Nhóm 15

Hôm nay, chúng ta sẽ tìm hiểu làm thế nào mà điện thoại có thể thực hiện được 1 cuộc gọi, và sự khác biệt giữa các thế hệ công nghệ truyền thông di động.. Cách vận hành cơ bản của truyền

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

MÔN HỌC: CÁC HÊ THỐNG TRUYỀN THÔNG

CHỦ ĐỀ: TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG

Giáo viên hướng dẫn: ThS Trương Tấn Quang

TP HCM, Ngày 25 tháng 11 năm 2020

LỜI MỞ ĐẦU 3

I TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG 4

1 Truyền thông di động là gì 4

2 Cách vận hành cơ bản của truyền thông di động 5

3 Phổ tần trong viễn thông 10

II MỘT SỐ THẾ HỆ TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG 11

1 Thế hệ thứ nhất – First Generation (1G) 11

2 Thế hệ thứ hai – Second Generation (2G, 2.5G) 11

3 Thế hệ thứ 3 - Third Generation (3G) 12

4 Thế hệ thứ tư - Fourth Generation (4G) 12

5 Thế hệ thứ năm - Fifth Generation (5G) 13

6 Thế hệ thứ sáu – Sixth Generation (6G) 15

III Tài liệu tham khảo 16

LỜI CẢM ƠN 17

LỜI MỞ ĐẦU

Việt Nam là một nước đang phát triển theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa, trên con đường phát triển và đang hòa nhập vào sự phát triển của “WTO” tạo ra thay đổi về mặt kinh tế xã hội của nước ta, tạo cơ hội cho học sinh – sinh viên chúng em tiếp cận và nắm bắt được nhiều thành tựu vĩ của thế giới, đặc biệt là về các lĩnh vực khoa học kỹ thuật nói chung và ngành Điện Tử - Viễn Thông nói riêng Thế hệ trẻ chúng ta không tự mình phấn đấu học hỏi thì chúng ta sẽ sớm lạc hậu và nhanh chóng bị đẩy lùi Nhìn thấy được điều đó trường ĐẠI HỌC KHOA HỌC

TỰ NHIÊN đã sớm chủ trương hình thức đào tạo sâu rộng, từ thấp đến cao Để cho sinh viên nhà trường nói chung và sinh viên khoa Điện tử - Viễn Thông nói riêng đã tổ chức giảng dạy môn học Các hệ thống

truyền thông để cho sinh viên có thể hiểu được cách cơ bản thực hiện một đồ án thực tế Chính vì vậy chúng em đã chọn đề tài: Truyền thông

di động.

I TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG

1 Truyền thông di động là gì

Khái niệm: Truyền thông di động (Thông tin di động) là một thuật ngữ chung cho viễn thông trong đó một hoặc cả hai thiết bị đầu cuối có thể di chuyển ( không được kết nối với đường truyền và không phải là trạm không dây cố định)

Hình 1.1 Truyền thông di động

Mạng thiết bị di động hay mạng di động, mạng mobile là một mạng vô tuyến bao gồm một số lượng các tế bào vô tuyến (radio cell), được phục vụ bởi một máy phát (transmitter) cố định, được gọi là các trạm gốc (cell site hoặc base station)

Hình 1.2 Tế bào và mạng tế bào

Các tế bào này được dùng để phủ các vùng khác nhau với mục đích cung cấp vùng phủ sóng trên một diện rộng hơn gấp rất nhiều lần so với một tế bào Mạng các tế bào vốn dĩ không đối xứng với một tập hợp các trạm thu phát vô tuyến chính cố định, mỗi trạm phục vụ một tế bào và một tập các trạm thu phát phân tán (thường

là di động nhưng không phải lúc nào cũng như vậy) cung cấp dịch vụ cho người sử dụng. 

Đối với hầu hết mọi người, điện thoại di động đã là 1 phần cuộc sống của họ Hôm nay, chúng ta sẽ tìm hiểu làm thế nào mà điện thoại có thể thực hiện được 1 cuộc gọi, và sự khác biệt giữa các thế hệ công nghệ truyền thông di động

 Trước hết chúng ta nên biết rằng truyền thông di động dùng tín hiệu kỹ

thuật (digital signal) Vậy vì sao chúng ta không dùng tín hiệu tương tự (analog signal)?

Ba yếu tố minh chứng cho sự tối ưu của âm thanh kỹ thuật số:

 Thứ nhất là việc lưu trữ rất đơn giản Thay vì ghi âm ghi hình khá phức tạp

bằng nhiều mức trong các băng từ tính như băng video, băng cassette… mọi người chỉ cần ghi bằng cách đục các lỗ để tượng trưng cho luận lý 0 và 1 Đĩa CD, VCD và DVD theo nguyên tắc này Người ta đục lỗ rồi cho tia laser chiếu qua để đọc lại dữ liệu

 Thứ hai   là giao tiếp từ xa Thay vì phát thanh truyền hình phải xử lý tín hiệu ở nhiều mức, gây méo mó, nghẹt tiếng, sai màu… bây giờ chỉ còn truyền hai mức 0 và 1 dễ truyền, hình ảnh âm thanh được giữ nguyên gốc.

 Thứ ba là biến hóa Các chuỗi luận lý 0 và 1 dễ dàng được các nhà toán học

xử lý biến hóa vô cùng Các mạch lọc số cho ra các âm thanh vòm

(surround) đủ các kiểu nghe rất hấp dẫn và hoành tráng Các phương thức xử

lý ảnh số cho ra vô vàn các ảnh ghép, các kỹ xảo truyền hình mà tín hiệu tương tự không thể làm được

Hình 1.3 Digital và analog

2 Cách vận hành cơ bản của truyền thông di động

Khi bạn nói chuyện trên điện thoại, việc đầu tiên micro trong điện thoại sẽ thu lại giọng nói của bạn, tiếp đó micro sẽ chuyển giọng nói của bạn thành dữ liệu số dưới

sự trợ giúp của MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)

1 cái anten bên trong điện thoại

sẽ nhận các số 0 và số 1 này và

truyền chúng đi dưới dạng sóng

điện từ Sóng điện từ truyền các

số 0 và số 1 bằng cách thay đổi

đặc tính của sóng điện từ như

điều chế tần số, điều chế biên độ,

hoặc kết hợp cả 2 cách này

Ví dụ, dữ liệu là số không sẽ được phát đi với tần số thấp Còn dữ liệu là số 1 sẽ được phát đi với tần số cao Vì vậy, nếu chúng ta biết cách truyền sóng điện từ này đến điện thoại của bạn bè, thì chúng ta đã có thể thực hiện được cuộc gọi

Tuy nhiên, sóng điện từ không có khả năng di chuyển 1 quãng đường quá dài do 2

lý do sau:

 Tín hiệu của sóng điện từ sẽ bị yếu đi trong quá trình di chuyển và do cản trở của các vật thể, thiết bị điện và các yếu tố của môi trường

 Do cấu trúc bề mặt cong của trái đất

Hình 1.4 Cảm biến MEMS trong điện thoại

Để khắc phục được vấn đề này, các tháp viễn thông đã được đưa vào sử dụng Trong công nghệ di động, một khu vực địa lý sẽ được chia thành các ô hình lục giác Mỗi ô lục giác sẽ có 1 tháp viễn thông và 1 tần số riêng

Hình 1.5 Tháp viễn thông

Các tháp viễn thông này sẽ được kết nối với nhau bằng dây cáp, cụ thể là cáp quang học (Fiber).Các sợi cáp quang này được đặt dưới mặt đất hoặc dưới đại dương, nhằm cung cấp sự kết nối trong nội bộ mỗi quốc gia hoặc kết nối với thế giới

Hình 1.6 Cáp quang (fiber)

Sóng điện từ được phát ra từ điện thoại của bạn sẽ được thu bởi tháp viễn thông gần nhất với bạn Tháp viễn thông sẽ chuyển đổi tín hiệu sóng điện từ thành xung

ánh sáng tần số cao Các xung ánh sáng này sẽ được đưa tới hộp thu phát, được đặt

ở chân của tháp để xử lý tín hiệu

Hình 1.7 Tháp viễn thông nhận sóng điện từ

Sau khi được xử lý, tín hiệu giọng nói của bạn sẽ được truyền tới 1 tháp viễn thông khác ở gần nhất với người mà bạn muốn gọi Sau khi nhận được tín hiệu này, tháp viễn thông bên người nhận sẽ phát tín hiệu sóng điện từ tới điện thoại của người bạn muốn gọi Và khi điện thoại của người đó nhận được tín hiệu, 1 quá trình xử lý tín hiệu ngược lại sẽ chuyển đổi từ sóng điện từ thành tín hiệu kỹ thuật số, rồi từ tín hiệu kỹ thuật số sẽ được chuyển đổi thành giọng nói của bạn

Hình 1.8 Quá trình làm việc của tháp viễn thông

Đó là cách cơ bản mà truyền thông di động thực hiện Tuy nhiên, có 1 thách thức lớn mà chúng tôi vẫn chưa đề cập tới Đó là cuộc gọi của bạn chỉ thành công khi tháp viễn thông trong khu vựccủa bạn gửi được tín hiệu tới tháp viễn thông của khu vực người bạn muốn gọi Nhưng làm sao biết được người bạn muốn gọi đang

ở khu vực nào để truyền tín hiệu tới tháp viễn thông đó?

Để thực hiện được nhiệm vụ này, các tháp viễn thông sẽ được hỗ trợ bởi trung tâm

chuyển mạch di động, gọi tắt là MSC (Mobile switching center).

Hình 1.9 Hệ thống chuyển mạch MSC

Trung tâm chuyển mạch di động là điểm trung tâm của 1 nhóm các tháp viễn thông Trước khi đi sâu hơn, chúng ta sẽ tìm hiểu 1 chút về trung tâm chuyển mạch

di động

Khi bạn mua thẻ SIM, các thông tin bạn đăng ký sẽ thuộc về 1 trung tâm chuyển mạch di động cụ thể nào đó, chúng ta sẽ gọi trung tâm chuyển mạch giữ thông tin

của bạn là trung tâm chuyển mạch chủ của bạn Trung tâm chuyển mạch chủ sẽ lưu trữ các thông tin về bạn như: các gói dịch vụ di động, vị trí hiện tại của bạn và các trạng thái hoạt động liên quan tới điện thoại của bạn

Hình 1.10

Nếu bạn di chuyển ra khỏi phạm vi quản lý của trung tâm chuyển mạch chủ này, thì 1 trung tâm chuyển mạch mới sẽ được thế vào để tiếp tục quản lý bạn, chúng ta

sẽ gọi trung tâm chuyển mạch mới này là trung tâm chuyển mạch khách Nghĩa là giờ chúng ta đang có 1 trung tâm chuyển mạch chủ Và tuỳ thuộc vào vị trí của bạn, chúng ta sẽ có rất nhiều trung tâm chuyển mạch khách

Có 3 cách để MSC chủ của bạn có thể biết được vị trí hiện tại của bạn:

 Hệ thống sẽ tự động cập nhật thông tin theo thời gian nhất định

 Chỉ định 1 số tháp viễn thông sẽ tự động cập nhật vị trí của thuê bao di động trọng phạm vi xung quang của nó

 Hệ thống sẽ tự cập nhật thông tin thuê bao di động mỗi khi thuê bao được

mở lên

3 Phổ tần trong viễn thông

Phổ tần số vô tuyến cho các hệ thống thông tin di động tế bào sử dụng công nghệ GSM và CDMA trong dải tần từ 821MHz – 960MHz

Phổ tần số vô tuyến cho các hệ thống thông tin di động tế bào của Việt Nam trong dải tần từ 821MHz – 960MHz và 1710MHz – 2200MHz

Mỗi thuê bao khi đăng kí sẽ được phân bổ một phổ tần nhất định tuy nhiên phổ tần có sẵn cho thông tin di động là khá hạn chế trong khi đó có tới hàng tỷ thuê bao trên khắp thế giới, để giải quyết vấn đề này chúng ta có hai công nghệ:

 Frequency slot distribution: Phân bố vùng tần số

 Multiple access technique: Kỹ thuật đa truy cập

II MỘT SỐ THẾ HỆ TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG

1. Thế hệ thứ nhất – First Generation (1G) 

 Mạng di động thương mại đầu tiên (thế hệ 1G)

được triển khai tại Nhật Trong vòng 5 năm, mạng

lưới NTT đã được mở rộng để đáp ứng nhu cầu của

toàn bộ dân số Nhật Bản và trở thành mạng lưới 1G

toàn quốc đầu tiên

 Năm 1981, hệ thống NMT đồng thời được triển

khai ở Đan Mạch, Phần Lan, Na Uy và Thụy Điển

NMT là mạng điện thoại di động đầu tiên có tính

năng chuyển vùng

 Năm 1983, mạng 1G đầu tiên ra mắt tại Mỹ sử

dụng điện thoại di động Motorola DynaTAC

Đặc điểm

- Hệ thống thông tin di động sử dụng phương thức đa truy thập phân chia theo tần số FDMA và điều chế tần số FM

- Tốc độ truyền là 24 Kbps

- Dịch vụ đơn thuần là thoại

- Vì 1G truyền thông tin định dạng tương tự nên dễ bị nhiễu => chất lượng thấp

và bảo mật kém

2. Thế hệ thứ hai – Second Generation (2G, 2.5G)

Thế hệ thứ hai (2G) xuất hiện vào những năm 91

với mạng di động đầu tiên tại Phần Lan, xứ xở của

hãng Nokia, sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân

chia theo thời gian (TDMA)

Thế hệ 2G ra đời cải tiến so với 1G:

 Gọi thoại với tín hiệu được mã hóa dưới dạng tín

hiệu kĩ thuật số (digital encrypted)

 Sử dụng hiệu quả hơn phổ tần số vô tuyến cho

phép nhiều người dùng hơn trên mỗi dải tần

 Cung cấp dịch vụ dữ liệu cho di động, bắt đầu với

tin nhắn văn bản SMS

Hình 2.1 Motorola DynaTAC

Hình 2.2 Điện thoại Nokia Hình 2.1 Motorola DynaTAC

Và sau đó 1 thời giạn là có thêm sự nâng cấp, bổ sung của 2G gọi là 2.5G (GPRS (General Packet Radio Service)

Được chuẩn hóa như một phần của GSM đời thứ hai (2G) Thông tin được tải đi dưới dạng các gói tin Những gói tin này tự tìm đường ngắn nhất đến địa chỉ

cần đến Trên lý thuyết, tốc độ truyền tin dùng GPRS lên tới 115Kbit/s Hỗ trợ

tốc độ bit cao hơn GPRS trên nền GSM (384 kbps)

Các cải tiến:

Tốc độ bit data cao hơn. 

Hỗ trợ kết nối Internet (Đánh dấu 1 cuộc cách mạng trong di động)

Chuyển mạch gói - Packet Switching 

Nâng cấp từ mạng GSM nhằm hỗ trợ chuyển mạch gói (172 kbps). 

3. Thế hệ thứ 3 - Third Generation (3G)

Nước đầu tiên đưa 3G vào khai thác thương mại

một cách rộng rãi là Nhật Bản Năm 2005,

khoảng 40% các thuê bao tại Nhật Bản là thuê

bao 3G, mạng 2G đang dần biến mất tại Nhật

Bản Người ta cho rằng, vào năm 2006, việc

chuyển đổi từ 2G sang 3G sẽ hoàn tất tại Nhật

Bản

Cải thiện tốc độ truyền dữ liệu và sử dụng hệ

thống đa truy cấp W-CDMA, tăng băng thông

để cho mức truyền dữ liệu đạt đến 2Mbps.

Hai hướng tiêu chuẩn cho mạng 3G:  

 W-CDMA: UTMS (Phát triển từ hệ thống

GSM, GPRS)

 CDMA 2000 1xEVDO (Phát triển từ hệ thống CDMA IS-95)

Đặc điểm

 Hỗ trợ các dịch vụ số liệu gói tốc độ cao

  Di chuyển trên các phương tiện (Vehicles)

 Đi bộ, di chuyển chậm (Pedestrians)

 Văn phòng (Indoor, stationary users)

 Video Streaming, video conference, web browsing, email, navigational maps

4. Thế hệ thứ tư - Fourth Generation (4G)

Hình 2.3 Thiết bị 3G

 4G hay 4G, viết tắt của Fourth

-Generation, là công nghệ truyền thông

không dây thứ tư, cho phép truyền tải

dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều

kiện lý tưởng lên tới 1 cho đến 1.5

Gb/giây Tên gọi 4G do IEEE

(Institute of Electrical and Electronics

Engineers) đặt ra để diễn đạt ý nghĩa

"3G và hơn nữa"

 Cải tiến về dịch vụ dữ liệu

 Tốc độ bit: 20 – 100 Mb/s.

 Phương thức điều chế: OFDM,

MC-CDMA 

 Xu hướng kết hợp: mạng lõi IP +

mạng truy nhập di động (3G) và truy

nhập vô tuyến Wimax & Wi-Fi

Với những ứng dụng đa dạng như duyệt web tốc độ cao, điện thoại IP (VoIP), game, truyền hình độ nét cao, hội thảo video 4G là công nghệ hứa hẹn tạo ra những bước đột phá mới về dịch vụ viễn thông

5. Thế hệ thứ năm - Fifth Generation (5G)

5G (Thế hệ mạng di động thứ 5 hoặc hệ thống không dây thứ 5) là thế hệ tiếp theo của công nghệ truyền thông di động sau thế hệ 4G Theo các nhà phát minh,

mạng 5G sẽ có tốc độ nhanh hơn khoảng 100 lần so với mạng 4G hiện nay.

ƯU ĐIỂM VƯỢT TRỘI:

Hình 2.4 Mạng 4G

Hình 2.5 Công nghệ 5G

Hình 2.4 Mạng 4G

Hình 2.5 Công nghệ 5G

 Giúp mở ra nhiều khả năng mới và hấp dẫn

 Xe tự lái có thể đưa ra những quyết định quan trọng tùy theo thời gian và hoàn cảnh

 Tính năng chat video sẽ có hình ảnh mượt mà và trôi chảy hơn, làm cho chúng ta cảm thấy như đang ở trong cùng một mạng nội bộ

 Các cơ quan chức năng trong thành phố có thể theo dõi tình trạng tắc nghẽn giao thông, mức độ ô nhiễm và nhu cầu tại các bãi đậu xe

 …

Mạng 5G được xem là chìa khóa để chúng ta đi vào thế giới Mạng lưới vạn vật kết nối Internet (IoT), trong đó các bộ cảm biến là những yếu tố quan trọng để trích xuất dữ liệu từ các đối tượng và từ môi trường Hàng tỷ bộ cảm biến sẽ được tích hợp vào các thiết bị gia dụng, hệ thống an ninh, thiết bị theo dõi sức khỏe, khóa cửa, xe hơi và thiết bị đeo

Tuy nhiên, để cung cấp 5G, các nhà mạng sẽ cần phải tăng cường hạ tầng cơ

sở mạng lưới (gọi là trạm gốc) Họ có thể bắt đầu bằng cách khai thác dải phổ hiện còn trống Sóng tín hiệu với tần số đo MHz sẽ được nâng cao lên thành GHz hay thậm chí nhanh hơn Tần số giao tiếp của điện thoại hiện nay ở dưới mức 3 GHz nhưng mạng 5G sẽ yêu cầu những băng tần cao hơn

Các nhà mạng lớn đặt mục tiêu rằng mạng 5G sẽ bắt đầu phủ sóng vào năm 2020

Xu hướng phát triển mạng 5G tại Việt Nam

Các nhà mạng lớn tại Việt Nam cho hay: sự thành công của việc thử nghiệm mạng 5G vào năm 2019 sẽ phụ thuộc rất nhiều vào việc Bộ TT-TT đưa ra quy hoạch tần

số sớm trong năm tới như thế nào

6. Thế hệ thứ sáu – Sixth

Generation (6G)

6G (Thế hệ mạng di động thứ 6

hoặc hệ thống không dây thứ 6)

là thế hệ tiếp theo của công

nghệ truyền thông di động sau

thế hệ 5G Công nghệ mạng 6G

hiện tại chưa có khái niệm định

nghĩa và sẽ được đưa vào hoạt

động vào khoảng năm 2030

Hình 2.6 Công nghệ 6G

nhằm thỏa mãn mọi kỳ vọng mà 5G chưa đáp ứng được Tầm nhìn năm 2030 đó là

xã hội của chúng ta được lèo lái bởi dữ liệu, được hiện thực hóa bởi kết nối không dây không giới hạn gắn kết với Mạng lưới vạn vật kết nối Internet, công nghệ trí tuệ nhân tạo và gần như tức thời

Dự án 6Genesis

Ngày 20 tháng 4 năm 2018, Viện Hàn lâm Phần Lan đã công bố quỹ dự án

"6Genesis", một chương trình nghiên cứu kéo dài 8 năm để khái niệm hóa mạng 6G dưới sự giám sát của Trung tâm Truyền thông Không dây của Đại học Oulu