CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ CÁC MẠNG DI ĐỘNG HIỆN NAY 1.1 Giới thiệu kiến trúc mạng di động 3G hiện nay: lược sử, công nghệ (CDMA) sử dụng, kiến trúc mạng, các dịch vụ cung cấp.1 Lịch sử phát triển thông tin di động: Ra đời vào những năm 1920 ( là phương tiện thông tin giữa các đơn vị cảnh sát Mỹ). Năm 1982 sử dụng kỹ thuật TDMA là nhóm GSM (Group Special Mobile) sau này được đổi thành Hệ thống di động toàn cầu (Global System for Mobile communications).Năm Việt Nam sử dụng GSM từ 1993. Năm 1991 Qualcomm triển khai hệ thống di động trên công nghệ CDMA chuẩn IS-95A (Interim Standard- 95A) Việt Nam triển khai hệ thống di động theo công nghệ CDMA và đưa vào sử dụng từ tháng 7/2003 Các thế hệ di động: + Thế hệ thứ nhất + Thế hệ thứ hai + Thế hệ thứ ba + Thế hệ thứ tư Và bây giờ đã và đang triển khai thế hệ thứ năm: 5G Thế hệ di động thứ 3 - Third Generation (3G): Năm 1999, liên minh viễn thông quốc tế ITU đã đưa ra tiêu chuẩn chung cho các mạng di động tương lai gọi là ITM2000. Tiêu chuẩn Thông tin di động quốc tế - ITM 2000 sau này được gọi là 3G đã đưa ra các yêu cầu bao gồm: - Tăng dung lượng hệ thống - Tương thích ngược với các hệ thống thông tin di động trước đây (2G) - Hỗ trợ đa phương tiện Dịch vu gói tốc độ cao, với các tiêu chuẩn về tốc độ dữ liệu được xác định > 2Mbps khi đứng yên hay trong khu nội thị > 384 Kbps ở trong khu vực ngoại vi 5 > 144 Kbps ở khu vực nông thôn Với thông tin vệ tinh, khả năng phủ sóng rộng, tốc độ truyền số liệu sẽ thay đổi Mạng 3G có 2 hướng tiêu chuẩn đó là: W-CDMA: UTMS: Phát triển từ hệ thống GSM, GPRS CDMA 2000 1xEVDO: Phát triển từ hệ thống CDMA IS-95 Tiến trình phát triển của 3G: Hình 1.1: Sự phát triển của hệ thống tới 3G 1.2 Kiến trúc mạng: Mạng 3G UMTS bao gồm các phân hệ: UTRAN: sử dụng WCDMA & FDD CN (mạng lõi) UE (thiết bị người dùng) Ở hệ thống 2.75G tốc độ dữ liệu đã khá cao nhưng vẫn chưa đáp ứng được các nhu cầu của người sủ dùng về các dịch vụ như video call, xem tivi trên thiết bị di động, tải dữ liệu tốc độ cao….
Công nghệ 3G có thể cung cấp các dịch vụ đa phương tiện như: hình ảnh video chất lượng cao, email, games, dịch vụ định vị toàn cầu (GPS),… - FDD: Frequency-Division Duplexing. 6 - UMTS: Universal Mobile Telecommunications System – Hệ thống viễn thông di động toàn cầu là 1 trong các công nghệ di động 3G. UMTS dựa trên nền tảng CDMA băng rộng (WCDMA) - FDD: Frequency Division Duplex Các phần tử mạng trong hệ thống: - Phần tử mạng truy nhập vô tuyến (AN): + RNC: sở hữu và điều khiển các tài nguyên vô tuyến của tất cả các UE trong vùng phục vụ (các NodeB được nối với RNC); RNC thực hiện điều khiển 1 hoặc nhiều NodeB và là điểm truy nhập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN.2 Các phần tử mạng trong hệ thống Trong đó: NodeB: là trạm gốc 3G thực hiện chức năng thu/phát tín hiệu (Rx/Tx), lọc và khuếch đại tín hiệu, điều chế và giải điều chế tín hiệu, giao tiếp với RNC thông qua giao diện Iub và kết nối với thiết bị đầu cuối (UE) thông qua giao diện Uu, sử dụng kênh WCDMA. Đồng thời phần tử này cũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến.
Một NodeB phục vụ 1 hoặc nhiều cell. NodeB có thể hỗ trợ FDD hoặc TDD. Các kết nối NodeB – RNC: 7 Tổng quan hệ thống UMTS/WCDMA: Hình 1.3: Tổng quan hệ thống 3G UMTS/ WCDMA Chức năng các phần tử mạng: NodeB: Tương tự BTS trong GSM, các chức năng chính của NodeB: + Điều biến + Trải phổ giải trải phổ + Xử lý RF + Điều khiển công suất RNC: + Quản lý tài nguyên vô tuyến + Cấp phát tài nguyên cell + Handover + Hệ thống thông tin quảng bá 8 MSC/GMSC Server: + Có các phần mềm điều khiển cuộc gọi, quản lý di động + Không chứa ma trận chuyển mạch + Quản lý báo hiệu giữa MSC và RNC/BSC + Một MSC Server có thế quản lý nhiều MGW MGW (Media Gateway): + Thực hiện chức năng chuyển mạch kênh + Được điều khiển bởi MSC Server + MGW có thể đặt xa MSC Server IMS (phân hệ đa phương tiện IP): Hoạt động dựa trên mạng IP: + Cung cấp các dịch vụ đa phương tiện: audio, video, thoại, văn bản và dữ liệu. + Dịch vụ không yêu cầu thời gian thực như tin nhắn MMS + Dịch vụ gần thời gian thực như Push to talk, game + Dịch vụ thời gian thực như thoại, audio/video, hội nghị Phiên bản 3G Rel.4: Phiên bản 3G Rel.
99 (UMTS) — 3G Radios Phiên bản 3G Rel.4 (UMTS) — Chuyển mạch mềm: Hình 1.5 : Phiên bản 3G Rel.4 (UMTS) — Chuyển mạch mềm 1.2 Giới thiệu mạng di động 4G đang triển khai và bức tranh các mạng di động sau 4G như 5G, 6G: công nghệ sử dụng và sơ đồ kiến trúc hạ tầng: 1.1 Giới thiệu mạng di động 4G: 1.1a Khái niệm 4G, LTE: 4G là thế hệ mạng tiếp theo của 3G, được IEEE đặt ra nhằm phân biệt với các chuẩn mạng trước đó (2G/3G). Những tiêu chuẩn cơ bản nhất của mạng 4G được ITU-R chính thức thiết lập vào T3/2008, được gọi tên là IMT-Advanced: 10 • Dựa vào chuyển mạch gói All-IP. • Tốc độ tải cao nhất đạt ~100Mbps tại các thiết bị, phương tiện, có tính di động cao (tàu lửa, xe hơi,…) và 1Gbps tại các vật thể, phương tiện, thiết bị có tính di động thấp (người dùng đứng yên một chỗ, hoặc đi bộ chậm); • Có thể tự động chia sẻ tài nguyên mạng để hỗ trợ nhiều người dùng cùng một lúc; • Sử dụng các kênh có băng thông 5-20 MHz, tuỳ chọn đến 40 MHz; • Hiệu quả băng thông Max=5 bit/s/Hz downlink, và 6,75 bit/s/Hz uplink; • Truyền tải dữ liệu trên các mạng không đồng nhất phải diễn ra trơn tru, ổn định; • Có khả năng cung cấp dịch vụ chất lượng cao trong việc hỗ trợ đa phương tiện thế hệ tiếp theo.6: Tổng quan mạng 4G – LTE 1.1b Đặc tính cơ bản của hệ thống LTE: - Hoạt động ở băng tần 700 MHZ – 2600MHZ - Tốc độ : DL : 100Mbps (BW 20Mhz) UL : 50Mbps - Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD 11 - Độ trễ nhỏ hơn 5 ms - Độ rộng BW linh hoạt : 1.4MHZ ; 3MHZ; 5MHZ; 10MHZ; 15MHZ; 20MHZ - Chất lượng dịch vụ : Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS; VoIP; Video Streaming; FTP… - Dung lượng 200 user/cell ở băng tần 5Mhz 2 chuẩn mạng cho tốc độ truyền tải dữ liệu cao hiện nay (<1Gb/s): LTE và Mobile WiMax. LTE (Long-Term Evolution) được thương mại hoá trên thị trường với cái tên phổ biến là 4G-LTE.
LTE hoạt động dựa trên các công nghệ mạng GSM/EDGE và UMTS/HSPA với việc tăng cường hiệu năng, tốc độ truyền tải nhờ vào việc sử dụng các phương thức vô tuyến tiên tiến (bộ xử lý tín hiệu, bộ điều chỉnh tần số, cùng với những cải tiến ở mạng lõi,…). 4G LTE cho tốc độ download tối đa 300Mbps, upload tối đa 75Mbps với độ trễ truyền tải dữ liệu < 5ms (MIMO 4x4). Tại Việt Nam, Bộ TT&TT đã quy hoạch băng tần cho 4G với các dải 1800 – 2300 – 2600 MHz. Tốc độ: Max Downlink (bw=20MHz) = 100Mbps, Uplink = 50Mbps, 2 anten thu + 1 anten phát ở thiết bị đầu cuối (MIMO 2x1) Độ trễ < 5ms Độ rộng băng thông linh hoạt: 5MHz, 10MHz, 15MHz và 20MHz, thậm chí nhỏ hơn 5MHz như 1,25MHz và 2,5MHz.
Phổ tần số: Hoạt động theo FDD mode (phân chia theo tần số) hoặc TDD mode (phân chia theo thời gian). Độ phủ sóng từ 5-100km (tín hiệu suy yếu từ km thứ 30), dung lượng hơn 200 người/cell (bw=5MHz). Chất lượng dịch vụ: Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS cho các thiết bị. 12 Liên kết mạng: Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các hệ thống không thuộc 3GPP (non-3GPP) cũng sẽ được đảm bảo.
Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN < 300ms cho dịch vụ thời gian thực và < 500ms cho các dịch vụ còn lại. Chi phí: Tiết kiệm chi phí triển khai và vận hành.2 Kiến trúc mạng: Hình 1.7 Kiến trúc mạng 4G 13 Evolved-NodeB (eNB) là trạm kết nối mạng với UE, cung cấp các giao thức hướng tới UE trên mặt phẳng điều khiển (E-UTRAN Control-Plane) và mặt phẳng người dùng (E-UTRAN User-Plane). eNB có thể hoạt động với FDD mode, TDD mode, hoặc dual mode. Các chức năng chính của eNodeB: • Quản lý tài nguyên vô tuyến: Điều khiển Bearer, Admission, Connection Mobility, cấp phát tài nguyên động tới UE trên 2 hướng uplink & downlink.
• IP header compression • Mã hoá, bảo vệ toàn vẹn dữ liệu người dùng • MME selection (trong MME pool) • Định tuyến dữ liệu người dùng tới S-GW • Hoạch định và truyền các bản tin paging, broadcast (gửi xuống từ MME) • Đo lường và cấu hình báo cáo đo lường cho mobility và scheduling S1 interface • Gồm S1-U (S-GW) và S1-C (MME) (S1-AP, S1-MME) X2 interface • Dùng cho inter-eNB handover, cân bằng tải và khử nhiễu Hình 1.3 Bức tranh các mạng di động sau 4G như 5G, 6G: Khi xã hội ngày càng phát triển, con người luôn muốn chinh phục những công nghệ mới và tiên tiến nhất, ngành di động cũng vậy, sau sự ra đời của 4G thì càng ngày do nhu cầu công việc, giải trí, tính đặc thù các ngành nghề thì càng ngày người ta càng cần 1 mạng có thể xử lý cực nhanh, truyền nhiều lưu lượng Data, khái niệm Internet vạn vật (IoT) ra đời yêu cầu hạ tầng mạng đủ sức xử lý hàng tỷ thiết bị kết nối.9 : Bức tranh tương lai các ứng dụng của 5G Tại Việt Nam, mô hình phát triển 5G phù hợp cho VNPT là 5G NSA bởi các lý do: Mạng 4G vẫn đảm bảo cung cấp lưu lượng dữ liệu di động với yêu cầu tốc độ đáp ứng cho số đông dịch vụ. Bên cạnh đó 5G được triển khai song song cung cấp dịch với yêu cầu tốc độ cao hơn và độ trễ thấp hơn. Cho phép tận dụng mạng core PS 4G; qua đó giảm mức đầu tư tổng. Phù hợp với điều kiện hạ tầng truyền dẫn và điều kiện kinh tế xã hội hiện tại.
15 Các công nghệ mới của 5G tập trung vào: Công nghệ để mở rộng vùng phủ sóng – Coverage Enhancement Technology Công nghệ để tăng tốc độ - Rate Improvement Technology Công nghệ để giảm độ trễ - Latency Reduction Technology Hình 1.10 : Phổ tần 5G tại Việt Nam.