Đồ án Nghiên cứu Hệ thống Thông tin Di động Tiền 4G LTE

Đồ án LTE nghiên cứu chuyên sâu hệ thống thông tin di động 4G. Tìm hiểu kiến trúc, nguyên lý hoạt động và tiềm năng phát triển công nghệ.

• Tác giả: Đoàn Thanh Bình
• Người hướng dẫn: Trần Trung Tín
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thông Tin Ứng Dụng
• Đề tài: Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
• 1.1.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)
• 1.1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)
• 1.1.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G)
• 1.2. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE
• 2. CHƯƠNG 2 – KIẾN TRÚC HỆ THỐNG MẠNG 4G LTE VÀ GIAO THỨC
• 2.1. Giới thiệu về công nghệ LTE
• 2.2. So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax và những triển vọng cho công nghệ LTE
• 2.2.1. So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax
• 2.2.2. Những triển vọng cho công nghệ LTE
• 2.3. KIẾN TRÚC MẠNG LTE
• 2.3.1. Tổng quan về cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống
• 2.3.2. Thiết bị người dùng ( UE)
• 2.3.3. Thực thể quản lý tính di động (MME)
• 2.3.4. Cổng phục vụ ( S-GW)
• 2.3.5. Cổng mạng dữ liệu gói( P-GW)
• 2.3.6. Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên ( PCRF)
• 2.3.7. Máy chủ thuê bao thường trú (HSS)
• 2.3.8. Các giao diện và giao thức trong cấu hình kiến trúc cơ bản của hệ thống
• 2.3.9. Giao thức trạng thái và chuyển tiếp trạng thái
• 2.3.10. Hỗ trợ tính di động liên tục
• 3. CHƯƠNG 3 – TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE
• 3.1. CÁC CHẾ ĐỘ TRUY NHẬP VÔ TUYẾN
• 3.2. BĂNG TẦN TRUYỀN DẪN
• 3.2.1. CÁC BĂNG TẦN ĐƯỢC HỖ TRỢ
• 3.3. KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP CHO ĐƯỜNG XUỐNG OFDMA
• 3.3.1. Các tham số OFDMA
• 3.3.2. Truyền dẫn dữ liệu hướng xuống
• 3.4. KỸ THẬT ĐA TRUY CẬP ĐƯỜNG LÊN LTE SC-FDMA
• 3.4.1. Các tham số SC-FDMA
• 3.4.2. Truyền dữ liệu hướng lên
• 3.5. SO SÁNH OFDMA VÀ SC-FDMA
• 3.6. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐA ĂNG TEN MIMO
• 3.6.1. Đơn đầu vào Đơn đầu ra (SISO)
• 3.6.2. Đơn đầu vào đa đầu ra (SIMO)
• 3.6.3. Đa đầu vào đơn đầu ra (MISO)
• 3.6.4. Đầu vào đa đầu ra (MIMO)
• 3.7. TINH HÌNH TRIỂN KHAI LTE TẠI VIỆT NAM
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG
• 4.1. GIAO DIỆN CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH
• 4.2. HỆ THỐNG THU PHÁT SC-FDMA
• 4.3. SO SÁNH HIỆU SUẤT KHI THUÊ BA THAY ĐỔI TRẠNG THÁI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
• MỞ ĐẦU

Tóm tắt

I. Hướng dẫn tổng quan về đồ án nghiên cứu hệ thống 4G LTE

Bài viết này cung cấp một cái nhìn toàn diện về chủ đề đồ án LTE: nghiên cứu hệ thống thông tin di động 4G. Nội dung tập trung vào việc phân tích kiến trúc, các công nghệ cốt lõi và phương pháp vận hành của mạng LTE, một bước tiến quan trọng từ 3G. Mục tiêu là xây dựng một nền tảng kiến thức vững chắc cho sinh viên và các nhà nghiên cứu khi tiếp cận đề tài này. Sự phát triển của công nghệ LTE (Long Term Evolution) đã tạo ra một cuộc cách mạng trong viễn thông, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về tốc độ dữ liệu và chất lượng dịch vụ. Nghiên cứu sâu về hệ thống này không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn mang tính thực tiễn cao, đặc biệt khi các nhà mạng đang tiến tới hướng phát triển lên 5G. Bài viết sẽ đi từ các khái niệm cơ bản, phân tích từng thành phần trong kiến trúc mạng 4G, đến các kỹ thuật truy nhập vô tuyến tiên tiến và quy trình vận hành thực tế. Mỗi phần đều được trình bày một cách rõ ràng, logic và tối ưu hóa để người đọc dễ dàng nắm bắt các khía cạnh kỹ thuật phức tạp của hệ thống.

1.1. Lý do chọn đề tài nghiên cứu hệ thống thông tin di động 4G

Việc lựa chọn đề tài nghiên cứu hệ thống thông tin di động 4G xuất phát từ nhu cầu thực tiễn của ngành viễn thông và xã hội. Tiếp nối thành công của mạng 3G, Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã định hướng phát triển thế hệ mạng di động thứ tư với nhiều tính năng vượt trội. Công nghệ LTE cho phép truyền thoại dựa trên nền IP, truyền dữ liệu và đa phương tiện với tốc độ cực cao, có thể đạt tới 100 Mb/s. Tốc độ này nhanh hơn đáng kể so với các thế hệ trước, mở ra khả năng cho các dịch vụ đòi hỏi băng thông lớn như video độ phân giải cao, game online và các ứng dụng IoT. Do đó, việc thực hiện một báo cáo đồ án mạng di động về chủ đề này là cần thiết để nắm bắt và làm chủ công nghệ, chuẩn bị cho quá trình chuyển đổi và nâng cấp hạ tầng mạng. Đề tài này có ý nghĩa khoa học sâu sắc, đồng thời giải quyết bài toán thực tế về việc tăng tốc độ và nâng cao trải nghiệm người dùng trong mạng di động.

1.2. So sánh 3G và 4G Bước nhảy vọt về công nghệ

Sự khác biệt giữa 3G và 4G không chỉ nằm ở tốc độ. Mặc dù 3G (với các nâng cấp như HSPA) đã cải thiện đáng kể khả năng truy cập dữ liệu, hệ thống thông tin di động 4G đại diện cho một sự thay đổi kiến trúc nền tảng. Theo tài liệu nghiên cứu, kiến trúc 3G vẫn còn phức tạp với các thành phần như RNC (Radio Network Controller). Ngược lại, kiến trúc mạng 4G theo hướng phẳng hơn, loại bỏ RNC và tích hợp chức năng của nó vào trạm gốc (eNodeB). Sự thay đổi này giúp giảm độ trễ một cách đáng kể, từ hàng trăm mili giây trên mạng 3G xuống dưới 10ms trên mạng LTE. Thêm vào đó, LTE là một hệ thống toàn IP (All-IP), nghĩa là tất cả các dịch vụ, bao gồm cả thoại (qua VoLTE), đều được truyền dưới dạng gói dữ liệu. Điều này khác biệt với 3G, vốn sử dụng cả chuyển mạch kênh cho thoại và chuyển mạch gói cho dữ liệu. Việc so sánh 3G và 4G cho thấy LTE không chỉ nhanh hơn mà còn hiệu quả hơn, linh hoạt hơn và đơn giản hơn trong vận hành.

II. Phân tích chi tiết kiến trúc mạng 4G LTE cho đồ án

Để thực hiện một đồ án LTE thành công, việc hiểu rõ kiến trúc mạng 4G là yêu cầu tiên quyết. Kiến trúc của LTE được thiết kế phẳng nhằm giảm thiểu độ trễ và tăng hiệu suất. Nó bao gồm hai thành phần chính: Mạng truy nhập vô tuyến E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) và Mạng lõi gói phát triển Evolved Packet Core (EPC). Không giống như các hệ thống trước, kiến trúc này loại bỏ các nút trung gian phức tạp, giúp luồng dữ liệu đi thẳng và nhanh hơn. E-UTRAN chỉ bao gồm các trạm eNodeB, chịu trách nhiệm cho toàn bộ giao tiếp vô tuyến với thiết bị người dùng (UE). Trong khi đó, EPC xử lý tất cả các chức năng cốt lõi như quản lý di động, thiết lập phiên và kết nối ra các mạng ngoài. Sự phân chia rõ ràng này giúp đơn giản hóa việc triển khai và quản lý mạng. Tài liệu nghiên cứu gốc nhấn mạnh rằng 'kiến trúc phẳng với ít nút tham gia sẽ làm giảm độ trễ và cải thiện hiệu suất', đây chính là triết lý thiết kế của LTE.

2.1. Tìm hiểu mạng truy nhập vô tuyến E UTRAN và eNodeB

Mạng E-UTRAN là phần giao diện vô tuyến của hệ thống LTE, cấu thành từ một mạng lưới các eNodeB (Evolved NodeB). Điểm đặc biệt của kiến trúc này là sự loại bỏ hoàn toàn bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) vốn có trong 3G. Thay vào đó, các chức năng của RNC được phân tán và tích hợp trực tiếp vào eNodeB. Mỗi eNodeB hoạt động như một trạm gốc, trực tiếp quản lý tài nguyên vô tuyến, lập lịch dữ liệu, và thực hiện các quyết định chuyển giao (handover) cho các thiết bị người dùng (UE) trong vùng phủ sóng của nó. Các eNodeB kết nối với nhau qua giao diện X2 để hỗ trợ quá trình handover trong LTE một cách liền mạch. Đồng thời, chúng kết nối với mạng lõi EPC qua giao diện S1. Cấu trúc phẳng này giúp giảm độ trễ truyền tải dữ liệu và tín hiệu điều khiển, là một trong những ưu điểm vượt trội của công nghệ LTE so với các thế hệ trước.

2.2. Khám phá mạng lõi gói phát triển Evolved Packet Core EPC

Mạng Evolved Packet Core (EPC) là trái tim của hệ thống 4G LTE, chịu trách nhiệm quản lý toàn bộ lưu lượng dữ liệu và các chức năng điều khiển. EPC bao gồm nhiều thực thể logic quan trọng. MME (Mobility Management Entity) là nút điều khiển chính, quản lý việc xác thực, bảo mật, và theo dõi vị trí của thuê bao. S-GW (Serving Gateway) đóng vai trò là điểm neo cho mặt phẳng người dùng trong quá trình di chuyển giữa các eNodeB và định tuyến các gói dữ liệu. P-GW (Packet Data Network Gateway) là cổng kết nối giữa mạng LTE và các mạng dữ liệu ngoài như Internet, chịu trách nhiệm cấp phát địa chỉ IP cho UE. Cuối cùng, HSS (Home Subscriber Server) là một cơ sở dữ liệu trung tâm, lưu trữ thông tin hồ sơ của tất cả thuê bao. Các thành phần này phối hợp với nhau để đảm bảo kết nối IP liền mạch, quản lý di động hiệu quả và cung cấp chất lượng dịch vụ QoS trong LTE theo yêu cầu.

III. Phương pháp truy nhập vô tuyến cốt lõi trong hệ thống 4G

Giao diện vô tuyến là yếu tố quyết định hiệu suất của hệ thống thông tin di động 4G. LTE sử dụng các kỹ thuật đa truy nhập tiên tiến để tối ưu hóa việc sử dụng phổ tần và tăng tốc độ dữ liệu. Đối với đường xuống (từ trạm gốc đến thiết bị), LTE sử dụng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Kỹ thuật này chia băng thông rộng thành nhiều sóng mang con hẹp, trực giao với nhau, cho phép cấp phát tài nguyên một cách linh hoạt cho nhiều người dùng cùng lúc và có khả năng chống lại nhiễu đa đường hiệu quả. Đối với đường lên (từ thiết bị đến trạm gốc), SC-FDMA (Single-Carrier Frequency Division Multiple Access) được lựa chọn. SC-FDMA có đặc tính tương tự OFDMA nhưng có tỷ lệ công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) thấp hơn, giúp tiết kiệm năng lượng pin cho thiết bị đầu cuối. Bên cạnh đó, kỹ thuật MIMO (Multiple Input Multiple Output) được áp dụng để tăng thông lượng và độ tin cậy của kết nối bằng cách sử dụng nhiều ăng-ten ở cả phía phát và phía thu.

3.1. Phân tích kỹ thuật đa truy nhập đường xuống OFDMA

Kỹ thuật OFDMA là nền tảng cho việc truyền dữ liệu tốc độ cao ở đường xuống trong mạng LTE. Nguyên tắc của OFDMA là chia một kênh truyền có băng thông rộng thành hàng trăm, thậm chí hàng ngàn sóng mang con hẹp hơn. Các sóng mang con này trực giao với nhau, nghĩa là chúng không gây nhiễu lẫn nhau mặc dù phổ tần của chúng chồng lấn. Mỗi nhóm sóng mang con có thể được cấp phát cho một người dùng khác nhau trong cùng một khoảng thời gian, tạo ra một cơ chế đa truy nhập hiệu quả. Theo tài liệu, 'trong hệ thống OFDM, phổ tần có sẵn được chia thành nhiều sóng mang... mỗi sóng mang con được điều chế độc lập bởi một dòng dữ liệu tốc độ thấp'. Ưu điểm lớn nhất của OFDMA là khả năng chống lại hiệu ứng pha-đinh đa đường (multipath fading) rất tốt, một vấn đề phổ biến trong môi trường vô tuyến di động. Điều này đảm bảo tín hiệu được truyền đi một cách ổn định và đáng tin cậy, ngay cả trong điều kiện môi trường phức tạp.

3.2. Vai trò của kỹ thuật SC FDMA cho đường lên trong LTE

SC-FDMA được chọn làm kỹ thuật đa truy nhập cho đường lên trong LTE chủ yếu vì lý do hiệu quả năng lượng. Về mặt cấu trúc, SC-FDMA tương tự như OFDMA nhưng có thêm một bước tiền xử lý sử dụng Biến đổi Fourier Rời rạc (DFT). Bước này giúp tín hiệu truyền đi có dạng sóng mang đơn, dẫn đến tỷ lệ công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) thấp hơn đáng kể so với OFDMA. PAPR thấp có nghĩa là bộ khuếch đại công suất trên thiết bị người dùng (UE) không cần phải hoạt động ở mức công suất quá cao, giúp kéo dài thời lượng pin – một yếu tố cực kỳ quan trọng đối với các thiết bị di động. Mặc dù hiệu suất phổ có thể thấp hơn một chút so với OFDMA, lợi ích về việc tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí sản xuất thiết bị đầu cuối đã khiến SC-FDMA trở thành lựa chọn tối ưu cho chiều truyền từ UE lên trạm gốc trong hệ thống thông tin di động 4G.

3.3. Tối ưu hiệu năng hệ thống 4G với kỹ thuật MIMO

Kỹ thuật MIMO (Đa đầu vào, Đa đầu ra) là một công nghệ then chốt giúp LTE đạt được tốc độ dữ liệu đỉnh rất cao. MIMO sử dụng nhiều ăng-ten ở cả trạm phát (eNodeB) và trạm thu (UE) để khai thác hiện tượng truyền sóng đa đường. Thay vì xem đa đường là nhiễu, MIMO tận dụng nó để tạo ra nhiều luồng dữ liệu không gian song song trên cùng một kênh tần số. Điều này cho phép tăng dung lượng kênh truyền lên nhiều lần mà không cần thêm băng thông. Ví dụ, một hệ thống MIMO 2x2 (hai ăng-ten phát, hai ăng-ten thu) có thể tăng gấp đôi tốc độ dữ liệu tối đa so với hệ thống SISO (Đơn đầu vào, Đơn đầu ra). Việc triển khai kỹ thuật MIMO trong công nghệ LTE không chỉ cải thiện thông lượng mà còn tăng cường độ tin cậy của liên kết vô tuyến, đảm bảo kết nối ổn định hơn cho người dùng.

IV. Cách mô phỏng hệ thống 4G LTE trong đồ án tốt nghiệp

Phần mô phỏng mạng LTE là một hợp phần không thể thiếu trong nhiều đồ án tốt nghiệp viễn thông. Mô phỏng cho phép kiểm chứng các lý thuyết đã nghiên cứu, đánh giá hiệu năng của các thuật toán, và phân tích các kịch bản vận hành khác nhau mà không cần đến hạ tầng vật lý đắt đỏ. Các công cụ mô phỏng phổ biến bao gồm NS-3 (Network Simulator 3), OPNET, và MATLAB. Trong đó, phần mềm mô phỏng NS3 thường được ưa chuộng do là mã nguồn mở, có cộng đồng hỗ trợ lớn và cung cấp một module LENA (LTE/EPC Network simulAtor) chuyên dụng. Một kịch bản mô phỏng điển hình có thể bao gồm việc đánh giá chất lượng dịch vụ QoS trong LTE dưới các điều kiện tải mạng khác nhau, phân tích hiệu quả của quá trình handover trong LTE khi người dùng di chuyển giữa các cell, hoặc so sánh hiệu năng của các thuật toán lập lịch tài nguyên. Kết quả mô phỏng cung cấp những số liệu định lượng quý giá, giúp củng cố cho các lập luận và kết luận trong báo cáo đồ án.

4.1. Phân tích quá trình handover trong LTE và kịch bản mô phỏng

Quá trình handover trong LTE (chuyển giao) là cơ chế đảm bảo tính liên tục của dịch vụ khi một thiết bị người dùng (UE) di chuyển từ vùng phủ sóng của một eNodeB (nguồn) sang một eNodeB khác (đích). Quá trình này được mạng điều khiển và hỗ trợ bởi các báo cáo đo lường từ UE. Khi UE báo cáo rằng tín hiệu từ eNodeB đích mạnh hơn, eNodeB nguồn sẽ khởi tạo yêu cầu chuyển giao qua giao diện X2. Để mô phỏng kịch bản này, nhà nghiên cứu cần thiết lập một topology mạng với nhiều eNodeB, định nghĩa một quỹ đạo di chuyển cho UE, và cấu hình các ngưỡng tín hiệu để kích hoạt handover. Các chỉ số hiệu năng cần được thu thập bao gồm độ trễ chuyển giao, tỷ lệ rớt gói tin trong quá trình chuyển giao, và thông lượng trước và sau khi handover. Việc mô phỏng này giúp đánh giá tính hiệu quả của các thuật toán handover và tác động của nó đến trải nghiệm người dùng, đặc biệt với các dịch vụ thời gian thực như VoLTE.

4.2. Đánh giá chất lượng dịch vụ QoS trong LTE thông qua mô phỏng

Chất lượng dịch vụ QoS trong LTE là một cơ chế phức tạp nhằm ưu tiên hóa các loại lưu lượng khác nhau. Hệ thống LTE định nghĩa các Lớp định danh QoS (QCI) để phân biệt các dịch vụ, ví dụ, lưu lượng thoại VoLTE sẽ có độ ưu tiên cao nhất và độ trễ thấp nhất, trong khi lưu lượng duyệt web có thể chấp nhận độ trễ cao hơn. Để mô phỏng QoS, người thực hiện đồ án cần tạo ra các luồng lưu lượng khác nhau (ví dụ: VoIP, video streaming, FTP) tương ứng với các QCI khác nhau. Sau đó, cấu hình các thuật toán lập lịch trên eNodeB để xử lý các hàng đợi ưu tiên. Kịch bản mô phỏng sẽ đo lường các thông số như độ trễ đầu cuối (end-to-end delay), jitter, và tỷ lệ mất gói cho từng loại dịch vụ dưới các mức tải mạng khác nhau. Phân tích kết quả này cho phép đánh giá khả năng của mạng LTE trong việc đáp ứng các yêu cầu QoS nghiêm ngặt, một yếu tố sống còn để cung cấp các dịch vụ đa dạng và chất lượng cao.

V. Triển vọng công nghệ LTE và hướng phát triển lên 5G

Mặc dù công nghệ LTE đã là một chuẩn mực cho mạng di động hiệu năng cao, sự phát triển của nó không dừng lại. LTE-Advanced và LTE-Advanced Pro là những bước tiến hóa quan trọng, được coi là thế hệ 4.5G, mang lại nhiều cải tiến đáng kể. Các công nghệ như Gộp sóng mang (Carrier Aggregation), MIMO nâng cao, và CoMP (Coordinated Multi-Point) đã giúp đẩy tốc độ dữ liệu lên mức Gigabit/s, giảm độ trễ hơn nữa và tăng dung lượng mạng. Những cải tiến này không chỉ nâng cao trải nghiệm người dùng hiện tại mà còn là nền tảng, là cầu nối vững chắc cho quá trình chuyển đổi lên mạng 5G. Nhiều khái niệm và kỹ thuật được thử nghiệm trong LTE-Advanced đã được chuẩn hóa và phát triển hoàn thiện hơn trong kiến trúc 5G. Do đó, việc nghiên cứu LTE không chỉ là nhìn về quá khứ mà còn là sự chuẩn bị cho tương lai, hiểu được lộ trình phát triển tất yếu của ngành công nghiệp viễn thông không dây.

5.1. Các vấn đề bảo mật mạng 4G và giải pháp đề xuất

Bảo mật mạng 4G là một khía cạnh cực kỳ quan trọng, đặc biệt khi mọi dịch vụ đều dựa trên nền tảng IP. Kiến trúc LTE đã tích hợp nhiều cơ chế bảo mật mạnh mẽ. Quá trình xác thực giữa UE và mạng sử dụng thuật toán AKA (Authentication and Key Agreement), đảm bảo rằng chỉ có thuê bao hợp lệ mới có thể truy cập. Dữ liệu truyền trên giao diện vô tuyến được mã hóa và bảo vệ toàn vẹn để chống lại việc nghe lén và giả mạo. Tuy nhiên, các thách thức vẫn tồn tại, bao gồm các cuộc tấn công DoS (Denial of Service) vào các thành phần mạng lõi như MME, hoặc các lỗ hổng bảo mật tiềm tàng trong các giao thức tín hiệu. Một đồ án LTE có thể tập trung nghiên cứu các mối đe dọa này, đề xuất các giải pháp nâng cao như sử dụng các thuật toán mã hóa mạnh hơn, triển khai hệ thống phát hiện xâm nhập (IDS) chuyên dụng cho mạng di động, hoặc áp dụng các kỹ thuật học máy để phát hiện các hành vi bất thường.

5.2. Tương lai của hệ thống LTE và lộ trình tiến lên 5G

Tương lai của hệ thống thông tin di động 4G gắn liền với hướng phát triển lên 5G. LTE và 5G được thiết kế để cùng tồn tại và phối hợp hoạt động trong nhiều năm tới. Trong giai đoạn đầu triển khai 5G, các nhà mạng thường sử dụng kiến trúc Non-Standalone (NSA), nơi mạng truy nhập vô tuyến 5G (NR) kết nối với mạng lõi 4G Evolved Packet Core (EPC). Điều này cho phép tận dụng cơ sở hạ tầng 4G hiện có để cung cấp dịch vụ 5G một cách nhanh chóng. Các công nghệ của LTE-Advanced như LAA (License Assisted Access) và eMTC (enhanced Machine-Type Communication) cũng là tiền đề cho các trường hợp sử dụng quan trọng trong 5G như kết nối băng rộng nâng cao và IoT. Do đó, hiểu sâu về LTE là điều kiện cần để có thể nắm bắt và triển khai thành công mạng 5G, đảm bảo sự chuyển đổi liền mạch và hiệu quả cho cả nhà mạng và người dùng cuối.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất ( 1G) Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tương tự, là hệ thống truyền tín hiệu tương tự, là mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại, được khơi mào ở Nhật vào năm 1979. Đây là hệ thống thông tin di động tương tự sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA và điều chế tần số FM với các đặc điểm:  Phương thức truy nhập: FDMA.

 Dịch vụ đơn thuần là thoại.  Chất lượng thấp.  Bảo mật kém. Một số hệ thống điển hình: NMT (Nordic Mobile Telephone - Điện thoại di động Bắc Âu) sử dụng băng tần 450Mhz triển khai tại các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga vào năm 1981.

AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem - Hệ thống điện thoại di động tiên tiến) được sử dụng ở Mỹ và Úc vào năm 1978 tại băng tần 800Mhz. TACS (Total Access Communication Sytem - Hệ thống truyền thông truy nhập toàn phần) được sử dụng ở Anh vào năm 1985.1 Tiến trình phát triển của thông tin di động Hầu hết các hệ thống đều là hệ thống tương tự và dịch vụ truyền chủ yếu là thoại. Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba. Những điểm yếu của thế hệ 1G là dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọi SVTH: Đoàn Thanh Bình – Lớp ccvt 03B Trang 2 Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE không tin cậy, chất lượng âm thanh kém, không có chế độ bảo mật.do vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng.

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai ( 2G) Hệ thống di động thế hệ thứ 2 sử dụng truyền vô tuyến số cho việc truyền tải. Những hệ thống mạng 2G thì có dung lượng lớn hơn những hệ thống mạng thế hệ thứ nhất. Kỹ thuật này chiếm ưu thế hơn 1G với các đặc điểm sau:  Dung lượng tăng.  Chất lượng thoại tốt hơn.

 Hỗ trợ các dịch vụ số liệu (data).  Phương thức truy nhập : TDMA, CDMA băng hẹp.  Một số hệ thống điển hình:  GSM (Global System for Mobile Phone) sử dụng phương thức truy cập TDMA được triển khai tại châu Âu.  D-AMPS (IS-136-Digital Advance Mobile Phone System) sử dụng phương thức truy cập TDMA được triển khai tại Mỹ.

 IS-95 (CDMA One) sử dụng phương thức truy cập CDMA được triển khai tại Mỹ và Hàn Quốc.  PDC (Personal Digital Cellular) sử dụng phương thức truy cập TDMA được triển khai tại Nhật Bản. GSM cơ bản sử dụng băng tần 900MHz. Sử dụng kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian TDMA.

Hệ thống mô hình số 1800 (DCS 1800; cũng được biết như GSM 1800) và PCS 1900 (hay GSM 1900). Sau này chỉ được sử dụng ở Bắc Mĩ và Chilê, và DCS 1800 thì được sử dụng ở một số khu vực khác trên thê giới. Vì thế đồng thời cả 2 băng tần di động đều được sử dụng. Hệ thống GSM 900 làm việc trong một băng tần hẹp, dài tần cơ bản từ (890- 960MHz).

Trong đó băng tần cơ bản được chia làm 2 phần :  Đường lên từ (890 - 915) MHz.  Đường xuống từ (935 - 960)MHz. Băng tần gồm 124 sóng mang được chia làm 2 băng, mỗi băng rộng 25MHz, khoảng cách giữa 2 sóng mang kề nhau là 200KHz. Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt cho 2 đường lên và xuống gọi là kênh song công.

Khoảng cách giữa 2 tần số là không đổi bằng 45MHz. Mỗi kênh vô tuyến mang 8 khe thời gian TDMA và mỗi khe SVTH: Đoàn Thanh Bình – Lớp ccvt 03B Trang 3 Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE thời gian là một kênh vật lý trao đổi thông tin giữa MS và mạng GSM. GSM mới chỉ cung cấp được các dịch vụ thoại và nhắn tin ngắn, trong khi nhu cầu truy nhập internet và các dịch vụ từ người sử dụng là rất lớn nên GSM phát triển lên 2.2 Sự phát triển từ 2G lên 2.5G GPRS (General Packet Radio Service) - Dịch vụ vô tuyến gói chung, GPRS là một hệ thống vô tuyến thuộc giai đoạn trung gian, nhưng vẫn là hệ thống 3G nếu xét về mạng lõi. GPRS cung cấp các kết nối số liệu chuyển mạch gói với tốc độ truyền lên tới 171,2Kbps (tốc độ số liệu đỉnh) và hỗ trợ giao thức Internet TCP/IP và X25, nhờ vậy tăng cường đáng kể các dịch vụ số liệu của GSM.

Công việc tích hợp GPRS vào mạng GSM đang tồn tại là một quá trình đơn giản. Một phần các khe trên giao diện vô tuyến dành cho GPRS, cho phép ghép kênh số liệu gói được lập lịch trình trước đối với một số trạm di động. Phân hệ trạm gốc chỉ cần nâng cấp một phần nhỏ liên quan đến khối điều khiển gói (PCU- Packet Control Unit) để cung cấp khả năng định tuyến gói giữa các đầu cuối di động các nút cổng (gateway). Một nâng cấp nhỏ về phần mềm cũng cần thiết để hỗ trợ các hệ thống mã hoá kênh khác nhau.

Mạng lõi GSM được tạo thành từ các kết nối chuyển mạch kênh được mở rộng bằng cách thêm vào các nút chuyển mạch số liệu và gateway mới, được gọi là GGSN (Gateway GPRS Support Node) và SGSN (Serving GPRS Support Node). GPRS là một giải pháp đã được chuẩn hoá hoàn toàn với các giao diện mở rộng và có thể chuyển thẳng lên 3G về cấu trúc mạng lõi. EDGE ( Enhanced Data Rates for GSM Evolution): Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM, EDGE có thể phát nhiều bit gấp 3 lần GPRS trong một chu kỳ. Đây là lý do chính cho tốc độ bit EDGE cao hơn.

ITU đã định nghĩa 384kbps là giới hạn tốc độ dữ liệu cho dịch vụ để thực hiện chuẩn IMT-2000 trong môi trường không lý tưởng. 384kbps tương ứng với 48kbps trên mỗi khe thời gian, giả sử một đầu cuối có 8 khe thời gian. EDGE là một kỹ thuật truyền dẫn 3G đã được chấp nhận và được triển khai trong SVTH: Đoàn Thanh Bình – Lớp ccvt 03B Trang 4 Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE phổ tần hiện có của các nhà khai thác TDMA và GSM. EDGE tái sử dụng băng tần sóng mang và cấu trúc khe thời gian của GSM, và được thiết kê nhằm tăng tốc độ số liệu của người sử dụng trong mạng GPRS hoặc HSCSD bằng cách sử dụng các hệ thống cao cấp và công nghệ tiên tiên khác.

Vì vậy, cơ sở hạ tầng và thiết bị đầu cuối hoàn toàn phù hợp với EDGE hoàn toàn tương thích với GSM và GRPS.  IS-95 Hệ thống mạng tế bào IS-95A được Qualcomm cho ra mắt vào những năm 1990 sử dụng kỹ thuật truy nhập vô tuyến CDMA. CDMA chia sẻ cùng một giải tần chung. Mọi khách hàng có thể nói đồng thời và tín hiệu được phát đi trên cùng một giải tần.

Các kênh thuê bao được tách biệt bằng cách sử dụng mã ngẫu nhiên. Các tín hiệu của nhiều thuê bao khác nhau sẽ được mã hoá bằng các mã ngẫu nhiên khác nhau, sau đó được trộn lẫn và phát đi trên cùng một giải tần chung và chỉ được phục hồi duy nhất ở thiết bị thuê bao (máy điện thoại di động) với mã ngẫu nhiên tương ứng. IS 95A(2G) phát triển tiếp lên IS 95B(2.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 ( 3G). Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-2000 (International Mobil Telecommunication -2000) cho hệ thống 3G.

Đây là thế hệ thứ ba của chuẩn công nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh. 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh. Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio hoàn toàn khác so với hệ thống 2G hiện nay. Điểm mạnh của công nghệ này so với 2G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao đang di chuyển ở các tốc độ khác nhau.

Với các ưu điểm chính được mong đợi đem lại bởi hệ thống 3G là:  Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao.  Các dịch vụ tin nhắn (e-mail, fax, SMS, chat,.  Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, xem truyền hình, nghe nhạc,.  Truy nhập Internet (duyệt Web, tải tài liệu,.

 Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương thích toàn cầu giữa các hệ thống. Để thoả mãn các dịch vụ đa phương tiện cũng như đảm bảo khả năng truy cập Internet băng thông rộng, IMT-2000 hứa hẹn cung cấp băng thông 2Mbps, nhưng thực SVTH: Đoàn Thanh Bình – Lớp ccvt 03B Trang 5 Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE tế triển khai chỉ ra rằng với băng thông này việc chuyển giao rất khó, vì vậy chỉ có những người sử dụng không di động mới được đáp ứng băng thông kết nối này, còn khi đi bộ băng thông sẽ là 384 Kbps, khi di chuyển bằng ô tô sẽ là 144Kbps. Các hệ thống 3G điển hình là: Mạng 3G đặc trưng bởi tốc độ dữ liệu cao, capacity của hệ thống lớn, tăng hiệu quả sử dụng phổ tần và nhiều cải tiến khác. Có một loạt các chuẩn công nghệ di động 3G, tất cả đều dựa trên CDMA, bao gồm: UMTS (dùng cả FDD lẫn TDD).

CDMA2000 và TD-SCDMA: UMTS (đôi khi còn được gọi là 3GSM) sử dụng kỹ thuật đa truy cập WCDMA. UMTS được chuẩn hoá bởi 3GPP. UMTS là công nghệ 3G được lựa chọn bởi hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ GSM/GPRS để đi lên 3G. Tốc độ dữ liệu tối đa là 1920Kbps (gần 2Mbps).

Nhưng trong thực tế tốc độ này chỉ tầm 384Kbps thôi. Để cải tiến tốc độ dữ liệu của 3G, hai kỹ thuật HSDPA và HSUPA đã được đề nghị. Khi cả 2 kỹ thuật này được triển khai, người ta gọi chung là HSPA. HSPA thường được biết đến như là công nghệ 3,5G.

HSDPA: Tăng tốc độ downlink (đường xuống, từ NodeB về người dùng di động). Tốc độ tối đa lý thuyết là 14,4Mbps, nhưng trong thực tế nó chỉ đạt tầm 1,8Mbps (hoặc tốt lắm là 3,6Mbps). Theo một báo cáo của GSA tháng 7 năm 2008, 207 mạng HSDPA đã và đang bắt đầu triển khai, trong đó 207 đã thương mại hoá ở 89 nước trên thế giới. HSUPA: tăng tốc độ uplink (đường lên) và cải tiến QoS.

Kỹ thuật này cho phép người dùng upload thông tin với tốc độ lên đến 5,8Mbps (lý thuyết).