Đồ Án Mạng Thông Tin Di Động 4G: Tổng Quan, Cấu Trúc & Quy Hoạch

Đồ án mạng 4G: Tổng quan về công nghệ mạng 4G và quy hoạch chi tiết triển khai. Tìm hiểu kiến trúc, giao thức và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất mạng 4G.

• Tác giả: Nguyễn Quốc Thắng
• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Thị Diệu Linh
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện Tử Viễn Thông
• Đề tài: Tìm hiểu mạng thông tin di động 4G
• Loại tài liệu: Đề tài thực tập tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
• 1.1. Giới thiệu tổng quan
• 1.2. Khái quát lịch sử phát triển
• 1.3. Cấu trúc chung của hệ thống
• 1.4. Cấu trúc tế bào
• 1.5. Phân lớp và giao thức trong mạng di động
• 1.5.1. Phân lớp trong mạng di động

Tóm tắt

I. Đồ Án Mạng 4G Tổng Quan Ưu Điểm Triển Vọng Tương Lai

Ngành công nghệ viễn thông đã chứng kiến sự phát triển vượt bậc trong những năm gần đây. Khi công nghệ mạng thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) chưa kịp khẳng định vị thế trên toàn cầu, các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã bắt đầu nghiên cứu và phát triển, thử nghiệm một số chuẩn di động thế hệ mới, có tiềm năng trở thành chuẩn cho mạng di động 4G (Fourth Generation) từ nhiều năm trước. Mạng 4G hứa hẹn mang đến khả năng truy cập mọi dịch vụ mọi lúc mọi nơi: xem phim chất lượng cao HDTV, video call, chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu, v.v... với tốc độ “siêu tốc”. Tuy nhiên, công nghệ 4G hiện nay vẫn còn nhiều hạn chế. Chính vì tiềm năng to lớn của mạng 4G, việc nghiên cứu về nó trở nên vô cùng quan trọng. Đề tài này sẽ đi sâu vào tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin di động, cấu trúc và quy hoạch mạng 4G, mang đến cái nhìn tổng quát nhất về một mạng di động và những bước đột phá công nghệ, tiện ích mà mạng 4G mang lại cho cuộc sống trong tương lai. Như đã nêu trong tài liệu gốc, "Trong tương lai không xa,chúng ta có thể truy cập tất cả các dịch vụ mọi lúc mọi nơi trong khi vẫn có thể di chuyển: xem phim chất lượng cao HDTV, video call,chơi game , nghe nhạc trực tuyến,tải cơ sở dữ liệu v.v… với một tốc độ siêu tốc".

Thông tin di động ngày càng phổ biến và đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Do đó, việc tìm hiểu kỹ thuật công nghệ của chuyên ngành thông tin di động là yêu cầu tất yếu của sinh viên chuyên ngành thông tin liên lạc. Hệ thống thông tin di động là một hệ thống viễn thông phức tạp và có nhiều ứng dụng rộng rãi, từ điện thoại di động đến truyền số liệu di động. Hiện nay, trên thế giới và tại Việt Nam tồn tại hai hệ thống thông tin di động chính: mạng điện thoại di động tổ ong GSM (Global System for Mobile Communication) và mạng di động sử dụng công nghệ CDMA (Code Division Multiple Access). Mỗi hệ thống có những đặc tính riêng, ưu nhược điểm đặc trưng mà hệ thống còn lại không (hoặc chưa) thay thế được.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Mạng 4G Từ Maxwell Đến LTE Advanced

Cột mốc đánh dấu sự ra đời và phát triển của thông tin di động bắt đầu từ lý thuyết về sóng điện từ của James Clerk Maxwell vào năm 1861. Tuy nhiên, để áp dụng lý thuyết này vào thực tế là một chặng đường dài. Đến những thập niên đầu thế kỷ XIX, các dạng thông tin di động đầu tiên được phát triển cho quân sự và các dịch vụ an toàn công cộng, đặc biệt trong Thế chiến thứ 2. Sau chiến tranh, thông tin di động bắt đầu phát triển cho mục đích thương mại, với hệ thống điện thoại di động MTS (Mobile Telephone System) đầu tiên được xây dựng ở Mỹ vào năm 1946. Sau đó là IMTS (Improved Mobile Telephone System) vào năm 1969. Vào cuối thập kỷ 70, phòng thí nghiệm Bell LaBTS đã phát triển thành công hệ thống AMPS và đưa ra thương mại hóa bởi hãng AT&T vào năm 1983.

Tiếp theo là sự ra đời của NMT450 ở Châu Âu vào năm 1981 và TACS (Total Access Communication System) ở Anh, sau này được phát triển ở nhiều nước khác. Cùng với sự phát triển của công nghệ số hóa, các mạng tương tự dần được thay thế bằng các mạng số hóa, mà thành công nhất là hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM (Global System Mobile). Sự chuyển đổi này đánh dấu sự chuyển đổi thế hệ mạng di động, từ thế hệ thứ nhất (1G) với mạng công nghệ tương tự sang thế hệ thứ 2 (2G) với mạng GSM. Các khái niệm 2.5G và 3G sau này là các thế hệ mạng thông tin mới, được nâng cấp kỹ thuật để đáp ứng nhu cầu trao đổi tin ngày càng cao. Hiện nay, xu hướng phát triển là OFDM để triển khai cho mạng thông tin di động tương lai, hay còn gọi là 4G.

1.2. Cấu Trúc Chung Của Hệ Thống 4G Các Thành Phần Chức Năng

Một hệ thống thông tin di động cơ bản bao gồm các thành phần chính sau: Trạm di động (MS), Modun xác nhận thuê bao (SIM), Trạm thu phát gốc (BTS), Bộ điều khiển trạm gốc (BSC), Khối chuyển mã và thích ứng tốc độ (TRAU), Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động (MSC), Thanh ghi thường trú (HLR), Thanh ghi tạm trú (VLR). Trong đó, trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC (Mobile Service Switching Centre) là quan trọng nhất, có vai trò chuyển mạch giữa thuê bao người dùng với mạng viễn thông tổng thể. Các hệ thống con trong trong thông tin di động bao gồm: BSS (Base Station Subsystem), NSS (Netwok and Switching Subsystem) và OSS (Operation and Support System). Trong đó OSS có chức năng khai thác bảo dưỡng hệ thống mạng thông tin, quản lý và tính cước thuê bao trong mạng, quản lý thiết bị di động. NSS với chức năng chính là chuyển mạch từ mạng thông tin ra mạng viễn thông bên ngoài, ứng dụng cho các cuộc gọi liên mạng.

1.3. Nguyên Lý Chia Cell và Tái Sử Dụng Tần Số trong Mạng 4G

Sở hữu một dãi tần vô tuyến giới hạn, các mạng di động sẽ chỉ có thể cung cấp một số lượng rất nhỏ các kênh vô tuyến cho truyền dẫn thông tin và từ đó số người dùng hạn chế. Ví dụ, với hệ thống GSM sử dụng dãi tần 900MHz có dãi thông 25MHz sẽ có số lượng tối đa là 125 kênh tần số, dãi thông số mang 200kHz; nếu sử dụng ghép kênh thời gian với 8 khe thì cũng chỉ có 1000 kênh. Do vậy, việc phân chia khu vực phục vụ với các dải tần khác nhau có thể lập lại ở những khoảng cách xa đã được áp dụng cho các mạng thông tin di động; mỗi khu vực phục vụ được gọi là một tế bào (cell). Nguyên lý chia cell và tái sử dụng tần số có thể mô tả như ở (H­1. : Mô hình mạng tế bào tái sử dụng tần số. Khi một trạm di động chuyển từ một tế bào này đến tế bào khác khi đang đàm thoại thì sẽ tự động có sự thông đổi kênh/tần số, gọi là handover

II. Phân Lớp Giao Thức Mạng 4G Mô Hình OSI Giao Thức GSM

Mạng di động cũng là một mạng thông tin nên tuân theo phân lớp chức năng theo mô hình 7 lớp OSI (Open System Interconnection), với các chức năng của từng lớp vẫn tuân thủ nguyên tắc chung và đồng thời có những đặc điểm riêng của thông tin di động. Việc sử dụng mô hình 7 lớp cho mạng thông tin là do: Sử dụng vi xử lý trong viễn thông sẽ cho phép mở rộng các dịch vụ mới nhưng làm gia tăng yêu cầu thông tin tại máy tính và tổng đài. Người dùng không quan tâm đến các kết nối vật lý thực tế của mạng, mà chỉ quan tâm đến quá trình trao đổi thông tin đơn giản và an toàn bảo đảm đến đích. Máy tính là một bộ phận có cấu trúc, nên có những khác biệt giữa các máy khác nhau nên cần phải có sự tương đồng trong hệ thống. Hệ thống ngày nay càng yêu cầu nhiều dịch vụ khác nhau, nên phải có sự mềm dẻo trong việc đáp ứng yêu cầu phát triển gia tăng trong hệ thống. Giao thức tại ba lớp cuối không nhất thiết phải giống nhau tại mọi liên kết trong mạng. Ví dụ trong mạng thông tin GSM, ở lớp 2 liên kết giữa BTS và BSC sử dụng là LAPD, trong khi liên kết giữa BSC và MSC lại sử dụng giao thức SS7.

2.1. Mô Hình OSI Trong Mạng 4G Nguyên Tắc Hoạt Động Chức Năng

Các lớp trong mô hình OSI làm việc độc lập với nhau, lớp trên nhận dịch vụ của lớp dưới và cung cấp dịch vụ cho lớp ngay ở trên nó. Lớp thấp hơn sẽ không quan tâm đến nội dung thông tin mà chỉ cung cấp dịch vụ truyền dẫn cho lớp trên mà thôi. Mỗi lớp trong mô hình chỉ thông tin với lớp kề sát nó và tương thích ngang hành gián tiếp với lớp đó ở đầu cuối bắt tay. Trong mạng thông tin, trong quá trình truyền dẫn qua nhiều nút mạng, mạng thông tin chỉ mở đóng gói tương ứng với chức năng của ba lớp thấp nhất (lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu và lớp mạng). Thông tin qua các lớp sẽ được tách gộp đóng gói tạo thành giao thức tương ứng cho mỗi lớp trong mạng cụ thể, từ lớp cao nhất xuống đến lớp thấp nhất thông tin sẽ được đóng gói và bổ sung tiêu đề qua mỗi lớp trong khi ở đầu nhận sẽ thực hiện theo chiều ngược lại.

2.2. Giao Thức GSM Trong Mạng 4G Đặc Điểm Ứng Dụng

Do đặc tính của mạng thông tin di động sử dụng môi trường truyền dẫn đa dạng và các liên kết bên trong mạng rất phức tạp nên giao thức được sử dụng cũng rất đa dạng cho từng đặc điểm liên kết. Về mặt giao thức thông tin di động sử dụng các giao thức cho mạng GSM như sau: giao thức không gian (Air interface) cho liên kết giữa MS và BTS; giao thức Abis cho kết nối giữa BTS và MSC; giao thức A ứng dụng trong liên kết giữa MSC và BSC. Giao thức không gian xác định cách thức MS và BTS giao tiếp với nhau qua sóng vô tuyến. Giao thức Abis quy định giao diện giữa BTS và BSC, cho phép BSC điều khiển và quản lý BTS. Giao thức A định nghĩa giao diện giữa BSC và MSC, cho phép MSC điều khiển các BSC.

III. Cấu Trúc Mạng 4G Mục Tiêu Kỹ Thuật Sự Khác Biệt 3G

4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMT Advanced) được định nghĩa bởi ITU­R. Tốc độ dữ liệu đề ra là 100Mbps cho thuê bao di chuyển cao và 1Gbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linh động lên đến 40MHz. Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụ như điện thoại IP, truy cập internet băng rộng, các dịch vụ game và dòng HDTV đa phương tiện… 3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên của LTE chưa đủ các tính năng theo yêu cầu của IMT Advanced. LTE có tốc độ lý thuyết lên đến 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên đối với băng thông 20MHz. LTE Advanced là ứng viên cho chuẩn IMT­Advanced, mục tiêu của nó là hướng đến đáp ứng được yêu cầu của ITU. LTE Advanced có khả năng tương thích với thiết bị và chia sẻ băng tần với LTE phiên bản đầu tiên.

Các hãng sản xuất thiết bị viễn thông hàng đầu thế giới và các nhà mạng lớn đã thực hiện các cuộc thử nghiệm quan trọng trên công nghệ LTE và đã đạt những thành công đáng kể. WiMAX (IEEE 802. 16e­2005) là chuẩn truy cập di động không dây băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G. UMB (Ultra Mobile Broadband) được các tổ chức viễn thông của Nhật Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hãng phát triển từ nền tảng CDMA.

3.1. Mục Tiêu Cách Tiếp Cận Mạng 4G QoS Tốc Độ Phát Triển

4G cung cấp QoS và tốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G đang tồn tại, không chỉ là truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS), chat video, TV di động mà còn các dịch vụ HDTV, các dịch vụ tối thiểu như thoại, dữ liệu và các dịch vụ khác. Nó cho phép chuyển giao giữa các mạng vô tuyến trong khu vực cục bộ và có thể kết nối với hệ thống quảng bá video số. Các mục tiêu mà 4G hướng đến bao gồm: Băng thông linh hoạt, tốc độ cao, tốc độ dữ liệu ít nhất 100 Mbps, hiệu suất phổ đường truyền cao, chuyển giao liền (Smooth handoff) qua các mạng hỗn hợp, kết nối liền và chuyển giao toàn cầu qua đa mạng, chất lượng cao cho các dịch vụ đa phương tiện, tương thích với các chuẩn không dây đang tồn tại, và tất cả là IP, mạng chuyển mạch gói không còn chuyển mạch kênh nữa. Các điểm cần xét đến bao gồm: Vùng bao phủ, môi trường vô tuyến, phổ, dịch vụ, mô hình thương mại và số người sử dụng.

3.2. Các Kỹ Thuật Sử Dụng Trong Mạng 4G MIMO OFDM Turbo

Các kỹ thuật được sử dụng trong mạng 4G bao gồm: Không sử dụng CDMA, MIMO: để đạt được hiệu suất phổ tần cao bằng cách sử dụng phân tập theo không gian, đa anten đa người dùng. Sử dụng lượng tử hóa trong miền tần số, chẳng hạn như OFDM hoặc SCFDE (single carrier frequency domain equalization) ở đường xuống: để tận dụng thuộc tính chọn lọc tần số của kênh mà không phải lượng tử phức tạp. Ghép kênh trong miền tần số chẳng hạn như OFDMA hoặc SC ­ FDMA ở đường xuống: tốc độ bit thay đổi bằng việc gán cho người dùng các kênh con khác nhau dựa trên điều kiện kênh. Mã hóa sửa lỗi Turbo: để tối thiểu yêu cầu về tỷ số SNR ở bên thu. Lập biểu kênh độc lập: để sử dụng các kênh thay đổi theo thời gian. Thích nghi đường truyền: điều chế thích nghi và các mã sửa lỗi.

3.3. Sự Khác Nhau Giữa 3G Và 4G Tốc Độ Băng Tần Ưu Điểm

Hiện nay, công nghệ 3G cho phép truy cập Internet không dây và các cuộc gọi có hình ảnh. 4G được phát triển trên các thuộc tính kế thừa từ công nghệ 3G. Về mặt lý thuyết, mạng không dây sử dụng công nghệ 4G sẽ có tốc độ nhanh hơn mạng 3G từ 4 đến 10 lần. Tốc độ tối đa của 3G là tốc độ tải xuống 14Mbps và 5.8Mbps tải lên. Với công nghệ 4G, tốc độ có thể đạt tới 100Mbps đối với người dùng di động và 1Gbps đối với người dùng cố định. 3G sử dụng ở các dải tần quy định quốc tế cho UL và DL, với tốc độ từ 144kbps­2Mbps, độ rộng BW: 5 MHz. Đối với 4G LTE thì Hoạt động ở băng tần với mục tiêu tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp, công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu. Tốc độ DL và UL với 2 aten thu một anten phát. Độ trễ nhỏ hơn 5ms với độ rộng BW linh hoạt là ưu điểm của LTE so với WCDMA. Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần số người dùng/cell so với WCDMA.

IV. Kỹ Thuật Truyền Dẫn Mạng 4G Đa Truy Cập Điều Chế

Để đạt được tốc độ truyền dẫn sấp xỉ 100Mbps ở môi trường ngoài trời và 2Gbps ở môi trường trong nhà, và để mạng truy cập vô tuyến tương thích với hệ thống mạng có kiến trúc phân cấp dựa trên nền IP, các công nghệ truyền dẫn đã được nghiên cứu và phát triển. Các kỹ thuật bao gồm ghép kênh phân chia theo mã và tần số trực giao có hệ số trải phổ thay đổi: VSF­OFCDM (Variable Spreading Factor – Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing), Đa truy cập phân chia theo mã đa sóng mang có lựa chọn sóng mang con: SCS­ MC­CDMA (Subcarrier Selecting Multi Carrier Code Division Multi Access), Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao: OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multi Access), Đa truy cập phân chia theo tần số đan xen: IFDMA (Interleaved Frequency Division Multi Access).

4.1. Kỹ thuật VSF OFCDM trong mạng 4G

VSF­OFCDM là một hệ thống truy cập vô tuyến có thể cung cấp thông lượng lớn tốc độ cao trong nhiều môi trường và điều kiện lan truyền khác nhau qua một vùng phủ rộng. Để triển khai được truyền dẫn dung lượng lớn, hệ thống này đã sử dụng hệ số trải phổ hai chiều thay đổi thích hợp trong miền thời gian và tần số tùy thuộc vào cấu hình ô, điều kiện lan truyền, tải trên kênh. Công nghệ này vượt trội hơn công nghệ OFCDM dựa theo tốc độ ký hiệu thấp MC­CDMA sử dụng nhiều sóng mang con trong cùng giao diện vô tuyến. Ưu thế của VSF­OFCDM là khả năng đạt được hiệu quả sử dụng phổ tần cao, truyền dẫn dung lượng lớn, tốc độ cao nhờ việc kế thừa hệ số trải phổ tối ưu tùy thuộc điều kiện lan truyền cụ thể trong cả môi trường nhiều ô (tế bào) và môi trường tế bào độc lập, sử dụng cùng giao diện vô tuyến. Đặc tính truyền dẫn của VSF­ OFCDM đã được thử nghiệm cả ở môi trường trong nhà và ngoài trời. Báo cáo thử nghiệm cho kết quả 100Mbps ở môi trường ngoại ô, khoảng cách giữa trạm gốc và trạm di động là 80m­100m, tần số sóng mang 4,635 GHz, băng thông 101,5 MHz, số sóng mang con 768, hệ số trải phổ thời gian 16, tốc độ di chuyển của thiết bị di động 30km/h, điều chế 16QAM.

4.2. Kỹ thuật SCS MC CDMA trong mạng 4G

SCS­MC­CDMA là một lược đồ truy cập vô tuyến dựa trên công nghệ MC­ CDMA, là phương pháp truyền dẫn ký hiệu trải phổ sử dụng nhiều sóng mạng con trực giao trong miền tần số. Lợi dụng đặc tính của MC­CDMA là sử dụng nhiều sóng mang con, SCS­MC­CDMA gán nhiều sóng mang con cho mỗi ng­ời sử dụng tùy theo tốc độ dữ liệu của người dùng đó. Bộ thu không yêu cầu bộ xử lý tín hiệu tốc độ cao để điều chế tất cả sóng mang con, nhưng truyền thông vẫn được thực thi bằng khả năng xử lý tín hiệu dựa vào số sóng mang con được lựa chọn nhờ bộ lọc lựa chọn sóng mang con. SCS­MC­ CDMA có thể thay đổi tốc độ dữ liệu tối đa gán cho một người sử dụng tùy theo khoảng cách giữa trạm gốc và thiết bị di động bằng việc điều chỉnh số sóng mang con và công suất phát cho mỗi sóng mang con.

V. Quy Hoạch Chi Tiết Mạng 4G Lưu Lượng Vùng Phủ Tối Ưu

Quy hoạch mạng 4G cũng giống như quy hoạch mạng 3G. Ở hệ thống di động 4G, đường lên và đường xuống là bất đối xứng. Do vậy, một trong hai đường sẽ thiết lập giới hạn về dung lượng hoặc vùng phủ sóng. Việc tính toán quỹ đường truyền và phân tích nhiễu không phụ thuộc vào loại công nghệ sử dụng. Mục đích của pha định cỡ là để ước lượng số lượng các trạm cần sử dụng, cấu hình trạm và số lượng các phần tử mạng để dự báo giá thành đầu tư cho mạng. Quá trình quy hoạch mạng LTE bao gồm ba bước: định cỡ hay còn gọi là khởi tạo, quy hoạch chi tiết, vận hành và tối ưu hóa mạng.

5.1. Dự Báo Lưu Lượng Mạng 4G Số Thuê Bao Dịch Vụ Tiềm Năng

Việc quy hoạch mạng phải dựa trên nhu cầu về lưu lượng. Do đó dự báo lưu lượng là bước đầu tiên cần thực hiện trong quá trình quy hoạch mạng. Đối với thị trường cần phục vụ, cần phải đánh giá tổng số thuê bao. Lý tưởng có thể chia việc đánh giá cho từng tháng để có thể thấy được xu thế phát triển thuê bao. Cần dự báo cho từng loại dịch vụ, chẳng hạn như nhà khai thác có thể chọn tổ hợp các dịch vụ chỉ tiếng, tiếng và số liệu hoặc chỉ số liệu. Dự báo cần được thực hiện cho từng kiểu người sử dụng. Dự báo sử dụng dịch vụ tiếng bao gồm việc đánh giá khối lượng lưu lượng tiếng do người sử dụng dịch vụ tiếng trung bình tạo ra. Ta cần có số liệu về số cuộc gọi trên một thuê bao trung bình ở giờ cao điểm và thời gian giữ trung bình trên cuộc gọi. Ta cần phân loại những người sử dụng dịch vụ số liệu và dự báo cho từng kiểu người sử dụng cũng như khối lượng thông lượng số liệu. Việc dự phòng tương lai cũng cần thiết để đưa ra các kế hoạch định giá mới cho phép thay đổi đáng kể số thuê bao hay hình mẫu sử dụng.

5.2. Phân Tích Vùng Phủ Mạng 4G Khu Vực Ưu Tiên Mật Độ Dân Cư

Để quy hoạch mạng vô tuyến cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư, bước tiếp theo ta cần khảo sát các chi tiết: nơi nào cần phủ sóng và các kiểu phủ sóng cần cung cấp cho các vùng này. Thông thường ta sẽ ưu tiên phủ sóng trước tiên ở các khu vực quan trọng như: các vùng thương mại, các vùng có mật độ dân cư đông đúc, các đường cao tốc chính. dựa trên bản đồ mật độ dân cư. Bản đồ dân cư cho phép ta dự đoán được lưu lượng người sử dụng, điều kiện môi trường truyền sóng, các ảnh hưởng của nó lên mô hình truyền sóng để có thể đưa ra lựa chọn cho các hệ số hiệu chỉnh môi trường và thâm nhập toà nhà.

5.3. Quy Hoạch Chi Tiết eNodeB Quỹ Đường Truyền Mô Hình Sóng

Theo điều kiện tối ưu 1: bán kính cell được xác định dựa trên quỹ đường truyền và mô hình truyền sóng thích hợp, kết hợp với diện tích cần phủ sóng ta tính được số eNodeB được lắp đặt. Theo điều kiện tối ưu 2: dựa trên quy hoạch vùng phủ ta cũng xác định được số eNodeB. Số eNodeB cuối cùng cần thiết lắp đặt cho một vùng cần phủ sóng là số eNodeB lớn hơn. Tính toán quỹ đường truyền ước lượng suy hao tín hiệu cho phép cực đại (pathloss) giữa di động và trạm gốc. Tổn hao lớn nhất cho phép cho ta ước lượng vùng phủ của cell lớn nhất với mô hình kênh truyền phù hợp. Với vùng bao phủ của cell sẽ cho ta tính toán được số trạm gốc được sử dụng để bao phủ vùng địa lý mong muốn.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Đồ Án Mạng 4G Trong Tương Lai

Đồ án mạng 4G là một lĩnh vực nghiên cứu rộng lớn và đầy tiềm năng. Việc tìm hiểu về hệ thống thông tin di động 4G, cấu trúc và quy hoạch mạng 4G là vô cùng quan trọng để có cái nhìn tổng quát nhất về một mạng di động và những bước đột phá công nghệ, tiện ích mà mạng 4G mang lại cho cuộc sống trong tương lai. Các kỹ thuật truyền dẫn tiên tiến như VSF-OFCDM, SCS-MC-CDMA, OFDMA, kết hợp với quy hoạch vùng phủ và dự báo lưu lượng chính xác, sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và trải nghiệm người dùng. Trong tương lai, mạng 4G sẽ tiếp tục phát triển và đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống số của chúng ta. Đồng thời mạng 5G cũng đang dần thay thế và phát triển nên cần nghiên cứu cả mạng 5G

6.1. Tóm Tắt Các Điểm Chính Về Mạng 4G Trong Đồ Án

Đồ án đã trình bày tổng quan về hệ thống thông tin di động, cấu trúc và quy hoạch mạng 4G. Đồ án cũng đã đi sâu vào các kỹ thuật truyền dẫn tiên tiến được sử dụng trong mạng 4G, các yếu tố ảnh hưởng đến quy hoạch mạng, và các bước cần thiết để quy hoạch một mạng 4G hiệu quả. Bên cạnh đó, các nguyên lý hoạt động, cấu trúc và giao thức đã giúp hiểu thêm các thành phần quan trọng và hoạt động của mạng 4G.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Tiếp Theo Cho Mạng 4G

Các hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo cho mạng 4G có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các kỹ thuật truyền dẫn, nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần, giảm độ trễ, tăng cường bảo mật, và phát triển các dịch vụ mới dựa trên nền tảng mạng 4G. Nghiên cứu các kỹ thuật mới để giảm nhiễu và cải thiện vùng phủ sóng, đặc biệt là trong các khu vực đô thị đông đúc. Các mạng 5G hiện đang dần thay thế mạng 4G, nên cần theo dõi và cập nhật các thông tin về cả hai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1:TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Như chúng ta đều đã nhận thấy thì khi cuộc sống càng phát triển chúng ta càng rất cần thông tin đồng thời thì thông tin cũng làm chất xúc tác cho cuộc sống hiện nay phát triển ngày càng cao hơn. Trong rất nhiều lĩnh vực thông tin thì thông tin di động đã và đang là vấn đề phát triển nhanh nhất, càng ngày thông tin di động càng được phổ biến rộng rãi và sâu rộng. Từ những nhận thức đó thì việc tìm hiểu kỹ thuật công nghệ của chuyên ngành thông tin di động là một yêu cầu tất yếu của các sinh viên chuyên ngành thông tin liên lạc hiện này và sau này. Hệ thống thông tin di động là một hệ thống viễn thông khá phức tạp và có nhiều ứng dụng rộng rãi, từ điện thoại di động đến hiện nay là truyền số liệu di động cũng đã được triển khai rộng khắp.

Giới thiệu tổng quan Hiện nay trên thế giới nói chung và trong đó có Việt Nam chúng ta đã đang và sẽ tồn tại hai hệ thống thông tin di động đó là mạng điện thoại di động tổ ong GSM (Global System for Mobile Communication) và mạng di động sử dụng công nghệ CDMA (Code Division Multipe Acess). Mỗi hệ thống có những đặc tính riêng, có ưu nhược điểm đặc trưng mà hệ thống còn lại không (hoặc chưa) thay thế được. Trong chương này chúng ta sẽ đề cập đến cả hai hệ thống nói trên theo từng đặc tính chung và riêng của chúng. Khái quát lịch sử phát triển Cột mốc đánh dấu sự ra đời và phát triển của thông tin di động hiện nay phải được xét đến kể từ khi James Clerk Maxwell đưa ra lý thuyết về sóng điện từ vào năm 1861, đây là nền tảng lý thuyết quan trọng nhất của các kỹ thuật thông tin không dây nói chung và trong đó có cả thông tin di động của chúng ta.

Tuy nhiên để áp dụng được lý thuyết đó vào thực tế là cả một chặng đường lâu dài. Cho đến những thập niên đầu thế kỹ XIX, các dạng thông tin di động đầu tiên được phát triển để phục vụ cho quân sự và các dịch vụ an toàn công cộng nhất là trong thế chiến thứ 2. Nguyễn Quốc Thắng Trang 7 Tìm hiểu mạng thông tin di động 4G Sau thế chiến thứ hai, thông tin di động bắt đầu được phát triển cho mục đích thương mại, đầu tiên được xây dựng ở Mỹ hệ thống điện thoại di động MTS (Mobile Telephone System) vào năm 1946; nhưng trên mạng đó chỉ cho phép truyền đơn công và sử dụng chuyển mạch nhân công. Mãi đến 1969 hệ thống điện thoại di động song công sử dụng chuyển mạch tự động mới được phát triển thành công là IMTS (Improved Mobile Telephone System).

Mạng điện thoại này sử dụng dãi tần 450MHz và đã được chuẩn hóa tại Mỹ nhưng lại không thể đáp ứng nhu cầu phát triển. Vào cuối thập kỷ 70, phòng thí nghiệm Bell LaBTS đã phát triển thành công hệ thống AMPS và đưa ra thương mại hóa bởi hãng AT&T vào năm 1983; hệ thống này sử dụng dãi tần trên 800MHz với hướng lên trong khoảng 824­846MHz và hướng xuống là 869­894MHz. Trong AMPS sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự FM với khoảng dịch tần cực đại 12KHz cho kênh thoại và khoảng cách tần số là 30KHz; phân bố tần số trong mạng tuân theo nguyên lý chia ô. AMPS chia sẽ cho hai nhà cung cấp với 832 kênh.

Các kênh được chia đều cho các nhà cung cấp dịch vụ, và khu vực địa lý, với 42 kênh mang thông tin của mạng (kênh báo hiệu chung). Song song với AMPS của Mỹ thì Châu Âu cũng đã thực hiện được hệ thống di động cho mình vào 01/10/1981 bằng chuẩn NMT450 là một mạng di động tế bào chủ yếu phục vụ cho khu vực Bắc Âu. NMT450 sử dụng dãi tần trên 450MHz với kỹ thuật FDMA/FM với khoảng dịch tần cực đại là 5KHz và khoảng cách tần giữa hai kênh là25KHz và sử dụng kỹ thuật điều chế khóa dịch tần FSK. Sau đó hệ thống này đượcnâng cấp để sử dụng khoảng tần 900MHz và trở thành NMT900 vào năm 1986 và đây là cơ sở cho việc phát triển mạng di động số thế hệ thứ 2 được phổ biến rộng rãi với tên gọi GSM (Global System Mobile).

Dựa vào AMPS, tại Anh đưa ra chuẩn TACS (Total Access Communication System), hệ thống truyền thông truy cập toàn thể, với sự thay đổi dãi tần của các kênh vô tuyến. Hệ thống TACS sau này được phát triển ở nhiều nước như ở Nhật là J­TACS, hãy chuẩn mở rộng là N­TACS. TACS có dãi tần kênh 25kHz ở dãi tần 890­915MHz cho đường lên và 935­960MHz cho đường Nguyễn Quốc Thắng Trang 8 Tìm hiểu mạng thông tin di động 4G xuống với khoảng cách kênh 45MHz; ban đầu được cấp dãi 25MHz, dự trữ 10MHz cho hệ thống pan_TACS ở Anh và 16MHz cho chuẩn mở rộng N­TACS. Trong hệ thống TACS sử dụng kênh điều khiển và báo hiệu ở tốc độ 8kbps.

Cùng với sự phát triển của công nghệ số hóa trong điện tử và viễn thông liên lạc thì việc chuyển đổi trong thông tin di động cũng có sự chuyển biến công nghệ, các mạng tương tự như trên đã dần được thay thế bằng các mạng số hóa mà thành công nhất là hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM (Global System Mobile). Sự chuyển đổi từ mạng tương tự qua mạng số thường được biết đến như sự chuyển đổi thế hệ mạng di động, mà ở đó mạng thông tin công nghệ tương tự được xem là thế hệ thứ nhất (1G) và mạng thông tin di động GSM là thế hệ thứ 2 (2G). Hiện nay chúng ta thường được nghe đến các khái niệm 2.5G và 3G chính là các thế hệ mạng thông tin mới được đề xuất và đang phát triển để đáp ứng nhu cầu trao đổi tin ngày càng cao của xã hội hiện đại. Trong các thế hệ mạng sau này thì chủ yếu được nâng cấp kỹ thuật công nghệ để đáp ứng được các yêu cầu của thông tin đa phương tiện tốc độ cao (truyền hình, truyền số liệu tốc độ cao,…).

Năm 1982, theo đề xuất của Cty Nordic Telecom (Viễn thông Bắc Âu), Netherlands, nhóm nghiên cứu Group Special Mobil (GSM) thì Tổ chức Bưu chính Viễn thông Châu Âu – CEPT (Conference Euro Posts and Telecommunication) đã hình thành tiêu chuẩn mới cho hệ thống thông tin di động xuyên Châu Âu. Sau đó 5 năm (1987) thì 13 nhà khai thác quản lý đã ký kết thỏa thuận đưa ra tiêu chuẩn GSM là viết tắt theo tên tiếng Pháp của Global System for Mobile Communication là tiêu chuẩn chúng ta sử dụng hiện nay. GSM sử dụng mã hóa tiếng nói dự đoán đặc tuyến xung kích chính tắc (PRE­LPC) và phương thức TDMA phân chia theo thời gian. Từ năm 1989 GSM được chuyển nhượng cho Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI) và được viện phát triển qua nhiều giai đoạn mãi đến năm 1997 mới hoàn thành tiêu chuẩn đầy đủ thành GSM 2G có kết hợp với dịch vụ số liệu Nguyễn Quốc Thắng Trang 9 Tìm hiểu mạng thông tin di động 4G chuyển mạch tốc độ cao (HSCSD) và dịch vụ truyền sóng vô tuyến gói đa dụng (GPRS).

GSM sử dụng giao diện vô tuyến ở dãi tần trên 850MHz, cụ thể là 890­ 915MHz cho đường lên và 935­960 cho đường xuống đối với các mạng di động (hiện nay đang sử dụng dãi tần 1800MHz). Kỹ thuật điều chế của GSM là GMSK (Khóa mã cực tiểu Gaussian) với mỗi giá trị BT là 0.3 tại tốc độ dữ liệu tổng 270kbps. Điều này đưa ra để cân đối tối ưu giữa độ phức tạp của thiết bị và hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống. Tóm lược lịch sử phát triển của GSM Năm Sự 1982 Nhóm nghiên cứu di động đặc biệt được kiệCEPT n thành lập (GSM ra đời) 1986 Dãi tần 900MHz dành riêng cho GSM được sự chấp thuận của EC 1987 Các Telecom số3csơ thôngCó ơ sở đồcủ truy ềnẩdnẫnhóa a chu GSM sóng vô được tuyếnchấp thu khác ậnvà nhau vàokhác tháng cả2tốc 1988 Đặc tả chi tiết GSM pha 1 được hoàn thành cho cơ sở hạ tầng mạng 1989 Nhóm di động đặc biệt chuyển sang cho ETSI thành hệ thống thông tin 1990 GSM bước di động đầcuầtương toàn thích u (GSM hiệcho hoạtthành n nay) động ở băng chu ần DSC1800 ẩn thóa quốc tế cho mạng 1991 Mạng GSM đầu tiên được xây dựng ở Phần Lan 1992 Lần đầu tiên việc đăng ký chuyển vùng quốc tế được thực hiện giữa 1993 Telstra Australia Viễn thông trở thành Phần Lan (Telecommạng ngoàivàChâu Finland) ầu tiên qu Âu đ(Vương Vodafone đi ốvào hoạt c Anh).

GSM phaMạ2ng(cho GSM cácđdầịuchtiên vụ ho mạng thôngtrong ạt động dãiliệtầun/ fax) tin số ban hành. DCS1800 (GSM1800) 1995 Mạng GSM đầu tiên hoạt động ở Nga và Trung Quốc 1997 Máy cầm tay 3 băng đầu tiên được công bố 1998 Số thuê bao GSM trên toàn cầu vượt qua 100 triệu 1999 WAP bắt đầu được triển khai thử nghiệm ở Pháp và Italia 2000 Các dịch vụ GPRS thương mại đầu tiên được công bố, máy cầm tay 2001 M ạng 3G GSM đầu tiên đi vào cuộc sống. GPRS 2003 Mạng EDGE đầu tiên đi vào hoạt động. 2008 Con số thuê bao GSM vượt qua ngưỡn 3 tỉ.

Hiện nay song song với hệ thống điện thoại di động tế bào GSM thì còn có một công nghệ mới, trước đây chỉ sử dụng cho mục đích quân sự là CDMA và được đưa ra thương mại bởi hãnh Qualcomm IS­95 (Interim Standard – 95A) với tên Nguyễn Quốc Thắng Trang 10 Tìm hiểu mạng thông tin di động 4G gọi là CDMA­ ONE vào năm 1991. IS­95 sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) là nền tảng cho sự mở rộng dung lượng thuê bao, hạn chế công suất phát để chống nhiễu và nâng cao hiệu suất sử dụng dãi tần hạn chế. Công nghệ CDMA ra đời hứa hẹn sự đột phá mới trong sự phát triển của hệ thống thông tin di động bởi khả năng chống nhiễu và tốc độ truyền tin cao đáp ứng cho các yêu cầu dịch vụ đa phương tiện. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 được nghiên cứu để phát triển các dịch vụ mới cũng như cải thiện chất lượng các dịch vụ truyền thống và nâng cao tính hiệu quả sử dụng băng tần vô tuyến.

Trong rất nhiều hệ thống thế hệ ba thì nổi bật nhất là: Hệ thống thông tin di động đa năng UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) do CEPT đề xuất; và hệ thống thông tin di động mặt đất công cộng tương lai ­ FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunication Systems) do ITU­R phát triển. Và hiện nay đang nghiên cứu xu thế OFDM để triển khai cho mạng thông tin di động tương lai, hay còn gọi là 4G.