luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử nghiên cứu kỹ thuật truyền thông đa chặng trong thông tin vô tuyến băng rộng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG


TRƯƠNG NGỌC PHÚ




NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG
ĐA CHẶNG TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
BĂNG RỘNG





LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT






Đà Nẵng - Năm 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯƠNG NGỌC PHÚ


NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG
ĐA CHẶNG TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
BĂNG RỘNG


Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 60.52.70


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN LÊ HÙNG




Đà Nẵng - Năm 2013
i
LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn





Trương Ngọc Phú















ii
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Mục tiêu nghiên cứu 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
4. Phương pháp nghiên cứu 2
5. Bố cục đề tài 2

6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu 3
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN BĂNG RỘNG 4
1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 4
1.2 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG 4
1.3 MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG 7
1.3.1 Mạng vô tuyến băng rộng cố định 8
1.3.2 Mạng vô tuyến di động băng rộng 11
1.3.3 So sánh mạng vô tuyến băng rộng di động và cố định 12
1.4 KỸ THUẬT OFDM 14
1.4.1 Giới thiệu 14
1.4.2 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật OFDM 15
1.4.3 Sự trực giao 17
1.4.4 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 19
1.4.5 Cấu trúc khung dữ liệu trong OFDM 22
1.4.6 Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM 24
1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 25
CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP TRONG MẠNG ĐA CHẶNG 26
2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 26
2.2 GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP 26
2.3 CÁC LOẠI CHUYỂN TIẾP 28
2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN TIẾP TÍN HIỆU 29
iii
2.4.1 Khuếch đại và chuyển tiếp (AF ) 29
2.4.2 Giải mã hóa và chuyển tiếp (DF) 29
2.4.3 Giải điều chế và chuyển tiếp (DMF) 29
2.5 CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP 30
2.5.1 Chuyển tiếp một chiều 31
2.5.2 Chuyển tiếp hai chiều 31
2.5.3 Chuyển tiếp chia sẻ 32
2.6 PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP 33

2.6.1 Phương pháp bắt cặp tập trung 33
2.6.2 Phương pháp bắt cặp phân phối 34
2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 35
CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT ĐA CHẶNG TRONG MẠNG BĂNG RỘNG 36
3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 36
3.2 KHÁI NIỆM MẠNG ĐƠN CHẶNG VÀ ĐA CHẶNG 36
3.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA MẠNG ĐA CHẶNG 38
3.3.1 Ưu điểm của mạng đa chặng 38
3.3.2 Nhược điểm của mạng đa chặng 41
3.4 KIẾN TRÚC MẠNG TẾ BÀO ĐA CHẶNG 42
3.4.1 Mạng đa chặng với nút chuyển tiếp cố định 42
3.4.2 Mạng đa chặng với nút chuyển tiếp di động 45
3.4.3 Mạng đa chặng với nút chuyển tiếp lai 48
3.5 VẤN ĐỀ TIÊU THỤ CÔNG SUẤT TRONG MẠNG ĐA CHẶNG 49
3.5.1 Công suất phát trong hệ thống đơn chặng 50
3.5.2 Công suất phát trong hệ thống đa chặng 51
3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 52
CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG ĐA CHẶNG VỚI
NÚT CHUYỂN TIẾP CỐ ĐỊNH 53
4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 53
iv
4.2 HỆ THỐNG HAI CHẶNG 53
4.2.1 Mô hình và SNR hệ thống không hợp tác 54
4.2.2 Mô hình hệ thống hai chặng hợp tác 56
4.2.3 Xác suất lỗi bít trung bình 57
4.2.4 Xác suất rớt mạng 63
4.3 HỆ THỐNG ĐA CHẶNG 65
4.3.1 Mô hình kênh và SNR hệ thống 65
4.3.2 Xác suất rớt mạng 66
4.3.3 Xác suất lỗi bit trung bình 68

4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 70
CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 71
5.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 71
5.2 CÁC LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 71
5.2.1 Lưu đồ thuật toán đánh giá BER hệ thống hai chặng hợp tác 71
5.2.2 Lưu đồ thuật toán đánh giá xác suất rớt hệ thống hai chặng hợp tác 73
5.2.3 Lưu đồ mô phỏng đánh giá BER hệ thống đa chặng 74
5.3 CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 75
5.3.1 Đánh giá BER hệ thống hai chặng hợp tác 75
5.3.2 Đánh giá xác suất rớt hệ thống hai chặng hợp tác 76
5.3.3 Đánh giá BER hệ thống đa chặng 78
5.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 80
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 83
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)
PHỤ LỤC



v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AAA Authentication, Authorization,
Accounting
Xác thực, Ủy quyền, Kế toán
AF Amplify and Forward Khuếch đại và chuyển tiếp
AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gaussian trắng
BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bit
BS Base Station Trạm gốc
CDF Cumulative Distribution
Function

