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

ng 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 đờ._.i 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._.A (Care of Address) mà đ−ợc sử dụng tạm thời tại mạng tạm trú (mạng viếng thăm), và đăng ký giá trị này trên HA cùng với địa chỉ tr−ờng trú HoA (Home Address), là địa chỉ toàn cục duy nhất. ở thời điểm này, tiền tố mạng di động MNP (Mobile Network Preffix), là tiền tố mạng của mạng di động, cũng đ−ợc đăng ký khi thấy cần thiết. HA đ−ợc kết nối đến mạng th−ờng trú là nơi tất cả các gói tin đ−ợc chuyển tới MNN. Các gói tin đến đ−ợc đính thêm header có địa chỉ đích là CoA (để chỉ vị trí hiện tại của MR) và địa chỉ nguồn là địa chỉ của HA (đ−ợc gọi là tạo đ−ờng hầm) và đ−ợc gửi tới MR bởi HA. MR gỡ bỏ header bên Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 75 ngoài khỏi gói tin và chuyển chúng tới MNN. Khi các gói tin đ−ợc gửi từ MNN đến CN, việc thiết lập đ−ờng hầm đ−ợc thực hiện theo chiều ng−ợc lại. Nh− vậy, tính di động đ−ợc triển khai bằng việc duy trì các đ−ờng hầm ảo giữa CoA của MR và địa chỉ HA (còn đ−ợc gọi là đ−ờng hầm hai chiều). Trong đó: + MR (Mobile Router): Bộ định tuyến di động + HA (Home Agent): Tác nhân nhà + MNN (Mobile Network Node): Nút mạng di động Hình 3.31. Điều khiển tính di động mạng NEMO [9] Lợi thế kỹ thuật của NEMO Chỉ cần duy trì các đ−ờng hầm hai chiều giữa HA và MR thì liên lạc đ−ợc duy trì mà không cần thay đổi toàn bộ địa chỉ MNN, và không nảy sinh vấn đề gì cho nơi mà mạng di động chuyển tới. Lợi thế lớn nhất của NEMO là mỗi MNN không phải trang bị chức năng di động nh− Mobile IP. Ngoài ra, ngay cả khi có một số l−ợng lớn các thiết bị đầu cuối di chuyển cùng lúc thì tải mạng gây ra bởi các thông điệp đăng ký vị trí cũng giảm hơn so với Mobile IP, vì các thông điệp đăng ký vị trí cần thiết chỉ đ−ợc trao đổi giữa HA và MR. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 76 Bởi những đặc tính này mà NEMO có thể đ−ợc áp dụng cho xe lửa, máy bay, xe buýt, là những nơi có nhều thiết bị đầu cuối cùng chuyển động. Trong mạng số cá nhân PAN, các thiết bị di động của ng−ời dùng đ−ợc kết nối bằng giao diện vô tuyến có phạm vi hẹp nh−: bluetooth, thì UWB (Ultra Wide Band) đ−ợc coi là một ứng dụng hứa hẹn của NEMO. Hình 3.32. Mạng cá nhân PAN (Personal Area Network) [7] Nh− minh họa ở hình 3.32, các thiết bị đ−ợc trang bị giao diện vô tuyến cho các mạng truy cập khác nhau nh−: mạng điện thoại tế bào, mạng LAN không dây, có thể hoạt động nh− là MR để chuyển tiếp liên lạc của các thiết bị. Vì vậy sự liên lạc giữa các thiết bị trong mạng PAN đ−ợc duy trì ngay cả khi nó di chuyển [9]. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 77 3.4 Mạng thế hệ sau NGN và hệ thống di động 4G 3.4.1 Mạng thế hệ sau NGN 3.4.1.1 Giới thiệu chung Bắt nguồn từ sự phát triển của công nghệ thông tin, công nghệ chuyển mạch gói và công nghệ truyền dẫn băng rộng, mạng thông tin thế hệ mới (NGN) ra đời là mạng có cơ sở hạ tầng thông tin duy nhất dựa trên công nghệ chuyển mạch gói, triển khai các dịch vụ một cách đa dạng và nhanh chóng, đáp ứng sự hội tụ giữa thoại và số liệu, giữa cố định và di động. Nh− vậy, có thể xem mạng thông tin thế hệ mới là sự tích hợp mạng thoại PSTN, chủ yếu dựa trên kỹ thuật TDM (Time Division Multiplexing), với mạng chuyển mạch gói, dựa trên kỹ thuật IP/ATM. Nó có thể truyền tải tất cả các dịch vụ vốn có của PSTN đồng thời cũng có thể nhập một l−ợng dữ liệu rất lớn vào mạng IP, nhờ đó có thể giảm nhẹ gánh nặng của PSTN. Tuy nhiên, NGN không chỉ đơn thuần là sự hội tụ giữa thoại và dữ liệu mà còn là sự hội tụ giữa truyền dẫn quang và công nghệ gói, giữa mạng cố định và di động. Vấn đề chủ đạo ở đây là làm sao có thể tận dụng hết lợi thế đem đến từ quá trình hội tụ này. Một vấn đề quan trọng khác là sự bùng nổ nhu cầu của ng−ời sử dụng cho một khối l−ợng lớn dịch vụ và ứng dụng phức tạp bao gồm cả đa ph−ơng tiện, phần lớn trong đó là không đ−ợc trù liệu khi xây dựng các hệ thống mạng hiện nay [2]. 