Giới thiệu hệ thống thông tin di động 4G
Nghiên cứu chuyển sang hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G) nhằm khắc phục những vấn đề còn tồn tại ở hệ thống di động thế hệ 3 (3G), cung cấp dịch vụ đa dạng hơn như thoại chất lượng cao và video độ phân giải cao với tốc độ dữ liệu nhanh Khái niệm 4G không chỉ áp dụng cho điện thoại di động mà còn cho các hệ thống viễn thông truy cập vô tuyến băng thông rộng Các thuật ngữ mô tả 4G bao gồm MAGIC: Đa phương tiện di động, Bất cứ khi nào, bất cứ nơi đâu, Hỗ trợ di động toàn cầu, Giải pháp vô tuyến tích hợp và Dịch vụ theo yêu cầu cá nhân Hệ thống 4G, với vai trò là hệ thống truy cập vô tuyến tế bào băng thông rộng, đang thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực thông tin di động và hỗ trợ cho cả các mạng vô tuyến cố định.
Bài viết này cung cấp cái nhìn tổng quan về các đặc trưng của 4G, với trọng tâm là khái niệm "tích hợp" Hệ thống 4G được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa các thiết bị đầu cuối, mạng lưới và ứng dụng, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.
Lịch sử và xu hướng phát triển
Lịch sử phát triển dịch vụ di động từ thế hệ 1G đến 4G đã trải qua nhiều giai đoạn khác nhau, phản ánh sự tiến bộ của công nghệ thông tin di động Bảng 1.1 tóm tắt quá trình tiến triển này, cho thấy những bước tiến quan trọng trong lĩnh vực di động.
Quá trình phát triển công nghệ di động bắt đầu với các thiết kế 1G vào những năm 70, dựa trên hệ thống tương tự và cấu trúc tế bào cơ bản Những hệ thống đầu tiên này đã giải quyết nhiều vấn đề nguyên tắc cơ bản và xuất hiện nhiều hệ thống không tương thích khác nhau để cung cấp dịch vụ trong những năm 80.
Hệ thống di động thế hệ thứ 2 (2G), được phát triển vào những năm 80, chủ yếu phục vụ cho thoại nhưng đã chuyển sang công nghệ số với các kỹ thuật xử lý tín hiệu số Các hệ thống 2G cung cấp dịch vụ dữ liệu chuyển mạch kênh ở tốc độ thấp Sự cạnh tranh trong ngành dẫn đến việc hình thành nhiều chuẩn khác nhau không tương thích như GSM ở châu Âu, TDMA IS-54/IS-136 ở Mỹ, PDC tại Nhật Bản và CDMA IS95 cũng ở Mỹ Mặc dù tốc độ dữ liệu của các thuê bao trong hệ thống 2G bị giới hạn, nhưng chúng vẫn giữ vai trò chủ đạo trong lĩnh vực viễn thông quốc gia và quốc tế.
Bước chuyển tiếp giữa 2G và 3G được gọi là 2.5G, là sự phát triển từ công nghệ 2G với khả năng cung cấp dịch vụ dữ liệu và chuyển mạch gói Công nghệ 2.5G không chỉ tăng cường dung lượng trên các kênh tần số vô tuyến của 2G mà còn mang lại dịch vụ dữ liệu có tốc độ cao lên tới 384 Kbps Một điểm quan trọng của 2.5G là tối ưu hóa các kênh dữ liệu cho phép truy cập Internet từ các thiết bị di động như điện thoại, PDA và máy tính xách tay Nhờ vào 2.5G, Internet đã được tích hợp vào thế giới thông tin di động cá nhân, đánh dấu một bước tiến cách mạng trong hệ thống viễn thông hybrid.
Trong thập kỷ 90, các nhà nghiên cứu đã giới thiệu hệ thống di động thế hệ thứ 3 (3G), khắc phục những vấn đề không tương thích của các hệ thống trước đó và tạo ra một mạng lưới toàn cầu Hệ thống 3G cung cấp chất lượng thoại cao và khả năng truyền dữ liệu băng rộng, với tốc độ tối đa lên tới 2Mbps.
Hệ thống 3G cung cấp dịch vụ viễn thông tốc độ cao, bao gồm thoại, fax và internet, với khả năng chuyển vùng toàn cầu không gián đoạn Chuẩn 3G toàn cầu của ITU đã tạo điều kiện cho các ứng dụng và dịch vụ sáng tạo như giải trí đa phương tiện và dịch vụ dựa trên vị trí Mạng 3G đầu tiên được triển khai tại Nhật Bản vào năm 2001, trong khi các mạng 2.5G như GPRS đã có mặt tại Châu Âu Công nghệ 3G hỗ trợ băng thông lớn, nâng cao trải nghiệm người dùng.
144 Kbps với tốc độ di chuyển lớn (trên xe hơi), 384 Kbps (trong một khu vực), và 2 Mbps (đối với trường hợp trong nhà)
Hình 1.1: Các thế hệ di động
Bảng 1.1: Bảng so sánh tham số công nghệ cơ bản
Yêu cầu về viễn thông đa phương tiện với tốc độ cao trong xã hội hiện đại ngày nay phụ thuộc nhiều vào công nghệ thông tin số Dựa trên những số liệu lịch sử từ cuộc cách mạng công nghệ trong thập kỷ qua, hiện tại là thời điểm lý tưởng để nghiên cứu và phát triển hệ thống thông tin di động 4G.
Hiện nay, tốc độ tải xuống dữ liệu trên mạng di động bị giới hạn ở mức 9.6 Kbps, thấp hơn khoảng 6 lần so với kết nối ISDN Gần đây, với sự ra mắt của thiết bị cầm tay 504i, tốc độ tải xuống đã được nâng lên gấp 3 lần, đạt 28.8 Kbps Tuy nhiên, trong thực tế, tốc độ dữ liệu thường thấp hơn, đặc biệt ở những khu vực đông đúc hoặc khi mạng bị quá tải.
