Luận văn thạc sĩ về kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống Massive MIMO

Khám phá luận văn thạc sĩ về kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống massive MIMO, ứng dụng và tiềm năng trong viễn thông hiện đại.

• Tác giả: Nguyễn Huy Gô
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Tiến Ban
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
• Đề tài: Kỹ Thuật Định Hướng Đa Búp Sóng Trong Hệ Thống Massive MIMO
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
• 1.1. Sự phát triển của hệ thống thông tin di động
• 1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)
• 1.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)
• 1.4. Hệ thống thông tin di động 2,5G
• 1.5. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G)
• 2. CHƯƠNG II: KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG ĐA BÚP SÓNG
• 2.1. Phân loại định hướng đa búp sóng
• 2.2. Định hướng đa búp sóng băng hẹp và băng rộng
• 2.2.1. Đánh giá bộ định dạng chùm ULA
• 2.2.2. Thiết kế bộ lọc Spatial
• 2.2.3. Mô phỏng và kết quả
• 2.3. Định hướng mảng búp sóng chuyển mạch và búp sóng thích ứng
• 2.3.1. Thuật toán tạo chùm tia thích ứng
• 2.4. Định hướng đa búp sóng tương tự, số và lai số-tương tự
• 2.5. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: ĐỊNH HƯỚNG ĐA BÚP SÓNG TRONG HỆ THỐNG MASSIVE MIMO
• 3.1. Hệ thống MASSIVE MIMO
• 3.2. Vai trò của định hướng đa búp sóng trong hệ MASSIVE MIMO
• 3.2.1. Tăng cường hiệu quả năng lượng
• 3.2.2. Cải thiện hiệu suất phổ
• 3.2.3. Tăng cường bảo mật hệ thống
• 3.2.4. Khả năng ứng dụng cho các dải sóng mm
• 3.3. Các bộ tiền mã hóa và tách sóng MASSIVE MIMO
• 3.4. Quản lý chùm tia
• 3.4.1. Nhu cầu quản lý chùm tia
• 3.4.2. Quy trình quản lý chùm tia
• 3.5. Sử dụng bài toán công suất để khẳng định tính định hướng đa búp sóng trong hệ MASSIVE MIMO
• 3.5.1. Xây dựng vấn đề
• 3.5.2. Phương pháp
• 3.5.3. Kết quả mô phỏng
• 3.6. Kết luận chương
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống thông tin di động

Hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ 1G đến 5G. Mỗi thế hệ đều có những cải tiến đáng kể về công nghệ và dịch vụ. Hệ thống 1G chủ yếu cung cấp dịch vụ thoại với công nghệ tương tự, trong khi 2G đã chuyển sang công nghệ số, cho phép truyền dữ liệu và tin nhắn. 3G mang lại tốc độ cao hơn cho cả thoại và dữ liệu, và 4G đã mở ra khả năng truyền tải dữ liệu với tốc độ hàng chục lần so với 3G. Đặc biệt, 5G không chỉ cải thiện tốc độ mà còn giảm độ trễ, mở ra nhiều ứng dụng mới trong các lĩnh vực như IoT và truyền thông thời gian thực. Sự phát triển này đã đặt nền tảng cho việc áp dụng các công nghệ tiên tiến như Massive MIMO và kỹ thuật định hướng đa búp sóng.

1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động

Sự phát triển của hệ thống thông tin di động đã diễn ra qua nhiều giai đoạn, từ 1G đến 5G. Mỗi thế hệ đều có những đặc điểm riêng biệt. 1G chỉ cung cấp dịch vụ thoại, trong khi 2G đã giới thiệu dịch vụ tin nhắn và dữ liệu. 3G cải thiện tốc độ và chất lượng dịch vụ, và 4G mang lại tốc độ truyền tải dữ liệu cao hơn nhiều. 5G, với khả năng truyền tải dữ liệu cực nhanh và độ trễ thấp, đã mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng mới. Việc áp dụng kỹ thuật MIMO trong 5G là một bước tiến quan trọng, giúp nâng cao hiệu suất và khả năng phục vụ của mạng di động.

II. Kỹ thuật định hướng đa búp sóng

Kỹ thuật định hướng đa búp sóng là một trong những công nghệ cốt lõi trong hệ thống Massive MIMO. Kỹ thuật này cho phép tạo ra các chùm tia hẹp, tập trung năng lượng sóng điện từ vào các hướng cụ thể, từ đó nâng cao chất lượng tín hiệu thu được. Việc sử dụng kỹ thuật anten trong định hướng đa búp sóng giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống, đặc biệt trong các môi trường có nhiều nhiễu. Các phương pháp như định hướng búp sóng băng hẹp và băng rộng đã được nghiên cứu và áp dụng, cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc tăng cường tín hiệu và giảm thiểu suy hao. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng kỹ thuật này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống thông tin di động.

2.1 Phân loại định hướng đa búp sóng

Định hướng đa búp sóng có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau, bao gồm định hướng băng hẹp và băng rộng. Định hướng băng hẹp thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao, trong khi định hướng băng rộng cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ cao hơn. Việc lựa chọn loại định hướng phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của hệ thống và môi trường hoạt động. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng kỹ thuật định hướng đa búp sóng có thể giúp tăng cường hiệu quả sử dụng phổ và cải thiện chất lượng dịch vụ trong các mạng di động hiện đại.

III. Định hướng đa búp sóng trong hệ thống Massive MIMO

Trong hệ thống Massive MIMO, định hướng đa búp sóng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả năng lượng và cải thiện hiệu suất phổ. Kỹ thuật này cho phép hệ thống tạo ra nhiều chùm tia đồng thời, phục vụ cho nhiều người dùng khác nhau mà không làm giảm chất lượng dịch vụ. Việc quản lý chùm tia là một yếu tố quan trọng, giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên và nâng cao khả năng phục vụ của hệ thống. Các bộ tiền mã hóa và tách sóng trong hệ thống Massive MIMO cũng cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo tính hiệu quả và bảo mật. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng định hướng đa búp sóng có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống, đặc biệt trong các dải sóng mm.

3.1 Vai trò của định hướng đa búp sóng trong hệ thống Massive MIMO

Định hướng đa búp sóng trong hệ thống Massive MIMO không chỉ giúp tăng cường hiệu quả năng lượng mà còn cải thiện khả năng bảo mật và hiệu suất phổ. Kỹ thuật này cho phép tạo ra các chùm tia hẹp, tập trung năng lượng vào các hướng cụ thể, từ đó nâng cao chất lượng tín hiệu thu được. Việc áp dụng định hướng đa búp sóng cũng giúp giảm thiểu nhiễu và tăng cường khả năng phục vụ cho nhiều người dùng cùng lúc. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng kỹ thuật này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống thông tin di động, đặc biệt trong các môi trường có nhiều nhiễu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin di động, mạng 4G-LTE đã được triển khai rộng rãi trên toàn cầu và tại Việt Nam, cung cấp dịch vụ đa phương tiện với tốc độ cao gấp hàng chục lần so với các thế hệ trước. Tuy nhiên, cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đặt ra yêu cầu khắt khe hơn cho các mạng di động thế hệ tiếp theo như 5G và 6G, với các tiêu chí về tốc độ truyền tải dữ liệu lên đến hàng Gbps, độ trễ gần như bằng không và thông lượng cực lớn để phục vụ các ứng dụng thời gian thực trong y tế, giao thông, cảm biến và truyền thông.

Trong đó, kỹ thuật MASSIVE MIMO (Multiple-Input Multiple-Output quy mô lớn) được xem là một trong những công nghệ chủ chốt của mạng 5G, giúp tăng hiệu quả sử dụng phổ và cải thiện vùng phủ sóng. Kỹ thuật định hướng đa búp sóng (multi-beamforming) trong hệ thống MASSIVE MIMO là trọng tâm nghiên cứu nhằm tối ưu hóa việc tập trung năng lượng sóng điện từ về phía người dùng, nâng cao chất lượng tín hiệu và hiệu suất mạng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích và đánh giá kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO theo chuẩn 5G New Radio của 3GPP, tập trung vào ảnh hưởng của kỹ thuật này đến chất lượng tín hiệu thu, hiệu quả sử dụng phổ và vùng phủ mạng 5G thông qua mô phỏng thực nghiệm. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các kỹ thuật tạo búp sóng cổ điển cho mảng ăng ten, với dữ liệu thu thập từ các mạng 5G hiện hành và mô phỏng trên phần mềm MATLAB. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp nâng cao hiệu suất mạng 5G, góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ viễn thông tiên tiến tại Việt Nam và trên thế giới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: kỹ thuật MASSIVE MIMO và kỹ thuật định hướng đa búp sóng.

• MASSIVE MIMO là hệ thống sử dụng hàng trăm đến hàng ngàn ăng ten tại trạm phát sóng để tạo ra các kênh truyền song song, tăng dung lượng và hiệu quả sử dụng phổ. Dung lượng kênh được xác định bởi công thức:

$$ C \approx \min(N_t, N_r) \log_2(1 + \gamma) $$

trong đó $N_t$ và $N_r$ lần lượt là số lượng ăng ten phát và thu, $\gamma$ là tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR).

• Kỹ thuật định hướng đa búp sóng sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu để tạo ra nhiều chùm tia hẹp, tập trung năng lượng sóng về phía người dùng, giảm thiểu nhiễu và tăng cường vùng phủ sóng. Các thuật toán được phân loại thành thích ứng mù và không mù, với các phương pháp như MUSIC, ESPRIT, và các thuật toán tối ưu như LMS, RLS, MVDR.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm:

1. Định dạng chùm băng hẹp và băng rộng: Bộ định dạng chùm băng hẹp tập trung năng lượng tại một tần số duy nhất, trong khi băng rộng xử lý tín hiệu có băng thông lớn hơn, phù hợp với các ứng dụng băng rộng.
2. Bộ lọc không gian (Spatial filter): Thiết kế bộ lọc FIR để điều khiển hướng chùm tia, giảm mức thùy bên (SLL) và mở rộng băng thông hoạt động.
3. Quản lý chùm tia trong MASSIVE MIMO: Bao gồm các kỹ thuật tiền mã hóa, tách sóng và điều khiển công suất để tối ưu hóa hiệu suất mạng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa thu thập tài liệu và thực nghiệm mô phỏng.

• Nguồn dữ liệu: Tổng hợp các tài liệu khoa học, báo cáo kỹ thuật về mạng 5G, MASSIVE MIMO và kỹ thuật định hướng đa búp sóng; dữ liệu phổ tần và kiến trúc mạng 5G tại Việt Nam và quốc tế.
• Phương pháp phân tích: Phân tích lý thuyết các mô hình định hướng đa búp sóng, thiết kế bộ lọc không gian và thuật toán tạo chùm tia.
• Mô phỏng: Sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng hiệu suất của các bộ định dạng chùm băng hẹp và băng rộng, đánh giá mức thùy bên, độ rộng chùm tia và hiệu quả sử dụng phổ trong hệ thống MASSIVE MIMO.
• Cỡ mẫu và timeline: Mô phỏng với mảng ăng ten từ 17 đến 31 phần tử, tần số tín hiệu từ 1 GHz đến 3 GHz, thực hiện trong khoảng thời gian nghiên cứu từ 2020 đến 2021.

Phương pháp này cho phép đánh giá chính xác ảnh hưởng của kỹ thuật định hướng đa búp sóng đến các chỉ số hiệu suất mạng 5G, đồng thời so sánh với các kỹ thuật truyền thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất bộ định dạng chùm băng hẹp: Mô phỏng cho thấy bộ định dạng chùm băng hẹp với 21 phần tử ăng ten đạt mức thùy bên (SLL) -30 dB và chiều rộng chùm tia chính (HPBW) khoảng 6.25 độ, giảm mức thùy bên so với các bộ lọc Taylor, DPSS và Kaiser cùng số phần tử.
2. Hiệu suất bộ định dạng chùm băng rộng: Bộ lọc FIR với chiều dài 16 cho mỗi phần tử ăng ten cho phép duy trì độ lợi không đổi trên băng tần rộng từ 1 GHz đến 3 GHz, với khả năng điều khiển chùm tia từ -45 đến 45 độ, đáp ứng tốt yêu cầu băng rộng trong mạng 5G.
3. Tăng cường hiệu quả sử dụng phổ trong MASSIVE MIMO: Kỹ thuật định hướng đa búp sóng giúp tập trung năng lượng sóng về phía người dùng, nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SINR) và hiệu quả sử dụng phổ tối thiểu, cải thiện vùng phủ sóng và chất lượng dịch vụ.
4. So sánh với các kỹ thuật truyền thống: Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong MASSIVE MIMO vượt trội hơn về khả năng giảm nhiễu và tăng cường vùng phủ so với các hệ thống MIMO truyền thống, đặc biệt trong các dải tần số cao như mmWave.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả trên là do kỹ thuật định hướng đa búp sóng tận dụng được khả năng xử lý tín hiệu không gian để tạo ra các chùm tia hẹp, tập trung năng lượng và giảm thiểu nhiễu từ các hướng không mong muốn. Việc sử dụng bộ lọc không gian FIR với thiết kế cân bằng độ dốc giúp giảm hiện tượng Gibb’s và cải thiện mức thùy bên, từ đó nâng cao chất lượng tín hiệu.

So sánh với các nghiên cứu khác, kết quả mô phỏng phù hợp với các báo cáo quốc tế về hiệu quả của kỹ thuật beamforming trong MASSIVE MIMO, đồng thời khẳng định tính khả thi của việc áp dụng kỹ thuật này trong mạng 5G tại Việt Nam. Các biểu đồ mô phỏng thể hiện rõ sự khác biệt về mức thùy bên và độ rộng chùm tia giữa các bộ lọc, cũng như sự cải thiện SINR khi áp dụng điều khiển công suất Max-Min trong quản lý chùm tia.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật cho việc triển khai các giải pháp beamforming trong mạng 5G, góp phần nâng cao hiệu suất mạng và trải nghiệm người dùng, đồng thời giảm thiểu chi phí năng lượng và tăng cường bảo mật hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong các trạm gốc 5G: Các nhà mạng cần áp dụng kỹ thuật beamforming với bộ lọc không gian FIR được thiết kế tối ưu để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ và vùng phủ sóng, ưu tiên triển khai tại các khu vực đô thị có mật độ người dùng cao. Thời gian thực hiện: 1-2 năm.
2. Phát triển thuật toán quản lý chùm tia thích ứng: Nghiên cứu và ứng dụng các thuật toán thích ứng mù và không mù để tối ưu hóa việc tạo và điều chỉnh chùm tia trong môi trường mạng động, nhằm giảm thiểu nhiễu và tăng cường chất lượng dịch vụ. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ. Thời gian: 2 năm.
3. Tăng cường đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ kỹ sư viễn thông: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật MASSIVE MIMO và beamforming, giúp nhân lực đáp ứng yêu cầu triển khai và vận hành mạng 5G hiệu quả. Thời gian: liên tục.
4. Đầu tư phát triển phần cứng và hạ tầng hỗ trợ: Cải tiến thiết bị ăng ten và bộ xử lý tín hiệu để giảm thiểu tạp âm và tăng khả năng xử lý thời gian thực, đồng thời xây dựng hạ tầng mạng lõi Nano phù hợp với yêu cầu của mạng 5G SA. Chủ thể: nhà sản xuất thiết bị và nhà mạng. Thời gian: 3 năm.

Các giải pháp này nhằm mục tiêu nâng cao chỉ số SINR, giảm tỷ lệ lỗi bit (BER) và tăng hiệu quả sử dụng phổ tần, góp phần thúc đẩy phát triển mạng 5G bền vững và hiệu quả.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành viễn thông: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật định hướng đa búp sóng và MASSIVE MIMO, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ mạng 5G.
2. Doanh nghiệp viễn thông và nhà mạng: Tham khảo để áp dụng các giải pháp kỹ thuật nâng cao hiệu suất mạng, tối ưu hóa vùng phủ và chất lượng dịch vụ trong triển khai mạng 5G.
3. Các nhà hoạch định chính sách và cơ quan quản lý viễn thông: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách cấp phép phổ tần và quy hoạch hạ tầng mạng phù hợp với xu hướng công nghệ mới.
4. Nhà sản xuất thiết bị viễn thông: Hướng dẫn thiết kế và phát triển phần cứng, thuật toán xử lý tín hiệu phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của mạng 5G và MASSIVE MIMO.

Mỗi nhóm đối tượng có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao năng lực chuyên môn, cải thiện hiệu quả hoạt động và thúc đẩy đổi mới sáng tạo trong lĩnh vực viễn thông.

Câu hỏi thường gặp

1. Kỹ thuật định hướng đa búp sóng là gì và tại sao quan trọng trong mạng 5G?
   Kỹ thuật này tạo ra nhiều chùm tia hẹp tập trung năng lượng sóng về phía người dùng, giúp tăng cường chất lượng tín hiệu và hiệu quả sử dụng phổ. Đây là yếu tố then chốt để đáp ứng yêu cầu tốc độ cao và độ trễ thấp của mạng 5G.

2. MASSIVE MIMO khác gì so với MIMO truyền thống?
   MASSIVE MIMO sử dụng số lượng lớn ăng ten (hàng trăm đến hàng ngàn) tại trạm phát sóng, tạo ra nhiều kênh truyền song song hơn, tăng dung lượng và giảm nhiễu so với MIMO truyền thống chỉ dùng vài ăng ten.

3. Băng tần mmWave có vai trò gì trong mạng 5G?
   Băng tần mmWave cung cấp băng thông rộng và tốc độ truyền dữ liệu cực cao, phù hợp cho các khu vực đô thị đông đúc. Tuy nhiên, nó có phạm vi phủ sóng hạn chế và dễ bị ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường, do đó cần kỹ thuật beamforming để tối ưu hóa.

4. Phương pháp mô phỏng trong nghiên cứu này như thế nào?
   Sử dụng phần mềm MATLAB mô phỏng các bộ định dạng chùm băng hẹp và băng rộng với mảng ăng ten từ 17 đến 31 phần tử, đánh giá mức thùy bên, chiều rộng chùm tia và hiệu quả sử dụng phổ trong hệ thống MASSIVE MIMO.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
   Các nhà mạng và doanh nghiệp có thể triển khai kỹ thuật beamforming trong trạm gốc 5G, phát triển thuật toán quản lý chùm tia thích ứng và nâng cấp phần cứng ăng ten để cải thiện hiệu suất mạng và trải nghiệm người dùng.

Kết luận

• Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO là giải pháp hiệu quả để nâng cao chất lượng tín hiệu và hiệu quả sử dụng phổ trong mạng 5G.
• Bộ định dạng chùm băng hẹp và băng rộng được thiết kế tối ưu giúp giảm mức thùy bên và duy trì độ lợi trên băng tần rộng từ 1 GHz đến 3 GHz.
• Mô phỏng cho thấy kỹ thuật này cải thiện đáng kể SINR và vùng phủ sóng so với các kỹ thuật truyền thống.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật cho việc triển khai mạng 5G tại Việt Nam và quốc tế.
• Các bước tiếp theo bao gồm phát triển thuật toán quản lý chùm tia thích ứng, nâng cấp phần cứng và đào tạo nhân lực để ứng dụng rộng rãi kỹ thuật này trong thực tế.

Để thúc đẩy phát triển mạng 5G hiệu quả, các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý cần phối hợp triển khai các giải pháp kỹ thuật và chính sách phù hợp, đồng thời tiếp tục nghiên cứu nâng cao công nghệ định hướng đa búp sóng trong MASSIVE MIMO.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Chương này sẽ trình bày khái quát quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động, các tiêu chuẩn, đặc điểm của hệ thống đã được ứng dụng trên thế giới cho đến nay. Đồng thời cũng trình bày tổng quan về kiến trúc mạng, kỹ thuật truyền dẫn và mạng lõi nano trong hệ thống thông tin di động 5G. Sự phát triển của hệ thống thông tin di động 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 chỉ cung cấp dịch vụ thoại.

Thế hệ thứ 2 (2G) là công nghệ di động kỹ thuật số, cung cấp dịch vụ thoại và cả dữ liệu xuất hiện vào thập kỷ 90. Thế hệ thứ 3 (3G) bắt đầu xuất hiện từ năm 2001 với đặc trưng bởi việc cung cấp dịch vụ thoại, dữ liệu và đa phương tiện với tốc độ cao. Thế hệ 4G bắt đấu xuất hiện vào những năm 2009 và được triển khai thương mại hóa từ năm 2012 trở đi, cung cấp các dịch vụ truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn thế hệ 3G hàng chục lần. Thế hệ 5G bắt đấu xuất hiện từ năm 2018 đã được công bố trong bản phát hành 3GPP-15.1 cho ta thấy sự thay đổi về công nghệ từ 1G dến 5G.1: Lịch sử phát triển mạng di động [11] 1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) Hệ mạng di động đầu tiên hay 1G được giới thiệu và ra mắt tại Tokyo Nhật vào năm 1979.

Hệ thống thông tin di động 1G ứng dụng các công nghệ truyền dẫn tương tự Luan van 4 để truyền tín hiệu thoại. Sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) và điều chế tần số (FM) có những đặc điểm sau: - Mỗi máy di động được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến. - Hệ thống hoạt động chỉ cung cấp dịch vụ thoại đơn đơn thuần cho người sử dụng. - Trạm thu phát gốc phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi máy di động.

- Sử dụng các thuật chuyển mạch tương tự - Do phân bố tần số rất hạn chế, lên hệ thống có dung lượng nhỏ. - Không đảm bảo tính bí mật cuộc gọi vì các cuộc gọi không được mã hóa. - Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau. - Vùng phủ sóng kém và chất lượng âm thanh thấp.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) Hệ thống thông tin di động 2G được đặc trưng bởi công nghệ chuyển mạch kỹ thuật số, sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA và đa truy nhập phân chia theo mã CDMA với những đặc điểm như sau: - Phương thức đa truy nhập: Sử dụng đa truy nhập TDMA và CDMA băng hẹp.

- Sử dụng chuyển mạch kênh. - Ngoài dịch vụ thoại thì có thêm các dịch vụ mới như: tin nhắn, truyền dữ liệu. - 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 và chống nhiễu kênh kề hiệu quả hơn, làm tăng dung lượng hệ thống, đảm bảo chất lượng thông tin.

- Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn, dung lượng tăng, báo hiệu dễ dàng xử lý bằng phương pháp số. - Điều khiển động việc cấp phát kênh một cách liên tục giúp cho việc sử dụng tần số hiệu quả hơn Luan van 5 - Độ rộng dải thông băng tần của hệ thống còn nhỏ nên các dịch vụ ứng dụng cũng bị hạn chế - Tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động 2G là không thống nhất, do đó việc chuyển giao, triển khai thương mại mạng 2G gặp nhiều khó khăn.3 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) có những đặc điểm sau: - Các dịch vụ số liệu được cải tiến (Tố c độ bit cao hơ n, hỗ trợ kế t nố i Internet) - Hỗ trợ thêm phư ơ ng thứ c chuyể n mạ ch gói. - Cung cấ p các dị ch vụ bổ sung như : chuyể n hư ớ ng cuộ c gọ i, hiể n thị tên chủ gọ i, chuyể n giao cuộ c gọ i và các dị ch vụ cấ m gọ i mớ i.

- Cung cấ p các dị ch vụ mạ ng mớ i và cả i thiệ n các dị ch vụ liên quan đế n truyề n số liệ u như nén số liệ u củ a ngư ờ i sử dụ ng, số liệ u chuyể n mạ ch kênh tố c độ cao, dị ch vụ vô tuyế n gói đa năng. - Cả i thiệ n các dich vụ liên quan đế n SMS (Short Message Service) như : mở rộ ng bả n chữ cái, mở rộ ng tư ơ ng tác giữ a các SMS. - Hỗ trợ các dị ch vụ mạ ng thông minh. Luan van 6 - Cả i thiệ n các dị ch vụ chung như : dị ch vụ đị nh vị , tư ơ ng tác vớ i các hệ thố ng thông tin di độ ng vệ tinh và hỗ trợ đị nh tuyế n tố i ư u.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) Liên minh viễ n thông quố c tế ITU đã đư a ra đề án tiêu chuẩ n hóa thông tin di độ ng thế hệ thứ ba (3G) vớ i tên gọ i IMT- 2000(InternationalMobile Telecommunications for the Year 2000).

Trong đó có hai hệ thố ng WCDMA và CDMA-2000 đư a vào hoạ t độ ng vào nhữ ng năm đầ u củ a thậ p kỷ 2000. Các hệ thố ng này đề u sử dụ ng công nghệ Đa truy nhậ p phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access). Điề u này cho phép thự c hiệ n tiêu chuẩ n toàn cầ u cho giao diệ n vô tuyế n củ a hệ thố ng thông tin di độ ng 3G. Một số hệ thống thông tin di động 3G điển hình như sau: - UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) đôi khi còn đư ợ c gọ i là 3GSM, sử dụ ng kỹ thuậ t đa truy nhậ p phân chia theo mã băng rông WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access).

UMTS đư ợ c chuẩ n hóa bở i 3GPP (3rd Generation Partnership project). WCDMA UMTS là công nghệ 3G đư ợ c lự a chọ n bở i hầ u hế t các nhà cung cấ p dị ch vụ GSM/GPRS để đi lên 3G.Tố c độ dữ liệ u tố i đa UMTS cung cấ p là 1920 kb/s, tuy nhiên thự c tế tố c độ này chỉ khoả ng 384 kb/s. Để cả i tiế n tố c độ dữ liệ u củ a 3G, hai kỹ thuậ t HSDPA và HSUPA đã đư ợ c đề xuấ t. Khi cả hai kỹ thuậ t này đư ợ c triể n khai, ngư ờ i ta gọ i chung là HSDPA.

Luan van 7 - HSDPA thư ờ ng đư ợ c biế t đế n như là hệ thố ng thông tin di độ ng 3,5G. Kỹ thuậ t này cho phép ngư ờ i dùng Upload thông tin vớ i tố c độ lên tớ i 5,8 Mb/s về mặ t lý thuyế t. HSDPA: Tăng tố c độ đư ờ ng xuố ng (Downlink) lên tố c độ tố i đa trên lý thuyế t là 14,4 Mb/s, như ng trong thự c tế nó chỉ đạ t tầ m 1,8 Mb/s đế n 3,6 Mb/s. - CDMA2000 đư ợ c triể n khai trên cơ sở CDMA2000 1xRTT, đạ i diệ n cho họ công nghệ cao gồ m các chuẩ n: CDMA2000 EV-DO (Evolution – Data Optimized) và CDMA2000 EV-DV (Evolution – Data and Voice).

CDMA2000 đư ợ c chuẩ n hóa bở i 3GPP2. CDMA2000 là công nghệ 3G đư ợ c lự a chọ n bở i các nhà cung cấ p mạ ng sử dụ ng CDMA. CDMA2000 EV-DO: sử dụ ng mộ t kênh dữ liệ u 1,25MHz chuyên biệ t và có thể cho tố c độ dữ liệ u lên đế n 2,4 Mb/s cho đư ờ ng xuố ng và 153 Kb/s cho đư ờ ng lên. 1xEV-DO Rev A hỗ trợ truyề n thông gói IP, tăng tố c độ đư ờ ng xuố ng đế n 3,1 Mb/s và đặ c biệ t có thể đẩ y tố c độ đư ờ ng lên đế n 1,2 Mb/s.

Bên cạ nh đó, 1xEV-DO Rev B cho phép ghép 15 kênh 1,25MHz lạ i để truyề n dữ liệ u vớ i tố c độ lên đế n 73,5 Mb/s. CDMA2000 EV-DV: tích hợ p thoạ i và dữ liệ u trên Luan van 8 cùng mộ t kênh 1,25MHz. CDMA2000 EV-DV cung cấ p tố c độ đỉ nh lên đế n 4,8 Mb/s cho đư ờ ng xuố ng và 307 Kb/s cho đư ờ ng lên. - TD-SCDMA (Time Division – Synchronous Code Division Multiple Access) TD-SCDMA là chuẩ n di độ ng đư ợ c đề nghị bở i CCSA (China Communications Standards Accociation) và đư ợ c ITU duyệ t vào năm 1999.

Đây là chuẩ n 3G củ a Trung Quố c, dùng kỹ thuậ t song công TDD (Time Division Duplex). TD-SCDMA có thể hoạ t độ ng trên mộ t dả i tầ n hẹ p 1,6MHz (cho tố c độ 2 Mb/s) hay 5MHz (cho tố c độ 6 Mb/s).5 Hệ thống thông tin di động tiền 4G (pre-4G) Công nghệ tiề n 4G là bư ớ c chuẩ n bị để nâng cấ p từ công nghệ 3G lên 4G, ở mộ t số nơ i, ngư ờ i ta còn gọ i đây là mạ ng 3,9G. Mộ t số công nghệ tiề n 4G có thể kể đế n là: LTE (Long Term Evolution), WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access), UMB (Ultra Mobile Broadband). Luan van 9 3GPP LTE: là hệ thố ng tiế p theo cầ n hư ớ ng tớ i củ a hệ thố ng mạ ng 3G dự a trên công nghệ di độ ng GSM/UMTS, và là mộ t trong nhữ ng công nghệ tiề m năng nhấ t cho truyề n thông di độ ng thế hệ thứ tư (4G).

3GPP LTE có khả năng cấ p phát phổ tầ n linh độ ng và hỗ trợ các dị ch vụ đa phư ơ ng tiệ n vớ i tố c độ trên 100 Mb/s khi di chuyể n vớ i tố c độ 3km/h, và đạ t 30 Mb/s khi di chuyể n vớ i tố c độ cao khoả ng 120km/h, tố c độ này nhanh hơ n gấ p 7 lầ n so vớ i tố c độ truyề n dữ liệ u củ a công nghệ HDSPA.