Chương 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG THỐNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 5 1.1 Tổng quan mạng thông tin di động Các mạng di động đang phát triển qua nhiều thế hệ (hình 1). Mạng thông tin di động không dây thế hệ thứ nhất (1G) là hệ thống tương tự được sử dụng cho dịch vụ thoại công cộng với tốc độ lên tới 2,4kbps. Thế hệ thứ hai (2G) dựa trên công nghệ số và hạ tầng mạng.
So với thế hệ đầu tiên, thế hệ thứ hai có thể hỗ trợ nhắn tin văn bản. Thành công của nó và sự gia tăng nhu cầu về thông tin trực tuyến qua internet đã thúc đẩy sự phát triển của hệ thống không dây di động với khả năng kết nối dữ liệu được cải thiện, cuối cùng dẫn đến các hệ thống thế hệ thứ ba (3G). Hệ thống 3G đề cập đến các tiêu chuẩn công nghệ đang phát triển cho thế hệ tiếp theo của hệ thống thông tin di động. Một trong những mục tiêu chính của nỗ lực tiêu chuẩn hóa 3G là tạo ra một cơ sở hạ tầng phổ quát có khả năng hỗ trợ các dịch vụ hiện tại và tương lai.
Điều này đòi hỏi cơ sở hạ tầng phải được thiết kế sao cho có thể phát triển khi công nghệ thay đổi mà không ảnh hưởng đến các dịch vụ hiện có trên các mạng hiện có. Việc tách biệt công nghệ truy cập, công nghệ truyền tải, công nghệ dịch vụ và ứng dụng người dùng với nhau giúp yêu cầu khắt khe này trở nên khả thi. Mạng internet di động không dây thế hệ thứ 4 (4G) là hạng mục nghiên cứu của học viện, sẽ tích hợp các mạng di động 3G hiện có (ví dụ: OFDM, CDMA2000, WCDMA và TD_SCDMA) và mạng Wi-Fi (tức là mạng LAN không dây) với internet cố định để hỗ trợ Internet di động không dây có chất lượng dịch vụ tương tự như Internet cố định, đây là một sự phát triển không chỉ để vượt qua những hạn chế và vấn đề của 3G mà còn để nâng cao chất lượng dịch vụ, tăng băng thông và giảm chi phí tài nguyên. Sự phát triển của mạng thông tin di động Bảng 1.1 Đặc điểm của các mạng thông di động Đặc điểm 1G 2G 3G 4G 5G Bắt đầu/ Phát triển 1970/1984 1980/1999 1990/2002 2000/2010 2010/2015 AMPS, MIMO, mm Công nghệ NMT, GSM WCDMA LTE, WiMax Wave TACS 1.6 – 2 Tần số 30 KHz 1.8 Ghz 2 – 8 GHz 3 – 30 Ghz GHz 14.4 – 64 2000 Mbps to Tốc độ mạng 2 kbps 2 Mbps ≥1 Gbps kbps 1 Gbps TDMA/C OFDMA/ OFDM/BD Hệ thống truy cập FDMA CDMA DMA SC-FDMA MA Packet Mạng lõi PSTN PSTN Internet Internet Network 1.1 Mạng thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) Mạng di động thế hệ đầu tiên được giới thiệu vào những năm 1980.
Điều này bắt đầu với Dịch vụ điện thoại di động nâng cao (AMPS) được phát minh tại Bell Labs và được cài đặt lần đầu tiên vào năm 1982. AMPS cũng đã được sử dụng ở Anh (gọi là TACS) và Nhật Bản (gọi là MCS-L1). Ý tưởng chính của mạng di động 1G là khu vực địa lý được chia thành các ô (thường là 10-25km), mỗi ô được phục vụ bởi một “trạm cơ sở”. Các ô 3 nhỏ để việc sử dụng lại tần số có thể được khai thác trong các ô lân cận (nhưng không liền kề).
Điều này cho phép nhiều người dùng hơn được hỗ trợ trong một khu vực nhất định. Ví dụ: so với IMTS, AMPS có thể hỗ trợ nhiều người dùng hơn từ 5 đến 10 lần trong cùng một khu vực 100 dặm bằng cách chia khu vực thành 20 ô nhỏ hơn sử dụng lại các dải tần giống nhau. Ngoài ra, các tế bào nhỏ hơn cũng yêu cầu các thiết bị nhỏ hơn, mạnh hơn và rẻ hơn để truyền và nhận thông tin. Trên thực tế, hệ thống thông tin di động không dây thế hệ đầu tiên không phải là công nghệ kỹ thuật số, mà là hệ thống điện thoại di động tương tự chỉ được sử dụng cho dịch vụ thoại vào đầu những năm 1980.
Hệ thống Điện thoại Di động Tiên tiến (AMPS) này là một hệ thống vô tuyến di động tương tự được điều chế tần số sử dụng Đa truy nhập Phân chia theo Tần số (FDMA) với các kênh 30kHz chiếm dải tần 824MHz - 894MHz và là hệ thống di động thương mại đầu tiên được triển khai cho đến đầu những năm 1990 1.2 Mạng thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) Mạng di động thế hệ thứ hai (2G), được giới thiệu vào cuối những năm 1980, dựa trên truyền dẫn kỹ thuật số. Truyền kỹ thuật số cung cấp một số lợi ích so với analog. Các cách tiếp cận khác nhau đối với 2G đã được phát triển ở Mỹ và Châu Âu. Ở Hoa Kỳ, sự khác biệt đã xảy ra do chỉ có một trình phát (AMPS) tồn tại trong 1G.
Vì điều này, một số người chơi đã nổi lên để cạnh tranh trong 2G. Mặc dù có nhiều người chơi nổi lên, nhưng hai người sau đã sống sót ở Mỹ: ✓ IS-54 và IS-135: tương thích ngược với phân bổ tần số AMPS (chế độ kép–analog và kỹ thuật số) ✓ IS-95: sử dụng trải phổ Ở châu Âu, điều ngược lại đã xảy ra – có sự hội tụ vì có nhiều (hơn 5) hệ thống 1G không tương thích mà không có người chiến thắng rõ ràng. Điều này gây ra một vấn đề lớn cho người dùng (bạn không thể sử dụng điện thoại của mình khi đi từ Anh sang Pháp). Châu Âu PTT (Bưu điện, Điện thoại và Điện báo) tài trợ phát triển GSM hiện đang rất phổ biến, sử dụng dải tần số mới và truyền thông kỹ thuật số hoàn chỉnh 4 Mặc dù có nhiều công nghệ cạnh tranh trong bối cảnh mạng di động 2G, nhưng GSM cho đến nay vẫn thống trị thế giới với hơn 200 triệu người dùng ở hơn một trăm quốc gia.
GSM rất phổ biến ở châu Âu và hiện cũng đang trở nên phổ biến ở Mỹ. Các mạng này hoạt động ở tốc độ 9,6 Kb/giây và dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế do Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) xác định. Do sự phổ biến của GSM, chúng ta hãy xem xét GSM một cách kỹ lưỡng. GSM được thiết kế hoàn toàn từ đầu (không có khả năng tương thích ngược với các hệ thống 1G như AMPS).
Nó có thể cung cấp tốc độ dữ liệu lên tới 9,6 Kb/giây bằng cách sử dụng 124 kênh trên mỗi ô; mỗi kênh có thể hỗ trợ 8 người dùng thông qua TDMA (tối đa 992 người dùng trên mỗi ô, trên thực tế là khoảng 500). Một số kênh GSM được sử dụng làm tín hiệu điều khiển cho các thiết bị di động để định vị các trạm gốc gần nhất. Ngoài thoại, điện thoại GSM cung cấp dịch vụ dữ liệu cho người dùng không dây; tức là bạn kết nối điện thoại GSM với PC và nó hoạt động như một modem cho email, fax, duyệt Internet, v. GSM cũng cho phép chuyển vùng giữa các quốc gia Bắc Mỹ và các quốc gia Châu Âu.
Để làm cho nó hoạt động, do sự khác biệt về tần số, bạn phải tháo thẻ SIM dành riêng cho người dùng khỏi bên trong điện thoại của mạng Mỹ và đặt nó vào điện thoại của mạng châu Âu hoặc ngược lại. Giao diện vô tuyến của GSM dựa trên công nghệ TDMA băng hẹp, trong đó các dải tần khả dụng được chia thành các khe thời gian, với mỗi người dùng có quyền truy cập vào một khe thời gian theo các khoảng thời gian đều đặn. TDMA băng thông hẹp cho phép tám giao tiếp đồng thời trên một bộ ghép kênh vô tuyến duy nhất và được thiết kế để hỗ trợ 16 kênh nửa tốc độ.3 Mạng thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) Tầm nhìn của thế hệ thứ ba (3G) là tạo ra một tập hợp toàn cầu thống nhất các yêu cầu tiêu chuẩn có thể dẫn đến việc triển khai thương mại các phương tiện truyền thông không dây đa phương tiện tiên tiến. Mục tiêu của các hệ thống 3G là cho phép các nhà cung cấp dịch vụ không dây cung cấp các dịch vụ được tìm thấy trên các mạng hữu tuyến ngày nay.
5 3G không phải là một tiêu chuẩn; đó là một nhóm các tiêu chuẩn mà tất cả có thể làm việc cùng nhau. Đây là lý do chính tại sao có quá nhiều thuật ngữ và tiêu chuẩn trong không gian 3G. Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đang điều phối việc hài hòa quốc tế các tiêu chuẩn 3G này dưới sự bảo trợ chung của Viễn thông Di động Quốc tế 2000 (IMT 2000). Xem thanh bên “Chế độ xem 3G của ITU” để biết các yêu cầu đang thúc đẩy sự phát triển của 3G.
Mục tiêu của các hệ thống không dây 3G là cung cấp dịch vụ dữ liệu không dây với tốc độ dữ liệu từ 144kbps đến 384kbps trong vùng phủ sóng rộng và 2Mbps trong vùng phủ sóng cục bộ. Các ứng dụng có thể bao gồm truy cập dựa trên web không dây, E-mail, cũng như hội nghị truyền hình qua video và các dịch vụ đa phương tiện bao gồm các luồng dữ liệu và thoại hỗn hợp. Sau mười năm phát triển, IMT-2000 (International Mobile Viễn thông-2000) đã chấp nhận một tiêu chuẩn 3G mới từ Trung Quốc, tức là TD-SCDMA. Như vậy, có ba tiêu chuẩn mạng di động 3G mới.
Đó là CDMA2000 của Mỹ, WCDMA của Châu Âu và TD-SCDMA của Trung Quốc. Ví dụ nổi tiếng nhất về 3G là UMTS (Hệ thống Viễn thông Di động Toàn cầu) – một từ viết tắt được sử dụng để mô tả hệ thống 3G có nguồn gốc từ Châu Âu và đang được sử dụng ở những nơi khác. Trên thực tế, một số nhà phân tích cho rằng UMTS-3G. Ý tưởng tổng thể là người dùng UMTS sẽ có thể sử dụng công nghệ 3G trên toàn thế giới dưới các biểu ngữ khác nhau.
Khả năng chuyển vùng này để sử dụng các thiết bị trên các mạng khác nhau sẽ được thực hiện nhờ các mạng trên mặt đất và vệ tinh. UMTS cung cấp môi trường dịch vụ nhất quán ngay cả khi chuyển vùng qua “Môi trường gia đình ảo” (VHE). Một người chuyển vùng từ mạng của mình tới các nhà khai thác UMTS khác sẽ trải nghiệm một tập hợp nhất quán các dịch vụ, không phụ thuộc vào vị trí hoặc chế độ truy cập (vệ tinh hoặc mặt đất). Dù tên gọi là gì, 3G được thiết kế để tăng tốc độ dữ liệu lên 2 megabit/giây (2 Mbps) – tốc độ cao hơn nhiều so với 2G và 2,5G.
Cụ thể, các hệ thống 3G cung cấp tốc độ từ 144 Kbps đến 384 Kbps cho tính di động cao và vùng phủ sóng cao, và 2 Mbps cho các ứng dụng vùng phủ sóng thấp và tính di động thấp.