Hàm phân phối tích lũy
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã
CFO Carrier frequency offset Độ lệch tần số sóng mang
cMCN Clustered Multihop Cellular
Networks
Mạng đa chặng tế bào phân
nhóm
CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh
DF Decode and Forward Giãi mã hóa và chuyển tiếp
DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc
DIP Dedicated Information Port Cổng thông tin dành riêng
DMF Demodulation and Forward Điều chế và chuyển tiếp
DSSS Direct-Sequence Spread
Spectrum
Trải phổ trực tiếp
FDM Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số

FDMA Frequency Division Multiple
Access
Đa truy cập phân chia theo tần
số
FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh
GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp
GSM Global System for Mobile
Communications
Hệ thống thông tin di động toàn
cầu
GTCF Generalized Transformed

Characteristic Function
Hàm đặc tính biến đổi tổng quát
HMCN Hierarchical Multihop Cellular
Network
Mạng tế bào đa chặng phân cấp
vi
HSCSD High-Speed Circuit Switched
Data
Dữ liệu chuyển mạch kênh tốc
độ cao
HSDPA High Speech Downlink Packet
Access
Truy nhập gói đường xuống tốc
độ cao
HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao
HSUPA High Speech Uplink Packet
Access
Truy nhập gói đường lên tốc độ
cao
iCAR Integrated Cellular And Ad
Hoc Relaying
Chuyển tiếp Ad-hoc và tế bào
tích hợp
ISM Industrial, Scientific and
Medical
Công nghiệp, khoa học, y tế
LTE Long Term Evolution Sự phát triển dài hạn
OFDM Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số

trực giao
MADF Mobile-Assisted Data
Forwarding
Chuyển tiếp dữ liệu hổ trợ di
động
MC Multi Carrier Đa sóng mang
MGF Moment Generating Function Hàm sinh mô men
MH Multihop Network Mạng đa chặng
MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều ngõ vào,nhiều ngõ ra
MANET Mobile Ad Hoc Network Mạng Ad-hoc di động
MCN Multihop Cellular Network Mạng tế bào đa chặng
MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỷ số cực đại
MS Mobile Station Trạm di động
PAPR Peak-to-Average Power Ratio Tỉ lệ công suất đỉnh trên trung
bình
PARCel
S
Pervasive Ad Hoc Relaying For
Cellular Systems
Chuyển tiếp Adhoc lan tràn cho
các hệ thống tế bào
PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất
PSK Phase-Shift Keying Điều chế số theo pha
QAM Quadrature Amplitude
Modulation
Điều chế biên độ cầu phương
vii
QPSK Quadrature Phase-Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương
RFID Radio Frequency Identification Nhận dạng bằng sóng vô tuyến
RN Relay Node Nút chuyển tiếp

RS Relay Station Trạm chuyển tiếp
SC Single Carrier Đơn sóng mang
SCN Single hop Cellular Network Mạng tế bào đơn chặng
SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
UCAN Unified Cellular and Ad Hoc
Network
Mạng Adhoc và tế bào hợp nhất
UCD Uplink Channel Descriptor Mô tả kênh đường lên
UWB Ultra Wideband Băng tần siêu rộng
VCN Virtual Cellular Network Mạng tế bào ảo
WIMAX Worldwide Interoperability for
Microwave Access
Khả năng tương tác toàn cầu với
truy nhập vi ba
WMN Wireless Mesh Networks Mạng lưới vô tuyến










viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu tức thời


Tỉ số tín hiệu trên nhiễu trung bình
SD

SNR tức thời giữa nguồn và đích
RD

SNR tức thời giữa nút chuyển tiếp và đích
SR

SNR tức thời giữa nguồn và nút chuyển tiếp
)(

E
Toán tử trung bình thống kê
s
E
Công suất phát tín hiệu
)(xf
X
Hàm mật độ xác suất của biến ngẫu nhiên X
i
h
Biên độ fading của chặng thứ i
SD
h
Biên độ fading giữa nút nguồn với nút đích
SR
h
Biên độ fading giữa nút nguồn với nút chuyển tiếp
RD

h
Biên độ fading giữa nút chuyển tiếp với nút đích
)(tx
Tín hiệu phát của nguồn
i
n
Hệ số nhiễu trắng AWGN của chặng thứ i

