(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu giải pháp chuyển đổi công nghệ sang hệ thông tin di động 4g luận vănths kỹ thuật điện tử viễn thông 2 07 00

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Phạm Thu Trang

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2006


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Phạm Thu Trang

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

Ngành : Cơng nghệ Điện tử – Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc
Mã số: 2.07.00
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS. TRẦN HỒNG QUÂN

Hà Nội - 2006

i

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG

1
3

1.1. Những đặc thù của hệ thông tin di động

3

1.2. Tổng quan về hệ thông tin di động quá khứ, hiện tại và tƣơng lai
1.3. Giới thiệu hệ thông tin di động 4G

4
9

1.4. Kết luận

13

CHƢƠNG 2. YÊU CẦU HẠ TẦNG VIỄN THÔNG VÀ XU HƢỚNG

14

PHÁT TRIỂN CÁC CÔNG NGHỆ
2.1. Yêu cầu hạ tầng viễn thông chung

2.2. Xu hƣớng phát triển mạng thông tin di động

14
15

2.3. Xu hƣớng sử dụng IP trong thông tin di động

17

2.4. Yêu cầu đối với đầu cuối 4G

20

2.5. Kết luận

22

CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG CƠNG
NGHỆ DI ĐỘNG 4G
3.1. Mơ hình cấu trúc mạng 4G.
3.1.1. Nhƣợc điểm và ƣu điểm của mạng 3G và 3.5G
3.1.2. Mơ hình mạng thơng tin di động 4G.
3.2. Những vấn đề cơ bản trong cấu hình hệ thống 4G
3.2.1. Chuẩn
3.2.2. Cấu hình hệ thống

23
23
23
25

28
28
28

3.2.3. Thơng số hệ thống
3.2.3.1.Downlink
3.2.3.2.Uplink

31
31
34

3.2.4. Công nghệ IP và IP di động

36

3.3. Chức năng của các phần tử trong mơ hình.

39


ii

3.3.1. Các phần tử mạng truy nhập vô tuyến.
3.3.2. Các phần tử mạng lõi.

39
43

3.3.3. Chức năng điều khiển.

3.3.4. Dịch vụ.
3.4. Những thách thức khi chuyển sang mạng 4G

45
49
49

3.4.1. Những thách thức

49

3.4.2. Giải pháp
3.4.2.1.Trạm di động

53
53

3.4.2.2.Hệ thống
3.4.2.3.Dịch vụ
3.5. Kết luận.
CHƢƠNG 4. DỊCH VỤ VÀ CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG
4G

56
60
62
63
63

4.1. Yêu cầu cơ bản của 4G

64

4.2. Dịch vụ trong mạng 4G

72

4.3. Chất lƣợng dịch vụ trong mạng 4G
4.3.1. Khái niệm QoS

72
76

4.3.2. Kiến trúc QoS
4.3.3. Các tham số QoS trong mạng di động 4G.

79
81

4.3.4. Thách thức về chất lƣợng dịch vụ trong mạng di động 4G
4.3.5. Bảo mật dịch vụ.

83
85

4.4. Kết luận.

86

CHƢƠNG 5. LỘ TRÌNH TIẾN LÊN MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ 4 CHO

86

MẠNG DI ĐỘNG TẠI VIỆT NAM

88

5.1. Đặc điểm mạng thơng tin di động tại Việt Nam
5.2. Tiến trình triển khai lên 4G từ 2.5G của mạng di động tại Việt Nam
5.3. Kết luận
KẾT LUẬN

94
95


i

CÁC TỪ VIẾT TẮT
3GPP

The 3rd Generation Partnership Project

Dự án cộng tác thế hệ thứ 3

ADC

Analog Digital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự số

ADSL

Asymmetric Digital Subriber Line

Đường thuê bao số không đối xứng

AMC

Adaptation and Modulation Coding

Bộ điều chế và mã hố thích ứng

AMPS

Advance Mobile Phone Service

Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến

AP

Access Point

Điểm truy nhập

API

Application Program Interface

Giao diện trình ứng dụng

AR

Access Router

Bộ định tuyến truy nhập

AS

Autonomous System

Hệ thống tự trị

AUC

Authentication Center

Trung tâm nhận thực

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Tạp âm Gauss trắng cộng

BER

Bit Error Rate

Tỉ số bit lỗi

BGP

Border Gateway Protocol

Đ ịnh tuyến biên

BPF

Bandwidth Pass Filter

Bộ lọc thơng dải

BPSK

Binary Pulse Shift Keying

Khố dịch pha nhị phân

BWA

Broadband Wireless Access

Truy cập không dây băng rộng

CDM

Code Division Multiplexing

Phân chia theo mã

CDMA

Code Division Multiple Access

Truy nhập phân chia theo mã

CEPT

Conference European Post and

Hội nghị bưu chính viễn thơng Châu Âu

ALG


ii

Telematics
CIDR

Classless InterDomain Routing

Định tuyến liên vùng không phân lớp

CN

Core Network

Mạng lõi

CS

Circuit Switching

Chuyển mạch kênh

CSCF

Call Session Control Function

Chức năng điều khiển phiên cuộc gọi

DCH

Dedicated Channel

Kênh riêng

DCS

Digital Cellular System

Hệ thống số tổ ong

DFS

Dynamic Frequency Selection

Lựa chọn tần số động

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi fourier rời rạc

DSP

Digital Signal Processing

Xử lý tín hiệu số

Enhanced Data for GSM Evolution

Tốc độ số liệu gói tăng cường để phát triển

DVD
EDGE

GSM
EGPRS

Enhanced GPRS

GPRS tăng cường

EIR

Equipment Identity Register

Bộ ghi dịch nhận dạng thiết bị

EIR

Equipment Identity Register

Thanh ghi nhận dạng thiết bị

ERP

Enterprise Resource Planning

Hoạch định tài nguyên công ty

ETSI

European Telecommunications Standard Viện chuẩn viễn thông Châu Âu

ERMES

Institute
FDD

Frequency Division Duplex

Ghép công phân chia theo tần số

FDMA

Frequency Division Multiple Access

Truy nhập phân chia theo tần số


iii

GPRS

General Packet Radio System

Hệ thống vơ tuyến gói chung

GSM

Groupe Spécial Mobile

Nhóm nghiên cứu thơng thơng tin di động
đặc biệt

GSM

Global System for Mobile

Hệ thơng tin di động tồn cầu

communication
HARQ

Hybrid Automatic Repeat Request

HIPERLAN High Performance Radio Local Area

Yêu cầu phát tự động nhanh
Mạng nội hạt vô tuyến chất lượng cao

Network
HLR

Home Location Register

Bộ ghi dịch thường trú

HSDPA

High Speed Downlink Packet Access

Công nghệ truy nhập gói đường xuống tốc độ
cao

HS-DSCH High Speed Downlink Shared Channel

Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao

HSOPA
HSS

Home Subscriber Server

Serve lưu trữ thông tin về thuê bao

HSUPA

High Speed Uplink Packet Access

Cơng nghệ truy nhập gói đường lên tốc độ
cao

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier ngược, rời rạc

IEEE

The Institute of Electrical and Electronic Viện kỹ thuật điện và điện tử
Engineers

