Giới thiệu về Kỹ Thuật Mạng Di Động: GSM, 3G-WCDMA, LTE và Đường Đến 5G

Kỹ thuật mạng di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ công nghệ GSM đến 5G. 401 trang · University of Sydney · 2018.

• Tác giả: Alexander Kukushkin
• Người hướng dẫn: PTS. Branka Vucetic
• Trường học: University of Sydney
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Mạng Di Động
• Đề tài: Kỹ Thuật Mạng Di Động: Từ GSM, 3G-WCDMA, LTE Đến 5G
• Loại tài liệu: sách
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hoboken, NJ

Mục lục chi tiết

• Foreword
• Acknowledgements
• Abbreviations
• 1. Chương 1: Introduction
• 2. Chương 2: Types of Mobile Network by Multiple-Access Scheme
• 3. Chương 3: Cellular System
• 3.1. Carrier-to-Interference Ratio
• 3.2. Formation of Clusters
• 3.3. Problem 3
• 4. Chương 4: Radio Propagation
• 4.1. Free-Space Propagation
• 4.2. Propagation Models for Path Loss (Global Mean) Prediction
• 5. Chương 5: Mobile Radio Channel
• 5.1. Narrowband Flat Channel
• 5.2. Wideband Frequency Selective Channel
• 5.2.1. Worked Examples
• 5.3. Shadowing/Slow Fading
• 5.4. Fast Fading/Rayleigh Fading
• 5.5. Diversity to Mitigate Multipath Fading
• 5.5.1. Space and Polarization Diversity
• 5.6. Receiver Noise Factor (Noise Figure)
• 6. Chương 6: Radio Network Planning
• 6.1. Generic Link Budget
• 6.1.1. Receiver Sensitivity Level
• 6.1.2. Rayleigh Fading Margin
• 6.1.3. Lognormal Fading Margin
• 6.1.4. Car Penetration Loss
• 6.1.5. Building Penetration Loss
• 6.1.6. Outdoor-to-Indoor Design Level
• 6.2. Power Link Budget
• 6.3. Problem 3
• 7. Chương 7: Global System Mobile, GSM, 2G
• 7.1. General Concept for GSM System Development
• 7.2. GSM System Architecture
• 7.2.1. Location Area Identity (LAI)
• 7.2.2. The SIM Concept
• 7.2.3. User Addressing in the GSM Network
• 7.2.4. International Mobile Station Equipment Identity (IMEI)
• 7.2.5. International Mobile Subscriber Identity (IMSI)
• 7.2.6. Different Roles of MSISDN and IMSI
• 7.2.7. Mobile Station Routing Number
• 7.2.8. Calls to Mobile Terminals
• 7.2.9. Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI)
• 7.2.10. Security-Related Network Functions: Authentication and Encryption
• 7.2.11. Operation and Maintenance Security
• 7.3. Radio Specifications
• 7.3.1. MAHO and Measurements Performed by Mobile
• 7.3.2. Time Slot and Burst
• 7.3.2.1. Frequency Correction Burst (FB)
• 7.4. GSM Adaptation to a Wideband Propagation Channel
• 7.4.1. Training Sequence and Equalization
• 7.4.2. The Channel Equalization
• 7.4.3. Diversity Against Fast Fading
• 7.4.4. Background for the Choice of Radio Parameters
• 7.4.4.1. Guard Period, Timing Advance
• 7.5. Communication Channels in GSM
• 7.5.1. Common Control Channels
• 7.5.2. Dedicated Control Channels
• 7.5.3. Mapping the Logical Channels onto Physical Channels
• 7.5.4. Transmission of User Information: Fast Associated Control Channel
• 7.5.5. Signalling Multiframe, 51-Frame Multiframe
• 7.6. Signalling Procedures over the Air Interface
• 7.6.1. Synchronization to the Base Station
• 7.6.2. Registering With the Base Station
• 7.7. Signalling During a Call
• 7.7.1. Measuring the Signal Levels from Adjacent Cells
• 7.7.2. Intra-Cell and Inter-Cell Handover
• 7.7.3. Intra- and Inter-BSC Handover
• 7.7.4. Intra- and Inter-MSC Handover
• 7.7.5. Intra- and Inter-PLMN Handover
• 7.8. Signal Processing Chain
• 7.8.1. Speech and Channel Coding
• 7.8.2. Reordering and Interleaving of the TCH
• 7.9. Estimating Required Signalling Capacity in the Cell
• 7.9.1. SDCCH Configuration
• 7.10. Problem 1
• 7.11. References
• 8. Chương 8: EGPRS: GPRS/EDGE
• 8.1. GPRS Support Nodes
• 8.2. GPRS Procedures in Packet Call Setups
• 8.3. GPRS Mobility Management
• 8.3.1. Mobility Management States
• 8.3.2. PDP Context Activation
• 8.4. Layered Overview of the Radio Interface
• 8.4.1. Radio Link Layer
• 8.4.1.1. RLC Block Structure
• 8.4.2. GPRS Logical Channels
• 8.4.3. Mapping to Physical GPRS Channels
• 8.4.3.1. Downlink Radio Channel
• 8.4.3.2. Uplink Radio Channel
• 8.4.3.3. DL TBF Establishment
• 8.4.4. EGPRS Channel Coding and Modulation
• 8.5. GPRS/GSM Territory in a Base-Station Transceiver
• 8.5.1. PS Capacity in the Base Station/Cell
• 8.6. Summary
• 8.7. References
• 9. Chương 9: Third Generation Network (3G), UMTS
• 9.1. The WCDMA Concept
• 9.1.1. Open-Loop Power Control
• 9.1.2. Outer-Loop Power Control
• 9.1.3. RAKE Reception
• 9.2. Major Parameters of 3G WCDMA Air Interface
• 9.3. Spectrum Allocation for 3G WCDMA
• 9.3.1. Bearer Service and QoS
• 9.4. UMTS Reference Network Architecture and Interfaces
• 9.4.1. The NodeB (Base Station) Functions in the 3G Network
• 9.4.2. Role of the RNC in 3G Network
• 9.5. Air-Interface Architecture and Processing
• 9.5.1. Medium Access Control (MAC) on Layer 2
• 9.5.2. Radio Link Control (RLC) on Layer 2
• 9.5.3. RRC on Layer 3 in the Control Plane
• 9.6. Channels on the Air Interface
• 9.6.1. Dedicated Transport Channel (DCH)
• 9.6.2. Common Transport Channels
• 9.6.3. Physical Channels and Physical Signals
• 9.6.4. Parameters of the Transport Channel
• 9.7. Physical-Layer Procedures
• 9.7.1. Processing of Transport Blocks
• 9.7.2. Spreading and Modulation
• 9.7.3. Modulation Scheme in UTRAN FDD
• 9.7.4. Composition of the Physical Channels
• 9.7.4.1. Dedicated Physical Channel
• 9.7.4.2. Common Downlink Physical Channels
• 9.7.5. RRC Connected Mode
• 9.7.6. RRC Connection Procedures
• 9.7.7. RRC State Transition Cases
• 9.7.8. Admission Control Principle
• 9.7.9. Load/Congestion Control
• 9.8. Initial Access to the Network
• 9.9. Summary
• 9.10. References
• 10. Chương 10: High-Speed Packet Data Access (HSPA)
• 10.1. HSDPA, High-Speed Downlink Packet Data Access
• 10.2. HSPA RRM Functions
• 10.2.1. Channel-Dependent Scheduling for HS-DSCH
• 10.2.2. Rate Control, Dynamic Resource Allocation, Adaptive Modulation and Coding
• 10.2.3. Hybrid-ARQ with Soft Combining, HARQ
• 10.2.4. Retransmission Mechanism in the NodeB
• 10.2.5. Impact to Protocol Architecture
