Báo cáo thực tập: Tìm hiểu về thông tin di động thế hệ 4G – HSPA 14

1.1.1 Toàn cảnh hệ thống thông tin di động Thông tin di động luôn không ngừng phát triển và ngày càng đòi hỏi các kĩ thuật tiên tiến và công nghệ cao. Ý tưởng về sự liên lạc tức thời mà không quan tâm đến khoảng cách là một trong những giấc mơ lâu đời nhất của loài người và giấc mơ đó đang ngày càng trở thành hiện thực nhờ sự trợ giúp của kĩ thuật và công nghệ. Việc sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông tin diễn ra lần đầu tiên vào cuối thế kỉ 19. Kể từ đó nó trở thành công nghệ được ứng dụng rộng rãi trong thông tin quân đội và sau này là thông tin vô tuyến công cộng. Sau nhiều năm phát triển thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển quan trọng. Từ hệ thống thông tin di động tương tự thế hệ thứ nhất đến hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai, hệ thống thông tin băng rộng thế hệ thứ ba đang được triển khai trên phạm vi toàn cầu và hệ thống thông tin đi động đa phương tiện thế hệ thứ tư đang được nghiên cứu tại một số nước. Dịch vụ chủ yếu của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất và thứ hai là thoại còn dịch vụ thế hệ thứ ba và thứ tư phát triển về dịch vụ dữ liệu và đa phương tiện.

Bộ công thương Trường đại học công nghiệp hà nội

-o0o -Thực tập tốt nghiệp đại học Tìm hiểu về thông tin di động thế hệ 4G – HSPA 14

Họ và tên : CẤN CÔNG CƯỜNG

Khoa: ĐIỆN TỬ

Giáo viên hướng dẫn: ĐINH THỊ KIM PHƯỢNG

Hà nội – 2015

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 vùngphủ sóng kể cả khi đang di chuyển Ngoài ra, thông tin di động còn đáp ứng nhiềudịch vụ tiện ích khác như: nhắn tin, truyền số liệu, truyền thông đa phương tiện, xácđịnh vị trí người sử dụng… mà các dịch vụ khác không thực hiện được Do vậy nhucầu về thông tin di động ngày một tăng lên và trong tương lai không xa đây sẽ là hìnhthức thông tin vạn năng và được ứng dụng sâu rộng vào cuộc sống và có thể thay đổilối sống của con người

Cho đến nay thông tin di động trên thế giới đã trải qua ba thế hệ Thế hệ thứ nhất sửdụng công nghệ tương tự từ những năm 70 và đến giữa những năm 80 hệ thống thôngtin di động thế hệ thứ hai đã ra đời và phát triển rất mạnh mẽ Những năm đầu thế kỉ

21 hệ thống di động thế hệ thứ 3(3G) đã được triển khai và ứng dụng rộng rãi phục vụđời sống của con người Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động 3G đã được triểnkhai bởi các nhà cung cấp dịch vụ Saigon Postel, Hà Nội Telecom, EVN Telecom vàđược đưa vào khai thácvào năm 2006 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư(4G) đãđược các hãng viễn thông lớn trên thế giới, hiệp hội viễn thông quốc tế - ITU, diễnđàn Mobile IT nghiên cứu và chuẩn hóa Theo dự báo vào khoảng năm 2012, hệ thốngthông tin di động 4G sẽ được triển khai và đưa vào khai thác Sự xuất hiện của hệthống thông tin di động thế hệ thứ tư có thể tạo ra sự bùng nổ trong ngành côngnghiệp thông tin di động nói riêng và ngành công nghiệp viễn thông nói chung

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN THÔNG TIN DI ĐỘNG HIỆN NAY 9

1.1 Lịch sử và xu thế phát triển của thông tin di động 9 1.1.1 Toàn cảnh hệ thống thông tin di động 9

1.1.2 Lộ trình phát triển của thông tin di động 10

1.2 Tổng kết các thế hệ thông tin di động : 12 CHƯƠNG 2: THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 4G 15

2.1 Tìm hiểu sơ lược về hệ thống 4G15 2.2 Các yêu cầu và mục tiêu thiết kế hệ thống 4G 15 2.2.1 Thông tin băng rộng 15

2.2.2 Chi phí thấp 16

2.2.3 Vùng phủ sóng rộng 16

2.2.4 Dịch vụ đa dạng và dễ sử dụng 16

2.2.5 Mục tiêu thiết kế 16

2.3 Những vấn đề cơ bản trong cấu hình hệ thống 4G 18 2.3.1 Dung lượng lớn và tốc độ truyền dẫn cao 18

2.3.2 Chi phí thấp hơn 18

2.3.3 Kết nối liên mạng dựa trên công nghệ IP 19

2.4 Công nghệ cho 4G 20 2.5 Sự ảnh hưởng của 4G đến đời sống của con người 22 2.6 Một số dịch vụ hệ thống di động 4G cung cấp 23 2.6.1 Dịch vụ cung cấp thông tin y tế 23

2.6.2 Hệ thống định vị 24

2.6.3.Dịch vụ đặt hàng di động 26

2.7 TỔNG QUAN PHÁT TRIỂN 3G LÊN 4G 27 2.7.1 Quá trình tiêu chuẩn hóa WCDMA/HSPA trong 3GPP : 27

2.7.2 Phát triển tăng cường HSPA (HSDPA và HSUPA): 29

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ MẠNG HSPA 32 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HSPA : 32