3.4.1.2 Đặc điểm mạng NGN Mạng NGN có bốn đặc điểm chính: 1. Nền tảng là hệ thống mạng mở. 2. Mạng NGN là do mạng dịch vụ thúc đẩy, nh−ng dịch vụ phải thực hiện độc lập với mạng l−ới. 3. Mạng NGN là mạng chuyển mạch gói, dựa trên một giao thức thống nhất. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 78 4. Là mạng có dung l−ợng ngày càng tăng, có tính thích ứng cũng ngày càng tăng, có đủ dung l−ợng để đáp ứng nhu cầu [2]. Tr−ớc hết, do áp dụng cơ cấu mở mà: - Các khối chức năng của tổng đài truyền thống chia thành các phần tử mạng độc lập, các phần tử đ−ợc phân theo chức năng t−ơng ứng, và phát triển một cách độc lập. - Giao diện và giao thức giữa các bộ phận phải dựa trên các tiêu chuẩn t−ơng ứng. Việc phân tách làm cho mạng viễn thông vốn có dần dần đi theo h−ớng mới, nhà kinh doanh có thể căn cứ vào nhu cầu dịch vụ để tự tổ hợp các phần tử khi tổ chức mạng l−ới. Việc tiêu chuẩn hóa giao thức giữa các phần tử có thể thực hiện nối thông giữa các mạng có cấu hình khác nhau. Tiếp đến, mạng NGN là mạng dịch vụ thúc đẩy, với đặc điểm của: • Chia tách dịch vụ với điều khiển cuộc gọi. • Chia tách cuộc gọi với truyền tải. Mục tiêu chính của chia tách là làm cho dịch vụ thực sự độc lập với mạng, thực hiện một cách linh hoạt và có hiệu quả việc cung cấp dịch vụ. Thuê bao có thể tự bố trí và xác định đặc tr−ng dịch vụ của mình, không quan tâm đến mạng truyền tải dịch vụ và loại hình đầu cuối. Điều đó làm cho việc cung cấp dịch vụ và ứng dụng có tính linh hoạt cao. Thứ ba, NGN là mạng chuyển mạch gói, giao thức thống nhất. Mạng thông tin hiện nay, dù là mạng viễn thông, mạng máy tính hay mạng truyền hình cáp, đều không thể lấy một trong các mạng đó làm nền tảng để xây dựng cơ sở hạ tầng thông tin. Nh−ng mấy năm gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ IP, ng−ời ta mới nhận thấy rõ ràng là mạng viễn thông, mạng máy tính và mạng truyền hình cáp cuối cùng rồi cũng tích hợp trong một mạng IP Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 79 thống nhất, đó là xu thế lớn mà ng−ời ta th−ờng gọi là “dung hợp ba mạng” [2]. Giao thức IP làm cho các dịch vụ lấy IP làm cơ sở đều có thể thực hiện nối thông các mạng khác nhau; con ng−ời lần đầu tiên có đ−ợc giao thức thống nhất mà ba mạng lớn đều có thể chấp nhận đ−ợc; đặt cơ sở vững chắc về mặt kỹ thuật cho hạ tầng cơ sở thông tin quốc gia. Hình 3.33. Kiến trúc mạng NGN [2] Giao thức IP thực tế đã trở thành giao thức ứng dụng vạn năng và bắt đầu đ−ợc sử dụng làm cơ sở cho các mạng đa dịch vụ, mặc dù hiện tại vẫn còn ở thế bất lợi so với các chuyển mạch kênh về mặt khả năng hỗ trợ l−u l−ợng thoại và cung cấp chất l−ợng dịch vụ đảm bảo cho số liệu. Tốc độ đổi mới nhanh chóng trong thế giới Internet, mà nó đ−ợc tạo điều kiện bởi sự phát triển của các tiêu chuẩn mở sẽ sớm khắc phục những thiếu sót này. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 80 3.4.1.3 Cấu trúc mạng NGN 3.4.1.3.1 Cấu trúc logic Cho đến nay, mạng thế hệ sau vẫn là xu h−ớng phát triển mới mẻ, ch−a có một khuyến nghị chính thức nào của Liên minh Viễn thông thế giới ITU về cấu trúc của nó. Nhiều hãng viễn thông lớn đã đ−a ra mô hình cấu trúc mạng thế hệ mới nh− Alcatel, Ericssion, Nortel, Siemens, Lucent, NEC, … Nhìn chung từ các mô hình này, cấu trúc mạng mới có đặc điểm chung là bao gồm các lớp chức năng: lớp truy nhập và truyền dẫn, lớp truyền thông, lớp điều khiển, lớp ứng dụng (mô tả ở hình 3.34). Hình 3.34. Cấu trúc logic mạng NGN [2] Lớp truyền dẫn - Lớp vật lý: Truyền dẫn quang với kỹ thuật ghép kênh b−ớc sóng quang DWDM sẽ đ−ợc sử dụng. - Lớp 2 và lớp 3: Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 81 + Truyền dẫn trên mạng lõi (Core Network) dựa vào kỹ thuật gói cho tất cả các dịch vụ với chất l−ợng dịch vụ QoS tùy yêu cầu cho từng loại dịch vụ. + ATM hay IP/MPLS có thể đ−ợc sử dụng làm nền cho truyền dẫn trên mạng lõi để đảm bảo QoS. - Chức năng: Lớp truyền tải trong cấu trúc mạng NGN bao gồm cả chức năng truyền dẫn và chức năng chuyển mạch. Lớp truyền dẫn có khả năng hỗ trợ các mức QoS khác nhau cho cùng một dịch vụ và cho các dịch vụ khác nhau. Nó có khả năng l−u trữ lại các sự kiện xảy ra trên mạng (kích th−ớc gói, tốc độ gói, độ trễ, tỷ lệ mất gói và Jitter cho phép, … đối với mạng chuyển mạch gói; băng thông, độ trễ đối với mạng chuyển mạch kênh TDM). Lớp ứng dụng sẽ đ−a ra các yêu cầu về năng lực truyền tải và lớp truyền dẫn sẽ thực hiện các yêu cầu đó. Lớp truy nhập - Lớp vật lý: + Hữu tuyến: Cáp đồng, xDSL hiện đang sử dụng. Tuy nhiên trong t−ơng lai truyền dẫn quang DWDM, PON (Passive Optical Network) sẽ dần dần chiếm −u thế và thị tr−ờng xDSL, modem cáp dần dần thu hẹp lại. + Vô tuyến: thông tin di động - công nghệ GSM hoặc CDMA, truy nhập vô tuyến cố định, vệ tinh. - Lớp 2 và lớp 3: Công nghệ IP sẽ làm nền cho mạng truy nhập. - Chức năng: Lớp truy nhập cung cấp các kết nối giữa thuê bao đầu cuối và mạng đ−ờng trục (thuộc lớp truyền dẫn) qua cổng giao tiếp MGW thích hợp. Mạng NGN kết nối với hầu hết các thiết bị đầu cuối chuẩn và không chuẩn nh− các thiết bị truy xuất đa dịch vụ, điện thoại IP, máy tính PC, tổng đài nội bộ PBX, điện thoại POTS, điện thoại số ISDN, di động vô tuyến, di động vệ tinh, vô tuyến cố định, VoDSL, VoIP, … Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 82 Lớp truyền thông Thiết bị ở lớp truyền thông là các cổng truyền thông (MG– Media Gateway) bao gồm: + Các cổng truy nhập: AG (Access Gateway) kết nối giữa mạng lõi với mạng truy nhập, RG (Residental Gateway) kết nối mạng lõi với mạng thuê bao tại nhà. + Các cổng giao tiếp: TG (Trunking Gateway) kết nối giựa mạng lõi với mạng PSTN/ISDN, WG (Wireless Gateway) kết nối mạng lõi với mạng di động. - Chức năng: Lớp truyền thông có khả năng t−ơng thích các kỹ thuật truy nhập khác với kỹ thuật chuyển mạch gói IP hay ATM ở mạng đ−ờng trục. Lớp này thực hiện chuyển đổi các loại môi tr−ờng (nh− PSTN, FramRelay, LAN, vô tuyến, …) sang môi tr−ờng truyền dẫn gói đ−ợc áp dụng trên mạng lõi và ng−ợc lại. Lớp điều khiển Lớp điều khiển bao gồm các hệ thống điều khiển mà thành phần chính là chuyển mạch mềm (Softswitch) còn gọi là bộ điều khiển cổng truyền thông (Media Gateway Controller) hay Call Agent đ−ợc kết nối với các thành phần khác để kết nối cuộc gọi hay quản lý địa chỉ IP nh−: cổng báo hiệu SGW (Signaling Gateway), máy chủ truyền thông MS (Media Sever), máy chủ đặc tính FS (Feature Server), máy chủ ứng dụng AS (Application Server). - Chức năng: Lớp điều khiển có nhiệm vụ kết nối để cung cấp các dịch vụ thông suốt từ đầu cuối đến đầu cuối với bất kỳ loại giao thức và báo hiệu nào. Cụ thể , lớp điều khiển thực hiện: + Định tuyến l−u l−ợng giữa các khối chuyển mạch. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 83 + Thiết lập yêu cầu, điều chỉnh và thay đổi các kết nối hoặc các luồng, điều khiển sắp xếp nhãn (Label Mapping) giữa các giao diện cổng. + Phân bổ l−u l−ợng và các chỉ tiêu chất l−ợng đối với mỗi kết nối (hay mỗi luồng) và thực hiện giám sát điều khiển để đảm bảo QoS. + Báo hiệu đầu cuối từ các trung kế, các cổng trong kết nối với lớp media. Thống kê và ghi lại các thông số về chi tiết cuộc gọi, đồng thời thực hiện các cảnh báo. + Thu nhận thông tin báo hiệu từ các cổng và chuyển thông tin này đến các thành phần thích hợp trong lớp điều khiển. + Quản lý và bảo d−ỡng hoạt động của các tuyến kết nối thuộc phạm vi điều khiển. Thiết lập và quản lý hoạt động của các luồng yêu cầu đối với chức năng dịch vụ trong mạng. Báo hiệu với các thành phần ngang cấp. Lớp ứng dụng Lớp ứng dụng gồm các nút thực thi dịch vụ SEN (Service Excution Node), thực chất là các server dịch vụ cung cấp các ứng dụng cho khách hàng thông qua lớp truyền tải. - Chức năng: Lớp ứng dụng cung cấp các dịch vụ có băng thông khác nhau và ở nhiều mức độ. Một số loại dịch vụ sẽ thực hiện làm chủ việc điều khiển logic của chúng và truy nhập trực tiếp tới lớp ứng dụng, còn một số dịch vụ khác sẽ đ−ợc điều khiển từ lớp điều khiển nh− dịch vụ thoại truyền thống. Lớp ứng dụng liên kết với lớp điều khiển thông qua các giao diện mở API. Nhờ đó mà các nhà cung cấp dịch vụ có thể phát triển các ứng dụng và triển khai nhanh chóng trên các dịch vụ mạng. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 84 3.4.1.3.2 Cấu trúc vật lý Cấu trúc vật lý của mạng NGN đ−ợc mô tả trên hình 3.35. Trong mạng viễn thông thế hệ mới có rất nhiều thành phần cần quan tâm, nh−ng ở đây ta chỉ đề cập những thành phần chính thể hiện rõ nét sự tiên tiến của NGN so với mạng viễn thông truyền thống. Cụ thể gồm các thành phần [2]: 1. Media Gateway (MG). 2. Media Gateway Controller (MGC - Call Agent - Softswitch). 3. Signaling Gateway (SG). 4. Media Server (MS). 5. Application Server (Feature Server). Hình 3.35. Cấu trúc vật lý mạng NGN [2] Cổng truyền thông - Media Gateway (MG) Media Gateway cung cấp ph−ơng tiện để truyền tải thông tin thoại, dữ liệu, fax và video giữa mạng gói IP và mạng PSTN. Trong mạng PSTN, dữ liệu Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 85 thoại đ−ợc mang trên kênh DS0. Để truyền dữ liệu này vào mạng gói, mẫu thoại cần đ−ợc nén lại và đóng gói. Đặc biệt ở đây ng−ời ta sử dụng một bộ xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processors) thực hiện các chức năng: chuyển đổi AD (Analog to Digital), nén mã thoại/ audio, triệt tiếng dội, bỏ khoảng lặng, mã hóa, tái tạo tính hiệu thoại, truyền các tín hiệu DTMF, … Bộ điều khiển cổng truyền thông - Media Gateway Controller (MGC) MGC là đơn vị chức năng chính của Softswitch. Nó đ−a ra các quy luật xử lý cuộc gọi, còn MG và SG sẽ thực hiện các quy luật đó. Nó điều khiển SG thiết lập và kết thúc cuộc gọi. Ngoài ra nó còn giao tiếp với hệ thống OSS và BSS. Cổng báo hiệu - Signalling Gateway (SG) Signaling Gateway có chức năng t−ơng tác giữa mạng báo hiệu SS7 với mạng IP d−ới sự điều khiển của Media Gateway Controller (MGC). SG làm cho Softswitch giống nh− một nút SS7 trong mạng báo hiệu SS7. Nhiệm vụ của SG là xử lý thông tin báo hiệu. Media Server Media Server là thành phần lựa chọn của Softswitch, đ−ợc sử dụng để xử lý các thông tin đặc biệt. Một Media Server phải hỗ trợ phần cứng DSP với hiệu suất cao nhất. Application Server/Feature Server Server đặc tính là một server ở mức ứng dụng chứa một loạt các dịch vụ của doanh nghiệp. Chính vì vậy nó còn đ−ợc gọi là Server ứng dụng th−ơng mại. Vì hầu hết các Server này tự quản lý các dịch vụ và truyền thông qua mạng IP nên chúng không ràng buộc nhiều với Softswith về việc phân chia hay nhóm các thành phần ứng dụng. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 86 3.4.2 Hệ thống di động 4G trên hạ tầng mạng NGN Trong các hệ thống thông tin di động từ thế hệ 2.5G đến thế hệ 4G, hệ thống mạng lõi đã triển khai công nghệ chuyển mạch gói. Hệ thống mạng lõi của các hệ thống thông tin này dựa trền nền tảng mạng NGN. Dựa theo mô hình tham chiếu của hệ thống di động 4G (hình 3.8), mạng lõi của hệ thống 4G sử dụng công nghệ chuyển mạch gói. Mạng lõi này đ−ợc xây dựng dựa trên nền tảng của mạng NGN hiện tại, nh−ng cần nâng cấp tốc độ và dung l−ợng hệ thống cũng nh− các server ứng dụng để đáp ứng yêu cầu rất lớn về tốc độ, dung l−ợng, dịch vụ của hệ thống di động 4G. Mạng lõi hiện tại sử dụng công nghệ truyền dẫn quang SDH, và công nghệ ghép kênh theo b−ớc sóng WDM. Công nghệ truyền dẫn quang SDH cho phép tạo trên đ−ờng truyền dẫn tốc độc cao (n* 155 Mb/s) với khả năng bảo vệ của các mạch vòng. Công nghệ WDM cho phép sử dụng độ rộng băng tần rất lớn của sợi quang bằng cách kết hợp một số tín hiệu ghép kênh theo thời gian với độ dài các b−ớc sóng khác nhau và ta có thể sử dụng đ−ợc các cửa sổ không gian, thời gian và độ dài b−ớc sóng. Công nghệ WDM cho phép nâng tốc độ truyền dẫn lên 5Gb/s, 10Gb/s và 20Gb/s. Trong hệ thống di động 4G, yêu cầu về tốc độ đạt đ−ợc cho mỗi thiết bị di động là 100Mbps ở môi tr−ờng di động. Nh− vậy để đáp ứng tốc độ cho hành triệu thuê bao thực hiện liên lạc đồng thời thì yêu cầu tốc độ truyền dẫn của mạng lõi lên tới hàng trăm Tbps. Mà tốc độ truyền dẫn của mạng lõi hiện tại sử dụng công nghệ WDM mới chỉ đạt đ−ợc tốc độ cỡ vài chục Gbps (60Gbps là tốc độ truyền dẫn mạng NGN hiện tại của VNPT). Nh− vậy để hệ thống mạng NGN có thể đáp ứng đ−ợc yêu cầu về tốc độ và dung l−ợng cho hệ thống di động 4G, cần nâng cấp tốc độ truyền dẫn của mạng NGN bằng cách đẩy mạnh triển khai công nghệ WDM, hạn chế sử dụng Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 87 công nghệ không đạt đ−ợc tốc độ cao SDH, PDH. Nếu ch−a có công nghệ truyền dẫn quang đạt đ−ợc tốc độ cao hơn công nghệ WDM thì cần triển khai nhiều đ−ờng trục sử dụng WDM. Nh− vậy mạng NGN chính là cơ sở hạ tầng hệ thống cho các hệ thống thông tin di động. Tuy nhiên, tuy theo tốc độ của từng hệ thống thông tin di động mà yêu cầu mạng NGN có tốc độ, dung l−ợng khác nhau. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 88 Ch−ơng 4. triển khai hệ thống di động 4G ở Việt Nam 4.1 Hiện trạng mạng thông tin di động Việt Nam và trên thế giới Hiện nay, ở n−ớc ta có nhiều nhà khai thác thông tin di động: MobiFone và VinaPhone, Viettel, S-Phone, HT Mobile, EVN Telecom. Các hãng mới chỉ triển khai các công nghệ 2.5G (MobiFone, VinaPhone, Viettel) và 3G (S- Phone, HT Mobile, EVN Telecom). Hệ thống 2G tuy có sự tối −u hóa cho các dịch vụ thoại thời gian thực nh−ng chúng có khả năng rất hạn chế trong việc cung cấp các dịch vụ đa ph−ơng tiện băng rộng vì tốc độ hệ thống của các mạng này còn ch−a cao, và màn hình hiển thị nhỏ. Các hệ thống 3G có tốc độ nhanh hơn lên tới 384kb/s (2Mb/s ở môi tr−ờng Indoor) và có màn hình tốt hơn hệ thống 2G. Thông tin truyền qua Internet ngày càng phong phú. Tuy nhiên khả năng của các hệ thống di động 3G không thể đáp ứng đ−ợc nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ đa ph−ơng tiện băng rộng cũng nh− các dịch vụ công cộng (phòng chống thiên tai, chăm sóc sức khỏe y tế công cộng, các dịch vụ yêu cầu tốc độ cao và hệ thống l−u trữ dung l−ợng lớn ...). Điều này đặt ra là phải có một hệ thống thông tin mới có khả năng đáp ứng đ−ợc nhu cầu về đa ph−ơng tiện cũng nh− các dịch vụ công cộng. Hiện nay, 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 từ giữa năm 2006. 