• 10.3. MAC-hs and Physical-Layer Processing
• 10.3.1. High-Speed Downlink Shared Channel (HS-DSCH)
• 10.3.2. HSDPA Control Channels
• 10.3.2.1. Fractional Downlink Power Control Channel
• 10.3.3. HS-DSCH Link Adaptation
• 10.4. Air-Interface Dimensioning
• 10.4.1. Input Parameters and Requirements
• 10.4.2. Traffic Demand Estimation
• 10.4.2.1. PS Data Services (Release 99)
• 10.4.2.2. HSPA Data Services
• 10.4.2.3. Standard Traffic Model
• 10.4.3. Uplink Load Factor
• 10.4.4. Downlink Load Factor
• 10.4.5. Link Budget for R99 Bearers
• 10.4.6. Link Budget for HSPA
• 10.4.7. Results of Link Budget: Cell Range Calculation, Balancing UL with DL
• 10.4.8. Link Budget for Common Pilot Channel Signal
• 10.4.9. Link Budget Calculation for the Shared Release 99 and HSDPA Carriers
• 10.5. Uplink Capacity Estimation
• 10.5.1. Required Bandwidth and Load for Multiple Bearers with GOS Considerations
• 10.5.2. Simplified Estimation of HSDPA Throughput Capacity
• 10.6. Summary
• 10.7. References
• 11. Chương 11: 4G-Long Term Evolution (LTE) System
• 11.1. Architecture of an Evolved Packet System
• 11.2. LTE Integration with Existing 2G/3G Network
• 11.2.1. EPS Reference Points and Interfaces
• 11.2.2. LTE UE Category
• 11.3. QoS in LTE
• 11.3.1. Idle Mode Mobility
• 11.3.2. ECM-CONNECTED Mode Mobility
• 11.3.3. Inter-eNB Handover
• 11.3.4. 3GPP Inter-RAT Handover
• 11.3.5. Differences in E-UTRAN and UTRAN Mobility
• 11.4. LTE Radio Interface
• 11.5. Principle of OFDM
• 11.6. OFDM Implementation using IFFT/FFT Processing
• 11.7. Channel Estimation and Reference Symbols
• 11.8. OFDM Subcarrier Spacing
• 11.9. Output RF Spectrum Emissions
• 11.10. LTE Multiple-Access Scheme, OFDMA
• 11.11. Single-Carrier FDMA (SC-FDMA)
• 11.12. OFDMA versus SC-FDMA Operation
• 11.13. SC-FDMA Receiver
• 11.14. User Multiplexing with DFTS-OFDM
• 11.15. Cyclic Delay Diversity (CDD)
• 11.16. Link Adaptation and Frequency Domain Packet Scheduling
• 11.17. Radio Protocol Architecture
• 11.17.1. Logical and Transport Channels
• 11.17.2. RRC State Machine
• 11.17.3. Time-Frequency Structure of the LTE FDD Physical Layer
• 11.18. Downlink Physical Layer Processing
• 11.18.1. Multiplexing and Channel Coding for Downlink Transport Channels
• 11.18.2. CRC Computation and Attachment to the Transport Block
• 11.18.3. Code Block Segmentation and Code Block CRC Attachment
• 11.18.4. Rate Matching for Turbo Coded Transport Channels
• 11.18.5. Downlink Control Information Coding
• 11.18.6. Physical Channel Processing
• 11.18.6.1. Bit-Level Scrambling
• 11.18.6.2. Mapping to Resource Elements
• 11.18.6.3. Downlink Reference Signals
• 11.19. Downlink Control Channels
• 11.19.1. Structure of the Synchronization Channel
• 11.19.2. Time-Domain Position of Synchronization Signals
• 11.19.3. Frequency Domain Structure of Synchronization Signals
• 11.19.3.1. PSS Structure
• 11.19.4. Physical Control Format Indicator Channel: PCFICH
• 11.19.5. PHICH, Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel
• 11.20. Mapping the Control Channels to Downlink Transmission Resources
• 11.21. Uplink Control Signalling
• 11.21.1. Processing of the Uplink Shared Transport Channel
• 11.21.2. Channel Coding of Control Information
• 11.21.3. Multiplexing and Channel Interleaving
• 11.21.4. Processing for Physical Uplink Shared Channel
• 11.21.5. Physical Uplink Control Channel, PUCCH
• 11.21.6. Multiplexing of UEs Within a PUCCH
• 11.21.7. Physical Random Access Channel (PRACH)
• 11.22. Uplink Reference Signals
• 11.22.1. Mapping of Reference Signals to the Uplink Frame Structure
• 11.23. Physical-Layer Procedures
• 11.23.1. Random Access Procedure
• 11.24. LTE Radio Dimensioning
• 11.24.1. LTE Coverage Dimensioning: Link Budget
• 11.24.1.1. Physical-Layer Overhead Factors
• 11.24.1.2. Multi-Antenna Systems
• 11.24.1.3. Link Budget Margins
• 11.24.1.4. Maximum Allowable Path Loss (MAPL)
• 11.24.2. Cell Range and Cell Capacity
• 11.25. Summary
• 11.26. References
• 12. Chương 12: LTE-A
• 12.1. Coordinated Multi-Point Operation (CoMP)
• 12.2. Relay Radio Access
• 12.3. Resource Assignment for DeNB-RN Link in a Type 1 Relay
• 12.4. Enhanced Physical Downlink Control Channel (E-PDCCH)
• 12.5. Downlink Multiuser Superposition, MUST
• 12.6. Summary of LTE-A Features
• 12.7. References
• 13. Chương 13: Further Development for the Fifth Generation
• 13.1. Overall Operational Requirements for a 5G Network System
• 13.2. Technologies to Enhance the Radio Interface
• 13.2.1. Advanced Modulation-and-Coding Schemes
• 13.2.2. Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA)
• 13.2.3. Active Antenna System (AAS)
• 13.2.4. 3D Beamforming and Multiuser MIMO (MU-MIMO)
• 13.2.5. Full Duplex Mode
• 13.3. Technologies to Enhance Network Architectures
• 13.3.1. Software-Defined Network
• 13.3.2. Self-Organized Network, SON
• 13.4. Architecture Reference Model
• 13.5. Network Slicing Support
• 13.5.1. Network Slice Selection Assistance Information (NSSAI)
• 13.5.2. Selection of a Serving AMF Supporting the Network Slices
• 13.5.3. UE Context Handling
• 13.6. NG-RAN Architecture
• 13.7. NG-RAN Distributed Architecture
• 13.8. Radio Protocol Architecture
• 13.9. NR Physical Channels and Modulation
• 13.9.1. Physical-Layer Design Requirements
• 13.9.2. Frame Structure and Physical Resources
• 13.10. Frames and Subframes
• 13.11. Uplink Physical Channels and Signals
• 13.12. Downlink Physical Channels and Signals
• 13.13. SS/PBCH Block
• 13.14. Coding and Multiplexing
• 13.15. NR Dual Connectivity
• 13.16. E-UTRA and NR Multi-RAT Dual Connectivity
• 13.16.1. Bearer Types for MR-DC Between LTE and NR
• 13.16.2. MR-DC User-Plane Connectivity
• 13.17. Summary
• 13.18. References
• 14. Chương 14: Annex: Base-Station Site Solutions
• 14.1. The Base-Station OBSAI Architecture
• 14.2. Common Public Radio Interface, CPRI
• 14.3. SDR and Multiradio BTS
• 14.4. Site Solution with OBSAI Type Base Stations
• 14.5. C-RAN Site Solutions
• 14.6. References
• Index

