LỜI CẢM ƠN 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3 1.1. Lịch sử ra đời hệ thống thông tin di động 3 1.2. Phân loại hệ thống thông tin di động 4 1.3. Các thế hệ mạng thông tin di động 8 1.3.1. Hệ thống thông tin thế hệ thứ nhất: 1G (First Generation) 8 1.3.2. Hệ thống thông tin thế hệ thứ hai: 2G (Second Generation) 10 1.3.3. Hệ thống thông tin di động thứ 3: 3G (Third Generation) 12 1.3.4. Hệ thống thông tin di động thứ 4: 4G (Fourth Generation) 13 1.3.5. Hệ thống thông tin di động thứ 5: 5G (Fifth Generation) 15 CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G 17 2.1. Kiến trúc hệ thống mạng 5G (5G Architecture) 17 2.2. Mạng lõi Nano 21 2.3. Các lớp mạng trong hệ thống 5G 25 2.4. Kỹ thuật truyền dẫn 27 2.5. An ninh mạng trong hệ thống thông tin di động 5G 30 2.6. Những thách thức khi triển khai hệ thống thông tin mạng 5G 31 CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI MẠNG 5G TẠI VIỆT NAM 33 3.1. Thực trạng mạng 5G tại Việt Nam 33 3.2. Những thách thức khi triển khai mạng 5G tại Việt Nam 34 3.3. Khuyến nghị khi triển khai mạng 5G tại Việt Nam 35 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1. Lịch sử ra đời hệ thống thông tin di động 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 trạm gốc 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 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 106 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. 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) 1.2. Phân loại hệ thống thông tin di động 1.2.1. Phân loại theo đặc tính tín hiệu: Analog: Thoại điều tần bằng tín hiệu analog, các tín hiệu điều khiển được số hóa toàn bộ. Digital: Tín hiệu thoại, điều khiển đều được số hóa, ngoài sử dụng trong dịch vụ thoại nó còn có khả năng sử dụng để truyền dữ liệu,… 1.2.2. Phân loại theo cấu trúc hệ thống: Mạng vô tuyến tế bào: Cung cấp dịch vụ trên diện rộng với khả năng lưu động (roaming) toàn cầu (liên mạng). Mạng vô tuyến viến 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. 1.2.3. Phân loại theo phương thức đa truy nhập 1.2.3.1. Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) Hình 1.1: Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) Ưu điểm: . Thiết bị đơn giản, yêu cầu về đồng bộ không quá cao. Nhược điểm: . Thiết bị trạm gốc cồng kềnh. . 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. 1.2.3.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Hình 1.2: Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) 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 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 50x106s. 1.2.3.2. Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) Hình 1.3: Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) 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. 1.2.3.4. Phân loại theo phương thức song công Song công phân chia theo tần số (FDD_Frequecy Divition Duplex): Nó được thu phát đồng thời ở 2 tần số khác nhau, phát 1 tần số và thu 1 tần số. Băng tần công tác gồm 2 dải tần dành cho đường lên uplink từ MS tới BS và đường xuống downlink 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. Song công phân chia theo thời gian (TDD_Time Divition Duplex): 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 1.3. Các thế hệ mạng thông tin di động Hình 1.4: Bảng hệ thống thông tin di động theo thời gian 1.3.1. Hệ thống thông tin thế hệ thứ nhất: 1G (First Generation) Hình 1.5: Mẫu thiết bị di động thời 1G Hệ thống thông tin di động 1G là thế hệ không dây cơ bản đầu tiên trên thế giới được nghiên cứu vào những năm 1970 và cho ra mắt năm 1984. Nó dựa trên công nghệ vô tuyến tương tự (UHF), dịch vụ đơn thuần là thoại. Sử dụng phương thức đa truy nhập FDMA, các hệ thống thông tin được kết nối bằng tín hiệu analog , sử dụng các anten thuphát sóng gắn ngoài. Nó kết nối 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 thu tín hiệu và phát tín hiệu Do vậy các thế hệ di động đầu tiên có kích thước khá to, cồng kềnh, chất lượng đường truyền thấp và bảo mật kém. Một chuẩn tương tự khác được giới thiệu đó là 1G. Giống như 0G, 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. Điều này có nghĩa là bất cứ ai có một máy quét đơn giản cũng có thể nghe được các cuộc điện đàm. Các cố gắng của nhà chức trách nhằm ngăn chặn việc xâm nhập bất hợp pháp này đều không giải quyết được vấn đề. Bên cạnh việc bảo vệ thông tin cá nhân, nhược điểm này của hệ thống còn đưa đến một vấn đề khác bởi vì dữ liệu truyền được gửi đi mà không mã hóa, các kỹ thuật bảo mật còn thô sơ dễ dàng lộ ra cho các hacker. Hầu hết các công nghệ 1G chỉ có một dạng bảo mật, một thủ tục nhận thực hết sức thô sơ. Thủ tục này bao gồm việc xác nhận hai số: số nhận dạng di động MIN và số thuê bao điện tử ESN. Quá trình xác nhận này diễn ra khi một thiết bị di động bắt đầu liên lạc với hệ thống. Đầu tiên, số đen (blacklist) sẽ được kiểm tra xem xét thiết bị di động này có bị khóa hay không. Tiếp theo một bản tin được gửi tới HLR để thông qua sự kết hợp của MIN và ESN. Cả hai số này được truyền không mã hóa giao diện vô tuyến. Hacker có thể nghe trộm và có thể sử dụng các số này để tạo ra các bản sao bất hợp pháp mà với chúng các hacker có thể nhận thực thành công dưới dạng một thuê bao khác. Vấn đề càng trở nên trầm trọng khi nhiều nhà cung cấp thậm chí không nhận thực trên các máy di động do việc thiếu hụt sự chuẩn hóa và các lý do về hiệu suất. Điều này gây nên việc sử dụng trái phép vô cùng lớn trong các mạng di động. Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy nhập đơn giản. Tuy nhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung lượng và tốc độ. Nó bao gồm những hạn chế sau; • Phân bố tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ • Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trường fading đa đường. • Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạ tần. • Không đảm bảo tính bí mật các cuộc gọi. • Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở Châu Âu, làm cho thuê bao không thể sử dụng máy di động của mình ở các nước khác. • Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với kỹ thuật đa truy cập mới ưu điểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp. 1.3.2. Hệ thống thông tin thế hệ thứ hai: 2G (Second Generation) Hình 1.6: Mẫu thiết bị di động thời 2G Hệ thống thông tin di động số xử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở Châu Âu (tên gọi là GSM). Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 đã có đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số. Hệ thống 2G hấp dẫn hơn 1G bởi vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống này còn có khả năng cung cấp một số dịch vụ truyền dữ liệu và một số dịch vụ bổ sung khác. 1.3.2.1. Đặc điểm của hệ thống thông tin di động 2G Các dữ liệu được mã hóa theo dạng kỹ thuật số, chất lương thoại tốt hơn, dung lương tăng. Có phạm vi kết nối rộng hơn thế hệ 1G. Có sự xuất hiện của tin nhắn dưới dạng văn bảnSMS. Khi tín hiệu thoại được thu nhận nó sẽ mã hóa thành tín hiệu kỹ thuật số dưới dạng nhiều mã hiệu (codecs). Nó còn cho phép nhiều gói mã thoại được lưu chuyển trên cùng một băng thông, cho nên nó còn tiết kiệm được thời gian và chi phí. 1.3.2.2. Các tiêu chuẩn của mạng thông tin di động 2G GSM (Global System for Mobile Communication) sử dụng phương thức truy nhập TDMA và song công FDD. Đầu tiên được áp dụng tại Châu Âu, sau đó trở thành chuẩn chung ở 6 châu lục và nó vẫn còn đang được sử dụng với hơn 80% nhà cung cấp mạng thông tin di động toàn cầu. GSM là công nghệ truyền thông có được tốc độ nhanh nhất từ trước đến nay. IS95 hay còn gọi là CDMA One, dựa trên nền tảng kỹ thuật đa truy nhập CDMA đã được sử dụng phổ biến tại Mỹ và một số nước Châu Á như Hàn Quốc và chiếm gần 17% các mạng toàn cầu. PDC (Personal Digital Cellular) dựa trên nền tảng TDMA tại Nhật Bản. IS136 hay còn được gọi là DAMPS (DigitalAMPS) dựa trên nền tảng TDMA song công TDD. Nó là chuẩn kết nối phổ biến và được sử dụng nhiều nhất tính đến thời điểm này, được sử dụng hầu hết ở Hoa Kỳ cũng như các nước trên thế giới.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
-BÀI TẬP TIỂU LUẬN
MÔN HỌC: HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN NÂNG
Trang 2MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3
1.1 Lịch sử ra đời hệ thống thông tin di động 3
1.2 Phân loại hệ thống thông tin di động 4
1.3 Các thế hệ mạng thông tin di động 8
1.3.1 Hệ thống thông tin thế hệ thứ nhất: 1G (First Generation) 8
1.3.2 Hệ thống thông tin thế hệ thứ hai: 2G (Second Generation) 10
1.3.3 Hệ thống thông tin di động thứ 3: 3G (Third Generation) 12
1.3.4 Hệ thống thông tin di động thứ 4: 4G (Fourth Generation) 13
1.3.5 Hệ thống thông tin di động thứ 5: 5G (Fifth Generation) 15
CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G 17
2.1 Kiến trúc hệ thống mạng 5G (5G Architecture) 17
2.2 Mạng lõi Nano 21
2.3 Các lớp mạng trong hệ thống 5G 25
2.4 Kỹ thuật truyền dẫn 27
2.5 An ninh mạng trong hệ thống thông tin di động 5G 30
2.6 Những thách thức khi triển khai hệ thống thông tin mạng 5G 31
CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI MẠNG 5G TẠI VIỆT NAM 33
3.1 Thực trạng mạng 5G tại Việt Nam 33
3.2 Những thách thức khi triển khai mạng 5G tại Việt Nam 34
3.3 Khuyến nghị khi triển khai mạng 5G tại Việt Nam 35
TÀI LIỆU THAM KHẢO 36
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Kính gửi đến thầy TS XXX (Trung tâm Đào tạo sau Đại Học, trường Đạihọc Công Nghiệp Hà Nội) lời cảm ơn chân thành sâu sắc Cảm ơn thầy đã tậntình hướng dẫn, chỉ dạy chúng em bộ môn “Hệ thống thông tin vô tuyến nângcao” trong suốt quá trình học và thực hiện bài tiểu luận này
Chúng em xin trình bày bài tiểu luận môn học “Hệ thống thông tin vô tuyếnnâng cao” với đề tài “Tìm hiểu về mạng thông tin di dộng 5G” Do còn hạn chếthời gian và kiến thức nên những nghiên cứu, tìm hiểu vẫn mang tính tổng quan,định tính và có nhiều kiến thức mới nên không tránh khỏi sai sót Chúng em rấtmong được sự góp ý, chỉ bảo của thầy để bài tiểu luận đạt được kết quả tốt hơn
Hà Nội, ngày 15 tháng 07 năm 2020 Học viên thực hiện
Trang 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Lịch sử ra đời hệ thống thông tin di động
Ở cuối thế kỷ thứ 19 Marconi đã chỉ ra rằng thông tin vô tuyến có thể liênlạc 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 trongnhững hệ thống phát triển nhanh nhất của các thông tin liên lạc thời xưa Nó sửdụng các dịch vụ băng thông rộng của di động
Các khái niệm về hệ thống di động được phát triển bởi các nhà nghiên cứutại Phòng thí nghiệm AT & T Bell để giải quyết các vấn đề công suất các hệthống thông tin di động đầu Trái ngược với các thông tin di động: Đầu tiên hệthống, mà chỉ có một trạm trung tâm (BS) bao phủ toàn bộ vùng phủ sóng khuvực, hệ thống tế bào phân chia vùng phủ sóng vào các tế bào không chồng chéonhau và hoạt động với BS riêng của mình Bằng cách khai thác một thực tế rằngsức mạnh của một tín hiệu truyền với khoảng cách, cùng một tần số tương tự cóthể được tái sử dụng trong tiểu tế bào mà không cần giới thiệu nhiễu liên cellnặng như một hệ quả, khả năng làm tăng đáng kể việc sử dụng gói của phổ tầnsố
Đến năm 1928 sở cảnh sát Bayone – Mỹ đã bắt đầu triển khai mạng vô tuyếntruyền thanh đầu tiên Do là mạng vô tuyến truyền thanh đầu tiên nên các máy diđộng tốn nguồn và khá cồng kềnh được đặt trên ô tô để liên lạc về 1 trạm gốc
BS ở trung tâm Chất lượng liên lạc lại cực kỳ kém do đặc điểm địa hình truyềnsóng di động rất phức tạp mà các máy chỉ gồm 10 đèn điện tử thực hiện cácchức 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 độngkhông phát triển do hạn chế về công nghệ Mạng PSTN bao gồm đường dâyđiện thoại, cáp quang, truyền dẫn vi ba liên kết, các mạng di động, vệ tinh thôngtin liên lạc, và dây cáp điện thoại dưới đáy biển, tất cả các kết nối với nhau bởi
Trang 5các trung tâm chuyển mạch, do đó cho phép hầu hết các máy điện thoại để liênlạc với nhau Ban đầu là một mạng lưới các đường dây cố định tương tự hệthống thoại Mạng PSTN hiện nay gần như hoàn toàn kỹ thuật số trong củamạng 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 tếbào: 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 mạchtổng đài đi động và được bố trí tại trung tâm vùng Những người sử dụng diđộng có thể di chuyển được trong vùng phủ sóng của các trạm gốc (Basestation) Nhưng ý tưởng của Bell Labs đã không được sử dụng do hạn chế vềmặt 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 sửdụng 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, dunglương 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 106 transistor trong 1 máyđiện thoại di động
Do vậy có thể giải quyết được những khó khăn trong việc truyền sóng diđộng Hệ thống thông tin di động tế bào số hay còn được gọi là hệ thống thôngtin di động (Mobile Systems) là hệ thống thông tinliên lạc được truy cập vớinhiều điểm khác nhau (access point or base stations) trên một vùng tế bào haycòn gọi là các Cell
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)
Trang 61.2 Phân loại hệ thống thông tin di động
1.2.1 Phân loại theo đặc tính tín hiệu:
- Analog: Thoại điều tần bằng tín hiệu analog, các tín hiệu điều khiển được sốhóa toàn bộ
- Digital: Tín hiệu thoại, điều khiển đều được số hóa, ngoài sử dụng trong dịch
vụ thoại nó còn có khả năng sử dụng để truyền dữ liệu,…
1.2.2 Phân loại theo cấu trúc hệ thống:
- Mạng vô tuyến tế bào: Cung cấp dịch vụ trên diện rộng với khả năng lưu động(roaming) toàn cầu (liên mạng)
- Mạng vô tuyến viến 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 vụđiện thoại vô tuyến với chất lương như điện thoại cố định cho một vành đaiquanh 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 địnhchưa phát triển
1.2.3 Phân loại theo phương thức đa truy nhập
1.2.3.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)
Hình 1.1: Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)
- Ưu điểm:
Thiết bị đơn giản, yêu cầu về đồng bộ không quá cao
Trang 7- Nhược điểm:
Thiết bị trạm gốc cồng kềnh
Cần phải đảm bảo các khoảng cách bảo vệ giữa từng kênh bị sóng mangchiếm nhằm mục đích phòng ngừa sự không hoàn thiện của các bộ lọc và các bộdao động
Các máy thu đường lên hoặc đường xuống chọn sóng mang cần thiết và theotần số phù hợp
1.2.3.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)
Hình 1.2: Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)
- Ưu điểm:
Trạm gốc đơn giản do với một tần số chỉ cần một máy thu phát phục vụ đượcnhiều 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 loạimáy điện thoại di động dùng kỹ thuật FDMA Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu
Trang 8trong MS tương tự có khả năng xử lý không quá 106 lệnh trong một giây, còntrong MS số TDMA phải có khả năng xử lý hơn 50x106/s.
1.2.3.2 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)
Hình 1.3: Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)
Dải tần tín hiệu hoạt động rộng hàng MHz
Những kỹ thuật trải phổ trong hệ thống truy nhập này cho phép tín hiệu vôtuyến 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 côngsuất thu tại trạm gốc từ các máy di động trong một tế bào phải nhỏ hơn hoặcbằng 1dB, trái lại thì số kênh phục vụ được
Kỹ thuật trải phổ phức tạp
Trang 91.2.3.4 Phân loại theo phương thức song công
- Song công phân chia theo tần số (FDD_Frequecy Divition Duplex): Nóđược thu phát đồng thời ở 2 tần số khác nhau, phát 1 tần số và thu 1 tần số Băngtần công tác gồm 2 dải tần dành cho đường lên up-link từ MS tới BS và đườngxuống down-link từ BS tới MS Đường lên luôn là dải tần thấp và MS có côngsuất nhỏ hơn, thường di động và có khả năng bị che khuất Khi đó với giải pháptần thấp hơn (bước sóng lớn hơn) thì khả năng bị che khuất giảm
- Song công phân chia theo thời gian (TDD_Time Divition Duplex): Một tần
số chia 8 khe thời gian Khung thời gian công tác được chia đôi, 1 nửa chođường lên, 1 nửa cho đường xuống
1.3 Các thế hệ mạng thông tin di động
Hình 1.4: Bảng hệ thống thông tin di động theo thời gian
Trang 101.3.1 Hệ thống thông tin thế hệ thứ nhất: 1G (First Generation)
Hình 1.5: Mẫu thiết bị di động thời 1G
Hệ thống thông tin di động 1G là thế hệ không dây cơ bản đầu tiên trên thếgiới được nghiên cứu vào những năm 1970 và cho ra mắt năm 1984 Nó dựatrên công nghệ vô tuyến tương tự (UHF), dịch vụ đơn thuần là thoại Sử dụngphương thức đa truy nhập FDMA, các hệ thống thông tin được kết nối bằng tínhiệu analog , sử dụng các anten thu/phát sóng gắn ngoài Nó kết nối tín hiệuanalog này tới các trạm thu phát sóng và nhận tín hiệu xử lý thoại thông qua cácmodule gắn trong các máy di động, tích hợp cả thu tín hiệu và phát tín hiệu Dovậy các thế hệ di động đầu tiên có kích thước khá to, cồng kềnh, chất lượngđường truyền thấp và bảo mật kém
Một chuẩn tương tự khác được giới thiệu đó là 1G Giống như 0G, 1G sửdụng băng tần vô tuyến UHF Việc truyền âm thanh được thực hiện mà không
có sự mã hóa trên giao diện vô tuyến Điều này có nghĩa là bất cứ ai có một máyquét đơn giản cũng có thể nghe được các cuộc điện đàm Các cố gắng của nhàchức trách nhằm ngăn chặn việc xâm nhập bất hợp pháp này đều không giảiquyết được vấn đề Bên cạnh việc bảo vệ thông tin cá nhân, nhược điểm này của
hệ thống còn đưa đến một vấn đề khác bởi vì dữ liệu truyền được gửi đi màkhông mã hóa, các kỹ thuật bảo mật còn thô sơ dễ dàng lộ ra cho các hacker
Trang 11Hầu hết các công nghệ 1G chỉ có một dạng bảo mật, một thủ tục nhận thựchết sức thô sơ Thủ tục này bao gồm việc xác nhận hai số: số nhận dạng di độngMIN và số thuê bao điện tử ESN Quá trình xác nhận này diễn ra khi một thiết bị
di động bắt đầu liên lạc với hệ thống Đầu tiên, số đen (blacklist) sẽ được kiểmtra xem xét thiết bị di động này có bị khóa hay không Tiếp theo một bản tinđược gửi tới HLR để thông qua sự kết hợp của MIN và ESN Cả hai số này đượctruyền không mã hóa giao diện vô tuyến Hacker có thể nghe trộm và có thể sửdụng các số này để tạo ra các bản sao bất hợp pháp mà với chúng các hacker cóthể nhận thực thành công dưới dạng một thuê bao khác Vấn đề càng trở nêntrầm trọng khi nhiều nhà cung cấp thậm chí không nhận thực trên các máy diđộng do việc thiếu hụt sự chuẩn hóa và các lý do về hiệu suất Điều này gây nênviệc sử dụng trái phép vô cùng lớn trong các mạng di động
Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy nhập đơn giản Tuynhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cảdung lượng và tốc độ Nó bao gồm những hạn chế sau;
Phân bố tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ
Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môitrường fading đa đường
Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạtần
Không đảm bảo tính bí mật các cuộc gọi
Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở Châu Âu, làmcho thuê bao không thể sử dụng máy di động của mình ở các nước khác
Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp
Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng
kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với kỹ thuật đa truy cập mới ưuđiểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp
Trang 121.3.2 Hệ thống thông tin thế hệ thứ hai: 2G (Second Generation)
Hình 1.6: Mẫu thiết bị di động thời 2G
Hệ thống thông tin di động số xử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theothời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở Châu Âu (tên gọi làGSM) Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di độngthế hệ thứ 2 đã có đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trêncông nghệ số Hệ thống 2G hấp dẫn hơn 1G bởi vì ngoài dịch vụ thoại truyềnthống, hệ thống này còn có khả năng cung cấp một số dịch vụ truyền dữ liệu vàmột số dịch vụ bổ sung khác
1.3.2.1 Đặc điểm của hệ thống thông tin di động 2G
- Các dữ liệu được mã hóa theo dạng kỹ thuật số, chất lương thoại tốt hơn, dunglương tăng
- Có phạm vi kết nối rộng hơn thế hệ 1G
- Có sự xuất hiện của tin nhắn dưới dạng văn bản-SMS
Khi tín hiệu thoại được thu nhận nó sẽ mã hóa thành tín hiệu kỹ thuật sốdưới dạng nhiều mã hiệu (codecs) Nó còn cho phép nhiều gói mã thoại đượclưu chuyển trên cùng một băng thông, cho nên nó còn tiết kiệm được thời gian
và chi phí
1.3.2.2 Các tiêu chuẩn của mạng thông tin di động 2G
Trang 13- GSM (Global System for Mobile Communication) sử dụng phương thứctruy nhập TDMA và song công FDD Đầu tiên được áp dụng tại Châu Âu, sau
đó trở thành chuẩn chung ở 6 châu lục và nó vẫn còn đang được sử dụng với hơn80% nhà cung cấp mạng thông tin di động toàn cầu GSM là công nghệ truyềnthông có được tốc độ nhanh nhất từ trước đến nay
- IS-95 hay còn gọi là CDMA One, dựa trên nền tảng kỹ thuật đa truy nhậpCDMA đã được sử dụng phổ biến tại Mỹ và một số nước Châu Á như HànQuốc và chiếm gần 17% các mạng toàn cầu
- PDC (Personal Digital Cellular) dựa trên nền tảng TDMA tại Nhật Bản
- IS-136 hay còn được gọi là D-AMPS (Digital-AMPS) dựa trên nền tảngTDMA song công TDD Nó là chuẩn kết nối phổ biến và được sử dụng nhiềunhất tính đến thời điểm này, được sử dụng hầu hết ở Hoa Kỳ cũng như các nướctrên thế giới
1.3.3 Hệ thống thông tin di động thứ 3: 3G (Third Generation)
1.3.3.1 Đặc điểm của mạng thông tin di động 3G
Hệ thống 3G giúp cho người sử dụng điện thoại di động truyền tải cả thôngtin dữ liệu thoại, thông tin đa phương tiện như tin nhắn nhanh, âm thanh, hìnhảnh, hình ảnh động… và cả thông tin dữ liệu ngoài thoại như tải dữ liệu gửiemail, video clips, Mạng 3G còn cung cấp dịch vụ truyền tải dữ liệu như xem
ti vi trực tuyến, online, chat, Thế hệ 3G sử dụng phương thức đa truy nhậpCDMA và cũng cung cấp cả hai hệ thống chuyển mạch đó là chuyển mạch gói
và chuyển mạch kênh Mạng 3G cho phép truyền tải tốc độ dữ liệu cao, tănghiệu quả sử dụng phổ tần và nhiều cải tiến khác
Công nghệ mạng 3G cũng được xem như là một chuẩn IMT – 2000 của Tổchức Viễn thông Thế giới (ITU)
1.3.3.2 Các chuẩn thông tin di động 3G
Trang 14- UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) đôi khi còn đượcgọi là 3GSM, dựa trên công nghệ truy nhập vô tuyến W-CDMA, dùng cả FDD
và TDD Tốc độ dữ liệu tốt đa theo lý thuyết là 1920Kbps (đạt gần 2Mbps)nhưng trong thực tế tốc độ này chỉ khoảng 384Kbps thôi Nó phù hợp với cácnhà mạng khai thác dịch vụ di dộng sử dụng GSM, phổ biến ở các nước châu Âu
và một phần châu Á (trong đó có Việt Nam) Hệ thống UMTS đã được tiêuchuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP và đó cũng là tổ chức chịu trách nhiệm chuẩn choGPRS, GSM
- Hệ thống CDMA 2000 là thế hệ mạn kế tiếp của chuẩn 2G CDMA và
IS-95 Công nghệ CDMA 2000 được quản lý và chuẩn hóa bởi 3GPP2 đây là một
tổ chức độc lập, riêng biệt với 3GPP và đã có nhiều kỹ thuật công nghệ truyềnthông khác nhau được sử dụng trong CDMA 2000 bao gồm 1xRTT (RadioTransmission Technology, CDMA2000-1xEV-DO (Evolution-DataOptimized) và CDMA2000-1xEV-DV (Evolution-Data Voice) Công nghệCDMA 2000 cho phép cung cấp tốc độ dữ liệu từ 144 kbit/s tới trên 3 Mbit/s,chuẩn này đã được tổ chức ITU phê duyệt
- HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access): Tăng tốc độ download (từ
BS tới MS) tốc độ tối đa theo lý thuyết là 14,4Mbps, nhưng mà trên thực tế nóchỉ đạt khoảng tầm 1,8Mbps
- HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access): Giúp tăng tốc độ upload vàcải tiến được chất lượng dịch vụ QoS Nó cho phép upload lên đến tốc độ5,8Mbps theo lý thuyết
1.3.4 Hệ thống thông tin di động thứ 4: 4G (Fourth Generation)
Là thế hệ truyền thông không dây thứ 4, cho phép truyền tải với tốc độ tối đatrong điều kiện lý tưởng lên tới 1~1.5 Gbps Chuẩn giao tiếp 4G có thể truyền vàtải lên hình ảnh động chất lượng cao, cho phép truyền các ứng dụng phương tiệntruyền thông phổ biến nhất, góp phần tạo nên các ứng dụng mạnh mẽ cho mạngkhông dây nội bộ (WLAN) và các ứng dụng khác
Trang 15Thế hệ thứ 4 dùng kỹ thuật truyền tải phân chia theo tần số trực giao(OFDM).
Hình 1.7: Hệ thống phân chia theo tần số trực giao - OFDM
Kỹ thuật OFDM, chỉ có một thiết bị truyền tín hiệu trên nhiều tần số độc lập(từ vài chục cho đến vài nghìn tần số) Tổng đài chuyển mạch 4G chỉ dùngchuyển mạch gói, do đó, giảm trễ thời gian truyền và nhận dữ liệu
4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMTAdvanced) được định nghĩa bởi ITU-R Tốc độ đề ra là 100 Mbps cho thuê bao
di chuyển cao và 1 Mbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linh động đến40Mhz Sử dụng hoàn toàn trên nền IP; cung cấp các dịch vụ như thoại IP, truycập internet băng thông rộng, các dịch vụ game và dòng HDTV đa phương tiện,
UMB (Ultra Mobile Broadband) được các tổ chức viễn thông của Nhật Bản,
Trang 16Apple, Motorola, NEC và Verizon Wireless phát triển từ nền tảng CDMA.UMB có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25Mhz đến 20Mhz và làmviệc ở nhiều dải tần số, tốc độ download 288 Mbps và upload 75 Mbps với độrộng băng tần sử dụng là 20Mhz.
Yêu cầu kỹ thuật của 4G bao gồm cả chuyển mạch gói tin dựa trên địa chỉ IP
và một kênh có với băng thông có khả năng mở rộng lên đến 40Mhz
4G sử dụng công nghệ mạng như: UTMS, OFDM, SDR, TD-SCDMA,MIMO, WIMAX
* Ưu điểm và nhược điểm của mạng 4G:
Ưu điểm:
- Hệ thống quang phổ hiệu quả
- Dung lượng mạng cao
- Tỷ lệ chuyển giao dữ liệu lớn
- Kết nối chỉ giới hạn trong thành phố lớn hoặc khu đô thị
1.3.5 Hệ thống thông tin di động thứ 5: 5G (Fifth Generation)
Tháng 2 năm 2013, ba tổ chức của Trung Quốc là: Bộ Công nghiệp và Côngnghệ thông tin MIIT, Ủy ban phát triển và cải cách quốc gia NDRC và Bộ khoahọc và công nghệ MOST đã cùng nhau hợp tác thành lập nhóm “IMT-2020 (5G)Promotion” dựa trên nền tảng của nóm “IMT-Advanced Promotion” nhằmhướng đến xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G)
Trang 17Theo IMT 2020, hệ thống 5G phải đáp ứng được các tiêu chí sau:
- Tốc độ cao hơn hệ thống hiện tại từ 10 đến100 lần
- Độ trễ gần như bằng 0
- Đáp ứng phục vụ được số lượng lớn thiết bị (hàng triệu thiết bị/km2)
- Đáp ứng được thông lượng cao hơn, khoảng vài chục Tbps/km2
- Đảm bảo kết nối liên tục với các thiết bị di chuyển cực nhanh
- Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ lên từ 5 đến 15 lần
- Giảm chi phí tiêu hao trên mỗi bít dữ liệu khoảng 100 lần
Các kỹ thuật được sử dụng trong hệ thống thông tin di động 5G:
Công nghệ truyền dẫn không dây:
- Massive MIMO
- Đa truy nhập: NOMA, BDMA,…
- Nâng cao kỹ thuật đa sóng mang: FBMC, UBMC,…
- Kỹ thuật điều chế và mã hóa tiên tiến: WAN, tiền mã hóa,…
Công nghệ mạng không dây:
- Mạng truy cập vô tuyến đám mây C-RAN
- Mạng di động MN
- Mạng truyền thông D2D
Trang 18CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G
2.1 Kiến trúc hệ thống mạng 5G (5G Architecture)
Năm 2012, Ủy ban Châu Âu (European Commission) đã chi 50 triệu Euro
để đầu tư vào nghiên cứu triển khai hệ thống thông tin di động 5G vào năm
2020 Dự án nổi bật nhất được đề xuất là METIS (Mobile and wirelesscommunications Enablers for Twenty-twenty (2020) Information Society) vớimục tiêu là xây dựng nền tảng cho một hệ thống thông tin di động và không dâytrong tương lai
Theo dự án METIS, hệ thống 5G được xây dựng dựa trên kiến trúc Mạngtruy nhập vô tuyến đám mây C-RAN (Cloud Radio Access Network) Kiến trúc
hệ thống 5G vẫn sử dụng phủ sóng phân chia theo các Cell, bao gồm các trạmgốc (BS) được trang bị Anten Massive MIMO để quản lý các MacroCell, trongcác MacroCell được phân chia ra nhiều Cell nhỏ được quản lý thông qua cácNode mạng Bên cạnh đó hệ thống mạng 5G còn phát triển một số công nghệmới như Mạng di chuyển MN (Moving Network), Truyền thông D2D (Device toDevice Communication),…
Trang 19Hình 2.1: Kiến trúc hệ thống thông tin di động 5G
2.1.1 Mạng truy nhập vô tuyến đám mây C-RAN
C-RAN là một kiến trúc mạng truy cập vô tuyến được xây dựng dựa trênđiện toán đám mây để hỗ trợ cho mạng 2G, 3G, 4G và các chuẩn truyền thôngkhông dây khác trong tương lai
Kiến trúc mạng truy cập vô tuyến được xây dựng dựa trên các trạm thu phátgốc BTS (Base Tranceiver Station) Mỗi trạm BTS sẽ quản lý một khu vực nhỏ,
và một nhóm BTS sẽ đảm bảo phủ sóng liên tục trong một khu vực Các nhàcung cấp mạng đã tái sử dụng các tần số giữa các BTS khác nhau vì vậy gây rahiện tượng can nhiễu giữa các Cell lân cận Ngoài ra kiến trúc BTS còn có cácnhược điểm như