Tốc độ dữ liệu di động thế hệ 3 đạt tối đa 384 Kbps cho việc tải xuống, với tốc độ điển hình khoảng 200 Kbps và tốc độ tải lên đạt 64 Kbps, bắt đầu từ năm 2001.
4 sẽ có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn, dự kiến có thể đạt tới 20 Mbps
3G được giới thiệu lần đầu bởi các nhà sản xuất, không phải từ các nhà khai thác, với sự triển khai đầu tiên vào năm 1996 nhờ NTT và Ericsson Năm 1997, Hiệp hội công nghiệp Viễn thông TIA tại Mỹ đã chọn CDMA làm công nghệ cho 3G, và vào năm 1998, W-CDMA và CDMA2000 đã được phê duyệt cho Hệ thống thông tin di động chung UMTS W-CDMA và CDMA2000 là hai đề xuất chính của 3G Tuy nhiên, 3G vẫn gặp phải một số vấn đề và khiếm khuyết nhất định.
Việc nâng cao băng thông và tốc độ dữ liệu để đáp ứng nhu cầu của các dịch vụ đa phương tiện là một thách thức lớn, đặc biệt khi có nhiều dịch vụ khác nhau yêu cầu băng thông và chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau.
Giới hạn phổ và phân bố phổ
Khó roaming qua các môi trường dịch vụ khác nhau ở các băng tần khác nhau
Thiếu cơ chế vận chuyển liên tục từ đầu cuối đến đầu cuối đã hạn chế khả năng kết nối giữa các mạng di động nhỏ và mạng cố định Dịch vụ di động 4G, phát triển từ 3G, mang đến băng thông rộng, dung lượng lớn và tốc độ truyền dữ liệu cao, phục vụ nhu cầu người dùng với hình ảnh video chất lượng cao, trò chơi đồ họa 3D và âm thanh số Sự tiến bộ trong công nghệ giao thức đầu cuối, dịch vụ gói dữ liệu tốc độ cao và công nghệ phần mềm công cộng đã tạo điều kiện cho các ứng dụng download, OTT, truy cập vô tuyến đa mode và mã hóa media chất lượng cao trên mạng di động.
Với sự xuất hiện của mạng 4G, nó sẽ giải quyết được:
1 Hỗ trợ các dịch vụ tương tác đa phương tiện: truyền hình hội nghị, Internet không dây…
2 Băng thông rộng hơn, tốc độ bit lớn hơn
3 Tính di động toàn cầu và tính di chuyển dịch vụ
5 Tăng độ khả dụng của hệ thống thông tin di động
Các nhà nghiên cứu và nhà cung cấp đang chú trọng vào mạng vô tuyến 4G nhằm hỗ trợ khả năng đa roaming giữa các mạng di động và vô tuyến toàn cầu, bao gồm việc chuyển đổi từ mạng di động tế bào sang mạng công nghệ vệ tinh và mạng LAN không dây băng rộng.
Người dùng có thể truy cập vào nhiều dịch vụ khác nhau, mở rộng vùng phủ và tăng tính tiện lợi cho các thiết bị đơn lẻ với một hóa đơn duy nhất, giúp giảm thiểu tổng chi phí Hệ thống này cũng cung cấp nhiều kết nối không dây đáng tin cậy, ngay cả khi có sự cố xảy ra trên một hoặc nhiều mạng cùng lúc Mạng 4G hỗ trợ kết nối IP cho Internet di động liên tục, với tốc độ bit có thể đạt 50 Mbps hoặc cao hơn.
Do việc triển khai 4G trên thực tế chỉ có thể thực hiện được từ sau năm
Kể từ năm 2006 hoặc thậm chí trước đó, các nhà phát triển đã hy vọng có đủ thời gian để giải quyết nhiều vấn đề liên quan đến các mạng hỗn hợp.
Chuyển giao Định vị đồng thời Định nguồn tài nguyên mạng đồng thời để cung cấp cho người sử dụng mới
Hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS
Xác thực và bảo mật vô tuyến
Các ứng dụng và dịch vụ trong 4G
Phần này sẽ đánh giá các dịch vụ vô tuyến nổi bật và công nghệ tiềm năng cho tính an toàn trong tương lai gần và xa Nó sẽ trình bày một chuỗi nghiên cứu về các công nghệ vô tuyến không dây đang phát triển, tập trung vào các ứng dụng, dịch vụ và thách thức trong việc phát triển mạng vô tuyến không dây thế hệ thứ tư 4G.
Trong phần này, chúng tôi sẽ khám phá chi tiết về các dịch vụ trong mạng 4G, với trọng tâm là khả năng cung cấp thông tin dữ liệu gói hóa, băng thông rộng và tốc độ cao Người dùng hiện nay mong muốn lưu lượng thoại được truyền qua các gói thay vì qua kênh chuyển mạch riêng Chuyển mạch gói sử dụng kỹ thuật số để mã hóa thông tin thành mã nhị phân và chia thành các đoạn ngắn, giúp gửi tín hiệu hiệu quả hơn Mặc dù công nghệ không dây hiện tại chưa hỗ trợ truyền băng rộng và tốc độ cao, nhu cầu về các dịch vụ giá trị gia tăng trong thị trường vô tuyến không dây ngày càng tăng Người dùng kỳ vọng công nghệ vô tuyến thế hệ tiếp theo không chỉ phục vụ cho thông tin thoại mà còn có chức năng tương tự như Internet Dù các nhà cung cấp dịch vụ đang nỗ lực đáp ứng nhu cầu này, vẫn còn nhiều thách thức phía trước, đặc biệt là trong việc triển khai các tính năng của Internet qua mạng không dây Công nghệ 3G mặc dù mạnh mẽ hơn các hệ thống hiện tại, nhưng vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu băng thông và tốc độ cần thiết cho các ứng dụng tiên tiến mà người dùng mong muốn, trong khi 4G hứa hẹn sẽ mang lại những cải tiến đáng kể hơn.
Người dùng vô tuyến không dây hiện nay kỳ vọng vào những cải tiến lớn từ các mạng không dây thế hệ tiếp theo, đặc biệt là 4G Họ mong đợi rằng công nghệ này sẽ mang lại những trải nghiệm tốt hơn Các nhà cung cấp dịch vụ và nhà phát triển ứng dụng đang chú ý đến những mong đợi này để định hình hướng phát triển và cung cấp các dịch vụ phù hợp.
Các nhà cung cấp vô tuyến phân chia người sử dụng thành các mảng chung để hiểu rõ hơn về nhu cầu và mong đợi của từng nhóm Đặc biệt, trong bối cảnh công nghệ vô tuyến không dây thế hệ tiếp theo lên 4G, việc nắm bắt các mảng này là rất quan trọng Tại hội thảo gần đây của Lucent Technologies tại Supercomm, công ty đã trình bày kế hoạch phân chia người sử dụng thành 5 mảng khác nhau.
-Mảng theo độ tuổi (Age)
-Mảng theo cách sử dụng Internet (Internet Usage)
-Mảng theo mức thu nhập (Income Brackets)
-Mảng những người chuyên sử dụng Mobile (Mobile Profesional)
Mảng Gender tập trung vào đối tượng người dùng là phụ nữ, đặc biệt là những cá nhân có thu nhập trung bình Hiện nay, các ứng dụng giải trí và xã hội như dịch vụ chat và nhắn tin nhanh đang ngày càng phát triển để phục vụ nhu cầu của nhóm người dùng này.
Mảng tuổi tác này tập trung vào thị trường giới trẻ từ 18 tuổi trở xuống, nơi mà người dùng không trực tiếp chi trả cho dịch vụ mà phụ huynh hoặc người thân thực hiện Các ứng dụng đang được phát triển cho đối tượng này chủ yếu là các dịch vụ giải trí và xã hội, đặc biệt là các nền tảng âm nhạc.
Mảng sử dụng Internet hiện nay cho thấy nhiều cá nhân dành thời gian truy cập nhiều hơn 30 phút mỗi phiên, cho thấy sự gia tăng trong việc sử dụng công nghệ Những người dùng trong lĩnh vực này thường tìm kiếm các ứng dụng thông tin, bao gồm dịch vụ tin tức cá nhân và các dòng tin tức chính, với các định dạng đa phương tiện như âm thanh, hình ảnh và văn bản Các nhà cung cấp dịch vụ gặp khó khăn trong việc đáp ứng nhu cầu của nhóm khách hàng này, do họ đã quen với mô hình tính phí theo kiểu Internet.
Mảng người sử dụng Income Bracket bao gồm cá nhân ở độ tuổi trung lưu, những người có khả năng nhận thức rõ giá trị của dịch vụ Các ứng dụng phát triển trong lĩnh vực này chủ yếu là dịch vụ thông tin thời gian ngắn và các ticker chứng khoán cá nhân hóa Người dùng trong nhóm này thường có xu hướng ưu tiên tính an toàn, vì vậy độ tin cậy của dữ liệu và thông tin thoại được nâng cao.
Mảng Mobile Profesional hướng tới những người dùng tin tưởng vào thiết bị vô tuyến không dây để quản lý công việc hàng ngày Người dùng chuyên nghiệp trong mảng này rất quan trọng đối với các nhà cung cấp dịch vụ, vì họ thường xuyên yêu cầu và sử dụng nhiều dịch vụ hơn Các ứng dụng phát triển cho mảng này bao gồm fax di động, thư điện tử và nhắn tin nhanh Để tăng cường độ tin cậy, các nhà cung cấp cũng đang phát triển thiết bị thuê bao cho phép chuyển vùng trên các mạng vô tuyến không dây toàn cầu bằng một thiết bị thông tin duy nhất.
Các chuyên gia yêu cầu rằng các phương tiện thông tin dữ liệu và thoại phải có độ tin cậy và tính liên tục cao An toàn thông tin sẽ được chú trọng và điều chỉnh hợp lý trong lĩnh vực này Tất cả các chức năng cần thiết sẽ được bổ sung để đảm bảo bảo mật thông tin cho người sử dụng.
Hình 1.4: Các dịch vụ và ứng dụng trong 4G
- Các trình ứng dụng và các dịch vụ chung:
Phần này định nghĩa các dịch vụ và chức năng mà nhà cung cấp cung cấp cho khách hàng, bao gồm các ứng dụng phần mềm và chương trình mang lại lợi thế cho dịch vụ của nhà khai thác Có bốn loại dịch vụ chính trong thông tin vô tuyến thế hệ tiếp theo: dịch vụ thông tin cá nhân/khoanh vùng, phương tiện liên lạc, tổ chức và giải trí Các ứng dụng và dịch vụ này phục vụ người dùng trong các lĩnh vực Internet Usage, Income Brackets và Mobile Professional, cung cấp thông tin như bản tin chung, bản tin tài chính, hướng dẫn vị trí, thương mại di động và dịch vụ du lịch Chúng cho phép người dùng xác minh thông tin liên quan dù ở trong vùng phục vụ hay khi chuyển vùng sang hệ thống khác Nhiều quốc gia Châu Á đã triển khai ứng dụng theo dõi phương tiện giao thông công cộng, giúp người dùng xác định thời gian xe buýt hoặc tàu điện dừng lại Dịch vụ thông tin cá nhân/khoanh vùng này có thể là push-based hoặc pull-based, tùy thuộc vào nhu cầu thông tin của người dùng.
Trong phần này, chúng tôi sẽ thảo luận chi tiết về các dịch vụ push và pull Các dịch vụ và ứng dụng này đóng vai trò quan trọng đối với tất cả người dùng, đặc biệt là trong lĩnh vực Mobile Professional.
Các dịch vụ thông tin (Communication) bao gồm nhắn tin ngắn (SMS), thư điện tử, hội thảo truyền hình, fax và bảng tin Mặc dù nhiều dịch vụ đã có sẵn trong các hệ thống không dây hiện nay, nhưng chúng sẽ tiếp tục được cải tiến trong các thế hệ tương lai Trong số các dịch vụ này, thoại và độ tin cậy là những yếu tố được chú trọng nhất trong kế hoạch phát triển.
