CHUYỂN TIẾP CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
TỪ THẾ HỆ 3 SANG THẾ HỆ THỨ 4
TS. NGUYỄN CẢNH MINH
Bộ môn Kỹ thuật Viễn thông
Khoa Điện - Điện tử
Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Bài báo dành cho việc nghiên cứu tổng quan các công nghệ sử dụng cho hệ
thống 4G, các tham số cơ bản của hệ thống 4G và lộ trình phát triển hệ thống thông tin di
động lên 4G.
Summary: This paper introduces an overview of technologies, the basic parameters
applied in 4G system and the evolution of mobile communication system to 4G.
I. GIỚI THIỆU CHUNG
Mặc dù các mạng 3G có đủ các tham số cần thiết nhằm cung cấp các dịch vụ tiên tiến,
nhưng công nghệ không dây tương lai đã đặt nền móng cho một thế hệ mới, mà hiện nay gọi là
thế hệ thứ 4 (4G). CT 2
Công nghệ 4G cần phải duy trì các dịch vụ đa phương tiện tương tác, hội nghị truyền hình
và internet không dây, có độ rộng băng tần lớn hơn, và rõ ràng có vận tốc truyền và tính di động
toàn cầu cao hơn. Các tính năng này không có ở hệ thống 3G. Phân tích đã cho thấy hệ thống
4G sẽ cho giả cả rẻ hơn so với 3G, do nó được xây dựng trên cơ sở mạng hiện có và không mất
chi phí lớn khi chuyển đổi thiết bị [1, 2].
II. CÁC CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG CHO HỆ THỐNG 4G
Trên hình 1 đưa ra các công nghệ mới, mà ảnh hưởng lớn đến hệ thống 4G, có mặt trên thị
trường di động trong những năm gần đây.
Hình 1. Các công nghệ sử dụng trong hệ thống 4G
Hệ thống 4G sẽ từng bước sử dụng các công nghệ mới hiện có như:
♦ OFDM WLAN (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) - mạng LAN không dây, sử
dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao.
♦ DVB-T - truyền hình quảng bá số mặt đất;
♦ UWB - công nghệ truyền băng siêu rộng;
♦ TD-SCDMA(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access) - công nghệ
đa truy nhập phân chia theo mã đồng bộ - phân chia theo thời gian;
♦ Smart antennas - ăng ten thông minh;
♦ BLAST - công nghệ ghép kênh phân chia theo không gian, nghiên cứu ở phòng thí
nghiệm Bella (Mỹ);
♦ Software radio - Radio phần mềm;
♦ WAP - Giao thức ứng dụng vô tuyến: truy nhập di động vào internet;
♦ Turbo-code - mã turbo;
♦ Bluetooth - công nghệ Bluetooth;
♦ Satellites - các vệ tinh;
♦ Micro-fuel cells - Pin nhiên liệu nhỏ;
CT 2
♦ All-IP - Công nghệ toàn IP;
♦ Optical Wireless - công nghệ liên lạc kết hợp sợi quang và vô tuyến;
♦ Ad-hoc - công nghệ truyền số liệu (cho mạng phi thực thể Ad-hoc).
III. CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG 4G
Hệ thống 4G đảm bảo tốc độ truyền số liệu đến 100Mb/s. Trong hội thảo lần thứ 8 diễn ra
ở Tokio, ITU-R đã đạt được thỏa thuận về tiến trình phát triển là các hệ thống viễn thông di
động sẽ được thống nhất với các hệ thống khác, ví dụ như với mạng nội vùng không dây và đến
năm 2010 sẽ đạt vận tốc truyền dữ liệu 100Mb/s.
Điểm cơ bản quan trọng nhất của hệ thống 4G là ở chỗ nó đảm bảo “sự chuyển đổi” tự do
giữa các chuẩn khác nhau, giữa các mạng máy tính, giữa các mạng thông tin, giữa các hệ thống
vệ tinh, giữa các người sử dụng hình ảnh - âm thanh, …, sử dụng các công nghệ mới và các
thuật ngữ mới.
Đồ thị trên hình 2 cho thấy tốc độ truyền số liệu ở các công nghệ viễn thông khác nhau.
Hình 2. Tốc độ truyền số liệu ở các công nghệ viễn thông
Broadband RLANs - Mạng LAN vô tuyến băng rộng.
Bluetooth - Công nghệ không dây mới cho mạng nội bộ ở dải tần 2,4 GHz.
Infrared (IrDA) - chuẩn IRDA cho truyền số liệu bằng hồng ngoại.
Future Very High-Speed RLANs - mạng LAN vô tuyến tốc độ truyền rất cao trong tương lai.
Hệ thống 4G với các đặc điểm then chốt như:
• Đủ tập hợp các hệ thống và thiết bị đa dạng khác nhau;
• Có nhiều ưu thế liên lạc máy - máy;
CT 2
• Đưa ra các dịch vụ đa dạng;
• Đa dạng các giao thức di động, băng tần và chất lượng dịch vụ QoS;
• Tính bảo mật và an toàn;
• Các giao diện vô tuyến và mạng động hơn;
• Sử dụng phổ hiệu quả và có ích hơn.
Trong bảng 1 đưa ra các tham số cơ bản của hệ thống 4G. Các tham số này đến thời điểm
hoàn thiện hệ thống 4G có thể thay đổi, nhưng nó minh họa rõ sự khác nhau giữa hệ thống 3G
và 4G.
Bảng 1. Các tham số cơ bản của hệ thống 4G
Băng tần 2-8Ghz
Độ rộng băng tần 5-20 Mhz
Tốc độ truyền số liệu Đến 100Mb/s
Sơ đồ đa truy nhập MC-CDMA (OFDM sử dụng CDMA)
hoặc OFDM
Sửa lỗi trực tiếp,
không yêu cầu truyền lặp lại Các sơ đồ mã hóa chuỗi
Chuyển mạch Gói
Vận tốc di chuyển lớn nhất 200 km/giờ
Tốc độ truyền số liệu Mbit/s
Cao
Cố định
Thấp
Khả năng di động
Tốc độ truyền số liệu, yêu cầu cho hệ thống 4G, có thể đạt được nhờ sơ đồ W-OFDM. Sơ
đồ mạng nội vùng với ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Wi-LAN's Wideband
Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Đây là sơ đồ cho phép truyền đồng thời các
dòng số liệu tốc độ lớn được mã hóa ở các tần số cao. Điều này cho phép đảm bảo tính an toàn ở
mức cao, tăng dung lượng số liệu được phát và sử dụng hiệu quả hơn dải tần được cấp phát. W-
OFDM dựa trên chuẩn IEEE 802.11a, là chuẩn cơ bản của IEEE 802.16. Công nghệ W-OFDM
hiên nay sử dụng các mạng nội vùng dải rộng không dây WLAN.
Nó phù hợp sử dụng với các mạng nhiều điểm công suất nhỏ, tránh được sự ảnh hưởng
giữa các mạng kề nhau. Điều này giúp các kênh độc lập có thể làm việc trong giới hạn băng tần,
cho phép các mạng nhiều điểm và các mạng trục chính dạng điểm - điểm làm việc trong cùng
một dải tần.
Phương pháp OFDM thay đổi các tần sóng mang theo thời gian cho phép điều khiển hiệu
quả chất lượng và các vận tốc truyền số liệu. Khả năng này đã được xem xét cho các thiết bị di
động 3G. Hệ thống OFDM chia kênh theo thời gian TDD với 512 sóng mang TDD và dải kênh
5Mhz đã được xem xét. Nó cho phép nhận tốc độ truyền số liệu 8Mb/s trong các áp dụng cố
định và đến 1Mb/s trong các áp dụng di động.
Để đáp ứng các yêu cầu mới đưa ra cần các hệ thống băng rộng với độ rộng băng tần lớn
hơn đáng kể so với hệ thống 3G. Băng tần cho hệ thống 4G sẽ là 2-8GHz với độ rộng băng tần
từ 5-20MHz.
Độ rộng băng tần, dành cho thông tin di động không dây, không thể đồng đều và hiệu quả
nếu thiếu triển khai các sơ đồ đa truy nhập mới. Một điều quan trọng là không làm mất tính
tương thích giữa các hệ thống CDMA 2G và 3G hiện có cũng như với mạng đa truy nhập dải
rộng BRAN (Broadband Access Networks), sử dụng OFDM.
CT 2
Một trong các sơ đồ đưa ra là sơ đồ FS/MC DS-CDMA. Nó chia tất cả các băng tần thành
các băng tần con, mà mỗi băng tần con có sóng mang riêng. Để sử dụng đồng đều và hiệu quả
các tài nguyên tần số của hệ thống bộ chuyển đổi tần số nhanh chậm được sử dụng. Không yêu
cầu các băng sóng con như nhau, nhằm cho phép đưa ra các sóng mang con cho các hệ thống
dải hẹp như IS - 95 hoặc cho các hệ thống CDMA với nhiều sóng mang. Số các sóng mang đủ
lớn và được xác định bằng tập các hệ số mở rộng phổ.
Dãy các băng tần được chia cho các hệ thống điển hình. Đồng thời cũng đảm bảo sự tương
thích với hệ thống đa truy nhập dải rộng BRAN và các hệ thống không cần cấp phép. Dãy các
kênh con với các hệ số mở rộng dải tần thay đổi có thể sử dụng cho các dịch vụ khác nhau,với
các yêu cầu vận tốc truyền thấp hoặc rất cao, điều này cần thiết ví dụ như khi truy nhập không
dây vào internet.
Một khả năng khác cho các hệ thống đa truy nhập sử dụng hiệu quả băng tần được chia - là
sử dụng công nghệ LAS (Large AreaSynchronization) - CDMA. Công nghệ này cho phép sử
dụng việc truyền số liệu trong băng tần đến 5,53 MHz và nhiều người có thể sử dụng đồng thời.
Công nghệ này là hợp nhất của công nghệ CDMA và TDD. Khi này không cần băng tần bổ
sung khi thêm các dịch vụ truyền số liệu và tiếng mới. Công nghệ đưa ra tương thích với công
nghệ IS-95, IS-41 và các hệ thống không dây GSM.
LAS-CDMA sử dụng các công nghệ mới mã hóa thông minh và mở rộng phổ, khắc phục
nhược điểm giao thoa trong cũng như giữa các ô liền kề. Sơ đồ LAS mở rộng phổ và mã hóa
giảm sự giao thoa bằng cách thống nhất 2 mức mã hóa, gọi là mã LA và mã LS. Sử dụng việc
truyền các mã thông minh giúp hệ thống LAS-CDMA tối ưu hóa phổ, điều này cho phép nâng
cao hiệu quả thu. Ngoài ra thực hiện việc tách số liệu và tiếng nói cũng là biện pháp nâng cao
hiệu quả.
IV. LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LÊN 4G
Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G được chỉ ra trên hình 3:
♦ HSPA (High Speed Packet Data) - giai đoạn 3G+: gọi chung của hai công nghệ truy
nhập HSDPA (truy nhập gói đường xuống tốc độ cao) và HSUPA (truy nhập gói đường lên tốc
độ cao). HSDPA có thể cung cấp tốc độ lên đến 10Mbps. Nó tăng dung lượng đường xuống
bằng cách thay thế điều chế QPSK trong 3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA. Hoạt động
trên cơ sở kết hợp ghép kênh theo thời gian (TDM) với ghép kênh theo mã và sử dụng thích ứng
đường truyền. Nó cũng đưa ra một kênh điều khiển riêng để đảm bảo tốc độ truyền dẫn số liệu.
Các kỹ thuật tương tự cũng được áp dụng cho đường lên trong chuẩn HSUPA .
♦ LTE (Long Term Evolution) hay Super-3G - giai đoạn đầu của 4G: trong giai đoạn này
tốc độ số liệu đạt được 30-100Mbps với băng thông 20MHz. CT 2
♦ IMT-Adv (IMT tiên tiến) - giai đoạn phát triển của 4G: Đây là thời kỳ tiếp sau của LTE.
Tốc độ số liệu đạt được từ 100 đến 1000 Mbps và băng thông 100MHz.
Hình 3. Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G