Quản lý di động trong hệ thống mạng di động nhận thức Femtocell : Luận văn ThS. Kỹ thuật điện tử viễn thông: 60 52 02 03

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THÁI MINH

QUẢN LÝ DI ĐỘNG TRONGHỆ THỐNG
MẠNG DI ĐỘNG NHẬN THỨC FEMTOCELL

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội - 2015


2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THÁI MINH

QUẢN LÝ DI ĐỘNG TRONGHỆ THỐNG
MẠNG DI ĐỘNG NHẬN THỨC FEMTOCELL

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Nam Hoàng

Hà Nội – 2015


3

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, cho phép tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến quý Thầ y, Cô ở trƣờng Đa ̣i
học Công Nghệ – ĐHQG Hà Nộinói chung, Khoa Điê ̣n tƣ̉ - Viễn thôngnói riêng,và các
thành viên là NCS, sinh viên trong nhómnghiên cứu tại bộ môn Hệ thống viễn thông;
các đồng nghiệp tại Trƣờng Đại học Thủ đô Hà Nộiđã giúp đỡ về mặt chuyên môn, tạo
điề u kiê ̣n về mặt thời gian để tôi có thể hoàn thành luận văn này.
Tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn đặc biệt và sâu sắ c đế n thầy giáo,TS. Nguyễn Nam
Hoàng, Khoa Điê ̣n Tƣ̉ - Viễn Thông, trƣờng Đa ̣i Ho ̣c Công Nghê ̣ , ngƣời đã trƣ̣c tiế p
hƣớng dẫn kiến thức, tận tình chỉ bảocho tôi về mă ṭ chuyên môn cho đề tài luận văn
này.
Hà Nội, tháng 12 năm 2015

Nguyễn Thái Minh


4

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học trong luận văn là hoàn
toàn trung thực và chƣa từng đƣợc công bố bởi bất kỳ nơi nào khác. Mọi nguồn tài liệu
tham khảo đều đƣợc trích dẫn một cách rõ ràng.

Hà Nội, ngày 26tháng 12 năm 2015

Nguyễn Thái Minh


5

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................4
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................7
DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................ 10
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................... 11
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ
KIẾN TRÚC FEMTOCELL .............................................................................. 13
1.1

Tổng quan vê hệ thống thông tin di động ............................................... 13

1.1.1

Các hệ thống thông tin di động trƣớc 4G ......................................... 15

1.1.2

Mạng di động thế hệ thứ 4 – 4G....................................................... 19

1.1.3

Các xu hƣớng công nghệ sau thế hệ 4G ........................................... 20

1.2 Kiến trúc mạng Femtocell nhận thức cho hệ thống thông tin di động sau
4G..... ................................................................................................................ 22
1.2.1

Giới thiệu .......................................................................................... 23

1.2.2

Tổng quan về Femtocell ................................................................... 23

1.2.3

Mạng di động nhận thức Femtocell.................................................. 28

Kết luận ............................................................................................................ 36
CHƢƠNG II: QUẢN LÝ DI ĐỘNG VÀ CƠ CHẾ LỰA CHỌN FEMTOCELL
CHO QUÁ TRÌNH CHUYỂN GIAO ................................................................ 37
2.1

Quản lý di động ...................................................................................... 37

2.1.1

Quản lý di động là gì ........................................................................ 37

2.1.2

Các vấn đề cần quan tâm đối với quản lý di động ........................... 37

2.1.3

Các chức năng quản lý di động ........................................................ 37

2.2

Mô hình di chuyển trong quản lý di động .............................................. 38

2.2.1

Mô hình di chuyển ngẫu nhiên ......................................................... 39

2.2.2

Thuộc tính ngẫu nhiên của mô hình di chuyển Random Waypoint. 41

2.3

Cơ chế lựa chọn Femtocell ..................................................................... 43

2.2.1

Cơ chế RSS (Cơ chế dựa trên độ mạnh tín hiệu) ............................. 44


6

2.2.2

Cơ chế Prediction (Cơ chế dự đoán hƣớng di chuyển) .................... 44

2.2.3

Cơ chế Sensing (Cơ chế cảm nhận) ................................................. 45

CHƢƠNG III: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG ........................... 47
3.1

Mô hình mô phỏng ................................................................................. 48

3.2

Đánh giá hiệu năng ................................................................................. 49

KẾT LUẬN ........................................................................................................ 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 66


7

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
1G
2G
3G

CFAP

Từ viết tắt
One Generation

Second Generation
Third Generation
Third Generation Patnership
Project
Fourth Generation
Fifth Generation
Beam Division Multiple Access
Code Division Multiple
Access
Cognitive Femtocell Access Point

EDGE

Enhance Data rates for GSM Evolution

eNodeB

Enhance NodeB
Evolved UMTS Terrestrial
Radio Access
Femtocell Access Point
Frequency Division multipleAccess
Free Time Rate
Femtocell User
General Packet Radio Service
Global System for Mobile
High Speed Downlink Packet
Access
High Speed Packet Access
Intergrated Digital Enhanced Network

Institute of Electrical and Electronics
Engineers
International Mobile
Telecommunication
Internet Protocol
Internet Protocel version 6
Interim Standard 95B
International Telecommunication
Union
Long Term Evolution
Medium Access Control
Orthogonal Frequency Division
Multiple Access
Personal Handy Phone System
Quality of Services
Received Signal Strength

3GPP
4G
5G
BDMA
CDMA

E-UTRAN
FAP
FDMA
FTR
FU
GPRS
GSM

HSDPA
HSPA
iDEN
IEEE
IMT
IP
IPv6
IS-95B
ITU
LTE
MAC
OFDMA
PHS
QoS
RSS

Nghĩa
Hệ thống thông tin di độngthế hệ thứnhất
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba
Dự án hợp tác thế hệ 3
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tƣ
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ năm
Phân chia tín hiệu đa truy cập
Đa truy cập phân chia theo mã
Điểm truy nhập Femtocell nhận thức
Tốc độ dữ liệu tăng cƣờng cho mạngGSM
cải tiến
NodeB cải tiến
Mạng truy nhập vô tuyến cải tiến

Điểm truy nhập Femtocell
Đa truy cập phân chia theo tần số
Tỉ lệ thời gian rảnh
Ngƣời dùng femtocell
Dịch vụ gói vô tuyến thông dụng
Hệ thống di động toàn cầu
Truy nhập gói đƣờng xuống tốc độ cao
Truy nhập gói tốc độ cao
Mạng kĩ thuật số nâng cao tích hợp
Viện kỹ nghệ Điện – Điện tử
Viễn thông di động quốc tế
Giao thức internet
Giao thức internet phiên bản 6
Chuẩn di động nền CDMA phiên bản 95B
Liên minh Viễn thông quốc tế
Điều khiển truy nhập môi trƣờng
Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao
Điện thoại cá nhân cầm tay
Chất lƣợng dịch vụ
Cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc


8
SC-FDMA
SMS
SNR
TDD
UTMS
UTRAN
VoIP

WCDMA

Single Carrier Frequency Division
multiple Access
Short Message Service
Signal to Noise Ratio
Time Division Duplexing
Universal
Telecommunication Mobile System
UTMS Terrestrial Radio Access
Networks
Voice over IP
Wideband Code Division
Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số - đơn
sóng mang
Dịch vụ tin nhắn
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Ghép kênh phân chia theo thời gian
Hệ thống thông tin di động toàn cầu
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
Thoại qua IP
Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng


9

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Các thông số của hệ thống tƣơng tự 1G.

Bảng 3.1 Tham số mô phỏng
Bảng 3.2 Kịch bản mô phỏng


10

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động đến năm 2020.
Hình 1.2 Mô hình kiến trúc mạng thông tin di động 2G.
Hình 1.3 Điểm truy nhập Femtocell.
Hình 1.4 Kiến trúc mạng Femtocell hai lớp.
Hình 1.5 Kiến trúc mạng Femtocell nhận thức
Hình 2.1Mô hình mạng di động nhận thức Femtocell
Hình 2.2 Một số mô hình di chuyển
Hình 2.3 Mô hình di chuyển ngẫu nhiên Random Waypoint
Hình 3.1 Mô hình mô phỏng di chuyển theo đƣờng thẳng của tác giả Hoàng Nhƣ
Đồng
Hình 3.2 Mô hình mô phỏng Random Waypoint
Hình 3.3Biểu đồ phân phối tích lũy số lần chuyển giao – Kịch bản 1 (α=0.5)
Hình 3.4Biểu đồ phân phối tích lũy độ trễ gói tin – Kịch bản 1 (α=0.5)
Hình 3.5Biểu đồ phân phối tích lũy thông lƣợng – Kịch bản 1 (α=0.5)
Hình 3.6Biểu đồ phân phối tích lũy số lần chuyển giao – Kịch bản 2 (α=0.5)
Hình 3.7Biểu đồ phân phối tích lũy độ trễ gói tin – Kịch bản 2 (α=0.5)
Hình 3.8Biểu đồ phân phối tích lũy thông lƣợng – Kịch bản 2 (α=0.5)
Hình 3.9Biểu đồ phân phối tích lũy số lần chuyển giao – Kịch bản 1 (α=0.2)
Hình 3.10Biểu đồ phân phối tích lũy độ trễ gói tin – Kịch bản 1 (α=0.2)
Hình 3.11Biểu đồ phân phối tích lũy thông lƣợng – Kịch bản 1 (α=0.2)
Hình 3.12Biểu đồ phân phối tích lũy số lần chuyển giao – Kịch bản 2 (α=0.2)
Hình 3.13Biểu đồ phân phối tích lũy độ trễ gói tin – Kịch bản 2 (α=0.2)
Hình 3.14Biểu đồ phân phối tích lũy thông lƣợng – Kịch bản 2 (α=0.2)

Hình 3.15Biểu đồ phân phối tích lũy số lần chuyển giao – Kịch bản 1 (α=0.8)
Hình 3.16Biểu đồ phân phối tích lũy độ trễ gói tin – Kịch bản 1 (α=0.8)
Hình 3.17Biểu đồ phân phối tích lũy thông lƣợng – Kịch bản 1 (α=0.8)
Hình 3.18Biểu đồ phân phối tích lũy số lần chuyển giao – Kịch bản 2 (α=0.8)
Hình 3.19Biểu đồ phân phối tích lũy độ trễ gói tin – Kịch bản 2 (α=0.8)
Hình 3.20Biểu đồ phân phối tích lũy thông lƣợng – Kịch bản 2 (α=0.8)


11

LỜI MỞ ĐẦU
Thế kỷ XXI đang chƣ́ng kiế n sƣ̣ phát triể n ma ̣nh mẽ và không ngƣ̀ng của
ngành công nghiệp Điện tử Viễn thông nói chung và Thông tin Di động nói
riêng. Theo thống kê của ITU [1] số lƣợng thuê bao di động đã và đang gia tăng
một cách chóng mặt, năm 2000 số lƣợng thuê bao di động hơn bảy trăm triệu,
năm 2005 là hơn hai tỷ thuê bao và đến năm 2011 đạt gần sáu tỷ thuê bao, chiếm
hơn 80% so với dân số thế giới.
Theo đó, sự phát triển của công nghệ kết nối không dây và thiết bị di động
mang lại nhiều lợi ích cho ngƣời dùng di động.Kèm theo đó là sự gia tăng lớn về
số lƣợng ngƣời dùng di động và một lƣợng lớn dữ liệu đƣợc truyền qua mạng di
động. Hiện nay tổ chức 3GPP[2] đã chuẩn hóa hệ thống thông tin di động thế hệ
thứ 4 gọi là LTE và cuối năm 2012 đã cho ra đời phiên bản LTE-Avanced. Tốc
độ tải dữ liệu ở kênh truyền xuống và kênh truyền lên đƣợc cải thiện rất nhiều.
Tuy nhiên, ngoài việc cải thiện tốc độ thì vấn đề về vùng phủ cũng nhƣ tài
nguyên vô tuyến luôn là một bài toán hóc búa đối với giới chuyên môn. Và để
giải quyết những yêu cầu đó, mạng di động nhận thức và femtocell đƣợc xem
nhƣ là chìa khoá công nghệ để xây dựng mạng di động thế hệ thứ 5 trong tƣơng
lai.
Một mô hình mạng di động mới ra đời sẽ kéo theo nhiều kỹ thuật, yêu cầ u
đi kèm nhằ m nâng cao chấ t lƣơ ̣ng dich

̣ vu ̣ . Một trong những kỹ thuật đó là kỹ
thuật chuyển giao (handover).Trong mạng di động nhận thức, quá trình chuyển
giao giữa các femtocell là một vấn đề thách thức đối với giới nghiên cứu chuyên
môn bởi femtocell có vùng phủ nhỏ. Lựa chọn femtocell là một tính năng quan
trọng trong việc quản lý quá trình chuyển giao trong đó mục đích là tìm ra một
femtocell đích chính xác, trong khi vẫn giảm thiểu số lần chuyển giao không cần
thiết và tránh các femtocell quá tải.
Xuấ t phát tƣ̀ nhƣ̃ng vấ n đề trên , tôi đã tim
̀ hiể u và nghiên cƣ́u để thƣ̣c hiê ̣n
đề tài “Quản lý di động trong hệ thống mạng di động nhận thức Femtocell”
Trong luâ ̣n văn này trình bày các kiế n thƣ́c t ổng quan về ma ̣ng thông tin di
đô ̣ng Femtocell , liên hê ̣ và áp du ̣ng các cơ ch ế quản lý quá trình chuyển giao
(handover) cho ma ̣ng di động nhận thức Femtocell và tâ ̣p trung nghiên cƣ́u về
đánh giá cơ chế lựa chọn femtocell phù hợp để mang lại chất lƣợng dịch vụ tốt
cho ngƣời dùng.
Luâ ̣n văn gồ m 3 chƣơng :
Chƣơng I: Tổ ng quan về hê ̣ thố ng thông tin di đô ̣ng và kiến trúc Femtocell
Chƣơng II: Quản lý di động và cơ chế lựa chọn Femtocell cho quá trình
chuyển giao


12

Chƣơng III: Mô phỏng và đánh giá hiệu năng


13

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNGVÀ
KIẾN TRÚC FEMTOCELL

1.1 Tổng quan vê hệ thống thông tin di động
Ngôn ngữ giao tiếp ở con ngƣời dùng để trao đổi thông tin với nhau, từ thời
xa xƣa con ngƣời đã biết trao đổi thông tin ở khoảng cách xa bằng cách đốt lửa
hay đánh trống để thông báo cho nhau.
Vào thế kỷ 19, Samuel Morse là một họa sĩ ngƣời Mỹ đã phát minh ra máy
điện báo và bảng mã chữ cái mang tên ông là mã Morse vào năm 1835. Mã
Morse dùng các chuỗi đã đƣợc chuẩn hóa gồm các phần tử dài và ngắn để biểu
diễn các chữ cái, chữ số, dấu chấm và các ký tự đặc biệt của một thông điệp. Tín
hiệu có thể đƣợc chuyển tải thông qua dây cáp, một tín hiệu cơ hay ánh sáng
bằng việc bật hoặc tắt một xung điện.
Đến thế kỷ 20, Claude Shannon đã xây dựng nên lý thuyết thông tin đƣợc
xem là xuất phát từ bài báo quan trọng “A Mathematical Theory of
Communication” năm 1948. Một trăm năm sau khi có điện tín, các hệ thống
truyền thông khác nhƣ điện thoại, phát thanh, truyền hình đã đƣợc các kỹ sƣ
phát minh và phát triển mà không cần tới toán học cao cấp. Sau đó, Shannon đã
cung cấp một lý thuyết để hiểu đƣợc tất cả hệ thống đó, bằng cách định nghĩa
thông tin nhƣ một đại lƣợng trừu tƣợng vốn có trong một thông điệp điện thoại
hay một bức hình trên tivi. Ông đã đƣa toán học cao cấp vào. Sau Shannon, công
nghệ thông tin đã phát triển một cách phi mã, với các máy tính điện tử, máy ảnh
kỹ thuật số, Internet và mạng toàn cầu World Wide Web.
Hệ thống thông tin không dây cơ bản đƣợc phát triển và xây dựng dựa trên
lý thuyết bức xạ điện từ đƣợc đề xuất bởi Clark Maxwell vào năm 1857 và đƣợc
mô tả bằng các phƣơng trình toán học của sóng điện từ. Sau đó Guglielmo
Marconi phát minh ra hệ truyền thanh xuyên Đại tây dƣơng sử dụng sóng điện
từ vào năm 1901. Tuy nhiên băng thông của hệ thống truyền tải này rất nhỏ, việc
truyền tin rất chậm. Mặc dù các sóng điện từ đƣợc phát hiện lần đầu tiên nhƣ
một phƣơng tiện truyền thông vào cuối thế kỷ 19, nhƣng đƣợc đƣa vào sử dụng
rất muộn.
Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động trải qua nhiều giai đoạn, mỗi
giai đoạn ngƣời ta gọi là mỗi thế hệ của hệ thống thông tin di động. Các giai

đoạn phát triển của hệ thống thông tin di động đƣợc mô tả nhƣ hình 1.1.


14

Hình 1.1 Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động
đến năm 2020
Sự phát triển của công nghệ kết nối không dây và thiết bị di động mang lại
nhiều lợi ích cho ngƣời dùng di động. Nó dẫn đến sự gia tăng lớn về số lƣợng
ngƣời dùng di động và một lƣợng lớn dữ liệu đƣợc truyền qua mạng di động [3].
Gần đây, những nghiên cứu về kết nối không dây đã chỉ ra rằng hơn 67% lƣu
lƣợng dữ liệu và cuộc gọi và 70% lƣợng dữ liệu 3G đƣợc xuất phát từ những
môi trƣờng trong nhà [4]. Hiện tƣợng này đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa
học nghiên cứu về công nghệ truyền thông sóng ngắn trong môi trƣờng trong
nhà. Hơn nữa, mạng di động thế hệ thứ 4 (4G) với các chuẩn truyền thông di
động đã đƣợc cấp phép và đi vào hoạt động tại nhiều nơi trên thế giới. Mạng 4G
đƣợc xây dựng dựa trên công nghệ chuyển mạch gói trên nền IP. Hiệu suất
truyền cao nhất trong mạng 4G có thể lên đến xấp xỉ 100Mb/s với một ngƣời
dùng đang di chuyển với tốc độ cao nhƣ trên ô tô, tàu hỏa và 1Gb/s với ngƣời
dùng đang sử dụng di động và di chuyển với tốc độ bình thƣờng [5]. Trên một
phƣơng diện khác, mạng di động 4G có khả năng cung cấp khả năng chuyển
giao ổn định mà không làm mất mát dữ liệu và cung cấp chất lƣợng dịch vụ
(QoS) tốt. Một trong những khía cạnh quan trọng nhất của công nghệ 4G là sự
chấm dứt của hệ thống chuyển mạch gói song song và các node chuyển mạch
với việc sử dụng IPv6. Với một lƣợng lớn ngƣời dùng di động, các kịch bản
triển khai (trong nhà, ngoài nhà, thành phố, ngoại ô…) và những ứng dụng đi
kèm (thoại âm thanh, truyền video, dịch vụ Internet), ta có thể dự đoán trƣớc


15

rằng mạng di động 4G yêu cầu dung lƣợng lớn, vùng phủ thông minh và tối ƣu
tài nguyên một cách hiệu quả [5]. Rõ ràng, hệ thống truyền thông di động không
cần tốc độ truyền lớn nhƣng yêu cầu hệ thống phải có năng lực xử lý đồng thời.
Bởi vậy, truyền thông băng rộng là một phƣơng pháp hiệu quả để đáp ứng
những nhu cầu trên.
Để thỏa mãn những yêu cầu trên, kiến trúc di động nhận thức femtocell
đƣợc xem là những công nghệ cốt lõi để xây dựng hệ thống mạng di động nhận
thức femtocell cho thế hệ mạng di động thứ 5(5G) [6, 7, 8]. Hệ thống di động
nhận thức femtocell đƣợc đề xuất gần đây đƣợc xây dựng bao gồm các trạm cơ
sở cỡ lớn và các điểm truy cập femtocell (FAP - femtocell accesspoint). Chúng
đƣợc xem lần lƣợt nhƣ là các hệ thống chính và phụ.
Femtocell đã đƣợc đề cập đến nhƣ là một giải pháp chi phí thấp để tăng
vùng phủ và dung lƣợng ở môi trƣờng trong nhà. Thêm vào đó, Femtocell đƣợc
cho là sẽ trang bị những tính năng nhận thức, có thể cảm nhận các phổ tần số và
tận dụng nó cho việc truyền dữ liệu. Trong kho sóng radio nhận thức có khả
năng nhận biết những kênh còn trống và những kênh đã đƣợc nhiều ngƣời sử
dụng, kiểu dữ liệu truyền, mô đun hệ thống, vị trí của các thiết bị nhận tín hiệu
và cả điều kiện môi trƣờng. Với những hiểu biết về những tham số nói trên,
sóng radio sẽ sử dụng tần số tối ƣu nhất để đảm bảo chất lƣợng dịch vụ cho
ngƣời dùng.
1.1.1
a)

Các hệ thống thông tin di động trƣớc 4G
Mạng di động thế hệ thứ nhất – 1G
1G là viết tắt của “first generation” – thế hệ đầu tiên của mạng điện thoại
truyền thông không dây. Mạng 1G bao gồm những chuẩn truyền thông tƣơng tự,
đƣợc giới thiệu vào những năm 1980 và tiếp tục đƣợc sử dụng cho tới khi bị
thay thế với mạng truyền thông số 2G. Sự khác biệt chính giữa hai hệ thống 1G

và 2G đó là tín hiệu radio của mạng 1G là tín hiệu tƣơng tự, trong khi của mạng
2G là tín hiệu số.
Các chuẩn trong thế hệ 1G sử dụng kỹ thuật đa truy nhập theo tần số
tƣơng tự, điều chế sử dụng phƣơng pháp điều tần. Các thông số của các hệ thống
thông tin di động thế hệ thứ nhất tiêu biểu đƣợc cung cấp theo bảng 1.1.
Nhƣợc điểm của hệ thống 1G:
•Phân bố tần số rất hạn chế, dung lƣợng nhỏ.
•Chất lƣợng truyền tin kém.
•Giá thành thiết bị cao, cồng kềnh.
•Bảo mật cuộc gọi kém.
•Không tƣơng thích giữa các hệ thống với nhau.
b) Mạng di động thế hệ thứ 2 – 2G


16

Vào năm 1983, Châu Âu bắt đầu phát triển GSM với tên ban đầu của nó là
Nhóm Đặc biệt về di động (Group of Special Mobile) sau đƣợc đổi thành Hệ
thống di động toàn cầu (Global System for Mobile). GSM sử dụng kỹ thuật đa
truy nhập theo thời gian số đƣợc phát triển đầu tiên ở Đức năm 1991. Nó là hệ
thống di động tổ ong số đầu tiên trên thế giới.
2G là viết tắt của “second generation” – mạng điện thoại không dây thế hệ
thứ 2. So với 1G, công nghệ 2G mang lại những cải tiến quan trọng nhƣ: cuộc
gọi đƣợc mã hõa; hiệu quả hơn trong quá trình sử dụng phổ tần số làm tăng khả
năng xuyên qua vật cản và dịch vụ dữ liệu giúp ngƣời dùng gửi tin nhắn ngắn
(SMS), tin nhắn hình và tin nhắn đa phƣơng tiện (MMS).
Hệ thống di động 2G sử dụng các kỹ thuật điều chế số thay cho điều chế
tƣơng tự. Cải tiến dung năng hệ thống nhƣ mã hóa tiếng nói số, sử dụng kỹ thuật
ghép kênh để nhiều ngƣời dùng có thể sử dụng cùng tần số thông qua kỹ thuật
phân chia theo thời gian hoặc theo mã. Sử dụng các kỹ thuật để tăng hiệu năng

của hệ thống nhƣ sử dụng lại tần số, các bộ cân bằng, mã hóa.

Hình 1.2 Mô hình kiến trúc mạng thông tin di động 2G
c)

Mạng di động 2.5G

GPRS: hệ thống GSM không hỗ trợ cho các lƣu lƣợng dữ liệu.
GPRS là giải pháp cung cấp các dịch vụ trên cơ sở gói với tốc độ cao.GPRS sử
dụng cùng một sóng mang với băng thông 200Khz và 8 khe thời gian nhƣ GSM.
Tuy nhiên, Trong GPRS có thể kết hợp các khe trong số 8 khe thời gian để
truyền dữ liệu, nên số gói dữ liệu truyền đi trong mỗi khung truyền tăng lên.Kết
hợp việc cấp phát tài nguyên động nên hiệu quả sử dụng băng tần tăng lên đáng


17

kể. Tuy nhiên trong thực tế, do có các dữ liệu đƣợc thêm vào cho việc hiệu
chỉnh lỗi, và số lƣợng ngƣời dùng tại cùng một thời điểm,và phụ thuộc việc
chọn lựa lƣợt đồ mã hoá CS-1 đến CS-4 mà ta thu đƣợc lƣu lƣợng dữ liệu khác
nhau. Thực tế tốc độ dữ liệu đạt đƣợc khoảng 40 Kbps nếu ta sử dụng ba khe
thời gian với tốc độ mỗi khe là 13.4 Kbpshoặc 53 Kbps nếu sử dụng 4 khe thời
gian. Vẫn lớn hơn nhiều so với 9.6 Kbps của GSM.

EDGE: là kỹ thuật truy nhập vô tuyến ghép kênh phân chia theo
thời gian mới, nó vẫn sử dụng các tần số sóng mang cũng nhƣ cấu trúc các khe
thời gian của hệ thống GSM. Mô hình kiến trúc của EDGE cũng tƣơng đồng với
GPRS, chỉ khác là nó sử dụng kỹ thuật điều chế 8 PSK với tám khe thời gian
cho việc truyền dữ liệu với tốc độ tối đa là 384 Kbps, nên mỗi khe thời gian có
tốc độ là 48 Kbps.Khi ngƣời dùng đang ở chế độ GSM, nếu dùng tới các dịch vụ

dữ liệu thì nó sẽ tự động chuyển qua chế độ EDGE.

iDEN (Intergrated Digital Enhanced Network) đƣợc phát triển bởi
Motorola hoạt động trên băng tần vô tuyến di động đặc biệt sau đó đƣợc chuyển
sang Nortel. Bên cạnh các chức năng thông thƣờng nhƣ chuyển mạch kênh thoại
và dữ liệu thì nó đƣợc thêm vào một vài chức năng mới nhƣ Push-to-Talk
(PTT), Dispatch calls và dữ liệu dịch vụ gói.

PHS (Personal Handy Phone System) là hệ thống đƣợc phát triển ở
Nhật bản. PHS là hệ thống truyền thông không dây sử dụng phƣơng thức song
công phân chia theo thời gian TDD hỗ trợ cho các dịch vụ thông tin cá nhân.

IS-95B đƣợc phát triển từ IS-95A, sự khác nhau cơ bản giữa IS95A và IS-95B chính là nâng cấp phần mềm ở IS-95B. Thật ra IS-95B là một hệ
thống 2G hoặc 2.5G nhƣng chƣa đƣợc chuẩn hóa, nhƣng nó là nền tảng cho sự
phát triển của cdma2000 1X, một tiêu chuẩn 3G đƣợc chứng nhận bởi ITU.
d) Mạng di động thế hệ thứ 3 – 3G
Mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) sử dụng hạ tầng mạng và dịch vụ tƣơng
thích với chuẩn IMT-2000
Các yêu cầu đối với IMT-2000:
•Sử dụng hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng W-CDMA.
•Phổ băng thông 5MHz.
•Tốc độ dữ liệu khi di chuyển từ 144kbps đến 384kbps.
•Tốc độ dữ liệu khi không di chuyển là 2Mbps.
•Hiệu suất sử dụng phổ băng thông cao, mềm dẻo, cung cấp các dịch vụ
mới và các dịch vụ truyền thông đa phƣơng tiện.
Các đặc điểm của mạng 3G:
•Chất lƣợng thoại có thể so sánh đƣợc với mạng điện thoại chuyển mạch
công cộng PSTN.
•Cung cấp các dịch vụ với nhiều tốc độ dữ liệu khác nhau.

18

•Dữ liệu gói.
•Chuyển giao liên sóng mang.
•Điều khiển công suất nhanh.
•Hỗ trợ các dịch vụ dữ liệu qua chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói.
•Tốc độ dữ liệu đạt 144kbps khi ngƣời sử dụng di chuyển với tốc độ cao
trong vùng phủ rộng lớn, 384kbps khi ngƣời sử dụng đi bộ hoặc di chuyển chậm
trung vùng phủ nhỏ. Và hỗ trợ 2Mbps cho ngƣời sử dụng trong các tòa nhà, văn
phòng.
ITU gọi mạng thông tin di động 3G là mạng của tƣơng lai hoặc gọi là
Mạng viễn thông di động quốc tế IMT-2000 với tên gọi cũ là Hệ thống điện
thoại di động mặt đất công cộng tƣơng lai FPLMTS (Future Public Land Mobile
Telephone System). IMT-2000 bao gồm ba hệ thống cơ bản đƣợc mô tả trong
bảng 1.3.
Những tiêu chuẩn chính của mạng 3G:
- Hệ thống CDMA2000, cấp phép bởi 3GGP2, là chuẩn cơ bản của công
nghệ CDMA 2G thời kì đầu
- UMTS đƣa ra và chuẩn hóa bới 3GPP (khác với 3GPP2) với công nghệ
W-CDMA đƣợc triển khai phổ biến. W-CDMA hoạt động trên băng tần 2.100
Mhz, một số khác sử dụng băng tân 850, 900 và 1.900 Mhz. Trong W-CDMA,
chúng tôi xem chủ yếu xem xét hai chuẩn chính là HSPA và HSPA+ do chúng
có tốc độ truyền tải lớn.
e) Mạng di động thế hệ sau 3G

HSPA: chia sẽ chung hạ tầng mạng với WCDMA. Để nâng cấp
WCDMA lên HSPA chỉ cần bổ sung phần mềm và một vài phần cứng trong
NodeB và RNC.Lúc đầu HSPA đƣợc thiết kế cho các dịch vụ tốc độ cao phi thời
gian thực, tuy nhiên đã cải thiện hiệu suất của HSPA cho VoIP và các ứng dụng

tƣơng tự khác với tên gọi mới là HSPA+ vào tháng 6 năm 2007 trong Release
7.Cả hai kỹ thuật HSDPA và HSUPA đƣợc gọi chung là HSPA. Các mạng
HSDPA đầu tiên đƣợc đƣa vào thƣơng mại vào năm 2005 và HSUPA đƣợc đƣa
vào thƣơng mại vào năm 2007. Các thông số tốc độ đỉnh của Release 6 đƣợc cho
trong bảng 1.4.

CDMA2000EV-DO(EVolution Data Only): CDMA2000EV-DO
Rel-0 đƣợc phát triển từ CDMA2000-1X, đúng nhƣ tên gọi thì hệ thống này chỉ
hỗ trợ các dịch vụ dữ liệu và không hỗ trợ dịch vụ thoại hoặc các dịch vụ thời
gian thực. CDMA2000EV-DO Rev-A và Rev-B đƣợc phát triển tiếp để tăng tốc
độ dữ liệu đƣợc trình bày theo bảng 1.5.


19


CDMA2000 EV-DV(Data and Voice) là sự phát triển tiếp của
phiên bản EV-DO, hay còn gọi là EV-DO Rev-C và sau này nâng cấp tiếp gọi là
EV-DO Rev D, hỗ trợ dữ liệu và thoại.

WiMAX: đƣợc phát triển bởi IEEE và gọi là chuẩn IEEE 801.16
và nó khác với các hệ thống di động 3G khác. Phiên bản gốc của nó (IEEE
801.16-2001) là hệ thống phân phát dữ liệu qua điểm-điểm bằng vi sóng thay
thế cho cáp cố định. Đến phiên bản WiMAX cố định (IEEE 801.16-2004) hỗ trợ
truyền thông điểm-đa điểm giữa các trạm cơ sở phát đẳng hƣớng và số lƣợng
thiết bị cố định. Sau đó một phiên bản sửa đổi tiếp gọi là WiMAX di động
(IEEE 801.16e), cho phép các thiết bị di chuyển và chuyển giao truyền thông
đến các trạm cở sở khác. Các đặc điểm kỹ thuật đƣợc mô tả theo bảng 1.6.
1.1.2
a)

Mạng di động thế hệ thứ 4 – 4G
Giới thiệu
Ban đầu, dự định của ITU về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tƣ
4Glà IMT-Advanced với LTE-Advanced và Mobile WiMAX 2.0
(IEEE802.16m) chứ không phải là LTE hay Mobile WiMAX 1.0 (IEEE802.16e)
bởi vì các nhóm phát triển đã mô tả nó là mạng 3.9G.Tuy nhiên, giới kinh doanh
xem LTE cũng nhƣ Mobile WiMAX 1.0 nhƣ là thế hệ 4G. Mặc dù không thể
chấp nhận từ quan điểm về hiệu năng hệ thống nhƣng thực tế nếu nói theo một
cách lôgic thì nó là sự phát triển từ UMTS đến LTE. Nhƣ vậy đây là công nghệ
về bản chất tốt hơn so với hệ thống 3G.
Vào tháng 10 năm 2010, ITU đã công bố các tiêu chí về mạng 4G nhƣng
không có LTE và Mobile WiMAX 1.0 nhƣng một vài công nghệ về bản chất tốt
hơn so với hệ thống 3G, mặt khác LTE là tiền đề để phát triển LTE-Advanced
phù hợp với các yêu cầu của ITU. Vì vậy chúng ta chỉ cần biết rằng LTE là hệ
thống thông tin di động thế hệ thứ tƣ.
b) Các kỹ thuật sử dụng trong LTE
Việc đảm bảo các yêu cầu cho mạng LTE chỉ có thể nhờ những tiến bộ
trong công nghệ di động vô tuyến. Một cách tổng quan, tôi tham khảo [24] các
công nghệ cơ bản đã định hình các giao diện vô tuyến trong LTE. Cuối cùng, tôi
tóm tắt các khả năng hỗ trợ các loại thiết bị đầu cuối của LTE.

Công nghệ đa sóng mang: tháng 12 năm 2005, phần truy nhập vô
tuyến LTE đã lựa chọn mô hình đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao
OFDMA cho hƣớng xuống và mô hình đa truy nhập phân chia theo tần số một
sóng mang SC-FDMA cho hƣớng lên. Hai mô hình này đƣợc minh họa trong
hình 1.3 sau.


20


Công nghệ sử dụng nhiều Ăngten: Sử dụng công nghệ dùng
nhiều ăngten cho phép khai thác miền không gian nhƣ một chiều hƣớng mới.
Điều này trở nên cần thiết trong việc tìm kiếm cho việc nâng cao hiệu suất phổ.
Công nghệ này mở ra một hƣớng nghiên cứu mới hứa hẹn có rất nhiều tính
năng. Công nghệ này dựa trên ba nguyên lý cơ bản đƣợc minh họa trong hình
1.4 sau.
• Độ lợi phân tập: sử dụng phân tập không gian với nhiều ăngten cải
tiến khả năng truyền dẫn chống lại fading đa đƣờng.
• Độ lợi mảng: tập trung năng lƣợng trong một hoặc nhiều đƣờng
truyền, cho phép nhiều ngƣời dùng tìm kiếm các đƣờng khác nhau để truyền dữ
liệu.
• Độ lợi ghép kênh trong không gian: truyền nhiều luồng tín hiệu đến
một ngƣời dùng trên nhiều lớp không gian đƣợc tạo bởi kết hợp nhiều ăngten.

Giao diện vô tuyến chuyển mạch gói: LTE đƣợc thiết kế để cung
cấp đa dịch vụ sử dụng chuyển mạch gói và không sử dụng chuyển mạch kênh.
Mô hình lập lịch định tuyến gói tin qua giao diện vô tuyến đã đƣợc sử dụng
trong HSDPA, cho phép truyền các gói dữ liệu ngắn theo thứ tự nhƣ các khoảng
thời gian trong kênh fading nhanh, đƣợc minh họa trong hình 1.5 sau.

Khả năng của thiết bị đầu cuối: thị trƣờng thiết bị đầu cuối rất
lớn và đa dạng, do đó hệ thống LTE phải hỗ trợ các loại thiết bị đầu cuối với các
khả năng khác nhau để đáp ứng các phân khúc thị trƣờng khác nhau. Nói chung
mỗi phân khúc thị trƣờng gắn các ƣu tiên khác nhau nhƣ tốc độ dữ liệu đỉnh,
kích thƣớc thiết bị đầu cuối, chi phí và thời lƣợng pin. Một số đặc điểm chung
bao gồm sau đây:
• Hỗ trợ các ứng dụng với tốc độ dữ liệu cao, kích thƣớc của thiết bị
đầu cuối, chi phí và nguồn sử dụng.

• Thiết bị đầu cuối có thể đƣợc nhúng trong các thiết bị lớn nhƣ máy
tính xách tay thƣờng không hạn chế về tiêu thụ điện năng hoặc có thể sử dụng số
lƣợng ăngten trong khi truyền dữ liệu. Mặt khác, ở các phân khúc thị trƣờng
khác thì yêu cầu các thiết bị đầu cuối cầm tay siêu mỏng với số lƣợng lớn các
ăngten thu phát hoặc sử dụng nguồn pin lớn.
• Hệ thống LTE hỗ trợ cho năm loại thiết bị đầu cuối đƣợc mô tả
trong bảng 2.1 sau, từ chi phí thấp, tƣơng thích với UMTS HSPA đến các loại
thiết bị đầu cuối hỗ trợ tốc độ cao để khai thác công nghệ LTE.
1.1.3

Các xu hƣớng công nghệ sau thế hệ 4G
5G (Mạng di động thế hệ thứ 5 hoặc mạng không dây thế hệ thứ 5) là
công nghệ đang đƣợc nghiên cứu và các dự án mô tả giai đoạn quan trọng tiếp
theo của các tiêu chuẩn viễn thông di động hơn so với tiêu chuẩn mạng 4G/IMT-


21

Advanced. Chuẩn 5G [13] vẫn chƣa đƣợc công bố các đặc điểm kỹ thuật hoặc
các tài liệu liên quan rộng rãi bởi các công ty viễn thông hoặc các tổ chức chuẩn
hóa nhƣ 3GPP, Diễn đàn WiMAX, hoặc ITU-R. Các phiên bản tiêu chuẩn hơn
so với chuẩn 4G đang đƣợc phát triển bởi các tổ chức chuẩn hóa, nhƣng tại thời
điểm này vẫn chƣa đƣợc coi là một thế hệ di động mới, nhƣng là sự phát triển từ
4G lên.
Hiện nay có rất nhiều khái niệm mới đang đƣợc nghiên cứu và phát triển
cho hệ thống thông tin di động 5G, có thể liệt kê nhƣ:

Vô tuyến nhận thức: Công nghệ vô tuyến nhận thức (CR) sẽ có
hiệu quả hơn các hệ thống thông tin liên lạc vô tuyến đã đƣợc phát triển. Công
nghệ vô tuyến mới chia sẻ cùng một phổ một cách hiệu quả bằng cách tìm kiếm

các phổ không sử dụng và phối hợp để truyền tải các yêu cầu của các công nghệ
hiện đang chia sẻ cùng phổ. Vô tuyến nhận thức có các thông số về các kênh
miễn phí, kênh bị chiếm đóng, loại dữ liệu đƣợc truyền, điều chế, vị trí của thiết
bị thu sóng và có khả năng nhận biết môi trƣờng.

Đa truy nhập phân chia theo chùm BDMA(Beam Division
Multiple Access): một trạm gốc phân bổ chùm tia riêng biệt cho mỗi máy di
động bằng cách nó chia chùm ăng ten theo vị trí của các máy di động. Kỹ thuật
đa truy cập này làm tăng đáng kể khả năng của hệ thống.

Hỗ trợ IPv6:Mục tiêu của mạng 5G là thay thế mạng lõi di động
hiện tại với một tiêu chuẩn mạng duy nhất trên toàn thế giới dựa trên IPv6 cho
điều khiển, gói dữ liệu, video và giọng nói. Điều này sẽ cung cấp tiêu chuẩn
thống nhất cho video và các dịch vụ dữ liệu đến các máy chủ điện thoại di động
dựa trên IPv6.

Hỗ trợ IP phẳng:Trong kiến trúc IP phẳng, thiết bị đƣợc xác định
bằng cách sử dụng tên tƣợng trƣng thay định dạng IP thông thƣờng. Dữ liệu là
định tuyến của ngƣời sử dụng ban đầu để kết nối trực tiếp với ngƣời sử dụng mà
không cần đi ngang qua nhiều lớp. Điều này đòi hỏi kết nối trực tiếp hoặc kết
nối bằng đƣờng đi ngắn nhất giữa các bộ định tuyến lõi phẳng. Trong công nghệ
này chỉ có một loại truy cập nút cụ thể là có thể dùng, và nó sẽ đƣợc tích hợp
trong BTS. Kiến trúc IP phẳng sử dụng các thành phần trung tâm ít hơn do
không chỉ làm giảm làm gián đoạn hệ thống cung cấp với tỷ lệ thất bại thấp hơn
mà còn làm giảm số lƣợng các thành phần chi phí hoạt động và đầu tƣ.

Mạng lƣới phổ biến Multihoming: Đây là một kỹ thuật đƣợc sử
dụng để tăng độ tin cậy của các kết nối internet cho một mạng IP, ngƣời sử dụng
sẽ đƣợc cung cấp dịch vụ không gián đoạn. Mạng 5G hỗ trợ công nghệ độc lập
và chuyển giao theo chiều dọc nên ngƣời sử dụng có thể đồng thời đƣợc kết nối

22

với một vài công nghệ truy cập không dây và di chuyển giữa chúng. Truy cập
Internet thông qua nhiều giao diện mạng hoặc địa chỉ IP đến một thiết bị duy
nhất đƣợc gọi là multihoming. Đối với multihoming cấu hình mạng chỉ định
nhiều địa chỉ IP của các công nghệ không dây khác nhau trên cùng một thiết bị.
Nếu một liên kết thất bại thì địa chỉ IP của nó sẽ không hoạt động nhƣng địa chỉ
IP khác sẽ vẫn làm việc vì vậy thiết bị vẫn có thể truy cập vào internet.

Các kỹ thuật phân tập cùng hoạt động trong nhóm (Group
Cooperative Diversity Techniques): Trong truyền thông hợp tác, nguồn truyền
dữ liệu đến đích cùng thời điểm đó ngƣời sử dụng hàng xóm (Relay user) cũng
nhận đƣợc đƣờng truyền. Ngƣời sử dụng hàng xóm cũng chỉnh sửa và chuyển
tiếp tin nhắn này đến đích và tín hiệu nhận đƣợc đã đƣợc kết hợp. Cả hai tín hiệu
đƣợc truyền đi với con đƣờng khác nhau cho thấy sự đa dạng.

Hỗ trợ điện toán đám mây cho di động: Điện toán đám mây cho
di động nhƣ máy ảo, mỗi điện thoại di động có thể truy cập và yêu cầu nền tảng
để chạy ứng dụng trên thiết bị cụ thể gọi là đám mây. Kỹ thuật này giúp các thiết
bị có nền tảng thấp hơn cũng có thể chạy cùng ứng dụng chỉ yêu cầu có kết nối
internet.

Các trạm phát sóng nằm ở trên vùng bình lƣu HAPS(High
Altitude Stratospheric Platform Station):Về cơ bản, các trạm HAPS là những
chiếc máy bay treo lơ lửng ở một vị trí cố định trong khoảng cách từ 17km22km so với mặt đất và hoạt động nhƣ một vệ tinh. Cách này sẽ giúp đƣờng tín
hiệu đƣợc thẳng hơn và giảm tình trạng bị cản trở bởi những kiến trúc cao tầng.
Ngoài ra, nhờ độ cao, trạm cơ sở có khả năng bao phủ diện tích rộng lớn; do đó
làm giảm, nếu không nói là loại bỏ, những vấn đề về diện tích vùng phủ sóng.

Thậm chí trên biển, nơi các trạm phát sóng trên đất liền không thể phủ sóng,
cũng bắt đƣợc tín hiệu 5G.

Tiêu hao năng lƣợng thấp: Với sự gia tăng tốc độ bit dẫn tới tăng
tiêu thụ năng lƣợng tại các trạm gốc. Thách thức chủ yếu cho các mạng di động
trong tƣơng lai là giảm điện năng tiêu thụ. Trong các mạng di động, trạm gốc
tiêu thụ hơn 60% năng lƣợng do đó việc giảm điện năng tiêu thụ trong các phần
tử của mạng gốc là cần thiết. Hiện nay, mạng lƣới đƣợc thiết kế với sự quan tâm
đến tải tối đa và không xem xét tới tải trung bình và thấp. Trong kịch bản thực
tế, nếu tải trên mạng tăng lên thì độ che phủ sẽ giảm và tải giảm sau đó độ che
phủ sẽ tăng. Để giảm tiêu thụ điện năng, cấu trúc liên kết mạng sẽ thiết kế theo
cách khi tải giảm trạm gốc sẽ che phủ nhiều khu vực hơn, và chúng ta có thể
đóng cửa một số các trạm gốc.
1.2 Kiến trúc mạng Femtocell nhận thức cho hệ thống thông tin di động
sau 4G


23

1.2.1

Giới thiệu
Trong việc triển khai mạng di động 4G, các nhà khoa học đã tập trung
phát triển một chuẩn kết nối di động đáp ứng đƣợc những tiêu chuẩn của mạng
4G. Cho tới thời điểm hiện tại, hệ thống mạng đi động sau 4G và 5G vẫn đang
trong quá trình hình thành ý tƣởng và đƣợc trình bày ở nhiều bài báo khoa học
cũng nhƣ công bố trong các bằng sáng chế.
Mạng di động 4G LTE-Advance có thể cho tốc độ tải xuống tới 1Gbps
và tải lên 512 Mbps và nhiều tính năng ƣu việt khác. Giới chuyên môn cũng nhƣ
ngƣời dùng vẫn luôn mong đợi mạng di động 5G sẽ cho tốc độ tốt hơn và dung

lƣợng truyền cao hơn nữa. Mạng 5G cũng đƣợc kì vọng sẽ giải quyết tình trạng
nghẽn cổ chai về việc phân chia tần số đang xảy ra trong mạng 4G. Mặt khác,
những vấn đề liên quan đến kết nối trong nhà nhƣ tín hiệu yếu, QoS không đảm
bảo…cũng đều đƣợc giải quyết với mạng 5G. Có nhiều khái niệm đã và đang
đƣợc đƣa ra để phát triển mạng 5G. Chúng bao gồm: di động nhận thức,
femtocell, phát sóng đa truy cập, hỗ trợ nền tảng IPv6, điện toán đám mây, điều
khiển công suất phát…
Femtocell nhận thức: mạng di động nhận thức với femtocell là một công
nghệ đầy hứa hẹn và đang đƣợc nghiên cứu rộng rãi. Di động nhận thức hỗ trợ
chia sẻ băng tần một cách chủ động. Đây đƣợc xem là một công nghệ then chốt
trong tƣơng lai của kết nối không dây. Để giải quyết yêu cầu của ngƣời dùng tại
những nơi có mật độ cao, femtocell đƣợc đề xuất nhƣ một công nghệ di động
mới để có thể cung cấp thoại không dâyvà dịch vụ internet băng rộng tới khách
hàng tại những không gian nhỏ nhƣ tòa nhà, văn phòng…
1.2.2 Tổng quan về Femtocell
a) Femtocell là gì
Femtocell đƣợc hiểu là “trạm cơ sở nhà” (home base station), là điểm
truy nhập mạng di động của các thiết bị di động tiêu chuẩn kết nối đến mạng nhà
cung cấp dịch vụ di động thông qua các công nghệ nhƣ đƣờng dây thuê bao số
DSL, kết nối cáp băng rộng, cáp quang hoặc trạm không dây cuối cùng.
b) Quá trình phát triển và chuẩn hóa của Femtocell
Khái niệm “trạm cơ sở nhà” đầu tiên đƣợc nghiên cứu bởi phòng thí
nghiệm Bell của hãnh Alcatel-Lucent vào năm 1999. Trong năm 2002, Motorola
thông báo phát triển sản phẩm trạm cơ sở nhà dựa trên nền tảng công nghệ 3G.
Tuy nhiên, cho đến năm 2005 thì khái niệm này mới đƣợc chấp nhận rông rãi.
Trong năm 2006, thuật ngữ“femtocell” ra đời. Trong tháng 2 năm 2007, các
công ty đã trình bày về femtocells tại hội nghị thế giới về di động tại Barcelona,
thông báo đang thử nghiệm về nó. Trong tháng 7 năm 2007, diễn đàn Femto [2]
đã đƣợc thành lập để đẩy mạnh nghiên cứu, tiêu chuẩn hóa và triển khai trên
toàn thế giới. Đến tháng 12 năm 2008, diễn đàn đã bao gồm hơn 100 công ty

24

viễn thông sản xuất phần cứng và phần mềm và các nhà cung cấp dịch vụ mạng
di động. Cũng trong năm Home NodeB (HNB) và Home eNodeB (HeNB) đầu
tiên đƣợc giới thiệu trong phiên bản 8 của tổ chức 3GPP. Trong phiên bản LTE
cũng giới thiệu về macrocell và femtocell trong quá trình triển khai mạng.
Femtocell tỏ ra có triển vọng cho các ứng dụng vừa và nhỏ để cung cấp cho
khách hàng.
Diễn đàn Femto với mục tiêu là định nghĩa các tiêu chuẩn cho thiết bị
femtocell và các công nghệ đƣợc triển khai trên femtocell nhƣ các giao thức
truyền thông và ứng dụng. Ngoài ra tổ chức 3GPP cũng đóng góp trong việc tiêu
chuẩn hóa femtocell.
c) Điểm truy cập Femtocell (Femtocell Access Point)
Chức năng của femtocell cũng giống nhƣ trạm cơ sở. Tuy nhiên,
femtocell bao gồm RNC (Radio Network Controller, trong mạng GSM thì là
BSC) và tất cả các thành phần mạng lõi. Do đó, nó không cần mạng lõi tế bào
mà chỉ yêu cầu dữ liệu đƣợc kết nối đến đƣờng dây thuê bao số hoặc cáp quang
để kết nối internet, sau đó kết nối tới mạng lõi của các nhà cung cấp dịch vụ di
động, hình 1.6 mô tả cách thức kết nối của femtocell.
Điểm truy nhập femtocell (Femtocell Access Point - FAP) nhìn giống
nhƣ điểm truy nhập WiFi (WAP), WAP sử dụng các công nghệ truy nhập không
dây nhƣ IEEE 802.11b, IEEE802.11g và IEEE802.11n, còn FAP sử dụng các
công nghệ tế bào nhƣ GSM/GPRS/EDGE, UMTS/HSPA/LTE và mobile
WiMAX (IEEE 802.16e).
Khác với picocells, ngƣời dùng có thể lắp đặt FAPs nhƣ là một thiết bị
điện tử tiêu dùng thông thƣờng. Để giảm nhiễu giữa các Macrocell ở bên ngoài
và các femtocell lân cận thì femtocell có khả năng tự động cấu hình. Quá trình
tự động cấu hình của FAP đƣợc chia thành nhiều giai đoạn, đầu tiên nó sẽ đánh

giá môi trƣờng vô tuyến, sau đó sẽ dò tự động tìm các tham số cấu hình (ví dụ
nhƣ công suất phát hƣớng xuống, và xác định kênh con,..) và nó sẽ tự động cấu
hình.
Tùy theo dung lƣợng, FAP có thể đƣợc phân ra hai loại, một loại là
Home FAP, hỗ trợ truyền đồng thời 3-5 thuê bao và Enterprise FAP, hỗ trợ đồng
thời từ 8-16 thuê bao.


25

Hình 1.3 Điểm truy nhập Femtocell
d) Đặc điểm của Femtocell
Cải thiện vùng phủ ở những nơi mà macrocell không phủ sóng tới. Cải
thiện lƣu lƣợng và nâng cao dung năng cho macrocell (trong trƣờng hợp sử dụng
macrocells cung cấp vùng phủ trong nhà hoặc xa hơn thì cần nhiều công suất
phát dẫn đến làm giảm dung năng của macrocell).
Giả sử rằng tín hiệu phát lọt ra ngoài từ femtocell đến macrocell tƣơng
đối nhỏ thì lớp femtocell có thể cải thiện đáng kể tổng dung lƣợng mạng bởi sử
dụng lại phổ vô tuyến của femtocell.
Femtocell cung cấp hiệu suất tần số vô tuyến cao, làm cho tốc độ truyền
dữ liệu tới thiết bị đầu cuối càng cao.
Femtocell cải thiện đáng kể nguồn cho thiết bị đầu cuối, bởi vì khả năng
mất đƣờng truyền của FAP cũng nhƣ công suất phát thấp hơn so với các trạm
phát macrocell ở bên ngoài. Ngoài ra, nguồn pin cũng là một trong những vấn đề
lớn nhất trong việc cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao cho các thiết bị đầu
cuối di động.
FAPs khi sử dụng thì chỉ cần bật công tắc nguồn, sử dụng femtocell
“xanh” hơn so với macrocell. Công suất tiêu thụ của trạm phát cơ sở chiếm đáng
kể chi phí hoạt động OPEX(Operational Expenses) của nhà cung cấp dịch vụ. Ở
Vƣơng quốc Anh, công suất tiêu thụ của các trạm phát hơn 3 watts trên một thuê