MỞ ĐẦU Ngày nay, điện thoại di động là thiết bị rất phổ biến trên toàn thế giới với giá cả ngày càng rẻ và rất nhiều các chức năng đƣợc cải tiến, nâng cấp phù hợp với mọi đối tƣợng ngƣời tiêu dùng. Theo thống kê của ITU[27] số lƣợng thuê bao đang gia tăng một cách chóng mặt, năm 2000 số lƣợng thuê bao di động hơn bảy trăm triệu, năm 2005 là hơn hai tỷ thuê bao và đến năm 2011 đạt gần sáu tỷ thuê bao, thâm nhập hơn 80% so với dân số thế gới. Ngoài dịch vụ thoại truyền thống, các dịch vụ phi thoại ngày càng phát triển, lƣu lƣợng dữ liệu lớn hơn rất nhiều so lƣu lƣợng thoại, cũng theo thống kê của ITU vào năm 2011 thì số lƣợng thuê bao băng rộng di động hiện hơn một tỷ thuê bao. Với sự cải tiến không ngừng về kỹ thuật, công nghệ thì các nhà sản xuất thiết bị đầu cuối cho ra đời những chiếc điện thoại thông minh hay các dòng máy tính bảng, ngoài chức năng thoại thông thƣờng thì nó còn tích hợp thêm các chức năng khác nhƣ máy chụp ảnh, máy chơi MP3 và các dịch vụ ứng dụng dữ liệu nhƣ duyệt web, video, multimedia, xử lý dữ liệu hay các game tƣơng tác thời gian thực đòi hỏi tốc độ truyền tải dữ liệu phải lớn và nhanh.
Do đó đòi hỏi các nhà cung cấp dịch vụ mạng phải đáp ứng về mặt kỹ thuật, công nghệ để phù hợp với yêu cầu, nhu cầu của ngƣời sử dụng. Có rất nhiều tổ chức tiêu chuẩn chuẩn hóa các dòng công nghệ cho hệ thống thông tin di động, trong đó tiêu biểu là tổ chức 3GPP[28]. Hiện nay 3GPP đã chuẩn hóa hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 gọi là LTE và cuối năm 2012 ra đời phiên bản LTE-Avanced. Tốc độ tải dữ liệu ở hƣớng xuống và hƣớng lên đƣợc cải thiện rất nhiều.
Tuy nhiên, ngoài việc cải thiện tốc độ thì vấn đề về vùng phủ cũng nhƣ tài nguyên vô tuyến cũng rất đáng quan tâm, với việc cải thiện về công nghệ vô tuyến thì đòi hỏi dải băng tần lớn, trong khi tài nguyên băng tần không phải là vô hạn. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã phát triển thêm vài công nghệ nhƣ công nghệ femtocell, vô tuyến nhận thức. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 11 Từ những cơ sở trên, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu mô hình mạng Femtocells nhận thức cho thông tin di động sau thế hệ thứ 4” làm luận văn cao học. Luận văn bao gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1: Giới thiệu các thế hệ hệ thống di động từ 1G đến sau 4G.
Mô hình đặc điểm của các hệ thống thông tin di động. Chƣơng 2: Tìm hiểu về Femtocell và mạng Femtocell nhận thức. đề xuất các giải pháp sử dụng trong mạng Femtocell cho hệ thống thông tin di động sau 4G nhằm nâng cao vùng phủ, hiệu suất phổ và băng thông cho ngƣời dùng. Chƣơng 3: Mô phỏng và đánh giá hiệu năng của mạng Femtocell nhận thức.
Tôi xin chân thành cám ơn Thầy TS.Nguyễn Nam Hoàng đã hƣớng dẫn, tận tình chỉ bảo giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn. Luận văn này đƣợc hỗ trợ bởi đề tài “Thiết kế phƣơng pháp và phần mềm quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G) ứng dụng công nghệ truyền thông nhận thức và kiến trúc femtocell” do Trung tâm nghiên cứu Châu Á, Đại học Quốc gia Hà Nội tài trợ. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 12 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1. Tổng quan về hệ thống thông tin di động Ngôn ngữ giao tiếp ở con ngƣời dùng để trao đổi thông tin với nhau, từ thời xa xƣa con ngƣời đã biết trao đổi thông tin ở khoảng cách xa bằng cách đốt lửa hay đánh trống để thông báo cho nhau.
Vào thế kỷ 19, Samuel Morse[29] là một họa sĩ ngƣời Mỹ đã phát minh ra máy điện báo và bảng mã chữ cái mang tên ông là mã Morse vào năm 1835. Mã Morse dùng các chuỗi đã đƣợc chuẩn hóa gồm các phần tử dài và ngắn để biểu diễn các chữ cái, chữ số, dấu chấm và các ký tự đặc biệt của một thông điệp. Tín hiệu có thể đƣợc chuyển tải thông qua dây cáp, một tín hiệu cơ hay ánh sáng bằng việc bật hoặc tắt một xung điện. Đến thế kỷ 20, Claude Shannon[30] đã xây dựng nên lý thuyết thông tin đƣợc xem là xuất phát từ bài báo quan trọng “A Mathematical Theory of Communication” năm 1948.
Một trăm năm sau khi có điện tín, các hệ thống truyền thông khác nhƣ điện thoại, phát thanh, truyền hình đã đƣợc các kỹ sƣ phát minh và phát triển mà không cần tới toán học cao cấp. Sau đó, Shannon đã cung cấp một lý thuyết để hiểu đƣợc tất cả hệ thống đó, bằng cách định nghĩa thông tin nhƣ một đại lƣợng trừu tƣợng vốn có trong một thông điệp điện thoại hay một bức hình trên tivi. Ông đã đƣa toán học cao cấp vào. Sau Shannon, công nghệ thông tin đã phát triển một cách phi mã, với các máy tính điện tử, máy ảnh kỹ thuật số, Internet và mạng toàn cầu www.
Hệ thống thông tin không dây cơ bản đƣợc phát triển và xây dựng dựa trên lý thuyết bức xạ điện từ đƣợc đề xuất bởi Clark Maxwell[31] vào năm 1857 và đƣợc mô tả bằng các phƣơng trình toán học của sóng điện từ. Sau đó Guglielmo Marconi[32] phát minh ra hệ truyền thanh xuyên Đại tây dƣơng sử dụng sóng điện từ vào năm 1901. Tuy nhiên băng thông của hệ thống truyền tải này rất nhỏ, việc truyền tin rất chậm. Mặc dù các sóng điện từ đƣợc phát hiện lần đầu tiên nhƣ một phƣơng tiện truyền thông vào cuối thế kỷ 19, nhƣng đƣợc đƣa vào sử dụng rất muộn.
Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động trải qua nhiều giai đoạn, mỗi giai đoạn ngƣời ta gọi là mỗi thế hệ của hệ thống thông tin di động. Các giai đoạn phát triển của hệ thống thông tin di động đƣợc mô tả nhƣ hình 1. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động đến năm 2012 1.
Các hệ thống thông tin di động trƣớc 4G 1. Hệ thống thông tin di động 1G Các chuẩn trong thế hệ 1G sử dụng kỹ thuật đa truy nhập theo tần số tƣơng tự, điều chế sử dụng phƣơng pháp điều tần. Các thông số của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất tiêu biểu đƣợc cung cấp theo bảng 1. Nhƣợc điểm của hệ thống 1G: Phân bố tần số rất hạn chế, dung lƣợng nhỏ.
Chất lƣợng truyền tin kém. Giá thành thiết bị cao, cồng kềnh. Bảo mật cuộc gọi kém. Không tƣơng thích giữa các hệ thống với nhau.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 14 Chuẩn AMPS TACS J-TACS NMT-450 Loại Cellular Cellular Cellular Cellular Năm xuất hiện 1983 1985 1988 1981 Kỹ thuật truy nhập FDMA FDMA FDMA FDMA Tín hiệu audio: kiểu FM FM FM FM điều chế Tín hiệu điều khiển: FSK FSK FSK FSK kiểu điều chế Tần số (Mhz) 824-894 900 860-925 450 Tần số hƣớng 824-849/ 890-915/ 915-925/ 453-457.5/ lên/hƣớng xuống 869-894 935-960 860-870 463-467.5 25 kênh(kHz) Số lƣợng kênh 832 1000 400/800 180 Tốc độ truyền dữ 10 8 8 1.2 liệu (kb/s) Quốc gia Mỹ Châu âu Nhật Châu âu Bảng 1. Các thông số của hệ thống tƣơng tự 1G 1. Hệ thống thông tin di động 2G Vào năm 1983, Châu âu bắt đầu phát triển GSM với tên ban đầu của nó là Nhóm Đặc biệt về di động (Group of Special Mobile) sau đƣợc đổi thành Hệ thống di động toàn cầu (Global System for Mobile). GSM sử dụng kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian số đƣợc phát triển đầu tiên ở Đức năm 1991.
Nó là hệ thống di động tổ ong số đầu tiên trên thế giới. Hệ thống di động 2G đã cải tiến hệ thống phần cứng, đƣợc chia làm các thành phần chức năng bao gồm trạm di động(Mobile Station), phân hệ trạm cơ sở (Base Station Subsystem), phân hệ chuyển mạch và mạng (Network and Switching Subsystem) và phân hệ vận hành hoạt động và bảo dƣỡng (Operation Maintenancy Center) nhƣ hình vẽ 1. Nói chung nó là hệ thống chuyển mạch kênh với chủ yếu cung cấp dịch vụ thoại. Hệ thống di động 2G sử dụng các kỹ thuật điều chế số thay cho điều chế tƣơng tự.
Cải tiến dung năng hệ thống nhƣ mã hóa tiếng nói số, sử dụng kỹ thuật ghép kênh để nhiều ngƣời dùng có thể sử dụng cùng tần số thông qua kỹ thuật phân chia theo thời gian hoặc theo mã. Sử dụng các kỹ thuật để tăng hiệu năng của hệ thống nhƣ sử dụng lại tần số, các bộ cân bằng, mã hóa. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Mô hình kiến trúc mạng thông tin di động 2G ME Mobile Equipment Thiết bị di động SIM Subscriber Identity Module Phần nhận dạng thuê bao BTS Base Transceiver Station Trạm phát cơ sở BSC Base Station Controller Trạm điều khiển cơ sở HLR Home Location Register Thanh ghi vị trí thƣờng trú VLR Visitor Location Register Thanh ghi vị trí tạm trú AuC Authentication Center Trung tâm nhận thực EIR Equipment Identity Register Thanh ghi nhận dạng thiết bị Bên cạnh các cải tiến cung cấp chất lƣợng thoại, dung năng và bảo mật thì hệ thống di động 2G còn thêm các ứng dụng mới nhƣ dịch vụ tin nhắn SMS (Short Messaging Service) đƣợc phát triển đầu tiên ở Châu âu vào năm 1991, các ứng dụng dữ liệu với tốc độ rất thấp.
Các đặc điểm kỹ thuật của hệ thống di động 2G theo bảng 1. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 16 cdmaOne NA-TDMA GSM PDC (IS-95) (IS-54/IS-136) Năm xuất 1990 1993 1991 1992 hiện Tần số ban 900 MHz 800 Mhz 800 MHz 900 MHz đầu Khoảng cách 45 MHz 45MHz 45MHz 130MHz 2 hƣớng Điều chế GMSK QPSK/BPSK QPSK QPSK Tần số vô tuyến sóng 200 kHz 1.25 MHz 30 kHz 25 kHz mang Tốc độ điều chế sóng 270 kbps 1.6 kbps 42 kbps mang Số kênh trên 8 61 3 3 1 sóng mang Phƣơng thức TDMA/FDMA CDMA TDMA/FDMA TDMA/FDMA truy nhập Tốc độ dữ 9.8 kbits/s liệu ban đầu Thuật toán mã hóa tiếng RPE-LPT CELP VSELP VSELP nói Tốc độ tiếng 13 kbits/s 13. Các thông số của hệ thống 2G 1. Hệ thống thông tin di động 2.5G GPRS: hệ thống GSM không hỗ trợ cho các lƣu lƣợng dữ liệu.
GPRS là giải pháp cung cấp các dịch vụ trên cơ sở gói với tốc độ cao. GPRS sử dụng cùng một sóng mang với băng thông 200Khz và 8 khe thời gian nhƣ GSM. Tuy nhiên, Trong GPRS có thể kết hợp các khe trong số 8 khe thời gian để truyền dữ liệu, nên số gói dữ liệu truyền đi trong mỗi khung truyền tăng lên.