Tiêu chuẩn mạng di động 4G, thế nào là 4G WIMAX, LTE?

Từ thế hệ mạng 1G tới 4G, nhân loại đã trải qua rất nhiều cuộc cách mạng công nghệ kết nối di động. Mạng 1G thiết lập dịch vụ thoại không dây, trong khi công nghệ 2G cải tiến chất lượng thoại cũng như nâng tầm phủ sóng, cung cấp dịch vụ dữ liệu. Đến mạng 3G đảm nhiệm tối ưu hóa dịch vụ dữ liệu, triển khai dịch vụ băng thông rộng, một bước tiến trong việc kết nối không dây nhanh hơn và tốt hơn. Mạng 4G hiện nay là bước cải tiến của 3G về khả năng phục vụ, tốc độ và trải nghiệm băng thông rộng nói chung.

3G và 4G đều là những công nghệ hỗ trợ kết nối không dây (wireless) thế hệ mới. Nếu cùng một nhà mạng, tốc độ 4G sẽ đương nhiên nhanh hơn 3G. Tuy nhiên, điều đó không đồng nghĩa mạng 4G của nhà mạng này sẽ luôn nhanh hơn mạng 3G của một nhà mạng khác.

Để đạt chuẩn công nghệ 3G, các nhà mạng phải đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu tối thiểu 200 Kbps. Trong khi đó, chuẩn 4G quy định tốc độ tối thiểu nhà mạng phải đảm bảo 100 Mbps với các thiết bị kết nối khi di chuyển, trên tàu hoặc xe hơi và 1 Gbps (Gigabit/giây) với các thiết bị kết nối cố định.

Mạng 4G là gì? Về mặt thuật ngữ, nó là thế hệ thứ 4 của công nghệ viễn thông di động không dây (sau 3G). 4G lí tưởng cho các dịch vụ như gọi điện video HD, truyền dữ liệu trực tuyến, lập bản đồ và chơi game trực tuyến nhờ tốc độ download và upload nhanh chóng. Từ góc độ người dùng, hệ thống 4G cung cấp kết nối Internet đáng tin cậy và tốc độ cao trên các thiết bị điện tử như máy tính bảng, điện thoại thông minh…

Lưu ý rằng một mạng di động nhanh hơn mạng 3G hiện tại chưa có nghĩa nó sẽ được gọi là mạng 4G. Để được gọi 4G, nó cần đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn đã được đặt ra cho mạng này.

Tháng 3/2008, Liên minh viễn thông – radio quốc tế (ITU-R) đã giới thiệu một vài yêu cầu kỹ thuật cho một mạng được gọi là "4G". Theo các tiêu chuẩn này, một mạng lưới được gọi là 4G khi và chỉ khi dùng một điện thoại thông minh truy cập được với tốc độ 1 Gbps (khi ngồi hoặc di chuyển chậm) hoặc 100 Mbps khi di chuyển bằng xe hơi hoặc tàu hỏa. Tốc độ các mạng "4G" hiện tại không thể đáp ứng. Các chuyên gia viễn thông khẳng định, cùng là 4G nhưng không phải tất cả các nhà mạng đều triển khai công nghệ giống nhau. Các lựa chọn công nghệ tiền-4G phổ biến hiện nay gồm LTE, WiMAX và HSPA+, trong đó LTE là phổ biến rộng rãi nhất. Theo ITU, 4G của Sprint thực sự chỉ là 3G – 802.16e là chuẩn 3G. Còn công nghệ LTE cũng đang là khái niệm lộn xộn. Nhiều website gọi LTE là 'tiền 4G' (pre-4G) hoặc "3,9G". Sanjay Acharya, người phát ngôn của ITU cho rằng các hệ thống LTE hiện này có thể trở thành chuẩn 4G chính thức một khi chúng kết hợp được với IMT-Advanced hay còn gọi là LTE-Advanced. Tuy nhiên, điều này có thể sẽ không thay đổi cách tiếp thị của các nhà mạng. T-Mobile (là nhà khai thác mạng không dây chính ở Hoa Kỳ) tuyên bố họ không quan tâm công nghệ HSPA+ của họ có là 4G chính thức hay không bởi nó cung cấp tốc độ tương đương với các nhà mạng 4G khác. Verizon (nhà cung cấp dịch vụ truyền thông không dây lớn thứ hai của Mỹ) cũng vậy. "Định nghĩa kỹ thuật hiện tại của ITU sẽ không ảnh hưởng tý nào đến kế hoạch ra mắt mạng LTE quy mô lớn đầu tiên trên thế giới của chúng tôi vào cuối năm nay", Jeffrey Nelson, người phát ngôn của Verizon nói.  Nhà mạng Sprint (là một công ty viễn thông có trụ sở ở Overland Park, Kansas. Công ty sở hữu và điều hành mạng di động lớn thứ ba ở Mỹ) lý giải "Wimax là công nghệ được tổ chức Wimax Forum xác định là công nghệ 4G và quan trọng hơn là nó đạt đến tốc độ mà các công nghệ 3G hiện tại không thể đạt được. Chính vì vậy mà chúng tôi gọi nó là 4G".

