QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)
Hệ thống thông tin di động 1G, ra đời vào năm 1979 tại Nhật Bản, là mạng điện thoại di động đầu tiên trên thế giới Công nghệ này sử dụng phương thức truyền dẫn tương tự để chuyển tín hiệu thoại, áp dụng đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) và điều chế tần số (FM).
- Sử dụng kỹ thuật chuyển mạch tương tự.
- Dịch vụ đơn thuần là thoại.
- Mỗi máy di động được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến.
- Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận là đáng kể.
- Trạm thu phát gốc phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi máy di động.
Một số hệ thống thông tin di động 1G điển hình:
NMT (Nordic Mobile Telephone) là hệ thống di động được phát triển tại một số quốc gia Bắc Âu vào năm 1982, bao gồm hai tiêu chuẩn chính là NMT-450 và NMT-900 NMT-450 là tiêu chuẩn đầu tiên, hoạt động trên tần số 450MHz, trong khi NMT-900, tiêu chuẩn sau này, sử dụng tần số 900MHz.
TACS (Total Access Communications System): được triển khai đầu tiên tại
Anh vào năm 1985 và được phát triển ở một số nước Trung Âu và Nam Âu, TACS sử dụng dải tần 900MHz.
AMPS (Hệ thống Điện thoại Di động Tiên tiến) được triển khai lần đầu tiên tại Bắc Mỹ vào năm 1978 và sau đó mở rộng sang một số quốc gia ở Nam Mỹ, Úc và New Zealand Hệ thống này hoạt động trên dải tần 800MHz.
Những hạn chế của hệ thống thông tin di động 1G:
- 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.
- Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp.
- Kích thước thiết bị di động lớn.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)
Hệ thống thông tin di động 2G sử dụng công nghệ chuyển mạch kỹ thuật số, với hai phương pháp chính là đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) Những kỹ thuật này giúp tối ưu hóa việc sử dụng băng thông, mang lại hiệu quả cao hơn so với công nghệ 1G Đến nay, nhiều thuê bao di động vẫn đang sử dụng công nghệ 2G.
- Phương thức đa truy nhập: Sử dụng đa truy nhập TDMA và CDMA băng hẹp.
- Sử dụng chuyển mạch kênh.
- Dung lượng tăng, chất lượng thoại tốt hơn, hỗ trợ các dịch vụ truyền dữ liệu.
Một số hệ thống thông tin di động 2G điển hình:
GSM (Global System for Mobile Communication): được triển khai đầu tiên tại
Châu Âu vào năm 1990 GSM sử dụng kỹ thuật đa truy nhập TDMA có tốc độ từ 6,5 –
Các hệ thống GSM phổ biến:
- GSM 900: có dải tần cơ bản (890 – 960)MHz Trong đó:
Hệ thống này được sử dụng phổ biến ở Châu Âu và nhiều nước Châu Á.
- GSM 1800: có dải tần cơ bản (1.710 – 1.880)MHz Trong đó:
Hệ thống này cũng được sử dụng ở Châu Âu và nhiều nước Châu Á, tuy nhiên phổ biến nhất là ở Châu Mỹ và Canada.
- GSM 1900: có dải tần cơ bản (1.850 – 1.990)MHz Trong đó:
Hệ thống này được sử dụng phổ biến ở Bắc Mỹ.
IS-136 (Interim Standard – 136): Do AT&T (American Telephone and Telegraph
Chuẩn IS-136, hay còn gọi là D-AMPS (Digital – Advanced Mobile Phone System), được đề xuất bởi Corporation vào năm 1990 Công nghệ này sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và có khả năng cung cấp tốc độ dữ liệu lên đến 30 kb/s.
IS-136 được nâng cấp từ hạ tầng mạng AMPS hoạt động ở băng tần 1900MHz, trong đó:
CdmaOne hay IS-95 (Interim Standard – 95A): là tiêu chuẩn thông tin di động
CDMA băng hẹp của Mỹ do Qualcomm đề xuất và được chuẩn hóa vào năm 1993.
IS-95 sử dụng dải tần (869 – 894)MHz và độ rộng kênh là 1,25MHz cho mỗi hướng lên và xuống Tốc độ dữ liệu tối đa của IS-95A là 14,4 kb/s.
Hệ thống này được sử dụng phổ biến ở Mỹ, Hàn Quốc, Hồng Kông, Nhật Bản, Singapore và một số nước Đông Á.
Ưu điểm của hệ thống thông tin di động 2G:
Hệ thống thông tin di động 2G được phát triển để khắc phục những hạn chế của hệ thống 1G, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội.
- Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn.
Hệ thống số chống nhiễu kênh cùng tần số (CCI) và chống nhiễu kênh kề (ACI) hoạt động hiệu quả hơn, giúp tăng dung lượng hệ thống và đảm bảo chất lượng thông tin.
- Điều khiển động việc cấp phát kênh một cách liên tục giúp cho việc sử dụng tần số hiệu quả hơn.
- Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn, dung lượng tăng, báo hiệu dễ dàng xử lý bằng phương pháp số.
- Có nhiều dịch vụ mới nhận thực hơn (kết nối với ISDN).
Nhược điểm của hệ thống thông tin di động 2G:
Độ rộng dải thông băng tần hạn chế của hệ thống dẫn đến việc các dịch vụ ứng dụng không đáp ứng được nhu cầu phát triển của các dịch vụ thông tin di động đa phương tiện trong tương lai.
- Tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động 2G là không thống nhất, do đó việc chuyển giao toàn cầu khó thực hiện được.
Hệ thống thông tin di động 2,5G
Hệ thống thông tin di động 2,5G được nâng cấp từ hệ thống thông tin di động 2G.
Sự nâng cấp này đôi khi được coi là sự chuẩn bị để tiến tới hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G).
Đặc điểm của hệ thống thông tin 2,5G:
- Các dịch vụ số liệu được cải tiến:
+ Tốc độ bit cao hơn.
+ Hỗ trợ kết nối Internet.
- Hỗ trợ thêm phương thức chuyển mạch gói.
Một số hệ thống thông tin di động 2,5G điển hình:
GPRS (General Packet Radio Service)
GPRS, phát triển từ GSM và IS-136, cung cấp dịch vụ dữ liệu tốc độ cao cho người dùng, được giới thiệu bởi Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu ETSI vào năm 1999 Với tốc độ dữ liệu dao động từ 14,4 kb/s đến 115 kb/s, GPRS có khả năng lý thuyết đạt tới 171,2 kb/s Là một giải pháp chuyển mạch gói, GPRS đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển tiếp từ thế hệ 2G sang 3G của các nhà cung cấp dịch vụ GSM/IS-136.
EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) là công nghệ di động được triển khai tại Mỹ vào năm 2003, nâng cấp từ GPRS, cho phép truyền dữ liệu với tốc độ tối đa lên đến 384 kb/s cho người dùng cố định hoặc di chuyển chậm, và 144 kb/s cho người dùng di chuyển với tốc độ cao Trong quá trình phát triển hướng tới 3G, EDGE được xem như một công nghệ 2.75G.
