NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G Nội dung của đồ án gồm các nội dung sau : Tổng quan về mạng 4G Mô hình cấu trúc mạng 4G Dịch vụ và chất lượng dịch vụ trong mạng 4G Kết luận Trong những năm gần đây, thông tin di động đã đạt được những thành tựu vượt bậc. Thông tin di động cho phép người sử dụng đàm thoại ở mọi lúc, mọi nơi trong vùng phủ sóng, kể cả khi đang di chuyển. Ngoài ra, thông tin di động còn đáp ứng nhiều dịch vụ tiện ích khác như: nhắn tin, truyền số liệu, truyền thông đa phương tiện, xác định vị trí người sử dụng,... mà các dịch vụ khác không thực hiện được. Do vậy, nhu cầu về thông tin di động ngày một tăng lên và trong tương lai không xa đây sẽ là hình thức thông tin vạn năng và được ứng dụng sâu rộng vào cuộc sống, và sẽ có thể thay đổi lối sống của con người.

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Vũ Tuấn Long – D08VT3 i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iii DANH MỤC HÌNH VẼ vi DANH MỤC BẢNG BIỂU vii LỜI GIỚI THIỆU viii CHƯƠNG 1. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ VÀ DỊCH VỤ CỦA CÁC MẠNG DI ĐỘNG viii 1.1. Lịch sử phát triển của các hệ thống thông tin di động 1 1.1.1. Giới thiệu chung 1 1.1.2. Xu thế phát triển các dịch vụ mạng di động 3 1.2. Giới thiệu hệ thống thông tin di động 3G 5 1.2.1. Kiến trúc chung của một hệ thống thông tin di động 5 1.2.2. Các dịch vụ mạng 3G cung cấp 6 1.3. Giới thiệu hệ thống thông tin di động 4G 7 1.4. Các ứng dụng và dịch vụ trong mạng 4G 12 1.5. Tổng kết các thế hệ thông tin di động 17 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH CẤU TRÚC MẠNG VÀ CÁC CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG MẠNG 4G 20 2.1. Các yêu cầu về kiến trúc mạng mới 20 2.2. Mô hình mạng 4G 24 2.2.1. Ưu nhược điểm của cấu trúc mạng 3G và 3.5G 24 2.2.2. Mô hình mạng thông tin di động 4G 26 2.3. Chức năng các phần tử trong mô hình 28 2.3.1. Các phần tử lớp truy nhập vô tuyến 28 2.3.2. Lớp mạng lõi 32 2.3.3. Lớp chức năng 33 2.3.4. Lớp dịch vụ 35 2.4. Công nghệ trên IP và IP di động 36 2.5. Các công nghệ của hệ thống di động 4G 37 2.5.1. WIMAX 37 2.5.2. Công nghệ LTE 39 2.5.3. So sánh công nghệ LTE và WiMAX 42 CHƯƠNG 3. DỊCH VỤ VÀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG 4G 45 3.1. Dịch vụ trong mạng 4G 45 Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Vũ Tuấn Long – D08VT3 ii 3.1.1. Các loại dịch vụ cung cấp 45 3.1.2. Một số dịch vụ điển hình cho 4G 46 3.1.3. Các yêu cầu về dịch vụ trên mạng di động 4G cần tuân theo các đặc tính sau………………. 48 3.1.4. Xu hướng dịch vụ trong mạng 4G 49 3.2. Chất lượng dịch vụ trong mạng 4G 50 3.2.1. Khái niệm QoS 50 3.2.2. Kiến trúc QoS 53 3.2.3. Các tham số QoS trong mạng 4G 55 3.2.4. Thách thức về chất lượng dịch vụ trong mạng di động 4G 57 3.2.5. Bảo mật dịch vụ 57 KẾT LUẬN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục từ viết tắt Vũ Tuấn Long – D08VT3 iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AMC Adaptation and Modulation Coding Điều chế và mã hóa thích ứng AS Autonomous System Hệ thống tự trị ATM Asynchronous Transfer Mode Giao thức mạng chuyển mạch gói AUC Authentication Centre Trung tâm nhận thực BGP Border Gateway Protocol Định tuyến một hệ thống mạng BSC Base Station Controller: Bộ điều khiển trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc CIDR Classless Interdomain Routing Tuyến liên vùng không phân lớp CN Core Network Mạng lõi CS Circuit Switch Chuyển mạch kênh CSCF Call Session Control Function Điều khiển trạng thái phiên cuộc gọi DCH Synchronous Digital Hierarchy Hệ thống phân cấp số đồng bộ FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số GSM Global System for Mobile Communication hệ thống thông tin di động toàn cầu HSDPA High Speed Downlink Packet Access Tải xuống tốc độ cao HSS Home Subcriber Server Cơ sở dữ liệu chính của hệ thống HSUPA High Speed Uplink Packet Access Tải lên tốc độ cao ISDN Integrated Services Digital Network Mạng đa dịch vụ số LAN Local Area Network Mạng cục bộ LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài MGCF Media Gateway Control Function Điều khiển thiết lập kết nối giữa mạng chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh MGW Multimedia Gateway Cổng đa phương tiện MIMO Multiple-Input and Multiple- Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục từ viết tắt Vũ Tuấn Long – D08VT3 iv MIP Mobile IP Mobile IP MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MRCF Multimedia Resource Control Function Điều khiển tài nguyên đa phương tiện MRFP Multimedia Resource Function Process Cung cấp tài nguyên được yêu cầu NAT Network Address Translator Bộ phiên dịch địa chỉ mạng NAT OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing ghép kênh phân chia theo tần số trực giao PDA Personal Digital Assistant thiết bị số hỗ trợ cá nhân PLMN Public Land Mobile Network Mang di động công cộng mặt đất PS Packet Switch Chuyển mạch gói PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng RAC Radio Access Controller Bộ diều khiển truy nhập RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RAP Radio Access Point Điểm truy nhập vô tuyến RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển tram gốc RRM Radio Resources Management Quản lý tài nguyên vô tuyến RTP Real Time Transport Protocol Giao thức truyền tải thông tin thời gian thực SC-FDMA Single Carrier - Frequency Division Multiple Access Quản lí phân vùng đa tần số sóng mang SDR Software Defined Radio Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SEG Security Gateway Gateway an ninh SGSN Serving GPRS Support Node Note hỗ trợ dịch vụ trong mạng GPRS SGW Signalling gateway Gateway báo hiệu SMS Short Message Service Dịch vụ bản tin ngắn TDMA Time Đivision Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian UAP Short Message Servive Dịch vụ nhắn tin Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục từ viết tắt Vũ Tuấn Long – D08VT3 v WBA Universal Access Point Điểm truy cập chung WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy cập phân mã băng rộng Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ Vũ Tuấn Long – D08VT3 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các thế hệ mạng di động 1 Hình 1.2: Sự khởi đầu điện toán máy-đến-máy 5 Hình 1.3 Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS 5 Hình 1.4 Các thế hệ di động 7 Hình 1.5 Lộ trình hiệu năng do Alcatel thử nghiệm 12 Hình 1.6 Các dịch vụ và ứng dụng trong 4G 15 Hình 1.7 Mô hình các dịch vụ trong mạng 19 Hình 2.1 Sự phát triển của các mạng khác nhau dẫn đến 4G 20 Hình 2.2 Sự kết hợp các mạng khác nhau 21 Hình 2.3 Người dùng ở các mạng khác nhau có thể truy nhập vào hệ thống 22 Hình 2.4 Tính di động của mạng 23 Hình 2.5 Tốc độ truyền dữ liệu trong mạng 4G 24 Hình 2.6 Mô hình cấu trúc mạng 4G 27 Hình 2.7 Nguyên lý OFDM 31 Hình 2.8 Lộ trình phát triển của LTE và các công nghệ khác 43 Hình 3.1 Khái niệm QoS và mối quan hệ QoS với chất lượng mạng 51 Hình 3.2 Mối liên hệ giữa các khái niệm QoS theo ETSI 53 Hình 3.3 Kiến trúc dịch vụ trong mạng di động thế hệ sau 55 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục bảng biểu Vũ Tuấn Long – D08VT3 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Bảng so sánh tham số công nghệ cơ bản của các hệ thống di động Bảng 1.2: Trình bày một số nét chính của các công nghệ thông tin di động từ 1G đến 4G Bảng 3.1: Các tham số QoS của mạng 4G Đồ án tốt nghiệp đại học Lời giới thiệu Vũ Tuấn Long – D08VT3 viii LỜI GIỚI THIỆU Trong những năm gần đây, thông tin di động đã đạt được những thành tựu vượt bậc. Thông tin di động cho phép người sử dụng đàm thoại ở mọi lúc, mọi nơi trong vùng phủ sóng, kể cả khi đang di chuyển. Ngoài ra, thông tin di động còn đáp ứng nhiều dịch vụ tiện ích khác như: nhắn tin, truyền số liệu, truyền thông đa phương tiện, xác định vị trí người sử dụng, mà các dịch vụ khác không thực hiện được. Do vậy, nhu cầu về thông tin di động ngày một tăng lên và trong tương lai không xa đây sẽ là hình thức thông tin vạn năng và được ứng dụng sâu rộng vào cuộc sống, và sẽ có thể thay đổi lối sống của con người. Cho tới nay thông tin di động trên thế giới đã trải qua ba thế hệ. Thế hệ thứ nhất sử dụng công nghệ tương tự từ những năm 70 và đến giữa những năm 80 hệ thống thông tin di động thứ hai đã ra đời và phát triển rất mạnh mẽ. Những năm đầu thế kỷ 21 hệ thống thông tin di động thứ ba (3G) đã được triển khai và ứng dụng rộng rãi phục vụ đời sống của con người. Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động 3G đã được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ Saigon Postel, Hà Nội Telecom, EVN Telecom và đưa vào khai thác vào năm 2006. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) đã được các hãng viễn thông lớn trên thế giới, Hiệp hội viễn thông quốc tế -ITU, diễn đàn Mobile IT (mITF- Mobile IT Forum) nghiên cứu và chuẩn hóa. Sự xuất hiện của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư có thể tạo ra sự bùng nổ trong ngành công nghiệp thông tin di động nói riêng và ngành công nghiệp Viễn thông nói chung. Với mục đích đó đề tài nghiên cứu của tôi dược chia làm 3 chương: Chương 1: Xu hướng phát triển công nghệ và dịch vụ của các mạng di động. Chương 2: Mô hình cấu trúc mạng và các công nghệ sử dụng trong mạng 4G. Chương 3: Dịch vụ và chất lượng dịch vụ trong mạng 4G. Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi sai sót, em rất mong sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và sự góp ý của các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn. Hà Nội, ngày 5 tháng 12 năm 2011. Người thực hiện Vũ Tuấn Long Đồ án tốt nghiệp đại học Lời cảm ơn Vũ Tuấn Long – D08VT3 1 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn Thầy Vũ Văn Thỏa, người trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ em trong quá trình làm đồ án. Em cũng muốn nói lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo, Ban Giám đốc Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập. Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn đến bố mẹ, anh, chị em cùng tất cả những người thân và bạn bè, những người đã dành cho em những gì tốt đẹp nhất trong suốt quá trình học tập để em có được đến hôm nay. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 5 tháng 12 năm 2011 Người thực hiện Vũ Tuấn Long Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1- Xu hướng phát triển Vũ Tuấn Long – D08VT3 1 CHƯƠNG 1. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ VÀ DỊCH VỤ CỦA CÁC MẠNG DI ĐỘNG 1.1. Lịch sử phát triển của các hệ thống thông tin di động 1.1.1. Giới thiệu chung Lịch sử ra đời và sự phát triển của dịch vụ di động từ thế hệ đầu tiên 1G tới thế hệ sau này trải qua nhiều giai đoạn khác nhau. Hình 1.1 là bức tranh tổng thể về các thế hệ mạng di động, công nghệ truyền tải và các loại ứng dụng hiện có. Hình 1.1: Các thế hệ mạng di động Một cách tổng quan ta thấy: 1G: Các dịch vụ điện thoại di động cơ bản. 2G: Các dịch vụ điện thoại di động cho nhiều đối tượng sử dụng, có tăng cường khả năng bảo mật thông tin và nâng cao việc sử dụng hiệu quả phổ tần số. 2.5G: Các dịch vụ điện thoại và Internet. 3G: Các dịch vụ 2.5G tăng cường, bổ sung thêm chuyển vùng toàn cầu và một số ứng dụng nổi trội mới. Quá trình bắt đầu với các thiết kế đầu tiên được biết đến như là 1G trong những năm 70 của thế kỷ trước. Các hệ thống ra đời sớm nhất được thực hiện dựa trên công nghệ tương tự và cấu trúc tế bào cơ bản của thông tin di động. Nhiều vấn đề có tính nguyên tắc cơ bản đã được giải quyết trong những hệ thống này. Và có nhiều các hệ thống không tương thích đã được đưa ra cung cấp dịch vụ trong những năm 80. Các hệ thống thế hệ thứ 2 (2G) được xây dựng trong những năm 80 vẫn được sử dụng chủ yếu cho thoại nhưng đã được thực hiện trên cơ sở công nghệ số, bao gồm các kỹ thuật xử lý tín hiệu số. Các hệ thống 2G này cung cấp các dịch vụ thông tin dữ liệu chuyển mạch kênh ở tốc độ thấp. Tính cạnh tranh lại một lần nữa dẫn tới việc thiết kế và thực hiện các hệ thống bị phân hoá thành các chuẩn khác nhau không tương [...]... bị di động như điện thoại, PDA hoặc máy tính xách tay Trên cùng một mạng lưới với 2G, thế hệ 2.5G đã đưa internet vào thế giới thông tin di động cá nhân Đây thực sự đã là một khái niệm mang tính cách mạng cho hệ thống viễn thông lai ghép hybrid Trong thập kỷ 90, các nhà nghiên cứu đã định nghĩa ra hệ thống di động thế hệ kế tiếp, thế hệ thứ 3, đã loại trừ được những sự không tương thích của các hệ thống. .. tuyến tế bào băng thông rộng, đã và đang là mối quan tâm lớn của lĩnh vực thông tin di động 4G không chỉ hỗ trợ cho các dịch vụ thông tin di động thế hệ tiếp theo mà còn hỗ trợ cho cả các mạng vô tuyến cố định Chúng ta xem xét trên cơ sở cái nhìn tổng quan về các đặc trưng của 4G, cách tổ chức và tích hợp hệ thống di động Đặc trưng của 4G có thể cô đọng lại bằng từ “tích hợp” Các hệ thống 4G là một sự tích... trực tiếp với mạng 2.5G và 3G, bao gồm nhiều ứng dụng mới như: hệ thống chống trộm, bám mục tiêu, điều khiển và đo đạc từ xa…Một số ứng dụng dịch vụ được mô tả trên Hình 1.2 Hình 1.2: Sự khởi đầu điện toán máy-đến-máy 1.2 Giới thiệu hệ thống thông tin di động 3G 1.2.1 Kiến trúc chung của một hệ thống thông tin di động Mạng thông tin di động (TTDĐ) 3G lúc đầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển... mạng về công nghệ di n ra trong 1 thập kỷ thì thời điểm hiện tại chính là thời điểm thích hợp để nghiên cứu và triển khai hệ thống thông tin di động 4G Hiện nay tốc độ dữ liệu di động thế hệ 3 là tối đa 384 Kbps download, điển hình là xấp xỉ 200 Kbps, và upload đạt 64 Kbps từ năm 2001 Thông tin di động thế hệ 4 sẽ có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn, dự kiến có thể đạt tới 20 Mbps Vũ Tuấn Long – D08VT3... thế hệ di động Tuy nhiên đòi hỏi của viễn thông đa phương tiện truy nhập tốc độ cao đối với xã hội ngày nay, phụ thuộc rất lớn vào công nghệ thông tin số Theo các con số lịch sử Vũ Tuấn Long – D08VT3 7 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1- Xu hướng phát triển của cuộc cách mạng về công nghệ di n ra trong 1 thập kỷ thì thời điểm hiện tại chính là thời điểm thích hợp để nghiên cứu hệ thống thông tin di động. .. băng thông và QoS khác nhau  Giới hạn phổ và phân bố phổ  Khó roaming qua các môi trường dịch vụ khác nhau ở các băng tần khác nhau  Thiếu cơ chế vận chuyển liên tục từ đầu cuối đến đầu cuối để liên kết mở rộng một mạng di động nhỏ với một mạng cố định nhỏ khác Trong các lĩnh vực thông tin di động, dịch vụ di động 4G là sự phát triển của các dịch vụ thông tin di động 3G Các dịch vụ di động 4G được... có khả năng xác định các số liệu thống kê khác 1.5 Tổng kết các thế hệ thông tin di động Thế hệ thông tin di động Hệ thống Dịch vụ chung Chú thích FDMA, tương tự Thế hệ 1 (1G) AMPS, TACS, NMT Thoại Thế hệ 2 (2G) GSM, IS-136, IS95 Chủ yếu cho thoại TDMA hoặc CDMA, kết hợp với dịch công nghệ số, băng vụ bản tin ngắn hẹp (8-13 Kbps) Thế hệ 2+ (2.5G) GPRS, EDGE, cdma2000 1x Chủ yếu vẫn là thoại, dịch vụ... thông tin di động thế hệ 4 (4G) để giải quyết các vấn đề tồn tại trong hệ thống di động thế hệ 3 (3G) Đó là việc cung cấp các loại hình dịch vụ ngày càng đa dạng hơn, từ tín hiệu thoại chất lượng cao sang tín hiệu video độ phân giải cao, các kênh vô tuyến có tốc độ dữ liệu cao Khái niệm 4G được sử dụng rộng rãi không chỉ có các hệ thống điện thoại tế bào mà còn bao gồm các kiểu hệ thống viễn thông. .. băng thông dịch vụ,… Mạng 4G yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu cao, độ trễ nhỏ, dịch vụ thời gian thực, chất lượng cao d Đảm bảo tính an toàn, bảo mật thông tin Đây là yêu cầu quan trọng hàng đầu của hệ thống Hệ thống thông tin càng phát triển, càng có nhiều người dùng ở các mạng khác nhau cùng truy nhập vào hệ thống thì thông tin bí mật của người dùng càng không đảm bảo an toàn Tính an toàn của hệ thống. .. của cấu trúc mạng 3G và 3.5G a) Mạng thông tin di động thế hệ ba WCDMA Mạng thông tin di động thế hệ ba ra đời đã khắc phục được các nhược điểm của các mạng thông tin di động thế hệ trước đó Với việc cấu trúc mạng dùng giao thức IP kết hợp với công nghệ ATM, cùng với việc hỗ trợ tốc độ lên tới 2Mbps, mạng thông tin di động thế hệ ba WCDMA có thể hỗ trợ người dùng các dịch vụ như: hội nghị truyền hình, . Giới thiệu hệ thống thông tin di động 4G Việc nghiên cứu chuyển hướng sang các hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G) để giải quyết các vấn đề tồn tại trong hệ thống di động thế hệ 3 (3G) Giới thiệu hệ thống thông tin di động 3G 5 1.2.1. Kiến trúc chung của một hệ thống thông tin di động 5 1.2.2. Các dịch vụ mạng 3G cung cấp 6 1.3. Giới thiệu hệ thống thông tin di động 4G 7 1.4 hệ thống 4G là hệ thống truy nhập vô tuyến tế bào băng thông rộng, đã và đang là mối quan tâm lớn của lĩnh vực thông tin di động. 4G không chỉ hỗ trợ cho các dịch vụ thông tin di động thế hệ