Báo cáo Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 UMTS

On-the-fly khi thực hiện các cuộc gọi chuyển mạch kênh. Khi thực hiện các kết nối chuyển mạch gói, chuyển giao được thực hiện khi cả UE và mạng đều thực hiện truyền gói không thành công. Các điều kiện chuyển giao không phụ thuộc vào loại chuyển giao mà phụ thuộc vào chiến lược chuyển giao trong mạng. Các điều kiện chuyển giao thường gặp là: điều kiện chất lượng tín hiệu, tính chất di chuyển của thuê bao, sự phân bố lưu lượng, băng tần… Điều kiện chất lượng tín hiệu là điều kiện khi chất lượn hay cường độ tín hiệu vô tuyến bị suy giảm dưới một ngưỡng nhất định được định nghĩa bởi RNC. Sự suy giảm tín hiệu sẽ được nhận biết bằng cách đo mức tín hiệu. Việc đo được thực hiện ở cả UE và RNC. Chuyển giao phụ thuộc vào chất lượng tín hiệu được thực hiện cả hướng lên và hướng xuống của đường truyền dẫn vô tuyến. Chuyển giao do nguyên nhân lưu lượng xảy ra khi dung lượng lưu lượng của cell đạt tới giới hạn tối đa cho phép hoặc vượt quá ngưỡng giới hạn đó. Khi đó các thuê bao nằm ngoài rìa của cell (có mật độ tải cao) sẽ được chuyển giao sang cell bên cạnh (có mật độ tải thấp). Bằng cách thực hiện chuyển giao như vậy, tải hệ thống sẽ được phân bố đều dung lượng và vùng phủ sóng được điều chỉnh một cách có hiệu quả đê đáp ứng nhu cầu trong mạng. Số lượng chuỷen giao phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của thuê bao. Khi UE di chuyển theo một hướng nhất định không thay đổi, tốc độ di chuyển của UE càng cao thì càng có nhiều chuyển giao thực hiện trong UTRAN. Để tránh những chuyển giao không cần thiết, thuê bao chuyển động với tốc độ cao có thể được thực hiện chuyển giao từ các cell vi mô (mcro-cell) đến các cell vĩ mô (macro-cell). Trong trường hợp ngược lại thuê bao di chuyển với tốc độ chậm., thuê bao này có thể được chuyển từ cell vĩ mô sang cell vi mô nhằm cải thiện chất lượng tín hiệu. Quyết định thực hiện chuyển giao thông thường được thực hiện bởi RNC đang phục vụ thuê bao đó, loại trừ trường hợp chuyển giao vì lý do lưu lượng. Chuyển giao do nguyên nhân lưu lượng được thực hiện bởi trung tâm chuyển mạch di động (MSC) Trình tự chuyển giao Trình tự chuyển giao gồm có ba phần như trên hình B.14 bao gồm: pha đo lường, pha quyết định và pha thực hiện. Quyết đinh: Các tham sốthuật toán Các đặc tính chuyển giao Thực hiện: Tín hiệu chuyển giao Phân bổ tài nguyên vô tuyến Đo lường: Đo các tham số Báo cáo các tham số đo được Hình B.14 Tiến trình thực hiện chuyển giao Đo lường là nhiệm vụ quan trọng trong qua trình chuyển giao vì hai lý do cơ bản sau: Mức tín hiệu trên đường truyền dẫn vô tuyến thay đổi rất lớn phụ thuộc vào fađinh và tổn hao đường truyền. Những thay đổi này phụ thuộc vào môi trường trong cell và tốc độ di chuyển của thuê bao. Số lượng các báo cáo đo lường quá nhiều sẽ làm ảnh hưởng đến tải hệ thống. Để thực hiện chuyển giao, trong suốt quá trình kết nối, UE liên tục đo cường độ tín hiệu của các cell lân cận và thông báo kết quả tới mạng, tới bộ điều khiển truy nhập vô tuyến RNC. Theo tiêu chuẩn kỹ thuật 3GPP TS 25.331, dữ liệu đo lường của UE có thể chia thành các nhóm như sau: Dữ liệu đo cùng tần số là tín hiệu đo cường độ tín hiệu cùng tần số của các kênh vật lý đường xuống. Dữ liệu đo tần số khác nhau là dữ liệu đo cường độ tín hiệu có tần số khác nhau của các kênh vật lý đường xuống. Dữ liệu đo giữa các hệ thống bao gồm dữ liệu đo cưòng độ của các kênh vật lý đường xuống của các hệ thống truy nhập khác, ví dụ như hệ thống GSM. Dữ liệu đo mật độ lưu lượng gồm dữ liệu đo mật độ đường lên. Dữ liệu đo chất lượng là số liệu đo các tham số chất lượng, chẳng hạn như tỉ lệ lỗi khối truyền tải của đường truyền xuống. Dữ liệu đo nội bộ gồm các số liệu đo công suất truyền dẫn UE và mức tín hiệu thu tại UE. Tín hiệu đo được kích bởi các điều kiện như sau: Thay đổi các cell tốt nhất (cell có mức độ tín hiệu cao nhất). Những thay đổi mức tín hiệu của kênh hoa tiêu sử dụng chung sơ cấp (CIPCH). Những thay đổi mức tín hiệu của kênh P-CCPCH. Những thay đổi về tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR). Những thay đổi của công suất mã hóa tín hiệu nhiễu (ISCP). Thông báo có tính chất chu kỳ. Thời điểm kích. Tiêu chuẩn WCDMA cung cấp một số chỉ tiêu đo lường để hỗ trợ cho cơ chế chuyển giao trong hệ thống. Pha quyết định chuyển giao bao gồm đánh giá tổng thể về QoS của kết nối so sánh nó với các thuộc tính QoS yêu cầu và ước lượng từ các cell lân cận. Tùy theo kết quả so sánh mà ta có thể quyết định thực hiện hay không thực hiện chuyển giao . SRNC khiểm tra các giá trị của các báo cáo đo đạc để kích hoạt một bộ các điều kiện chuyển giao. Nếu các điều kiện này bị kích họat, RNC sẽ cho phép thực hiện chuyển giao. Căn cứ vào quyết định chuyển giao, có thể phân chia chuyển giao ra thành hai loại như sau: Chuyển giao quyết định bởi mạng (NEHO). Chuyển giao quyết định bới thuê bao di động (MEHO). Trong trường hợp chuyển giao thực hiện bởi mạng (NEHO), SRNC thực hiện quyết định chuyển giao, trong trường hợp MEHO, UE thực hiện quyết định chuyển giao. Trong trường hợp kết hợp cả hai loại chuyển giaoNEHO và MEHO, quyết định chuyển giao được thực hiện bởi sự phối hợp giữa SRNC và UE. Ngay cả trong trường hợp chuyển giao MEHO, quyết định cuối cùng của việc thực hiện chuyển giao là do SRNC. RNC có trách nhiệm quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) của toàn bộ hệ thống, do đố RNC phải biết về tải của toàn bộ hệ thống và các thông tin cần thiết khác phục vụ cho việc thực hiện chuyển giao. Quyết định chuyển giao dựa trên các thông tin đo đạc của UE và BS cũng như các điều kiện để thực hiện thuật toán chuyển giao. Các tuật toán chuyển giao không được không được tiêu chuẩn hóa, chúng độc lập với quá trình xây dựng hệ thống. Do đó các thuật toán chuyển giao tiên tiến được sử dụng tự do dựa trên các tham số sẵn có kết hợp với khả năng đo đạc các phần tử của mạng, sự phân bố lưu lượng, quy hoạch mạng, cấu trúc hạ tầng mạng và chiến lược lưu lượng của toàn bộ hệ thống được sử dụng bởi các nhà cung cấp dịch vụ. Nguyên tắc chung thực hiện thuật toán chuyển giao được thể hiện trên hình D-34. Điều kiện đầu là các điều kiện thực hiện quyết định của thuật toán dựa trên mức tín hiệu hoa tiêu do UE thông báo. Các thuật ngữ và các tham số sau được sử dụng trong