Tuy nhiên, sau đó họ sớm nhận ra rằng tiêu chuẩn này quá cao. Hai công nghệ nền hàng đầu là WIMAX và LTE đều không thể cung cấp tốc độ internet cao như vậy. Từ đó, khái niệm 4G LTE được đưa ra.

Tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn và tầm phủ sóng xa hơn, các nhà nghiên cứu luôn cố gắng đưa ra những công nghệ không dây mới nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng di động. Nhưng ngành CNTT và viễn thông có những giải pháp khác nhau cho vấn đề này, điều này tạo nên sự phân chia giữa WiMax và LTE. WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) là nỗ lực của ngành CNTT lấn sân lĩnh vực viễn thông và LTE (Long Term Evolution) là đòn phản công của ngành viễn thông, đây là hai ứng viên chính cho mạng không dây thế hệ mới, hứa hẹn tạo nên thế giới không dây băng rộng tốc độ cao phủ khắp mọi nơi.

HSPA+ và LTE đều là công nghệ băng rộng di động để truy cập tốc độ cao. LTE là công nghệ mới nhất hiện đang được cài đặt ở nhiều quốc gia để truy cập băng thông rộng di động tốc độ cao. Ở một số quốc gia, LTE đã được tung ra thị trường. Các nhà mạng lớn nhất thế giới như AT&T (ATT), Verizon đã bắt đầu chuyển sang LTE. WiMAX cũng là một công nghệ khác được định nghĩa theo 4G nhưng tương đối hầu hết các nhà mạng lớn đang chuyển sang LTE. Ở Mỹ sử dụng WiMAX để truy cập tốc độ cao và cung cấp các dịch vụ tương đương với LTE. Một nhà mạng khác của Mỹ là T-Mobile đang nâng cấp mạng của họ từ HSPA + 21Mbps lên HSPA + 42Mbps. Ở Việt Nam hiện nay đang sử dụng công nghệ 4G LTE. Vậy 4G LTE là gì, sự khác nhau giữa 4G LTE và 4G WiMAX, 4G HSPA+ là như thế nào?

1. Công nghệ WiMax

Năm 2004, chuẩn WiMax đầu tiên – 802.16-2004 đã được IEEE chấp nhận. Không giống các chuẩn không dây khác, WiMax cho phép truyền dữ liệu trên nhiều dải tần, có thể tránh “đụng độ” với những ứng dụng không dây khác. WiMax cho tốc độ cao một phần nhờ kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) cho phép tăng băng thông bằng cách chia tách các kênh băng rộng thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh dùng tần số khác nhau để truyền đồng thời các gói dữ liệu.

Tháng 12/2005, IEEE phê chuẩn 802.16e – Mobile WiMax, bổ sung cho 802.16-2004. Mobile WiMax cung cấp khả năng di động bằng cách cho phép chuyển kênh truyền dữ liệu từ một trạm thu phát này sang một trạm khác khi người dùng di chuyển giữa 2 trạm. Tương tự phiên bản 802.11n của Wi-Fi, Mobile WiMax dùng công nghệ MIMO (Multiple Input Multiple Output) cho phép phát và thu qua nhiều anten để cải thiện tốc độ và chất lượng tín hiệu. Mobile WiMax được kỳ vọng cạnh tranh với các công nghệ di động, Wi-Fi và các công nghệ truy cập Internet như DSL.