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. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 89 Trong khi đó việc triển khai hệ thống 3.5G tại n−ớc ta vẫn còn nằm trong kế hoạch lâu dài. Nh− vậy, mặc dù tốc độ tăng tr−ởng về viễn thông, thông tin di động ở Việt Nam những năm gần đây rất nhanh, nh−ng nền tảng công nghệ và dịch vụ còn thấp so với thế giới cho dù nhu cầu về sử dụng dịch vụ đa ph−ơng tiện, các dịch vụ công cộng ngày càng tăng. 4.2 Đề xuất giải pháp triển khai hệ thống 4G ở n−ớc ta Khi thực hiện triển khai hệ thống thông tin di động mới, các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông có hai ph−ơng án để triển khai. Ph−ơng án thứ nhất là triển khai hệ thống mới hoàn toàn. Với ph−ơng án này thì chi phí đầu t− là rất lớn và khả năng rủi ro cao. Đặc biệt trong giai đoạn đầu, số l−ợng thuê bao sử dụng dịch vụ mới là rất ít, dẫn tới lãng phí tài nguyên hệ thống. Do đó các nhà cung cấp th−ờng triển khai hệ thống mới theo ph−ơng án thứ hai. Đó là triển khai trên cơ sở hạ tầng mạng sẵn có, tận dụng tối đa mọi cơ sở vật chất, thiết bị của hệ thống mạng hiện tại. Hiện tại, hệ thống mạng của các nhà cung cấp MobiPhone, VinaPhone đã triển khai đến hệ thống 2.5G (GPRS), và đ−a vào khai thác các dịch vụ trên nền GPRS. Còn các nhà cung cấp khác: S-Phone, HT Mobile, EVN Telecom đang khai thác các dịch vụ trên nền 3G (sử dụng công nghệ CDMA2000 1xEV-DO). Hệ thống mạng lõi của các hệ thống đã đ−ợc nâng cấp lên mạng thế hệ sau NGN (Next Genaration Network) và mạng backhaul đã sử dụng công nghệ dựa trên nền IP. Nh− vậy khi nâng cấp lên hệ thống 4G, các nhà cung cấp có thể sử dụng lại hệ thống mạng lõi và mạng backhaul, các trung tâm dịch vụ di động (MSC: Mobile Service Center). Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 90 Sniffer Server monitoring/analysis Sniffer Server monitoring/analysis Sniffer Server monitoring/analysis Sniffer Server monitoring/analysis Hình 4.1. Cấu trúc mạng di động 3G [1] Hình 4.2. Cấu trúc mạng di động 3G-WCDMA [3] Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 91 Hình 4.3. Mô hình hệ thống 4G Hình 4.1 và hình 4.2 minh họa kiến trúc của hệ thống 3G, mà các nhà cung cấp dịch vụ ở n−ớc ta sử dụng để tham chiếu cho việc triển khai hệ thống mạng di động của mình. Hình 4.3 minh họa mô hình hệ thống 4G. Dựa theo tình hình các mạng di động của các hãng viễn thông, và mô hình hệ thống 4G, h−ớng triển khai cho từng phần của hệ thống di động 4G đ−ợc đề xuất nh− sau: Phần mạng lõi: hầu hết mạng NGN của các nhà cung cấp dịch vụ hiện đều cho tốc độ từ 5Gbps đến 10Gbps, với yêu cầu về tốc độ của hệ thống di động 4G thì cần phải nâng cấp dung l−ợng cho hệ thống mạng lõi hiện tại. Hệ thống di động 4G dự kiến có tốc độ 100Mbps ở môi tr−ờng ngoài trời (outdoor), 2Gbps ở môi tr−ờng trong nhà. Gần đây vào tháng 1 năm 2007, hãng NTT DoCoMo của Nhật đã thử nghiệm và kết quả là đạt đ−ợc tốc độ 5Gbps ở môi tr−ờng Indoor. Do đó, yêu cầu về tốc độ của mạng truyền dẫn là rất lớn, trong đó mạng lõi có thể