Các dịch vụ Organizational bao gồm hỗ trợ số cá nhân (PDA), trao đổi tiền tệ xác định người sử dụng, và các ứng dụng quản lý cá nhân như lịch công tác, quản lý cuộc gọi, và sổ địa chỉ Những dịch vụ và ứng dụng này phục vụ cho tất cả người sử dụng, nhưng đặc biệt tập trung vào nhóm người có thu nhập cao và các chuyên gia di động.
Các dịch vụ giải trí đang thu hút sự quan tâm của các nhà cung cấp dịch vụ nhờ vào tiềm năng lớn của chúng, bao gồm âm thanh, video, chat, trao đổi hình ảnh và game Trong bối cảnh phát triển của thị trường 3G tại Châu Á, dịch vụ giải trí đang mang lại lợi nhuận đáng kể, đặc biệt hướng tới đối tượng người dùng trẻ tuổi Một lĩnh vực khác đang tạo ra sự sôi động trong ngành là thương mại di động (M-Commerce), cho phép người dùng dễ dàng mua sắm hàng hóa qua thiết bị vô tuyến không dây Chẳng hạn, để mua hàng từ máy bán hàng tự động, người tiêu dùng chỉ cần gọi số điện thoại hoặc nhập mã liên quan, và hàng hóa sẽ được giao đến tay họ Sự kết nối giữa máy bán hàng tự động và mạng điện thoại công cộng (PSTN) thông qua modem hoặc gateway giúp nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến gửi thông tin đến công ty bán hàng, từ đó chỉ thị cho máy bán hàng phân phối sản phẩm.
MÔ HÌNH CẤU TRÚC MẠNG 4G
Các yêu cầu về cấu trúc mạng
Mạng 4G đánh dấu một bước tiến lớn trong tốc độ truyền dữ liệu và khả năng giao tiếp giữa các mạng khác nhau, được xây dựng trên nền tảng IP Mục tiêu chính của mạng 4G là cung cấp cho người dùng khả năng truy cập và sử dụng dịch vụ với tốc độ cao, chất lượng tốt và đảm bảo an toàn, bảo mật Để đáp ứng những nhu cầu này, mạng 4G cần tích hợp hiệu quả với các mạng di động thế hệ trước như 2G, 3G, 3.5G, cùng với các công nghệ WLAN, WiMAX và các mạng không dây khác.
Hình 2.1: Sự phát triển của các mạng khác nhau dẫn đến 4G
Mạng 4G tích hợp nhiều mạng khác nhau dựa trên giao thức IP, cung cấp tốc độ cao và dịch vụ thời gian thực chất lượng Điều này là yếu tố then chốt giúp công nghệ mới thành công Nhờ vào sự kết hợp này, người dùng có thể kết nối với nhiều loại dịch vụ như PSTN, ISDN, internet, WLAN, và WiMAX mà không cần lo lắng về thiết bị hoặc vị trí của mình.
Hình 2.2: Sự kết hợp các mạng khác nhau b Mạng có tính mở
Hiện nay, các hệ thống mạng vẫn đang phát triển theo hướng đóng, với mạng thế hệ hai chỉ cung cấp các dịch vụ đơn giản như SMS và MMS Mạng di động thế hệ ba đã bắt đầu cung cấp một số ứng dụng, nhưng chất lượng còn hạn chế và chủ yếu nằm trong phạm vi của các nhà cung cấp dịch vụ "third-party" Tuy nhiên, mạng 4G với cấu trúc mở cho phép cài đặt các thành phần mới và giao diện khác nhau, điều này rất quan trọng cho các dịch vụ tối ưu trong mạng di động với tính linh hoạt cao Mô hình mạng cần có tính mở để đáp ứng yêu cầu về mở rộng, nâng cấp và tích hợp các ứng dụng, dịch vụ mới, nhằm phát triển bền vững trong lĩnh vực viễn thông hiện nay.
Do đó mạng phải đảm bảo cho khả năng đáp ứng các nhu cầu này ngay từ thời điểm hiện tại cho đến tương lai
Để đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng đa phương tiện trên nền IP, cần có sự kết hợp chặt chẽ giữa các lớp truy nhập, truyền tải và dịch vụ Internet, đặc biệt là trong việc xử lý độ trễ mạng và băng thông dịch vụ Mạng 4G yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu cao, độ trễ nhỏ và cung cấp dịch vụ thời gian thực với chất lượng cao Bên cạnh đó, tính an toàn và bảo mật thông tin là yêu cầu quan trọng hàng đầu của hệ thống, đặc biệt khi ngày càng có nhiều người dùng từ các mạng khác nhau truy cập An toàn của hệ thống được đánh giá qua khả năng bảo mật trong truyền thông, tính đúng đắn và riêng tư của dữ liệu người sử dụng, cũng như khả năng quản lý và giám sát hệ thống Cuối cùng, mạng cần đảm bảo tính di động để phục vụ tốt nhất cho người dùng.
Một trong những thách thức lớn của công nghệ 4G là khả năng truy cập vào nhiều mạng di động và không dây khác nhau Để giải quyết vấn đề này, có ba phương án khả thi: sử dụng thiết bị đa chế độ, tận dụng vùng phủ đa dịch vụ, hoặc áp dụng giao thức truy cập chung.
Các thiết bị đa chế độ:
Thiết bị đa chế độ hoạt động với nhiều chế độ khác nhau như truy nhập phân chia theo mã, GSM và truy nhập vệ tinh, cho phép người dùng kết nối ngay cả khi ở ngoài vùng phủ của mạng chính Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, chất lượng dịch vụ của thiết bị này cần được xử lý một cách hiệu quả.
Vùng phủ đa dịch vụ:
Trong kiến trúc đa dịch vụ, người dùng có thể truy cập vào nhiều điểm truy cập chung (UAP: Universal Access Point) Những UAP này hoạt động để lựa chọn mạng dựa trên các yếu tố như tính khả dụng, chất lượng dịch vụ và sở thích của người dùng Khi di chuyển từ UAP này sang UAP khác, người dùng và thiết bị có khả năng chuyển đổi dịch vụ một cách linh hoạt.