IS-95B là hệ thống thông tin di động 2,5G, được nâng cấp từ IS-95A và chính thức triển khai vào năm 1999 Tiêu chuẩn này mang lại tính linh hoạt cao, cho phép cung cấp dịch vụ dữ liệu với tốc độ lên đến 115 kb/s.
CDMA2000 1xRTT là phiên bản đầu tiên của CDMA2000, được cải tiến từ IS-95B với tốc độ truyền dữ liệu tối đa lên tới 307,2 kb/s Tuy nhiên, các thiết bị thương mại chỉ hỗ trợ tốc độ tối đa 153,6 kb/s Tương tự như EDGE, CDMA2000 1xRTT được phân loại là hệ thống 2,75G.
Ưu điểm của hệ thống thông tin di động 2,5G:
Chúng tôi cung cấp các dịch vụ mạng mới và cải thiện các dịch vụ liên quan đến truyền số liệu, bao gồm nén số liệu của người sử dụng, chuyển mạch kênh tốc độ cao, và dịch vụ vô tuyến gói đa năng.
- Cung cấp các dịch vụ bổ sung như: chuyển hướng cuộc gọi, hiển thị tên chủ gọi, chuyển giao cuộc gọi và các dịch vụ cấm gọi mới.
- Cải thiện các dich vụ liên quan đến SMS (Short Message Service) như: mở rộng bản chữ cái, mở rộng tương tác giữa các SMS.
- Tăng cường công nghệ SIM (Subcriber Indentification Module).
- Hỗ trợ các dịch vụ mạng thông minh.
Cải thiện dịch vụ định vị, tăng cường tương tác với hệ thống thông tin di động vệ tinh và hỗ trợ định tuyến tối ưu là những yếu tố quan trọng giúp nâng cao chất lượng dịch vụ chung.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G)
To meet the increasing demand for mobile information in terms of quantity, speed, and quality, the International Telecommunication Union (ITU) has proposed a standardization plan for third-generation mobile information, known as IMT-2000 (International Mobile Telecommunications for the Year 2000).
Năm 2000, mục tiêu chính là cải thiện tốc độ truy cập và mở rộng đa dạng dịch vụ, đồng thời đảm bảo tính tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có, nhằm duy trì sự phát triển bền vững của thông tin di động.
Nhiều tiêu chuẩn cho IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó WCDMA và CDMA-2000 được ITU chấp nhận và đưa vào hoạt động đầu những năm 2000 Cả hai hệ thống này đều sử dụng công nghệ Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA, cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn cầu cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động 3G.
Một số hệ thống thông tin di động 3G điển hình:
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
UMTS, hay còn gọi là 3GSM, sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) và được chuẩn hóa bởi 3GPP (3rd Generation Partnership Project) Đây là công nghệ 3G chủ yếu được các nhà cung cấp dịch vụ GSM/GPRS lựa chọn để nâng cấp lên 3G Mặc dù UMTS có tốc độ dữ liệu tối đa đạt 1920 kb/s, nhưng tốc độ thực tế thường chỉ khoảng 384 kb/s Để cải thiện tốc độ dữ liệu của 3G, hai kỹ thuật HSDPA và HSUPA đã được đề xuất và khi cả hai được triển khai, chúng được gọi chung là HSDPA, thường được xem là hệ thống thông tin di động 3,5G.
- HSDPA (High Speed Downlink Packet Access): Tăng tốc độ đường xuống
(Downlink) lên tốc độ tối đa trên lý thuyết là 14,4 Mb/s, nhưng trong thực tế nó chỉ đạt tầm 1,8 Mb/s đến 3,6 Mb/s.
HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) là công nghệ cải tiến tốc độ đường lên (Uplink) và chất lượng dịch vụ (QoS) Kỹ thuật này cho phép người dùng tải lên thông tin với tốc độ lý thuyết lên tới 5,8 Mb/s.
CDMA2000 được triển khai dựa trên công nghệ CDMA2000 1xRTT, bao gồm các chuẩn CDMA2000 EV-DO (Evolution – Data Optimized) và CDMA2000 EV-DV (Evolution – Data and Voice) Công nghệ này đã được chuẩn hóa bởi 3GPP2 và được các nhà cung cấp mạng sử dụng CdmaOne lựa chọn làm tiêu chuẩn cho công nghệ 3G.
CDMA2000 EV-DO là công nghệ sử dụng kênh dữ liệu 1,25MHz, cho phép đạt tốc độ tối đa 2,4 Mb/s cho đường xuống và 153 Kb/s cho đường lên Phiên bản 1xEV-DO Rev A nâng cao tốc độ đường xuống lên đến 3,1 Mb/s và tốc độ đường lên đạt 1,2 Mb/s, trong khi 1xEV-DO Rev B cho phép ghép nối 15 kênh 1,25MHz, mang lại tốc độ truyền dữ liệu lên đến 73,5 Mb/s.
- CDMA2000 EV-DV: tích hợp thoại và dữ liệu trên cùng một kênh 1,25MHz.
CDMA2000 EV-DV cung cấp tốc độ tối đa lên đến 4,8 Mb/s cho tải xuống và 307 Kb/s cho tải lên Tuy nhiên, từ năm 2005, Qualcomm đã ngừng phát triển 1xEV-DV vì hầu hết các nhà mạng CDMA như Verizon Wireless và Sprint đã chuyển sang sử dụng EV-DO.
TD-SCDMA (Time Division – Synchronous Code Division Multiple Access)
TD-SCDMA là chuẩn di động 3G được đề xuất bởi CCSA và được ITU phê duyệt vào năm 1999 Công nghệ này sử dụng kỹ thuật song công TDD (Time Division Duplex) và có khả năng hoạt động trên dải tần hẹp 1,6MHz với tốc độ 2 Mb/s hoặc 5MHz với tốc độ 6 Mb/s.
Hệ thống thông tin di động tiền 4G (pre-4G)
4G technology serves as a preparatory step for upgrading from 3G to 4G, and in some regions, it is referred to as 3.9G Key pre-4G technologies include LTE (Long Term Evolution), WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access), and UMB (Ultra Mobile Broadband).
3GPP LTE là hệ thống mạng không dây tiếp theo, phát triển từ công nghệ di động GSM/UMTS, và được xem là một trong những công nghệ hứa hẹn nhất cho truyền thông di động thế hệ thứ tư (4G).
Công nghệ 3GPP LTE cung cấp khả năng cấp phát phổ tần linh động, hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện với tốc độ lên đến 100 Mb/s khi di chuyển với tốc độ 3km/h và 30 Mb/s khi di chuyển ở tốc độ cao khoảng 120km/h Tốc độ này nhanh gấp 7 lần so với công nghệ HDSPA, cho phép người dùng trải nghiệm các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao ngay cả khi đang di chuyển.
3GPP LTE employs Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) technology and Multi-input Multi-output (MIMO) techniques to enhance network performance and capacity.
+ Dung lượng truyền trên kênh đường xuống có thể đạt 100 Mb/s và trên kênh đường lên có thể đạt 50 Mb/s.