Nhiều chuyên gia phân tích cho rằng Mobile WiMax sẽ nhanh chóng trở nên phổ biến vì không cần cơ sở hạ tầng tốn kém như các hệ thống dùng dây và cung cấp đủ băng thông cho các dịch vụ thoại, dữ liệu và các dịch vụ đa phương tiện như truyền hình độ nét cao (HDTV). Theo một nghiên cứu hồi tháng 4/2008, tổ chức WiMAX Forum dự báo trong 5 năm tới số lượng người dùng Mobile WiMax trên toàn cầu có thể đạt gần 100 triệu. Gần đây nhiều hãng đã bắt đầu đưa ra sản phẩm di động được WiMax Forum chứng nhận tuân theo chuẩn IEEE và có thể làm việc với nhau. Các nhà khai thác mạng tại nhiều quốc gia, đặc biệt là khu vực châu Á – Thái Bình Dương, đang hoặc có kế hoạch triển khai WiMax (tại Việt Nam cũng có 4 nhà khai thác viễn thông đã được cấp phép triển khai).

Tuy nhiên, thế giới công nghệ thay đổi nhanh. Mới vừa nổi lên như một ứng viên nặng ký thách thức công nghệ di động 3G nhưng chưa kịp xác lập chỗ đứng trên thị trường thì WiMax đã phải đối mặt với một thách thức đáng gờm: LTE.

2. Công nghệ HSPA + (Truy cập gói tốc độ cao đã phát triển)

Đây là bản phát hành 7, 8 trở lên của 3GPP (Dự án Đối tác Thế hệ Thứ ba) thiết lập các tiêu chuẩn cho mạng băng rộng di động. Điều này cho phép tốc độ dữ liệu ở đường xuống 84Mbps và đường lên 22Mbps với việc sử dụng kỹ thuật MIMO (Nhiều đầu vào và nhiều đầu ra) và các sơ đồ điều chế kỹ thuật số bậc cao như 64QAM (Điều chế biên độ cầu phương).

Trong HSPA + (Bản phát hành 7), dung lượng được tăng gấp đôi so với HSPA và hơn gấp đôi dung lượng thoại như WCDMA. Trong Bản phát hành 8, HSPA giới thiệu khái niệm đa sóng mang và hai sóng mang 5MHz được kết hợp với nhau để tăng gấp đôi tốc độ dữ liệu. Với những thay đổi này, HSPA + có khả năng cung cấp tốc độ đỉnh cao, thời gian trễ thấp và thời gian thoại cao hơn.

Trong phiên bản 7, tốc độ dữ liệu của đường xuống là 28Mbps và trong R8, nó được mở rộng lên 42Mbps về mặt lý thuyết. Bản phát hành sau này như R9 đang xem xét việc sử dụng kỹ thuật MIMO có khả năng tăng gấp đôi tốc độ dữ liệu và nó đạt khoảng 84Mbps. Kỹ thuật MIMO đang được sử dụng trongR7 hỗ trợ MIMO 2 × 2 trong đó 2 anten phát tại nodeB và hai anten thu tại thiết bị đầu cuối di động, trong đó hai luồng dữ liệu song song được gửi trực giao nên tốc độ dữ liệu tăng gấp đôi mà không làm tăng băng thông của hệ thống.

Do tốc độ dữ liệu cao do HSPA + cung cấp, bạn có thể sử dụng nó như một truy cập internet băng thông rộng. Các ứng dụng như VoIP, trò chơi internet có độ trễ thấp, phát trực tuyến, gọi video, phát đa hướng và nhiều ứng dụng khác đều có khả năng thông qua các thiết bị di động hỗ trợ HSPA +.

HSPA + còn được gọi là Internet HSPA do kiến trúc tùy chọn của nó còn được gọi là kiến trúc All-IP trong đó toàn bộ các trạm gốc được kết nối với tất cả các xương sống dựa trên IP. Điều quan trọng là HSPA + tương thích ngược với 3GPP phiên bản 5 và 6 với khả năng nâng cấp dễ dàng từ HSPA lên HSPA +.

3. Công nghệ 4G LTE

LTE là viết tắt của của từ Long-Term Evolution – một tiêu chuẩn truyền thông không dây tốc độ cao. Khi các cơ quan quản lí nhận ra rằng tốc độ tối thiểu cho mạng 4G là xa tầm với, họ cho phép các mạng truyền thông có tốc độ cao hơn 3G được quảng cáo như là mạng 4G hay chính xác là 4G LTE.

LTE là một trong những công nghệ được ITU chấp nhận là công nghệ 4G có khả năng đáp ứng các tiêu chuẩn do ITU quy định cho mạng 4G. Mạng 4G được thiết kế để tối đa hóa dung lượng và tốc độ của mạng vô tuyến.

Tốc độ dữ liệu được chỉ định cho LTE là đường xuống 100Mbps và đường lên 50Mbps với độ trễ thấp dưới 10ms, đáp ứng các thông số kỹ thuật của ITU cho mạng 4G.

Các băng thông được sử dụng cho LTE thay đổi từ 1,4MHz đến 20 MHz và hỗ trợ FDD (Ghép kênh phân chia theo tần số) và TDD (Ghép kênh phân chia theo thời gian).

Các công nghệ truy cập vô tuyến sau được sử dụng trong mạng LTE đồng thời đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn nhiều đó là MIMO (Nhiều đầu vào nhiều đầu ra), OFDMA (Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao) và SC-FDMA (FDMA đơn sóng mang). SC FDMA tương tự như OFDMA ngoại trừ nó sử dụng một số xử lý DFT bổ sung và hiện tại điều này được 3GPP khuyến nghị sử dụng làm phương pháp truyền thông đường lên do hiệu quả năng lượng truyền dẫn và chi phí liên quan đến thiết bị di động.

Các băng tần sau sẽ được sử dụng trong mạng LTE ở nhiều nơi khác nhau trên thế giới 700 và 1900 MHz ở Bắc Mỹ, 900, 1800, 2600 MHz ở Châu Âu và 1800 và 2600 MHz ở Châu Á và 1800 MHz ở Úc.

Ở thời điểm hiện tại, 4G LTE được xem là chuẩn kết nối nhanh nhất dành cho các mạng không dây

So sánh mạng 4G và 4G LTE, giống hay khác nhau?

Như vậy, có thể khẳng định rằng mạng 4G và 4G LTE đều nhanh hơn rất nhiều lần so với chuẩn mạng 3G truyền thống. Tuy nhiên, mạng 4G LTE có tốc độ truyền tải dữ liệu thấp hơn so với mạng 4G chuẩn. Và khái niệm giữa mạng 4G và 4G LTE là hoàn toàn khác nhau.

So sánh giữa 3G và các công nghệ 4G hiện tại

Sự khác biệt giữa HSPA + và LTE:

·        HSPA + tương thích với các bản phát hành trước và LTE không tương thích ngược với mạng 3G.

·        Tốc độ dữ liệu HSPA + có khả năng cung cấp đường xuống tối đa 84Mbps và LTE có khả năng cung cấp đường xuống hơn 100Mbps.

·        LTE sử dụng OFDMA và SC FDMA trong mạng truy nhập vô tuyến với kỹ thuật MIMO và HSPA + dựa trên kỹ thuật MIMO.

·        Băng thông kênh HSPA + được cố định ở 5MHz và nó kết hợp hai kênh trong khi tăng gấp đôi tốc độ dữ liệu và LTE sử dụng băng thông thay đổi từ 1,4MHz đến 20 MHz.

Kết luận: Trong cuộc đua 4G, WiMax và LTE hiện là hai công nghệ sáng giá nhất. Liệu hai công nghệ này có thể cùng tồn tại độc lập hay sẽ sát nhập thành một chuẩn chung? Hiệu năng của WiMax và LTE tương đương nhau, do vậy việc quyết định hiện nay phụ thuộc vào yếu tố sẵn sàng và khả năng thâm nhập thị trường.