Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của các dịch vụ truyền dữ liệu số liệu, cùng xu hướng tích hợp và IP hóa toàn diện hạ tầng viễn thông, đã đặt ra những yêu cầu kỹ thuật mới đối với ngành công nghiệp thông tin di động. Mặc dù mạng thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) ra đời đã khắc phục được nhiều hạn chế của các thế hệ trước, công nghệ này vẫn bộc lộ một số nhược điểm kỹ thuật lớn:

  • Tốc độ truyền dữ liệu tối đa chỉ đạt mức 2 Mbps, chưa đáp ứng đầy đủ nhu cầu ngày càng cao của người dùng đối với các dịch vụ thời gian thực như hội nghị truyền hình chất lượng cao hoặc truyền tải các tập tin dữ liệu dung lượng lớn.
  • Khả năng tích hợp với các mạng vô tuyến khác (như WLAN, WiMAX) còn nhiều hạn chế, tính mở của kiến trúc mạng chưa cao, tài nguyên băng tần hạn hẹp dẫn đến tình trạng nghẽn mạng tại các khu vực mật độ cao.

Tại thị trường Việt Nam, tốc độ tăng trưởng viễn thông di động được ghi nhận đứng thứ hai trên thế giới (sau Trung Quốc). Doanh nghiệp viễn thông Viettel (Viettel Mobile) tại thời điểm nghiên cứu đã đưa vào khai thác công nghệ GPRS (2.5G) để cung cấp các dịch vụ dữ liệu như WAP, truy nhập Internet trực tiếp và gián tiếp, nhắn tin đa phương tiện MMS, tải và xem video trực tuyến, thương mại điện tử di động và dịch vụ ngân hàng. Tuy nhiên, lưu lượng chính của mạng lưới vẫn là thoại truyền thống, trong khi giá cước dữ liệu còn cao và dự báo đến năm 2010 tỷ lệ thuê bao có nhu cầu sử dụng dịch vụ dữ liệu sẽ chiếm khoảng 50%.

Trước xu thế hội tụ mạng viễn thông thế giới tiến lên kiến trúc thuần IP (All-IP), đề tài "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ 4G cho mạng di động Viettel Mobile" được thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu tổng quan xu hướng chuyển dịch công nghệ và dịch vụ từ các thế hệ mạng 1G, 2G, 2.5G, 3G, 3.5G tiến lên 4G.
  2. Phân tích mô hình kiến trúc phân lớp của mạng 4G, nguyên lý hoạt động của các phần tử và công nghệ vô tuyến tiên tiến (OFDM, MIMO, SDR, Anten thông minh).
  3. Khảo sát hệ thống dịch vụ, kiến trúc và các chỉ tiêu đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) trên nền tảng mạng 4G theo tiêu chuẩn quốc tế.
  4. Đề xuất lộ trình chuyển đổi và ứng dụng công nghệ 4G cho mạng di động Viettel Mobile.
  • Đối tượng nghiên cứu: Công nghệ mạng thông tin di động thế hệ 4 (4G), kiến trúc All-IP, các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến băng rộng và hệ thống dịch vụ, chỉ tiêu QoS.
  • Phạm vi nghiên cứu: Ứng dụng thực tiễn trên hạ tầng mạng viễn thông của Viettel Mobile tại Việt Nam, đặt trong bối cảnh chuẩn hóa của các tổ chức quốc tế (ITU, 3GPP, ETSI) với mốc dự báo phát triển đến năm 2010.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình tiêu chuẩn

  • Mô hình định danh MAGIC cho mạng 4G: Bao gồm 5 đặc tính cốt lõi: Mobile multimedia (Đa phương tiện di động), Anytime anywhere (Mọi lúc, mọi nơi), Global mobility support (Hỗ trợ di động toàn cầu), Integrated wireless solution (Giải pháp vô tuyến tích hợp), và Customized personal service (Dịch vụ theo yêu cầu cá nhân).
  • Mô hình kiến trúc mạng phân lớp All-IP: Khung kết nối hội tụ các mạng truy nhập vô tuyến không đồng nhất (WCDMA, GPRS, WLAN, WiMAX) qua mạng lõi IP thế hệ mới (NGN) hỗ trợ IPv6.
  • Khung tiêu chuẩn chất lượng dịch vụ (QoS):
    • Khuyến nghị ITU-T E.800 về định nghĩa QoS và các tham số chất lượng mạng (NP - Network Performance).
    • Tiêu chuẩn của Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) về các khía cạnh QoS theo quan điểm người dùng.
  • Mô hình phân đoạn khách hàng của Lucent Technologies: Khung phân chia người dùng dịch vụ vô tuyến thành 5 nhóm: Age (Độ tuổi), Gender (Giới tính), Internet Usage (Mức độ sử dụng Internet), Income Brackets (Mức thu nhập), và Mobile Professional (Người dùng chuyên nghiệp).
  • Các tiêu chuẩn công nghệ viễn thông liên quan: Các chuẩn phát hành của 3GPP (Release 99, Release 5 HSDPA, Release 6 HSUPA), các chuẩn ETSI-TISPAN, ITU-T, CCSA và IEEE 802.20.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp kỹ thuật: Phân tích cấu trúc phần cứng, giao thức vô tuyến, các cơ chế mã hóa, điều chế và phân bổ tài nguyên qua từng thế hệ mạng thông tin di động.
  • Phương pháp mô hình hóa hệ thống: Phân chia kiến trúc mạng 4G thành các phân lớp chức năng rõ ràng, xác lập mối quan hệ tương tác giữa lớp vô tuyến, lớp mạng lõi, lớp điều khiển và lớp dịch vụ.
  • Phương pháp so sánh, đối chiếu: Đánh giá các tham số kỹ thuật về băng thông, độ trễ, hiệu suất sử dụng phổ tần giữa các công nghệ WCDMA, HSDPA, HSUPA và 4G (OFDM/MIMO).

