Tài liệu Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4g)

Bé GI¸O DôC Vµ §µO T¹O TR¦êNG §¹I HäC B¸CH KHOA Hµ NéI ----------o0o---------- LUËN V¡N TH¹C Sü KHOA HäC Ngµnh: Xö lý Th«ng tin vµ TruyÒn th«ng Nghiªn cøu vÒ hÖ thèng th«ng tin di ®éng thÕ hÖ thø 4 (4G) §ç V¨n Hßa Hµ Néi – 2007 Bé GI¸O DôC Vµ §µO T¹O TR¦êNG §¹I HäC B¸CH KHOA Hµ NéI ----------o0o---------- LUËN V¡N TH¹C Sü KHOA HäC Nghiªn cøu vÒ hÖ thèng th«ng tin di ®éng thÕ hÖ thø 4 (4G) Ngµnh: Xö lý Th«ng tin vµ TruyÒn th«ng M· sè: §ç V¨n Hßa Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: GS.TS. NguyÔn Thóc H¶i Hµ Néi – 2007 LuËn v¨n tèt nghiÖp 3 Cao häc XLTT-TT 2005-2007 MôC LôC C¸c h×nh vÏ, b¶ng biÓu trong luËn v¨n ..................................... 5 ThuËt ng÷ tiÕng anh sö dông trong luËn v¨n ....................... 7 Lêi giíi thiÖu............................................................................................ 11 Ch−¬ng 1. më ®Çu ................................................................................... 12 1.1 C¬ së nghiªn cøu vµ môc ®Ých cña luËn v¨n.......................................... 12 1.2 Tæ chøc cña luËn v¨n ............................................................................. 13 Ch−¬ng 2. c¸c thÕ hÖ th«ng tin di ®éng ................................... 14 2.1 LÞch sö vµ xu thÕ ph¸t triÓn cña th«ng tin di ®éng ............................... 14 2.1.1 Toµn c¶nh hÖ thèng th«ng tin di ®éng............................................. 14 2.1.2 Lé tr×nh ph¸t triÓn cña th«ng tin di ®éng......................................... 16 2.2. Tæng kÕt c¸c thÕ hÖ th«ng tin di ®éng .................................................. 19 Ch−¬ng 3. hÖ thèng TH¤NG TIN di ®éng 4G ................................ 20 3.1 Tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tin di ®éng 4G ........................................ 20 3.1.1 Giíi thiÖu chung .............................................................................. 20 3.1.2 C¸c dÞch vô hÖ thèng di ®éng 4G cung cÊp..................................... 22 3.2 M« h×nh tham chiÕu hÖ thèng di ®éng 4G ............................................. 30 3.2.1 Bèn miÒn cña m« h×nh tham chiÕu .................................................. 30 3.2.1.1 MiÒn dÞch vô vµ øng dông......................................................... 31 3.2.1.2 MiÒn nÒn t¶ng dÞch vô............................................................... 31 3.2.1.3 MiÒn m¹ng lâi chuyÓn m¹ch gãi .............................................. 33 3.2.1.4 MiÒn truy cËp v« tuyÕn míi ...................................................... 34 3.2.2 M« h×nh tham chiÕu nh×n tõ nÒn t¶ng dÞch vô................................. 34 3.2.2.1 Sù thuËn tiÖn cho ng−êi sö dông ............................................... 36 3.2.2.2 C¸c dÞch vô tiªn tiÕn.................................................................. 36 3.2.2.3 Qu¶n lý hÖ thèng....................................................................... 41 3.2.3 M« h×nh tham chiÕu c¬ së h¹ tÇng hÖ thèng ................................... 41 Nghiªn cøu vÒ hÖ thèng th«ng tin di ®éng 4G LuËn v¨n tèt nghiÖp 4 Cao häc XLTT-TT 2005-2007 3.2.3.1 VÝ dô ®iÓn h×nh vµ giao diÖn cho m¹ng truy cËp v« tuyÕn míi 41 3.2.3.2 CÊu h×nh chøc n¨ng cho c¸c nót/thiÕt bÞ ®Çu cuèi trong hÖ thèng di ®éng 4G............................................................................................. 43 3.3 C¸c c«ng nghÖ øng dông trong hÖ thèng di ®éng 4G ............................ 44 3.3.1 Kü thuËt truyÒn dÉn dung l−îng lín, tèc ®é cao ............................. 44 3.3.1.1 C¸c kü thuËt ®a truy cËp ........................................................... 44 3.3.1.2 Kü thuËt ®iÒu chÕ/gi¶i ®iÒu chÕ hiÖu suÊt cao .......................... 49 3.3.1.3 Kü thuËt ®a sãng mang ............................................................ 53 3.3.1.4 Kü thuËt ¨ngten d·y thÝch nghi tiªn tiÕn .................................. 57 3.3.1.5 Kü thuËt ghÐp kªnh tiªn tiÕn .................................................... 62 3.3.2 Kü thuËt kh«ng d©y ®a hÖ thèng .................................................... 64 3.3.2.1 Kh¶ n¨ng cÊu h×nh l¹i End-to-End ........................................... 64 3.3.2.2 Kü thuËt sãng v« tuyÕn ®−îc ®Þnh nghÜa mÒm ........................ 66 3.3.3 §iÒu khiÓn chuyÓn giao/tÝnh di ®éng .............................................. 69 3.3.3.1 Kü thuËt chuyÓn giao liªn tôc ................................................... 70 3.3.3.2 Kü thuËt ®iÒu khiÓn tÝnh di ®éng .............................................. 71 3.3.3.3 TÝnh di ®éng m¹ng NEMO ...................................................... 74 3.4 M¹ng thÕ hÖ sau NGN vµ hÖ thèng di ®éng 4G..................................... 77 3.4.1 M¹ng thÕ hÖ sau NGN ..................................................................... 77 3.4.1.1 Giíi thiÖu chung........................................................................ 77 3.4.1.2 §Æc ®iÓm m¹ng NGN................................................................ 77 3.4.1.3 CÊu tróc m¹ng NGN ................................................................. 80 3.4.2 HÖ thèng di ®éng 4G trªn h¹ tÇng m¹ng NGN................................ 86 Ch−¬ng 4. triÓn khai hÖ thèng di ®éng 4G ë viÖt nam ...... 88 4.1 HiÖn tr¹ng m¹ng th«ng tin di ®éng ViÖt Nam vµ trªn thÕ giíi .............. 88 4.2 §Ò xuÊt gi¶i ph¸p triÓn khai hÖ thèng 4G ë n−íc ta .............................. 89 KÕt luËn ..................................................................................................... 93 KÕt qu¶ ®¹t ®−îc cña luËn v¨n ..................................................................... 93 H−íng ph¸t triÓn cña ®Ò tµi .......................................................................... 94 Tµi liÖu tham kh¶o............................................................................... 95 Nghiªn cøu vÒ hÖ thèng th«ng tin di ®éng 4G LuËn v¨n tèt nghiÖp 5 Cao häc XLTT-TT 2005-2007 C¸c h×nh vÏ, b¶ng biÓu trong luËn v¨n H×nh 2.1. Lé tr×nh ph¸t triÓn cña th«ng tin di ®éng...................................... 17 B¶ng 2.1. Tæng kÕt c¸c thÕ hÖ th«ng tin di ®éng .......................................... 19 H×nh 3.1. DÞch vô th«ng tin y tÕ ................................................................... 22 H×nh 3.2. HÖ thèng cung cÊp néi dung tiªn tiÕn........................................... 24 H×nh 3.3. HÖ thèng ®Þnh vÞ ........................................................................... 25 H×nh 3.4. HÖ thèng ®Æt hµng di ®éng ........................................................... 26 H×nh 3.5. HÖ thèng qu¶n lý thùc phÈm......................................................... 28 H×nh 3.6. HÖ thèng b¶o hiÓm rñi ro.............................................................. 29 H×nh 3.7. HÖ thèng qu¶n lý di ®éng ............................................................. 30 H×nh 3.8. M« h×nh tham chiÕu hÖ thèng di ®éng 4G.................................... 32 H×nh 3.9. M« h×nh tham chiÕu nÒn t¶ng dÞch vô .......................................... 37 H×nh 3.10. M« h×nh tham chiÕu nÒn t¶ng dÞch vô: tiÖn nghi ng−êi dïng..... 38 H×nh 3.11. M« h×nh tham chiÕu nÒn t¶ng dÞch vô: DÞch vô n©ng cao .......... 39 H×nh 3.12. M« h×nh tham chiÕu nÒn t¶ng dÞch vô: qu¶n lý hÖ thèng ........... 40 H×nh 3.13. Giao diÖn v« tuyÕn vµ ng÷ c¶nh thùc tÕ cña truy cËp v« tuyÕn míi....................................................................................................... 42 H×nh 3.14. VÝ dô vÒ cÊu h×nh chøc n¨ng cho c¸c nót /c¸c thiÕt bÞ ®Çu cuèi trong hÖ thèng di ®éng 4G.............................................................. 43 H×nh 3.15. C¬ b¶n vÒ SCS-MC-CDMA ........................................................ 