Tìm hiểu về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4g)

Thông tin di động thế giới đã trải qua ba thế hệ. Thế hệ thứ 3(3G) đã được triển khai vào những năm đầu thế kỉ 21 và ứng dụng rộng rãi phục vụ đời sống của con người. Và hiện tại chúng ta đang trong thời kì phát triển hệ thống thông tin di động 4G. Sự xuất hiện của 4G có thể tạo ra sự bùng nổ trong ngành công nghiệp thông tin di động nói riêng và ngành viễn thông nói chung. Bố cục bài tiểu luận gồm 2 chương: Chương I : Tổng quan về thông tin di động số Chương II : Tìm hiểu về thông tin di động thứ tư (4G)

Thông tin di động thế giới đã trải qua ba thế hệ Thế hệ thứ 3(3G) đã được triểnkhai vào những năm đầu thế kỉ 21 và ứng dụng rộng rãi phục vụ đời sống của conngười Và hiện tại chúng ta đang trong thời kì phát triển hệ thống thông tin di động4G Sự xuất hiện của 4G có thể tạo ra sự bùng nổ trong ngành công nghiệp thông tin diđộng nói riêng và ngành viễn thông nói chung.

Bố cục bài tiểu luận gồm 2 chương:

Chương I : Tổng quan về thông tin di động số

Chương II : Tìm hiểu về thông tin di động thứ tư (4G)

Trong quá trình làm tiểu luận khó tránh khỏi sai sót, rất mong sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và sự góp ý của các bạn

Đà Nẵng, tháng 12 năm 2013

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC BẢNG 5

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ 6

1.1 G IỚI THIỆU 6

1.2 H Ệ THỐNG THÔNG TIN DI DỘNG THẾ HỆ 1 6

1.3 H Ệ THỐNG THÔNG TIN DI DỘNG THẾ HỆ 2 7

1.3.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA 8

1.3.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA 9

1.4 H Ệ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ BA 9

CHƯƠNG II: TÌM HIỂU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ TƯ (4G) 11

2.1 G IỚI THIỆU CHUNG 11

2.2 L Ộ TRÌNH PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LÊN 4G 11

2.3 C ÁC CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG CHO HỆ THỐNG 4G 12

2.4 C ÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG 4G 13

2.5 M Ô HÌNH THAM CHIẾU HỆ THỐNG DI ĐỘNG 4G 14

2.5.1 Miền dịch vụ và ứng dụng 16

2.5.2 Miền nền tảng dịch vụ 16

2.5.3 Miền mạng lõi chuyển mạch gói 17

2.6 D ỊCH VỤ CỦA 4G 18

2.6.1 Dịch vụ cung cấp thông tin y tế 18

2.6.2 Dịch vụ cung cấp nội dung tiên tiến 19

2.6.3 Hệ thống định vị 20

2.6.4 Dịch vu đặt hàng di động 21

2.6.5 Quản lí thực phẩm 22

2.6.6 Dịch vụ bảo hiểm rủi ro 23

2.6.7 Dịch vụ quản lí di động 25

2.7 S Ự KHÁC BIỆT CỦA 3G VÀ 4G 25

2.8 Ứ NG DỤNG 26

KẾT LUẬN 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ITU International Telemcomunication Liên minh Viễn thông quốc tế

Union FDMA Frequency Division Multiple Đa truy cập phân chia theo thời

System

AMPS Advanced Mobile phone System Hệ thống điện thoại di dộng tiên

tiến GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động toàn

VHE Vitual Home Environment Môi trường thông tin nhà ảo

HSPA High Speed Packet Data Truy cập gói tốc độ cao

HSUPA High Speed Up Packet Data Truy cập gói đường lên tốc độ

cao

HSDPA High Speed Down Packet Data Truy cập gói đường xuống tốc

độ caoOFDM Orthogonal Frequency Division Công nghệ ghép kênh phân

Multiplexing chia theo tần số trực giaoVHE Vitual Home Environment Môi trường thông tin nhà ảo

TD-SCDMA Time Division-Synchronous Công nghệ đa truy nhập phân

Code Division Multiple Access chia theo mã đồng bộ- phân chia

theo thời gian

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1.Hệ thống điện thoại di động 6