Nguồn dữ liệu

  • Tài liệu chuẩn hóa kỹ thuật và khuyến nghị từ Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU), Tổ chức 3GPP, Viện ETSI.
  • Các báo cáo kỹ thuật, kết quả thử nghiệm hiệu năng của các hãng viễn thông quốc tế: Lucent Technologies, Alcatel, Ericsson, NTT Docomo.
  • Dữ liệu thực trạng mạng lưới, dịch vụ GPRS và định hướng phát triển của mạng di động Viettel Mobile.

Thiết kế và cấu trúc hệ thống kỹ thuật

Đồ án xây dựng mô hình mạng thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) dựa trên kiến trúc phân lớp nhằm đảm bảo tính mở, tính linh hoạt và khả năng tích hợp trong suốt giữa các mạng truy nhập vô tuyến không đồng nhất.

1. Kiến trúc phân lớp hệ thống mạng 4G

  • Lớp truy nhập vô tuyến (RAN - Radio Access Network): Đảm nhiệm việc tạo và duy trì các kênh mang truy nhập vô tuyến (RAB) để kết nối thiết bị người dùng (UE) với mạng lõi (CN).
    • Thiết bị người dùng (UE): Thiết bị đầu cuối đa chế độ (Multi-mode), hỗ trợ nhiều giao diện vô tuyến (GSM, GPRS, W-CDMA, cdma2000, Wi-Fi), hoạt động trên các hệ điều hành mở (Symbian, Linux, Smartphone), hỗ trợ môi trường ứng dụng J2ME, .NET và hỗ trợ cả IPv4 lẫn IPv6.
    • Điểm truy nhập vô tuyến (RAP - Radio Access Point): Thực hiện xử lý Lớp 1 (mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ), điều khiển công suất vòng trong và tích hợp các công nghệ vô tuyến tiên tiến.
    • Bộ điều khiển truy nhập vô tuyến (RAC - Radio Access Controller): Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM), lập lịch nhanh, hỗ trợ cơ chế HARQ và khoảng thời gian truyền dẫn ngắn (TTI).
  • Lớp mạng lõi (Core Network - CN): Thiết kế hoàn toàn trên nền tảng chuyển mạch gói All-IP sử dụng giao thức IPv6 và IP di động (Mobile IP).
    • Cổng đa phương tiện (MGW - Multimedia Gateway): Thực hiện chuyển đổi lưu lượng giữa gói IP và luồng PCM tiêu chuẩn khi kết nối sang mạng PSTN, chuyển mạch và định tuyến các luồng thời gian thực RTP/IP dưới sự kiểm soát của MGCF.
    • Hệ thống định tuyến (Routers): Áp dụng giao thức định tuyến BGP (Border Gateway Protocol) kết hợp với định tuyến liên vùng không phân lớp CIDR và kỹ thuật Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) tại Lớp 2 để tối ưu hóa hiệu quả chuyển tiếp dữ liệu và đảm bảo thông lượng mạng.
  • Lớp chức năng điều khiển: Cung cấp hạ tầng điều khiển báo hiệu tập trung và quản lý phiên, đảm bảo chất lượng dịch vụ và tính an toàn.
    • Trung tâm mã điểm báo hiệu (STP) và Cổng báo hiệu (SGW): Chuyển đổi và xử lý báo hiệu SS7 qua mạng IP (SS7oIP).
    • Hỗ trợ di động: Thực hiện chuyển vùng vi mô (Micro mobility qua CIP, Hawaii, HMIP) và chuyển vùng vĩ mô (Macro mobility qua Mobile IPv4, Mobile IPv6).
  • Lớp ứng dụng và dịch vụ: Cung cấp môi trường mở để triển khai các ứng dụng đa phương tiện, tích hợp các hệ thống quản lý hồ sơ cá nhân và máy chủ ứng dụng SIP.