thuật toán chuyễn giao: Ngưỡng giới hạn trên: Là mức tín hiệu của kết nối đạt giá trị cực đại cho phép thỏa mãn một chất lượng dịch vụ QoS yêu cầu. Ngưỡng giới hạn dưới là mức tín hiệu của kết nối đạt giá trị cực tiểu cho phép thỏa mãn một chất lượng dịch vụ QoS yêu cầu. Do đó mức tín hiệu của kết nối không được nằm dưới ngưỡng đó. Giới hạn chuyển giao: là tham số được định nghĩa trước, được thiết lập tại thời điểm mà cường độ tín hiệu của cell bên cạnh (cellB) vượt quá cường độ tín hiệu của cell hiện tại (câl A) một lượng nhất định. Tập tích cực: là một danh sách các nhánh tín hiệu (các cell) mà UE thực hiện kết nối đồng thời tới mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN). Thuê bao UE đang ở cell A di chuyển về phía cell B, tín hiệu hoa tiêu của cell a suy giảm đến giới hạn dưới như lúc này xuất hiện kích thích chuyển giao theo các bước sau đây: Cường độ tín hiệu từ cell A(tín hiệu A) bằng với mức ngưỡng giới hạn dưới. Mặt khác, tùy theo giá trị đo của UE, RNC phát hiện có tín hiệu của cell B (tín hiệuB), tín hiệu này có cường độ đủ để cải thiện chất lượng kết nối. Do đó, RNC sẽ nhập tín hiệu B vào tập tích cực. Khi đó, UE có hai kết nối đồng thời tới UTRAN, UE sẽ thu tín hiêu tổng hợp của hai kết nối này. Tại vị trí này, chất lượng tín hiệu B tốt hơn tín hiệu A, RNC coi vị trí dó là điểm khởi đầu khi tính toán giới hạn chuyển giao. Cường độ tín hiệu B bằng hoặc tốt hơn ngưỡng gới hạn, mức tín hiệu này đủ để thỏa mãn yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS của kết nối. Bên cạnh đó, tổng tín hiệu tại UE vượt quá ngưỡng giới han trên và có khả năng gây nhiễu cho hệ thống. Khi đó RNC sẽ xóa tín hiệu A khỏi tập tích cực. Kích cỡ của tập tích cực có thể thay đổi được, thông thường tập tích cực có kích thước từ 1 đến 3 tín hiệu. Do hướng chuyển động của UE thay đổi nhẫu nihên, nó có thể quay trở lại cell A ngay sau khi chuyển giao. Đieuè này làm xảy ra một hiệu ứng gọi là hiệu ứng Ping-Pong. Hiệu ứng này ảnh hưởng xấu tới lưu lượng cũng như hoạt động của hệ thống. Do vậy càn sử dụng một giới hạn chuyển giao để tránh một số chuyển giao không cần thiết. Các loại chuyển giao Chuyển giao có thể chia thành các nhóm như sau: chuyển giao cứng, chuyển giao mềm và chuyển giao mềm hơn. Chuyển giao cứng được chia thành chuyển giao cứng cùng tần số và chuyển giao cứng khác tần số. Trong quá trình chuyển giao cứng kết nối cũ được giải phóng trước khi có kết nối mới tín hiệu bị ngắt trong quá trình chuyển giao. Trường hợp chuyển giao cứng cùng tần số xảy ra khi RNC không được kết nối với giao diện Iur vì vậy chuyển giao mềm giữa các RNC không thực hiện được. Đối với trường hợp này sự chuyển giao giữa các RNC có sự tham gia của MSC. Thông thường trong WCDMA hệ số tái sử dụng tần số bằng 1. Tuy nhiên điều đó không có nghĩa là không có khả năng tái sử dụng tần số. Trường hợp các sóng mang khác nhau được phân bổ cho các cell, chuyển giao cứng khác tần số được sử dụng. Chuyển giao liên tần số cũng được sử dụng trong mạng cellular có cấu trúc HCS giữa các lớp cell riêng rẽ như giữa các cell vi mô và các cell vĩ mô sử dụng các tần số sóng mang khác nhau trong cùng một vùng phủ sóng. Chuyển giao khác tần số được thực hiện không chỉ để duy trì kết nối mà còn để đảm bảo yêu cầu QoS. Chuyển giao cứng liên tần thông thường là NEHO. Chuyển giao liên tần cố thể xảy ra giữa hai mạng truy nhập vô tuyến khác nhau như giữa GSM và WCDMA. Khi đó, loại chuyển giao này gọi là chuyển giao liên hệ thống. Chuyển giao này được thực hiện ở những khu vực cả hai hệ thống cùng tồn tại. Chuyển giao liên hệ thống được sử dụng để bổ xung vùng phủ giữa hai hệ thống nhằm đảm bao phục vụ liên tục đồng thời còn tham gia điều khiển tải giữa hai hệ thống và có thể thực hiện theo yêu cầu của người sử dụng. Tuy nhiên các UE phải có khả năng hỗ trợ loại chuyển giao này. Khác với chuyển giao cứng, chuyển giao mềm được hệ thống theo nguyên li: thiết lập kết nối mới trước khi giải phóng kết nối cũ. Trong WCDMA hầu hết chuyển giao là chuyển giao mềm gữa các cell sử dụng cùng tần số. Chuyển giao mềm được thực hiện giữa các cell của các BS khác nhau nhưng không nhất thiết phải cùng RNC. Trong trường hợp khác RNC, các RNC phải điều khiển chuyển giao qua giao diện Iur. Chuyển giao mềm có nhiều loại: chuyển giao mềm hơn, chuyển giao mêm – mềm hơn. Chuyển giao mềm hơn là loại chuyển giao trong đó tín hiệu mới được thêm vào và xóa khỏi tập tích cực hoặc thay thế bởi tín hiệu mạnh hơn trong các sector khác nhau của cùng BS. Chuyển giao mềm hơn BS phát trong một sector nhưng thu từ nhiều sector khác nhau. Trong trường hợp này, UE có các kết nối vô tuyến tích cực đường lên qua nhiều sector của cùng một BS. Khi cả chuyển giao mềm và mềm hơn được sử dụng thì gọi là chuyển giao mềm – mềm hơn. Điều khiển công suất Trong WCDMA điều khiển công suất được hệ thực hiện cho cả đường lên và đường xuống. Về cơ bản, điều khiển công suất đường xuống nhằm tối thiểu nhiễu đến các cell khác và bù nhiễu do những cell khác gây ra để đạt được mức SNR yêu cầu. Tuy nhiên điều khiển công suất đường xuống không quan trọng bằng điều khiển công suất đường lên. Điều khiển công suất đường lên khắc phục hiệu ứng gần – xa (khi một UE ở gần BS mà không được điều khiển công suất thì công suất tín hiệu đến BS rất lớn sẽ chắn phần lớn hoặc toàn bộ cell) bằng cách duy trì mức công suất truyền dẫn của các UE trong cell là như nhau tại máy thu BS với cùng một QoS. Các hệ thống thông tin di động CDMA thực hiện điều khiển công suất đường lên nhanh và nghiêm ngặt. Hệ thống WCDMA sử dụng các phương pháp điều khiển công suất sau: Điều khiển công suất vòng hở OLPC Điều khiển công suất vòng kín CLPC Điều khiển công suất vòng trong Điều khiển công suất vòng ngoài Điều khiển công suất vòng hở Điều khiển công suất vòng hở sử dụng cho đường lên. UE điều chỉnh công suất phát đường lên khi truy nhập khởi tạo kết nối dựa vào đánh giá mức công suất tín hiệu hoa tiêu đường xuống. Tuy nhiên do điều kiện truyền sóng và tần số đường lên khác đường xuống nên đánh giá đó chưa chính xác. UE còn nhận thông tin điều khiển công suất từ kênh BCCH, tự đánh giá tổn hao đường truyền để xác định công suất phát cho phù hợp. Điều khiển công suất vòng kín Điều khiển công suất vòng kín trong WCDMA là điều khiển công suất nhanh tần số 1500 lần/giây. Nó