CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 1.1 LỊCH SỬ VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN Mạng thông tin di động tế bào đã và đang phát triển trong nhiều năm qua, hệ thống ban đầu hay còn gọi là thế hệ thứ nhất đã dần được thay tế bởi thế hệ thứ 2 và thứ 3. Khi mà công nghệ 3G chưa đủ thời gian để khẳng định vị thế của mình thì công nghệ 4G đã được nghiên cứu và triển khai tại nhiều nước trên thế giới.1: Quá trình phát triển của mạng thông tin di động 1.1 Hệ Thống Thông Tin Di Động Thế hệ Thứ 3 ( 3G ) Hệ Thống 3G được định nghĩa bởi IMT2000 ( International Mobile Telecommunications – 2000 ) nhằm mục đích cung cấp tốc độ truyền cao hơn so với hệ thống 2G. Ví dụ như: 2Mbps cho môi trường văn phòng hoặc đi bộ và 384Kbps khi di chuyển trên xe. Các công nghệ chính của 3G bao gồm: WCDMA ( Wideband CDMA ) được phát triển bởi 3GPP và có 2 biến thể của chuẩn này bao gồm TD-CDMA, TD-SCDMA.
Sự phát triển chính của chuẩn này xuất phát từ các hệ thống GSM/GPRS, nó dựa trên kỹ thuật FDD và chiếm độ rộng kênh là 5Mhz. Tần số triển khai chính của WCDMA là 2.1Ghz, tuy nhiên nó cũng có thể được triển khai tại các tần số thấp hơn, chẳng hạn như UMTS 1900, UMTS 850, UMTS 900. WCDMA hỗ trợ các dịch vụ thoại và đa phương tiện với tốc độ lý thuyết là 2Mbps đối với vùng phủ sóng địa phương và 384Kbps cho mỗi người dùng ở vùng phủ sóng rộng. Tuy nhiên không dừng ở đó 3GPP đã tiếp tục phát triển công nghệ này nhằm vượt qua tốc độ 40Mbps.
TD-CDMA ( Time Devision CDMA ) thường được gọi là UMTS TDD ( Time Devision Duplex ) và là một phần của UMTS, tuy nhiên nó chỉ hỗ trợ có mức độ -16- HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G giới hạn. Hệ thống này kết hợp công nghệ CDMA và TDMA để cho phép phân bổ hiệu quả các nguồn tài nguyên. Giống như TD-CDMA nó cũng phù hợp với những vùng phủ Pico hoặc Micro cell. CDMA2000 (còn được gọi là IMT Multi-Carrier (IMT-MC) - IMT đa sóng mang) là một tiêu chuẩn công nghệ di động họ 3G, tiêu chuẩn này sử dụng kỹ thuật truy cập kênh CDMA, để gửi thoại, dữ liệu và dữ liệu báo hiệu giữa các điện thoại di động và trạm gốc.
Tập các tiêu chuẩn bao gồm: CDMA2000 1X, CDMA2000 EV-DO Rev. 0, CDMA2000 EV-DO Rev. A, và CDMA2000 EV-DO Rev. Tất cả được phê duyệt các giao diện vô tuyến cho IMT-2000 của ITU.
CDMA2000 có một lịch sử kỹ thuật tương đối dài và tương thích ngược với mạng IS-95 (cdmaOne) 2G. WiMAX là kỹ thuật viễn thông cung cấp việc truyền dẫn không dây ở khoảng cách lớn bằng nhiều cách khác nhau, từ kiểu kết nối điểm - điểm cho tới kiểu truy nhập tế bào. Dựa trên các tiêu chuẩn IEEE 802.16, còn được gọi là WirelessMAN. WiMAX cho phép người dùng có thể duyệt Internet trên máy laptop mà không cần kết nối vật lý bằng cổng Ethernet tới router hoặc switch.
Tên WiMAX do WiMAX Forum tạo ra, bắt đầu từ tháng 6 năm 2001 đề xướng việc xây dựng một tiêu chuẩn cho phép kết nối giữa các hệ thống khác nhau. ITU đã thông qua việc bổ sung giao diện vô tuyến OFDMA TDD WMAN (WiMAX di động) vào họ giao diện vô tuyến IMT-2000 (thường vẫn được biết dưới tên 3G) -17- HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G Hình 1.2: Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 Hiện nay UMTS đã và đang triển khai trên thế giới. 3GPP đã tiến hành nghiên cứu để cải thiện hiệu năng UMTS bằng việc đưa các phát hành R5, R6 và R7 với tính năng như HSDPA, HSUPA và MBMS. Trong đó phát triển HSPA trong R7 ( còn gọi là HSPA+) đã đưa tốc độ 28Mbit/s cực đại đối với đường xuống và 11Mbit/s cực đại đối với đường lên.2 Các giai đoạn phát triển của UMTS Hình 1.3: Các giai đoạn phát triển giao diện vô tuyến UMTS 1.1 Tiền thân của ReL99 Tiền thân của RL 99 được giới thiệu trong hệ thống GSM, cũng như là phần mở rộng của GPRS.
Những thành phần chính của GSM và 3GPP trong giai đoạn này bao gồm: - GSM Phase 1: Các đặc tính của GSM - GSM Phase 2: EFR Codec - GSM Phase 2+ ( RL 96 ) Tốc độ dữ liệu người dùng 14.4 kbit/s, - GSM Phase 2+ ( RL 97 ) GPRS - GSM Phase 2+ ( RL 98 ) AMR, EDGE, GPRS cho PCS1900 -18- HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 1.2 ReL99 RL 99 chứng kiến sự ra đời của hệ thống UMTS, chứa đựng tất cả các đặc tính cần thiết để đáp ứng các yêu cầu của IMT-2000 theo quy định của ITU. Nó có thể hỗ trợ cả 2 miền: CS (Circuit Switched) bao gồm dịch vụ thoại, video và PS ( Packet Switched ) dịch vụ dữ liệu thông thường và dành riêng.Tỷ lệ dữ liệu ban đầu cho UMTS là 64kbit/s, 128kbit/s 384kbit/s. Lưu ý rằng theo lý thuyết tốc độ tối đa là 2Mbit/s.3 ReL4 RL4 ra đời với sự cải tiến trong mạng lõi và khái niệm toàn IP ( IP All Networks ) được biết đến. Các nhà cung cấp dịch vụ có thể triển khai mạng lưới dựa trên chuyển mạch mềm, tức là MSC được thay thế bởi máy chủ MSC và MGW ( Media GateWays ).4 ReL5 Phát hành thứ 5 là sự bổ sung quan trọng đầu tiên với giao diện vô tuyến UMTS.
Nó bổ sung công nghệ IMS và HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), cải thiện năng lực và hiệu năng trải phổ. Một số tính năng chính trong phát hành này bao gồm: - AM ( Adaptive Modulation ): Điều chế thích nghi- Ngoài kỹ thuật điều chế ban đầu trong UMTS. QPSK và HSDPA cũng hỗ trợ 16QAM. - Mã hóa linh hoạt - Dựa trên thông tin phản hồi nhanh từ điện thoại di động dưới hình thức (Channel Chất lượng Indicator) CQI trạm gốc UMTS, tức là Node B, có thể để thay đổi tỷ lệ mã hóa hiệu quả và do đó tăng hiệu năng của hệ thống.
- Lập biểu nhanh - HSDPA bao gồm một TTI là 2ms ( Time Transmision Interval ), cho phép lập biều tại Node B một cách nhanh chóng và hiệu quả phân bổ tài nguyên trên di động. -19- HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G - HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) - Trong trường hợp UE không nhận được một gói tin thành công, hệ thống sẽ sử dụng HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request).Điều này nhằm cải thiện thời gian truyền lại, do đó đòi hỏi sự phụ thuộc ít hơn vào RNC (Radio Network Controller).5 ReL6 Phát hành thứ 6 bổ sung thêm các tính năng khác nhau, trong đó HSUPA được quan tâm nhất trong sự phát triển mạng RAN. Giống như HSDPA, HSUPA cũng có chức năng cải thiện tốc độ dữ liệu gói, và 3 tính năng chính trong phát hành này bao gồm: - Mã hóa linh hoạt : HSUPA có khả năng tự thay đổi mã hóa và nâng cao hiệu năng của hệ thống - Xác định bước phát triển hệ thống con IMS+, áp dụng chế độ quảng bá dữ liệu MBMS ( dịch vụ quảng bá đa phương tiện ) - Xác định tích hợp mạng UMTS và WLAN. - Lập biểu công suất nhanh : Một đặc điểm quan trọng của HSUPA là nó cung cấp 1 phương pháp lập biểu khác nhau giữa các đầu cuối.
Sự lập biểu này có thể sử dụng TTI 2ms hoặc 10ms. - Giống như HSDPA, HSUPA cũng sử dụng HARQ. Sự khác biệt chính là mối quan hệ thời gian để truyền lại.6 ReL7 Đặc điểm chính của phiên bản này là HSPA+, giống như HSDPA và HSUPA nó cung cấp những cải tiến khác nhau để cải thiện chuyển mạch gói. Những tính năng chính trong phiên bản này gồm: - Điều chế 64QAM được triển khai tại đường DL và cho phép HSPA+ hoạt động ở tốc độ lý thuyết là 21.
- Điều chế 16 QAM được triển khai tại đường UL và HSPA+ hoạt động ở tốc độ lý thuyết là 11.76Mbit/s -20- HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G - Kỹ thuật MIMO cũng được triển khai trong phiên bản này nhằm cung cấp một tốc độ lý thuyết tại đường DL là 28.8Mbit/s - Các cải tiến về công suất như CPC ( Continuous Packet Connectivity ) cũng được sử dụng. Do đó nó cho phép truyền ( DTX ), nhận gián đoạn ( DRX ) và HS-SCCH ít hoạt động, điều này làm giảm thiểu sự tiêu thụ Pin của thiết bị di động. - Tăng hiệu quả sừ dụng phổ tần trong mạng truy nhập vô tuyến trên cơ sở sử dụng công nghệ MIMO - Tốii ưu hóa khả năng MBMS nhờ sử dụng các chức năng mạng đơn tần quảng bá/đa dịch vụ MBSFN.7 ReL8 Có nhiều bổ sung trong cấu trúc mạng RAN trong RL8, chẳng hạn như việc tăng cường HSPA+. Tuy nhiên khía cạnh chính giới thiệu trong phiên bản này chính là LTE.
- Sự kết hợp giữa kỹ thuật điều chế 64QAM và MIMO nhằm cung cấp 1 tốc độ lý thuyết là 42Mbit/s, tức là 2x21. - DC-HSDPA ( Dual Cell – HSDPA ) là một tính năng trong RL8 và sẽ được tăng cường trong RL9, RL10. Nó cho phép thiết bị di động sử dụng hiệu quả 2 sóng mang có băng thông 5MHZ. Gỉa sử cả 2 đều sử dụng kết hợp điều chế 64QAM để đạt được tốc độ lý thuyết là 42 Mbit/s.
Chú ý rằng ở RL8 này các thiết bị di động không thể sử dụng kết hợp giữa MIMO và DC-HSDPA. - Áp dụng vào mạng lõi EPC và giao diện vô tuyến hệ thống LTE kỹ thuật đa truy nhập mới dựa trên phân chia theo tần số trực giao OFDMA ( DL ) và SC FDMA ( UL ).8 Rel 9 - Phát triển tiếp của giao diện vô tuyến LTE và HSPA+ trong đó đồng thời sử dụng MIMO và 2 tần số sóng mang -21- HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G - Tính năng Femtocell ( home node B ) - Áp dụng khả năng 2 tần số sóng mang ở đường xuống trong các băng tần khác nhau ( không liền kề ) HSPA+/DC/DB ( Dual cell/Dual Band ) và trong 2 tần số sóng mang liền kề ở đường lên. - Tính năng sử dụng kết hợp ở đường xuống 2 tần số sóng mang và công nghệ MIMO, trong đó 1 tần số sóng mang không sử dụng MIMO. - Áp dụng việc lựa chọn truyền 1 luồng dữ liệu ở MIMO trong chế độ Beamforming (“1 luồng MIMO” hoặc “ MIMO với 1 luồng hạn chế”) theo hướng phát triển của Rel 7.
Chế độ này có thề riêng biệt cho mỗi sóng mang và sử dụng đề truyền dữ liệu cho các thuê bao không MIMO 1.