Nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian trong hệ thống mạng 4g

Ngành công nghệ viễn thông đã chứng kiến những phát triển nhanh trong những năm gần đây. Khi mà công nghệ mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G (Third Generation) chưa đủ để đáp ứng yêu cầu người sử dụng thì công nghệ 4G (Fourth Generation) đã bắt đầu phát triển và được sử dụng nhiều trong những năm gần đây. Hiện nay, 4G gần như đã được phủ sóng toàn cầu, Việt Nam cũng đang gấp rút triển khai và đưa vào khai thác mạng 4G. Việc triển khai 4G LTE ở Việt Nam là bước tiến tất yếu đối với nền công nghệ viễn thông trong nước. Khi được triển khai sử dụng, mạng 4G LTE sẽ rút ngắn thời gian truyền tải của các dòng dữ liệu lớn đến và đi khỏi thiết bị đồng thời mang lại lợi ích cho những giao tiếp có tính chất trao đổi liên tục như trong các game trực tuyến nhiều người chơi, các cuộc gọi video call cũng trở lên thực hơn nhờ độ trễ của âm thanh và hình ảnh được rút ngắn, … Trong LTE, các vấn đề về ky thuật đa truy nhập theo thời gian TDMA vẫn được các nhà khoa học đầu ngành nghiên cứu và đề xuất nhiều giải pháp khác nhau. Xuất phát từ thực tế đó, em chọn đề tài nghiên cứu tìm hiểu kỹ thuật TDMA trong hệ thống thông tin di động 4G.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

NGÀNH: TRUYỀN THÔNG VÀ MẠNG MÁY TÍNH

ĐỀ TÀI :

CHIA THEO THỜI GIAN TRONG HỆ THỐNG MẠNG 4G

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN : Th.S ĐỖ XUÂN THU

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Sinh viên: Nguyễn Hoàng Anh

Lớp: 67DCDT21

Mã sv: 67DCDT20006

Đề tài: Nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian trong hệ thống mạng

4G

Ngày tháng năm 2020

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

( Ký ghi rõ họ tên )

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN ĐỌC DUYỆT

Sinh viên: Nguyễn Hoàng Anh

Lớp: 67DCDT21

Mã sv: 67DCDT20006

Đề tài: Nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian trong hệ thống mạng

4G

Ngày tháng năm 2020 GIẢNG VIÊN ĐỌC DUYỆT ( Ký ghi rõ họ tên )

LỜI CAM ĐOAN

Tên em là: Hoàng Thị Anh

Sinh viên lớp 67DCDT21-chuyên ngành điện tử, viễn thông-Trường Đại họcCông nghệ Giao thông Vận tải, khóa học 2016-2020

Em xin cam đoan những nội dung trong đồ án tốt nghiêp đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian trong hệ thống mạng 4G” là do em

thực hiên dưới sự hướng dẫn trực tiếp của TS.Đỗ Xuân Thu Các số liệu sử dụng phântích trong đồ án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định

Hà Nội, ngày tháng năm 2020

Sinh viên

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thâỳ giáo Đỗ Xuân Thu đãhướng dẫn và giúp đỡ em tận tình trong quá trình chọn đề tìa cũng như hoàn thành đềtài này Thầy đã nhiệt tình chỉ bảo cũng như định hướng cho em trong suốt quá trìnhtiến hành làm đề tài

Em xin cảm ơn tất cả các thầy, cô trong khoa cũng như thầy cô giáo bộ mônđiện tử viễn thông đã hướng dẫn và giảng dạy cho em kiến thức suốt những năm emhọc tập tại trường để em có đủ kiến thức làm đề tài tốt nghiệp

Trong quá trình thực hiện đề tài không thể tránh khỏi những sai sót, kính mongquý Thầy, Cô góp ý và chỉ dẫn thêm để em thực hiện tốt hơn trong các đề tài, đồ án

tiếp theo.

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II

KÍ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC HÌNH VII

LỜI NÓI ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu đề tài 1

3 Giới hạn và phạm vi đề tài 1

4 Kết quả dự kiến đạt được 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN 2

DI ĐỘNG 4G 2

1.1 Khái niệm về hệ thống thông tin di động 4G 2

1.2 Các đặc điểm của đường truyền không dây 4

1.2.1 Khái niệm mạng không dây 4

1.2.2 Các mô hình mạng không dây 5

1.2.3 Ưu nhược điểm của mạng không dây 7

1.3 Lịch sử hình thành và phát triển hệ thống thông tin di dộng 4G 9

1.4 Kĩ thuật đa truy nhập trong 4G 19

1.4.1 Giới thiệu về OFDMA 20

1.4.2 Giới thiệu về SC-FDMA 20

1.4.3 Giới thiệu về MIMO 20

1.5 Kết luận chương 20

CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG MẠNG 4G LTE 21

2.1 Kỹ thuật anten đa truy nhập đa người dùng MIMO 21

2.1.1 Cấu hình đa anten 21

2.1.2 Mô hình MIMO tổng quát 22

2.1.3 Đa anten thu 24

2.1.4 Đa anten phát 26

2.2 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số sóng mang(SC-FDMA) 27

2.2.1 FDMA đơn sóng mang 27

2.2.2 Xử lí tín hiệu SC-FDMA 28

2.3 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 28

2.3.1 Giới thiệu về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 28

2.3.2 Mô hình hệ thống OFDM 30

2.3.3 Ưu điểm và nhược điểm của ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 31

2.4 Kết luận chương 32

CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT TDMA TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 33

3.1 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 33

3.1.1 Giới thiệu về TDMA 33

3.1.2 Nguyên lý TDMA 34

3.2 Tạo cụm 35

3.3 Thu cụm 37

3.4 Đồng bộ 38

3.5 Ưu điểm-nhược điểm của phân chia thời gian đa truy cập 38

3.5.1 Ưu điểm 38

3.5.2 Nhược điểm 39

3.6 Hệ thống GSM trong TDMA 39

3.6.1 Hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM) 39

3.6.2 Tham số khung GSM TDMA để tạo dạng sóng 39

3.7 Kết luận chương 40

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG KỸ THUẬT TDMA 41

4.1 Tạo khung Uplink đơn 41

4.2 Tạo khung đường xuống đơn 42

4.3 Mô phỏng hiệu ứng mất kiểm soát và truyền lực 43

4.4 Điều chỉnh hành vi tăng tốc và giảm tốc 44

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

PHỤ LỤC 48

KÍ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Kí hiệu Tiếng anh Tiếng việt

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

thời gianWLAN Local Area Network Mạng cục bộ

AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động tiên

tiến

NMT Nordic Mobile Telephone Điện thoại di động Bắc Âu

TACS Total Access

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợpUMTS Universal Mobile

Telecommunication System Hệ thống viễn thông di động

toàn cầuHSDPA High-Speed Downlink Packet

Access

truy nhập gói đường xuống tốc

độ caoTDD Test Driven Development Phát triển Hướng Kiểm thử

FDD Floppy Disk Drive Ổ đĩa mềm

OFDM Orthogonal frequency-division

multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần

số trực giaoWMAN Wireless metropolitan area

network

Mạng khu vực đô thị không dây

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sự hội tụ của nhiều công nghệ tạo nên mạng 4G 3

Hình 1.2 Mạng không dây 4

Hình 1.3 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động 4G 9

Hình 1.4 Hệ thống mạng 4G tích hợp 18

Hình 2.3 Phân tập trễ 2 anten 27

Hình 3.1 Phân chia thời gian truy cập 33

Hình 3.2 Kết hợp FDMA / TDMA 34

Hình 3.3 Nguyên lý TDMA 34

Hình 3.5 Quá trình tạo cụm ở một hệ thống vô tuyến TDMA 36

Hình 3.7 Khe thời gian 40

Hình 4.1 Sơ đồ phổ của khung đường lên 41

Hình 4.3 Sơ đồ phổ của khung đường xuống 42

Hình 4.4 Quang phổ đường xuống 43

Hình 4.5 Sơ đồ phổ khung sức mạnh khung 43

Hình 4.6 Cấp năng lượng truyền theo thời gian 44

Hình 4.7 Cấp năng lượng truyền theo thời gian 45

Hình 4.8 Cấp năng lượng truyền theo thời gian 45

LỜI NÓI ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngành công nghệ viễn thông đã chứng kiến những phát triển nhanh trong nhữngnăm gần đây Khi mà công nghệ mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G (ThirdGeneration) chưa đủ để đáp ứng yêu cầu người sử dụng thì công nghệ 4G (FourthGeneration) đã bắt đầu phát triển và được sử dụng nhiều trong những năm gần đây Hiện nay, 4G gần như đã được phủ sóng toàn cầu, Việt Nam cũng đang gấp rúttriển khai và đưa vào khai thác mạng 4G Việc triển khai 4G LTE ở Việt Nam là bướctiến tất yếu đối với nền công nghệ viễn thông trong nước Khi được triển khai sử dụng,mạng 4G LTE sẽ rút ngắn thời gian truyền tải của các dòng dữ liệu lớn đến và đi khỏithiết bị đồng thời mang lại lợi ích cho những giao tiếp có tính chất trao đổi liên tục nhưtrong các game trực tuyến nhiều người chơi, các cuộc gọi video call cũng trở lên thựchơn nhờ độ trễ của âm thanh và hình ảnh được rút ngắn, …

Trong LTE, các vấn đề về ky thuật đa truy nhập theo thời gian TDMA vẫn đượccác nhà khoa học đầu ngành nghiên cứu và đề xuất nhiều giải pháp khác nhau Xuấtphát từ thực tế đó, em chọn đề tài nghiên cứu tìm hiểu kỹ thuật TDMA trong hệ thốngthông tin di động 4G

2 Mục tiêu đề tài

- Nghiên cứu hệ thống đa truy nhập đa người dùng trong công nghệ 4G

- Nghiên cứu kĩ thuật TDMA

- Mô phỏng kĩ thuật TDMA trong hệ thống đa truy nhập đa người dùng

3 Giới hạn và phạm vi đề tài

- Tìm hiểu về hệ thống đa truy nhập đa người dùng

- Tìm hiểu về kỹ thuật TDMA trong hệ thống 4G

- Mô phỏng trên Matlab

4 Kết quả dự kiến đạt được.

- Hiểu rõ về hệ thống thông tin di động 4G và kĩ thuật TDMA

- Mô phỏng thành công kĩ thuật TDMA trong hệ thống thông tin 4G

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN

DI ĐỘNG 4G1.1 Khái niệm về hệ thống thông tin di động 4G

Có nhiều định nghĩa khác nhau về 4G, có định nghĩa theo hướng công nghệ, cóđịnh nghĩa theo hướng dịch vụ Đơn giản nhất, 4G là thế hệ tiếp theo của mạng thôngtin di động không dây 4G là một giải pháp để vượt lên những giới hạn và những điểmyếu của mạng 3G Trên thực tế, vào giữa năm 2002, 4G là một khung nhận thức đểthảo luận những yêu cầu của một mạng băng rộng tốc độ siêu cao trong tương lai, chophép hội tụ với mạng hữu tuyến cố định 4G còn là hiện thể của ý tưởng và hy vọngcủa những nhà nghiên cứu ở các trường đại học, các viện, các công ty như Motorola,Qualcomm, Nokia, Ericsson, Sun, HP, NTT DoCoMo và nhiều công ty viễn thôngkhác với mong muốn đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện mà mạng 3G không thể đápứng được

Ở Nhật, nhà cung cấp mạng NTT DoCoMo định nghĩa 4G bằng khái niệm đaphương tiện di động với khả năng kết nối mọi lúc, mọi nơi, khả năng di động toàn cầu

và dịch vụ đặc thù cho từng khách hàng NTT DoCoMo xem 4G như là một mở rộngcủa mạng thông tin di động tế bào 3G Quan điểm này được xem như là một “quanđiểm tuyến tính” trong đó mạng 4G sẽ có cấu trúc tế bào được cải tiến, để cung ứngtốc độ lên trên 100Mbit/giây Với cách nhìn nhận này thì 4G sẽ chính là mạng 3G LTE(Long Term Evolution), UMB (Ultra-Mobile Broadband) hay WiMAX 802.16m

Bên cạnh đó, mặc dù 4G là thế hệ tiếp theo của 3G nhưng trong tương lai nókhông hẳn chỉ là một sự mở rộng của mạng tế bào 4G hướng đến sự hội tụ của nhiềuloại hình mạng đảm bảo cung cấp dịch vụ một cách liên tục, không ngắt quãng Ngườidùng trong tương lai sẽ có khả năng kết nối với nhiều loại hình mạng truy nhập vôtuyến khác nhau Tại một thời điểm, hệ thống sẽ chọn một mạng vô tuyến thích hợpnhất để truyền tải dịch vụ đến người dùng một cách tối ưu Quan điểm này được xemnhư là “quan điểm hội tụ” Trong đó khái niệm “ABC-Always Best Connected” (luônđược kết nối tốt nhất) là đặc tính hàng đầu của mạng thông tin di động 4G Định nghĩanày được nhiều công ty viễn thông lớn và nhiều nhà nghiên cứu, nhà tư vấn viễn thôngchấp nhận nhất hiện nay

Dù theo quan điểm nào, tất cả đều kỳ vọng rằng mạng thông tin di động thế hệthứ tư 4G sẽ nổi lên vào khoảng 2010-2015 như là một mạng vô tuyến băng rộng tốc

độ siêu cao

Mạng 4G sẽ không phải là một công nghệ tiên tiến vượt bậc, đủ khả năng đápứng tất cả các loại hình dịch vụ cho tất cả các đối tượng người dùng Mặc dù nhữngcông nghệ “đình đám” nổi lên gần đây như WiMAX 802.16m, WiBro, UMB, 3G LTE,DVB-H… đã đáp ứng được yêu cầu về tốc độ truyền lớn nhưng chúng chỉ được xem lànhững công nghệ tiền 4G (pre-4G)

