Nghiên cứu về chuyển giáo trong mạng thông tin di động LTE luận văn tốt nghiệp đại học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

NGHIÊN CỨU VỀ CHUYỂN GIAO TRONG
MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE
Sinh viên thực hiện
Lớp

: Võ Đình Sự
: 48K ĐTVT

Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa

NGHỆ AN, 01-2012

i


MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................iv
TÓM TẮT ĐỒ ÁN...........................................................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG..............................................................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ........................................................viii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT..............................................................xi

CHƯƠNG 1 CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ XU HƯỚNG
PHÁT TRIỂN....................................................................................................1
1.1 Sự phát triển của các hệ thống thông tin di động...................................1
1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G)......................................1
1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G)......................................3
1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G)......................................5
1.2 Xu hướng phát triển...............................................................................6
CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ MỤC TIÊU THIẾT KẾ
LTE..................................................................................................................10
2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE...............................................................10
2.2 Mục tiêu thiết kế LTE..........................................................................14
2.2.1 Các khả năng................................................................................14
2.2.2 Hiệu năng hệ thống......................................................................15
2.2.3 Các khía cạnh liên quan đến triển khai........................................17
2.2.4 Kiến trúc và chuyển dịch..............................................................20
2.2.5 Quản lý tài nguyên vô tuyến........................................................22
2.2.6 Mức độ phức tạp..........................................................................23
2.2.7 Các khía cạnh chung....................................................................23
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU VỀ CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG THÔNG
TIN DI ĐỘNG LTE........................................................................................24
3.1 Mục đích của quá trình chuyển giao....................................................24
3.2 Các trạng thái của LTE.........................................................................24
ii


3.3 Các thủ tục truy nhập LTE...................................................................26
3.3.1 Tìm cell........................................................................................26
3.3.2 Truy nhập ngẫu nhiên...................................................................28
3.3.3 Tìm gọi (Paging)..........................................................................29
3.4 Chuyển giao trong LTE........................................................................30

3.4.1 Thủ tục chuyển giao.....................................................................31
3.4.2 Báo hiệu.......................................................................................33
3.4.3 Phép đo chuyển giao....................................................................36
3.4.4 Quan hệ láng giềng tự động.........................................................36
3.4.5 Chuyển giao liên hệ thống............................................................38
3.5 Đo đạc chuyển giao và bộ lọc..............................................................39
3.5.1 Đo đạc chuyển giao và trung bình miền tần số............................41
3.5.2 Trung bình miền thời gian (bộ lọc lớp 3).....................................43
3.5.3 Độ chính xác đo đạc chuyển giao................................................44
3.5.4 Quyết định và báo cáo chuyển giao.............................................45
3.6 Chuyển giao trong mạng hỗn tạp 4G...................................................51
3.6.1 Phân loại chuyển giao..................................................................52
3.6.2 Chuyển giao trong mạng hỗn tạp 4G...........................................55
3.6.3 Quá trình chuyển giao..................................................................57
3.6.4 Chuyển đổi kết nối vô tuyến........................................................59
3.6.5 Cấp phát kênh...............................................................................60
3.6.6 Chuyển giao tự nguyện và cưỡng bức..........................................60
3.6.7 Hàm quyết định chuyển giao dọc.................................................62
3.6.8 Đánh giá hiệu suất........................................................................64
CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH CHUYỂN GIAO....66
4.1 Mô phỏng thuật toán chuyển giao........................................................66
4.1.1 Chuyển giao nội mạng LTE.........................................................66
4.1.2 Chuyển giao dọc giữa LTE và WLAN........................................68
4.2 Giao diện chính chương trình...............................................................69
iii


4.2.1 Chuyển giao nội mạng LTE.........................................................70
4.2.2 Chuyển giao dọc giữa LTE và WLAN........................................73
KẾT LUẬN.....................................................................................................79

TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................80
BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT ANH............................................81

iv


LỜI NÓI ĐẦU

Chuyển giao là một phần cần thiết của các hệ thống thông tin di động tế
bào. Nó diễn ra khi người sử dụng máy di động di chuyển từ cell này đến cell
khác trong mạng thông tin di động tế bào và nó cũng có thể được sử dụng để
cân bằng tải trong mạng thông tin. Trong các hệ thống tế bào thứ nhất như
AMPS, việc chuyển giao tương đối đơn giản. Sang hệ thống thông tin di động
thứ hai như GSM và PACS thì có nhiều cách đặc biệt hơn bao gồm các thuật
toán chuyển giao được kết hợp chặt chẽ trong các hệ thống này và trễ chuyển
giao tiếp tục được giảm đi.
Tính di động là nguyên nhân dẫn đến những biến động về chất lượng
đường dẫn và mức độ nhiễu trong hệ thống di động tế bào, đôi khi đòi hỏi
một User cụ thể phải thay đổi trạm gốc dịch vụ của nó. Trong mạng thông tin
di động LTE, tốc độ số liệu đỉnh tức thời đường xuống của nó lên đến
100Mbps khi băng thông được cấp phát cực đại 20MHz (5bps/Hz) và tốc độ
đỉnh đường lên 50Mbps khi băng thông được cấp phát cực đại là 20MHz
(2,5bps/Hz). Băng thông LTE được cấp phát linh hoạt từ 1,25MHz lên đến
20MHz (gấp bốn lần băng thông 3G-UMTS). Điều đó ảnh hưởng rất lớn đến
tính chất di động và chất lượng của dịch vụ làm cho quá trình chuyển giao
được thực hiện một cách khó khăn hơn. Hiểu được sự phức tạp trong quá
trình chuyển giao trong mạng thông tin di động LTE chính vì vậy em đã chọn
đề tài cho đồ án tốt nghiệp này là: “Nghiên cứu về chuyển giao trong mạng
thông tin di động LTE”.
Em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến cô TS. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa,

người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn giúp em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp.
Các thầy cô trong hội đồng đã giúp em hoàn thiện đồ án này.
Tuy nhiên do LTE là công nghệ đang được nghiên cứu, phát triển và
hoàn thiện cũng như là do những kiến thức của em còn hạn chế nên đồ án tốt
nghiệp không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được nhiều
v


sự góp ý của thầy cô và các bạn để em có thể hoàn thiện hơn cho đồ án của
mình.
Đồ án của em trình bày bao gồm bốn chương với nội dung khái quát
như sau:
Chương 1 Các hệ thống thông tin di động và xu hướng phát triển.
Chương này sẽ trình bày khái quát về sự phát triển của các hệ thống thông tin
di động, sự phát triển từ các mạng thế hệ thứ nhất lên các mạng vượt trên 3G
trong đó có LTE. Đồng thời chương 1 cũng đưa ra các xu hướng phát của các
hệ thống thông tin di động.
Chương 2 Giới thiệu về công nghệ và mục tiêu thiết kế LTE. Chương
trình này khái quát về công nghệ LTE, sau đó sẽ giới thiệu về các mục tiêu
thiết kế LTE.
Chương 3 Nghiên cứu về chuyển giao trong mạng thông tin di động
LTE. Chương này trình bày các khía cạnh khác nhau của chuyển giao trong
mạng thông tin di động LTE và tập trung vào các quá trình chuyển giao nội
mạng LTE và chuyển liên hệ thống giữa các hệ thống thông tin di động.
Chương 4 Phân tích và đánh giá mô hình chuyển giao. Chương này mô
phỏng quá trình chuyển giao nội mạng LTE cũng như quá trình chuyển giao
dọc giữa LTE và WLAN.
Nghệ An, Ngày 2 tháng 1 năm 2012
Sinh viên thực hiện
Võ Đình Sự

vi


TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Trong đồ án này, quá trình chuyển giao đã được nghiên cứu bao gồm:
chuyển giao nội mạng LTE và chuyển giao liên hệ thống. Một thuật toán
chuyển giao dựa trên đo đạc RSS và CIR đường xuống, cùng với bộ lọc L3
tuyến tính và dB đã được đề cập. Kết quả cho thấy chuyển giao dựa trên đo
đạc RSS thực hiện tốt hơn so với chuyển giao dựa trên đo đạc CIR về giảm số
lần chuyển giao, còn CIR thể hiện tốt hơn RSS về mặt tăng tỉ số CIR trung
bình đường xuống. Ngoài ra, quá trình chuyển giao nội mạng LTE cũng như
chuyển giao dọc giữa LTE và WLAN đã được mô phỏng. Kết quả mô phỏng
cho thấy thuật toán chuyển giao dùng Handover Margin sẽ giảm hiện tượng
ping-pong khi UE di chuyển ở vùng biên của hai cell hoặc hai mạng khác
nhau.

ABSTRACT

In this thesis, Handover process has been studied including net
handover of LTE and inter system handover. A handover algorithm based on
RSS and CIR downlink measurements, linear and dB domain L3 filter will be
provided. The results suggest that handover based on RSS measurement
performs better than handover based on CIR measurement in terms of reduced
number of handovers and handover based on CIR measurement performs
better in terms of average downlink CIR. In addition, the handover process as
well as LTE net handover between the LTE and WLAN along has been
simulated. Simulation results show handover algorithm using Handover
Margin will reduce ping-pong effect when UE moves across cell edges.

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các thông số lớp vậy lý LTE...........................................................13
Bảng 2.2 Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp.........................................................13
Bảng 2.3 Các yêu cầu thông lượng của người sử dụng và hiệu suất sử dụng
phổ tần.............................................................................................................16
Bảng 2.4 Các yêu cầu thời gian gián đoạn, LTE-GSM và LTE-WCDMA.....18
Bảng 3.1 Độ lệch chuẩn của các sai số đo đạc................................................45
Bảng 4.1 Kịch bản mô phỏng chuyển giao nội mạng LTE.............................66
Bảng 4.2 Kịch bản mô phỏng chuyển giao dọc giữa LTE và WLAN.............68
Bảng 4.3 Handover Margin và độ trễ chuyển giao..........................................73
Bảng 4.4 Handover Margin và độ trễ chuyển giao..........................................78

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào..................1
Hình 2.1 Cấp phát phổ băng ‘lõi’ IMT-2000 tại 2GHz...................................19
Hình 2.2 Ví dụ về quá trình chuyển dịch từng bước của LTE vào vùng phổ
WCDMA hiện đã triển khai............................................................................19
Hình 2.3 Phân chia chức năng giữa mạng truy cập và mạng lõi.....................21
Hình 3.1 Các trạng thái của LTE.....................................................................25
Hình 3.2 Tín hiệu đồng bộ thứ nhất và thứ hai...............................................27
Hình 3.3 Thủ trục truy nhập ngẫu nhiên.........................................................29
Hình 3.4 Sự tiếp nhận không liên tục (DRX) cho tìm gọi...............................30

Hình 3.5 Thủ tục chuyển giao trong tần số.....................................................31
Hình 3.6 Chuyển đổi mặt phẳng sử dụng trong chuyển giao..........................32
Hình 3.7 Chuẩn bị chuyển giao.......................................................................33
Hình 3.8 Thực hiện chuyển giao.....................................................................35
Hình 3.9 Hoàn thành chuyển giao...................................................................35
Hình 3.10 Nhận dạng cell láng giềng trong tần số tự động.............................37
Hình 3.11 Tổng quan chuyển giao inter-RAT từ E-UTRAN tới UTRAN/
GERAN...........................................................................................................38
Hình 3.12 Các giai đoạn của quá trình chuyển giao. 1) Đo đạc chuyển giao,
2) Xử lý đo đạc đường xuống, 3) Báo cáo đường lên, 4) Quyết định và thực
hiện chuyển giao..............................................................................................40
Hình 3.13 Thủ tục chuyển giao Intra-LTE......................................................41
Hình 3.14 Cấu trúc tín hiệu tham chiếu đường xuống cho LTE PRB với một
cổng antenna và tiền đồ chu kỳ (cyclic prefix) ngắn.......................................42
Hình 3.15 Giai đoạn khởi tạo chuyển giao bao gồm đo đạc chuyển giao, lọc
và báo cáo trong UE........................................................................................43
Hình 3.16 Tác động của trung bình miền tần số (bộ lọc L1) đến sai số trên
mỗi TTI............................................................................................................44
ix


Hình 3.17 Chu kỳ đo đạc chuyển giao Tm và chu kỳ cập nhật quyết định Tu..46
Hình 3.18 Hiệu năng chuyển giao dựa trên đo đạc RSS và CIR dùng các bộ
lọc tuyến tính và dB đối với các băng thông đo đạc khác nhau. Tốc độ người
dùng là 3kmph, Hm=2dB, Tm=150ms và Tu=300ms........................................47
Hình 3.19 Hiệu năng chuyển giao dựa trên đo đạc RSS và CIR dùng các bộ
lọc tuyến tính và dB đối với các băng thông đo đạc khác nhau. Tốc độ người
dùng là 120kmph, Hm=2dB, Tm=150ms và Tu=300ms....................................48
Hình 3.20 Hiệu năng chuyển giao dựa trên đo đạc RSS và CIR dùng các bộ
lọc tuyến tính và dB đối với các băng thông đo đạc khác nhau. Tốc độ người

dùng là 120kmph, Hm=2dB, Tm=150ms và Tu=3000ms..................................49
Hình 3.21 Chuyển giao dựa trên đo đạc RSS và CIR đối với tốc độ người
dùng băng thông đo đạc 1,25MHz với Hm=2dB và Tu=300ms.......................50
Hình 3.22 Chuyển giao dựa trên đo đạc RSS và CIR đối với biên chuyển giao
(handover margin) đối với tốc độ người dùng khác nhau ở băng thông đo đạc
1,25MHz với Hm=2dB và Tu=300ms...............................................................51
Hình 3.23 Cây phân loại chuyển giao.............................................................52
Hình 3.24 Chuyển giao ngang và chuyển giao dọc.........................................56
Hình 3.25 Sơ đồ phân loại đề xuất các quyết định chuyển giao dọc...............62
Hình 3.26 Topology của mạng được mô phỏng..............................................64
Hình 3.27 Tác động của lưu lượng nền đến tổng thông lượng của mạng.......65
Hình 4.1 Mô hình chuyển giao nội mạng LTE................................................66
Hình 4.2 Sơ đồ khối thuật toán chuyển giao intra-frequency LTE.................67
Hình 4.3 Mô hình chuyển giao dọc giữa LTE và WLAN...............................68
Hình 4.4 Cường độ tín hiệu nhận được (RSS) từ hai eNodeB của mạng LTE...
.........................................................................................................................70
Hình 4.5 Trạng thái UE trong mạng LTE với tốc độ UE=5kmph và không có
Handver Margin..............................................................................................71
Hình 4.6 Trạng thái UE trong mạng LTE với tốc độ UE=5kmph, Handover
Margin=3dB, 6dB............................................................................................72
x


Hình 4.7 Trạng thái UE trong mạng LTE với tốc độ UE=5kmph, Handover
Margin=9dB....................................................................................................73
Hình 4.8 Cường độ tín hiệu nhận được từ eNodeB LTE và WLAN...............74
Hình 4.9 Trạng thái của UE trong hai mạng LTE và WLAN với tốc độ
UE=10kmph và không có Handover Margin..................................................75
Hình 4.10 Trạng thái của UE trong hai mạng LTE và WLAN với tốc độ
UE=10kmph, Handover Margin=3dB, 6dB....................................................76

Hình 4.11 Trạng thái của UE trong hai mạng LTE và WLAN với tốc độ
UE=10kmph, Handover Margin=9dB và tốc độ UE=120kmph, Handover
Margin=3dB....................................................................................................77

xi


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1G

One Generation Cellular

Hệ thống thông tin di động thế hệ
thứ nhất

2G

Second Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thế hệ
thứ hai

3G

Third Generation Cellular

Hệ thống thông tin di động thế hệ
thứ ba

3GPP

3rd Generation Partnership

Đề án các đối tác thế hệ thứ ba

Project
3GPP2

3rd Generation Partnership

Đề án đối tác thế hệ thứ ba - 2

Project 2
ACK

Acknowledgement

Tín hiệu xác nhận

AGW

Access Gateway

Cổng truy nhập

ARQ

Automatic Repeat-reQuest

Yêu cầu phát lại tự động

BER

Bit Error Rate

Tỷ số lỗi bit

BS

Base Station

Trạm gốc

BTS

Base Tranceiver Station

Trạm thu phát gốc

BW

Band Width

Băng rộng

CDMA

Code Division Multiple

Đa truy cập phân chia theo mã

Access
CIR

Carrier to Interference

Tỷ lệ sóng mang trên nhiễu

Ratio
CPICH

Common Pilot channel

Kênh hoa tiêu chung

CS

Circuit Switch

Chuyển mạch kênh

DFT

Discrete Fourier Tranform

Biến đổi Fourier rời rạc

DL

Downlink

Đường xuống

DL-SCH

Downlink Share Channel

Kênh chia sẻ đường xuống
xii


DPCCH

Dedicated Physical Control

Kênh điều khiển vật lý riêng

Channel
EDGE

Enhance Data rates for

Tốc độ dữ liệu tăng cường cho

GSM Evolution

mạng GSM cải tiến

eNodeB

E-UTRAN Node B

Nút B của E-UTRAN

E-UTRA

Evolved UTRA

Truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS
phát triển

E-

Evolved UMTS Terrestrial

Mạng truy nhập vô tuyến cải tiến

UTRAN

Radio Access

FACH

Forward Access Channel

FDD

Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần

Kênh truy nhập đường xuống
số

FDM

Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tần số

Multiple
FDMA

Frequency Division

Đa truy cập phân chia theo tần số

Multiple Access
FEC

Forward Error Correction

Hiệu chỉnh lỗi trước

GERAN

GSM/EDGE Radio Access

Mạng truy nhập vô tuyến GSM/

Network

EDGE

GI

Guard Interval

Khoảng bảo vệ

GPRS

General Packet Radio

Dịch vụ vô tuyến gói chung

Service
GSM

Global System for Mobile

Hệ thống di động toàn cầu

GW

Gateway

Cổng

HDTV

High Definition Television

Tivi có độ phân giải cao

HO

Handover

Chuyển giao

HSDPA

High Speed Downlink

Truy nhập gói đường xuống tốc độ

Packet Access

cao
xiii


HSOPA

High Speed OFDM Packet

Truy cập gói OFDM tốc độ cao

Access
HSPA

High Speed Packet Access

Truy nhập gói tốc độ cao

HSS

Home Subscriber Server

Server thuê bao nhà

HSUPA

High Speed Uplink Packet

Truy nhập gói đường lên tốc độ cao

Access
IIR

Infinite Impulse Reponse

Phản ứng xung động vô hạn

IMS

IP Multimedia Subsystem

Phân hệ đa phương tiện IP

IMT

International Mobile

Thông tin di động quốc tế

Telecommunications
IP

Internet Protocol

Giao thức internet

ITU

International

Liên minh viễn thông quốc tế

Telecommunication Union
ISI

Inter-Symbol Interference

Nhiễu liên ký tự

LTE

Long Term Evolution

Phát triển dài hạn

L1

Layer 1

Lớp vật lý 1

L3

Layer 3

Lớp vật lý 3

MBMS

Multimedia Broadcast

Dịch vụ quảng bá đa phương đa

Multicast Service

phương tiện

MIMO

Multi Input Multi Output

Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

MME

Mobility Management

Quản lý tính di động

Entity
OFDM

Orthogonal Frequency

Ghép kênh phân chia theo tần số

Division Multiplexing

trực giao

Orthogonal Frequency

Đa truy nhập phân chia theo tần số

Division Multiple Access

trực giao

PCH

Paging Channel

Kênh tin nhắn

PDF

Probability Density

Chức năng xác suất mật độ

OFDMA

xiv


Function
PLMN

Public Land Mobile

Mạng di động mặt đất băng rộng

Network
PRB

Physical Resource Block

Khối tài nguyên vật lý

QoS

Quality of Services

Chất lượng dịch vụ

RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

RAT

Radio Access Technology

Công nghệ truy nhập vô tuyến

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

RLC

Radio Link Control

Điều khiển liên kết vô tuyến

RRC

Radio Resource Control

Điều khiển tài nguyên vô tuyến

RSRP

Reference Signal Receive

Công suất thu tín hiệu tham khảo

Power
SAE

System Architecture

Phát triển kiến trúc mạng

Evolution
SC

Serving cell

Ô phục vụ

SC-

Single Carrier Frequency

Đa truy cập phân chia theo tần số

FDMA

Division multiple Access

trực giao đơn sóng mang

SDU

Service Data Unit

Đơn vị số liệu dịch vụ

SFN

Single Frequency Network

Mạng tần số đơn

SIM

Subscriber Identity Module

Môđun nhận dạng thuê bao

SIR

Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

TC

Target cell

Ô mục tiêu

TDD

Time Division Duplexing

Ghép song công phân chia theo thời
gian

TD-

Time Division-

Đa truy nhập phân chia theo mã

SCDMA

Synchronous Code

đồng bộ - phân chia theo thời gian

Division Multiple Acess
xv


TNL

Transport Network Layer

Lớp mạng truyền tải

TTI

Time Transmit Interval

Khoảng thời gian phát

UE

User Equipment

Thiết bị người sử dụng

UMTS

Universal Mobile System

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

Telecommunications
System
USIM

UMTS Subcriber Identity

Mô đun nhận dạng thuê bao UMTS

Module
UTRA

UMTS Terrestrial Radio

Truy nhập vô tuyên mặt đất UMTS

Access
UTRAN

UTMS Terrestrial Radio

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất

Access Networks
VoIP

Voice over IP

Thoại sử dụng IP

WAN

Wide Area Network

Mạng diện rộng

WCDM

Wideband Code Division

Đa truy cập phân chia theo mã băng

A

Multiple Access

rộng

Wireless Internet Service

Nhà cung cấp dịch vụ Internet

Provider

không dây

Wireless Local Area

Mạng nội vùng không dây

WISP
WLAN

Network
Wireless Wide Area

WWAN

Mạng diện rộng không dây

Network

xvi


CHƯƠNG 1. CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ XU HƯỚNG
PHÁT TRIỂN
1.1 Sự phát triển của các hệ thống thông tin di động

Khi các ngành thông tin quảng bá về vô tuyến phát triển thì ý tưởng về
thiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di
động sau này. Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm
tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ.
Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn
đến lĩnh vực thông tin di động. Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin
di động đã cải thiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được.
Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết
hợp được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải quyết được bài toán
khó về dung lượng [5].

Hình 1.1 Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào [5]
1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G)

Những hệ thống thông tin di động đầu tiên, nay được gọi là thế hệ thứ
nhất (1G), sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số
(FDMA) để truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di
động. Với FDMA, người dùng được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật
1

tự các kênh trong lĩnh vực tần số. Trong trường hợp nếu số thuê bao nhiều
vượt trội so với các kênh tần số có thể, thì một số người bị chặn lại không
được truy cập.
 Đặc điểm

- Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến.
- Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể.
- Trạm thu phát gốc BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi
MS trong cell.
- Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động tiên tiến
AMPS.
 Những hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ 1

Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy nhập đơn giản.
Tuy nhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng
về cả dung lượng và tốc độ.
Nó bao gồm các hạn chế sau:
- Phân bố tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ.
- Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong
môi trường fadinh đa tia.
- Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở
hạ tầng.
- Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi.
- Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt là ở Châu
Âu, làm cho thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình
ở các nước khác.
- Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp.
 Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử

dụng kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với kỹ thuật đa
truy nhập mới ưu điểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được
cung cấp. Vì vậy xuất hiện hệ thống thông tin di động thế hệ 2 [5].
2


1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G)

Với sự phát triển nhanh chóng về số lượng thuê bao, hệ thống thông tin
di động thế hệ thứ hai được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê
bao di động. Ở Châu Âu, hệ thống toàn cầu dành cho truyền thông di động có
tên gọi là GSM (Global System for Mobile Communications) được triển khai
để cung cấp một tiêu chuẩn mang tính thống nhất. Điều này cho phép các dịch
vụ không kết nối ra khỏi Châu Âu bằng phương thức chuyển vùng quốc tế.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai được giới thiệu vào cuối những năm
1980 của thế kỷ trước. Các nghiên cứu trong các nước Châu Âu khác nhau đã
kết luận rằng hệ thống số là phù hợp hơn hệ thống tương tự nên hệ thống
GSM sử dụng kỹ thuật truyền dẫn số. Do vậy, so với các hệ thống thông tin di
động thế hệ thứ nhất thì hiệu suất phổ của thế hệ thứ hai cao hơn, dịch vụ dữ
liệu và khả năng chuyển vùng tốt hơn.
Các đặc tả hệ thống GSM xuất hiện vào giữa năm 1988. Tuy nhiên, do
không thể xác định mọi đặc điểm của hệ thống để kịp buổi khai trương vào
năm 1991 nên đặc tả được chia thành 2 pha. Các đặc tả của Pha 1 (các dịch vụ
chung nhất) hoàn thành vào năm 1990. Pha 2 sẽ xác định các dịch vụ còn lại
đồng thời sửa lỗi và cải thiện chất lượng của hệ thống Pha 1. Theo yêu cầu
của Anh, một phiên bản của GSM hoạt động trong dải 1800MHz cũng được
đưa vào trong quá trình xây dựng đặc tả. Phiên bản này được gọi là hệ thống
tế bào số tại 1800MHz. Pha 2 hoàn thành năm 1993 và tiếp sau là Pha 2+,
gồm 1 số đặc điểm mới như mã hóa tiếng nói bán tốc, tăng tốc độ di chuyển
của máy di động (vẫn đảm bảo liên lạc).

Hệ thống GSM sớm nhất hoạt động ở băng tần 900MHz với băng thông
tổng cộng là 50MHz. Hệ thống GSM 900MHz làm việc trong một băng tần
hẹp, dải tần cơ bản từ (890-960MHz). Băng tần gồm 124 sóng mang con được
chia làm 2 băng, mỗi băng rộng 25MHz, khoảng cách giữa 2 sóng mang kề
nhau là 200kHz. Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt cho 2 đường lên xuống
gọi là kênh song công. Khoảng cách giữa 2 tần số là không đổi bằng 45MHz.
3


Ngoài ra nó cũng có thể hoạt động ở các băng tần khác như 1800MHz,
1900MHz. Băng tần 1800MHz có thể được sử dụng ý nghĩa và phổ biến hơn
đối với người sử dụng đặc biệt trong những khu vực đông dân cư. GSM cung
cấp một tiêu chuẩn chung nhằm giúp các thuê bao di động liên lạc bên trong
khu vực phục vụ của hệ thống GSM. GSM cung cấp cho người sử dụng các
dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, dịch vụ fax, dịch vụ SMS (Short Message Service)
và các dịch vụ IN (Intelligent Network),… Nó cũng được thiết kế hoạt động
cùng với các tiêu chuẩn khác nhau.
GSM là một công nghệ mở được xây dựng nhằm thỏa mãn các nhu cầu
trong tương lai. GSM định ra các chức năng và giao diện chi tiết nhằm cho
phép các nhà thiết kế phần cứng linh hoạt về cách thức đưa ra chức năng, vì
vậy các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông có thể mua các thiết bị từ các nhà
cung cấp khác nhau. Suốt quá trình phát triển hơn 20 năm của nó, công nghệ
GSM mới chỉ cung cấp được các dịch vụ thoại và nhắn tin ngắn, trong khi
nhu cầu truy nhập Internet và các dịch vụ từ người sử dụng là rất lớn nên nó
đã liên tục được cải tiến để cung cấp các dịch vụ có chất lượng tốt hơn trên thị
trường.
Mặc dù hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai được coi là những
tiến bộ đáng kể nhưng vẫn gặp phải các hạn chế như: tốc độ thấp và tài
nguyên hẹp. Vì thế phải cần thiết chuyển đổi lên mạng thông tin di động thế
hệ tiếp theo để cải thiện dịch vụ truyền số liệu nâng cao tốc độ bit và tài

nguyên được chia sẻ.
Khi các hệ thống thông tin di động ngày càng phát triển, không chỉ số
lượng người sử dụng điện thoại di động tăng lên, mở rộng thị trường mà
người sử dụng còn đòi hỏi các dịch vụ tiên tiến hơn không chỉ là các dịch vụ
cuộc gọi truyền thống và dịch vụ số liệu tốc độ thấp hiện có trong mạng.
Những lý do trên thúc đẩy các tổ chức nghiên cứu phát triển hệ thống thông
tin di động đã nghiên cứu và áp dụng trong thực tế chuẩn mới cho hệ thống
thông tin di động đó là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba [7].
4


1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G)

Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một
giai đoạn trung gian là thế hệ 2,5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp
nhiều khe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể
chồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm
các mạng đã được đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x.
Ở thế hệ thứ 3 này các hệ thống thông tin di động có xu thế hòa nhập
thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến
2Mbit/s. Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay,
các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 gọi là các hệ thống thông tin di động
băng rộng. Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT2000 đã được đề xuất, trong đó 2 hệ thống W-CDMA và CDMA2000 đã
được ITU chấp thuận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu của những
thập kỷ 2000. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho
phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống
thông tin di động thế hệ 3.
- W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là sự nâng cấp
của các hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ
TDMA như: GSM, IS-136.

- CDMA2000 là sự nâng cấp của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử
dụng công nghệ CDMA: IS-95.
 Yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3

Thông tin di động thế hệ thứ 3 xây dựng trên cơ sở IMT-2000 được đưa
vào phục vụ từ năm 2001. Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng
mới nhưng cũng đồng thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di
động thế hệ 2.
oTốc độ của thế hệ thứ 3 được xác định như sau:
- 384Kbps đối với vùng phủ sóng rộng.
- 2Mbps đối với vùng phủ sóng địa phương.
5


oCác tiêu chí chung để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G):
- Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:
 Đường lên: 1885-2025MHz.
 Đường xuống: 2110-2200MHz.
- Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô
tuyến:
 Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến.
 Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông.
- Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:
 Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment)
trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn
cầu.
 Đảm bảo chuyển mạng quốc tế.
 Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu
chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch theo gói.
- Dễ hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện [5].

1.2 Xu hướng phát triển

Các nhà cung cấp dịch vụ và người dùng đều luôn mong muốn và
hướng tới các công nghệ không dây có thể cung cấp được nhiều loại hình dịch
vụ hơn với tính năng và chất lượng dịch vụ cao hơn. Với cách nhìn nhận này,
Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) đã và đang làm việc để hướng tới một
chuẩn cho mạng di động tế bào mới thế hệ thứ tư 4G. ITU đã lên kế hoạch để
có thể cho ra đời chuẩn này một vài năm tới. Công nghệ này sẽ cho phép
thoại dựa trên IP, truyền số liệu và đa phương tiện với tốc độ cao hơn rất
nhiều so với các công nghệ của mạng di động hiện nay.
Cho đến hiện nay, chưa có một chuẩn nào rõ ràng cho 4G được thông
qua. Tuy nhiên, những công nghệ phát triển cho 3G hiện nay sẽ làm tiền đề
cho ITU xem xét để phát triển cho chuẩn 4G. Các sở cứ quan trọng để ITU
thông qua cho chuẩn 4G đó chính là từ hỗ trợ của các công ty di động toàn
6


cầu, các tổ chức chuẩn hóa và đặc biệt là sự xuất hiện của ba công nghệ cho
việc phát triển mạng di động tế bào LTE (Long-Term Evolution), UMB
(Ultramobile Broadband) và WiMax II (IEEE 802.16m). Ba công nghệ này có
thể được xem là các công nghệ tiền 4G. Chúng sẽ là các công nghệ quan trọng
giúp ITU xây dựng các phát hành cho chuẩn 4G trong thời gian tới.
HSDPA (High Speed Downlink Packet Access: truy nhập gói đường
xuống tốc độ cao) là một mở rộng của các hệ thống 3G WCDMA UMTS có
thể cung cấp tốc độ lên đến 10Mbps trên đường xuống. HSDPA là một chuẩn
tăng cường của 3GPP nhằm tăng dung lượng đường xuống bằng cách thay thế
điều chế QPSK trong 3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA. Các kỹ thuật
tương tự cũng được áp dụng cho đường lên trong chuẩn HSUPA (High
Speech Uplink Packet Access). Hai công nghệ truy nhập HSDPA và HSUPA
được gọi chung là HSPA (High Speed Packet Data). Để làm cho công nghệ

3GPP UTRA/UTRAN mang tính cạnh tranh hơn nữa (chủ yếu là để cạnh
tranh với các công nghệ mới của 3GPP2 và WiMax), 3GPP quyết định phát
triển E-UTRA và E-UTRAN (E: Elvolved ký hiệu cho phát triển) còn được
gọi là siêu 3G (Super-3G) hay LTE (Long Term Evolution) mà thực chất là
giai đoạn đầu 4G. Công việc phát triển sẽ tiến hành trong 10 năm và sau đó
như là sự phát triển dài hạn (LTE: Long Term Evolution) của công nghệ truy
nhập vô tuyến 3GPP. Trong giai đoạn này tốc độ số liệu đạt được 30100Mbps với băng thông 20MHz. Tiếp sau LTE, IMT-Adv (IMT tiên tiến) sẽ
được phát triển, đây sẽ là thời kỳ phát triển của 4G với tốc độ từ 100 đến
1000Mbps và băng thông 100MHz.
Sau đây xem xét ba công nghệ được xem là các công nghệ tiền 4G, đó
là các công nghệ làm sở cứ để xây dựng nên chuẩn 4G trong tương lai, gồm:
 LTE (Long-Term Evolution)

Tổ chức chuẩn hóa công nghệ mạng thông tin di động 3G UMTS 3GPP
bao gồm các tổ chức chuẩn hóa của các nước châu Á, châu Âu và Bắc Mỹ đã
bắt đầu chuẩn hóa thế hệ tiếp theo của mạng di động 3G là LTE.
7


LTE được xây dựng trên nền công nghệ GSM, vì thế nó dễ dàng thay
thế và triển khai cho nhiều nhà cung cấp dịch vụ. Nhưng khác với GSM, LTE
sử dụng phương thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM).
LTE sử dụng phổ tần một cách thích hợp và mềm dẻo, nó có thể hoạt động ở
băng tần có độ rộng từ 1,25MHz cho tới 20MHz. Tốc độ truyền dữ liệu lớn
nhất về lý thuyết của LTE có thể đạt tới 250Mbps khi độ rộng băng tần là
20MHz. LTE khác với các công nghệ tiền 4G khác như WiMax II ở chỗ nó
chỉ sử dụng đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao ở hướng lên, còn ở
hướng xuống nó sử dụng đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang
để nâng cao hiệu quả trong việc điều khiển công suất và nâng cao thời gian sử
dụng pin cho thiết bị đầu cuối của khách hàng. LTE là một trong số các con

đường tiến tới 4G. LTE sẽ tồn tại trong giai đoạn đầu của 4G, tiếp theo nó sẽ
là IMT Adv. LTE cho phép chuyển đổi từ 3G UMTS sang giai đoạn đầu 4G
sau đó sang IMT Adv. Chuyển đổi từ LTE sang IMT Adv là chìa khóa của
thành công trên thị trường. Ngoài LTE của 3GPP ta cũng cần nghiên cứu các
hướng chuyển đổi khác sang 4G. 3GPP2 cũng đã và đang thực hiện kế hoạch
nghiên cứu LTE cho mình, hệ thống do 3GPP2 đề xuất là UMB (Ultra Mobile
Band) [10].
 UMB (Ultra Mobile Broadband)

Tổ chức chuẩn hóa công nghệ thông tin di động 3G CDMA2000
3GPP2 (3rd Generation Partnership Project 2) được thành lập và phát triển bởi
các tổ chức viễn thông của Nhật, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc đã đề
xuất phát triển UMB. Thành viên của 3GPP2, Qualcomm là người đi đầu
trong nỗ lực phát triển UMB, mặc dù công ty này cũng chú tâm cả vào việc
phát triển LTE.
UMB dựa trên CDMA có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ
1,25MHz đến 20MHz và làm việc ở nhiều dải tần số. UMB được đề xuất với
tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288Mbps cho luồng xuống và 75Mbps cho luồng
lên với độ rộng băng tần sử dụng là 20MHz. Công nghệ này sẽ cung cấp kết
8


nối thông qua các sóng mang dựa trên đa truy nhập phân chia theo mã CDMA
[7].
 IEEE 802.16m (WiMax II)

Như chúng ta đã biết, WiMax hay chuẩn 802.16 ban đầu được xây
dựng cho mục đích chính là cung cấp các dịch vụ mạng cố định. Chuẩn IEEE
802.16e được phát triển thêm tính năng di động từ các chuẩn WiMax trước
đó. IEEE 802.16 là một chuỗi các chuẩn do IEEE phát triển, chúng hỗ trợ cả

cố định và di động, là công nghệ truyền thông, truy nhập diện rộng, nó cũng
được gọi với một tên khác là WiMax. WiMax hoạt động trong dải tần từ
10GHz đến 66GHz.
IEEE 802.16 (WiMax) cũng đang hoàn thiện khái niệm của mình và
hướng đến đề xuất cho IMT-Adv trong 802.16m. IEEE 802.16m hay còn gọi
là WiMax II là công nghệ duy nhất trong các công nghệ tiền 4G được xây
dựng hoàn toàn dựa trên công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực
giao OFDMA. WiMax II được phát triển lên từ chuẩn IEEE 802.16e. Công
nghệ WiMax II sẽ hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên tới 100Mbps cho các ứng
dụng di động và có thể lên tới 1Gbps cho các người dùng tĩnh. Khoảng cách
truyền cho WiMax II sẽ khoảng 2km ở môi trường thành thị và là khoảng
10km cho các khu vực nông thôn [7].
LTE, UMB và WiMax đều là những công nghệ sáng giá cho 4G. Tuy
nhiên ta thấy công nghệ LTE vượt trội hơn UMB, WiMax về cả tính năng di
động và tốc độ truyền dữ liệu. LTE là đại diện cho một bước tiến trọng yếu
trong những khả năng của thông tin di động. Phổ tần linh hoạt, phạm vi hoạt
động rộng… sẽ là nền tảng để kích thích sự phát triển các dịch vụ và ứng
dụng mới. Để tìm hiểu thêm về LTE, chúng ta qua chương tiếp theo.

9