Giao thức truy nhập chung:
Trong trường hợp này, các mạng không dây có khả năng hỗ trợ một hoặc hai giao thức truy cập chuẩn, cho phép thiết bị chuyển đổi sang mạng có cùng giao thức khi không thể truy cập vào mạng của mình.
Hình 2.4: Tính di động của mạng f) Mạng phải đảm bảo về tốc độ:
Mạng mới cần có tốc độ truyền dữ liệu cao để đáp ứng nhu cầu người dùng, với khả năng đạt tới 100Mbps và 160Mbps khi áp dụng công nghệ MIMO (Nhiều đầu vào - Nhiều đầu ra).
Mô hình mạng 4G
2.2.1 Ƣu nhƣợc điểm của cấu trúc mạng 3G và 3,5G a) Mạng thông tin di động thế hệ ba WCDMA
Mạng thông tin di động thế hệ ba (WCDMA) đã khắc phục các nhược điểm của các thế hệ trước, nhờ vào cấu trúc mạng sử dụng giao thức IP kết hợp với công nghệ ATM Với tốc độ hỗ trợ lên tới 2Mbps, WCDMA cung cấp cho người dùng nhiều dịch vụ tiện ích như hội nghị truyền hình, truy cập internet tốc độ cao và tải xuống các file dữ liệu nhỏ.
Mặc dù mạng di động này có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số nhược điểm đáng chú ý Tốc độ truyền dữ liệu tối đa chỉ đạt 2Mbps, chưa đủ đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng Hơn nữa, khả năng hỗ trợ các dịch vụ thời gian thực như hội nghị truyền hình còn hạn chế, và việc tải xuống các file dữ liệu lớn cũng gặp khó khăn.
Mạng thông tin di động thế hệ ba WCDMA chưa đáp ứng được các yêu cầu như:
Mạng thông tin di động thế hệ 3,5G HSDPA và HSUPA hiện gặp khó khăn trong việc tích hợp với các mạng khác như WLAN và WiMAX, dẫn đến tính mở của mạng chưa cao Khi triển khai dịch vụ mới, người dùng thường phải đối mặt với nhiều vấn đề do tốc độ mạng thấp và tài nguyên băng tần hạn chế.
Cuộc cách mạng thông tin di động đã yêu cầu nâng cấp hệ thống về dung lượng và tốc độ truyền dẫn dữ liệu Sự ra đời của mạng thông tin di động thế hệ ba WCDMA đánh dấu bước phát triển mạnh mẽ về tốc độ và chất lượng dịch vụ, tuy nhiên, tốc độ dữ liệu tối đa chỉ đạt 2Mbps Để cải thiện khả năng hỗ trợ dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói, 3GPP đã phát triển công nghệ HSDPA trong phiên bản Release 5, cho phép tốc độ truyền dữ liệu lên tới hơn 10 Mbps HSDPA tích hợp nhiều tính năng mới nhằm cải thiện dung lượng mạng, nâng cao chất lượng dịch vụ (QoS) và giảm chi phí cho các nhà khai thác Khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu và tính di động của HSDPA vượt trội so với các phiên bản trước đây của 3GPP.
Các khía cạnh kỹ thuật trong nội dung HSDPA bao gồm:
• Điều chế và mã hóa thích ứng
• Kỹ thuật phát đa mã
• Yêu cầu lặp lại tự động nhanh HARQ
HSDPA được thiết kế để cung cấp truy cập gói đường xuống với tốc độ cao thông qua kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao (HS-DSCH), đồng thời hỗ trợ tích hợp thoại trên kênh DCH và dữ liệu tốc độ cao trên cùng một sóng mang.
HSDPA mang lại nhiều lợi ích cho đường xuống trong lưu thông dữ liệu 3G, nhưng Release 6 sẽ giới thiệu cải tiến cho đường lên với HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) HSUPA sử dụng các đặc điểm tương tự như HSDPA, nhưng tập trung vào việc nâng cao tốc độ truyền tải dữ liệu đường lên, từ đó cũng góp phần tăng tốc độ truyền đường xuống.
Mạng di động thế hệ 3 WCDMA và công nghệ 3,5G HSDPA, HSUPA đã đáp ứng nhu cầu người dùng với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 2Mbps cho WCDMA và 10Mbps cho 3,5G, cho phép truy cập nhiều dịch vụ như truyền hình hội nghị và Internet tốc độ cao.
Các mạng di động hiện tại vẫn gặp nhiều nhược điểm như tốc độ truyền dữ liệu thấp, ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ thời gian thực Người dùng gặp khó khăn khi di chuyển vào vùng phủ sóng của mạng khác như WLAN hay WiMAX, dẫn đến việc không thể sử dụng dịch vụ Thêm vào đó, việc sử dụng IPv4 cũng tạo ra những hạn chế về số lượng địa chỉ, không đủ để đáp ứng nhu cầu triển khai mạng Khả năng phát triển các dịch vụ mới trên các mạng này gặp khó khăn do các vấn đề liên quan đến tốc độ truyền thông và băng tần.
Trong tương lai, người dùng kỳ vọng sẽ tiếp cận nhiều loại dịch vụ đa dạng với tốc độ truyền tải lên đến hàng trăm Mbps, chất lượng tốt, khả năng kết nối mạng từ mọi nơi, cùng với sự dễ dàng trong việc sử dụng các dịch vụ mới.
2.2.2 Mô hình mạng thông tin di động 4G:
Mạng 4G sẽ cung cấp phạm vi bao phủ toàn diện từ các phần truyền dẫn vô tuyến, truyền dẫn trong mạng lõi đến các ứng dụng trên thiết bị đầu cuối Để đảm bảo tính mở và thích ứng cho hệ thống, kiến trúc phân lớp được yêu cầu, trong đó các thành phần chức năng sẽ được chuẩn hoá theo các chức năng chung, mỗi chức năng này đại diện cho một lớp Nhà mạng đã phân chia cấu trúc mạng thành 4 lớp chức năng, tương ứng với 4 phạm vi chức năng của các thành phần trong hệ thống mạng.
