LTE-Advanced: 4G Đích thực

Công nghệ di động LTE-Advanced sẽ mang lại năng lực mạng lưới cao hơn, tốc độ dữ liệu nhanh hơn, và vùng phủ sóng rộng hơn.

Minh họa: Eddie Guy

Đã bao giờ bạn gọi cho nhà mạng báo cho họ biết là sóng điện thoại rất yếu chưa? Chắc là có rồi. Vậy nhà mạng của bạn có làm gì đáng kể để cải thiện tình hình không? Dĩ nhiên là không rồi—trừ khi bạn sống ở Hàn Quốc.

“Xin đảm bảo với anh—nếu tối nay tôi gọi cho nhà mạng phàn nàn rằng sóng trong phòng tắm không tốt, ngay sáng mai họ sẽ cho người tới lắp một bộ lặp,” Wonil Roh cho biết trong một cuộc phỏng vấn ở Suwon vào tháng 10/2013.

Tiết lộ: Roh lãnh đạo Phòng Nghiên cứu Truyền thông Cao cấp (Advanced Communications Laboratory) của hãng Samsung. Nhưng ông không cần tới chức danh hoành tráng này để thu hút sự chú ý trong thị trường công nghệ không dây cạnh tranh khốc liệt ở Hàn Quốc. Là mẫu quốc của Samsung và LG, hai hãng sản xuất điện thoại lớn thứ nhất và thứ tư trên thế giới, nước này tự hào sở hữu một số mạng không dây tiên tiến nhất thế giới. Ví dụ như vào tháng 6/2013, hãng viễn thông SK Telecom khai trương, theo cách gọi của công ty này, “mạng LTE-Advanced đại chúng đầu tiên trên thế giới.” LTE, viết tắt của Long Term Evolution, là chuẩn không dây được chấp nhận rộng rãi trên thế giới có mặt trong các điện thoại di động và máy tính bảng hạng sang ngày nay. Với giá thuê bao bằng với giá của LTE, thuê bao LTE-Advanced hiện nay có thể đạt được tốc độ dữ liệu nhanh gấp đôi, SK xác nhận. Không chịu thua kém, các đối thủ của hãng này là LG Uplus và KT đã bắt đầu chào hàng các dịch vụ LTE-Advanced của họ vào tháng 7/2013. Tới tháng 10/2013, chỉ riêng SK đã có một triệu thuê bao đăng ký sử dụng dịch vụ này.

Những điều đang diễn ra ở Hàn Quốc sẽ sớm xảy ra ở các nơi khác trên thế giới. Các nhà mạng ở khắp nơi luôn phải đối mặt với một thách thức chung: Khách hàng muốn tải nhiều dữ liệu hơn với tốc độ nhanh hơn để chạy các ứng dụng ngày càng phức tạp hơn. Ngày nay là các cuộc gọi thấy hình và truyền hình thể thao; ngày mai sẽ là khám chữa bệnh từ xa và những buổi mua xắm ảo lu bù. Theo Cisco Systems, cứ mỗi năm lưu lượng dữ liệu toàn cầu lại tăng hơn gấp đôi. Và mức tăng theo cấp số nhân này vẫn chưa hề có dấu hiệu suy giảm.

Chi tiết vui: Tại Hàn Quốc, thuê bao LTE-Advanced có thể chỉ mất 43 giây để tải về một bộ phim dung lượng 800Mb.

Bởi vậy giờ đây, bốn năm kể từ khi các mạng LTE đầu tiên đi vào hoạt động, các nhà mạng đang nhắm tới thế hệ mạng kế tiếp. Ngay vào lúc này, không tính Hàn Quốc, đã có hơn một tá các nhà mạng trong đó có AT&T, Telstra của Úc, NTT DoCoMo của Nhật, Telenor Thụy Điển đã công bố rằng họ đang thử nghiệm các công nghệ LTE-Advanced. Đồng thời giới phân tích cho rằng các nhà mạng sẽ bắt đầu khai trương dịch vụ trong năm 2014. Theo hãng nghiên cứu thị trường ABI Research thì tới năm 2018, số lượng kết nối LTE-Advanced toàn cầu sẽ tiếp cận con số 500 triệu—khoảng năm lần con số của LTE hiện nay.

“Không có cách nào khác—LTE phải cải tiến,” Lingjia Liu, một chuyên gia về công nghệ không dây ở Đại học Kansas, phát biểu. “LTE-Advanced sẽ trở thành chuẩn không dây chính.”

 Các chuyên gia về công nghệ không dây thì đang gọi LTE-Advanced là “4G đích thực” do không giống với 4G LTE thông thường, chuẩn này thực sự đạt các tiêu chí kỹ thuật do ITU (International Telecommunication Union) đặt ra cho hệ thống không dây thế hệ thứ tư.

Một trong những tiêu chí này là tốc độ. Về lý thuyết, LTE-Advanced có thể đạt tốc độ tải xuống tối đa là 3Gb/s (gigabits/giây) và tốc độ tải lên tối đa là 1,5Gb/s. Trong khi đó LTE đạt tốc độ tối đa khoảng 300Mb/s tải xuống và 75Mb/s tải lên. Ngoài ra LTE-Advanced không chỉ đơn thuần có tốc độ cao hơn. Nó còn bao gồm các giao thức truyền dẫn mới và các nguyên tắc phối hợp đa ăng-ten giúp việc chuyển giao giữa các cell (vùng phủ sóng không dây của một trạm thu phát) suôn sẻ hơn, tăng thông lượng ở vùng tiếp giáp giữa các cell, và nén nhiều bít dữ liệu hơn trong một giây vào trong mỗi herzt trên phổ tần số (của kênh không dây). Kết quả là năng lực hệ thống mạng sẽ cao hơn, các kết nối ổn định hơn và dữ liệu rẻ hơn.

Ưu điểm của LTE -Advanced. Minh họa: James Provost

Đúng như ngụ ý của cái tên, LTE-Advanced là nhằm tăng cường cho LTE. Điều tuyệt vời đối với khách hàng là hai chuẩn này hoàn toàn tương thích với nhau. Các máy điện thoại LTE-Advanced sẽ vẫn hoạt động trên các mạng LTE, và các máy LTE cũ vẫn kết nối được với các mạng LTE-Advanced. Các nhà mạng cũng được hưởng lợi từ điều này. Những nhà mạng nào muốn nâng cấp lên LTE-Advanced không cần phải cóp nhặt cho được phổ tần số không dây mới hay xây dựng cơ sở hạ tầng mới như khi họ chuyển đổi từ 3G lên LTE.

Nhưng có một điểm dở: Các nhà mạng sẽ không triển khai tất cả các tính năng của LTE-Advanced ngay lập tức. Cũng giống như LTE, chuẩn mới này không phải là một công nghệ riêng lẻ mà lại là một tập hợp gồm rất nhiều công nghệ, và các nhà mạng sẽ lựa chọn từng thành phần tùy theo nhu cầu. Ví dụ như các nhà mạng ở Hàn Quốc hiện đang tuyên bố là có mạng LTE-Advanced thực ra chỉ nói tới duy nhất một chức năng của chuẩn này, được biết tới với tên gọi là “cộng gộp sóng mang” (carrier aggregation).

Tính năng này giúp tăng băng thông tới một thiết bị di động bằng cách ghép các kênh tần số, hay còn gọi là sóng mang, nằm ở các phần khác nhau trên phổ tần số không dây, lại với nhau. LTE thông thường có thể truyền tải dữ liệu nhờ sử dụng các đoạn phổ tần số liền kề có chiều rộng tối đa là 20MHz. Tuy nhiên do ngày càng có nhiều công ty và thiết bị tranh đua nhau sử dụng phổ tần số không dây, những dải phổ tần số rộng như vậy ngày càng hiếm hoi. Hầu hết các nhà mạng do mua từng dải tần số lẻ tẻ mỗi khi họ có thể nên đều sở hữu những tập phổ tần số không liên tục.

Công nghệ cộng gộp sóng mang giải quyết được vấn đề này. Nó cho phép các nhà mạng kết hợp những kênh nhỏ, tách biệt của họ lại thành “một kênh cực lớn,” Sang-min Lee, một quản lý cấp cao tại trung tâm nghiên cứu phát triển của SK tại Seoul, cho biết. Ví dụ, để truyền tải dịch vụ LTE-Advanced của mình, SK gộp hai kênh rộng 10MHz nằm ở 800MHz và 1,8GHz, lại thành một kênh rộng 20MHz, do đó về cơ bản có thể tăng gấp đôi tốc độ dữ liệu khả dụng cho mỗi khách hàng.

“Chúng tôi có thể cải thiện hiệu năng lên rất nhiều,” Lee nói, và cho biết một kết nối trên mạng mới của SK có thể hỗ trợ tốc độ tải xuống lên tới 150Mb/s so với mức tối đa 75Mb/s qua dịch vụ LTE của họ. Chuẩn LTE-Advanced cho phép nhà mạng kết hợp tối đa năm sóng mang với băng thông 20MHz thành một kênh có băng thông 100MHz—cao gấp năm lần băng thông của LTE thông thường.

Tiếp bước SK, nhiều khả năng hầu hết các nhà mạng tiên phong theo đuổi LTE-Advanced sẽ tập trung vào công nghệ công gộp sóng mang vì tốc độ cao hơn thì hấp dẫn hơn. “Về khía cạnh tiếp thị thì đây đúng là một cú ghi điểm đẹp,” Peter Jarich, làm việc cho Current Analysis ở Washington D.C., cho biết. Tuy nhiên ông nói thêm rằng đây mới chỉ là bước đầu. Nhà mạng sẽ phải sử dụng tới nhiều tính năng của LTE-Advanced hơn nữa để mạng của họ tiếp tục vận hành trơn tru.

Ngoài cộng gộp sóng mang, LTE-Advanced còn có bốn tính năng chính khác biệt với chuẩn tiền nhiệm. Đầu tiên trong số này là MIMO (Multiple Input, Multiple Output-đa đầu vào, đa đầu ra). Nó cho phép các trạm thu phát và các thiết bị di động gửi và nhận dữ liệu bằng nhiều ăng-ten. LTE có hỗ trợ phần nào MIMO nhưng chỉ cho chiều tải xuống. Ngoài ra chuẩn này còn giới hạn số lượng ăng-ten ở mức tối đa là bốn bộ phát ở phía trạm và bốn bộ thu ở thiết bị di động. LTE-Advanced thì cho phép tối đa tám cặp thu phát ở chiều tải xuống và bốn cặp ở chiều tải lên.

Chi tiết vui: Ngành công nghiệp không dây đang chuẩn bị cho lưu lượng dữ liệu di động lớn gấp 1000 lần hiện nay trong thập kỷ tới.

MIMO thực hiện hai chức năng. Ở môi trường không dây nhiều nhiễu—như tại rìa các cell hoặc trong một ô tô đang di chuyển—các bộ phát và thu sẽ phối hợp với nhau để tập trung tín hiệu vô tuyến vào một hướng cụ thể. Chức năng “tạo tia” (beamforming) này giúp cho tín hiệu thu được mạnh lên mà không cần phải tăng công suất phát.

Khi sóng tín hiệu mạnh còn nhiễu thì yếu—như khi người dùng đứng yên và ở gần trạm phát—MIMO có thể được dùng để làm tăng tốc độ dữ liệu, hay tăng số lượng người dùng, mà không phải dùng thêm phổ tần số. Kỹ thuật này có tên là “ghép kênh không gian” (spatial multiplexing), giúp nhiều luồng dữ liệu được truyền đi cùng lúc, trên cùng tần số sóng mang. Ví dụ, một trạm thu phát với tám bộ phát có thể truyền đồng thời tám luồng tín hiệu tới một máy điện thoại có tám bộ thu. Do mỗi luồng dữ liệu tới mỗi bộ thu có hướng, cường độ, và thời gian hơi khác nhau một chút nên các thuật toán xử lý trong máy có thể kết hợp chúng với nhau và dựa vào những khác biệt này để tìm ra các luồng dữ liệu gốc.

Thông thường thì ghép kênh (theo) không gian có thể làm tăng tốc độ dữ liệu tỷ lệ thuận với số cặp ăng-ten thu phát. Do vậy, trong trường hợp khả quan nhất, tám cặp thu phát có thể tăng tốc độ dữ liệu lên khoảng tám lần.

Một công nghệ quan trọng khác của LTE-Advanced là truyền nối tiếp (relaying), được dùng để mở rộng vùng phủ sóng tới những nơi có tín hiệu yếu. Các kỹ sư thiết kế mạng vẫn thường dùng công nghệ này để mở rộng vùng phủ sóng của các trạm thu phát tới nơi xa xôi hoặc trong đường hầm của tầu hỏa. Dẫu vậy thì các bộ truyền nối tiếp thông thường, hay còn gọi là bộ lặp, lại khá đơn giản. Chúng nhận tín hiệu, khuyếch đại, rồi truyền đi.

LTE-Advanced hỗ trợ các chế độ truyền nối tiếp tiên tiến hơn. Trước tiên nó sẽ giải mã tất cả các dữ liệu thu được rồi sau đó chỉ chuyển đi những dữ liệu có đích đến là các thiết bị di động mà mỗi bộ truyền nối tiếp đang phục vụ. Phương pháp này giúp giảm can nhiễu và tăng số lượng khách hàng kết nối tới bộ truyền nối tiếp.  LTE-Advanced còn cho phép các bộ truyền nối tiếp dùng cùng phổ tần số và các giao thức của trạm thu phát để liên lạc với trạm thu phát và với các thiết bị đầu cuối. Lợi thế của việc này là nó cho phép các máy LTE kết nối tới bộ truyền nối tiếp như thể đó là một trạm thu phát thông thường. Bộ truyền nối tiếp sẽ chỉ phát sóng vào những thời điểm cụ thể khi mà trạm thu phát không hoạt động để tránh gây nhiễu cho trạm thu phát.

Một công cụ quan trọng khác của LTE-Advanced thì sẽ giúp giải quyết hiện tượng nghẽn mạng. Được biết tới với cái tên eICIC (enhanced inter-cell interference coordination), nó sẽ được sử dụng trong hệ thống được gọi là mạng phức hợp. Trong mạng này, các trạm thu phát công suất thấp sẽ tạo ra các cell nhỏ nằm chồng lên mạng lưới các cell lớn do các trạm thu phát thông thường tạo ra. Rất nhiều nhà mạng đã bắt đầu sử dụng các trạm thu phát nhỏ với nhiều mức kích cỡ (còn được gọi bằng các tên metro-, micro-, pico-, hay femtocell) để tăng mức tải dữ liệu trong các vùng đô thị đông đúc. Những bộ thu phát này có kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ, không cồng kềnh, và lắp đặt thì dễ dàng hơn. Do vậy mà giới phân tích cho rằng chúng có tương lai tươi sáng. Nhưng khi các nhà mạng đặt ngày càng nhiều trạm thu phát vào cùng một khu vực, họ sẽ phải tìm cách để giảm thiểu can nhiễu khó tránh khỏi giữa chúng.

Giao thức eICIC được xây dựng dựa trên giao thức ICIC của LTE vốn để giúp giảm can nhiễu giữa hai cell lớn. Sử dụng ICIC, một trạm thu phát có thể giảm công suất phát ở những tần số và khoảng thời gian cụ thể trong khi một trạm kế bên sử dụng những tài nguyên đó để liên lạc với các máy đang ở rìa vùng phủ sóng của nó. Tuy nhiên phương pháp chia sẻ phổ này chỉ có tác dụng với các luồng dữ liệu. Để liên lạc được với một thiết bị di động và giúp nó hiểu được luồng dữ liệu thì trạm phát phải truyền đi các tín hiệu điều khiển trong đó có chứa các thông tin về quản lý như lịch trình hoạt động, các yêu cầu phát lại, và các chỉ dẫn để giải mã. Do thiết bị di động chờ các thông điệp này tới trên các tần số và thời điểm cụ thể, nên một trạm phát không thể thoải mái cho các trạm bên cạnh dùng những tài nguyên đó mỗi khi chúng cần. LTE giải quyết vấn đề này bằng cách phát các tín hiệu điều khiển có thể chịu được lượng can nhiễu tương đối cao.

Tuy vậy, sự xuất hiện của các cell nhỏ lại làm cho mọi việc phức tạp hơn. Ví dụ khi một số thiết bị di động muốn thiết lập kết nối tới một cell nhỏ đang nằm trong một cell lớn, thì các tín hiệu điều khiển từ cell lớn có thể lấn át những tín hiệu này từ cell nhỏ. Giao thức eICIC xử lý tình huống này theo một trong hai cách sau. Nếu hệ thống mạng có sử dụng kỹ thuật cộng gộp sóng mang để ghép hai hay nhiều kênh tần số thì cell lớn và cell nhỏ sẽ chỉ việc sử dụng các kênh tách biệt để gửi các tín hiệu điều khiển. Tuy vậy cả hai cell đều sử dụng tất cả các kênh để truyền dữ liệu nên khách hàng di động vẫn hưởng lợi từ việc gộp băng thông. Hai cell này chia sẻ phổ tần số, bằng cách phối hợp với nhau để sử dụng các tần số trong những thời điểm khác nhau, tương tự như trong ICIC.

Đối với các mạng chỉ sử dụng một kênh tần số, eICIC có một giải pháp khác. Nó cho phép cell lớn dừng việc truyền dữ liệu và giảm công suất phát tín hiệu điều khiển trong những khoảng thời gian dài 1/1000 giây đã được quy định trước, gọi là các khung cấp thấp (subframe). Một cell nhỏ có thể thu xếp để truyền cả tín hiệu điều khiển và dữ liệu trong những khoảng thời gian này. Kỹ thuật này cho phép nhiều người dùng kết nối tới cell nhỏ và do vậy tăng dung lượng dữ liệu.

Tính năng chính cuối cùng trong danh sách các tính năng của LTE-Advanced sẽ giúp cải thiện hơn nữa tín hiệu và tăng tốc độ dữ liệu tại rìa cell, nơi mà có thể khó có được một kết nối tốt. Kỹ thuật này có tên gọi là CoMP (coordinated multipoint – phối hợp đa điểm). Về cơ bản, nó cho phép một thiết bị di động cùng một lúc trao đổi dữ liệu với nhiều trạm thu phát. Ví dụ như hai trạm thu phát liền kề có thể cùng lúc gửi dữ liệu giống nhau tới một thiết bị do đó tăng khả năng nhận được tín hiệu tốt của thiết bị đó. Tương tự như vậy, một thiết bị cũng có thể cùng một lúc tải dữ liệu lên cả hai trạm thu phát, các trạm này đóng vai trò như một mảng ăng-ten ảo sẽ cùng nhau xử lý tín hiệu thu được để loại bỏ lỗi. Hoặc thiết bị có thể tải dữ liệu lên qua cell nhỏ ở gần bên, giúp giảm năng lượng phát trong khi vẫn nhận tín hiệu tải xuống tốt từ một trạm thu phát lớn hơn.

Các nhà mạng sẽ mất tới hàng năm trời để đưa vào sử dụng tất cả các tính năng của LTE-Advanced. Hiện tại, rất nhiều nhà mạng vẫn chưa triển khai những tính năng phức tạp của LTE như các dịch vụ thoại và phần mềm “tự tổ chức” vốn được thiết kế để giúp các trạm thu phát tự động thích nghi với các trạng thái mạng hay tự hồi phục lại sau sự cố.

Trong khi đó, quá trình tiến hóa của LTE sẽ không chỉ dừng lại ở LTE-Advanced. Tổ chức quốc tế quản lý chuẩn này là 3GPP (3rd Generation Partnership Project) dự định sẽ công bố phiên bản kế tiếp vào năm nay. Một số công ty gọi chuẩn mới này là LTE-B, mặc dù 3GPP không công nhận mà thông báo rằng mọi hậu duệ của LTE sẽ đều chính thức mang tên LTE-Advanced. Dù tên là gì đi chăng nữa thì phiên bản mới này sẽ còn mang tới cho các nhà mạng nhiều lựa chọn hơn, bao gồm các giao thức cho ăng-ten ba chiều, các giao thức truyền dẫn có hiệu quả năng lượng cao hơn, cũng như liên lạc trực tiếp giữa các thiết bị di động và các bộ cảm biến thông minh và các loại máy móc. Khi được kết hợp lại với nhau, những đột phá công nghệ như vậy có thể mang lại cho các mạng di động dung lượng dữ liệu lớn gấp 30 dung lượng của LTE-Advanced. Quả là một viễn cảnh đáng mong chờ.

• Nguyên bản tiếng Anh: “LTE-Advanced Is the Real 4G,” Ariel Bleicher, spectrum.ieee.org, 31 Dec 2013.

• Người dịch: Phạm Duy Đông

• Biên tập: Tạ Minh Chiến