Nghiên cứu giải pháp chuyển đổi công nghệ sang hệ thông tin di động 4G

ChÝnh v× lÝ do ®ã, chóng ta ®ang tËp trung nghiªn cøu theo h-íng ph¸t triÓn c«ng nghÖ vµ giao diÖn v« tuyÕn míi 4G víi xu h-íng tÝch hîp hÖ thèng...  Chèng nhiÔu cïng kªnh vµ kªnh l©n[r]

Đại học quốc gia Hà nội

Tr-ờng đại học công nghệ

Phạm Thu Trang

Nghiên cứu giải pháp chuyển đổi công nghệ sang

hệ thông tin di động 4G

Luận văn thạc sĩ

Hà Nội - 2006

Đại học quốc gia Hà Nội

tr-ờng đại học công nghệ

Phạm Thu Trang

Nghiên cứu giải pháp chuyển đổi công nghệ sang

hệ thông tin di động 4G

Ngành : Công nghệ Điện tử – Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc Mã số: 2.07.00

Luận văn thạc sĩ

Ng-ời h-ớng dẫn khoa học:

PGS.TS Trần Hồng Quân

Hà Nội - 2006

Mở đầu

Nh- chúng ta đã biết công nghệ truyền thông không dây đã phát triển một cách

đáng kể trong những năm trở lại đây Không chỉ đáp ứng cho các mục đích khoa học, thông tin di động đã đ-ợc đ-a vào nhằm phục vụ nhu cầu trao đổi thông tin hàng ngày của mỗi cá nhân Vào năm 1990, giá thành một chiếc điện thoại di động còn khá đắt và không phải ai cũng có, thế nh-ng ngày này hầu nh- bạn trẻ nào cũng có thể sắm cho riêng mình một chiếc điện thoại di động với nhiều tính năng Chiếc điện thoại không đơn thuần chỉ là một thiết bị để liên lạc mà nó còn là một thiết bị đ-ợc sử dụng để trao đổi thông tin và truyền dữ liệu Thông tin di động đã trở thành một loại hình kinh doanh đầy tiềm năng của các nhà khai thác viễn thông trên thế giới Các dịch vụ viễn thông giờ đây không chỉ giới hạn trong việc phục vụ khách hàng lớn mà nó còn đ-ợc phát triển, mở rộng để trở thành dịch vụ phổ biến đến với mọi ng-ời Các hệ thông tin di động hiện nay đã đ-ợc phát triển, tăng c-ờng bằng việc đ-a thêm vào dịch vụ mới nh-: thông tin số liệu tốc độ cao, truyền file hình ảnh, thoại và hình ảnh phục vụ hội nghị truyền hình… Tại một số n-ớc phát triển trên thế giới, số thuê bao di động đã chiếm 70% tổng thuê bao Còn ở n-ớc ta số thuê bao

di động chiếm 10% tổng số thuê bao Với xu thế vô tuyến hoá mạng thâm nhập để đáp ứng tính di động trong các hoạt động xã hội và kinh tế của con ng-ời thế kỷ XXI, dự báo

tỷ trọng các thuê bao di động trong tổng số thuê bao sẽ không ngừng tăng nhanh và có thể

sẽ đạt tới 50% tổng số thuê bao trong thập niên đầu thế kỷ XXI

Hệ thông tin di động thế hệ thứ hai 2G (GSM) đã rất thành công trong những năm

đầu của thập kỷ 90 Thành công này đã thúc đẩy sự phát triển của hệ thông tin di động thế

hệ ba (3G) Trong khi hệ 2G nh- GSM hay IS-95 hay CDMAOne đ-ợc thiết kế để phục vụ thoại và truyền dữ liệu tốc độ thấp thì 3G đã cải thiện đ-ợc công nghệ cho phép dữ liệu

đ-ợc truyền ở tốc độ cao hơn Trong quá trình phát triển từ 2G lên 3G, một loạt hệ thống vô tuyến 2.5G đã ra đời nh- GPRS, IMT-2000, Bluetooth, WLAN và HIPERLAN

Hiện nay, các mạng di động của Việt Nam đã đ-a công nghệ GPRS nhằm đáp ứng các nhu cầu dịch vụ về truyền tải dữ liệu của khách hàng Các dịch vụ chủ yếu GPRS nh-: WAP, truy nhập Internet, MMS, video, xem các video clip đ-ợc tải về, xem video trực tuyến, th-ơng mại điện tử, … Tuy nhiên, do giá c-ớc còn cao nên ch-a đáp ứng đ-ợc đại

bộ phận khách hàng Dựa trên nhu cầu của thị tr-ờng Việt Nam, chúng ta thấy rằng nhu cầu chính trong thông tin vẫn là dịch vụ thoại truyền thống, dịch vụ số liệu cũng đã bắt

đầu tăng tr-ởng Theo dự đoán tổng số thuê bao có nhu cầu dịch vụ số liệu chiếm khoảng 50% vào năm 2010 Tuy nhiên tất cả các hệ thống trên đây đều có những -u điểm và nh-ợc điểm riêng, ch-a có hệ thống nào có đủ -u thế để có thể thay thế những hệ thống còn lại Với đời sống thu nhập ngày càng cao, nhu cầu về chất l-ợng dịch vụ tốt ngày càng lớn, thì mạng di động tại Việt Nam cần phải đ-ợc nâng cấp để đáp ứng nhu cầu này Chính vì lí do đó, chúng ta đang tập trung nghiên cứu theo h-ớng phát triển công nghệ và giao diện vô tuyến mới 4G với xu h-ớng tích hợp hệ thống Hệ thống mới đ-ợc phát triển mang tính khả thi hơn…Bên cạnh đó, xu h-ớng chung trên thế giới là hội tụ tất cả các mạng viễn thông Vì vậy, xu h-ớng phát triển mạng thông tin di động lên hệ 4G tốc độ cao trên nền IP với khả năng tích hợp cao là một nhu cầu tất yếu

Luận văn gồm 5 ch-ơng Trong ch-ơng đầu tiên của luận văn này sẽ đ-a ra một cái nhìn tổng thể về hệ thông tin di động quá khứ, hiện tại và t-ơng lai Ch-ơng thứ hai, đề cập đến các yêu cầu hạ tầng viễn thông và xu h-ớng phát triển các công nghệ của thiết bị

đầu cuối cũng nh- kỹ thuật truyền dẫn Ch-ơng ba là các nghiên cứu về giải pháp chuyển

đổi công nghệ, các thách thức khi tiến lên hệ 4G Ch-ơng thứ t- đề cập đến khái niệm, các yêu cầu về dịch vụ và chất l-ợng dịch vụ_tiêu chuẩn để đánh giá mạng viễn thông Và cuối cùng, lộ trình tiến lên hệ 4G cho mạng di động tại Việt Nam

Ch-ơng 1 Tổng quan về hệ thông tin di động

1.1 Những đặc thù của hệ thông tin di động

Nói đến thông tin di động là ng-ời ta nói đến việc liên lạc truyền thông bằng sóng

điện từ Nh- chúng ta biết, từ năm 1897, Guliemo Marconi đã thực hiện việc liên lạc từ

đất liền đến các con tầu trên biển bằng sóng điện từ, hay xa hơn là những tín hiệu phức tạp khác nh- vô tuyến truyền hình ra đời vào những năm 1930, vậy tại sao phải chờ đến cuối thập kỷ 80 của thế kỷ XX thông tin di động mới thực sự phát triển và có những b-ớc tiến v-ợt bậc trong việc kết nối thế giới trong tầm tay, vào mọi lúc, mọi nơi Để hiểu đ-ợc điều này ta giả thiết: mỗi một cuộc liên lạc giữa hai ng-ời cần một đ-ờng truyền độc lập hay còn gọi là kênh vô tuyến Mỗi kênh cần tối thiểu một dải thông 3.103 Hz (đây là dải thông ứng với tiếng nói, trên thực tế chúng ta cần dải thông lớn hơn nhiều) Với dải thông từ

03Ghz (3.109 Hz) cho phép số ng-ời dùng là một triệu ng-ời dùng cùng một lúc Vậy làm thế nào để phục vụ hàng chục triệu thuê bao trong khi tài nguyên tần số vô tuyến là có hạn? Giải pháp đặt ra ở đây là sử dụng lại tần số Điều đó có nghĩa một cuộc di động này

có thể sử dụng lại tần số của một cuộc di động khác với điều kiện hai cuộc di động phải ở cách xa nhau về mặt địa lý đủ lớn để sóng truyền đến nhau nhỏ hơn sóng của hai ng-ời trong cuộc đàm thoại Do vậy, để thích hợp cho việc quản lý, ng-ời ta chia vùng phục vụ

ra thành các ô nhỏ đ-ợc gọi là các ô tế bào Hai cuộc liên lạc ở hai ô tế bào đủ xa nhau để

có thể sử dụng cùng một tần số sóng điện từ thông qua việc quản lý tại một trạm trung tâm của tế bào [1]

Hệ quả tất yếu của giải pháp sử dụng lại tần số là:

 Chuyển giao

 Đăng ký vị trí

 Chống nhiễu cùng kênh và kênh lân cận

 Quản lý kênh truyền

Tất cả các vấn đề trên đều phải xử lý trong thời gian thực Bên cạnh đó, các yêu cầu của ng-ời dùng về thiết bị nh- kích th-ớc, trọng l-ợng, tuổi thọ của pin đã đặt ra các đòi hỏi rất cao về công nghệ điện tử và các kỹ thuật xử lý tín hiệu Chính vì vậy, chúng ta phải đợi

đến khi những tiến bộ của công nghệ điện tử chín muồi vào những năm 80, thông tin di dộng mới thâm nhập vào đời sống xã hội

1.2 Tổng quan hệ thông tin di động quá khứ, hiện tại và t-ơng lai

Lịch sử phát triển

1873: Ph-ơng trình Maxwells

1886: Hertz chứng minh sự tồn tại của sóng vô tuyến

1895: Marconi phát minh điện báo vô tuyến

1900: Fessenden truyền tín hiệu thoại vô tuyến thành công:

Liên lạc vô tuyến giữa các tàu thuỷ và các trung tâm trên bờ

Liên lạc vô tuyến giữa máy bay và mặt đất

1921: Hệ thống vô tuyến phục vụ cảnh sát đầu tiên, Detroit

Các hệ thống điện thoại vô tuyến cá nhân đầu tiên ra đời

1946: Hệ thống điện thoại vô tuyến công cộng đầu tiên, St Louis

Ra đời các điện thoại vô tuyến HF (Sử dụng băng tần: 2-22Mhz )

1979: Ra đời mạng vô tuyến tổ ong AMPS

(AMPS là sự kết hợp của hệ thống AT&T tại Chicago và Motorola tại Washington/Baltimore: chuẩn AMPS t-ơng tự sử dụng dải tần 800Mhz)

1980: Tiêu chuẩn nhắn tin POCSAG

1982: Dịch vụ INMARSAT

1982: Các mạng vô tuyến tổ ong NMT450

(NMT450: điện thoại di động Bắc Âu_phát triển hệ thống 450Mhz có cấu trúc ô nhỏ)

1984: Các mạng vô tuyến tổ ong TACS (Hệ thống thông tin thâm nhập toàn bộ)

1991: Các mạng vô tuyến tổ ong GSM

1992: Hệ thống điện thoại không dây DECT

1995: Mạng CDMA đầu tiên

1995: Mạng nhắn tin ERMES

1996: Mạng TETRA

2001: Phát triển các tiêu chuẩn FPLMTS/IMT2000 and UMTS [2]

Nhìn lại quá trình phát triển của các mạng truyền thông di động, đầu tiên là các hệ thống điện thoại tế bào analog ra đời ở Mỹ và Châu Âu (1G) dựa trên kỹ thuật t-ơng tự chỉ

có khả năng truyền thoại, rồi đến những công nghệ liên quan đến kỹ thuật số (2G và 3G)

đã làm thay đổi căn bản trong lĩnh vực thông tin di động, trong xử lý tín hiệu số và ứng dụng dịch vụ

Trong những năm đầu thập kỷ 80, hệ thống điện thoại tế bào t-ơng tự đã đ-ợc phát triển nhanh chóng ở Châu Âu đặc biệt là Scandinavia và Anh, Pháp, Đức Mặc dù mỗi quốc gia này đều phát triển chuẩn cho riêng hệ thống của mình nh-ng các chuẩn này đều

đ-ợc t-ơng thích với nhau về mặt thiết bị cũng nh- quá trình vận hành Tuy nhiên một tình huống không mong đợi đã xảy ra, đó là các thiết bị di động không chỉ bị giới hạn vùng hoạt động trong vùng biên giới giữa các quốc gia mà nói còn ảnh h-ởng đến thị tr-ờng tiêu thụ thiết bị cũng nh- tính thiếu kinh tế của thiết bị Các quốc gia Châu Âu đã sớm nhận ra điều này, vào năm 1982, Hội nghị B-u chính viễn thông Châu Âu (CEPT) đã thành lập nhóm nghiên cứu có tên gọi Groupe Spécial Mobile (GSM) để nghiên cứu và phát triển hệ thông tin di động cố định mặt đất công cộng giữa các vùng Châu Âu Hệ thống này phải hội tụ đ-ợc các đặc tính nh- sau:

 Chất l-ợng thoại tốt

 Chi phí cho thiết bị và sử dụng dịch vụ phải mang tính kinh tế

 Hỗ trợ chuyển vùng quốc tế (roaming)

 Có khả năng hỗ trợ các thiết bị cầm tay

 Sử dụng trải phổ hiệu quả

 T-ơng thích với mạng ISDN

Phát triển từ thế hệ thứ nhất 1G(các hệ thống analog), hệ thông tin di động thế hệ thứ hai(2G) - hệ truyền thông toàn cầu GSM với các tế bào số hoá cá nhân PDC (Personal Digital Cellular), chuẩn tạm thời IS(Interim Standard) sử dụng kỹ thuật số cho luồng định h-ớng tiếng nói đã là tâm điểm của cuộc cách mạng kỹ thuật số Vào năm 1989, Công nghệ GSM đ-ợc chuyển giao cho Viện chuẩn viễn thông Châu Âu(ETSI) Các dịch vụ mang tính th-ơng mại mắt đầu đ-ợc cung cấp vào giữa năm 1991, và vào năm 1993, 36 mạng GSM đã có mặt trên 22 quốc gia Mặc dù đ-ợc chuẩn hoá tại Châu Âu, nh-ng GSM không còn là chuẩn riêng của Châu Âu Hơn 200 mạng GSM (bao gồm cả DCS1800 và PCS1900) đã đ-ợc ứng dụng tại 100 quốc gia trên toàn thế giới Vào đầu năm 1994, mạng GSM có 1.3 triệu thuê bao trên toàn thế giới và con số này đến năm 1997 là 55 triệu thuê bao Ngày nay GSM đã trở thành thuật ngữ chung cho hệ thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobile Communication)

Từ khi hệ GSM thành công trong việc chuẩn hóa từ Châu Âu sang toàn cầu, nó trở thành hệ thống truyền thông di động toàn cầu Việc nâng cấp hệ thống GSM (2G) qua GPRS và EDGE (EGPRS) cũng nh- WAP và imode (2.5G) cho phép tốc độ truyền dữ liệu cũng nh- tốc độ truyền thoại đ-ợc cải thiện tr-ớc khi có 3G GSM đ-ợc thiết kế cho các dịch vụ thoại số hay cho dữ liệu truyền d-ới dạng bit tốc độ thấp phù hợp với kênh thoại là 9.6Kbps

Để có thể đáp ứng đ-ợc các nhu cầu về sử dụng dịch vụ Internet ngày càng cao của ng-ời dùng và cũng là một b-ớc đệm cho 3G, các mạng thông tin di động hiện nay đã phát triển công nghệ, đ-a dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS 2.5G (General Packet Radio Services) đến với khách hàng Hệ thống này đ-ợc ra đời và đ-ợc nâng cấp dựa trên hệ thống GSM có sẵn để truyền thông gói IP với tốc độ truyền khoảng 171Kbps, nh-ng trên

thực tế tốc độ chỉ đạt khoảng 100Kbps do một phần dung l-ợng đ-ợc dùng cho việc hiệu chỉnh lỗi trên đ-ờng truyền vô tuyến Với công nghệ này, ng-ời dùng có thể truy cập Internet từ điện thoại di động có tính năng WAP (Wireless Access Protocol) để gửi tin nhắn hình ảnh và âm thanh; chia sẻ các kênh truyền số liệu tốc độ cao và ứng dụng truyền thông đa ph-ơng tiện, th-ơng mại điện tử…Đây là một công nghệ chuyển mạch gói đ-ợc phát triển trên nền tảng của GSM sử dụng đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) Với các chức năng đ-ợc tăng c-ờng, GPRS làm giảm giá thành, tăng khả năng thâm nhập các dịch vụ số liệu cho ng-ời dùng Với sự phát triển của các ứng dụng GPRS cho phép các nhà khai thác đa dạng hoá các dịch vụ của mình Các dịch vụ mới sẽ làm tăng dung l-ợng đ-ờng truyền trên các tài nguyên vô tuyến và các hệ thống cơ sở Để cung cấp các dịch vụ mới cho ng-ời sử dụng điện thoại, GPRS là một b-ớc quan trọng để hội nhập tới các mạng thông tin thế hệ ba GPRS cho phép các nhà khai thác triển khai dịch vụ trên nền của cấu trúc mạng lõi toàn IP cho các ứng dụng số liệu và các dịch vụ 3G với ứng dụng chủ yếu truyền số liệu và thoại tích hợp

Liên minh viễn thông quốc tế ITU bắt đầu phát triển các tiêu chuẩn cho hệ thông tin di động 3G vào những năm cuối của thập niên 90 Thế hệ thứ ba này đ-ợc chuẩn hoá vào năm 1999 bao gồm chuẩn ETSI của Châu Âu, UMTS, CDMA2000 từ Mỹ và WCDMA của Nhật Bản Những hệ thống này mở rộng các dịch vụ đa ph-ơng tiện chất l-ợng cao nhiều tốc độ và hội tụ các mạng thành phần cố định, tế bào và vệ tinh Hệ thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) đ-ợc thiết kế để hoạt động tại băng tần cao hơn, hỗ trợ cho cả hai dịch vụ thoại truyền thống và truyền dữ liệu multimedia nh- audio và video Tốc độ download của hệ 3G là 128Kbps khi sử dụng trong ô tô, 384Kbps khi thiết bị đứng yên hoặc chuyển động với vị trí cố định và khi truyền trong môi tr-ờng picocell tốc độ của nó

có thể lên tới 2Mbps Các ứng dụng 3G thông dụng gồm hội nghị truyền hình di động, chụp và gửi ảnh kỹ thuật số nhờ các điện thoại máy ảnh, gửi nhận email, file đính kèm dung l-ợng lớn, tải tệp tin video và MP3, nhắn tin dạng chữ chất l-ợng cao Các thiết bị hỗ trợ 3G cho phép chúng ta download và xem phim từ các ch-ơng trình TV, kiểm tra tài khoản ngân hàng, thanh toán hoá đơn điện thoại qua mạng, nhận và gửi các b-u thiếp kỹ

thuật số Hơn nữa, chúng ta còn đ-ợc th-ởng thức video giàu đồ hoạ, âm thanh vòm lập thể (surrounding sound) chất l-ợng cao, game ba chiều mới mẻ (3D), giàu tính năng multimedia của thẻ modem vô tuyến, hay PDA hợp thời trang

Trong khi 2G hoạt động trong các băng tần 900 và 1800/1900Mhz, 3G hoạt động trong băng tần 2Ghz và hệ thống mới này có nhiệm vụ chuyển giao những dịch vụ đa ph-ơng tiện với dung l-ợng lớn hơn Hệ 3G và 2G sẽ tiếp tục tồn tại trong một thời gian với sự tối -u hoá dự phòng các dịch vụ giữa chúng Nhiều dạng chuyển giao bằng vệ tinh khác nhau

đ-ợc sử dụng để cải thiện phạm vi phủ sóng tại thành thị, ngoại ô, và vùng nông thôn Năm 2004, điểm mốc đáng nhớ cho công nghệ 3G, công nghệ 3G đã tác động rất lớn đến

đời sống hàng ngày của con ng-ời, mọi lúc, mọi nơi và hầu nh- mọi việc đ-ợc thực hiện trên điện thoại di động Một điều quan trọng là khi công nghệ ngày càng hội tụ và các tiêu chuẩn t-ơng thích với nhau, ng-ời tiêu dùng không còn quan tâm đến mạng sử dụng là GSM hay CDMA nữa mà họ chỉ quan tâm đến việc máy di động của họ có thể hoạt động ở bất cứ nơi đâu họ đến Nếu chúng ta nhìn xa hơn nữa, ứng dụng giải trí sẽ là yếu tố kích thích lớn trong tăng tr-ởng 3G Các thống kê do nhà khai thác DoCoMo (Nhật Bản) đ-a ra cho thấy 88% tỉ lệ gói đến từ truy cập Internet di động và trong số này 77% truy cập là liên quan đến giải trí Tại Hàn Quốc, các ứng dụng đ-ợc yêu cầu phần lớn là các dịch vụ

về video, audio, TV trực tiếp,… Ngoài ra, các dịch vụ khác nh- download nhạc chuông, mua sắm cũng rất phổ biến Những dịch vụ này mang lại cho các nhà khai thác doanh thu rất lớn Tóm lại với sự phát triển ngày càng rộng khắp của công nghệ 3G, CDMA, các cơ hội là vô tận Chúng ta không còn sống trong một thế giới nơi mà tiêu chuẩn và công nghệ hạn chế chúng ta