Chương 1 Tổng quan về đề tài tìm hiểu 1.Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động Hệ thống thông tin di động là hệ thống liên lạc thông qua sóng điện từ, tại đó người dùng có thể vừa liên lạc, vừa di chuyển được. Các dịch vụ điện thoại di động xuất hiện vào đầu những năm 1960 và phát triển không ngừng cho đến thời điểm hiện tại. Cứ trung bình một thập kỷ, chúng ta sẽ chứng kiến sự xuất hiện của một thế hệ thông tin di động mới. Thế hệ đầu tiên (1G) khởi đầu từ những năm cuối của thập kỷ 70 và đầu thập kỷ 80, đây là thệ thống thông tin di động tương tự cung cấp các dịch vụ thoại.
Thế hệ thứ 2 (2G) bắt đầu nổi lên từ những năm đầu của thập kỷ 90, thế hệ thứ 2 là công nghệ di động kỹ thuật số, cung cấp dịch vụ thoại và cả dữ liệu. Thế hệ thứ 3 (3G) bắt đầu xuất hiện từ năm 2001 tại Nhật Bản, đặc trưng bởi việc cung cấp dịch vụ thoại, dữ liệu và đa phương tiện với tốc độ cao. Thế hệ 4G được thương mại hóa vào những năm 2012 trở đi, cung cấp các dịch vụ truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn thế hệ 3G rất nhiều.Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động 1.Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất(1G) Hệ thống thông tin di động 1G là mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại, được khơi mào ở Nhật vào năm 1979. Hệ thống thông tin di động 1G ứng dụng các công nghệ truyền dẫn tương tự để truyền tín hiệu thoại, sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) và điều chế tần số (FM).
Đặc điểm của hệ thống 1G • Băng tần khoảng 150MHz • Dùng kĩ 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 nổi bật như • NMT (Nordic Mobile Telephone): được phát triển ở một số nước Bắc Âu vào năm 1982.Có 2 tiêu chuẩn khác nhau là NMT-450 sử dụng băng tần 450MHz và NMT-900 sử dụng băng tần 900MHz. • TACS (Total Access Communications Systems) : triển khai đầu tiên tại Ânh vào năm 1985 và được phát triển tiếp ở một số nước Bắc Âu và Trung Âu.TACS sử dụng băng tần 900MHz. • AMPS (Avanced Mobile Phone Systems) :được triển khai đầu tiên vào năm 1980 ở Mỹ và sau đó phát tiển ở các nước như Úc,. AMPS sử dụng băng tần 800MHz.Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2(2G) Hệ thống thông tin di động 2G được đặc trưng bởi công nghệ chuyển mạch kỹ thuật số.
Thông tin di động 2G sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA và đa truy nhập phân chia theo mã CDMA. Các kỹ thuật này cho phép sử dụng tài nguyên băng thông hiệu quả hơn nhiều so với 1G. Đặc điểm của 2G: • Phương thức đa truy nhập: TDMA và CDMA băng hẹp • Dùng chuyển mạch kênh • Dung lượng tăng,chất lượng thoại tốt hơn so với 1G Hệ thống thông tin di động 2G điển hình nhất là hệ thống GSM được triển khai đầu tiên vào năm 1990 ở các nước Châu Âu. GSM sử dụng kĩ thuật đa truy nhập TDMA có tốc độ từ 6-13 kb/s.
Một số ưu điểm của 2G so với 1G là: • Sử dụng các kĩ thuật tiên tiến hơn nên hiệu suất sử dụng phổ cao hơn • Hệ thống số chống nhiễu được sử dụng hiệu quả hơn làm tăng chất lượng thông tin • Dung lượng kênh truyền tăng 1.Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) Để đáp ứng nhu cầu sử dụng thông tin di động ngày càng tăng cả về số lượng, tốc độ lẫn chất lượng của người sử dụng, Liên minh viễn thông quốc tế ITU (International Telecommunication Union) đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hóa thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) với tên gọi IMT-2000 (International Mobile Telecommunications for the Year 2000) nhằm nâng cao tốc độ truy nhập, mở rộng nhiều loại hình dịch vụ, đồng thời tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động. Nhiều tiêu chuẩn cho IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó có hai hệ thống WCDMA và CDMA-2000 đã được ITU chấp nhận và được đưa vào hoạt động vào những năm đầu của thập kỷ 2000. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access). Điều này cho Các yêu cầu kĩ thuật tối thiểu của hệ thống thông tin di động 5G: • Tốc độ dữ liệu đỉnh đường xuống là 20 Gbps và đường lên là 10 Gbps.
• Hiệu suất sử dụng phổ tần đỉnh đường xuống là 30 bit/s/Hz và đường lên là 15 bit/s/Hz. • Tốc độ dữ liệu người dùng trải nghiệm đường xuống là 100 Mbps và đường lên là 50 Mbps. • Lưu lượng đường xuống theo vùng 10Mb/s/m2 đối với Hotspot trong nhà. • Độ trễ trên giao diện người dùng là 4 mili giây (ms) cho ứng dụng eMBB và 1 ms cho ứng dụng URLLC, độ trễ trên giao diện điều khiển là 20 ms.
• Mật độ kết nối: 1 triệu thiết bị / km2. • Băng thông tối thiểu là 100 MHz và cho phép hỗ trợ băng thông lên đến 1 GHz khi hoạt động ở băng tần trên 6 GHz. Từ các yêu cầu kĩ thuật trên có thể rút ra các yêu cầu chính cho hệ thống 5G: • Tốc độ siêu cao và độ trễ thấp • Mạng linh hoạt và thông minh • Hoạt động tin cậy và an toàn • Năng lượng và hiệu quả chi phí 2.Kiến trúc nền tảng của hệ thống 5G Để đạt được các yêu cầu chính cho hệ thống 5G thì cần một nền tảng để thực hiện được.Cấu trúc nền tảng của hệ thống 5G bao gồm 3 thành phần chính: • Các dịch vụ đổi mới • Nền tảng của các dịch vụ đổi mới • Cơ sở hạ tầng tốc độ cao Hình 2.Kiến trúc tổng quát của hệ thống 5G Lớp trên cùng là dịch vụ, đó là Dịch vụ đổi mới, đáp ứng yêu cầu 5G là cung cấp trải nghiệm người dùng mới. Bên dưới đó là Nền tảng cho phép, một nền tảng phần mềm, trên đó một loạt các chức năng mạng viễn thông phức tạp có thể được thực hiện hiệu quả và một động cơ thông minh có thể được gắn kết.
Ở phía dưới là Cơ sở hạ tầng siêu kết nối là cơ sở hạ tầng phần cứng của các mạng viễn thông, đóng vai trò như một đường dẫn dữ liệu hỗ trợ kết nối tốc độ cao và siêu cao qua phủ sóng mạng kết nối mật độ cao.Các dịch vụ đổi mới Về dịch vụ mạng, hệ thống thông tin di động 5G sẽ tách ra khỏi các thế hệ công nghệ viễn thông trước đây vì trải nghiệm của khách hàng vượt quá giới hạn thời gian và địa điểm, điều này sẽ được kích hoạt bởi việc truyền dữ liệu cực nhanh và giao diện người dùng sáng tạo. Ví dụ như tốc độ dữ liệu Gbps sẽ có sẵn ở mọi lúc và mọi nơi trên các thiết bị đa phương tiện có độ phân giải cao bao gồm UHD và 4K, công nghệ 5G sẽ cho phép người dùng tận hưởng các dịch vụ thực tế, ví dụ như chăm sóc sức khỏe từ xa, thực tế ảo và hình ba chiều, các dịch vụ IoT (Internet of Things).Các dịch vụ đổi mới sáng tạo của 5G 2.Nền tảng cho phép 5G Enabling Platform cung cấp khuôn khổ định hướng phần mềm và giao diện dựa trên các nguyên tắc của các hệ điều hành (một số hệ điều hành phổ biến hiện nay như iOS, Android, Microsoft,…) để tạo ra giá trị khác biệt thông qua một loạt các dịch vụ sáng tạo. Một chức năng cốt lõi của 5G Enabling Platform là cung cấp nền tảng Network-as-a-Service cho phép cấu hình và có thể thay đổi được tất cả các chức năng viễn thông và dịch vụ. Giao diện lập trình ứng dụng API là một giao diện mà một hệ thống máy tính hay ứng dụng cung cấp để cho phép các yêu cầu dịch vụ có thể được tạo ra từ các chương trình máy tính khác, hoặc cho phép dữ liệu có thể được trao đổi qua lại giữa chúng.
Đối với API cho 5G, vì là nền tảng cho các dịch vụ mới nên các nhà phát triển cần phát triển một hệ sinh thái API mới để hỗ trợ cho các IoT mới. Ngoài Network-as-a-Service và API ra, nền tảng mạng là hỗ trợ đắc lực cho 5G Enabling Platform này. Các ứng dụng, trò chơi điện tử hay mới hơn là các dịch vụ đổi mới ngày nay đang có xu hướng kết nối người dùng lại với nhau. Các dịch vụ truyền hình tại Việt Nam đang dần chuyển qua truyền hình số hay còn gọi là truyền hình IP.Do vậy, một bức tranh tổng thể về mạng internet là các dịch vụ số - dịch vụ IP.
Từ đó, nền tảng All-IP và là công nghệ All-IP sẽ là một bước tiến mạnh. Song song đó là công nghệ mạng được xác định bởi phần mềm SDN sẽ là những trợ thủ đắc lực cho 5G Enabling Platform. Ngoài ra còn 2 công nghệ có thể làm nền tảng cho 5G Enabling Platform đó là: • NFV (Network Functions Virtualization) là một công nghệ để xây dựng đám mây bằng ảo hóa một phần cứng. • Virtualized RAN: một công nghệ để tập trung và ảo hóa DU (Digital Unit) của một trạm gốc thành một đám mây dựa trên phần cứng (H/W – Hardware) tiêu chuẩn và xử lý tín hiệu RAN trong thời gian thực.Tổng quan 5G Enabling Platform 2.Cơ sở hạ tầng siêu kết nối Để đáp ứng lưu lượng dữ liệu gấp 1000 lần so với 4G và hỗ trợ kết nối Massive, các công nghệ mạng mới đang được thảo luận là những công nghệ 5G tiềm năng nên được kết hợp để cấu hình cơ sở hạ tầng siêu kết nối.
Điều này cần phát triển một loạt các công nghệ thành phần 5G để tăng phân chia cell, cải thiện hiệu quả quang phổ, mở rộng băng thông tần số và tăng hiệu quả hoạt động của mạng. Tăng cường sự phân chia cell, đặc biệt là tối đa hóa khả năng của vùng phủ thông qua các kiểu cấu tạo cell bao gồm cell nhỏ cực nhỏ, các phần tử di chuyển, thiết bị cá nhân và D2D, là những công nghệ cốt lõi để đáp ứng yêu cầu tăng 1000 lần sức chứa dữ liệu.