Hệ thống thụng tin di động 2G và nền tảng CDMA

Chương 4 : Cỏc mạng truy nhập khụng dõy băng rộng

4.2 Phỏt triển của truy nhập vụ tuyến hội tụ đến 4G

4.2.1 Hệ thống thụng tin di động 2G và nền tảng CDMA

4.2.1.1 GSM

Hỡnh 4.4: Sự phỏt triển lờn 4G từ cỏc cụng nghệ WAN

Trong những năm đầu của thập kỷ 1980, hội nghị viễn thụng và bưu điện chõu Âu (CEPT) đưa ra nhúm di động đặc biệt (Group Special Mobile) với mục tiờu là phỏt triển chuẩn Pan-European cho thụng tin tế bào số. Dự ỏn này cú tờn là GSM và hệ thống thực

EDGE/ IS-136HS HSDPA Cdma2000 1x EV 2nd Generation (~ 1998) 2.5th Generation (~2000~) 3rd Generation (2002~) Mobile Multimedia - Integrated Packet Data 4th Generation (~2010~) GSM IS-136/CDPD IS-95A PDC 7-28.8 kbps HSCSD/GPRS IS-136+(PRS) IS-95B 57-115 kbps cdma2000(1x) 0.144 ~2 Mbps ~ 10 Mbps ~ 100 Mbps /1Gbps W-CDMA

Facebook: Khoi.utc@gmail.com 60

hiện cỏc chuẩn tương ứng, hệ thống tồn cầu cho thụng tin di động, cũng được viết tắt là GSM.

Từ đú đến nay, cỏc mạng GSM, kể cả mạng GSM theo khỏi niệm gốc hoặc cỏc phỏt triển của nú, phỏt triển rộng khắp trờn thế giới và được coi là kế hoạch thành cụng. Cỏc hệ thống GSM hoạt động ở dải tần khoảng 900 MHz (GSM-900), 1.8 GHz (gsm- 1800), hoặc 1.9GHz (GSM-1900). GSM-900 là mạng tế bào GSM gốc đỏp ứng cỏc vựng rộng lớn (macro cell) và để hoạt động với cỏc đầu cuối nguồn lớn. GSM sử dụng TDMA với tốc độ dữ liệu thấp cỡ trờn dưới 10kbps.

4.2.1.2 IS-95

Vào cuối những năm 1980 và đầu những năm 1990, QUALCOMM, Inc. của San Diego đưa ra đa truy nhập phõn chia theo mĩ, CDMA. Cỏc thử nghiệm và việc chế tạo mạng thành cụng đĩ đưa TIA và EIA chấp nhận hệ thống QUALCOMM như chuẩn tạm thời của họ, "TIA/EIA/IS-95 - chuẩn tương thớch giữa trạm gốc -trạm di động cho hệ thống di động trải phổ băng rộng hai chế độ".

Cỏc đặc điểm kỹ thuật của TIA/EIA/IS-95 được thiết lập để hệ thống hoạt động ở hai chế độ cơ bản (tương tự và số), cả hai chế độ trong cựng dải tần. Khả năng hoạt động ở hai chế độ thuận tiện cho việc chuyển tiếp từ mụi trường tương tự sang mụi trường số. Mặc dự tương thớch, cỏc hệ thống số và tương tự khỏ khỏc nhau. TIA/EIA/IS-95 hỗ trợ kỹ thuật trải phổ liờn tục trực tiếp với cỏc kờnh kộp băng thụng 1.25 MHz.

Việc hai hệ thống số và tương tự cựng tồn tại tức là cỏc trạm di động hai chế độ cú thể đặt và nhận cỏc cuộc gọi từ bất cứ hệ thống nào và ngược lại, tất cả cỏc hệ thống cú thể đặt và nhận cỏc cuộc gọi từ bất cứ trạm di động nào. Cỏc hoạt động ngược lại như miờu tả trờn yờu cầu một số chỳ ý. Một trạm di động cú thể khởi tạo một cuộc gọi với hệ thống CDMA và trong khi cuộc gọi vẫn đang trong quỏ trỡnh xử lý, nú cú thể chuyển sang hệ thống tương tự, nếu cú yờu cầu.

Một số đổi mới đĩ được đưa vào hệ thống CDMA so với cỏc hệ thống tế bào ban đầu. Chuyển giao mềm chớnh là một điểm mới ngồi ra cũn cú những sự đổi mới khỏc được đưa ra trọng hệ thống CDMA như là việc sử dụng cỏc bộ thu hệ thống định vị tồn cầu (GPS) tại cỏc trạm gốc. Cỏc hệ thống CDMA ban đầu được sử dụng với cỏc đặc tớnh kỹ thuật TIA/EIA/IS-95.

Cỏc đặc tớnh kỹ thuật của version A được phỏt triển lện TIA/EIA/IS-94B, trong đú cỏc đặc tớnh mới cú liờn quan tới truyền dữ liệu tốc độ cao hơn, cỏc thuật toỏn chuyển giao mềm, cỏc kỹ thuật điều khiển năng lượng. Tờn cdmaOne được sử dụng để xỏc định hoạt động với cụng nghệ CDMA với kỹ thuật khỏc.

Facebook: Khoi.utc@gmail.com 61

4.2.1.3 GPRS

Để hỗ trợ một cỏch hiệu quả một vài loại lưu lượng tạo ra bởi nhiều loại ứng dụng, mạng tổng hộp phải cung cấp được cỏc dịch vụ dữ liệu gúi. Với mục tiờu ấy, ba cụng nghệ dữ liệu, được đưa vào cỏc hệ thống vụ tuyến, xuất hiện một xen nhau để sử dụng cho cỏc ứng dụng gúi trong cỏc mạng vụ tuyến: Dịch vụ vụ tuyến gúi chung (GPRS), TIA/EIA/IS-95B, và dữ liệu tốc độ cao (HDR).

Việc đưa ra GPRS trong mạng vụ tuyến di động cho phộp cải thiện khả năng của hệ thống GSM sẵn cú, một số cải thiện chớnh là :

 Sử dụng cả hai loại dịch vụ chuyển mạch kờnh và dịch vụ chuyển mạch gúi.

 Sử dụng tài nguyờn vụ tuyến tốt hơn.

 Tớnh cước dựa trờn dung lượng.

4.2.2 Hệ thống 3G

4.2.2.1 IMT-2000

Khỏi niệm hệ thống di động thế hệ thứ 3 (3G) được đưa ra bởi IMT-2000. Về cốt lừi, một hệ thống 3G phải cung cấp:

 Cỏc dịch vụ đa phương tiện, trong cỏc hoạt động chế độ kờnh và gúi.

 Cỏc lĩnh vực người sử dụng như tư nhõn, cụng cộng, thương mại, dõn cư, và cỏc lĩnh vực khỏc.

 Cỏc mạng dựa trờn mặt đất và vệ tinh.

 Thiết bị bỏ tỳi cỏ nhõn, thiết bị trờn xe cộ, và bất cứ đầu cuối đặc biết khỏc.

Hỡnh 4.5: Hệ thống IMT 2000 Cỏc đặc tớnh xỏc định của IMT-2000 bao gồm: Cỏc đặc tớnh xỏc định của IMT-2000 bao gồm:

 Mức độ tương đồng cao trong cỏc thiết kế trờn tồn thế giới.

Cdma2000 (TIA) - DS-CDMA - MC-CDMA CDMA I (TTA) Synchronous CDMA W-CDMA (ETSI) W-CDMA (JPN) W-CDMA (USA) CDMA II (TTA) TD-CDMA (ETSI) TD-SCDMA (CHN) Asynchronous CDMA UWC-136 (USA) TDMA Method ITU cdma2000 W-CDMA TD-CDMA OHG

IMT-2000 CDMA MC (IMT-MC)

IMT-2000 CDMA DS (IMT-DS)

ITU-R TG8/1 (99.11)

IMT-2000 TDMA Single-Carrier (IMT-SC)

IMT-2000 FDMA/TDMA (IMT-FT)

Facebook: Khoi.utc@gmail.com 62

 Tớnh tương thớch của cỏc dịch vụ trong IMT-2000 và cỏc mạng cố định.

 Chất lượng cao

 Đầu cuối nhỏ được sử dụng rộng rĩi.

 Khả năng của cỏc ứng dụng đa phương tiện và dải rộng của cỏc dịch vụ và cỏc đầu cuối IMT-2000 cú thể được thực hiện như mạng độc lập hoặc như một phần tớch hợp của cỏc mạng cố định. Cỏc hệ thống 3G cung cấp khả năng modul hoỏ về cả hai mặt dung lượng và chức năng.

Trỏi ngược với QoS cố định trong hệ thống vụ tuyến 1G và 2G (được xỏc định như sự cố gắng tốt nhất), cỏc hệ thống 3G cung cấp QoS mềm dẻo. Cỏc ứng dụng của nú và người sử dụng cú thể được ấn định một QoS mặc định với cỏc điều chỉnh sao cho thớch hợp với QoS mong muốn. Cỏc tài nguyờn khi đú được phõn phối tuỳ theo hàng loạt cỏc tham số như cỏc hiện trạng QoS căn cứ bởi số thuờ bao điện thoại, tải hệ thống, cỏc điều kiện truyền, loại lưu lượng (cỏi này tuỳ thuộc vào ứng dụng), và cỏc yếu tố khỏc.

Túm lại, cỏc mục tiờu chớnh của cỏc mạng 3G như sau:

 Sự chấp nhận tồn cầu về tập cỏc chuẩn nũng cốt cho giao diện vụ tuyến.

 Thỳc đẩy roaming tồn cầu.

 Hỗ trợ hiệu quả dải rộng cỏc dịch vụ dữ liệu bao gồm cả đa phương tiện. Trờn thực tế, cỏc hệ thống 3G được triển khai với hai mục đớch chớnh:

 Để hỗ trợ cỏc dịch vụ dữ liệu gúi với tốc độ và chất lượng như cỏc mạng cố định.

 Cung cấp truy nhập internet.

4.2.2.2 GPP2 & cdma2000

Giao diện vụ tuyến đa súng mạng IMT-2000 CDMA được nhắc đến với cdma2000. Nú là giao diện vụ tuyến trải phổ băng rộng được thiết kế để đạt được cỏc yờu cầu của hệ thống vụ tuyến 3G cũng như cỏc yờu cầu của sự phỏt triển của cỏc chuẩn họ 2G TIA/EIA-95-B. cdma2000 cung cấp khả năng tương thớch ngược lại với TIA/EIA-95- B. Khả năng tương thớch ngược cho phộp cơ sở hạ tầng của cdma2000 hỗ trợ cỏc trạm di động TIA/EIA-95-B và cho phộp cỏc trạm di động cdma2000 hoạt động được với cỏc hệ thống TIA/EIA-95-B. cdma2000 đề xuất ra khả năng tương thớch ngược với cdmaOne để cung cấp việc chuyển giao mềm từ cỏc mạng 2G lờn 3G. Một khớa cạnh quan trọng của khả năng tương thớch ngược là khả năng hỗ trợ việc bao phủ cỏc mạng cdma2000 và cdmaOne với cựng phổ.

cdma2000 thực hiện cỏc yờu cầu truyền dẫn băng rộng theo hai cỏch khỏc nhau. Việc truyền dẫn lờn cú thể sử dụng hoặc kỹ thuật trải phổ trực tiếp hoặc kỹ thuật đa súng mang. Việc thực hiện MC đối với đường lờn của cdma2000 tạo điều kiện thuận lợi cho thiết kế chồng lấp cdmaOne và cdma2000. Trong việc thực hiện MC, hệ thống cdma2000 Nx1.25 Mhz (với N=1,3,6,9, hoặc 12) cú thể chồng lấp N súng mang liờn tục của

Facebook: Khoi.utc@gmail.com 63

cdmaOne, với N là số tốc độ phõn tỏn SR . SR 2 được dựng để chỉ 1X và SR 3 để chỉ 3X, đú là hai kỹ thuật được định nghĩa trong cỏc chuẩn cdma2000.

Cdma2000 cũng hỗ trợ việc sử dụng lại cỏc chuẩn dịch vụ đĩ cú của cdmaOne, như cỏc dịch vụ liờn quan đến thoại, cỏc dịch vụ dữ liệu, cỏc dịch vụ tin nhắn,…Việc chuyển giao đầy đủ cỏc cuộc gọi dữ liệu và thoại từ một hệ thống tới một hệ thống khỏc là đặc điểm rất hay được hỗ trợ bởi cdmaOne và cdma2000. Khả năng thực hiện chuyển giao mềm giữa hệ thống cdmaOne và cdma200 cho phộp cỏc nhà hoạt động xõy dựng dần dần cỏc mạng cdma2000 khi cú nhu cầu tăng cường dịch vụ và thờm dung lượng.

4.2.3 WLAN

Cụng nghệ hữu tuyến Ethernet được giới thiệu vào năm 1970, với tốc độ 10 Mbps, hơn hẳn tốc độ của cỏc cụng nghệ khụng dõy khỏc hiện cú ở thời điểm đú. Vào năm 1985 FCC cho phộp phỏt triển cho thương mại hệ thống WLAN sử dụng băng tần ISM. Băng tần ISM đĩ rất hấp dẫn cỏc đại lý cung cấp khi khụng cần phải cú sự cấp phộp của FCC để hoạt động trong băng tần này.

Mạng vụ tuyến băng rộng đầu tiờn, WLAN được xõy dựng trờn cơ sở họ cỏc chuẩn IEEE 802.11. Chuẩn IEEE 802.11 đầu tiờn được phỏt hành vào 1997, chiếm 83.5MHz băng thụng trong băng tần 2.4GHz khụng cấp phộp. Nú sử dụng điều chế PSK với trải phổ nhảy tần FHSS và trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS. Tốc độ dữ liệu lờn đến 2Mbps được hỗ trợ với CSMA/CA, sử dụng cho truy nhập ngẫu nhiờn. Chuẩn đầu tiờn được mở rộng vào 1999 để tạo ra chuẩn 802.11b, hoạt động trong cựng băng tần nhưng chỉ sử dụng DSSS. Cung cấp tốc độ kờnh truyền cực đại lờn đến 11Mbps với tốc độ dữ liệu người dựng cực đại khoảng 1.6Mbps. Phạm vi truyền dẫn đạt tới 150m. Kiến trỳc mạng trong 802.11b là hỡnh sao hoặc ngang cấp, mặc dự đặc tớnh ngang cấp khụng được sử dụng điển hỡnh. Chuẩn này đĩ được triển khai và sử dụng rộng rĩi với cỏc nhà sản xuất thiết bị tớch hợp cỏc card 802.11b vào cỏc mỏy tớnh xỏch tay.

Chuẩn 802.11a được hồn thành vào 1999 như một sự mở rộng của 802.11b để cải thiện tốc độ dữ liệu của 802.11b. Chuẩn 802.11a chiếm 300MHz phổ trong băng NII 5GHz. Thực tế, 300MHz phổ được phõn chia thành ba băng con 100MHz. Một băng thấp từ 5.15-5.25GHz, một băng ở giữa từ 5.25-5.35GHz, một băng trờn từ 5.725-5.825GHz. Mỗi kờnh chiếm 20MHz, ngoại trừ cỏc phần cuối của băng giữa và băng thấp là 30MHz. Cú ba mức cụng suất phỏt cực đại được chỉ ra là 40mW cho băng thấp, 200mW cho băng giữa và 800mW cho băng cao. Những giới hạn này nhằm ỏm chỉ rằng băng thấp hầu như chỉ phự hợp cho cỏc ứng dụng trong nhà, băng giữa cho ngồi trời và trong nhà cũn băng cao cho ngồi trời. Điều chế và mĩ húa tỉ lệ biến đổi được sử dụng cho mỗi kờnh. Cỏc loại điều chế biến đổi qua BPSK, QPSK, 16QAM và 64QAM và cỏc tỉ lệ mĩ húa xoắn biến đổi qua 1/2, 2/3 và 3/4. Điều này dẫn đến tốc độ dữ liệu cực đại mỗi kờnh là 54MHz. Với cỏc hệ thống trong nhà, súng mang 5GHz kết hợp với giới hạn cụng suất trong băng thấp

Facebook: Khoi.utc@gmail.com 64

giảm phạm vi của 802.11a so với 802.11b và cũng khú hơn để tớn hiệu xuyờn qua cỏc bức tường và cỏc vật cản khỏc. Chuẩn 802.11a sử dụng đa truy nhập OFDM thay vỡ FHSS và DSSS.

Chuẩn 802.11g được hồn thành vào 2003, kết hợp ưu điểm của 802.11a và 802.11b với tốc độ dữ liệu lờn đến 54Mbps trong băng tần 2.5GHz cho phạm vi lớn hơn. Chuẩn này tiếp tục tương thớch với 802.11b vỡ thế cỏc điểm truy nhập 802.11g sẽ làm việc với cỏc bộ thớch ứng mạng vụ tuyến 802.11a. Tuy nhiờn, 802.11g sử dụng OFDM, lược đồ điều chế và mĩ húa của 802.11a. Cả cỏc điểm truy nhập và cỏc Card LAN đều phự hợp với cả ba chuẩn để trỏnh khụng tương thớch. Họ chuẩn 802.11a/b/g được xem như là Wi- Fi, cho độ tin cậy vụ tuyến.

4.2.4 Wimax

Wimax là khả năng khai thỏc liờn mạng tồn cầu đối với truy nhập vi ba. Wimax là một cụng nghệ khụng dõy dựa trờn chuẩn 802.16 cung cấp cỏc kết nối băng rộng thụng lượng cao qua khoảng cỏch xa. Cụng nghệ Wimax bao gồm cỏc súng vi ba để truyền dữ liệu khụng dõy. Wimax được dựng cho một số ứng dụng như kết nối băng rộng đầu cuối, cỏc hotspot và cỏc kết nối tốc độ cao cho cỏc khỏch hàng kinh doanh. Nú cung cấp kết nối mạng vựng thành thị khụng dõy MAN với tốc độ lờn tới 70Mbps và cỏc trạm gốc Wimax trung bỡnh cú thể bao phủ từ 5 đến 10km.

Cỏc chuẩn cố định và di động đều được sử dụng trong cả băng tần cấp phộp và khụng cấp phộp. Tuy nhiờn miền tần số cho chuẩn cố định là 2-11GHz trong khi chuẩn di động là dưới 6GHz.

IEEE 802.16 định nghĩa cỏc lớp vật lý khỏc nhau:

 Wireless MAN-SC layer

 Wireless MAN-SCa layer

 WirelessMAN-OFDM Layer

 WirelessMAN-OFDMA Layer

 Wireless HUMAN

Những lớp vật lý được định nghĩa chi tiết bao gồm 5 loại trong đú hiện nay sự dụng chủ yếu loại thứ 3 và thứ tư. Hai loại này dựa chủ yếu trờn nguyờn lý OFDM và OFDMA

Cỏc đặc tớnh chớnh của lớp vật lớ này bao gồm:

 Hỗ trợ TDD và FDD

 TDMA UL

 TDM DL

Facebook: Khoi.utc@gmail.com 65

 Truyền theo khung để cải thiện sự cõn bằng (một chiều) và thực hiện ước lượng kờnh qua NLOS và mở rộng mụi trường trễ trải phổ.

 Kớ hiệu được đúng thành gúi.

 Mĩ húa soắn FEC sử dụng mĩ Reed Solomon và chốn Pragmatic TCM

 FEC sử dụng tựy chọn BTC và CTC

 Khụng sử dụng FEC tựy chọn sử dụng ARQ để điều khiển lỗi.

 Tựy chọn tớnh phõn tập chuyển tiếp STC.

 Ngoại trừ cỏc yờu cầu khỏc, quỏ trỡnh truyền tin tương tự cho cả hướng đường lờn UL và đường xuống DL.

Lớp vật lý vụ tuyến MAN-OFDM dựa trờn điều chế OFDM được thiết kế để hoạt động cho đường truyền trong phạm vi khụng truyền thẳng NLOS trong dải tần từ 2-11 GHz. Hỗ trợ song cụng TDD, FDD.

Lớp vật lý vụ tuyến MAN-OFDMA: dựa trờn kỹ thuật điều chế OFDMA được thiết kế để hoạt động đối với đường truyền khụng trong tầm nhỡn thẳng NLOS trong dải tần 2-11 GHz. Trong dải tần được cấp phộp, hai phương phỏp song cụng được sử dụng là FDD và TDD, FDD SSs cú thể là bỏn song cụng (H-FDD). Trong dải tần khụng cấp phộp, sử dụng phương phỏp song cụng TDD.

4.2.5 Hệ thống 4G

Ngay cả trước khi cỏc mạng 3G được khai trương và đưa vào sử dụng hồn tồn, nhiều nhúm nghiờn cứu khỏc nhau đĩ xem xột đến dạng tiếp theo của cụng nghệ tế bào, hay cũn gọi là 4G. Cho đến bõy giơ chưa cú định dạng chung cho 4G, nhưng mạng thế hệ mới cú thể là dựa trờn IP, cung cấp tốc độ dữ liệu lờn tới 100 Mbps và hỗ trợ khả năng di dộng tồn cầu. Một lộ trỡnh hướng tới mạng này là sự hội tụ của cỏc cụng nghệ như tế bào 3G và Wireless LANs (WLANs).

4.3 So sỏnh đỏnh giỏ cỏc cụng nghệ

Qua những phần trỡnh bày ở trờn thỡ khi mà hệ thống 4G chưa đưa vào khai thỏc trờn diện rộng thỡ ở mỗi vựng hoạt động vẫn cũn cú sự cạnh tranh giữa những cụng nghệ đến từ những hướng phỏt triển khỏc nhau (xem hỡnh 4.6) đú là CDMA 2000, WCDMA (GSM), đú là CDMA và Wimax, và WLAN và Wimax. Cú nhiều ý kiến khi Wimax mới