Hình 1.1 Sự hội tụ của nhiều công nghệ tạo nên mạng 4G

Mạng 4G sẽ là một sự hội tụ của nhiều công nghệ mạng hiện có và đang pháttriển như 2G, 3G, WiMAX, Wi-Fi, IEEE 802.20, IEEE 802.22, pre-4G, RFID, UWB,

vệ tinh…để cung cấp một kết nối vô tuyến theo đúng nghĩa rộng khắp, mọi lúc, mọinơi, không phụ thuộc vào nhà cung cấp hay thiết bị di động của người dùng trongtương lai, người dùng sẽ thực sự sống trong một môi trường “kết nối mạng”(connected), nơi mà họ có thể kết nối mạng bất cứ nơi đâu với tốc độ cao, giá thànhthấp, dịch vụ chất lượng cao và mang tính đặc thù cho từng cá nhân

1.2 Các đặc điểm của đường truyền không dây

1.2.1 Khái niệm mạng không dây

Mạng không dây đã là một đề tài không hề xa lạ với mỗi chúng ta Hàng ngày,hàng giờ chúng ta đều sử dụng các thiết bị hoạt động dựa trên mạng không dây nhưđiện thoại thông minh, laptop cá nhân Vậy thực tế mạng không dây hoạt động như thếnào? Hôm nay BKAII sẽ cùng các bạn tìm hiểu về nguyên lí hoạt động của mạngkhông dây nhé!

Hình 1.2 Mạng không dây

Trong khi mạng có dây sử dụng cáp để kết nối các thiết bị với nhau như máytính xách tay hay máy tính để bàn thì mạng không dây cho phép các thiết bị có thể kếtnối với mạng mà không cần sử dụng bất kì hệ thống dây nào Với các điểm truy cậpkhuếch đại tín hiệu Wifi, các thiết bị dù ở xa bộ định tuyến vẫn có thể kết nối với hệthống mạng Mạng có dây có nhiều nhược điểm hơn so với mạng không dây, bất lợilớn nhất và rõ ràng nhất chính là việc thiết bị được nối với bộ định tuyến Các mạng códây sử dụng phổ biến các cáp được kết nối một đầu đến cổng Ethernet trên bộ địnhtuyến mạng và đầu kia với máy tính hoặc thiết bị khác

Trước đây người ta cho rằng mạng có dây nhanh hơn và an toàn hơn mạngkhông dây Nhưng hiện nay với những cải tiến công nghệ vượt bậc của công nghệmạng không dây đã tạo nên những thay đổi lớn trong suy nghĩ về tốc độ và sự khácbiệt giữa hai loại kết nối trên

Mạng không dây từ khi xuất hiện đến nay đã có những sự phát triển đáng kinhngạc Không những vậy những kết nối không dây cũng thay đổi từng ngày Trước tiên

là sự xuất hiện của GSM (GPRS/2G) thay đổi toàn bộ hệ thống thông tin liên lạc thếgiới và sau đó là sự phát triển mang tính chất dấu mốc của 3G (WCDMA), tiếp theo lànhững thể hệ kết nối hiện đại hơn ra đời như 4G, 5G

Mạng không dây hay còn được gọi với cái tên WLAN (Wireness Network) cónguyên lí hoạt động như sau:

Mạng WLAN sử dụng sóng điện từ (vô tuyến và tia hồng ngoại) để truyềnthông tin từ điểm này sang điểm khác mà không dựa vào bất kỳ kết nối vật lý nào Cácsóng vô tuyến thường là các sóng mang vô tuyến bởi vì chúng thực hiện chức năngphân phát năng lượng đơn giản tới máy thu ở xa

Dữ liệu truyền được chồng lên trên sóng mang vô tuyến để nó được nhận lạiđúng ở máy thu Đó là sự điều biến sóng mang theo thông tin được truyền Một khi dữliệu được chồng hay được điều chế lên trên sóng mang vô tuyến, thì tín hiệu vô tuyếnchiếm nhiều hơn một tần số đơn, vì tần số hoặc tốc độ truyền theo bit của thông tinbiến điệu được thêm vào sóng mang Nhiều sóng mang vô tuyến tồn tại trong cùngkhông gian tại cùng một thời điểm mà không nhiễu với nhau nếu chúng được truyềntrên các tần số vô tuyến khác nhau

Để nhận dữ liệu, máy thu vô tuyến bắt sóng hoặc chọn một tần số vô tuyến xácđịnh trong khi loại bỏ tất cả các tín hiệu vô tuyến khác trên các tần số khác Trong mộtcấu hình mạng WLAN tiêu biểu, một thiết bị thu phát, được gọi một điểm truy cập(AP – access point), nối tới mạng nối dây từ một vị trí cố định sử dụng cáp Ethernetchuẩn Điểm truy cập (access point) nhận, lưu vào bộ nhớ đệm, và truyền dữ liệu giữamạng WLAN và cơ sở hạn tầng mạng nối dây

Một điểm truy cập đơn hỗ trợ một nhóm nhỏ người sử dụng và vận hành bêntrong một phạm vi vài mét tới hàng chục mét Điểm truy cập (hoặc anten được gắn tớinó) thông thường được gắn trên cao nhưng thực tế được gắn bất cứ nơi đâu miễn làkhoảng vô tuyến cần thu được Các người dùng đầu cuối truy cập mạng WLAN thôngqua các card giao tiếp mạng WLAN mà được thực hiện như các card PC trong các máytính để bàn, hoặc các thiết bị tích hợp hoàn toàn bên trong các máy tính cầm tay Các

card giao tiếp mạng WLAN cung cấp một giao diện giữa hệ điều hành mạng (NOS) vàsóng trời (qua một anten) Bản chất của kết nối không dây là trong suốt với NOS.

1.2.2 Các mô hình mạng không dây

Mạng không dây ra đời kéo theo sự thay đổi lớn lao trong ngành côngnghệ., nguyên lí hoạt động hay các công nghệ kết nối không dây

Nhắc lại về mạng không dây, Wireless Network là một hệ thống các thiết bịđược nhóm lại với nhau, có khả năng giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thay vì cácđường truyền dẫn bằng dây Để xây dựng một hệ thống mạng không dây khá đơn giản.Mạng Wireless được thiết kế rất linh hoạt Khi phát triển một hệ thống bạn có thể lựachọn một trong nhiều kiểu mô hình đã được hoạch định sẵn Mạng không dây bao gồm

3 mô hình cơ bản: mô hình mạng độc lập IBSSs (hay còn gọi là mạng Ad-hoc), môhình mạng cơ sở (BSSs), mô hình mạng mở rộng (ESSs)

Mạng độc lập (Ad-hoc)

Mạng IBSSs (Independent Basic Service Set) hay còn gọi là mạng ad-hoc,trong mô hình mạng ad-hoc các client liên lạc trực tiếp với nhau mà không cần thôngqua AP nhưng phải ở trong phạm vi cho phép

Các nút di động (máy tính có hỗ trợ card mạng không dây) tập trung lại trongmột không gian nhỏ để hình thành nên kết nối ngang cấp (peer-to-peer) giữa chúng.Các nút di động có card mạng wireless là chúng có thể trao đổi thông tin trực tiếp vớinhau, không cần phải quản trị mạng Mô hình mạng nhỏ nhất trong chuẩn 802.11 là 2máy client liên lạc trực tiếp với nhau

Mô hình mạng Ad-hoc này có nhược điểm lớn về vùng phủ sóng bị giới hạn,mọi người sử dụng đều phải nghe được lẫn nhau

mất kết nối vô tuyến và cung cấp vùng phủ sóng với chi phí thấp nhất Các trạm diđộng sẽ chọn AP tốt nhất để kết nối Một điểm truy nhập nằm ở trung tâm có thể điềukhiển và phân phối truy nhập cho các nút tranh chấp, cung cấp truy nhập phù hợp vớimạng đường trục, ấn định các địa chỉ và các mức ưu tiên, giám sát lưu lượng mạng,quản lý chuyển đi các gói và duy trì theo dõi cấu hình mạng.

hệ thống phân phối tới một Access Point khác, hoặc gởi tới một mạng có dây tới đíchkhông nằm trong ESS Các thông tin nhận bởi Access Point từ hệ thống phân phốiđược truyền tới BSS sẽ được nhận bởi trạm đích

1.2.3 Ưu nhược điểm của mạng không dây

Công nghệ không dây đã đi được một quãng đường dài kể từ khi nó được pháttriển Ngành công nghiệp không dây ngày càng trở nên phổ biến và phát triển với mộttốc độ nhanh chóng

Hiện tại, mạng không dây hiện đã phổ biến khắp nơi, xuất hiện trongnhiều ngành Từ chuột không dây ở các văn phòng, công nghệ NFC để thanh toánbằng smartphone trong các cửa hàng hay những thiết bị trong các căn nhà thôngminh giúp người dùng chỉ cần bước tới gần đã có thể khiến cửa hay đèn tự động bật

mở Các công nghệ mới như 5G và LTE-U, cung cấp băng thông rộng với tốc độ truycập cao cũng đầy hứa hẹn

Mạng không dây có những ưu điểm vượt trội riêng:

 Độ tin tưởng cao trong nối mạng của các doanh nghiệp và sự tăng trưởng mạnh

mẽ của mạng Internet và các dịch vụ trực tuyến là bằng chứng mạnh mẽ đối với

lợi ích của dữ liệu và tài nguyên dùng chung Với mạng Wireless, người dùngtruy cập thông tin dùng chung mà không tìm kiếm chỗ để cắm vào, và các nhàquản lý mạng thiết lập hoặc bổ sung mạng mà không lắp đặt hoặc di chuyển dâynối.

 Mạng không dây có khả năng phục vụ tốt hơn, tiện nghi và có lợi thế về chi phíhơn hẳn các kết nối có dây truyền thống

 Khả năng lưu động hỗ trợ các cơ hội về hiệu suất và dịch vụ mà mạng có dâykhông thể thực hiện được

 Cài đặt hệ thống mạng không dây khá nhanh và dễ dàng, giảm bớt việc phải kéodây qua các vị trí khó khăn Công nghệ không dây cho phép mạng đi đến cácnơi mà mạng có dây không thể

 Phần cứng mạng không dây ban đầu có chi phí cao hơn so với mạng có dâynhưng chi phí cài đặt toàn bộ và giá thành tính theo tuổi thọ thấp hơn đáng kể

 Cấu hình mạng của hệ thống mạng không dây dễ thay đổi từ các mạng độc lậpphù hợp với số nhỏ người dùng đến các mạng cơ sở hạ tầng với hàng nghìnngười sử dụng trong một vùng rộng lớn

 Mạng không dây còn thể hiện ưu điểm của mình ở tính mở rộng dễ dàng có thểđáp ứng tức thì khi có sự gia tăng lớn về số lượng truy cập

Tuy có nhiều ưu điểm song mang không dây cũng có những nhược điểm nhất định:

 Bảo mật có thể nói chính là nhược điểm lớn nhất của mạng không dây, bởiphương tiện truyền tín hiệu là sóng và môi trường truyền tín hiệu là không khínên khả năng bị tấn công là khá lớn

 Phạm vi hoạt động còn hạn chế, ngay cả công nghệ mạng dây hiện đại nhất hiệnnay cũng chỉ có thể hoạt động ở phạm vi tối đa 150m nên mạng không dây chỉphù hợp với không gian hẹp

 Do truyền tín hiệu bằng sóng vô tuyến nên việc bị nhiễu hay suy giảm là điều tất yếu Đây là vấn đề gây ảnh hướng lớn đến hiệu quả của các mạng

 Tốc độ mạng cũng là một vấn đề chúng ta cần quan tâm Tuy tốc độ cao nhấtcủa mạng không dây có thể lên tới 600Mbps nhưng con số đó vẫn chậm hơnnhiều so với các mạng cáp thông thường

 Hơn thế nữa mạng không dây bị tác động rất lớn bởi yếu tố thời tiết hay các vậtchắn, mạng không dây còn bị tác động bởi ảnh hưởng của các thiết bị khác.

Bảo mật là vấn đề được quan tâm hàng đầu hiện nay Khi nhắc đến bảo mậtmạng không dây có hai vấn đề thường xuyên được nhắc đến đó là: chứng thực và mãhóa

Chứng thực: là quá trình mà trong đó các thiết bị kết nối với nhau thông qua cáckênh kết nối sẽ được chứng thực, để chắc rằng không có thiết bị nào khác ngoài mongmuốn kết nối vào Chứng thực có thể được thực hiện thông qua nhiều cách: trao đổikey, bằng địa chỉ MAC, hoặc bằng một tool của hãng thứ 3 EAP, LEAP …

Mã hóa: là quá trình mà trong đó dữ liệu được mã hóa với những key đặc biệtđược tạo ra bởi người dùng hay chính thiết bị dùng để mã hóa Có những phương pháp

mã hóa như: mã hóa với 64, 128, 256bit, hay dùng TKIP, AES…

1.3 Lịch sử hình thành và phát triển hệ thống thông tin di dộng 4G

Mạng di động ra đời đã và đang mang đến nhiều giá trị tích cực cho đời sốngcon người Nó không chỉ giúp chúng ta giải quyết công việc dễ dàng và nó còn phục

vụ nhu cầu vui chơi giải trí, đồng thời giúp kết nối bạn bè, kết nối thế giới Vậy chúng

ta hãy cũng tìm hiểu đôi chút về lịch sử “trường thành” của mạng di động hiện đại

Mặc dù hiện nay trên thị trường viễn thông thì 3G đang được phủ sóng rộngrãi, các gói cước 4G Mobifone, 4G Viettel, 4G Vinaphone,…được đông đảo ngườidùng biết đến nhưng theo ghi nhận, mạng di động được hình thành và phát triển quarất nhiều giai đoạn

Hình 1.3 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động 4G

 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 1(1G)

Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tương tự, là hệ thống truyền tín hiệutương tự (analog), là mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại, được khơi mào ởNhật vào năm 1979 Những công nghệ chính thuộc thế hệ thứ nhất này có thể kể đếnlà: NMT (Nordic Mobile Telephone) được sử dụng ở các nước Bắc Âu, Tây Âu vàNga Cũng có một số công nghệ khác như AMPS (Advanced Mobile Phone System –

hệ thống điện thoại di động tiên tiến) được sử dụng ở Mỹ và Úc; TACS (Total Access

Communication Sytem – hệ thống giao tiếp truy cập tổng hợp) được sử dụng ở Anh,C- 45 ở Tây Đức, Bồ Đào Nha và Nam Phi, Radiocom 2000 ở Pháp; và RTMI ở Italia

Hệ thống thông tin di động 1G ứng dụng các công nghệ truyền dẫn tương tự

để truyền tín hiệu thoại, sử dụng kỹ thuật điều chế biên độ tần số FM và phương thức

đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA

* Đặc điểm:

- Băng tần khoảng 150MHz

- Sử dụng kỹ thuật chuyển mạch tương tự

- Sử dụng dịch vụ thoại

- Trạm thu phát gốc phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi máy di động

- Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận là đáng kể

* Một số hệ thống thông tin di động 1G điển hình:

- NMT (Nordic Mobile Telephone): được phát triển ở một số nước Bắc Âu vàonăm 1982 Có hai tiêu chuẩn khác nhau là NMT-450 và NMT-900 Tiêu chuẩn NMT-

450 sử dụng dải tần 450MHz và tiêu chuẩn NMT-900 sử dụng dải tần 900MHz

- TACS (Total Access Communications System): được sử dụng lần đầu tiên tạiAnh vào năm 1985, sau đó là Đức và các quốc gia khác ở Châu Âu TACS sử dụng dảitần 900MHz

- AMPS ( Advanced Mobile Phone System): được sử dụng lần đầu tiên ở Bắc

Mỹ vào năm 1978 và được phát triển ở một số quốc gia Nam Mỹ, Úc và New Zealand.AMPS sử dụng dải tần 800MHz

* Hạn chế:

- Phân bố tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ

- Gây tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động dịch chuyển

- Không đảm bảo tính bí mật cuộc gọi.

- Không đáp ứng được các dịch vụ mới hấp dẫn đối với khách hàng

- Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau

Năm 1988, Trụ sở chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI – European TelecommunicationStandards Institute) được thành lập, có trách nhiệm biến đổi nhiều tiến cử kỹ thuậtGSM thành chuẩn European

Sự phát triển kỹ thuật từ FDMA -1G, 2G - là kết hợp FDMA và TDMA

Tất cả các chuẩn của thế hệ này đều là chuẩn kỹ thuật số và được định hướng thươngmại, bao gồm: GSM, iDEN, D-AMPS, IS-95, PDC, CSD, PHS, GPRS, HSCSD,WiDEN và CDMA2000 (1xRTT/IS-2000) Trong đó khoảng 60% số mạng hiện tại làtheo chuẩn của châu Âu

* Đặc điểm của hệ thống :

Hệ thống GSM làm việc trong một băng tần hẹp, dài tần cơ bản từ (890- 960MHz)

Băng tần được chia làm 2 phần:

- Uplink band từ (890 – 915) MHz

- Downlink ban từ (935 – 960)MHz

Băng tần gồm 124 sóng mang được chia làm 2 băng, mỗi băng rộng 25MHz,

khoảng cách giữa 2 sóng mang kề nhau là 200KHz Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêngbiệt cho 2 đường lên và xuống gọi là kênh song công Khoảng cách giữa 2 tần số làkhông đổi bằng 45MHz Mỗi kênh vô tuyến mang 8 khe thời gian TDMA và mỗi khethời gian là một kênh vật lý trao đổi thông tin giữa MS và mạng GSM Tốc độ mã từ(6.5-13)Kbps 125 kênh tần số được đánh số từ 0 đến 124 được gọi là kênh tần sốtuyệt đối ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number)

Ful(n) = 890 MHz + (0,2MHz) * n

Fdl(n) = Ful(n) + 45MHz

Với 1 <= n <= 124

- Sử dụng các phương pháp đa truy nhập chính là :

+ Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA - Frequency Division Multiple Access )

+ Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA – Time Division MultipleAccess)

+ Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA – Code Division Multiple Access)

* Các hệ thống điển hình:

Thế hệ thứ hai (2G) xuất hiện vào những năm 90 với mạng di động đầu tiên, sửdụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Trong thời kỳ của thế hệthứ hai, nền công nghệ thông tin di động đã tăng trưởng vượt trội cả về số lượng thuêbao và các dịch vụ giá trị gia tăng Các mạng thế thứ hai cho phép truyền dữ liệu hạnchế trong khoảng từ 9.6 kbps đến 19.2 kbps Các mạng này được sử dụng chủ yếu chomục đích thoại và là các mạng chuyển mạch kênh

Tương tự như trong 1G, không tồn tại một chuẩn chung toàn cầu nào cho 2G,hiện nay các hệ thống 2G dựa trên 3 chuẩn công nghệ chính sau:

- D-AMPS (Digital AMPS): Được sử dụng tại Bắc Mỹ D-AMPS đang dần được thay thế bởi GSM/GPRS và CDMA2000.

- GSM (Global System for Mobile Communications): Các hệ thống triển khai GSM được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới (ngoại trừ Bắc Mỹ, Nhật) Hệ thống GSM

dồn kênh phân chia tần số được sử dụng, với mỗi đầu cuối di động truyền thông trênmột tần số và nhận thông tin trên một tần số khác cao hơn (chênh lệch 80MHz trongD-AMPS và 55MHz trong GSM) Trong cả hai hệ thống, phương pháp dồn kênh phânchia 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):

CDMA sử dụng công nghệ đa truy cập thông qua mã Nhờ công nghệ này màCDMA có thể nâng cao dung lượng cung cấp đồng thời các cuộc gọi trong một cellcao hơn hẳn so với hai công nghệ trên

- 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.

* Những ưu nhược điểm của 2G so với 1G và tình hình phát triển :

- Những cuộc gọi di động được mã hóa kĩ thuật số

- Cho phép tăng hiệu quả kết nối các thiết bị

- Bắt đầu có khả năng thực hiện các dịch vụ số liệu trên điện thoại di động – khởi đầu

là tin nhắn SMS

Những công nghệ 2G được chia làm hai dòng chuẩn :

TDMA (Time – Divison Mutiple Access : Đa truy cập phân chia theo thờigian), và CDMA ( Code Divison Multple Access : Đa truy cập phân chia theo mã), tùythuộc vào hình thức ghép kênh được sử dụng

 GSM Phát triển lên 2.75G

Trong đó:

-HSCSD = High Speed Circuit Switched Data: số liệu chuyển mạch kênh

tốc độ cao:

-GPRS = General Packet Radio Service: dịch vụ vô tuyến gói chung:

Hệ thống GPRS - bước đầu tiên hướng tới 3G Mở rộng kiến trúc mạng GSM Truycập tốc độ cao và hiệu quả tới những mạng chuyển mạch gói khác (tăng tới 115kbps)-EDGE = Enhanced Data Rates for GSM Evolution: tốc độ số liệu tăng

cường để phát triển GSM:

EDGE có thể phát nhiều bit gấp 3 lần GPRS trong một chu kỳ Đây là lý dochính cho tốc độ bit EDGE cao hơn ITU đã định nghĩa 384kbps là giới hạn tốc độ dữliệu cho dịch vụ để thực hiện chuẩn IMT-2000 trong môi trường không lý tưởng.384kbps tương ứng với 48kbps trên mỗi khe thời gian, giả sử một đầu cuối có 8 khethời gian

2,5G cung cấp một số lợi ích của mạng 3G (ví dụ chuyển mạch gói), và có thểdùng cơ sở hạ tầng đang tồn tại của 2G trong các mạng GSM và CDMA GPAS làcông nghệ được các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông GSM sử dụng Và giao thức, nhưEDGE cho GSM, và CDMA 2000 1x-RTT cho CDMA, có thể đạt chất lượng như các

dịch vụ 3G (vì dùng tốc độ truyền dữ liệu 144Kb/s), nhưng vẫn được xem như dịch vụ2,5G bởi vẫn chậm hơn vài lần so với dịch vụ 3G thật sự.

 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3(3G)

Mạng thông tin di động 3G

Các mạng 3G đã được đề xuất để khắc phục những nhược điểm của các mạng2G và 2.5G đặc biệt ở tốc độ thấp và không tương thích giữa các công nghệ nhưTDMA 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 đượcmong 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 toàncầu giữa các hệ thống

Để thoả mãn các dịch vụ đa phương tiện cũng như đảm bảo khả năng truy cậpInternet 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 cónhững người sử dụng không di động mới được đáp ứng băng thông kết nối này, cònkhi 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 hệthống IMT-2000, điều này dẫn đến khả năng tương thích giữa các mạng 3G trên toànthế giới Tuy nhiên, hiện nay trên thế giới tồn tại hai công nghệ 3G chủ đạo:UMTS(W-CDMA) và CDMA2000

-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 muốnchuyển 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 thểchuyển giao một cách hoàn hảo giữa các hệ thống UMTS và GSM đã có.

3G sử dụng kênh truyền dẫn 5 MHz để chuyển dữ liệu Nó cũng cho phép việctruyền dữ liệu ở tốc độ 384 Kbps trong mạng di động và 2 Mbps trong hệ thống tĩnh.Người dùng hy vọng mạng 3G sẽ được phát triển hiệu quả hơn nữa, để các khách hàngcủa các mạng 3G khác nhau trên toàn cầu có thể kết nối với nhau

Kết cấu phân tầng: Hệ thống UMTS dựa trên các dịch vụ được phân tầng,không giống như mạng GSM Ở trên cùng là tầng dịch vụ, đem lại những ưu điểm nhưtriển khai nhanh các dịch vụ, hay các địa điểm được tập trung hóa Tầng giữa là tầngđiều khiển, giúp cho việc nâng cấp các quy trình và cho phép mạng lưới có thể đượcphân chia linh hoạt Cuối cùng là tầng kết nối, bất kỳ công nghệ truyền dữ liệu nàocũng có thể được sử dụng và dữ liệu âm thanh sẽ được chuyển qua ATM/AAL2 hoặcIP/RTP

CDMA được dùng trong mạng IMT-2000 3G là WCDMA (Wideband CDMA)

và cdma2000

- WCDMA là đối thủ của cdma2000 và là một trong 2 chuẩn 3G, trải phổ rộng hơnđối với CDMA do đó có thể phát và nhận thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn

- Ở Châu Âu, mạng 3G WCDMA được biết như là UMTS (Universal MobileTelephony System) là một cái tên khác cho W-CDMA/dịch vụ 3G.

UMTS sử dụng WCDMA, WCDMA như chuẩn phát vô tuyến Nó có băngthông kênh là 5 MHz, có thể mang 100 cuộc gọi cùng một lúc, hoặc nó có thể mang dữliệu tới 2Mbps Tuy nhiên, với sự tăng cường HSDPA và HSUPA chính là trongnhững release sau này (R99/R4/R5/R6) của chuẩn, tốc độ phát dữ liệu tăng tới 14,4Mbps

UMTS cho phép cả 2 chế độ FDD và TDD Chế độ đầu tiên là FDD là uplink

và downlink trên các tần số khác nhau Không gian giữa chúng là 190MHz cho mạngband1 Ở TDD uplink và downlink được chia theo thời gian với những trạm cơ sở(base station) và sau đó di động phát lần lượt trên cùng tần số, đặc biệt phù hợp tớinhiều loại ứng dụng khác nhau Nó cũng thực hiện ở những cell nhỏ Thời gian bảo vệđược yêu cầu giữa phát và thu Hệ thống TDD có thể hiệu quả khi sử dụng trongpicocell để mang dữ liệu internet

Tần số: hiện tại có 6 băng sử dụng cho UMTS/WCDMA, tập trung vào UMTS

tần số cấp phát trong 2 băng Uplink (1885 – 2025)MHz và Downlink (2110 – 2200)

MHz UMTS sử dụng WCDMA như một cơ cấu vận chuyển vô tuyến Điều chế trênđường uplink và downlink là khác nhau Downlink sử dụng dịch khóa pha cầu phương(QPSK) cho tất cả những kênh vận chuyển Tuy nhiên, Uplink sử dụng 2 kênh riêngbiệt để thực hiện quay vòng của bộ phát ở trạng thái on và off để không gây ra nhiễutrên đường audio, những kênh đôi ( dual channel phase chifl keying) dùng để mã hóa

dữ liệu người dùng tới I hoặc đầu vào In-phase tới bộ điều chế DQPSK, và điều khiển

dữ liệu đã được mã hóa bằng việc sử dụng mã khác nhau tới đầu vào Q hoặcquadrature tới bộ điều chế

- CDMA2000, chuẩn 3G khác Nó là một sự nâng cấp CDMAOne Nó sử dụng trảiphổ rộng do đó có thể phát và thu thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn, phát dữ liệuinternet nhanh, video, và phát nhạc chất lượng CD Tuy nhiên, có nhiều phần tửcdma2000 được gọi là cdma20001X, 1X-EV-DV, 1X EV-DO, và cdma2000 3X.Chúng phát dịch vụ 3G khi chiếm dữ một phổ tần nhỏ (1,25 MHz mỗi sóng mang)

- Ưu điểm của công nghệ W-CDMA so với GSM:

- Tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến

- Có khả năng truyền tải đa phương tiện.

- Thực hiện truyền tải dịch vụ hình ảnh tốc độ thấp cho đến tốc độ cao nhất là 2Mbps

- Tính bảo mật của cuộc thoại và mức độ hiệu quả khai thác băng tần cao hơn

- Có khả năng chuyển mạch mềm, tích hợp được với mạng NGN

- Chất lượng thoại được nâng lên và dung lượng mạng tăng lên 4-5 lần so với GSM

- CDMA có cơ chế giúp tiết kiệm năng lượng, giúp tăng thời gian thoại của pin

- Khả năng mở rộng dung lượng của CDMA dễ dàng và chi phí thấp hơn so với GSM

 Thế hệ 3.5G :

3,5G là những ứng dụng được nâng cấp dựa trên công nghệ hiện có của 3G.Công nghệ của 3,5G chính là HSDPA (High Speed Downlink Package Access) Đây làgiải pháp mang tính đột phá về mặt công nghệ, được phát triển trên cơ sở của hệ thống3G W-CDMA

HSDPA cho phép download dữ liệu về máy điện thoại có tốc độ tương đươngtốc độ đường truyền ADSL, vượt qua những cản trở cố hữu về tốc độ kết nối của mộtđiện thoại thông thường

HSDPA là một bước tiến nhằm nâng cao tốc độ và khả năng của mạng di động

tế bào thế hệ thứ 3 UMTS HSDPA được thiết kế cho những ứng dụng dịch vụ dữ liệunhư: dịch vụ cơ bản (tải file, phân phối email), dịch vụ tương tác (duyệt web, truy cậpserver, tìm và phục hồi cơ sở dữ liệu), và dịch vụ Streaming

- Sự giới hạn của giải phổ sử dụng

- Mặc dù được hứa hẹn khả năng chuyển vùng toàn cầu, nhưng do tồn tạinhững chuẩn công nghệ 3G khác nhau nên gây khó khăn trong việc chuyển vùng(roamming) giữa các môi trường dịch vụ khác biệt trong các băng tần số khác nhau

- Thiếu cơ chế chuyển tải “seamless” (liền mạch) giữa đầu cuối với đầu cuối khi

mở rộng mạng con di động với mạng cố định

Trong nỗ lực khắc phục những vấn đề của 3G, để hướng tới mục tiêu tạo ra mộtmạng di động có khả năng cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ thoại, truyền dữliệu và đặc biệt là các dịch vụ băng rộng multimedia tại mọi nơi (anywhere), mọi

lúc (anytime), mạng di động thế hệ thứ tư - 4G (Fourth Generation) đã được đề xuấtnghiên cứu và hứa hẹn những bước triển khai đầu tiên trong vòng một thập kỷ nữa

* Các đặc điểm công nghệ :

Hiện nay, 4G mới đang ở giai đoạn đầu của quá trình phát triển với nhiều cáchtiếp cận tương đối khác nhau ta sẽ xem xét 5 đặc điểm cơ bản, là động lực cho sựphát triển hệ thống di động 4G

-Hỗ trợ lưu lượng IP:

- Hỗ trợ tính di động tốt:

-Hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyến khác nhau:

- Không cần liên kết điều khiển:

-Hỗ trợ bảo mật đầu cuối-đầu cuối

* Một số tính năng của 4G LTE

- Tốc độ số liệu đỉnh đường xuống lên đến 326Mb/s với độ rộng băng tần 20 MHz

- Tốc độ số liệu đỉnh đường lên lên đến 86,4 Mb/s với độ rộng băng tần 20 MHz

- Hoạt động ở cả chế độ TDD và FDD.

- Độ rộng băng tần có thể lên đến 20 MHz bao gồm cả các độ rộng băng 1,4; 3; 5;

10; 15 và 20 MHz

- Hiệu quả sử dụng phổ tăng so với HSP ở Release 6 khoảng 2 đến 4 lần.

- Độ trễ giảm với thời gian trễ vòng giữa thiết bị người sử dụng và trạm gốc là 10

ms và thời gian chuyển từ trạng thái không tích cực sang tích cực nh hơn 100 ms

* Mạng 4G tổng quát

Dựa trên xu thế phát triển của thông tin di động, mạng 4G sẽ có băng thôngrộng hơn, tốc độ dữ liệu cao hơn, chuyển giao nhanh hơn và không gián đoạn, và đặcbiệt cung cấp các dịch vụ liên tục giữa các hệ thống và các mạng

Mạng 4G sẽ bao gồm tất cả các hệ thống của các mạng khác nhau, từ mạngcông cộng đến mạng riêng, từ mạng băng rộng có quản trị mạng đến mạng cá nhân

và các mạng adhoc Các hệ thống 4G sẽ hoạt động kết hợp với các hệ thống 2G và

3G cũng như các hệ thống phát quảng bá băng rộng khác Thêm vào đó, mạng 4G sẽ

là mạng Internet di động dựa trên IP hoàn toàn

Hình ( dưới ) cho thấy một loạt các hệ thống mạng 4G sẽ tích hợp: vệ tinh

băng rộng, mạng tổ ong 2G, mạng tổ ong 3G, mạch vòng nội hạt vô tuyến (WLL) và mạng cá nhân (PAN), dung IP là giao thức

- Ghép kênh trong miền tần số chẳng hạn như OFDMA hoặc SC-FDMA ở đườngxuống : tốc độ bit thay đối bằng việc gán cho người dùng các kênh con khác nhau dựatrên điều kiện kênh

- Mã hóa sửa lỗi Turbo : để tối thiểu yêu cầu về tỷ số SNR ở bên thu

- Lập biếu kênh độc lập : đế sử dụng các kênh thay đối theo thời gian

- Thích nghi đường truyền : điều chế thích nghi và các mã sửa lỗi

* Ưu và nhược điểm của 4G-LTE so với 3G

Ưu điểm:

- Tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều lần so với 3G Tăng hiệu quả sử dụng phổ vàgiảm thời gian trễ.

- Cấu trúc mạng sẽ đon giản hơn, và sẽ không còn chuyển mạch kênh nữa

- Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần user/cell so với WCDMA

- Độ rộng băng tần linh hoạt

Nhược điểm:

Các nhà nghiên cứu cho biết, khi kết nối mạng 4G tại Việt Nam có nhược điểm

là hao pin điện thoại, máy tính,… Bản thân công nghệ mạng 4G không gây hao pinnhư mạng 3G, lý do hao pin là vì các công ty viễn thông triển khai mạng 4G nhữngchưa được tối ưu

1.4 Kĩ thuật đa truy nhập trong 4G

- Kỹ thuật đa truy cập phân tần trực giao: (Orthogonal frequency-divisionmultiple access OFDMA): Đây là một biến thể của kỹ thuật OFDM được ứng dụngtrong truy cập downlink với ưu điểm và lưu lượng cao và cung cấp đồng thời nhiềuUser

- Kỹ thuật đa truy cập phân chia tần số sóng mang đơn : (Single CarrierFrequency Division Multiple Access - SC-FDMA ): Đây là kỹ thuật được ứng dụngcho truy cập uplink nhằm giảm thiểu PAPR và tiết kiệm năng lượng cho các UE

- Kỹ thuật MIMO tiên tiến (Multi Input - Multi Output Advanced )

- Tăng cường truyền dẫn nhiều anten (Enhanced Multi-antenna Transmission)

1.4.1 Giới thiệu về OFDMA

- Kỹ thuật này được xem là phiên bản triển khai đa người dùng của OFDM.Cách thức đa truy cập đạt được trong OFDMA là nhờ việc phân bổ nhiều sóngmang con cho từng người dùng riêng biệt Kỹ thuật này được phát minh ra rất sớm,tuy nhiên do bị giới hạn về công nghệ phần cứng cho nên đến thế hệ tiền 4G mớiđược sử dụng

- Ưu điểm như: Sử dụng phổ hiệu quả, loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đađường (ISI), khả năng chống fading lựa chọn tần số Cho phép truyền dữ liệu tốc độcao trên nhiều sóng mang tần số thấp, hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản

- Nhược điểm: OFDM rất nhạy với hiệu ứng dịch tần Dopler, một sai lệchnhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các sóng mang phụ Các sóng mang phụchỉ thật sự trực giao khi máy phát và máy thu sử dụng cùng tập tần số Tỷ số côngsuất đỉnh trên công suất trung bình PAPR.

1.4.2 Giới thiệu về SC-FDMA

Trong thực tế, các thiết bị đầu cuối bị giới hạn về công suất nên không thể sửdụng được OFDMA và chỉ số PAPR cao Do vậy, kỹ thuật sóng SC-FDMA sử dụngtrong tuyến xuống nhằm hạ PAPR cùng với việc tiêu thụ ít năng lượng trên các thiếtbị

1.4.3 Giới thiệu về MIMO

Kỹ thuật MIMO là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu đểtruyền dữ liệu MIMO là một kỹ thuật đổi mới quan trọngcủa LTE, được sử dụng đểcải thiện hiệu suất của hệ thống Kỹ thuật cho phép LTE cải thiện hơn về dung lượng

và hiệu quả sử dụng phổ

1.5 Kết luận chương

Chương này cho chúng ta cái nhìn tổng quan về mạng thông tin di động 4G làmạng không hướng đến sự hội tụ của nhiều loại hình mạng đảm bảo cung cấp dịch vụmột cách liên tục, không ngắt quãng Chương này cũng giới thiệu sơ qua về các kĩthuật đa truy nhập trong 4G mà chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu ở chương tiếp theo

CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG MẠNG 4G

LTE2.1 Kỹ thuật anten đa truy nhập đa người dùng MIMO

Kỹ thuật MIMO trong lĩnh vực truyền thông là kỹ thuật sử dụng nhiều antenphát và nhiều anten thu để truyền dữ liệu MIMO là một kỹ thuật đổi mới quan trọngcủa LTE, được sử dụng để cải thiện hiệu suất của hệ thống Kỹ thuật cho phép LTE cảithiện hơn về dung lượng và hiệu quả sử dụng phổ Mặc dù, sử dụng MIMO làm cho hệthống phức tạp hơn về quá trình xử lý tín hiệu và yêu cầu số lượng anten, nhưng nó cóthể tăng tốc độ dữ liệu lên mức cao, cho phép hiệu quả sử dụng phổ tần MIMO làmột kỹ thuật không thể thiếu của LTE

Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) được định nghĩa là tuyếnthông tin điểm – điểm với đa anten tại phía phát và phía thu Những nghiên cứu gầnđây cho thấy hệ thống MIMO có thể tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu, giảm BER,tăng vùng bao phủ hệ thống vô tuyến mà không tăng công suất phát hay băng thông hệthống Chí phí phải trả để tăng tốc độ truyền dữ liệu chính là việc tăng chí phí để khaitriển hệ thống anten, không gian cho hệ thống cũng tăng lên, độ phức tạp của hệ thống

xử lý tín hiệu số cũng tăng lên

Để tăng hiệu quả của việc sử dụng hệ thống MIMO, đã có nhiều phương pháp đãđưa ra, một trong những kỷ thuật đó là kỹ thuật phân tập

2.1.1 Cấu hình đa anten

Một trong những đặc tính quan trọng trong cấu hình đa anten là khoảng cáchgiữa hai phần tử anten do khoảng cách các anten có mối quan hệ với độ tương quangiữa fading kênh vô tuyến (được xác định bởi tín hiệu tại các anten khác nhau) ácanten được đặt xa nhau để độ tương quan fading thấp Ngược lại, các antenđược đặt gần nhau để độ tương quan fading cao, bản chất là các anten khác nhau

sẽ có fading tức thời tương tự nhau

Khoảng cách thực tế cần thiết giữa các anten để độ tương quan cao/ thấp phụthuộc vào bước sóng, tương ứng là tần số sóng mang được sử dụng Tuy nhiên,

nó cũng phụ thuộc vào kịch bản khi triển khai Trường hợp các anten trạm gốc,môi trường macro-cell (tức là ô lớn và vị trí anten trạm gốc phải cao), khoảngcách anten vào khoảng 10 bước sóng thì mới đảm bảo độ tương quan thấp, trong

khi đó thì khoảng cách anten cho máy đầu cuối di động khoảng nửa bước sóng.

Lý do khác nhau giữa trạm gốc với máy đầu cuối di động là do trong kịch bảnmacro, phản xạ đa đường gây ra fading chủ yếu xuất hiện ở những vùng gầnxung quanh máy đầu cuối di động Do đó, khi nhìn từ vị trí máy đầu cuối thì ta thấy lànhững đường khác nhau đi đến trong một góc lớn, độ tương quan vẫn sẽthấp với khoảng cách anten tương ứng nhòn nhìn ở vị trí trạm gốc, nhữngđường khác nhau sẽ đến trong một góc nh hơn nhiều, nên khoảng cách antenphải đủ lớn để độ tương quan thấp

Trong kịch bản triển khai khác, ví dụ triển khai kịch bản micro-cell với cácanten trạm gốc thấp hơn nóc nhà và triển khai trong nhà Môi trường trạm gốc lúc nàygiống với môi trường máy đầu cuối hơn, cho nên khoảng cách giữa các antentrạm gốc sẽ nh hơn vẫn đảm bảo độ tương quan thấp Các anten giả thiết ở trên cócùng phân cực Một cách khác để đạt được độ tương quan fading thấp là áp dụng phâncực khác nhau đối với anten khác nhau Khi đó các anten có thể được đặt gần nhau

2.1.2 Mô hình MIMO tổng quát

2.1.2.1 Mô hình MIMO tổng quát

Mô hình kênh MIMO tổng quát gồm Nt anten phát và Nr anten thu được minhhọa trong hình 2.1

Hình 2.1 Mô hình MIMO tổng quát với Nt anten phát và Nr anten thu

Ma trận kênh H cho mô hình MIMO được biểu diễn như sau:

hnm là độ lợi kênh giữa anten phát thứ n và anten thu thứ m.

Giả sử: x [ x1, x2, …, xNt ]T là số liệu phát

y = [y1, y2, …, yNt]T là số liệu thu

η = [η1, η2, …, ηNt]T là tạp âm Gaus trắng phức của Nr máy thu

T là ký hiệu ph p toán chuyển vị

2.1.2.2 Mô hình kênh truyền trong hệ thống thông tin không dây.

Dữ liệu được điều chế sau đó được phát đi trong môi trường không dây chịu ảnhhưởng của các đặc tính của môi trường như tán xạ do các vật chắn, bị bởi các toàn nhà,

bị phản xạ nhiều lần qua đất nước, không khí…vv Vì vậy đặc tính kênh truyền trong

hệ thống tin không dây biến đổi theo thời gian và tần số

Hình vẽ sau sẽ mô tả hệ thống kênh truyền trong hệ thống thông tin không dây:

Hình 2.2 kênh truyền trong hệ thống thông tin không dây

Sự biến đổi đó đươc chia thành hai lọai:

- Ảnh hưởng lớn đến kênh truyền được tạo ra do suy hao về khoảng các và bị các vậtchắn do các tòa nhà và đồi núi trên đường đi của tia truyền dữ liệu

- Ảnh hưởng nhỏ đến kênh truyền được tạo ra do sự giao thoa sóng của hiện tượng đađường giữa phía phát và phía thu

Một ví dụ do ảnh hưởng của đặc tính môit trường và sự giao thoa sóng đến công suấtcủa tín hiệu tại nơi nhận

Khi đó, quan hệ giữa tín hiệu đầu vào x với tín hiệu đầu ra y được xác định

bởi biểu thức sau: