Nghiên cứu kỹ thuật truyền dẫn rof kết nối cho phân hệ FRONTHAUL của mạng di động tốc độ cao

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

Ngơ Việt Trung

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - 2021


HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

Ngơ Việt Trung
NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN RoF KẾT NỐI CHO
PHÂN HỆ FRONTHAUL CỦA MẠNG DI ĐỘNG TỐC ĐỘ CAO
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 8.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRƯƠNG CAO DŨNG

HÀ NỘI - 2021


i

LỜI CAM ĐOAN
Bản luận văn này là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi, được thực hiện
dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dưới sự hướng dẫn của TS. Trương Cao
Dũng
Các số liệu, kết luận của luận văn là trung thực, dựa trên sự nghiên cứu
những mơ hình, kết quả đã đạt được của các nước trên thế giới và trải nghiệm của
bản thân, chưa từng được cơng bố dưới bất kỳ hình thức nào trước khi trình bày bảo
vệ trước “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ kỹ thuật”.
Hà Nội, ngày 10 tháng 12 năm 2021
Tác giả luận văn

Ngô Việt Trung


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và nghiên cứu được sự quan tâm, tạo điều kiện và sự
giúp đỡ nhiệt tình đầy trách nhiệm của các Thầy, Cơ giáo Khoa Đào tạo Sau Đại
học - Học viện Cộng nghệ Bưu chính Viễn thơng, tơi đã hồn thiện luận văn
“Nghiên cứu kỹ thuật truyền dẫn RoF kết nối cho phân hệ fronthaul của mạng
di động tốc độ cao”.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Trương Cao Dũng người đã
hướng dẫn giúp đỡ tơi trong q trình làm luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Học viện Cơng nghệ Bưu chính
Viễn thơng, các thầy cô giáo trong Khoa Đào tạo Sau Đại học đã giúp đỡ và tạo
điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng do thời gian hạn hẹp, bản thân còn nhiều
hạn chế. Luận văn khơng thể tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận được sự đóng
góp ý kiến của quý thầy, cô và các bạn.

Một lần nữa tác giả xin chân thành cảm ơn!
Tác giả

Ngô Việt Trung


iii

MỤC LUC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................

ii

LỜI NÓI ĐẦU ...................................................................................................................

v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT ....................................................vi
DANH SÁCH HÌNH VẼ ............................................................................................. viii
GIỚI THIỆU…. ............................................................................................................... 1
1. Đặt vấn đề ................................................................................................................ 1
2. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu .............................................................................. 2
3. Mục đích nghiên cứu ................................................................................................ 2
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 3
5. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC MẠNG DI ĐỘNG HIỆN NAY ......................... 4
1.1 Giới thiệu kiến trúc mạng di động 3G hiện nay: lược sử, công nghệ sử dụng,
kiến trúc mạng, các dịch vụ cung cấp .......................................................................... 4
1.1.1 Lịch sử phát triển thông tin di động ................................................................ 4

1.1.2 Kiến trúc mạng ................................................................................................ 5
1.2 Giới thiệu mạng di động 4G đang triển khai và bức tranh các mạng di động
sau 4G như 5G, 6G: Công nghệ sử dụng và sơ đồ kiến trúc hạ tầng ........................... 9
1.2.1 Giới thiệu mạng di động 4G ............................................................................ 9
1.2.2 Kiến trúc mạng .............................................................................................. 12
1.2.3 Bức tranh các mạng di động sau 4G như 5G, 6G .......................................... 14
1.2.4 Mạng di động 6G và kiến trúc ....................................................................... 15
1.3 Các phân hệ di động 4G, 5G với Fronthaul, Backhaul Systems .......................... 20
1.3.1 Các khái niệm ............................................................................................... 20
1.3.2 Fronthaul, Backhaul system.......................................................................... 23
1.4 Kết luận chương ................................................................................................... 25
CHƯƠNG II. CÁC PHƯƠNG PHÁP, CÔNG NGHỆ HIỆN TẠI SỬ DỤNG CÁC
KIỂU TRUYỀN DẪN ROF CHO KẾT NỐI FRONTHAUL CỦA MẠNG 4G, 5G ... 26
2.1 Truyền cho các kênh vô tuyến trong các mạng di động 4G, kết nối vô tuyến
mạng 4g ...................................................................................................................... 26
2.1.1 Các kỹ thuật áp dụng ..................................................................................... 26
2.1.2 Các lĩnh vực ứng dụng của mạng 5G ............................................................ 33
2.1.3 Kiến trúc 5G Fronthaul .................................................................................. 36


iv

2.2 Các yêu cầu tốc độ cho Fronthaul đối với các mạng high-speed như 4G, đặc
biệt 5G, 6G về sau (lưu thốt lưu lượng lớn và nhanh, ít trễ, đảm bảo cấu hình vơ
tuyến, chuyển giao, bảo vệ lưu lượng nhanh, nâng cao hiệu suất phổ ....................... 42
2.2.1 Công nghệ tăng tốc độ ................................................................................... 42
2.2.2 Công nghệ để giảm độ trễ Latency ................................................................ 49
2.3 Kết nối C-RAN và các công nghệ hiện tại sử dụng các kiểu truyền dẫn RoF
cho kết nối fronthaul của mạng 4G, 5G ..................................................................... 51
2.3.1 Mạng cắt lát trong C-RAN ............................................................................ 51

2.3.2 Các xu hướng Fronthaul cho di động ............................................................ 53
2.3.3 Các thách thức mạng Fronthaul ..................................................................... 54
2.3.4 Kiến trúc mạng truy cập vô tuyến điện toán đám mây / tập trung (C-RAN.. 57
2.4 Kết luận chương ................................................................................................... 66
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ................................................................. 67
3.1 Giới thiệu ............................................................................................................. 67
3.2 Thiết kế hệ thống D-ROF hai kênh và miêu tả .................................................... 70
3.3 Kết luận chương ................................................................................................... 75
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................ 81
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................... 82


v

LỜI NÓI ĐẦU
Kể từ khi hệ thống 1G được Nordic Mobile Telephone giới thiệu lần đầu tiên
vào năm 1981, cứ khoảng 10 năm lại xuất hiện một thế hệ mạng di động mới: 2G
bắt đầu tung ra vào năm 1991, 3G xuất hiện lần đầu vào năm 2001 và hệ thống 4G
(hoàn toàn tuân thủ các tiêu chuẩn "IMT nâng cao") đã được chuẩn hóa vào năm
2012. Sự phát triển các hệ thống tiêu chuẩn của các mạng 2G (GSM) và 3G (IMT2000 và UMTS) mất khoảng 10 năm kể từ khi các dự ánnghiên cứu và phát triển
chính thức bắt đầu. Quá trình phát triển hệ thống 4G đã được bắt đầu từ năm
2001. Các công nghệ làm tiền đề cho một thế hệ mới thường được giới thiệu trên thị
trường từ một vài năm trước đó, ví dụ như hệ thống CdmaOne/IS95 tại Mỹ vào năm
1995 được xem là tiền đề cho 3G; hệ thống Mobile WiMAX ở Hàn Quốc năm 2006
và hệ thống thử nghiệm đầu tiên cho LTE ở Scandinavia năm 2009 được xem là tiền
đề cho 4G. Từ tháng 4/2008, Machine-to-Machine Intelligence (M2Mi) Corp - một
tổ hợp của Công viên nghiên cứu thuộc Cơ quan hàng không và vũ trụ Hoa Kỳ
(NASA Research Park) dưới sự lãnh đạo của Geoff Brown bắt đầu phát triển 5G.
Phát triển mạng di động 5G là phù hợp với xu thế phát triển công nghệ chung của
thế giới cũng như ở Việt Nam.

Tiếp cận phát triển mạng di động 5G ở Việt Nam phải được xem xét tổng thể
từ 3 nhóm khía cạnh: Kỹ thuật/cơng nghệ; Kinh tế, đầu tư, tài chính, thị trường và
Tác động về mặt xã hội. Trong đồ án này sẽ tập trung vào khía cạnh chính đó là Kỹ
thuật/cơng nghệ. Cụ thể sẽ là“Nghiên cứu kỹ thuật truyền dẫn RoF kết nối cho
phân hệ fronthaul của mạng di động tốc độ cao”.
Fronthaul là một thuật ngữ đề cập đến kết nối C-RAN, một kiểu kiến trúc
mạng di động mới của các đơn vị băng tần cơ sở tập trung (BBU), ở lớp truy cập
của mạng tới các đầu vô tuyến độc lập từ xa tại các trạm gốc. Luận văn sẽ tập trung


vi

trình bày cơng nghệ hiện tại sử dụng các kiểu truyền dẫn RoF cho kết nối fronthaul
của mạng 4G, 5G, kết nối C-RAN, truyền dẫn RoF cho kết nối fronthaul.

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
5G NR
3GPP
UMTS
WCDMA
C-RAN
RoF

Tiếng Anh
Fifth generation new radio
Third generation partnership
project
Universal Mobile
Telecommunications System

Wideband Code Division
Multiple Acces

Tiếng Việt
Chuẩn 5G mới của 3GPP

Cloud Radio Access Network

Mạng truy cập vô tuyến đám mây

Dự án hợp tác thế hệ thứ ba
Hệ thống viễn thơng di động tồn
cầu
Đa truy cập phân mã băng rộng

Radio on Fiber

FDD

Vô tuyến qua cáp quang
Công nghệ đa truy nhập phân chia
Time Division Multiple Access
theo thời gian
kênh song công phân chia
Frequency-Division Duplexing Ghép
theo tần số

RNC

Radio Network Controller

TDMA

RRH
CU
CN
OFDMA
SC-FDMA
MIMO
PAPR
PON
GSM
GSMA
HSPA
RF
IMT

Điều khiển tài nguyên mạng vô
tuyến
Remote Radio Head
Đầu vô tuyến từ xa
Center Unit
Đơn vị trung tâm
Core Network
Mạng lõi
Orthogonal Frequency Division Phân chia tần số trực giao nhiều
Multiple Access
người truy cập
Single Carrier Frequency
Đa truy cập phân chia tần số sóng

Division Multiple Access
mang đơn
Multi Input Multi Output
Đa đầu vào đa đầu ra
Peak to Average Power Ratio
Tỷ lệ cơng suất đỉnh trung bình
Passive Optical Network
Mạng quang thụ động
Global system for mobile
Hệ thống toàn cầu cho liên lạc di
communication
động
GSM association
Hiệp hội GSM
High speed packet access
Truy cập gói tốc độ cao
Radio Frequency
Tần số vơ tuyến
International mobile
Viễn thông di động quốc tế
telecommunications


vii

IoT

Internet of things

Internet vạn vật

ITU-R

International
telecommunication union-radio
sector

Liên minh viễn thông quốc tế-lĩnh
vực vơ tuyến

DPSK

Differential phase shift keying

Điều chế khóa dịch pha sai phân

Long term evolution

Sự tiến hóa dài hạn

Enhanced Mobile Broadband

Băng thông rộng di động nâng cao

Massive Machine Type
Communications
Ultra Reliable Low Latency
Communications

Giao tiếp kiểu máy khối lượng lớn

Remote Radio Unit

Đơn vị vô tuyến từ xa

DU

Distributed Unit

Đơn vị phân phối

VR

Virtual Reality Data

Thực tế ảo

AR

Augmented Reality

Thực tế tăng cường

CPFSK

Continuous phase frequency
shift keying

Khóa dịch tần pha liên tục

IM-DD

Intensity Modulation – Direct
Detection

Kỹ thuật điều chế cường độ và phát
hiện trực tiếp

Forward error correction

Mã sửa lỗi trước

Pseudorandom bit sequence

Chuỗi Bit giả ngẫu nhiên

BPF

Band pass filter

Bộ lọc thông giải

LPF

Low pass filter

Bộ lọc thông thấp

TDD

Time Division Duplexing

Song công phân chia theo thời gian

LTE
eMBB
mMTC
ỦRLLC
RRU

FEC
PRBS

Truyền thông thời gian trễ thấp và
tin cậy cực cao


viii

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sự phát triển của hệ thống tới 3G ................................................................... 5
Hình 1.2: Các phần tử mạng trong hệ thống ................................................................... 6
Hình 1.3: Tổng quan hệ thống 3G UMTS/ WCDMA..................................................... 7
Hình 1.4: Phiên bản 3G Rel. 99 (UMTS) — 3G Radios ................................................ 9
Hình 1.5: Phiên bản 3G Rel.4 (UMTS) — Chuyển mạch mềm ..................................... 9
Hình 1.6: Tổng quan mạng 4G – LTE .......................................................................... 10
Hình 1.7: Kiến trúc mạng 4G ........................................................................................ 12
Hình 1.8: Kết nối 4G ..................................................................................................... 13
Hình 1.9: Bức tranh tương lai các ứng dụng của 5G .................................................... 14
Hình 1.10: Phổ tần 5G tại Việt Nam. ............................................................................ 15

Hình 1.11: Kiến trúc hạ tầng đề nghị cho mạng 6G. .................................................... 19
Hình 1.12: Tổng quan hệ thống Fronthaul/Backhaul .................................................... 23
Hình 1.13: Kiến trúc 4G-CRAN và 5G-CRAN ............................................................ 24
Hình 1.14: 4G-RAN và 5G-RAN Fronthaul/Backhaul ................................................. 25
Hình 2.1: Biểu diễn tần số-thời gian của một tín hiệu OFDM...................................... 26
Hình 2.2: Sơ đồ khối DFT-S-OFDM ............................................................................ 27
Hình 2.3: Tài nguyên up-link ........................................................................................ 28
Hình 2.4: Phát & thu hướng lên LTE ............................................................................ 29
Hình 2.5: So sánh OFDMA & SC-FDMA truyền một chuỗi các ký hiệu dữ liệu
QPSK………................................................................................................................. 30
Hình 2.6: Các chế độ truy nhập kênh vơ tuyến. ............................................................ 31
Hình 2.7: Các tham số yêu cầu tối thiểu của tiêu chuẩn IMT-2020 ............................. 33
Hình 2.8: Cấu trúc mạng PON thụ động trong 5G........................................................ 35
Hình 2.9: eMBB, mMTC, URLLC của mạng 5G ......................................................... 37
Hình 2.10: Nút mạng truyền tải Fronthaul .................................................................... 38
Hình 2.11: Cấu trúc truyền tải 5G ................................................................................. 40


ix

Hình 2.12: Mạng lưới truyền tải.................................................................................... 41
Hình 2.13: Kiến trúc RAN ............................................................................................ 42
Hình 2.14: Kiến trúc mạng 5G x-haul........................................................................... 42
Hình 2.15: Kiến trúc RAN tập trung ............................................................................. 45
Hình 2.16: Kiến trúc C-RAN ........................................................................................ 46
Hình 2.17: Tăng dung lượng C-Band M-MIMO .......................................................... 48
Hình 2.18: Kết nối kép 5G ............................................................................................ 49
Hình 2.19: Mạng cắt lát C-RAN ................................................................................... 52
Hình 2.20: Tốc độ bit fronthaul cho các phân tách chức năng đã chọn ........................ 55
Hình 2.21: Các khối chức năng trong lớp vật lý, được hiển thị cho cả hướng đường

lên và đường xuống ....................................................................................................... 57
Hình 2.22: Hệ thống C-RAN hỗ trợ A-RoF .................................................................. 58
Hình 2.23: Hệ thống C-RAN thích ứng có hỗ trợ A-RoF được đề xuất ....................... 59
Hình 2.24: Sơ đồ SM-STBC khơng dây ....................................................................... 61
Hình 2.25: Trình ánh xạ SM-STBC khơng dây ............................................................ 61
Hình 3.1a: Kiến trúc C-RAN cơ bản ............................................................................. 64
Hình 3.1b: Sơ đồ ứng dụng hệ thống RoF cơ bản......................................................... 65
Hình 3.2: Sơ đồ thiết lập mơ phỏng số cho hệ thống RoF. ........................................... 66
Hình 3.3ab: Giản đồ mắt cho hai kênh thông tin với hai kiểu điều chế cao cấp DPSK
và CPFSK: (a,b) cho điều chế DPSK với kênh CH1 và CH2, (c,d) cho điều chế
CPFSK với kênh CH1 và CH2. ..................................................................................... 69
Hình 3.4: Tỷ lệ lỗi bit BER là hàm số của tốc độ bit Rb. .............................................. 72
Hình 3.5: Tỷ lệ lỗi bit BER là hàm số của mức công suất phát của laser P. ................ 74


1

GIỚI THIỆU
1. Đặt vấn đề
Hiện nay, trên thế giới cũng như ở Việt Nam có sự phát triển hết sức mạnh
mẽ về số thuê bao di động. Hơn nữa, với sự phát triển của xã hội, con người có nhu
cầu cao hơn về dịch vụ, như video, đa phương tiện và các dịch vụ giá trị gia tăng
mới. Để có thể cung cấp được các dịch vụ, các hệ thống di động cần phải có khả
năng truyền dẫn dữ liệu cao hơn. Để đáp ứng được nhu cầu trên, yêu cầu tốc độ cho
Fronthaul đối với các mạng high-speed như 4G, đặc biệt 5G, 6G về sau cần phải lưu
thoát lưu lượng lớn và nhanh, ít trễ, đảm bảo cấu hình vơ tuyến, chuyển giao, bảo vệ
lưu lượng nhanh, nâng cao hiệu suất phổ...sẽ cần RoF cho fronthaul nhiều
Do vậy, với mục tiêu tìm hiểu và nắm bắt cơng nghệ kỹ thuật truyền dẫn
RoF (radio over fiber) kết nối cho phân hệ fronthaul cho các mạng truy cập tốc độ
cao (như 4G,5G), đề tài luận văn là “Nghiên cứu kỹ thuật truyền dẫn RoF kết

nối cho phân hệ fronthaul của mạng di động tốc độ cao“
Chủ đề chính của Luận văn là nói về cơng nghệ hiện tại sử dụng các kiểu
truyền dẫn RoF cho kết nối fronthaul của mạng 4G, 5G, kết nối C-RAN, truyền dẫn
RoF cho kết nối fronthaul. Trong chương 1, giới thiệu mạng di động 4G đang triển
khai và bức tranh các mạng di động sau 4G như 5G, 6G: công nghệ sử dụng và sơ
đồ kiến trúc hạ tầng và các phân hệ di động 4G, 5G với fronthaul, backhaul
subsystems. Trong chương 2, sẽ tập trung phân tích các kết nối C-RAN và các cơng
nghệ hiện tại sử dụng các kiểu truyền dẫn RoF cho kết nối fronthaul của mạng 4G,
5G. Và sau đó sang đến chương 3 sẽ tập trung vào vấn đề mô phỏng và đánh giá
Trong chương này, chúng tôi đề xuất một giao diện fronthaul mới đã được chứng
minh bằng mô phỏng số cho hai kênh tín hiệu vơ tuyến ở dải tần số VHF sử dụng
điều chế DPSK và CPFSK mà không cần mã sửa lỗi trước qua 20 km sợi quang đơn
mode tiêu chuẩn. Phương pháp được đề xuất có khả năng hỗ trợ hiệu quả băng
thơng tổng thể của liên kết cao với việc hỗ trợ tốc độ bit lên đến 2,8 Gbps mà vẫn


2

đảm bảo tỷ số lỗi bit nhỏ hơn 10-9. Phân tích hiệu suất đã được chứng minh cho
RoF kỹ thuật số được đề xuất.

2. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Trong luận văn này trình bày tìm hiểu về kỹ thuật Radio over Fiber kết nối
cho phân hệ fronthaul của mạng di động tốc độ cao (4G, 5G). Fronthaul là một thuật
ngữ đề cập đến kết nối C-RAN, một kiểu kiến trúc mạng di động mới của các đơn
vị băng tần cơ sở tập trung (BBU), ở lớp truy cập của mạng tới các đầu vô tuyến
độc lập từ xa tại các trạm gốc. Do nhu cầu ngày càng tăng đối với việc triển khai CRAN (thường được gọi là mạng truy cập vơ tuyến điện tốn đám mây hoặc mạng
truy cập vô tuyến tập trung), việc sử dụng fronthaul như một phương pháp hỗ trợ tất
cả các thế hệ truyền thông không dây. Như vậy, đề tài sẽ nghiên cứu các phương
pháp, công nghệ hiện tại sử dụng các kiểu truyền dẫn RoF cho kết nối fronthaul của

mạng 4G, 5G.
Các phần tử vô tuyến riêng biệt được kết nối với bộ điều khiển tập trung
thông qua giao diện vô tuyến công cộng chung (CPRI) là giao thức truyền tải chính
thống trong các mạng fronthaul hiện đại. CPRI mới nhất bổ sung dung lượng cho
các đầu vô tuyến từ xa, đạt được MIMO bậc cao hơn và cho phép cấu hình đa sóng
mang. Loại giao diện này hỗ trợ cơ sở hạ tầng chia sẻ và phân bổ dung lượng động,
cho phép RAN có thể được sử dụng cho các ứng dụng 5G và các kịch bản triển khai
trong tương lai.
.

3. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu kỹ thuật truyền dẫn RoF kết nối cho phân hệ fronthaul của mạng
di động 4G, 5G, nghiên cứu các phương pháp, công nghệ hiện tại sử dụng các kiểu
truyền dẫn RoF cho kết nối fronthaul của mạng 4G, 5G và các kết nối C-RAN,
truyền dẫn cho các hệ thống di động sau 4G như 5G, 6G.


3

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Tập trung vào nghiên cứu kỹ thuật truyền dẫn RoF, các kết nối C-RAN kết
nối cho phân hệ fronthaul của mạng di động 4G, 5G.

5. Phương pháp nghiên cứu
Mô phỏng và khảo sát đánh giá các hiệu năng hệ thống theo các tham số vật
lý của mạng như: Khảo sát BER theo tốc độ kênh, khoảng cách kênh, các tham số
suy hao môi trường vật lý, tán sắc sợi quang, tham số phi tuyến sợi...


4

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ CÁC MẠNG DI ĐỘNG HIỆN
NAY
1.1 Giới thiệu kiến trúc mạng di động 3G hiện nay: lược sử, công nghệ
(CDMA) sử dụng, kiến trúc mạng, các dịch vụ cung cấp.
1.1.1 Lịch sử phát triển thông tin di động:
Ra đời vào những năm 1920 ( là phương tiện thông tin giữa các đơn vị cảnh
sát Mỹ). Năm 1982 sử dụng kỹ thuật TDMA là nhóm GSM (Group Special Mobile)
sau này được đổi thành Hệ thống di động toàn cầu (Global System for Mobile
communications).Năm Việt Nam sử dụng GSM từ 1993. Năm 1991 Qualcomm
triển khai hệ thống di động trên công nghệ CDMA chuẩn IS-95A (Interim Standard95A) Việt Nam triển khai hệ thống di động theo công nghệ CDMA và đưa vào sử
dụng từ tháng 7/2003
Các thế hệ di động:
+ Thế hệ thứ nhất
+ Thế hệ thứ hai
+ Thế hệ thứ ba
+ Thế hệ thứ tư
Và bây giờ đã và đang triển khai thế hệ thứ năm: 5G
Thế hệ di động thứ 3 - Third Generation (3G):
Năm 1999, liên minh viễn thông quốc tế ITU đã đưa ra tiêu chuẩn chung cho các
mạng di động tương lai gọi là ITM2000. Tiêu chuẩn Thông tin di động quốc tế ITM 2000 sau này được gọi là 3G đã đưa ra các yêu cầu bao gồm:
-

Tăng dung lượng hệ thống

-

Tương thích ngược với các hệ thống thơng tin di động trước đây (2G)

-

Hỗ trợ đa phương tiện

Dịch vu gói tốc độ cao, với các tiêu chuẩn về tốc độ dữ liệu được xác định
> 2Mbps khi đứng yên hay trong khu nội thị
> 384 Kbps ở trong khu vực ngoại vi


5

> 144 Kbps ở khu vực nông thôn
Với thông tin vệ tinh, khả năng phủ sóng rộng, tốc độ truyền số liệu sẽ thay đổi
Mạng 3G có 2 hướng tiêu chuẩn đó là:
W-CDMA: UTMS: Phát triển từ hệ thống GSM, GPRS
CDMA 2000 1xEVDO: Phát triển từ hệ thống CDMA IS-95
Tiến trình phát triển của 3G:

Hình 1.1: Sự phát triển của hệ thống tới 3G

1.1.2 Kiến trúc mạng:
Mạng 3G UMTS bao gồm các phân hệ:
UTRAN: sử dụng WCDMA & FDD
CN (mạng lõi)
UE (thiết bị người dùng)
Ở hệ thống 2.75G tốc độ dữ liệu đã khá cao nhưng vẫn chưa đáp ứng được
các nhu cầu của người sủ dùng về các dịch vụ như video call, xem tivi trên thiết bị
di động, tải dữ liệu tốc độ cao….
Cơng nghệ 3G có thể cung cấp các dịch vụ đa phương tiện như: hình ảnh
video chất lượng cao, email, games, dịch vụ định vị toàn cầu (GPS),…
-

FDD: Frequency-Division Duplexing.


6

-

UMTS: Universal Mobile Telecommunications System – Hệ thống viễn
thông di động tồn cầu là 1 trong các cơng nghệ di động 3G. UMTS dựa trên
nền tảng CDMA băng rộng (WCDMA)

-

FDD: Frequency Division Duplex

Các phần tử mạng trong hệ thống:
-

Phần tử mạng truy nhập vô tuyến (AN):
+ RNC: sở hữu và điều khiển các tài nguyên vô tuyến của tất cả các UE
trong vùng phục vụ (các NodeB được nối với RNC); RNC thực hiện điều
khiển 1 hoặc nhiều NodeB và là điểm truy nhập tất cả các dịch vụ do
UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN.

Hình 1.2 Các phần tử mạng trong hệ thống

Trong đó: NodeB: là trạm gốc 3G thực hiện chức năng thu/phát tín hiệu
(Rx/Tx), lọc và khuếch đại tín hiệu, điều chế và giải điều chế tín hiệu, giao
tiếp với RNC thông qua giao diện Iub và kết nối với thiết bị đầu cuối (UE)

thông qua giao diện Uu, sử dụng kênh WCDMA. Đồng thời phần tử này
cũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến. Một NodeB phục vụ 1 hoặc
nhiều cell. NodeB có thể hỗ trợ FDD hoặc TDD.
Các kết nối NodeB – RNC:


7

Tổng quan hệ thống UMTS/WCDMA:

Hình 1.3: Tổng quan hệ thống 3G UMTS/ WCDMA

Chức năng các phần tử mạng:
NodeB: Tương tự BTS trong GSM, các chức năng chính của NodeB:
+ Điều biến
+ Trải phổ giải trải phổ
+ Xử lý RF
+ Điều khiển công suất
RNC:
+ Quản lý tài nguyên vô tuyến
+ Cấp phát tài nguyên cell
+ Handover
+ Hệ thống thông tin quảng bá


8

MSC/GMSC Server:
+ Có các phần mềm điều khiển cuộc gọi, quản lý di động
+ Không chứa ma trận chuyển mạch

+ Quản lý báo hiệu giữa MSC và RNC/BSC
+ Một MSC Server có thế quản lý nhiều MGW
MGW (Media Gateway):
+ Thực hiện chức năng chuyển mạch kênh
+ Được điều khiển bởi MSC Server
+ MGW có thể đặt xa MSC Server
IMS (phân hệ đa phương tiện IP): Hoạt động dựa trên mạng IP:
+ Cung cấp các dịch vụ đa phương tiện: audio, video, thoại, văn bản và dữ
liệu.
+ Dịch vụ không yêu cầu thời gian thực như tin nhắn MMS
+ Dịch vụ gần thời gian thực như Push to talk, game
+ Dịch vụ thời gian thực như thoại, audio/video, hội nghị
Phiên bản 3G Rel. 99 (UMTS) — 3G Radios:


9

Hình 1.4: Phiên bản 3G Rel. 99 (UMTS) — 3G Radios

Phiên bản 3G Rel.4 (UMTS) — Chuyển mạch mềm:

Hình 1.5 : Phiên bản 3G Rel.4 (UMTS) — Chuyển mạch mềm

1.2 Giới thiệu mạng di động 4G đang triển khai và bức tranh các mạng di
động sau 4G như 5G, 6G: công nghệ sử dụng và sơ đồ kiến trúc hạ tầng:
1.2.1 Giới thiệu mạng di động 4G:
1.2.1a Khái niệm 4G, LTE:
4G là thế hệ mạng tiếp theo của 3G, được IEEE đặt ra nhằm phân biệt với
các chuẩn mạng trước đó (2G/3G). Những tiêu chuẩn cơ bản nhất của mạng 4G
được ITU-R chính thức thiết lập vào T3/2008, được gọi tên là IMT-Advanced:

10

• Dựa vào chuyển mạch gói All-IP.
• Tốc độ tải cao nhất đạt ~100Mbps tại các thiết bị, phương tiện, có tính di động cao
(tàu lửa, xe hơi,…) và 1Gbps tại các vật thể, phương tiện, thiết bị có tính di động
thấp (người dùng đứng yên một chỗ, hoặc đi bộ chậm);
• Có thể tự động chia sẻ tài ngun mạng để hỗ trợ nhiều người dùng cùng một lúc;
• Sử dụng các kênh có băng thơng 5-20 MHz, tuỳ chọn đến 40 MHz;
• Hiệu quả băng thơng Max=5 bit/s/Hz downlink, và 6,75 bit/s/Hz uplink;
• Truyền tải dữ liệu trên các mạng không đồng nhất phải diễn ra trơn tru, ổn định;
• Có khả năng cung cấp dịch vụ chất lượng cao trong việc hỗ trợ đa phương tiện thế
hệ tiếp theo.

Hình 1.6: Tổng quan mạng 4G – LTE

1.2.1b Đặc tính cơ bản của hệ thống LTE:

-

Hoạt động ở băng tần 700 MHZ – 2600MHZ

-

Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD

Tốc độ : DL : 100Mbps (BW 20Mhz) UL : 50Mbps

11

-

Độ trễ nhỏ hơn 5 ms
Độ rộng BW linh hoạt : 1.4MHZ ; 3MHZ; 5MHZ; 10MHZ; 15MHZ;
20MHZ

-

Chất lượng dịch vụ : Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS;
VoIP; Video Streaming; FTP…

-

Dung lượng 200 user/cell ở băng tần 5Mhz
2 chuẩn mạng cho tốc độ truyền tải dữ liệu cao hiện nay (<1Gb/s): LTE và

