Niên luận tìm hiểu công nghệ 3g

Để đápứng được nhu cầu đó của con người các công nghệ thông tin di động đã được ra đời vàngày càng phát triển, ban đầu với công nghệ 0G, 1G đã cho phép mọi người liên lạc vớinhau thuận t

Mục lục

LỜI NÓI ĐẦU

Ở Việt Nam trong những năm gần đây, ngành công nghiệp viễn thông nói chung

và thông tin di động nói riêng đã có những bước phát triển vượt bậc Từ chỗ có hai nhàcung cấp dịch vụ di động, cho đến nay đã có bảy nhà cung cấp dịch vụ di động Cùng với

đó, số lượng thuê bao di động không ngừng tăng lên, yêu cầu của khách hàng sử dụngdịch vụ di động cũng ngày một cao hơn Điện thoại di động giờ đây không chỉ để dùng đểnghe gọi như trước nữa, mà nó đã trở thành một thiết bị đầu cuối di động với đầy đủ cáctính năng để phục vụ mọi nhu cầu của con người

Thông tin di động đóng một vai trò hết sức quan trọng trong cuộc sống của chúng

ta Nhờ có thông tin di động mà mọi người trên toàn thế giới có thể liên lạc với nhau mộtcách dễ dàng, tuy nhiên nhu cầu con người là rất lớn, bởi mọi người không chỉ đơn thuần

là liên hệ với nhau mà họ còn muốn có các dịch vụ truyền thông đa phương tiện Để đápứng được nhu cầu đó của con người các công nghệ thông tin di động đã được ra đời vàngày càng phát triển, ban đầu với công nghệ 0G, 1G đã cho phép mọi người liên lạc vớinhau thuận tiện hơn, sau đó là công nghệ 2G (như GSM) đã cho phép mọi người sử dụngnhiều dịch vụ hơn qua mạng thông tin di động, tuy nhiên cho tới nay thì cả công nghệ 3G(UMTS) và công nghệ 3.5G đã ra đời và phát triển rất mạnh nó cho phép rất nhiều dịch

vụ đa phương tiện như truyền hình ảnh, âm thanh chất lượng cao, và đã phần nào thỏamãn được nhu cầu rất lớn của người dùng

Với bài niên luận “Tìm hiểu công nghệ 3G” sẽ cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về

từng giai đoạn phát triển của công nghệ thông tin di động qua việc so sánh chúng Do thời

gian nghiên cứu có hạn nên bài niên luận không tránh khỏi những thiếu sót nhất định rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và những người quan tâm tới đề tài này

Em xin chân thành cảm ơn!

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Cần Thơ, ngày… tháng……năm 2016

Giáo viên hướng dẫn

Nguyễn Vĩnh Thành

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

2G The Second Generation Hệ thống di động thế hệ 2

3GPP Third Generation Partnership Project Dự án đối tác thế hệ thứ 3 3GPP2 Third Generation Partnership Project 2 Dự án 2 đối tác thế hệ thứ 3

ADSL Asymmmetic Digital Subscriber Line Dường dây thuê bao số bất

đối xứng BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

mã

EDGE Enhanced Data Rates for GSM

Evolution

Cải thiện tốc độ số liệu cho phát triển GSM

DSL Digital Subscriber Line Đường thuê bao số

GPRS General Packt Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chung GPS Global Position System Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global System for Moblie

Communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

IMT-2000 International Mobile

Telecommunications-2000

Viễn thông di động quốc tế 2000

IS-54 Interim Standard – 54 Tiêu chuẩn thông tin di động

TDMA cải tiến của Mỹ (do

AT&T đề xuất) IS-95 Interim Standard – 95 Tiêu chuẩn thông tin di động

TDAM của Mỹ ISDN Integrated Services Digital Netword Mạng số dịch vụ tích hợp ITU International Telecommunication

Union

Liên minh viễn thông quốc tế

MMS Multimedia Messaging Services Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện

PSTN Public Switched Telephone

UMTS Universal Mobile

Chương 1 SƠ LƯỢC VỀ CÔNG NGHỆ MẠNG 1G VÀ MẠNG 2G

I Công nghệ mạng 1G

Là mạng thông tin di động không dây cơ bản đầu tiên trên thế giới Nó là hệ thốnggiao tiếp thông tin qua kết nối tín hiệu analog được giới thiệu lần đầu tiên vào những nămđầu thập niên 80s Nó sử dụng các ăng-ten thu phát sóng gắn ngoài, kết nối theo tín hiệuanalog tới các trạm thu phát sóng và nhận tín hiệu xử lý thoại thông qua các module gắntrong máy di động Chính vì thế mà các thế hệ máy di động đầu tiên trên thế giới có kíchthước khá to và cồng kềnh do tích hợp cùng lúc 2 module thu tín hiện và phát tín hiệu nhưtrên

Hình 1 Tiêu biểu cho thế hệ mạng di động 1G là các thiết bị thu phát tin hiệu analog to

và khá kềnh càng

Mặc dù là thế hệ mạng di động đầu tiên với tần số chỉ từ 150MHz nhưng mạng 1G cũngphân ra khá nhiều chuẩn kết nối theo từng phân vùng riêng trên thế giới: NMT (NordicMobile Telephone) là chuẩn dành cho các nước Bắc Âu và Nga;

AMPS (Advanced Mobile Phone System) tại Hoa Kỳ; TACS (Total AccessCommunications System) tại Anh; JTAGS tại Nhật; C-Netz tại Tây Đức; Radiocom 2000tại Pháp; RTMI tại Ý.

II Công nghệ mạng 2G

1 Khái niệm

2G (Second-Generation wireless telephone technology) là mạng điện thoại di độngthế hệ thứ 2 Đặc điểm khác biệt nổi bật giữa mạng điện thoại thế hệ đầu tiên (1G) vàmạng 2G là sự chuyển đổi từ điện thoại dùng tín hiệu tương tự sang tín hiệu số Tùy theo

kỹ thuật đa truy cập, mạng 2G có thể phân ra 2 loại: mạng 2G dựa trên nền TDMA (TimeDivision Multiple Access) và mạng 2G dựa trên nền CDMA (Code Division MultipleAccess)

Trong đó, TDMA là phương thức đa truy cập phân chia theo thời gian còn CDMA làphương thức đa truy cập phân chia theo mã Trong kỹ thuật CDMA, tín hiệu của mỗingười dùng (user) sẽ được dàn trải (spreading) bằng một mã xác định trực giao (hoặc giảtrực giao) với nhau Tín hiệu truyền sẽ là tín hiệu chồng chập của nhiều người dùng khácnhau theo thời gian và trên cùng một băng tần số

- Siêu bảo mật (High Security)

- Nhiều dịch vụ kèm theo như truyền dữ liệu, fax, SMS (tin nhắn),…

- Phần lớn điện thoại di động ngày nay đều có tiêu chuẩn 2G và sử dụng GSM –

hệ thống di động kỹ thuật số được sử dụng rộng rãi nhất

3 Các chuẩn chủ yếu của công nghệ 2G bao gồm

a GSM

GSM (thuộc TDMA) có nguồn gốc từ châu Âu, nhưng đã được sử dụng trên tất cảcác quốc gia ở 6 lục địa Ngày nay, công nghệ GSM vẫn còn được sử dụng với 80% điệnthoại di động trên thế giới

GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới Khảnăng phủ sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ biến trên thế giới,cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng trên thế giới GSMkhác với các chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu và tốc độ, chất lượng cuộc gọi Nó

được xem như là một hệ thống ĐTDĐ thế hệ thứ hai (second generation, 2G) GSM làmột chuẩn mở, hiện tại nó được phát triển bởi 3rd Generation Partnership Project (3GPP)Đứng về phía quan điểm khách hàng, lợi thế chính của GSM là chất lượng cuộc gọi tốthơn, giá thành thấp và dịch vụ tin nhắn Thuận lợi đối với nhà điều hành mạng là khảnăng triển khai thiết bị từ nhiều người cung ứng GSM cho phép nhà điều hành mạng cóthể sẵn sàng dịch vụ ở khắp nơi, vì thế người sử dụng có thể sử dụng điện thoại của họ ởkhắp nơi trên thế giới

* Giao diện vô tuyến:

GSM là mạng điện thoại di động thiết kế gồm nhiều tế bào (cell) do đó các máyđiện thoại di động kết nối với mạng bằng cách tìm kiếm các cell gần nó nhất Các mạng diđộng GSM hoạt động trên 4 tần số Hầu hết thì hoạt động ở tần số 900 MHz và

1800 MHz Vài nước ở Châu Mỹ thì sử dụng tần số 850 MHz và 1900 MHz do tần số

900 MHz và 1800 MHz ở nơi này đã bị sử dụng trước

Và cực kỳ hiếm có mạng nào sử dụng tần số 400 MHz hay 450 MHz chỉ có

ở Scandinavia sử dụng do các băng tần khác đã bị cấp phát cho việc khác

Các mạng sử dụng tần số 900 MHz thì đường lên (từ thuê bao di động đến trạm truyềndẫn uplink) sử dụng tần số trong dải 890–915 MHz và đường xuống downlink sử dụngtần số trong dải 935–960 MHz Và chia các băng tần này thành 124 kênh với độ rộngbăng thông 25 MHz, mỗi kênh cách nhau 1 khoảng 200 kHz Khoảng cách song công(đường lên & xuống cho 1 thuê bao) là 45 MHz

Ở một số nước, băng tần chuẩn GSM900 được mở rộng thành E-GSM, nhằm đạtđược dải tần rộng hơn E-GSM dùng 880–915 MHz cho đường lên và 925–960 MHz chođường xuống Như vậy, đã thêm được 50 kênh (đánh số 975 đến 1023 và 0) so với băng

GSM-900 ban đầu E-GSM cũng sử dụng công nghệ phân chia theo thời gian TDM (time division multiplexing), cho phép truyền 8 kênh thoại toàn tốc hay 16 kênh thoại bán tốc

trên 1 kênh vô tuyến Có 8 khe thời gian gộp lại gọi là một khung TDMA Các kênh bántốc sử dụng các khung luân phiên trong cùng khe thời gian Tốc độ truyền dữ liệu cho cả

8 kênh là 270.833 kbit/s và chu kỳ của một khung là 4.615 m

Công suất phát của máy điện thoại được giới hạn tối đa là 2 watt đối với băngGSM 850/900 MHz và tối đa là 1 watt đối với băng GSM 1800/1900 MHz

* Mã hóa âm thanh:

GSM sử dụng khá nhiều kiểu mã hóa thoại để nén tần số audio 3,1 kHz vào trongkhoảng 6.5 and 13 kbit/s Ban đầu, có 2 kiểu mã hoá là bán tốc (haft rate -5.6 kbps)và

toàn tốc (Full Rate -13 kbit/s)) Để nén họ sử dụng hệ thống có tên là mã hóa dự đoán tuyến tính (linear predictive coding -LPC)

GSM được cải tiến hơn vào năm 1997 với mã hóa EFR (mã hóa toàn tốc cải tiến-Enhanced Full Rate), kênh toàn tốc nén còn 12.2 kbit/s Sau đó, với sự phát triển củaUMTS, EFR được tham số lại bởi kiểu mã hóa biến tốc, được gọi là AMR-Narrowband

Có tất cả bốn kích thước cell site trong mạng GSM đó là macro, micro, pico vàumbrella Vùng phủ sóng của mỗi cell phụ thuộc nhiều vào môi trường Macro cell đượclắp trên cột cao hoặc trên các toà nhà cao tầng, micro cell lại được lắp ở các khu thành thị,khu dân cư, pico cell thì tầm phủ sóng chỉ khoảng vài chục mét trở lại nó thường được lắp

để tiếp sóng trong nhà Umbrella lắp bổ sung vào các vùng bị che khuất hay các vùngtrống giữa các cell

Bán kính phủ sóng của một cell tuỳ thuộc vào độ cao của anten, độ lợi antenthường thì nó có thể từ vài trăm mét tới vài chục km Trong thực tế thì khả năng phủ sóng

xa nhất của một trạm GSM là 35 km (22 dặm)

Một số khu vực trong nhà mà các anten ngoài trời không thề phủ sóng tới như nhà ga, sânbay, siêu thị thì người ta sẽ dùng các trạm pico để chuyển tiếp sóng từ các anten ngoàitrời vào

* Cấu trúc mạng GSM:

Hình 2 Cấu trúc mạng GSM

Một mạng GSM để cung cấp đầy đủ các dịch vụ cho khách hang cho nên nó khá phức tạp

vì vậy sau đây sẽ chia ra thành các phần như sau: chia theo phân hệ:

- Phân hệ chuyển mạch NSS: Network switching SubSystem

- Phân hệ vô tuyến RSS = BSS + MS: Radio SubSystem

- Phân hệ vận hành và bảo dưỡng OMS: Operation and Maintenance SubSystem

+ BSS Base Station Subsystem = TRAU + BSC + BTS

TRAU: Bộ chuyển đổi mã và phối hợp tốc độ

- Điều khiển một số trạm BTS xử lý các bản tin báo hiệu

- Khởi tạo kết nối

- Điều khiển chuyển giao: Intra & Inter BTS HO

- Kết nối đến các MSC, BTS và OMC

Chức năng của BTS:

- Thu phát vô tuyến

- Ánh xạ kênh logic vào kênh vật lý

- Mã hóa và giải mã

- Mật mã / giải mật mã

- Điều chế / giải điều chế.

BSS nối với NSS thông qua luồng PCM cơ sở 2 Mbps

+ Mạng và hệ thống chuyển mạch Network and Switching Subsystem (phần này gần

giống với mạng điện thoại cố định) Đôi khi người ta còn gọi nó là mạng lõi (core network).

+ Phần mạng GPRS (GPRS care network) Phần này là một phần lắp thêm để cung cấp

dịch vụ truy cập Internet

+ Và một số phần khác phục vụ việc cung cấp các dịch vụ cho mạng GSM như gọi, hay nhắn tin SMS

+ Máy điện thoại - Mobile Equipment

+ Thẻ SIM (Subscriber identity module)

* Modul nhận dạng thuê bao (Subscriber identity module):

Một bộ phận quan trọng của mạng GSM là modul nhận dạng thuê bao, còn đượcgọi là thẻ SIM SIM là 1 thẻ nhỏ, được gắn vào máy di động, để lưu thông tin thuê bao vàdanh bạ điện thoại Các thông tin trên thẻ SIM vẫn được lưu giữ khi đổi máy điện thoại.Người dùng cũng có thể thay đổi nhà cung cấp khác, nếu đổi thẻ SIM

Một số rất ít nhà cung cấp dịch vụ mạng ngăn cản điều này bởi việc chỉ cho phép 1 máydùng 1 SIM hay dùng SIM khác, nhưng do họ sản xuất, được gọi là tình trạng Khóa SIM

Ở Australia, Bắc Mỹ và châu Âu, một số nhà khai thác mạng viễn thông tiến hành khóamáy di động họ bán

Lý do là giá của các máy này được những nhà cung cấp đó tài trợ, và họ khôngmuốn người dùng mua máy đó để xài cho hãng khác Người dùng cũng có thể liên hệ vớinhà sản xuất để đăng ký gỡ bỏ khóa máy Số được khóa theo máy di động là số Nhậndạng máy di động quốc tế IMEI (International Mobile Equipment Identity), chứ khôngphải số thuê bao

Một vài nước như Bangladesh, Belgium, Costa Rica, India, Indonesia, Malaysia,

và Pakistan tất cả các máy di động đều được bỏ khóa (Tất nhiên, cả Việt Nam nữa)

b IS 95

Tiêu chuẩn tạm thời 95 (IS-95) là công nghệ di động kỹ thuật số CDMA đầu tiên

Nó được phát triển bởi Qualcomm và sau đó thông qua như là một tiêu chuẩn của Hiệphội Công nghiệp Viễn thông trong TIA / EIA / IS-95 phát hành xuất bản vào năm 1995.Tên độc quyền cho IS-95 là cdmaOne

Nó là một 2G tiêu chuẩn viễn thông di động có sử dụng công nghệ CDMA, một chươngtrình đa truy nhập cho đài phát thanh kỹ thuật số, để gửi thoại, dữ liệu và dữ liệu báo hiệu(chẳng hạn như một số điện thoại gọi đi) giữa máy điện thoại di động và các trang web diđộng

CDMA (Code Division Multiple Access) là một hệ thống radio kỹ thuật số màtruyền dòng bit (mã PN) CDMA cho phép nhiều sóng vô tuyến để chia sẻ những tần sốtương tự Không giống như TDMA (Time Division Multiple Access), một hệ thống cạnhtranh được sử dụng trong 2G GSM, tất cả các đài có thể hoạt động tất cả các thời gian, bởi

vì dung lượng mạng không trực tiếp hạn chế số lượng radio hoạt động Kể từ khi nhiều sốcủa điện thoại có thể được phục vụ bởi một số lượng nhỏ tế bào, các trang web, các tiêuchuẩn CDMA có một lợi thế đáng kể về kinh tế so với các chuẩn TDMA-based, hoặc cáctiêu chuẩn di động lâu đời nhất được sử dụng ghép kênh phân chia tần số

Tại Bắc Mỹ, công nghệ cạnh tranh với Digital AMPS (IS-136, một công nghệTDMA) Nó đã được thay thế bằng IS-2000 (CDMA2000), một tiêu chuẩn CDMA sau

IS-95 còn được gọi là aka cdmaOne (thuộc CDMA, thường được gọi ngắn gọn làCDMA tại Mỹ) được sử dụng chủ yếu ở châu Mỹ và một số vùng ở châu Á

Ngày nay, những thuê bao sử dụng chuẩn này chiếm khoảng 17% trên toàn thế giới Hiệntại, ở các nước Mexico, Ấn Độ, Úc và Hàn Quốc có rất nhiều nhà cung cấp mạng CDMAchuyển sang cung cấp GSM

c PDC

PDC thuộc TDMA, là mạng tư nhân, được Nextel sử dụng tại Mỹ, và TelusMobility triển khai ở Canada

d IS-136 aka D-AMPS

IS-136 thuộc TDMA thường được gọi tắt là TDMA tại Mỹ đã từng là mạng lớn

nhất trên thị trường Mỹ nay đã chuyển sang GSM

Một nỗ lực thực dụng được đưa ra để cải thiện IS-54 mà cuối cùng đã thêm mộtkênh bổ sung cho các thiết kế lai IS-54 Không giống như IS-54, IS-136 sử dụng ghépkênh phân chia thời gian cho cả thoại và kiểm soát truyền kênh Kênh điều khiển kỹ thuật

số cho phép tăng đáng kể thời gian chờ của pin, một số các ứng dụng nhắn tin, qua việckích hoạt đám mây và các ứng dụng dữ liệu mở rộng IS-136 hệ thống cần thiết để hỗ trợhàng triệu điện thoại AMPS, hầu hết trong số đó được thiết kế và sản xuất trước khi IS-54

và IS-136 được xem xét IS-136 bổ sung thêm một số tính năng ở bản gốc IS-54 về đặcđiểm kỹ thuật, bao gồm cả tin nhắn văn bản, chuyển mạch dữ liệu (CSD), và một giaothức nén được cải thiện IS-136 kênh giao thông TDMA sử dụng π/4 DQPSK điều chế tạimột 24.3- kilobaud tỷ lệ kênh và cung cấp cho một 48,6 kbit/s tốc độ dữ liệu hiệu quảthông qua 6 khe thời gian gồm một khung trong kênh 30 kHz

4 Ưu điểm & nhược điểm của mạng 2G

+ Hệ thống kỹ thuật số được thiết kế giảm bớt năng lượng sóng radio phát từ diện thoại.Nhờ vậy, có thể thiết kế điện thoại 2G nhỏ gọn hơn, đồng thời giảm chi phí đầu tư nhữngtháp sóng

Mạng 2G trở nên phổ biến cũng do công nghệ này có thể triển khai một số dịch vụ

dữ liệu như Email và SMS (tin nhắn) Đồng thời, mức độ bảo mật cá nhân cũng cao hơn

so với mạng 1G

b Nhược điểm:

Những nơi dân cư thưa thớt, sóng kỹ thuật số yếu có thể không tới được các thápphát sóng Tại những địa điểm như vậy, chất lượng truyền sóng cũng như chất lượng cuộcgọi sẽ bị giảm đi đáng kể

Chương 2 CÔNG NGHỆ MẠNG 3G

I Khái niệm

3G, hay 3-G (Third Generation Technology) là công nghệ truyền thông thế hệ thứ

ba, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắnnhanh, hình ảnh,…) 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển mạchkênh

Điểm mạnh của công nghệ này so với công nghệ 2G và 2.5G là cho phép truyền,nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao

di động ở các tốc độ khác nhau Với công nghệ 3G, các nhà cung cấp có thể mang đếncho khách hàng các dịch vụ da phương tiện như nghe nhạc, xem phim chất lượng cao,truyền hình số, định vị toàn cầu (GPS), E-mail, lướt web, chơi game,…

II Lộ trình phát triển lên 3G

- Truyền video:

+ 3G được thiết kế để cung cấp băng tần cao hơn, hỗ trợ cho cả hai dịch vụ thoại

và dữ liệu multimedia như audio, video

+ Tốc độ tải về của thiết bị 3G là 128 Kbps (khi sử dụng trong ôtô), 283 kbps ( khi thiết bị đứng yên hoặc chuyển động với tốc độ đi bộ) và 2Mbps từ các vị trí cố định

Mạng 3G bao gồm:

- Mạng UMTS sử dụng kỹ thuật WCDMA được chuẩn hóa bởi 3GPP

- Mạng CDMA2000 chuản hóa bởi 3GPP2

-Mạng TD-SCDMA được phát triển ở Trung Quốc

- Mạng FOMA được phát triển ở Nhật Bản bởi NTT DoCoMo cuối năm 2000, dùng kỹ thuật WCDMA

2 Các mạng 3G chính

Có 2 mạng chính được xây dựng trên nền tảng công nghệ 3G: UMTS (UniversalMoblie Telephone Service) – hiện đang được triển khai trên mạng GSM sẵn có vàCDMA2000 – mang đến khả năng truyền tải dữ liệu ở mức 3G cho mạng CDMA Tốc độcủa hai mạng này có thể sánh bằng với chất lượng của kết nối DSL (Digital SubcriberLine)

3 Các chuẩn di động thuộc 3G

3G bao gồm 3 chuẩn chính: CDMA, CDMA2000, và TDSCDMA Chuẩn CDMA có hai chuẩn con thành phần là UMTS và FOMA

W-a W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access)

Là chuẩn liên lạc 3G song hành cùng với chuẩn GSM W-CDMA là công nghệ nềntảng cho các công nghệ 3G khác như UMTS và FOMA

W-CDMA được tập đoàn ETSI NTT DoCoMo (Nhật Bản) phát triển riêng cho mạng 3G FOMA Sau đó, NTT DoCoMo đã trình đặc tả này lên Hiệp hội truyền thông quốc tế (ITU) và xin công nhận dưới danh nghĩa một thành viên của chuẩn 3G quốc tế có tên IMT-2000 ITU đã chấp nhận W-CDMA là thành viên của IMT-2000 và sau đó chọn W-CDMA là giao diện nền tảng cho UMTS