Hệ số suy hao đường
)(

erfc
Hàm erfc
)(xM
X
Hàm sinh mô men của biến ngẫu nhiên X
)(eP
Xác suất lỗi trung bình
out
P
Xác suất rớt
),min( yx
Giá trị nhỏ nhất của x và y
S Nút nguồn
D Nút đích
R
i
Nút chuyển tiếp thứ i
G
i

Độ lợi của nút chuyển tiếp thứ i
N
o
Mật độ phổ công suất của nhiễu AWGN

ix
DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu bảng Tên bảng Trang
1.1 Các công nghệ vô tuyến băng rộng cố định 8
1.2 So sánh các công nghệ vô tuyến băng rộng 13

x
DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu Tên hình Trang

Hình 1.1 Quá trình phát triển mạng thông tin di động 5
Hình 1.2 Mô hình mạng 4G 6
Hình 1.3 Phân loại mạng vô tuyến băng rộng 7
Hình 1.4 Kiến trúc mạng Wi-Fi 9
Hình 1.5 Quan hệ giữa 4G với các mạng khác 12
Hình 1.6 Quan hệ giữa vô tuyến cố định và vô tuyến di động 14
Hình 1.7 Phổ của sóng mang con OFDM 15
Hình 1.8 So sánh các kỹ thuật sóng mang 16
Hình 1.9 Sơ đồ khối của quá trình phát và thu OFDM 19
Hình 1.10 Cấu trúc khung dữ liệu OFDM 23
Hình 1.11 Biến đổi IFFT và chèn CP 23
Hình 1.12 Tín hiệu băng cơ sở của một khung dữ liệu 23
Hình 2.1 Minh họa kỹ thuật chuyển tiếp 26
Hình 2.2 Mình họa ưu điểm của nút chuyển tiếp 27
Hình 2.3 Chuyển tiếp loại I và loại II 28
Hình 2.4 Mô hình sử dụng lại tần số của các loại chuyển tiếp 30
Hình 2.5 Chuyển tiếp một chiều 31
Hình 2.6 Chuyển tiếp hai chiều 32
Hình 2.7 Mô tả phương thức truy nhập mạng chuyển tiếp 34
Hình 3.1 Topology mạng đơn chặng điểm – đa điểm 36
Hình 3.2 Topology 1 của mạng chuyển tiếp đa chặng 37
Hình 3.3 Topology 2 của mạng chuyển tiếp đa chặng 38
Hình 3.4 Công suất phát của truyền dẫn trực tiếp so với đa chặng 39
xi
Hình 3.5
Mở rộng phạm vi phủ sóng đến điểm chết bằng nút

chuyển tiếp
41
Hình 3.6 Kiến trúc mạng iCAR 43
Hình 3.7 Kiến trúc mạng VCN 44
Hình 3.8 Kiến trúc mạng mắt lưới MESH 45
Hình 3.9 Kiến trúc mạng UCAN 46
Hình 3.10 Kiến trúc mạng cMCN 47
Hình 3.11 Kiến trúc mạng chặng với nút chuyển tiếp lai 48
Hình 3.12 Mô hình truyền thông đơn chặng và hai chặng 50
Hình 3.13 Suy giảm theo hàm mủ của công suất phát với số chặng 52
Hình 4.1 Hệ thống truyền thông vô tuyến hai chặng với RS 54
Hình 4.2 Sơ đồ khối hệ thống hai chặng 55
Hình 4.3 Mô hình hệ thống hai chặng phân tập hợp tác 57
Hình 4.4 Sơ đồ khối hệ thống n chặng 65
Hình 5.1 Thuật toán mô phỏng BER hệ thống hai chặng hợp tác 72
Hình 5.2 Thuật toán mô phỏng xác suất rớt cho hệ thống hai 73
Hình 5.3 Sơ đồ mô phỏng đánh giá BER cho hệ thống N chặng 74
Hình 5.4 BER cho hệ thống hai chặng hợp tác với nút AF 76
Hình 5.5 Xác suất rớt cho hệ thống hai chặng hợp tác với nút AF 76
Hình 5.6 Xác suất rớt cho hệ thống hai chặng hợp tác với nút DF 77
Hình 5.7 Xác suất rớt cho hệ thống hợp tác với nút AF và DF 77
Hình 5.8 BER cho hệ thống hai chặng trên kênh Rayleigh fading 78
Hình 5.9 BER cho hệ thống đa chặng trên kênh Rayleigh fading 79
Hình 5.10 BER cho hệ thống đa chặng trên kênh Rayleigh fading 79
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những thập niên trở lại đây, với phát triển mạnh của các dịch vụ
số liệu, các nhu cầu truyền thông đa phương tiện với tốc độ cao, đã thúc đẩy
việc nghiên cứu ra nhiều công nghệ mới với băng thông rộng hơn để đáp ứng

lại sự phát triển này. Mạng vô tuyến băng rộng với các tiêu chuẩn mới như
Wimax, LTE/LTE- Advanced, với các ưu điểm vượt trội về tốc độ truyền tải
dữ liệu, hứa hẹn sẽ đem lại cho người sử dụng các dịch vụ truy cập số liệu tốc
độ và chất lượng cao.
Để đạt được nhưng yêu cầu về thông lượng, phạm vi phủ sóng rộng lớn,
cũng như việc cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn, hệ thống vô tuyến băng
rộng đã sử dụng kỹ thuật truyền thông đa chặng với các nút chuyển tiếp. Kỹ
thuật truyền thông đa chặng sử dụng nút chuyển tiếp để chia đường truyền
(vùng phủ sóng) ra thành nhiều chặng nhỏ. Kỹ thuật này có nhiều ưu điểm
như: giảm công suất phát, mở rộng vùng phủ sóng của mạng, tăng thông
lượng hệ thống…Ngoài ra, việc tăng số chặng của hệ thống ảnh hưởng như
thế nào đến hiệu năng của hệ thống cũng là vấn đề cấp thiết cần được nghiên
cứu khi thiết kế mạng. Chính vì những vấn đề trên, mà việc nghiên cứu kỹ
thuật truyền thông đa chặng trong thông tin vô tuyến băng rộng là cần thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu
+ Nghiên cứu các hệ thống truyền dẫn trong thông tin vô tuyến băng
rộng làm cơ sở cho việc mở rộng mạng bằng kỹ thuật chuyển tiếp.
+ Nghiên cứu các kỹ thuật chuyển tiếp làm nền tảng cho việc nghiên cứu
kỹ thuật truyền thông đa chặng.
+ Nguyên cứu đánh giá hiệu năng hệ thống đa chặng để làm cở sở cho
việc qui hoạch, tối ưu mạng.
2
+ Xây dựng chương trình mô phỏng bằng phần mềm Matlab để kiểm
chứng kết quả lý thuyết đã đề cập.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
+ Các đặc tính của mạng thông tin vô tuyến băng rộng.
+ Các đặc tính, nguyên lý hoạt động của kỹ thuật chuyển tiếp, ưu nhược
điểm kỹ thuật mạng đa chặng, kiến trúc mạng tế bào đa chặng.
+ Phân tích hiệu năng hệ thống hai chặng hợp tác, hệ thống đa chặng
không hợp tác với nút chuyển tiếp cố định.

+ Ứng dụng Matlab để mô phỏng.
4. Phương pháp nghiên cứu
+ Thu thập tài liệu, chọn lọc và phân tích các thông tin liên quan đến nội
dung nghiên cứu của đề tài.
+ Nguyên cứu lý thuyết về kỹ thuật chuyển tiếp.
+ Xây dựng mô hình hệ thống hai chặng và đa chặng, đánh giá các tham
số của hệ thống.
+ Sử dụng Matlab để mô phỏng đánh giá các thông số mạng đa chặng.
5. Bố cục đề tài
Theo mục tiêu và đối tượng nghiên cứu đã trình bày ở phần trên, nội
dung của đề tài sẽ bao gồm các phần sau:
Chương 1 Giới thiệu hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng
Giới thiệu tổng quan về hệ thông thống tin di động, hệ thống
thông tin vô tuyến băng rộng cố định và băng rộng di động.
Tìm hiểu đặc tính kỹ thuật, ưu nhược điểm của kỹ thuật
OFDM - kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong thông tin vô
tuyến băng rộng.
3
Chương 2 Kỹ thuật chuyển tiếp trong mạng đa chặng
Giới thiệu về khái niệm kỹ thuật chuyển tiếp, các loại nút
chuyển tiếp, các phương pháp chuyển tiếp tín hiệu, các cơ chế
bắt cặp chọn nút chuyển tiếp.
Chương 3 Kỹ thuật đa chặng trong mạng băng rộng
Giới thiệu khái quát về kỹ thuật mạng đa chặng, phân tích ưu
nhược điểm của mạng đa chặng. Trình bày và phân loại một
số kiến trúc của mạng tế bào đa chặng dựa trên đặt tính của
nút chuyển tiếp. Phân tích vấn đề tiêu thụ công suất phát
trong hệ thống đa chặng.
Chương 4 Phân tích hiệu năng hệ thống đa chặng với nút chuyển
tiếp cố định

Phân tích hiệu năng của mạng hai chặng hợp tác và mạng đa
chặng với mô hình tuyến tính không hợp tác, sử dụng nút
chuyển tiếp cố định. Đánh giá các tham số của hệ thống như
SNR, tỉ lệ lỗi bít, xác suất rớt của hệ thống.
Chương 5 Mô phỏng và kết quả
Giới thiệu các lưu đồ mô phỏng và các kết quả mô phỏng thu
được về đánh giá tỉ lệ lỗi bit của hệ thống hai chặng hợp tác,
hệ thống N chặng với các kiểu điều chế BPSK, QPSK trên
các kênh Rayleigh fading.
6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu
Tài liệu nghiên cứu được tham khảo là những bài báo, các luận văn thạc
sỹ từ các trường đại học của các quốc gia khác trên thế giới, cùng với các
trang web tìm hiểu. Luận văn chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, rất
mong nhận được sự góp ý của Hội đồng để luận văn trở thành một công trình
thực sự có ích.
4
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN BĂNG RỘNG

1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Với nhu cầu ngày càng cao cho các dịch vụ đa phương tiện như dữ liệu,
thoại, video tốc độ cao, mạng vô tuyến băng rộng đã có những bước tiến nhảy
vọt với nhiều tiêu chuẩn mới. Nội dung của chương này sẽ giới thiệu khái
quát quá trình phát triển của mạng vô tuyến di động từ thế hệ đầu tiên đến
công nghệ mới nhất 4G. Tiếp đến, sẽ giới thiệu và so sánh các công nghệ vô
tuyến băng rộng cố định và vô tuyến băng rộng di động được sử dụng hiện
nay. Ngoài ra, trong chương này cũng sẽ giới thiệu về kỹ thuật ghép kênh
phân chia theo tần số trực giao (OFDM) - một kỹ thuật được sử dụng phổ biến
trong hệ thống vô tuyến băng rộng.
1.2 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI

ĐỘNG
Trong hơn hai thập kỷ qua, sự phát triển của mạng thông tin di động và
Internet đã làm thay đổi lối sống của con người từ cách họ liên lạc với nhau
đến cách họ làm việc, vui chơi và giải trí. Mạng thông tin di động thế hệ đầu
tiên 1G ra đời vào thập niên 80. Đây là thế hệ mạng thông tin di động dùng tín
hiệu tương tự (analog). Tuy thế hệ 1G chứa đựng nhiều khuyết điểm kỹ thuật,
song nó đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lịch sử truyền thông.
Đặc trưng của hệ thống là: dung lượng thấp, kĩ thuật chuyển mạch tương tự,
xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển giao cuộc gọi giữa các tế bào
không tin cậy, chất lượng âm thanh thấp, không có chế độ bảo mật và chủ yếu
là dành cho thoại. Một số chuẩn trong hệ thống này là: AMPS, SMR,
NMT(900)
5
Sự bùng nổ của mạng thông tin di động trên khắp thế giới với sự ra đời
của thế hệ 2G, ra đời từ đầu những năm 90. Mạng 2G có thể phân ra hai loại:
mạng 2G dựa trên nền TDMA và mạng 2G dựa trên nền CDMA. Đánh dấu
điểm mốc bắt đầu của mạng 2G là sự ra đời của mạng D-AMPS (hay IS-136)
dùng TDMA phổ biến ở Mỹ. Tiếp theo là mạng CdmaOne (hay IS-95) dùng
CDMA phổ biến ở châu Mỹ và một phần của châu Á, rồi mạng GSM dùng
TDMA, ra đời đầu tiên ở Châu Âu và hiện được triển khai rộng khắp thế giới.
Sự thành công của mạng 2G là do các dịch vụ và tiện ích mà nó mạng lại cho
người dùng, với các đặc điểm: kỹ thuật chuyển mạch số; dung lượng lớn; siêu
bảo mật; nhiều dịch vụ kèm theo như truyền dữ liệu, fax, sms…Tất cả đều
theo chuẩn kỹ thuật số, bao gồm: GSM, iDEN, D-AMPS, IS 95…

Hình 1.1 Quá trình phát triển mạng thông tin di động
Thế hệ 2,5G là bước chuyển giao lên công nghệ 3G. Có đặc điểm: dữ
liệu chuyển mạch tốc độ cao (HSCSD), dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS);
chuyển mạng, các dịch vụ định vị, tương tác với các hệ thống thông tin di
động vệ tinh và hỗ trợ định tuyến tối ưu…

ANALOG

TACS
AMPS
3G LTE

(OFDMA)

3GPP standards

EV
-
DV

CDMA2000

UMB
(OFDMA)

3GPP2 standards


802.16m

(OFDMA)

GSM
(TDMA)

GPRS EDGE
UMTS

(WCDMA)

HSPA

IS
-
136

(TDMA)

IS
-
95A

(TDMA)

IS-95B
1xRTT
(CDMA2000)

EV
-
DO

CDMA2000

WiFi

(OFDM)

802.16
-
2004

(OFDM)
802.16-2005

(OFDM)
Cellular Technology Evolution
1G 2G 2.5G 2.75G 3G 3.5G pre-4G

Broadband Wireless Technology Evolution
2005 2006 2006-2009 2010+
All-IP
Convergence

6
Tiếp nối thế hệ thứ 2, mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G đã và
đang được triển khai nhiều nơi trên thế giới. Sự cải tiến nổi bật nhất của mạng
3G so với mạng 2G là khả năng cung ứng truyền thông gói tốc độ cao nhằm
triển khai các dịch vụ truyền thông đa phương tiện. Mạng 3G bao gồm mạng
UMTS sử dụng kỹ thuật WCDMA, mạng CDMA2000 sử dụng kỹ thuật
CDMA và mạng TD-SCDMA được phát triển bởi Trung Quốc. Thế hệ 3G
(WCDMA): xuất hiện đầu tiên ở Nhật Bản. Đặc điểm nổi bật so với 2 thế hệ

trước là: truy cập internet, truyền video.
Mạng 3.5G là hệ thống mạng di động truyền tải tốc độ cao HSDPA, phát
triển từ 3G và hiện đang được 166 nhà mạng tại 75 nước đưa vào cung cấp
cho người dùng. Nó đuợc kết hợp từ 2 công nghệ kết nối vô tuyến hiện đại
HSPA và HSUPA, cho phép tốc độ truyền dẫn lên đến 7.2Mbp/s.

Hình 1.2 Mô hình mạng 4G
Với nhu cầu của việc truyền dữ liệu hình ảnh và video với dung lượng
lớn, hiện nay công nghệ di động thế hệ thứ 4 đang được đầu tư phát triển.
Công nghệ 4G cho phép truyền và nhận với băng thông rộng tốc độ cao. Cho
7
phép truyền dữ liệu với tốc độ 100MB/s trong khi đang di chuyển và có tốc
độ 1GB/s khi người sử dụng cố định. Trong số những công nghệ tiên phong
trong lĩnh vực 4G, phải kể đến LTE, UMB và WiMax. Cả 3 đều sử dụng công
nghệ anten mới, qua đó cải thiện tốc độ và khoảng cách truyền dẫn dữ liệu.
Như vậy, tương lai mạng 4G sẽ là một sự hội tụ của nhiều công nghệ
mạng hiện có và đang phát triển như 2G, 3G, WiMAX, Wi-Fi, IEEE 802.20,
IEEE 802.22, pre-4G, RFID, UWB, satellite…để cung cấp một kết nối vô
tuyến đúng nghĩa rộng khắp, mọi lúc, mọi nơi, không kể mạng thuộc nhà cung
cấp nào, không kể người dùng đang dùng thiết bị di động gì. Người dùng
trong tương lai sẽ thực sự sống trong một môi trường “tự do”, có thể kết nối
mạng bất cứ nơi đâu với tốc độ cao, giá thành thấp, dịch vụ chất lượng cao và
mang tính đặc thù cho từng cá nhân.
1.3 MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG
Mạng thông tin vô tuyến băng rộng có thể được phân ra thành 2 loại là
mạng vô tuyến băng rộng cố định (Wi-Fi , Wimax) và mạng vô tuyến băng
rộng di động (3G, 4G).

Hình 1.3 Phân loại mạng vô tuyến băng rộng
8

1.3.1 Mạng vô tuyến băng rộng cố định
Công nghệ vô tuyến băng thông rộng cố định có thể được định nghĩa là
các mạng vô tuyến tốc độ cao kết nối đến các vị trí cố định, người sử dụng
đầu cuối trong mạng là di động nhưng cố định khi kết nối mạng. Hai công
nghệ đặc trưng cho kiểu mạng này là Wi-Fi ( chuẩn 802.11) và WiMax
(802.16)
a.Wi-Fi
Wi-Fi là công nghệ vô tuyến cố định tốc độ cao đầu tiên thâm nhập thị
trường băng thông rộng cố định. Mạng WLAN đầu tiên (802.11) được giới
thiệu vào năm 1997 có tốc độ đến 2Mbps, và 802.11b đã được phê duyệt bởi
IEEE vào năm 1999. Hiện nay có nhiều sản phẩm vô tuyến dựa trên công
nghệ Wi-Fi bao gồm IEEE chuẩn 802.11a, b, g , n. Các tiêu chuẩn được đưa
ra trong Bảng 1.1.
Wi-Fi là một công nghệ vô tuyến tốc độ cao đã được triển khai rộng rãi,
đặc biệt là tại các điểm phát sóng hostpot trên toàn thế giới, bao gồm tại nhà,
văn phòng, và ngày càng phổ biến trong các quán cà phê, khách sạn, và các
sân bay.
Bảng 1.1 Các cộng nghệ vô tuyến băng rộng cố định
Công nghệ

Tiêu chuẩn

Mạng sử
dụng
Thông
lượng
Vùng phủ
sóng
Tần số
Wi-Fi 802.11a WLAN <= 54Mbps

<= 300feet 5Ghz
Wi-Fi 802.11b WLAN <= 11Mbps

<= 300feet 2.4 Ghz
Wi-Fi 802.11g WLAN <= 54Mbps

<= 300feet 2.4 Ghz
WiMax 802.16d WMAN <=75Mbps 4-6 miles Sub 11Ghz
WiMax 802.11e WMAN <=75Mbps 4-6 miles 2.4 Ghz
Kiến trúc Wi-Fi được thể hiện trong hình 2. Nó bao gồm một trạm gốc
kết nối với SERVER để truy cập vào tài nguyên mạng. Trạm gốc là chịu trách
nhiệm gửi và nhận dữ liệu từ các đầu cuối vô tuyến được kết hợp với các trạm
9
gốc. Sự kết nối giữa các đầu cuối và trạm cơ sở là liên kết truyền thông không
dây. Liên kết truyền thông này là chịu trách nhiệm cho việc vận chuyển dữ
liệu giữa các trạm gốc và các máy chủ.

Hình 1.4 Kiến trúc mạng Wi-Fi
Ưu điểm chính của Wi-Fi là đơn giản và dễ triển khai. Hơn nữa, nó sử
dụng phổ vô tuyến không cần cấp giấy phép, Wi-Fi cho phép người dùng điện
thoại di động truy cập mạng trong phạm vi lên đến 300 feet từ trạm cơ sở.
Ngoài ra, chi phí để triển khai giải pháp vô tuyến này là thấp vì không cần
trang bị hệ thống dây điện đắt tiền.
Tuy nhiên, nhược điểm của Wi-Fi là người sử dụng chỉ có thể sử dụng
công nghệ trong phạm vi bán kính 300 feet, do đó hạn chế mức độ di động.
Ngoài ra, thực tế cho thấy rằng công nghệ này hoạt động trong các băng tần
2.4GHz mà không cần cấp giấy phép, làm cho nó dễ bị nhiễu từ các thiết bị
khác như Bluetooth, điện thoại không dây, Về bảo mật, chuẩn mã hóa được
sử dụng WEP - có thể dể dàng bị bẻ khóa.

b. WiMax
WIMAX là sự bùng nổ của công nghệ vô tuyến băng thông rộng cố định,
có thể cung cấp kết nối băng thông rộng trong một khu vực địa lý lớn hơn so
10
với Wi-Fi. Nó có khả cung cấp dịch vụ trong phạm vi từ một đến sáu dặm.
Với phạm vi phủ sóng như vậy, Wimax dự kiến sẽ cung cấp kết nối băng
thông rộng cố định và nomadic (người sử dụng có thể di chuyển nhưng cố
định trong lúc kết nối) mà không nhất thiết phải có một tầm nhìn thẳng (LOS)
đến một trạm gốc. WiMax sẽ cũng có thể cho phép tính năng di động cao, các
ứng dụng dữ liệu với tốc độ cao, phạm vi và thông lượng cao hơn so với Wi-
Fi.
WiMax sử dụng tiêu chuẩn IEEE 802.16 (802.16d và g). Tiểu chuẩn
IEEE 802.16d được sử dụng chủ yếu với mạng vô tuyến diện rộng
(WWANs). Chuẩn 802.16e là phiên bản dành cho điện thoại di động của
WiMax, được sử dụng cho mạng đô thị vô tuyến di động (WMANs). Hai
chuẩn này của WiMax là kiến trúc lý tưởng cho những những phân đoạn
truyền dẫn như chặng cuối (last mile), đường trục đến trạm phát (backhaul),
các nhà cung cấp dịch vụ Internet, mạng doanh nghiệp.
Với băng thông cao giữa 2 GHz và 11GHz, WiMax rất lý tưởng cho
truyền tải dữ liệu. WiMax có một phạm vi tối đa lên đến 30 dặm. Khả năng
này được tăng cường bởi những cell có bán kính từ 4-6 dặm. Hơn nữa,
WiMax có khả năng hỗ trợ dữ liệu truyền lên đến 75Mbps như thể hiện trong
Bảng 1.1 và 1.2.
c. Một số ưu điểm có được từ việc triển khai WiMax.
- Hỗ trợ tốc độ dữ liệu tốc độ cao hơn, và phạm vi hoạt động rộng hơn.
- Rất hữu ích cho việc triển khai tại các khu vực địa hình xấu hoặc trong
môi trường với cơ sở hạ tầng dây cáp hạn chế. Hơn nữa, WiMax hỗ trợ và có
giao diện kết nối dễ dàng với các công nghệ hữu tuyến và vô tuyến khác như
Ethernet, ATM, VLAN, và Wi-Fi.
- WiMax cung cấp kết nối mạng với tín hiệu đa đường mà không có yêu

