Phân tích và đánh giá hiệu năng của chuyển giao dọc cho các mạng vô tuyến thế hệ sau

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI
-------

--------

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA
CHUYỂN GIAO DỌC CHO CÁC MẠNG VÔ TUYẾN THẾ HỆ
SAU

HỌC VIÊN: TRẦN MẠNH CƯỜNG

HÀ NỘI – 2015

i


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI
-------

--------

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA
CHUYỂN GIAO DỌC CHO CÁC MẠNG VÔ TUYẾN THẾ HỆ
SAU
HỌC VIÊN: TRẦN MẠNH CƯỜNG

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ NGÀNH: 60520203

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. HỒ KHÁNH LÂM

HÀ NỘI – 2015

i


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể các thầy, cô giáo của Viện Đại
Học Mở Hà Nội đã tận tình chỉ bảo tôi trong suốt thời gian học tập tại nhà trường.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo, Tiến sĩ Hồ Khánh Lâm, người đã
trực tiếp hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi và tận tình chỉ bảo cho tôi trong
suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp.
Bên cạnh đó, để hoàn thành luận văn này, tôi cũng đã nhận được rất nhiều sự
giúp đỡ, những lời động viên quý báu của các bạn bè, các anh chị thân hữu, tôi xin
hết lòng ghi ơn.
Tuy nhiên, do thời gian hạn hẹp, mặc dù đã nỗ lực hết sức mình, nên luận văn
khó tránh khỏi thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự thông cảm và chỉ bảo tận tình
của quý thầy cô và các bạn.
HỌC VIÊN

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự

hướng dẫn khoa học của TS. Hồ Khánh Lâm. Các số liệu, kết quả nêu trong luận
văn là trung thực và chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây.
Những dữ liệu, bảng biểu phục vụ cho việc nghiên cứu, phân tích được chính
tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo.

Hà Nội, tháng 09 năm 2015
Tác giả luận văn

Trần Mạnh Cường

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ I
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... II
KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT............................................................................... V
DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH ...............................................................IX
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU KỸ THUẬT CHUYỂN GIAO CỦA MẠNG VÔ
TUYẾN THẾ HỆ SAU.................................................................................................. 3
1.1. Xu hướng công nghệ .......................................................................................... 3
1.2. Cấu trúc mạng.................................................................................................... 6
1.2.1. Kiến trúc chung của mạng 4G...................................................................... 6
1.2.2. Điểm nhấn trong mạng 4G. .......................................................................... 9
1.3. Các công nghệ mạng 4G .................................................................................. 12
1.3.1. UMB (Ultra Mobile Broadband)................................................................ 12
1.3.2. WiMAX (IEEE 802.16m) ............................................................................ 12
1.3.3. LTE (Long-Term Evolution) ....................................................................... 14
1.3.4. So sánh công nghệ LTE với công nghệ WIMAX ........................................ 15

1.4. Khái niệm chung về chuyển giao trong hệ thống kết nối di động ............... 18
1.4.1. Giới thiệu .................................................................................................... 18
1.4.2. Các thủ tục và phép đo đạc chuyển giao .................................................... 19
1.4.3. Các kiểu chuyển giao.................................................................................. 19
1.5. Chuyển giao trong hệ thống thông tin di động 4G ....................................... 22
1.5.1. Chuyển giao ngang (horizontal handoff) ................................................... 22
1.5.2. Chuyển giao dọc (vertical handover) ......................................................... 23
Kết luận chương 1 ................................................................................................... 27
CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM VÀ YÊU CẦU CỦA CHUYỂN GIAO DỌC ............... 28
2.1. Tổng quan về chuyển giao (HO) ..................................................................... 28
2.1.1. Tìm hiểu về chuyển giao ............................................................................. 28
2.1.2. Trình tự của chuyển giao............................................................................ 29
2.2. Các kiểu chuyển giao ....................................................................................... 30
2.2.1. Chuyển giao cứng (HHO- Hard Handover)............................................... 30
2.2.2. Chuyển giao mềm (SHO-Soft handover) .................................................... 32
2.2.3. Chuyển giao ngang (Horizontal handover)................................................ 34
2.2.4. Chuyển giao dọc (Vertical Handover) ....................................................... 34
2.2.5. Tính ưu điểm của chuyển giao dọc so với chuyển giao ngang................... 36
2.3. Các yêu cầu đối với chuyển giao trong 4G .................................................... 36
iii


2.4. Thuật toán cho quyết định chuyển giao......................................................... 39
2.4.1. Các yếu tố quyết định thuật toán chuyển giao ........................................... 39
2.4.2. Phân loại các loại thuật toán chuyển giao ................................................. 40
2.4.3. Các loại thuật toán chuyển giao................................................................. 43
Kết luận chương 2 ................................................................................................... 45
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU CÔNG CỤ MÔ PHỎNG MATLAB .............................. 46
3.1. Giới thiệu về Matlab ........................................................................................ 46
3.1.1. Giao diện chính của Matlab ....................................................................... 46