Hình 2.1 Quá trình phát triển lên 4G 11

Hình 2.2 Các công nghệ sử dụng trong 4G 12

Hình 2.3 Tốc độ truyền số liệu ở các công nghệ viễn thông 13

Hình 2.4 Mô hình tham chiếu của hệ thống 4G 15

Hình 2.5.1 Dịch vụ thông tin y tế 18

Hình 2.5.2 Hệ thống cung cấp nội dung tiên tiến 19

Hình 2.5.3 Hệ thống định vị 20

Hình 2.5.4 Hệ thống đặt hàng di động 21

Hình 2.5.5 Hệ thống quản lí thực phẩm 23

Hình 2.5.6 Hệ thống bảo hiểm rủi ro 24

Hình 2.5.7 Hệ thống quản lí di động 25

DANH MỤC BẢNG Bảng 1 Các thông số cơ bản của 4G 14

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ

1.1 Giới thiệu

Ra đời đầu tiên vào cuối năm 1940, đến nay thông tin di động đã trải qua nhiềuthế hệ.Thế hệ không dây thứ 1 là thế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ đa truycập phân chia phân chia theo tần số (FDMA).Thế hệ thứ 2 sử dụng kỹ thuật số vớicông nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo mã(CDMA).Thế hệ thứ 3 ra đời đánh giá sự nhảy vọt nhanh chóng về cả dung lượng vàứng dụng so với các thế hệ trước đó, và có khả năng cung cấp các dịch vụ đa phươngtiện gói là thế hệ đang được triển khai ở một số quốc gia trên thế giới

Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động trên thế giới được thểhiện sự phát triển của hệ thống điện thoại tổ ong (CMTS : Cellular Mobile TelephoneSystem) và nhắn tin (PS : Paging System) tiến tới một hệ thống chung toàn cầu trongtương lai

Hình 1.1 Hệ thống điện thoại di động

1.2 Hệ thống thông tin di dộng thế hệ 1

Phương pháp đơn giản nhất về truy nhập kênh là đa truy nhập phân chia tần số

Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số

(FDMA) và chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử dụng kỹ thuật điều chế tương

tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người sử dụng Với FDMA , khách hàng được cấpphát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số Sơ đồ báo hiệucủa hệ thống FDMA khá phức tạp, khi MS bật nguồn để hoạt động thì nó dò sóng tìmđến kênh điều khiển dành riêng cho nó Nhờ kênh này, MS nhận được dữ liệu báo hiệugồm các lệnh về kênh tần số dành riêng cho lưu lượng người dùng Trong trường hợpnếu số thuê bao nhiều hơn so với các kênh tần số có thể, thì một số người bị chặn lạikhông được truy cập

Đa truy nhập phân chia theo tần số nghĩa là nhiều khách hàng có thể sử dụngđược dãi tần đã gán cho họ mà không bị trùng nhờ việc chia phổ tần ra thành nhiềuđoạn Phổ tần số quy định cho liên lạc di dộng được chia thành 2N dải tần số kế tiếp,

và được cách nhau bằng một dải tần phòng vệ Mỗi dải tần số được gán cho một kênhliên lạc N dải kế tiếp dành cho liên lạc hướng lên, sau một dải tần phân cách là N dải

kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng xuống

Đặc điểm :

-Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến

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

-BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS

Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di dộng tiên tiến (AdvancedMobile phone System - AMPS)

Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản.Tuy nhiên hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cảdung lượng và tốc độ Vì các khuyết điểm trên mà nguời ta đưa ra hệ thống thông tin

di dộng thế hệ 2 ưu điểm hơn thế hệ 1 về cả dung lượng và các dịch vụ được cungcấp

1.3 Hệ thống thông tin di dộng thế hệ 2

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao cả về số lượng và chất lượng,

hệ thống thông tin di động thế hệ 2 được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn cácthuê bao di động dựa trên công nghệ số

Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng điều chế số Và chúng sửdụng 2 phương pháp đa truy cập :

 Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access TDMA)

- Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access CDMA)

-1.3.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA.

Với phương pháp truy cập TDMA thì nhiều người sử dụng một sóng mang vàtrục thời gian được chia thành nhiều khoảng thời gian nhỏ để dành cho nhiều người sử

dụng sao cho không có sự chồng chéo Phổ quy định cho liên lạc di động được chia

thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này dùng chung cho N kênh liên lạc,mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian trong chu kỳ một khung Các thuê bao khácdùng chung kênh nhờ cài xen thời gian, mỗi thuê bao được cấp phát cho một khe thờigian trong cấu trúc khung

Đặc điểm :

-Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số

-Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong đómột băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di động và mộtbăng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc Việc phânchia tần như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạt động cùng một lúc

mà không sợ can nhiễu nhau

-Giảm số máy thu phát ở BTS

-Giảm nhiễu giao thoa

Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống thông tin di động toàn cầu (GlobalSystem for Mobile Communications - GSM)

Máy điện thoại di động kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn kỹ thuật FDMA Hệthống xử lý số đối với tín hiệu trong MS tương tự có khả năng xử lý không quá 106lệnh trong 01 giây, còn trong MS số TDMA phải có khả năng xử lý hơn 50x106 lệnhtrên giây

1.3.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA.

Với phương pháp đa truy cập CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiềungười sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi màkhông sợ gây nhiễu lẫn nhau Những người sử dụng nói trên được phân biệt với nhaunhờ dùng một mã đặc trưng không trùng với bất kỳ ai Kênh vô tuyến CDMA đượcdùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh này cũng được phân biệt nhờ mãtrải phổ giả ngẫu nhiên (Pseudo Noise - PN)

Đặc điểm của CDMA:

- Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz

- Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp

- Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rấtnhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA, TDMA

- Việc các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn

vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không còn vấn đề, chuyển giao trởthành mềm, điều khiển dung lượng cell rất linh hoạt

1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ ba

Công nghệ thông tin di động số thế hệ ba Công nghệ này liên quan đến những cảitiến đang được thực hiện trong lĩnh vực truyền thông không dây cho điện thoại và dữliệu thông qua bất kỳ chuẩn nào trong những chuẩn hiện nay Đầu tiên là tăng tốc độbit truyền từ 9.5Kbps lên 2Mbps Khi số lượng thiết bị cầm tay được thiết kế để truycập Internet gia tăng, yêu cầu đặt ra là phải có được công nghệ truyền thông không dâynhanh hơn và chất lượng hơn Công nghệ này sẽ nâng cao chất lượng thoại, và dịch vụ

dữ liệu sẽ hỗ trợ việc gửi nội dung video và multimedia đến các thiết bị cầm tay vàđiện thoại di động

Các hệ thống thông tin di động số hiện nay đang ở giai đoạn chuyển từ thế hệ2.5G sang thế hệ 3 (3 - Generation) Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng và các dịch

vụ thông tin di động, ngay từ đầu những năm đầu của thập kỷ 90 người ta đã tiến hànhnghiên cứu hoạch định hệ thống thông tin di động thế hệ ba ITU-R đang tiến hànhcông tác tiêu chuẩn hóa cho hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000 Ở châu ÂuETSI đang tiến hành tiêu chuẩn hóa phiên bản này với tên gọi là UMTS (Universal

Mobile Telecommunnication System) Hệ thống mới này sẽ làm việc ở dải tần 2GHz.

Nó sẽ cung cấp nhiều loại hình dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại và số liệu tốc độcao, video và truyền thanh Tốc độ cực đại của người sử dụng có thể lên đến 2Mbps.Người ta cũng đang tiến hành nghiên cứu các hệ thống vô tuyến thế hệ thứ tư có tốc độlên đến 32Mbps

Hệ thống thông tin di động thế hệ ba được xây dựng trên cơ sở IMT – 2000 vớicác tiêu chí sau :

- Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz với đường lên có dải tần 2025MHz và đường xuống có dải tần 2110-2200MHz

1885 Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến, tíchhợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến, đồng thời tương tác với mọi loại dịch

vụ viễn thông

- Hệ thống thông tin di động 3G sử dụng các môi trường khai thác khác nhau

- Có thể hỗ trợ các dịch vụ như : Môi trường thông tin nhà ảo (VHE – VitualHome Environment) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạchtoàn cầu; Đảm bảo chuyển mạng quốc tế; Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồngthời cho thoại, số liệu chuyển mạch theo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói

- Dể dàng hỗ trợ các dich vụ mới xuất hiện

Các hệ thống thông tin di động thế hệ hai phát triển thông dụng nhất hiện nay là :GSM, cdmaOne (IS-95), TDMA (IS-136), PDC Trong quá trình thiết kế hệ thốngthông tin di động thế hệ ba, các hệ thống thế hệ hai được cơ quan chuẩn hóa của từngvùng xem xét để đưa ra các đề xuất tương ứng thích hợp với mỗi vùng

CHƯƠNG II: TÌM HIỂU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

THẾ HỆ THỨ TƯ (4G)

2.1 Giới thiệu chung

Hiện nay, công nghệ 3G cho phép truy cập internet không dây và các cuộc gọi cóhình ảnh 4G được phát triển trên các thuộc tính kế thừa từ công nghệ 3G

Hệ thống di động thế hệ thứ tư dự kiến sẽ đưa vào sử dụng, khai thác vào khoảngnăm 2012

4G hay 4-G (fourth-generation) là công nghệ truyền thông không dây thứ tư, chophép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 cho đến1,5 Gb/giây Tên gọi 4G do IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)đặt ra để diễn đạt ý nghĩa "3G và hơn nữa"

2.2 Lộ trình phát triển hệ thống thông tin di động lên 4G

Hình 2.1 Quá trình phát triển lên 4G

 HSPA (High Speed Packet Data) - giai đoạn 3G+: gọi chung của hai công nghệtruy nhập HSDPA (truy nhập gói đường xuống tốc độ cao) và HSUPA (truynhập gói đường lên tốc độ cao) HSDPA có thể cung cấp tốc độlên đến10Mbps Nó tăng dung lượng đường xuống bằng cách thay thế điều chế QPSKtrong 3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA Hoạt động trên cơ sở kết hợp

ghép kênh theo thời gian (TDM) với ghép kênh theo mã và sử dụng thích ứngđường truyền Nó cũng đưa ra một kênh điều khiển riêng để đảm bảo tốc độtruyền dẫn số liệu Các kỹ thuật tương tự cũng được áp dụng cho đường lêntrong chuẩn HSUPA

 LTE (Long Term Evolution) hay Super-3G - giai đoạn đầu của 4G: trong giaiđoạn này tốc độ số liệu đạt được 30-100Mbps với băng thông 20MHz

 IMT-Adv (IMT tiên tiến) - giai đoạn phát triển của 4G: Đây là thời kỳ tiếp saucủa LTE Tốc độ số liệu đạt được từ 100 đến 1000 Mbps và băng thông100MHz

2.3 Các công nghệ sử dụng cho hệ thống 4G

Hình 2.2 Các công nghệ sử dụng trong 4G

Hệ thống 4G sẽ từng bước sử dụng các công nghệ mới hiện có như:

- OFDM WLAN (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) mạng LAN không dây, sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

- DVB-T - truyền hình quảng bá số mặt đất

- UWB - công nghệ truyền băng siêu rộng

- TD-SCDMA(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access) - công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã đồng bộ- phân chia theo thời gian

- Smart antennas - ăngten thông minh

- BLAST - công nghệ ghép kênh phân chia theo không gian, nghiên cứu ở phòng thí nghiệm Bella (Mỹ).

- Software radio - Radio phần mềm

- WAP - Giao thức ứng dụng vô tuyến: truy nhập di động vào

internet

- Turbo-code - mã turbo

- Bluetooth - công nghệ Bluetooth

- Satellites - các vệ tinh

- Micro-fuel cells- Pin nhiên liệu nhỏ

- All-IP - Công nghệ toàn IP

- Optical Wireless - công nghệ liên lạc kết hợp sợi quang và vô tuyến

- Ad-hoc - công nghệ truyền số liệu (cho mạng phi thực thể Ad-hoc)

2.4 Các tham số cơ bản của hệ thống 4G

Hệ thống 4G đảm bảo tốc độ truyền số liệu đến 100Mb/s Điểm cơ bản quantrọng nhất của hệ thống 4G là ở chỗ nó đảm bảo “sự chuyển đổi” tự do giữa các chuẩnkhác nhau, giữa các mạng máy tính, giữa các mạng thông tin, giữa các hệ thống vệtinh, giữa các người sử dụng hình ảnh - âm thanh, … sử dụng các công nghệ mới vàcác thuật ngữ mới

Hình 2.3 Tốc độ truyền số liệu ở các công nghệ viễn thông

Trong đó:

- Broadband RLANs - Mạng LAN vô tuyến băng rộng

- Bluetooth - Công nghệ không dây mới cho mạng nội bộ ở dải tần 2,4 GHz

- Infrared (IrDA) - chuẩn IRDA cho truyền số liệu bằng hồng ngoại

- Future Very High-Speed RLANs - mạng LAN vô tuyến tốc độ truyền rất cao trong tương lai

Hệ thống 4G với các đặc điểm then chốt như:

- Tập hợp đủ các hệ thống và thiết bị đa dạng khác nhau

- Có nhiều ưu thế liên lạc máy - máy

- Đưa ra các dịch vụ đa dạng

- Đa dạng các giao thức di động, băng tần và chất lượng dịch vụ QoS

- Tính bảo mật và an toàn

- Các giao diện vô tuyến và mạng động hơn

- Sử dụng phổ hiệu quả và có ích hơn

Bảng 1 Các thông số cơ bản của 4G

2.5 Mô hình tham chiếu hệ thống di động 4G

Hệ thống di động 4G gồm có 4 miền sau: dịch vụ và ứng dụng, nền tảng dịch vụ, mạng lõi chuyển mạch gói, và truy cập vô tuyến mới

Hệ thống di động 4G có 3 đặc trưng sau: