4G hệ thống thông tin di động của tương lai

4G - Hệ thống thông tin di động của tương lai
KS. Nguyễn Trung Kiên
I. GIỚI THIỆU
Hệ thống thông tin di động thế hệ 3G (Third-generation) được tiêu chuẩn hoá bởi IMT-2000
(International Mobile Telecommunications 2000), bắt đầu được phát triển tại Nhật Bản vào
tháng 10 năm 2001. Từ đó đến nay 3G đã phát triển một cách nhanh chóng và đóng một vai
trò quan trọng trong việc phát triển các loại dịch vụ đa phương tiện trong đó phải kể đến dịch
vụ Video. Với xu hướng phát triển như hiện nay, chúng ta tin rằng trong tương lai không xa
thông tin di động sẽ đóng một vai trò quan trọng hơn nữa trong đời sống hàng ngày, và sử
dụng điện thoại di động là một phần không thể thiếu của người dân trong mọi hoạt động.
Chính vì lý do này, thế hệ thông tin di động mới, thế hệ 4G, cần phải có những tính năng
vượt trội hơn so với khả năng của IMT-2000. Nghiên cứu, nắm bắt và phát triển hệ thống
thông tin di động 4G là một yêu cầu cần thiết hiện nay, phù hợp với xu thế phát triển chung
của ngành viễn thông.
Trong bài báo này, chúng tôi trình bày những nét cơ bản nhất liên quan đến những yêu cầu
về phẩm chất và khả năng của hệ thống 4G cần phải đáp ứng. Đi kèm theo đó là những vấn
đề kỹ thuật và cấu hình hệ thống để đảm bảo những yêu cầu này.
II. CÁC YÊU CẦU VÀ MỤC TIÊU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
II.1. Những yêu cầu
1. Thông tin băng rộng
Từ trước đến nay, lưu lượng trên mạng thông tin di động vẫn chủ yếu là lưu lượng thoại. Hệ
thống thế hệ 2G, hệ thống tế bào số cá nhân PDC (Personal Digital Cellular) đã giới thiệu
các dịch vụ I-mode. Những dịch vụ đang được phổ biến hiện nay như: truy cập Internet,
thương mại điện tử, e-mail. Những dịch vụ này chủ yếu là thông tin dữ liệu dựa trên văn bản
qua mạng tế bào. Hệ thống IMT-2000 đề xuất những dịch vụ tốc độ cao từ 64 đến 384 kbit/s,
và tỷ lệ lưu lượng số liệu trên thoại tăng lên. Tuy nhiên, sự phát triển mạnh của các dịch vụ
băng rộng như ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), các hệ thống truy nhập cáp
quang, các mạng LAN cơ quan, gia đình đã làm tăng nhu cầu sử dụng các dịch vụ tương
đồng của mạng thông tin di động.
2. Chi phí thấp
Khi các dịch vụ băng rộng phát triển, các thuê bao có thể trao đổi rất nhiều loại thông tin với

nhau, tuy nhiên họ lại không sẵn sảng trả một chi phí quá cao cho lượng thông tin trao đổi
quá nhiều như vậy. Vì vậy cần phải giảm giá cước của các dịch vụ xuống bằng hoặc thấp
hơn giá cước của các dịch vụ hiện tại. Hệ thống IMT-2000 đã giảm mức cước tính theo bít
và đưa ra các mức giá tương đối thấp, nhưng hệ thống 4G đòi hỏi một kênh băng thông rộng
với mức giá thậm chí thấp hơn mức giá theo bit mà IMT-2000 đưa ra.
3. Vùng phủ sóng rộng
Một trong những đặc tính của thông tin di động là có mặt khắp mọi nơi mọi lúc. Những khả
năng này cũng là một tiêu chí quan trọng cho sự phát triển của thông tin di động trong tương
lai. Khi một hệ thống mới đầu tiên được giới thiệu thì nói chung rất khó khăn trong việc cung
cấp một vùng phủ sóng rộng như mạng hiện có, và khách hàng sẽ không mua các thiết bị đầu
cuối mới nếu họ bị giới hạn vùng phủ sóng. Những thiết bị có màn hình hiển thị lớn, như
PDAs (Personal Digital Assistans) và máy tính cá nhân với khả năng kết nối không dây ngày
càng được sử dụng phổ biến. Gắn liền với những thiết bị này là các dịch vụ cao cấp và
thường được sử dụng trong nhà, vì vậy chúng ta cần đưa ra các dịch vụ với vùng phủ sóng
trong nhà tốt.


4. Dch v a dng v d s dng
i tng s dng thụng tin di ng rt a dng v rt khỏc nhau. Trong tng lai, chỳng ta
hy vng cú th nõng cao phm cht v chc nng h thng cú th cung cp nhiu loi hỡnh
dch v, khụng ch l cỏc dch v thoi truyn thng m cũn truyn cỏc thụng tin liờn quan
n tt c nm giỏc quan ca con ngi. V thuờ bao phi d dng s dng cỏc dch v ny
(d dng ci t, d dng kt ni, ).
II.2. Mc tiờu thit k
Mc tiờu thit k h thng ỏp nhng yờu cu trờn õy c minh ho trờn Hỡnh 1. Coi
thụng tin d liu v video l dch v chớnh, h thng 4G phi cung cp tc truyn dn cao
hn vi dung lng ln hn (c v s lng thuờ bao l lu lng) IMT-2000.
Hạ tầng dịch vụ mới
- Triển khai nhanh các dịch vụ mới
- Dễ dàng triển khai các dịch vụ mới

Kết nối và chuyển giao linh hoạt giữa
nhiều hệ thống truy nhập

Bắt đầu các dịch vụ mới dựa
trên những khả năng mới
Các dịch vụ cao cấp nhờ nâng
cao phẩm chất, tính năng mạng

Tốc độ truyền dẫn: 384 kbit/s
Dung lợng hệ thống
Chi phí
Hệ thống trạm gốc
Thời gian trễ

y100 Mbit/s (tốc độ cao nhất của
môi trờng di động); 1Gbit/s (tốc độ
tối đa của môi trờng trong nhà)
ygấp 10 lần hệ thống 3G
y1/10 đến 1/100 trên bít
yAll IP
y50 ms hoặc nhỏ hơn

Hệ thống IMT-2000

Hệ thống 4G

Hỡnh 1: Mc tiờu thit k h thng 4G
Hin nay, coi tc chớnh l cht lng truyn dn, mng LAN t c tc t 10 n
100 Mbit/s, v tc ca mng ADSL cng t c 2-3 Mbit/s. Mc tiờu thit k h thng
thụng tin di ng l t tc xp x 100 Mbit/s i vi mụi trng ngoi tri v c Gbit/s

vi mụi trng trong nh. S khụng cú ch cho mng thụng tin di ng th h mi nu
khụng cú tc ln hn ớt nht 10 ln tc hin ti ca IMT-2000. m thụng tin thi
gian thc gia cỏc thit b u cui vi nhau thỡ h thng mi cn phi gim thi gian tr
truyn dn xung di 50 ms. Gi s rng cỏc dch v trong tng lai s da trờn truyn dn
IP (Internet Protocol), hiu qu truyn dn gúi IP qua mng vụ tuyn cng cn phi tớnh n.
H thng mi bờn cnh vic nõng cao dung lng truyn dn phi m bo c vic gim
chi phớ. Chi phớ tớnh trờn 1 bớt truyn dn phi gim xung bng 1/10 hoc 1/100 mc chi phớ
hin ti bng cỏch gim chi phớ thit b h tng, chi phớ hot ng v chi phớ xõy dng. Mc
tiờu thit k c cp trờn õy tp trung vo nhng dch v cú phm cht tt hn cỏc dch
v hin ti, v d dng s dng. iu m nhng nh i tiờn phong trong th trng dch v
4G cn phi lu ý l kh nng tớch hp h thng LAN khụng dõy trong nh vi h thng hu
tuyn v thc hin trin khai cỏc dch v mi trong thi gian ngn.
III. Nhng vn c bn trong cu hỡnh h thng 4G
III.1. Nhng vn k thut
Vn k thut cn thit i vi mng thụng tin di ng th h 4G ỏp ng nhng yờu
cu c nờu ra phn trờn c trỡnh by trờn hỡnh 2.
1. Dung lng ln v tc truyn dn cao


IMT-2000 ó trin khai a truy nhp theo mó bng rng WCDMA (Wideband Code Division
Multiple Access) v t c tc 2Mbit/s vi bng tn cú rng 5 MHz. Ngy nay, vic
phỏt trin k thut iu ch v gii iu ch thớch nghi a lp cho phộp tc truyn dn t
xp x 10 Mbit/s vi cựng mt bng tn s dng. t c tc truyn dn t 100
Mbit/s n 1 Gbit/s, chỳng ta cn phi s dng bng tn ln hn v cỏc h thng truyn dn
mi phự hp vi truyn dn tc cao. i vi thụng tin d liu, chỳng ta s cn h thng
truy nhp vụ tuyn cú th truyn dn gúi tin hiu qu. Tm quan trng ca vic ph súng
trong nh ó thỳc y cỏc cụng ngh phi phỏt trin theo hng cú th s dng cho c mụi
trng truyn súng trong nh v ngoi tri. cú c nhng bng tn rng cho truyn dn
tc cao v ỏp ng nhu cu lu lng thoi ang tng cao, chỳng ta phi quan tõm n
cỏc bng tn mi, v phỏt trin cỏc phn t mng cn thit nh cỏc b khuch i, cỏc b lc

v tớnh toỏn suy hao truyn súng cho nhng bng tn ny. Cựng vi ú vic nghiờn cu phỏt
trin cỏc gii phỏp s dng hiu qu ti nguyờn ph tn hn ch cng rt cn thit.
2. Chi phớ thp hn
Vi cỏc cụng ngh cu hỡnh h thng thụng thng, nu s dng mt bng tn cao hn
t c tc truyn dn cao hn s lm gim kớch thc cell, hay gim vựng ph súng ca
mt trm gc. vn gi c vựng ph súng rng nh trc õy yờu cu phi cú nhiu
trm gc hn v do ú lm tng chi phớ mng. trỏnh c vn ny chỳng ta cn phi
m rng bỏn kớnh cell bng cỏch s dng nhng phng phỏp truyn dn vụ tuyn phm
cht cao hn, cỏc k thut iu ch v gii iu ch ci tin, dn anten thớch nghi, cỏc b thu
tp õm thp. Xa hn na, gim chi phớ xõy dng v hot ng mng, chỳng ta phi nghiờn
cu thc hin kt ni cỏc trm gc vi mng ng trc, cụng ngh trm gc iu khin c
lp v cỏc cụng ngh kt ni vụ tuyn phõn lp.
Công nghệ anten và truyền dẫn tín hiệu
y Truyền dẫn tốc độ cao/điều chế và giải điều
chế phẩm chất tốt
y Dung lợng lớn, truy nhập gói quảng bá
y Anten dàn thích nghi
y FEC, ARQ, TPC phẩm chất cao

Cấu trúc mạng truy nhập và điều khiển
y Điều khiển gói IP/điều khiển phân bố
mạng truy nhập vô tuyến RAN
y Điều khiên QoS truyền dẫn dữ liệu gói
y Điều khiển liên kết liền mạch với các
mạng khác

Thiết kế quỹ đờng truyền
và truyền dẫn sóng vô tuyến
y Truyễn dẫn vi ba
y Truyền dẫn quảng bá

y Truyễn dẫn trong nhà

RF circuit/EMC
y Khuếch đại hiệu suất cao
y Bộ nhận tạp âm thấp
y Softwave defined radio
y Microwave EMC

Các tuyến truy nhập
y Các tuyến vô tuyến quảng bá
y Mạng tích hợp quang/vô tuyến

FEC
ARQ
TPC
RAN
QoS
RF
EMC

: Mã sửa lỗi trớc
:Yêu cầu phát lại tự động
: Điều khiển công suất
: Mạng truy nhập vô tuyến
: Chất lợng dịch vụ
: Tần số vô tuyến
: Tơng thích điện từ trờng

Hỡnh 2: Nhng vn k thut liờn quan n cụng ngh vụ tuyn
3. Kt ni liờn mng da trờn cụng ngh IP

Mt bin phỏp cho nhng thuờ bao s dng h thng mi khụng gp phi vn v vựng
ph súng l phi m bo cỏc thit b u cui mi phi h tr hot ng trờn c h thng
c v h thng mi. Mt khỏc, chỳng ta phi tớnh n kh nng roaming quc t, mt thit b
u cui phi c h tr hot ng trờn nhiu h thng nh s dng cụng ngh SDR
(Softwave Defined Radio). Vi cụng ngh ny, thit b u cui cú th hot ng trờn nhiu
bng tn khỏc nhau ca cỏc quc gia v khu vc khỏc nhau. Hn na, mng thụng tin di
ng trong tng lai phi tớch hp vi nhiu phng thc truy nhp khỏc nhau, vi rt nhiu
loi cell cú cỏc kh nng kt ni liờn mng da trờn cụng ngh IP. Chớnh vỡ vy, kt ni liờn


mng v chuyn giao gia cỏc h thng truy nhp l mt yờu cu cn thit ngoi yờu cu v
kh nng chuyn giao v roaming ni b v gia hai mng thụng tin di ng vi nhau.
III.2. Cu hỡnh h thng
1. Cu hỡnh h thng da trờn IP
H thng 4G phi c cu hỡnh kt ni vi mng IP, truyn dn hiu qu cỏc gúi IP,
cựng tn ti vi cỏc h thng truy nhp khỏc, linh hot khi a vo khai thỏc, cú kh nng
m rng khi cn, Cỏc mng IP cng cú th kt ni d dng hoc phự hp vi cỏc h thng
truy nhp vụ tuyn khỏc hn cỏc h thng 4G. im truy nhp vụ tuyn 4G (4G-AP-4G
Access Point) s c kt ni vi mt b nh tuyn truy nhp AR (Access Router) nh trờn
Hỡnh 3. 4G-AP cú cỏc chc nng iu khin truyn dn vụ tuyn, chuyn giao, cho phộp
cỏc thit b di ng liờn lc vi nhau da trờn IP. Cỏc 4G-AP s c t tng ng vi cỏc
cell ca chỳng. Khi mt thit b di ng di chuyn gia cỏc cell, vic chuyn giao s c
thc hin bng chuyn mch n gin gia cỏc im truy nhp v cỏc vựng vụ tuyn nu hai
im 4G-AP kt ni vi cựng mt AR. Nu hai im 4G-AP thuc hai AR khỏc nhau thỡ
nh tuyn truyn dn gúi tin trong mng IP phi thay i tc thỡ. Liờt kt hot ng gia
chuyn mch 4G-IP v nh tuyn mng IP úng mt vai trũ rt quan trng i vi quỏ trỡnh
chuyn giao. i vi chuyn giao gia mt 4G-AP v mt AP ca h thng khỏc, thit b di
ng phi cú chc nng truy nhp c hai mng. Chuyn giao s c thc hin bng vic
theo dừi v so sỏnh gia cỏc h thng khỏc nhau la chn c mt h thng phự hp.
Nối với mạng khác

(Internet, )
Mạng IP
Mạng truy
nhập khác
Cell trong nhà

Mạng truy
nhập khác

Cell ngoài
trời

AR
: bộ định tuyến truy nhập
4G-AP : điểm truy nhập vô tuyến 4G
MR
: bộ định tuyến di động

Cell di động

Hỡnh 3: Cu hỡnh h thng 4G
2. Phõn loi v cu hỡnh cell theo mụi trng truyn dn
H thng 4G cú cell ngoi tri, trong nh, trong phng tin di chuyn, nh trờn Hỡnh 3.
Nhng cell ngoi tri cú vựng ph súng rng, cho phộp cỏc thit b u cui ang di chuyn
vi tc cao trao i thụng tin vi tc cao. Vựng ph trong nh c thc hin bi cỏc
indoor AP. Cỏc Indoor AP c thit k khụng ch giỳp trao i thụng tin tc cao v hot
ng n gin m cũn ỏp ng nhng yờu cu ca mt mng LAN vụ tuyn tng lai. Ngoi
ra, cỏc cell trong phng tin giao thụng di chuyn nh xe buýt, tu ho (c gi l cỏc
cell/mng di ng) c phc v bi mt b nh tuyn di ng MR (Mobile Router). MR
cú chc nng chuyn tip tớn hiu gia trm gc v thit b u cui trờn phng tin, nờn

nhng thit b u cui ny khụng liờn lc trc tip vi trm gc nh thụng thng. Cu hỡnh
ny c thit k t c hiu qu v cụng sut phỏt ca thit b u cui, tc truyn
dn, ln ca tớn hin iu khin. Kt ni multi-hop a chng, mt phng phỏp hiu qu
m rng kớch thc cell s c nghiờn cu nh l mt cỏch gii quyt vn cỏc
im cht gõy ra bi hiu ng búng. Truyn dn d liu qua trm chuyn tip c thc


hin ngay c khi b gii hn v cụng sut phỏt ca thit b u cui v suy hao truyn súng
ln.
3. Thụng tin a phng tin
Nhng mng IP trc õy ch yu cung cp cỏc dch v dng TCP, nhng vi cỏc ng dng
thi gian thc m c d bỏo l s phỏt trin mnh trong tng lai nh thụng tin a phng
tin thỡ vn QoS (Quality of Service) ca dch v rt quan trng v cn phi c chỳ ý.
Cu hỡnh h thng 4G cho phộp truyn dn vi tc cao, hot ng liờn kt vi cỏc mng
IP trong khi vn phi m bo c QoS ca truyn dn gúi.
Thông tin trực tiếp không thể thực hiện đợc do khoảng
cách lớn hơn phạm vi phủ sóng của single-hop

Thông tin trực tiếp bị chắn bởi
nhà cao tầng
Nhà cao tầng

Trạm gốc

Hỡnh 4: Liờn lc thụng qua cỏc kt ni multi-hop
V. Kt lun
H thng thụng tin di ng 4G ó v ang c nghiờn cu nhiu ni trờn th gii. Vi
mc ớch gii thiu nhng nột c bn nht v h thng thụng tin di ng trong tng lai, h
thng 4G, bi bỏo ó trỡnh by nhng c im cng nh nhng yờu cu c bn ca h
thng. Bờn cnh ú, chỳng tụi cp n nhng vn k thut liờn quan trong vic cu

hỡnh h thng 4G ỏp ng nhng yờu cu nờu trờn.
Ti liu tham kho
[1]. />[2]. F. ADACHI and M. UESUGI, Latest Trends in CDMA Technology, IEICE Journal,
Vol. 86, No. 2, pp. 96-102, 2003.
[3]. K. UEHARA, K. ARAKI, and M. UMEHIRA, Trends in Research and Development
of Software Defined Radio, NTT Technical Review, Vol. 1, No. 4. pp. 10-14, 2003.
[4]. A. Fujiwara, S. Takeda, H. Yoshino, T. Otsu, and Y. Yamao, System Capacity
Expansion Effect of Multi-hop Access in a Broadband CDMA Cellular System, IEICE
Trans. B, Vol. J85-B, No. 12, pp. 2073-2079, 2002.
[5]. T. OTSU, The Challenge of Systems beyond IMT-2000approach from wireless,
ITU Journal, Vol. 33, No. 3, pp. 26-30, 2003.
[6]. />[7]. />[8]. />[9]. />