Mobile WiMax. LTE (Long-Term Evolution) được thương mại hoá trên thị trường
với cái tên phổ biến là 4G-LTE. LTE hoạt động dựa trên các công nghệ mạng
GSM/EDGE và UMTS/HSPA với việc tăng cường hiệu năng, tốc độ truyền tải nhờ
vào việc sử dụng các phương thức vơ tuyến tiên tiến (bộ xử lý tín hiệu, bộ điều
chỉnh tần số, cùng với những cải tiến ở mạng lõi,…). 4G LTE cho tốc độ download
tối đa 300Mbps, upload tối đa 75Mbps với độ trễ truyền tải dữ liệu < 5ms (MIMO
4x4). Tại Việt Nam, Bộ TT&TT đã quy hoạch băng tần cho 4G với các dải 1800 –
2300 – 2600 MHz.
Tốc độ: Max Downlink (bw=20MHz) = 100Mbps, Uplink = 50Mbps, 2
anten thu + 1 anten phát ở thiết bị đầu cuối (MIMO 2x1)
Độ trễ < 5ms
Độ rộng băng thông linh hoạt: 5MHz, 10MHz, 15MHz và 20MHz, thậm chí

nhỏ hơn 5MHz như 1,25MHz và 2,5MHz.
Phổ tần số: Hoạt động theo FDD mode (phân chia theo tần số) hoặc TDD
mode (phân chia theo thời gian). Độ phủ sóng từ 5-100km (tín hiệu suy yếu từ km
thứ 30), dung lượng hơn 200 người/cell (bw=5MHz).
Chất lượng dịch vụ: Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS cho
các thiết bị.


12

Liên kết mạng: Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có
và các hệ thống khơng thuộc 3GPP (non-3GPP) cũng sẽ được đảm bảo. Thời gian
trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN < 300ms cho dịch vụ
thời gian thực và < 500ms cho các dịch vụ cịn lại.
Chi phí: Tiết kiệm chi phí triển khai và vận hành.

1.2.2 Kiến trúc mạng:

Hình 1.7 Kiến trúc mạng 4G


13

Evolved-NodeB (eNB) là trạm kết nối mạng với UE, cung cấp các giao thức
hướng tới UE trên mặt phẳng điều khiển (E-UTRAN Control-Plane) và mặt phẳng
người dùng (E-UTRAN User-Plane). eNB có thể hoạt động với FDD mode, TDD
mode, hoặc dual mode.
Các chức năng chính của eNodeB:
• Quản lý tài ngun vô tuyến: Điều khiển Bearer, Admission, Connection Mobility,
cấp phát tài nguyên động tới UE trên 2 hướng uplink & downlink.

• IP header compression
• Mã hố, bảo vệ tồn vẹn dữ liệu người dùng
• MME selection (trong MME pool)
• Định tuyến dữ liệu người dùng tới S-GW
• Hoạch định và truyền các bản tin paging, broadcast (gửi xuống từ MME)
• Đo lường và cấu hình báo cáo đo lường cho mobility và scheduling
S1 interface
• Gồm S1-U (S-GW) và S1-C (MME) (S1-AP, S1-MME)
X2 interface
• Dùng cho inter-eNB handover, cân bằng tải và khử nhiễu

Hình 1.8: Kết nối 4G


14

1.2.3 Bức tranh các mạng di động sau 4G như 5G, 6G:
Khi xã hội ngày càng phát triển, con người luôn muốn chinh phục những
công nghệ mới và tiên tiến nhất, ngành di động cũng vậy, sau sự ra đời của 4G thì
càng ngày do nhu cầu cơng việc, giải trí, tính đặc thù các ngành nghề thì càng ngày
người ta càng cần 1 mạng có thể xử lý cực nhanh, truyền nhiều lưu lượng Data, khái
niệm Internet vạn vật (IoT) ra đời yêu cầu hạ tầng mạng đủ sức xử lý hàng tỷ thiết
bị kết nối.

Hình 1.9 : Bức tranh tương lai các ứng dụng của 5G

Tại Việt Nam, mơ hình phát triển 5G phù hợp cho VNPT là 5G NSA bởi các
lý do:
Mạng 4G vẫn đảm bảo cung cấp lưu lượng dữ liệu di động với yêu cầu tốc
độ đáp ứng cho số đông dịch vụ. Bên cạnh đó 5G được triển khai song song cung

cấp dịch với yêu cầu tốc độ cao hơn và độ trễ thấp hơn.
Cho phép tận dụng mạng core PS 4G; qua đó giảm mức đầu tư tổng.
Phù hợp với điều kiện hạ tầng truyền dẫn và điều kiện kinh tế xã hội hiện tại.