Nghiên cứu giải pháp chuyển đổi công nghệ sang hệ thông tin di động 4G

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





Phạm Thu Trang





NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CHUYỂN ĐỔI CÔNG NGHỆ SANG
HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G










LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2006


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ




Phạm Thu Trang







NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CHUYỂN ĐỔI CÔNG NGHỆ SANG
HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G



Ngành : Công nghệ Điện tử – Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc
Mã số: 2.07.00


LUẬN VĂN THẠC SĨ


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:




PGS.TS. TRẦN HỒNG QUÂN



Hà Nội - 2006



i
MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1. Những đặc thù của hệ thông tin di động
1.2. Tổng quan về hệ thông tin di động quá khứ, hiện tại và tƣơng lai
1.3. Giới thiệu hệ thông tin di động 4G
1.4. Kết luận

CHƢƠNG 2. YÊU CẦU HẠ TẦNG VIỄN THÔNG VÀ XU HƢỚNG
PHÁT TRIỂN CÁC CÔNG NGHỆ
2.1. Yêu cầu hạ tầng viễn thông chung
2.2. Xu hƣớng phát triển mạng thông tin di động
2.3. Xu hƣớng sử dụng IP trong thông tin di động
2.4. Yêu cầu đối với đầu cuối 4G
2.5. Kết luận

CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG CÔNG
NGHỆ DI ĐỘNG 4G
3.1. Mô hình cấu trúc mạng 4G.
3.1.1. Nhƣợc điểm và ƣu điểm của mạng 3G và 3.5G
3.1.2. Mô hình mạng thông tin di động 4G.
3.2. Những vấn đề cơ bản trong cấu hình hệ thống 4G
3.2.1. Chuẩn
3.2.2. Cấu hình hệ thống
3.2.3. Thông số hệ thống
3.2.3.1.Downlink
3.2.3.2.Uplink
3.2.4. Công nghệ IP và IP di động
3.3. Chức năng của các phần tử trong mô hình.
1
3
3
4
9
13

14

14
15
17
20
22

23

23
23
25
28
28
28
31
31
34
36
39


ii
3.3.1. Các phần tử mạng truy nhập vô tuyến.
3.3.2. Các phần tử mạng lõi.
3.3.3. Chức năng điều khiển.
3.3.4. Dịch vụ.
3.4. Những thách thức khi chuyển sang mạng 4G
3.4.1. Những thách thức
3.4.2. Giải pháp
3.4.2.1.Trạm di động

3.4.2.2.Hệ thống
3.4.2.3.Dịch vụ
3.5. Kết luận.

CHƢƠNG 4. DỊCH VỤ VÀ CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG
4G
4.1. Yêu cầu cơ bản của 4G
4.2. Dịch vụ trong mạng 4G
4.3. Chất lƣợng dịch vụ trong mạng 4G
4.3.1. Khái niệm QoS
4.3.2. Kiến trúc QoS
4.3.3. Các tham số QoS trong mạng di động 4G.
4.3.4. Thách thức về chất lƣợng dịch vụ trong mạng di động 4G
4.3.5. Bảo mật dịch vụ.
4.4. Kết luận.

CHƢƠNG 5. LỘ TRÌNH TIẾN LÊN MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ 4 CHO
MẠNG DI ĐỘNG TẠI VIỆT NAM
5.1. Đặc điểm mạng thông tin di động tại Việt Nam
5.2. Tiến trình triển khai lên 4G từ 2.5G của mạng di động tại Việt Nam
5.3. Kết luận

KẾT LUẬN
39
43
45
49
49
49
53

53
56
60
62

63
63
64
72
72
76
79
81
83
85
86

86
88
94

95


i
CÁC TỪ VIẾT TẮT

3GPP
The 3
rd

Generation Partnership Project
Dự án cộng tác thế hệ thứ 3
ADC
Analog Digital Converter
Bộ chuyển đổi tương tự số
ADSL
Asymmetric Digital Subriber Line
Đường thuê bao số không đối xứng
ALG


AMC
Adaptation and Modulation Coding
Bộ điều chế và mã hoá thích ứng
AMPS
Advance Mobile Phone Service
Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến
AP
Access Point
Điểm truy nhập
API
Application Program Interface
Giao diện trình ứng dụng
AR
Access Router
Bộ định tuyến truy nhập
AS
Autonomous System
Hệ thống tự trị
AUC

Authentication Center
Trung tâm nhận thực
AWGN
Additive White Gaussian Noise
Tạp âm Gauss trắng cộng
BER
Bit Error Rate
Tỉ số bit lỗi
BGP
Border Gateway Protocol
Đ ịnh tuyến biên
BPF
Bandwidth Pass Filter
Bộ lọc thông dải
BPSK
Binary Pulse Shift Keying
Khoá dịch pha nhị phân
BWA
Broadband Wireless Access
Truy cập không dây băng rộng
CDM
Code Division Multiplexing
Phân chia theo mã
CDMA
Code Division Multiple Access
Truy nhập phân chia theo mã
CEPT
Conference European Post and
Hội nghị bưu chính viễn thông Châu Âu

ii
Telematics
CIDR
Classless InterDomain Routing
Định tuyến liên vùng không phân lớp
CN
Core Network
Mạng lõi
CS
Circuit Switching
Chuyển mạch kênh
CSCF
Call Session Control Function
Chức năng điều khiển phiên cuộc gọi
DCH
Dedicated Channel
Kênh riêng
DCS
Digital Cellular System
Hệ thống số tổ ong
DFS
Dynamic Frequency Selection
Lựa chọn tần số động
DFT
Discrete Fourier Transform
Biến đổi fourier rời rạc
DSP
Digital Signal Processing
Xử lý tín hiệu số

DVD


EDGE
Enhanced Data for GSM Evolution
Tốc độ số liệu gói tăng cường để phát triển
GSM
EGPRS
Enhanced GPRS
GPRS tăng cường
EIR
Equipment Identity Register
Bộ ghi dịch nhận dạng thiết bị
EIR
Equipment Identity Register
Thanh ghi nhận dạng thiết bị
ERMES


ERP
Enterprise Resource Planning
Hoạch định tài nguyên công ty
ETSI
European Telecommunications Standard
Institute
Viện chuẩn viễn thông Châu Âu
FDD
Frequency Division Duplex
Ghép công phân chia theo tần số
FDMA

Frequency Division Multiple Access
Truy nhập phân chia theo tần số


iii
GPRS
General Packet Radio System
Hệ thống vô tuyến gói chung
GSM
Groupe Spécial Mobile
Nhóm nghiên cứu thông thông tin di động
đặc biệt
GSM
Global System for Mobile
communication
Hệ thông tin di động toàn cầu
HARQ
Hybrid Automatic Repeat Request
Yêu cầu phát tự động nhanh
HIPERLAN
High Performance Radio Local Area
Network
Mạng nội hạt vô tuyến chất lượng cao
HLR
Home Location Register
Bộ ghi dịch thường trú
HSDPA
High Speed Downlink Packet Access
Công nghệ truy nhập gói đường xuống tốc độ
cao

HS-DSCH
High Speed Downlink Shared Channel
Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao
HSOPA


HSS
Home Subscriber Server
Serve lưu trữ thông tin về thuê bao
HSUPA
High Speed Uplink Packet Access
Công nghệ truy nhập gói đường lên tốc độ
cao
IDFT
Inverse Discrete Fourier Transform
Biến đổi Fourier ngược, rời rạc
IEEE
The Institute of Electrical and Electronic
Engineers
Viện kỹ thuật điện và điện tử
IMT
International Mobile
Telecommunications
Viễn thông di động quốc tế
IP
Internet Protocol
Giao thức Internet


iv

IS
Interim Standard
Chuẩn tạm thời
ISDN
Integrated Services Digital Network
Mạng số liên kết đa dịch vụ
ISI
InterSymbol Interference
Nhiễu giữa các ký hiệu
ISM
Industrial, Scientific, Medical band
Công nghệ, khoa học, y tế
ISP
Internet Service Provider
Nhà cung cấp dịch vụ
ITU
International Telecommunication Union
Liên minh viễn thông quốc tế
LAN
Local Area Network
Mạng cục bộ
LEO
Low Earth Orbit
Quỹ đạo trái đất tầm thấp
LNA
Low Noise Amplifier
Bộ khuếch đại tạp âm thấp
MAN
Metropolitan Area Network
Mạng diện rộng

MCM
MultiCarrier Modulation
Điều chế đa sóng mang
MGCF
Media Gateway Control Function
Chức năng điều khiển tài nguyên đa phương
tiện
MIMO
Multi Output Multi Input
Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra
MMS
Multimedia Message
Tin nhắn đa phương tiện
MPLS
MultiProtocol Label Switching
Chuyển mạch nhãn đa giao thức
MR
Mobile Router
Bộ định tuyến di động
MRFP
Multimedia Resource Function Provide
Cung cấp tài nguyên đa phương tiện
MS
Mobile Station
Trạm di động
MSC
Mobile Switching Center
Trung tâm chuyển mạch di động
NAT
Network Address Translator

Bộ phiên dịch địa chỉ mạng
NMT
Nordic Mobile Telephone
Điện thoại di động Bắc Âu


v
OFDM
Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Phân chia theo tần số trực giao
OTA
Over The Air Activation
Môi trường không gian
PCM
Pulse Code Modulation
Điều chế xung mã
PCS
Personal Communication Service
Dịch vụ truyền thông cá nhân
PDA
Personal Digital Assistant
Thiết bị trợ lý cá nhân dùng kỹ thuật số
PDC
Personal Digital Cellular
Tế bào số hoá cá nhân
PDH
Plesiorchronous Digital Hierarchy
Mạng phân cấp số cận đồng bộ
PDN

Public Data Network
Mạng số liệu công cộng
PLMN
Public Land Mobile Network
Mạng di động mặt đất công cộng
PNC
Public Network Computing
Tính toán mạng công cộng
PS
Packet Switching
Chuyển mạch gói
PSTN
Public Switched Telephone Network
Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng
QoS
Quality of Services
Chất lượng dịch vụ
QPSK
Quadrature Pulse Shift Keying
Khóa dịch pha vuông góc
RAB
Radio Access Bearer
Vật mang truy nhập vô tuyến
RAC
Radio Access Controller
Bộ điều khiển truy nhập vô tuyến
RAN
Radio Access Network
Mạng truy nhập vô tuyến
RAP

Radio Access Point
Điểm truy cập vô tuyến
RF
Radio frequency
Tần số vô tuyến
RNC
Radio Network Controller
Bộ điều khiển mạng vô tuyến
RNS
Radio Network Subsystem
Hệ thống mạng con vô tuyến


vi
RRM
Radio Resource Management
Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến
RTP
Real time Transport Protocol
Giao thức truyền tải thời gian thực
SCM
Single Carrier Modulation
Điều chế sóng mang đơn
SDH
Synchronous Digital Hierarchy
Mạng phân cấp số đồng bộ
SDP


SDR

Software Defined Radio
Phần mềm hệ thống vô tuyến lý tưởng
SEG
Security Gateway
Gateway an ninh
SIM
Subscriber Identity Module
Module nhận dạng thuê bao
SIP
Session Initialization Protocol
Giao thức khởi tạo phiên
SMS
Short Message Service
Tin nhắn thường
SNR
Signal to Noise Ratio
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
SS
Spread Spectrum
Trải phổ
SS7oIP

Báo hiệu số 7 qua giao thức IP
STM
Synchronous Transfer Mode
Chế độ truyền tải đồng bộ
SVC
Switching Virtual Connection
Kết nối chuyển mạch ảo
TACS

Total Access Communication System
Hệ thống thông tin thâm nhập toàn bộ
TDD
Time Division Duplex
Ghép song công phân chia theo thời gian
TDMA
Time Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo thời gian
TPC
Transmission Power Control
Giao thức điều khiển truyền dẫn
TTI
Transmission Time Interval
Thời gian phát truyền dẫn
UAP
Universal Access Point
Điểm truy cập toàn cầu
UE
User Equipment
Thiết bị di động của người dùng


vii
UMTS
Universal Mobile Telecommunication
System
Hệ thống viễn thông di động toàn cầu
USIM
Universal Subscriber Identity Module
Module nhận dạng thuê bao toàn cầu

VHE
Virtual Home Environment
Môi trường định vị thường trú ảo
VLR
Visitor Location Register
Bộ ghi dịch tạm trú
VSF
Variable Spread Frequency
Trải sóng tuỳ biến
WAN
Wide Area Network
Mạng diện rộng
WAP
Wireless Access Protocol
Giao thức truy cập không dây
WCDMA
Wideband Code Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng
WLAN
Wireless Local Area Network
Mạng cục bộ không dây

viii
DANH SÁCH HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

Hình 1.1: Lộ trình hệ thông tin di động
Hình 1.2. Các yêu cầu khi sang hệ thống 4G

Hình 2.1: Xu hướng công nghệ thông tin không dây
Hình 2.2: Mô hình mạng lõi toàn IP
Hình 2.3: Yêu cầu về thiết bị đầu cuối 4G
Hình 2.4. Tính đa dạng về thiết bị đầu cuối 4G

Hình 3.1 : Mô hình cấu trúc mạng 4G
Hình 3.2: Cấu hình hệ thống 4G
Hình 3.3: Liên lạc thông qua các kết nối multi-hop
Hình 3.4: Truyền dẫn đường downlink trên cơ sở trải VSF-OFCDMA
Hình 3.5: Truyền dẫn uplink trên cơ sở MC-DS-CDMA với FD-MC_DS_CDMA

Hình 3.6: Môi trường mạng không đồng nhất trên cơ sở toàn IP
Hình 3.7: Nguyên lý OFDM
Hình 3.8: Cấu trúc mạng lõi 4G
Hình 3.9: Hệ thống phần mềm vô tuyến lý tưởng


ix
Hình 3.10: Đầu cuối đa chế độ gắn liền với WLAN và quét các hệ thống hiện tại. Nó
có thể tải xuống phần mềm thích hợp bằng tay hoặc tự động.
Hình 3.11: Chuyển giao theo hai phương của thiết bị đầu cuối
Hình 3.12: Một ví dụ về tính di động cá nhân

Hình 4.1: Dịch vụ 4G
Hình 4.2: Khái niệm QoS và mối quan hệ QoS với chất lượng mạng
Hình 4.3: Mối liên hệ giữa các khái niệm QoS theo ETSI
Hình 4.4: Kiến trúc dịch vụ trong mạng di động thế hệ sau
Hình 4.5. Chất lượng dịch vụ QoS

Hình 5.1: Mô hình phát triển lên 4G từ GSM
Hình 5.2: Cấu trúc mạng GSM-GPRS
Hình 5.3: Mạng lõi cơ sở IP
Hình 5.4: Mô hình mạng 3.5G
Hình 5.5: Thay đổi ở RNC và Node B
Hình 5.6: Mô hình cấu trúc mạng 4G

Bảng 3.1. Các thông số hệ thống cho đường downlink
Bảng 3.2. Các thông số hệ thống cho đường uplink của hãng NTT DOCOMO
Bảng 3.3. Tóm tắt những thách thức chính và đề xuất các giải pháp
Bảng 4.1: Các tham số QoS trong mạng 4G

- 3 -
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1. NHỮNG ĐẶC THÙ CỦA HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG.
Nói đến thông tin di động là người ta nói đến việc liên lạc truyền thông bằng
sóng điện từ. Như chúng ta biết, từ năm 1897, Guliemo Marconi đã thực hiện việc liên
lạc từ đất liền đến các con tầu trên biển bằng sóng điện từ, hay xa hơn là những tín hiệu
phức tạp khác như vô tuyến truyền hình ra đời vào những năm 1930, vậy tại sao phải
chờ đến cuối thập kỷ 80 của thế kỷ XX thông tin di động mới thực sự phát triển và có
những bước tiến vượt bậc trong việc kết nối thế giới trong tầm tay, vào mọi lúc, mọi
nơi. Để hiểu được điều này ta giả thiết: mỗi một cuộc liên lạc giữa hai người cần một
đường truyền độc lập hay còn gọi là kênh vô tuyến. Mỗi kênh cần tối thiểu một dải
thông 3.10
3
Hz (đây là dải thông ứng với tiếng nói, trên thực tế chúng ta cần dải thông
lớn hơn nhiều). Với dải thông từ 03Ghz (3.10
9
Hz) cho phép số người dùng là một
triệu người dùng cùng một lúc. Vậy làm thế nào để phục vụ hàng chục triệu thuê bao
trong khi tài nguyên tần số vô tuyến là có hạn? Giải pháp đặt ra ở đây là sử dụng lại tần
số. Điều đó có nghĩa một cuộc di động này có thể sử dụng lại tần số của một cuộc di
động khác với điều kiện hai cuộc di động phải ở cách xa nhau về mặt địa lý đủ lớn để
sóng truyền đến nhau nhỏ hơn sóng của hai người trong cuộc đàm thoại. Do vậy, để
thích hợp cho việc quản lý, người ta chia vùng phục vụ ra thành các ô nhỏ được gọi là
các ô tế bào. Hai cuộc liên lạc ở hai ô tế bào đủ xa nhau để có thể sử dụng cùng một tần
số sóng điện từ thông qua việc quản lý tại một trạm trung tâm của tế bào [1].
Hệ quả tất yếu của giải pháp sử dụng lại tần số là:
 Chuyển giao.
 Đăng ký vị trí.
 Chống nhiễu cùng kênh và kênh lân cận.

- 4 -
 Quản lý kênh truyền.
Tất cả các vấn đề trên đều phải xử lý trong thời gian thực. Bên cạnh đó, các yêu cầu
của người dùng về thiết bị như kích thước, trọng lượng, tuổi thọ của pin đã đặt ra các
đòi hỏi rất cao về công nghệ điện tử và các kỹ thuật xử lý tín hiệu. Chính vì vậy, chúng
ta phải đợi đến khi những tiến bộ của công nghệ điện tử chín muồi vào những năm 80,
thông tin di dộng mới thâm nhập vào đời sống xã hội.

1.2. TỔNG QUAN HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG QUÁ KHỨ, HIỆN TẠI VÀ
TƯƠNG LAI.
Lịch sử phát triển
1873: Phương trình Maxwells.
1886: Hertz chứng minh sự tồn tại của sóng vô tuyến.
1895: Marconi phát minh điện báo vô tuyến.
1900: Fessenden truyền tín hiệu thoại vô tuyến thành công:
Liên lạc vô tuyến giữa các tàu thuỷ và các trung tâm trên bờ
Liên lạc vô tuyến giữa máy bay và mặt đất.
1921: Hệ thống vô tuyến phục vụ cảnh sát đầu tiên, Detroit.
Các hệ thống điện thoại vô tuyến cá nhân đầu tiên ra đời.
1946: Hệ thống điện thoại vô tuyến công cộng đầu tiên, St. Louis.
Ra đời các điện thoại vô tuyến HF (Sử dụng băng tần: 2-22Mhz ).
1979: Ra đời mạng vô tuyến tổ ong AMPS
(AMPS là sự kết hợp của hệ thống AT&T tại Chicago và Motorola tại
Washington/Baltimore: chuẩn AMPS tương tự sử dụng dải tần 800Mhz)


- 5 -
1980: Tiêu chuẩn nhắn tin POCSAG.

1982: Dịch vụ INMARSAT.
1982: Các mạng vô tuyến tổ ong NMT450.
(NMT450: điện thoại di động Bắc Âu_phát triển hệ thống 450Mhz có cấu trúc ô nhỏ)
1984: Các mạng vô tuyến tổ ong TACS (Hệ thống thông tin thâm nhập toàn bộ)
1991: Các mạng vô tuyến tổ ong GSM.
1992: Hệ thống điện thoại không dây DECT.
1995: Mạng CDMA đầu tiên.
1995: Mạng nhắn tin ERMES
1996: Mạng TETRA.
2001: Phát triển các tiêu chuẩn FPLMTS/IMT2000 and UMTS [2]
Nhìn lại quá trình phát triển của các mạng truyền thông di động, đầu tiên là các
hệ thống điện thoại tế bào analog ra đời ở Mỹ và Châu Âu (1G) dựa trên kỹ thuật tương
tự chỉ có khả năng truyền thoại, rồi đến những công nghệ liên quan đến kỹ thuật số
(2G và 3G) đã làm thay đổi căn bản trong lĩnh vực thông tin di động, trong xử lý tín
hiệu số và ứng dụng dịch vụ.
Trong những năm đầu thập kỷ 80, hệ thống điện thoại tế bào tương tự đã được
phát triển nhanh chóng ở Châu Âu đặc biệt là Scandinavia và Anh, Pháp, Đức. Mặc dù
mỗi quốc gia này đều phát triển chuẩn cho riêng hệ thống của mình nhưng các chuẩn
này đều được tương thích với nhau về mặt thiết bị cũng như quá trình vận hành. Tuy
nhiên một tình huống không mong đợi đã xảy ra, đó là các thiết bị di động không chỉ bị
giới hạn vùng hoạt động trong vùng biên giới giữa các quốc gia mà nói còn ảnh hưởng
đến thị trường tiêu thụ thiết bị cũng như tính thiếu kinh tế của thiết bị. Các quốc gia
Châu Âu đã sớm nhận ra điều này, vào năm 1982, Hội nghị Bưu chính viễn thông


- 6 -
Châu Âu (CEPT) đã thành lập nhóm nghiên cứu có tên gọi Groupe Spécial Mobile
(GSM) để nghiên cứu và phát triển hệ thông tin di động cố định mặt đất công cộng
giữa các vùng Châu Âu. Hệ thống này phải hội tụ được các đặc tính như sau:
 Chất lượng thoại tốt

 Chi phí cho thiết bị và sử dụng dịch vụ phải mang tính kinh tế
 Hỗ trợ chuyển vùng quốc tế (roaming)
 Có khả năng hỗ trợ các thiết bị cầm tay
 Sử dụng trải phổ hiệu quả
 Tương thích với mạng ISDN
Phát triển từ thế hệ thứ nhất 1G(các hệ thống analog), hệ thông tin di động thế hệ thứ
hai(2G) - hệ truyền thông toàn cầu GSM với các tế bào số hoá cá nhân PDC (Personal
Digital Cellular), chuẩn tạm thời IS(Interim Standard) sử dụng kỹ thuật số cho luồng
định hướng tiếng nói đã là tâm điểm của cuộc cách mạng kỹ thuật số. Vào năm 1989,
Công nghệ GSM được chuyển giao cho Viện chuẩn viễn thông Châu Âu(ETSI). Các
dịch vụ mang tính thương mại mắt đầu được cung cấp vào giữa năm 1991, và vào năm
1993, 36 mạng GSM đã có mặt trên 22 quốc gia. Mặc dù được chuẩn hoá tại Châu Âu,
nhưng GSM không còn là chuẩn riêng của Châu Âu. Hơn 200 mạng GSM (bao gồm cả
DCS1800 và PCS1900) đã được ứng dụng tại 100 quốc gia trên toàn thế giới. Vào đầu
năm 1994, mạng GSM có 1.3 triệu thuê bao trên toàn thế giới và con số này đến năm
1997 là 55 triệu thuê bao. Ngày nay GSM đã trở thành thuật ngữ chung cho hệ thông
tin di động toàn cầu (Global System for Mobile Communication).
Từ khi hệ GSM thành công trong việc chuẩn hóa từ Châu Âu sang toàn cầu, nó
trở thành hệ thống truyền thông di động toàn cầu. Việc nâng cấp hệ thống GSM (2G)
qua GPRS và EDGE (EGPRS) cũng như WAP và imode (2.5G) cho phép tốc độ truyền
dữ liệu cũng như tốc độ truyền thoại được cải thiện trước khi có 3G. GSM được thiết


- 7 -
kế cho các dịch vụ thoại số hay cho dữ liệu truyền dưới dạng bit tốc độ thấp phù hợp
với kênh thoại là 9.6Kbps.
Để có thể đáp ứng được các nhu cầu về sử dụng dịch vụ Internet ngày càng cao
của người dùng và cũng là một bước đệm cho 3G, các mạng thông tin di động hiện nay
đã phát triển công nghệ, đưa dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS 2.5G (General Packet
Radio Services) đến với khách hàng. Hệ thống này được ra đời và được nâng cấp dựa

trên hệ thống GSM có sẵn để truyền thông gói IP với tốc độ truyền khoảng 171Kbps,
nhưng trên thực tế tốc độ chỉ đạt khoảng 100Kbps do một phần dung lượng được dùng
cho việc hiệu chỉnh lỗi trên đường truyền vô tuyến. Với công nghệ này, người dùng có
thể truy cập Internet từ điện thoại di động có tính năng WAP (Wireless Access
Protocol) để gửi tin nhắn hình ảnh và âm thanh; chia sẻ các kênh truyền số liệu tốc độ
cao và ứng dụng truyền thông đa phương tiện, thương mại điện tử…Đây là một công
nghệ chuyển mạch gói được phát triển trên nền tảng của GSM sử dụng đa truy cập
phân chia theo thời gian (TDMA). Với các chức năng được tăng cường, GPRS làm
giảm giá thành, tăng khả năng thâm nhập các dịch vụ số liệu cho người dùng. Với sự
phát triển của các ứng dụng GPRS cho phép các nhà khai thác đa dạng hoá các dịch vụ
của mình. Các dịch vụ mới sẽ làm tăng dung lượng đường truyền trên các tài nguyên
vô tuyến và các hệ thống cơ sở. Để cung cấp các dịch vụ mới cho người sử dụng điện
thoại, GPRS là một bước quan trọng để hội nhập tới các mạng thông tin thế hệ ba.
GPRS cho phép các nhà khai thác triển khai dịch vụ trên nền của cấu trúc mạng lõi
toàn IP cho các ứng dụng số liệu và các dịch vụ 3G với ứng dụng chủ yếu truyền số
liệu và thoại tích hợp.
Liên minh viễn thông quốc tế ITU bắt đầu phát triển các tiêu chuẩn cho hệ
thông tin di động 3G vào những năm cuối của thập niên 90. Thế hệ thứ ba này được
chuẩn hoá vào năm 1999 bao gồm chuẩn ETSI của Châu Âu, UMTS, CDMA2000 từ
Mỹ và WCDMA của Nhật Bản. Những hệ thống này mở rộng các dịch vụ đa phương


- 8 -
tiện chất lượng cao nhiều tốc độ và hội tụ các mạng thành phần cố định, tế bào và vệ
tinh. Hệ thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) được thiết kế để hoạt động tại băng tần
cao hơn, hỗ trợ cho cả hai dịch vụ thoại truyền thống và truyền dữ liệu multimedia như
audio và video. Tốc độ download của hệ 3G là 128Kbps khi sử dụng trong ô tô,
384Kbps khi thiết bị đứng yên hoặc chuyển động với vị trí cố định và khi truyền trong
môi trường picocell tốc độ của nó có thể lên tới 2Mbps. Các ứng dụng 3G thông dụng
gồm hội nghị truyền hình di động, chụp và gửi ảnh kỹ thuật số nhờ các điện thoại máy

ảnh, gửi nhận email, file đính kèm dung lượng lớn, tải tệp tin video và MP3, nhắn tin
dạng chữ chất lượng cao. Các thiết bị hỗ trợ 3G cho phép chúng ta download và xem
phim từ các chương trình TV, kiểm tra tài khoản ngân hàng, thanh toán hoá đơn điện
thoại qua mạng, nhận và gửi các bưu thiếp kỹ thuật số. Hơn nữa, chúng ta còn được
thưởng thức video giàu đồ hoạ, âm thanh vòm lập thể (surrounding sound) chất lượng
cao, game ba chiều mới mẻ (3D), giàu tính năng multimedia của thẻ modem vô tuyến,
hay PDA hợp thời trang.
Trong khi 2G hoạt động trong các băng tần 900 và 1800/1900Mhz, 3G hoạt
động trong băng tần 2Ghz và hệ thống mới này có nhiệm vụ chuyển giao những dịch
vụ đa phương tiện với dung lượng lớn hơn. Hệ 3G và 2G sẽ tiếp tục tồn tại trong một
thời gian với sự tối ưu hoá dự phòng các dịch vụ giữa chúng. Nhiều dạng chuyển giao
bằng vệ tinh khác nhau được sử dụng để cải thiện phạm vi phủ sóng tại thành thị, ngoại
ô, và vùng nông thôn. Năm 2004, điểm mốc đáng nhớ cho công nghệ 3G, công nghệ
3G đã tác động rất lớn đến đời sống hàng ngày của con người, mọi lúc, mọi nơi và hầu
như mọi việc được thực hiện trên điện thoại di động. Một điều quan trọng là khi công
nghệ ngày càng hội tụ và các tiêu chuẩn tương thích với nhau, người tiêu dùng không
còn quan tâm đến mạng sử dụng là GSM hay CDMA nữa mà họ chỉ quan tâm đến việc
máy di động của họ có thể hoạt động ở bất cứ nơi đâu họ đến. Nếu chúng ta nhìn xa
hơn nữa, ứng dụng giải trí sẽ là yếu tố kích thích lớn trong tăng trưởng 3G. Các thống
kê do nhà khai thác DoCoMo (Nhật Bản) đưa ra cho thấy 88% tỉ lệ gói đến từ truy cập


- 9 -
Internet di động và trong số này 77% truy cập là liên quan đến giải trí. Tại Hàn Quốc,
các ứng dụng được yêu cầu phần lớn là các dịch vụ về video, audio, TV trực tiếp,…
Ngoài ra, các dịch vụ khác như download nhạc chuông, mua sắm cũng rất phổ biến.
Những dịch vụ này mang lại cho các nhà khai thác doanh thu rất lớn. Tóm lại với sự
phát triển ngày càng rộng khắp của công nghệ 3G, CDMA, các cơ hội là vô tận. Chúng
ta không còn sống trong một thế giới nơi mà tiêu chuẩn và công nghệ hạn chế chúng ta.
Nhu cầu ngày càng tăng về thiết bị mới, công nghệ cao, tính năng ưu việt đánh dấu sự

ra đời của một thời đại di động vô tuyến.












Hình 1.1: Lộ trình hệ thông tin di động

1.3. GIỚI THIỆU HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G.
Bluetooth
802.11b
PAN
CDMA/GSM/TDMA
CDMA2000 EV-DO/DV
WCDMA/HSDPA
802.11a/S
WiMax
AMPS
ETACS
JTACS
NMT
2.4GHz
WLAN

5GHz
WLAN

1G
analog
2G
digital
3G
IMT2000
3G+

4G






High speed
WLAN
WPAN
RFID
ZigBee
MAIIet
2010+
2005
2000
1995
Mobility
Data

rates
<100Mbps
<50Mbps
384Kbps
144Kbps
~14.4Kbps
Low
speed
Medium
speed
High
speed






- 10 -
Hệ 4G là một khái niệm được xây dựng trên cơ sở mạng của các mạng, hệ thống
của các hệ thống tích hợp trên nền IP. Hệ 4G là sự hội tụ của cả mạng có dây và không
dây cũng như sự tích hợp giữa máy tính, thiết bị điện tử và các công nghệ viễn thông.
Sự tích hợp này đã cho phép tốc độ truyền tải dữ liệu lên tới 100Mbps và thậm chí lên
tới 1Gbps tuỳ thuộc môi trường truyền dẫn là indoor hay outdoor với chất lượng QoS
end-to-end và độ bảo mật cao. Hệ 4G có khả năng cung cấp dịch vụ ở mọi nơi mọi lúc
với chi phí hợp lý và sự tiện lợi trong quá trình tính cước.[3]
Hệ thông tin di động thế hệ 3G được chuẩn hoá theo IMT-2000, bắt đầu đưa vào
ứng dụng tại Nhật Bản từ tháng 10/2001. Nó đã cho chúng ta thấy sự đa dạng về các
dịch vụ truyền thông đa phương tiện. Điều này cũng cho thấy rằng thông tin di động
đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta và nó sẽ còn mở rộng

