Chương 1. Tổng quan về mạng di động 4G LTE và mạng di động LTE - Femtocell 1. Tổng quan về mạng di động 4G LTE 1. Tổng quan về hệ thống thông tin di động 4G Tiếp nối thành công của hệ thống truyền thông di động thế hệ thứ 3, nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới đã tập trung nghiên cứu về hệ thống truyền thông di động thế hệ thứ 4 (4G), và gần đây hệ thống 4G đã được triển khai trên nhiều quốc gia.
Hệ thống 4G cung cấp dịch vụ truy cập internet băng siêu rộng có thể hỗ trợ nhiều ứng dụng cho điện thoại di động thông minh, thiết bị di động, máy tính xách tay, hay những thiết bị sử dụng internet khác. Hệ thống 4G đưa ra các ứng dụng dịch vụ như truy cập internet tốc độ cao di động, cuộc gọi thoại trên nền IP, trò chơi, xem tivi chuẩn chất lượng cao, cuộc họp truyền hình [1]. Tổ chức hệ thống sóng vô tuyến truyền thông quốc tế (ITU-R) đã chuẩn hóa các yêu cầu cho chuẩn công nghệ hệ thống 4G với tên gọi chuẩn kỹ thuật truyền thông di động quốc tế nâng cao (IMT-Advanced). Chuẩn kỹ thuật này đưa ra yêu cầu về tốc độ truyền dữ liệu cho các dịch vụ 4G ở 100 megabits trên một giây (Mbit/s) cho truyền thông di động với tốc độ cao, và 1 gigabit trên một giây (Gbit/s) cho truyền thông di động với tốc độ thấp [1].
Các kỹ thuật sử dụng trong hệ thống thông tin di động 4G LTE Để đáp ứng được những yêu cầu cho hệ thống 4G, những tiến bộ trong công nghệ vô tuyến di động đã được nghiên cứu và triển khai. Các công nghệ điển hình như: - OFDMA-based: Không giống như hệ thống 3G UMTS dựa vào công nghệ đa truy cập phân chia theo mã băng rộng (W-CDMA), hệ thống 4G LTE sử dụng công nghệ truy đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) [2]. Ở đường xuống, khi sử dụng cơ chế truyền dẫn dựa vào công nghệ OFDMA và các công nghệ đa truy cập, hệ thống 4G LTE có thể cung cấp tốc độ truyền dẫn cao, dung lượng hệ thống lớn, và tối ưu nguồn tài nguyên phổ. - Một công nghệ mới dựa vào công nghệ OFDM được áp dụng cho đường lên là công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số với các sóng mang đơn (SC- FDMA).
Công nghệ SC-FDMA cho phép tín hiệu hoạt động được ở tỷ số đỉnh đỉnh thấp (peak-to-average ratio), nhờ đó mà có thể tăng được thời gian sử dụng pin của các thiết bị người dùng [2]. - Các phương pháp điều chế linh hoạt: các phương pháp điều chế sử dụng cho đường xuống như: QPSK, 16Q M, và 64Q M, các phương pháp điều chế sử dụng cho đường lên như: BPSK, QPSK, 8PSK, và 16Q M [2]. - MIMO: ở thời điểm hiện tại, LTE đã đưa ra chuẩn tốc độ 100Mbps cho đường tải xuống và 50Mbps cho đường tải lên với mỗi dải phổ 20Mhz. Tốc độ mà 1 LTE hỗ trợ còn có thể đạt cao hơn (326,4Mbps cho đường tải xuống) khi sử dụng công nghệ đa antenna [2].
LTE hỗ trợ hệ thống antenna cho MIMO đơn người dùng (SU-MIMO) và MIMO đa người dùng (MU-MIMO) tối đa lên tới 4x4 MIMO. - Hiệu suất phổ: LTE cũng đưa ra chuẩn có thể mở rộng băng thông tần số từ 1.4MHz đến 20MHz cho cả đường lên và đường xuống, với độ rộng của khoảng bảo vệ là 15kHz và 7.5kHz cho dịch vụ truyền quảng bá đa phương tiện (MBMS) [2]. - Các mô hình FDD và TDD: để hỗ trợ cho việc cấp phát băng tần số nhiều nhất có thể, thì các kỹ thuật truyền song công phân chia tần số FDD và truyền song công phân chia thời gian TDD được triển khai tương ứng trên các dải phổ mà nhà mạng phải trả phí và không phải trả phí [2]. - Hoạt động hiệu quả với những hệ thống hiện tại: hệ thống LTE được thiết kế để hỗ trợ gọi thoại và dịch vụ dữ liệu trong miền chuyển mạch gói, do đó để hoạt động tốt với các hệ thống hiện tại như 3GPP HSP , W-CDMA UMTS, và GSM/GPRS/EDGE thì hệ thống LTE đưa ra hệ thống hỗ trợ cho việc chuyển giao giữa các miền chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói [2].
Các ứng dụng Hệ thống di động 4G bao gồm rất nhiều dịch vụ nâng cao của hệ thống di động 3G. Tuy nhiên hệ thống 4G còn có thể đưa ra tốc độ truyền dữ liệu cao hơn nhiều so với hệ thống 3G, do đó có thể cung cấp nhiều ứng dụng yêu cầu tốc độ cao và nâng cao trải nghiệm người dùng trong khi chỉ cần kết nối qua một đơn sóng mang [3]. Các ứng dụng của hệ thống 4G có thể kể đến như: duyệt email tốc độ cao, các dịch vụ tương tác người dùng thời gian thực, cuộc họp truyền hình với nhiều người, các dịch vụ dựa vào vị trí người dùng, chăm sóc trực tuyến, xem tivi chuẩn chất lượng cao, các trò chơi truyền hình tương tác,. Hiệu năng hệ thống Chuẩn kỹ thuật truyền thông di động quốc tế nâng cao (IMT-Advanced) yêu cầu hệ thống 4G đạt các chuẩn kỹ thuật sau: mạng chuyển mạch gói giao thức IP, tốc độ truyền dữ liệu lên tới 100Mbps trong điều kiện di chuyển cao và lên tới 1Gbps trong điều kiện di chuyển thấp hoặc cố định, tối ưu và chia sẻ nguồn tài của hệ thống, các dịch vụ chất lượng cao, phổ tần số tối ưu,.
Tổng quan về mạng di động LTE - Femtocell 1. Tổng quan Chúng ta đang sống trong một thế giới thay đổi công nghệ rất nhanh. Mỗi ngày trôi qua chúng ta lại tạo ra một khối lượng thông tin khổng lồ. Người dùng muốn liên lạc với những người dùng khác mọi lúc, mọi nơi và bằng bất nhiều hình thức đa phương tiện khác nhau như: tin nhắn, email, gọi điện hay video.
Người dùng muốn chia sẻ những khoảnh khắc cuộc sống, các ý tưởng hay các mẩu thông tin với những người bạn thông qua các trang mạng xã hội, và người dùng sử dụng chính những thiết bị di động của họ để tạo ra những thông tin đó. Hay nói cách khác, sự truy cập internet di động đang tăng nhanh chóng theo những thiết bị có thể truy cập internet, sâu xa hơn chính là sự tăng nhanh chóng người dùng di động. Sự thật rằng, nền công nghiệp không dây hiện tại đã mong đợi có 50 tỷ thiết bị đầu cuối kết nối tới mạng toàn cầu vào năm 2020 [4], với sự mong đợi mạng internet là mọi thứ. Xuất phát từ những yêu cầu thực tế đó, sự phát triển của hệ thống truyền thông di động không dây yêu cầu không chỉ tốc độ truyền dẫn cao mà còn dung lượng hệ thống phải đủ lớn khi mà nguồn tài nguyên phổ tần số sóng vô tuyến là giới hạn.
Gần đây, các tiêu chuẩn về hệ thống truyền thông di động thế hệ thứ 4 đã được chuẩn hóa và ra đời, hệ thống truyền thông di động thế hệ thứ 4 có thể cung cấp tốc độ truyền dẫn dữ liệu cao với 100Mbps trong khi di chuyển với tốc độ cao, và tốc độ lên tới 1Gbps cho những dịch vụ đứng yên hoặc với tốc độ chi chuyển thấp. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G) là một thành công lớn của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G). Hệ thống 4G cung cấp dịch vụ truy cập di động internet băng siêu rộng, các dịch vụ như là máy tính cá nhân với bộ giải mã không dây kết nối USB, cho tới các điện thoại thông minh, hay các thiết bị di động khác. Không những thế, hệ thống 4G còn có thể cung cấp các dịch vụ giải trí như truy cập web di động, gọi điện thoại qua nền giao thức IP, dịch vụ trò chơi, truyền hình di động chất lượng cao, cuộc họp video [1].
Câu hỏi lớn đặt ra rằng liệu rằng hệ thống thông tin di động sau thế hệ thứ 4 (4.5G hay 5G) sẽ mang lại gì cho những người dùng di động. Khi xét về một số lượng lớn người dùng di động, cách phân bố (trong nhà, bên ngoài, khu đông dân cư, khu đô thị, .) và những ứng dụng (cuộc gọi thoại, cuộc gọi truyền hình, dịch vụ giải trí qua internet) chúng ta có thể thấy được rằng hệ thống thông tin di động sau thế hệ thứ 4 cần giải quyết những yêu cầu về dung lượng hệ thống cao, vùng phủ sóng rộng và 3 thông minh, và tối ưu nguồn tài nguyên phổ sóng vô tuyến. Để đáp ứng được những điều đó, những nhà nghiên cứu hệ thống thông tin di động sau thế hệ thứ 4 đã đưa ra kiến trúc hệ thống truyền thông có nhận thức và femtocell, hay nói cách khác đó chính là mạng di động LTE - Femtocell. Những động lực cho mạng di động LTE - Femtocell Có rất nhiều yêu cầu về mặt công nghệ và kinh tế cho sự phát triển một mạng di động LTE - Femtocell.
Các yêu cầu cho sự phát triển công nghệ này đều mong đợi có những tác động lớn tới hệ thống truyền thông không dây trong tương lai. Sự tăng nhanh về dung lượng dữ liệu (data capacity) Trong những năm gần đây, sự truy cập internet di động đã tăng nhanh theo yêu cầu của người dùng di động. Đây chính là kết quả của những công nghệ trên các thiết bị di động thông minh. Nghiên cứu từ thị trường tiêu dùng đã chỉ ra rằng khối lượng truy cập dữ liệu tăng theo kích cỡ màn hình của thiết bị, giao diện thân thiện giữa người dùng và hệ thống, và sự tương tác giữa người dùng với hệ thống mạng mà thiết bị kết nối tới.
Ví dụ một thiết bị di động thông minh 3G sẽ có thể tiêu thụ gấp 30 lần dung lượng hệ thống so với một thiết bị nghe gọi 2G, và một máy tính bảng có thể tiêu thụ dung lượng hệ thống gấp 5 lần so với một chiếc điện thoại thông minh [4]. Do đó sự phát triển của kích cỡ màn hình của thiết bị di động, độ phân giải hình ảnh, thời gian sử dụng của quả pin, và sự cải tiến tốc độ truyền dẫn, trễ hệ thống của cơ sở hạ tầng hệ thống mạng di động sẽ dẫn tới yêu cầu cấp thiết phải tăng dung lượng dữ liệu hệ thống theo những yêu cầu đó. Thêm vào đó, những yêu cầu về sự cải tiến thiết bị di động, cơ sở hạ tầng truyền thông, nội dung mà người dùng tự tạo ra, và mạng xã hội cũng tác động đáng kể tới hệ thống mạng di động hiện tại.