cầu về tầm nhìn thẳng đến trạm gốc.
11
- WiMax cung cấp một chất lượng dịch vụ (QoS) tốt hơn bằng cách sử
dụng công nghệ ăng ten thông minh sử dụng phổ hiệu quả hơn.
d. Một số hạn chế của WiMax:
- Dải tần WiMAX sử dụng không tương thích tại nhiều quốc gia, làm
hạn chế sự phổ biến công nghệ rông rãi.
- Do công nghệ mới xuất hiện gần đây nên vẫn còn một số lỗ hổng bảo
mật.
- Các thiết bị dành cho WIMAX có yêu cầu công nghệ cao và chưa được
sản xuất đại trà do đó giá thành rất đắt.
- Công nghệ này khởi xướng từ nước Mỹ, nhưng thực sự chưa có thông
tin chính thức nào đề cập đến việc Mỹ sử dụng WiMAX như thế nào, khắc
phục hậu quả sự cố ra sao.
1.3.2 Mạng vô tuyến băng rộng di động
a. Mạng thế hệ thứ 3 (3G)
Mạng thế hệ thứ ba (3G) bắt đầu với tầm nhìn để phát triển một tiêu
chuẩn toàn cầu cho dịch vụ dữ liệu tốc độ cao và dịch vụ thoại chất lượng cao.
Mục tiêu là để tất cả người dùng trên toàn thế giới sử dụng một tiêu chuẩn
duy nhất mà sẽ cho phép chuyển vùng toàn cầu. Điều này là không thể bởi vì
khả năng tương thích với mạng 2G và sự khác biệt tần số giữa các nước là
một rào cản để thực hiện, vì vậy trên thế giới đã không thể đạt được thỏa
thuận về một việc thực hiện một chuẩn 3G duy nhất.
Do đó, trên thế giới tồn tại nhiều công nghệ thuộc thế hệ 3G như sau:
Access Code Division Multiple (CDMA2000), IxEV-DO/DV, WCDMA và
cải tiến của nó gọi là HSDPA và HSUPA HSDPA và HSUPA có thể đạt tốc
độ lên đến 5 Mbps.

12
b. Mạng thế hệ thứ 4 (4G)

4G là mạng vô tuyến thế hệ mới nhằm mục đích để bổ sung và thay thế
các hệ thống 3G, trong tương lai gần. Nhu cầu về tốc độ dữ liệu cao hơn và sự
không tương thích của các tiêu chuẩn 3G đã chuyển trọng tâm sang mạng thế
hệ thứ tư (4G) và khi công nghệ này được triển khai trên thực tế, nó sẽ hỗ trợ
tốc độ trên 100 Mbps, nó sẽ tích hợp tất cả các mạng không dây.

Hình 1.5 Quan hệ giữa 4G với các mạng khác
Cơ sở hạ tầng mạng 4G sẽ bao gồm một tập hợp của các mạng khác nhau
bằng cách sử dụng công nghệ IP. Các hệ thống 4G sẽ tương thích với các hệ
thống 2G và 3G, cũng như với các hệ thống vô tuyến băng rộng cố định. Dựa
trên các xu hướng phát triển của truyền thông di động, thế hệ 4G sẽ có băng
thông rộng hơn, tốc độ dữ liệu cao hơn, và chuyển giao nhanh hơn và sẽ tập
trung đảm bảo dịch vụ thông suốt qua nhiều hệ thống và mạng vô tuyến.
1.3.3 So sánh mạng vô tuyến băng rộng di động và cố định
Bảng 1.2 đã đưa ra một cái nhìn tổng quan về các công nghệ vô tuyến
băng rộng. Mỗi công nghệ vô tuyến băng rộng có nhiều tiêu chuẩn. Với 4G,
điều được mong đợi nhất là nó chỉ có một tiêu chuẩn chung cho toàn cầu. Ta
4G
Wi-Fi
3G
WiMax
Others