đồ án tốt nghiệp hệ thống thông tin di động 5G

Đồ án tốt ngiệp

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

MỤC LỤC

SV: Đặng Anh Khoa

1

Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Số hiệu

Tên hình ảnh

Tran
g

1.1

Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động.

1

1.2

Khối khả năng của hệ thống 5G trong tương lai.

13

2.1

Kiến trúc hệ thống 5G (Nguồn: METIS).

15

2.2

Sự thay đổi từ RAN sang C-RAN.

17

2.3

Mạng di chuyển MN.

18

2.4

Mạng cực kỳ dày đặc UDN.

19

2.5

Các trường hợp can thiệp lẫn nhau trong truyền thông D2D.

21

2.6

Mạng lõi Nano trong hệ thống 5G.

22

2.7

Điện thoại Nano “trong suốt”.

24

2.8

Morph – Khái niệm công nghệ cho tương lai.

24

2.9

Cảm biến Nano.

25

2.10

Qubit.

27

2.11

Nanodot.

28

2.12

Mật mã lượng tử.

29

2.13

Điện toán đám mây.

31

2.14

Các lớp mạng trong hệ thống 5G.

34

2.15

Lớp mạng (Network Layer).

35

2.16

Lịch sử quá trình kết nối (Nguồn: Cisco).

37

2.17

So sánh giữa công nghệ milimeter-wave và công nghệ hiện tại.

38

2.18

So sánh các phương thức điều chế.

42

2.19

Đa truy nhập phân chia theo búp sóng BDMA.

43

2.20

Nguyên lý hoạt động của BDMA.

44

2.21

Cấu trúc khung của TDD-BDMA.

45

2.22

Cấu trúc khung của FDD-BDMA.

45

SV: Đặng Anh Khoa

2

Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

2.23

Đa truy nhập không trực giao NOMA.

46

2.24

So sánh giữa OFDMA và NOMA.

47

2.25

Mô hình kênh MIMO cơ bản với Anten phát và Anten thu.

48

2.26

Anten Massive MIMO.

49

2.27

Mô hình Cell sử dụng Anten Massive MIMO.

50

2.28

Phần mềm độc hại (Malware).

52

2.29

Hệ thống botnet.

54

2.30

Ví dụ về tấn công MITM.

58

3.1

Internet of Everything.

63

3.2

Ngôi nhà thông minh.

64

3.3

Thành phố thông minh.

65

3.4

Địa điểm thử nghiệm tại Thành Đô (Trung Quốc).

68

3.5

SK Telecom và Nokia hợp tác thành lập “Trung tâm nghiên cứu
5G”

69

3.6

Một địa điểm triển lãm của Verizon tại MWC 2015.

69

1

SV: Đặng Anh Khoa

3

Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

English

Tiếng Việt
#

3GPP

3rd Generation Partnership Project

Dự án đối tác thế hệ thứ 3

A
ACL

Access Control List

Danh sách điều khiển truy cập

AMPS

Advanced Mobile Phone System

Dịch vụ điện thoại di động cao
cấp

B
BDMA

Beam Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo búp
sóng

BS

Base Station

Trạm gốc

BTS

Base Tranceiver Station

Trạm thu phát gốc

C
CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

C-RAN

Cloud Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến đám
mây

C-RNTI

Cell Radio Network Temporary
Identifier

Số nhận dạng mạng vô tuyến
Cell tạm thời

D
D2D

Divice to Divice Communication

Truyền thông Thiết bị - Thiết bị

DoS

Denial of Service

Từ chối dịch vụ

DDoS

Distributed Denial of Service

Từ chối dịch vụ phân tán

DPC

Dirty Paper Coding

Mã hóa “tờ giấy bẩn”

DRX

Discontinuous Reception

Thu nhận không liên tục

DSP

Digital Signal Processing

Xử lý tín hiệu số

DUE

D2D User Equipment

Thiết bị người sử dụng dùng

truyền thông D2D

SV: Đặng Anh Khoa

4

Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương
E

EDGE

Enhanced Data Rates for GSM
Evolution

Cải tiến tốc độ dữ liệu cho sự
phát triển GSM

F
FBMC

Filter Bank Multi-Carrier

Đa sóng mang lọc băng tần

FDD

Frequency Division Duplex

Ghép song công phân chia theo
tần số

FDMA

Frequency Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia theo tần
số

G
GFDM

Generalised Frequency Division
Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số
tiêu chuẩn

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

GSM

Global System for Mobile
Communication

Hệ thống thông tin di động toàn
cầu

H
HSDPA

High Speed Downlink Packet
Access

Truy nhập gói đường xuống tốc
độ cao

HSS

Home Subscriber Server

Máy chủ thuê bao nội trú

HSUPA

High Speed Uplink Packet Access

Truy nhập gói đường lên tốc độ
cao

I
IEEE

Institute of Electrical and
Electronics Engineers

Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử

IMT

International Mobile
Telecommunications

Viễn thông di động quốc tế

IoE

Internet of Everything

Internet của mọi thứ

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

IS

Interim Standard

Tiêu chuẩn tạm thời

ISDN

Integrated Services Digital
Network

Mạng số tích hợp đa dịch vụ

SV: Đặng Anh Khoa

5

Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp
ITU

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

International Telecommunication
Union

Liên minh viễn thông quốc tế

L
LOS

Line Of Sight

Tầm nhìn thẳng

LTE

Long Term Evolution

Phát triển dài hạn

M
MAC

Medium Access Control

Lớp điều khiển truy cập môi
trường

METIS

Mobile and wireless
communications Enablers for
Twenty-twenty (2020) Information
Society

Thông tin di động và truyền
thông không dây ứng dụng vào
năm 2020

MIMO

Multi-input Multi-output

Đa đầu vào – Đa đầu ra

MITM

Man In The Middle

Tấn công man-in-the-middle

MMS

Multimedia Messaging Service

Dịch vụ tin nhắn đa phương tiện

MN

Moving Network

Mạng di chuyển

MS

Mobile Station

Trạm di động

MRN

Moving Relay Node

Điểm chuyển tiếp di động
N

NOMA

Non-Orthogonal Multiple Access

Đa truy nhập không trực giao

O
OFDM

Orthogonal Frequency
Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao

OFDMA

Orthogonal Frequency Division
Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần
số trực giao

OSI

Open Systems Interconnection
Reference Model

Mô hình tham chiếu kết nối các
hệ thống mở

OTP

Open Transport Protocol

Giao thức vận chuyển mở

OWA

Open Wireless Architecture

Kiến trúc không dây mở

P
PAPR

Peak-to-Average Power Ratio

SV: Đặng Anh Khoa

6

Tỉ số công suất đỉnh trung bình
Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

PHY

Physical Layer

Lớp vật lý
Q

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ
S

SDMA

Space Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo
không gian

SIC

Successive Interference
Cancellation

Hủy bỏ sự can thiệp liên tục

SIM

Subcriber Indentification Module

Mô-đun nhật thực thuê bao

SMS

Short Message Service

Dịch vụ tin nhắn ngắn

T
TACS

Total Access Communications
System

Hệ thống thông tin truy nhập
toàn bộ

TCP

Transmission Control Protocol

Giao thức điều khiển truyền vận

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

U
UDN

Ultra-Dense Network

Mạng cực kì dày đặc

UE

User Equipment

Thiết bị người sử dụng

UFMC

Universal Filtered Multi-Carrier

Đa sóng mang lọc toàn bộ

UMB

Ultra Mobile Broadband

Băng thông rộng siêu di động

UMTS

Universal Mobile
Telecommunications System

Hệ thống viễn thông di động
toàn cầu

W

WAM

WAve Modulation

Điều chế sóng

WCDMA

Wideband Code Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia theo mã
băng rộng

WiMax

Worldwide Interoperability for

Tương tác toàn cầu bằng truy

SV: Đặng Anh Khoa

7

Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

Microwave Access

SV: Đặng Anh Khoa

nhập viba

8

Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

LỜI NÓI ĐẦU
Thời điểm hiện tại, mạng 4G mới bắt đầu được đưa vào sử dụng, nhưng đến năm
2020, các nhà phân tích cho rằng, sẽ liên tục xảy ra tình trạng quá tải thông tin.
Nguyên nhân, cho dù sự tăng vọt về doanh số bán hàng của các loại điện thoại thông
minh (smartphone) và máy tính bảng (tablet) đồng nghĩa với khối lượng dữ liệu ngày
càng lớn, nhưng chỉ có một phần nhỏ là do lượng truy cập của các thiết bị này, còn lại
phần lớn là do lượng thông tin từ việc kết nối các “vật thể” với nhau, ví dụ như tivi,
đồng hồ, đồ gia dụng, máy điều nhiệt và thậm chí cả khóa cửa..., tất cả đều sẽ được số
hóa, người sử dụng có thể thực hiện kết nối, giao tiếp, điều khiển chúng mọi lúc mọi
nơi.
Ưu điểm của mạng 4G là tải được khối lượng dữ liệu lớn và phức tạp hơn so với các
hệ thống di động trước, tuy nhiên, với tốc độ phát triển công nghệ chóng mặt như hiện
nay thì chỉ vài năm nữa, công nghệ 4G cũng không thể đáp ứng được. Tại Đại hội thế
giới di động 2012 - Mobile World Congress 2012 (MWC 2012) được tổ chức ở
Barcelona - Tây Ban Nha vào tháng 2 vừa qua, chủ tịch Google, Eric Schmidt đã vẽ ra

một viễn cảnh, các robot sẽ đi dự các hội nghị và truyền về video HD qua mạng không
dây, AT&T, Qualcomm, Sony và Intel sẽ tạo ra một "ngôi nhà kết nối", nơi mà thậm
chí cả quần áo cũng có thể truyền các tín hiệu. Vì thế mạng không dây cần phải hiểu
được tính năng của từng loại thiết bị và biết phải đáp ứng nó như thế nào.
Đây là một khó khăn thực sự cho các nhà mạng, điều này đòi hỏi ngành công
nghiệp di động thế giới cần phát triển một mạng thông minh có thể xử lý được hàng tỉ
kết nối mà vẫn ổn định và có chất lượng dịch vụ tốt, đáng được mong đợi hơn. Chính
vì vậy việc ra đời một thế hệ thông tin di động mới 5G là điều sẽ diễn ra trong tương
lai không xa. Và đây cũng lý do mà em chọn đề tài “TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ 5G
VÀ ỨNG DỤNG” làm đề tài cho bài báo cáo tốt nghiệp. Bài báo cáo sẽ nêu ra những
yêu cầu đặt ra của một hệ thống thông tin di động 5G cùng với đó là những kỹ thuật

SV: Đặng Anh Khoa

9

Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

tiên tiến mới được xem là ứng viên sáng giá trong việc xây dựng và triển khai cho hệ
thống này trong tương lai.
Nội dung đồ án gồm:
Chương 1: Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động
Chương 2: Kiến trúc của hệ thống thông tin di động 5G
Chương 3: Ứng dụng và triển khai hệ thống thông tin di động 5G
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp

ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè.
Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa Kỹ thuật và Công nghệ đã tạo
điều kiện, giúp đỡ và trang bị cho em những kiến thức quý báu. Em cũng xin chân
thành cảm ơn thầy TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ
em hoàn thành tốt đồ án đúng thời hạn.
Tuy nhiên, do hạn chế về mặt thời gian cũng như năng lực bản thân nên nội dung
của đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong thấy cô giáo và các bạn quan
tâm và đóng góp ý kiến thêm để đồ án này được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Quy nhơn, ngày

tháng

năm 2015

Sinh viên thực hiện
Đặng Anh Khoa

SV: Đặng Anh Khoa

10

Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

CHƯƠNG 1

QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN
DI ĐỘNG
• Giới thiệu chương: Chương này sẽ trình bày lịch sử phát triển của hệ thống
thông tin di động trên thế giới. Cho cái nhìn tổng quan tiêu chuẩn, ưu nhược
điểm của các thế hệ thông tin di động hiện đã được phát triển trên thế giới.
Đồng thời chương này cũng đề cập cập đến các yêu cầu đặt ra của hệ thống
thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G).
Hệ thống thông tin di động là hệ thống liên lạc thông qua sóng điện từ, tại đó người
dùng có thể vừa liên lạc, vừa di chuyển được. Các dịch vụ điện thoại di động xuất hiện
vào đầu những năm 1960 và phát triển không ngừng cho đến thời điểm hiện tại. Cứ
trung bình một thập kỷ, chúng ta sẽ chứng kiến sự xuất hiện của một thế hệ thông tin
di động mới. Thế hệ đầu tiên (1G) khởi đầu từ những năm cuối của thập kỷ 70 và đầu
thập kỷ 80, đây là thệ thống thông tin di động tương tự cung cấp các dịch vụ thoại. Thế
hệ thứ 2 (2G) bắt đầu nổi lên từ những năm đầu của thập kỷ 90, thế hệ thứ 2 là công
nghệ di động kỹ thuật số, cung cấp dịch vụ thoại và cả dữ liệu. Thế hệ thứ 3 (3G) bắt
đầu xuất hiện từ năm 2001 tại Nhật Bản, đặc trưng bởi việc cung cấp dịch vụ thoại, dữ
liệu và đa phương tiện với tốc độ cao. Thế hệ 4G được thương mại hóa vào những năm
2012 trở đi, cung cấp các dịch vụ truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn thế hệ 3G rất
nhiều.

SV: Đặng Anh Khoa

11

Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

Hình 1.1. Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động.
Trên thế giới, ở những khu vực khác nhau có những tiêu chuẩn khác nhau cho từng
thế hệ thông tin di động, được thể hiện qua hình 1.1.
Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động được phát triển theo hướng:
1G GSM (2G) GPRS (2.5G) EDGE (2.75G) UMTS (3G) LTE (4G).
1.1

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)

Hệ thống thông tin di động 1G là mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại,
được khơi mào ở Nhật vào năm 1979. Hệ thống thông tin di động 1G ứng dụng các
công nghệ truyền dẫn tương tự để truyền tín hiệu thoại, sử dụng phương thức đa truy
nhập phân chia theo tần số (FDMA) và điều chế tần số (FM).
 Đặc điểm:
-

Băng tần khoảng 150 MHz.

-

Sử dụng kỹ thuật chuyển mạch tương tự.

-

Dịch vụ đơn thuần là thoại.

-

Mỗi máy di động được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến.

-

Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận là đáng kể.

-

Trạm thu phát gốc phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi máy di động.
 Một số hệ thống thông tin di động 1G điển hình:

• NMT (Nordic Mobile Telephone): được phát triển ở một số nước Bắc Âu vào năm
1982. Có hai tiêu chuẩn khác nhau là NMT-450 và NMT-900. NMT-450 là hệ
thống được phát triển trước, sử dụng dải tần 450MHz và NMT-900 được phát triển
sau với dải tần 900MHz.
• TACS (Total Access Communications System): được triển khai đầu tiên tại Anh
vào năm 1985 và được phát triển ở một số nước Trung Âu và Nam Âu, TACS sử
dụng dải tần 900MHz.
SV: Đặng Anh Khoa

12

Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

• AMPS (Advanced Mobile Phone System): được triển khai đầu tiên ở Bắc Mỹ vào
năm 1978 và phát triển ở một số quốc gia Nam Mỹ, Úc và New Zealand, AMPS sử

dụng dải tần 800MHz.
 Những hạn chế của hệ thống thông tin di động 1G:
-

Phân bố tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ.

-

Gây tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động dịch chuyển.

-

Không đảm bảo tính bí mật cuộc gọi.

-

Không đáp ứng được các dịch vụ mới hấp dẫn đối với khách hàng.

-

Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau.

-

Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp.

-

Kích thước thiết bị di động lớn.

1.2

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

Hệ thống thông tin di động 2G được đặc trưng bởi công nghệ chuyển mạch kỹ thuật
số. Thông tin di động 2G sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian
TDMA và đa truy nhập phân chia theo mã CDMA. Các kỹ thuật này cho phép sử dụng
tài nguyên băng thông hiệu quả hơn nhiều so với 1G. Hầu hết thuê bao di động hiện
nay vẫn còn sử dụng công nghệ 2G này.
 Đặc điểm:
-

Phương thức đa truy nhập: Sử dụng đa truy nhập TDMA và CDMA băng hẹp.

-

Sử dụng chuyển mạch kênh.

-

Dung lượng tăng, chất lượng thoại tốt hơn, hỗ trợ các dịch vụ truyền dữ liệu.
 Một số hệ thống thông tin di động 2G điển hình:
• GSM (Global System for Mobile Communication): được triển khai đầu tiên
tại Châu Âu vào năm 1990. GSM sử dụng kỹ thuật đa truy nhập TDMA có
tốc độ từ 6,5 – 13 kb/s.

SV: Đặng Anh Khoa

13

Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

 Các hệ thống GSM phổ biến:
-

GSM 900: có dải tần cơ bản (890 – 960)MHz. Trong đó:
+

Đường lên: (890 – 915)MHz.

+

Đường xuống: (935 – 960)MHz.

Hệ thống này được sử dụng phổ biến ở Châu Âu và nhiều nước Châu Á.
-

GSM 1800: có dải tần cơ bản (1.710 – 1.880)MHz. Trong đó:
+

Đường lên: (1.710 – 1.785)MHz.

+

Đường xuống: (1.805 – 1.880)MHz.

Hệ thống này cũng được sử dụng ở Châu Âu và nhiều nước Châu Á, tuy nhiên phổ
biến nhất là ở Châu Mỹ và Canada.
-

GSM 1900: có dải tần cơ bản (1.850 – 1.990)MHz. Trong đó:
+

Đường lên: (1.850 – 1.910)MHz.

+

Đường xuống: (1.930 – 1.990)MHz.

Hệ thống này được sử dụng phổ biến ở Bắc Mỹ.
• IS-136 (Interim Standard – 136): Do AT&T (American Telephone and
Telegraph Corporation) đề xuất vào năm 1990. Chuẩn IS-136, được biết đến
với cái tên khác là D-AMPS (Digital – Advanced Mobile Phone System), sử
dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), có tốc độ dữ
liệu lên đến 30 kb/s.
IS-136 được nâng cấp từ hạ tầng mạng AMPS hoạt động ở băng tần 1900MHz,
trong đó:
+

Đường lên: (1.850 – 1.910)MHz.

+

Đường xuống: (1.930 – 1.990)MHz.

SV: Đặng Anh Khoa

14

Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

• CdmaOne hay IS-95 (Interim Standard – 95A): là tiêu chuẩn thông tin di
động CDMA băng hẹp của Mỹ do Qualcomm đề xuất và được chuẩn hóa
vào năm 1993.
IS-95 sử dụng dải tần (869 – 894)MHz và độ rộng kênh là 1,25MHz cho mỗi
hướng lên và xuống. Tốc độ dữ liệu tối đa của IS-95A là 14,4 kb/s.
Hệ thống này được sử dụng phổ biến ở Mỹ, Hàn Quốc, Hồng Kông, Nhật Bản,
Singapore và một số nước Đông Á.
 Ưu điểm của hệ thống thông tin di động 2G:
Hệ thống thông tin di động 2G ra đời nhằm giải quyết những hạn chế của hệ thống
thông tin di động 1G. Hệ thống thông tin di động 2G co những ưu điểm sau:
-

Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn.

-

Hệ thống số chống nhiễu kênh cùng tần số (CCI: Co-Channel Interference) và
chống nhiễu kênh kề (ACI: Adjacent Channel Interference) hiệu quả hơn, làm
tăng dung lượng hệ thống, đảm bảo chất lượng thông tin.

-

Điều khiển động việc cấp phát kênh một cách liên tục giúp cho việc sử dụng tần
số hiệu quả hơn.

-

Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn, dung lượng tăng, báo hiệu
dễ dàng xử lý bằng phương pháp số.

-

Có nhiều dịch vụ mới nhận thực hơn (kết nối với ISDN).
 Nhược điểm của hệ thống thông tin di động 2G:

-

Độ rộng dải thông băng tần của hệ thống còn nhỏ nên các dịch vụ ứng dụng
cũng bị hạn chế (không đáp ứng được các yêu cầu phát triển cho các dịch vụ
thông tin di động đa phương tiện cho tương lai).

-

Tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động 2G là không thống nhất, do đó việc
chuyển giao toàn cầu khó thực hiện được.

SV: Đặng Anh Khoa

15

Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp
1.3

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

Hệ thống thông tin di động 2,5G

Hệ thống thông tin di động 2,5G được nâng cấp từ hệ thống thông tin di động 2G.
Sự nâng cấp này đôi khi được coi là sự chuẩn bị để tiến tới hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ 3 (3G).
 Đặc điểm của hệ thống thông tin 2,5G:
-

Các dịch vụ số liệu được cải tiến:
+ Tốc độ bit cao hơn.
+ Hỗ trợ kết nối Internet.

-

Hỗ trợ thêm phương thức chuyển mạch gói.
 Một số hệ thống thông tin di động 2,5G điển hình:
• GPRS (General Packet Radio Service)

GPRS là bước phát triển tiếp theo của GSM và IS-136 để cung cấp dịch vụ dữ liệu
tốc độ cao cho người dùng do Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu ETSI (European
Telecommunications Standards Institute) đưa ra vào năm 1999. GPRS có tốc độ dữ

liệu từ 14,4 kb/s đến 115 kb/s nhưng theo lý thuyết thì GPRS có thể cung ứng tốc độ
dữ liệu lên đến 171,2 kb/s. GPRS là một giải pháp chuyển mạch gói. Đây cũng là một
bước đệm trong quá trình chuyển từ thế hệ 2G lên 3G của nhà cung cấp dịch vụ
GSM/IS-136.
• EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)
Được triển khai tại Mỹ vào năm 2003, EDGE là một công nghệ di động được nâng
cấp từ GPRS cho phép truyền dữ liệu với tốc độ có thể lên đến 384 kb/s cho người
dùng cố định hoặc di chuyển chậm và 144 kb/s cho người dùng di chuyển tốc độ cao.
Trên quá trình tiến đến 3G, EDGE được biết đến như một công nghệ 2.75G.
• IS-95B

SV: Đặng Anh Khoa

16

Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

IS-95B là hệ thống thông tin di động 2,5G được nâng cấp từ IS-95A và triển khai
rộng rãi vào năm 1999. IS-95B là một tiêu chuẩn khá linh hoạt cho phép cung cấp dịch
vụ số liệu tốc độ cao lên đến 115 kb/s.
• CDMA2000 1xRTT
CDMA2000 1xRTT là giai đoạn đầu của CDMA2000, được nâng cấp từ IS-95B và
được triển khai từ năm 2000 nhằm cải thiện dung lượng thoại của IS-95B và hỗ trợ
khả năng truyền số liệu ở tốc độ đỉnh lên tới 307,2 kb/s. Tuy nhiên, các thiết bị đầu
cuối thương mại của 1x mới chỉ cho phép tốc độ đỉnh lên tới 153,6 kb/s. Cũng giống

như EDGE, CDMA2000 1xRTT được xem như hệ thống 2,75G.
 Ưu điểm của hệ thống thông tin di động 2,5G:
-

Cung cấp các dịch vụ mạng mới và cải thiện các dịch vụ liên quan đến truyền
số liệu như nén số liệu của người sử dụng, số liệu chuyển mạch kênh tốc độ
cao, dịch vụ vô tuyến gói đa năng.

-

Cung cấp các dịch vụ bổ sung như: chuyển hướng cuộc gọi, hiển thị tên chủ
gọi, chuyển giao cuộc gọi và các dịch vụ cấm gọi mới.

-

Cải thiện các dich vụ liên quan đến SMS (Short Message Service) như: mở
rộng bản chữ cái, mở rộng tương tác giữa các SMS.

-

Tăng cường công nghệ SIM (Subcriber Indentification Module).

-

Hỗ trợ các dịch vụ mạng thông minh.

-

Cải thiện các dịch vụ chung như: dịch vụ định vị, tương tác với các hệ thống
thông tin di động vệ tinh và hỗ trợ định tuyến tối ưu.

1.4

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

Để đáp ứng nhu cầu sử dụng thông tin di động ngày càng tăng cả về số lượng, tốc
độ lẫn chất lượng của người sử dụng, Liên minh viễn thông quốc tế ITU (International
Telecommunication Union) đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hóa thông tin di động thế hệ thứ
ba (3G) với tên gọi IMT-2000 (International Mobile Telecommunications for the Year
SV: Đặng Anh Khoa

17

Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

2000) nhằm nâng cao tốc độ truy nhập, mở rộng nhiều loại hình dịch vụ, đồng thời
tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển liên
tục của thông tin di động.
Nhiều tiêu chuẩn cho IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó có hai hệ thống
WCDMA và CDMA-2000 đã được ITU chấp nhận và được đưa vào hoạt động vào
những năm đầu của thập kỷ 2000. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ Đa truy
nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access). Điều này cho phép
thực hiện tiêu chuẩn toàn cầu cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động
3G.
 Một số hệ thống thông tin di động 3G điển hình:

• UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
UMTS (đôi khi còn được gọi là 3GSM) sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia
theo mã băng rộng WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access). UMTS
được chuẩn hóa bởi 3GPP (3 rd Generation Partnership Project). WCDMA UMTS là
công nghệ 3G được lựa chọn bởi hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ GSM/GPRS để đi
lên 3G. Tốc độ dữ liệu tối đa UMTS cung cấp là 1920 kb/s, tuy nhiên thông thực tế tốc
độ này chỉ khoảng 384 kb/s. Để cải tiến tốc độ dữ liệu của 3G, hai kỹ thuật HSDPA và
HSUPA đã được đề xuất. Khi cả hai kỹ thuật này được triển khai, người ta gọi chung
là HSDPA. HSDPA thường được biết đến như là hệ thống thông tin di động 3,5G.
-

HSDPA (High Speed Downlink Packet Access): Tăng tốc độ đường xuống
(Downlink) lên tốc độ tối đa trên lý thuyết là 14,4 Mb/s, nhưng trong thực tế nó
chỉ đạt tầm 1,8 Mb/s đến 3,6 Mb/s.

-

HSUPA (High Speed Uplink Packet Access): Tăng tốc độ đường lên (Uplink)
đồng thời cải tiến QoS (Quality of Service). Kỹ thuật này cho phép người dùng
Upload thông tin với tốc độ lên tới 5,8 Mb/s về mặt lý thuyết.
• CDMA2000

SV: Đặng Anh Khoa

18

Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

CDMA2000 được triển khai trên cơ sở CDMA2000 1xRTT, đại diện cho họ công
nghệ cao gồm các chuẩn: CDMA2000 EV-DO (Evolution – Data Optimized) và
CDMA2000 EV-DV (Evolution – Data and Voice). CDMA2000 được chuẩn hóa bởi
3GPP2. CDMA2000 là công nghệ 3G được lữa chọn bởi các nhà cung cấp mạng sử
dụng CdmaOne.
-

CDMA2000 EV-DO: sử dụng một kênh dữ liệu 1,25MHz chuyên biệt và có
thể cho tốc độ dữ liệu lên đến 2,4 Mb/s cho đường xuống và 153 Kb/s cho
đường lên. 1xEV-DO Rev A hỗ trợ truyền thông gói IP, tăng tốc độ đường
xuống đến 3,1 Mb/s và đặc biệt có thể đẩy tốc độ đường lên đến 1,2 Mb/s. Bên
cạnh đó, 1xEV-DO Rev B cho phép ghép 15 kênh 1,25MHz lại để truyền dữ
liệu với tốc độ lên đến 73,5 Mb/s.

-

CDMA2000 EV-DV: tích hợp thoại và dữ liệu trên cùng một kênh 1,25MHz.
CDMA2000 EV-DV cung cấp tốc độ đỉnh lên đến 4,8 Mb/s cho đường xuống
và 307 Kb/s cho đường lên. Tuy nhiên từ năm 2005, Qualcomm đã dừng vô
thời hạn việc phát triển của 1xEV-DV vì đa phần các nhà cung cấp mạng
CDMA như Verizon Wireless hay Sprint đều đã chọn EV-DO.
• TD-SCDMA (Time Division – Synchronous Code Division Multiple
Access)

TD-SCDMA là chuẩn di động được đề nghị bởi CCSA (China Communications
Standards Accociation) và được ITU duyệt vào năm 1999. Đây là chuẩn 3G của Trung
Quốc, dùng kỹ thuật song công TDD (Time Division Duplex). TD-SCDMA có thể

hoạt động trên một dải tần hẹp 1,6MHz (cho tốc độ 2 Mb/s) hay 5MHz (cho tốc độ 6
Mb/s).
1.5

Hệ thống thông tin di động tiền 4G (pre-4G)

Công nghệ tiền 4G là bước chuẩn bị để nâng cấp từ công nghệ 3G lên 4G, ở một số
nơi, người ta còn gọi đây là mạng 3,9G. Một số công nghệ tiền 4G có thể kể đến là:
LTE (Long Term Evolution), WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave
Access), UMB (Ultra Mobile Broadband).
SV: Đặng Anh Khoa

19

Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

• 3GPP LTE
3GPP LTE là hệ thống tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng không dây 3G
dựa trên công nghẹ di động GSM/UMTS, và là một trong những công nghệ tiềm năng
nhất cho truyền thông di động thế hệ thứ tư (4G).
3GPP LTE có khả năng cấp phát phổ tần linh động và hỗ trợ các dịch vụ đa phương
tiện với tốc độ trên 100 Mb/s khi di chuyển với tốc độ 3km/h, và đạt 30 Mb/s khi di
chuyển với tốc độ cao khoảng 120km/h, tốc độ này nhanh hơn gấp 7 lần so với tốc độ
truyền dữ liệu của công nghệ HDSPA. Do đó công nghệ này cho phép sử dụng các
dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao trong khi di chuyển.

3GPP LTE sử dụng công nghệ Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) và kỹ thuật MIMO
(Multi-input Multi-output).
-

Ưu điểm nổi bật:
+ Dung lượng truyền trên kênh đường xuống có thể đạt 100 Mb/s và trên kênh

đường lên có thể đạt 50 Mb/s.
+ Tăng tốc độ truyền trên cả người sử dụng và các mặt phẳng điều khiển.
+

Sẽ không còn chuyển mạch kênh. Tất cả sẽ dựa trên IP. VoIP sẽ được sử

dụng cho dịch vụ thoại.
+ Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện tại. Tuy nhiên, mạng
LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G sẵn có. Điều này hết
sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai 3GPP LTE vì không cần thay đổi
toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng.
• WiMax
WiMax là hệ thống truy nhập vi ba có tính tương thích toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu
chuẩn IEEE 802.16 do Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử IEEE (Institute of Electrical and
Electronics Engineers) đề xuất. Tiêu chuẩn IEEE 802.16 đưa ra những yêu cầu, chỉ
tiêu kỹ thuật nhằm tập trung giải quyết các vấn đề trong mạng vô tuyến băng rộng
SV: Đặng Anh Khoa

20

Lớp: KT ĐT – TT K34

Đồ án tốt ngiệp

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

điểm – đa điểm PMP (Point – MultiPoint) về giao diện vô tuyến bao gồm: Lớp điều
khiển truy cập môi trường MAC (Medium Access Control) và lớp vật lý PHY
(Physical Layer).
WiMax là một chuẩn không dây tạo ra khả năng kết nối băng thông rộng tốc độ cao
cho cả mạng cố định lẫn mạng không dây di động.
• UMB
Chuẩn UMB được phát triển bởi 3GPP2 nhằm hỗ trợ cho mạng CDMA2000.
-

Một số đặc điểm kỹ thuật:
+ Có các kỹ thuật Multiple Radio và Anten tiên tiến.
+ Sử dụng kỹ thuật MIMO, Đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA

(Space Division Multiple Access).
+ Sử dụng các kỹ thuật quản lý nhiễu tiên tiến.
+

Tốc độ dữ liệu cao nhất có thể lên tới 288 Mb/s đối với đường lên và 75

Mb/s đối với đường xuống.
 Nhược điểm của hệ thống thông tin di động 3G:
-

Việc đạt được tốc độ truyền số liệu cao là rất khó đối với công nghệ CDMA do
can nhiễu giữa các dịch vụ.

-

Khó có thể tạo ra một dải đầy đủ các dịch vụ đa tốc độ với yêu cầu về hiệu năng
và QoS khác nhau do những hạn chế đối với mạng lõi gây ra bởi tiêu chuẩn
giao diện vô tuyến.

-

Yêu cầu băng thông lớn.

-

Phí dịch vụ tương đối cao.

SV: Đặng Anh Khoa

21

Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp
1.6

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G)

Vào tháng 3 năm 2008, tổ chức ITU-R đã đưa ra các yêu cầu tiêu chuẩn cho hệ

thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) với tên gọi IMT – Advanced. Theo IMT –
Advanced, hệ thống thông tin di động 4G phải đáp ứng được các yêu cầu sau:
-

Xây dựng dựa hệ thống mạng IP chuyển mạch gói.

-

Đáp ứng được tốc độ dữ liệu đỉnh lên đến 100 Mb/s khi di chuyển với tốc độ
nhanh, và 1 Gb/s khi di chuyển với tốc độ chậm (hoặc đứng yên).

-

Có thể linh hoạt trong việc sử dụng và chia sẽ tài nguyên mạng để hỗ trợ số
lượng lớn người sử dụng đồng thời trong một Cell.