2. Các công nghệ vô tuyến cốt lõi tại lớp truy nhập

  • Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM/OFDMA): Chia băng thông thành nhiều sóng mang con trực giao băng hẹp, loại bỏ hiện tượng nhiễu đa đường mà không cần bộ cân bằng phức tạp, chèn khoảng bảo vệ (Guard Interval) và cho phép tối ưu hóa tài nguyên trên cả miền thời gian, tần số, không gian và mã.
  • Hệ thống Anten thông minh (Smart Antenna): Sử dụng mảng anten kết hợp xử lý tín hiệu thích nghi để tự động tối ưu giản đồ bức xạ, tăng độ lợi tín hiệu, loại bỏ nhiễu đồng kênh, giảm tác động của fading đa đường và tiết kiệm công suất phát.
  • Công nghệ đa anten phát - đa anten thu (MIMO): Ghép kênh không gian giữa $m$ anten phát và $n$ anten thu, kết hợp với OFDM giúp tăng dung lượng và hiệu suất sử dụng phổ tần mà không cần mở rộng băng thông phát.
  • Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR): Cho phép cấu hình lại trạm gốc và thiết bị đầu cuối qua phần mềm để hỗ trợ nhiều băng tần và chuẩn vô tuyến khác nhau, tạo điều kiện triển khai các tế bào vi mô (microcell, picocell) đa chuẩn.
  • Điều chế và mã hóa thích ứng (AMC): Tự động điều chỉnh sơ đồ điều chế và tốc độ mã hóa theo chất lượng kênh truyền thực tế thay thế cho cơ chế điều khiển công suất truyền thống.
Thành phần / Công nghệ Phân lớp chức năng Vai trò và nhiệm vụ kỹ thuật chính
OFDM / OFDMA Truy nhập vô tuyến (Lớp 1) Chống fading đa đường, chia nhỏ băng thông thành các sóng mang con trực giao, tối ưu hóa cấp phát tài nguyên
MIMO Truy nhập vô tuyến (Lớp 1) Ghép kênh không gian, nâng cao thông lượng dữ liệu và hiệu quả phổ tần
Smart Antenna Truy nhập vô tuyến (Lớp 1) Định hình búp sóng, tăng vùng phủ trạm gốc, loại bỏ nhiễu đồng kênh
SDR Truy nhập vô tuyến (RAP/UE) Tái cấu hình phần mềm hỗ trợ hoạt động đa băng tần, đa chuẩn vô tuyến
AMC & HARQ Truy nhập vô tuyến (RAP/RAC) Thích ứng liên kết theo kênh truyền, yêu cầu phát lại tự động nhanh
MGW / MGCF Mạng lõi (Core Network) Chuyển đổi định dạng dữ liệu (PCM/IP), định tuyến luồng RTP/IP, giao tiếp PSTN
BGP & MPLS Mạng lõi (Core Network) Định tuyến liên miền tự trị, chuyển mạch nhãn Lớp 2 tăng tốc độ xử lý gói
SGW / SS7oIP Lớp điều khiển Hội tụ và truyền tải báo hiệu SS7 truyền thống trên nền tảng mạng IP
IPv6 & Mobile IP Toàn mạng / Mạng lõi Cung cấp không gian địa chỉ lớn, hỗ trợ định vị chính xác và chuyển giao liền mạch

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Xu hướng phát triển công nghệ và dịch vụ của các mạng di động

Chương 1 hệ thống hóa lịch sử tiến hóa của các hệ thống thông tin di động từ thế hệ đầu tiên đến thế hệ thứ tư, đồng thời phân tích các động lực thúc đẩy sự ra đời của mạng 4G:

  • Tiến trình phát triển các thế hệ mạng:
    • 1G (thập niên 1970): Công nghệ tương tự, cấu trúc mạng tế bào cơ bản, phục vụ thoại, tồn tại nhiều hệ thống không tương thích.
    • 2G (thập niên 1980): Số hóa tín hiệu, chủ yếu cho thoại và dữ liệu tốc độ thấp (9.6 Kbps; thiết bị 504i đạt 28.8 Kbps), phân mảnh chuẩn gồm GSM, TDMA (IS-54/IS-136), PDC và CDMA (IS-95).
    • 2.5G (GPRS): Chuyển mạch gói trên nền 2G, tốc độ dữ liệu nâng lên đến 384 Kbps, đưa giao thức Internet vào thiết bị cầm tay cá nhân.
    • 3G (W-CDMA, CDMA2000): Chuẩn hóa bởi ITU, tốc độ hỗ trợ 144 Kbps (di chuyển nhanh trên xe hơi), 384 Kbps (di chuyển trong khu vực) và 2 Mbps (môi trường trong nhà). Tốc độ download thực tế điển hình đạt ~200 Kbps, upload 64 Kbps. Mạng 3G đầu tiên được triển khai tại Nhật Bản năm 2001 bởi NTT Docomo và Ericsson.
    • 3.5G (HSDPA, HSUPA): HSDPA (3GPP Release 5) nâng tốc độ đường xuống vượt mức 10 Mbps qua kênh chia sẻ HS-DSCH; HSUPA (Release 6) cải thiện tốc độ đường lên.
  • Hạn chế kỹ thuật của 3G: Giới hạn tài nguyên phổ tần, khó mở rộng băng thông liên tục cho các dịch vụ đa phương tiện đòi hỏi QoS khác nhau, khó chuyển vùng liên tục qua các môi trường vô tuyến khác nhau, thiếu cơ chế truyền dẫn đầu cuối - đầu cuối thông suốt giữa mạng di động và cố định.
  • Ba xu hướng tiếp cận công nghệ 4G: Xu hướng phát triển tiếp từ nền tảng 3G/CDMA; xu hướng mạng LAN vô tuyến băng rộng (WiFi, VoWLAN); xu hướng chuẩn IEEE 802.20 hướng tới mạng lõi NGN dựa trên các tiêu chuẩn ETSI-TISPAN, ITU-T, 3GPP và CCSA.
  • Phân đoạn thị trường người dùng (theo Lucent Technologies):
    • Gender: Tập trung vào người dùng nữ, thu nhập trung bình, ưa chuộng ứng dụng xã hội, chat, tin nhắn nhanh.
    • Age: Nhóm giới trẻ $\le 18$ tuổi, sử dụng các dịch vụ giải trí, âm nhạc.
    • Internet Usage: Nhóm duyệt web $>30$ phút/phiên, yêu cầu tin tức cá nhân hóa dạng đa phương tiện.
    • Income Brackets: Nhóm trung lưu, yêu cầu dịch vụ tin tức tài chính theo thời gian thực và đòi hỏi tính an toàn cao.
    • Mobile Professional: Người dùng chuyên nghiệp, dùng thiết bị quản lý công việc (email, fax di động, roaming toàn cầu), yêu cầu độ tin cậy và bảo mật nghiêm ngặt.

Chương 2: Mô hình cấu trúc mạng 4G

Chương 2 trình bày chi tiết các yêu cầu kỹ thuật, so sánh các kiến trúc tiền nhiệm và thiết lập mô hình 4 lớp cho mạng 4G:

  • Sáu yêu cầu cấu trúc mạng 4G:
    1. Khả năng tích hợp đa mạng: Kết nối liền mạch mạng 2G, 3G, 3.5G, WLAN, WiMAX, PSTN, ISDN trên nền giao thức All-IP.
    2. Tính mở của hệ thống: Cho phép nhà cung cấp thứ ba cài đặt các thành phần và giao diện mới trên các lớp.
    3. Đảm bảo QoS cho đa phương tiện All-IP: Kiểm soát chặt chẽ độ trễ, jitter và băng thông qua các lớp truy nhập, truyền tải và dịch vụ.
    4. Đảm bảo an toàn, bảo mật: Bảo vệ tính riêng tư, toàn vẹn dữ liệu và xác thực người dùng khi roaming qua nhiều mạng.
    5. Đảm bảo tính di động: Thông qua 3 giải pháp gồm thiết bị đa chế độ, vùng phủ đa dịch vụ sử dụng điểm truy nhập chung (UAP - Universal Access Point), hoặc sử dụng giao thức truy nhập chung.
    6. Đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu: Đạt từ 100 Mbps (tế bào WAN) đến 160 Mbps khi kết hợp công nghệ MIMO, và lên tới 1 Gbps trong môi trường nội bộ với dải phổ tần đề xuất (40 GHz hoặc 60 GHz).
  • Phân tích nhược điểm của WCDMA và HSDPA/HSUPA: Tốc độ WCDMA tối đa 2 Mbps chưa tối ưu cho dịch vụ thời gian thực; việc dùng không gian địa chỉ IPv4 gây cạn kiệt tài nguyên mạng; khả năng di động kém khi ra ngoài vùng phủ sóng của mạng gốc sang mạng WLAN/WiMAX.
  • Chi tiết các phần tử cấu trúc 4 lớp: Mô tả nguyên lý hoạt động của UE, RAP (tích hợp Anten thông minh, OFDM, MIMO, AMC, HARQ), RAC (quản lý tài nguyên vô tuyến RRM), MGW (định tuyến RTP/IP và chuyển mã PCM), Router BGP/MPLS, và các cổng báo hiệu SGW (SS7oIP).

Chương 3: Dịch vụ và chất lượng dịch vụ trong mạng 4G

Chương 3 tập trung phân loại các dịch vụ ứng dụng trên nền tảng 4G và xây dựng khung quản lý chất lượng dịch vụ (QoS):

  • Phân loại dịch vụ 4G:
    • Dịch vụ cơ sở: Dịch vụ xa (Teleservice: điện thoại, cuộc gọi khẩn, SMS, thoại nhóm), Dịch vụ mang (Bearer Service: truyền tải tín hiệu người dùng - mạng), Dịch vụ bổ sung (Supplementary: chuyển cuộc gọi, gọi ba bên, tính cước...).
    • Dịch vụ đa phương tiện: Điểm - điểm đối xứng (truyền hình hội nghị, điện thoại thấy hình, VoIP), Điểm - điểm không đối xứng (y tế từ xa, video theo yêu cầu VoD, báo điện tử, truy xuất cơ sở dữ liệu), Đa điểm đa phương (truyền hình/truyền thanh di động, dự báo thời tiết).
    • Dịch vụ điển hình mới: Điện toán mạng công cộng (PNC - Public Network Computing), Tin nhắn hợp nhất (Unified Messaging tích hợp chuyển đổi giọng nói - văn bản), Môi giới thông tin, Thương mại di động (M-Commerce), Thực tế ảo phân tán (Distributed VR), Quản lý nhà thông minh (Home Manager), Dịch vụ dựa trên vị trí (LBS dạng Push và Pull kết hợp IPv6 và GPS).
  • Khung lý thuyết QoS:
    • Theo ITU-T E.800: QoS cấu thành từ 4 yếu tố chính: Khả năng hỗ trợ dịch vụ (Service support), Khả năng khai thác (Service operability), Mức độ an toàn (Service security), và Năng lực phục vụ (Serveability gồm khả năng truy nhập, khả năng duy trì và mức độ hoàn hảo).
    • Mối quan hệ QoS và NP: Phân định rõ chất lượng mạng (NP - chỉ tiêu kỹ thuật đo kiểm nội bộ) và chất lượng dịch vụ (QoS - cảm nhận và mức độ hài lòng của khách hàng).
  • Năm mức phân loại dịch vụ theo QoS:
    1. Đảm bảo chắc chắn (Deterministic guarantee): Cung cấp QoS cam kết hoặc tốt hơn trong mọi hoàn cảnh.
    2. Đảm bảo thống kê (Statistical guarantee): Cho phép suy giảm QoS trong một tỷ lệ thời gian nhất định.
    3. Mục tiêu đích (Target objectives): Mạng nỗ lực đáp ứng và lập lịch ưu tiên tài nguyên theo mục tiêu.
    4. Nỗ lực tối đa (Best effort): Phân bổ tài nguyên đồng đều, không cam kết thông số (như Internet truyền thống).
    5. Không đảm bảo (No guarantee): Tương tự cơ chế Best effort.
  • Bộ tham số đo lường QoS mạng 4G:
Nhóm tham số Tham số cụ thể Ý nghĩa và định nghĩa kỹ thuật
Tính đúng lúc (Timeliness) Độ trễ (Delay) Thời gian truyền một bản tin từ nguồn đến đích
Thời gian đáp ứng (Response time) Khoảng thời gian từ khi gửi yêu cầu đến khi nhận phản hồi
Độ biến động trễ (Jitter) Sự sai lệch về thời gian đến giữa các gói tin
Băng thông (Bandwidth) Tốc độ dữ liệu hệ thống / ứng dụng Thông lượng truyền dẫn thực tế của hệ thống và ứng dụng
Tốc độ truyền tải (Transaction rate) Khả năng xử lý số lượng giao dịch trên một đơn vị giây
Độ tin cậy (Reliability) MTTF, MTTR, MTBF Thời gian trung bình hoạt động không lỗi, sửa chữa lỗi và giữa hai sự cố
Tỷ lệ lỗi mạng / mất gói Xác suất lỗi bít hoặc tỷ lệ gói tin bị hủy trên đường truyền
Cảm nhận người dùng (Perceived QoS) Độ phân giải, đồng bộ video/audio Độ mượt hình ảnh, độ chi tiết và tính đồng bộ âm thanh - hình ảnh
Chi phí (Cost) Per-use cost / Per-unit cost Cước thiết lập kết nối và cước trên mỗi đơn vị dung lượng/thời gian
Bảo mật (Security) Tính tin cẩn, toàn vẹn, xác thực, chống chối bỏ Đảm bảo mã hóa, không bị thay đổi dữ liệu và định danh chính xác
  • Thách thức kỹ thuật đối với QoS trong 4G: Yêu cầu độ tin cậy đạt tới $99,99%$; khó khăn trong quản lý phổ tần hạn hẹp; cơ chế bàn giao (handover) và chuyển vùng đa mạng; kiểm soát tốc độ biến thiên của kênh truyền vô tuyến.

