Lộ trình phát triển dài hạn của thông tin di động từ 3g lên 4g

con. Vì thế, khi truyền tốc độ ký hiệu lớn và bị ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số, tín hiệu cần được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song trước khi trải phổ trong miền tần số. Cấu trúc cơ bản của một máy phát OFDM-CDMA tương tự với máy phát OFDM. Điểm khác nhau chính là OFDM-CDMA truyền cùng một ký hiệu qua các sóng mang con khác nhau, trong khi OFDM truyền các ký hiệu khác nhau qua các sóng mang con khác nhau. Hình 2.1 mô tả mô hình hệ thống thu phát thông tin di động OFDM-CDMA cho người dùng thứ j sử dụng điều chế OFDM. Chuỗi thông tin ngỏ vào đầu tiên được chuyển thành P chuỗi dữ liệu song song (a j,0(i), a j,1(i), ..., aP−1(i )) và mỗi ngỏ ra của bộ chuyển đổi nối tiếp/song song được nhân với mã trải phổ định dạng kênh dj(m) với chiều dài LS= K MC . Sau đó P chuỗi dữ liệu song song được chuyển lại thành một chuỗi dữ liệu nối tiếp, chuỗi nối tiếp này lại được nhân với mã trải phổ ngẫu nhiên cj(m) có chiều dài (LL) lớn hơn nhiều so với K MC . Dữ liệu trải phổ được ánh xạ vào KMC sóng mang con thông qua KMC điểm IFFT, cuối cùng khoảng bảo vệ ∆G được chèn giữa các ký hiệu OFDM để khắc phục ISI trên kênh fading đa đường. Dạng tín hiệu phát băng gốc phức tương đương được viết lại như sau: trong đó dj(m) và cj(m) được chuẩn hóa như sau: Hơn nữa, từ (2.2) đến (2.3), T′s là chu kỳ ký hiệu, ∆f ′ là khoảng cách giữa hai sóng mang con liên tiếp và ps(t) là dạng xung tam giác được định nghĩa như sau: Băng thông của tín hiệu phát được viết lại như sau: (2.1) (2.2) (2.3) (2.4) (2.5) (2.6) Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 41 trong đó γ là hệ số mở rộng băng thông kết hợp với việc chèn khoảng bảo vệ. c) Phân tích quá trình xử lý tín hiệu trong máy thu tín hiệu trải phổ đa song mang MC- CDMA: Hình 2.1 chỉ ra máy thu OFDM-CDMA, dạng sóng tín hiệu thu cho người dùng thứ j′ được viết lại như sau: trong đó zm, p, j(t) là đường bao phức thu được tại sóng mang thứ (Pm + p) của người dùng thứ j. Tín hiệu thu được đầu tiên được đưa qua bộ biến đổi FFT PKMC điểm. Sau khi giải trải phổ với các mã dài và mã ngắn, các thành phần sóng mang con thứ m được nhân vớiG j′ (m) để kết hợp năng lượng của tín hiệu thu bị tán xạ trong miền tần số. Biến quyết định cho người dùng thứ j tại t=iTs được viết lại như sau: trong đó yp′, i(m ) và nm, p’ (iT′s) tương ứng là thành phần băng gốc phức của tín hiệu thu và nhiễu Gaussian phức tại sóng mang con (Pm + p′) tại thời điểm t = iT′s . Trong thông tin di động OFDM-CDMA thường sử dụng kỹ thuật kết hợp (combining) ở đường xuống và kỹ thuật dò tín hiệu đa người dùng (multiuser detection) ở đường lên.Trên đường truyền sóng hướng xuống các mẩu tín hiệu gần như cân bằng nhau tức là: (z m, p’,1 = z m, p’,2 =…= z m, p’,J= z m, p ′ ) , kỹ thuật kết hợp trực giao ORC (Orthogonality Restoring Combining) cho phép chọn được độ lợi tín hiệu như công thức sau: vì thế máy thu có thể loại bỏ được nhiễu đa truy nhập MAI (Multiple Access Interference) nên các biến dữ liệu thu sẽ được viết lại như công thức sau: (2.7) (2.8) (2.9) (2.10) (2.11) (2.12) Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 42 Trong (2.12), các sóng mang con mức thấp được nhân với các tín hiệu có độ lợi cao và các thành phần nhiễu được khuếch đại tại các sóng mang con có mức yếu hơn do đó cải thiện được gía trị BER. Kỹ thuật cân bằng độ lợi EGC (Equaler Gain Combining) sẽ chọn độ lợi tín hiệu như công thức sau: Kỹ thuật chọn tỉ số cực đại MRC (Maximum Ratio Combining) là chọn tỉ số độ lợi như công thức sau: Cuối cùng, cần áp dụng bài toán để chọn gía trị cực tiểu lỗi bình phương trung bình MSE (Mean Square Error) được cho bởi: Theo nguyên lý trực giao, lỗi phải trực giao với tất cả các thành phần băng gốc của các sóng mang con thu được là: Từ đáp số ở (2.15), độ lợi của kỹ thuật MMSEC (Minumum Mean Square Error Combining) được chọn như sau: Chú ý rằng, ở đường xuống, đối với ןz m, p’ן nhỏ, độ lợi sẽ nhỏ để tránh khuếch đại nhiễu quá mức. Ngược lại, đối với ןz m, p’ן lớn, độ lợi sẽ tỉ lệ với nghịch đảo của đường bao sóng mang con z* m, p ′ /ןz m, p’ן2 để khôi phục tính trực giao giữa các người dùng. Biến quyết định ký hiệu phát cho hệ thống DS-CDMA và hệ thống OFDM-CDMA (2.9). Hai phương trình này cho ta thấy thêm một ưu điểm nữa của hệ thống OFDM-CDMA. Đó là, đối với việc quyết định ký hiệu, hệ thống DS-CDMA đòi hỏi cần phải sử dụng một phép tính tích chập rất phức tạp, trong khi đó hệ thống OFDM-CDMA chỉ yêu cầu một phép nhân thông thường, đây chính là một bộ cân bằng cấp một (one-tap)cho mỗi sóng mang con. Điều này cũng chứng tỏ, biến đổi Fourier tích chập của hai hàm trong miền thời gian sẽ cho ra phép nhân hai hàm trong miền tần số. Các kỹ thuật dò tín hiệu đa người dùng ở đường lên để chọn tín hiệu được đơn giản mà không làm mất tính tổng quát, chúng ta sẽ bỏ đi các chỉ số dưới i và p′ trong (2.15).Kỹ thuật dò tín hiệu đa người dùng tuyến tính (Linear multiuser detection) sử dụng một phép tổng tuyến tính các sóng thu được, được định nghĩa như sau: trong đó wj ′ là vector trọng số (K MC ×1) cho user thứ j′ được xác định như sau: và y là vector sóng thu được (K MC ×1) . Đối với một đường lên OFDM-CDMA cận đồng bộ, y là vector hệ số Fourier (K MC ×1) được định nghĩa như sau: (2.13) (2.14) (2.15) (2.16) (2.17) (2.18) (2.19) (2.20) Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 43 Để viết lại phương trình (2.20) dưới dạng vector, ta định nghĩa vector mã trải phổ bị méo dạng(K MC ×1) cho user thứ j, vector symbol phát (J ×1) và vector nhiễu (K MC ×1) như công thức sau: hơn nữa, ta định nghĩa ma trận mã trải phổ bị méo dạng (K MC ×1) như sau: D =[ d1,…, dJ] (2.24) Sử dụng (2.22) ,(2.23),(2.24), công thức (2.20) có thể được viết lại như sau: y = Da + n (2.25) Tín hiệu thu có thể được giải trải phổ với các mã trải phổ bị méo dạng: DH y = DH Da + DH n (2.26) Tuy nhiên, DHD trong (2.26) không thể là ma trân đơn vị (J × J ) vì tính trực giao giữa các mã trải phổ bị mất khi đi qua kênh fading lựa chọn tần số. Kỹ thuật giải tương quan (Decorelating Multiuser Detection) loại bỏ tương quan chéo giữa các mã trải phổ bằng cách nhân (2.26) với (DHD)-1: (DHD)−1DH y = a + (DHD)−1DH n (2.27) Vì thế véc-tơ trọng số của kỹ thuật giải tương quan cho user thứ j′ là: trong đó [A] j ′, j là phần tử ( j′, j) của ma trân A. Mặc khác, kỹ thuật MMSE cực tiểu hóa lỗi bình phương trung bình: Lỗi bình phương trung bình có thể được viết lại như sau: trong đó E [a j ′ y ] = d j ′ và Y =1/2 E [yyH ] là ma trận tương quan của vector sóng thu được. (2.21) (2.22) (2.23) (2.28) (2.28) (2.29) Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 44 d) Mô hình kênh truyền OFDM-CDMA đa người dùng: Hình 2.2. Sơ đồ mô hình hệ thống kênh truyền OFDM-DS-CDMA đa người dùng Nguồn dữ liệu K người dùng được hình thành từ bộ chia luồng dữ liệu vào từ 1 đường sang K đường ký hiệu là 1:K. Trong mô hình kênh OFDM-DS-CDMA thì bộ điều chế tín hiệu trải phổ trực tiếp ngẫu nhiên DS-CDMA cũng sử dụng lọai điều chế MQAM hoặc điều chế MPSK, sóng mang sử dụng là 256; 512 FFT. e) Mô hình hệ thống OFDM-DS-CDMA đa người dùng có sử dụng bộ ghép kênh tuần tự (MUX) các luồng tín hiệu trải phổ thành phần: Mô hình hệ thống kênh truyền tín hiệu OFDM-DS-CDMA đa người dùng có sử dụng bộ ghép kênh tuần tự các luồng tín hiệu trải phổ thành phần như hình 2.3, trong đó ở phần phát có sử dụng bộ ghép kênh tuần tự MUX, ở phần thu sử dụng bộ phân chia kênh tuần tự (DEMUX). Nguồn dữ liệu K người dùng được hình thành từ bộ chia. Tín hiệu sau khi trải phổ được điều chế với sóng mang theo phương thức điều chế MQAM hoặc điều chế MPSK, sóng mang sử dụng là 256, 512 FFT. Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 45 Hình 2.3. Sơ đồ mô hình kênh truyền OFDM-DS-CDMA đa người dùng có sử dụng bộ ghép kênh tuần tự. Tóm Lại: Mô hình kênh truyền OFDM-DS-CDMA có sử dụng bộ ghép kênh tuần tự các luồng tín hiệu trải phổ thành phần của các kênh người dùng, cho phép tín hiệu trải phổ của K người dùng được trải rộng trên toàn băng thông kênh truyền, nâng cao hệ số trải phổ lên N lần (N là số đường ra của bộ S/P). Bộ ghép kênh tuần tự có N ngõ vào, tương đương với hệ thống có N băng thông con thành phần. Để đơn giản thì chọn số kênh người dùng K=N. Khi sử dụng bộ ghép kênh tuần tự thì N luồng dữ liệu thành phần của N kênh người dùng sau bộ S/P sẽ được ghép lại theo tuần tự thành một luồng dữ liệu chung để trải phổ trên từng băng thông con thành phần. Như vậy N luồng dữ liệu của mỗi kênh được lần lượt trải phổ trên toàn băng thông kênh truyền, độ lợi trải phổ tăng lên, tăng chất lượng truyền dẫn tín hiệu. kênh OFDM-DS-CDMA là mô hình rất phù hợp để tiếp tục nghiên cứu lựa chọn ứng dụng cho các hệ thống thông tin di động CDMA băng rộng thế hệ sau. Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 46 1.2.3 Hệ thống MC-CDMA: Hình 2.4 :Hệ thống MC-CDMA Hình 2.4.a, minh họa trên truyền tín hiệu của người sử dụng thứ j . Chuỗi thông tin đưa vào tuần tự nối tiếp được chuyển sang chuỗi tuần tự song song và mỗi ngõ ra nối tiếp/song song được nhân với mã trải phổ ngắn dj(m) với chiều dài là KMC. P chuỗi dữ liệu song song đưa ra được chuyển đổi ngược lại thành chuỗi tuần tự nối tiếp và kết quả chuỗi dữ liệu được nhân một lần nữa với mã trải phổ dài cj(m) với chiều dài lớn hơn KMC. Chuỗi dữ liệu được trải phổ được ánh xạ với PKMC sóng mang con với PKMC – điểm IDFT, và chèn thêm các xung tín hiệu bảo vệ TG vào giữa dữ liệu OFDM để tránh nhiễu ISI, làm xuất hiện nhiễu nhiều hướng. Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 47 Khi sử dụng bộ ghép chồng phổ của (PxKMC) kênh người dùng, thu được kết quả năng lượng trải phổ của tín hiệu K người dùng. Không có thay đổi sự xuất hiện phổ ở trong phổ của tín hiệu người dùng nhưng phổ của dữ liệu được ánh xạ tổng cộng đến KMC sóng mang con. 1.3 KỸ THUẬT MIMO-OFDM: 1.3.1 Giới thiệu: Trong hệ thống anten MIMO (đa đầu vào, đa đầu ra), dòng số liệu từ một thiết bị đầu cuối được tách thành n dòng số liệu riêng biệt có tốc độ thấp hơn (N là số anten phát). Mỗi dòng số liệu này sẽ được điều chế vào các symbol (tín hiệu) của các kênh truyền. Các dòng số liệu lúc này có tốc độ chỉ bằng 1/N tốc độ dòng số liệu ban đầu, được phát đồng thời, vì vậy, về mặt lý thuyết, hiệu suất phổ tần được tăng lên gấp N lần. Các tín hiệu được phát đồng thời qua kênh vô tuyến trên cùng một phổ tần và được thu bởi M anten của hệ thống thu. Mô tả cấu trúc của hệ thống thông tin vô tuyến MIMO. Hệ thống MIMO có hiệu suất sử dụng phổ tần cao bởi hệ thống có thể làm việc được trong môi trường phân tán. Tín hiệu từ các anten phát hoàn toàn khác biệt nhau tại vị trí của các anten thu. Khi truyền qua các kênh không tương quan giữa hệ thống phát và thu, tín hiệu từ mõi anten phát tại vị trí thu có sự khác nhau về tham số không gian. Hệ thống máy thu có thể sử dụng sự khác biệt này để tách các tín hiệu có cùng tần số được phát đồng thời từ các anten khác nhau. Hình 3.1:Hệ thống anten MIMO có thể làm tăng đáng kể dung lượng của hệ thống vô tuyến 4G Ngoài các ảnh hưởng do suy hao, can nhiễu, tín hiệu khi truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, … và gây ra hiện tượng fading đa đường. Điều đó dẫn đến tín hiệu nhận được tại bộ thu sẽ yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát, làm giảm đáng kể chất lượng truyền thông. Các fading khá phổ biến trong thông tin vô tuyến là fading Rayleigh và fading Ricean .Những nghiên cứu gần đây cho thấy, sự kết hợp phương pháp điều chế OFDM vào hệ thống MIMO cho phép cải thiện đáng kể những ảnh hưởng fading từ môi trường truyền, cho phép nâng cao chất lượng và dung lượng truyền thông. MIMO là hệ thống sử dụng các dãy anten ở cả hai đầu kênh truyền với nhiều anten cho phía thu và nhiều anten cho phía phát . 1.3.2.Những khái niệm cơ bản công nghệ anten thông minh: Nguyên tắc cơ bản của các anten thông minh được sử dụng để điều khiển và giảm nhiễu hệ thống. Thông thường, nguyên tắc này được thực hiện bằng cách sử dụng các búp hẹp tại các vị trí trạm gốc, trên cả hai hướng lên và xuống. Một hệ thống anten thông minh kết hợp nhiều phần tử anten có khả năng xử lý tín hiệu để tối ưu hóa mô hình bức xạ của nó và/hoặc mô hình thu để đáp ứng môi trường tín hiệu. Các mô hình phát và thu được tự động cập nhật khi thuê bao dịch chuyển qua ô (cell) hoặc khi các điều kiện tín hiệu thay đổi. Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 48 Mục tiêu của hệ thống anten thông minh là cung cấp cho người dùng tín hiệu của đường lên và đường xuống với chất lượng cao nhất. Các anten thông minh dùng một mạng các phần tử anten, được nối với một mạng kết hợp hoặc tương tự hoặc số. Quy mô của mạng và số lượng các phần tử quyết định độ tăng ích tối đa và độ rộng búp tối thiểu của mạng anten.Một sự cân bằng phải đạt được giữa quy mô của mạng anten và độ tăng ích của anten, và với chỉ tiêu búp bên của anten ở mức độ nhỏ hơn.Các anten thông minh tạo thành các búp bằng cách điều chỉnh các biên độ và các pha của các tín hiệu được thu từ mỗi một phần tử anten cho, khi được cộng vào với nhau, chúng sẽ tạo thành búp như mong muốn. Quá trình này đựơc gọi là sự tạo búp. Các bộ tạo búp có thể tạo thành đủ loại búp: các búp được quét, đa búp, các búp được tạo dạng, và các búp với những số không điều chỉnh hướng. Trong các hệ thống anten thông minh, các hệ thống búp sóng và các hệ thống thích ứng là hai loại hệ thống quan trọng nhất. Anten chuyển búp (beam): bao gồm một số các loại beam cố định được định dạng để tăng độ nhạy ở một hướng xác định. Hệ thống này do cường độ tín hiệu để chọn một beam thích hợp nhất tại thời điểm nhận tín hiệu để phục vụ và nó sẽ chuyển từ beam này sang beam khác khi máy mobile di chuyển vị trí trong sector. Thay vì định dạng các búp sóng bằng cách thay đổi cấu trúc vật lý các chấn tử như kiểu anten định hướng, anten chuyển beam kết hợp đầu ra của nhiều anten một cách đặc biệt nhằm đạt được sự sector hoá chùm beam một cách tinh vi và linh hoạt hơn nhiều. Anten thích nghi: là loại anten thông minh nhất cho đến nay. Bằng cách sử dụng nhiều thuật toán xử lý tín hiệu mới, nó có khả năng vượt trội hơn hẳn trong việc định vị, theo dõi và xử lý các loại tín hiệu nhằm giảm thiểu độ xuyên lẫn cũng như tăng tối đa cường độ tín hiệu nhận.Mặc dù cả anten chuyển beam và anten thích nghi đều cố gắng tăng độ tăng ích, tuy nhiên chỉ có anten thích nghi là có thể cho một độ tăng ích tối ưu cùng với việc định vị, theo dõi và giảm thiểu xuyên lẫn. 1.3.3 Cấu trúc các hệ thống anten thông minh: Nguyên lý làm việc của các anten thông minh là từ động điều chỉnh nhằm hướng beam cực đại về phía người dùng mong muốn đồng thời cố gắng loại bỏ các xuyên lẫn và nhiễu từ bên búp sóng chính. Ở đường lên cả anten chuyển beam và anten thích nghi đều đo đạc cường độ các tín hiệu nhận được từ ma trận anten và thực hiện điều chỉnh phức tạp về biên độ cũng như các pha tín hiệu. Điều này cho phép chúng thay đổi đặc tuyến làm việc để tối ưu hoá tín hiệu nhận được.Sự khác nhau cơ bản của anten chuyển beam và anten thích nghi thể hiện ở việc truyền tín hiệu ở đường xuống. Anten chuyển beam dựa vào cường độ tín hiệu để lựa chọn beam thích hợp nhằm cải thiện liên lạc với người dùng cuối. Ngược lại, anten thích nghi cố gắng tìm hiểu sâu hơn môi trường cao tần (RF) và thực hiện việc điều chỉnh liên tục đặc tuyến phát xạ của anten để truyền tín hiệu một cách hiệu quả hơn. a) Anten chuyển beam: Về mặt đặc tuyến bức xạ, anten chuyển beam chính là sự mở rộng của phương pháp sector hóa nhằm chia nhỏ các ô. Anten chuyển beam chia các macrosector thành các microsector nhằm cải thiện phạm vi phủ sóng và dung lượng. Mỗi microsector có chứa một beam cố định với độ nhạy được tập trung tối đa tại vùng trung tâm của beam và tối thiểu ở các vùng khác. Tuỳ theo số beam mà độ rộng mỗi beam có thể là 20, 30 hoặc thậm chí nhỏ hơn. Thiết kế này đòi hỏi các chấn tử phải có độ tăng ích cao và chùm beam hẹp.Tại mỗi thời điểm làm việc, anten chuyển beam chọn trong số các beam cố định một beam có cường độ tín hiệu lớn nhất cho người dùng mong muốn.Việc lựa chọn này được điều khiển bởi các tín hiệu cao tần (RF) hoặc bởi các thiết bị phần cứng và phần mềm xử lý số. Khi một người dùng đi vào một macrosector, anten chuyển Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 49 beam sẽ chọn microsector có tín hiệu lớn nhất để phục vụ người dùng đó. Trong suốt cuộc gọi thì hệ thống sẽ kiểm tra cường độ tín hiệu và thực hiện việc chuyển sang beam khác khi cần thiết. b) Anten thích nghi: Nếu anten chuyển beam dựa vào cường độ tín hiệu tại mỗi thời điểm để chọn một beam thích hợp thì anten thích nghi lại dùng các dữ liệu môi trường vô tuyến (RF) để tối ưu hoá kết nối với người dùng. Đặc tuyến phát xạ của anten thích nghi được điều chỉnh liên tục theo sự thay đổi của môi trường vô tuyến nhằm đảm bảo cho hoạt động của hệ thống là tối ưu. Anten thích nghi sử dụng kỹ thuật xử lý số để phân biệt tín hiệu mong muốn, tín hiệu do hiệu ứng đa đường và nguồn xuyên nhiễu, đồng thời tính toán xác định hướng xuất phát của các thành phần này. Nó liên tục điều chỉnh đặc tuyến làm việc dựa vào sự thay đổi vị trí cũng như cường độ của cả tín hiệu lẫn xuyên nhiễu. Sự thay đổi liên tục như thế đảm bảo cho búp sóng lúc nào cũng hướng về phía tốt nhất, điều này làm cho anten thích nghi vượt trội hơn hẳn anten chuyển beam về mặt chất lượng hoạt động (sự thay đổi beam trong anten chuyển beam là không liên tục). c) So sánh anten chuyển beam và anten thích nghi: Sự tích hợp anten chuyển beam được thiết kế và sử dụng rộng rãi trong thông tin di động tổ ong như là một thiết bị công nghệ thông minh được thêm vào để cải thiện khả năng hoạt đông của hệ thống. Trong khi đó anten thích nghi dù có nhiều ưu điểm vượt trội so với anten chuyển beam nhưng đòi hỏi được triển khai như là một hệ thống tích hợp mới hoàn toàn. Vùng phủ sóng: tuỳ theo môi trường vô tuyến và các phần cứng/ phần mềm sử dụng mà công nghệ chuyển beam có thể tăng phạm vi hoạt động của trạm gốc lên từ 20 đến 200% so với công nghệ sector hóa thông thường. Việc tăng vùng phủ sóng cũng có nghĩa là giảm chi phí cho nhà cung cấp dịch vụ và do đó giảm giá dịch vụ cho khách hàng. Ngoài ra công nghệ chuyển beam cũng cho phép cải thiện dung lượng của hệ thống nhờ việc nó không gửi tín hiệu đi tất cả các hướng. Anten thích nghi có thể phủ sóng một vùng rộng hơn và nâng cao dung lượng hơn nhiều so với anten chuyển beam, tuy nhiên nó đòi hỏi công nghệ rất phức tạp và do vậy chi phí đầu tư cao hơn nhiều. Ngăn chặn xuyên lẫn: anten chuyển beam có thể