CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG & GIỚI THIỆU VỀ MẠNG 4G LTE 1.Tổng quan về hệ thống thông tin di động: Các hệ thống thông tin di động đầu tiên ra đời từ những năm 1920, khi đó điện thoại di động chỉ được sử dụng như là các phương tiện thông tin giữa các đơn vị cảnh sát ở Mỹ. Ngày 17/6/1946 hãng AT&T và Southwestern Bell giới thiệu thông tin di động đầu tiên ở Mỹ, hệ thống đầu tiên này gồm 6 kênh ở băng tần 150 MHz, là hệ thống bán song công, có độ rộng kênh là 60 KHz (gấp 2 lần kênh thông tin di động tương tự ngày nay, trong khi đó CDMA là 1.25 MHz và WCDMA là 5MHz). Khi hệ thống này ra đời và được ứng dụng vào các thành phố lớn ở Mỹ, thì nhu cầu người sử dụng vượt quá dung lượng, nên độ rộng kênh được giảm xuống còn 30 KHz. Các hệ thống di động đầu tiên này ít tiện lợi và dung lượng rất thấp so với các hệ thống hiện nay.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất ( 1G) Những năm cuối thập niên 70, hệ thống điện thoại di động thế hệ thứ nhất được phát triển, đó là hệ thống thông tin di động tương tự sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access) cung cấp những dịch vụ chủ yếu là thoại. Thế hệ mạng điện thoại di động đầu tiên sử dụng các chuyển mạch tương tự, là hệ thống truyền tín hiệu tương tự. Có thể kể đến như NMT (Nordic Mobile Telephone) của công ty Ericsson (Thụy Điển); hai versions đang tồn tại là NMT450 hoạt động tại 450 MHz band và NMT900 hoạt động tại 900 MHz band. AMPS (Advanced Mobile Phone System) là hệ thống điện thoại di động tổ ong do AT&T và công ty Motorola (Mỹ) đề xuất sử dụng năm 1982.
Các hệ thống kể trên là các hệ thống 1G. Tuy nhiên các hệ thống 1G này có những hạn chế như sau: phân bố tần số rất hạn chế, dung lượng thấp, tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi di 15 Luan van động chuyển dịch trong môi trường phađing đa tia, không đáp ứng được các dịch vụ mới hấp dẫn đối với khách hàng, không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạ tầng, không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi, không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở châu Âu, làm cho thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở nước khác.1 liệt kê một vài thông số chính của các hệ thống di động: Tham số AMPS NMT 900 NMT 450 Băng tần 800 MHz 900 MHz 450 – 470 MHz Khoảng cách kênh 30 KHz 25 / 12.5 KHz 25 / 29 KHz Khoảng cách song công 45 MHz 45 MHz 10 MHz Các kênh 832 1000 ( 1999) 180 / 225 Loại điều chế FM FM FM Kế hoạch ô 4, 7, 12 4, 9, 12 7 Điều chế kênh điều FSK FFSK FFSK khiển Độ lệch kênh điều khiển 8 KHz 3.5 MHz Mã kênh điều khiển Manchester NRZ NRZ Dung lượng kênh điều 77000 13000 13000 khiển Tốc độ truyền dẫn 10 Kbps 1.1 Các thông số của một vài hệ thống thông tin di động Nhược điểm của thế hệ 1G là dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọi không tin cậy, chất lượng âm thanh kém, không có chế độ bảo mật. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai ( 2G) Khi số lượng thuê bao di động tăng lên nhanh chóng, hệ thống thông tin di động thứ nhất sử dụng các bộ chuyển mạch tương tự đã không còn đáp ứng được nữa. Các nhà mạng cần phải có biện pháp nâng cao dung lượng của mạng, chất lượng các cuộc đàm thoại cũng như cung cấp thêm một số lượng dịch vụ bổ sung cho mạng.
Để giải quyết vấn đề này các nhà nghiên cứu áp dụng việc số hóa hệ thống điện thoại di động cùng với các kỹ thuật đa truy nhập mới, và điều này dẫn tới sự ra đời của hệ thống điện thoại di động thế hệ thứ 2 hay còn gọi tắt là 2G. Hệ thống 2G dựa trên nền tảng công nghệ kỹ thuật điện tử số, ứng dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA - Time Division Multiple Access) và đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA – Code Division Multiple Access). Hệ thống này có nhiều ưu điểm vượt trội hơn hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống. Hệ thống 2G còn cung cấp thêm một số dịch vụ truyền dữ liệu, tuy tốc độ còn thấp.
Một số hệ thống di động 2G tiêu biểu như GSM (Global System for Mobile Communication), IS-95 (Iterim Standard-95). Trong đó GSM được sử dụng rộng rãi nhất, hệ thống thông tin di động GSM đầu tiên được triển khai vào khoảng năm 1991. GSM kết hợp kỹ thuật truy nhập TDMA và FDMA và sử dụng hai dải tần số xung quanh 900 MHz, (hình 1. Băng tần đầu tiên cho đường lên hoạt động ở 890 MHz đến 915 MHz.
Băng tần thứ hai dành cho đường xuống hoạt động tại 935 MHz đến 960 MHz. Mỗi kênh vật lý có băng thông là 200 KHz và có 8 khe thời gian, mỗi khe thời gian được gán cho một người sử dụng. Để tăng thêm dung lượng cho các hệ thống thông tin di động, tần số của các hệ thống được chuyển từ vùng 800 – 900 MHz vào vùng 1. Một số nước đã đưa vào sử dụng cả hai tần số (Dual Band).
17 Luan van Uplink Downlink Frequency ( MHz ) 890 915 935 960 Hình 1.1 Sự phân bố tần số trong hệ thống GSM Sơ đồ đa truy nhập TDMA Phân bố tần số đường lên: 890-915 MHz Đường xuống: 935-960 MHz Băng thông kênh 200 KHz Tốc độ điều chế dữ liệu trên kênh vô tuyến 270.8333 Kb/s Điều chế 0.3 GMSK Mã hoá kênh kết hợp mã hoá khối và mã xoắn Bảng 1.2 Các thông số chính của hệ thống GSM Kể từ khi ra đời, các hệ thống GSM đã phát triển với một tốc độ hết sức nhanh chóng và có mặt ở nhiều quốc gia. Ở Việt Nam hệ thống thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm 1993 và được khai thác, áp dụng rộng rãi trên toàn quốc Có 4 chuẩn chính đối với hệ thống 2G: Hệ Thống Thông Tin Di Động Toàn Cầu (GSM); AMPS số (D-AMPS); Đa Truy Cập Phân Chia Theo Mã IS-95; và Mạng tế bào Số Cá Nhân (PDC). GSM đạt đuợc thành công nhất và đuợc sử dụng rộng rãi trong hệ thống 2G. ❖ GSM GSM cơ bản sử dụng băng tần 900MHz.
Sử dụng kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian TDMA. nhung ở đây cũng có một số những phát sinh, 2 vấn đề 18 Luan van quan trọng là hệ thống mô hình số 1800 (DCS 1800; cũng đuợc biết nhu GSM 1800) và PCS 1900 (hay GSM 1900). Sau này chỉ đuợc sử dụng ở Bắc Mĩ và Chilê, và DCS 1800 thì đuợc tìm thấy ở một số khu vực khác trên thế giới. Nguyên do đầu tiên về băng tần số mới là do sự thiếu dung luợng đối với băng tầng 900 MHz.
Băng tần 1800MHz có thể đuợc sử dụng ý nghĩa và phổ biến hơn đối với nguời sử dụng. vì thế nó đã trở nên hoàn toàn phổ biến, đặc biệt trong những khu vực đông dân cư. Vì thế đồng thời cả 2 băng tần di động đều đuợc sử dụng, ở đây điện thoại sử dụng băng tần 1800MHz khi có thành phần khác sử dụng lên trên mạng 900MHz. Hệ thống GSM 900 làm việc trong một băng tần hẹp, dài tần cơ bản từ (890- 960MHz).
Trong đó băng tần cơ bản đuợc chia làm 2 phần : + Đuờng lên từ (890 - 915) MHz. + Đuờng xuống từ (935 - 960)MHz. Băng tần gồm 124 sóng mang đuợc 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 đuờng 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 thời gian là một kênh vật lý trao đổi thông tin giữa MS và mạng GSM. Từ năm 1989 GSM được chuyển nhượng cho Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI) và được viện phát triển qua nhiều giai đoạn. Đến năm 1997 mới hoàn thành tiêu chuẩn đầy đủ thành GSM 2G có kết hợp với dịch vụ số liệu chuyển mạch tốc độ cao (HSCSD) và dịch vụ truyền sóng vô tuyến gói đa dụng (GPRS).
Trong đó : ❖ HSCSD ( High Speed Circuit Switched Data) - Chuyển mạch kênh tốc độ cao: Nhược điểm các hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ GSM là tốc độ truyền dữ liệu chậm. Tốc độ về mặt lý thuyêt là 14.4Kbps, thực tế đo 19 Luan van được chỉ khoảng 9. Do vậy khi áp dụng công nghệ HSCSD sẽ làm tăng tốc độ truyền tải dữ liệu cả hệ thống. Cốt lõi công nghệ này là việc sử dụng ghép kênh theo thời gian, một trạm di động có thể sử dụng nhiều khe thời gian cho một kết nối dữ liệu tối đa là 4 khe thời gian.
Một khe thời gian có thể sử dụng tốc độ 9. Toàn bộ tốc độ chính là số khe thời gian nhân với tốc độ dữ liệu của một khe thời gian. HSCSD phân bố việc sử dụng khe thời gian một cách liên tục ngay cả khi không có dữ liệu truyền đi. ❖ GPRS (General Packet Radio Service) - Dịch vụ truyền dữ liệu theo gói: 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. Việc tích hợp GPRS vào mạng GSM được thực hiện rất 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).