IMT

International Mobile

Viễn thông di động quốc tế

Telecommunications
IP

Internet Protocol

Giao thức Internet


iv

IS

Interim Standard

Chuẩn tạm thời

ISDN

Integrated Services Digital Network

Mạng số liên kết đa dịch vụ

ISI

InterSymbol Interference

Nhiễu giữa các ký hiệu

ISM

Industrial, Scientific, Medical band

Công nghệ, khoa học, y tế

ISP

Internet Service Provider

Nhà cung cấp dịch vụ

ITU

International Telecommunication Union Liên minh viễn thông quốc tế

LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

LEO

Low Earth Orbit

Quỹ đạo trái đất tầm thấp

LNA

Low Noise Amplifier

Bộ khuếch đại tạp âm thấp

MAN

Metropolitan Area Network

Mạng diện rộng

MCM

MultiCarrier Modulation

Điều chế đa sóng mang

MGCF

Media Gateway Control Function

Chức năng điều khiển tài nguyên đa phương
tiện

MIMO

Multi Output Multi Input

Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra

MMS

Multimedia Message

Tin nhắn đa phương tiện

MPLS

MultiProtocol Label Switching

Chuyển mạch nhãn đa giao thức

MR

Mobile Router

Bộ định tuyến di động

MRFP

Multimedia Resource Function Provide Cung cấp tài nguyên đa phương tiện

MS

Mobile Station

Trạm di động

MSC

Mobile Switching Center

Trung tâm chuyển mạch di động

NAT

Network Address Translator

Bộ phiên dịch địa chỉ mạng

NMT

Nordic Mobile Telephone

Điện thoại di động Bắc Âu


v

OFDM

Orthogonal Frequency Division

Phân chia theo tần số trực giao

Multiplexing
OTA

Over The Air Activation

Môi trường không gian

PCM

Pulse Code Modulation

Điều chế xung mã

PCS

Personal Communication Service

Dịch vụ truyền thông cá nhân

PDA

Personal Digital Assistant

Thiết bị trợ lý cá nhân dùng kỹ thuật số

PDC

Personal Digital Cellular

Tế bào số hoá cá nhân

PDH

Plesiorchronous Digital Hierarchy

Mạng phân cấp số cận đồng bộ

PDN

Public Data Network

Mạng số liệu công cộng

PLMN

Public Land Mobile Network

Mạng di động mặt đất cơng cộng

PNC

Public Network Computing

Tính tốn mạng cơng cộng

PS

Packet Switching

Chuyển mạch gói

PSTN

Public Switched Telephone Network

Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng

QoS

Quality of Services

Chất lượng dịch vụ

QPSK

Quadrature Pulse Shift Keying

Khóa dịch pha vng góc

RAB

Radio Access Bearer

Vật mang truy nhập vô tuyến

RAC

Radio Access Controller

Bộ điều khiển truy nhập vô tuyến

RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

RAP

Radio Access Point

Điểm truy cập vô tuyến

RF

Radio frequency

Tần số vô tuyến

RNC

Radio Network Controller

Bộ điều khiển mạng vô tuyến

RNS

Radio Network Subsystem

Hệ thống mạng con vô tuyến


vi

RRM

Radio Resource Management

Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến

RTP

Real time Transport Protocol

Giao thức truyền tải thời gian thực

SCM

Single Carrier Modulation

Điều chế sóng mang đơn

SDH

Synchronous Digital Hierarchy

Mạng phân cấp số đồng bộ

SDR

Software Defined Radio

Phần mềm hệ thống vô tuyến lý tưởng

SEG

Security Gateway

Gateway an ninh

SIM

Subscriber Identity Module

Module nhận dạng thuê bao

SIP

Session Initialization Protocol

Giao thức khởi tạo phiên

SMS

Short Message Service

Tin nhắn thường

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

SS

Spread Spectrum

Trải phổ

SDP

SS7oIP

Báo hiệu số 7 qua giao thức IP

STM

Synchronous Transfer Mode

Chế độ truyền tải đồng bộ

SVC

Switching Virtual Connection

Kết nối chuyển mạch ảo

TACS

Total Access Communication System

Hệ thống thơng tin thâm nhập tồn bộ

TDD

Time Division Duplex

Ghép song công phân chia theo thời gian

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TPC

Transmission Power Control

Giao thức điều khiển truyền dẫn

TTI

Transmission Time Interval

Thời gian phát truyền dẫn

UAP

Universal Access Point

Điểm truy cập toàn cầu

UE

User Equipment

Thiết bị di động của người dùng


vii

UMTS

Universal Mobile Telecommunication

Hệ thống viễn thơng di động tồn cầu

System
USIM

Universal Subscriber Identity Module

Module nhận dạng thuê bao toàn cầu

VHE

Virtual Home Environment

Môi trường định vị thường trú ảo

VLR

Visitor Location Register

Bộ ghi dịch tạm trú

VSF

Variable Spread Frequency

Trải sóng tuỳ biến

WAN

Wide Area Network

Mạng diện rộng

WAP

Wireless Access Protocol

Giao thức truy cập không dây

WCDMA

Wideband Code Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng

Access
WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng cục bộ không dây


viii

DANH SÁCH HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

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

Hình 2.1: Xu hướng cơng nghệ thơng tin khơng dây
Hình 2.2: Mơ hình mạng lõi tồn IP
Hình 2.3: u cầu về thiết bị đầu cuối 4G
Hình 2.4. Tính đa dạng về thiết bị đầu cuối 4G

Hình 3.1 : Mơ hình cấu trúc mạng 4G
Hình 3.2: Cấu hình hệ thống 4G
Hình 3.3: Liên lạc thơng qua các kết nối multi-hop
Hình 3.4: Truyền dẫn đường downlink trên cơ sở trải VSF-OFCDMA
Hình 3.5: Truyền dẫn uplink trên cơ sở MC-DS-CDMA với FD-MC_DS_CDMA
Hình 3.6: Mơi trường mạng khơng đồng nhất trên cơ sở tồn IP
Hình 3.7: Ngun lý OFDM
Hình 3.8: Cấu trúc mạng lõi 4G
Hình 3.9: Hệ thống phần mềm vơ tuyến lý tưởng


ix

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

Hình 4.1: Dịch vụ 4G
Hình 4.2: Khái niệm QoS và mối quan hệ QoS với chất lượng mạng
Hình 4.3: Mối liên hệ giữa các khái niệm QoS theo ETSI

Hình 4.4: Kiến trúc dịch vụ trong mạng di động thế hệ sau
Hình 4.5. Chất lượng dịch vụ QoS

Hình 5.1: Mơ hình phát triển lên 4G từ GSM
Hình 5.2: Cấu trúc mạng GSM-GPRS
Hình 5.3: Mạng lõi cơ sở IP
Hình 5.4: Mơ hình mạng 3.5G
Hình 5.5: Thay đổi ở RNC và Node B
Hình 5.6: Mơ hình cấu trúc mạng 4G
Bảng 3.1. Các thông số hệ thống cho đường downlink
Bảng 3.2. Các thông số hệ thống cho đường uplink của hãng NTT DOCOMO
Bảng 3.3. Tóm tắt những thách thức chính và đề xuất các giải pháp
Bảng 4.1: Các tham số QoS trong mạng 4G


-3-

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1. NHỮNG ĐẶC THÙ CỦA HỆ THƠNG TIN DI ĐỘNG.
Nói đến thơng tin di động là người ta nói đến việc liên lạc truyền thơng bằng
sóng điện từ. Như chúng ta biết, từ năm 1897, Guliemo Marconi đã thực hiện việc liên
lạc từ đất liền đến các con tầu trên biển bằng sóng điện từ, hay xa hơn là những tín hiệu
phức tạp khác như vơ tuyến truyền hình ra đời vào những năm 1930, vậy tại sao phải
chờ đến cuối thập kỷ 80 của thế kỷ XX thông tin di động mới thực sự phát triển và có
những bước tiến vượt bậc trong việc kết nối thế giới trong tầm tay, vào mọi lúc, mọi
nơi. Để hiểu được điều này ta giả thiết: mỗi một cuộc liên lạc giữa hai người cần một
đường truyền độc lập hay còn gọi là kênh vô tuyến. Mỗi kênh cần tối thiểu một dải
thông 3.103 Hz (đây là dải thơng ứng với tiếng nói, trên thực tế chúng ta cần dải thông
lớn hơn nhiều). Với dải thông từ 03Ghz (3.109 Hz) cho phép số người dùng là một
triệu người dùng cùng một lúc. Vậy làm thế nào để phục vụ hàng chục triệu thuê bao

trong khi tài ngun tần số vơ tuyến là có hạn? Giải pháp đặt ra ở đây là sử dụng lại tần
số. Điều đó có nghĩa một cuộc di động này có thể sử dụng lại tần số của một cuộc di
động khác với điều kiện hai cuộc di động phải ở cách xa nhau về mặt địa lý đủ lớn để
sóng truyền đến nhau nhỏ hơn sóng của hai người trong cuộc đàm thoại. Do vậy, để
thích hợp cho việc quản lý, người ta chia vùng phục vụ ra thành các ô nhỏ được gọi là
các ô tế bào. Hai cuộc liên lạc ở hai ô tế bào đủ xa nhau để có thể sử dụng cùng một tần
số sóng điện từ thơng qua việc quản lý tại một trạm trung tâm của tế bào [1].
Hệ quả tất yếu của giải pháp sử dụng lại tần số là:
 Chuyển giao.
 Đăng ký vị trí.
 Chống nhiễu cùng kênh và kênh lân cận.


-4-

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

1.2. TỔNG QUAN HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG QUÁ KHỨ, HIỆN TẠI VÀ
TƯƠNG LAI.
Lịch sử phát triển
1873: Phương trình Maxwells.
1886: Hertz chứng minh sự tồn tại của sóng vơ tuyến.
1895: Marconi phát minh điện báo vơ tuyến.
1900: Fessenden truyền tín hiệu thoại vô tuyến thành công:
Liên lạc vô tuyến giữa các tàu thuỷ và các trung tâm trên bờ

Liên lạc vô tuyến giữa máy bay và mặt đất.
1921: Hệ thống vô tuyến phục vụ cảnh sát đầu tiên, Detroit.
Các hệ thống điện thoại vô tuyến cá nhân đầu tiên ra đời.
1946: Hệ thống điện thoại vô tuyến công cộng đầu tiên, St. Louis.
Ra đời các điện thoại vô tuyến HF (Sử dụng băng tần: 2-22Mhz ).
1979: Ra đời mạng vô tuyến tổ ong AMPS
(AMPS là sự kết hợp của hệ thống AT&T tại Chicago và Motorola tại
Washington/Baltimore: chuẩn AMPS tương tự sử dụng dải tần 800Mhz)


-5-

1980: Tiêu chuẩn nhắn tin POCSAG.
1982: Dịch vụ INMARSAT.
1982: Các mạng vô tuyến tổ ong NMT450.
(NMT450: điện thoại di động Bắc Âu_phát triển hệ thống 450Mhz có cấu trúc ơ nhỏ)
1984: Các mạng vô tuyến tổ ong TACS (Hệ thống thơng tin thâm nhập tồn bộ)
1991: Các mạng vơ tuyến tổ ong GSM.
1992: Hệ thống điện thoại không dây DECT.
1995: Mạng CDMA đầu tiên.
1995: Mạng nhắn tin ERMES
1996: Mạng TETRA.
2001: Phát triển các tiêu chuẩn FPLMTS/IMT2000 and UMTS [2]
Nhìn lại q trình phát triển của các mạng truyền thơng di động, đầu tiên là các
hệ thống điện thoại tế bào analog ra đời ở Mỹ và Châu Âu (1G) dựa trên kỹ thuật tương
tự chỉ có khả năng truyền thoại, rồi đến những công nghệ liên quan đến kỹ thuật số
(2G và 3G) đã làm thay đổi căn bản trong lĩnh vực thơng tin di động, trong xử lý tín
hiệu số và ứng dụng dịch vụ.
Trong những năm đầu thập kỷ 80, hệ thống điện thoại tế bào tương tự đã được
phát triển nhanh chóng ở Châu Âu đặc biệt là Scandinavia và Anh, Pháp, Đức. Mặc dù

mỗi quốc gia này đều phát triển chuẩn cho riêng hệ thống của mình nhưng các chuẩn
này đều được tương thích với nhau về mặt thiết bị cũng như quá trình vận hành. Tuy
nhiên một tình huống khơng mong đợi đã xảy ra, đó là các thiết bị di động khơng chỉ bị
giới hạn vùng hoạt động trong vùng biên giới giữa các quốc gia mà nói cịn ảnh hưởng
đến thị trường tiêu thụ thiết bị cũng như tính thiếu kinh tế của thiết bị. Các quốc gia
Châu Âu đã sớm nhận ra điều này, vào năm 1982, Hội nghị Bưu chính viễn thông


-6-

Châu Âu (CEPT) đã thành lập nhóm nghiên cứu có tên gọi Groupe Spécial Mobile
(GSM) để nghiên cứu và phát triển hệ thông tin di động cố định mặt đất công cộng
giữa các vùng Châu Âu. Hệ thống này phải hội tụ được các đặc tính như sau:
 Chất lượng thoại tốt
 Chi phí cho thiết bị và sử dụng dịch vụ phải mang tính kinh tế
 Hỗ trợ chuyển vùng quốc tế (roaming)
 Có khả năng hỗ trợ các thiết bị cầm tay
 Sử dụng trải phổ hiệu quả
 Tương thích với mạng ISDN
Phát triển từ thế hệ thứ nhất 1G(các hệ thống analog), hệ thông tin di động thế hệ thứ
hai(2G) - hệ truyền thơng tồn cầu GSM với các tế bào số hoá cá nhân PDC (Personal
Digital Cellular), chuẩn tạm thời IS(Interim Standard) sử dụng kỹ thuật số cho luồng
định hướng tiếng nói đã là tâm điểm của cuộc cách mạng kỹ thuật số. Vào năm 1989,
Công nghệ GSM được chuyển giao cho Viện chuẩn viễn thông Châu Âu(ETSI). Các
dịch vụ mang tính thương mại mắt đầu được cung cấp vào giữa năm 1991, và vào năm
1993, 36 mạng GSM đã có mặt trên 22 quốc gia. Mặc dù được chuẩn hố tại Châu Âu,
nhưng GSM khơng còn là chuẩn riêng của Châu Âu. Hơn 200 mạng GSM (bao gồm cả
DCS1800 và PCS1900) đã được ứng dụng tại 100 quốc gia trên toàn thế giới. Vào đầu
năm 1994, mạng GSM có 1.3 triệu th bao trên tồn thế giới và con số này đến năm
1997 là 55 triệu thuê bao. Ngày nay GSM đã trở thành thuật ngữ chung cho hệ thơng

tin di động tồn cầu (Global System for Mobile Communication).
Từ khi hệ GSM thành công trong việc chuẩn hóa từ Châu Âu sang tồn cầu, nó
trở thành hệ thống truyền thơng di động tồn cầu. Việc nâng cấp hệ thống GSM (2G)
qua GPRS và EDGE (EGPRS) cũng như WAP và imode (2.5G) cho phép tốc độ truyền
dữ liệu cũng như tốc độ truyền thoại được cải thiện trước khi có 3G. GSM được thiết


-7-

kế cho các dịch vụ thoại số hay cho dữ liệu truyền dưới dạng bit tốc độ thấp phù hợp
với kênh thoại là 9.6Kbps.
Để có thể đáp ứng được các nhu cầu về sử dụng dịch vụ Internet ngày càng cao
của người dùng và cũng là một bước đệm cho 3G, các mạng thông tin di động hiện nay
đã phát triển cơng nghệ, đưa dịch vụ vơ tuyến gói chung GPRS 2.5G (General Packet
Radio Services) đến với khách hàng. Hệ thống này được ra đời và được nâng cấp dựa
trên hệ thống GSM có sẵn để truyền thơng gói IP với tốc độ truyền khoảng 171Kbps,
nhưng trên thực tế tốc độ chỉ đạt khoảng 100Kbps do một phần dung lượng được dùng
cho việc hiệu chỉnh lỗi trên đường truyền vô tuyến. Với cơng nghệ này, người dùng có
thể truy cập Internet từ điện thoại di động có tính năng WAP (Wireless Access
Protocol) để gửi tin nhắn hình ảnh và âm thanh; chia sẻ các kênh truyền số liệu tốc độ
cao và ứng dụng truyền thông đa phương tiện, thương mại điện tử…Đây là một cơng
nghệ chuyển mạch gói được phát triển trên nền tảng của GSM sử dụng đa truy cập
phân chia theo thời gian (TDMA). Với các chức năng được tăng cường, GPRS làm
giảm giá thành, tăng khả năng thâm nhập các dịch vụ số liệu cho người dùng. Với sự
phát triển của các ứng dụng GPRS cho phép các nhà khai thác đa dạng hoá các dịch vụ
của mình. Các dịch vụ mới sẽ làm tăng dung lượng đường truyền trên các tài nguyên
vô tuyến và các hệ thống cơ sở. Để cung cấp các dịch vụ mới cho người sử dụng điện
thoại, GPRS là một bước quan trọng để hội nhập tới các mạng thông tin thế hệ ba.
GPRS cho phép các nhà khai thác triển khai dịch vụ trên nền của cấu trúc mạng lõi
toàn IP cho các ứng dụng số liệu và các dịch vụ 3G với ứng dụng chủ yếu truyền số

liệu và thoại tích hợp.
Liên minh viễn thơng quốc tế ITU bắt đầu phát triển các tiêu chuẩn cho hệ
thông tin di động 3G vào những năm cuối của thập niên 90. Thế hệ thứ ba này được
chuẩn hoá vào năm 1999 bao gồm chuẩn ETSI của Châu Âu, UMTS, CDMA2000 từ
Mỹ và WCDMA của Nhật Bản. Những hệ thống này mở rộng các dịch vụ đa phương


-8-

tiện chất lượng cao nhiều tốc độ và hội tụ các mạng thành phần cố định, tế bào và vệ
tinh. Hệ thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) được thiết kế để hoạt động tại băng tần
cao hơn, hỗ trợ cho cả hai dịch vụ thoại truyền thống và truyền dữ liệu multimedia như
audio và video. Tốc độ download của hệ 3G là 128Kbps khi sử dụng trong ô tô,
384Kbps khi thiết bị đứng yên hoặc chuyển động với vị trí cố định và khi truyền trong
mơi trường picocell tốc độ của nó có thể lên tới 2Mbps. Các ứng dụng 3G thơng dụng
gồm hội nghị truyền hình di động, chụp và gửi ảnh kỹ thuật số nhờ các điện thoại máy
ảnh, gửi nhận email, file đính kèm dung lượng lớn, tải tệp tin video và MP3, nhắn tin
dạng chữ chất lượng cao. Các thiết bị hỗ trợ 3G cho phép chúng ta download và xem
phim từ các chương trình TV, kiểm tra tài khoản ngân hàng, thanh toán hoá đơn điện
thoại qua mạng, nhận và gửi các bưu thiếp kỹ thuật số. Hơn nữa, chúng ta còn được
thưởng thức video giàu đồ hoạ, âm thanh vòm lập thể (surrounding sound) chất lượng
cao, game ba chiều mới mẻ (3D), giàu tính năng multimedia của thẻ modem vơ tuyến,
hay PDA hợp thời trang.
Trong khi 2G hoạt động trong các băng tần 900 và 1800/1900Mhz, 3G hoạt
động trong băng tần 2Ghz và hệ thống mới này có nhiệm vụ chuyển giao những dịch
vụ đa phương tiện với dung lượng lớn hơn. Hệ 3G và 2G sẽ tiếp tục tồn tại trong một
thời gian với sự tối ưu hố dự phịng các dịch vụ giữa chúng. Nhiều dạng chuyển giao
bằng vệ tinh khác nhau được sử dụng để cải thiện phạm vi phủ sóng tại thành thị, ngoại
ơ, và vùng nơng thôn. Năm 2004, điểm mốc đáng nhớ cho công nghệ 3G, công nghệ
3G đã tác động rất lớn đến đời sống hàng ngày của con người, mọi lúc, mọi nơi và hầu

như mọi việc được thực hiện trên điện thoại di động. Một điều quan trọng là khi công
nghệ ngày càng hội tụ và các tiêu chuẩn tương thích với nhau, người tiêu dùng khơng
cịn quan tâm đến mạng sử dụng là GSM hay CDMA nữa mà họ chỉ quan tâm đến việc
máy di động của họ có thể hoạt động ở bất cứ nơi đâu họ đến. Nếu chúng ta nhìn xa
hơn nữa, ứng dụng giải trí sẽ là yếu tố kích thích lớn trong tăng trưởng 3G. Các thống
kê do nhà khai thác DoCoMo (Nhật Bản) đưa ra cho thấy 88% tỉ lệ gói đến từ truy cập


-9-

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

1995

2000

2005

2010+

4G
High

speed
Medium
speed

Low
speed

3G+

3G
IMT2000
2G
digital
1G
analog
AMPS
ETACS
JTACS
NMT

~14.4Kbps

CDMA2000 EV-DO/DV
WCDMA/HSDPA

CDMA/GSM/TDMA

2.4GHz
WLAN

144Kbps

High speed
WLAN
5GHz
WLAN
802.11b
PAN

802.11a/S

WPAN

RFID
ZigBee
MAIIet

WiMax

Bluetooth

384Kbps

<50Mbps

Hình 1.1: Lộ trình hệ thơng tin di động

1.3. GIỚI THIỆU HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G.

<100Mbps

Data
rates


- 10 -

Hệ 4G là một khái niệm được xây dựng trên cơ sở mạng của các mạng, hệ thống
của các hệ thống tích hợp trên nền IP. Hệ 4G là sự hội tụ của cả mạng có dây và khơng
dây cũng như sự tích hợp giữa máy tính, thiết bị điện tử và các cơng nghệ viễn thơng.
Sự tích hợp này đã cho phép tốc độ truyền tải dữ liệu lên tới 100Mbps và thậm chí lên
tới 1Gbps tuỳ thuộc môi trường truyền dẫn là indoor hay outdoor với chất lượng QoS
end-to-end và độ bảo mật cao. Hệ 4G có khả năng cung cấp dịch vụ ở mọi nơi mọi lúc
với chi phí hợp lý và sự tiện lợi trong q trình tính cước.[3]
Hệ thơng tin di động thế hệ 3G được chuẩn hoá theo IMT-2000, bắt đầu đưa vào
ứng dụng tại Nhật Bản từ tháng 10/2001. Nó đã cho chúng ta thấy sự đa dạng về các
dịch vụ truyền thông đa phương tiện. Điều này cũng cho thấy rằng thơng tin di động
đóng vai trị quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta và nó sẽ còn mở rộng
phạm vi như một bước tiến để cải thiện cuộc sống. Theo các nhà phân tích, mạng 4G sẽ
được triển khai vào khoảng năm 2010, mạng này có thể hỗ trợ chuyển vùng tồn cầu
(roaming) thơng qua nhiều mạng di động và mạng khơng dây. Với đặc tính này, người
dùng có thể truy nhập vào nhiều dịch vụ khác nhau, phạm vi vùng phủ sóng rộng hơn,
một thiết bị ứng dụng cho nhiều tiện ích, chi phí thấp, độ tin cậy truy cập không dây
cao ngay cả khi có sự cố của một hay nhiều mạng. Các mạng 4G có khả năng cùng
hoạt động trên nền IP cho truy nhập Internet di động thông suốt và tốc độ truyền lên tới
50Mbps.
So với mạng di động thế hệ ba, 4G có nhiều ưu thế hơn hẳn: dung lượng được
mở rộng, các mạng 4G hồn tồn là chuyển mạch gói, các phần tử mạng số hoá, tốc độ
truyền tải dữ liệu cao hơn, cung cấp các dịch vụ truyền thông đa phương tiện với chi
phí thấp.

Các yêu cầu được đặt ra cho hệ thống:
 Truyền thông dải rộng


- 11 -

Cho đến tận bây giờ phần lớn lưu lượng truyền tải trên hệ thống thông tin di động là
các tín hiệu thoại. Hệ thơng tin di động thế hệ hai (2G), hệ thống tế bào số cá nhân
(PDC), giới thiệu các dịch vụ thương mại điện tử, thư tín điện tử email. Hệ thống IMT2000 cung cấp các giải pháp về truyền dẫn dữ liệu tại tốc độ cao từ 64Kbps đến
384Kbps. Hơn thế nữa, việc tăng tính khả dụng của các dịch vụ băng rộng như ADSL,
hệ thống truy cập cáp quang qua các mạng LAN văn phịng và mạng LAN gia đình có
thể sẽ dẫn đến các yêu cầu về tính tương thích dịch vụ trong các mơi trường truyền
thơng di động.
 Chi phí giá thành thấp.
Khi các dịch vụ băng rộng được đưa vào ứng dụng, người dùng có thể trao đổi được rất
nhiều loại hình thơng tin, lúc này là các nhà cung cấp dịch vụ cần phải giảm giá một
cách đáng kể để mức giá thấp hơn hay ít nhất cũng phải bằng mức tính cước của dịch
vụ hiện thời. Hệ thống chuẩn IMT-2000 đặt ra mục tiêu giảm giá cước và tăng tốc độ
truyền một cách hiệu quả. Bên cạnh đó, hệ thông tin di động 4G đã đưa ra một giải
pháp kênh truyền thơng dải rộng với mức chi phí thấp.
 Vùng dịch vụ rộng.
Một trong những đặc tính cơ bản nhất của thơng tin di động là chúng ta có thể trao đổi
thông tin mọi lúc và mọi nơi. Đây là một vấn đề rất quan trọng được đặt ra khi thiết kế
hệ thống. Với một hệ thống khi bắt đầu ra mắt, điều khó khăn là diện tích vùng phủ
sóng được mở rộng như thế nào trên vùng phủ sóng có sẵn, chính vì khách hàng sẽ
khơng bao giờ bỏ tiền ra mua một thiết bị liên lạc mới nếu họ bị giới hạn về vùng dịch
vụ. Hơn thế nữa, các thiết bị đầu cuối được cung cấp cần phải có màn hình hiển thị lớn
ví dụ như PDA và các máy tính cá nhân hỗ trợ khơng dây, đặc biệt là các thiết bị tương
thích với các dịch vụ tiên tiến. Thường thì các thiết bị này được sử dụng trong gia đình,
chúng ta cần cung cấp các vùng dịch vụ đủ lớn và tính năng đầy đủ hơn.

 Dịch vụ đa dạng


- 12 -

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

Hạtầng
tầngdịch
dịchvụ
vụmới
mới
Hạ
Bắt đầu dịch vụ mới dựa trên
những khả năng mới

Triểnkhai
khainhanh
nhanhcác
cácdịch
dịchvụ
vụmới
mới
- - Triển
Dễdàng
dàngtriển
triểnkhai
khaicác
cácdịch
dịchvụ
vụmới
mới
- - Dễ
Kếtnối
nốivà
vàchuyển
chuyểngiao
giaolinh
linhhoạt
hoạtgiữa
giữanhiều
Kết
nhiều
hệtruy
thống
truy nhập

hệ
thống
nhập

Các dịch vụ cao cấp nhờ nâng cao
phẩm chất và tính năng mạng
Tốc độ truyền dẫn: 384 Kbps
Dung lượng hệ thống
Chi phí

 100Mbps (tốc độ cao nhất của môi
trường di động); 1Gbps (tốc độ tối đa
trong môi trường indoor)
 gấp 10 lần hệ thống 3G
 1/101/100 per bit
 All IP

Hệ thống trạm gốc

 50ms hoặc nhỏ hơn


- 13 -

Hình 1.2. Các yêu cầu khi sang hệ thống 4G
Các nhà cung cấp dịch vụ đã và đang nghiên cứu phát triển công nghệ mạng
không dây 4G để thiết lập một chuẩn 4G toàn cầu theo định hướng của ITU. Hãng
NTT Docomo đã trình diễn khả năng truyền dữ liệu của điện thoại di động với tốc độ
kỷ lục. Trong thí nghiệm ơtơ chạy với tốc độ 20km/h, các mẫu điện thoại sử dụng để
xem 32 luồng video với độ nét cao. Đại diện NTT Docomo cho biết, điện thoại có thể

nhận dữ liệu với tốc độ 100Mbps khi đang chuyển động và lên tới 1Gbps khi ở trạng
thái tĩnh. Với tốc độ này, một DVD có thể được tải về chỉ trong một phút. Công nghệ
mạng di động tốc độ cao của NTT Docomo vẫn còn đang được thử nghiệm, các cuộc
thí nghiệm điện thoại thế hệ 4G sử dụng phương thức trải sóng tuỳ biến VSF-Spread
OFDM đã cho thấy tăng tốc độ tải về bằng cách sử dụng sóng đa tần để gửi cùng một
luồng dữ liệu. Một cách thức thực hiện khác đối với mạng di động là các kết hợp nhiều
đầu vào và nhiều đầu ra sử dụng kỹ thuật MIMO. Kỹ thuật này được sử dụng để gửi dữ
liệu qua một số tuyến trên mạng, nhằm tăng dung lượng dữ liệu được truyền tải trên
mạng. Với kỹ thuật MIMO điện thoại di động có thể nhận dữ liệu từ nhiều trạm trong
tầm liên lạc.

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


- 14 -

CHƯƠNG 2.

YÊU CẦU HẠ TẦNG VIỄN THÔNG VÀ XU
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

2.1. YÊU CẦU HẠ TẦNG VIỄN THÔNG
Như chúng ta đã biết, mạng hiện thời chủ yếu là phục vụ thoại, với sự phát triển

nhanh chóng của các dịch vụ số liệu, các nhu cầu về dịch vụ phi thoại như Internet,
truyền số liệu, thương mại điện tử ngày càng gia tăng. Thông tin di động thế hệ thứ hai
GSM mặc dù đã sử dụng công nghệ số nhưng vì là hệ thống băng hẹp và được xây
dựng trên cơ sở chuyển mạch kênh nên không đáp ứng được các yêu cầu này. Trong
bối cảnh đó ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hoá hệ thống thông tin di động thế hệ ba
với tên gọi IMT-2000. Hệ thông tin di động thế hệ ba cung cấp các dịch vụ viễn thông
bao gồm: truyền thông thoại, truyền số liệu tốc độ bit thấp, truyền thông đa phương
tiện, video cho người dùng làm việc ở vùng công sở, vùng dân cư, trong các phương
tiện vận tải….
Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin di động thì
việc chuyển sang hệ thơng tin di động thứ tư trong vài thập kỷ tới là điều hoàn tồn có
thể. Hệ thống thơng tin di động tập trung vào việc tích hợp các hệ thống hiện tại như
GSM, WLAN, Bluetooth. Khác hẳn với 3G chỉ tập trung vào phát triển các chuẩn mới
và phần cứng, 4G sẽ tập trung vào các dịch vụ thơng minh mang tính chất cá nhân,
cung cấp các hệ thống hoạt động ổn định và dịch vụ chất lượng cao. Mục tiêu chính ở
đây là truyền tải toàn bộ lưu lượng một cách hiệu quả trên kỹ thuật chuyển mạch gói
(kể cả các dịch vụ đang thực hiện trên nền chuyển mạch kênh như thoại). Xu hướng
chính là phát triển các cơng nghệ băng rộng, tích hợp các cơng nghệ khác nhau: cố
định/di động, Internet, multimedia, chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Mạng lõi
sử dụng chuyển mạch gói: ATM, IP hoặc kết hợp IP và ATM.