3.1.2. M-file trong Matlab .................................................................................... 49
3.1.3. Tổng hợp một số lệnh cơ bản ..................................................................... 51
3.1.4. Simulink trong Matlab ................................................................................ 52
3.2. Các công cụ tính toán trong Matlab .............................................................. 55
3.2.1. Biến, biểu thức và các hàm format. ............................................................ 55
3.2.2. Ma trận ....................................................................................................... 56
3.2.3. Structure, Optimization toolbox, Statistics toolbox, Probability
Distributions, Descriptive Statistics, Statistical plotting, Linear model, ............. 57
3.2.4. Phép so sánh, phép tính logic, Symbolic Math toolbox, Symbolic object .. 59
3.2.5. Đồ thị .......................................................................................................... 60
Kết luận chương 3 ................................................................................................... 66
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ CHUYỂN GIAO DỌC NHỜ SỬ
DỤNG CÔNG CỤ MÔ PHỎNG................................................................................ 67
4.1. Mô phỏng bàn giao dọc giữa UMTS với WIFI bằng phần mềm Matlab ... 67
4.1.1. Giả thiết các yếu tố mô phỏng .................................................................... 67
4.1.2. Thuật toán chuyển giao .............................................................................. 75
4.1.3. Code............................................................................................................ 79
4.2. Kết quả mô phỏng ............................................................................................ 90
Kết luận chương 4 ................................................................................................... 97
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 100

iv


KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT
VIẾT TẮT
3GPP

TIẾNG ANH

TIẾNG VIỆT

Third Generation Partnership Tổ chức chuẩn hóa mạng di động
thế hệ thứ 3
Project
Broadcast/Multicast Service

Trung tâm dịch vụ

Center

broadcast/multicast

BS

Base Station

Trạm gốc

BSC

Base Station Controller

Khối điều khiển trạm gốc

BTC

Block Turbo Code

Mã turbo khối

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát gốc

CDM

Code-Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo mã

CDMA

Code Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CN

Core Network

Mạng lõi

CS

Circuit Switched

Chuyển mạch kênh

DCH

Dedicated Channel

Kênh riêng

DL

Downlink

Đường xuống

EPC

Evolved Packet Core

Hệ thống mạng lõi cải tiến

ETSI

European
Telecommunication

Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu

BM-SC

Âu

Standards Institute
FDMA
GPRS
GSM
HSDPA
HSPA

Frequency Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo tần

Access

số

General Packet Radio
Services

Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

Global Sytem For Mobile
Communications
High Speed Downlink

Hệ thống truyền thông di động
toàn cầu

Packet Access

Truy nhập gói đường xuống tốc
độ cao

High Speed Packet Access

Truy nhập gói tốc độ cao

v


HSUPA
IMS
IMT-2000
ITU

High Speed Uplink Packet

Truy nhập gói đường lên tốc độ

Access

cao

IP Multimedia Subsystem Hệ thống con đa truyền thông IP
International Mobile
Telecommunications 2000
International
Telecommunications Union

Viễn thông di động quốc tế 2000
Hiệp hội viễn thông quốc tế

LTE

Long Term Evolution

Sự phát triển dài hạn

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập môi trường

MS

Mobile Station

Trạm di động

MSC

Mobile Switching Center

Trung tâm chuyển mạch di động

Nordic Mobile Phone

Hệ thống điện thoại di động Bắc

System

Âu

Orthogonal Frequency
Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao

Orthogonal Frequency

Đa truy nhập phân chia theo tần

Division Multiple Access

số trực giao

PCCH

Paging Control Channel

Kênh điều khiển tìm gọi

PCI

Pre-coding Control
Indication

Chỉ thị điều khiển tiền mã hóa

Physical Downlink Control

Kênh điều khiển đường xuống

Channel

vật lý

PDCP

Packet Data Convergence
Protocol

Giao thức hội tụ dữ liệu gói

PHY

Physical layer

Lớp vật lý

PLMN

Public Land Mobile Network Mạng thông tin di động mặt đất

NMS
OFDM
OFDMA

PDCCH

Physical Random Access
PRACH

Channel

Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

vi


RACH
RF

Random Access Channel
Radio Frequency

RLC

Tần số vô tuyến

Radio Link Protocol

Radio Network Controller
Single Carrier FDMA
S-CCPCH
SCTP

Kênh truy nhập ngẫu nhiên
Giao thức liên kết vô tuyến RNC

Khối điều khiển mạng vô tuyến SC-FDMA
FDMA đơn sóng mang

Second Common Control

Kênh vật lý điều khiển chung thứ

Physical Channel

cấp

Stream Control Transmission

Giao thức truyền dẫn điều khiển
luồng

Protocol
SHO

Soft Handover

Chuyển giao mềm

SIR

Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Total Access

Hệ thống truyền thông truy nhập
tổng hợp

TACS

Communication System

TD-CDMA

Time Dvision-Code Division Đa truy nhập phân chia theo mã
Multiple Access
và thời gian

TDMA

TD-SCDMA

Time Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo thời

Access

gian

Time Division-Synchronous
Code Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia theo mã
đồng bộ, phân chia theo thời gian

Điều khiển công suất phát

TPC

Transmit Power Control

TTI

Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền dẫn

TM
UE
UL
UM
UMTS

Configuration)

Chế độ trong suốt (cấu hình
RLC)

User Equipment, the 3GPP

Thiết bị người dùng, tên 3GPP

name for the mobile terminal

đặt cho thiết bị đầu cuối di động

Transparent Mode (RLC

Uplink

Đường lên

Unacknowledgement Mode
(RLC Configuration)
Universal Mobile

Chế độ không báo nhận (cấu
hình RLC)

Hệ thống viễn thông di động
vii

Telecommunications System

toàn cầu

UTRA

Universal Terrestrial Radio
Access

Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn
cầu

UTRAN

Universal Terrestrial Radio
Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
toàn cầu

VHO

Vertical Handover

Chuyển giao dọc

VLR

Visitor Local Register

Thanh ghi dịch thường trú

Wideband Code Division

Đa truy nhập băng rộng phân

Multiple Access

chia theo mã

Wireless Local Access

Mạng truy nhập cục bộ không

Network

dây

WCDMA

WLAN

viii
viii


DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: So sánh LTE và WIMAX .........................................................................17

Bảng 2.1: Bảng thông số giữa chuyển giao dọc và chuyển giao ngang....................36
Bảng 2.2: Các loại thuật toán chuyển giao................................................................40
Bảng 3.1: Các phép tính sử dụng trong Matlab ........................................................49
Bảng 3.2: Tổng hợp các lệnh cơ bản sử dụng trong phần mô phỏng chuyển giao ..51
Bảng 4.1: Các thông số multipath fading để đo lường và định lượng ......................73
Bảng 4.2: Các thông số của Dopper ..........................................................................75
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Cấu trúc mạng di động 4G [3].......................................................................6
Hình 1.2: Khả năng chuyển đổi trong mạng [3]............................................................8
Hình 1.3: Truy nhập phân chia theo tần số trực giao [4]..............................................11
Hình 1.4: Hệ thống anten MIMO [1]...........................................................................12
Hình 1.5: Sơ đồ phát triển của công nghệ WiMax....................................................13
Hình 1.6: Kiến trúc của mạng LTE [5]........................................................................15
Hình 1.7: Lộ trình phát triển của LTE và các công nghệ khác .................................16
Hình 1.8: So sánh giữa chuyển giao cứng và mềm [8].................................................21
Hình 1.9: Chuyển giao ngang [14]............................................................................23
Hình 1.10: Chuyển giao dọc [6]................................................................................23
Hình 1.11: Chuyển giao giữa LTE và 3G [2].............................................................24
Hình 1.12: Các thủ tục chuẩn bị chuyển giao từ LTE sang 3G ................................25
Hình 1.13: Quá trình chuyển giao từ LTE sang 3G [2]..............................................26
Hình 2.1: Mô hình chuyển giao theo quan điểm cũ [15].............................................28
Hình 2.2: Mô hình chuyển giao theo quan điểm mới [15].........................................28
Hình 2.3: Các trình tự của chuyển giao [9]...............................................................29
Hình 2.4: Ví dụ kiểu chuyển giao [7].........................................................................30
Hình 2.5: Quá trình chuyển giao cứng ......................................................................30
Hình 2.6: Mô tả Intra-Cell và Inter-Cell Handover [10].............................................31
ix


Hình 2.7: Cơ chế của chuyển giao mềm ...................................................................32

Hình 2.8: Cơ chế của chuyển giao mềm hơn [12].......................................................33
Hình 2.9: Cơ chế của chuyển giao ngang WLAN TO WLAN .................................34
Hình 2.10: Cơ chế của chuyển giao dọc [13]............................................................35
Hình 2.11: Chuyển giao dọc GPRS TO WLAN [1]...................................................35
Hình 3.1: Màn hình khi khởi động Matlab [17]........................................................47
Hình 3.2: Command history .....................................................................................48
Hình 3.3: Cửa sổ Workspace [11] ............................................................................48
Hình 3.4: Cửa sổ Simulink Library...........................................................................53
Hình 3.5: Cửa sổ xây dựng mô hình trong Simulink ................................................54
Hình 3.6: Thao tác tạo các khối [14]..........................................................................54
Hình 3.7: Nối tín hiệu................................................................................................55
Hình 3.8: Đồ thị tạo ra bởi plot(x,y) .........................................................................61
Hình 3.9: Empty figure .............................................................................................61
Hình 3.10: Dùng lệnh hold để vẽ chồng đồ thị [11]....................................................62
Hình 3.11: Subplot ....................................................................................................63
Hình 3.12: Đồ thị bar ................................................................................................63
Hình 3.13: Errorbar ...................................................................................................64
Hình 3.14: Đồ thị pie.................................................................................................65
Hình 4.1: Kiến trúc mạng tích hợp UMTS và WIFI [3]..............................................67
Hình 4.2: Kiến trúc đề xuất UMTS với WIFI ...........................................................68
Hình 4.3: Sơ đồ trình tự quá trình bàn giao dọc từ WIFI sang UMTS .....................78
Hình 4.4: Sơ đồ trình tự quá trình bàn giao dọc từ UMTS sang WIFI .....................79
Hình 4.5: Giả thiết mô phỏng chuyển giao UMTS và WIFI ....................................90
Hình 4.6: Cường độ tín hiệu RSS của mạng UMTS và WIFI với v = 20(km/h) ......91
Hình 4.7: Cường độ tín hiệu RSS của mạng UMTS và WIFI với v = 50(km/h) ......91
Hình 4.8: Cường độ tín hiệu RSS của mạng UMTS và WIFI với v = 80(km/h) ......92
Hình 4.9: Bảng chuyển giao giữa UMTS và WIFI theo thời gian với v = 20(km/h)92

x

Hình 4.10: Bảng chuyển giao giữa UMTS và WIFI theo thời gian với v = 50(km/h)
...................................................................................................................................93
Hình 4.11: Bảng chuyển giao giữa UMTS và WIFI theo thời gian với v = 80(km/h)
...................................................................................................................................94
Hình 4.12: Cường độ tín hiệu RSS của mạng UMTS và WIFI đi ngược lại với v =
20(km/h) ....................................................................................................................95
Hình 4.13: Cường độ tín hiệu RSS của mạng UMTS và WIFI với v = 20(km/h) và
dist = 500(m) .............................................................................................................96
Hình 4.14: Bảng chuyển giao giữa UMTS và WIFI theo thời gian với v = 20(km/h)
và dist = 500(m) ........................................................................................................96

xi


LỜI NÓI ĐẦU
Hệ thống thông tin di động thế hệ 3G (Third-generation) được tiêu chuẩn hoá
bởi IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000), bắt đầu được phát
triển tại Nhật Bản vào tháng 10 năm 2001. Từ đó đến nay 3G đã phát triển một cách
nhanh chóng và đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển các loại dịch vụ
đa phương tiện trong đó phải kể đến dịch vụ Video. Với xu hướng phát triển như
hiện nay, chúng ta tin rằng trong tương lai không xa thông tin di động sẽ đóng một
vai trò quan trọng hơn nữa trong đời sống hàng ngày, và sử dụng điện thoại di động
là một phần không thể thiếu của người dân trong mọi hoạt động.
Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội. Xã hội
càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng lên và thông
tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của nó. Cho đến
nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ thế hệ di
động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triển trên thế giới - thế hệ 4.
Chính vì lý do này, thế hệ thông tin di động mới, thế hệ 4G, cần phải có những

tính năng vượt trội hơn so với khả năng của IMT-2000. Nghiên cứu, nắm bắt và
phát triển hệ thống thông tin di động 4G là một yêu cầu cần thiết hiện nay, phù hợp
với xu thế phát triển chung của ngành viễn thông. Các mạng di động cho phép
người sử dụng có thể truy nhập các dịch vụ trong khi di chuyển , sự di động của các
người sử dụng đầu cuối gây ra một sự biến đổi động cả trong chất lượng liên kết và
mức nhiễu, người sử dụng đôi khi còn yêu cầu thay đổi trạm gốc phục vụ. Quá trình
này được gọi là chuyển giao. Chuyển giao là một phần cần thiết cho việc xử lý sự di
động của người sử dụng đầu cuối. Nó đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ vô
tuyến khi người sử dụng di động di chuyển qua ranh giới các ô tế bào. Vì vậy quá
trình chuyển giao trong mạng di động 4G là một vấn đề rất quan trọng, ảnh hưởng
trực tiếp tới QoS của mạng.
Vì vậy, đề tài đã mạnh dạn nghiên cứu “Phân tích và đánh giá hiệu năng của
chuyển giao dọc cho các mạng vô tuyến thế hệ sau”.
Đề tài gồm 4 chương:
Chương 1: Tìm hiểu kỹ thuật chuyển giao của mạng vô tuyến thế hệ sau.
Chương 2: Đặc điểm và yêu cầu của chuyển giao dọc.
Chương 3: Tìm hiểu công cụ mô phỏng Matlab.
1


Chương 4: Phân tích và đánh giá chuyển giao dọc nhờ sử dụng các công cụ
mô phỏng.

2


Chương 1: TÌM HIỂU KỸ THUẬT CHUYỂN GIAO
CỦA MẠNG VÔ TUYẾN THẾ HỆ SAU
1.1. Xu hướng công nghệ
Ngày thông tin di động dựa trên nền tảng mạng không dây phát triển theo

biểu đồ số mũ trong thập niên qua với những cơ sở hạ tầng và các ứng dụng rộng
rãi như thiết bị vô tuyến, máy tính xách tay v..v.. Những thiết bị này ngày càng trở
nên quan trọng trong cuộc sống của chúng ta. Một ví dụ cụ thể: người dùng có thể
kiểm tra email và truy cập mạng Internet nhờ các thiết bị di động của họ. Từ những
thiết bị như máy tính xách tay, họ có thể tìm kiếm thông tin trong mạng Internet tại
các địa điểm khác nhau như sân bay, nhà ga hay những nơi công cộng khác. Các
khách du lịch có thể sử dụng các thiết bị đầu cuối GPS đặt trong nhà hay trong ô tô
để định vị và thiết lập bản đồ đường đi. Những hồ sơ, dữ liệu hoặc các thông tin
khác có thể được trao đổi bởi các máy tính xách tay thông qua mạng LAN không
dây (WLAN).
Không chỉ các thiết bị di động trở nên nhỏ hơn, rẻ hơn, tiện lợi hơn, mà các
ứng dụng của nó cũng trở nên mạnh hơn và được áp dụng rộng rãi hơn.
Theo khuynh hướng này thì hầu hết các kết nối những thiết bị vô tuyến được
thực hiện thông qua các nhà cung cấp dịch vụ cố định dựa trên cơ sở hạ tầng mạng
cá nhân và các MSC trong mạng tế bào như vậy các máy tính xách tay có thể nối
tới Internet không dây thông qua các điểm truy cập.
Mặc dù những mạng có cơ sở hạ tầng đã cung cấp một lượng lớn các dịch vụ
mạng cho các thiết bị di động nhưng nó mất rất nhiều thời gian để thiết lập cơ sở
hạ tầng mạng thích hợp với các dịch vụ của mạng di động và tất nhiên là giá thành
để thiết lập cơ sở hạ tầng này là rất cao. Hơn nữa, thời điểm thiết lập là bất kỳ lúc
nào khi có yêu cầu từ một thiết bị di động truy cập mạng mằm trong vùng phủ
sóng. Việc cung cấp các dịch vụ kết nối mạng đã đặt ra yêu cầu cần phải có một
mạng di động đặc biệt.
Để giải quyết vấn đề đó, sự phát triển của công nghệ và các chuẩn ra đời
nhằm thay thế các chuyển giao kết nối mới với việc cho phép những thiết bị di
động nằm trong cự li truyền dẫn có thể kết nối với nhau thông qua việc tự động
thiết lập một mạng di động đặc biệt với tính linh hoạt cao. Đây là khả năng thiết
lập mạng động.
3

Trong khi mạng không dây tiếp tục phát triển thì khả năng đặc biệt này trở nên
quan trọng hơn. Với các giải pháp công nghệ mà có thể là sử dụng các lớp khác
nhau, các giải thuật và các nghi thức cần cho thao tác cầu hình mạng, tất cả đã thúc
đẩy hình thành cấu trúc mạng di động 4G.
Tính ưu việt của mạng 4G so với mạng 3G.
3G và 4G phân loại công nghệ truyền thông không dây tiêu chuẩn nhất định và
điểm chuẩn. Trong quá trình tiến hóa của điện thoại di động, các tiêu chuẩn 3G và
mạng 4G đã cách mạng hóa khả năng thế hệ tiếp theo của thuê bao điện thoại di
động. Cả hai tiêu chuẩn nhằm mục đích cung cấp tốc độ dữ liệu cao là yếu tố tối
quan trọng cho các ứng dụng khác nhau sắp tới và nhu cầu của người sử dụng như
đa phương tiện, trực tuyến, hội nghị...
Công nghệ truyền thông không dây 3G.
Đây là thế hệ thứ ba của mạng di động đang hướng tới tốc độ dữ liệu cao cho
các ứng dụng như gọi điện thoại video, video và âm thanh, hội nghị truyền hình và
các ứng dụng đa phương tiện. Có hai hợp tác tồn tại cụ thể là 3GPP và 3GPP2 sau
này là một trong những tiêu chuẩn cho 3G dựa trên công nghệ CDMA. Theo ITU
(Liên minh Viễn thông quốc tế) các yêu cầu sau đây phải được đáp ứng bởi bất kỳ
mạng được gọi là một mạng 3G như đề xuất bởi 3GPP.
- Tốc độ truyền dữ liệu (xuống liên kết) 144Kbps tối thiểu cho việc di
chuyển các thiết bị cầm tay và 384Kbps cho thiết bị cố định.
- Về nhu cầu băng thông và truy cập internet băng thông rộng 2Mbps cũng
theo quy định của 3GPP.
Chính kỹ thuật đa truy nhập được sử dụng bởi các mạng 3G CDMA biến thể.
Đối với các mạng CDMA hiện có cho GSM sẽ tiếp tục sử dụng WCDMA (Wide
band CDMA) sử dụng 5 MHz chiều rộng băng tần kênh có khả năng cung cấp
2Mbps tốc độ dữ liệu. Ngoài ra công nghệ CDMA khác như CDMA2000,
CDMA2000 1x EV-DO được sử dụng ở những nơi khác nhau trên toàn thế giới cho
các mạng 3G.
Công nghệ truyền thông không dây 4G.

Đây là thế hệ tiếp theo của các mạng di động như được quy định bởi ITU và
người tiền nhiệm của các mạng 3G. Hiện nay có hai công nghệ đầy hứa hẹn đang
được xem xét trong khi nói chuyện về di chuyển lên 4G do tỷ lệ dữ liệu cao như tốc
độ 100Mbps trong môi trường di động và 1Gbps trong môi trường cố định.
4


WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) và LTE (Long Term
Evolution) là những công nghệ đang được xem xét. Thông số kỹ thuật sau đây cần
phải được đáp ứng bởi bất kỳ mạng nào được coi là 4G:
- Tốc độ 100Mbps tốc độ dữ liệu trong môi trường di động và 1Gbps trong
môi trường cố định.
- Mạng lưới hoạt động trên các gói tin IP (Tất cả các mạng IP).
- Năng động kênh phân bổ kênh băng thông khác nhau từ 5MHz đến 20 MHz
theo yêu cầu của ứng dụng.
Sự khác nhau giữa công nghệ mạng 3G và 4G.
1. Tốc độ tải dữ liệu 3G trong khoảng 2Mbps ở chế độ tĩnh trong khi các chi
tiết kỹ thuật 4G nó phải là 1 Gbps và tốc độ môi trường di động tốc độ tải 3G
khoảng 384Kbps và 100 Mbps trong mạng 4G.
2. Kỹ thuật đa truy nhập được sử dụng ở 3G là CDMA và các biến thể của nó.
4G cả hai công nghệ (LTE và WiMAX) sử dụng OFDMA (Orthogonal Frequency
Division Multiple Access) trong nhận dữ liệu.
3. Trong đường lên LTE sử dụng SC-FDMA (Single Carrier FDMA) và
WiMAX tiếp tục sử dụng OFDMA trong khi mạng 3G sử dụng CDMA biến thể.
THUỘC TÍNH

3G

4G

Đặc điểm chính

Phần lớn là dữ liệu thoại,
các trình tiện ích

Các dữ liệu được hội tụ và VoIP

Kiến trúc mạng

Được dựa trên mạng tế
bào diện rộng

Hybrid – Tích hợp mạng LAN
không dây (WiFi), Blue Tooth,
Mạn diện rộng

Dải tần

1.6~2.5 GHz

2 – 8 GHz

Thiết kế thành
phần

Anten được tối ưu; Các bộ Anten thông minh; SW đa dải tần;
sóng vô tuyến dải thông rộng
thích ứng đa dải tần

Băng thông

5 – 20 MHz

100 + MHz

Tốc độ truyền dữ 385 Kbps – 2 Mbps
liệu

20 – 100 Mbps

Truy cập

WCDMA/CDMA2000

MC-CDMA hay OFDM

Sửa lỗi ở trước

Mã chập 1/2, 1/3; turbo

mã hóa được móc nối vào nhau

5


Chuyển mạch

Chuyển mạch hoặc
chuyển mạch gói

Chuyển mạch gói

Di động với tốc
độ cao nhất

200 km/h

200 km/h

IP

Nhiều phiên bản

Tất cả các IP (IPv6.0)

Năm thực thi

2003

2010

1.2. Cấu trúc mạng
1.2.1. Kiến trúc chung của mạng 4G
4G là một mạng toàn cầu tích hợp dựa được xây dựng theo mô hình hệ
thống mở. Việc tích hợp các mạng không dây khác nhau cho phép truyền đa
phương tiện dữ liệu, tiếng nói, đa dịch vụ trên nền tảng IP (đây chính là tiêu điểm
chính của 4G). Hình 1.1 minh hoạ những thành phần bên trong cấu trúc mạng 4G.

Hình 1.1: Cấu trúc mạng di động 4G
Kiến trúc này bao gồm một nhân mạng chung, nhân này được kết nối tới các

phần khác nhau của mạng dây và mạng không dây.
Nó được kết nối tới mạng chuyển mạch điện thoại công cộng (PSTN), mạng số
các dịch vụ được tích hợp (ISDN) thông qua các trạm GPRS (GGSN). GGSN là
6


một thành phần chính của mạng GPRS. GGSN đóng vai trò là mạng liên kết giữa
mạng GPRS và các mạng chuyển mạch gói ngoài, nó cũng giống như mạng Internet
và mạng X25.
Nó được kết nối với 2G qua SGSN tới BTS thông qua BSC (Kết nối hệ
thống kinh doanh). SGSN (Serving GPRS Support Node) chịu trách nhiệm cho việc
phân phát các gói dữ liệu từ và tới các trạm di động trong phân vùng địa lý mà nó
cung cấp dịch vụ. BTS (trạm thu phát vô tuyến) là một phần của thiết bị đó tạo điều
kiện giao tiếp không dây giữa thiết bị người sử dụng (UE) và một mạng.
Nó được kết nối với 3G qua SGSN đến Node B thông qua RNC. Các mạng
truy cập vô tuyến bao gồm các phần tử mạng mới, như là Node B và các bộ điều
khiển mạng vô tuyến (RNCs). Node B có thể so sánh với các trạm thu phát không
dây trong mạng 2G. RNC thay thế cho trạm điều khiển này, và cũng có thể được kết
nối với các mạng khác như các mạng truy cập WLAN, Ad-hoc/PAN, mạng di động
và các giao thức như SIP (The Session Initiation Protocol) là một giao thức tín hiệu,
được sử dụng rộng rãi để thiết lập và phân chia các phiên truyền thông đa phương
tiện như thoại và video các cuộc gọi qua Internet.
Các kiến trúc mạng 4G được thảo luận ở đây là dựa trên IPv6, hỗ trợ không
ngừng cho các công nghệ truy cập khác nhau. Di động là một vấn đề đáng kể trong
môi trường, bởi vì sự chuyển giao giữa các công nghệ phải được hỗ trợ. Ở đây, ta sử
dụng Ethernet (802.3) để truy cập không dây, Wi-Fi (802.11b) để truy cập LAN
không dây, và W-CDMA - giao diện vô tuyến của UMTS - để truy cập di động. Với
sự đa dạng, di động không thể được xử lý một cách đơn giản bởi các tầng thấp hơn,
và nó cần phải được thực hiện tại tầng mạng. Một cơ chế dựa trên IPv6 phải được
sử dụng để liên kết các mạng, và sẽ không có cơ chế chuyển đổi công nghệ bên

trong, không trên mạng LAN không dây cũng không phải trên các công nghệ khác,
có thể được sử dụng. Vì vậy, trên thực tế là không có các cơ chế được hỗ trợ trong
các tế bào W-CDMA, nhưng thay vì cùng một giao thức IP hỗ trợ sự di chuyển giữa
các tế bào. Tương tự như vậy, các nút 802.11 chỉ trong chế độ BSS, và sẽ không tạo
ra một ESS: Tính linh động của IPv6 sẽ xử lý chuyển đổi giữa các tế bào.

7


Hình 1.2: Khả năng chuyển đổi trong mạng
Hình minh họa một số trong những khả năng chuyển đổi trong mạng với một
người sử dụng đang chuyển động. Bốn vùng quản trị được thể hiện trong hình với
các kiểu công nghệ truy cập khác nhau. Mỗi vùng quản trị này được quản lý bởi
một hệ thống AAC. Tại ít nhất một mạng kiểm soát truy cập thực thể, có vai trò như
các QoS Broker, được yêu cầu cho mỗi phân vùng mạng này. Do các yêu cầu kiểm
soát tất cả các dịch vụ từ nhà cung cấp dịch vụ, tất cả các chuyển đổi được xử lý
một cách rõ ràng bởi các cơ sở hạ tầng quản lý thông qua các giao thức dưa trên IP,
ngay cả khi chúng là những công nghệ bên trong, chẳng hạn như giữa hai điểm truy
cập khác nhau trong chuẩn 802.11, hoặc giữa hai bộ điểu khiển mạng vô tuyến khác
nhau trong WCDMA. Tất cả các tài nguyên mạng được quản lý bởi các nhà cung
cấp mạng, trong khi người dùng chỉ kiểm soát của nó tại mạng cục bộ, thiết bị đầu
cuối, và các ứng dụng.
Như vậy, các đối tượng chính trong hình trên là:
Một user - một người hoặc một công ty với một thỏa thuận mức độ dịch vụ
(SLA) ký hợp đồng với một nhà điều hành một số các dịch vụ xác định.
Một MT (Mobile Terminal) - một thiết bị đầu cuối từ thiết bị này người sử
dụng sẽ truy cập các dịch vụ. Khái niệm về mạng sẽ hỗ trợ thiết bị đầu cuối,
nghĩa là một thiết bị đầu cuối có thể được chia sẻ giữa nhiều người dùng, mặc dù
không cùng một thời điểm.
8

AR (Access Router) - điểm kết nối vào mạng, mà có tên là RG (Radio
Gateway) – truy cập không dây (WCDMA hoặc 802.11).
PA (Paging Agent) - đơn vị chịu trách nhiệm về định vị các MT khi nó đang ở
trong "chế độ nhàn rỗi" trong khi có nhiều gói tin được gửi đến nó.
QoS broker - tổ chức chịu trách nhiệm quản lý một hoặc nhiều ARS / AGS,
kiểm soát người dung truy cập và các quyền truy cập theo thông tin được cung cấp
bởi hệ thống AAAC.
Hệ thống AAAC – Hệ thống xác thực, hệ thống cấp giấy phép, hệ thống tính
toán và chịu trách nhiệm, chịu trách nhiệm quản lý cấp độ dịch vụ (bao gồm cả tính
toán và chịu trách nhiệm). Trong bài báo cáo này, để đơn giản, các đơn vị đo được
xem là một phần quan trọng của hệ thống AAAC này.
NMS (Network Management System) - đơn vị chịu trách nhiệm quản lý, đảm
bảo nguồn tài nguyên sẵn có trong nhân mạng, và việc quản lý và kiểm soát tổng
thể toàn mạng.
1.2.2. Điểm nhấn trong mạng 4G.
4G được bắt đầu với giả thiết rằng mạng trong tương lai sẽ sử dụng kỹ thuật
chuyển mạch gói (đây sự phát triển từ những giao thức đang được sử dụng trong
mạng Internet hiện tại). Mạng di động 4G dựa trên nền tảng IP có những lợi thế cơ
bản bởi vì IP thích hợp và độc lập với công nghệ truy cập vùng phủ sóng. Điều
đó có nghĩa là mạng 4G được thiết kế và có thể phát triển độc lập từ những mạng
truy cập.
Chuyển mạch gói là công nghệ sử dụng phổ biến trong mạng máy tính. Với
chuyển mạch gói các gói tin chỉ được sử dụng khi mà thông tin được gửi đi. Hiệu
quả của việc sử dụng chuyển mạch gói cho phép các công ty sản xuất di động giảm
thiểu tối đa băng thông đàm thoại. Công nghệ 4G không còn sử dụng kỹ thuật
chuyển mạch kênh với cả các cuộc gọi “voice calls” qua mạng và các cuộc gọi
truyền hình. Tất cả các thông tin truyền đi được đóng gói để đạt được tốc độ cao.
Chuyển mạch gói là một loại kĩ thuật gửi dữ liệu từ máy tính nguồn tới nơi

nhận (máy tính đích) qua mạng dùng một loại giao thức thoả mãn 3 điều kiện sau:
Dữ liệu cần vận chuyển được chia nhỏ ra thành các gói (hay khung) có
kích thước (size) và định dạng (format) xác định.

9


Mỗi gói như vậy sẽ được chuyển riêng rẽ và có thể đến nơi nhận bằng các
đường truyền (route) khác nhau. Như vậy, chúng có thể dịch chuyển trong
cùng thời điểm.
Khi toàn bộ các gói dữ liệu đã đến nơi nhận thì chúng sẽ được hợp lại
thành dữ liệu ban đầu.
Nhờ sử dụng kỹ thuật chuyển mạch gói nên các gói tin được truyền có các đặc
điểm:
Không cần phải hoàn tất một mạch liên tục nối từ máy gửi đến máy nhận.
Thay vào đó là các đường truyền dữ liệu giữa các bộ chuyển mạch
(switcher) sẽ được thiết lập một cách tạm thời từng cặp một để làm trung
gian vận chuyển (hay trung chuyển) các gói từ máy nguồn cho đến khi tới
được địa chỉ máy nhận.
Các đoạn mạch nối trung chuyển cũng không cần phải thiết lập từ trước
mà chỉ cho đến khi có gói cần vận chuyển thì mới thành hình.
Trong trường hợp tắt nghẽn hay sự cố, các gói dữ liệu có thể trung
chuyển bằng con đường thông qua các máy tính trung gian khác.
Dữ liệu vận chuyển bằng các gói sẽ tiết kiệm thời gian hơn là việc gửi
trọn vẹn một dữ liệu cỡ lớn vì trong trường hợp dữ liệu thất lạc (hay hư
hại) thì máy nguồn chỉ việc gửi lại đúng gói đã bị mất (hay bị hư) thay vì
phải gửi lại toàn bộ dữ liệu gốc.
Việc sử dụng một lõi mạng trên nền tảng IP cũng có nghĩa thoả mãn đa
dịch vụ như tiếng nói dữ liệu hay được hỗ trợ bởi việc sử dụng một tập hợp VoIP
với những giao thức như MEGACOP, MGCP, H.323 và SCTP. Sự phát triển này

giúp đơn giản hoá việc bảo trì các mạng riêng biệt nhau.
Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy nhập phân chia theo tần số trực giao
OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing), OFDM là một dạng của điều
chế sóng mang, làm việc theo nguyên tắc phân chia dòng bit truyền tại dải thông B
thành nhiều dòng bit song song N với khoảng cách B/N (hình dưới). Mỗi dòng bit N
có tốc độ bit nhỏ hơn dòng bit ban đầu, nhưng tổng của chúng là một dòng bit có
tốc độ rất cao. Các sóng mang con trực giao N điều chế dòng bit song song, sau đó
được tổng hợp lại trước khi truyền dẫn. Một bộ phát OFDM chấp nhận dữ liệu từ
mạng IP, biến đổi và mã hóa dữ liệu trước khi điều chế. Một bộ IFFT (biến đổi
ngược Fourier nhanh) biến đổi tín hiệu OFDM thành tín hiệu tương tự IF và được
10


gửi tới bộ thu RF. Mạch thu khôi phục lại dữ liệu bằng cách đảo chiều chu trình
này. Với các sóng mang con trực giao, bộ thu có thể tách biệt và xử lý mỗi sóng
mang con mà không có nhiễu từ các sóng mang con khác. Không bị pha đinh và trễ
đa đường như các công nghệ truyền dẫn khác.
B Các sóng mang con
i
ê
n
đ
ộ

1

2

Băng tần được ấn định

3

4

5

Tần số

Hình 1.3: Truy nhập phân chia theo tần số trực giao
Anten thông minh (MIMO): Trong hệ thống anten MIMO (đa đầu vào, đa đầu
ra), dòng số liệu từ một thiết bị đầu cuối được tách thành n dòng số liệu riêng biệt
có tốc độ thấp hơn (N là số anten phát). Mỗi dòng số liệu này sẽ được điều chế vào
các symbol (tín hiệu) của các kênh truyền. Các dòng số liệu này có tốc độ chỉ bằng
1/N tốc độ dòng số liệu ban đầu, được phát đồng thời, vì vậy, về mặt lý thuyết, hiệu
suất phổ tần được tăng lên gấp N lần. Các tín hiệu được phát đồng thời qua kênh vô
tuyến trên cùng một phổ tần và được thu bởi M anten của hệ thống thu. Hình sau
mô tả cấu trúc của hệ thống thông tin vô tuyến MIMO. Hệ thống MIMO có hiệu
suất sử dụng phổ tần cao bởi hệ thống có thể làm việc được trong môi trường phân
tán. Tín hiệu từ các anten phát hoàn toàn khác biệt nhau tại vị trí của các anten thu.
Khi truyền qua các kênh không tương quan giữa hệ thống phát và thu, tín hiệu từ
mỗi anten phát tại vị trí thu có sự khác nhau về tham số không gian. Hệ thống máy
thu có thể sử dụng sự khác biệt này để tách các tín hiệu có cùng tần số được phát
đồng thời từ các anten khác nhau

11


S1
S2
S3

…..…
……..
S4

Khối
xử lý
tín
hiệu

…..…
……..

…..…
……..

Khối
xử lý
tín
hiệu

…..…
……..

S5

Hình 1.4: Hệ thống anten MIMO
1.3. Các công nghệ mạng 4G
1.3.1. UMB (Ultra Mobile Broadband)
UMB (Mạng thông tin di động siêu băng rộng) là thế hệ mạng thông tin di
động tiếp nối của CDMA2000 được phát triển bởi 3GPP2 mà chủ lực là Qualcomm.

UMB được sánh ngang với công nghệ LTE của 3GPP. UMB sử dụng OFDMA,
MIMO, đa truy cập phân chia theo không gian cũng như các kỹ thuật angten hiện
đại để tăng khả năng của mạng, tăng vùng phủ và tăng chất lượng dịch vụ. UMB có
thể cho tốc độ dữ liệu đường xuống tới 280Mbit/giây và dữ liệu đường lên tới
75Mbit/giây.
1.3.2. WiMAX (IEEE 802.16m)
WiMAX 802.16m (hay còn gọi là WiMAX II) được phát triển từ chuẩn IEEE
802.16e, 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 (kỹ
thuật đa truy cập vào kênh truyền OFDM). Công nghệ WiMAX II sẽ hỗ trợ tốc độ
truyền dữ liệu lên tới 100 Mb/s cho các ứng dụng di động và có thể lên tới 1Gb/s
cho các người dùng tĩnh. Khoảng cách truyền của WiMAX II là khoảng 2 km ở môi
trường thành thị và khoảng 10 km cho các khu vực nông thôn.
WiMAX là tên thông dụng thường dùng để chỉ công nghệ truy nhập không dây
băng rộng sử dụng giao diện của chuẩn IEEE 802.16. Gần đầy WiMAX đã được
ITU-R chính thức công nhận là một chuẩn 3G trong họ IMT-2000. Điều này có ý
nghĩa rất lớn đối với tương lai của WiMAX vì nó sẽ thúc đẩy sự triển khai rộng

12