45 H×nh 3.16. CÊu tróc tÕ bµo tèi −u cña SCS-MC-CDMA ............................... 47 H×nh 3.17. Ph©n bæ kªnh con........................................................................ 48 H×nh 3.18. §iÒu chÕ thÝch nghi sãng mang con ........................................... 50 H×nh 3.19. L−îc ®å ®iÒu chÕ OFDM tèc ®é lËp m· cã thÓ biÕn ®æi ............ 51 B¶ng 3.1. C¸c tham sè lËp m· vµ ®iÒu chÕ ................................................... 52 Nghiªn cøu vÒ hÖ thèng th«ng tin di ®éng 4G LuËn v¨n tèt nghiÖp 6 Cao häc XLTT-TT 2005-2007 B¶ng 3.2. C¸c tham sè m« pháng ................................................................. 53 H×nh 3.20. S¬ ®å FH-OFDM ........................................................................ 54 H×nh 3.21. CÊu h×nh hÖ thèng....................................................................... 55 H×nh 3.22. Nguyªn lý cña AAA ................................................................... 58 H×nh 3.23. §é t¨ng Ých cña AAA ................................................................ 59 H×nh 3.24. §Þnh h×nh bóp sãng .................................................................... 60 H×nh 3.25. ThuËt to¸n theo dâi bóp sãng ..................................................... 61 H×nh 3.26. SVD based MIMO ...................................................................... 63 H×nh 3.27. CÊu h×nh c¬ b¶n cña thiÕt bÞ SDR............................................... 67 H×nh 3.28. M« h×nh tham chiÕu IEEE 802.21 .............................................. 70 H×nh 3.29. IPv6 di ®éng................................................................................ 72 H×nh 3.30. ChuyÓn giao nhanh cho IPv6 di ®éng......................................... 73 H×nh 3.31. §iÒu khiÓn tÝnh di ®éng m¹ng NEMO ....................................... 75 H×nh 3.32. M¹ng c¸ nh©n PAN (Personal Area Network) ........................... 76 H×nh 3.33. KiÕn tróc m¹ng NGN.................................................................. 79 H×nh 3.34. CÊu tróc logic m¹ng NGN .......................................................... 80 H×nh 3.35. CÊu tróc vËt lý m¹ng NGN ......................................................... 84 H×nh 4.1. KiÕn tróc m¹ng 3G ....................................................................... 90 H×nh 4.2. CÊu tróc m¹ng di ®éng 3G-WCDMA........................................... 91 H×nh 4.3. M« h×nh hÖ thèng 4G.................................................................... 92 Nghiªn cøu vÒ hÖ thèng th«ng tin di ®éng 4G LuËn v¨n tèt nghiÖp 7 Cao häc XLTT-TT 2005-2007 ThuËt ng÷ tiÕng anh sö dông trong luËn v¨n 2G 3G 4G AAA AAA AMPS 2nd Generation 3rd Generation 4th Generation Adaptive Array Antenna Aunthentication, Authorization & Accounting Advanced Mobile Phone Service AR ARQ ATM BS BSC BSS BTS CDMA Access Router Automatic Repeat reQuest Asynchronous Transfer Mode Base Station Base Station Controller Base Station System Base Tranceiver Station Code Division Multiple Access CRC CN CN CNR CoA CRC CTP DS DSCDMA DSP E2R Cyclic Redundancy Code Core Network Correspondent Node Carrier-to-Noise-Ratio Care-of Address Cyclic Redundancy Check Context Transfer Protocol Direct Sequence Direct Sequence CDMA ThÕ hÖ 2 ThÕ hÖ 3 ThÕ hÖ 4 ¨ngten d·y thÝch nghi Chøng thùc, ñy quyÒn vµ thanh to¸n DÞch vô ®iÖn tho¹i di ®éng tiªn tiÕn Bé ®Þnh tuyÕn truy cËp KÜ thuËt yªu cÇu lÆp tù ®éng ChÕ ®é truyÒn dÞ bé Tr¹m gèc Bé ®iÒu khiÓn tr¹m gèc HÖ thèng tr¹m gèc Tr¹m thu ph¸t gèc §a th©m nhËp ph©n chia theo m· M· vßng d− M¹ng lâi Nót trung gian Tû sè sãng mang trªn t¹p ©m §Þa chØ t¹m thêi M· kiÓm tra d− vßng Giao thøc truyÒn ng÷ c¶nh Chuçi trùc tiÕp CDMA chuçi trùc tiÕp Digital Signal Processor End-to-End Reconfigurability Bé xö lý tÝn hiÖu sè Kh¶ n¨ng cÊu h×nh l¹i tõ ®Çu Nghiªn cøu vÒ hÖ thèng th«ng tin di ®éng 4G LuËn v¨n tèt nghiÖp EIRP EV-DO FDD FEC FDMA FHOFDM FMIPv6 FMIPv6 GPS GPRS HA HARQ HLR HMIPv6 HoA HSDPA HMI IMT2000 IP IPv6 ITU 8 Cao häc XLTT-TT 2005-2007 Effective Isotropically Radiated Power Evolution Data Optimized Frequency Division Duplex cuèi ®Õn ®Çu cuèi C«ng suÊt ph¸t x¹ ®¼ng h−íng hiÖu dông ghÐp song c«ng ph©n chia theo tÇn sè Forward Error Correct M· söa lçi tr−íc Frequency Division MultiAccess §a truy cËp ph©n chia theo tÇn sè Frequency Hopping Orthogonal OFDM nh¶y tÇn Frequency Division Multiple Access Fast Mobile IPv6 IPv6 di ®éng nhanh Fast Handovers for Mobile IPv6 ChuyÓn giao nhanh cho IPv6 di ®éng Global Positioning System HÖ thèng ®Þnh vÞ toµn cÇu General Packet Radio System HÖ thèng v« tuyÕn gãi chung Home Agent T¸c nh©n nhµ Hybrid Automatic Repeat ARQ (tù ®éng yªu cÇu lÆp) lai reQuest Home Location Register Thanh ghi ®Þnh vÞ th−êng tró Hierarchical Mobile Internet IPv6 di ®éng cã ph©n cÊp Protocol Version 6 Home Address §Þa chØ th−êng tró High Speed Downlink Packet HÖ thèng truy cËp gãi ®−êng Access xuèng tèc ®é cao Human-Machine Interface Giao diÖn ng−êi – m¸y Th«ng tin di ®éng toµn cÇuInternational Mobile Telecommunication - 2000 2000 Internet Protocol Giao thøc Internet Internet Protocol Version 6 Giao thøc Internet phiªn b¶n 6 International Telecommunication Liªn minh ViÔn th«ng Quèc tÕ Union Nghiªn cøu vÒ hÖ thèng th«ng tin di ®éng 4G LuËn v¨n tèt nghiÖp 9 Cao häc XLTT-TT 2005-2007 MAC Medium Access Control MAP MIH Mobility Anchor Point Media Independent Handover MN MNN MNP MR MS MSC MIMO Mobile Node Mobile Network Node Mobile Network Prefix Mobile Router Mobile Station Mobitily Service Center Multi Input – Multi Output §iÒu khiÓn th©m nhËp m«i tr−êng §iÓm treo di ®éng ChuyÓn giao ®éc lËp ph−¬ng tiÖn Nót di ®éng Nót m¹ng di ®éng TiÒn tè m¹ng di ®éng Bé ®Þnh tuyÕn di ®éng Tr¹m di ®éng Trung t©m dÞch vô di ®éng ¨ngten nhiÒu kªnh vµo – nhiÒu kªnh ra MCMulti Carrier CDMA §a truy cËp ph©n chia theo m· CDMA ®a sãng mang NEMO Network Mobility TÝnh di ®éng m¹ng NGN Next Genaration Network M¹ng thÕ hÖ sau OSI Open Systems Interconnection M« h×nh t−¬ng kÕt c¸c hÖ thèng më Orthononal Frequency Division GhÐp kªnh ®a truy cËp ph©n OFDM Multiplexing chia theo tÇn sè trùc giao GhÐp kªnh ®a truy cËp ph©n OFCDM Orthononal Frequency Code Division Multiplexing chia theo m· tÇn sè trùc giao PAN Persional Access Network M¹ng truy cËp c¸ nh©n PAPR Peak to Average Power Ratio Tû sè c«ng suÊt ®Ønh trªn c«ng suÊt trung b×nh PHS Personal Handyphone System HÖ thèng ®iÖn tho¹i c¸ nh©n PKI Public Key Infrastructure Cë së h¹ tÇng khãa chung QoS Quality of Service ChÊt l−îng dÞch vô RANAP Radio Access Network PhÇn øng dông m¹ng th©m Application Part nhËp v« tuyÕn RNC Radio Network Controller Bé ®iÒu khiÓn m¹ng v« tuyÕn RNS Radio Network Subsystem HÖ thèng con m¹ng v« tuyÕn Nghiªn cøu vÒ hÖ thèng th«ng tin di ®éng 4G LuËn v¨n tèt nghiÖp RO RR SDR SINR SMS-SC SVD based MIMO TCP TPC UE UMTS UWB WCDMA W-LAN 10 Cao häc XLTT-TT 2005-2007 Route Optimization Return Routability Software Defined Radio Tèi −u hãa ®−êng ®i Kh¶ n¨ng ®inh tuyÕn ®−êng vÒ Sãng v« tuyÕn ®Þnh nghÜa mÒm Signal to Interference and Noise Tû sè c«ng suÊt tÝn hiÖu trªn Power Ratio nhiÔu vµ t¹p ©m SMS Service Center Trung t©m dÞch vô tin nh¾n SMS Singular Value Decomposition based Multiple Input Multiple Output Transmision Control Protocol Giao thøc ®iÒu khiÓn truyÒn dÉn Transmission Power Control §iÒu khiÓn c«ng suÊt truyÒn dÉn User Equypment ThiÕt bÞ ng−êi sö dông Universal Mobile HÖ thèng viÔn th«ng di ®éng Telecommunication System toµn cÇu Ultra Wide band B¨ng tÇn cùc réng Wideband Code Division §a th©m nhËp v« tuyÕn ph©n Multiple Access chia theo m· b¨ng réng Wireless - LAN M¹ng côc bé kh«ng d©y Nghiªn cøu vÒ hÖ thèng th«ng tin di ®éng 4G LuËn v¨n tèt nghiÖp 11 Cao häc XLTT-TT 2005-2007 Lêi giíi thiÖu Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, th«ng tin di ®éng ®· ®¹t ®−îc nh÷ng thµnh tùu v−ît bËc. Th«ng tin di ®éng cho phÐp ng−êi sö dông ®µm tho¹i ë mäi lóc, mäi n¬i trong vïng phñ sãng, kÓ c¶ khi ®ang di chuyÓn. Ngoµi ra, th«ng tin di ®éng cßn ®¸p øng nhiÒu dÞch vô tiÖn Ých kh¸c nh−: nh¾n tin, truyÒn sè liÖu, truyÒn th«ng ®a ph−¬ng tiÖn, x¸c ®Þnh vÞ trÝ ng−êi sö dông… mµ c¸c dÞch vô kh¸c kh«ng thùc hiÖn ®−îc. Do vËy, nhu cÇu vÒ th«ng tin di ®éng ngµy mét t¨ng lªn vµ trong t−¬ng lai kh«ng xa ®©y sÏ lµ h×nh thøc th«ng tin v¹n n¨ng vµ ®−îc øng dông s©u réng vµo cuéc sèng, vµ sÏ cã thÓ thay ®æi lèi sèng cña con ng−êi. Cho ®Õn nay th«ng tin di ®éng trªn thÕ giíi ®· tr¶i qua ba thÕ hÖ. ThÕ hÖ thø nhÊt sö dông c«ng nghÖ t−¬ng tù tõ nh÷ng n¨m 70 vµ ®Õn gi÷a nh÷ng n¨m 80 hÖ thèng th«ng tin di ®éng thÕ hÖ thø hai ®· ra ®êi vµ ph¸t triÓn rÊt m¹nh mÏ. Nh÷ng n¨m ®Çu thÕ kû 21 (kho¶ng 2002) hÖ thèng th«ng tin di ®éng thÕ hÖ thø 3 (3G) ®· ®−îc triÓn khai vµ øng dông réng r·i phôc vô ®êi sèng cña con ng−êi. ë ViÖt Nam, hÖ thèng th«ng tin di ®éng 3G ®· ®−îc triÓn khai bëi c¸c nhµ cung cÊp dÞch vô Saigon Postel, Hµ Néi Telecom, EVN Telecom vµ ®−îc ®−a vµo khai th¸c vµo n¨m 2006. HÖ thèng th«ng tin di ®éng thÕ hÖ thø t− (4G) ®· ®−îc c¸c H·ng viÔn th«ng lín trªn thÕ giíi, HiÖp héi ViÔn th«ng quèc tÕ - ITU, diÔn ®µn Mobile IT (mITF – Mobile IT Forum) nghiªn cøu vµ chuÈn hãa. Theo dù b¸o, vµo kho¶ng n¨m 2012, hÖ thèng th«ng tin di ®éng 4G sÏ ®−îc triÓn khai vµ ®−a vµo khai th¸c. Sù xuÊt hiÖn cña hÖ thèng th«ng tin di ®éng thÕ hÖ thø t− cã thÓ t¹o ra mét sù bïng næ trong ngµnh c«ng nghiÖp th«ng tin di ®éng nãi riªng vµ ngµnh c«ng nghiÖp viÔn th«ng nãi chung. Nghiªn cøu vÒ hÖ thèng th«ng tin di ®éng 4G LuËn v¨n tèt nghiÖp 12 Cao häc XLTT-TT 2005-2007 Ch−¬ng 1. më ®Çu 1.1 C¬ së nghiªn cøu vµ môc ®Ých cña luËn v¨n Nhu cÇu trao ®æi d÷ liÖu, sö dông dÞch vô ®a ph−¬ng tiÖn, nhu cÇu gi¶i trÝ (nghe nh¹c, xem phim, ch¬i game ...) trªn thiÕt bÞ di ®éng ngµy cµng t¨ng khi ®iÒu kiÖn sèng cña chóng ta t¨ng. Tr−íc nhu cÇu ®ã, c¸c chuÈn c¸c hÖ thèng th«ng tin di ®éng 3.5G, 4G ®· ®−îc nghiªn cøu vµ ph¸t triÓn. N¨m 2006, ë NhËt B¶n, H·ng viÔn th«ng NTT DoCoMo ®· triÓn khai thµnh c«ng vµ ®−a vµo khai th¸c hÖ thèng di ®éng 3.5G HSDPA (High Speed Downlink Packet Access). HÖ thèng HSDPA ®−îc më réng, ph¸t triÓn tõ hÖ thèng di ®éng thÕ hÖ 3 (W-CDMA: Wideband Code Division Multiple Access), cho tèc ®é ®−êng xuèng lµ 14Mbps, ®−êng lªn 5,7Mbps (trªn lý thuyÕt). Cßn víi hÖ thèng 4G, theo thö nghiÖm míi nhÊt cña h·ng viÔn th«ng NTT DoCoMo (NhËt B¶n), cho tèc ®é 5Gbps ë m«i tr−êng trong nhµ (indoor), vµ tèc ®é 100Mbps ë m«i tr−êng ngoµi trêi trªn ®èi t−îng chuyÓn ®éng tèc ®é 250km/h. Víi sù bïng næ vÒ tèc ®é cña hÖ thèng di ®éng 4G, th× hÖ thèng 4G sÏ ®−îc øng dông réng r·i cho rÊt nhiÒu lÜnh vùc cña cuéc sèng. HÖ thèng 4G sÏ cung cÊp rÊt nhiÒu dÞch vô nh−: dÞch vô cung cÊp néi dung tiÕn tiÕn, dÞch vô ch¨m sãc søc kháe, dÞch vô ®Æt hµng di ®éng, th−¬ng m¹i di ®éng, phßng chèng thiªn tai ... HiÖn nay, ë n−íc ta ®ang tån t¹i ®ång thêi nhiÒu thÕ hÖ cña hÖ thèng di ®éng (2G, 2.5G, 3G). ViÖc triÓn khai hÖ thèng di ®éng 4G vÉn lµ vÊn ®Ò trong t−¬ng lai xa. Nh−ng tr−íc nh÷ng xu thÕ ph¸t triÓn chung vÒ c«ng nghÖ viÔn th«ng, ®Æc biÖt lµ c«ng nghÖ th«ng tin di ®éng, th× viÖc nghiªn cøu, t×m hiÓu hÖ thèng th«ng tin di ®éng 4G lµ cÇn thiÕt. Nghiªn cøu vÒ hÖ thèng th«ng tin di ®éng 4G LuËn v¨n tèt nghiÖp 13 Cao häc XLTT-TT 2005-2007 1.2 Tæ chøc cña luËn v¨n LuËn v¨n ®−îc tr×nh bµy thµnh bèn ch−¬ng. Ch−¬ng 1 tr×nh bµy s¬ l−îc vÒ c¬ së nghiªn cøu, môc ®Ých còng nh− tæ chøc cña luËn v¨n. Ch−¬ng 2 tr×nh bµy vÒ lÞch sö, c¸c thÕ hÖ vµ xu thÕ ph¸t triÓn hÖ thèng th«ng tin di ®éng. Ch−¬ng 3 tr×nh bµy m« h×nh tham chiÕu cña hÖ thèng di ®éng 4G. M« h×nh tham chiÕu cña hÖ thèng 4G chia lµm bèn miÒn: miÒn øng dông vµ dÞch vô, miÒn nÒn t¶ng dÞch vô, miÒn m¹ng lâi chuyÓn m¹ch gãi, miÒn truy cËp v« tuyÕn míi. ë ch−¬ng nµy còng tr×nh bµy mét sè kü thuËt, c«ng nghÖ tiªn tiÕn nh−: c¸c kü thuËt truyÒn dÉn v« tuyÕn dung l−îng lín, tèc ®é cao (OFDMA, SCS-MC-CMDA), kü thuËt ¨ngten d·y thÝch nghi tiªn tiÕn, kü thuËt ghÐp kªnh tiªn tiÕn (MIMO) ... ®−îc triÓn khai ë hÖ thèng di ®éng 4G. Ch−¬ng 4 tr×nh bµy vÒ hiÖn tr¹ng c¸c hÖ thèng th«ng tin di ®éng t¹i ViÖt Nam vµ trªn thÕ giíi. Sau ®ã lµ ®Ò xuÊt gi¶i ph¸p triÓn khai hÖ thèng di ®éng 4G tõ cë së h¹ tÇng m¹ng hiÖn cã cña c¸c nhµ cung cÊp. Nghiªn cøu vÒ hÖ thèng th«ng tin di ®éng 4G LuËn v¨n tèt nghiÖp 14 Cao häc XLTT-TT 2005-2007 Ch−¬ng 2. c¸c thÕ hÖ th«ng tin di ®éng 2.1 LÞch sö vµ xu thÕ ph¸t triÓn cña th«ng tin di ®éng 2.1.1 Toµn c¶nh hÖ thèng th«ng tin di ®éng Th«ng tin di ®éng lu«n kh«ng ngõng ph¸t triÓn vµ ngµy cµng ®ßi hái c¸c kü thuËt tiªn tiÕn vµ c«ng nghÖ cao. ý t−ëng vÒ sù liªn l¹c tøc thêi mµ kh«ng quan t©m ®Õn kho¶ng c¸ch lµ mét trong nh÷ng giÊc m¬ l©u ®êi nhÊt cña loµi ng−êi vµ giÊc m¬ ®ã ®ang ngµy cµng trë thµnh hiÖn thùc nhê sù trî gióp cña kü thuËt vµ c«ng nghÖ. ViÖc sö dông sãng v« tuyÕn ®Ó truyÒn th«ng tin diÔn ra lÇn ®Çu tiªn vµo cuèi thÕ kû 19. KÓ tõ ®ã nã trë thµnh mét c«ng nghÖ ®−îc øng dông réng r·i trong th«ng tin qu©n ®éi vµ sau nµy lµ th«ng tin v« tuyÕn c«ng céng. Sau nhiÒu n¨m ph¸t triÓn, th«ng tin di ®éng ®· tr¶i qua nh÷ng giai ®o¹n ph¸t triÓn quan träng. Tõ hÖ thèng th«ng tin di ®éng t−¬ng tù thÕ hÖ thø nhÊt ®Õn hÖ thèng th«ng tin di ®éng sè thÕ hÖ thø hai, hÖ thèng th«ng tin di ®éng b¨ng réng thÕ hÖ thø ba ®ang ®−îc triÓn khai trªn ph¹m vi toµn cÇu vµ hÖ thèng th«ng tin di ®éng ®a ph−¬ng tiÖn thÕ hÖ thø t− ®ang ®−îc nghiªn cøu t¹i mét sè n−íc. DÞch vô chñ yÕu cña hÖ thèng th«ng tin di ®éng thÕ hÖ thø nhÊt vµ thø hai lµ tho¹i cßn dÞch vô thÕ hÖ ba vµ thø t− ph¸t triÓn vÒ dÞch vô d÷ liÖu vµ ®a ph−¬ng tiÖn. C¸c hÖ thèng th«ng tin di ®éng tÕ bµo sè hiÖn nay ®ang ë giai ®o¹n thÕ hÖ thø hai céng (2.5G), thÕ hÖ thø ba vµ thÕ hÖ thø ba céng (3.5G). §Ó ®¸p øng c¸c nhu cÇu ngµy cµng t¨ng cña c¸c dÞch vô th«ng tin di ®éng nªn ngay tõ ®Çu nh÷ng n¨m 90 ng−êi ta ®· tiÕn hµnh nghiªn cøu hÖ thèng th«ng tin di ®éng thÕ hÖ thø ba. Liªn hiÖp ViÔn th«ng Quèc tÕ bé phËn v« tuyÕn (ITU-R) ®· thùc Nghiªn cøu vÒ hÖ thèng th«ng tin di ®éng 4G LuËn v¨n tèt nghiÖp 15 Cao häc XLTT-TT 2005-2007 hiÖn tiªu chuÈn ho¸ cho hÖ thèng th«ng tin di ®éng toµn cÇu IMT-2000. ë Ch©u ¢u, ViÖn Tiªu chuÈn ViÔn th«ng Ch©u ¢u (ETSI) ®· thùc hiÖn tiªu chuÈn ho¸ phiªn b¶n cña hÖ thèng nµy víi tªn gäi lµ UMTS (Universal Mobile Telecommunication System: HÖ thèng viÔn th«ng di ®éng toµn cÇu). HÖ thèng míi nµy lµm viÖc ë d¶i tÇn 2GHz vµ cung cÊp nhiÒu lo¹i dÞch vô bao gåm tõ c¸c dÞch vô tho¹i, sè liÖu tèc ®é thÊp hiÖn cã ®Õn c¸c dÞch vô sè liÖu tèc ®é cao, video vµ truyÒn thanh. Tèc ®é cùc ®¹i cña ng−êi sö dông cã thÓ lªn tíi 2Mbps. Tèc ®é cùc ®¹i nµy chØ cã ë c¸c « pico trong nhµ, cßn c¸c dÞch vô víi tèc ®é 14,4Kbps sÏ ®−îc ®¶m b¶o cho th«ng tin di ®éng th«ng th−êng ë c¸c « macro. Ng−êi ta còng ®ang nghiªn cøu c¸c hÖ thèng th«ng tin di ®éng thÕ hÖ thø t− cã tèc ®é cho ng−êi sö dông kho¶ng 2Gbps. ë hÖ thèng di ®éng b¨ng réng (MBS) th× c¸c sãng mang ®−îc sö dông ë c¸c b−íc sãng mm, ®é réng b¨ng tÇn 64MHz vµ dù kiÕn sÏ n©ng tèc ®é cña ng−êi sö dông ®Õn STM-1 [1]. HiÖn nay, trªn c¸c quèc trªn thÕ giíi ë hÇu hÕt c¸c n−íc ®· triÓn khai hÖ thèng di ®éng 3G. Theo thèng kª cña hai h·ng Informa Telecom & Media vµ WCIS and 3G America, hiÖn nay cã 181 h·ng cung cÊp dÞch vô trªn 77 quèc gia ®· ®−a vµo khai th¸c dÞch vô c¸c m¹ng di ®éng thÕ hÖ 3 cña m×nh. Víi hÖ thèng di ®éng 3.5G (HSDPA) th× cã ®Õn 135 h·ng cung cÊp dÞch vô trªn 63 quèc gia ®· cung cÊp c¸c dÞch vô cña hÖ thèng di ®éng 3.5G. HÖ thèng tiÒn 4G (Pre-4G) lµ WiMax còng ®· ®−îc triÓn khai vµ ®−a vµo khai th¸c dÞch vô ë mét sè thµnh phè nh− London, New York vµo quý 2 n¨m 2007. ë n−íc ta, cïng víi sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña th«ng tin liªn l¹c nãi chung trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y th«ng tin di ®éng ra ®êi nh− mét tÊt yÕu kh¸ch quan nh»m ®¸p øng nhu cÇu trao ®æi th«ng tin trong thêi kú ®æi míi cña ®Êt n−íc. Vµo thêi kú ban ®Çu, xuÊt hiÖn mét sè m¹ng th«ng tin di ®éng nh− m¹ng nh¾n tin ABC, m¹ng nh¾n tin toµn quèc... cã tÝnh chÊt thö nghiÖm cho c«ng nghÖ th«ng tin di ®éng ë ViÖt Nam. Sau ®ã, vµo th¸ng 3/1993, m¹ng Nghiªn cøu vÒ hÖ thèng th«ng tin di ®éng 4G LuËn v¨n tèt nghiÖp 16 Cao häc XLTT-TT 2005-2007 ®iÖn tho¹i di ®éng MobiFone sö dông kü thuËt sè GSM ®· ®−îc triÓn khai vµ chÝnh thøc ®−a vµo ho¹t ®éng ë ViÖt Nam víi c¸c thiÕt bÞ cña h·ng ALCATEL. Th¸ng 6/1996, m¹ng Vinaphone ra ®êi vµ cïng tån t¹i song song víi m¹ng VMS. N¨m 2003, m¹ng S-Phone sö dông c«ng nghÖ CMDA cña Saigon Postel ®−a vµo khai th¸c. §Õn n¨m 2004, m¹ng GSM cña Viettel còng chÝnh thøc ®−a vµo ho¹t ®éng. Vµ gÇn ®©y, EVN Telecom, Hµ Néi Telecom còng ®−a vµo khai th¸c m¹ng di ®éng thÕ hÖ thø ba. Trong hai n¨m gÇn ®©y, sè thuª bao cña c¸c m¹ng nµy ®ang t¨ng rÊt nhanh. 2.1.2 Lé tr×nh ph¸t triÓn cña th«ng tin di ®éng Thêi kú ®Çu, khi míi triÓn khai, hÖ thèng di ®éng thÕ hÖ thø nhÊt míi chØ cung cÊp cho ng−êi sö dông dÞch vô tho¹i, nh−ng nhu cÇu vÒ truyÒn sè liÖu t¨ng lªn ®ßi hái c¸c nhµ khai th¸c m¹ng ph¶i n©ng cÊp rÊt nhiÒu tÝnh n¨ng míi cho m¹ng vµ cung cÊp c¸c dÞch vô gi¸ trÞ gia t¨ng trªn c¬ së khai th¸c m¹ng hiÖn cã. Tõ ®ã c¸c nhµ khai th¸c ®· ph¶i triÓn khai c¸c hÖ thèng di ®éng 2G, 2.5G ®Ó cung cÊp dÞch vô truyÒn sè liÖu tèc ®é cao h¬n. Cïng víi Internet, Intranet ®ang trë thµnh mét trong nh÷ng ho¹t ®éng kinh doanh ngµy cµng quan träng, mét trong c¸c ho¹t ®éng nµy lµ x©y dùng c¸c c«ng së v« tuyÕn ®Ó kÕt nèi c¸c c¸n bé “di ®éng” víi xÝ nghiÖp hoÆc c«ng së cña hä. Ngoµi ra, tiÒm n¨ng to lín ®èi víi c¸c c«ng nghÖ míi lµ cung cÊp trùc tiÕp tin tøc vµ c¸c th«ng tin kh¸c cho c¸c thiÕt bÞ v« tuyÕn sÏ t¹o ra c¸c nguån lîi nhuËn míi cho nhµ khai th¸c. Do vËy, ®Ó ®¸p øng ®−îc c¸c dÞch vô míi vÒ truyÒn th«ng m¸y tÝnh vµ h×nh ¶nh, ®ång thêi ®¶m b¶o tÝnh kinh tÕ th× hÖ thèng th«ng tin di ®éng thÕ hÖ thø hai (GSM, PDC, IS-136 vµ cdmaOne) ®· tõng b−íc chuyÓn ®æi sang hÖ thèng th«ng tin di ®éng thÕ hÖ thø ba. Khi mµ nhu cÇu vÒ c¸c dÞch vô ®a ph−¬ng tiÖn chÊt l−îng cao t¨ng m¹nh, mµ tèc ®é cña hÖ thèng 3G hiÖn t¹i kh«ng ®¸p øng ®−îc th× c¸c tæ chøc viÔn th«ng trªn thÕ giíi ®· nghiªn cøu vµ chuÈn hãa hÖ thèng di ®éng 4G. Nghiªn cøu vÒ hÖ thèng th«ng tin di ®éng 4G LuËn v¨n tèt nghiÖp 17 Cao häc XLTT-TT 2005-2007 Lé tr×nh ph¸t triÓn cña th«ng tin di ®éng tõ thÕ hÖ thø nhÊt ®Õn thÕ hÖ thø t− ®−îc m« t¶ ë h×nh 2.1. H×nh 2.1: Lé tr×nh ph¸t triÓn cña th«ng tin di ®éng [1] Trong ®ã: + TACS (Total Access Communication System): HÖ thèng th«ng tin truy nhËp tæng thÓ. + NMT900 (Nordic Mobile Telephone 900): HÖ thèng ®iÖn tho¹i di ®éng B¾c ¢u b¨ng tÇn 900MHz. + AMPS (Advanced Mobile Phone Service): DÞch vô ®iÖn tho¹i di ®éng tiÕn. + SMR (Specialized Mobile Radio): V« tuyÕn di ®éng chuyªn dông. + GSM(900) (Global System for Mobile): HÖ thèng th«ng tin di ®éng toµn cÇu b¨ng tÇn 900MHz. + GSM(1800): HÖ thèng GSM b¨ng tÇn 1800MHz. + GSM(1900): HÖ thèng GSM b¨ng tÇn 1900MHz. + IS-136 (Interim Standard – 136): Tiªu chuÈn th«ng tin di ®éng TDMA c¶i tiÕn do AT&T ®Ò xuÊt. Nghiªn cøu vÒ hÖ thèng th«ng tin di ®éng 4G LuËn v¨n tèt nghiÖp 18 Cao häc XLTT-TT 2005-2007 + IS-95 (CDMA) (Interim Standard – 95 CDMA): Tiªu chuÈn th«ng tin di ®éng CDMA c¶i tiÕn cña Mü (do Qualcomm ®Ò xuÊt). + GPRS (Genneral Packet Radio System): HÖ thèng v« tuyÕn gãi chung. + EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution): Nh÷ng tèc ®é sè liÖu t¨ng c−êng ®Ó ph¸t triÓn GSM. + cdma2000 1x: HÖ thèng cdma2000 giai ®o¹n 1. + WCDMA (Wideband CDMA): HÖ thèng CDMA b¨ng réng. + cdma2000 Mx: HÖ thèng cdma2000 giai ®o¹n 2 [1]. + HSPA (High Speed Packet Access): HÖ thèng di ®éng truy cËp gãi tèc ®é cao. HÖ thèng HSPA ®−îc chia thµnh 3 c«ng nghÖ sau: - HSDPA (High Speed Downlink Packet Access): HÖ thèng truy cËp gãi ®−êng xuèng tèc ®é cao. - HSUPA (High Speed Uplink Packet Access): HÖ thèng truy cËp gãi ®−êng lªn tèc ®é cao. - HSODPA (High Speed OFDM Packet Access): HÖ thèng truy cËp gãi OFDM tèc ®é cao. + Pre-4G: c¸c hÖ thèng tiÒn 4G, gåm cã WiMax vµ WiBro (Mobile Wimax). + WiMax: Worldwide Interoperability for Microwave Access + WiBro: Wireless Broadband System: HÖ thèng b¨ng réng kh«ng d©y Nghiªn cøu vÒ hÖ thèng th«ng tin di ®éng 4G 19 LuËn v¨n tèt nghiÖp Cao häc XLTT-TT 2005-2007 2.2. Tæng kÕt c¸c thÕ hÖ th«ng tin di ®éng B¶ng 2.1 tr×nh bµy mét sè nÐt chÝnh cña c¸c c«ng nghÖ th«ng tin di ®éng tõ 1G ®Õn 4G [1]. B¶ng 2.1. Tæng kÕt c¸c thÕ hÖ th«ng tin di ®éng ThÕ hÖ th«ng tin di ®éng HÖ thèng ThÕ hÖ 1 (1G) AMPS, TACS, NMT ThÕ hÖ 2 (2G) ThÕ hÖ 2+ (2.5G) ThÕ hÖ 3 (3G) ThÕ hÖ 3+ (3.5G) ThÕ hÖ 4 (4G) DÞch vô chung Tho¹i Chó thÝch FDMA, t−¬ng tù Chñ yÕu cho GSM, IS-136, tho¹i kÕt hîp víi TDMA hoÆc CDMA, c«ng IS-95 dÞch vô b¶n tin nghÖ sè, b¨ng hÑp (8-13 kbps) ng¾n TDMA (kÕt hîp nhiÒu khe Chñ yÕu vÉn lµ thêi gian hoÆc tÇn sè) hoÆc GPRS, tho¹i, dÞch vô sè CDMA, sö dông phæ chång EDGE, liÖu gãi tèc ®é lªn phæ tÇn cña hÖ thèng 2G, cdma2000 1x thÊp vµ trung t¨ng c−êng truyÒn sè liÖu gãi. b×nh Tèc ®é tèi ®a ®¹t 144kbps. CDMA, CDMA/ TDMA, b¨ng cdma2000 1x TruyÒn dÉn réng, riªng cdma2000 1x EV EV DO/DV, tho¹i vµ dÞch vô sö dông phæ chång lªn phæ cdma2000, sè liÖu ®a cña hÖ thèng 2G. Tèc ®é tèi ®a WCDMA ph−¬ng tiÖn ®−êng xuèng 2Mbps, ®−êng lªn 384kbps. Ph¸t triÓn tõ 3G, CDMA/HSDSCH. TÝch hîp tho¹i, HSPDA cho tèc ®é tèi ®a HSDPA dÞch vô sè liÖu ®−êng xuèng 14.4Mbps, HSUPA vµ ®a ph−¬ng HSUPA cã tèc ®é ®−êng lªn HSOPA tiÖn tèc ®é cao. tèi ®a 5.7Mbps, HSOPA cho tèc ®é Downlink/Uplink tèi ®a lµ 200Mbps/100Mbps. OFMA, MC/DS-CDMA, tèc TruyÒn dÉn ®é tèi ®a ë m«i tr−êng trong tho¹i, sè liÖu, ®a nhµ lµ 5Gbps, 100Mbps m«i 4G ph−¬ng tiÖn tèc tr−êng ngoµi trêi trªn ®èi t−îng chuyÓn ®éng nhanh ®é cùc cao. (250km/h). Nghiªn cøu vÒ hÖ thèng th«ng tin di ®éng 4G LuËn v¨n tèt nghiÖp 20 Cao häc XLTT-TT 2005-2007 Ch−¬ng 3. hÖ thèng TH¤NG TIN di ®éng 4G 3.1 Tæng quan vÒ hÖ thèng th«ng tin di ®éng 4G 3.1.1 Giíi thiÖu chung HÖ thèng di ®éng thÕ hÖ thø t− (4G) dù kiÕn sÏ ®−a vµo sö dông, khai th¸c vµo kho¶ng n¨m 2012. Víi sù ®ét ph¸ vÒ tèc ®é vµ dung l−îng, hÖ thèng di ®éng 4G sÏ cung cÊp nh÷ng dÞch vô phôc vô s©u h¬n vµo ®êi sèng sinh ho¹t th−êng nhËt, c«ng viÖc còng nh− cã sù t¸c ®éng lín ®Õn lèi sèng cña chóng ta trong t−¬ng lai gÇn. Cô thÓ h¬n trong tõng khÝa c¹nh cña cuéc sèng ®−îc tr×nh bµy d−íi ®©y. Trong gi¸o dôc, nghÖ thuËt, khoa häc Nhê cã sù −u viÖt cña hÖ thèng 4G, sù tiªn tiÕn cña thiÕt bÞ ®Çu cuèi, häc sinh, sinh viªn, c¸c nhµ nghiªn cøu khoa häc cã thÓ trao ®æi th«ng tin h×nh ¶nh, tho¹i, vµ c¸c th«ng tin cÇn thiÕt cho viÖc häc tËp, nghiªn cøu mµ kh«ng cã rµo c¶n nµo vÒ kho¶ng c¸ch còng nh− ng«n ng÷. ThiÕt bÞ ®Çu cuèi di ®éng cña hÖ thèng di ®éng thÕ hÖ 4G (®iÖn tho¹i cÇm tay, ®ång hå ®eo tay ...) cã tÝch hîp camera, cã chøc n¨ng th«ng dÞch ng«n ng÷ tù ®éng gióp hä trao ®æi th«ng tin trùc tiÕp, häc sinh, sinh viªn cã thÓ nhËn nh÷ng chØ dÉn tõ gi¸o viªn tõ xa .... Gi¶i trÝ HÖ thèng di ®éng 4G ®−îc sö dông cho hÖ thèng t¶i néi dung, trß ch¬i vµ ©m nh¹c/video. Nh÷ng trß ch¬i h×nh ¶nh ®éng cã thÓ ®−îc truy cËp ë bÊt cø n¬i nµo trªn hÖ thèng. Nh÷ng néi dung cùc k× phong phó ®a d¹ng vÒ nh¹c vµ phim trong hÖ thèng cã thÓ t¶i ngay lËp tøc ë bÊt cø n¬i ®©u, vµo bÊt cø thêi gian nµo. Nghiªn cøu vÒ hÖ thèng th«ng tin di ®éng 4G