Tóm tắt

I. Tổng quan về Kỹ Thuật Mạng Di Động GSM 3G WCDMA LTE và 5G

Kỹ thuật mạng di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ công nghệ GSM đến 5G. Mỗi thế hệ mạng di động mang lại những cải tiến đáng kể về tốc độ, độ tin cậy và khả năng kết nối. GSM, ra đời vào những năm 1990, đã đặt nền móng cho các công nghệ di động sau này. Tiếp theo là 3G-WCDMA, mang lại tốc độ dữ liệu cao hơn và khả năng truyền tải đa phương tiện. LTE, hay 4G, đã cải thiện đáng kể tốc độ và hiệu suất mạng. Cuối cùng, 5G hứa hẹn sẽ mang lại tốc độ siêu nhanh và khả năng kết nối hàng triệu thiết bị cùng lúc.

1.1. Lịch sử phát triển của mạng di động từ GSM đến 5G

Mạng di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển. GSM là công nghệ đầu tiên, cung cấp dịch vụ thoại cơ bản. 3G-WCDMA đã cải thiện tốc độ và khả năng truyền tải dữ liệu. LTE mang lại tốc độ cao hơn và khả năng kết nối tốt hơn. Cuối cùng, 5G đang mở ra một kỷ nguyên mới với tốc độ và độ tin cậy vượt trội.

1.2. Các công nghệ chính trong mạng di động hiện nay

Các công nghệ chính trong mạng di động bao gồm GSM, 3G-WCDMA, LTE và 5G. Mỗi công nghệ có những đặc điểm riêng, từ tốc độ truyền tải đến khả năng kết nối. GSM là nền tảng, trong khi 3G và LTE đã cải thiện đáng kể hiệu suất mạng. 5G đang được triển khai với nhiều tính năng mới.

II. Thách thức trong việc triển khai mạng di động hiện đại

Việc triển khai mạng di động hiện đại gặp nhiều thách thức, bao gồm vấn đề về băng thông, độ trễ và khả năng kết nối. Các nhà mạng phải đối mặt với nhu cầu ngày càng tăng về dữ liệu và tốc độ. Ngoài ra, việc tích hợp các công nghệ mới vào hạ tầng hiện có cũng là một thách thức lớn. Đặc biệt, việc triển khai 5G đòi hỏi đầu tư lớn và sự chuẩn bị kỹ lưỡng.

2.1. Vấn đề băng thông và tốc độ truyền tải

Băng thông là một trong những thách thức lớn nhất trong mạng di động. Với sự gia tăng người dùng và thiết bị kết nối, nhu cầu về băng thông ngày càng cao. Các công nghệ mới như 5G cần phải cung cấp tốc độ truyền tải cao hơn để đáp ứng nhu cầu này.

2.2. Độ trễ và khả năng kết nối trong mạng di động

Độ trễ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến trải nghiệm người dùng. Mạng di động cần giảm thiểu độ trễ để đảm bảo các dịch vụ như video call và game trực tuyến hoạt động mượt mà. Khả năng kết nối cũng cần được cải thiện để hỗ trợ hàng triệu thiết bị cùng lúc.

III. Phương pháp cải thiện hiệu suất mạng di động

Để cải thiện hiệu suất mạng di động, các nhà mạng đang áp dụng nhiều phương pháp khác nhau. Từ việc tối ưu hóa hạ tầng hiện có đến việc triển khai công nghệ mới như 5G, các giải pháp này đều nhằm mục đích nâng cao tốc độ và độ tin cậy của mạng. Việc sử dụng công nghệ như MIMO và beamforming cũng giúp cải thiện hiệu suất mạng.

3.1. Tối ưu hóa hạ tầng mạng hiện có

Tối ưu hóa hạ tầng mạng hiện có là một trong những phương pháp hiệu quả để cải thiện hiệu suất. Việc nâng cấp thiết bị và tối ưu hóa cấu hình có thể giúp tăng cường khả năng phục vụ người dùng mà không cần đầu tư lớn vào hạ tầng mới.

3.2. Triển khai công nghệ 5G và các giải pháp mới

Công nghệ 5G mang lại nhiều giải pháp mới cho mạng di động. Với tốc độ cao và độ trễ thấp, 5G có thể hỗ trợ nhiều ứng dụng mới như IoT và thực tế ảo. Việc triển khai 5G đòi hỏi sự chuẩn bị kỹ lưỡng và đầu tư lớn từ các nhà mạng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mạng di động trong đời sống

Mạng di động hiện nay không chỉ phục vụ cho việc liên lạc mà còn hỗ trợ nhiều ứng dụng trong đời sống hàng ngày. Từ việc sử dụng smartphone đến các ứng dụng IoT, mạng di động đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. Các dịch vụ như thanh toán điện tử, giao thông thông minh và y tế từ xa đều dựa vào mạng di động.

4.1. Ứng dụng IoT trong mạng di động

Internet of Things (IoT) đang trở thành một xu hướng lớn trong mạng di động. Các thiết bị IoT kết nối với mạng di động để truyền tải dữ liệu và nhận lệnh. Điều này giúp cải thiện hiệu suất và khả năng quản lý trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, giao thông và y tế.

4.2. Dịch vụ thanh toán điện tử và giao thông thông minh

Mạng di động hỗ trợ các dịch vụ thanh toán điện tử, giúp người dùng thực hiện giao dịch nhanh chóng và tiện lợi. Ngoài ra, giao thông thông minh cũng được cải thiện nhờ vào mạng di động, giúp quản lý lưu lượng và giảm ùn tắc.

V. Kết luận và tương lai của mạng di động

Mạng di động đã có những bước tiến vượt bậc từ GSM đến 5G. Tương lai của mạng di động hứa hẹn sẽ còn nhiều điều thú vị với sự phát triển của công nghệ mới. Các nhà mạng cần tiếp tục đầu tư và đổi mới để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng. Sự phát triển của mạng di động không chỉ ảnh hưởng đến ngành viễn thông mà còn tác động đến nhiều lĩnh vực khác trong xã hội.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ mạng di động

Xu hướng phát triển công nghệ mạng di động đang hướng tới việc cải thiện tốc độ và độ tin cậy. Các công nghệ mới như 5G và IoT sẽ tiếp tục được phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.

5.2. Tác động của mạng di động đến xã hội

Mạng di động không chỉ ảnh hưởng đến ngành viễn thông mà còn tác động đến nhiều lĩnh vực khác như y tế, giáo dục và giao thông. Sự phát triển của mạng di động sẽ tiếp tục thay đổi cách mà con người tương tác và làm việc.

Nội dung chính

TỔNG QUAN HỌC THUẬT: GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT MẠNG DI ĐỘNG (INTRODUCTION TO MOBILE NETWORK ENGINEERING)

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Introduction to Mobile Network Engineering: GSM, 3G-WCDMA, LTE and the Road to 5G do Tiến sĩ Alexander Kukushkin biên soạn, được nhà xuất bản John Wiley & Sons Ltd phát hành lần đầu vào năm 2018 (ISBN: 9781119484172 cho bản in bìa cứng, ISBN: 9781119484103 cho bản PDF; Mã phân loại LCC: TK5103.3845/6). Giáo trình được xây dựng dựa trên tập bài giảng giảng dạy cho chương trình đào tạo sau đại học (post-graduate) ngành Kỹ thuật Vô tuyến thuộc Khoa Kỹ thuật Điện và Thông tin (School of Electrical and Information Engineering) tại Đại học Sydney, Úc, theo lời mời của Giáo sư Branka Vucetic.

Về vị trí trong chương trình đào tạo, tài liệu phục vụ các học phần chuyên ngành về Kỹ thuật Mạng Vô tuyến, Hệ thống Thông tin Di động và Quy hoạch Mạng Viễn thông ở bậc đại học năm cuối và sau đại học. Mục tiêu học tập (learning outcomes) của giáo trình tập trung vào việc trang bị cho người học hiểu biết toàn diện về kiến trúc mạng, giao thức giao diện vô tuyến (Radio Interface Protocol Stack), cơ chế phân bổ tài nguyên, và phương pháp tính toán định cỡ mạng vô tuyến (Radio Network Dimensioning & Link Budget) cho ba thế hệ mạng di động thương mại cốt lõi: 2G (GSM), 3G (WCDMA/HSPA), 4G (LTE/LTE-A) cùng tiến trình chuyển dịch lên mạng 5G.

Cấu trúc giáo trình bao gồm 14 chương cùng phần Phụ lục giải pháp vị trí trạm gốc (Base-Station Site Solutions). Cách tiếp cận sư phạm của tác giả là phân tích hệ thống kỹ thuật thực tế dựa trên các bộ tiêu chuẩn quốc tế (3GPP, ETSI), hạn chế tối đa các chứng minh toán học trừu tượng nhằm gắn sát với thực tiễn vận hành và kỹ thuật tiền bán hàng trong ngành công nghiệp viễn thông. Trọng tâm nghiên cứu được đặt trực tiếp vào Mạng truy nhập vô tuyến (Radio Access Network - RAN).

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung giáo trình được triển khai theo một tiến trình logic tuyến tính, đi từ nguyên lý truyền dẫn tế bào cơ bản đến kiến trúc chi tiết của từng thế hệ mạng:

• Chương 1 đến Chương 3 (Tổng quan, Đa truy nhập và Hệ thống mạng tế bào): Khái quát 4 kỹ thuật đa truy nhập cơ bản: FDMA, TDMA, CDMA và OFDMA. Thiết lập mô hình tế bào hình lục giác, nguyên lý tái sử dụng tần số không gian (spatial frequency reuse), khoảng cách tái sử dụng $D = R\sqrt{3k}$ (với kích thước cụm $k = i^2 + ij + j^2$), tỷ số sóng mang trên nhiễu ($CIR = \frac{1}{6}(\frac{R}{D})^{-\gamma}$), kỹ thuật phân chia sector (sectorization 120°), hiệu ứng trung kế (trunking effect) và các công thức phân bố lưu lượng Erlang B, Erlang C.
• Chương 4 đến Chương 6 (Truyền sóng, Kênh vô tuyến di động và Quy hoạch mạng vô tuyến): Trình bày mô hình truyền sóng không gian tự do (Friis law: $P_r = G_r P_t G_t \frac{\lambda^2}{(4\pi R)^2}$), mô hình suy hao bán thực nghiệm (semi-empirical clutter models: $P_r = P_t + G_t + G_r + C_{CT} + C_d \log(R) + \dots$). Phân tích các thành phần suy hao gồm: trung bình toàn cục (global mean), fading chậm log-normal (shadowing), fading nhanh Rayleigh do đa đường (multipath), kỹ thuật phân tập không gian/phân cực, hệ số tạp âm máy thu và bài toán quỹ đường truyền công suất (Power Link Budget) xác định tổn hao đường truyền cho phép cực đại (Maximum Allowable Path Loss - MAPL).
• Chương 7 và Chương 8 (Hệ thống 2G GSM và EGPRS): Đi sâu vào kiến trúc GSM, các định danh người dùng và mạng (LAI, IMEI, IMSI, MSISDN, MSRN, TMSI), chức năng bảo mật (Authentication & Encryption), giao diện vô tuyến với cấu trúc khung đa tầng (51-Frame Multiframe), cấu trúc burst, cân bằng kênh (training sequence equalization), các loại kênh logic (kênh điều khiển CCCH, DCCH và kênh lưu lượng TCH), các cấp độ chuyển giao (Intra/Inter-cell, BSC, MSC, PLMN handover) và việc mở rộng mạng truyền dữ liệu gói qua GPRS/EDGE.
• Chương 9 và Chương 10 (Hệ thống 3G UMTS-WCDMA và HSPA): Phân tích giao diện vô tuyến WCDMA băng rộng, các cơ chế điều khiển công suất (Open-loop, Outer-loop Power Control), máy thu RAKE, ngăn xếp giao thức lớp 2 (MAC, RLC) và lớp 3 (RRC), các trạng thái kết nối RRC, thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM), điều khiển chấp nhận cuộc gọi (Admission Control), cùng kỹ thuật truyền dữ liệu gói tốc độ cao HSDPA với điều chế và mã hóa thích ứng (AMC), cơ chế HARQ và phương pháp định cỡ giao diện vô tuyến (Air-interface dimensioning).
• Chương 11 và Chương 12 (Hệ thống 4G LTE và LTE-Advanced): Trình bày kiến trúc Evolved Packet System (EPS), nguyên lý điều chế đa sóng mang trực giao OFDM/OFDMA ở đường xuống và SC-FDMA ở đường lên nhằm giảm tỷ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR). Cấu trúc khung vật lý FDD, các kênh vật lý (PCFICH, PHICH, PDCCH, PUSCH, PUCCH, PRACH), tín hiệu đồng bộ (PSS, SSS) và tín hiệu tham chiếu (RS). Mở rộng sang LTE-Advanced với kỹ thuật truyền nhận đa điểm phối hợp (CoMP), trạm lặp vô tuyến (Relay Radio Access) và truyền chồng lấn đa người dùng (MUST).
• Chương 13 và Chương 14 (Phát triển mạng 5G và Giải pháp trạm gốc): Giới thiệu các yêu cầu vận hành theo 3GPP Release 15 cho 5G New Radio (NR), kỹ thuật anten mảng chủ động (AAS), 3D Beamforming, Multi-User MIMO, kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao (NOMA), chế độ Full Duplex, mạng điều khiển bằng phần mềm (SDN), mạng tự tổ chức (SON), phân lát mạng (Network Slicing với NSSAI, AMF), cấu trúc NG-RAN, kết nối kép đa vô tuyến (MR-DC / EN-DC). Phụ lục cung cấp các kiến trúc vị trí trạm gốc: OBSAI, CPRI, vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) và mạng truy nhập vô tuyến tập trung (C-RAN).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập hệ thống lý thuyết cốt lõi qua ba trục kiến thức:

1. Lý thuyết truyền sóng và kênh vô tuyến: Xây dựng mô hình toán học cho suy hao năng lượng bức xạ trong không gian, sự phân tách ba thành phần suy hao (suy hao cự ly, suy hao che khuất diện rộng log-normal và suy hao đa đường Rayleigh), tính toán hệ số suy hao do môi trường (clutter loss factor từ 20 dB/dec đến 40 dB/dec).
2. Lý thuyết lưu lượng và xác suất nghẽn mạng (Teletraffic Theory): Nền tảng phân bố Erlang B đối với các yêu cầu không xếp hàng: $$P_n = \frac{A^n/n!}{\sum_{m=1}^n A^m/m!}$$ cho phép xác định phẩm chất dịch vụ (Grade of Service - GOS) và mối quan hệ phi tuyến giữa số lượng kênh tài nguyên khả dụng và lưu lượng tải phục vụ (hiệu suất trung kế).
3. Lý thuyết điều chế, mã hóa và đa truy nhập: Nguyên lý phân tách người dùng qua các miền không gian, thời gian, tần số, mã trải phổ và ma trận tiền mã hóa trực giao/phi trực giao.

Kỹ năng phát triển

Thông qua việc nghiên cứu giáo trình, người học hình thành các năng lực kỹ thuật cụ thể:

• Kỹ năng phân tích và tính toán Quỹ đường truyền (Link Budget Calculation): Xác định độ nhạy máy thu, độ dự trữ fading (Rayleigh Fading Margin, Lognormal Fading Margin), độ suy hao do xuyên thấu công trình/xe cộ để tìm ra giá trị MAPL và bán kính phủ sóng tế bào.
• Kỹ năng định cỡ mạng vô tuyến (Radio Network Dimensioning): Ước lượng nhu cầu lưu lượng trong giờ bận (Busy Hour Traffic), tính toán số kênh lưu lượng và cấu hình kênh điều khiển báo hiệu (SDCCH, PUCCH) cần thiết cho một quy mô thuê bao xác định.
• Kỹ năng đánh giá cấu hình hạ tầng: Phân tích ảnh hưởng của số lượng sector hóa trạm gốc (omni, 3-sector, 6-sector) đối với sự đánh đổi giữa mức cải thiện tỷ số CIR và độ suy giảm hiệu suất trung kế.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Tiếp cận sư phạm

Giáo trình triển khai phương pháp tiếp cận kỹ thuật ứng dụng. Mỗi công nghệ (GSM, WCDMA, LTE, 5G) đều được cấu trúc thống nhất thành 3 giai đoạn:

1. Giới thiệu tổng quan về khái niệm và kiến trúc mạng.
2. Phân tích chi tiết quy trình xử lý lớp vật lý, ngăn xếp giao thức và các thủ tục báo hiệu (Signalling Procedures) trên giao diện vô tuyến.
3. Tóm tắt kỹ thuật và định cỡ tài nguyên.

Tác giả hạn chế việc diễn giải các hệ phương trình phức tạp, thay vào đó sử dụng các tham số kỹ thuật chuẩn hóa theo 3GPP (như cấu trúc khe thời gian, mã trải phổ OVSF, khoảng cách sóng mang con OFDM 15 kHz, khối tài nguyên PRB) kết hợp sơ đồ khối chức năng để giải thích nguyên lý hoạt động.

Bài tập và bài toán ví dụ (Worked Examples & Problems)

Sách tích hợp các bài toán kỹ thuật mẫu có lời giải chi tiết, mô phỏng các tình huống thiết kế thực tế:

• Bài toán 1 (Chương 3): So sánh hiệu suất trung kế giữa 4 bộ chuyển mạch dung lượng 10 kênh với 1 bộ chuyển mạch dung lượng 40 kênh tại mức tải $\alpha = 25\text{ mErl}$ và $\text{GOS} = 1%$. Lời giải chỉ ra hệ thống thứ nhất phục vụ được 120 thuê bao/switch (tổng 480 thuê bao), trong khi hệ thống gộp 40 kênh phục vụ được 977 thuê bao, minh chứng định lượng cho hiệu ứng gom tài nguyên.
• Bài toán 2 (Chương 3): Phân tích hệ thống tế bào $k = 7$ có 395 kênh vô tuyến, thời gian giữ kênh 3 phút, xác suất nghẽn 1%. Kết quả tính toán chỉ rõ: cấu hình anten vô hướng (omni) đạt 884 cuộc gọi/giờ; cấu hình 3 sector đạt 672 cuộc gọi/giờ (giảm 24% hiệu suất trung kế); cấu hình 6 sector đạt 492 cuộc gọi/giờ (giảm 44% hiệu suất trung kế), làm rõ sự đánh đổi giữa việc giảm nhiễu đồng kênh và tổn thất trung kế.
• Bài toán 3 (Chương 3): Quy hoạch dung lượng mạng GSM 900 MHz cho trung tâm triển lãm phục vụ 1.000.000 khách/năm với thị phần nhà mạng 20%, lưu lượng giờ bận chiếm 30% ngày, phân bố tại tiền sảnh (50%), nhà triển lãm (40%) và bãi xe (10%). Qua bảng tra Erlang B với $\text{GOS} = 2%$, xác định chính xác số kênh cần cấu hình lần lượt là 6 kênh, 5 kênh và 3 kênh.

Hướng dẫn tự học và đánh giá

Người học có thể tự đánh giá thông qua hệ thống bài toán kiểm tra cuối mỗi chương, đối chiếu kết quả với bảng tra cứu Erlang B và các tham số kỹ thuật được tiêu chuẩn hóa. Giáo trình cung cấp danh mục chữ viết tắt (Abbreviations) hoàn chỉnh từ trang xxi đến xxviii, hỗ trợ việc tra cứu thuật ngữ chuyên sâu trong quá trình tự đọc tài liệu tiêu chuẩn 3GPP.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

• Tính bao quát và liền mạch của tiến trình công nghệ: Giáo trình trình bày chuỗi tiến hóa liên tục từ các mạng truyền thống chuyển mạch kênh (CS) 2G GSM, mở rộng sang truyền dữ liệu gói (PS) GPRS/EDGE, mạng thế hệ ba 3G WCDMA/HSPA, mạng thuần gói 4G LTE/LTE-A và định hướng kiến trúc mạng 5G.
• Cập nhật tiêu chuẩn 5G New Radio (3GPP Release 15): Giáo trình phản ánh các tiêu chuẩn của mạng 5G thời điểm 2018, bao gồm cấu trúc mạng lõi phân tán (5GC), các chức năng mạng AMF, SMF, UPF, cơ chế quản lý phân lát mạng (NSSAI), công nghệ đa truy nhập phi trực giao (NOMA), truyền thông độ trễ cực thấp và độ tin cậy cao (URLLC), băng rộng di động nâng cao (eMBB) và kết nối kép đa công nghệ truy nhập (MR-DC).
• Mô tả chi tiết giải pháp phần cứng trạm gốc hiện đại: Phụ lục (Chương 14) cập nhật các chuẩn giao tiếp công nghiệp như kiến trúc mở OBSAI, giao diện truyền dẫn vô tuyến công cộng CPRI giữa khối xử lý băng gốc (BBU) và khối vô tuyến từ xa (RRH), cùng mô hình triển khai mạng truy nhập vô tuyến tập trung (C-RAN).

Thế hệ / Công nghệ	Kỹ thuật đa truy nhập cốt lõi	Các thực thể kiến trúc & Khái niệm chính	Trọng tâm định cỡ & Tính toán
2G GSM / EDGE	Kết hợp FDMA / TDMA	BTS, BSC, MSC, HLR, VLR, SIM, IMSI, IMEI, TCH, SDCCH	Bảng Erlang B, Phân bổ tần số 7x3, Hiệu suất trung kế
3G UMTS / HSPA	CDMA (Trải phổ trực tiếp)	NodeB, RNC, UTRAN, RAKE Receiver, HS-DSCH, HARQ	Điều khiển công suất, Link Budget R99/HSPA, Dung lượng Cell
4G LTE / LTE-A	OFDMA (Downlink) / SC-FDMA (Uplink)	eNodeB, EPC (MME, S-GW, P-GW), PRB, CoMP, Relay, MUST	MAPL, Băng thông sóng mang con (15 kHz), Tỷ số PAPR
5G NR	OFDMA mở rộng, NOMA	gNodeB, 5GC (AMF, SMF, UPF), Network Slicing, AAS, MR-DC	3D Beamforming, Tải lát mạng (NSSAI), Phổ tần mmWave

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên đại học và học viên sau đại học: Sinh viên năm 3, năm 4 và học viên thạc sĩ/tiến sĩ thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Mạng máy tính và Truyền thông dữ liệu.
• Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần có kiến thức nền tảng về nguyên lý thông tin số (Fundamentals of Digital Communications), xử lý tín hiệu cơ bản và xác suất thống kê ứng dụng.
• Kỹ sư ngành công nghiệp viễn thông:
  • Kỹ sư vận hành và hỗ trợ mạng (Operation Support Engineers): Sử dụng tài liệu để nắm bắt cấu trúc bản tin báo hiệu, quy trình xử lý chuyển giao (handover) và các tham số tối ưu hóa chất lượng mạng.
  • Kỹ sư giải pháp và tiền bán hàng (Technical Sale / Pre-sale Engineers): Sử dụng các phương pháp tính toán quỹ đường truyền và định cỡ tài nguyên cell để xây dựng cấu hình thiết bị đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của khách hàng.
  • Quản lý kỹ thuật và quản lý tài khoản kỹ thuật (Technical & Account Managers): Dùng làm tài liệu tham chiếu tổng quan về tính năng của các thế hệ mạng 2G/3G/4G/5G.
• Giảng viên: Sử dụng các chương mục, sơ đồ giao thức và bài toán tính toán thực tế trong sách để biên soạn đề cương bài giảng và bài tập lớn học phần Thông tin Di động.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng nào nhất?

Tài liệu được thiết kế cho sinh viên sau đại học, sinh viên đại học ngành Kỹ thuật Viễn thông, cùng các kỹ sư đang ở giai đoạn đầu hoặc giữa sự nghiệp trong ngành công nghiệp không dây (kỹ sư vận hành mạng, kỹ sư pre-sale, quản lý kỹ thuật).

2. Cần chuẩn bị những kiến thức nền tảng nào trước khi nghiên cứu giáo trình?

Người đọc cần nắm vững các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật truyền thông số (digital communications). Giáo trình không yêu cầu các chứng minh toán học giải tích nâng cao do nội dung tập trung vào ứng dụng kỹ thuật và tiêu chuẩn công nghiệp.

3. Điểm khác biệt chính giữa giáo trình này và các tài liệu thông tin di động khác là gì?

Giáo trình tập trung chuyên sâu vào Mạng truy nhập vô tuyến (RAN) thay vì mạng lõi, bám sát các tiêu chuẩn kỹ thuật thực tế của 3GPP và ETSI. Cách trình bày giảm bớt suy diễn toán học lý thuyết, tập trung vào kiến trúc giao thức, thủ tục báo hiệu và các bài toán định cỡ mạng cụ thể.

4. Phương pháp tự học giáo trình như thế nào để đạt hiệu quả cao?

Người học nên tiếp cận từng thế hệ công nghệ theo ba bước:

1. Đọc phần khái niệm mở đầu để nắm kiến trúc tổng quát.
2. Đi sâu vào phần giao thức và các thủ tục báo hiệu trên giao diện vô tuyến.
3. Thực hành giải các bài tập ví dụ (Worked Examples/Problems) về tính toán dung lượng, quỹ đường truyền và đối chiếu với phần tóm tắt cuối mỗi chương.

5. Giáo trình có cung cấp các bảng biểu và dữ liệu tra cứu kỹ thuật không?

Có. Sách cung cấp bảng tra cứu phân bố lưu lượng Erlang B, các bảng thông số hiệu chỉnh mô hình truyền sóng bán thực nghiệm, danh mục chữ viết tắt chuyên ngành viễn thông và các sơ đồ cấu trúc vị trí trạm thu phát (OBSAI, CPRI, C-RAN).

---

Kết luận

Giáo trình Introduction to Mobile Network Engineering: GSM, 3G-WCDMA, LTE and the Road to 5G của tác giả Alexander Kukushkin hệ thống hóa toàn diện các nguyên lý kỹ thuật của Mạng truy nhập vô tuyến (RAN) qua 4 thế hệ công nghệ di động.

Lộ trình tiếp cận kiến thức được thiết kế chặt chẽ từ nền tảng tế bào, truyền sóng và lưu lượng (Chương 1–6), qua phân tích cấu trúc giao diện vô tuyến của GSM, WCDMA, LTE (Chương 7–12), đến các cải tiến kiến trúc của mạng 5G Release 15 và giải pháp trạm gốc (Chương 13–14). Cuối mỗi chương đều có danh mục tài liệu tham khảo (References) và bảng chỉ mục (Index) hỗ trợ việc tra cứu các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Introduction to Mobile Network Engineering Introduction to Mobile Network Engineering GSM, 3G-WCDMA, LTE and the Road to 5G Alexander Kukushkin PhD, Australia This edition first published 2018 © 2018 John Wiley & Sons Ltd All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise, except as permitted by law. Advice on how to obtain permission to reuse material from this title is available at http://www.com/go/permissions. The rights of Alexander Kukushkin to be identified as the author of this work has been asserted in accordance with law.

Registered Offices John Wiley & Sons, Inc., 111 River Street, Hoboken, NJ 07030, USA John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex, PO19 8SQ, UK Editorial Office The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex, PO19 8SQ, UK For details of our global editorial offices, customer services, and more information about Wiley products visit us at www. Wiley also publishes its books in a variety of electronic formats and by print-on-demand. Some content that appears in standard print versions of this book may not be available in other formats. Limit of Liability/Disclaimer of Warranty While the publisher and authors have used their best efforts in preparing this work, they make no representations or warranties with respect to the accuracy or completeness of the contents of this work and specifically disclaim all warranties, including without limitation any implied warranties of merchantability or fitness for a particular purpose.

No warranty may be created or extended by sales representatives, written sales materials or promotional statements for this work. The fact that an organization, website, or product is referred to in this work as a citation and/or potential source of further information does not mean that the publisher and authors endorse the information or services the organization, website, or product may provide or recommendations it may make. This work is sold with the understanding that the publisher is not engaged in rendering professional services. The advice and strategies contained herein may not be suitable for your situation.

You should consult with a specialist where appropriate. Further, readers should be aware that websites listed in this work may have changed or disappeared between when this work was written and when it is read. Neither the publisher nor authors shall be liable for any loss of profit or any other commercial damages, including but not limited to special, incidental, consequential, or other damages. Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Names: Kukushkin, Alexander, author.

Title: Introduction to mobile network engineering : GSM, 3G-WCDMA, LTE and the road to 5G / by Alexander Kukushkin. Description: Hoboken, NJ : John Wiley & Sons, 2018. | Includes bibliographical references and index. | Identifiers: LCCN 2018012499 (print) | LCCN 2018021194 (ebook) | ISBN 9781119484103 (pdf ) | ISBN 9781119484226 (epub) | ISBN 9781119484172 (cloth) Subjects: LCSH: Mobile communication systems.

| Wireless metropolitan area networks. Classification: LCC TK5103.3845/6–dc23 LC record available at https://lccn.gov/2018012499 Cover design by Wiley Cover image: © pluie_r/Shutterstock Set in 10/12pt WarnockPro by SPi Global, Chennai, India 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 To my family vii Contents Foreword xvii Acknowledgements xix Abbreviations xxi 1 Introduction 1 2 Types of Mobile Network by Multiple-Access Scheme 3 3 Cellular System 5 3.3 Carrier-to-Interference Ratio 6 3.4 Formation of Clusters 8 3.3 Problem 3 16 4 Radio Propagation 19 4.1 Free-Space Propagation 19 4.2 Propagation Models for Path Loss (Global Mean) Prediction 22 5 Mobile Radio Channel 27 5.1 Narrowband Flat Channel 31 5.2 Wideband Frequency Selective Channel 31 5.2 Worked Examples 36 viii Contents 5.1 Shadowing/Slow Fading 37 5.2 Fast Fading/Rayleigh Fading 40 5.4 Diversity to Mitigate Multipath Fading 42 5.1 Space and Polarization Diversity 42 5.6 Receiver Noise Factor (Noise Figure) 45 6 Radio Network Planning 49 6.1 Generic Link Budget 49 6.1 Receiver Sensitivity Level 50 6.1 Rayleigh Fading Margin 51 6.2 Lognormal Fading Margin 51 6.4 Car Penetration Loss 51 6.6 Building Penetration Loss 52 6.7 Outdoor-to-Indoor Design Level 52 6.3 Power Link Budget 52 6.3 Problem 3 58 7 Global System Mobile, GSM, 2G 59 7.