Chương 4: Lộ trình tiến lên mạng thông tin di động 4G cho Viettel Mobile

Chương 4 đề xuất định hướng chiến lược và các bước triển khai nâng cấp mạng lưới cho Viettel Mobile:

  • Định hướng chiến lược: Tận dụng hạ tầng mạng 2G/2.5G GPRS hiện có, từng bước đầu tư nâng cấp mạng lõi hướng tới kiến trúc All-IP, triển khai thử nghiệm các dịch vụ dữ liệu băng rộng và chuẩn bị các điều kiện kỹ thuật để đón đầu công nghệ 4G.
  • Các giai đoạn chuyển đổi kỹ thuật:
    1. Giai đoạn tối ưu hóa dịch vụ 2.5G: Khai thác hiệu quả các dịch vụ GPRS (WAP, Internet, MMS, M-Commerce) nhằm hình thành thói quen sử dụng dữ liệu số liệu cho người dùng.
    2. Giai đoạn nâng cấp mạng lõi All-IP và NGN: Từng bước chuyển đổi hạ tầng truyền dẫn mạng lõi sang nền tảng IPv6, áp dụng định tuyến BGP/MPLS, triển khai các cổng MGW và SGW hỗ trợ báo hiệu SS7oIP.
    3. Giai đoạn hội tụ vô tuyến đa phương thức: Chuẩn bị hạ tầng thử nghiệm công nghệ OFDM, MIMO và Anten thông minh tại các trạm thu phát sóng, hướng tới mục tiêu cung cấp các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao phục vụ mục tiêu đạt 50% thuê bao sử dụng dịch vụ dữ liệu vào năm 2010.

Kết quả và đóng góp

1. Tổng hợp các thông số kỹ thuật qua các thế hệ mạng

Tiêu chí kỹ thuật 1G 2G 2.5G (GPRS) 3G (WCDMA) 3.5G (HSDPA) 4G (Đề xuất)
Công nghệ truyền dẫn Tương tự (Analog) Số (Digital: TDMA/CDMA) Số (Gói dữ liệu trên 2G) W-CDMA, CDMA2000 WCDMA / UTRA-FDD R5 OFDM / OFDMA, MIMO
Tốc độ truyền dữ liệu Phục vụ thoại 9.6 Kbps (504i: 28.8 Kbps) Lên tới 384 Kbps 144 Kbps - 2 Mbps Đỉnh $>10$ Mbps đường xuống 20 - 100 Mbps (WAN), 160 Mbps (MIMO), 1 Gbps (nội bộ)
Loại hình chuyển mạch Chuyển mạch kênh Chuyển mạch kênh Chuyển mạch gói + kênh Chuyển mạch gói + ATM Chuyển mạch gói tối ưu Chuyển mạch gói thuần IP (All-IP)
Giao thức mạng lõi Mạng điện thoại tương tự Mạng lõi số truyền thống GPRS Core / IP IP / ATM IP / ATM cải tiến Thuần IPv6, BGP, MPLS
Dịch vụ trọng tâm Thoại cơ bản Thoại, SMS WAP, MMS, Internet chậm Thoại, Video cơ bản, Web Video streaming, Web tốc độ cao Đa phương tiện tốc độ cao, VR, M-Commerce, LBS
Độ tin cậy cam kết Thấp Trung bình Trung bình Khá Cao Rất cao ($99,99%$)

