LTE-Advanced - Thế hệ mạng viễn thông thứ 4

Công nghệ di động LTE-Advanced mang lại tốc độ truyền tải dữ liệu nhanh hơn, dung lượng hệ thống lớn hơn, khả năng phủ sóng tốt hơn.

Tháng 6 năm ngoái, công ty viễn thông Hàn Quốc SK Telecom đã giới thiệu công nghệ mà họ mệnh danh “mạng LTE tiên tiến nhất trên thế giới” – LTE-Advanced. Theo những gì SK công bố, mạng này mang lại tốc độ truyền tải dữ liệu nhanh gấp đôi so với mạng LTE thông thường và điều này là một tin vui cho những người dùng thiết bị thông minh thế hệ mới. Chỉ tới tháng 10 năm ngoái thôi, đã có tới cả triệu người đăng ký sử dụng dịch vụ này ở Hàn Quốc. Ở đất nước này, người dùng LTE-Advanced có thể tải một bộ phim 800MB chỉ trong 43 giây. Không sớm thì muộn, làn sóng sử dụng công nghệ này sẽ lan ra khắp thế giới do nhu cầu sử dụng băng thông di động ngày càng tăng cao. Các nhà mạng sẽ phải nâng cấp liên tục để đáp ứng yêu cầu về tốc độ và khối lượng dữ liệu ngày càng cao của người dùng không chỉ là đàm thoại video, xem thể thao trực tuyến nữa mà có thể là khám bệnh trực tiếp từ xa hay mua sắm ảo… Theo dự báo của Cisco System, lưu  lượng băng thông di động toàn cầu tăng gấp đôi theo từng năm và sự tăng trưởng theo cấp số nhân này vẫn chưa hề có dấu hiệu ngừng lại.

Hiện tại, các nhà mạng đang ráo riết tìm kiếm sự thay thế cho công nghệ LTE ra đời 4 năm trước. Các doanh nghiệp viễn thông lớn toàn cầu như AT&T (Mỹ), Telstra (Úc), NTT Docomo (Nhật) và Telenor Sweden (Thuỵ Điển) đều cho biết họ đang thử nghiệm công nghệ LTE-Avanced và dự kiến có thể đưa ra sử dụng rộng rãi vào năm nay. Theo dự báo của ABI Research, số lượng người dùng sử dụng LTE-Advanced vào năm 2018 sẽ đạt tới 500 triệu, gấp 5 lần số người dùng LTE hiện nay. Các chuyên gia công nghệ cũng nhận định rằng LTE cần phải cải tiến và LTE-Advanced sẽ là chuẩn thống trị trong tương lai gần. Họ cũng coi công nghệ này mới thật sự là 4G do đáp ứng đầy đủ các tiêu chí kỹ thuật mà Liên minh Viễn thông Quốc tế (International Telecommunication Union) đặt ra cho hệ thống mạng không dây thế hệ thứ 4.

Một trong những tiêu chí quan trọng là tốc độ. Về mặt lý thuyết, LTE-Advanced có tốc độ tải xuống đạt tới 3Gbps, tốc độ tải lên 1,5Gbps. Đây là một sự vượt trội tuyệt đối khi so sánh với thông số tải xuống/tải lên của LTE thường là 300Mb/s và 75Mb/s. Không chỉ có tốc độ nhanh hơn, LTE-Advanced cũng bao gồm những giao thức truyền tải mới, hỗ trợ đa an-ten cho phép số lượng bit/s truyền tải qua tần phổ mượt mà hơn và kết quả là kết nối ổn định hơn và chi phí dữ liệu sẽ rẻ hơn.

Đúng như tên gọi, LTE-Advanced là phiên bản nâng cấp của LTE và 2 chuẩn này hoàn toàn tương thích với nhau. Các điện thoại sử dụng LTE-Advanced mới vẫn hoạt động tốt với các mạng LTE thông thường và ngược lại. Điều này có lợi cho cả người dùng và nhà mạng. Nhưng tất nhiên là các nhà mạng sẽ không tung ra tất cả các tính năng tiên tiến của LTE-Advanced mới ngay một lúc mà sẽ từng bước đưa ra những gì có lợi nhất cho công ty và khách hàng. Ví dụ như các công ty viễn thông ở Hàn Quốc hiện mới chỉ áp dụng phương thức cung cấp dịch vụ kết hợp dành cho người dùng LTE-Advanced ở quốc gia này.

Phương thức này tăng số lượng băng thông khả dụng dành cho thiết bị di động bằng cách ghép nối các kênh tần số, hoặc nhà mạng nằm rải rác trong phổ vô tuyến. LTE thông thường có thể cung cấp dữ liệu bằng cách sử dụng các block dữ liệu liền kề của tần số lên đến 20 MHz. Nhưng khi ngày càng nhiều các công ty cung cấp dịch vụ và cùng với nó là số lượng các thiết bị tranh giành tần số viễn thông ngày càng nhiều, những dải rộng lên tới 20Mhz như vậy đang ngày càng khan hiếm. Hầu hết các nhà khai thác đành phải mua các bit và mảnh tần phổ rời rạc, hình thành một sưu tập phân mảnh để phục vụ cho hoạt động của mình. Phương thức cung cấp dịch vụ kết hợp đã giải quyết vấn đề này. Nó cho phép các nhà khai thác kết hợp các kênh rời rạc, nhỏ bé, phân tán  thành "một đường ống rất lớn".  Ví dụ, có thể kết hợp hai kênh có độ rộng 10 MHz ở các tần số 800 MHz và 1,8 GHz riêng biệt thành một kênh 20 MHz toàn duy nhất, cơ bản tăng gấp đôi tốc độ dữ liệu khả dụng cho mỗi người dùng. Đó chính là một trong các ưu điểm của công nghệ mới LTE-Advanced. Hiện tại công nghệ này cho phép các nhà mạng có thể kết hợp tới 5 kênh có độ rộng 20Mhz thành 1 kênh có độ rộng 100Mhz, nhanh hơn 5 lần so với LTE thông thường.

Tiếp theo sự tiên phong đầy ấn tượng của SK Telecom, các doanh nghiệp cung cấp LTE-Advanced mới cũng tập trung vào phương thức cung cấp dịch vụ kết hợp do tốc độ truy cập mạng cao dễ gây ấn tượng với người dùng hơn. Tuy nhiên đây mới chỉ là một phần nhỏ trong số những ưu điểm mà LTE-Advanced mang lại. Bên cạnh phương thức cung cấp dịch vụ kết hợp kể trên, LTE –Advanced còn có thêm 4 tính năng quan trọng khác so với chuẩn tiền nhiệm. Đầu tiên là tính năng cho phép các thiết bị di động và trạm phát sóng kết nối gửi nhận dữ liệu với nhau thông qua nhiều an-ten gọi là MIMO. LTE-Advanced cho phép 8 an-ten kết nối cùng lúc thay vì 4 như ở LTE thường.

MIMO mang lại 2 tính năng chính. Trong môi trường tín hiệu sóng không ổn định như ở rìa vùng phủ sóng hay trong phương tiện di chuyển tốc độ cao, các an-ten thu phát sẽ kết hợp cùng với nhau để tập trung hướng tín hiệu theo một hướng nhất định. Kiểu điều hướng chùm tia này tăng cường độ tín hiệu nhận được lên nhiều lần mà không cần tăng công suất của nguồn phát. Mặt khác, nếu tín hiệu mạnh và độ nhiễu ít như khi người dùng ở gần trạm phát sóng,  MIMO sẽ được dùng trong việc tăng tốc độ truyền tải dữ liệu, tăng số lượng kết nối. Kỹ thuật này thực chất là một kiểu ghép kênh không gian, cho phép nhiều luồng dữ liệu cùng tần số đi qua cùng một lúc. Ví dụ một trạm phát sóng với 8 an-ten có thể gửi liên tục 8 luồng dữ liệu tới 1 điện thoại có 8 an-ten. Và các luồng dữ liệu này được tiếp nhận từ các góc độ khác nhau với cường độ và thời gian khác nhau, sau đó điện thoại mới tổng hợp và tiến hành xử lý phân tích để chọn ra các luồng dữ liệu cần thiết.  Do vậy, việc ghép kênh không gian có thể tăng số liệu tương ứng với số an-ten có thể kết nối. Như vậy ở trường hợp lý tưởng, 8 an-ten sẽ làm tăng tốc dữ liệu lên tới 8 lần.

Một trong những mặt manh khác của công nghệ LTE-Advanced là chuyển tiếp, tăng khả năng phủ sóng ở những địa hình phức tạp. Hiện rơ-le chuyển tiếp đã được ứng dụng trong công nghệ không dây từ rất lâu để tăng khả năng khuếch đại tín hiệu ở những nơi như đường hầm hay khu vực hẻo lánh. Song các rơ-le kiểu cũ hay các bộ khuếch đại như đang dùng vẫn tương đối “thô sơ”, chúng chỉ đơn thuần nhận tín hiệu, khuếch đại chúng và truyền tải chúng đi tiếp. Kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp của LTE-Advanced tiên tiến hơn, đầu tiên nó giải mã  tín hiệu truyền đi và sau đó chỉ chuyển tiếp các dữ liệu đến các thiết bị di động trong phạm vi của rơ-le khuếch đại mà thôi. Như vậy sẽ làm giảm nhiễu và kết nối được với nhiều người dùng trong phạm vi chuyển tiếp hơn. LTE-Advanced cũng cho phép rơ-le kết nối với trạm phát sóng  và thiết bị sử dụng chung một tần phổ và giao thức giống như bản thân trạm phát sóng. Như vậy thì các thiết bị dùng LTE thường cũng kết nối được với bộ chuyển tiếp này.

Một tính năng quan trọng khác của LTE-Advanced là giảm bớt nghẽn mạng được gọi là eICIC Tính năng này sẽ được sử dụng đối với cái gọi là mạng không đồng nhất bao gồm các trạm phát sóng nhỏ đang được các nhà mạng chú ý phát triển thay cho các trạm phát truyền thống. Các trạm phát dạng này có ưu điểm dễ tăng khả năng truyền tại dữ liệu một cách đa dạng tại các khu đô thị chật chội. Chúng có giá thành rẻ hơn, ít gây khó chịu hơn, dễ lắp đặt vận hành hơn và rất có tiềm năng phát triển, tuy nhiên các nhà mạng cần có giải pháp để chống nghẽn khi cố nhồi nhét ngày càng nhiều dữ liệu vào tần phổ. Giao thức eICICđược xây dựng trên giao thức ICIC của LTE thường, cho phép giảm nhiễu giữa các trạm phát trong khi vẫn tăng cường tín hiệu được tới các người dùng nằm ở rìa vùng phủ sóng. Nhìn chung, LTE-Advanced giải quyết các rắc rối này bằng cách duy trì được một tín hiệu cường độ mạnh và chịu được độ nhiễu cao. Mặc dù vậy, các trạm phát sóng nhỏ cũng làm cho tình hình phức tạp hơn khi thiết bị di động có thể bị nằm trong vùng phủ sóng của cả trạm phát chính. Khi ấy, giao thức eICIC sẽ tuỳ theo hiện trạng của mạng để tiến hành kết hợp kênh hay phối họp sử dụng các nguồn tần số thời gian khác nhau. Đối với các mạng chỉ sử dụng kênh một tần số, eICIC cung cấp một giải pháp cho phép nhiều người sử dụng liên kết đến các trạm phát sóng nhỏ có khả năng cung cấp dung lượng dữ liệu tốt hơn.

Tính năng quan trọng cuối cùng của công nghệ băng thông rộng LTE-Advanced là giúp cải thiện tín hiệu và tăng tốc độ truyền tải dữ liệu tới tận vùng ven của khu vực phủ sóng, nơi hiếm khi có được tốc độ kết nối tốt. Ở đây, nó sử dụng công nghệ đa phối hợp CoMP. Ví dụ như nó cho phép một thiết bị di động có thể trao đổi dữ liệu với nhiều trạm phát cùng một lúc. Cụ thể hơn là hai trạm gần nhất có thể gửi liên tục cùng một dữ liệu tới thiết bị để đảm bảo thiết bị có được kết nối tốt hơn. Cũng như vậy, thiết bị di động có thể tải dữ liệu lên hai trạm phát cùng một lúc và giảm thiểu sai sót phát sinh. Hoặc thiết bị cũng có thể chọn tải dữ liệu lên một trạm phát nhỏ gần nhất để tiết kiệm năng lượng truyền dẫn trong khi vẫn nhận về dữ liệu tải xuống từ các trạm phát khác.

Sẽ còn mất nhiều năm nữa để các doanh nghiệp viễn thông tận dụng  hết các ưu điểm của công nghệ LTE-Advanced. Hiện nay các nhà mạng vẫn chưa triển khai một số tính năng phức tạp hơn của công nghệ này như các dịch vụ thoại và phần mềm “tự tổ chức”. Những tính năng này sẽ cung cấp khả năng thích ứng với các hạ tẩng mạng mới cho các trạm phát hoặc tự khôi phục sau sự cố.

Và chắc chắn LTE-Advanced chưa phải là đỉnh cao nhất của công nghệ LTE. Tổ chức quốc tế đứng sau các chuẩn công nghệ mạng này The 3rd Generation Partnership Project (3GPP) đã công bố kế hoạch về phiên bản kế tiếp vào cuối năm nay. Một số công ty gọi phiên bản tương lai này là LTE-B bất chấp việc 3GPP đã lên tiếng phủ nhận và cho biết chỉ chấp nhận tên gọi LTE-Advanced. Bỏ qua vấn đề tên gọi, chúng ta chỉ chắc chắn rằng biến thể mới này sẽ tiếp tục cung cấp cho các nhà mạng nhiều tuỳ chọn để khai thác triệt để hơn, bao gồm các giao thức cho ăng-ten ba chiều, truyền năng lượng hiệu quả hơn, và giao tiếp trực tiếp giữa các thiết bị di động, cảm biến thông minh và máy móc thiết bị khác. Một công nghệ đột phá như vậy có thể cung cấp năng lực cao gấp 30 lần so với LTE-Advanced và thực sự đáng dể chúng ta chờ đợi.

Look And Link – tương lai của kết nối thông minh

Công nghệ cho phép kết nối các thiết bị bằng cách trỏ tới nhau

Các nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Điện tử và Truyền thông Hàn Quốc vừa giới thiệu một công nghệ không dây mới cho phép kết nối trực tiếp các thiết bị với nhau (device-to-device: D2D) tốt hơn, qua đó các thiết bị thông minh như điện thoại có thể kết nối với nhau dễ dàng mà không qua bất kỳ trạm trung gian nào. Nhiều nhà nghiên cứu tin rằng khả năng kết nối trực tiếp D2D này sẽ là đột phá mới cho công nghệ không dây trong tương lai sau 4G LTE và LTE-Advance. Nó có thể giúp giảm tải cho các trạm phát sóng và tạo nền tảng cho những ứng dụng mới. Ví dụ như người dùng có thể phát một đoạn phim từ điện thoại lên màn hình lớn hoặc tải trực tiếp sách hướng dẫn sử dụng về chiếc xe thông minh mà họ đang sử dụng.

Chắc hẳn nhiều người sẽ nghi ngờ về sự tồn tại của công nghệ này. Thực ra nó đã xuất hiện trong cuộc sống dưới những dạng khác nhau như kết nối Bluetooth hoặc công nghệ mới nổi NFC. Những công nghệ D2D khác đang tồn tại hoặc đang được phát triển bao gồm Wi-Fi Direct, LTE Direct và Peer Awareness Communications.

Hiện những công nghệ này vẫn chưa được phát triển rộng rãi và thực sự phổ biến. Các cuộc khảo sát chỉ ra rằng người dùng hiện vẫn chưa thực sự ưa  thích việc chạm điện thoại của họ vào một thứ gì đó, hoặc dò tìm danh sách các thiết bị có thể kết nối được, trong khi đây là thao tác cơ bản mà công nghệ WiFi Direct và hầu hết các công nghệ D2D khác yêu cầu. Hầu hết người sử dụng thấy rằng họ cảm thấy phiền nhiễu hoặc thậm chí kỳ cục khi phải chạm, dò tìm rồi phải thực hiện các tiếp xúc vật lý để kết nối các thiết bị. Vì vậy họ sẽ cảm thấy tiện dụng hơn nhiều nếu chỉ cần trỏ điện thoại hay máy tính bảng của mình vào thiết bị muốn kết nối, hoặc thậm chí tốt hơn nữa là chỉ cần liếc nhìn thiết bị đó qua kính thông minh.

Nhưng lại có vấn đề khác nảy sinh liên quan tới việc nhận dạng thiết bị kết nối. Thiết bị của người dùng cần tối thiểu phải biết được định danh của thiết bị mà chúng kết nối tới.

Các nhà nghiên cứu Hàn Quốc dưới sự lãnh đạo của Young-Hoon Kim đã áp dụng công nghệ định hướng chùm sóng gọi là “Look And Link” sử dụng các tia phát ra từ an-ten điện thoại để truyền tải tín hiệu chính xác tới thiết bị nhận. mới đây họ đã trình diễn công nghệ này tại cuộc họp IEEE Wireless Standards Meeting diễn ra ở Los Angeles.

Vậy công nghệ  Look And Link này hoạt động như thế nào? Hãy thử hình dung khi xuống phố, người dùng nhìn thấy một nhà hàng và băn khoăn xem có nên ghé hay không. Với sự trợ giúp của công nghệ mới này, người dùng chỉ cần nhìn vào biển hiệu hay các biểu tượng chứa dữ liệu nhúng của nhà hàng qua chiếc kính thông minh của mình mà không cần phải đi vào trong tìm thực đơn. An-ten tích hợp trong chiếc kính sẽ nhận biết và truyền tải chính xác dữ liệu tới biển hiệu cần tìm mà không cần lo ngại tới các thiết bị tương tự khác xung quanh đó. Điều này khác biệt hẳn với công nghệ tạo chùm tia thông thường vốn không phân biệt được chính xác thiết bị nhận mà thường bị ảnh hưởng bởi khoảng cách và không chuẩn khi có thêm nhiều thiết bị có thể nhận tín hiệu khác rải rác xung quanh đó (hình 1).

Kim và đồng sự giải quyết vấn đề này bằng việc thay đổi hình dạng chùm tia một cách ngẫu nhiên theo những chu kỳ ngắn mà họ gọi là jittering. Công nghệ này cho phép chỉ thiết bị nằm trong hướng chỉ định là nhận được chùm tia theo hình dạng ban đầu còn các thiết bị khác xung quanh đó sẽ nhận được với các hình dạng khác nhau. Kết quả là cường độ tín hiệu gửi tới thiết bị nhận đích luôn là mạnh nhất (hình 2).

Quay trở lại ví dụ trên, khi chiếc kính thông minh gửi tín hiệu tới biển hiệu của nhà hàng, các thiết bị xung quanh cũng sẽ nhận biết được song không gửi tín hiệu hồi đáp. Sau đó, chiếc biển hiệu sẽ đáp trả thông tin định danh về chiếc kính thông minh và cho phép kết nối thông qua một chuẩn không dây thích hợp, ví dụ như LTE Direct. Sau đó người dùng sẽ có thể dễ dàng truy cập và có được các thông tin khác mà chiếc biển hiệu cung cấp như thực đơn, giờ mở cửa để họ quyết định xem có nên đặt chỗ hay không.

Bên cạnh việc nhận diện chính xác chỉ bằng cách trỏ thiết bị, Kim nhấn mạnh một ưu điểm khác của công nghệ Look And Link là nó cho phép nhanh chóng kết nối ngay với một thiết bị khác chỉ trong vài giây so với cả phút nếu dùng Bluetooth. Hiện tại các thiết bị dùng cho nghiên cứu vẫn hơi cồng kềnh khi dùng tới 4 an-ten trong khi không gian thiết kế của các điện thoại thông minh thông thường chỉ đủ chỗ cho tối đa 2 an-ten mà thôi. Tuy nhiên hiện giờ các nhà mạng và các nhà sản xuất thiết bị đã bắt đầu có ké hoạch phát triển các thiết bị sử dụng tần số cao hơn và như vậy kích thước an-ten sẽ nhỏ đi nhiều. Công nghệ Look And Link này hiện đang sử dụng tần số 5 GHz và các nhà nghiên cứu Hàn Quốc còn đang nhắm tới tần số 60 GHz để có thể ” đặt được tới 8 an-ten vào một ô nhỏ như cái móng tay”.

PC World VN, 03/2014