Thông tin di động luôn không ngừng phát triển và ngày càng đòi hỏi các kỹ 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 kỹ thuật và công nghệ. Việc sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông tin diễn ra lần đầu tiên vào cuối thế kỷ 19. Kể từ đó nó trở thành một 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 những 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 số thế hệ thứ hai, hệ thống thông tin di động băng rộng thế hệ thứ ba đang được triển khai trên phạm vi toàn cầu và hệ thống thông tin di 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 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 thứ hai cộng (2.5G), thế hệ thứ ba và thế hệ thứ ba cộng (3.5G). Để đáp ứng các nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ thông tin di động nên ngay từ đầu những năm 90 người ta đã tiến hành nghiên cứu hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba. Liên hiệp Viễn thông Quốc tế bộ phận vô tuyến (ITU-R) đã thực hiện tiêu chuẩn hoá cho hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000. Ở Châu Âu, Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) đã thực hiện tiêu chuẩn hoá phiên bản của hệ thống này với tên gọi là UMTS (Universal Mobile Telecommunication System: Hệ thống viễn thông di động toàn cầu). Hệ thống mới này làm việc ở dải tần 2GHz và cung cấp nhiều loại dịch vụ bao gồm từ các dịch vụ thoại, số liệu tốc độ thấp hiện có đến các dịch vụ số liệu tốc độ cao, video và truyền thanh. Tốc độ cực đại của người sử dụng có thể lên tới 2Mbps. 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 ở các 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 2Gbps. 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 dự kiến sẽ nâng tốc độ của người sử dụng đến STM-1 [1].
Hiện nay, trên các quốc trên thế giới ở hầu hết các nước đã triển khai hệ thống di động 3G. Theo thống kê của hai hãng Informa Telecom & Media và WCIS and 3G America, hiện nay có 181 hãng cung cấp dịch vụ trên 77 quốc gia đã đưa vào khai thác 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 được triển khai và đưa vào khai thác dịch.
Thời kỳ đầu, khi mới triển khai, hệ thống di động thế hệ thứ nhất mới chỉ cung cấp cho người 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 phải triển khai các hệ thống di động 2G, 2.5G để cung cấp dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao hơn. Cùng với Internet, Intranet đang trở thành một trong những hoạt động kinh doanh ngày càng quan trọng, một trong các hoạt động này là xây dựng các công sở vô tuyến để kết nối các cán bộ “di động” với xí nghiệp hoặc công sở của họ. Ngoài ra, tiềm năng to lớn đối với
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 ứng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình ảnh, đồng thời đảm bảo tính kinh tế thì hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (GSM, PDC, IS-136 và cdmaOne) đã từng bước chuyển đổi sang hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba. Khi mà nhu cầu về các dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao tăng mạnh, mà tốc độ của hệ thống 3G hiện tại không đáp ứng được thì các tổ chức viễn thông trên thế giới đã nghiên cứu và chuẩn hóa hệ thống di động 4G.
Quá trình phát triển của thông tin di dộng từ thế hệ thứ nhất đến thế hệ thứ tư được mô tả như sau:
Trong đó
+ TACS (Total Access Communication System): Hệ thống thông tin truy nhập tổng thể.
+ 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 tiến.
+ SMR (Specialized Mobile Radio): Vô tuyến di động chuyên dụng.
+ GSM(900) (Global System for Mobile): Hệ thống thông tin di động toàn cầu băng tần 900MHz.
+ GSM(1900): 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) (Interim Standard – 95 CDMA): Tiêu chuẩn thông tin di động CDMA cải tiến của Mỹ (do Qualcomm đề xuất).
+ GPRS (Genneral Packet Radio System): Hệ thống vô tuyến gói chung. + EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution): Những tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM.
+ cdma2000 1x: Hệ thống cdma2000 giai đoạn 1.
+ WCDMA (Wideband CDMA): Hệ thống CDMA băng rộng. + cdma2000 Mx: Hệ thống cdma2000 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 gói đường xuống tốc độ cao.
- HSUPA (High Speed Uplink Packet Access): Hệ thống truy cập gói đường lên tốc độ cao.
- HSODPA (High Speed OFDM Packet Access): Hệ thống truy cập gói OFDM tốc độ cao.
+ Pre-4G: các hệ thống tiền 4G, gồm có WiMax và WiBro (Mobile Wimax).
+ WiMax: Worldwide Interoperability for Microwave Access
+ WiBro: Wireless Broadband System: Hệ thống băng rộng không dây Có thể khái quát một số nét chính của các công nghệ thông tin di động từ 1G đến 3G như sau:
- Thế hệ thứ nhất 1G:
Thế hệ thông tin di dộng 1G là các hệ thống tương tự, sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA, bắt đầu xuất hiện vào đầu thập niên 80 và hoạt động cho đến khi bị thay thế bởi các thế hệ 2.
Các chuẩn công nghệ phổ biến nhất của thế hệ này là: Hệ thống điện thoại di động cao cấp (AMPS – Advance Mobile Phone System) phát minh bởi Bell Labs và cài đặt tại Mỹ năm 1982. Phiên bản được sử dụng tại châu Âu của AMPS có tên TACS (Total Access Communication System)
- Thế hệ thứ hai 2G:
Thế hệ thứ hai 2G xuất hiện vào những năm 90 với mạng di động đầu tiên, sử dụng kỹ thuật phân chia theo thời gian (TDMA). Trong thời kỳ này nền công nghệ thông tin di động đã tăng trưởng vượt trội cả về số lượng thêu bao và các
dịch vụ gia tăng. Các mạng thế hệ thứ hai cho phép truyền dữ liệu hạn chế trong khoảng từ 9.6kbps đến 19.2 kbps, chủ yếu sử dụng cho mục đích thoại và là các mạng chuyển mạch kênh.
Không có một chuẩn chung nào cho 2G nhưng chủ yếu các hệ thống 2G dựa trên các chuẩn công nghệ sau:
D- AMPS (Digital AMPS): được sử dụng tại Bắc Mỹ và đang dần được
thay thế bởi GSM / GPRS và CDMA2000. D-AMPS sử dụng kênh AMPS sẵn có và cho phép chuyển đối giữa các hệ thống số và tương tự trong cùng một khu vực diễn ra AMPS chia mỗi cặp kênh 30kHz thành 3 khe thời gian và nén dữ liệu thoại theo các phương pháp số. Hệ thống số cũng làm cho các cuộc gọi trở nên an toàn hơn cho người sử dụng các phương pháp mã mật.
GSM (Global System for Mobile Comunication): Các hệ thống triển
khai GSM được sử dụng rất rộng rãi trên thế thời (trừ Bắc Mỹ và Nhật). Hệ thống GSM dồn kênh phân chia tần số được sử dụng, với mỗi đầu cuối di động truyền thông trên một tần số và nhận thông tin trên một tần số khác cao hơn (chênh lệch 80MHz trong D-AMPS và 55MHz trong GSM). Trong cả hai hệ thống, phương pháp dồn kênh phân chia thời gian lại được áp dụng cho một cặp tần số, làm tăng khả năng cung cấp dịch vụ đồng thời của hệ thống. Tuy nhiên, các kênh GSM rộng hơn các kênh AMPS (200kHz so với 30kHz) qua đó GSM cung cấp độ truyền dữ liệu cao hơn D-AMPS.
CDMA (Code Division Multiple Access): D-AMPS và GSM là các hệ
thống tương đối truyền thống, chúng sử dụng cả hai công nghệ FDM và TDM để chia phổ tần số ra thành các kênh và các kênh này được gán với các khe thời gian. CDMA sử dụng công nghệ đa truy cập thông qua mã. Nhờ công nghệ này mà CDMA có thể nâng cao dung lượng cung cấp đồng thời các cuộc gọi trong một cell cao hơn hẳn so với 2 công nghệ trên. Thông qua Qualcomm, CDMA đã phát triển và trở thành một giải pháp công nghệ tốt nhất và trở thành nền tảng của các hệ thống di động thế hệ thứ 3.
PDC (Personal Digital Cellular): là chuẩn được phát triển và sử dụng duy
nhất tại Nhật Bản. Giống như D-AMPS và GSM, PDC sử dụng TDMA. Chuẩn PDC được NTTDoCoMo đưa vào triển khai trong dịch vụ Digital MOVA vào tháng 3/1993. PDC sử dụng tần số mạch gói là 28.8kHz, 3 khe thời gian, đạt tốc độ chuyển mạch kênh là 9.6kbps và chuyển mạch gói là 28.8kHz. PDC hoạt động hai băng tần 800MHz và 1.5GHz.
Cải tiến từ các mạng 2G, các mạng 2.5G như GPRS sử dụng chuyển mạch kênh cho thoại và chuyển mạch gói cho dữ liệu, đã trở nên phổ biến vì phương thức chuyển mạch gói sử dụng băng thông hiệu quả hơn rất nhiều, băng thông
tốc độ tối đa lên tới 171.2kbps (thực tế là 33kbps). Trong hệ thống này, tất cả các gói tin của mỗi người dùng đều cạnh tranh băng thông với nhau và người dùng chỉ bị tính cước cho lượng dữ liệu được gửi đi.
- Thế hệ thứ ba 3G:
Tiếp theo, các mạng 3G đã được đề xuất để khắc phục những nhược điểm của các mạng 2G và 2.5G đặc biệt ở tốc độ thấp và không tương thích giữa các công nghệ như TDMA và CDMA giữa các nước.
Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-200 (International Mobile Telecommunication-2000) cho hệ thống 3G với các ưu điểm chính được mong đợi đem lại bởi hệ thống 3G là:
- Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao
- Các dịch vụ tin nhắn (e-mail, fax, SMS, chat, ...)
- Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, xem truyền hình, nghe nhạc,...)
- Truy nhập Internet (duyệt Web, tải tài liệu, ...)
- Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương thích toàn cầu giữa các hệ thống.
Để thoả mãn các dịch vụ đa phương tiện cũng như đảm bảo khả năng truy cập Internet băng thông rộng, IMT-2000 hứa hẹn cung cấp băng thông 2Mbps, nhưng thực tế triển khai chỉ ra rằng với băng thông này việc chuyển giao rất khó, vì vậy chỉ có các người sử dụng không di động mới được đáp ứng băng thông kết nối này, còn khi đi bộ băng thông sẽ là 384 Kbps, khi di chuyển bằng ô tô sẽ là 144Kbps.
Theo đặc tả của ITU một công nghệ toàn cầu sẽ được sử dụng trong mọi hệ thống IMT-2000, điều này dẫn đến khả năng tương thích giữa các mạng 3G trên toàn thế giới. Tuy nhiên, hiện nay trên thế giới tồn tại hai công nghệ 3G chủ đạo: UMTS (W-CDMA) và CDMA2000[1,6,13].
UMTS (W-CDMA)
UMTS (Universal Mobile Telephone System), dựa trên công nghệ W- CDMA, là giải pháp được ưa chuộng cho các nước đang triển khai các hệ thống GSM muốn chuyển lên 3G. UMTS được hỗ trợ bởi Liên Minh Châu Âu và được quản lý bởi 3GPP (third Generation Partnership Project), tổ chức chịu trách nhiệm cho các công nghệ GSM, GPRS. UMTS hoạt động ở băng thông 5MHz, cho phép các cuộc gọi có thể chuyển giao một cách hoàn hảo giữa các hệ thống UMTS và GSM đã có.
Một chuẩn 3G quan trọng khác là CDMA2000, chuẩn này là sự tiếp nối đối với các hệ thống đang sử dụng công nghệ CDMA trong thế hệ 2. CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2, một tổ chức độc lập và tách rời khỏi 3GPP của UMTS. CDMA2000 có tốc độ truyền dữ liệu từ 144Kbps đến Mbps. Hệ thống CDMA2000 không có khả năng tương thích với các hệ thống GSM hoặc D- AMPS của thế hệ thứ 2.
Hiện nay, đã có nhiều nỗ lực hướng đến thống nhất hai chuẩn này thành một chuẩn chung, nhưng thực tế thì vấn đề ngăn cản tiến trình thống nhất này không đến từ các vấn đề kỹ thuật công nghệ mà chủ yếu từ vấn đề trong các lĩnh vực nhạy cảm như: kinh tế, chính trị.
Các ích lợi đem lại từ việc triển khai 3G là không thể chối cãi, tuy nhiên, các khó khăn trong việc duy trì nguồn ngân sách cho triển khai các hệ thống này (chi phí mua quyền sử dụng băng tần (licese), chi phí triển khai hệ thống) trong bối cảnh suy thoái kinh tế thế giới đã cản trở việc triển khai 3G tại nhiều quốc gia. Hiện tại chỉ có Nhật Bản và Hàn Quốc đã triển khai thành công các hệ thống điện thoại di động thế hệ 3.