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

dụng phổ tần cao hơn. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 62 3.3.1.5 Kỹ thuật ghép kênh tiên tiến (Advanced Multiplexing Techniques) MIMO (Multi Input Multi Output) là một kỹ thuật ghép kênh có mục đích là đạt đ−ợc sự mở rộng về dung l−ợng bằng cách phát và ghép kênh các thông tin khác nhau trên cùng một tần số sử dụng nhiều nhánh ăngten thu/phát. Phạm vi kỹ thuật này có thể đ−ợc ứng dụng đó là: tải tốc độ cao, truyền dẫn tốc độ cao có t−ơng tác. Nâng cao hiệu năng cần tăng số bộ ghép kênh, nh−ng lại làm tăng sự phức tạp của việc xử lý tín hiệu [6]. Ngoài ra, để giảm kích th−ớc nhỏ nhất cho thiết bị di động có nhiều ăngten cũng là vấn đề khó khăn, khi đó cần một kỹ thuật đột phá. Một trong số các kỹ thuật ghép kênh tiên tiến là kỹ thuật MIMO dựa trên kỹ thuật phân ly giá trị duy nhất (SVD based MIMO). SVD based MIMO: SVD based MIMO thực thi trực giao hóa các kênh bằng việc ứng dụng trọng số ăngten ở cả bộ phát và bộ thu. MxN (số ăngten phát x số ăngten thu) kênh t−ơng ứng ma trận H đ−ợc phân tích với các giá trị eigen, và hai ma trận Wt, Wr đ−ợc sử dụng nh− trọng số ăngten lần l−ợt ở máy phát và máy thu [7]. H r L t WWH ⎥⎥ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ Κ ΟΟΜ ΜΟ= Λ λ λ λ 00 0 0 00 2 1 [ ]tLttt wwwW Λ= 21 [ ]rLrrr wwwW Λ= 21 Trong đó: wti : vector trọng số phát cho luồng dữ liệu i wri : vector trọng số thu cho luồng dữ liệu i λi là giá trị eigen cho luồng dữ liệu i L = Min(M,N) M: số ăngten phát N: số ăngten thu Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 63 Hình 3.26. SVD based MIMO [9] Transmit sequence#i: chuỗi phát thứ i TX#i: Máy phát i RX#i: Máy thu i Trong SVD based MIMO, các kênh thông tin cần đ−ợc dùng chung giữa máy phát và máy thu. Để thực hiện nó, th−ờng sử dụng ph−ơng thức tận dụng trao đổi kênh nhờ kế thừa TDD trong ghép kênh các kênh đ−ờng lên, đ−ờng xuống, hoặc phản hồi kênh thông tin dùng các kênh điều khiển. Lợi ích của SVD based là có thể đạt đ−ợc thông l−ợng cao với cấu hình đơn giản, vì các kênh trực giao với nhau giữa các luồng dữ liệu nhờ ứng dụng các trọng số ăngten ở cả hai phía: máy phát, máy thu. Các kênh trực giao có dung l−ợng truyền dẫn cân đối với mỗi giá trị eigen. Tiếp theo đó, bằng việc điều khiển tốc độ thông tin của mỗi luồng dữ liệu phù hợp với nguyên lý dội n−ớc, dung l−ợng truyền dẫn tổng C có thể đạt đ−ợc giá trị tối đa. CNRi : Tỷ số sóng mang trên tạp âm (CNR) của luồng dữ liệu i Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 64 3.3.2 Kỹ thuật không dây đa hệ thống (Multi-system Wireless Techniques) Kỹ thuật không dây đa hệ thống chỉ những kỹ thuật về thiết bị đầu cuối không dây đ−ợc trang bị những chức năng đa băng tần, đa chế độ có thể thích nghi với nhiều dịch vụ nh−: mạng LAN không dây, hệ thống di động 4G và truyền hình quảng bá số. Những thiết bị đầu cuối này đ−ợc trang bị các chức năng kết nối một cách liên tục với các hệ thống, cũng nh− là các chức năng kết nối vào các mạng hoạt động tạm thời, chức năng truyền thông phạm vi nhỏ nh− các chức năng truyền thông trong: mạng cá nhân (PAN: Personal Area Network), truyền hình số di động, và chức năng kết nối đồng thời với nhiều hệ thống. Vấn đề khó khăn ở đây là ở giao diện vô tuyến: chia sẻ tần số giữa nhiều giao diện vô tuyến/nhiều hệ thống, gán tần số động, dùng chung các tham số vô tuyến, và các vấn đề liên quan đến truyền dẫn không dây băng rộng tới các thiết bị ngoại vi. Những vấn đề kỹ thuật liên quan đến thiết bị đầu cuối: kết nối liên tục giữa các hệ thống khác nhau, kỹ thuật vô tuyến đa hệ thống để điều khiển nhiều tần số/giao thức/l−ợc đồ/điều chế, các ăngten đa băng tần, phối hợp với các thiết bị ngoại vi và những bộ cảm biến khác, thu các dịch vụ truyền hình số di động, sử dụng sóng vô tuyến định nghĩa mềm, chíp IC để triển khai khả năng cấu hình lại, các vấn đề liên quan đến thẻ IC tích hợp nhiều chức năng [9]. 3.3.2.1 Khả năng cấu hình lại End-to-End (E2R: End-to-End Reconfigurability) Khả năng cấu hình lại End-to-End cung cấp nền tảng và môi tr−ờng thực thi để giải quyết những vấn đề: nhiều giao diện vô tuyến, các giao thức và ứng dụng, để ng−ời dùng, nhà khai thác, nhà cung cấp dịch vụ, ng−ời điều chỉnh có thể tự do lựa chọn định dạng sử dụng và hoạt động từ khả năng cấu hình lại và Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 65 các tùy chọn mở rộng trong một phạm vi rộng các thiết bị đầu cuối không dây đa hệ thống: mạng điện thoại tế bào, WLAN, truyền hình số. E2R cho phép ng−ời dùng có thể cấu hình lại các giao thức và các dịch vụ, các chức năng quản lý và điển khiển then chốt, chức năng tải dữ liệu. E2R cung cấp nền tảng chung và môi tr−ờng thực thi để điều khiển nhiều giao diện vô tuyến, các giao thức và ứng dụng, do đó lợi ích của nó là nâng cao khả năng mở rộng và khả năng cấu hình lại cơ sở hạ tầng. Điều đó đem lại khả năng triển khai nhiều chức năng trong mạng và thiết bị đầu cuối trông qua cập nhật phần mềm [9]. Lợi ích cụ thể cho ng−ời dùng, nhà khai thác, nhà cung cấp dịch vụ, nhà sản xuất và ng−ời điều chỉnh đ−ợc phân loại nh− sau: + Cung cấp cho ng−ời dùng cuối cùng các dịch vụ linh động, tiên tiến, hiệu quả. + Sử dụng hiệu quả phổ tần, các hệ thống vô tuyến, tài nguyên thiết bị. + Chi phí để nâng cấp các hệ thống hiện tại thấp. + Triển khai nền tảng đa tiêu chuẩn. + Nâng cao hỗ trợ các yêu cầu tùy biến. + Khả năng đáp ứng đ−ợc các thay đổi tiêu chuẩn và sự không ổn định của xu h−ớng thị tr−ờng. So với các hệ thống thông tin di động hiện tại thì cần mức độ cao hơn về tính linh động, khả năng mở rộng, khả năng cấu hình và hoạt động t−ơng tác, đồng thời phải hỗ trợ sự truy cập vô tuyến đồng nhất có mức độ phổ biến cao. Để đạt đ−ợc các đặc tr−ng của E2R cần giải quyết hai vấn đề: + Ngăn xếp giao thức: một ngăn xếp giao thức linh động có thể điều khiển hỗ trợ nhiều giao diện vô tuyến. + Tối −u hóa chức năng cấu hình lại: chức năng không thống nhất gần đây đ−ợc phát triển cho các thiết bị vô tuyến cần có kích th−ớc tối −u, chức năng cấu hình lại phải đ−ợc tối −u hóa dựa trên tài nguyên đã sử dụng. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 66 3.3.2.2 Kỹ thuật sóng vô tuyến đ−ợc định nghĩa mềm (SDR – Software Defined Radio) Kỹ thuật vô tuyến đ−ợc định nghĩa mềm cho phép các mạng không bị gián đoạn và hỗ trợ nhiều l−ợc đồ truyền thông vì dễ dàng mở rộng trạm gốc, điều khiển linh động giao diện vô tuyến, sự hỗ trợ của thiết bị đầu cuối và khả năng có thể mở rộng của nhiều hệ thống. Ngoài ra, kỹ thuật này còn cho phép cấu hình lại thiết bị đầu cuối, cung cấp một ph−ơng tiện hiệu quả để mở rộng chức năng hoạt động đa chế độ. Sự thay đổi các chức năng đầu cuối đ−ợc thực hiện bằng việc tải phần mềm và nâng cấp cho thiết bị đầu cuối. Những thách thức kỹ thuật cần phải giải quyết để triển khai thực tế kỹ thuật vô tuyến định nghĩa mềm gồm có: kiến trúc máy phát/máy thu, các kỹ thuật để xây dựng chức năng vô tuyến trong phần mềm, các kỹ thuật điều chế/giải điều chế đa chế độ dựa trên phần mềm, các kỹ thuật thu/phát, và các ph−ơng thức tải dữ liệu. Tr−ớc đây SDR đ−ợc phát triển và sử dụng cho truyền thông trong quân đội. Sau này, có sự đề nghị của Forum SDR ở Mỹ và ủy ban Kỹ thuật sóng vô tuyến mềm của Viện các Kỹ s− Truyền thông và Thông tin điện tử, SDR đã đ−ợc sử dụng trong các ứng dụng dân dụng. SDR là kỹ thuật cho phép một thiết bị sử dụng một sóng vô tuyến đơn có thể thay đổi chức năng của nó bằng việc nạp lại phần mềm, t−ơng tự nh− máy tính cá nhân, để điều khiển các l−ợc đồ truyền dẫn sóng vô tuyến khác nhau. Hiện nay đã có một số l−ợc đồ sóng vô tuyến đ−ợc sử dụng cho các dịch vụ truyền thông th−ơng mại và các hệ thống liên quan. Ví dụ, có nhiều hệ thống vô tuyến công cộng: PDC (Personal Digital Cellular), GSM, PHS (Personal Handyphone System), DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) và các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 - ITM-2000. Tuy nhiên các hệ thống này sử dụng các băng tần, l−ợc đồ điều chế, giao thức truyền thông khác nhau do đó các thiết bị đầu cuối cho mỗi hệ thống này không sử dụng dịch vụ của hệ thống khác đ−ợc. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 67 SDR cho phép điều khiển các hệ thống vô tuyến khác nhau trên một thiết bị đầu cuối đơn, và dễ dàng cập nhật phiên bản phần mềm từ hệ thống [7]. Do đó, SDR giải quyết đ−ợc vấn đề không thống nhất hệ thống vô tuyến. SDR hứa hẹn một môi tr−ờng thông tin di động không gián đoạn. Hình 3.27. Cấu hình cơ bản của thiết bị SDR [9] Trong đó: + Multi-band antenna: ăngten đa băng tần + antenna part: khối ăngten + RF part: khối RF + Multi-band RF circuit: mạch RF đa băng tần + A/D, D/A: khối chuyển đổi số/t−ơng tự và chuyển đổi t−ơng tự/số + Programmable Processor: bộ xử lý có thể lập trình + External interface part: khối giao diện ngoài + Control part: khối điều khiển. Kỹ thuật triển khai trên thiết bị vô tuyến đ−ợc cấu hình các mạch số và t−ơng tự với sóng vô tuyến có thể linh động và có thể lập trình nhờ sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số. Điều đó cho các lợi ích sau: + Do một thiết bị đầu cuối đơn có thể hỗ trợ nhiều hệ thống vô tuyến nên cùng một phần cứng có thể đ−ợc sử dụng ở mọi nơi trên thế giới. + Hệ thống vô tuyến tối −u sẽ đ−ợc thiết lập một cách tự động và tài nguyên hạn chế (nh− công suất, phổ tần ...) đ−ợc sử dụng một cách hiệu quả. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 68 + Ng−ời dùng có thể sử dụng các dịch vụ vô tuyến mà không cần có sự hiểu biết về nhà khai thác hoặc mạng cung cấp dịch vụ. Các khó khăn về kỹ thuật: Một thiết bị SDR điển hình đ−ợc xây dựng bằng các thiết bị số có thể lập trình nh−: CPU, DSP (Digital Signal Proccessor: bộ xử lý số) hoặc FPGA. Các mạch điện vô tuyến nh− các bộ điều chế/giải điều chế đ−ợc chuyển mạch bằng phần mềm, nh−ng các mạch RF gồm có ăngten thì cần đ−ợc xây dựng bằng các mạch điện t−ơng tự [4]. Ngoài ra, các băng tần khác nhau đ−ợc sử dụng cho các hệ thống hiện tại, do đó nếu các hệ thống thông tin di động đ−ợc triển khai SDR thì một dải rộng các băng tần bao phủ từ các băng UHF/VHF đến hàng GHz đ−ợc sử dụng. Vì lý do này mà các mạch điện RF của các thiết bị SDR cần có các mạch điện RF đa băng tần có khả năng hỗ trợ các đặc tr−ng về bộ lọc/công suất phát/tần số có thể biến đổi để điều khiển nhiều hệ thống thông tin (khả năng đa chế độ). Một số thiết bị đầu cuối đa chế độ t−ơng thích với nhiều hệ thống vô tuyến đã đ−ợc th−ơng mại rộng rãi, ví dụ: thiết bị đầu cuối ở Mỹ t−ơng thích với các hệ thống vô tuyến: AMPS băng tần 800MHz, CDMA2000 băng tần 800MHz và băng 2GHz. Tuy nhiên những thiết bị đầu cuối này có đ−ợc khả năng đa chế độ bằng việc kết hợp các phần cứng riêng cho từng hệ thống, và chúng không có đặc tr−ng riêng của SDR là thay đổi chức năng bằng phần mềm. SDR không cần triển khai nhiều phần cứng để hỗ trợ nhiều hệ thống mà mục đích cuối cùng là tích hợp các phần cứng riêng đó thành một [6]. Cuối cùng, cần phát triển các bộ xử lý có thể cấu hình lại một cách tự động và các kỹ thuật nạp phần mềm an toàn để thực hiện nhiều loại truyền thông khác nhau bằng cách thay đổi tùy ý phần mềm tùy thuộc vào môi tr−ờng truyền thông. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 69 3.3.3 Điều khiển chuyển giao/tính di động Các kỹ thuật điều khiển chuyển giao, đặc biệt là chuyển giao nhanh là những kỹ thuật cho phép chuyển giao ở tốc độ cao hơn để triển khai các dịch vụ truyền thông không dây tốc độ cao và không gián đoạn. Các kỹ thuật này có thể đ−ợc áp dụng cho các khu vực: các dịch vụ truyền thông dung l−ợng lớn không gián đoạn nh− tải dữ liệu tốc độ cao trong máy bay, xe lửa, xe buýt, ô tô và các đối t−ợng chuyển động tốc độ cao; hoặc các dịch vụ truyền thông dung l−ợng lớn không gián đoạn khi có số l−ợng lớn ng−ời dùng di chuyển trong các đối t−ợng đ−ợc coi là nằm trong một mạng chuyển động; các dịch vụ truyền thông dựa trên SDR thực hiện đ−ợc nhờ chuyển giao không gián đoạn giữa các mạng không đồng nhất; và các dịch vụ truyền thông không gián đoạn trong các tế bào ba chiều mật độ cao. Thách thức chính đối với các kỹ thuật chuyển giao nhanh là: thực hiện chuyển giao nh−ng duy trì đ−ợc chất l−ợng dịch vụ (QoS); và chuyển giao nhanh để triển khai chuyển giao trong khi di chuyển ở tốc độ cao; thực hiện chuyển giao hiệu quả cho các mạng chuyển động nơi có số l−ợng lớn ng−ời sử dụng di chuyển trên xe lửa, xe buýt ...; chuyển mạch định tuyến gói tốc độ cao; các kỹ thuật bù mất gói; chuyển giao tuần tự giữa các mạng di động và các trạm gốc cố định; sự nhận diện tế bào tốc độ cao bên trong và bên ngoài mạng di động; và các kỹ thuật lựa chọn tế bào nhanh. Điều khiển di động là kỹ thuật để l−u vết sự di chuyển của thiết bị đầu cuối, thiết lập kết nối thông qua một mạng thích hợp, và thực hiện truyền thông. Đặc biệt, các kỹ thuật: IPv6 di động thực hiện tính di động dựa trên giao thức lớp IP, kỹ thuật NEMO (Network Mobility) thực hiện tính di động khi toàn bộ mạng của ng−ời dùng nằm trong xe lửa, xe buýt .. đang đ−ợc chú ý để nghiên cứu và phát triển dựa theo giả thiết rằng mạng IP sẽ đ−ợc cải tiến hơn nữa [6] [9]. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 70 3.3.3.1 Kỹ thuật chuyển giao liên tục IP di động là giao thức điển hình hỗ trợ thiết bị đầu cuối chuyển động trong các mạng IP. IP di động thực thi chuyển giao trong lớp IP, do đó nó đ−ợc ứng dụng để chuyển giao cho các mạng không đồng nhất của thiết bị đầu cuối chuyển động giữa các mạng truy cập khác nhau, bao gồm cả các mạng không dây và có dây cố định. Hình 3.28. Mô hình tham chiếu IEEE 802.21 [9] Chức năng chuyển giao liên tục dựa theo sự kiện L2 thực hiện phát hiện chuyển động nhanh và hiệu quả bằng việc thông báo cho các lớp cao hơn thông tin khác nhau trong lớp vật lý/lớp liên kết, cũng nh− là những sự kiện kết nối và ngắt kết nối của đ−ờng truyền. Chức năng này có mục đích thực hiện chuyển giao liên tục giữa các mạng không đồng nhất sử dụng IP di động và các giao thức chuyển giao khác. Hiện nay giao thức chuyển giao này đ−ợc Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 71 chuẩn hóa tại chuẩn IEEE 802.21. Kiến trúc của IEEE 802.21 mô tả ở hình 3.28 [9]. Chuyển giao độc lập môi tr−ờng MIH (Media Independent Handover) là một yếu tố để triển khai chuyển giao liên tục giữa các mạng không đồng nhất. MIH thực hiện các chức năng sau: + Hỗ trợ kết nối tới các mạng tối −u nhờ đạt đ−ợc các đặc tính của đ−ờng truyền hoặc của mạng (QoS, chi phí ...) từ các thiết bị liên lạc hoặc thiết bị mạng (trạm gốc) và gửi các thông tin đó lên lớp cao hơn. + Hỗ trợ chuyển giao nhanh nhờ gửi lên các lớp cao hơn các sự kiện chỉ ra sự thay đổi của đ−ờng truyền hoặc trạng thái mạng. 3.3.3.2 Kỹ thuật điều khiển tính di động IPv6 di động là một kỹ thuật cho phép liên lạc liên tục sử dụng cùng địa chỉ th−ờng trú HoA (Home Address) ngay cả khi thiết bị đầu cuối di chuyển sang một mạng có các host khác với mạng IP. IPv6 di động bao gồm các yếu tố: nút di động MN (Mobile Node), nút trung gian CN (Correspondent Node) và tác nhân nhà HA (Home Agent). MN chỉ một trạm đang di chuyển, CN là trạm đang liên lạc với MN (CN có thể là một MN), và HA là một thiết bị duy trì vị trí của MN và truyền các gói tin. Khi MN kết nối với mạng th−ờng trú (mạng kết nối với HA), MN liên lạc trực tiếp với CN, khi đó CN dùng địa chỉ th−ờng trú HoA. Nếu MN di chuyển, trong mạng mà MN chuyển tới, địa chỉ tạm thời CoA (Care-of Address) lấy đ−ợc và đăng ký với HA. HA chặn các gói tin gửi tới HoA sau đó thêm vào gói tin một mào đầu (header) đ−ợc đánh địa chỉ CoA của MN (gọi là tạo đ−ờng hầm-tunneling) và chuyển chúng tới MN. MN gửi gói tin đ−ợc đánh địa chỉ tới CN sử dụng đ−ờng hầm theo h−ớng ng−ợc lại. Những xử lý này đ−ợc thực hiện một cách trong suất với các lớp cao hơn lớp IP do đó các ứng dụng Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 72 vẫn liên lạc liên tục với MN dùng địa chỉ HoA. Liên lạc bằng đ−ờng ngắn hơn so với liên lạc qua HA có thể đ−ợc thực hiện thông qua sự tối −u hóa đ−ờng truyền RO (Route Optimization), là ph−ơng pháp MN đăng ký trực