yêu cầu tốc độ lên tới Tbps tùy theo l−ợng thuê bao tham gia sử dụng dịch vụ. Với tốc độ nh− vậy, yêu cầu các nhà sản xuất thiết bị (router), ph−ơng thức điều chế tín hiệu truyền trên cáp sợi quang cho mạng NGN cần phải đ−ợc cải tiến. Ngoài vấn đề nâng cấp về tốc độ và Mạng IP Cell trong nhà Cell di động Cell ngoài trời Nối với mạng khỏc (Internet, ...) Mạng truy nhập khỏc Mạng truy nhập khỏc AR : bộ định tuyến truy nhập 4G-AP : điểm truy nhập vụ tuyến 4G MR : bộ định tuyến di động Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 92 dung l−ợng, các nhà cung cấp còn phải xây dựng các dịch vụ: xây dựng phần mềm cho các máy chủ dịch vụ, cơ sở dữ liệu, phần mềm trên máy đầu cuối ... Hệ thống truyền dẫn từ trung tâm dịch vụ di động (MSC) tới các BSC (bộ điều khiển trạm gốc), và từ BSC đến trạm thu phát gốc (BTS) hiện đang sử dụng các đ−ờng E1 (1E1 hoặc 3E1) cũng cần nâng cấp lên các đ−ờng có tốc độ 1Tbps. Các nhà cung cấp cũng có thể sử dụng lại các thiết bị MSC (trung tâm dịch vụ di động), HLR (thanh ghi vị trí th−ờng trú), SMS-SC (trung tâm dịch vụ tin nhắn SMS), nh−ng cần nâng cấp phần mềm để hỗ trợ số l−ợng lớn các thiết bị 4G. Hệ thống 4G sử dụng địa chỉ IPv6 để quản lý, giám sát, liên lạc với thiết bị do đó cần nâng cấp phần mềm để thích ứng với hệ thống IPv6. Phần mạng truy cập vô tuyến: hệ thống di động 4G sử dụng công nghệ ở giao diện vô tuyến OFDMA, kỹ thuật điều chế tín hiệu 64QAM, và sử dụng ăngten MIMO trong khi đó hệ thống di động 3G hiện tại sử dụng kỹ thuật truy cập CDMA, kỹ thuật điều chế 8-PSK nên không thể sử dụng lại trạm thu phát gốc. Còn với các hệ thống 2G/2.5G sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số FDMA. Do đó, tại BTS cần đặt thiết bị thu phát riêng cho hệ thống 4G, sử dụng ăngten MIMO độc lập không dùng chung với ăngten của mạng CDMA2000. Về vấn đề quy hoạch mạng vô tuyến, quy hoạch vị trí đặt các đài trạm BTS, các nhà cung cấp có thể sử dụng lại vị trí đặt đài trạm, đặt các tủ máy 4G cùng với tủ máy của hệ thống hiện tại và có thể tiết kiệm đ−ợc đài trạm. Tuy nhiên, các hệ thống 3G – CDMA20001xEV-DO sử dụng băng tần 450MHz thấp hơn nhiều so với băng tần 2,5GHz của hệ thống 4G. Do đó, vùng phủ của đài trạm mạng 4G nhỏ hơn so với vùng phủ đài trạm của hệ thống 3G. ở khu vực thành phố, mật độ đài trạm cao nên số l−ợng BTS bổ sung là không lớn, nh−ng ở khu vực nông thôn, khu vực đ−ờng cao tốc cần bổ sung nhiều đài trạm để đảm bảo phạm vi phủ sóng là rộng khắp. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 93 Kết luận Kết quả đạt đ−ợc của luận văn Luận văn đã trình bày toàn cảnh các dịch vụ cũng nh− những lợi ích mà hệ thống thông tin di động 4G đạt đ−ợc để phục vụ cuộc sống của con ng−ời. Đồng thời luận văn cũng trình bày về các dịch vụ mà hệ thống di động 4G cung cấp: th−ơng mại di động, định vị/ chỉ dẫn, đặt hàng di động, chăm sóc sức khỏe, y tế cộng đồng ..., và chúng phục vụ, thay đổi lối sống của con ng−ời nh− thế nào. Những vấn đề kỹ thuật khi xây dựng nền tảng dịch vụ và cơ sở hạ tầng hệ thống cũng đ−ợc tác giả nghiên cứu và trình bày trong luận văn. Những công nghệ then chốt để hệ thống 4G đạt đ−ợc dung l−ợng lớn, tốc độ cao, sự bảo mật: kỹ thuật ăngten MIMO, OFCDM, chứng thực dựa trên sinh trắc học ... Trong luận văn, tác giả trình bày bốn miền của mô hình tham chiếu hệ thống 4G: miền ứng dụng và dịch vụ, miền nền tảng dịch vụ, miền mạng lõi chuyển mạch gói, miền truy cập vô tuyến mới. Ngoài ra, các đặc điểm và cấu trúc mạng NGN cũng đ−ợc trình bày vì mạng NGN là cơ sở hạ tầng cho các hệ thống thông tin viễn thông nói chung và các hệ thống di động nói riêng. Từ đó tác giả trình bày về hệ thống di động trên cơ sở hạ tầng mạng NGN. Cuối cùng tác giả trình bày về hiện trạng hệ thống mạng di động ở Việt Nam và có đề xuất h−ớng triển khai hệ thống 4G dựa trên nền tảng cơ sở hạ tầng hiện có của các nhà cung cấp dịch vụ. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 94 H−ớng phát triển của đề tài Tác giả đề xuất một số h−ớng nghiên cứu của luận văn: ắ Nghiên cứu kỹ thuật đa sóng mang CDMA (MC-CDMA, hay OFCMD) và ứng dụng kỹ thuật MC-CDMA ở mạng truy cập vô tuyến của hệ thống di động 4G. ắ Nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh tiên tiến (MIMO). ắ Nghiên cứu hệ thống quản lý ID và thông tin ng−ời dùng trong 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 95 Tài liệu tham khảo [1] TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Thông tin di động thế hệ ba”, Học Viện Công Nghệ B−u Chính Viễn Thông, 2002. [2] TS. Nguyền Quý Minh Hiền, “Mạng viễn thông thế hệ sau (NGN)”, Viện Khoa Học Kỹ Thuật B−u Điện, 2001. [3] Đề tài: “Xây dựng cấu trúc tổ chức mạng thế hệ sau (NGN) của Tổng công ty B−u chính Viễn thông Việt Nam”, Mã số: 001-2001-TCT-R-VT-01. Chủ đề tài: TS. Nguyền Quý Minh Hiền, Viện Khoa Học Kỹ Thuật B−u Điện. [4] Harri Holma and Anti Toskala, “W-CDMA for UMTS”, John Wiley & Sons, 2000. [5] Dr. William C.Y.Lee, “Mobile Communication Design Fundamental”, John Wiley & Sons, 1996. [6] Luis Correia, “Mobile Broadband Multimedia Networks”, Elsevier, 2006 [7] Shinsuke Hara and Ramjee Prasad, “Multicarrier Techniques for 4G Mobile Communications”, Artech House, 2003 [8] “Towards the 4G Mobile Communications Systems”, 4G Mobile Communications Committee, 2005 [9] “4G Technical Survey Report – System Infrastructure”, 4G Mobile Communications Committee, 2006 [10] “4G Technical Survey Report – Service Platform”, 4G Mobile Communications Committee, 2006 Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 96 Tóm tắt luận văn Luận văn trình bày sơ l−ợc về lịch sử cũng nh− xu thế phát triển của thông tin di động. Và sau đó tổng kết quá trình phát triển của thông tin di động từ thế hệ thứ nhất đến thế hệ thứ t−. Phần tiếp theo, luận văn trình bày toàn cảnh các dịch vụ cũng nh− những lợi ích mà hệ thống thông tin di động 4G đạt đ−ợc để phục vụ cuộc sống của con ng−ời. Đồng thời luận văn cũng trình bày về các dịch vụ mà hệ thống di động 4G cung cấp: th−ơng mại di động, định vị/ chỉ dẫn, đặt hàng di động, chăm sóc sức khỏe, y tế cộng đồng ..., và chúng phục vụ, thay đổi lối sống của con ng−ời nh− thế nào. Những vấn đề kỹ thuật khi xây dựng nền tảng dịch vụ và cơ sở hạ tầng hệ thống cũng đ−ợc tác giả nghiên cứu và trình bày trong luận văn. Những công nghệ then chốt để hệ thống 4G đạt đ−ợc dung l−ợng lớn, tốc độ cao, sự bảo mật: kỹ thuật ăngten MIMO, OFCDM, chứng thực dựa trên sinh trắc học ... Trong luận văn, tác giả trình bày bốn miền của mô hình tham chiếu hệ thống 4G: miền ứng dụng và dịch vụ, miền nền tảng dịch vụ, miền mạng lõi chuyển mạch gói, miền truy cập vô tuyến mới. Ngoài ra, các đặc điểm và cấu trúc mạng NGN cũng đ−ợc trình bày vì mạng NGN là cơ sở hạ tầng cho các hệ thống thông tin viễn thông nói chung và các hệ thống di động nói riêng. Từ đó tác giả trình bày về hệ thống di động trên cơ sở hạ tầng mạng NGN. Cuối cùng tác giả trình bày về hiện trạng hệ thống mạng di động ở Việt Nam và có đề xuất h−ớng triển khai hệ thống 4G dựa trên nền tảng cơ sở hạ tầng hiện có của các nhà cung cấp dịch vụ. ._.