Nghiên cứu công nghệ trong hệ thống thông tin di động 4g và đi sâu khả năng triển khai sang thế hệ 5g

  • 72 trang
  • file .docx
LỜI CẢM ƠN
Khi em nghiên cứu đề tài, trong quá trình thực hiện đồ án này ngoài sự nỗ lực,
cố gắng của bản thân thì em đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ, động viên
không nhỏ từ phía thầy giáo, cô giáo và bạn bè. Em xin gửi lời cảm ơn trân
thành đến:
Thầy giáo Ts. Phạm Văn Phước đã trực tiếp giúp em định hướng đề tài đồ án
cũng như tận tình hướng dẫn, giải đáp những thắc mắc.Thầy cũng chia sẻ những
kiến thức chuyên môn sâu và những kinh nghệm quý báu giúp em hoàn thành đồ
án này.
Đồng thời em xin cám ơn đến các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn và các
bạntrong lớp ĐTV52-DH1 đã nhiệt tình chia sẻ, giúp đỡ và động viên trong suốt
quá trình làm đồ án.
Cho dù em đã rất cố gắng, nỗ lực trong quá trình thực hiện nhưng đồ án này
có nhiều kiến thức mới. Cho nên sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót và
những câu văn dịch từ tiếng anh không được rõ nghĩa lắm. Em rất mong nhận
được sự góp ý, chỉ bảo tận tình của quý thầy giáo, cô giáo và các bạn đồng môn.
Hải Phòng, tháng 12 năm 2015
Sinh viên thực hiện
PhạmVăn Nam
i
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do em thực hiện.Các số liệu và kết luận
nghiên cứu được trình bày trong đồ án chưa từng được công bố ở các nghiên cứu khác.
Em xin chịu trách nhiệm về đồ án của mình.
Hải Phòng, tháng 12 năm 2015
Sinh viên thực hiện
Phạm Văn Nam
ii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN..........................................................................................................ii
MỤC LỤC....................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU.....................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG.........................................................................................viii
DANH MỤC CÁC HÌNH............................................................................................ix
LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................................... 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG.......................2
I.Giới thiệu chung..........................................................................................................2
1.Lịch sử ra đời và phát triển.................................................................................2
2. Phân loại hệ thống thông tin di động..................................................................4
II. Một số thế hệ mạng di động......................................................................................7
1.Hệ thống thông tin di động thế hệ 1G (First Generation)....................................9
2.Hệ thống thông tin di động thế hệ 2G (Second Generation).............................12
3.Hệ thống thông tin di động thế hệ 3G (Third Generation)................................13
III. Kết luận chương I..................................................................................................16
CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ.............................................................17
TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G.....................................................17
I.Giới thiệu chung........................................................................................................17
II.Mô hình cấu trúc mạng 4G.......................................................................................18
1.Yêu cầu cấu trúc mạng mới của mạng 4G.........................................................18
2.Một số kỹ thuật mới nhằm làm tăng tốc độ đường truyền.................................21
3.Mô hình cấu trúc mạng 4G...............................................................................25
III.Công nghệ mạng 4G...............................................................................................27
1.Công nghệ tiền 4G............................................................................................27
2.Công nghệ LTE Advanced của thế hệ 4G.........................................................31
IV. Kết luận chương II.................................................................................................44
iii
CHƯƠNG III: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G...........................................45
I.Giới thiệu chung........................................................................................................45
II.Cấu trúc mạng 5G....................................................................................................51
1.Flatter IP network.............................................................................................52
2.Hệ thống Aggregator.........................................................................................52
3.Công nghệ 5G...................................................................................................53
4.Cấu trúc mạng 5G giả định...............................................................................57
III. Kết luận chương III................................................................................................61
KẾT LUẬN.................................................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................63
iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt
1G First Generation Thế hệ thứ nhất
2G Second Generation Thế hệ thứ 2
3G Third Generation Thế hệ thứ 3
4G Fourth Generation Thế hệ thứ 4
5G Fifth Generation Thế hệ thứ 5
BS Base Station Trạm gốc
MS Mobile Station Trạm di động
BTS Base Transceiver Stations Trạm thu phát gốc
DCMCS Digital Cellular Mobile Hệ thống thông tin di động tế
Communication Systems bào số
CT Cordless Telecome Vô tuyến viễn thông không dây
WLL Wireless Local Loop Vành vô tuyến địa phương
FDMA Frequency Divition Multiple Đa truy nhập phân chia theo
Access tần số
TDMA Time Divition Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
CDMA Code Divition Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

FDD Frequecy Divition Duplex Song công phân chia theo tần
số.
TDD Time Divition Duplex Song công phân chia theo thời
gian
TACS Total Access Communications Hệ thống tổng truy nhập thông
System tin
AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động
nâng cao
GSM Global System for Mobile Hệ thống toàn cầu cho truyền
Communication thông di động
HSDPA High-Speed Downlink Packet Truy cập gói đường xuống tốc
Access độ cao
HSUPA High-Speed Uplink Packet Truy cập gói đường lên tốc độ
Access cao
QoS Quality of Service Chất lượng của dịch vụ
v
AMC Adaptation and Modulation Điều chế và mã hóa thích ứng
Coding
OFDM Orthogonal frequency-division Ghép kênh phân chia tần số
multiplexing trực giao
OFDMA Orthogonal Frequency Division Kỹ thuật đa truy nhập phân
Multiple Access chia theo tần số trực giao
MMS Multimedia Messaging Service Tin nhắn đa phương tiện
FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh theo tần số
LTE Long Term Evolution Công nghệ LTE
ITU International Telecommunication Tổ chức Liên minh Viễn thông
Union Quốc tế
UAP Universal Access Point Nhiều điểm truy nhập chung
RAP Radio Access Point Điểm truy nhập vô tuyến
ADSL Asymmetric Digital Subscriber Đường dây thuê bao không đối
Line xứng
DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình kỹ thuật số
WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội bộ không dây
PSTN Public Switching Telephone Mạng điện thoại chuyển mạch
Network công cộng
3GPP 3rd Generation Partnership Dự án đối tác thế hệ thứ 3
Project
IEEE Institute of Electrical and Viện kỹ sư điện và điện tử
Electronic Engineers
STE Space – Time Encoder Bộ mã hóa không gian thời
gian
STD Space – Time Decoder Bộ giải mã hóa không gian thời
gian
V-BLAST Vertical Bell labs layered space – Ghép kênh không gian
time
MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống thông tin đa đầu vào
và đa đầu ra
INS Initial Network Selection Lựa chọn mạng ban đầu
WWWW World Wide Wireless Web Web không dây trên toàn thế
giới
BSS Base Station Systems Hệ thống trạm gốc
MSC Mobile Switching Centre Tổng đài thông tin di động
vi
AUC Authentication Centre Trung tâm nhận thực
HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú
EIR Equipment Identity Register Bộ ghi số nhận diện thiết bị
VLR Visistor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú
RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến
S-GW Serving Gateway Cổng dịch vụ
S-GW Packet Data Network Gateway Cổng mạng dữ liệu gói
EPS Evolved Packet Switched System Hệ thống chuyển mạch gói
BSC Base Station Controller Đài điều khiển trạm gốc
ISDN Intergrated Service Digital Mạng tích hợp số đa dịch vụ
Network
DANH MỤC CÁC BẢNG
STT Tên bảng Trang
Bảng 1.1 Bảng so sánh tham số công nghệ cơ bản 16
Bảng 2.1. Đặc điểm của anten thông minh 22
Bảng 2.2. So sánh các tham số của LTE và LTE-Advanced 33
Bảng 2.3 So sánh các tham số của LTE-Advanced với công nghệ 34
khác
vii
DANH MỤC CÁC HÌNH
STT Tên hình Trang
Hình 1.1 Cấu trúc mạng tế bào 4
Hình 1.2 Các công nghệ đa truy nhập 6
Hình 1.3 Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế 7
bào
Hình 1.4 Cấu trúc mạng cơ bản của hệ thống GSM 9
Hình 1.5 Điện thoại thế hệ 1G 11
Hình 1.6 Sự phát triển của công nghệ mạng di động 15
Hình 2.1 Sự tích hợp của các mạng khác nhau dẫn đến 4G 19
Hình 2.2 Sự kết hợp của các mạng khác nhau 19
Hình 2.3 Các mạng khác nhau co thể truy nhập vào hệ thống 20
Hình 2.4 Tốc độ truyền dữ liệu trong mạng 4G 21
Hình 2.5 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM 23
Hình 2.6 Phổ tín hiệu OFDM với 5 sóng mang 23
Hình 2.7 Tiết kiệm băng thông khi sử dụng OFDM 24
Hình 2.8 Mô hình cấu trúc mạng 4G 25
Hình 2.9 Tốc độ của 2 công nghệ Wimax và LTE 28
Hình 2.10 Cấu trúc mạng LTE 28
Hình 2.11 Liên kết IP giữa một UE với PDNs 29
Hình 2.12. Mạng truy nhập vô tuyến 30
Hình 2.13 Mạng Core 30
Hình 2.14 Hình 2.12. Mạng truy nhập vô tuyến
Kiến trúc Roaming 31
Hình 2.15 Công nghệ 4G 32
Hình 2.16 Tổng số di động được kết nối của các thế hệ theo 33
từng năm ( theo GSMA Intelligence)
Hình 2.17 Các sóng mang thành phần trong truyền dẫn băng rộng 34
Hình 2.18 LTE-Advanved.
trong tập
Khối hợp sóng mang 35
Hình 2.19 Các kiểu kết hợp sóng mang 35
Hình 2.20 Mô hình hệ thống MIMO MxN 37
Hình 2.21 Ghép kênh không gian V-BLAST 38
viii
Hình 2.22 Hệ thống Single user MIMO 38
Hình 2.23 Hệ thống Multi User MIMO 39
Hình 2.24 Sự khác nhau ở bộ thu nhận trong LTE và LTE- 39
Hình 2.25 Advanced
Hình 2.18. Cấu hình MIMO 8x8 40
Hình 2.26 Hệ thống phối hợp với 2 nút chuyển tiếp. 41
Hình 2.27 Kỹ thuật chuyển tiếp 42
Hình 2.28 Chuyển tiếp 1 chiều 42
Hình 2.29 Chuyển tiếp 2 chiều 43
Hình 3.1 Mạng di động thế hệ 5G có thể được đưa vào năm 45
Hình 3.2 2020
Mô hình trạm HAPS 47
Hình 3.3 Mô hình trạm HAPS trong tương lai ( ảnh : Internet) 48
Hình 3.4 Cấu trúc mạng 5G – The NanoCore 51
Hình 3.5 Điện toán đám mây 53
Hình 3.6 All-IP Network 55
Hình 3.7 Cấu trúc của máy thu phát của UE 57
Hình 3.8 Cấu trúc của công nghệ đa lõi cấu hình lại 58
Hình 3.9 Cấu trúc mạng 5G giả định 60
ix
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, khi các ngành công nghiệp đang trên đà phát triển thì trong lĩnh vực
công nghiệp viễn thông cũng đã và đang phát triển theo từng ngày với nhiều
công nghệ mới và dịch vụ ưu đãi. Sự phát triển công nghệ theo xu hướng IP hóa
và tích hợp các công nghệ mới. Trong những năm vừa qua mạng thông tin thế hệ
thứ ba ra đời mang lại cho người sử dụng nhiều tiện ích như dịch vụ mới,…
nhưng nó cũng có một số nhược điểm như tốc độ truyền dữ liệu tối đa là 2Mbps
cho nên rất khó cho việc download các loại file dữ liệu có dung lương lớn, khả
năng đáp ứng thời gian thực như hội nghị truyền hình là chưa cao, vẫn chưa đáp
ứng được yêu cầu ngày càng cao của người dùng, tính mở của mạng chưa cao và
khả năng tích hợp các mạng khác chưa tốt,… . Do vậy phải có mạng di động
mới để khắc phục những những nhược điểm này.
Từ đó, người ta đã bắt đầu nghiên cứu mạng di động mới có tên gọi là hệ
thống mạng di động 4G.Việc nghiên cứu công nghệ mới giúp ta nắm bắt được
xu hướng của các công nghệ hiện nay để đáp ứng các nhu cầu thị trường trong
tương lai.
Do vậy em chọn đề tài "Nghiên cứu công nghệ trong hệ thống thông tin di
động 4G và đi sâu khả năng triển khai sang thế hệ 5G".