2. Đóng góp về mặt giải pháp và kỹ thuật

  • Thiết lập mô hình kiến trúc phân lớp 4G toàn diện: Đề tài đã hệ thống hóa mô hình cấu trúc mạng 4 lớp (Truy nhập vô tuyến, Mạng lõi, Điều khiển, Ứng dụng/Dịch vụ) giúp giải quyết bài toán tích hợp các mạng không dây không đồng nhất (2G, 3G, WLAN, WiMAX) vào một môi trường chung All-IP.
  • Hệ thống hóa các công nghệ vô tuyến tiên tiến: Phân tích rõ ràng nguyên lý kết hợp giữa OFDM và MIMO, lợi ích của hệ thống Anten thông minh, cơ chế AMC, HARQ và vai trò của vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) trong việc tối ưu hóa hiệu suất phổ tầng và giảm thiểu fading đa đường.
  • Xây dựng khung tham chiếu dịch vụ và chỉ tiêu QoS: Phân loại chi tiết các nhóm dịch vụ mới và thiết lập bộ chỉ tiêu QoS theo tiêu chuẩn ITU-T E.800 và ETSI, làm cơ sở kỹ thuật cho việc thiết kế và giám sát mạng lưới viễn thông băng rộng.
  • Đóng góp thực tiễn cho Viettel Mobile: Cung cấp cơ sở lý thuyết kỹ thuật và định hướng lộ trình nâng cấp mạng lưới cho Viettel từ giai đoạn khai thác 2.5G/GPRS tiến thẳng lên mô hình mạng thế hệ mới, đáp ứng xu thế tăng trưởng của thị trường di động Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Tại thời điểm thực hiện đề tài, các tiêu chuẩn quốc tế về công nghệ 4G và khung đo lường QoS chi tiết vẫn đang trong quá trình hoàn thiện bởi ITU và các tổ chức tiêu chuẩn, do đó nhiều nội dung mang tính chất định hướng và dự báo kỹ thuật.
  • Việc phân tích khả năng ứng dụng trên mạng Viettel Mobile chủ yếu dựa trên các số liệu mạng 2G/GPRS và mô hình hóa lý thuyết, chưa có điều kiện đo kiểm thực nghiệm trên các thiết bị phần cứng 4G thực tế.
  • Khả năng định vị thuê bao chính xác bằng công nghệ GPS kết hợp trên máy cầm tay vẫn bị giới hạn khi người dùng di chuyển trong môi trường trong nhà.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nghiên cứu đo kiểm và đánh giá hiệu năng thực tế của các giải pháp truy nhập vô tuyến OFDM/MIMO trên các băng tần thử nghiệm cụ thể tại Việt Nam.
  • Thiết kế chi tiết các thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) và cơ chế chuyển giao liên mạng (Vertical Handover) giữa mạng di động tế bào và mạng WLAN/WiMAX.
  • Xây dựng mô hình tính cước chi tiết theo nội dung và chất lượng dịch vụ (QoS-based billing) trên nền tảng báo hiệu SIP và hệ thống mạng lõi IPv6 của Viettel.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng tham khảo:
    • Sinh viên, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Mạng và Truyền thông.
    • Các kỹ sư quy hoạch mạng, chuyên viên phân tích kỹ thuật và cán bộ quản lý tại các nhà khai thác mạng di động (Viettel, VNPT, MobiFone) và các viện nghiên cứu viễn thông.
  • Các nội dung có giá trị tham khảo cao:
    • Phần phân tích nguyên lý và mô hình kết hợp OFDM - MIMO, Anten thông minh và SDR tại Lớp truy nhập vô tuyến.
    • Cấu trúc mạng lõi All-IP sử dụng IPv6, BGP, MPLS và báo hiệu SS7oIP qua SGW/MGW.
    • Khung kiến trúc và bộ tham số định lượng, định tính đánh giá chất lượng dịch vụ (QoS) theo tiêu chuẩn ITU-T E.800.

Câu hỏi thường gặp

1. Thuật ngữ "MAGIC" dùng để mô tả công nghệ 4G trong đồ án bao gồm những yếu tố nào?

Thuật ngữ MAGIC được dùng để cô đọng 5 đặc trưng cơ bản của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư:

  • M (Mobile multimedia): Đa phương tiện di động chất lượng cao (hình ảnh, video độ phân giải cao, âm thanh số).
  • A (Anytime anywhere): Khả năng truy nhập dịch vụ tại bất kỳ thời điểm nào và bất cứ nơi đâu.
  • G (Global mobility support): Hỗ trợ chuyển vùng di động trên phạm vi toàn cầu.
  • I (Integrated wireless solution): Giải pháp vô tuyến tích hợp đa mạng (kết hợp mạng tế bào, WLAN, WiMAX, vệ tinh).
  • C (Customized personal service): Cung cấp các gói dịch vụ cá nhân hóa theo đúng nhu cầu và hồ sơ của từng người dùng.

2. Hệ thống Anten thông minh (Smart Antenna) mang lại những lợi ích kỹ thuật gì cho mạng 4G?

Theo phân tích trong đồ án, Anten thông minh mang lại 4 lợi ích kỹ thuật quan trọng:

  • Độ lợi tín hiệu (Vùng phủ tốt hơn): Tập trung năng lượng phát/thu trong tế bào giúp tăng vùng phủ sóng trạm gốc, giảm công suất tiêu thụ của thiết bị cầm tay, từ đó kéo dài thời gian dùng pin và giảm kích thước thiết bị.
  • Loại bỏ nhiễu (Tăng dung lượng): Điều khiển mẫu bức xạ để triệt tiêu các nguồn nhiễu đồng kênh, cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) và hỗ trợ kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không gian.
  • Phân tập không gian (Loại bỏ đa đường): Giảm tác động trải trễ của kênh truyền, cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao mà không cần dùng bộ cân bằng phức tạp.
  • Hiệu quả công suất (Giảm chi phí): Tối ưu hóa tăng ích xử lý trên đường xuống, giảm yêu cầu công suất khuếch đại và chi phí vận hành phần cứng.

3. Kiến trúc mạng 4G được chia thành các lớp chức năng nào và mạng lõi đóng vai trò gì?

Kiến trúc mạng 4G được chia thành 4 lớp chức năng:

  1. Lớp truy nhập vô tuyến (RAN): Gồm thiết bị người dùng (UE), điểm truy nhập vô tuyến (RAP) và bộ điều khiển (RAC).
  2. Lớp mạng lõi (Core Network): Mạng truyền dẫn thuần All-IP (IPv6, BGP, MPLS) tích hợp các cổng MGW.
  3. Lớp chức năng điều khiển: Điều khiển báo hiệu tập trung (STP, SGW, SS7oIP), điều khiển lưu lượng và quản lý chuyển vùng di động.
  4. Lớp ứng dụng và dịch vụ: Cung cấp nền tảng triển khai các dịch vụ giá trị gia tăng và đa phương tiện.

Vai trò của mạng lõi: Kết nối các mạng có dây và không dây khác nhau, truyền tải lưu lượng an toàn từ nguồn đến đích, chuyển đổi dữ liệu sang định dạng gói IP thuần túy, định tuyến tối ưu bằng giao thức BGP/MPLS và thực hiện chuyển đổi luồng dữ liệu sang PCM khi giao tiếp với mạng PSTN thông qua MGW.

4. Khung đánh giá chất lượng dịch vụ (QoS) theo ITU-T E.800 gồm các nhóm chỉ tiêu nào?

Theo Khuyến nghị ITU-T E.800 được trích dẫn, QoS được cấu thành từ 4 khía cạnh chính:

  • Hỗ trợ dịch vụ (Service support performance): Năng lực của đơn vị cung cấp trong việc trợ giúp và chăm sóc khách hàng sử dụng dịch vụ.
  • Khai thác dịch vụ (Service operability performance): Mức độ thuận tiện, dễ dàng trong việc vận hành và sử dụng các tính năng của thiết bị và mạng.
  • Mức độ an toàn dịch vụ (Service security performance): Khả năng chống lại sự xâm nhập trái phép, gian lận cước, nghe lén hoặc phá hoại.
  • Năng lực phục vụ (Serveability performance): Phụ thuộc trực tiếp vào chất lượng mạng lưới, gồm 3 yếu tố: Khả năng truy nhập dịch vụ (Accessibility), Khả năng duy trì dịch vụ (Retainability), và Mức độ hoàn hảo của dịch vụ (Integrity). Ngoài ra còn có chỉ tiêu về độ chính xác trong ghi cước và thanh toán hóa đơn.

5. Đồ án đưa ra dự báo và thực trạng nào về thị trường viễn thông Việt Nam và Viettel Mobile?

  • Thị trường Việt Nam: Được đánh giá có tốc độ tăng trưởng thuê bao đứng thứ 2 thế giới (sau Trung Quốc); nhu cầu chính tại thời điểm nghiên cứu là dịch vụ thoại, nhưng dịch vụ dữ liệu bắt đầu tăng trưởng và dự báo đến năm 2010 sẽ có khoảng 50% tổng số thuê bao sử dụng các dịch vụ dữ liệu.
  • Thực trạng mạng Viettel Mobile: Đã triển khai công nghệ 2.5G (GPRS) cung cấp WAP, duyệt Internet, MMS, xem video, M-Commerce và dịch vụ ngân hàng; tuy nhiên giá cước dữ liệu còn ở mức cao khiến dịch vụ chỉ tiếp cận nhóm khách hàng có thu nhập trung bình và cao; hạ tầng cần được nâng cấp All-IP để đáp ứng nhu cầu bùng nổ dữ liệu trong tương lai.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên Cứu Ứng Dụng Công Nghệ 4G Trong Mạng Di Động Viettel" đã hệ thống hóa một cách khoa học cơ sở lý thuyết và mô hình kiến trúc mạng All-IP thế hệ mới, phân tích sâu sắc các giải pháp vô tuyến đột phá như OFDM, MIMO, Anten thông minh và khung bảo đảm chất lượng dịch vụ QoS theo chuẩn quốc tế. Nghiên cứu đã làm rõ lộ trình kỹ thuật giúp mạng di động Viettel Mobile chuyển dịch từ nền tảng 2G/GPRS lên kiến trúc tích hợp đa mạng băng rộng, đón đầu nhu cầu bùng nổ dịch vụ số liệu tại Việt Nam. Công trình là tài liệu học thuật có giá trị tham khảo cao đối với sinh viên, kỹ sư và cán bộ quy hoạch mạng trong lĩnh vực Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông.