhau. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 43 3.2.3.2 Cấu hình chức năng cho các nút/thiết bị đầu cuối trong hệ thống di động 4G Hình 3.14 mô tả các ví dụ về cấu hình chức năng cho các nút/các thiết bị đầu cuối trong các hệ thống di động 4G. Xem xét nh− là các lớp chức năng, dịch vụ và ứng dụng (F5), hỗ trợ dịch vụ (F4), điều khiển mạng và truyền tải (F3), quản lý tài nguyên và đ−ờng kết nối (F2) và các chức năng truy cập không dây (F1) đ−ợc định nghĩa. F5-F3 t−ơng ứng với dịch vụ và miền ứng dụng, nền tảng dịch vụ, mạng lõi chuyển mạch gói thuộc hình 3.8 t−ơng ứng với nơi mà F5, F4 ứng với trong miền truy cập sóng vô tuyến mới [8]. Hình 3.14. Ví dụ về cấu hình chức năng cho các nút/các thiết bị đầu cuối [8] Nói cách khác, khi xem xét nh− là các loại nút/thiết bị đầu cuối, thì gồm các loại: Bridge, bao hàm các lớp chức năng F1-F2; Router bao hàm các lớp chức năng F1-F3; loại máy chủ quản lý gồm các lớp chức năng F1-F4; và loại thiết bị đầu cuối gồm các chức năng F1-F5. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 44 3.3 Các công nghệ ứng dụng trong hệ thống di động 4G Để đạt đ−ợc tốc độ truyền dẫn cao, dung l−ợng lớn trong hệ thống di động 4G, rất nhiều công nghệ tiên tiến cho thiết bị đầu cuối, cơ sở hạ tầng mạng, nền tảng dịch vụ cũng nh− là mạng truy cập vô tuyến mới đã đ−ợc nghiên cứu, thử nghiệm và đã đạt đ−ợc kết quả đề ra. Sau đây là một số công nghệ đ−ợc ứng dụng cho hệ thống di động 4G trong t−ơng lai. 3.3.1 Kỹ thuật truyền dẫn dung l−ợng lớn, tốc độ cao 3.3.1.1 Các kỹ thuật đa truy cập (Multiple Access Techniques) Để đạt đ−ợc tốc độ truyền dẫn sấp xỉ 100Mbps ở môi tr−ờng ngoài trời và 2Gbps ở môi tr−ờng trong nhà, và để mạng truy cập vô tuyến t−ơng thích với hệ thống mạng có kiến trúc phân cấp dựa trên nền IP, các công nghệ truyền dẫn sau đã đ−ợc nghiên cứu và phát triển: - Ghép kênh phân chia theo mã và tần số trực giao có hệ số trải phổ thay đổi: VSF-OFCDM (Variable Spreading Factor – Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing). - Đa truy cập phân chia theo mã đa sóng mang có lựa chọn sóng mang con: SCS-MC-CDMA (Subcarrier Selecting Multi Carrier Code Division Multi Access). - Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao: OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multi Access). - Đa truy cập phân chia theo tần số đan 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 thông l−ợng lớn tốc độ cao trong nhiều môi tr−ờng và điều kiện lan truyền khác nhau qua một vùng phủ rộng. Để triển khai đ−ợc truyền dẫn dung l−ợng lớn, hệ Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 45 thống này đã sử dụng hệ số trải phổ hai chiều thay đổi thích hợp trong miền thời gian và tần số tùy thuộc vào cấu hình ô, điều kiện lan truyền, tải trên kênh [9]. Công nghệ này v−ợt trội hơn công nghệ OFCDM dựa theo tốc độ ký hiệu thấp MC-CDMA sử dụng nhiều sóng mang con trong cùng giao diện vô tuyến. Ưu thế của VSF-OFCDM là khả năng đạt đ−ợc hiệu quả sử dụng phổ tần cao, truyền dẫn dung l−ợng lớn, tốc độ cao nhờ việc kế thừa hệ số trải phổ tối −u tùy thuộc điều kiện lan truyền cụ thể trong cả môi tr−ờng nhiều ô (tế bào) và môi tr−ờng tế bào độc lập, sử dụng cùng giao diện vô tuyến. Đặc tính truyền dẫn của VSF-OFCDM đã đ−ợc thử nghiệm cả ở môi tr−ờng trong nhà và ngoài trời. Báo cáo thử nghiệm cho kết quả 100Mbps ở môi tr−ờng ngoại ô, khoảng cách giữa trạm gốc và trạm di động là 80m-100m, tần số sóng mang 4,635 GHz, băng thông 101,5 MHz, số sóng mang con 768, hệ số trải phổ thời gian 16, tốc độ di chuyển của thiết bị di động 30km/h, điều chế 16QAM. SCS-MC-CDMA (Subcarrier Selecting Multi Carrier Code Division Multi Access): Hình 3.15. Cơ bản về SCS-MC-CDMA [9] Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 46 SCS-MC-CDMA là một l−ợc đồ truy cập vô tuyến dựa trên công nghệ MC-CDMA, là ph−ơng pháp truyền dẫn ký hiệu trải phổ sử dụng nhiều sóng mạng con trực giao trong miền tần số. Lợi dụng đặc tính của MC-CDMA là sử dụng nhiều sóng mang con, SCS-MC-CDMA gán nhiều sóng mang con cho mỗi ng−ời sử dụng tùy theo tốc độ dữ liệu của ng−ời dùng đó [9]. Bộ thu không yêu cầu bộ xử lý tín hiệu tốc độ cao để điều chế tất cả sóng mang con, nh−ng truyền thông vẫn đ−ợc thực thi bằng khả năng xử lý tín hiệu dựa vào số sóng mang con đ−ợc lựa chọn nhờ bộ lọc lựa chọn sóng mang con. SCS-MC-CDMA có thể thay đổi tốc độ dữ liệu tối đa gán cho một ng−ời sử dụng tùy theo khoảng cách giữa trạm gốc và thiết bị di động bằng việc điều chỉnh số sóng mang con và công suất phát cho mỗi sóng mang con. SCS-MC-CDMA gán số sóng mang con dựa theo tốc độ dữ liệu của ng−ời sử dụng. Hơn nữa, tính trực giao giữa các sóng mang con đ−ợc đảm bảo, nên cấu hình của máy phát không có sự khác biệt với máy phát của các hệ thống MC-CDMA. Trong hệ thống SCS-MC-CDMA, máy thu sử dụng bộ lọc lựa chọn sóng mang con nên hệ thống sẽ cung cấp tốc độ dữ liệu cho ng−ời dùng một cách linh động. Thậm chí trong các hệ thống sử dụng băng tần lớn, không cần phải thực hiện xử lý tín hiệu tốc độ cao cho cả băng tần mọi lúc mà chỉ cần mức độ xử lý tín hiệu và công suất phát t−ơng ứng với tốc độ dữ liệu của ng−ời sử dụng [9]. Do đó, với hệ thống này có thể giảm đ−ợc tải cho xử lý tín hiệu và công suất tiêu thụ của thiết bị đầu cuối so với các hệ thống khác sử dụng cả băng tần. SCS-MC-CDMA có thể thực hiện giải điều chế bằng khả năng xử lý tín hiệu t−ơng ứng với tốc độ dữ liệu ng−ời sử dụng do đó có thể phát triển một cách linh động các thiết bị đầu cuối giá rẻ có khả năng xử lý thấp, công suất tiêu thụ thấp, thiết bị đầu cuối đắt tiền có khả năng xử lý cao, công suất tiêu thụ cao tùy theo sở thích, yêu cầu dịch vụ của ng−ời dùng. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 47 SCS-MC-CDMA có thể điều khiển tốc độ dữ liệu tối đa và khoảng cách truyền dẫn bằng việc điều chỉnh số sóng mang con và công suất phát cho mỗi sóng mang con. Nói cách khác, cấu trúc tế bào hiệu quả nhất (best-effort) có thể đ−ợc triển khai. Cấu trúc này cho phép tăng tốc độ dữ liệu khi thiết bị đầu cuối gần trạm gốc hơn và giảm khi thiết bị đầu cuối di chuyển ra biên của tế bào. Nếu cấu trúc này đ−ợc chấp nhận thì nó có thể đáp ứng đ−ợc cho nhiều ng−ời sử dụng có yêu cầu dịch vụ khác nhau và đạt đ−ợc hiệu quả sử dụng phổ tần cao bằng việc linh động thay đổi số sóng mang con và gán mã t−ơng ứng số ng−ời dùng nằm trong tế bào, và thay đổi tốc độ dữ liệu, khoảng cách liên lạc của mỗi ng−ời sử dụng. High data rate: tốc độ cao Middle data rate: tốc độ trung bình Low data rate: tốc độ thấp Short range user: ng−ời dùng ở gần Mid range user: ng−ời dùng trong phạm vi trung bình Long range user: ng−ời dùng ở xa Transmitter power: c/s phát Frequency: tần số Hình 3.16. Cấu trúc tế bào tối −u của SCS-MC-CDMA [9] OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multi Access): Hệ thống OFDM đạt đ−ợc khả năng dung lỗi (chống nhiễu) đa đ−ờng rất tốt và thực hiện đ−ợc truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao trong môi tr−ờng chuyển động, nh−ng hệ thống này th−ờng đ−ợc sử dụng kết hợp với các hệ thống đa Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 48 truy cập khác nh−: FDMA, TDMA. OFDMA là một ph−ơng thức triển khai đa truy cập trong đó tất cả ng−ời dùng chia sẻ tất cả các sóng mang con. Một số sóng mang con tùy ý đ−ợc đặt cho các kênh con và cho mỗi ng−ời dùng ở những khe thời gian tùy ý [6] [7]. Hình 3.17. Phân bổ kênh con [9] Nhờ việc phân bổ sóng mang con cho mỗi ng−ời sử dụng, hệ thống OFDMA đạt đ−ợc hiệu quả sử dụng phổ tần cao ở môi tr−ờng ngoại ô nhiều tế bào và dung l−ợng của toàn hệ thống có thể mở rộng. Tuy nhiên, hệ thống này cũng có nhiều nh−ợc điểm: - Mào đầu mở rộng cho thông tin điều khiển truyền dẫn trở lên rất phức tạp. - Để tăng dung l−ợng hệ thống thì điều kiện kênh phải đ−ợc biết dựa trên cơ sở thời gian thực và phải thực hiện đ−ợc sự sắp xếp phân bổ kênh một cách chính xác cao. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 49 - Do số l−ợng sóng mang con lớn (1024 đến 2048) và FFT/IFFT có tỷ lệ lớn nên ảnh h−ởng không tốt đến kích th−ớc của mạch điện và công suất tiêu thụ. - Hệ thống yêu cầu sự đồng bộ về định thời có độ chính xác cao để đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang con. - Phân bổ theo kênh dẫn tới hạn chế tốc độ dữ liệu của ng−ời dùng. 3.3.1.2 Kỹ thuật điều chế/giải điều chế hiệu suất cao Kỹ thuật điều chế/giải điều chế thích nghi hiệu suất cao kế thừa từ kỹ thuật điều chế biên độ cầu ph−ơng đa mức của hệ thống truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao cho phép sử dụng hiệu quả tài nguyên tần số. Nhờ có sự truyền thông thích nghi theo môi tr−ờng kênh mà hiệu quả sử dụng phổ tần và chất l−ợng truyền thông đ−ợc cải tiến. Các kỹ thuật này gồm: các kỹ thuật điều chế, kỹ thuật lập mã, kỹ thuật điều khiển thích nghi, kỹ thuật đánh giá kênh. ở phần này trình bày hai kỹ thuật sau: + Kỹ thuật điều chế/giải điều chế thích nghi sóng mang con. + Kỹ thuật điều chế thích nghi OFDM tốc độ lập mã có thể thay đổi. - Kỹ thuật điều chế/giải điều chế thích nghi sóng mang con (Subcarrier Adaptive Modulation/Demodulation Techniques) Kỹ thuật điều chế/giải điều chế thích nghi là kỹ thuật có khuynh h−ớng cải thiện dung l−ợng hệ thống và thông l−ợng d−ới môi tr−ờng lan truyền có sự thay đổi là hằng số trong các hệ thống thông tin di động mặt đất. Kỹ thuật điều chế thích nghi sử dụng nhiều mức điều chế và tốc độ lập mã làm tham số đã đ−ợc triển khai trong hệ thống 3,5G HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) và đã nâng cao đ−ợc tổng thông l−ợng. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 50 Điều chế thích nghi sóng mang con thực thi tối −u hóa điều chế cho mỗi đơn vị sóng mang con và mỗi đơn vị khối (gồm một số sóng mang con) trong các hệ thống gồm nhiều sóng mang con nh− OFDM. Hình 3.18. Điều chế thích nghi sóng mang con [9] Ưu điểm của kỹ thuật này là: băng thông sử dụng cho mỗi ng−ời dùng tăng trong hệ thống di động 4G do đó sự khác nhau về công suất thu trên mỗi sóng mang con gây ra từ fading lựa chọn tần số trở thành một lợi thế. Ngoài ra, nhờ sự lựa chọn tốc độ điều chế tối −u cho mỗi sóng mang con mà số bit đ−ợc truyền trong một gói OFDM sẽ tăng so với các hệ thống khác sử dụng l−ợc đồ điều chế đơn cho tất cả các sóng mang con. Và các sóng mang con có tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR: Signal-to-Noise Ratio) cao sẽ không đ−ợc sử dụng để truyền dữ liệu, các sóng mang con có tốc độ lỗi cao sẽ bị loại bỏ, do đó nâng cao đ−ợc thông l−ợng. Tuy nhiên, kỹ thuật này cải thiện đ−ợc thông l−ợng nếu điều chế thích nghi đ−ợc điều khiển một cách chính xác theo các điều kiện kênh. Để đạt đ−ợc điều này, các đặc tr−ng của kênh và thu tín hiệu phải đ−ợc hiểu kỹ l−ỡng. Trong các hệ thống thực, đặc biệt trong các hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số (FDD systems) điều đó là thánh thức lớn nhất. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 51 - Kỹ thuật điều chế thích nghi OFDM tốc độ lập mã có thể thay đổi (Variable Coding Rate OFDM Adaptive Modulation) Đây là l−ợc đồ thực hiện một cách hiệu quả ph−ơng thức điều chế thích nghi cho mỗi sóng mang con của hệ thống OFDM. Trong hệ thống điều chế thích nghi OFDM có điều khiển công suất phát đa mức (OFDM AMS/MTPC), tham số điều chế và công suất phát cho sóng mang con OFDM đ−ợc thiết lập một cách thích hợp theo SINR (tỷ số tín hiệu/nhiễu+tạp âm) thu đ−ợc. Điều này yêu cầu sự thông báo về sự biến đổi kênh fading và sự tăng giảm mức nhiễu trong các đơn vị sóng mang con [6] [7]. Tuy nhiên nó cũng gây ra kết quả là có số l−ợng lớn thông tin thông báo. Hình 3.19. L−ợc đồ điều chế OFDM tốc độ lập mã có thể biến đổi [9] L−ợc đồ giới thiệu ở phần này không thực hiện điều khiển công suất phát (TPC: Transmit Power Control) trên mỗi sóng mang con cơ sở mà thực hiện phân bố công suất này đồng đều trên tất cả các sóng mang con. Sau đó tùy theo tỷ số SINR thu đo đ−ợc, các tham số điều chế có thể phân phối tốc độ truyền dẫn tối đa đ−ợc lựa chọn cho mỗi sóng mang con. Tuy nhiên, công suất Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 52 phát thiết lập bởi TPC sử dụng giá trị trung bình cho tất cả sóng mang con do đó chênh lệch giữa tỷ số SINR đánh giá đ−ợc và SINR yêu cầu của các tham số điều chế lớn hơn. Do đó, số các tham số điều chế tăng lên. Cả hai l−ợc đồ ở hình 3.19 đều đặt các tham số điều chế tối −u theo tỷ số SINR thu đo đ−ợc cho mỗi sóng mang con. Sự chênh lệch giữa tỷ số SINR yêu cầu và tỷ số SINR thu đo đ−ợc bằng với công suất phát v−ợt mức. Hình bên trái có công suất phát v−ợt mức lớn hơn do sự hạn chế của tập các tham số điều chế. Hình bên phải có thể không quan tâm đến công suất phát v−ợt mức vì nhiều tập tham số điều chế hơn đ−ợc sử dụng. Bảng 3.1 cho thấy sự −ớc l−ợng các các tham số lập mã và điều chế, bảng 3.2 trình bày các tham số mô phỏng [9]. Bảng 3.1. Các tham số lập mã và điều chế r=1/2 2/3 3/4 4/5 5/6 6/7 7/8 64QAM - y y - - - - 16QAM y ° y ° - ° ° QPSK y ° y - ° - - BPSK y - ° - - - - 1/2-rate BPSK y - - - - - - Tập tham số sử dụng trong OFDM AMS/MTPC (set 1) đ−ợc chỉ ra bằng các dấu chấm màu đen, còn tập thêm vào trong l−ợc đồ đề xuất thể hiện bằng dấu chấm màu trắng. Kỹ thuật này cho phép đạt đ−ợc sự nâng cao hiệu quả truyền dẫn vì tập tham số lập mã và điều chế tối −u đ−ợc lựa chọn cho mỗi sóng mang tùy theo SINR giữa tế bào nhiễu và tế bào thu. Ngoài ra, vì TPC không đ−ợc thiết lập bởi mỗi sóng mang con nh−ng thay vào đó là một giá trị trung bình cho tất cả Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 53 sóng mang con, điều đó có thể giúp giảm l−ợng thông tin để thông báo mức nhiễu. Bảng 3.2. Các tham số mô phỏng Sysbol rate 200ksps Num. of subcarriers 128 Channel model 8 spike Rayleigh model Target QoS BER 10-5 Frame length Tf 0.13msec Cell Radius 100m Cell model 3 sector cell sites wrapping Max. Tx Power 30 dBm 3.3.1.3 Kỹ thuật đa sóng mang (Multi-Carrier Techniques) Kỹ thuật đa sóng mang là kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu bằng cách phân chia chúng cho nhiều sóng mang. Một trong những kỹ thuật đó sử dụng các sóng mang trực giao đ−ợc gọi là OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Kỹ thuật đa sóng mang kết hợp OFDM với CDMA đ−ợc gọi là MC-CDMA (Multi Carrier CDMA) hay OFCDM (Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing). Ph−ơng thức truyền tín hiệu DS-CDMA song song trên nhiều băng tần đ−ợc gọi là MC/DS-CDMA để phân biệt với các ph−ơng thức trên. Khi tính trực giao giữa các sóng mang không còn đ−ợc duy trì thì các đặc tr−ng của hệ thống đa sóng mang bị suy thoái [7]. Khi nhiều sóng mang đ−ợc sử dụng, những kỹ thuật này có khả năng dung lỗi cao chống lại fading lựa chọn tần số, và OFDM cho hiệu quả sử dụng phổ tần cao vì các sóng mang con trực giao với nhau. Kỹ thuật MC-CDMA đ−ợc phát minh để ứng dụng cho các hệ thống thông tin tế bào trong khi vẫn duy trì các −u điểm của OFDM. Kỹ thuật này có thể cho tốc độ truyền dẫn hơn 100Mbps trong môi tr−ờng chuyển động, do đó Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 54 cho phép các dịch vụ đa ph−ơng tiện: gửi, nhận các hình ảnh video độ phân giải cao. ở phần này ta trình bày một kỹ thuật đa sóng mang OFDM nhảy tần FH- OFDM (Frequency Hopping OFDM). Kỹ thuật đa sóng mang có công suất đỉnh cao, và hai kỹ thuật sau giải quyết đ−ợc vấn đề này: - Ph−ơng thức giảm công suất đỉnh cho OFDM sử dụng ph−ơng pháp đảo ng−ợc các bit chẵn lẻ thích nghi. - Giảm công suất đỉnh cho tín hiệu OFDM dựa vào việc cắt bớt và lọc. Kỹ thuật đa sóng mang OFDM nhảy tần FH-OFDM (Frequency Hopping OFDM) FH-OFDM là kỹ thuật ngẫu nhiên hóa sự phân bổ tài nguyên vô tuyến nhờ thực hiện nhảy tần ở các đơn vị sóng mang con hoặc kênh con. Kỹ thuật này triển khai sự sử dụng lại 1-cell bằng việc kế thừa các mẫu tần số khác nhau cho mỗi trạm gốc [7]. Hình 3.20. Sơ đồ FH-OFDM [9] Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 55 Ưu điểm của FH-OFDM là làm cho nhiễu xuyên tế bào đ−ợc xem nh− là nhiễu trắng sinh bởi sự nhảy tần, và triển khai sự sử dụng lại 1-tế bào (1-cell) mà không yêu cầu sự xử lý phức tạp nào nh− là sự gán kênh động – DCA (Dynamic Channel Assignment) [9]. Ngoài ra, bằng việc tạo ra một số các sóng mang con đ−ợc phân bổ thay đổi theo tải l−u l−ợng mà đạt đ−ợc hiệu quả của tải phân đoạn, t−ơng tự nh− CDMA. Ph−ơng thức giảm công suất đỉnh cho OFDM sử dụng ph−ơng pháp đảo ng−ợc các bit chẵn lẻ thích nghi Các tín hiệu đa sóng mang (đại diện là OFDM) có tỷ số công suất đỉnh trên trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) cao gây ra sự phát xạ phổ tần ngoài băng, có kết quả từ suy hao không tuyến tính của bộ khuếch đại công suất phát. Kỹ thuật đảo ng−ợc một cách thích nghi các bit kiểm tra tổng thể của các từ mã của các tín hiệu OFDM mã hóa khối để khử công suất đỉnh này. Cấu hình hệ thống đ−ợc trình bày ở hình 3.21. Hình 3.21. Cấu hình hệ thống [9] Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 56 Sóng mang con đ−ợc phân bổ có phần kiểm tra từ mã đ−ợc phân chia thành nhiều cụm theo cách thức mà các bit kiểm tra của cùng từ mã đ−ợc đặt trong cùng cụm. Sau đó, IFFT đ−ợc thực hiện cho mỗi cụm trong số các cụm, và hệ số (+1/-1 = các bít không đảo/ các bit đảo ng−ợc = non-inverse/inverse) nhân với mỗi kết quả đạt đ−ợc. Các hệ số đ−ợc nhân để PAPR của các tín hiệu kết hợp trong mọi cụm đầu ra nhỏ nhất. ở phía thu cần kiểm tra xem các bit kiểm tra đảo có tồn tại hay không. Khi các bit kiểm tra đ−ợc đảo ng−ợc, các lỗi không liên quan tới các điều kiện kênh (thông tin đáng tin cậy) sẽ đ−ợc thêm vào từ mã. Trong hệ thống này, nhờ việc giải mã xóa mà tín hiệu truyền dẫn bao gồm cả các bit kiểm tra đảo ng−ợc đ−ợc giải mã. Các thủ tục giải mã xóa gồm: (1) Tạo từ mã r’, thủ tục này đảo ng−ợc phần kiểm tra của từ mã nhận đ−ợc r. (2) Thực hiện giải mã xóa với cả r và r’. (3) Lựa chọn một kết quả có tổ hợp S=0 làm kết quả giải mã. (4) Khi cả hai S=0, thì lựa chọn một giá trị có độ tin cậy các bit đúng thấp hơn làm kết quả của giải mã [9]. Giảm công suất đỉnh cho tín hiệu OFDM dựa vào việc cắt bớt và lọc Công suất đỉnh cao là do các pha có thể nhận biết giữa mỗi sóng mang con của các tín hiệu OFCDM tạo ra kết quả là méo không tuyến tính trong bộ khuếch đại, điều đó làm tăng phát xạ công suất ngoài băng hoặc suy giảm các đặc tính truyền dẫn. Một ph−ơng thức điển hình để giảm công suất đỉnh là cắt bớt biên độ tín hiệu cao hơn giá trị chuẩn. Tuy nhiên, việc cắt giảm này lại làm tăng phát xạ công suất ngoài băng. Một ph−ơng thức để ngăn chặn vấn đề này là triệt phát xạ ngoài băng nhờ thực hiện lọc tín hiệu sau khi cắt bớt. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 57 3.3.1.4 Kỹ thuật ăngten dãy thích nghi tiên tiến (Advanced Adaptive Array Antenna) ăngten dãy thích nghi là một công nghệ để tăng độ tăng ích của tín hiệu mong muốn phụ thuộc môi tr−ờng truyền thông, cải thiện chất l−ợng tín hiệu nhờ triệt nhiễu, và đóng góp vào sự nâng cao dung l−ợng hệ thống, hiệu quả sử dụng phổ tần bằng việc xóa bỏ các sóng vô tuyến không mong muốn, thông qua việc điều khiển một cách thích nghi h−ớng của nhiều ăngten đặt trong cùng một dãy. Nói cách khác, kỹ thuật này có thể ứng dụng cho chức năng xác định vị trí bằng việc đánh giá h−ớng về của những tín hiệu dựa vào sự sai pha giữa các thành phần ăngten. Kỹ thuật này có thể nâng cao hiệu năng bằng cách tăng số ăngten nh−ng điều đó lại làm tăng các yếu tố mạch điện và tăng sự phức tạp trong xử lý tín hiệu [6]. Do đó vẫn cần phải giải quyết vấn đề tối thiểu hóa các thành phần và đơn giản hóa các chức năng. Kỹ thuật ăngten dãy thích nghi tiên tiến (Advanced Adaptive Array Antenna): Trong các hệ thống thông tin di động, fading và tán sắc Doppler tồn tại trong kênh truyền dẫn giữa trạm gốc và đầu cuối di động gây ra sự tăng giảm mức tín hiệu và suy giảm chất l−ợng tín hiệu phát đi. Hệ thống W-CDMA là một trong những hệ thống cho truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao trong môi tr−ờng di động, có ít nhiễu tín hiệu hơn giữa những ng−ời sử dụng, chỗ trũng trong mức tín hiệu nhỏ hơn, và sự suy giảm chất l−ợng phát nhỏ hơn [7]. Tuy nhiên, để tăng nhiều hơn tốc độ truyền dẫn cho hệ thống thông tin di động 4G, công suất phát cần tăng lên, nh−ng điều đó lại dẫn tới tăng nhiễu. Do đó, để duy trì chất l−ợng truyền thông cần hạn chế số l−ợng ng−ời sử dụng có thể liên lạc đồng thời xuống mức thấp. Nói cách khác, tăng công suất phát dẫn tới tiêu thụ công suất nhiều hơn tại thiết bị đầu cuối di động làm ng−ời sử Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 58 dụng không đ−ợc thuận tiện. Để không giảm số l−ợng ng−ời dùng liên lạc đồng thời, nhiễu cần phải giảm xuống, và ăngten dãy thích nghi (Adaptive Array Antenna – AAA) đ−ợc xem là một trong những kỹ thuật để giải quyết vấn đề này. AAA đ−ợc triển khai ở các thiết bị trạm gốc bằng việc tích hợp các kỹ thuật thành phần sau: + Kỹ thuật định cỡ đ−ờng lên/đ−ờng xuống + Bộ tìm kiếm đ−ờng độ chính xác cao + Kỹ thuật tạo chùm số đ−ờng lên/đ−ờng xuống + Bộ giải điều chế nhóm + Kỹ thuật truyền dẫn quang Hình 3.22. Nguyên lý của AAA [9] ở đ−ờng lên, sóng vô tuyến đ−ợc thu bởi nhiều ăngten (A0-A3). Đối với sóng vô tuyến từ ng−ời dùng, do có sự sai pha từ những đ−ờng truyền khác nhau (d*sinθ) phụ thuộc vào góc tới θ, bằng việc thực hiện trễ phù hợp để bù sự sai khác này ta có thể tăng c−ờng chỉ với tín hiệu mong muốn cần thu và làm suy yếu các tín hiệu khác. ở đ−ờng xuống, bằng việc thiết lập thích hợp pha của tín hiệu vô tuyến phát ta có thể làm tăng c−ờng chỉ những tín hiệu có một h−ớng cụ thể. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 59 Kỹ thuật ăngten dãy thích nghi đ−ợc triển khai ở các thiết bị trạm gốc. Một số đặc tr−ng đ−ợc mô tả trong hình 3.23. Đ−ờng OMNI biểu diễn ăngten không định h−ớng, còn DoA, OMNI-NLMS chỉ ra các đặc tr−ng của ăngten dãy thích nghi. Để đạt đ−ợc cùng tốc độ lỗi bit BER (Bit Error Rate), AAA yêu cầu công suất ít hơn 6dB so với các ăngten không định h−ớng. AAA có độ tăng ích cao hơn 6dB so với ăngten không định h−ớng, và giá trị này là một giá trị độ tăng ích lý t−ởng. Điều này cho thấy ăngten dãy thích nghi có −u thế là giảm đ−ợc công suất phát giúp cho cải thiện độ nhạy ăngten. Hình 3.23. Độ tăng ích của AAA [9] Các kỹ thuật ăngten dãy thích nghi AAA là một kỹ thuật thực thi định hình búp sóng bằng việc điều khiển pha giữa các tín hiệu của nhiều ăngten, để thu tín hiệu một cách có lựa chọn từ h−ớng mong muốn, để phát các tín hiệu một cách có lựa chọn tới một h−ớng mong muốn. AAA đã đ−ợc tiêu chuẩn hóa trong IMT-2000, và phần này cùng với MIMO đ−ợc nghiên cứu h−ớng về hệ thống di động thế hệ thứ t−, là hệ Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 60 thống có hiệu suất sử dụng phổ tần cao. AAA đã đ−ợc triển khai ở các trạm gốc của hệ thống PHS (Personal Handyphone System). Ưu điểm: AAA có thể đ−ợc coi là một kỹ thuật cải tiến hiệu năng hệ thống nhờ giảm đ−ợc nhiễu giữa các tín hiệu, nhiễu này luôn tồn tại ở các hệ thống thông tin di động. Có nhiều kỹ thuật giảm nhiễu khác, nh− bộ hủy nhiễu, nh−ng AAA có hiệu suất giảm nhiễu thiết yếu hơn, trong đó nó nâng cao độ tăng ích trên đ−ờng truyền để chống lại nhiễu. Những vấn đề về kỹ thuật: Kỹ thuật định hình búp sóng là một kỹ thuật để định hình búp sóng ăngten. Kỹ thuật này sẽ gán độ tăng ích thấp cho h−ớng truyền sinh ra nhiễu, và gán độ tăng ích cao cho h−ớng truyền mục tiêu. Hình 3.24. Định hình búp sóng [9] Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 61 Kỹ thuật theo dõi búp sóng: là kỹ thuật điều khiển động búp sóng ăngten để theo dõi sự chuyển động của thiết bị đầu cuối. Hình 3.25 biểu diễn một ph−ơng thức định hình một búp sóng cho tất cả các h−ớng của đa đ−ờng. Hình 3.25. Thuật toán theo dõi búp sóng [9] Lập danh mục búp sóng: là kỹ thuật điều khiển nhiều búp sóng có sự phối hợp với một búp sóng khác để giảm nhiễu tới nhiều thiết bị đầu cuối và các trạm gốc. Khi danh mục búp sóng đ−ợc thực thi tới các thiết bị đầu cuối, thông qua sự phối hợp giữa các trạm gốc, cho phép đạt đ−ợc hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 62 3.3.1.5 Kỹ thuật ghép kênh tiên tiến (Advanced Multiplexing Techniques) MIMO (Multi Input Multi Output) là một kỹ thuật ghép kênh có mục đích là đạt đ−ợc sự mở rộng về dung l−ợng bằng cách phát và ghép kênh các thông tin khác nhau trên cùng một tần số sử dụng nhiều nhánh ăngten thu/phát. Phạm vi kỹ thuật này có thể đ−ợc ứng dụng đó là: tải tốc độ cao, truyền dẫn tốc độ cao có t−ơng tác. Nâng cao hiệu năng cần tăng số bộ ghép kênh, nh−ng lại làm tăng sự phức tạp của việc xử lý tín hiệu [6]. Ngoài ra, để giảm kích th−ớc nhỏ nhất cho thiết bị di động có nhiều ăngten cũng là vấn đề khó khăn, khi đó cần một kỹ thuật đột phá. Một trong số các kỹ thuật ghép kênh tiên tiến là kỹ thuật MIMO dựa trên kỹ thuật phân ly giá trị duy nhất (SVD based MIMO). SVD based MIMO: SVD based MIMO thực thi trực giao hóa các kênh bằng việc ứng dụng trọng số ăngten ở cả bộ phát và bộ thu. MxN (số ăngten phát x số ăngten thu) kênh t−ơng ứng ma trận H đ−ợc phân tích với các giá trị eigen, và hai ma trận Wt, Wr đ−ợc sử dụng nh− trọng số ăngten lần l−ợt ở máy phát và máy thu [7]. H r L t WWH ⎥⎥ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ Κ ΟΟΜ ΜΟ= Λ λ λ λ 00 0 0 00 2 1 [ ]tLttt wwwW Λ= 21 [ ]rLrrr wwwW Λ= 21 Trong đó: wti : vector trọng số phát cho luồng dữ liệu i wri : vector trọng số thu cho luồng dữ liệu i λi là giá trị eigen cho luồng dữ liệu i L = Min(M,N) M: số ăngten phát N: số ăngten thu Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 63 Hình 3.26. SVD based MIMO [9] Transmit sequence#i: chuỗi phát thứ i TX#i: Máy phát i RX#i: Máy thu i Trong SVD based MIMO, các kênh thông tin cần đ−ợc dùng chung giữa máy phát và máy thu. Để thực hiện nó, th−ờng sử dụng ph−ơng thức tận dụng trao đổi kênh nhờ kế thừa TDD trong ghép kênh các kênh đ−ờng lên, đ−ờng xuống, hoặc phản hồi kênh thông tin dùng các kênh điều khiển. Lợi ích của SVD based là có thể đạt đ−ợc thông l−ợng cao với cấu hình đơn giản, vì các kênh trực giao với nhau giữa các luồng dữ liệu nhờ ứng dụng các trọng số ăngten ở cả hai phía: máy phát, máy thu. Các kênh trực giao có dung l−ợng truyền dẫn cân đối với mỗi giá trị eigen. Tiếp theo đó, bằng việc điều khiển tốc độ thông tin của mỗi luồng dữ liệu phù hợp với nguyên lý dội n−ớc, dung l−ợng truyền dẫn tổng C có thể đạt đ−ợc giá trị tối đa. CNRi : Tỷ số sóng mang trên tạp âm (CNR) của luồng dữ liệu i Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 64 3.3.2 Kỹ thuật không dây đa hệ thống (Multi-system Wireless Techniques) Kỹ thuật không dây đa hệ thống chỉ những kỹ thuật về thiết bị đầu cuối không dây đ−ợc trang bị những chức năng đa băng tần, đa chế độ có thể thích nghi với nhiều dịch vụ nh−: mạng LAN không dây, hệ thống di động 4G và truyền hình quảng bá số. Những thiết bị đầu cuối này đ−ợc trang bị các chức năng kết nối một cách liên tục với các hệ thống, cũng nh− là các chức năng kết nối vào các mạng hoạt động tạm thời, chức năng truyền thông phạm vi nhỏ nh− các chức năng truyền thông trong: mạng cá nhân (PAN: Personal Area Network), truyền hình số di động, và chức năng kết nối đồng thời với nhiều hệ thống. Vấn đề khó khăn ở đây là ở giao diện vô tuyến: chia sẻ tần số giữa nhiều giao diện vô tuyến/nhiều hệ thống, gán tần số động, dùng chung các tham số vô tuyến, và các vấn đề liên quan đến truyền dẫn không dây băng rộng tới các thiết bị ngoại vi. Những vấn đề kỹ thuật liên quan đến thiết bị đầu cuối: kết nối liên tục giữa các hệ thống khác nhau, kỹ thuật vô tuyến đa hệ thống để điều khiển nhiều tần số/giao thức/l−ợc đồ/điều chế, các ăngten đa băng tần, phối hợp với các thiết bị ngoại vi và những bộ cảm biến khác, thu các dịch vụ truyền hình số di động, sử dụng sóng vô tuyến định nghĩa mềm, chíp IC để triển khai khả năng cấu hình lại, các vấn đề liên quan đến thẻ IC tích hợp nhiều chức năng [9]. 3.3.2.1 Khả năng cấu hình lại End-to-End (E2R: End-to-End Reconfigurability) Khả năng cấu hình lại End-to-End cung cấp nền tảng và môi tr−ờng thực thi để giải quyết những vấn đề: nhiều giao diện vô tuyến, các giao thức và ứng dụng, để ng−ời dùng, nhà khai thác, nhà cung cấp dịch vụ, ng−ời điều chỉnh có thể tự do lựa chọn định dạng sử dụng và hoạt động từ khả năng cấu hình lại và Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 65 các tùy chọn mở rộng trong một phạm vi rộng các thiết bị đầu cuối không dây đa hệ thống: mạng điện thoại tế bào, WLAN, truyền hình số. E2R cho phép ng−ời dùng có thể cấu hình lại các giao thức và các dịch vụ, các chức năng quản lý và điển khiển then chốt, chức năng tải dữ liệu. E2R cung cấp nền tảng chung và môi tr−ờng thực thi để điều khiển nhiều giao diện vô tuyến, các giao thức và ứng dụng, do đó lợi ích của nó là nâng cao khả năng mở rộng và khả năng cấu hình lại cơ sở hạ tầng. Điều đó đem lại khả năng triển khai nhiều chức năng trong mạng và thiết bị đầu cuối trông qua cập nhật phần mềm [9]. Lợi ích cụ thể cho ng−ời dùng, nhà khai thác, nhà cung cấp dịch vụ, nhà sản xuất và ng−ời điều chỉnh đ−ợc phân loại nh− sau: + Cung cấp cho ng−ời dùng cuối cùng các dịch vụ linh động, tiên tiến, hiệu quả. + Sử dụng hiệu quả phổ tần, các hệ thống vô tuyến, tài nguyên thiết bị. + Chi phí để nâng cấp các hệ thống hiện tại thấp. + Triển khai nền tảng đa tiêu chuẩn. + Nâng cao hỗ trợ các yêu cầu tùy biến. + Khả năng đáp ứng đ−ợc các thay đổi tiêu chuẩn và sự không ổn định của xu h−ớng thị tr−ờng. So với các hệ thống thông tin di động hiện tại thì cần mức độ cao hơn về tính linh động, khả năng mở rộng, khả năng cấu hình và hoạt động t−ơng tác, đồng thời phải hỗ trợ sự truy cập vô tuyến đồng nhất có mức độ phổ biến cao. Để đạt đ−ợc các đặc tr−ng của E2R cần giải quyết hai vấn đề: + Ngăn xếp giao thức: một ngăn xếp giao thức linh động có thể điều khiển hỗ trợ nhiều giao diện vô tuyến. + Tối −u hóa chức năng cấu hình lại: chức năng không thống nhất gần đây đ−ợc phát triển cho các thiết bị vô tuyến cần có kích th−ớc tối −u, chức năng cấu hình lại phải đ−ợc tối −u hóa dựa trên tài nguyên đã sử dụng. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 66 3.3.2.2 Kỹ thuật sóng vô tuyến đ−ợc định nghĩa mềm (SDR – Software Defined Radio) Kỹ thuật vô tuyến đ−ợc định nghĩa mềm cho phép các mạng không bị gián đoạn và hỗ trợ nhiều l−ợc đồ truyền thông vì dễ dàng mở rộng trạm gốc, điều khiển linh động giao diện vô tuyến, sự hỗ trợ của thiết bị đầu cuối và khả năng có thể mở rộng của nhiều hệ thống. Ngoài ra, kỹ thuật này còn cho phép cấu hình lại thiết bị đầu cuối, cung cấp một ph−ơng tiện hiệu quả để mở rộng chức năng hoạt động đa chế độ. Sự thay đổi các chức năng đầu cuối đ−ợc thực hiện bằng việc tải phần mềm và nâng cấp cho thiết bị đầu cuối. Những thách thức kỹ thuật cần phải giải quyết để triển khai thực tế kỹ thuật vô tuyến định nghĩa mềm gồm có: kiến trúc máy phát/máy thu, các kỹ thuật để xây dựng chức năng vô tuyến trong phần mềm, các kỹ thuật điều chế/giải điều chế đa chế độ dựa trên phần mềm, các kỹ thuật thu/phát, và các ph−ơng thức tải dữ liệu. Tr−ớc đây SDR đ−ợc phát triển và sử dụng cho truyền thông trong quân đội. Sau này, có sự đề nghị của Forum SDR ở Mỹ và ủy ban Kỹ thuật sóng vô tuyến mềm của Viện các Kỹ s− Truyền thông và Thông tin điện tử, SDR đã đ−ợc sử dụng trong các ứng dụng dân dụng. SDR là kỹ thuật cho phép một thiết bị sử dụng một sóng vô tuyến đơn có thể thay đổi chức năng của nó bằng việc nạp lại phần mềm, t−ơng tự nh− máy tính cá nhân, để điều khiển các l−ợc đồ truyền dẫn sóng vô tuyến khác nhau. Hiện nay đã có một số l−ợc đồ sóng vô tuyến đ−ợc sử dụng cho các dịch vụ truyền thông th−ơng mại và các hệ thống liên quan. Ví dụ, có nhiều hệ thống vô tuyến công cộng: PDC (Personal Digital Cellular), GSM, PHS (Personal Handyphone System), DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) và các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 - ITM-2000. Tuy nhiên các hệ thống này sử dụng các băng tần, l−ợc đồ điều chế, giao thức truyền thông khác nhau do đó các thiết bị đầu cuối cho mỗi hệ thống này không sử dụng dịch vụ của hệ thống khác đ−ợc. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 67 SDR cho phép điều khiển các hệ thống vô tuyến khác nhau trên một thiết bị đầu cuối đơn, và dễ dàng cập nhật phiên bản phần mềm từ hệ thống [7]. Do đó, SDR giải quyết đ−ợc vấn đề không thống nhất hệ thống vô tuyến. SDR hứa hẹn một môi tr−ờng thông tin di động không gián đoạn. Hình 3.27. Cấu hình cơ bản của thiết bị SDR [9] Trong đó: + Multi-band antenna: ăngten đa băng tần + antenna part: khối ăngten + RF part: khối RF + Multi-band RF circuit: mạch RF đa băng tần + A/D, D/A: khối chuyển đổi số/t−ơng tự và chuyển đổi t−ơng tự/số + Programmable Processor: bộ xử lý có thể lập trình + External interface part: khối giao diện ngoài + Control part: khối điều khiển. Kỹ thuật triển khai trên thiết bị vô tuyến đ−ợc cấu hình các mạch số và t−ơng tự với sóng vô tuyến có thể linh động và có thể lập trình nhờ sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số. Điều đó cho các lợi ích sau: + Do một thiết bị đầu cuối đơn có thể hỗ trợ nhiều hệ thống vô tuyến nên cùng một phần cứng có thể đ−ợc sử dụng ở mọi nơi trên thế giới. + Hệ thống vô tuyến tối −u sẽ đ−ợc thiết lập một cách tự động và tài nguyên hạn chế (nh− công suất, phổ tần ...) đ−ợc sử dụng một cách hiệu quả. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 68 + Ng−ời dùng có thể sử dụng các dịch vụ vô tuyến mà không cần có sự hiểu biết về nhà khai thác hoặc mạng cung cấp dịch vụ. Các khó khăn về kỹ thuật: Một thiết bị SDR điển hình đ−ợc xây dựng bằng các thiết bị số có thể lập trình nh−: CPU, DSP (Digital Signal Proccessor: bộ xử lý số) hoặc FPGA. Các mạch điện vô tuyến nh− các bộ điều chế/giải điều chế đ−ợc chuyển mạch bằng phần mềm, nh−ng các mạch RF gồm có ăngten thì cần đ−ợc xây dựng bằng các mạch điện t−ơng tự [4]. Ngoài ra, các băng tần khác nhau đ−ợc sử dụng cho các hệ thống hiện tại, do đó nếu các hệ thống thông tin di động đ−ợc triển khai SDR thì một dải rộng các băng tần bao phủ từ các băng UHF/VHF đến hàng GHz đ−ợc sử dụng. Vì lý do này mà các mạch điện RF của các thiết bị SDR cần có các mạch điện RF đa băng tần có khả năng hỗ trợ các đặc tr−ng về bộ lọc/công suất phát/tần số có thể biến đổi để điều khiển nhiều hệ thống thông tin (khả năng đa chế độ). Một số thiết bị đầu cuối đa chế độ t−ơng thích với nhiều hệ thống vô tuyến đã đ−ợc th−ơng mại rộng rãi, ví dụ: thiết bị đầu cuối ở Mỹ t−ơng thích với các hệ thống vô tuyến: AMPS băng tần 800MHz, CDMA2000 băng tần 800MHz và băng 2GHz. Tuy nhiên những thiết bị đầu cuối này có đ−ợc khả năng đa chế độ bằng việc kết hợp các phần cứng riêng cho từng hệ thống, và chúng không có đặc tr−ng riêng của SDR là thay đổi chức năng bằng phần mềm. SDR không cần triển khai nhiều phần cứng để hỗ trợ nhiều hệ thống mà mục đích cuối cùng là tích hợp các phần cứng riêng đó thành một [6]. Cuối cùng, cần phát triển các bộ xử lý có thể cấu hình lại một cách tự động và các kỹ thuật nạp phần mềm an toàn để thực hiện nhiều loại truyền thông khác nhau bằng cách thay đổi tùy ý phần mềm tùy thuộc vào môi tr−ờng truyền thông. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 69 3.3.3 Điều khiển chuyển giao/tính di động Các kỹ thuật điều khiển chuyển giao, đặc biệt là chuyển giao nhanh là những kỹ thuật cho phép chuyển giao ở tốc độ cao hơn để triển khai các dịch vụ truyền thông không dây tốc độ cao và không gián đoạn. Các kỹ thuật này có thể đ−ợc áp dụng cho các khu vực: các dịch vụ truyền thông dung l−ợng lớn không gián đoạn nh− tải dữ liệu tốc độ cao trong máy bay, xe lửa, xe buýt, ô tô và các đối t−ợng chuyển động tốc độ cao; hoặc các dịch vụ truyền thông dung l−ợng lớn không gián đoạn khi có số l−ợng lớn ng−ời dùng di chuyển trong các đối t−ợng đ−ợc coi là nằm trong một mạng chuyển động; các dịch vụ truyền thông dựa trên SDR thực hiện đ−ợc nhờ chuyển giao không gián đoạn giữa các mạng không đồng nhất; và các dịch vụ truyền thông không gián đoạn trong các tế bào ba chiều mật độ cao. Thách thức chính đối với các kỹ thuật chuyển giao nhanh là: thực hiện chuyển giao nh−ng duy trì đ−ợc chất l−ợng dịch vụ (QoS); và chuyển giao nhanh để triển khai chuyển giao trong khi di chuyển ở tốc độ cao; thực hiện chuyển giao hiệu quả cho các mạng chuyển động nơi có số l−ợng lớn ng−ời sử dụng di chuyển trên xe lửa, xe buýt ...; chuyển mạch định tuyến gói tốc độ cao; các kỹ thuật bù mất gói; chuyển giao tuần tự giữa các mạng di động và các trạm gốc cố định; sự nhận diện tế bào tốc độ cao bên trong và bên ngoài mạng di động; và các kỹ thuật lựa chọn tế bào nhanh. Điều khiển di động là kỹ thuật để l−u vết sự di chuyển của thiết bị đầu cuối, thiết lập kết nối thông qua một mạng thích hợp, và thực hiện truyền thông. Đặc biệt, các kỹ thuật: IPv6 di động thực hiện tính di động dựa trên giao thức lớp IP, kỹ thuật NEMO (Network Mobility) thực hiện tính di động khi toàn bộ mạng của ng−ời dùng nằm trong xe lửa, xe buýt .. đang đ−ợc chú ý để nghiên cứu và phát triển dựa theo giả thiết rằng mạng IP sẽ đ−ợc cải tiến hơn nữa [6] [9]. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 70 3.3.3.1 Kỹ thuật chuyển giao liên tục IP di động là giao thức điển hình hỗ trợ thiết bị đầu cuối chuyển động trong các mạng IP. IP di động thực thi chuyển giao trong lớp IP, do đó nó đ−ợc ứng dụng để chuyển giao cho các mạng không đồng nhất của thiết bị đầu cuối chuyển động giữa các mạng truy cập khác nhau, bao gồm cả các mạng không dây và có dây cố định. Hình 3.28. Mô hình tham chiếu IEEE 802.21 [9] Chức năng chuyển giao liên tục dựa theo sự kiện L2 thực hiện phát hiện chuyển động nhanh và hiệu quả bằng việc thông báo cho các lớp cao hơn thông tin khác nhau trong lớp vật lý/lớp liên kết, cũng nh− là những sự kiện kết nối và ngắt kết nối của đ−ờng truyền. Chức năng này có mục đích thực hiện chuyển giao liên tục giữa các mạng không đồng nhất sử dụng IP di động và các giao thức chuyển giao khác. Hiện nay giao thức chuyển giao này đ−ợc Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 71 chuẩn hóa tại chuẩn IEEE 802.21. Kiến trúc của IEEE 802.21 mô tả ở hình 3.28 [9]. Chuyển giao độc lập môi tr−ờng MIH (Media Independent Handover) là một yếu tố để triển khai chuyển giao liên tục giữa các mạng không đồng nhất. MIH thực hiện các chức năng sau: + Hỗ trợ kết nối tới các mạng tối −u nhờ đạt đ−ợc các đặc tính của đ−ờng truyền hoặc của mạng (QoS, chi phí ...) từ các thiết bị liên lạc hoặc thiết bị mạng (trạm gốc) và gửi các thông tin đó lên lớp cao hơn. + Hỗ trợ chuyển giao nhanh nhờ gửi lên các lớp cao hơn các sự kiện chỉ ra sự thay đổi của đ−ờng truyền hoặc trạng thái mạng. 3.3.3.2 Kỹ thuật điều khiển tính di động IPv6 di động là một kỹ thuật cho phép liên lạc liên tục sử dụng cùng địa chỉ th−ờng trú HoA (Home Address) ngay cả khi thiết bị đầu cuối di chuyển sang một mạng có các host khác với mạng IP. IPv6 di động bao gồm các yếu tố: nút di động MN (Mobile Node), nút trung gian CN (Correspondent Node) và tác nhân nhà HA (Home Agent). MN chỉ một trạm đang di chuyển, CN là trạm đang liên lạc với MN (CN có thể là một MN), và HA là một thiết bị duy trì vị trí của MN và truyền các gói tin. Khi MN kết nối với mạng th−ờng trú (mạng kết nối với HA), MN liên lạc trực tiếp với CN, khi đó CN dùng địa chỉ th−ờng trú HoA. Nếu MN di chuyển, trong mạng mà MN chuyển tới, địa chỉ tạm thời CoA (Care-of Address) lấy đ−ợc và đăng ký với HA. HA chặn các gói tin gửi tới HoA sau đó thêm vào gói tin một mào đầu (header) đ−ợc đánh địa chỉ CoA của MN (gọi là tạo đ−ờng hầm-tunneling) và chuyển chúng tới MN. MN gửi gói tin đ−ợc đánh địa chỉ tới CN sử dụng đ−ờng hầm theo h−ớng ng−ợc lại. Những xử lý này đ−ợc thực hiện một cách trong suất với các lớp cao hơn lớp IP do đó các ứng dụng Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 72 vẫn liên lạc liên tục với MN dùng địa chỉ HoA. Liên lạc bằng đ−ờng ngắn hơn so với liên lạc qua HA có thể đ−ợc thực hiện thông qua sự tối −u hóa đ−ờng truyền RO (Route Optimization), là ph−ơng pháp MN đăng ký trực tiếp CoA với CN. Chú thích: + Bi-directional tunnel: đ−ờng hầm hai chiều + Optimized route: đ−ờng tối −u Hình 3.29. IPv6 di động [9] IPv6 di động có thể hoạt động qua nền IP một cách độc lập về ph−ơng tiện, do đó liên lạc đ−ợc giữ liên tục ngay cả khi thiết bị đầu cuối đa chế độ di chuyển giữa các mạng khác nhau. Ngoài ra, liên lạc trực tiếp giữa các thiết bị đầu cuối cũng có thể đ−ợc thiết lập bằng RO, điều này đ−a ra mức hiệu quả truyền thông cao hơn so với IPv4 di động. Với IPv6 di động, vì có trễ trong truyền dẫn các thông điệp giữa MN và HA, và thời gian cần thiết để dò tìm sự chuyển động của MN (thời gian dò chuyển động) nên có một khoảng thời gian vài giây trong khi chuyển giao liên lạc không đ−ợc thực hiện [9]. Do đó, chất l−ợng của các ứng dụng nhạy cảm với trễ, nh− điện thoại IP, sẽ bị suy giảm nghiêm trọng. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 73 Các kỹ thuật chuyển giao nhanh cho IPv6 di