-

Độ rộng băng thông có thể thay đổi được một cách linh hoạt, phạm vi thay đổi
có thể lên đến 40 MHz.

-

Có hiệu suất sử dụng phổ tần đỉnh lên đến 15 b/s/Hz đối với đường xuống và
6,75 b/s/Hz đối với đường lên (tức nếu đường xuống đạt tốc độ 1Gb/s thì chỉ
chiếm dụng khoảng 67 MHz băng thông).

-

Hiệu suất sử dụng phổ tần của hệ thống, trường hợp trong nhà, là 3 b/s/Hz/cell

cho đường xuống và 2,25 b/s/Hz/cell cho đường lên.

-

Dễ dàng thực hiện chuyển giao giữa những mạng phức tạp.

-

Khả năng cung cấp các dịch vụ chất lượng cao cho thế hệ đa phương tiện tiếp
theo.

Hiện nay, chỉ có hai hệ thống đáp ứng được các yêu cầu trên và được ITU công
nhận là hệ thống thông tin di động 4G, đó là: LTE-Advanced (được phát triển bởi
3GPP) và WirelessMAN-Advanced (được phát triển bởi IEEE).
4G cung cấp QoS và tốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G đang tồn tại, không chỉ
là truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS), chat video, TV di động
mà còn các dịch vụ HDTV, các dịch vụ tối thiểu như thoại, dữ liệu và các dịch vụ

SV: Đặng Anh Khoa

22

Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

khác. Nó cho phép chuyển giao giữa các mạng vô tuyến trong khu vực cục bộ và có

thể kết nối với hệ thống quảng bá video số.
 Nhược điểm của hệ thống thông tin di động 4G:
-

Yêu cầu thiết bị tương thích để có thể kết nối với mạng 4G.

-

Thiết bị di động tiêu hao năng lượng hơn.

-

Yêu cầu thành phần hệ thống phức tạp.

-

Chi phí dịch vụ và giá thành thiết bị tương đối cao.

1.7

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ năm (5G)

Để đảm bảo cho sự phát triển liên tục của hệ thống thông tin di động, vào tháng 2
năm 2013, ba tổ chức của Trung Quốc là: Bộ Công nghiệp và Công nghệ Thông tin
MIIT, Ủy ban Phát triển và Cải cách Quốc gia NDRC và Bộ Khoa học và Công nghệ
MOST đã cùng nhau hợp tác thành lập nhóm “IMT-2020 (5G) Promotion” dựa trên
nền tảng của nhóm “IMT-Advanced Promotion” nhằm hướng đến việc xây dựng và
phát triển hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G).
Theo IMT 2020, hệ thống 5G phải đáp ứng được những tiêu chí sau:
-

Tốc độ dữ liệu cao hơn hệ thống hiện tại từ 10 đến 100 lần.

-

Độ trễ gần như bằng 0.

SV: Đặng Anh Khoa

23

Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

Hình 1.2. Khối khả năng của hệ thống 5G trong tương lai.
-

Đáp ứng phục vụ được số lượng lớn thiết bị (hàng triệu thiết bị trên 1 km 2).

-

Đáp ứng được Thông lượng cao hơn, khoảng vài chục Tbps/km 2 .

-

Đảm bảo kết nối liên tục với các thiết bị di chuyển với tốc độ cực nhanh, lên tới

hơn 500 km/h.

-

Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ lên từ 5 đến 15 lần.

-

Giảm chi phí tiêu hao trên mỗi bit dữ liệu khoảng 100 lần.

-

Nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng lên hơn 100 lần.

Để làm được điều này, cần phải có những nền tảng kỹ thuật mới để nâng cấp quá
trình xử lý và truyền dữ liệu của hệ thống di động hiện nay. Đã có nhiều kỹ thuật được
đề xuất, ví dụ như:
-

Công nghệ truyền dẫn không dây:
o Massive MIMO.

SV: Đặng Anh Khoa

24

Lớp: KT ĐT – TT K34


Đồ án tốt ngiệp

GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương

o Đa truy nhập: NOMA, BDMA…
o Nâng cao kỹ thuật đa sóng mang: FBMC, UBMC…
o Các kỹ thuật điều chế và mã hóa tiên tiến: WAN, tiền mã hóa…
-

Công nghệ mạng không dây:
o Mạng truy cập vô tuyến đám mây C-RAN.
o Mạng di động MN.
o Truyền thông D2D.
Kết luận chương: Hệ thống 5G trong tương lai sẽ đem lại cho người sử dụng
những trải nghiệm hoàn toàn mới về chất lượng dịch vụ, nơi mà chúng ta có
thể kết nối với mọi vật xung quanh mọi lúc, mọi nơi. Mạng 5G sẽ là một mạng
lưới hoàn chỉnh cho mạng di động không dây, hướng đến một thế giới không
dây “thực sự”, một thế giới Internet of Everything (IoE).

SV: Đặng Anh Khoa

25

Lớp: KT ĐT – TT K34