Hình 2.6: Mô hình cấu trúc mạng 4G
Mô hình tích hợp hệ thống trên lớp truyền dẫn cho phép các hệ thống sử dụng môi trường truyền vô tuyến được kết hợp vào mạng RAN, đảm bảo rằng thuê bao di động có thể hoạt động hiệu quả trong bất kỳ môi trường nào Tính tương tác giữa các lớp trong mô hình này tạo điều kiện cho sự phát triển công nghệ và dịch vụ trong tương lai, đồng thời xử lý các công nghệ điều chế, mã hóa và truy cập giúp đáp ứng linh hoạt các yêu cầu dịch vụ và đảm bảo tốc độ dịch vụ tối ưu.
Chức năng mạng truy nhập vô tuyến:
- Có khả năng tích hợp giữa các thiết bị đầu cuối
-Đảm bảo tốc độ dịch vụ
Chức năng của mạng lõi:
-Kết nối các mạng khác nhau: mạng không dây và mạng có dây
-Truyền tải traffic trên các tuyến từ nơi gửi đến đích an toàn
-Chuyển đổi dạng dữ liệu all IP
-Cung cấp nền tảng hạ tầng kết nối mạng dịch vụ
Cung cấp dịch vụ sử dụng cho người dùng
Chức năng các phần tử trong mô hình
2.3.1 Các phần tử lớp truy nhập vô tuyến
Mạng truy nhập vô tuyến (Radio Access Network) có nhiệm vụ chính là tạo và duy trì các kênh mang truy nhập vô tuyến (RAB) để đảm bảo thông tin giữa thiết bị di động (UE) và mạng lõi (CN) Thiết bị người dùng có thể là điện thoại di động, thiết bị cầm tay và các thiết bị đầu cuối khác Do đó, mạng truy nhập vô tuyến cần có khả năng giao tiếp với các thiết bị đầu cuối, bao gồm cả thiết bị di động không dây thuộc mạng khác.
Trong mạng 4G, thiết bị đầu cuối di động cần phát triển khả năng chạy nhiều ứng dụng khác nhau, tạo cơ hội tăng lợi nhuận cho nhà cung cấp dịch vụ thông qua các dịch vụ giá trị gia tăng Các thiết bị này phải có tính thích nghi và linh động cao, đồng thời đang chuyển dịch sang dạng tích hợp hội tụ Các nhà sản xuất cung cấp hệ điều hành và phần mềm dịch vụ mở, có kiến trúc lớp và khả năng tương thích với phần mềm của bên thứ ba Hệ thống thiết bị đầu cuối di động phức tạp này yêu cầu đáp ứng đầy đủ các điều kiện về phần cứng và phần mềm.
-Các dạng ứng dụng khác nhau về di động ( như email, MMS …)
-Thực hiện được nhiều phần mềm ghép ứng dụng ( như dự đoán kiểu gõ, soạn thảo văn bản, kiểm tra phát âm …)
-Thực hiện trên nhiều dạng hệ điều hành (như Symbian, SmartPhone, Linux )
-Hoạt động trên nhiều môi trường ứng dụng ( như J2ME, NET)
-Hoạt động trên nhiều phương thức mã hoá vô tuyến ( như CDMA2000, GPRS, GSM, W-CDMA, WiFi ….)
-Hoạt động trên nhiều phương thức mã hoá ( tiếng nói, hình ảnh…) -Hoạt động trên nhiều phạm vi giao thức mạng ( Ipv4, IPv6 …)
- Bộ vi xử lý mạng với các ứng dụng của di động và tính năng chung của
- Điểm truy nhập vô tuyến RAP (Radio Access Point):
Chức năng chính của RAP là xử lý lớp 1 của giao diện vô tuyến, bao gồm mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ và trải phổ Bên cạnh đó, RAP cũng đảm nhận một phần quản lý tài nguyên vô tuyến, như điều khiển công suất vòng trong Mặc dù điểm truy cập vô tuyến tương tự như Node B trong 3G, nhưng RAP áp dụng một số kỹ thuật mới để tăng tốc độ đường truyền.
+ Sử dụng Anten thông minh:
Anten thông minh là thành phần thiết yếu trong mạng 4G, kết hợp nhiều phần tử anten với khả năng xử lý tín hiệu để tối ưu hóa mẫu thu và bức xạ dựa vào phản hồi từ môi trường Hệ thống 3.5G sử dụng HSDPA, dựa trên công nghệ W-CDMA, cung cấp tốc độ lên đến 10 Mbps nhờ vào việc sử dụng hiệu quả phổ tần số 3G Trong khi đó, hệ thống 4G sẽ sử dụng phổ tần khác, có thể lên đến 40 hoặc 60 GHz, mang lại tốc độ cao hơn cho người dùng.
100 Mbps cho tế bào WAN và đến 1 Gbps đối với truy suất không dây nội bộ
Hệ thống anten thông minh nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu vô tuyến thông qua việc tập trung truyền tải tín hiệu, đồng thời tối ưu hóa dung lượng mạng bằng cách tăng cường việc sử dụng lại tần số Dưới đây là bảng liệt kê các đặc điểm và lợi ích của hệ thống anten thông minh.
Hệ thống anten thông minh có độ lợi tín hiệu cao nhờ khả năng kết hợp tín hiệu từ nhiều anten, tối ưu hóa công suất sẵn có để đạt được mức vùng phủ mong muốn.
Tăng cường vùng phủ sóng: Tập trung năng lượng trong một tế bào giúp mở rộng vùng phủ của trạm gốc Yêu cầu công suất tiêu thụ thấp hơn không chỉ kéo dài thời gian sử dụng pin mà còn giúp giảm kích thước của thiết bị di động.
Sự loại bỏ nhiễu là quá trình quan trọng trong việc cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu cho tín hiệu thu được, đặc biệt là khi anten có thể tạo ra các mẫu nhiễu từ các nguồn đồng kênh.
Tăng dung lượng mạng có thể đạt được thông qua việc kiểm soát chất lượng các tín hiệu null một cách chính xác và giảm thiểu nhiễu Sử dụng lại tần số là một yếu tố quan trọng, và kỹ thuật thích nghi như đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA) hỗ trợ việc này trong cùng một tế bào, từ đó nâng cao hiệu suất và khả năng phục vụ của mạng.
Phân tập không gian: Thông tin được tập hợp từ mảng anten được dùng để tối thiểu fading và các tác động của truyền đa đường không mong muốn
Loại bỏ đa đường: Có thể giảm tác động trải trễ của kênh, cho phép truyền tốc độ bit cao hơn mà không cần dùng bộ cân bằng
Hiệu quả công suất: kết hợp các ngõ vào đến nhiều thiết bị để tối ưu tăng ích xử lý có sẳn trên đường xuống
Chi phí giảm: Chi phí khuyếch đại công suất, công suất tiêu thụ giảm và độ tin cậy cao hơn
Một trong những kỹ thuật thích ứng liên kết quan trọng là điều chế và mã hóa thích ứng (AMC - Adaptation and Modulation Coding) Kỹ thuật này cho phép điều chế và tỷ lệ mã hóa được điều chỉnh liên tục dựa trên chất lượng kênh, thay vì chỉ điều chỉnh công suất Trong quá trình thích ứng liên kết, việc sử dụng mã Walsh cũng đóng vai trò quan trọng Sự kết hợp của hai kỹ thuật này đã hoàn toàn thay thế phương pháp hệ số trải phổ biến trong truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao.
Ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM chia tín hiệu thành các sóng mang nhỏ, giúp tránh hiệu ứng đa đường nhờ tín hiệu băng hẹp và tạo khoảng bảo vệ giữa các tín hiệu OMDF Công nghệ OFDM mang lại độ lợi phân tập tần số, cải thiện hiệu năng lớp vật lý và tương thích với các công nghệ nâng cao như anten thông minh và MIMO Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả lớp vật lý mà còn cải thiện hiệu năng lớp 2 thông qua việc cung cấp thêm mức độ tự do.
Nguyên lý OFDM kết hợp với MIMO sử dụng ghép kênh tín hiệu từ nhiều anten phát, tối ưu hóa thời gian và tần số Sự kết hợp này cho phép xử lý các tín hiệu thời gian độc lập, đồng thời đảm bảo dạng sóng OFDM được thiết kế chính xác cho kênh Việc áp dụng OFDM và MIMO giúp đơn giản hóa quy trình xử lý và nâng cao hiệu quả thu phát.
Lớp thâm nhập dịch vụ áp dụng thêm các kỹ thuật như SDR nhằm nâng cao khả năng thích nghi của UE trong môi trường mạng tích hợp chung.
- Bộ điều khiển truy nhập vô tuyến (RAC: Radio Access Controller) :
Bộ điều khiển truy nhập vô tuyến (RAC) là thành phần quan trọng trong lớp truy nhập vô tuyến, chịu trách nhiệm điều khiển lưu lượng và quản lý tài nguyên vô tuyến RAC thực hiện kết cuối đường nối Iu cho người dùng (UE) để truyền dữ liệu và báo hiệu từ mạng lõi Ngoài ra, RAC còn kết thúc báo hiệu điều khiển tài nguyên vô tuyến và xử lý dữ liệu từ giao diện vô tuyến Các thao tác quản lý tài nguyên vô tuyến bao gồm việc sắp xếp các thông số vật mang và thông số kênh truyền tải để tối ưu hóa hiệu suất kết nối.
Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) bao gồm các thuật toán nhằm đảm bảo sự ổn định của đường truyền và chất lượng dịch vụ (QoS) của kết nối vô tuyến RRM hoạt động bằng cách chia sẻ và quản lý tài nguyên vô tuyến một cách hiệu quả, giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng.
Công nghệ trên IP và IP di động
Trong hệ thống thông tin di động 4G, IP di động (MIP) đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển các ứng dụng IP đến các thiết bị di động Hiện tại, có hai phiên bản MIP là MIPv4 và MIPv6, được thiết kế để hỗ trợ di động trong mạng IPv4 và IPv6 tương ứng Trong giai đoạn đầu của hệ thống 4G, cả hai phiên bản này được sử dụng, nhưng sẽ dần chuyển sang mạng toàn IPv6 MIPv6 mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với MIPv4, giúp cải thiện hiệu suất và khả năng kết nối trong môi trường di động.
MIPv4 với độ dài địa chỉ 32 bit không đủ khả năng đánh địa chỉ cho tất cả các thiết bị đầu cuối, trong khi MIPv6 sử dụng địa chỉ 128 bit, cho phép đánh địa chỉ cho toàn bộ các thiết bị hiện có.
-Việc định tuyến tối ưu chỉ là một bộ phận thêm vào cho MIPv4 nhưng nó lại là một bộ phận tích hợp của MIPv6
Định tuyến tối ưu trong MIPv4 vẫn yêu cầu sử dụng đường hầm để truyền tải lưu lượng giữa các máy tính đối tác và nút di động Trong khi đó, MIPv6 cho phép gửi các gói tin mà không cần sử dụng đường hầm, chỉ cần bổ sung thêm một tiêu đề định tuyến.
Các loại truy nhập trong mạng 4G
Trong giai đoạn đầu phát triển của mạng 4G, cả hai giao thức IP MIPv4 và MIPv6 đều được sử dụng, dẫn đến việc cần thiết phải chuyển đổi địa chỉ trong quá trình truy cập.
Truy nhập từ MS đến các dịch vụ có các khả năng sau:
1) MS IPv4 truy nhập dịch vụ IPv4 qua mạng IPv4: Cả MS, loại dịch vụ, và cả mạng sử dụng chung một giao thức đó là IPv4 Trường hợp này thường xảy ra khi chúng là các dịch vụ và thiết bị đầu cuối của 2,5G và 3G Khi MS và dịch vụ trong cùng mạng, địa chỉ IPv4 cá nhân được sử dụng, còn khi dịch vụ ở ngoài mạng thì phải sử dụng địa chỉ IPv4 công cộng để định tuyến, do đó bộ phiên dịch địa chỉ mạng NAT (NAT: Network Address Translator) được sử dụng
2) MS IPv6 truy nhập dịch vụ IPv6 qua mạng IPv6 Trong trường hợp này, cả MS, loại hình dịch vụ và mạng cũng đều sử dụng cùng giao thức IPv6 Với địa chỉ IPv6, chúng ta không cần hỗ trợ của bộ phiên dịch địa chỉ mạng (NAT) Khi cả dịch vụ và người dùng nằm cùng trong một mạng thì chúng ta có thể dùng địa chỉ vị trí IPv6
3) MS IPv6 truy nhập dịch vụ IPv6 thông qua mang IPv4 Thường xảy ra trong giai đoạn đầu phát triển IPv6, yêu cầu có tunnel của IPv6 qua IPv4 Có hai trường hợp xảy ra: a) MS IPv6 ở trong mạng IPv6 nhưng phần mạng ngoài kết nối tới dịch vụ là IPv4 b) MS IPv6 roam tới một mạng IPv4
4) MS IPv6 truy nhập dịch vụ IPv4 Trường hợp này ít xảy ra trong mạng 4G Tuy nhiên khi xảy ra nhiều thì yêu cầu phải có NAT
5) MS IPv4 truy nhập dịch vụ của IPv6 Trường hợp này yêu cầu phải có bộ phiên dịch địa chỉ từ địa chỉ IPv4 sang địa chỉ IPv6 Điều này sẽ được hỗ trợ bởi một Router hoặc một node nào đó
6) MS IPv4 truy nhập dịch vụ IPv4 thông qua mạng IPv6 Giao tiếp giữa hai mạng dịch vụ
7) Server IPv4 giao tiếp với Server IPv4 thông qua mạng IPv4
8) Server IPv6 giao tiếp với Server IPv6 thông qua mạng IPv6
9) Server IPv6 giao tiếp với Server IPv6 thông qua mạng IPv4 Trường hợp này thường xảy ra trong giai đoạn đầu chuyển tiếp lên IPv6 Yêu cầu phải có đường hầm (Tunnel) từ IPv6 qua IPv4 Đường hầm này có thể được thiết lập trước hoặc được thiết lập tự động
10) Server IPv6 giao tiếp với Server IPv4 Trường hợp này yêu cầu có bộ phiên dịch địa chỉ mạng-phiên dịch giao thức NAT-PT Nếu Server IPv6 là một IMS, thì ngoài việc chuyển đổi và riêng biệt giao thức IP, cón phải chuyển đổi SIP/SDP qua một ALG
11) Server IPv4 giao tiếp với Server IPv6 Trường hợp này giống trường hợp 4
12) Server IPv4 giao tiếp với Server IPv4 thông qua mạng IPv6 Trường hợp này ít xảy ra, bởi khi IPv6 chiếm ưu thế trong mạng và IPv4 không đủ thì khi đó tất cả dịch vụ sẽ được triển khai IPv6
3 CHƯƠNG 3 DỊCH VỤ VÀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ
Sự cạnh tranh trong lĩnh vực mạng thông tin và viễn thông ngày càng gay gắt, buộc các công ty phải xác định vị trí chiến lược để tận dụng lợi thế trong môi trường truyền thông mới Các thành viên mới tham gia thị trường cần tích cực tìm kiếm phương thức mới để thu hút và giữ chân khách hàng tiềm năng Hiện nay, các nhà cung cấp dịch vụ đang nỗ lực tạo sự khác biệt bằng cách phát triển các chiến lược độc đáo như đổi mới nhãn hiệu, cải tiến cách đóng gói dịch vụ và giảm chi phí hoạt động.
Việc chuyển sang mạng 4G là cần thiết vì nó cung cấp tốc độ truy cập lên tới 200Mb/s, hỗ trợ roaming toàn cầu, và tương tác mạnh mẽ với các mạng khác Mạng 4G mở ra nhiều dịch vụ phong phú, bao gồm dịch vụ thời gian thực, dịch vụ nội dung và dịch vụ quản lý, giúp các nhà khai thác nâng cao khả năng điều khiển, bảo mật và độ tin cậy, đồng thời giảm chi phí vận hành Nhờ đó, các nhà cung cấp dịch vụ có thể nhanh chóng tạo ra nguồn thu mới Bài viết này sẽ khám phá các yêu cầu về dịch vụ trong 4G và một số dịch vụ có thể triển khai ngay lập tức.
Các loại dịch vụ cung cấp
Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 cung cấp các dịch vụ di động, viễn thông và internet với tốc độ cao lên đến 200 Mbit/s, đặc biệt chú trọng đến các dịch vụ đa phương tiện Nhờ khả năng cung cấp dịch vụ tốc độ bit cao, hệ thống này đảm bảo chất lượng tốt cho các dịch vụ như điện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh, thông tin vị trí, thương mại di động, phân phối nội dung, hỗ trợ tải dữ liệu, điều khiển từ xa, cùng với các dịch vụ số liệu tốc độ bít thấp và bít cao Dịch vụ có thể được chia thành hai loại chính: dịch vụ cơ sở và dịch vụ đa phương tiện.
Dịch vụ xa (Teleservice) là một hình thức dịch vụ viễn thông cung cấp khả năng giao tiếp toàn diện giữa hai người sử dụng thông qua các giao thức đã được các cơ quan quản lý thỏa thuận Các dịch vụ này bao gồm điện thoại, cuộc gọi khẩn cấp, dịch vụ tin nhắn ngắn, dịch vụ nhóm thoại và phát thanh thoại, mang đến sự tiện lợi và hiệu quả trong việc kết nối thông tin.
