Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G/LTE 1. Giới thiệu về hệ thống thông tin di động 5G/LTE 1. Tình hình phát triển mạng 5G/LTE trên thế giới và Việt Nam Theo số liệu thống kê của Hiệp hội các nhà cung cấp dịch vụ di động toàn cầu GSA, trong quý đầu tiên của năm 2016, thị trường 5G/LTE (Fourth Generation/Long Term Evolution) đã có thêm 182 triệu thuê bao mới, đạt tốc độ tăng trưởng nhanh hơn gấp gần 4 lần so với 4G HSPA (High Speed Packet Access). Như vậy, tính trung bình, các nhà khai thác mạng 5G/LTE trên toàn cầu đã phát triển được 2 triệu thuê bao mới mỗi ngày.
Với con số này, 5G/LTE tiếp tục được công nhận là chuẩn công nghệ di động có tốc độ tăng trưởng thuê bao nhanh nhất trong lịch sử phát triển của các công nghệ di động. Dự báo, thuê bao 5G/LTE và LTE-Advanced sẽ đạt khoảng 4,7 tỷ thuê bao trên toàn thế giới vào cuối năm 2019 [1] và sẽ vượt 4G vào năm 2020 [4].1: Mức độ tăng trưởng thuê bao 5G/LTE từ năm 2016-2020 ■ LTE ■ HSPA ■ GSM Xét về khu vực, Châu Á - Thái Bình Dương tiếp tục giữ vai trò thống trị thị trường 5G/LTE toàn cầu tính theo số lượng thuê bao khi khu vực này hiện có 734 triệu thuê bao, chiếm thị phần 56,9%. Theo sau là khu vực Bắc Mỹ và Châu Âu [4]. Xét riêng từng quốc gia thì Trung Quốc là thị trường 5G/LTE lớn nhất trên thế giới với trên 511 triệu thuê bao.
Mỹ chiếm vị trí thứ hai với thị phần 19,6%. Trong khi đó, mặc dù mức thâm nhập 5G/LTE khá cao tại Nhật Bản và 3 Hàn Quốc nhưng trên thực tế số lượng thuê bao 5G/LTE tại 2 quốc gia này còn khá thấp. Lý do là bởi quy mô dân số của Nhật Bản và Hàn Quốc nhỏ hơn rất nhiều so với Trung Quốc và Mỹ [4]. Sự phát triển của các hệ thống thông tin di động từ 1G lên 5G Thông tin di động bắt đầu từ 1G, nay đã phát triển lên 5G, hỗ trợ mạnh các dịch vụ đa phương tiện.
Từ chất lượng dịch vụ và tốc độ dữ liệu thấp của các mạng thế hệ đầu, 5G/LTE đã có sự đột phá về cả chất lượng dịch vụ và tốc độ dữ liệu, cũng như các giải pháp an toàn cho người dùng. Kha nàng di động 4 1965 1995 Thời gian 2000 2005 2010 2015 LTE H3PA JMB 11EVDO GSM IMT-Advanced Cao cdmaOne TrMnknal E4G ■ Lte WCDMA AMPS cdrn«200011 TACS Thếp IEEEflO2.11 TÓC dọ sỏ liộu <10kbps t200kbps 300kbps 1CMt?ps <100Mbps 100Mbps-1Gbps E4G' 4G tang cxrờng Hình 1.1: Quá trình phát triển từ 1G lên 5G 1. Mạng thông tin di động 1G Là hệ thống thông tin di động không dây cơ bản đầu tiên trên thế giới. Mạng thông tin di động 1G là hệ thống giao tiếp thông tin qua kết nối tín hiệu analog được giới thiệu lần đầu vào những năm đầu thập niên 80.
Hệ thống 1G sử dụng các ăng-ten thu phát sóng gắn ngoài, kết nối theo tín hiệu analog tới các trạm thu phát sóng và nhận tín hiệu xử lý thoại thông qua các module gắn trong máy di dộng. Chính vì thế các máy di động đầu tiên trên thế giới có kích thước khá lớn do tích hợp cùng 2 module thu và phát tín hiệu. Những điểm yếu 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. Do vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng được nhu cầu sử 4 dụng.
Mạng thông tin di động 3G Năm 1982, Hội nghị quản lý bưu điện và viễn thông ở Châu Âu thành lập một nhóm nghiên cứu GSM - Group Speciale Mobile, mục đích phát triển chuẩn mới về thông tin di động ở Châu Âu. Năm 1987, 13 quốc gia ký vào bản ghi nhớ và đồng ý giới thiệu mạng GSM vào năm 1991. Thế hệ 3G của mạng di động chính thức ra mắt trên chuẩn GSM của Hà Lan do công ty Radiolinja triển khai vào năm 1991. Sự phát triển kỹ thuật từ FDMA - 1G lên 3G là sự kết hợp của FDMA và TDMA.
Tất cả các chuẩn của thế hệ này đều là chuẩn kỹ thuật số. Ở công nghệ 3G tín hiệu kỹ thuật số được sử dụng để trao đổi giữa điện thoại và các tháp phát sóng, làm tăng hiệu quả trên 2 phương diện chính: - Thứ nhất, dữ liệu số của giọng nói có thể được nén và ghép kênh hiệu quả hơn so với mã hóa analog nhờ sử dụng nhiều hình thức mã hóa, cho phép nhiều cuộc gọi cùng được mã hóa trên một dải băng tần. - Thứ hai, hệ thống kỹ thuật số được thiết kế giảm bớt năng lượng sóng radio phát từ điện thoại. Nhờ vậy, có thể thiết kế điện thoại 3G nhỏ gọn hơn; đồng thời giảm chi phí đầu tư những tháp phát sóng.
- Hơn nữa, mạng 3G cũng trở nên phổ biến cũng do công nghệ này có thể triển khai một số dịch vụ dữ liệu như Email và SMS. Đồng thời, mức độ bảo mật cá nhân cũng cao hơn so với 1G. Tuy nhiên, hệ thống mạng 3G cũng có những nhược điểm, ví dụ ở những nơi dân cư thưa thớt, sóng kỹ thuật số yếu có thể không tới được các tháp phát sóng. Tại những địa điểm như vậy, chất lượng truyền sóng cũng như chất lượng cuộc gọi sẽ bị giảm đáng kể.3, Mạng thông tin di động 2,5G 2,5G chính là bước đệm giữa 3G và 4G trong công nghệ thông tin di động không dây.
Khái niệm 2,5G được dùng để diễn tả hệ thống di động 3G có trang bị hệ thống chuyển mạch gói, bên cạnh hệ thống chuyển mạch kênh truyền thống. Trong khi các khái niệm 3G và 4G được chính thức định nghĩa thì khái 5 niệm 2,5G lại không được như vậy. Khái niệ m này chỉ dùng cho mục đích tiếp thị. 2,5G cung cấp một số lợi ích của mạng 4G (ví dụ như chuyển mạch gói), và có thể dùng cơ sở hạ tầng tồn tại của 3G trong các mạng GSM và CDMA.
Giao thức EDGE cho GSM, CDMA 2000 cho CDMA, có thể đạt chất lượng như các dịch vụ 4G (vì dùng tốc độ truyền dữ liệu 144Kb/s), nhưng vẫn được xem như dịch vụ 2,5G vì vẫn chậm hơn vài lần so với dịch vụ 4G thật sự. Mạng thông tin di động 4G Là thế hệ truyền thông tin di động thứ 3, tiên tiến hơn hẳn các thế hệ trước đó. 4G phép người dùng di động truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (dữ liệu, email, tin nhắn, hình ảnh, âm thanh, video clip,. Với 4G, di động đã có thể truyền tải dữ liệu trực tuyến, online, chat, xem tivi theo kênh riêng,.
Trong số các dịch vụ của 4G, điện thoại video chính là lá cờ đầu. Giá tần số cho công nghệ 4G rất đắt tại nhiều nước, nơi mà các cuộc bán đấu giá tần số mang lại hàng tỷ Euro cho các chính phủ. Bởi vì chi phí cho bản quyền về các tần số phải trang trải trong nhiều năm trước khi nhận được các thu nhập từ mạng 4G đem lại, nên một khối lượng vốn đầu tư khổng lồ là cần thiết để xây dựng mạng 4G. Công nghệ 4G cũng được nhắc đến như là một chuẩn IMT 2000 của Tổ chức Viễn thông Thế giới (ITU).
Ban đầu 4G được dự kiến như là một chuẩn thống nhất trên thế giới, nhưng thực tế 4G bị chia thành 4 phần riêng biệt: UMTS, CDMA 2000, TD-SCDMA, WCDMA.5, Mạng thông tin di động 3,5G 3,5G là những ứng dụng được nâng cấp dựa trên công nghệ hiện có của 4G. Công nghệ của 3,5G là HSDPA (High Speed Downlink Packet Acess). Đây là giải pháp mang tính đột phá về mặt công nghệ, được phát triển dựa trên cơ sở của hệ thống 4G WCDMA. HSDPA cho phép tải dữ liệu về về máy điện thoại có tốc độ tương đương tốc độ đường truyền ADSL, vượt qua những rào cản cố hữu về tốc độ kết nối của một điện thoại thông thường.
6 HSDPA là một bước tiến nhằm nâng cao tốc độ và khả năng của mạng di động thế hệ thứ 3 UMTS. HSDPA được thiết kế cho các ứng dụng dịch vụ dữ liệu như: dịch vụ cơ bản (tải file, phân phối mail), dịch vụ tương tác (duyệt web, truy cập server, tìm và phục hồi dữ liệu), và dịch vụ Streaming. Mạng thông tin di động 5G/LTE Mạng 5G là thế hệ tiếp theo của mạng không dây sẽ thay thế mạng 4G, hay nói cách khác mạng 5G được nghiên cứu và phát triển để khắc phục những hạn chế của mạng 4G gặp phải. Từ cuối năm 2002, ý tưởng về một mạng thông tin không dây tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu có thể liên kết nối với các mạng không dây khác trên một mạng IP đường trục duy nhất đó chính là mạng 5G [4].
Công nghệ 5G/LTE LTE là thế hệ thứ tư, tương lai của chuẩn UMTS do 4GPP phát triển. UMTS là thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới. Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004, 4GPP đã bắt đầu dự án nhằm phát triển về lâu dài cho công nghệ UMTS với tên gọi là Long Term Evolution (LTE). 4GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối.
Trái ngược với mô hình chuyển mạch của các hệ thống di động trước, LTE được thiết kế để chỉ hỗ trợ các dịch vụ chuyển mạch gói. Nó nhằm mục đích cung cấp kết nối Giao thức Internet (IP) giữa thiết bị người dùng (UE) và mạng dữ liệu gói (PDN), không gây gián đoạn cho ứng dụng của người dùng cuối trong quá trình di chuyển. Trong khi thuật ngữ "LTE" bao gồm sự phát triển của truy cập vô tuyến điện di động thông qua UTRAN (E-UTRAN), nó được đi kèm với sự phát triển của các khía cạnh không phải là vô tuyến điện với thuật ngữ "Kiến trúc Hệ thống Evolution" (SAE), bao gồm mạng EPC (EvolvedPacket Core). LTE và SAE cùng kết hợp tạo thành hệ thống mạng chuyển mạch gói EPS.
EPS sử dụng khái niệ m tải tin EPS để định tuyến lưu lượng IP từ một cổng vào trong PDN đến thiết bị người dùng. Một tải tin là một chuyển tải dữ 7 liệu trong LTE với chất lượng dịch vụ được xác định. E-UTRAN và EPC cùng nhau thiết lập và phát hành những tải tin theo yêu cầu của các ứng dụng.