ngăn chặn các xuyên nhiễu của các tín hiệu phát ra từ các hướng ngoài chùm beam hoạt động. Tuy nhiên do đặc tuyến beam là cố định nên chùm beam không thể tập trung chính xác đến hướng xuất phát của tín hiệu, điều này làm cho tỉ số C/I thấp hơn so với anten thích nghi. Anten chuyển beam cũng thường chỉ đựơc dùng để nhận tín hiệu (hướng lên ) do nó không thể xác định chính xác vị trí của máy mobile, vì nếu dùng để truyền tín hiệu (hướng xuống) thì nó có thể làm đứt liên lạc nếu chọn nhầm beam. Ngoài ra, cũng do đặc điểm các beam là cố định mà độ nhạy của anten chuyển beam có thể bị thay đổi khi MS thay đổi vị trí. Anten chuyển beam sẽ làm việc tốt nhất trong môi trường có độ xuyên nhiễu thấp, nhưng trong trường hợp nguồn xuyên nhiễu lại nằm ở trung tâm của chùm beam được chọn trong khi tín hiệu mong muốn lại nằm phía rìa của beam thì chất lượng tín hiệu sẽ rất xấu. So với anten chuyển beam thì anten thích nghi nhờ sự điều chỉnh liên tục chùm beam nên cho phép loại bỏ xuyên nhiễu và cung cấp tín hiệu tốt hơn nhiều. Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) – một trong những ứng dụng phức tạp nhất của anten thông minh là SDMA, đây là phương thức sử dụng kỹ thuật xử lý tinh xảo để định vị và theo dõi mobile, điều chỉnh chùm bức xạ truyền tín hiệu về phía người dùng mong muốn và tránh xa nguồn xuyên nhiễu. Công nghệ này đưa lại các ưu điểm vượt trội về khả năng loại bỏ xuyên nhiễu và khả năng tái sử dụng tần số. Về bản chất công nghệ này cho phép điều chỉnh ưu tiên việc cung cấp các tần số cho những nơi có mật độ người dùng cao nhất. Nó liên tục tạo ra các sector khác nhau một cách rất linh động cho mỗi người dùng và phân bổ các kênh tần cho mỗi sector theo yêu cầu tại thời điểm đó. Điều này cho phép nâng cao khả năng tái sử dụng kênh tần số, thậm chí có thể tái sử dụng kênh tần trong cùng một cell. Việc xử lý không gian đòi hỏi phải Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 50 tích hợp việc đo đạc và phân chia môi trường vô tuyến ở mức độ cao, do vậy anten thích nghi thích hợp hơn anten chuyển beam nhiều trong việc thực hiện công việc này. Tóm lại: Công nghệ anten thông minh có thể cải thiện một cách đáng kể về hoạt động cũng như tính kinh tế của các hệ thống thông tin di động ở những nơi có mật độ người sử dụng cao. Nó cho phép các nhà cung cấp dịch vụ khả năng nâng cao chất lượng tín hiệu, dung lượng mạng cũng như vùng phủ sóng. Tuỳ theo hoàn cảnh cụ thể mà các nhà cung cấp dịch vụ thường có các yêu cầu khác nhau trong việc phối hợp các lợi điểm này tại các thời điểm khác nhau.Do đó anten thông minh chính là giải pháp kinh tế và linh hoạt nhất cho phép họ định cấu hình cũng như nâng cấp hệ thống khi cần. Nhu cầu tăng dung lượng và cải thiện chất lượng dịch vụ hệ thống là một vấn đề cấp thiết cho hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động toàn cầu. Anten thông minh là một trong những giải pháp khả thi nhất cho vấn đề này. 2. Các giao thức mới trong mạng toàn IP: Mobile IP (MIP) (IP di động) là một giao thức của IETF giúp người dùng với thiết bị di động của mình có thể di chuyển từ mạng này sang mạng kia với những địa chỉ IP subnet khác nhau mà vẫn duy trì được communication đang diễn ra. Mobile IP đã trở thành giao thức không thể thiếu trong thế giới di động, trong công nghệ tương lai (thế hệ thứ 4G). Mobile IP có rất nhiều mở rộng và phát triển khác nhau như: MIPv4, MIPv6, Hierarchical MIP, Fast MIP, Multiple CoA MIP, Proxy MIP, Mobile Network Mobility (NEMO), Hawaii,... 2.1. Nguyên lý hoạt động của IP di động Như đã biết là trong mạng, mỗi một thiết bị, một nút mạng sẽ được gắn liền với một địa chỉ IP nhất định. Trong một quá trình liên lạc, địa chỉ IP chính là điểm gắn vật lý với Internet. Do đó khi một CN (correspondent node) gửi một gói tin đến một nút di động MN (Mobile Node), gói đó được định tuyến đến mạng thường trú của MN (home network), không phụ thuộc. Như đã biết là trong mạng, mỗi một thiết bị, một nút mạng sẽ được gắn liền với một địa chỉ IP nhất định. Có vào vị trí của MN vì các máy CN không có thông báo gì về sự di động này. Để cho gói tin ấy vẫn đến được MN, đó chính là vai trò của MIP. 2.1.1 Các khái niệm cần biết: - Khi MN đang trong mạng thường trú, nó được phân phối một địa chỉ IP thường trú. Khi đó quá trình liên lạc diễn ra bình thường: nút di động MN nhận các gói thông tin và trả lời chúng như một máy chủ thông thường. - Nếu MN đi khỏi mạng thường trú, thì MN cần có một đại diện thay mặt nó. Đại diện này là đại diện thường trú HA (Home Agent). Dễ hiểu là vai trò của HA là nhận thông tin gửi đến MN và tiếp tục gửi nó đến đúng địa chỉ mới của MN. - Để làm được như vậy thì MN , khi đi khỏi nơi thường trú, phải có một địa chỉ tạm trú, gọi là CoA, và thông báo địa chỉ này cho HA để biết địa điểm hiện hữu của MN. Có nhiều cách để có địa chỉ này, nhưng tiện nhất là MN có địa chỉ này từ một đại diện. Đại diện này được gọi là đại diện tạm trú FA (Foreign Agent). Đến đây thì các bạn đã được làm quen với các khái niệm HA, FA, CoA. Đây là 3 khái niệm xuyên suốt trong quá trình tìm hiểu và xây dựng giải pháp IP di động. Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 51 2.1.2 Nguyên tắc hoạt động: - Khi một MN ra khỏi mạng thường trú. Làm thế nào để MN biết là nó đi ra khỏi mạng thường trú cũng như tìm đại diện mới nếu đã ở mạng khách? HA và FA thường xuyên gửi quảng bá một gói tin để "coucou, tôi đang ở đây". Gói tin này được gửi broadcast và gửi theo chu kỳ. Nhờ đó mà MN phát hiện là nó đang ở mạng khác, và nó sẽ tiến hành quá trình tìm kiếm đại diện tạm trú của nó. Ngoài ra MN cũng có thể gửi yêu cầu lên Agent để bảo agent gửi broadcast thông tin. Cả quá trình này được biết đến với tên là AgentDiscovery. - Một khi đã nhận được thông tin về FA (địa chỉ...), nó có thể bắt đầu liên lạc với FA. MN gửi yêu cầu đăng ký thông qua FA đến HA để được lưu động trong một thời gian. Yêu cầu này đến MN (thông qua FA) cho phép hoặc từ chối việc đăng ký này. - Nếu HA cho phép sự đăng ký này, nó sẽ làm việc như người được ủy nhiệm của MN. Khi mạng nơi ở gốc của MN nhận được các gói tín hiệu có địa chỉ đến MN. HA nhận những gói này (dùng ARP ủy nhiệm) đóng gói chúng lại và tiếp tục gửi tới địa chỉ của FA mà MN đã đăng ký. FA sẽ mở các gói tin này và gửi tới MN vì nó biết MN đang ở đó một cách chính xác. HA dùng phương pháp "đóng gói" gói để chuyển thông tin cho MN bằng cách dùng thêm phần mào đầu IP (IP header) của gói và chuyển theo đường hầm (tunelling) đến MN. - Quá trình tiếp diễn cho đến khi hết thời hạn đã đăng ký (hoặc MN chuyển đến vị trí mới). Khi xảy ra hiện tượng hết hạn, MN phải đăng ký lại với HA của nó thông qua FA (nếu MN có thì nó hoạt động như FA của nó). Khi MN chuyển đến mạng khác, nó gửi một yêu cầu đăng ký mới qua FA mới. Trong trường hợp này HA sẽ thay đổi địa chỉ nhờ chuyển CoA của MN và nó sẽ gửi tiếp các gói đã đóng gói tới địa chỉ nhờ chuyển CoA. - Khi MN trở về mạng thường trú, nó không cần di động nữa, nó gửi một yêu cầu đăng ký lại đến HA, nói rõ rằng nó đang "ở nhà" để không thực hiện đường hầm và dọn bỏ các địa chỉ nhờ gửi trước đây. Tại điểm này, MN không phải đăng ký lại nữa cho tới khi nó chuyển khỏi mạng. - Nghe có vẻ khá đơn giản, tuy nhiên đến tận bây giờ người ta vẫn đang tiếp tục nghiên cứu để cải tiến nó, bởi vì nó là một giải pháp gần như là duy nhất có hiệu quả để đảm bảo sự di động trong thế hệ mạng tương lai, mạng 4G. a) Nguyên lý hoạt động của IP di động phiên bản 4 (MIPv4) IP phiên bản 4 thừa nhận địa chỉ IP của điểm nút gắn liền "vật lý" với mạng Internet một cách duy nhất. Do đó khi một máy chủ CH (Coresspondent Host) gửi một gói tin đến một nút di động MN (Mobile Node), gói đó được định tuyến đến mạng thường trú của MN, không phụ thuộc vào vị trí của MN vì các máy CH không có thông báo gì về sự di động. Khi MN đang trong mạng thường trú của nó (HoA - Home Address), thì nút di động MN nhận các gói này và trả lời chúng như một máy chủ thông thường (đây là một yêu cầu quan trọng của IP di động). Nhưng nếu MN đi khỏi mạng thường trú, thì MN cần có một đại diện thay mặt nó. Đại diện này là đại diện thường trú HA (Home Agent) có thể thông tin với MN suốt cả thời gian theo trực tuyến không phụ thuộc vào vị trí hiện hữu của MN. Do đó ta có thể coi HA là vị trí vật lý của MN. Cũng như vậy, khi MN đi khỏi nơi thường trú, nó phải có một địa chỉ tạm trú và thông báo địa chỉ này cho HA để biết địa điểm hiện hữu của MN. Có nhiều cách để có địa chỉ này, nhưng tiện nhất là MN có địa chỉ này từ một đại diện. Đại diện này được gọi là đại diện tạm trú FA (Foreign Agent). Do đó, khi một MN ra khỏi mạng thường trú nó nối tới mạng ngoài. MN phát hiện là nó đang ở mạng khác, nó gửi yêu cầu đăng ký thông qua FA đến HA để được lưu động trong một thời gian. Yêu cầu này đến MN (thông qua FA) cho phép hoặc từ chối việc đăng ký này. Trường Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 52 hợp này thực hiện khi MN dùng FA để đăng ký. Nếu MN bảo vệ địa chỉ theo cách khác thì nó không cần bước đăng ký qua FA. Nếu HA cho phép sự đăng ký này, nó sẽ làm việc như người được ủy nhiệm của MN. Khi mạng nơi ở gốc của MN nhận được các gói tín hiệu có địa chỉ đến MN. HA nhận những gói này (dùng ARP ủy nhiệm) đóng gói chúng lại và tiếp tục gửi tới địa chỉ của FA mà MN đã đăng ký. FA sẽ mở các gói tin này và gửi tới MN vì nó biết MN đang ở đó một cách chính xác. HA dùng phương pháp "đóng gói" gói để chuyển thông tin cho MN bằng cách dùng thêm phần mào đầu IP (IP header) của gói và chuyển theo đường hầm (tunelling) đến MN. Khi MN đang trên mạng ngoại vùng, MN dùng đại diện HA để chuyển gói đã đóng gói đến chính nó thông qua FA mới. Trường hợp này xảy ra cho đến khi hết thời hạn đã đăng ký (hoặc MN chuyển đến vị trí mới). Khi xảy ra hiện tượng hết hạn, MN phải đăng ký lại với HA của nó thông qua FA (nếu MN có thì nó hoạt động như FA của nó). Khi MN chuyển đến mạng khác, nó gửi một yêu cầu đăng ký mới qua FA mới. Trong trường hợp này HA sẽ thay đổi địa chỉ nhờ chuyển CoA (care-of address) của MN và nó sẽ gửi tiếp các gói đã đóng gói tới địa chỉ nhờ chuyển CoA. Một số giao thức IP di động cho phép MN có nhiều địa chỉ nhờ chuyển thì HA sẽ chuyển cùng một thông tin đến nhiều địa chỉ nhờ chuyển. Trường hợp này thường xảy ra khi MN ở vùng giáp ranh các cell trong môi trường vô tuyến và MN chuyển động thường xuyên. Khi MN trở về mạng thường trú, nó không cần di động nữa, nó gửi một yêu cầu đăng ký lại đến HA, nói rõ rằng nó đang "ở nhà" để không thực hiện đường hầm và dọn bỏ các địa chỉ nhờ gửi trước đây. Tại điểm này, MN không phải đăng ký lại nữa cho tới khi nó chuyển khỏi mạng. Hình 4.1 Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 53 b) MIPv6 một phiên bản nâng cấp và hoàn thiện so với MIPv4 Muốn hiểu được đặc điểm của MIPv6 (IP di động phiên bản 6) ta cần biết mục đích thiết kế của MIPv6 hướng tới: đó là thông báo kịp thời những sự khác biệt giữa các nút một cách chân thực và không làm giảm sút sự an toàn. MIPv6 nhằm giải quyết đồng thời hai vấn đề. Thứ nhất, nó cho phép chuyển giao liên tục mặc dù máy chủ (MN) chuyển động và thay đổi địa chỉ IP. Thứ hai, nó cho phép gói tin tìm đến một nút thông qua địa chỉ IP tĩnh tại, địa chỉ thường trú gốc (HA). Nói một cách khác, MIPv6 chú trọng tới bản chất nhận dạng của các địa chỉ IP. Ta có thể nhắc lại ý tưởng của MIP (cả MIPv4 và MIPv6) là cho phép HA làm việc với nút di động MN tựa như đang tĩnh tại. Bất cứ lúc nào MN đi khỏi mạng thường trú gốc thì HA nhận gói tin gửi đến nút này và chuyển tiếp gói này tới địa chỉ "nhờ chuyển" CoA. Lớp vận chuyển sử d ụng địa chỉ thường trú gốc (HA) như nhận dạng "tĩnh" của nút di động MN. Hình 4.2 phác họa cơ chế hoạt động của ý tưởng cơ bản này. Hình 4.2 Theo sơ đồ này thì gói tin chuyển theo đường tunnel thông qua đại diện HA, nên đường truyền dài hơn và dẫn tới chất lượng giảm. Để khắc phục nhược điểm này MIPv6 đưa ra việc tối ưu hóa định tuyến RO (Route Optimization) khi dùng truyền tối ưu, nút di động gửi các địa chỉ "nhờ chuyển" CoA của nó (đang ở) đến nút gửi bằng các tin báo cập nhật liên quan tới việc định tuyến BU (Binding Update). Khi MIPv6 dùng tối ưu hóa định tuyến RO, nút gửi thực hiện 2 nhiệm vụ: thứ nhất, nó là nguồn của gói tin gửi. Thứ hai, nó hoạt động như bộ router đầu tiên cho các gói thông báo định tuyến. Các gói này rơi khỏi nút gửi là nguồn được định tuyến đến các địa chỉ nhờ chuyển CoA. Mỗi gói bao gồm một mào đầu định tuyến (routing header), chứa địa chỉ thường trú gốc HoA của các nút di động. Theo lý luận, gói tin được định tuyến đến CoA và tiếp theo qua kênh ảo, gói tin được chuyển từ CoA đến HoA. Mối nguy hiểm nhất trong MIPv6 là địa chỉ bị "mất cắp", tức là kẻ gian (hacker) đóng giả (một cách bất hợp pháp) là một nút nào đó tại một địa chỉ đã cho rồi "ăn cắp" các lượng tin gửi đến địa chỉ đó. Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 54 Có nhiều cách ăn cắp khác nữa. Xin nêu thêm một cách ăn cắp đó là ăn cắp địa chỉ gốc. Nếu tin cập nhật BU không được hợp pháp hóa trên mọi địa chỉ thì kẻ cắp có thể sản xuất ra các BU lừa bịp tại nhiều địa điểm trên Internet. Mọi nút gửi tin đều bị lừa. MIPv6 thực hiện bảo mật và tối ưu hóa định tuyến để ngăn ngừa hoặc giảm nhẹ số vụ mất cắp. Độ an toàn của MIPv6 không chỉ dựa vào giao thức mật mã truyền thông mà dựa vào hạ tầng cấu trúc định tuyến để nút di động MN được tiếp cận thông qua địa chỉ thường trú gốc HoA và cả địa chỉ chuyển giúp CoA. Độ đảm bảo an toàn và tối ưu hóa định tuyến, cơ chế hoạt động của MIPv6 dựa theo cách định tuyến có phản hồi RR (Return Routability). Luồng vận chuyển của gói tin như trên hình 4.3. Nó gồm có 2 lựa chọn: lựa chọn địa chỉ thường trú gốc HoA và chọn địa chỉ nhờ chuyển CoA. Hình 4.3 Việc lựa chọn định tuyến RR thực hiện bằng 2 cặp tin báo <thử địa chỉ, cập nhật tin địa chỉ> và . Các gói thử khởi tạo địa chỉ thường trú HoTI và thử khởi tạo địa chỉ nhờ chuyển CoTI chỉ cần dùng để kích thích các gói thử. Gói cập nhật địa chỉ BU trả lời cho cả hai phép thử. Quá trình thử địa chỉ HoA như sau: Việc lựa chọn địa chỉ gồm có thử địa chỉ HoT và cập nhật BU. HoT được chuyển qua tunnel từ đại diện HA đến nút di động MN. Nội dung của HoT là một hàm số lộn xộn gồm địa chỉ gốc của HoTI có kèm theo khóa bảo mật Kcn (chỉ có nút gửi biết mật k hóa Kcn). Gói HoT được gửi theo 2 đường của Internet. Đường thứ nhất, từ điểm gửi đến đại diện HA. Trên bước này, gói không được bảo vệ, bất kỳ hacker nào cũng biết nội dung. Tiếp theo HA gửi tiếp gói đến nút di động MN. Trên đường, gói được truyền trong tunnel có bảo vệ để không người ngoài nào đọc được nội dung của gói. Quá trình thử địa chỉ nhờ chuyển CoA cũng tương tự. Chỉ có khác là bây giờ gói được gửi trực tiếp từ địa chỉ CoA của nút di động MN. Nội dung của CoT là một hàm số có kèm theo hệ số bảo mật Kcn. Gọi CoT chuyển trực tiếp từ nút gửi đến nút di động MN. Trên đường gói không được bảo vệ dễ bị các tin tặc ở gần điểm gửi, trên đường truyền hoặc gần điểm MN. Khi nút di động MN nhận được cả hai tin HoT và CoT, nó tạo ra khóa ràng buộc Kbm. Khóa Kbm được dùng để bảo vệ tin cập nhật BU, cho đến khi MN di động và cần có một CoA Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 55 mới. Khi nhận được tin BU đầu tiên, nút gửi đi qua một quá trình phức tạp. Đó là đảm bảo cho nút MN đã vừa nhận được HoT và CoT là do HoA và CoA yêu cầu. Giả thiết có một tin tặc có thể ăn cắp tin HoT, tại thời điểm nào đó và tiếp theo. Nếu HoT kéo dài mãi thì tin tặc có thể tiếp tục ăn cắp. Để hạn chế nguy hại này ta truyền HoT trong thời gian ngắn. Sau chu kỳ vài phút, cặp tin báo HoTI/HoT lại thay đổi. Tóm lại, ta thấy MIPv6 đã có nhiều đặc điểm cải tiến so với MIPv4 về cấu hình, độ an toàn quản lý, tính di động. MIPv6 được coi như một chiến lược dài hạn cho các nhà quản lý mạng và các nhà cung cấp dịch vụ di động. Những lợi ích của IPv6 Ngày càng có nhiều thiết bị tế bào và những dịch vụ mới, "liên tục kết nối, liên tục xuất hiện", và điện thoại thời gian thực là những lý do để 3GPP và 3GPP2 lựa chọn phiên bản IPv6 cho mạng vô tuyến, trong đó có mạng truy nhập vô tuyến (RAN), mạng lõi (CN) do IPv6 có những ưu điểm có thể giải quyết được sự hạn chế khi triển khai IPv4: - IPv6 có số địa chỉ không hạn chế có thể giải quyết được những vấn đề về thiếu địa chỉ. - Khả năng được cải thiện và định tuyến hiệu quả hơn khi IPv6 được sử dụng do các máo đầu ít hơn, việc chỉnh sửa tham số mào đầu (Header file) và nén máo đầu hiệu quả hơn nếu so với IPv4. - IPv6 có sự hỗ trợ bảo mật (IPsec) - IPv6 được hỗ trợ tính di động (MIPv6) - IPv6 có cùng mức quản lý chất lượng (QoS) như IPv4. c) Giới thiệu tóm tắt về IPv6 trong mạng vô tuyến 3GPP/3GPP2 Việc đưa IPv6 vào 3G sẽ ảnh hưởng đáng kể tới thiết bị đầu cuối và hạ tầng cơ sở. Rất nhiều việc liên quan đến tiêu chuẩn hoá lĩnh vực này đều đã được thực hiện trên mạng 3GPP và 3GPP2. Hình 4.4 mô tả IPv6 được ứng dụng trong UMTS như thế nào. Mức truyền tải và mức người sử dụng hoàn toàn độc lập, mạng UTRAN và mạng lõi cũng là hai mạng độc lập, vì vậy việc sử dụng IPv6 có nghĩa bao gồm người sử dụng IPv6, mạng UTRAN IPv6 và mạng lõi IPv6. Các gói IP đến/đi từ thiết bị đầu cuối xuyên qua mạng UMTS, chúng không được định hướng trực tiếp tại mức IP. Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 56 Hình 2.4 Hình 4.5 mô tả cấu hình mạng WCDMA2000 liên kết với mạng IPv6 qua PDSN hỗ trợ IPv6. Kết nối PPP giữa MS và PDSN sẽ vận chuyển gói tin IPv6. Mạng truy nhập vô tuyến (RAN), bao gồm giao diện R-P, sẽ độc lập với phiên bản các gói IP được truyền tải trong các phiên PPP. Hình 2.5 d) Những kỹ thuật liên kết IPv6 và IPv4 Nếu mạng IPv6 được triển khai, không thể tránh khỏi thời gian chuyển đổi kéo dài để các nút IPv6 và IPv4 để cùng tồn tại và truyền tin. Một số các cơ chế chuyển đổi và cùng mềm dẻo và đủ mạnh giữa IPv4 và IPv6 là cần thiết trong thời gian chuyển đổi này. Thực tế, lực lượng đặc trách kỹ thuật Internet (IETF) đã phát triển hàng loạt những kỹ thuật liên kết IPv6 và IPv4. Những kỹ thuật này có thể tóm tắt thành 3 loại sau: kỹ thuật đường hầm, kỹ thuật chuyển dịch, và kỹ thuật hai ngăn xếp. - Các đường hầm có thể được sử dụng để định tuyến các gói giữa các máy chủ IPv6 qua mạng IPv4 bằng cách chèn thêm phần mào đầu của IPv4 vào gói IPv6. - Kỹ thuật chuyển dịch những bộ ghi dịch được dùng để liên kết giữa IPv6 và Ipv4. Các bộ ghi dịch - giao thức địa chỉ mạng (NAT-PT) và thuật toán ghi dịch không trạng thái IP/ICMP. Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 57 - Kỹ thuật hai ngăn xếp có nghĩa là IPv4 và IPv6 cùng song song tồn tại trên cùng một máy chủ. Cả ba kỹ thuật này đã được khuyến nghị mạng cho 3GPP và 3GPP2. Hình 4.6 đưa ra cấu hình liên kết mạng tế bào không dây hỗ trợ cả hai dịch vụ IPv6 và IPv4. Hình 4.7 là ví dụ của trường hợp sử dụng kỹ thuật đường hầm, khi máy di động IPv6 kết nối với một thiết bị của IPv6 qua mạng IPv4. Hình 4.6 Hình 4.7 Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 58 ∈ Lựa chọn phiên bản IP Việc lựa chọn phiên bản IP đã được thảo luận dùng trong hai nhóm 3GPP và 3GPP2 trong một thời gian dài. Có 6 khả năng lựa chọn cần cân nhắc như sau: 1. Chỉ dùng IPv4 (Hỗ trợ và sử dụng). 2. Chỉ dùng IPv6 (Hỗ trợ và sử dụng). 3. Sử dụng IPv4, kết hợp với chọn lựa IPv6. 4. Sử dụng IPv6, kết hợp với chọn lựa IPv4. 5. Kỹ thuật chuẩn hai ngăn xếp tại tất cả các nút. 6. Không có một thông báo về phiên bản được sử dụng. Sự lựa chọn 1, 2 và 6 chỉ có thể dẫn đến các vấn đề tương tác giữa các nhà sản xuất sử dụng những giao thức IPv4 hiện nay và IPv6 đang phát triển, sự lựa chọn 5 không hấp dẫn do phức tạp trong giải quyết thiết bị kỹ thuật hai ngăn xếp, và sự phát triển bổ sung khi được yêu cầu. ∈ Những lý do cho những người có sự chọn lựa thứ 4 là: - Không gặp phải vấn đề hết địa chỉ. - Đã đầu tư cho một mạng các bộ định tuyến IPv4 - Các giao thức dựa trên mạng công cộng hiện nay do các bộ định tuyến IPv4 cấu thành. - Không muốn chờ đợi sự xuất hiện IPv6. - Không quan tâm đến các vấn đề tương tác giữa IPv6 và IPv4: một giải pháp hiệu quả được đưa ra để đối phó với vấn đề này là kỹ thuật đường hầm. Tuy nhiên việc này sẽ dẫn đến việc thay thế gần như toàn bộ các bộ định tuyến biên khá tốn kém của IPv6. - Không muốn gặp phải những vấn đề nâng cấp phần mềm do những điểm mở trong các tiêu chuẩn. Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 59 ∈ Nhưng đối với những người có sự chon lựa 5 thì: - Việc chuyển IPv6 dễ dàng hơn. Dễ dàng tích hợp với IP di động, các hệ thống đa phương tiện được bổ sung chức năng với IPv6. - Tiết kiệm được chi phí nếu như phát triển từ phiên bản IPv4 thành IPv6. Kết luận IPv6 thật sự cần thiết cho mạng 3G. Việc giới thiệu IPv6 tất nhiên sẽ gây ảnh hưởng đến các thiết bị đầu cuối và hạ tầng cơ sở của 3G. Đó là lý do tại sao 3GPP và 3GPP2 đang hợp tác chặt chẽ với IETF để giải quyết những vấn đề có liên quan tới IPv6 ở 3G. Nhờ sự chuyển giao công nghệ, việc liên kết giữa 2 phiên bản IPv4 và IPv6 có tính khả thi, cho phép chọn lựa khả năng "Sự bắt buộc dùng IPv6 và tuỳ chọn IPv4". Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 60 CÁC CHỮ VIẾT TẮT A/D Analog/Digital AMPS Advance Mobile Phone Service AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Rate BPSK Binary Phase Shift Keying BS Base Station CBPSK Coherent BPSK CCITT International Telegraph and Telephone Consultative Committee CDF Cumulative distribution function CDMA Code Division Multiple Access D/A Digital/Analog DAB Digital Audio Broadcasting DFE Decision-feedback Equalizer DS-CDMA Direct Sequence CDMA EGC Equal Gain Combining ETSI European Telecommunications Standard Institute FDMA Frequency Division Multiple Access F-FH Fast-FH FH-CDMA Frequency Hopping CDMA GMSK Gaussian Minimum Shift Keying GSM Global System for Mobile Communication ICI Inter-carrier Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IFFT Inverse Fast Fourier Transform IMT International Mobile Telecommunications ISI Intersymbol Interference ITU International Telecommunication Union LAN Local Area Network LPF Lowpass Filter MMSE Minimum Mean Square Error MRC Maximum Ratio Combining MS Mobile Station MT-CDMA Multitone CDMA NMT Nordic Mobile Telephone Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 61 OFDM Othogonal Frequency Division Multiplexing ORC Orthogonality-Restoring Combining PAPR Peak to Average Power Ratio PLL Phase Locked Loop PSD Power Septrum Density QAM Quarature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying RAKE Multiple tap multipath equalization for CDMA RF Radio Frequency RSSI Radio Signal Strength Indicator RX Receive S-FH Slow-FH SNR Signal to Noise Ratio SSMA Spread-spectrum Multiple Access TCM Trellis-Coded Modulation TDMA Time Division Multiple Access TH-CDMA Time Hopping CDMA TX Transmit UHF Ultra-high Frequency WAP Wireless Application Protocol WCDMA Wide-band Code Division Multiple Access RAN Radio Access Network - Mạng truy nhập vô tuyến CN Core Network - Mạng lõi 3GPP Third Generation Partnership Project: Dự án thế hệ 3 UMTS Universal Mobile Telecommunication Systems MS Mobile Station GGSN Gateway GPRS support node HA Home Address RNC Radio Network Cotroller CDMA Code Division Multiple Access BSS Broadband Switching System IETF Internet Engineering Task Force Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 62 MỤC LỤC I. TỔNG QUAN VỀ 4G VÀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN TỪ 3G LÊN 4G: .........................1 1. Thế nào là mạng 4G? ............................................................................................................................................1 2. Yêu cầu kỹ thuật cho một hệ thống 4G:............................................................................................................5 3. Công nghệ then chốt :..............................................................................................................................................8 4. Hành trình đến 4G: .............................................................................................................................................10 4.1. Các công nghệ 3G được phát triển để tiến lên 4G: ....................................................................................12 a) Đôi nét về WiMAX .....................................................................................................................................12 b) Đôi nét về 3G LTE.....................................................................................................................................13 4.2. So sánh công nghệ kỹ thuật dùng trong WiMAX và 3G LTE ...................................................................14 II. 3G LTE...................................................................................................................................17 1. Kiến trúc mạng : ...............................................................................................................................................17 1.1. Mục đích và yêu cầu của 3G LTE: ...............................................................................................................17 1.2. Kiến trúc tổng quan: .....................................................................................................................................18 2. Lớp vật lý: ...............................................................................................................................................................20 3. Lớp MAC ( Medium Access Control): ................................................................................................................24 III. CÁC CÔNG NGHỆ MỚI: ...................................................................................................27 1. Một số công nghệ đa truy nhập mới: ...................................................................................................................27 1.1 Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM): ..........................................................................27 1.1.1 Giới Thiệu:...............................................................................................................................................27 1.1.2 Mô Hình Hệ Thống OFDM:..................................................................................................................28 1.1.3 Tính Trực Giao (Orthogonality): ..........................................................................................................32 a) Trực giao trong miền thời gian:.............................................................................................................32 b) Trực giao trong miền tần số: .................................................................................................................34 1.1.4 Nhiễu Xuyên Ký Tự ISI Và Xuyên Kênh ICI: .....................................................................................36 1.1.5 Chèn Khoảng Thời Gian Bảo Vệ:..........................................................................................................36 1.1.6 Các Tham Số Chính Của Hệ Thống OFDM: ........................................................................................38 1.2.KỸ THUẬT KẾT HỢP OFDM VÀ CDMA:.................................................................................................38 1.2.1 Giới Thiệu:...............................................................................................................................................38 1.2.2 Mô Hình Hệ Thống Thu Phát Tín Hiệu OFDM-CDMA: ....................................................................39 a) Sơ đồ khối hệ thống thu phát tín hiệu OFDM-CDMA: .......................................................................39 b) Phân tích quá trình xử lý tín hiệu trong máy phát tín hiệu trải phổ đa song mang OFDM-CDMA: .......................................................................................................................................................................40 c) Phân tích quá trình xử lý tín hiệu trong máy thu tín hiệu trải phổ đa song mang MC-CDMA: .....41 d) Mô hình kênh truyền OFDM-CDMA đa người dùng: ....................................................................44 e) Mô hình hệ thống OFDM-DS-CDMA đa người dùng có sử dụng bộ ghép kênh tuần tự (MUX) các luồng tín hiệu trải phổ thành phần:............................................................................................................44 1.2.3 Hệ thống MC-CDMA: ............................................................................................................................46 1.3 KỸ THUẬT MIMO-OFDM: .........................................................................................................................47 1.3.1 Giới thiệu: .................................................................................................................................................47 1.3.2.Những khái niệm cơ bản công nghệ anten thông minh: .......................................................................47 1.3.3 Cấu trúc các hệ thống anten thông minh:..............................................................................................48 Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 63 a) Anten chuyển beam: ................................................................................................................................48 b) Anten thích nghi: ...................................................................................................................................49 c) So sánh anten chuyển beam và anten thích nghi:................................................................................49 2. Các giao thức mới trong mạng toàn IP:..........................................................................................................50 2.1. Nguyên lý hoạt động của IP di động............................................................................................................50 2.1.1 Các khái niệm cần biết: ..........................................................................................................................50 2.1.2 Nguyên tắc hoạt động:........................................................................................................................51 a) Nguyên lý hoạt động của IP di động phiên bản 4 (MIPv4) .............................................................51 b) MIPv6 một phiên bản nâng cấp và hoàn thiện so với MIPv4 .............................................................53 c) Giới thiệu tóm tắt về IPv6 trong mạng vô tuyến 3GPP/3GPP2 ..........................................................55 d) Những kỹ thuật liên kết IPv6 và IPv4...................................................................................................56 CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................................................60