Báo cáo bài tập lớn môn vật lý Đại cương 2 Đề tài các thế hệ 1g, 2g, 3g, 4g và 5g

Sử dụng công nghệ truyền tải CDMA Code Division Multiple Access và WCDMA Wideband Code Division Multiple Access để tăng cường tốc độ truyền dữ liệu lên tới 384 Kbps – 2 Mbps, Nó cho phép

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Môn: VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2

1G, 2G, 3G, 4G VÀ 5G

Giảng viên: TS Đậu Sỹ Hiếu

Lớp: P02 Khoa: Điện – ện tử Đi

1

LỜI MỞ ĐẦU 3

I SƠ LƯỢC VỀ CÁC THẾ HỆ MẠNG: 4

1 1G - Mạng analog đầu tiên 4

2 2G - Số hóa tín hiệu di động 4

3 3G - Khởi đầu kỷ nguyên kết nối Internet 5

4 4G - Tăng tốc độ và băng thông 7

5 5G - Tương lai kết nối thông minh 8

II SO SÁNH VÀ ỨNG DỤNG THỰC TẾ: 9

1 So sánh giữa các thế hệ mạng di động: 9

1.1 Công nghệ và cơ sở hạ tầng: 9

1.2 Truyền dữ ệu và sự kết nố li i: 10

1.3 Công suất mạng và hiệu quả phổ 11

1.4 Độ ễ và sự ản hồ tr ph i: 12

1.5 Các biện pháp bảo mật 13

2 Ứng dụng thực tế: 15

2.1 1G 15

2.2 2G 15

2.3 3G 16

2.4 4G 16

2.5 5G 16

III SÓNG ĐIỆN TỪ 17

1 Định nghĩa sóng điện từ 17

2 Bản chất sóng điện từ 18

3 Thang sóng điện từ 19

IV ỨNG DỤNG CỦA PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL TRONG 4G VÀ 5G 20

1 4G 20

1.1 Lan truyền sóng trong mạng 4G 20

1.2 Thiết kế ăng-ten trong mạng 4G 20

2 5G 20

2.1 Thiết kế và Tối ưu hóa ăng-ten Massive MIMO 21

2.2 Công nghệ Beamforming (Tạo chùm tia định hướng) 21

2.3 Tính toán sự lan truyền sóng mmWave 21

3 Tối ưu hóa Điều chế Tín hiệu và Tiết kiệm Năng lượng 21

V ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA 4G VÀ 5G 22

1 4G 22

1.1 Truyền thông và giải trí 22

1.2 Ứng dụng xã hội và thương mại điện tử 22

1.3 Dịch vụ công cộng và y tế từ xa 22

2 5G 23

2.1 Công nghiệp 4.0 và IoT 23

2.2 Y tế và chăm sóc sức khỏe 23

2.3 Giải trí và giáo dục 23

2.4 Công nghệ đám mây 23

VI TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

3

LỜI MỞ ĐẦU

Mạng di động đã và đang trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại, kết nối con người và các thiết bị thông qua công nghệ không dây Từ khi ra đời, mạng di động không chỉ thay đổi cách thức giao tiếp mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong các lĩnh vực như giáo dục, y tế, kinh doanh và giải trí Những bước tiến vượt bậc từ 2G, 3G, 4G cho đến 5G đã góp phần làm thay đổi toàn diện cách thức kết nối, mang lại tốc độ truyền tải dữ ệu nhanh hơn, ổn định hơn và giúp giảli m thiểu độ ễ trong giao tiếp Đặc biệt, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ 5G, trmạng di động đang chuẩn bị mở ra kỷ nguyên mới, nơi mà Internet vạn vật (IoT), tự động hóa và trí tuệ nhân tạo (AI) sẽ phát triển mạnh mẽ hơn bao giờ hết Vì vậy, báo cáo này được viết ra nhằm phân tích và tìm ra ý nghĩa từ sự phát triển của mạng di động

I SƠ LƯỢC VỀ CÁC THẾ HỆ MẠNG:

1 1G - Mạng analog đầu tiên

Mạng 1G ra đời vào những năm 1980, sử dụng công nghệ analog Lý do phát triển 1G là để cung cấp giải pháp di động cho các cuộc gọi thay thế điện thoại cố định Năm 1979, Nhật Bản triển khai mạng 1G đầu tiên bởi nhà mạng NTT Đây là hệ thống mạng di động đầu tiên, chỉ hỗ trợ chức năng nghe gọi Thế hệ này bị giới hạn bởi chất lượng âm thanh kém, bảo mật thấp, và kích thước thiết bị lớn Nó sử dụng các ăng-ten thu phát sóng gắn ngoài, kết nối theo tín hiệu analog tới các trạm thu phát sóng và nhận tín hiệu xử lý thoại thông qua các module gắn trong máy di động Chính vì thế mà các thế hệ máy di động đầu tiên trên thế giới có kích thước khá to

và cồng kềnh do tích hợp cùng lúc 2 module thu tín hiện và phát tín hiệu

Hiện nay mạng 1G không còn được sử dụng trên toàn cầu Mạng 1G đã được phát triển vào những năm 1980 và chỉ tồn tại trong một vài năm đầu của thập niên 1990 trước khi bị thay thế bởi mạng 2G Tuy nhiên, các kỹ thuật và công nghệ mạng 1G

đã đóng góp quan trọng vào sự phát triển của ngành viễn thông di động trong những năm tiếp theo

2 2G - Số hóa tín hiệu di động

Năm 1991, mạng 2G được giới thiệu tại Phần Lan bởi Radiolinja, chuyển từ công nghệ analog sang digital Mạng 2G mang tới cho người sử dụng di động 3 lợi ích tiến bộ trong suốt một thời gian dài: mã hoá dữ liệu theo dạng kỹ thuật số, phạm vi

5

kết nối rộng hơn 1G và đặc biệt là sự xuất hiện của tin nhắn dạng văn bản đơn giản – SMS, song song đó tín hiệu kỹ thuật số truyền nhận trong thế hệ 2G tạo ra nguồn năng lượng sóng nhẹ hơn và sử dụng các chip thu phát nhỏ hơn, tiết kiệm diện tích bên trong thiết bị hơn

Sử dụng công nghệ truyền tải bằng kỹ thuật chia slot thời gian (TDMA – Time Division Multiple Access); và chia tần số (FDMA) Công nghệ này giải quyết các hạn chế của 1G, đồng thời mở đường cho các dịch vụ dữ liệu di động Mạng GSM của 2G trở thành tiêu chuẩn toàn cầu

Hiện nay, mạng 2G đã được nhiều quốc gia thay thế bằng các công nghệ di động mới hơn như 3G, 4G, 5G Tuy nhiên, vẫn còn một số quốc gia sử dụng mạng 2G cho mục đích liên lạc cơ bản như gọi điện thoại và nhắn tin Điển hình là các quốc gia ở châu Phi và châu Á như Sudan, Somalia, Ethiopia, Myanmar, Bangladesh, và

Ấn Độ

3 3G - Khởi đầu kỷ nguyên kết nối Internet

Được thương mại hóa từ năm 2001 tại Nhật Bản, là thế hệ truyền thông di động thứ

ba, tiên tiến hơn hẳn các thế hệ trước đó Sử dụng công nghệ truyền tải CDMA (Code Division Multiple Access) và WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) để tăng cường tốc độ truyền dữ liệu lên tới 384 Kbps – 2 Mbps, Nó cho phép người dùng di động truyền tải cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh, âm thanh, video)

Thế hệ 3G được chia thành hai phần chính là 3G CDMA và 3G UMTS Trong đó, 3G CDMA là một công nghệ phát triển từ các hệ thống 2G CDMA trước đó; trong khi 3G UMTS là một chuẩn công nghệ mới, phát triển dựa trên hệ thống GSM của thế hệ 2G Sau đó, các tiêu chuẩn khác nhau như HSPA (High-Speed Packet Access); và EV-DO (Evolution-Data Optimized) được phát triển để tăng tốc độ truyền dữ liệu trên 3G.

Nhìn chung, 3G là một sự đột phá với rất nhiều cải tiến mạnh mẽ so với các thế hệ trước đó Nó được cải thiện mạnh mẽ nhất là phần băng thông, cũng như tốc độ truyền dữ liệu so với mạng 2G Sự ra đời của 3G đáp ứng nhu cầu gia tăng về truyền thông và sử dụng dữ liệu, hỗ trợ video call và duyệt web Công nghệ này đã thiết lập nền tảng cho các ứng dụng di động hiện đại như truyền phát nội dung đa phương tiện

Hiện tại, mạng 3G vẫn đang được sử dụng ở nhiều quốc gia trên thế giới Tuy nhiên nhiều quốc gia đã dần chuyển sang sử dụng mạng 4G hoặc 5G Các quốc gia vẫn sử dụng mạng 3G gồm những quốc gia đang phát triển kinh tế như Bangladesh, Pakistan, Nigeria,…

7

4 4G - Tăng tốc độ và băng thông

Mạng này chính thức ra mắt vào năm 2009 với sự triển khai đầu tiên của công nghệ LTE tại Oslo (Na Uy) và Stockholm (Thụy Điển)

Sự phát triển của 4G dựa trên công nghệ LTE (Long-Term Evolution) và LTE Advanced (LTE- LTE sử dụng kỹ thuật OFDMA (đa truy cập phân tầng theo tần A)

số trực giao) kết hợp với MIMO (đa nhập - xuất), giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu và giảm độ trễ Công nghệ LTE chuyển từ cơ chế chuyển mạch kênh truyền thống sang chuyển mạch gói, tối ưu hóa việc truyền dữ liệu và tiết kiệm băng thông

Được phát triển để thay thế cho mạng thế hệ 3G trước đó, 4G có thể cung cấp tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn gấp nhiều lần so với 3G( tối thiểu đạt 100 Mbps trong điều kiện di chuyển và lên đến 1 Gbps trong điều kiện tĩnh ), cho phép truyền tải nội dung video chất lượng cao, trò chuyện video trực tuyến, chơi game trực tuyến và tải xuống các ứng dụng nhanh chóng hơn

4G được phát triển nhằm đáp ứng sự gia tăng nhanh chóng của các thiết bị kết nối Internet và nhu cầu xử lý dữ liệu lớn từ người dùng

Hiện nay, mạng 4G đã trở thành tiêu chuẩn phổ biến trên toàn cầu và được sử dụng rộng rãi ở hầu hết các quốc gia

5 5G - Tương lai kết nối thông minh

Mạng 5G được triển khai thương mại từ 2019, là một tiêu chuẩn mạng di động mới nhất, cung cấp tốc độ Internet nhanh hơn; thời gian đáp ứng ngắn hơn, khả năng kết nối nhiều thiết bị cùng lúc tốt hơn so với các thế hệ trước đó và khả năng kết nối hàng triệu thiết bị cùng một lúc 5G sử dụng băng tần cao hơn và kết nối thiết bị thông minh, các thiết bị IoT và các thiết bị kết nối xe hơi tự động, cải thiện trải nghiệm người dùng và khả năng tương tác giữa các thiết bị 5G cũng được kỳ vọng

sẽ phục vụ cho các ứng dụng công nghiệp như tự động hóa, bảo mật, y tế và giáo dục

Hướng tới mục tiêu hỗ trợ IoT (Internet of Things), tự động hóa và ứng dụng thực tế

ảo Tốc độ vượt trội cùng độ trễ thấp của 5G mang đến tiềm năng cải thiện đáng kể cho giao thông thông minh, y tế từ xa và công nghiệp 4.0 Sự phát triển của 5G phản ánh nhu cầu kết nối siêu nhanh và đáng tin cậy trong thời đại số

Hiện nay, nhiều quốc gia trên thế giới đang triển khai mạng 5G như Mỹ, Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản, châu Âu và nhiều quốc gia khác

Các thế hệ mạng di động không ngừng tiến hóa để đáp ứng nhu cầu liên lạc và dữ liệu ngày càng tăng của xã hội

9

II SO SÁNH VÀ ỨNG DỤNG THỰC TẾ:

1 So sánh giữa các thế hệ mạng di động:

1.1 Công nghệ và cơ sở hạ tầng:

1G: Là thế hệ đầu tiên của công nghệ di động, 1G sử dụng công nghệ analog để

cung cấp dịch vụ gọi thoại Hệ thống cơ sở hạ tầng bao gồm một mạng lưới các trạm gốc analog, hoạt động dựa trên phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần

số (FDMA) nhằm thực hiện việc truyền và nhận tín hiệu Các cuộc gọi thoại được truyền tải qua các tần số hẹp analog thông qua những trạm gốc này, được bố trí rải rác trong khu vực dịch vụ

2G: Với sự ất hiện của 2G, công nghệ kỹ thuật số đã đượ ứng dụng rộng rãi xu c trong truyền thông di động Các tín hiệu tương tự (analog) đã được loại bỏ hoàn toàn, thay thế bằng các phương pháp mã hóa âm thanh số tiên tiến, bao gồ đa truy m nhập theo thời gian (TDMA) và đa truy nhập theo mã (CDMA)

3G: ế hệ Th thứ ba (3G) đánh dấu một bước ngoặt quan trọng với sự ra đời của công nghệ chuyển mạch gói (packet-switching technology), giúp truyền tải dữ ệu vớli i tốc độ cao bên cạnh việc hỗ ợ gọi thoại Việc triển khai 3G yêu cầu sử dụng các trmạng dựa trên nền tảng UMTS hoặc CDMA2000, vốn sử dụng băng tần rộng hơn

để tăng tốc độ truyền tải dữ ệu Nhờ vậy, 3G có thể cung cấp nhiều dịch vụ tiên litiến như truy cập internet di động, thực hiện cuộc gọi video, và chia sẻ nội dung đa phương tiện, với trạm gốc được thiết kế để xử lý cả thoại và dữ ệu cùng lúc.li

4G: ế hệ mạng 4G đánh dấu một bước tiến lớn trong lĩnh vực viễn thông di động, Thcung cấp tốc độ truyền tải dữ ệu vượt trội cùng với khả năng xử lý đa phương tiệli n tiên tiến Tên gọi "4G" được sử dụng để ỉ ế hệ mạng này, trong đó công nghệ ch thLTE (Long-Term Evolution) ợc xem như tiêu chuẩn chủ đạo cho hạ tầng mạng đư4G

5G: ế hệ 5G là một bước đột phá lớn trong công nghệ di động, vượt trội so vớTh i các thế hệ trước nhờ vào việc áp dụng các công nghệ ện đại như MIMO hi

(Multiple-Input Multiple-Output) cực lớn và beamforming, cùng với việc sử dụng các tần số mmWave Mạng 5G sử dụng các băng tần thấp, trung bình và cao để đạt được tốc độ truyền tải dữ ệu cực nhanh, độ ễ cực thấp và khả năng kết nối số li trlượng lớn thiết bị Để đáp ứng nhu cầu dung lượng dữ ệu và phạm vi phủ sóng li

rộng hơn, hạ tầng 5G yêu cầu lắp đặt cell nhỏ và một mạng lưới trạm gốc dày đặc Công nghệ beamforming giúp tăng cường sức mạnh tín hiệu trong khi giảm thiểu nhiễu trong quá trình truyền và nhận tín hiệu

1.2 Truyền dữ ệu và sự kết nối: li

Tốc độ truyền tải dữ liệu là yếu tố quan trọng trong công nghệ di động Do đó, khi nghiên cứu và phát triển các thế hệ mạng di động mới, việc nâng cao tốc độ truyền

dữ liệu trở thành yêu cầu cấp thiết Qua từng thế hệ mới, tốc độ truyền tải không ngừng gia tăng, cho phép con người truy cập và truyền tải thông tin nhanh chóng hơn so với trước đây

Ban đầu, mạng di động 1G chỉ tập trung vào các cuộc gọi thoại với khả năng truyền tải dữ liệu rất hạn chế Nhưng với sự ra đời của công nghệ kỹ thuật số 2G, tốc độ truyền tải dữ liệu đã có những bước tiến rõ rệt Dù chủ yếu phục vụ cho cuộc gọi và tin nhắn văn bản, 2G vẫn có thể truyền tải một lượng dữ liệu nhỏ, cho phép người dùng gửi email và duyệt web cơ bản

Sự xuất hiện của 3G đánh dấu bước đột phá lớn trong công nghệ mạng di động, mang đến khả năng truy cập internet thực sự cho người dùng Nhờ 3G, người dùng

có thể duyệt web, tải tệp tin, và thực hiện các hoạt động cần sử dụng nhiều dữ liệu hơn

Tiếp nối thành công của 3G, thế hệ 4G ra đời với tốc độ truyền tải dữ liệu vượt trội hơn hẳn, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về truyền dữ liệu tốc độ cao Đặc biệt, công nghệ Long Term Evolution (LTE) đã trở thành tiêu chuẩn cho mạng 4G, giúp -đạt tốc độ truyền tải trung bình từ 10 20 Mbps và có thể lên đến 100 Mbps trong - điều kiện tối ưu Nhờ cải tiến này, người dùng có thể thoải mái xem video độ nét cao (HD), tải xuống nhanh và trải nghiệm chơi game trực tuyến mượt mà

11

Bảng 1: Tốc độ truyền tải dữ ệu qua các thế hệli

2G Lên đến 50-100 Kbps (GPRS) Cuộc gọi thoại kỹ thuật số, nhắn

tin văn bản, dữ ệu cơ bảnli3G Lên đến 2-10 Mbps (HSPA) Truy cập internet di động, gọi

video, đa phương tiện 4G Lên đến 100 Mbps Internet di động tốc độ cao, xem

video HD 5G Lên đến 10 Gbps Internet di động siêu nhanh, độ

ảo (VR) và video streaming với chất lượng cực cao

1.3 Công suất mạng và hiệu quả phổ

Sự phát triển công nghệ di động đã cải thiện đáng kể công suất mạng và hiệu quả phổ, đáp ứng nhu cầu dữ ệu ngày càng tăng ệu quả ổ đo lường việc sử dụng li Hi phtối ưu băng tần để truyền tải dữ ệu, và qua từng thế hệ mạng, yếu tố này ngày càng liđược nâng cao

• 1G ỉ hỗ ợ thoại analog với công suất mạng thấch tr p

tăng khả năng chia sẻ băng tần và truyền dữ ệu hiệu quả.li

mã hóa tiên tiến, giúp tăng tốc độ truyền và nâng cao hiệu quả phổ

• 4G với LTE sử dụng OFDM để truyền dữ ệu song song qua nhiều phân likênh, tối ưu công suất mạng và tốc độ truyền tải

• 5G tích hợp công nghệ massive MIMO và beamforming, tăng đáng kể ả khnăng kết nối, giảm nhiễu và xử lý lượng lớn dữ liệu

Tóm lại, mỗi thế hệ mạng đều mang lại bước tiến lớn, giúp truyền tải dữ ệu nhanh lihơn, nâng cao trải nghiệm và hỗ ợ xã hội ngày càng kết nối hơn.tr

Bảng 2: Công suất mạng của các thế hệ di động

Thế hệ Kỹ thuật truy cập

nhiều kênh

Kỹ thuật điều chế tín hiệu

Cải thiện công suất mạng

2G TDMA, CDMA GMSK, QPSK Tăng công suất cho

cuộc gọi thoại và dữ liệu cơ bản

CDMA2000

Spread spectrum, mã hóa nâng cao

Tốc độ truyền dữ liệu cao hơn, công suất cải thiện

mạng đáng kể 5G Massive MIMO,

beamforming

Các kỹ thuật điều chế tiên tiến

Mở rộng công suất mạng thêm nữa

Bảng 3: Hiệu quả phổ của các thế hệ di động

Bảng 4: Đặc điểm độ trễ

2G Độ trễ trung bình Truyền dữ liệu cơ bản, nhắn tin

3G Độ trễ thấp hơn Cuộc gọi video, truy cập internet di

động 4G Độ trễ thấp Đa phương tiện thời gian thực, chơi

game trực tuyến 5G Độ trễ siêu thấp Xe tự lái, phẫu thuật từ xa

1.5 Các biện pháp bảo mật

Việc đảm bảo an toàn cho các hệ thống liên lạc di động luôn là mối quan tâm chính trong suốt quá trình phát triển công nghệ di động Mỗi thế hệ mạng di động đều giới thiệu những biện pháp bảo mật mới nhằm bảo vệ dữ liệu người dùng, quyền riêng

tư, và tính toàn vẹn của mạng Dưới đây là các biện pháp bảo mật qua từng thế hệ mạng di động:

• Mạng 1G chủ yếu tập trung vào cuộc gọi thoại analog và có các biện pháp bảo mật hạn chế Phương pháp bảo mật chính là mã hóa analog nhằm ngăn chặn việc nghe trộm trái phép các cuộc gọi thoại

• Mạng 2G đã áp dụng công nghệ số và cải tiến các tính năng bảo mật so với 1G Cơ chế xác thực được giới thiệu để đảm bảo danh tính của người dùng và ngăn chặn truy cập trái phép

Thuật toán mã hóa như A5/1 và A5/2 được sử dụng để bảo vệ cuộc gọi thoại

và tin nhắn văn bản Tuy nhiên, các lỗ hổng trong thuật toán này đã dần được phát hiện, gây ra các lo ngại về bảo mật

• Mạng 3G đưa ra các biện pháp bảo mật mạnh mẽ hơn nhằm khắc phục các lỗ hổng của 2G Thuật toán mã hóa tiên tiến như KASUMI được triển khai để bảo vệ tốt hơn các cuộc gọi và truyền tải dữ liệu Mạng 3G cũng giới thiệu cơ