tiếp CoA với CN. Chú thích: + Bi-directional tunnel: đ−ờng hầm hai chiều + Optimized route: đ−ờng tối −u Hình 3.29. IPv6 di động [9] IPv6 di động có thể hoạt động qua nền IP một cách độc lập về ph−ơng tiện, do đó liên lạc đ−ợc giữ liên tục ngay cả khi thiết bị đầu cuối đa chế độ di chuyển giữa các mạng khác nhau. Ngoài ra, liên lạc trực tiếp giữa các thiết bị đầu cuối cũng có thể đ−ợc thiết lập bằng RO, điều này đ−a ra mức hiệu quả truyền thông cao hơn so với IPv4 di động. Với IPv6 di động, vì có trễ trong truyền dẫn các thông điệp giữa MN và HA, và thời gian cần thiết để dò tìm sự chuyển động của MN (thời gian dò chuyển động) nên có một khoảng thời gian vài giây trong khi chuyển giao liên lạc không đ−ợc thực hiện [9]. Do đó, chất l−ợng của các ứng dụng nhạy cảm với trễ, nh− điện thoại IP, sẽ bị suy giảm nghiêm trọng. Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 73 Các kỹ thuật chuyển giao nhanh cho IPv6 di động FMIPv6 (Fast Handovers for Mobile IPv6), IPv6 di động phân cấp HMIPv6 (Hierarchical Mobile IPv6) là những kỹ thuật rút ngắn thời gian chuyển giao. Hình 3.30 minh họa tổng quan về FMIPv6. FMIPv6 rút ngắn đ−ợc thời gian chuyển giao bằng cách thu đ−ợc CoA hợp lý ở đích đến (CoA mới) tr−ớc khi di chuyển. Ngoài ra, bằng việc chuyển các gói tin tới router truy cập (AR), AR mà MN kết nối tr−ớc khi di chuyển (Previous AR), trong thời gian chuyển giao tới đích đến mà các gói tin tr−ớc đó ch−a đ−ợc phân phối sẽ đ−ợc chuyển tới thiết bị đầu cuối [9]. AR (Access Router): bộ định tuyến truy cập (router phục vụ nh− là điểm kết nối để truy cập mạng). Hình 3.30. Chuyển giao nhanh cho IPv6 di động [9] HMIPv6 là kỹ thuật giảm thời gian đăng ký vị trí với HA bằng việc đ−a ra điểm neo di động MAP (Mobility Anchor Point), điểm này sẽ quản lý thông tin vị trí của các thiết bị đầu cuối trong một phạm vi xác định (MAP domain: miền MAP). Những thiết bị đầu cuối chỉ cần đăng ký vị trí với MAP khi chúng Luận văn tốt nghiệp Cao học XLTT-TT 2005-2007 Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động 4G 74 di chuyển trong miền MAP. Nói chung vì MAP đ−ợc đặt gần những thiết bị đầu cuối hơn HA nên giảm đ−ợc trễ truyền dẫn [9]. Ngoài ra cũng có nhiều vấn đề bảo mật cần đ−ợc giải quyết. Một hệ thống độc quyền: khả năng định tuyến đ−ờng về RR (Return Routability) đ−ợc sử dụng để chứng thực giữa MN và CN ở thời điểm tối −u đ−ờng đi RO, vì IPsec không sử dụng đ−ợc do thiếu khóa PKI toàn cục (Global PKI). RR đ−ợc xem là biện pháp đ−a ra mức bảo mật đầy đủ cho sử dụng thực tế, tuy nhiên nó có nhiều điểm yếu hơn so với IPsec. 3.3.3.3 Tính di động mạng NEMO (Network Mobility) Trong khi IP di động triển khai tính di động cho thiết bị đầu cuối thì NEMO triển khai tính di động cho toàn mạng. Các yếu tố cấu thành NEMO đ−ợc minh họa ở hình 3.31. NEMO triển khai tính di động có bộ định tuyến di động MR (Mobile Router) và tác nhân nhà (Home Agent). MR chuyển tiếp liên lạc giữa các nút mạng di động MNN (Mobile Network Node), các thiết bị đầu cuối trong mạng di động, và CN (Correspondent Node), các thiết bị đầu cuối bên ngoài (External Terminals). HA quản lý vị trí của MR [9]. MR lấy đ−ợc một CoA (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.