CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1: Một số khái niệm về mạng 3G
2.4: Sơ lược quá trình phát triển công nghệ 3G
Lịch sử phát triển của mạng thông tin di động gắn liền với lịch sử phát triển củacông nghệ. Việc chuyển giao từ 1G, 2G sang 3G thực chất là việc thay đổicông nghệ sao cho đạt được những tính năng hơn hẳn hệ thống cũ. Những tính năng đó là tốc độ truyền tải dữ liệu, khả năng bảo mật, khả năng liên kết, dung lượng, chất lượng của mạng,...
2.4.1: 1G - Sự khởi đầu giản đơn ( nghe & gọi)
1G là chữ viết tắt của công nghệ điện thoại không dây thế hệ đầu tiên ( 1st Generation ). Các điện thoại di động chuẩn analog sử dụng công nghệ 1G với tín hiệu sóng analog, được giới thiệu trên thị trường vào những năm 1980. 1G sử dụng mạng tổ ong(cellullar network). Một mạng tổ ong là một mạng tạo
nên bởi một số các cell. Mỗi cellnày được phục vụ bởi một máy phát cố định, thường gọi là trạm gốc. 1G hỗ trợ việc kết nối liền mạch khi di chuyển từ cell này sang cell khác. 1G sử dụng băng tần vô tuyến UHF. Việc truyền âm thanh được thực hiện mà không có sự mã hóa trên giao diện vô tuyến.
Một trong những công nghệ 1G phổ biến là NMT (Nordic Mobile Telephone) được sử dụng ở các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga. Cũng có một số công nghệ khác như AMPS ( Advanced Mobile Phone Sytem - hệ thống điện thoại di động tiên tiến) được sử dụng ở Mỹ và Châu Úc; TACS ( Total Access Communication Sytem - hệ thống giao tiếp truy cập tổng hợp ) được sử dụng ở Anh, …
Mạng 1G có rất nhiều hạn chế như: không có khả năng bảo mật, bị ảnh hưởng bởi nhiễu, dung lượng thấp, chất lượng âm thanh kém, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọi không tin cậy, …
Khi số lượng các thuê bao trong mạng tăng lên, người ta thấy cần phải có biện pháp nâng cao dung lượng của mạng, chất lượng các cuộc đàm thoại cũng như cung cấp thêm một số dịch vụ bổ sung cho mạng. Để giải quyết vấn đề này người ta đã nghĩ đến việc số hoá các hệ thống điện thoại di động, và điều này dẫn tới sự ra đời của các hệ thống thông tin di động thế hệ 2. Vì lý do này nên các mạng di động tế bào số ra đời ( mạng 2G) thì mạng 1G nhanh chóng bị thay thế và loại bỏ.
2.4.2: 2G - Công nghệ GSM ( nghe - gọi, nhắn tin…)
Khác với mạng thông tin di động 1G sử dụng công nghệ tế bào tương tự, thì mạng thông tin di động 2G sử dụng công nghệ tế bào số.
Hệ thống thông tin di động 2G đầu tiên ra đời ở Bắc Mĩ là D-AMPS (Digital-Advanced Mobile Phone Service) với tiêu chuẩn là IS-54 (Interim Standard-54) và sau này được cải tiến lên là IS-136. Hệ thống sử dụng tiêu chuẩn IS-54 đ ư ợc đ ư a và o sử d ụ n g b ắ t đ ầu t ừ n ă m 1 9 9 0. Đế n n ă m 1 9 9 3 , d o n h u cầ u sử dụng vượt quá dung lượng của mạng nên tiêu chuẩn IS-136 được đưa ra với những cải tiến phù hợp để nâng cao dung lượng của mạng.
Năm 1991, hệ thống thông tin di động 2G thứ hai được đưa vào sử dụng tại Châu Âu là hệ thống GSM. Các tiêu chuẩn kỹ thuật của GSM được phát triển từ những năm 1980 dựa trên cơ sở của một mạng di động được sử dụng trong một vài khu vực. Sau đó đến 1982 nó được chuẩn hóa bởi CEPT (European Co n f e r e n c e o f P o s t al a n d Te l e c o m m u n i c a t i o n s A d m i n i s tr a t i o n s ) v à tạ o r a Groupe Spécial Mobile (GSM) với mục đích sử dụng cho toàn Châu Âu. Vào năm 1989 công việc quản lý tiêu chuẩn và phát triển mạng GSM được chuyển c h o E T S I ( E u r o p e a n Te l e c o m m u n i c a t i o n s S t a n da r ds I ns t i t u t e ) , v à cá c t i ê u ch u ẩ n , đ ặc t í n h ph as e 1 củ a c ô n g n gh ệ GS M đ ư ợ c c ô n g b ố v à o n ă m 1 9 9 0. Mạng điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM được xây dựng và đưa vàos ử d ụ n g đ ầu t i ê n b ở i R ad i ol i n j a ở P h ầ n L a n.
S au nà y GS M đ ư ợ c đ ổ i l ại l à Global System for Mobile Communication. Hiện nay GSM là hệ thống thông tin di động 2G được sử dụng nhiều nhất, chiếm khoảng 80% số thuê bao.
Cùng thời gian với sự ra đời của hệ thống GSM, tại Mỹ các nhà nghiên cứu đãt ì m r a m ộ t ph ư ơ n g á n th ô n g t i n d i đ ộ n g s ố m ớ i dự a t r ê n c ô n g n g h ệ CD M A (được ứng dụng trước đó trong quân sự) là hệ thống cdmaOne.
Thành lập năm 1985, Qualcom là nhà phát triển công nghệ CDMA cho thông tin di động, tiêu chuẩn đầu tiên ra đời là IS-95A. Các nhà cung cấp dịch vụ di động ở Mỹ đã cung cấp dịch vụ mode song song cho phép thuê bao truy cập vào cả hai mạng t h e o t i ê u c h u ẩ n I S -1 3 6 v à I S - 9 5. H i ệ n n ay h ệ th ố n g c d m a On e sử d ụ n g t i ê u chuẩn IS-95A thống trị ở Bắc Mĩ và Hàn Quốc.
Nhật Bản đã đưa ra một hệ thống mạng 2G sử dụng tiêu chuẩn riêng của mình là PDC vào 4/1991. PDC đã được thương mại hóa vào 3/1993 và chỉ được sử dụng tại nước này.
Ngoài ra cũng có rất nhiều hệ thống sử dụng các tiêu chuẩn khác cho mạng thông tin di động 2G được sử dụng như iDEN, CSD, CDPD tại Mỹ, DECT tại Châu Âu và PHS tại Trung Quốc. Tuy nhiên các hệ thống này không phổ biến, ứng dụng trong phạm vi hẹp hoặc dùng cho các mạng nhỏ (nội hạt).
Hệ thống Kỹ thuật vô
tuyến Phương thức
điều chế Phạm vi Miêu tả D-AMPS (IS-54
và IS-136)
TDMA pi/4-DQPSK B ắ c
M ĩ
Khác với IS-54 thì IS-136 ghép kênh theo thời gian cả kênh thoại và điều khiển.
GSM GSM TDMA GMSK Toàn
cầu Tốc độ thoại là 13 kbps, dữ liệu là 9,6 kbps
CDMA
one IS-95A CDMA QPSK Bắc
Mỹ, Châu Á,…
Tốc độ dữ liệu là 14,4 kbps
PDC TDMA pi/4-DQPSK Nhật
Bản
Tốc độ dữ liệu là 9,6 kbps Bảng1: Các hệ thống diển hình mạng 2G
Các chuẩn của công nghệ chủ yếu 2G bao gồm:
- IS-136 D-AMPS ( thuộc TDMA) đã từng là mạng lớn nhất trên thị trường Mỹ, nay dã chuyển sang GSM.
- GSM (thuộc TDMA) có nguồn gốc từ Châu Âu, nhưng đã được sử dụng trên tất cả các quốc gia ở 6 lục địa. Ngày nay công nghệ GSM vẫn còn được sử dụng với khoảng 80% điện thoại di động trên thế giới.
- IS-95 còn đựoc gọi là CDMAone (thuộc CDMA) được sử dụng chủ yếu là Châu Mỹ và một số vùng ở Châu Á. Ngày nay những thuê bao chuẩn này chiếm khoảng 17% trên thế giới. Hiện tại các nước Mexico, Úc, Hàn Quốc, Ấn Độ có rất nhiều nhà cung cấp mạng CDMA chuyển sang cung cấp mạng GSM.
- PDC ( thuộc TDMA) là mạng được Nextel sử dụng tại Mỹ, và Telus Mobility triển khai ở Canada.
Thuận lợi và khó khăn mạng 2G:
- Chất lượng thoại và mức độ bảo mật cá nhân cao.
- Ở công nghệ 2G tín hiệu kỹ thuật số được sử dụng để trao đổi giữa điện thoại và các tháp phát sóng, làm tăng hiệu quả lên 2 phương diện chính:
+ Dữ liệu số của giọng nói có thể được nén và ghép kênh hiệu quả hơn so với mã hoá analog nhờ sử dụng nhiều hình thức mã hoá, cho phép nhiều cuộc gọi cùng được mã hoá trên một dải tần.
+ Hệ thống kỹ thuật số được thiết kế giảm bớt năng lượng sóng radio phát từ điện thoại. Nhờ vậy, có thể thiết kế điện thoại 2G nhỏ hơn, đồng thời có thể giảm bớt chi phí đầu tư tháp phát sóng.
+ Hơn nữa, mạng 2G chở nên phổ biến cũng do công nghệ này có thể triển khai một số dịch vụ dữ liệu như email và SMS. Đồng thời mức bảo mật cá nhân cũng cao hơn so với 1G.
Tuy nhiên, hệ thống mạng 2G cũng có những nhược điểm, ví dụ ở những nơi dân cư thưa thớt, sóng kỹ thuật số yếu có thể không tới được các tháp phát sóng.
Tại những địa điểm như vậy, chất lượng truyền sóng cũng như chất lượng cuộc gọi sẽ bị giảm bớt đáng kể.
Do có nhận thức rõ về tầm quan trọng của các hệ thống thông tin di động mà ở châu Âu, ngay khi quá trình tiêu chuẩn hoá GSM chưa kết thúc người ta đã tiến hành dự án nghiên cứu RACE 1043 với mục đích chính là xác định các dịch vụ và công nghệ cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 cho năm 2000. Hệ thống 3G của châu Âu được gọi là UMTS. Những người thực hiện dự án mong muốn rằng hệ thống UMTS trong tương lai sẽ được phát triển từ các hệ thống GSM hiện tại. Ngoài ra người ta còn có một mong muốn rất lớn là hệ thống UMTS sẽ có khả năng kết hợp nhiều mạng khác nhau như PMR, MSS, WLAN…
thành một mạng thống nhất có khả năng hỗ trợ các dịch vụ số liệu tốc độ cao và quan trọng hơn đây sẽ là một mạng hướng tới cung cấp nhiều dịch vụ hữu ích, và khắc phục những nhược điểm của mạng 2G. Vì vậy dẫn tới sự ra đời của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 ( 3G).
Tuy nhiên, quá trình chuyển giao từ công nghệ 2G lên 3G không phải là một quá trình chuyển giao ngay lập tức mà nó là một quá trình diễn ra từ từ. Giữa 2G và 3G sẽ phải trải qua một số hệ thống trung gian ( hệ thống 2,5G). Hệ thống này phát triển trên nền tảng hệ thống 2G thông thường và áp dụng một số công nghệ để tăng tốc độ truyền dữ liệu cao hơn hệ thống 2G.
2.4.3: 2.5G - Bước đệm
2,5G chính là bước đệm giữa 2G với 3G trong công nghệ điện thoại không dây.
Thế hệ 2,5G: được dùng để miêu tả hệ thống di động 2G được trang bị hệ thống chuyển mạch gói bên cạnh hệ thống chuyển mạch kênh truyền thống. (Chuyển mạch kênh là thiết lập một kênh vật lý từ đầu đến cuối, chẳng hạn như mạng điện thoại cố định. Chuyển mạch gói là các dữ liệu cần chuyển được chia nhỏ ra thành các gói (hay khung) có kích thước và định dạng xác định. Mỗi gói như vậy sẽ được chuyển riêng rẽ và có thể đến nơi nhận bằng các đường truyền khác nhau.
Như vậy, chúng có thể dịch chuyển trong cùng thời điểm. Khi toàn bộ các gói dữ liệu đã đến nơi nhận thì chúng sẽ được hợp lại thành dữ liệu ban đầu).
Hệ thông này gồm:
GSM/GPRS: là một dịch vụ dữ liệu di động hướng gói trên nên hệ thống GSM. Nó được đưa vào thử nghiệm thương mại năm 2000 và chính thức thương mại năm 2 0 0 1. Cá c h ệ th ố n g s ử d ụ n g ph ư ơ n g t h ứ c t r u y nh ậ p T D MA k h á c cũ n g hướng đến việc sử dụng GPRS như là kỹ thuật để tăng tốc độ truyền dữ liệu của mình.
CDMAOne IS-95B: là phiên bản dạng đóng gói của IS-95A, có thể cung cấp tốc độ dữ liệu cao gấp nhiều lần IS-95A nhờ việc kết hợp các kênh TCH.
CDMA2000 1xRTT: song song với GPRS thì 1xRTT cũng được phát triển cho các hệ thống theo tiêu chuẩn IS-95. 1xRTT sử dụng thêm một kênh radio 1.25MHz nhằm nâng cao tốc độ cho mạng IS-95. 1XRTT được thương mại hóa vào n ă m 2 00 3 . Đâ y l à t i ê u ch uẩ n đ ầ u t i ê n c ủ a CD M A 2 0 0 0 ( h ệ t h ố n g 3 G) , t uy nhiên nó vẫn chỉ được xếp vào dạng hệ thống 2.5G.
EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution): GPRS đã làm tăng tốc độ tr u y ề n dữ l iệ u , t uy nh i ê n v ẫ n ch ư a đ á p ứ n g đ ư ợc y ê u c ầ u củ a c ác d ị c h v ụ truyền thông đa phương tiện. GPRS vẫn sử dụng phương pháp điều chế GMSK n ê n t ốc đ ộ c ò n h ạn ch ế. T ừ đ ó n g ư ờ i ta đ ư a r a h ệ t h ố n g E D GE , s ử d ụ n g k ỹ thuật điều chế 8PSK. Điều này đã làm tăng tốc độ truyền dữ liệu trong mạng GPRS lên 2 đến 3 lần. EDGE bắt đầu được thương mại hóa vào năm 2003 tại Mỹ.
Hệ thống Kỹ thuật vô
tuyến Phương thức
điều chế Miêu tả
GSM/GPRS TDMA GMSK Sử dụng kỹ thuật chuyển mạch gói
thay vì chuyển mạch kênh như GSM thông thường để nâng cao tốc độ dữ liệu lên tới 56-144kbps
CDMAOne
IS-95B CDMA QPSK Khác với IS-95A, tốc độ dữ liệu của IS-95B lên tới 115,2 kbps
CDMA2000 1xRTT
CDMA QPSK Là tiêu chuẩn của CDMA2000, sử dụng một số cặp kênh tần số 1.25MHz, tốc độ dữ liệu đạt 144kbps
GSM/EDGE TDMA 8PSK Tốc độ dữ liệu lên tới 384kbps nhờ thay đổi phương pháp điều chế sang 8PSK
Bảng 2: Các hệ thống điển hình mạng 2,5G .
2.4.4: 3G
3G là công nghệ truyền thông thế hệ thứ 3, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại ( tải dữ liệu, gửi e-mail, tin nhắn nhanh SMS, hình ảnh…)
a) Lịch sử phát triển
Hệ thống 3G đầu tiên được đưa ra là UMTS vào năm 2001 được tiêu chuẩn bởi 3GPP. UMTS được sử dụng đầu tiên ở Châu Âu sau đó lan ra toàn thế giới như tại Nhật Bản, Trung Quốc, ... Hệ thống UMTS được xây dựng nhằm mục đích kế thừa hệ thống GSM (phát triển từ hệ thống GSM/GPRS/EDGE hiện tại) nên nó có khả năng phục vụ cả hệ thống GSM.
Bên cạnh hệ thống UMTS phát triển từ hệ thống GSM, hệ thống CDMA2000 đ ã đ ư ợ c đ ư a r a b ở i 3 G P P 2 , c h i a s ẻ n ề n t ả n g v ớ i h ệ t h ố n g I S - 9 5 c ủ a 2 G . CDMA2000 được đưa vào sử dụng bắt đầu từ 2002, và đặc biệt phát triển tại Bắc Mĩ và Hàn Quốc ( phiên bản sử dụng là CDMA2000 1xEV-DO Release 0).
Năm 2005, IEEE công bố tiêu chuẩn 802.16e cho WiMAX và gọi đó là MobileWiMAX. Mobile WiMAX được cải tiến so với các chuẩn WiMAX trước đó là hỗ trợ việc truyền dữ liệu trong khi di chuyển.
b) Các tiêu chuẩn công nghệ điển hình
ITU đã đưa ra 6 tiêu chuẩn công nghệ cho giao diện truy nhập vô tuyến của thành phần mặt đất của các hệ thống IMT-2000 (3G). Các tiêu chuẩn đấy bao gồm:
I M T- 2 0 0 0 CD M A D ir ec t S pr ea d ( th ư ờ n g đ ư ợ c b i ế t đ ế n l à W- CD M A h ay UMTS/FDD): là công nghệ được ứng dụng trong hệ thống UMTS, chiếm thị phần lớn nhất trong hệ thống thông tin di động toàn cầu.
IMT-2000 CDMA Multi-Carrier (hay được biết đến là CDMA2000):
là công nghệ phát triển lên 3G của cdmaOne, cạnh tranh trực tiếp với công nghệ W-CDMA. CDMA2000 có rất nhiều phiên bản khác nhau như
CDMA2000 EV-DV, CDMA2000 EV-DO,….Phiên bản đuợc sử dụng nhiều nhất là CDMA2000 EV-DO.
I M T- 2 0 0 0 CD M A T DD : h ọ c ô n g n gh ệ CD M A T D D b a o g ồ m T D- CD M A (UMTS-TDD) và TD-SCDMA. TD-CDMA chủ yếu dùng để truy nhập internet băng thông rộng chứ không dành cho thoại, công nghệ này hiện nay được triển khai hạn chế tại một số nước. Còn công nghệ TD-SCDMA được Trung Quốc đang nghiên cứu và chỉ triển khai tại Trung Quốc.
IMT-2000 TDMA Single-Carrier: được phát triển từ tiêu chuẩn IS- 136 (hệthống D-AMPS). Vẫn đang trong giai đoạn phát triển nên ít có khả năng chiếmlĩnh được thị trường thương mại.
I MT- 2 0 0 0 F D MA / T D M A : c ó tê n g ọ i l à D E CT d o E T S I ph át t r iể n v à đ ư ợ c triển khai ở một số nước Châu Âu và Châu Á. Tuy nhiên do vùng phú sóng nhỏ nên chỉ ứng dụng cho các hệ thống như cơ quan, nội hạt, không thích hợp cho mạng phủ sóng toàn quốc.
I MT- 2 0 0 0 OF D M A T DD W M AN : d ự a tr ê n t i ê u c h u ẩn 8 0 2. 1 6 e - 2 0 0 5 c ủa IEEE, hay còn được gọi là mobile WiMAX (hay là WinMAX di động). Côngnghệ WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) được phát triển mới hoàn toàn nên không tương thích với bất kỳ công nghệ nào trước đó, hơn nữa WiMAX được phát triển chủ yếu cho các dịch vụ dữ liệu băng rộngnên việc sử dụng dịch vụ thoại trên WiMAX khá tốn kém. Ngoài ra tần số sử d ụ n g c ũ n g l à m ộ t v ấ n đ ề c h o W i n M A X , n h ữ n g đ i ề u t r ê n đ ã k h i ế n c h o WinMAX di động không được sử dụng phổ biến như W-CDMA.
Hệ thống Tiêu chuẩn kỹ
thuật Kỹ thuật vô
tuyến Phạm
vi Miêu tả
UMTS IMT-2000 W-CDMA Toàn Độ rộng băng tần là
cầu 5MHz, tốc độ truyền dữ liệu đạt 384 kbps, còn nếu hỗ trợ HSDPA thì tốc độ đường xuống có thể lên tới 24Mbps.
IMT-2000 CDMA TDD
TD-CDMA Châu
Âu
Chủ yếu dùng cho Internet băng thông rộng chứ không dành cho thoại.
TD-SCDMA Trung
Quốc Được phát triển và ứng dụng tại Trung Quốc CDMA2000
1×EV-DO Release 0
IMT-2000 CDMA -MC
CDMA Toàn
cầu
Tốc độ dữ liệu đường xuống là 2,45 Mbps, đường lên là 0,15 Mbps Mobile
WiMAX
IMT-2000 OFDMA TDD WMAN
OFDMA Toàn
cầu
Tốc độ lên tới 128 Mbps cho đường xuống và 56 Mbps cho đường lên Bảng3: Các hệ thống 3G điển hình
Tổng kết quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động đến thế hệ ba Trong qua trình này ta tổng kết nền tảng công nghệ chính của thông tin di động từ thế hệ một đến thế hệ ba và quá trình phát triển của các nền tảng này đến nền tảng của thế hệ ba.
Hình18 : Tổng kết quá trình phát triển của các nền tảng thông tin di động thế hệ 1 đến thế hệ 3