+ Tăng tốc độ truyền trên cả người sử dụng và các mặt phẳng điều khiển.
+ Sẽ không còn chuyển mạch kênh Tất cả sẽ dựa trên IP VoIP sẽ được sử dụng cho dịch vụ thoại.
Kiến trúc mạng LTE đơn giản hơn so với mạng 3G hiện tại, nhưng vẫn cho phép tích hợp dễ dàng với các mạng 3G và 2G đã có Điều này rất quan trọng cho các nhà cung cấp mạng triển khai 3GPP LTE, vì họ không cần phải thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng.
WiMax là hệ thống truy cập vi ba toàn cầu, dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16 do Viện Kỹ nghệ Điện và Điện tử IEEE đề xuất Tiêu chuẩn này xác định các yêu cầu và chỉ tiêu kỹ thuật nhằm giải quyết vấn đề trong mạng vô tuyến băng rộng điểm – đa điểm (PMP), tập trung vào giao diện vô tuyến, bao gồm lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC) và lớp vật lý (PHY).
WiMax là một chuẩn không dây tạo ra khả năng kết nối băng thông rộng tốc độ cao cho cả mạng cố định lẫn mạng không dây di động.
Chuẩn UMB được phát triển bởi 3GPP2 nhằm hỗ trợ cho mạng CDMA2000.
- Một số đặc điểm kỹ thuật:
+ Có các kỹ thuật Multiple Radio và Anten tiên tiến.
+ Sử dụng kỹ thuật MIMO, Đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA (Space Division Multiple Access).
+ Sử dụng các kỹ thuật quản lý nhiễu tiên tiến.
+ Tốc độ dữ liệu cao nhất có thể lên tới 288 Mb/s đối với đường lên và 75 Mb/s đối với đường xuống.
Nhược điểm của hệ thống thông tin di động 3G:
- Việc đạt được tốc độ truyền số liệu cao là rất khó đối với công nghệ CDMA do can nhiễu giữa các dịch vụ.
Việc tạo ra một dải dịch vụ đa tốc độ đầy đủ với các yêu cầu về hiệu năng và QoS khác nhau gặp nhiều khó khăn, do các hạn chế của mạng lõi liên quan đến tiêu chuẩn giao diện vô tuyến.
- Yêu cầu băng thông lớn.
- Phí dịch vụ tương đối cao.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G)
Vào tháng 3 năm 2008, tổ chức ITU-R đã công bố các tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động 4G, được gọi là IMT – Advanced Theo tiêu chuẩn IMT – Advanced, hệ thống 4G cần đáp ứng những yêu cầu cụ thể để đảm bảo hiệu suất và khả năng kết nối.
- Xây dựng dựa hệ thống mạng IP chuyển mạch gói.
Đáp ứng tốc độ dữ liệu tối đa lên đến 100 Mb/s khi di chuyển nhanh và 1 Gb/s khi di chuyển chậm hoặc đứng yên.
- Có thể linh hoạt trong việc sử dụng và chia sẽ tài nguyên mạng để hỗ trợ số lượng lớn người sử dụng đồng thời trong một Cell.
- Độ rộng băng thông có thể thay đổi được một cách linh hoạt, phạm vi thay đổi có thể lên đến 40 MHz.
Hiệu suất sử dụng phổ tần tối đa đạt 15 b/s/Hz cho đường xuống và 6,75 b/s/Hz cho đường lên, có nghĩa là nếu tốc độ đường xuống đạt 1 Gb/s, chỉ cần khoảng 67 MHz băng thông.
- Hiệu suất sử dụng phổ tần của hệ thống, trường hợp trong nhà, là 3 b/s/Hz/cell cho đường xuống và 2,25 b/s/Hz/cell cho đường lên.
- Dễ dàng thực hiện chuyển giao giữa những mạng phức tạp.
- Khả năng cung cấp các dịch vụ chất lượng cao cho thế hệ đa phương tiện tiếp theo.
Hiện nay, chỉ có hai hệ thống thông tin di động 4G được ITU công nhận là LTE-Advanced, phát triển bởi 3GPP, và WirelessMAN-Advanced, phát triển bởi IEEE.
4G cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) và tốc độ vượt trội so với 3G, không chỉ cho phép truy cập băng rộng mà còn hỗ trợ dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS), chat video, TV di động và HDTV Ngoài ra, nó còn cung cấp các dịch vụ cơ bản như thoại và dữ liệu, đồng thời cho phép chuyển giao giữa các mạng vô tuyến trong khu vực cục bộ và kết nối với hệ thống quảng bá video số.
Nhược điểm của hệ thống thông tin di động 4G:
- Yêu cầu thiết bị tương thích để có thể kết nối với mạng 4G.
- Thiết bị di động tiêu hao năng lượng hơn.
- Yêu cầu thành phần hệ thống phức tạp.
- Chi phí dịch vụ và giá thành thiết bị tương đối cao.
KIẾN TRÚC CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G
Kiến trúc hệ thống 5G
2.2 Sự thay đổi từ RAN sang C-RAN 17
2.4 Mạng cực kỳ dày đặc UDN 19
2.5 Các trường hợp can thiệp lẫn nhau trong truyền thông D2D 21
2.6 Mạng lõi Nano trong hệ thống 5G 22
2.7 Điện thoại Nano “trong suốt” 24
2.8 Morph – Khái niệm công nghệ cho tương lai 24
2.14 Các lớp mạng trong hệ thống 5G 34
2.16 Lịch sử quá trình kết nối (Nguồn: Cisco) 37
2.17 So sánh giữa công nghệ milimeter-wave và công nghệ hiện tại 38
2.18 So sánh các phương thức điều chế 42
2.19 Đa truy nhập phân chia theo búp sóng BDMA 43
2.20 Nguyên lý hoạt động của BDMA 44
2.21 Cấu trúc khung của TDD-BDMA 45
2.22 Cấu trúc khung của FDD-BDMA 45
2.23 Đa truy nhập không trực giao NOMA 46
2.24 So sánh giữa OFDMA và NOMA 47
2.25 Mô hình kênh MIMO cơ bản với N t Anten phát và N r Anten thu 48
2.27 Mô hình Cell sử dụng Anten Massive MIMO 50
2.28 Phần mềm độc hại (Malware) 52
2.30 Ví dụ về tấn công MITM 58
3.4 Địa điểm thử nghiệm tại Thành Đô (Trung Quốc) 68
3.5 SK Telecom và Nokia hợp tác thành lập “Trung tâm nghiên cứu
3.6 Một địa điểm triển lãm của Verizon tại MWC 2015 69
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt English Tiếng Việt
3GPP 3 rd Generation Partnership Project Dự án đối tác thế hệ thứ 3
ACL Access Control List Danh sách điều khiển truy cập
AMPS Advanced Mobile Phone System Dịch vụ điện thoại di động cao cấp
BDMA Beam Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo búp sóng
BS Base Station Trạm gốc
BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã
C-RAN Cloud Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến đám mây
C-RNTI Cell Radio Network Temporary
Số nhận dạng mạng vô tuyến
D2D Divice to Divice Communication Truyền thông Thiết bị - Thiết bị
DoS Denial of Service Từ chối dịch vụ
DDoS Distributed Denial of Service Từ chối dịch vụ phân tán
DPC Dirty Paper Coding Mã hóa “tờ giấy bẩn”
DRX Discontinuous Reception Thu nhận không liên tục
DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số
DUE D2D User Equipment Thiết bị người sử dụng dùng truyền thông D2D
EDGE Enhanced Data Rates for GSM
Cải tiến tốc độ dữ liệu cho sự phát triển GSM
FBMC Filter Bank Multi-Carrier Đa sóng mang lọc băng tần
FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần số
Access Đa truy nhập phân chia theo tần số
Multiplexing, or frequency division multiplexing, is a standard technique used to combine multiple signals for transmission GPRS, or General Packet Radio Service, is a type of wireless communication that enables efficient data transmission through packet-switching GPS, or Global Positioning System, is a satellite-based navigation system that provides location and time information anywhere on Earth.
GSM Global System for Mobile
Communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu
HSDPA High Speed Downlink Packet
Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSS Home Subscriber Server Máy chủ thuê bao nội trú
HSUPA High Speed Uplink Packet Access Truy nhập gói đường lên tốc độ cao
IEEE Institute of Electrical and
Electronics Engineers Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử
Telecommunications Viễn thông di động quốc tế IoE Internet of Everything Internet của mọi thứ
IP Internet Protocol Giao thức Internet
IS Interim Standard Tiêu chuẩn tạm thời
ISDN Integrated Services Digital Mạng số tích hợp đa dịch vụ
Liên minh viễn thông quốc tế
LOS Line Of Sight Tầm nhìn thẳng
LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn
MAC Medium Access Control Lớp điều khiển truy cập môi trường
METIS Mobile and wireless communications Enablers for Twenty-twenty (2020) Information
Thông tin di động và truyền thông không dây ứng dụng vào năm 2020
MIMO Multi-input Multi-output Đa đầu vào – Đa đầu ra
MITM Man In The Middle Tấn công man-in-the-middle MMS Multimedia Messaging Service Dịch vụ tin nhắn đa phương tiện
MN Moving Network Mạng di chuyển
MS Mobile Station Trạm di động
MRN Moving Relay Node Điểm chuyển tiếp di động
NOMA Non-Orthogonal Multiple Access Đa truy nhập không trực giao
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao
Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở OTP Open Transport Protocol Giao thức vận chuyển mở
OWA Open Wireless Architecture Kiến trúc không dây mở
PAPR Peak-to-Average Power Ratio Tỉ số công suất đỉnh trung bình
PHY Physical Layer Lớp vật lý
QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
SDMA Space Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo không gian
Cancellation Hủy bỏ sự can thiệp liên tục SIM Subcriber Indentification Module Mô-đun nhật thực thuê bao
SMS Short Message Service Dịch vụ tin nhắn ngắn
System Hệ thống thông tin truy nhập toàn bộ TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền vận
TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia theo thời gian
TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian
UDN Ultra-Dense Network Mạng cực kì dày đặc
UE User Equipment Thiết bị người sử dụng
UFMC Universal Filtered Multi-Carrier Đa sóng mang lọc toàn bộ
UMB Ultra Mobile Broadband Băng thông rộng siêu di động
Telecommunications System Hệ thống viễn thông di động toàn cầu
WAM WAve Modulation Điều chế sóng
WCDMA Wideband Code Division Multiple
Access Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộngWiMax Worldwide Interoperability for Tương tác toàn cầu bằng truy
Thời điểm hiện tại, mạng 4G mới bắt đầu được đưa vào sử dụng, nhưng đến năm
Năm 2020, tình trạng quá tải thông tin ngày càng gia tăng do sự bùng nổ doanh số bán hàng của smartphone và tablet, cùng với lượng dữ liệu khổng lồ từ việc kết nối các thiết bị như tivi, đồng hồ, và đồ gia dụng Mạng 4G hiện tại có khả năng xử lý dữ liệu lớn hơn, nhưng với tốc độ phát triển công nghệ nhanh chóng, nó sẽ không đủ đáp ứng trong vài năm tới Tại Mobile World Congress 2012, Eric Schmidt đã dự đoán về tương lai nơi robot tham gia hội nghị và truyền video HD qua mạng không dây, đòi hỏi các nhà mạng phải phát triển một mạng thông minh để xử lý hàng tỉ kết nối Do đó, sự ra đời của công nghệ di động mới 5G là điều tất yếu trong tương lai gần, làm nền tảng cho một thế giới kết nối hơn.
Bài báo cáo tốt nghiệp sẽ tập trung vào "VÀ ỨNG DỤNG" của hệ thống thông tin di động 5G, nêu rõ các yêu cầu cần thiết cho hệ thống này Đồng thời, bài viết cũng sẽ giới thiệu những kỹ thuật tiên tiến đang nổi bật và có tiềm năng cao trong việc xây dựng và triển khai hệ thống 5G trong tương lai.
Nội dung đồ án gồm:
Chương 1: Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động
Chương 2: Kiến trúc của hệ thống thông tin di động 5G
Chương 3: Ứng dụng và triển khai hệ thống thông tin di động 5G
Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự hỗ trợ quý báu từ thầy cô, gia đình và bạn bè, những người đã đóng góp ý kiến và hướng dẫn tôi một cách nhiệt tình.
Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến các thầy cô trong khoa Kỹ thuật và Công nghệ đã hỗ trợ và trang bị cho tôi những kiến thức quý giá Đặc biệt, tôi xin cảm ơn thầy TS Huỳnh Nguyễn Bảo Phương đã tận tình hướng dẫn và giúp tôi hoàn thành đồ án đúng thời hạn.
Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian và năng lực cá nhân, đồ án vẫn còn một số thiếu sót Rất mong nhận được sự quan tâm và ý kiến đóng góp từ cô giáo và các bạn để hoàn thiện nội dung của đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Quy nhơn, ngày tháng năm 2015
Sinh viên thực hiện Đặng Anh Khoa
QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN
Chương này sẽ giới thiệu lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động toàn cầu, cung cấp cái nhìn tổng quan về các tiêu chuẩn, ưu nhược điểm của các thế hệ thông tin di động đã được phát triển Ngoài ra, chương cũng sẽ đề cập đến các yêu cầu cần thiết của hệ thống thông tin di động thế hệ mới.
Hệ thống thông tin di động cho phép người dùng liên lạc và di chuyển thông qua sóng điện từ, bắt đầu phát triển từ những năm 1960 Mỗi thập kỷ, một thế hệ thông tin di động mới ra đời Thế hệ đầu tiên (1G) xuất hiện vào cuối thập kỷ 70 và đầu thập kỷ 80, cung cấp dịch vụ thoại tương tự Thế hệ thứ hai (2G) ra đời vào đầu thập kỷ 90 với công nghệ di động kỹ thuật số, hỗ trợ cả dịch vụ thoại và dữ liệu Thế hệ thứ ba (3G) xuất hiện từ năm 2001 tại Nhật Bản, nổi bật với dịch vụ thoại, dữ liệu và đa phương tiện tốc độ cao Thế hệ 4G được thương mại hóa trong những năm tiếp theo.
2012 trở đi, cung cấp các dịch vụ truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn thế hệ 3G rất nhiều.
Hình 1.1 Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động.
Trên toàn cầu, các tiêu chuẩn cho từng thế hệ thông tin di động khác nhau tùy thuộc vào từng khu vực, như thể hiện trong hình 1.1 Tại Việt Nam, hệ thống thông tin di động đang được phát triển theo hướng hiện đại hóa và nâng cao chất lượng dịch vụ.
1G → GSM (2G) → GPRS (2.5G) → EDGE (2.75G) → UMTS (3G) → LTE (4G).
1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)
Hệ thống thông tin di động 1G, ra đời vào năm 1979 tại Nhật Bản, đánh dấu mạng điện thoại di động đầu tiên trên thế giới Công nghệ này sử dụng các phương pháp truyền dẫn tương tự để truyền tín hiệu thoại, áp dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) và điều chế tần số (FM).
- Sử dụng kỹ thuật chuyển mạch tương tự.
- Dịch vụ đơn thuần là thoại.
- Mỗi máy di động được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến.
- Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận là đáng kể.
- Trạm thu phát gốc phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi máy di động.
Một số hệ thống thông tin di động 1G điển hình:
NMT (Nordic Mobile Telephone) là hệ thống điện thoại di động được phát triển tại một số quốc gia Bắc Âu vào năm 1982 Hệ thống này bao gồm hai tiêu chuẩn chính: NMT-450 và NMT-900 NMT-450, tiêu chuẩn đầu tiên, hoạt động trên dải tần 450MHz, trong khi NMT-900, tiêu chuẩn sau, sử dụng dải tần 900MHz.
TACS (Total Access Communications System): được triển khai đầu tiên tại
Anh vào năm 1985 và được phát triển ở một số nước Trung Âu và Nam Âu, TACS sử dụng dải tần 900MHz.
AMPS (Hệ thống Điện thoại Di động Tiên tiến) được ra mắt lần đầu tiên tại Bắc Mỹ vào năm 1978 và sau đó mở rộng sang một số quốc gia ở Nam Mỹ, Úc và New Zealand, sử dụng dải tần 800MHz.
Những hạn chế của hệ thống thông tin di động 1G:
- 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.
- Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp.
- Kích thước thiết bị di động lớn.
1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)
Hệ thống thông tin di động 2G sử dụng công nghệ chuyển mạch kỹ thuật số, đặc trưng bởi các phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA) Những kỹ thuật này giúp tối ưu hóa việc sử dụng băng thông, mang lại hiệu quả cao hơn so với công nghệ 1G Đến nay, nhiều thuê bao di động vẫn đang sử dụng công nghệ 2G này.
- Phương thức đa truy nhập: Sử dụng đa truy nhập TDMA và CDMA băng hẹp.
- Sử dụng chuyển mạch kênh.
- Dung lượng tăng, chất lượng thoại tốt hơn, hỗ trợ các dịch vụ truyền dữ liệu.
Một số hệ thống thông tin di động 2G điển hình:
GSM (Global System for Mobile Communication): được triển khai đầu tiên tại
Châu Âu vào năm 1990 GSM sử dụng kỹ thuật đa truy nhập TDMA có tốc độ từ 6,5 –
Các hệ thống GSM phổ biến:
- GSM 900: có dải tần cơ bản (890 – 960)MHz Trong đó:
Hệ thống này được sử dụng phổ biến ở Châu Âu và nhiều nước Châu Á.
- GSM 1800: có dải tần cơ bản (1.710 – 1.880)MHz Trong đó:
Hệ thống này cũng được sử dụng ở Châu Âu và nhiều nước Châu Á, tuy nhiên phổ biến nhất là ở Châu Mỹ và Canada.
- GSM 1900: có dải tần cơ bản (1.850 – 1.990)MHz Trong đó:
Hệ thống này được sử dụng phổ biến ở Bắc Mỹ.
IS-136 (Interim Standard – 136): Do AT&T (American Telephone and Telegraph
Chuẩn IS-136, hay còn gọi là D-AMPS (Digital – Advanced Mobile Phone System), được đề xuất bởi Corporation vào năm 1990 Công nghệ này sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và cho phép tốc độ dữ liệu đạt tới 30 kb/s.
IS-136 được nâng cấp từ hạ tầng mạng AMPS hoạt động ở băng tần 1900MHz, trong đó:
CdmaOne hay IS-95 (Interim Standard – 95A): là tiêu chuẩn thông tin di động
CDMA băng hẹp của Mỹ do Qualcomm đề xuất và được chuẩn hóa vào năm 1993.
IS-95 sử dụng dải tần (869 – 894)MHz và độ rộng kênh là 1,25MHz cho mỗi hướng lên và xuống Tốc độ dữ liệu tối đa của IS-95A là 14,4 kb/s.
Hệ thống này được sử dụng phổ biến ở Mỹ, Hàn Quốc, Hồng Kông, Nhật Bản, Singapore và một số nước Đông Á.
Ưu điểm của hệ thống thông tin di động 2G:
Hệ thống thông tin di động 2G được phát triển để khắc phục những hạn chế của hệ thống 1G, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội.
- Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn.
Mạng lõi Nano
Việc đáp ứng tiêu chuẩn cho hệ thống 5G đòi hỏi không chỉ các phương thức truyền dẫn mới mà còn cần một công nghệ nền tảng tiên tiến để thiết kế và xây dựng thiết bị Giải pháp tối ưu cho vấn đề này là xây dựng mạng lõi Nano, giúp đáp ứng hiệu quả các yêu cầu khắt khe của hệ thống 5G.
Mạng lõi Nano được định nghĩa một cách đơn giản là sự hội tụ của 3 công nghệ:
Hình 2.6 Mạng lõi Nano trong hệ thống 5G.
Công nghệ Nano, được giới thiệu bởi Nori Taniguchi tại Hội nghị Quốc tế về kỹ thuật sản xuất Tokyo năm 1974, là ứng dụng kỹ thuật Nano để điều khiển hoạt động của hệ thống ở quy mô nanomet (0,1 – 100 nm) Lĩnh vực này còn được gọi là Công nghệ Nano phân tử MNT (Molecular NanoTechnology).
Công nghệ Nano đang tạo ra một cuộc cách mạng trong ngành viễn thông, trở thành mục tiêu phát triển của các hệ thống viễn thông trong tương lai Sự ảnh hưởng của công nghệ Nano đã được thể hiện rõ rệt trên cả mạng di động và mạng lõi, đồng thời cũng tác động đến thiết bị cảm biến và vấn đề an ninh mạng Vì vậy, công nghệ Nano đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của ngành viễn thông.
Cấu trúc Nano có tiềm năng ứng dụng quan trọng trong các thiết bị thông tin kỹ thuật, mang lại những chức năng chưa từng có Chúng có khả năng được lắp ráp trong các vật liệu trung tâm cho điện từ và quang học Những vi cấu trúc này đại diện cho một trạng thái độc đáo của vật chất, hứa hẹn nhiều sản phẩm mới và hữu ích.
Nhờ kích thước nhỏ, cấu trúc Nano có khả năng đóng gói chặt chẽ, từ đó tăng tỉ trọng gói, mang lại nhiều lợi ích như tăng tốc độ xử lý dữ liệu và khả năng lưu trữ thông tin Tỉ trọng gói cao cũng dẫn đến những tương tác điện và từ phức tạp giữa các vi cấu trúc lân cận Đối với nhiều vi cấu trúc, đặc biệt là các phân tử hữu cơ lớn, sự khác biệt nhỏ về năng lượng giữa các cấu hình có thể gây ra những thay đổi đáng kể do những tương tác này.
Những vật liệu này có tiềm năng lớn trong việc chế tạo các sản phẩm có tỉ trọng cao và tỉ số diện tích bề mặt trên thể tích cao, đặc biệt là trong lĩnh vực bộ nhớ (memory).
2.2.1.1 Thiết bị Nano Điện thoại di động hiện nay không chỉ đơn thuần dùng để liên lạc Có hàng trăm,hàng ngàn ứng dụng được phát triển phục vụ cho hầu hết các nhu cầu của người sử dụng, từ việc giải trí cho đến việc kiểm tra, giám sát sức khỏe, giám sát an ninh từ xa,
Điện thoại di động ngày càng trở thành biểu tượng cá tính của người dùng, dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử - viễn thông để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao Trong bối cảnh này, thiết bị sử dụng Công nghệ Nano đã ra đời và trở nên hữu ích hơn bao giờ hết Những chiếc điện thoại sử dụng hệ thống 5G lõi Nano được gọi là Thiết bị Nano (NE – NanoEquipment).
Những đặc tính nổi bật của NE:
- Nguồn năng lượng tự nhiên: Nguồn năng lượng có thể là năng lượng mặt trời, nước, không khí,…
- Khả năng cảm biến môi trường: cảm biến được sự thay đổi của môi trường, dự báo thời tiết, đánh giá mức độ ô nhiễm …
- Thiết kế dễ uốn dẻo, linh động, khó bị phá vỡ.
- Trong suốt, có khả năng “nhìn xuyên” qua được.
- Khả năng tự làm sạch bề mặt.
Hình 2.7 Điện thoại Nano “trong suốt”.
Gần đây, Nokia đã hợp tác với Trường Đại học Cambridge để phát triển khái niệm công nghệ mới mang tên Morph.
Hình 2.8 Morph – Khái niệm công nghệ cho tương lai.
Morph, từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là định hình, hình thức, là một khái niệm công nghệ tiên tiến Công nghệ Nano đã được ứng dụng để tạo ra những thiết bị di động trong tương lai với khả năng co giãn linh hoạt Điều này cho phép người dùng dễ dàng chuyển đổi thiết bị di động của họ thành nhiều hình dạng khác nhau.
Cảm biến Nano là thiết bị cung cấp thông tin ở quy mô Nano, có khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như giao thông, thông tin liên lạc, xây dựng, y tế, bảo hiểm và an ninh quốc gia.
Hầu hết các cảm biến này đều dựa trên công nghệ Nano thuần túy, sau đây là một số ứng dụng mà cảm biến Nano có thể làm được:
- Cảm biến Vật lý: phương pháp này cho phép đo đạc được các đặc tính riêng của hầu hết các phân tử sinh học
- Cảm biến hóa học: cảm biến khí gas dựa trên ống Nano …
- Cảm biến sinh học: Cho khả năng xác định DNA bằng việc sử dụng hạt Nano được mã hóa.
Cảm biến Nano, với kích thước siêu nhỏ và khả năng cảm biến chính xác, có thể dễ dàng tích hợp vào bất kỳ hệ thống hay thiết bị nào mà không chiếm nhiều diện tích Đặc biệt, nó có thể được phát triển thành robot Nano, cho phép thăm dò và cung cấp thông tin từ bên trong cơ thể con người.
2.2.1.3 Công nghệ Nano trong mạng lõi Nano
Hệ thống 5G yêu cầu tốc độ dữ liệu cao và lưu lượng đáng tin cậy để xử lý các tác vụ lớn mà vẫn đảm bảo an ninh mạng, trong khi các mạng lõi hiện tại như LTE và WiMAX không đáp ứng được Mạng lõi Nano sử dụng công nghệ Nano có khả năng đáp ứng các yêu cầu này Để xây dựng nền tảng vững chắc cho mạng lõi Nano, cần phát triển hệ thống phần cứng và phần mềm có hiệu suất, tính linh hoạt và khả năng mở rộng Hệ thống Xử lý tín hiệu số DSP có thể đáp ứng yêu cầu này, đảm nhiệm vai trò biến đổi và chuyển mã cho thiết bị, trong khi bộ vi xử lý máy tính hiệu suất cao sẽ thực hiện nhiệm vụ điều khiển và báo hiệu.
Để đáp ứng yêu cầu kết hợp các chức năng với hệ thống mạng có khả năng sẵn sàng dịch vụ cao, Kiến trúc Điện toán Viễn thể được xem là giải pháp tối ưu ATCA hỗ trợ thiết lập hệ thống kết nối và cơ sở hạ tầng riêng biệt, giúp tối ưu hóa hiệu suất cho các card DSP mật độ cao.
Công nghệ Nano hiện đang được áp dụng trong việc chế tạo DSP, đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc thiết kế DSP với khả năng cải thiện tốc độ và hiệu suất hoạt động của toàn bộ hệ thống.
Các lớp mạng
Hệ thống 5G sử dụng mô hình OSI để xây dựng các lớp mạng, nhằm đảm bảo các thiết bị đầu cuối trong mạng kết nối truyền thông có thể giao tiếp hiệu quả với nhau.
Hình 2.14 Các lớp mạng trong hệ thống 5G.
2.3.1 Lớp Kiến trúc không dây mở (OWA – Open Wireless Architecture)
Lớp OWA được xây dụng dựa trên lớp 1 (lớp Vật lý) và lớp 2 (lớp Liên kết dữ liệu) trong mô hình OSI.
Lớp OWA cung cấp giải pháp giúp ứng dụng và hệ điều hành hoạt động độc lập với lớp truyền thông không dây OWA sẽ khai báo các module truyền thông không dây trên giao diện vô tuyến tương ứng với công nghệ truyền dẫn vô tuyến vật lý (RTTs), cho phép các hệ điều hành khách hoạt động trên hệ điều hành máy chủ của thiết bị di động, hỗ trợ chuyển giao giữa các nền tảng hệ điều hành khác nhau.
Với kiến trúc không dây mở, người dùng có thể dễ dàng truy cập vào các hệ thống mạng di động khác nhau mà không cần thay đổi thiết bị đầu cuối.
Lớp mạng được xây dựng trên nền tảng IP, với IPv4 hiện đang là chuẩn giao thức mạng phổ biến toàn cầu cho các thiết bị kết nối Tuy nhiên, IPv4 gặp phải một số hạn chế như giới hạn số lượng địa chỉ và khó khăn trong việc hỗ trợ QoS cho từng luồng dữ liệu Những vấn đề này đã được khắc phục trong giao thức IPv6, mặc dù kích thước phần mào đầu của bản tin sẽ tăng lên đáng kể.
Hệ thống mạng 5G sẽ áp dụng giao thức IPv6 di động MIPv6, cho phép các thiết bị di động duy trì kết nối khi di chuyển giữa các mạng mà không cần thay đổi địa chỉ IP Điều này có nghĩa là người dùng có thể truy cập Internet ở bất kỳ đâu trên thế giới MIPv6 giải quyết hai vấn đề quan trọng: chuyển giao liên tục mà không cần thay đổi địa chỉ IP và cải thiện khả năng nhận dạng gói tin của các địa chỉ IP.
Điện thoại 5G sẽ giữ kết nối mạng đa không dây ảo thông qua việc chia hệ thống mạng 5G thành hai lớp con: lớp mạng thấp dành cho các giao diện và lớp mạng cao phục vụ cho các thiết bị đầu cuối.
Hình 2.15 Lớp mạng (Network Layer).
2.3.3 Lớp Giao thức vận chuyển mở (OTP – Open Transport Protocol)
Lớp Vận chuyển đóng vai trò khác nhau trong mạng di động vô tuyến và mạng hữu tuyến, với việc mất phân đoạn bản tin trong TCP thường do nghẽn mạng, trong khi mạng vô tuyến thường gặp tổn thất do đặc thù của nó Do đó, cải tiến giao thức TCP là cần thiết để khôi phục các phân đoạn TCP bị mất trong truyền dẫn không dây Đối với điện thoại 5G, lớp Vận chuyển không chỉ hỗ trợ truyền tải mà còn cho phép cài đặt dữ liệu, giúp thiết bị tải các phiên bản mới của giao thức Vận chuyển, từ đó cài đặt các công nghệ không dây đặc biệt, được gọi là Giao thức Vận chuyển mở OTP.
2.3.4 Lớp ứng dụng (Application layer)
Lớp ứng dụng trong hệ thống 5G được phát triển từ Lớp ứng dụng và Lớp trình diễn theo mô hình OSI, với yêu cầu chính từ thiết bị di động 5G là giám sát thông minh các tham số chất lượng dịch vụ (QoS) Điện thoại di động 5G sẽ tự động lựa chọn kết nối không dây tối ưu cho từng dịch vụ dựa trên lịch sử QoS, khắc phục hạn chế của các thiết bị trước đó Các tham số QoS như độ trễ, jitter, băng thông, tổn thất và độ tin cậy sẽ được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu của thiết bị Nhờ vào thông tin này và các thuật toán thông minh tích hợp, điện thoại 5G có khả năng chọn kết nối không dây tốt nhất, đảm bảo chất lượng dịch vụ và giảm thiểu chi phí tổn thất.
Kỹ thuật truyền dẫn
Hiện nay, các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông sử dụng sóng có bước sóng centimet (tần số vài trăm MHz) để truyền dẫn do khả năng xuyên thấu tốt và khả năng vượt qua chướng ngại vật Dự báo của Cisco cho thấy, đến năm
Năm 2020, dự báo sẽ có hơn 50 tỷ thiết bị kết nối vào mạng di động, tạo ra thách thức lớn về tài nguyên phổ tần Tuy nhiên, một giải pháp tiềm năng là dải tần rộng trên 3 GHz, thường được gọi là sóng milimet (millimeter wave), với bước sóng trong khoảng milimet, mà trước đây ít được chú ý.
Hình 2.16 Lịch sử quá trình kết nối (Nguồn: Cisco).
Sóng milimet, mặc dù không phải là công nghệ mới, đã được sử dụng trong chuẩn không dây WiGig (Wireless Gigabit Alliance) cho môi trường trong nhà Tuy nhiên, sóng milimet ít được chú ý do những hạn chế như khả năng xuyên thấu kém, tiêu tốn năng lượng, khoảng cách truyền ngắn và dễ bị hấp thụ bởi môi trường xung quanh Những nhược điểm này khiến sóng milimet chỉ phù hợp cho truyền dẫn không dây trong nhà hoặc ở cự ly ngắn.
Vào tháng 8 năm 2011, Theodore S Rappaport, người sáng lập trung tâm nghiên cứu công nghệ không dây tại Đại học New York, cùng các sinh viên đã thực hiện nghiên cứu về sóng milimet trong khu đô thị Nghiên cứu cho thấy sóng milimet phát với công suất thấp bắt đầu mất tín hiệu khi khoảng cách giữa thiết bị thu và phát đạt khoảng 200m, điều này gây khó khăn cho các thế hệ di động đầu tiên khi bán kính Cell thường lên đến hàng km Tuy nhiên, trong thập kỷ qua, các công ty viễn thông đã giảm bán kính Cell để tăng dung lượng dữ liệu Tại các thành phố đông đúc như Seoul, mô hình Cell thu phát nhỏ (Small Cell) đã được triển khai, với tầm bao phủ không quá 100m, giúp giải quyết vấn đề cự ly trong các hệ thống di động tương lai.
Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng thiết bị di động không cần phải ở trong trạng thái LOS để kết nối với trạm thu phát khi sử dụng sóng milimet Tính phản xạ cao của tín hiệu ở tần số này trở thành một lợi thế, vì khi tín hiệu bị phản xạ trong môi trường đô thị như nhà cửa, bảng hiệu và con người, chúng sẽ lan tỏa khắp không gian Điều này làm tăng khả năng nhận tín hiệu tới máy thu, miễn là bộ thu và bộ phát được định hướng đúng cách.
Hình 2.17 So sánh giữa công nghệ milimeter-wave và công nghệ hiện tại.
Tại Anh, đã có 3 băng tần đã được phân bổ cho việc sử dụng sóng Millimetre với mục đích thương mại, cụ thể như sau:
Dải tần số 57 - 66GHz, thuộc băng tần sóng Millimetre 60GHz (hay Băng tần V), được OFCOM quản lý và cấp phép sử dụng Tuy nhiên, do lượng lớn tín hiệu bị hấp thụ khi đi qua khí oxy trong khí quyển cùng với các quy định nghiêm ngặt, băng tần này chỉ phù hợp cho các ứng dụng trong phạm vi ngắn và các giải pháp sóng Millimetre điểm - điểm, điểm - đa điểm Trong khi dải sóng từ 57 - 64GHz đã được quy định và cấp phép, dải 64 - 66GHz không cần cấp phép và có thể tự kết hợp.
- 71 - 76GHz và 81 - 86GHz: Những dải tần 70GHz và 80GHz (hay Băng tần
E), được quản lý bởi OFCOM cho duy nhất hoạt động cấp phép và được xem như là băng tần phù hợp nhất cho mạng vô tuyến sóng Millimetre, kết nối đểm - điểm, điểm - đa điểm và truyền dẫn thông tin Mỗi băng có phạm vi phổ 5GHz sẵn dụng mà tổng số thì nhiều hơn tất cả các băng tần được giao khác cộng với nhau Mỗi dải 5GHz có thể hoạt động như một kênh truyền dẫn vô tuyến lân cận duy nhất cho phép sử dụng rất hiệu quả toàn bộ băng và lần lượt dẫn đến kết quả là tốc độ thông lượng cao tới 1 - 3 Gbps Những tốc độ thông lượng này cao hơn đáng kể so với những tốc độ thông lượng khác trong các tần số thấp hơn Như vậy, những tốc độ thông lượng cao hơn có thể đạt được với các thiết bị sóng millimetre khi cùng sử dụng các kỹ thuật tiên tiến. Nhu cầu hàng đầu của thị trường với các thiết bị này chỉ còn là vấn đề thời gian Ở Mĩ , cùng với 3 dải tần trên còn có dải tần 92 – 95 GHz: Dải tần 94GHz (Băng tần W) được quản lý bởi FCC Part 15 cho cả việc hoạt động không cấp phép, nhưng chỉ để sử dụng trong nhà Dải tần này cũng được dùng cho các ứng dụng kết nối điểm – điểm ngoài trời theo qui định của FCC Part 101, nhưng do dải tần từ 94 - 94.1 GHZ bị loại bỏ nên dải tần 92GHz - 95GHz ít có hiệu quả phổ như các dải tần khác
Sóng milimet đang định hình tương lai của hệ thống truyền thông bằng cách kết hợp với các anten tiên tiến như Massive MIMO Việc này không chỉ giúp mở rộng phạm vi phủ sóng mà còn giảm thiểu suy hao do môi trường, từ đó nâng cao hiệu quả truyền tải thông tin trong hệ thống di động 5G.
Hiện nay, các mạng viễn thông tiên tiến chủ yếu sử dụng phương pháp điều chế QAM, kết hợp giữa điều chế biên độ (ASK) và điều chế pha (PSK) QAM cho phép điều chế biên độ nhiều mức của hai sóng mang được dịch pha 90 độ, giúp tăng hiệu suất phổ tần và giảm khả năng mắc lỗi Phương thức này đáp ứng nhu cầu truyền dẫn các dòng dữ liệu có tốc độ bit cao trong điều kiện băng thông tần có giới hạn.
Gần đây, công ty MagnaCom đã giới thiệu phương thức điều chế mới mang tên Điều chế sóng WAM (WAve Modulation) nhằm đáp ứng nhu cầu tương lai WAM là một kỹ thuật điều chế thuần tín hiệu số, sử dụng công nghệ nén phổ để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ Nhờ vào kỹ thuật nén phổ, WAM có khả năng tăng tốc độ tín hiệu và giảm độ phức tạp của ký tự trong bản tin Bên cạnh đó, WAM áp dụng tín hiệu phi tuyến được xử lý số ở phía thu, giúp giảm chi phí và công suất phát trong thiết kế máy phát.
Theo MagnaCom, WAM dự kiến sẽ có những cải tiến đáng kể so với QAM:
- Độ lợi hệ thống tăng hơn 10dB.
- Khoảng cách truyền tín hiệu tăng gấp 4 lần.
- Giảm ẵ lượng năng lượng tiờu thụ.
- Tăng 50% hiệu năng sử dụng phổ.
- Có khả năng chống nhiễu tốt hơn.
- Tốc độ bit cao hơn.
- Chi phí thấp hơn, thiết kế đơn giản hơn.
- Có khả năng thích ứng với các hệ thống khác.
Với những ưu điểm này, WAM sẽ là ứng cử viên sáng giá cho công nghệ điều chế trong hệ thống thông tin 5G.
Hiện nay, hầu hết các hệ thống mạng sử dụng kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) để ghép kênh OFDM là một phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ tương tác một cách trực giao, cho phép chồng lấn phổ tín hiệu mà vẫn đảm bảo khả năng khôi phục tín hiệu ban đầu ở phía thu Nhờ vào sự chồng lấn này, hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ vượt trội so với các kỹ thuật điều chế truyền thống.
Tuy nhiên, OFDM vẫn tồn tại một số nhược điểm đáng chú ý:
- Tính linh hoạt: Tiền tố lặp CP làm giảm hiệu quả phổ ngăn cản khả năng xử lý linh hoạt của định dạng khung.
- Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng Điều này gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở máy phát và máy thu.
- Khả năng mở rộng: Phạm vi phổ nhỏ, với phổ hẹp chỉ chứa được khoảng 4-6 sóng con với các dạng sóng khác nhau.
- Độ tin cậy: OFDM dễ bị tác động cả trong miền thời gian lẫn tần số do biến đổi Fourier nhanh FFT.
Tốc độ truyền dữ liệu trong hệ thống 5G gặp khó khăn khi hỗ trợ các ký tự ngắn do hiện tượng trải trễ kênh Để khắc phục vấn đề này, một số phương pháp ghép kênh mới đã được đề xuất nhằm cải thiện hiệu suất và khả năng ứng dụng trong mạng 5G.
Đa sóng mang lọc băng tần FBMC (Filter Bank Multi-Carrier) là một công nghệ mới hứa hẹn ứng dụng trong hệ thống 5G Khác với việc lọc toàn bộ băng tần, FBMC cho phép lọc từng sóng mang con riêng lẻ, tạo ra các hình dạng sóng mang linh hoạt hơn và giảm thiểu búp sóng phụ Các bộ lọc sóng mang con của FBMC có khoảng tần số hẹp, yêu cầu độ dài lọc lớn hơn Công nghệ này có thể đạt được tính trực giao thông qua việc thực hiện bù QAM (O-QAM) và mang lại nhiều ưu điểm nổi bật cho hệ thống truyền thông.
Cung cấp phổ hiệu quả, phù hợp với nhiều hệ thống.
Không sử dụng CP (tiền tố lặp) => hiệu suất sử dụng phổ cao hơn.
Hạn chế các búp sóng phụ.
Có khả năng chống nhiễu tốt.
Mặc dù FBMC mang lại nhiều lợi ích, nhưng nó cũng gặp phải một số hạn chế, bao gồm tính toán phức tạp và khung dữ liệu có thể dài hơn đáng kể, dẫn đến khó khăn trong việc đáp ứng yêu cầu độ trễ.
Đa sóng mang lọc toàn bộ UFMC (Universal Filtered Multi-Carrier) kết hợp ưu điểm của CP-OFDM và FBMC, đồng thời khắc phục hạn chế của chúng UFMC chia tín hiệu thành nhiều băng tần nhỏ và lọc từng băng tần con, giúp giảm đáng kể búp sóng phụ và độ dài bộ lọc nguyên mẫu Ngoài ra, UFMC không cần sử dụng tiền tố lặp CP như FBMC.