phạm vi như một bước tiến để cải thiện cuộc sống. Theo các nhà phân tích, mạng 4G sẽ
được triển khai vào khoảng năm 2010, mạng này có thể hỗ trợ chuyển vùng toàn cầu
(roaming) thông qua nhiều mạng di động và mạng không dây. Với đặc tính này, người
dùng có thể truy nhập vào nhiều dịch vụ khác nhau, phạm vi vùng phủ sóng rộng hơn,
một thiết bị ứng dụng cho nhiều tiện ích, chi phí thấp, độ tin cậy truy cập không dây
cao ngay cả khi có sự cố của một hay nhiều mạng. Các mạng 4G có khả năng cùng
hoạt động trên nền IP cho truy nhập Internet di động thông suốt và tốc độ truyền lên tới
50Mbps.
So với mạng di động thế hệ ba, 4G có nhiều ưu thế hơn hẳn: dung lượng được
mở rộng, các mạng 4G hoàn toàn là chuyển mạch gói, các phần tử mạng số hoá, tốc độ
truyền tải dữ liệu cao hơn, cung cấp các dịch vụ truyền thông đa phương tiện với chi
phí thấp.
Các yêu cầu được đặt ra cho hệ thống:
 Truyền thông dải rộng


- 11 -
Cho đến tận bây giờ phần lớn lưu lượng truyền tải trên hệ thống thông tin di động là
các tín hiệu thoại. Hệ thông tin di động thế hệ hai (2G), hệ thống tế bào số cá nhân
(PDC), giới thiệu các dịch vụ thương mại điện tử, thư tín điện tử email. Hệ thống IMT-
2000 cung cấp các giải pháp về truyền dẫn dữ liệu tại tốc độ cao từ 64Kbps đến
384Kbps. Hơn thế nữa, việc tăng tính khả dụng của các dịch vụ băng rộng như ADSL,
hệ thống truy cập cáp quang qua các mạng LAN văn phòng và mạng LAN gia đình có
thể sẽ dẫn đến các yêu cầu về tính tương thích dịch vụ trong các môi trường truyền
thông di động.
 Chi phí giá thành thấp.
Khi các dịch vụ băng rộng được đưa vào ứng dụng, người dùng có thể trao đổi được rất
nhiều loại hình thông tin, lúc này là các nhà cung cấp dịch vụ cần phải giảm giá một
cách đáng kể để mức giá thấp hơn hay ít nhất cũng phải bằng mức tính cước của dịch
vụ hiện thời. Hệ thống chuẩn IMT-2000 đặt ra mục tiêu giảm giá cước và tăng tốc độ

truyền một cách hiệu quả. Bên cạnh đó, hệ thông tin di động 4G đã đưa ra một giải
pháp kênh truyền thông dải rộng với mức chi phí thấp.
 Vùng dịch vụ rộng.
Một trong những đặc tính cơ bản nhất của thông tin di động là chúng ta có thể trao đổi
thông tin mọi lúc và mọi nơi. Đây là một vấn đề rất quan trọng được đặt ra khi thiết kế
hệ thống. Với một hệ thống khi bắt đầu ra mắt, điều khó khăn là diện tích vùng phủ
sóng được mở rộng như thế nào trên vùng phủ sóng có sẵn, chính vì khách hàng sẽ
không bao giờ bỏ tiền ra mua một thiết bị liên lạc mới nếu họ bị giới hạn về vùng dịch
vụ. Hơn thế nữa, các thiết bị đầu cuối được cung cấp cần phải có màn hình hiển thị lớn
ví dụ như PDA và các máy tính cá nhân hỗ trợ không dây, đặc biệt là các thiết bị tương
thích với các dịch vụ tiên tiến. Thường thì các thiết bị này được sử dụng trong gia đình,
chúng ta cần cung cấp các vùng dịch vụ đủ lớn và tính năng đầy đủ hơn.
 Dịch vụ đa dạng


- 12 -
Với mục tiêu phục vụ nhiều đối tượng người dùng. Trong tương lai, chúng ta dự định
sẽ tăng cường, cải thiện chất lượng dịch vụ cũng như tính năng của hệ thống nhằm
cung cấp dịch vụ đa dạng, tiện ích và chân thực nhất chứ không đơn thuần là chỉ cung
cấp các dịch vụ thoại truyền thống và đương nhiên các loại hình dịch vụ này là hoàn
toàn dễ dàng sử dụng.
Như chúng ta đã biết phổ của sóng vô tuyến là tài nguyên chủ yếu cho các công nghệ
không dây do vậy hệ 4G được định hướng nghiên cứu nhằm vào những hệ thống trải
phổ hiệu quả. Những công nghệ đầy tiềm năng đã được nghiên cứu và hứa hẹn một sự
cải tiến về hiệu quả sử dụng phổ thông qua các giải pháp đang tồn tại.
 Các công nghệ anten được cải tiến: giải quyết các vấn đề về dung lượng.
 Các kỹ thuật MIMO (Multi Input Multi Output).
 Các khả năng tích hợp hệ thống và khả năng cấu hình lại hệ thống.
 Công nghệ truy cập không dây: OFDMA (Orthogonal Frequency Division
Multiple Access), MC-CDMA (Multi Carrier Code Division Multiple Access).

 Hội tụ mạng tế bào và quảng bá.








