CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của mạng truyền thông tế bào, nhiều người sử dụng các thiết bị di động cá nhân để tìm kiếm thông tin trên mạng internet. Hầu như mọi người đều có thiết bị di động như mobile phone, máy tính bảng (tablet mobile), notebook, …Ngoài ra, nhiều người tìm kiếm thông tin khi đi du lịch khắp nơi trên thế giới. Vào khoảng 7 tỷ mobile phones được sử dụng trên toàn thế giới vào năm 2015 với tỷ lệ 95,56% dân số toàn thế giới [1]. Trong mạng truyền thông tế bào (Cellular communications Networks) [2], một thuê bao di động có thể di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác (lân cận) trong vùng phủ sóng.
Khi các thuê bao di động di chuyển như thế, vị trí của thuê bao di động sẽ được cập nhật liên tục vào thanh ghi định vị tạm trú (Visitor Location Register (VLR)) [3] [4] [5] của hệ thống. VLR là một cơ sở dữ liệu trung gian để lưu trữ thông tin tạm thời của các thuê bao di động trong vùng phục vụ của Trung tâm chuyển mạch di động (Mobile Switching Center (MSC)). Thông tin vị trí của thuê bao di động sau đó sẽ được chuyển tới thanh ghi định vị thường trú (Home Location Register (HLR)). HLR là một cơ sở dữ liệu lưu trữ lâu dài thông tin của các thuê bao di động.
Lịch sử di chuyển của thuê bao di động được lấy ra từ các file log của HLR của MSC và dữ liệu lịch sử này được sử dụng để dự báo trước đường đi tương lai của thuê bao di động.1 Quá trình phát triển mạng di động tế bào Mạng di động tế bào là một bước tiến lớn theo cách con người truyền thông với nhau một cách dễ dàng và nhanh chóng. Sự phát triển của mạng di động tế bào đã tiến bộ vượt bậc trong những năm gần đây với số lượng thuê bao di động lên đến khoảng 7 tỷ như đã nói ở trên. Các thế hệ di động như 1G, 2G (Second Generation), 3G (Third Generation) và hiện nay là 4G (Fourth Generation). 1G được phát triển vào những năm 1980 chủ yếu là truyền thông thoại di động, trong khi 2G và 2.5G có thêm khả năng truyền dữ liệu với tốc độ 9.6kbps (2G) và 172kbps(2.
3G hỗ trợ các dịch vụ truyền dữ liệu cao như: Video Streaming, video conference, web browsing, email, navigational maps… Ngày nay, thế hệ di động 4G đã mở ra cho các thuê bao di động thêm nhiều dịch vụ mới với tốc độ rất cao [6] [7] [8] [9]. 1 Quá trình phát triển mạng di động 2G 2.5G 3G 4G World GSM GPRS EDGE WiMAX (TDMA) Japan PDC WCDMA HSPA (TDMA) (UMTS) (UMTS) U.S iDEN HSPA+ LTE (TDMA) (UMTS) U.S EV-DO IS-136 (CDMA2000) (TDMA) LTE-A U.S, Asia IS-95A IS-95B 1x (CDMA) (TDMA) (CDMA2000) Hình 1.1: Quá trình phát triển của mạng di động [6]. • Mạng di động thế hệ thứ 2 (Second Generation (2G)) Triển khai vào những năm 1990, các thuê bao di động đã gia tăng về số lượng dẫn đến yêu cầu về khả năng đáp ứng của mạng di động. Để đạt được điều này, một hệ thống số được giới thiệu.
Ngoài dịch vụ thoại, nó có thể cung cấp các dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ thấp (9. Các dịch vụ được cung cấp bởi hệ thống 2G sử dụng kỹ thuật đa truy nhập số như là đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA - Time Division Multiple Access) và Đa truy nhập phận chia theo mã (CDMA - Code Division Multiple Access). Kỹ thuật này cung cấp phổ vô tuyến hiệu quả hơn, các dịch vụ dữ liệu tốt hơn và khả năng “roaming” giữa các mạng. Kỹ thuật GSM (Global System for Mobile Telecommucations) là kỹ thuật đa truy cập TDMA, có tốc độ phát triển rất nhanh và là một chuẩn di động được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới.
• Mạng di động 2.5G (Evolved Second Generation) 2 Dựa vào hệ thống GSM, Hệ thống thế hệ 2.5G [10] được triển khai với các kỹ thuật và dịch vụ phát triển hơn. Các dịch vụ tốc độ cải tiến có tốc độ “bit data” cao hơn và hỗ trợ kết nối internet. - Phương thức chuyển mạch: chuyển mạch gói (Packet switching). - Dịch vụ vô tuyến gói chung (General Packet Radio Service(GPRS)): nâng cấp từ mạng GSM nhằm hỗ trợ chuyển mạch gói (172kbps).
- EDGE (Enhance Data rate for GSM Evolution): là một công nghệ di động được nâng cấp từ GPRS cho phép truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 384 kbps. Trên đường tiến đến 3G, EDGE được biết đến như một công nghệ 2. • Mạng di động thế hệ thứ 3 (Third Generation(3G)) 3G là công nghệ truyền thông thế hệ thứ 3. Hệ thống 3G cung cấp cả hai phương thức chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh.
Điểm mạnh của công nghệ này so với 2G và 2.5G là cho phép truyền và nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao. Với công nghệ 3G, các nhà cung cấp dịch vụ có thể mang đến cho khách hàng các dịch vụ đa phương tiện như âm thanh chất lượng cao, hình ảnh video chất lượng và truyền hình số, các dịch vụ định vị toàn cầu (GPS), E-mail, video streaming, High-ends game,… [11] Hệ thống 3G giải quyết sự khác nhau của các chuẩn GSM và CDMA bằng cách giới thiệu các giải pháp mới. Các chuẩn này được gom thành một nhóm để giải quyết một số vấn đề và mở rông các dịch vụ như các cuộc gọi thoại-hình ảnh (voice-video calls), truyền dữ liệu vô tuyến băng rộng giữa môi trường truyền thông tế bào [9]. Đề án các đối tác thế hệ thứ 3 (Third Generation Partnership Project (3GPP)) đã nghiên cứu về hệ thống băng rộng dựa vào W-CDMA (Wide CDMA) đề ra hệ thống thông tin di động toàn cầu (Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)) sử dụng lõi GSM.
Giải pháp này cải thiện tốc độ dữ liệu với tốc độ đường xuống (downlink rate) tới 14.4Mbps và đường lên (uplink rate) tới 5.8Mbps như trong HSPDA (High Speed Packet Data Access) [12]. 3 Hệ thống trạm gốc Mạng lõi (CN) (BSS) BSC MSC GMSC PSTN Um Um BTS HLR, HLR, AuC, AuC, VLR VLR Mạng Databases Databases Mạng truy truy nhập nhập vô vô tuyến tuyến mặt mặt đất đất UMTS UMTS (UTRAN) (UTRAN) RNC SGSN GGSN Internet UE Node B Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống di động 3G [7]. • Mạng di động thế hệ thứ 4 (Fourth Generation (4G)) 4G là công nghệ truyền thông thế hệ thứ 4 cho phép truyền tải dữ liệu lên tới 1. Tên gọi 4G do Viện kỹ nghệ điện và điện tử (Institude of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)) đặt ra để diễn đạt ý nghĩa “3G và hơn nữa”.
[11] 4G giới thiệu một nền tảng mới bao gồm tất cả các công nghệ như GSM, CDMA, UMTS, Wi-Fi và thậm chí là Bluetooth để phân phối tất cả những gì gọi là “IMT-Advanced multiservice”. Multiservice nghĩa là tích hợp tất cả những dịch vụ mà người sử dụng có hoặc mong chờ có chất lượng dịch vụ tốt nhất mà họ cần [13] [14]. Các dịch vụ “IMT Advanced” cung cấp các dich vụ tương tác với người sử dụng với tốc độ nhanh bằng cách nâng cao tốc độ truy xuất dữ liệu, khả năng “roaming” các dịch vụ đa phương tiện băng rộng. “Long Term Evolution” (LTE) là một trong các thành phần của hệ thống IMT Advanced cung cấp bởi 3GPP [15] [16].
• Mạng di động thế hệ thứ 5 (Fifth Generation (5G)) 5G là một bước tiến xa hơn trong quá trình phát triển mạng di động. 5G đang được triển khai thử nghiệm ở một số nước như Mỹ, Nhật, Hàn Quốc, Trung Quốc, … 4 Thách thức chính đối với việc triển khai hệ thống 5G là nâng cao năng lực và chất lượng dịch vụ của hệ thống trong dải tần số giới hạn, có dải tần số từ 3 – 300GHz và băng thông 1Gbps hoặc cao hơn [17]. Mới đây nhất, tổ chức mạng quốc tế ITU vừa công bố một báo cáo về công nghệ vô tuyến IMT-2020 [18], còn được gọi là 5G, công nghệ 5G sẽ được hoàn thiện vào cuối năm 2017. Tuy nhiên, nó sẽ cần thêm một khoảng thời gian nữa để có thể xuất hiện đại trà ở các quốc gia.
Sau đây là bảng so sánh tính chất giữa 4G và 5G [19] [20]: Kỹ thuật/đặc tính 4G 5G Bắt đầu/Triển khai 2010/ 2015 2015/2020 Băng thông dữ liệu 200 Mbps - 1 Gbps ≥ 1 Gbps Tiêu chuẩn Single unified standard Single unified standard Kỹ thuật Unified IP and seamless Unified IP and seamless combination of broadband, combination of broadband, LAN/WAN/ LAN/WAN/PAN/WLAN PAN and WLAN and wwww Dịch vụ Dynamic information Dynamic information access, wearable devices access, wearable devices with AI1 capabilities Điều chế CDMA CDMA Chuyển mạch All packet All packet Mạng lõi Internet Internet Handoff Horizontal and Vertical Horizontal and Vertical .2 Tổng quan về dự báo trước đường đi Hiện nay với sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ truyền thông không dây (wireless communications) và các thiết bị di động đầu cuối hiện đại đã tạo nên một môi trường trao đổi dữ liệu mới, đó chính là môi trường làm việc di động (Mobile Work Environment) [21] [22] [23] [24]. Việc quản lý đường đi của thuê bao di động trong môi trường tính toán di động (Mobile Computing Environments) bao gồm các phương pháp lưu trữ và cập nhật 1 AI: Artificial Intelligence (trí tuê nhân tạo) 5 thông tin vị trí [25] phục vụ bởi hệ thống. Một vấn đề quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu quản lý đường đi là dự báo trước đường đi của thuê bao di động. Dự báo trước đường đi có thể được định nghĩa như là việc dự báo sự di chuyển kế tiếp của một thuê bao di động giữa các tế bào (cell) trong mạng PCS (Personal Computing System) hoặc GSM (Global System for Mobile Communications) [2] [3] [26] [27] [28] [29] [30].
Dự báo trước đường đi của thuê bao di động được dùng để gia tăng hiệu quả của mạng PCSs. Bằng cách dự báo trước đường đi, hệ thống có thể cấp phát hiệu quả nguồn tài nguyên tới các “cell” cần thiết [31] thay vì cấp phát dàn trải đến toàn bộ các “cell” trên toàn mạng. Ngoài ra, bằng cách dự báo trước đường đi của thuê bao di động các nhà cung cấp dịch vụ có thể tính toán một cách tối ưu khi thiết kế lắp đặt và điều chỉnh cấu trúc mạng di động, điều chỉnh băng thông cho phù hợp với thực tế nhằm đảm bảo tối ưu hiệu suất của mạng lưới [32] [33].3 Ứng dụng nâng cao chất lượng dịch vụ của mạng di động Các tiến bộ nhanh chóng trong truyền thông không dây và lĩnh vực di động cung cấp nhiều dịch vụ mới và cải tiến cho khách hàng của họ.