3.2 HSPA (High-Speed Packet Access) 32

3.2.1 HSDPA 32 3.2.2 HSUPA 40 3.3Kiến trúc của HSPA: 43

3.3 Mô hình Uplink : 45

3.4 HSPA+ 46

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 53

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Lộ trình phát triển của thông tin di động 11

Hình 2.1 Mục tiêu thiết kế hệ thống 4G 17

Hình 2.2: Những vấn đề kĩ thuật liên quan đến công nghệ vô tuyến19

Hình 2.3: Sơ đồ tóm lược quá trình phát triển của mạng thông tin di động tế bào

20

Hình 2.4: Dịch vụ thông tin y tế23

Hình 2.5: Hệ thống định vị 24

Hình 2.6: Hệ thống đặt hàng di động 26

Hình 2.7 :Các kỹ thuật được xem xét cho HSUPA 28

Hình 2.8: Các kỹ thuật được lựa chọn cho danh mục nghiên cứu HSUPA29

Hình 2.9: Quá trình tiêu chuẩn hóa HSUPA trong 3GPP 29

Hình 2.9.1: Nguyên lý MIMO với hai anten phát anten thu và hai 30

Hình 3.1 : Lộ trình của công nghệ HSPA và HSPA+33

Hình 3.2: Các tính năng cơ bản của HSDPA khi so sánh với WCDMA 34

Hình 3.3: Nguyên lý hoạt động cơ bản của HSDPA36

Hình 3.4: Kiến trúc giao diện vô tuyến của kênh truyền tải HS-DSCH 38

Hình 3.5: Cấu trúc lớp MAC – hs 39

Hình 3.6 - Chương trình khung lập biểu của HSUPA42

Hình 3.7: Kiến trúc của HSPA 43

Hình 3.8: Mô hình hoạt động của HSPA 44

Hình 3.9: Chuyển giao mềm giữa hai vùng phục vụ trong HSPA 44

Hình 4.1: Mô hình Uplink 45

Hình 4.2: HSPA+ có khả năng phục vụ tất cả các dịch vụ IP *: Multicasting là cách truyền dữ liệu từ một điểm tới nhiều điểm Đây là cách hữu hiệu để truyền văn bản, âm thanh, video đến một nhóm người trên mạng 46

Hình 4.3: Truyền, nhận gián đoạn 47

Hình 4.4: Circuit Switched voice over HSPA 48

Hình 4.5: I-HSPA: ít nodes hơn trong đường data tăng độ trễ 49

Hình 4.6: Thời gian thiết lập kênh nhanh hơn50

DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT

3GPP : 3rd Generation Partnership Project

16QAM : 16 Quadrature Amplitude Modulation

64QAM : 64 Quadrature Amplitude Modulation

AMC : Adaptive Modulation and Coding

ARQ : Automatic Repeat request

BCCH : BroadCast Control CHannel (logic channel)

BCH : BroadCast CHannel (transport channel)

CCTRCH : Coded Composite Transport Channel

DCCH : Dedicated Control CHannel (logical channel)

DPCCH : Dedicated Physical Control CHannel

DPCH : Dedicated Physical Channel

DPDCH : Dedicated Physical Data Channel

DTCH : Dedicated Traffic CHannel

EDGE : Enhanced Data Rates for GSM Evolution

FDD : Frequency Division Multiple Access

GSM : Global System for Mobile Communications H-ARQ : Hybrid Automatic Repeat request

HS-DPCCH : Uplink High-Speed Dedicated Physical Control CHannel

HS-DSCH : High-Speed Downlink Shared Channel

HS-PDSCH : High-Speed Physical Downlink Shared Channel

HS-SCCH : High-speed Shared Control Channel

HSDPA : High-speed Downlink Packet Access

ITU : Internation Telecommunication Union

MAC-hs : Hight-speed MAC

Node B : Base Station

TTI : Transmission Time Interval

UMTS : Universal Mobile Telecommunication System

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN THÔNG TIN DI ĐỘNG

HIỆN NAY

1.1 Lịch sử và xu thế phát triển của thông tin di động

1.1.1 Toàn cảnh hệ thống thông tin di động

Thông tin di động luôn không ngừng phát triển và ngày càng đòi hỏi các kĩ thuật tiêntiến và công nghệ cao Ý tưởng về sự liên lạc tức thời mà không quan tâm đến khoảngcách là một trong những giấc mơ lâu đời nhất của loài người và giấc mơ đó đang ngàycàng trở thành hiện thực nhờ sự trợ giúp của kĩ thuật và công nghệ Việc sử dụng sóng

vô tuyến để truyền thông tin diễn ra lần đầu tiên vào cuối thế kỉ 19 Kể từ đó nó trởthành công nghệ được ứng dụng rộng rãi trong thông tin quân đội và sau này là thôngtin vô tuyến công cộng

Sau nhiều năm phát triển thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển quantrọng Từ hệ thống thông tin di động tương tự thế hệ thứ nhất đến hệ thống thông tin

di động thế hệ thứ hai, hệ thống thông tin băng rộng thế hệ thứ ba đang được triểnkhai trên phạm vi toàn cầu và hệ thống thông tin đi động đa phương tiện thế hệ thứ tưđang được nghiên cứu tại một số nước Dịch vụ chủ yếu của hệ thống thông tin diđộng thế hệ thứ nhất và thứ hai là thoại còn dịch vụ thế hệ thứ ba và thứ tư phát triển

về dịch vụ dữ liệu và đa phương tiện

Các hệ thống thông tin di động tế bào số hiện nay đang ở giai đoạn thế hệ 2,5G và3G,3,5G Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ thông tin di động nênngay từ đầu những năm 90 người ta đã tiến hành nghiên cứu hệ thống thông tin diđộng thế hệ thứ 3 Liên hiệp viễn thông quốc tế bộ phận vô tuyến (ITU-R) đã thựchiện tiêu chuẩn hóa cho hệ thống thông tin di động toàn cầu ITM-2000 Ở Châu Âu,viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI) đã thực hiện tiêu chuẩn hóa phiên bản của

hệ thống này với tên gọi là UMTS (Universal Mobile Telecommunication System: Hệthống viễn thông di động toàn cầu ) Hệ thống mới này làm việc ở dải tần 2GHz vàcung cấp nhiều loại dịch vụ bao gồm từ các dịch vụ thoại, số liệu tốc độ thấp hiện cóđến các dịch vụ số liệu tốc độ cao, video và truyền thanh Tốc độ cực đại của người sửdụng có thể lên tới 2Mpbs Tốc độ cực đại này chỉ có ở các ô pico trong nhà, còn các

dịch vụ với tốc độ 14,4Kbps sẽ được đảm bảo cho thông tin di động thông thường ởcác ô macro Người ta cũng đang nghiên cứu các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ

tư có tốc độ cho người sử dụng khoảng 2Gpbs Ở hệ thống di động băng rộng (MBS)thì các sóng mang được sử dụng ở các bước sóng mm, độ rộng băng tần 64MHz và dựkiến sẽ nâng tốc độ của người sử dụng đến STM-1

Hiện nay, trên các quốc gia trên thế giới ở hầu hết các nước đã triển khai hệ thống diđộng 3G Theo thống kê của hai hãng Informa Telecom & Media và WCIS and 3GAmerica, hiện nay có 181 hãng cung cấp dịch vụ trên 77 quốc gia đã đưa vào khaithác dịch vụ các mạng di động thế hệ 3 của mình Với hệ thống di động 3.5G(HSDPA) thì có đến 135 hãng cung cấp dịch vụ trên 63 quốc gia đã cung cấp các dịch

vụ của hệ thống di động 3.5G Hệ thống tiền 4G (Pre-4G) là WiMax cũng đã đượctriển khai và đưa vào khai thác dịch vụ ở một số thành phố như London, New Yorkvào quý 2 năm 2007

Ở nước ta, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thông tin liên lạc nói chung trongnhững năm gần đây thông tin di động ra đời như một tất yếu khách quan nhằm đápứng nhu cầu trao đổi thông tin trong thời kì đổi mới của đất nước Vào thời kì ban đầu,xuất hiện một số mạng thông tin di động như mạng nhắn tin ABC, mạng nhắn tin toànquốc… có tính chất thử nghiệm cho công nghệ thông tin di động ở Việt Nam Sau đóvào tháng 3 năm 1993, mạng điện thoại di động Mobiphone sử dụng kĩ thuật số GSM

đã được triển khai và chính thức đưa vào hoạt động ở Việt Nam với các thiết bị củahãng ALCATEL Tháng 6 năm 1996, mạng Vinaphone ra đời và cùng tồn tại songsong với mạng VMS Năm 2003, mạng Sphone sử dụng công nghệ CDMA của hãngSai Gon Postel đưa vào khai thác Đến năm 2004, mạng GSM của Viettel cũng chínhthức đi vào hoạt động Và gần đây, EVN Telecom cũng đưa vào khai thác mạng diđộng thế hệ thứ ba Trong hai năm gần đây, số thuê bao của các mạng này đang tăngrất nhanh

1.1.2 Lộ trình phát triển của thông tin di động

Thời kì đầu, khi mới triển khai, hệ thống di động thế hệ thứ nhất mới chỉ cung cấp chongười sử dụng dịch vụ thoại, nhưng nhu cầu về truyền số liệu tăng lên đòi hỏi các nhà

khai thác mạng phải nâng cấp rất nhiều tính năng mới cho mạng và cung cấp các dịch

vụ giá trị gia tăng trên cơ sở khai thác mạng hiện có Từ đó các nhà khai thác đã phảitriển khai các hệ thống di động 2G,2.5G để cung cấp dịch vụ truyền số liệu cao hơn.Cùng với Internet đang trở thành một trong những hoạt động kinh doanh ngày càngquan trọng, một trong các hoạt động này là xây dựng các công sở vô tuyến để kết nốicác cán bộ “di động” với xí nghiệp hoặc công sở của họ Ngoài ra tiềm năng to lớn đốivới các công nghệ mới là cung cấp trực tiếp tin tức và các thông tin khác cho các thiết

bị vô tuyến sẽ tạo ra các nguồn lợi nhuận mới cho nhà khai thác Do vậy, để đáp ứngđược các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình ảnh, đồng thời đảm bảo tínhkinh tế thì hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (GSM,PDC,IS-136) đã từng bướcchuyển đổi sang hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba Khi mà nhu cầu về dịch vụ

đa phương tiện chất lượng cao tăng mạnh, mà tốc độ của hệ thống 3G hiện tại khôngđáp ứng được thì các tổ chức viễn thông trên thế giới đã nghiên cứu và chuẩn hóa hệthống di động 4G

Lộ trình phát triển của thông tin di động từ thế hệ thứ nhất đến thế hệ thứ tư được mô

tả ở hình 1.1

Hình 1.1: Lộ trình phát triển của thông tin di động

Trong đó :

+TACS (Total Access Communication System): Hệ thống thông tin truy nhậptổng thế.

+NMT900 (Nordic Mobile Telephone 900): Hệ thống điện thoại di động Bắc

Âu băng tần 900MHz

+AMPS (Advanced Mobile Phone Service): Dịch vụ điện thoại di động tiêntiến

+SMR (Specialized Mobile Radio): Vô tuyến di động chuyên dụng

+GSM900 (Global System for Mobile): hệ thống thông tin di động toàn cầubăng tần 900MHz

+GSM1800: Hệ thống GSM băng tần 1800MHz

+GSM1900: Hệ thống GSM băng tần 1900MHz

+IS-136 (Interim Standard-136): Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA cải tiến

do AT&T đề xuất

+IS-95 (CDMA): Tiêu chuẩn thông tin di động CDMA cải tiến của Mỹ

+GPRS (General Packet Radio System): Hệ thống vô tuyến nói chung

+EDGE (Enhance Data Rates for GSM Evolution): Những tốc độ số liệu tăngcường để phát triển GSM

+cdma2000 1x: Hệ thống cdma2000 giai đoạn 1

+WCDMA (Wideband CDMA): Hệ thống CDMA băng rộng

+cdma 2000 Mx: Hệ thống cdma giai đoạn 2

+HSPA (High Speed Packet Access): Hệ thống di động truy cập gói tốc độ cao

Hệ thống HSPA được chia thành 3 công nghệ sau:

- HSDPA (High Speed Downlink Packet Access): Hệ thống truy cập góiđường xuống tốc độ cao

- HSUPA (High Speed Uplink Packet Access): Hệ thống truy cập gói đườnglên tốc độ cao

- HSODPA (High Speed OFDM Packet Access): Hệ thống truy cập góiOFDM tốc độ cao

+Pre-4G: Các hệ thống tiền 4G: gồm có WiMax WiBro (Mobile WiMax).+WiMax: Wordwide Interoperability for Microwave Access

+WiBro: Wireless Broadband System: Hệ thống băng rộng không dây

TDMA hoặc CDMA,công nghệ

TDMA (kết hợp nhiều khe thơigian hoặc tần số) hoặc CDMA, sửdụng phổ chồng lên phổ tần của hệthống 2G, tăng cường truyền sốliệu gói Tốc độ tối đa đạt 144kbpsThế hệ 3

đa phương tiện tốc độ cao

Phát triển từ DSCH

3G,CDMA/HS-HSDPA cho tốc độ tối đa đường xuống 14,4Mbps

HSUPA có tốc độ đường lên tối đa5.7Mbps

HSOPA cho tốc độ Downlink/Uplink tối đa là 200/100Mbps

Thế hệ

4(4G)

số liệu đa phương tiện tốc

độ cao

OFMA tốc độ tối đa trong nhà la 5Gbps, 100Mbps trên đối tượng ngoài trời

Bảng 1.1: Tổng kết các thế hệ thông tin di động

CHƯƠNG 2: THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 4G

2.1 Tìm hiểu sơ lược về hệ thống 4G

Việc tiến đến hệ thống thông tin di động 4G được đặt ra để giải quyết các vấn đềvẫn còn tồn tại ở hệ thống 3G và cũng để cung cấp khả năng đáp ứng rộng cho cácdịch vụ mới, từ thoại chất lượng cao đến truyền hình độ phân giải cao cho đến cáckênh vô tuyến tốc độ dữ liệu cao Thuật ngữ 4G được sử dụng với một ý nghĩarộng bao gồm các loại khác nhau của hệ thống truyên thông truy nhập vô tuyếnbăng rộng, không chỉ riêng hệ thống điện thoại tế bào Một trong các thuật ngữcũng được dùng để miêu tả 4G đó là MAGIC – đa truyền thông di động (Mobilemultimedia), mọi lúc mọi nơi (Anytime anywhere), hỗ trợ lưu động toàn cầu(Global mobility support), giải pháp vô tuyến tích hợp (Integrated wirelesssolution), và dịch vụ thuê bao cá nhân (Customized personal service) Hệ thống4G không chỉ sẽ hỗ trợ các dịch vụ di động thế hệ sau mà còn hỗ trợ cho các mạng

vô tuyến cố định

2.2 Các yêu cầu và mục tiêu thiết kế hệ thống 4G

2.2.1 Thông tin băng rộng

Từ trước đến nay, lưu lượng trên mạng thông tin di động vẫn chủ yếu là lưulượng thoại Hệ thống thế hệ 2G, hệ thống tế bào số cá nhân PDC (Personal DigitalCellular) đã giới thiệu các dịch vụ I-mode Những dịch vụ đang được phổ biến hiệnnay như: truy cập Internet, thương mại điện tử, e-mail Những dịch vụ này chủ yếu làthông tin dữ liệu dựa trên văn bản qua mạng tế bào Hệ thống IMT-2000 đề xuấtnhững dịch vụ tốc độ cao từ 64 đến 384 kbit/s, và tỷ lệ lưu lượng số liệu trên thoạităng lên Tuy nhiên, sự phát triển mạnh của các dịch vụ băng rộng như ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line), các hệ thống truy nhập cáp quang, các mạngLAN cơ quan, gia đình đã làm tăng nhu cầu sử dụng các dịch vụ tương đồng của mạngthông tin di động

2.2.2 Chi phí thấp

Khi các dịch vụ băng rộng phát triển, các thuê bao có thể trao đổi rất nhiều loạithông tin với nhau, tuy nhiên họ lại không sẵn sảng trả một chi phí quá cao cho lượngthông tin trao đổi quá nhiều như vậy Vì vậy cần phải giảm giá cước của các dịch vụxuống bằng hoặc thấp hơn giá cước của các dịch vụ hiện tại Hệ thống IMT-2000 đãgiảm mức cước tính theo bít và đưa ra các mức giá tương đối thấp, nhưng hệ thống 4Gđòi hỏi một kênh băng thông rộng với mức giá thậm chí thấp hơn mức giá theo bit màIMT-2000 đưa ra

2.2.3 Vùng phủ sóng rộng

Một trong những đặc tính của thông tin di động là có mặt khắp mọi nơi mọi lúc.Những khả năng này cũng là một tiêu chí quan trọng cho sự phát triển của thông tin diđộng trong tương lai Khi một hệ thống mới đầu tiên được giới thiệu thì nói chung rấtkhó khăn trong việc cung cấp một vùng phủ sóng rộng như mạng hiện có, và kháchhàng sẽ không mua các thiết bị đầu cuối mới nếu họ bị giới hạn vùng phủ sóng.Những thiết bị có màn hình hiển thị lớn, như PDAs (Personal Digital Assistans) vàmáy tính cá nhân với khả năng kết nối không dây ngày càng được sử dụng phổ biến.Gắn liền với những thiết bị này là các dịch vụ cao cấp và thường được sử dụng trongnhà, vì vậy chúng ta cần đưa ra các dịch vụ với vùng phủ sóng trong nhà tốt

2.2.4 Dịch vụ đa dạng và dễ sử dụng

Đối tượng sử dụng thông tin di động rất đa dạng và rất khác nhau Trong tươnglai, chúng ta hy vọng có thể nâng cao phẩm chất và chức năng hệ thống để có thể cungcấp nhiều loại hình dịch vụ, không chỉ là các dịch vụ thoại truyền thống mà còn truyềncác thông tin liên quan đến tất cả năm giác quan của con người Và thuê bao phải dễdàng sử dụng các dịch vụ này (dễ dàng cài đặt, dễ dàng kết nối, …)

2.2.5 Mục tiêu thiết kế

Mục tiêu thiết kế hệ thống để đáp những yêu cầu trên đây được minh hoạ trênHình 2.1 Coi thông tin dữ liệu và video là dịch vụ chính, hệ thống 4G phải cung cấp

tốc độ truyền dẫn cao hơn với dung lượng lớn hơn (cả về số lượng thuê bao là lưulượng) IMT-2000.

Hình 2.1 Mục tiêu thiết kế hệ thống 4G

Hiện nay, coi tốc độ chính là chất lượng truyền dẫn, mạng LAN đạt được tốc độ

từ 10 đến 100 Mbit/s, và tốc độ của mạng ADSL cũng đạt được 2-3 Mbit/s Mục tiêuthiết kế hệ thống thông tin di động là đạt tốc độ xấp xỉ 100 Mbit/s đối với môi trườngngoài trời và cỡ Gbit/s với môi trường trong nhà Sẽ không có chỗ cho mạng thông tin

di động thế hệ mới nếu không có tốc độ lớn hơn ít nhất 10 lần tốc độ hiện tại của

IMT-2000 Để đảm thông tin thời gian thực giữa các thiết bị đầu cuối với nhau thì hệ thốngmới cần phải giảm thời gian trễ truyền dẫn xuống dưới 50 ms Giả sử rằng các dịch vụtrong tương lai sẽ dựa trên truyền dẫn IP (Internet Protocol), hiệu quả truyền dẫn gói

IP qua mạng vô tuyến cũng cần phải tính đến Hệ thống mới bên cạnh việc nâng caodung lượng truyễn dẫn phải đảm bảo được việc giảm chi phí Chi phí tính trên 1 bíttruyền dẫn phải giảm xuống bằng 1/10 hoặc 1/100 mức chi phí hiện tại bằng cáchgiảm chi phí thiết bị hạ tầng, chi phí hoạt động và chi phí xây dựng Mục tiêu thiết kếđược đề cập trên đây tập trung vào những dịch vụ có phẩm chất tốt hơn các dịch vụhiện tại, và dễ dàng sử dụng Điều mà những nhà đi tiên phong trong thị trường dịch

 100 Mbit/s (tốc độ cao nhất của môi trường di động); 1Gbit/s ( tốc độ tối

đa của môi trường trong nhà)

vụ 4G cần phải lưu ý là khả năng tích hợp hệ thống LAN không dây trong nhà với hệthống hữu tuyến và thực hiện triển khai các dịch vụ mới trong thời gian ngắn.

2.3 Những vấn đề cơ bản trong cấu hình hệ thống 4G

Vấn đề kỹ thuật cần thiết đối với mạng thông tin di động thế hệ 4G để đáp ứngnhững yêu cầu được nêu ra ở phần trên được trình bày trên hình 1.7

2.3.1 Dung lượng lớn và tốc độ truyền dẫn cao

IMT-2000 đã triển khai đa truy nhập theo mã băng rộng WCDMA (WidebandCode Division Multiple Access) và đạt được tốc độ 2Mbit/s với băng tần có độ rộng 5MHz Ngày nay, việc phát triển kỹ thuật điều chế và giải điều chế thích nghi đa lớpcho phép tốc độ truyền dẫn đạt xấp xỉ 10 Mbit/s với cùng một băng tần sử dụng Đểđạt được tốc độ truyền dẫn từ 100 Mbit/s đến 1 Gbit/s, chúng ta cần phải sử dụng băngtần lớn hơn và các hệ thống truyền dẫn mới phù hợp với truyền dẫn tốc độ cao

Đối với thông tin dữ liệu, chúng ta sẽ cần hệ thống truy nhập vô tuyến có thểtruyền dẫn gói tin hiệu quả Tầm quan trọng của việc phủ sóng trong nhà đã thúc đẩycác công nghệ phải phát triển theo hướng có thể sử dụng cho cả môi trường truyềnsóng trong nhà và ngoài trời Để có được những băng tần rộng cho truyền dẫn tốc độcao và đáp ứng nhu cầu lưu lượng thoại đang tăng cao, chúng ta phải quan tâm đếncác băng tần mới, và phát triển các phần tử mạng cần thiết như các bộ khuếch đại, các

bộ lọc và tính toán suy hao truyền sóng cho những băng tần này Cùng với đó việcnghiên cứu phát triển các giải pháp sử dụng hiệu quả tài nguyên phổ tần hạn chế cũngrất cần thiết

2.3.2 Chi phí thấp hơn

Với các công nghệ cấu hình hệ thống thông thường, nếu sử dụng một băng tầncao hơn để đạt được tốc độ truyền dẫn cao hơn sẽ làm giảm kích thước cell, hay giảmvùng phủ sóng của một trạm gốc Để vẫn giữ được vùng phủ sóng rộng như trước đâyyêu cầu phải có nhiều trạm gốc hơn và do đó làm tăng chi phí mạng Để tránh đượcvấn đề này chúng ta cần phải mở rộng bán kính cell bằng cách sử dụng những phươngpháp truyền dẫn vô tuyến phẩm chất cao hơn, các kỹ thuật điều chế và giải điều chếcải tiến, dàn anten thích nghi, các bộ thu tạp âm thấp Xa hơn nữa, để giảm chi phí xây

dựng và hoạt động mạng, chúng ta phải nghiên cứu thực hiện kết nối các trạm gốc vớimạng đường trục, công nghệ trạm gốc điều khiển độc lập và các công nghệ kết nối vôtuyến phân lớp.

Hình 2.2: Những vấn đề kĩ thuật liên quan đến công nghệ vô tuyến

2.3.3 Kết nối liên mạng dựa trên công nghệ IP

Một biện pháp để cho những thuê bao sử dụng hệ thống mới không gặp phải vấn

đề về vùng phủ sóng là phải đảm bảo các thiết bị đầu cuối mới phải hỗ trợ để hoạtđộng trên cả hệ thống cũ và hệ thống mới Mặt khác, chúng ta phải tính đến khả năngroaming quốc tế, một thiết bị đầu cuối phải được hỗ trợ để hoạt động trên nhiều hệthống nhờ sử dụng công nghệ SDR (Softwave Defined Radio) Với công nghệ này,thiết bị đầu cuối có thể hoạt động trên nhiều băng tần khác nhau của các quốc gia vàkhu vực khác nhau Hơn nữa, mạng thông tin di động trong tương lai phải tích hợp vớinhiều phương thức truy nhập khác nhau, với rất nhiều loại cell có các khả năng kết nốiliên mạng dựa trên công nghệ IP Chính vì vậy, kết nối liên mạng và chuyển giao giữa

các hệ thống truy nhập là một yêu cầu cần thiết ngoài yêu cầu về khả năng chuyểngiao và roaming nội bộ và giữa hai mạng thông tin di động với nhau.

2.4 Công nghệ cho 4G

Tiếp theo mạng thông tin di động (TTDĐ) thế hệ thứ 3 (3G - 3rd Generation), Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) đang hướng tới một chuẩn cho mạng di động tế bào mới thế hệ thứ 4 (4G - 4th Generation) 4G có những tính năng vượt trội như: Cho phép thoại dựa trên nền IP, truyền số liệu và đa phương tiện với tốc độ cao hơn rất nhiều so với các mạng di động hiện nay… Theo tính toán, tốc độ truyền dữ liệu có thểlên tới 100 Mb/s, thậm chí lên tới 1 Gb/s trong các điều kiện tĩnh

Hình 2.3: Sơ đồ tóm lược quá trình phát triển của mạng thông tin di động tế bào

3 công nghệ dưới đây được xem là các công nghệ tiền 4G, đó là các công nghệlàm sở cứ để xây dựng nên chuẩn 4G trong tương lai

LTE (Long-Term Evolution)

Tổ chức chuẩn hóa công nghệ mạng TTDĐ tế bào thế hệ thứ ba 3G UMTS 3GPP(3rd Generation Partnership Project) bao gồm các tổ chức chuẩn hóa của các nước châu

á, châu âu và Bắc Mỹ đã bắt đầu chuẩn hóa thế hệ tiếp theo của mạng di động 3G làLTE

LTE được xây dựng trên nền công nghệ GSM (Global System for MobileCommunications), vì thế nó dễ dàng thay thế và triển khai cho nhiều nhà cung cấp

dịch vụ Nhưng khác với GSM, LTE sử dụng phương thức ghép kênh phân chia theotần số trực giao (OFDM) - truyền dữ liệu tốc độ cao bằng cách phân chia thành cácsóng mang con trực giao LTE sử dụng phổ tần một cách thích hợp và mềm dẻo, nó cóthể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz cho tới 20 MHz Tốc độ truyền dữliệu lớn nhất (về lý thuyết) của LTE có thể đạt tới 250 Mb/s khi độ rộng băng tần là 20MHz LTE khác với các công nghệ tiền 4G khác như WiMAX II ở chỗ, nó chỉ sửdụng OFDM ở hướng lên, còn ở hướng xuống nó sử dụng đa truy nhập phân chia theotần số đơn sóng mang để nâng cao hiệu quả trong việc điều khiển công suất và nângcao thời gian sử dụng pin cho thiết bị đầu cuối của khách hàng

UMB (Ultra Mobile Broadband)

Tổ chức chuẩn hóa công nghệ mạng TTDĐ thế hệ thứ ba CDMA2000 3GPP2(3rd Generation Partnership Project 2) được thành lập và phát triển bởi các tổ chứcviễn thông của Nhật Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hãng nhưAlcatel-Lucent, Apple, Motorola, NEC và Verizon Wireless Thành viên của 3GPP2,Qualcomm là hãng đi đầu trong nỗ lực phát triển UMB, mặc dù hãng này cũng chútâm cả vào việc phát triển LTE

UMB dựa trên CDMA (Code Division Multiple Access) có thể hoạt động ởbăng tần có độ rộng từ 1,25 MHz đến 20 MHz và làm việc ở nhiều dải tần số UMBđược đề xuất với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288 Mb/s cho luồng xuống và 75 Mb/scho luồng lên với độ rộng băng tần sử dụng là 20 MHz Công nghệ này sẽ cung cấpkết nối thông qua các sóng mang dựa trên đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

IEEE 802.16m (WiMAX II)

IEEE 802.16 là một chuỗi các chuẩn do IEEE phát triển, chúng hỗ trợ cả cố định(IEEE 802.16-2004) và di động (IEEE 802.16e-2005) IEEE 802.16m (hay còn gọi làWiMAX II) được phát triển từ chuẩn IEEE 802.16e, là công nghệ duy nhất trong cáccông nghệ tiền 4G được xây dựng hoàn toàn dựa trên công nghệ đa truy nhập phânchia theo tần số trực giao OFDMA (kỹ thuật đa truy cập vào kênh truyền OFDM) Công nghệ WiMAX II sẽ hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên tới 100 Mb/s cho cácứng dụng di động và có thể lên tới 1Gb/s cho các người dùng tĩnh Khoảng cách

truyền của WiMAX II là khoảng 2 km ở môi trường thành thị và khoảng 10 km chocác khu vực nông thôn.Hãng Intel đang dẫn đầu về đề xuất sử dụng và phát triểnWiMAX II cho hệ thống 4G, một chiến lược mà các Hãng Alcatel-Lucent, AT&T,Motorola, Nokia, Samsung, Sprint Nextel và các thành viên khác của WiMAX Forumcũng hỗ trợ tích cực

2.5 Sự ảnh hưởng của 4G đến đời sống của con người

 Trong giáo dục, nghệ thuật, khoa học

Nhờ có sự ưu việt của hệ thống 4G, sự tiên tiến của thiết bị đầu cuối, học sinh, sinhviên, các nhà nghiên cứu khoa học có thể trao đổi thông tin hình ảnh, thoại và cácthông tin cần thiết cho việc học tập nghiên cứu mà không có rào cản nào về khoảngcách cũng như ngôn ngữ Thiết bị đầu cuối di động của hệ thống di động thế hệ 4G(điện thoại cầm tay, đồng hồ đeo tay…) có tích hợp camera, có chức năng thông dịchngôn ngữ tự động giúp họ trao đổi thông tin trực tiếp, học sinh sinh viên có thể nhậnnhững chỉ dẫn của giáo viên từ xa…

 Giải trí

Hệ thống di động 4G được sử dụng cho hệ thống tải nội dung, trò chơi và âm nhạc.Những trò chơi hình ảnh động có thể được truy cập ở bất cứ nơi nào trên hệ thống.Những nội dung cực kì phong phú đa dạng về nhạc và phim có thể tải ngay lập tức ởbất cứ nơi đâu, vào bất kì thời gian nào

 Thương mại di động

Hệ thống di động 4G được ứng dụng trong trao đổi và thỏa thuận mua bán hàng hóa.Bằng cách đơn giản là giữ thiết bị di động cầm tay theo tấm quảng cáo hoặc trên tạpchí, người dùng có thể thu được những thông tin liên quan về sản phẩm, từ đó có thểđặt hàng và thanh toán bằng tài khoản thông qua thiết bị di động

 Y tế và chăm sóc sức khỏe

Những dữ liệu về sức khỏe có thể tự động gửi đến bệnh viện theo thời gian thực từ cácthiết bị mang theo trên người của bệnh nhân, nhờ đó các bác sĩ có thể thực hiện việckiểm tra sức khỏe hoặc xử lí tức thì các tình trạng khẩn cấp

 Ứng dụng trong thảm họa thiên tai

Hệ thống di động đóng vai trò là thiết bị thông tin quan trọng trong trường hợp xảy rathảm họa thiên tai, cho phép truyền đi hình ảnh thực trạng của các khu vực xảy rathảm họa Do đó tại những nơi thảm họa không diễn ra, tất cả lãnh đạo chính phủ, cácnhà quản lí, các phương tiện truyền thông đại chúng và người dân nói chung có thểchia sẻ thông tin

+ Access personal medical data: truy cập dữ liệu y tế cá nhân

+ Send personal medical data: gửi dữ liệu y tế cá nhân

+ Advice/information/health analysis: lời khuyên/thông tin/phân tích tình trạng sứckhỏe

+ Introduction to doctors, provision of adequate medicine: hướng dẫn từ bác sỹ, cungcấp thuốc thích hợp

+ Medical data storage centre: trung tâm lưu trữ dữ liệu y tế

+ Personal medical data: dữ liệu y tế cá nhân

+ Hospital/drug store: bệnh viện/ kho thuốc

Dịch vụ cung cấp thông tin y tế sẽ cung cấp cho khách hàng những thông tin chínhxác và đầy đủ về tình trạng sức khỏe Khách hàng sẽ nhận được chỉ dẫn, đơn thuốccủa bác sĩ khi có sự thay đổi về tình trạng sức khỏe từ trung tâm chăm sóc y tế trênthiết bị di động của mình Đồng thời khách hàng có thể truy cập thông tin về sức khỏecủa mình trên thiết bị di động

2.6.2 Hệ thống định vị

Hình 2.5: Hệ thống định vị

Trong đó:

+Monthly charge: phí dịch vụ hàng tháng

+Location info: thông tin vị trí

+Vehicle info: thông tin xe cộ

+Entertainment: giải trí

+Control info: thông tin điều khiển

+Emergency info: thông tin khẩn cấp

+Logistics info: thông tin hậu cần

+Service provider: nhà cung cấp dịch vụ

+Content provider: nhà cung cấp nội dung

+Right holder: người giữ bản quyền

+Content charge: phí nội dung

Người sử dụng có thể truy cập các dịch vụ thông tin dưới đây từ bên trong một chiếc

xe đang chuyển động Những thông tin này sẽ được cung cấp một cách hợp lí phụthuộc thời gian, địa điểm và tính chất người sử dụng

2.6.3.Dịch vụ đặt hàng di động

Hình 2.6: Hệ thống đặt hàng di động

Trong đó:

+ Inquiry Purchase application: yêu cầu mua ứng dụng

+ Product info/Ads: thông tin sản phẩm/quảng cáo

+ Product /Delivery charge: phí sản phẩm, phí phân phối

+ Commission: hoa hồng

+ Application info: thông tin ứng dụng

+ Platform provider: nhà cung cấp nền tảng

+ Ad cost: chi phí quảng cáo

+ Server untilization fee: phí sử dụng server

+ Manulfacture: nhà sản xuất

+ Seller: người bán hàng

+ Transporter: hãng vận chuyển

Cho phép đặt mua các sản phẩm hay thu thập thông tin về sản phẩm một cách dễ dàngnhờ thiết bị đầu cuối di động thông qua tạp chí, sách báo…hay các hình ảnh

2.7 TỔNG QUAN PHÁT TRIỂN 3G LÊN 4G

2.7.1 Quá trình tiêu chuẩn hóa WCDMA/HSPA trong 3GPP :

Chuẩn hóa HSDPA :

Khi phát hành R3 hoàn thành, HSDPA và HSUPA vẫn chưa được đưa vào kếhoạch nghiên cứu Trong năm 2000, khi tiến hành hiệu chỉnh WCDMA và nghiên cứuR4 kể cả TD-SCDMA, người ta nhận thấy rằng cần có một số cải thiện cho truy nhậpgói Để cho phép phát triển này, nghiên cứu khả thi (danh mục nghiên cứu) choHSDPA vào đầu năm 2000 Nghiên cứu này được bắt đầu theo các nguyên tắc của3GPP (phải có ít nhất 4 hãng ủng hộ) Các hãng ủng hộ bắt đầu nghiên cứu HSDPAgồm Motorola và Nokia thuộc phía các nhà máy, và BT/Cellnet, T-Mobile và NTTDoCoMo thuộc phía các nhà khai thác

Nghiên cứu khả thi đã kết thúc tại phiên họp toàn thể TSG RAN Trong danhmục nghiên cứu HSDPA có các vấn đề nghiên cứu để cải thiện truyền dẫn số liệu góiđường xuống so với R3 Các chuyên đề như phát lại lớp vật lý và lập biểu dựa trênBTS đã được nghiên cứu cùng với mã hóa và điều biến thích nghi Cùng với nghiêncứu này đã nghiên cứu công nghệ thu phát nhiều anten (MIMO) và vấn đề chọn nhanhFCS (Fast Cell Selection)

Trong các chuyên đề liên quan đến HSDPA, danh mục nghiên cứu MIMOkhông hoàn thành trong chương trình khung thời gian R5 và R6, và đây là lý do nó cómặt trong các chuyên đề R7 Nghiên cứu khả thi FCS đã đưa ra kết luận, lợi ích nhậnđược không nhiều so với việc tăng thêm độ phức tạp Sau kết luận này không đưa racác nghiên cứu nào về FCS Trong khi tập trung vào ghép song công phân chia theotần số (FDD), ghép song công phân chia theo thời gian (TDD) cũng được đưa vàodanh mục nghiên cứu HSDPA kể cả các giải pháp tương tự cả hai chế độ TDD(TDDbăng hẹp và băng rộng)

Chuẩn hóa HSUPA :