Bắt đầu dịch vụ mới dựa trên
những khả năng mới
Các dịch vụ cao cấp nhờ nâng cao
phẩm chất và tính năng mạng
Hạ tầng dịch vụ mới
- Triển khai nhanh các dịch vụ mới
- Dễ dàng triển khai các dịch vụ mới
Kết nối và chuyển giao linh hoạt giữa nhiều
hệ thống truy nhập

Tốc độ truyền dẫn: 384 Kbps
Dung lượng hệ thống
Chi phí



Hệ thống trạm gốc
 100Mbps (tốc độ cao nhất của môi
trường di động); 1Gbps (tốc độ tối đa
trong môi trường indoor)
 gấp 10 lần hệ thống 3G

 1/101/100 per bit
 All IP

 50ms hoặc nhỏ hơn


Hạ tầng dịch vụ mới
- Triển khai nhanh các dịch vụ mới
- Dễ dàng triển khai các dịch vụ mới
Kết nối và chuyển giao linh hoạt giữa
nhiều hệ thống truy nhập



- 13 -

Hình 1.2. Các yêu cầu khi sang hệ thống 4G
Các nhà cung cấp dịch vụ đã và đang nghiên cứu phát triển công nghệ mạng
không dây 4G để thiết lập một chuẩn 4G toàn cầu theo định hướng của ITU. Hãng
NTT Docomo đã trình diễn khả năng truyền dữ liệu của điện thoại di động với tốc độ
kỷ lục. Trong thí nghiệm ôtô chạy với tốc độ 20km/h, các mẫu điện thoại sử dụng để
xem 32 luồng video với độ nét cao. Đại diện NTT Docomo cho biết, điện thoại có thể
nhận dữ liệu với tốc độ 100Mbps khi đang chuyển động và lên tới 1Gbps khi ở trạng
thái tĩnh. Với tốc độ này, một DVD có thể được tải về chỉ trong một phút. Công nghệ
mạng di động tốc độ cao của NTT Docomo vẫn còn đang được thử nghiệm, các cuộc
thí nghiệm điện thoại thế hệ 4G sử dụng phương thức trải sóng tuỳ biến VSF-Spread
OFDM đã cho thấy tăng tốc độ tải về bằng cách sử dụng sóng đa tần để gửi cùng một
luồng dữ liệu. Một cách thức thực hiện khác đối với mạng di động là các kết hợp nhiều
đầu vào và nhiều đầu ra sử dụng kỹ thuật MIMO. Kỹ thuật này được sử dụng để gửi dữ
liệu qua một số tuyến trên mạng, nhằm tăng dung lượng dữ liệu được truyền tải trên

mạng. Với kỹ thuật MIMO điện thoại di động có thể nhận dữ liệu từ nhiều trạm trong
tầm liên lạc.

1.4. KẾT LUẬN
Với những ưu thế vượt trội hơn hẳn so với các thế hệ di động trước, mạng di
động thế hệ thứ tư có thể giải quyết vấn đề như lưu lượng người dùng, các giao diện
không gian, các thiết bị đầu cuối, các môi trường truyền sóng vô tuyến, các kiểu mô
hình chất lượng dịch vụ. Mục tiêu của 4G ở đây là vừa giải quyết được các yêu cầu của
người dùng, của các nhà khai thác dịch vụ cũng như các yêu cầu về kỹ thuật để có thể
tích hợp được với các hệ thống có sẵn. Hệ thông tin di động 4G sẽ cung cấp tốc độ
truyền dẫn cao hơn và dung lượng lớn hơn so với hệ thống IMT-2000.


- 14 -
CHƯƠNG 2. YÊU CẦU HẠ TẦNG VIỄN THÔNG VÀ XU
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ
2.1. YÊU CẦU HẠ TẦNG VIỄN THÔNG
Như chúng ta đã biết, mạng hiện thời chủ yếu là phục vụ thoại, với sự phát triển
nhanh chóng của các dịch vụ số liệu, các nhu cầu về dịch vụ phi thoại như Internet,
truyền số liệu, thương mại điện tử ngày càng gia tăng. Thông tin di động thế hệ thứ hai
GSM mặc dù đã sử dụng công nghệ số nhưng vì là hệ thống băng hẹp và được xây
dựng trên cơ sở chuyển mạch kênh nên không đáp ứng được các yêu cầu này. Trong
bối cảnh đó ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hoá hệ thống thông tin di động thế hệ ba
với tên gọi IMT-2000. Hệ thông tin di động thế hệ ba cung cấp các dịch vụ viễn thông
bao gồm: truyền thông thoại, truyền số liệu tốc độ bit thấp, truyền thông đa phương
tiện, video cho người dùng làm việc ở vùng công sở, vùng dân cư, trong các phương
tiện vận tải….
Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin di động thì
việc chuyển sang hệ thông tin di động thứ tư trong vài thập kỷ tới là điều hoàn toàn có
thể. Hệ thống thông tin di động tập trung vào việc tích hợp các hệ thống hiện tại như

GSM, WLAN, Bluetooth. Khác hẳn với 3G chỉ tập trung vào phát triển các chuẩn mới
và phần cứng, 4G sẽ tập trung vào các dịch vụ thông minh mang tính chất cá nhân,
cung cấp các hệ thống hoạt động ổn định và dịch vụ chất lượng cao. Mục tiêu chính ở
đây là truyền tải toàn bộ lưu lượng một cách hiệu quả trên kỹ thuật chuyển mạch gói
(kể cả các dịch vụ đang thực hiện trên nền chuyển mạch kênh như thoại). Xu hướng
chính là phát triển các công nghệ băng rộng, tích hợp các công nghệ khác nhau: cố
định/di động, Internet, multimedia, chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Mạng lõi
sử dụng chuyển mạch gói: ATM, IP hoặc kết hợp IP và ATM.