CÁC NỘI DUNG CH́NH CUA ĐÔ ÁN
o Chương I : Tổng quan về hệ thống thông tin di động
o Chương II : Nghiên cứu công nghệ trong hệ thống thông tin di động 4G
o ChươngIII: Hệ thống thông tin di động 5G
Đề tài này có nhiều kiến thức mới mà nội dụng đồ án lại rộng, trong thời
gian ngắn, việc nghiên cứu chủ yếu dựa trên lý thuyết, dịch văn bản từ tiếng
anh, kiến thức em còn hạn chế,… Do đề tài nghiên cứu mới khó có thể không
tránh khỏi những thiếu sót và nhầm lẫn trong đồ án nên em rất mong được sự
góp ý, giúp đỡ, chỉ bảo thêm của thầy giáo, cô giáo và bạn bè.
1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
I.Giới thiệu chung
1.Lịch sử ra đời và phát triển
Ở cuối thế kỷ thứ 19 Marconi đã chỉ ra rằng thông tin vô tuyến có thể liên lạc
trên cự ly xa, máy phát và máy thu có khả năng liên lạc di động với nhau.
Nhưng thời đó người ta liên lạc chủ yếu bằng điện báo Morse.
Trong những năm 1895, hệ thống thông tin liên lạc không dây là một trong
những hệ thống phát triển nhanh nhất của các thông tin liên lạc thời xưa. Nó sử
dụng các dịch vụ băng thông rộng của di động.
Các khái niệm về hệ thống di động được phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại
Phòng thí nghiệm AT & T Bell để giải quyết các vấn đề công suất các hệ thống
thông tin di động đầu. Trái ngược với các thông tin di động: Đầu tiên hệ thống,
mà chỉ có một trạm trung tâm (BS) bao phủ toàn bộ vùng phủ sóng khu vực, hệ
thống tế bào phân chia vùng phủ sóng vào các tế bào không chồng chéo nhau và
hoạt động với BS riêng của mình. Bằng cách khai thác một thực tế rằng sức
mạnh của một tín hiệu truyền với khoảng cách, cùng một tần số tương tự có thể
được tái sử dụng trong tiểu tế bào mà không cần giới thiệu nhiễu liên cell
nặng.như một hệ quả, khả năng làm tăng đáng kể việc sử dụng gói của phổ tần
số.
Đến năm 1928 sở cảnh sát Bayone – Mỹ đã bắt đầu triển khai mạng vô tuyến
truyền thanh đầu tiên. Do là mạng vô tuyến truyền thanh đầu tiên nên các máy di
động tốn nguồn và khá cồng kềnh được đặt trên ô tô để liên lạc về 1 trạmgốc
BS ở trung tâm. Chất lượng liên lạc lại cực kỳ kém do đặc điểm địa hình truyền
sóng di động rất phức tạp mà các máy chỉ gồm 10 đèn điện tử thực hiện các
chức năng tối thiểu.
Hệ thống điện thoại cố định phát triển nhanh và hình thành mạng PSTN
( Public Switching Telephone Network) song suốt thời gian dài vô tuyến di động
không phát triển do hạn chế về công nghệ. Mạng PSTN bao gồm đường dây
điện thoại, cáp quang, truyền dẫn vi ba liên kết, các mạng di động, vệ tinh thông
2
tin liên lạc, và dây cáp điện thoại dưới đáy biển, tất cả các kết nối với nhau
bởi các trung tâm chuyển mạch, do đó cho phép hầu hết các máy điện thoại để
liên lạc với nhau. Ban đầu là một mạng lưới các đường dây cố định tương tự hệ
thống thoại. Mạng PSTN hiện nay gần như hoàn toàn kỹ thuật số trong của
mạng lõi và bao gồm điện thoại di động và các mạng khác, cũng như điện thoại
cố định.
Trong năm 1947 Bell Labs đã cho ra ý tưởng về mạng điện thoại di động tế
bào: Các máy đi động được tự do và chuyển vùng từ vùng tế bào này sang vùng
tế bào khác. Các tế bào được thiết kế nhằm phủ kín vùng phủ sóng ( là vùng địa
lý được cung cấp dịch vụ di động), kết nối thành mạng thông qua chuyển mạch
tổng đài đi động và được bố trí tại trung tâm vùng. Những người sử dụng di
động có thể di chuyển được trong vùng phủ sóng của các trạm gốc (Base
station).