được sử dụng khi kết nối đã được thiết lập để bù ảnh hưởng của sự biến thiên nhanh mức tín hiệu vô tuyến. Bước tăng giảm có thể là 1,2,3 dB. Công suất tăng hay giảm phụ thuộc vào mức thu SNR tại BS. Nếu mức SRN vượt ngưỡng thì BS ra lệnh cho UE giảm công suất phát và ngược lại. Một số tham số được sử dụng để đánh giá chất lượng công suất thu để quyết định điều khiển công suất như: SIR,FIR và BER. Trong hệ thống WCDMA, điều khiển công suất vòng kín bao gồm: điều khiển công suất vòng trong và điều khiển công suất vòng ngoài. Cơ chế điều khiển công suất vòng kín, nhanh nói trên được gọi là điều khiển công suất vòng trong. Điều khiển công suất vòng ngoài là loại điều khiển công suất vòng kín nhằm giữ cho mức ngưỡng SIRsetpoint phù hợp với mức chất lượng các đường truyền vô tuyến. Chất lượng các đường truyền vô tuyến được đánh giá bằng BER,FER. Do đó mức SIRsetpoint ở BS có thể thay đổi “thả nổi” quanh giá trị SIR tối thiểu đáp ứng được chất lượng dịch vụ. Các trường hợp điều khiển công suất đặc biệt Ngoài cơ chế điều khiển công suất thông thường còn có một số trường hợp điều khiển công suất đặc biệt như: điều khiển công suất kết hợp với chuyển giao mềm, kết hợp với phân tập vị trí trạm SSDT và điều khiển công suất ở chế độ nén. Điều khiển công suất kết hợp với chuyển giao mềm: Khi xảy ra chuyển giao mềm UE nhận được nhiều lệnh điều khiển công suất từ những BS khác nhau nó lựa chọn tuân theo nguyên tắc ưu tiên lệnh giảm công suất phát. Ngoài ra UE sử dụng một ngưỡng để xác định các lệnh điều khiển công suất ti cậy. SSDT cũng là một trường hợp điều khiển công suất đặc biệt: BS có mức tín hiệu mạnh nhất sẽ được lựa chon là BS truyền dẫn, sau đó các BS có kết nối đồng thời tới UE sẽ bị khóa kênh DPDCH. Do vậy công suất phát của UE được điều khiển bởi BS có mức tín hiệu mạnh nhất. Điều này giúp giảm can nhiễu đường xuống khi UE ở trạng thái chuyển giao mềm. Điều khiển công suất ở chế độ nén : ở chế độ nén hoạt động thu phát của BS và UE bị ngắt theo một chu kỳ nhất định để thực hiện đo lường các thông số vô tuyến của các hệ thống khác trong trường hợp chuyển giao giữa các hệ thống. Khi đó quá trình điều khiển công suất cũng bị ngăt. vì vậy UE sẽ thực hiện tăng giảm công suất với bước điều chỉnh lớn hơn bình thường để đảm bảo mức SIR phù hợp. Phần 3. Xu hướng phát triển sau 3G – triển vọng về hệ thống 4G Chương 1. Các xu hướng phát triển của hệ thống thông tin di động sau 3G Những hạn chế của hệ thống 3G và những yếu tố thúc đẩy 4G 3G là một bước tiến lớn trong thông tin di động. Thực tế 3G đã có thể cung cấp các dịch vụ đa phương tiện, dịch vụ dữ liệu tốc độ cao tối đa tới 2Mbps với chất lượng dịch vụ được cải thiện đáng kể so với hệ thống 2,5 G hiện nay. 3G cũng cải thiện đáng kể hiệu suất ở chế độ chuyển mạch gói. Mặc dù vậy 3G vẫn có những hạn chế sau: Để đạt được tốc độ dữ liệu cao là rất khó đối với công nghệ CDMA do can nhiễu giữa các dịch vụ. Khó có thể có đầy đủ các dịch vụ đa tốc độ với yêu cầu về hiệu năng và QoS khác nhau. Ngoài ra, dải tần được cấp cho hệ thống 3G sẽ bị bão hòa và có những ràng buộc khi kết hợp song công theo tần số và theo thời gian Trong tương lai, khoảng những năm 2010, sự phát triển công nghệ được dự đoán là sẽ hướng vào các hệ thống vô tuyến tích hợp. Hệ thống vô tuyến tích hợp sẽ trở nên phổ biến và các hệ thống sẽ tương tác với nhau tạo nên mạng trong nhà (HAN), trong các phương tiện giao thông (mạng VAN), trong các hệ thống sở hữu cá nhân tạo ra mạng khu vực cá nhân (mạng PAN). Những hệ thống này sẽ phục vụ voéi tư cách là phương tiện thông tin cự li ngắn gữa các thiết bị, hỗ trợ các tính năng giám sát và điều khiển trong hầu hết các trường hợp không cần có sự can thiệp của người sử dụng. Khi một người di chuyển trong những môi trường như vậy, các kết nối cự li ngắn sẽ cho phép thông tin cá nhân di chuyển cùng với anh ta: phòng khách sạn tự thay đổi nhiệt độ, chương trình TV, cường độ màu sắc ánh sáng hay những bài hát bản nhạc phù hợp với sở thích của anh ta. Tất nhiên các dịch vụ như vậy sẽ phải phù hợp với tất cả các dịch vụ di động của 3G như: Gửi / nhận thư điện tử (E.mail) Truy cập internet Các dịch vụ thông tin dựa trên vị trí. Truy nhập các cơ sở dữ liệu công ty. Chuyển File có kích thước lớn Các dịch vụ qua mạng (thương mại điện tử) Các dịch vụ nói trên tăng thêm nhu cầu truy nhập thông tin và nhu cầu đối với việc giao dịch thương mại cũng như các dịch vụ thông tin dựa trên vị trí. Tất cả đều yêu cầu tốc độ bit cao. Từ những phân tích đó có thể thấy hệ thống 4G sẽ yêu cầu sự linh động cao để có khả năng hỗ trợ: Lưu lượng người sử dụng. Các giao diện vô tuyến và các loại đầu cuối. Các môi trường truyền dẫn vô tuyến. Các loại hình chất lượng dịch vụ. Các đặc tính di động. Để có thể đáp ứng các yêu cầu như vậy, hệ thống 4G phải linh động và coa khả năng thích nghi ở mọi khía cạnh. Vì vậy, đối với một hệ thống 4G phần mềm có vai trò quan trọng hơn cơ sở hạ tầng phần cứng. Tích hợp cũng là một xu hướng chính của hệ thống 4G, đặc biệt là tích hợp mạng truy nhập vô tuyến với các phần tử mạng lõi. Các yếu tố chính thúc đẩy 4G: Sự đa dạng của các thiết bị (phân bố, tích hợp…). Các ứng dụng thương mại điện tử và các ứng dụng phụ thuộc vị trí. Sự mở rộng của các thủ tục IP để thực hiện các đặc tính di động và phạm vi rộng các QoS. Yếu tố cá nhân và bảo mật. Các giao diện vô tuyến và kết nối mạng động. Các cơ chế cải thiện vùng phủ. Việc sử dụng phổ tần động và việc cải thiện phổ tần. Triển vọng của hệ thống 4G Trong tương lai các yếu tố tác động đến hệ thống thông tin di động được thể hiện trên hình C-1 Các dịch vụ hội tụ toàn phần: Người sử dụng có thể truy nhập một phạm vi rộng các loại hình dịch vụ và ứng dụng rất thuận tiện và an toàn. Các dịch vụ này đáp ứng theo sở thích cá nhân của người sử dụng. Truy nhập di động mọi nơi: Chế độ truy nhập chiếm ưu thế sẽ là chế độ di động cho tất cả các dịch vụ thông tin thoại, phần lớn các thông tin số liệu tóc độ cao và một phần các dịch vụ quảng bá và giải trí. Truy nhập di động đối với các dịch vụ thương mại sẽ trở nên bình thường thay thế các dịch vụ hện tại. Sự đa dạng của các thiết bị người sử dụng: Người tiêu dùng sẽ có điều khiển lựa chọn một số lượng lớn các thiết bị di động giá thành thấp để thực hiện truy nhập một cách thuận tiện và thông suốt. Các thiết bị tương tác với người sử dụng theo cách đa cảm biến gồm không chỉ lời nói. thính giác, thị giác mà còn các giác quan khác, các số liệu sinh học và môi trường liên quan trực tiếp đến ứng dụng. Các thiết bị đặc biệt dành cho người tàn tật sẽ trở thành thực tế. Các mạng tự trị: Các hệ thống này là các mạng tự động thích nghi có khả năng tự quản lí cấu hình để phù hợp với những yêu cầu thay đổi của người sử dụng đối với cả dịch vụ và dung lượng. Việc sử dụng hiệu quả phổ tần vô tuyến là một yếu tố thiết yếu đối với các hệ thống này. Việc tự động và tự quản lí sẽ là tiêu chuẩn của các hệ thống đó. Tính phụ thuộc phần mềm: Các tác tử di động thông minh sẽ tồn tại trong mạng và ở thiết bị của người sử dụng. Các tác tử di động này sẽ hoạt động ở tất cả các lớp từ việc quản lí những sở thích cá nhân của người sử dụng đến việc tổ chức và tái cấu hình các phần tử chính trong mạng. Những cải tiến nâng cấp ở hệ thống 4G Những cải tiến ở lớp vật lí Thử thách nghiên cứu lớn nhất đối với hệ thống 4G là sự tiến triển của lớp vật lí. Mặc dù băng tần của hệ thống 2,5G và 3G cho phép truyền dẫn với tốc độ số liệu 384Kbps và 2Mbps, thông lượng trung bình của mỗi người sử dụng không thể đạt tới tốc độ 171Kbps trong giờ cao điểm. Đối với các dịch vụ thoại, dịch vụ truyền số liệu cơ bản và truy nhập internet di động, băng tần trên có khả năng đáp ứng được. Tuy nhiên, với các dịch vụ tương tác đa phương tiện như: hội nghị truyền hình, hiển thị hình ảnh từ xa và các mạng khu vực cá nhân di động (PAN) yêu cầu băng tần lên tới 80 đến 100Mbps. Trong số các xu hướng nâng cấp công nghệ ở lớp vật lí, hiệu suất sử dụng phổ tần có vai trò quan trọng. Sự cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần dẫn đến tăng mật độ thuê bao trong cell và mở rộng vùng phủ sang của cell. Những nghiên cứu lớp vật lí bao gồm: Băng tần: Tài nguyên vô tuyến bị hạn chế. Các băng tần 806 – 960 Mhz và 1710 – 1885 Mhz đã được sử dụng trong các hệ thống GSM – 900 Mhz , GSM – 1800 và PSC. Hệ thống 3G yêu cầu phổ tần mở rộng cho các yếu tố sau: Tăng số lượng thuê bao, ước tính số thuê bao di động trên toàn cầu là 2 tỉ người vao năm 2010. Tốc độ tăng trưởng nhanh của các dịch vụ số liệu di động. Yêu cầu phổ tần chung toàn cầu để thực hiện chuyển vùng và giảm giá thành máy cầm tay. Do đó, hội nghị thông tin di động thế giới 2000(WRC 2000) xác định các băng tần 1900 – 2025 và 2110 – 2200 MHz được sử dụng cho triển khai hệ thống 3G pha khởi tạo và các hệ thống thông tin vệ tinh. Các băng tần 806 – 960 MHz 1710 – 1885 MHz và 2500 – 2690 MHz sẽ được sử dụng trong các pha sau của các hệ thống 3G. Do các hệ thống 4G sẽ yêu cầu băng tần rộng hơn, chẳng hạn như hai băng tần không giấy phép bao gồm: một băng ở dải tần 5GHz và một băng ở dải tần 60GHz. Băng tần thứ nhất đã được nhiều hệ thống vô tuyến băng rộng sử dụng, ví dụ như WLAN. Băng tần thứ hai có thể có độ rộng lên tới 5GHz. Tuynhiên băng tần này sẽ nảh hưởng nhiều bởi can nhiễu hệ thống. Các hệ thống anten thông minh MIMO: MIMO tận dụng các đặc tính của môi trường truyền dẫn. Các hệ thống anten thông minh bao gồm nhiều phần tử anten với việc xử lí tín hiệu thông minhvà có hiệu quả để tối ưu hóa tín hiệu thu. Những nghiên cứu trong lĩnh vực này bao gồm: việc xử lí không gian, các mảng thích nghi, các mảng pha và tạo chùm số. Các nghiên cứu chỉ ra hoạt động ở dải tần 60 GHz cần tăng số lượng điểm truy nhập, nhưng cho phép sử dụng các thiết bị đầu cuối rẻ tiền. Các hoạt động nghiên cứu trong lĩnh vực phải so sánh giữa vùng phủ sóng và các khả năng QoS với giá thành và hạ tầng của thiết bị đầu cuối. Tỉ lệ mã hóa - điều chế thích nghi: Để đạt được hiệu quả sử dụng băng tần, truyền dẫn tín hiệu tối ưu và có hiệu quả, các hệ thống 4G phải có khả năng thích nghi động với tỉ lệ mã hóa và điều chế của mào đầu dựa trên các điều kiện và các ước lượng về chất lượng của kênh truyền dẫn. Các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16 QAM và 64 QAM với tỉ lệ mào đầu sửa sai bằng 1/2, 2/3 và 3/4 có thể được sử dụng ở các hệ thống này. Ngoài ra, ở hệ thống 60 GHz, can nhiễu có thể xuất hiện trong các cụm ngắn. Việc sử dụng công nghệ nghép kênh theo tần số trực giao (OFDM) ở các hệ thống 4G có thể tránh được can nhiễu giữa các sóng mang và tăng khả năng chống chịu của hệ thống đối với các kênh bị suy giảm. Các công nghệ mã hóa thoại mới như truyền dẫn không liên tục (DTX) có thể tiết kiệm băng tần truyền dẫn mà không cần hiện diện của tích cực thoại và mã hóa có tốc độ bit thay đổi (VBR). Các phương pháp mã hóa thoại mới tăng dung lượng mạng và cải thiện vùng phủ ở rìa cell, và có thể giảm khoảng 50% yêu cầudung lượng đối với dịch vụ thoại. Vô tuyến phần mềm (radio software): Đây là công nghệ vô tuyến cho phép tính linh hoạt của hệ thống 4G so với các mạng vô tuyến khác. Công nghệ này điều khiển các phần tử số của thiết bị cầm tay thuê bao tự động tự động nạp và khởi tạo các modun phần mềm phù hợp để đáp ứng công nghệ của khu vực hiện tại. Cấu trúc mạng và dịch vụ Để hỗ trợ thông tin di động đa phương tiện, đa tốc độ ở mọi lúc, mọi nơi, một mình hệ thống di động cellular không thể thực hiện được mục đích này một cách kinh tế. Hệ thống 4G sẽ thực hiện một mạng toàn IP (cả mạng truy nhập và mạng lõi) kết hợp các hệ thống cố định, hệ thống cự li ngắn, WLAN, hệ thống không dây, cellular và hệ thống quảng bá. Mạng sẽ tích hựp các giao diện và môi trường truyền dẫn vô tuyến khác nhau trên một nền tảng linh hoạt và có khả năng mở rộng. Các mạng truy nhập vô tuyến khác nhau sẽ được kết nối đến một mạng lõi duy nhất dựa trên giao thức IP Các chức năng bao gồm: Lớp kết nối giữa mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi IP bao gồm việc quản lí di động. Tương tác giữa các phương thức truy nhập: trong cùng một hệ thống hay giữa các hệ thống khác nhau, chuyển giao, thảo thuận về QoS, bảo mật và thuộc tính di động. Khả năng giao tiếp với các giao diện vô tuyến đang tồn tại và các giao diện vô tuyến mới. Cấu trúc mạng. 4G thay thế các mạng lõi di động hiện tại bằng mạng lõi duy nhất dựa trên giao thức IP để phục vụ cho việc điều khiển, truyền hình ảnh, số liệu gói và VoIP. Hệ thống 4G dựa rên mạng truy nhạp và lõi IP với việc quản lí có hiệu quả QoS dựa trên giao thức IP. IPv6 sẽ thay thế IPv4 bởi nó thích nghi tốt hơn đối với mạng di động ở khía cạnh dung lượng địa chỉ, quản lí Multicast, các cơ chế bảo mật, cơ chế QoS và quản lí di động. Hình C.2 và C.3 thể hiện cấu trúc mạng đề xuất cho hệ thống 4G, cấu trúc mạng mạng này tích hợp các thiết bị đầu cuối người sử dụng ở các hệ thống khác nhau như: các hệ thống WLAN, các hệ thống cellular, không dây (Wireless), các kết nối cự li ngắn, các hệ thống quảng bá và các hệ thống cố định vào một nền chung linh hoạt và có khả năng mở rộng. Điều đo cho phép các dịch vụ khác nhau có thể kết nối thông suốt đến mạng lõi dựa trên giao thức IP. Mỗi thiết bị có một số nhận dạng riêng, một số điện thoại, PIN hoặc địa chỉ IP cho tất cả các công nghệ truy nhập. Khả năng làm việc tương tác sẽ được yêu cầu giữa các hệ thống khác nhau dựa trên việc chuyển giao trong cùng một hệ thống và giữa các hệ thống khác nhau. Như đã chỉ ra trên hình D-3, mô hình 5 lớp được đề xuất với các lớp: lớp phân bố, lớp cellular, lớp điểm nóng, lớp mạng cá nhân và lớp cố định. Mức độ di động được hỗ trợ và kích thước vùng phủ của cell tăng từ lớp cố định tới lớp phân bố. Các hệ thống phát quảng bá hình ảnh và âm thanh số và các hệ thống vệ tinh là những công nghệ thuộc lớp phân bố. Lớp này có vùng phủ sóng toàn cầu và có khả năng hỗ trợ tất cả các cell, hỗ trợ tính năng di động và truy nhập toàn cầu. Các dịch vụ có thể được sử dụng ở các hệ thống này là: các kênh băng rộng đường xuống để hỗ trợ internet tốc độ cao, trong đó các hệ thống truy nhập khác có thể được sử dụng để thực hiện các yêu cầu số liệu và các tín hiệu phản hồi để thực hiện các dịch vụ bất đối xứng. Lớp cellular chứa các hệ thống 2G và 3G, các hệ thống này có dung lượng người sử dụng và tốc độ số liệu trên một đơn vị địa lí lớn và có tốc độ số liệu lên tới 2 Mbps. Các hệ thống này hỗ trợ vùng phủ toàn phần, đặc tính di động và chuyển vùng toàn cầu. Các ứng dụng đa phương tiện tốc độ trung bình của máy di động được thực hiện ở lớp này. Lớp điểm nóng bao gồm các hệ thống có dạng WLAN đang được phát triển như: kết nối HiperLAN/2, IEEE 802.11 hoặc hệ thống thông tin di động đa phương tiện tiên tiến MMAC. Các hệ thống này có một số đặc điểm rất linh hoạt như: các tốc độ số liệu được hỗ trợ, các phương thức điều chế thích nghi và các dịch vụ số liệu bất đối xứng. Lớp này hỗ trợ các ứng dụng có tốc độ bit rất cao và các kết nối đơn. Các hệ thống này được khai thác ở phạm vi công ty, trung tâm hội nghị và sân bay…Các thiết bị hotspot sẽ có cự li thông tin ngắn hơn so với lớp cellular, hỗ trợ vùng phủ khu vực, đặc tính di động khu vực và chuyển vùng toàn cầu. Lớp mạng cá nhân sẽ được sử dụng ở môi trường trong nhà và văn phòng được thực hiện dựa trên các thiết bị khác nhau như: máy sách tay, máy in, PDA và các ứng dụng gia dụng như: tủ lạnh, lò nướng, máy giặt sử dụng các bộ cảm biến thông minh. Đây sẽ là sự của một môi trường thông tin mọi nơi, trong đó môi trường sống của con người trở nên thông minh hơn chứa nhiều thiết bị thông tin không dây và máy tính nhỏ hơn. Các công nghệ hiện tại có thể được sử dụng như: Bluetooth, WiFi, HomeRF và DECT cũng như các công nghệ khác có thể sẽ xuất hiện trong tương lai người ta sắp cho ra đơi một công nghệ không dây cự li ngắn tốc độ rất cao bằng cách bắn vào không khí một lượng thông tin rất lớn. Các hệ thống này có thể được sử dụng để kết nối trực tiếp đến các hệ thống truy nhập trung gian hoặc tới các đầu cuối đa chế độ. Hệ thống này được trang bị khả năng kết nối giữa các thiết bị trong hệ thống cũng như kết nối tới mạng công cộng. Các hệ thống mạng cá nhân không có khả năng hỗ trợ đặc tính di động nhưng có khả năng hỗ trợ chuyển vùng toàn cầu. Cuối cùng, lớp cố định chứa các thành phần như: các hệ thống cáp quang, các hệ thống day xoắn các hệ thống cáp đồng trục. Các hệ thống có dung lượng lớn và có khả năng hỗ trợ các kết nối đơn. Khả năng tái cấu hình mạng Đặc tính tái cấu hình mạng là khả năng tái cấu hình đầu cuối cho phép thiết bị đầu cuối có thể chuyển vùng qua nhiều giao diện vô tuyến khác nhau bằng cách thay đổi cấu hình phần mềm; nó cũng cung cấp các dịch vụ động linh hoạt và thỏa hiệp truy nhập qua nhiều hệ thống mạng khác nhau sử dụng các nút mạng tối ưu trong kết nối đầu cuối đến đầu cuối. Điều này liên quan đến việc tái cấu hình của các lớp thủ tục, khả năng lập trình được của các nút mạng và khả năng tái cấu hình của các trạm gốc và các thiết bị đầu cuối. Yêu cầu là thực hiện điều khiển việc tái cấu hình phân bố. Hình D-4 mô tả khả năng tái cấu hình của nút bên trong và bên ngoài mạng. Việc tái cấu hình bên trong phải điều khiển tính chức năng của các nút mạng trước, trong và sau khi tái cấu hình và thỏa mãn các tiêu chuẩn và quy định truyền dẫn. Việc quản lí và tái cấu hình bên ngoài được yêu cầu để điều khiển lưu lượng đảm bảo các phương tiện truyền dẫn giữa các đầu cuối và các cổng mạng được đồng bộ và đảm bảo việc giám sát các cơ sở dữ liệu cần thiết sử dụng cho các phần mềm tái cấu hình có thể tải được. Đặc điểm cấu trúc mạng toàn IP Cấu trúc mạng di động thế hệ mới được mong đợi là sự hội tụ của các cấu trúc mạng phức hợp, phân bố và mạng toàn IP thay cho mạng lõi ATM truyền thống. Mạng lõi IP 4G sử dụng công nghệ chuyển mạch gói phi kết nối và giao tiếp thông qua các bộ định tuyến truy nhập với nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến trong nhà như: IEEE 802.11a, HiperLAN/2, Bluetooth… và các mạng cellular 3G/4G. Các bộ định tuyến cổng giao tiếp với mạng sử dụng dây dẫn và giao diện vô tuyến kế thừa từ các hệ thống thông tin trước đây như các mạng PSTN/ISDN và các công nghệ 2G/2G+ như: GSM, DCS, GPRS, CDMA. Việc quản lí di động đơn nhất cho phép xử lí chung các tham số của khách hàng và các địa chỉ internet, vị trí thuê bao và các chức năng nhận thực, chấp nhận nhân thực và thanh toán, thực hiện dễ dàng chuyển giao giữa các mạng vô tuyến của nhiều nhà sử dụng. Các mạng phân bố phức hợp và các mạng tự phát được sử dụng ở các băng tần không giấy phép sẽ cạnh tranh với mạng của các nhà khai thác và tạo ra các mạng trn cá nhân. Những lĩnh vực nghiên cứu đối với hệ thống 4G tập trung ở những vấn dề sau: Các mạng khu vực cá nhân/phức hợp: Các mạng thế hệ mới sẽ hỗ trợ tính linh động của các mạng phức hợp và các mạng thông tin cá nhân. Mạng khu vực cá nhân PAN chứa các thiết bị của người sử dụng mạng. Tích hợp giữa 3G và mạng LAN vô tuyến chiếm