Nhưng ý tưởng của Bell Labs đã không được sử dụng do hạn chế về mặt công
nghệ.
Năm 1979 thì mạng di động tế bào đầu tiên đã được đưa vào sử dụng ở Mỹ và
phát triển rất nhanh do doanh thu thu lớnvà tính thuận tiện trong việc sử dụng.
Mạng đi động tế bào được ra đời nhờ các tiến bộ kỹ thuật về:
- Có các hệ thống chuyển mạch tự động với tốc độ chuyển mạch lớn, dung
lương cao.
- Sử dụng kỹ thuật vi mạch : VLSI ra đời ( Very Large Scale Integrated Circuit)
nó có thể tích hợp các linh kiện từ hàng trăm ngàn đến 10 6 transistor trong 1
máy điện thoại di động. Do vậy có thể giải quyết được những khó khăn trong
việc truyền sóng di động.
Hệ thống thông tin di động tế bào số hay còn được gọi là hệ thống thông tin di
động (Mobile Systems) là hệ thống thông tinliên lạc được truy cập với nhiều
điểm khác nhau (access point or base stations) trên một vùng tế bào hay còn gọi
là các Cell.
3
Cell (tế bào hay ô): là đơn vị cơ sở của mạng mà tại đó trạm MS ( trạm di
động) tiến hành việc trao đổi các thông tin với mạng thông qua trạm thu phát
gốc BTS (Base Transceiver Stations)
Hình 1.1. Cấu trúc mạng tế bào
2. Phân loại hệ thống thông tin di động
2.1. Phân loại theo đặc tính tín hiệu.
- Analog: Thế hệ 1,thoại điều tần analog, các tín hiệu điều khiển đã được số hóa
toàn bộ.
- Digital: Thế hệ 2 và cao hơn, thoại, điều khiển đều số hóa. Ngoài dịch vụ thoại
nó còn có khả năng phục vụ các dịch vụ khác như truyền số liệu,.....
2.2. Phân loại theo cấu trúc hệ thống
- Các mạng vô tuyến tế bào: Cung cấp cac dịch vụ trên diện rộng với khả năng
lưu động (roaming) toàn cầu (liên mạng).
- Vô tuyến viễn thông không dây (CT: Cordless Telecome) cung cấp dịch vụ
trên diện hẹp, các giải pháp kỹ thuật đơn giản, không có khả năng roaming.
- Vành vô tuyến địa phương (WLL: Wireless Local Loop): Cung cấp dịch vụ
điện thoại vô tuyến với chất lương như điện thoại cố định cho một vành đai
quanh một tram gốc, không có khả năng roaming. Mục đích nhằm cung cấp dịch
vụ điện thoại cho các vùng mật độ dân cư thấp, mạng lưới điện thoại cố định
chưa phát triển.
2.3. Phân loại theo phương thức đa truy nhập vô tuyến
a.Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA
4
Mỗi thuê bao truy nhập mạng bằng 1 tần số, băng tần chung W được chia thành
N kênh vô tuyến. Mỗi một thuê bao truy nhập và liên lạc trên kênh liên lạc trên
kênh con trong suốt thời gian liên lạc.
+Ưu điểm: yêu cầu về đồng bộ không quá cao, thiết bị đơn giản.
+Nhược điểm:
- Thiết bị tram gốc cồng kềnh do có bao nhiêu kênh (tần số sóng mang kênh
con) thì tại trạm gốc phải có bấy nhiêu máy thu phát.
- Cần phải đảm bảo các khoảng cách bảo vệ giữa từng kênh bị sóng mang chiếm
nhằm mục đích phòng ngừa sự không hoàn thiện của các bộ lọc và các bộ dao
động. Các máy thu đường lên hoặc đường xuống chọn sóng mang cần thiết và
theo tần số phù hợp.
Như vậy để đảm bảo FDMA tốt thì tần số phải được phân chia và quy hoạch
thống nhất trên toàn thế giới.
b. Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA
Các phổ mà quy định cho liên lạc thông tin di động được chia ra thành các dải
tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này sẽ dùng chung cho N kênh liên lạc. Trong
mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian trong chu kỳ một khung. Các thuê bao
dùng chung một tần số song luân phiên nhau về thời gian, mỗi thuê bao được chỉ
định cho một khe thời gian trong cấu trúc khung.
+Ưu điểm:
-Trạm gốc đơn giản do với một tần số chỉ cần một máy thu phát phục vụ được
nhiều người truy nhập và được phân biệt nhau về thời gian.
- Các tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số
-Giảm nhiễu giao thoa
+Nhược điểm:
-Yêu cầu về đồng bộ ngặt nghèo.
- Loại máy điện thoại di động mà dùng kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn loại
máy điện thoại di động dùng kỹ thuật FDMA. Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu
5
trong MS tương tự có khả năng xử lý không quá 106 lệnh trong một giây, còn
trong MS số TDMA phải có khả năng xử lý hơn 50x106/s
c. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA
Các thuê bao dùng chung một tần số trên suốt thời gian liên lạc. CDMA phân
biệt nhau nhờ kỹ thuật mã trải phổ khác nhau, nhờ đó hầu như không gây nhiễu
lẫn nhau.Những thiết bị mà người sử dụng được phân biệt với nhau nhờ dùng
một mã đặc trưng, riêng biệt không trùng với ai.
+Ưu điểm:
-Hiệu quả sử dụng phổ cao, có khả năng chuyển vùng miền và đơn giản trong kế
hoạch phân bổ tần số.
- Khả năng chống nhiễu và bảo mật cao, thiết bị trạm gốc đơn giản (1 máy thu
phát).
- Dải tần tín hiệu hoạt động rộng hàng MHz .
- Những kỹ thuật trải phổ trong hệ thống truy nhập này cho phép tín hiệu vô
tuyến sử dụng có cường độ trường hiệu quả hơn FDMA, TDMA
+Nhược điểm:
- Yêu cầu về đồng bộ và điều khiển công suất rất ngặt nghèo, chênh lệch công
suất thu tại trạm gốc từ các máy di động trong một tế bào phải nhỏ hơn hoặc
bằng 1dB, trái lại thì số kênh phục vụ được.
-Kỹ thuật trải phổ phức tạp.
Hình 1.2. Các công nghệ đa truy nhập
2.4. Phân loại theo phương thức song song
+ FDD (Frequecy Divition Duplex: Song công phân chia theo tần số). Nó
đượcthu phát đồng thời ở 2 tần số khác nhau, phát 1 tần số và thu 1 tần số. Băng
6
tần công tác gồm 2 dải tần dành cho đường lên up-link từ MS tới BS và đường
xuống down-link từ BS tới MS. Đường lên luôn là dải tần thấp và MS có công
suất nhỏ hơn, thường di động và có khả năng bị che khuất. Khi đó với giải pháp
tần thấp hơn (bước sóng lớn hơn) thì khả năng bị che khuất giảm.
+ TDD (Time Divition Duplex: Song công phân chia theo thời gian). Một tần
số chia 8 khe thời gian.Khung thời gian công tác được chia đôi, 1 nửa cho
đường lên, 1 nửa cho đường xuống.
II. Một số thế hệ mạng di động
Các thế hệ di động khác nhau đều có bốn khía cạnh chính là:
- Truy cập vô tuyến
- Tốc độ dữ liệu
- Băng thông
- Cấu hình chuyển mạch
Hình 1.3.Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào.
Thế hệ ra đời đầu tiên vào thập niên 80 là mạng thông tin thế hệ 1G, mạng này dùng
tín hiệu tương tự (analog), băng thông khác nhau từ 10 đến 30 Khz tùy thuộc vào loại
hệ thống và dịch vụ, dịch vụ chủ yếu là thoại. Tuy mạng này chứa đựng nhiều khuyết
điểm về kỹ thuật nhưng nó đã đánh dấu sự đổi mới và là một bước ngoặt quan trọng
trong lịch sử truyền thông.Chính vì thế, để chứng kiến sự chuyển biến, thay đổi của
mạng thông tin di động trên khắp thế giới thì vào đầu những năm 90 người ta người ta
cho ra đời thế hệ thứ hai là mạng 2G với băng thông số 200 MHz. Mạng 2G được
phân ra làm 2 loại: dựa trên nền tảng đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA và
7
dựa trên nền tảng đa truy nhập phân chia theo mã CDMA. Để đánh dấu điểm mốc thời
điểm bắt đầu của mạng 2G là sự ra đời của công nghệ D-AMPS (hay IS-136) trên nền
tảng TDMA được áp dụng ở Mỹ. Sau đó là mạng CdmaOne (hay IS-95) trên nền tảng
CDMA được áp dụng phổ biến ở châu Mỹ và một phần châu Á. Tiếp theo là công
nghệ mạng GSM dựa trên nền tảng TDMA được ra đời đầu tiên tại châu Âu và sau đó
triển khai trên toàn thế giới. Mạng 2G đã đem lại nhiều lợi ích cho người sử dụng, tiêu
biểu như khả năng di động,chất lượng thoại và hình ảnh đen trắng.Tiếp nối mạng 2G là
mạng thông tin di động thế hệ di động thứ ba là mạng 3G. Sự cải tiến nổi bật nhấtcủa
mạng 3G trong dịch vụ so với thế hệ 2G là khả năng đáp ứng truyền thông với chuyển
mạch gói tốc độ cao với băng thông rộng 5 MHz giúp cho việc triển khai các dịch vụ
truyền thông đa phương tiện với hình ảnh động. Mạng 3G với mô hình mạng UMTS
dựa trên nền kỹ thuật công nghệ WCDMA và mạng CDMA2000 trên nền CDMA.
Theo nguyên lý dung lượng kênh truyền Shannon:
C=B.log2(1+S/N)
Trong đó:
- C là dung lượng kênh (bit/s)
- B là băng thông của hệ thống thông tin (Hz)
- S/N là tỉ số công suất tín hiệu trên công suất tạp âm
Theo chuẩn của ITU thì tỉ số S/N tầm 12 dB
8
1.Hệ thống thông tin di động thế hệ 1G (First Generation)
TE MT Um BTS NMC ADC
A-bis
MS
BTS BSC OMC OMC
TE MT
MS Um PSTN
BTS A
BS MSC GMSC
ISDN
Um
TE MT BTS
A-bis
MS
BTS BSC
TE MT HLR VLR
MS Um
BTS
BS AUC EIR
LA
Hình 1.4. Cấu trúc mạng cơ bản của hệ thống GSM
Trong đó:
MS :Mobile Station (Trạm di động)
MT :Mobile Termination(Đầu cuối di động).
TE :Terminal Equipment (Thiết bị đầu cuối).
Um :Giao diện vô tuyến giữa trạm cố định và trạm di động.
BS :Base Station(Trạm gốc cố định).
BSS :Base Station Systerm (Hệ thống trạm gốc).
BTS :Base Tranceiver Station (Trạm thu phát gốc).
BSC :Base Station Controller (Đài điều khiển trạm gốc).
MSC :Mobile Switching Centre (Trung tâm chuyển mạch di động).
NMC :Network Management Centre (Trung tâm quản lý mạng).
OMC :Operation Maintenace Centre (Trung tâm khai thác và bảo trì).
ADC :Administration Centre (Trung tâm quản trị điều phối).
AUC :Authentication Centre(Trung tâm nhận thực thuê bao).
EIR :Equipment Identity Register (Bộ ghi nhận thiết bị).
HLR :Home Location Register (Bộ ghi định vị thường trú).
VLR :Visistor Location Register (Bộ ghi định vị tạm trú).
9
GMSC :Gateway MSC (Tổng đài cổng)
PSTN :Public Switched Telephone Network (Mạng điện thoại chuyển mạch
công cộng)
ISDN :Intergrated Service Digital Network (Mạng tích hợp số đa dịch vụ)
LA : Location Area (Vùng định vị)
Chức năng các trạm:
Trạm di động (Mobile Station):là thiết bị mà một thuê bao sử dụng để truy nhập các
dịch vụ của hệ thống. MS có chức năng tạo kênh vật lý giữa BS và MS như quản lý
kênh, thu phát vô tuyến, mã hóa và giải mã kênh, mã hóa và giải mã tiếng nói,… . Nó
gồm thiết bị đầu cuối TE và một đầu cuối di động MT.
Trạm gốccố định (Base Station):có chức năng quản lý kênh vô tuyến bao gồm đặt
kênh, giám sát chất lượng đường thông tin, phát các tin quảng bá và thông tin báo hiệu
liên quan, cũng như điều khiển các mức công suất và điều khiển nhảy tần. Trạm BS
còn có các chức năng khác như là mã hoá giải mã và sửa lỗi, mã chuyển tiếng nói số
hoặc phối hợp tốc độ số liệu, khởi đầu chuyển điều khiển HO trong nội bộ tế bào về
kênh tốt hơn cũng như mã tín hiệu báo hiệu và số liệu.
Hệ thống trạm gốc (BSS- Base Station Systems): hệ thống này bao gồm:
- Trạm thu phát gốc (BTS – Base Tranceiver Station)là một máy thu phát vô tuyến
được sử dụng để phủ sóng cho một tế bào
- Đài điều khiển trạm gốc (BSC – Base Station Controler) có nhiệm vụ thực hiện
mọi chức năng kiểm soát trong BS như điều khiển HO, điều khiển công suất
Hai trạm này kết nối với nhau bằng giao diện A-bis.
Tổng đài thông tin di động(MSC – Mobile Switching Centre): MSC được kết nối
tuyến với BS thông qua giao diện A. Các chức năng của MSC bao gồm : điều khiển
cuộc gọi, lập tuyến cuộc gọi, các thủ tục cần thiết để làm việc với các mạng khác(như
PSTN, ISDN), các thủ tục liên quan tới quản lý quá trình di động của các trạm di động
như nhắn tin để thiết lập cuộc gọi, báo mới vị trí trong quá trình di động và nhận thực
nhằm chống các cuộc truy nhập trái phép, cũng như các thủ tục cần thiết để tiến hành
chuyển điều khiển.
Trung tâm nhận thực (AUC – Authentication Centre): trung tâm nàylà một đơn vị
cơ sở dữ liệu trong mạng, cung cấp các tham số mã mật và nhận thực cần thiết để giúp
10
cho đảm bảo tính riêng tư (mật) của từng cuộc gọi và nhận thực quyền truy nhập của
thuê bao đang tiến hành truy nhập mạng.
Bộ ghi định vi thường trú(HLR – Home Location Register): là một đơn vị cơ sở dữ
liệu có chức năng dùng để quản lý các thuê bao di động
Bộ ghi số nhận diện thiết bị (EIR – Equipment Identity Register): Bộ ghi số nhận
diện thiết bị nối tới MSC bằng một tuyến báo hiệu, cũng là một cơ sở dữ liệu chứa
thông tin liên quan đến thiết bị (con số nhận diện phần cứng của thiết bị di động) cho
phép MSC nhận biết được MS hỏng, bị lấy cắp hay đang gọi trộm.
Bộ ghi định vị tạm trú (VLR – Visistor Location Register): là một khối có chức
năng theo dõi mọi MS hiện có trong vùng MSC của nó hay không, kể cả MS đang hoạt
động ở ngoài vùng HLR. VLR vì vậy là một cơ sở dữ liệu chứa thông tin của mọi MS
hợp lệ hiện đang có trong vùng của nó.Mỗi MSC có một VLR duy nhất.Vùng mà
MSC/VLR quản lý gọi là vùng phục vụ MSC/VLR.
Thế hệ di động 1G là thế hệ di động không dây cơ bản đầu tiên trên thế giới
được thiết kế vào năm 1970 và cho ra mắt năm 1984. Nó dựa trên công nghệ vô
tuyến tương tự, dịch vụ đơn thuần là thoại.Nó sử dụng phương thức đa truy nhập
FDMA.Các hệ thống giao tiếp thông tin được kết nối bằng tín hiệu analog, sử
dụng các anten thu phát sóng gắn ngoài. Nó kết nối các tín hiệu analog này tới
các trạm thu phát sóng và nhận tín hiệu xử lý thoại thông qua các module gắn
trong các máy di động, tích hợp cả 2 module thu tín hiệu và phát tín hiệu. Do
vậy mà các thế hệ máy di động đầu tiên trên thế giới có kích thước khá to, cồng
kềnh, chất lượng thấp và bảo mật kém.
Hình 1.5. Điện thoại thế hệ 1G
11