thị trường lớn và đang được kỳ vọng có tốc độ phát triển nhanh hơn nữa ở cả băng tần 2.4 GHz. Do có sự sử dụng rộng rãi của mạng LAN vô tuyến, các thuê bao di động trong tương lai sẽ có thể chuyển vùng thông suốt giữa mạng LAN vô tuyến và các mạng di động tế bào. Thủ tục đầu tiên có khả năng giải quyết vấn đề chuyển vùng là thủ tục IP vô tuyến. Lúc đó, nhiều thủ tục khác nhau sẽ được đề xuất để nhằm đối mặt với những hạn chế về QoS và trễ đường truyền có xu hướng gia tăng của thủ tục IP vô tuyến. Ví dụ như các thủ tục: IP vô tuyến có cấu trúc, IP tổ ong, chuyển giao nhận biết cơ sở hạ tầng truy cập Internet vô tuyến (HAWALL), IPv6 di động, IPv6 di động có cấu trúc và chuyển giao nhanh. Đặc tính di độngIP thông suốt: Đặc tính di động toàn cầu được mong đợi là một đặc điểm vô giá của mạng 4G. Bên cạnh việc tích hợp mạng LAN vô tuyến và mạng di động cellular, các mạng không dây 4G sẽ kết hợp nhiều nhà khai thác và nhiều công nghệ mạng để phủ sóng một vị trí địa lý đặc thù. Mỗi mạng GSM, DCS, GPRS, CDMAx, UMTS, Bluetooth, IEEE 802.11x, HiperLAN có thể phù hợp với nhiều tiêu chuẩn khác nhau và chứa số cell khác nhau, KHi có việc chồng lấn giữa các cell không nằm ngoài dự đoán. Bán kính logic và bán kính vật lí của cell và các đặc điểm truyền dẫn có thể thay đổi rất nhiều. Đặc biệt đối với các trường hợp của các hệ thống 60GHz, các tình huống phủ sóng và chuyển giao không ổn định sẽ là một trong những hạn chế chính của mạng. Quản lí vị trí: Đặc tính di động thông suốt của các mạng hỗn hợp nhiều nhà cung cấp 4G yêu cầu việc quy hoạch mở rộng của các thanh ghi định vị thường trú HLR và các thanh ghi định vị tạm trú VLR như trên hình D6 và một cơ chế quản lí vị trí tiên tiến để sử dụng các thông tin đã đăng ký và xác định chính xác vị trí của các thuê bao ở trong hệ thống cell. Việc quản lí vị trí hỗ trợ hai hoạt động: Hoạt động cập nhật hoặc đăng ký vị trí, hoạt động tìm kiếm hay nhắn tìm. Việc thỏa thuận về giá thành giữa việc cập nhập vị trí và tìm gọi được xác định dựa trên nhiều tham số khác nhau như: tốc độ đến của cuộc gọi, kích thước và số lượng cell, tốc độ và hướng của thuê bao. Nghiên cứu trong lĩnh vực quản lý vị trí ở các mạng 4G kết hợp với các công nghệ dựa trên vị trí tiên tiến như: hệ thống định vị toàn cầu GPS, cell gốc COO cường độ tín hiệu tăng cường ESS… Ngoài ra, các máy chủ quản lí vị trí của các mạng 4G đóng vai trò quan trọng hơn, ngoài việc định vị đơn thuần chúng còn xử lí các thông tin khác như: ID của thuê bao, tiểu sử của thuê bao, ID của nhiều thuê bao, các địa chỉ IP và việc tính cước đơn nhất. Cấu trúc vô tuyến bất đối xứng và việc phát quảng bá địa chỉ IP: hệ thống Internet di động là một đặc trưng của các hệ thống không dây tương lai. Yếu tố này có ảnh hưởng lớn đến giá thành triển khai mạng. Các hệ thống phần mềm Để thực hiện khả năng tái cấu hình ở các nút mạng và các thiết bị đầu cuối, chúng ta cần một lớp middleware. Lớp này bao gồm đặc điểm thông minh của mạng dưới dạng các môi trường hỗ trợ và xử lý phân bố hướng đối tượng. Các môi trường này hỗ trợ khả năng xóa bỏ các ranh giới truyền thống để có thể tương tác hoạt động và giám sát hệ thống. Xu hướng sử dụng tác tử phần mềm di động là đặc biệt quan trọng nhằm hỗ trợ khả năng xử lí phức tạp của các hệ thống phân bố. Trong hệ thống di động có một số đối tượng mà việc đánh địa chỉ, đặt tên và vị trí của chúng là những vấn đề chủ chốt. Một bước phát triển xa hơn nữa là sự ứng dụng của mô hình dịch vụ Web thay cho nguyên tắc master/slaver. Cùng với những ứng dụng mạng, sẽ có nhiều ứng dụng và dịch vụ trong hệ thống 4G mà kết hợp với các đối tượng, các giao diện API và các thủ tục. Các công nghệ này chứa trong lớp Middleware sử dụng cho hệ thống phần mềm 4G. ứng dụng nổi bật của hệ thống 4G chắc chắn sẽ là thiết bị trợ giúp cá nhân di động PMA. Thiết bị này có những chức năng như sau: Chức năng thông minh: Khả năng tự học hỏi theo kinh nghiệm. Khả năng quyết định để tổ chức cùng với các PMA khác và các chức năng kế hoạch của cơ sở dữ liệu mạng như: Nhật ký, việc đi lại, nghie ngơi… Một số chế độ thông tin: Thoại, hình ảnh động… Các thông tin định vị, định hướng và các dịch vụ phụ thuộc vị trí. Xác định và thông báo vị trí của trẻ em, vật nuôi… Xác định vị trí phương tiện giao thông và lập tuyến đường đi, các cảnh báo cho khách bộ hành. Tự động thông báo tai nạn. Những kiến thức đạt được do truy cập Internet thông minh. Các phương tiện thương mại điện tử. Các cảnh báo và điều chỉnh liên quan đến sức khỏe. Các dịch vụ giải trí: Phim ảnh, âm nhạc… Truy nhập vô tuyến Trong các phần trước, chúng ta đã phân tích các loại hình mạng và hệ thống phần mềm yêu cầu để thực hiện tái cấu hình, thích nghi, quản lý và điều khiển các dịch vụ đa tốc độ, đa phương tiện và các kết nối mạng. Sẽ có nhiều loại giao diện truy nhập vô tuyến dược tối ưu cho các môi trường và các dịch vụ mà chúng hỗ trợ. Phần vô tuyến của hệ thống 4G sẽ bị ảnh hưởng nhiều của môi trường truyền dẫn vô tuyến khác nhau, những hạn chế về phổ tần và môi trường hoạt động với tốc độ bit thay đổi và cao hơn nhiều so với các hệ thống trước đây ở chế độ truyền gói. Các yếu tố ảnh hưởng bao gồm: Khả năng tái cấu hình thích nghi – các thuật toán. Hiệu suất phổ tần – thiết kế giao diện vô tuyến và phân bổ băng tần. Vùng phủ theo điều kiện môi trường. Phần mềm sử dụng cho truy nhập mạng và truy nhập vô tuyến. Công nghệ: Tích hợp, công suất thấp, thời gian thông tin dài… Việc sử dụng xử lý tín hiệu thích nghi ở cả trạm gốc và thiết bị di động theo lý thuyết có thể tăng tốc độ bit hiệu dụngvới một băng tần cho trước. Trong hệ thống 3G, việc sử lý tín hiệu bị giới hạn ở trạm gốc, thách thức đối với hệ thống di động thế hệ mới là chuyển việc xử lý này tới các thiết bị đầu cuối để tạo ra sự phối hợp giữa hai trạm đầu (trạm gốc và thiết bị di động). Thiết bị này yêu cầu sự phối hợp chặt chẽ giữa trạm gốc và các thiết bị di động về thông tin của kênh báo hiệu, trong khi thực hiện việc quyết định phân bổ nguồn tài nguyên động. Ngoài ra, dung lượng ở cả hai đầu của kết nối phải được biết đồng thời do kênh truyền thay đổi về cả không gian và thời gian. Để tối đa hóa liên tục một kết nối, mạng vô tuyến phải đạt được và xử lý các biểu hiện chính xác về các tham số chỉ thị hiệu năng của hệ thống hiện tại ví dụ như: tạp âm, can nhiễu trong hệ thống và từ các hệ thống khác, vị trí, những thay đổi về tốc độ, dự đoán chất lượng kênh truyền. Những thông tin như vậy và độ chính xác của nó phải được truyền đến các lớp cao hơn của thủ tục hệ thống mà thực hiện việc quyết dịnh và ảnh hưởng đến việc phân bố tài nguyên. Hiển nhiên ở hệ thống 3G trạm gốc được chú ý đến nhiều hơn so với các thiết bị đầu cuối bởi vì nó chứa nguồn tài nguyên và dung lượng để thực hiện việc xử lý không gian-thời gian liên quan đến kỹ thuật DSP được sử dụng để xử lí mảng anten cùng với các cấu trúc anten hiện đại. Thách thức đối với các hệ thống di động thế hệ mới là việc chuyển việc xử lý này đến các thiết bị đầu cuối sử dụng các thuật toán và kĩ thuật điện tử hiệu quả mà vẫn cho phép nhiều dịch vụ và đảm bảo chất lượng cuộc gọi. Tính sẵn sàng của các tham số kết nối riêng cũng được sử dụng tại lớp mạng để thực hiện việc tối ưu hóa động nguồn tài nguyên mạng và tạo ra một mạng có khả năng tự quy hoạch. Yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đối với việc truy nhập vô tuyến là tính sẵn sàng của băng tần và việc sử dụng phổ tần. Hệ thống 3G hiện tại bị giới hạn ở dải tần 2 GHz nhưng dải tần này bị hạn chế ngay cả khi sử dụngthêm băng tần mở rộng. Do vậy, hệ thống 4G sẽ phải sử dụng băng tần mới. Chương 2. Một số công nghệ có thể được sử dụng trong hệ thống 4G Công nghệ vô tuyến phần mềm và khả năng tái cấu hình Giới thiệu chung Tái cấu hình liên quan đến việc định nghĩa lại phần mềm và/hoặc sự thích nghi của mỗi phần tử trong mỗi lớp của chuỗi thông tin. Những thuận lợi mà việc tái cấu hình có thể mang lại bao gồm: Đối với người sử dụng: Lựa chọn mạng tùy thuộc vào các yêu cầu dịch vụ và giá thành. Kết nối đến bất kỳ mạng nào (chuyển vùng toàn cầu). Truy nhập đến các dịch vụ mới. Đối với người diều hành: Phản ứng đối với những yêu cầu lưu lượng thay đổi (cân bằng tải). Việc nâng cấp và sử dụng các dịch vụ tích hợp. Sửa lỗi phần mềm và nâng cấp các thiết bị đầu cuối. Việc phát triển nhanh của các dịch vụ khách hàng và các dịch vụ cá nhân. Đối với nhà sản xuất: Một nền duy nhất cho tất cả các thị trường. Tăng tính linh hoạt và hiệu quả của sản phẩm. Khả năng tái cấu hình dựa trên công nghệ vô tuyến phần mềm (SDR). Khái niệm vô tuyến phần mềm xuất hiện như một “chủ đề nóng bỏng” trong các hệ thống thông tin di động từ đầu những năm 1990, tại thời điểm đó nhiều người coi công nghệ này như một giải pháp cho các vấn đề xử lý IF và RF phức tạp được yêu cầu trong các thiết bị đầu cuối di động đa chế độ/đa băng tần. Hiện nay, phần mềm vô tuyến được coi như một công nghệ cho phép tái cấu hình thiết bị đầu cuối. Công nghệ SDR được định nghĩa là một “công nghệ vô tuyến cho phép điều khiển bằng phần mềm nhiều loại kỹ thuật điều chế, các hoạt động băng hẹp hoặc băng rộng, các chức năng bảo mật thông tin và các yêu cầu về dạng sóng của các tiêu chuẩn hiện tại hoặc tương lai trong một phạm vi tần số rộng”. Một cách ngắn gọn, SDR liên quan đén công nghệ mà trong đó các môđun phần mềm hoạt động trên nền phần cứng chung bao gồm: DSP và các bộ vi xử lý công dụng chung được sử dụng để thực hiện các chức năng vô tuyến như: việc tạo các tín hiệu truyền dẫn tại máy phát (điều chế) và phát hiện tín hiệu thu tại máy thu (giải điều chế). Công nghệ vô tuyến phần mềm có thể được ứng dụng trong các hệ thống di động khác nhau như: Bluetooth, WLAN, GPRS, WCDMA… Những yếu tố thúc đẩy đối với công nghệ vô tuyến phần mềm SDR đã trở thành mối quan tâm trong công nghiệp thông tin di động, do công nghệ này có khả năng đem lại nhiều lợi ích thiết thực. ở hệ thống mạng vô tuyếnầm cơ sở hạ tầng mạng và các thiết bị đầu cuối thực hiện chủ yếu bằng phần cứng sẽ gặp phải những bất lợi sau: Các tiêu chuẩn mạng di động đàn phát triển từ hệ thống 2G đến 2.5G/3G và hệ thống 4G. Mỗi hệ thống mạng có sự khác nhau lớn ở các tiêu chuẩn thủ tục lớp liên kết. Vấn đề này gây ảnh hưởng tới các thuê bao, các nhà điều hành mạng và các nhà cung cấp thiết bị. Khách hàng buộc phải mua máy cầm tay mới mỗi khimột thế hệ tiêu chuẩn mạng mới được triển khai. Những nhà điều hành mạng gặp phải rắc rối khi nâng cấp mạng bởi một số lượng lớn các thuê bao đang sử dụng thiết bị cầm tay thế hệ cũ, những thiết bị này không tương thích với các tiêu chuẩn của mạng thế hệ mới. Các nhà điều hành mạng cũng phải gánh chịu giá thành thiết bị cao khi chuyển sang mạng thế hệ mới. Những nhà cung cấp thiết bị gặp phải rắc rối về vấn đề thời gian đưa thiết bị ra thị trường vì cấu trúc phần cứng của thiết bị phức tạp ở các thế hệ mạng sau này. Các giao diện vô tuyến và các thủ tục ở lớp liên kết dữ liệu của các hệ thống khác nhau là khác nhau (ví dụ như: tiêu chuẩn GSM/TDMA được sử dụng cho châu Âu, IS 95/CDMA sử dụng ở Mỹ…). Vấn đề này sẽ ngăn cản việc thực hiện chuyển vùng quốc tế và như vậy sẽ gây bất tiện cho những người sử dụng thường xuyên di chuyển giữa các châu lục. Các nhà cung cấp dịch vụ gặp phải khó khăn khi đưa ra thị trường các sản phẩm đầu cuối di động đa chế độ. Những nhà điều hành mạng sẽ gặp rắc rối khi thực hiện các dịch vụ hoặc các đặc tính mới vì điều này sẽ cần đến những thay đổi ở các máy đầu cuối di động. SDR cho phép thực hiện các chức năng vô tuyến ở các thiết bị cơ sở hạ tầng mạng và các đầu cuối thuê bao như là các Môđun phần mềm chạy trên nền phần cứng chung. Khi đó việc nâng cấp mạng sẽ trở nên đơn giản, chỉ cần nâng cấp phần mềm. Do đó các chức năng vô tuyến được thực hiện bởi các môđun phần mền cho nên nhiều môđun phần mềm sử dụng các tiêu chuẩn khác nhau có thể cùng tồn tại trong một thiết bị mạng hoặc một máy cầm tay. Một môđun phần mềm nhất định có thể được kích hoạt bởi người sử dụng hoặc bởi mạng tùy theo yêu cầu trong mạng . Do vậy, có thể dễ dàng thực hiện các đầu cuối đa chế độ để thực hiện các kết nối thông suốt không phụ thuộc vào loại công nghệ đang sử dụng. Công nghệ SDR hỗ trợ việc tải các môđun phần mềm qua giao diện vô tuyến tới các thuê bao di động. Khi đó các nhà điều hành mạng có thể thực hiện việc điều chỉnh trên diện rộng các thiết bị cầm tay của thuê bao bằng cách tải lên một số môđun phần mềm phù hợp. Như vậy nhà điều hành mạng có thể thực hiện việc triển khai các dịch vụ mới một cách nhanh gọn. Nhà sản xuất có thể thực hiện việc kiểm tra định kỳ từ xa các thiết bị do họ cung cấp, và có khả năng khắc phục các sự cố thiết bị bằng cách tải lên các phiên bản phần mềm mới tới thiết bị cầm tay của khách hàng. Tuy nhiên SDR cũng cómotj số hạn chế như: công suất tieu thụ lớn, yêu cầu năng lực xử lý cao và giá thành khởi tạo cao. Do vậy, công nghệ SDR không phù hợp với tất cả các loại thiết bị vô tuyến. Các yếu tố đó cần phải cân nhắc kỹ lưỡng trước khi sử dụng công nghệ SDR thay cho các giải pháp phần cứng. Chẳng hạn như: SDR không phù hợp đối với các thiết bị cầm tay tuy nhiên nó sẽ có lợi thế khi sử dụng ở trạm gốc. Các đặc điẻm của công nghệ SDR Các đặc điểm chủ yếu của công nghệ SDR bao gồm: Khả năng tái cấu hình: SDR cho phép nhiều môđun phần mềm thực hiện bởi các tiêu chuẩn khác nhau tồn tại trong cùng một hệ thống. Công nghệ này cho phép thực hiện cấu hình động hệ thống bằng cách kích hoạt các môđun phần mềm phù hợp. Cấu hình động phù hợp với cả các máy cầm tay lẫn các thiết bị hạ tầng mạng . Hạ tầng mạng vô tuyến có thể tự động thực hiện việc tái cấu hình để phù hợp với chủng loại thiết bị di động hoặc ngược lại các thiết bị di động thực hiện việc tái cấu hình để tương thích với công nghệ vô tuyến sử dụng trong mạng. Công nghệ DSR cho phép thực hiện các đầu cuối và các phần tử mạng đa dịch vụ, đa chế độ, đa tiêu chuẩn và đa băng tần . Khả năng kết nối thông suốt: SDR cho phép thực hiện các tiêu chuẩn giao diện vô tuyến như là các môđun phần mềm và nhiều mẫu môđun này được thực hiện bởi các tiêu chuẩn khác nhau có thể cùng tồn tại trong một cơ sở hạ tầng các thiết bị và các máy cầm tay. Do vậy, nó sẽ hỗ trợ tính năng chuyển vùng toàn cầu. Nếu ở một khu vực nhất định các thiết bị đầu cuối không tương thích với công nghệ mạng đang sử dụng, thì một môđun phần mềm phù hợp cần phải được cài đặt trong thiết bị cầm taydó (có thể thực hiện thông qua giao diện vô tuyến). Ngoài ra, nếu thiết bị ầm taybị lạc hậu thì mạng sẽ sử dụng các phần mềm cũ để giao tiếp với nó. Khả năng phối hợp hoạt động: SDR tạo điều kiện cho việc thực hiện các hệ thống vô tuyến cấu trúc mở. Người sử dụng đầu cuối có thể sử dụng các ứng dụng của nàh cung cấp thứ ba ở các thiết bị cầm tay của họ. Công nghệ tác tử Một tác tử là một phần tử phần mềm (một đối tượng) được đặt bên trong môi trường có khả năng kích hoạt và có khả năng hoạt động một cách tự động thay cho một người sử dụng hoặc một tiến trình để thực hiện một mục đích nhất định. Các đặc trưng của công nghệ tác tử: Các đặc trưng bắt buộc: - Tính phản ứng: Cảm nhận những thay đổi của điều kiện môi trường và phản ứng lại tùy theo những thay đổi đó. - Tính tự hành: tự điều khiển hoạt động của chúng. - Tính mục đích: thực hiện một công việc theo mục đích đã xác định từ trước Các đặc trưng khác: Tính hợp tác: giao tiếp/thỏa thuận cùng với các tác tử khác. Tính di động: di chuyển được từ máy chủ này sang máy chủ khác. Tính học hỏi: thích nghi theo kinh nghiệm. Tính tin cậy: tin cậy đối với người sử dụng. Tác tử giao diện. Tác tử hợp tác. Tác tử thông minh (kết hợp cả giao diện và hợp tác). Các tác tử giao diện Tác tử giao diện yêu cầu tính tự hành và kả năng học hỏi để thực hiện nhiệm vụ đại diện cho người sử dụng. Tác tửu giao diện có thể được coi là một người trợ giúp có khả năng làm việc cùng với những người sử dụng chúng. Ví dụ về vai trò của tác tử giao diện như: tự động thực hiện hoặc đơn giản hóa một số nhiệm vụ, tìm kiếm và lọc thông tin, phân loại thư điện tử, tải các trang web, điều hành và thích ứng với các hoạt động của người sử dụng và tìm hiểu phong cách, sở thích của người sử dụng. Tác tử hợp tác Tác tử hợp tác yêu cầu các thuộc tính: tự hành và phối hợp để thực hiện thông tin và tương tác theo nhóm đại diện cho người sử dụng các tổ chức và các dịch vụ. Tác tử hợp tác thực hiện các nhiệm vụ phức tạp mà một tác tử không thể thực hiện được. Các ví dụ về tác tử hợp tác bao gồm: thỏa thuận mua bán qua mạng, mạng cảm biến phân bố, các hệ thống hỗ trợ thực hiện quyết định và giám sát các dịch vụ viễn thông. Tác tử di động Trong khi các tác tử tĩnh tồn tại như một tiến trình xử lí đơn trên một máy chủ, thì các tác tử di động có thể dời đi và chuyển đoạn mã của chúng đến một máy chủ mới mà tại đó chúng có thể hoạt động lại. Tác tử di động được sử dụng để điều hành mạng và phân phối dịch vụ, ví dụ như đào tạo từ xa. Trong môi trường nhiều nhà cung cấp dịch vụ, người sử dụng yêu cầu một phương pháp đơn giản để lựa chọn một dịch vụ mong muốn và cơ chế phân phát dịch vụ đó trong thời gian thực với nỗ lực tối thiểu. Việc sử dụng tác tử di động sẽ vượt qua được những trở ngại trong các ứng dụng do hiệu năng xử lí của các thiết bị đầu cuối bị hạn chế và tốc độ di chuyển của chúng. Công nghệ điều chế UWB. Điều chế UWB sử dụng các dạng xung băng gốc có sườn trước và sau rất dốc. Những xung như vậy tạo ra một phổ tần rộng thực sự trải dài từ tần số DC tới vài GHz, không cần chuyển đổi lên tần số như đối với việc điều chế tín hiệu băng tần hẹp trước đây. UWB còn được gọi là kĩ thuật vô tuyến xung (Impulse Radio) cho phép sử dụng các thiết bị truyền dẫn băng rộng và giá thành rất thấp do dạng xung của máy phát được truyền trực tiếp tới anten mà không cần chuyển đổi lên(Upconvertion). Việc định dạng phổ tần được thực hiện bằng cách điều chỉnh dạng tín hiệu của xung có chu kỳ cực ngắn (xung đơn – monopulse) và thực hiện bằng cách điều chỉnh các tính tải của các phần tử anten đối với xung đó. Chu kỳ đỉnh đỉnh của xung đơn trong khoảng từ vài chục đến vài trăm pico giây. Chu kỳ đó xác định dạng phổ tần truyền dẫn. Các dạng tín hiệu UWB có dạng xung hẹp có mật độ công suất phổ rất thấp cho phép chúng có thể dùng đồng thời với các thiết bị RF khác sử dụng cùng phổ tần. Theo quy định của FCC, phổ tần của tín hiệu UWB nằm trong dải 3,1-10,6 GHz, với mức công suất phát nhỏ hơn 41 dBm trong băng tần đó. Để bảo vệ các ứng dụng cho hệ thống GPS và các dải tần cho quân sự, hàng không, dải tần của UWB bị giới hạn trong khoảng 960 MHz – 3,1 GHz. Băng tần rất rộng của tín hiệu UWB cho phép truyền dẫn số liệu tốc độ cao, có thể được sử dụng cho hệ thống LAN vô tuyến thế hệ mới. UWB có thể sử dụng các phương pháp xử lí tín hiệu băng gốc khác như: OOK, PAM, hoặc điều chế theo vị trí xung PPM. Ngoài ra, nhiều xung đơn có thể được truyền dẫn để tạo thành một bit tín hiệu đơn, do đó sẽ tạo ra tăng ích và phân tập mã có thể được sử dụng ở các máy thu UWB.