Đồ án Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE (Long Term Evolution)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG

ISO 9001:2015

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG

THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

NGÀNH ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

HẢI PHÒNG - 2019

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG

ISO 9001:2015

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG

THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

NGÀNH ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

Sinh viên: Nguyễn Chiến Thắng

Người hướng dẫn: Th.S Đỗ Anh Dũng

HẢI PHÒNG - 2019

2

Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam

Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc

----------------o0o-----------------

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Sinh viên : Nguyễn Chiến Thắng – MSV : 1412103003

Lớp : ĐT1801- Ngành Điện Tử Truyền Thông

Tên đề tài : Nghiên cứu hệ thống thông tin di động 4G LTE

3

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AMPS Advanced Mobile Phone Sytem Hệ thống điện thoại di động tiên

tiến

BCCH Broadcast Control Channel

BCH Broadcast Channel

DCCH Dedicated Control Channel

Kênh điều khiển quảng bá

Kênh quảng bá

Kênh điều khiển dành riêng

Kênh chia sẻ đường xuống

DL-

Downlink Shared Channel

SCH

EDGE

Enhanced Data Rates for GSM Tốc độ số liệu tăng cường để

Evolution

phát triển GSM

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến gói chung

Số liệu chuyển mạch kênh tốc

độ cao

HSCSD High Speed Circuit Switched

Data

HSDPA High Speed Downlink Package Truy nhập gói đường xuống tốc

Access

độ cao

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy cập môi trường

Kênh điều khiển multicast

Kênh multicast

MCCH Multicast Control Channel

MCH Multicast Channel

MIMO Multiple input Multiple Output Đa nhập đa xuất

MTCH Multicast Traffic Channel Kênh lưu lượng multicast

PCCH

PCH

Paging Control Channel

Paging channe

Kênh điều khiển tìm gọi

Kênh tìm gọi

PDCP

Packet Data Convergence

Protocol

Giao thức hội tụ số liệu gói

PDU

PHY

Protocol Data Unit

Physical layer

Đơn vị dữ liệu giao thức

Lớp vật lý

4

DTCH Dedicated Traffic Channel

Kênh lưu lượng dành riêng

Điều khiển liên kết vô tuyến

Đơn vị dữ liệu dịch vụ

Hệ thống giao tiếp truy cập tổng

hợp

RLC

Radio Link Control

Service Data Unit

Total Access Communication

Sytem

SDU

TACS

UL-

Uplink shared channel

Kênh chia sẻ đường lên

SCH

5

MỤC LỤC

M Ụ C L Ụ C ....................................................................................................6

L ỜI NÓI ĐẦ U ............................................................................................ 13

CHƯƠNG 1 - T Ổ NG QUAN V Ề H Ệ TH ỐNG THÔNG TIN DI ĐỘ NG &

GI Ớ I THI Ệ U V Ề M Ạ NG 4G LT E ............................................................ 15

1.T ổ ng quan v ề h ệ th ống thông tin di độ ng: ................................................. 15

1.1.1. H ệ th ống thông tin di độ ng th ế h ệ th ứ nh ấ t ( 1G) ............................. 15

1.1.2. H ệ th ống thông tin di độ ng th ế h ệ th ứ hai ( 2G) ............................... 17

1.1.3. H ệ th ống thông tin di độ ng th ế h ệ th ứ 3 ( 3G ).................................. 22

1.1. Gi ớ i thi ệ u v ề m ạ ng 4G LT E ................................................................ 24

CHƯƠNG 2 - KI ẾN TRÚC MẠNG VÀ GIAO THỨ C ........................... 28

1.1. Ki ến trúc mạ ng LTE ........................................................................... 28

1.1.1. T ổ ng quan v ề c ấu hình kiến trúc cơ bả n h ệ th ố ng............................. 29

1.1.2. Thi ế t b ị người dùng ( UE )................................................................ 30

1.1.3. E-UTRAN NodeB (eNodeB) ........................................................... 31

1.1.4. MME (Mobility Management Entity) : ............................................ 33

1.1.5. C ổ ng ph ụ c v ụ ( S-GW) .................................................................... 36

2.1.6. C ổ ng m ạ ng d ữ li ệu gó i( P-GW) ...................................................... 38

2.1.7. Ch ức năng chính sách và tính cước tài nguyên ( PCRF)................... 40

2.1.8. Máy chủ thuê bao thường trú (HSS)................................................. 42

2.2.Các giao diện và giao thứ c trong c ấu hình kiến trúc cơ bả n c ủ a h ệ th ố ng42

2.3. QoS và kiến trúc dị ch v ụ mang chuy ể n ............................................... 47

2.4. Giao th ứ c tr ạng thái và chuyể n ti ế p tr ạng thái ..................................... 48

2.5. H ỗ tr ợ tính di động liên tụ c ................................................................. 49

2.6. Ki ến trúc hệ th ống phát quảng bá đa điể m........................................... 53

CHƯƠNG 3 - TRUY CẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE………………….55

3.1. Các chế độ truy nh ập vô tuyế n ............................................................ 58

3.2. Băng tầ n truy ề n d ẫ n ............................................................................ 58

6

3.3. Các băng tần đượ c h ỗ tr ợ .................................................................... 59

3.4. K ỹ thu ật đa truy nhập cho đườ ng xu ố ng OFDMA............................... 61

3.4.1. OFDM ............................................................................................. 61

3.4.2. Các tham số OFDMA ...................................................................... 64

3.4.3. Truy ề n d ẫ n d ữ li ệu hướ ng xu ố ng ..................................................... 67

1- Các kênh điề u khi ển hướ ng xu ố ng ........................................................... 68

3.5. K ỹ thu ật đa truy nhập đường lên LTE SC-FDMA............................... 69

3.5.3. Truy ề n d ẫ n d ữ li ệu hướng lên .......................................................... 72

3.6. T ổ ng quan v ề k ỹ thu ật đa ăng ten MIMO............................................ 76

3.6.1. Đơn đầu vào Đơn đầ u ra (SISO) ...................................................... 77

3.6.2. Đơn đầu vào đa đầ u ra (SIMO) ........................................................ 78

3.6.3. Đa đầu vào đơn đầ u ra (MISO) ........................................................ 78

3.6.4. Đa đầu vào đa đầ u ra (MIMO) ......................................................... 78

3.6.5. Ăng ten MIMO trong 4G LTE ......................................................... 81

3.6.5.I. Ch ế độ truy ề n d ẫn đa ăng ten đườ ng xu ố ng LTE.............................. 82

3.6.5.2. Ch ế độ đa ăng ten hướng lên LTE ................................................... 84

CHƯƠNG 4 - L Ớ P V ẬT LÝ LTE ............................................................. 86

4.1. Các kênh truyề n t ải và ánh xạ c ủa chúng tới các kênh vật lý ............... 86

4.2. Điề u ch ế .............................................................................................. 88

4.3. Truy ề n t ả i d ữ li ệu ngườ i s ử d ụng hướng lên ........................................ 89

4.4. Truy ề n d ẫ n d ữ li ệu người dùng hướ ng xu ố ng...................................... 95

4.5. Truy ề n d ẫn tín hiệ u l ớ p v ật lý hướng lên ............................................. 99

4.5.1. Kênh điề u khi ển đường lên vật lý ( PUCCH) ................................. 101

4.5.2. C ấu hình PUCCH ........................................................................... 102

4.5.3. Báo hiệu điề u khi ển trên PUSC H ................................................... 102

4.6. C ấu trúc PRACH (Kênh truy nhậ p ng ẫu nhiên vật lý )....................... 106

4.7. Truy ề n d ẫn báo hiệ u l ớ p v ật lý hướ ng xu ố ng .................................... 108

4.7.1. Kênh chỉ th ị đị nh d ạng điề u khi ể n v ật lý (PCFICH )....................... 108

7

4.7.2. Kênh điề u khi ển hướ ng xu ố ng v ật lý ( PCDCH) ............................ 109

4.7.3. Kênh chỉ th ị HARQ v ật lý ( PHICH).............................................. 111

4.7.4. Các chế độ truy ề n d ẫn hướ ng xu ố ng .............................................. 111

4.7.5. Kênh quảng bá vật lý ( PBCH)....................................................... 112

4.7.6. Tín hiệu đồ ng b ộ ............................................................................ 113

4.8.1. Th ủ t ụ c HARQ............................................................................... 114

4.8.2. Ứng trước đị nh th ờ i........................................................................ 116

4.8.3. Điề u khi ển công suấ t...................................................................... 117

4.8.4. Nh ắ n tin ......................................................................................... 118

4.8.5. Th ủ t ục báo cáo phả n h ồi kênh ....................................................... 118

4.8.6. Ho ạt độ ng ch ế độ bán song công .................................................... 119

4.8.7. Các lớ p kh ả năng của UE và các đặc điểm đượ c h ỗ tr ợ .................. 120

4.9. Đo lườ ng l ớ p v ật lý ........................................................................... 121

4.9.1. Đo lườ ng eNodeB .......................................................................... 121

4.9.2. Đo lườ ng UE.................................................................................. 122

4.10. C ấu hình tham số l ớ p v ật lý ............................................................ 122

CHƯƠNG 5 - CÁC THỦ T Ụ C TRUY NH Ậ P ........................................ 124

5.1. Th ủ t ục dò tìm ô ................................................................................ 124

5.1.1. Các bướ c c ủ a th ủ t ục dò tìm ô ........................................................ 124

5.1.2. C ấu trúc thờ i gian/t ầ n s ố c ủa tín hiệu đồ ng b ộ ................................ 126

5.1.3. Dò tìm ban đầu và dò tìm ô lân cậ n ................................................ 128

5.2. Truy nh ậ p ng ẫu nhiê n .......................................................................... 130

5.2.1. Bướ c 1 : Truy ề n d ẫ n ph ầ n m ở đầ u truy nh ậ p ng ẫu nhiên ............... 132

5.2.2. Bước 2 : Đáp ứ ng truy nh ậ p ng ẫu nhiê n ......................................... 136

5.2.3. Bướ c 3: Nh ậ n d ạ ng thi ế t b ị đầ u cu ố i .............................................. 137

5.2.4. Bướ c 4: Gi ả i quy ế t tranh ch ấ p........................................................ 138

K Ế T LU Ậ N............................................................................................... 140

8

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sự phân bố t ầ n s ố trong h ệ th ố ng GSM.......................................... 18

Hình 2.1 Phát triể n ki ến trúc 3GPP ............................................................... 28

Hình 2.2 Ki ến trúc và các thành phầ n m ạ ng ................................................. 29

Hình 2.2. Kiến trúc hệ th ố ng cho m ạ ng ch ỉ có E -UTRAN............................ 33

Hình 2.4 Nguyên tắ c ho ạt độ ng c ủ a MME ................................................... 35

Hình 2.5 Kế t n ố i S-GW t ới các nút logic khác .............................................. 37

Hình 2.6: P -GW k ế t n ố i t ới các node logic khác và các chức năng chính ..... 40

Hình 2.7: PCRF kế t n ố i t ới các nút logic khác & các chức năng chín h ......... 41

Hình 2.8: Ngăn xế p giao th ứ c m ặ t ph ẳng điề u khi ể n trong EPS ................... 43

Hình 2.9: Ngăn xế p giao th ứ c m ặ t ph ẳng người dùng trong EPC ................. 45

Hình 2.10: Các ngăn xế p giao th ứ c m ặ t ph ẳng điề u khi ển và mặ t ph ẳng ngườ i

dùng cho giao diệ n X2.................................................................................. 46

Hình 2.11 Ki ến trúc dị ch v ụ mang truy ề n EPS ............................................. 48

Hình 2.12. Trạng thái của UE và chuyể n ti ế p tr ạng thái ............................... 49

Hình 2.13. Hoạt độ ng chuy ể n giao ............................................................... 51

Hình 2.14. Khu vực theo dõi cậ p nh ậ t cho UE ở tr ạng thái RRC rả nh r ỗ i ..... 52

Hình 2.15. Khu vự c d ị ch v ụ eMBMS và các khu vự c MBSFN..................... 54

Hình 2.16 Kiến trúc logic eMBMS ............................................................... 55

Hình 2.17 Kiến trúc mặ t ph ẳng người dùng eMBMS cho đồ ng b ộ n ộ i dung 56

B ảng 3.1 Các băng tầ n v ận hành E -UTRAN ( TS 36.101 )........................... 61

Hình 3.1 Biể u di ễ n t ầ n s ố -th ờ i gian c ủ a m ột tín hiệ u OFDM........................ 62

Hình 3.2 Sự t ạo ra ký hiệu OFDM có ích sử d ụ ng IFF T ............................... 62

Hình 3.3 Sự t ạ o ra chu ỗi tín hiệ u OFD M ...................................................... 63

Hình 3.4 Cấp phát sóng mang con cho OFDM & OFDMA .......................... 63

Hình 3.5 Cấu trúc khung loạ i 1..................................................................... 64

Hình 3.6 Cấu trúc khung loạ i 2..................................................................... 65

9

Hình 3.7 Tài nguyên đườ ng xu ố ng ............................................................... 65

Hình 3.8 Ghép kênh thờ i gian – t ầ n s ố OFDMA........................................... 67

Hình 3.9 Phát và thu OFDM A ...................................................................... 68

Hình 3.10 Sơ đồ kh ố i DFT-S-OFDM ........................................................... 70

Hình 3.11 Tài nguyên đường lên .................................................................. 71

B ảng 3.4 Các tham số c ấu trúc khung đường lên ( FDD&TDD)................... 72

Hình 3.12 Phát & thu hướng lên LTE ........................................................... 74

Hình 3.13 So sánh OFDMA & SC -FDMA truy ề n m ộ t chu ỗi các ký hiệ u d ữ

li ệ u QPSK .................................................................................................... 75

Hình 3.14 Các chế độ truy nh ập kênh vô tuyế n ............................................ 77

Hình 3.15 MIMO 2×2 , chưa có tiền mã hóa ................................................ 79

Hình 3.16 Xử lý tín hiệu cho phân tập phát và ghép kênh không gian (MIMO)

..................................................................................................................... 81

Hình 3.17: Ăng ten MIMO trong chế độ hướng lên ...................................... 85

Hình 4.1 Ánh xạ c ủa các kênh truyề n t ải hướng lên tới các kênh vật l ý ........ 87

Hình 4.3: Các chòm điểm điề u ch ế trong LTE.............................................. 88

Hình 4.4: Cấp phát tài nguyên hướng lên được điề u khi ể n b ở i b ộ l ậ p bi ể u

eNodeB ........................................................................................................ 90

Hình 4.5 Cấu trúc khung LTE FDD .............................................................. 91

Hình 4.5: Cấu trúc khung LTE FDD ............................................................ 91

Hình 4.7: Cấu trúc khe đường lên vớ i ti ề n t ố vòng ngắn và dài .................... 92

Hình 4.8 Chuỗi mã hóa kênh PUSCH ........................................................... 94

Hình 4.9 Ghép kênh của thông tin điề u khi ển và dữ li ệ u .............................. 94

Hình 4.10 Cấp phát tài nguyên đườ ng xu ố ng t ạ i eNode B ............................. 95

Hình 4.11 Cấu trúc khe đườ ng xu ống cho băng thông 1,4MHz .................... 96

Hình 4.12 Chuỗi mã hóa kênh DL -SC H ....................................................... 96

Hình 4.13 Ví dụ v ề chia s ẻ tài nguyên đườ ng xu ố ng gi ữ a PDCCH & PDSCH

..................................................................................................................... 97

10

Hình 4.14 Sự t ạo thành tín hiệu hướ ng xu ố ng .............................................. 98

Hình 4.15 Tài nguyên PUCC H ................................................................... 101

Hình 4.16 Nguyên tắc điề u ch ế d ữ li ệu và điề u khi ể n ................................. 103

Hình 4.17 Cấp phát các trườ ng d ữ li ệu & điề u khi ển khác nhau trên PUSCH

................................................................................................................... 104

Hình 4.18 Các dạ ng ph ầ n m ở đầ u LTE RACH cho FDD ........................... 107

Hình 4.19 Vị trí PBCH tại các tầ n s ố trung tâm .......................................... 112

Hình 4.20 các tín hiệu đồ ng b ộ trong khun g ............................................... 113

Hình 4.21 Vận hành LTE HARQ vớ i 8 ti ến trình ....................................... 115

Hình 4.22 Đị nh th ờ i LTE HARQ cho m ột gói tin đườ ng xu ố ng duy nh ấ t... 115

Hình 4.23 Điề u khi ển đị nh th ời hướng lên .................................................. 116

Hình 4.24 Công suất hướng lên LTE với thay đổ i t ốc độ d ữ li ệ u ................ 117

Hình 4.25 Thủ t ục báo cáo thông tin trạng thái kênh (CSI)......................... 118

Hình 4.26 Tự c ấu hình cho PCI .................................................................. 123

Hình 5.1 Các tín hiệu đồ ng b ộ sơ cấ p & th ứ c ấ p ( gi ả thi ế t chi ều dài tiề n t ố

vòng bình thườ ng )..................................................................................... 125

Hình 5.2 Sự hình thành tín hiệu đồ ng b ộ trong mi ề n t ầ n s ố ........................ 127

Hình 5.3 Tổ ng quan v ề th ủ t ụ c truy nh ậ p ng ẫu nhiên ................................. 131

Hình 5.4 Minh họa cơ bả n cho truy ề n d ẫ n ph ầ n m ở đầ u truy nh ậ p ng ẫu nhiên

................................................................................................................... 133

Hình 5.5 Đị nh th ờ i ph ầ n m ở đầ u t ại eNodeB cho các ngườ i s ử d ụ ng truy nh ậ p

ng ẫu nhiên khác nha u ................................................................................. 134

Hình 5.6 Sự phát hiệ n ph ầ n m ở đầ u truy nh ậ p ng ẫu nhiên trong miề n t ầ n s ố

................................................................................................................... 135

11

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây,mạng không dây ngày càng trở nên phổ biến

với sự ra đời của hàng loạt những công nghệ khác nhau như Wi-Fi (802.1x),

WiMax (802.16)... Cùng với đó là tốc độ phát triển nhanh, mạnh của mạng

viễn thông phục vụ nhu cầu sử dụng của hàng triệu người mỗi ngày. Hệ thống

di động thế hệ thứ hai, với GSM và CDMA là những ví dụ điển hình đã phát

triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia. Tuy nhiên, thị trường viễn thông càng mở

rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ

thống thông tin di động thế hệ thứ hai. Sự ra đời của hệ thống di động thế hệ

thứ ba với các công nghệ tiêu biểu như WCDMA hay HSPA là một tất yếu để

có thể đáp ứng được nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ

cao, băng thông rộng của người sử dụng.

Cũng giống như các thuật ngữ 2G hay 3G, 4G chỉ là một từ viết tắt của cụm

từ “fourth generation” (thế hệ thứ 4) để thuận tiện cho các chương trình

marketing của các nhà mạng. Dịch vụ viễn thông hay kết nối không dây sử

dụng công nghệ này thực ra rất khác biệt nhau và phụ thuộc vào các nhà cung

cấp dịch vụ nhưng thông thường, một mạng không dây sử dụng công nghệ 4G

sẽ có tốc độ nhanh hơn mạng 3G từ 4 đến 10 lần.

Hiện thế giới đang tồn tại 2 chuẩn công nghệ lõi của mạng 4G là WiMax và

Long Term Evolution (LTE). WiMax là chuẩn kết nối không dây được phát

triển bởi IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) còn LTE là

chuẩn do 3GPP, một bộ phận của liên minh các nhà mạng sử dụng công nghệ

GSM. Cả WiMax và LTE đều sử dụng các công nghệ thu phát tiên tiến để

nâng cao khả năng bắt sóng và hoạt động của thiết bị, mạng lưới. Tuy nhiên,

mỗi công nghệ đều sử dụng một dải băng tần khác nhau.

Mạng 4G với tốc độ cao hơn hẳn sẽ giúp cho tốc độ truyền tải của dữ liệu trên

các hệ thống mạng được cải thiện đáng kể và đưa các dịch vụ cao cấp như sử

dụng ứng dụng di động, trên video trực tiếp trên mạng, hội nghị truyền hình

hay chơi game trực tuyến… sẽ bùng nổ thực sự.

13

Tuy nhiên, điểm “lợi hại” nhất của mạng 4G là nó có thể thay thế một cách hoàn

hảo các đường truyền Internet cố định (kể cả đường truyền cáp quang) với tốc độ

không thua kém, vùng phủ sóng rộng lớn hơn và có tính di động rất cao.

Để tài “Nghiên cứu hệ thống thông tin di động tiền 4G LTE (Long Term

Evolution)” của em tập trung đi vào tìm hiểu tổng quan về công nghệ LTE

cũng như là những kỹ thuật và thành phần được sử dụng trong công nghệ này

để có thể hiểu rõ thêm về những tiềm năng hấp dẫn mà công nghệ này mang

lại và tình hình triển khai công nghệ này trên thế giới và tại VIỆT NAM .

Đề tài gồm 5 chương :

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI

ĐỘNG VÀ GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ LTE 4

CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC MẠNG VÀ GIAO THỨC 4

CHƯƠNG 3: TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE

CHƯƠNG 4: LỚP VẬT LÝ LTE

CHƯƠNG 5: CÁC THỦ TỤC TRUY NHẬP

Để thực hiện đồ án tốt nghiệp này, em đã sử dụng những kiến thức được

trang bị trong 5 năm đại học và những kiến thức chọn lọc từ các tài liệu của

các thầy giáo, cô giáo trong và ngoài trường . Ngoài ra, đồ án còn sử dụng

những tài liệu phổ biến rộng rãi trên Internet.

Mặc dù đã rất cố gắng, nhưng do hạn chế về thời gian cũng như những

hiểu biết có hạn của một sinh viên nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót. Để

đồ án được hoàn thiện hơn, em rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của

các thầy giáo, cô giáo cũng như các bạn sinh viên.

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Chiến Thằng

14

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI

ĐỘNG & GIỚI THIỆU VỀ MẠNG 4G LTE

1.Tổng quan về hệ thống thông tin di động:

Các hệ thống thông tin di động đầu tiên ra đời từ những năm 1920, khi đó

điện thoại di động chỉ được sử dụng như là các phương tiện thông tin giữa các

đơn vị cảnh sát ở Mỹ. Ngày 17/6/1946 hãng AT&T và Southwestern Bell

giới thiệu thông tin di động đầu tiên ở Mỹ, hệ thống đầu tiên này gồm 6 kênh

ở băng tần 150 MHz, là hệ thống bán song công, có độ rộng kênh là 60 KHz

(gấp 2 lần kênh thông tin di động tương tự ngày nay, trong khi đó CDMA là

1.25 MHz và WCDMA là 5MHz). Khi hệ thống này ra đời và được ứng dụng

vào các thành phố lớn ở Mỹ, thì nhu cầu người sử dụng vượt quá dung lượng,

nên độ rộng kênh được giảm xuống còn 30 KHz. Các hệ thống di động đầu

tiên này ít tiện lợi và dung lượng rất thấp so với các hệ thống hiện nay.

1.1.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất ( 1G)

Những năm cuối thập niên 70, hệ thống điện thoại di động thế hệ thứ nhất

được phát triển, đó là hệ thống thông tin di động tương tự sử dụng phương

pháp đa truy cập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple

Access) cung cấp những dịch vụ chủ yếu là thoại. Thế hệ mạng điện thoại di

động đầu tiên sử dụng các chuyển mạch tương tự, là hệ thống truyền tín hiệu

tương tự.

Có thể kể đến như NMT (Nordic Mobile Telephone) của công ty Ericsson

(Thụy Điển); hai versions đang tồn tại là NMT450 hoạt động tại 450 MHz

band và NMT900 hoạt động tại 900 MHz band. AMPS (Advanced Mobile

Phone System) là hệ thống điện thoại di động tổ ong do AT&T và công ty

Motorola (Mỹ) đề xuất sử dụng năm 1982. Các hệ thống kể trên là các hệ

thống 1G. Tuy nhiên các hệ thống 1G này có những hạn chế như sau: phân bố

tần số rất hạn chế, dung lượng thấp, tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi di

15

động chuyển dịch trong môi trường phađing đa tia, không đáp ứng được các

dịch vụ mới hấp dẫn đối với khách hàng, không cho phép giảm đáng kể giá

thành của thiết bị di động và cơ sở hạ tầng, không đảm bảo tính bí mật của

các cuộc gọi, không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở châu

Âu, làm cho thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở nước

khác. Bảng 1.1 liệt kê một vài thông số chính của các hệ thống di động:

Tham số

Băng tần

AMPS

800 MHz

30 KHz

45 MHz

832

NMT 900

900 MHz

25 / 12.5 KHz

45 MHz

NMT 450

450 – 470 MHz

25 / 29 KHz

10 MHz

Khoảng cách kênh

Khoảng cách song công

Các kênh

1000 ( 1999)

FM

180 / 225

FM

Loại điều chế

FM

Kế hoạch ô

4, 7, 12

4, 9, 12

7

Điều chế kênh điều

khiển

FSK

FFSK

Độ lệch kênh điều khiển

Mã kênh điều khiển

8 KHz

3.5 MHz

NRZ

3.5 MHz

NRZ

Manchester

Dung lượng kênh điều

khiển

77000

13000

Tốc độ truyền dẫn

10 Kbps

1.2 Kbps

Bảng 1.1 Các thông số của một vài hệ thống thông tin di động

Nhược điểm 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...

16

1.1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai ( 2G)

Khi số lượng thuê bao di động tăng lên nhanh chóng, hệ thống thông tin di

động thứ nhất sử dụng các bộ chuyển mạch tương tự đã không còn đáp ứng

được nữa. Các nhà mạng cần phải có biện pháp nâng cao dung lượng của

mạng, chất lượng các cuộc đàm thoại cũng như cung cấp thêm một số lượng

dịch vụ bổ sung cho mạng. Để giải quyết vấn đề này các nhà nghiên cứu áp

dụng việc số hóa hệ thống điện thoại di động cùng với các kỹ thuật đa truy

nhập mới, và điều này dẫn tới sự ra đời của hệ thống điện thoại di động thế hệ

thứ 2 hay còn gọi tắt là 2G.

Hệ thống 2G dựa trên nền tảng công nghệ kỹ thuật điện tử số, ứng dụng kỹ

thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA - Time Division Multiple

Access) và đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA – Code Division Multiple

Access). Hệ thống này có nhiều ưu điểm vượt trội hơn hệ thống thông tin di

động thế hệ thứ nhất vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống.

Hệ thống 2G còn cung cấp thêm một số dịch vụ truyền dữ liệu, tuy tốc độ

còn thấp. Một số hệ thống di động 2G tiêu biểu như GSM (Global System for

Mobile Communication), IS-95 (Iterim Standard-95).

Trong đó GSM được sử dụng rộng rãi nhất, hệ thống thông tin di động

GSM đầu tiên được triển khai vào khoảng năm 1991. GSM kết hợp kỹ thuật

truy nhập TDMA và FDMA và sử dụng hai dải tần số xung quanh 900 MHz,

(hình 1.1).

Băng tần đầu tiên cho đường lên hoạt động ở 890 MHz đến 915 MHz.

Băng tần thứ hai dành cho đường xuống hoạt động tại 935 MHz đến 960

MHz. Mỗi kênh vật lý có băng thông là 200 KHz và có 8 khe thời gian, mỗi

khe thời gian được gán cho một người sử dụng. Để tăng thêm dung lượng cho

các hệ thống thông tin di động, tần số của các hệ thống được chuyển từ vùng

800 – 900 MHz vào vùng 1.8 – 1.9 GHz. Một số nước đã đưa vào sử dụng cả

hai tần số (Dual Band).

17

Uplink

Downlink

Frequency

( MHz )

890

915

935

960

Hình 1.1 Sự phân bố tần số trong hệ thống GSM

TDMA

Sơ đồ đa truy nhập

Phân bố tần số

đường lên: 890-915 MHz

Đường xuống: 935-960 MHz

200 KHz

Băng thông kênh

Tốc độ điều chế dữ liệu trên kênh vô tuyến

270.8333 Kb/s

0.3 GMSK

Điều chế

Mã hoá kênh

kết hợp mã hoá khối và mã xoắn

Bảng 1.2 Các thông số chính của hệ thống GSM

Kể từ khi ra đời, các hệ thống GSM đã phát triển với một tốc độ hết sức

nhanh chóng và có mặt ở nhiều quốc gia. Ở Việt Nam hệ thống thông tin di

động số GSM được đưa vào từ năm 1993 và được khai thác, áp dụng rộng rãi

trên toàn quốc

Có 4 chuẩn chính đối với hệ thống 2G: Hệ Thống Thông Tin Di Động

Toàn Cầu (GSM); AMPS số (D-AMPS); Đa Truy Cập Phân Chia Theo Mã

IS-95; và Mạng tế bào Số Cá Nhân (PDC). GSM đạt đuợc thành công nhất và

đuợc sử dụng rộng rãi trong hệ thống 2G.

❖ GSM

GSM cơ bản sử dụng băng tần 900MHz. Sử dụng kỹ thuật đa truy nhập

theo thời gian TDMA. nhung ở đây cũng có một số những phát sinh, 2 vấn đề

18

quan trọng là hệ thống mô hình số 1800 (DCS 1800; cũng đuợc biết nhu GSM

1800) và PCS 1900 (hay GSM 1900). Sau này chỉ đuợc sử dụng ở Bắc Mĩ và

Chilê, và DCS 1800 thì đuợc tìm thấy ở một số khu vực khác trên thế giới.

Nguyên do đầu tiên về băng tần số mới là do sự thiếu dung luợng đối với

băng tầng 900 MHz. Băng tần 1800MHz có thể đuợc sử dụng ý nghĩa và phổ

biến hơn đối với nguời sử dụng. vì thế nó đã trở nên hoàn toàn phổ biến, đặc

biệt trong những khu vực đông dân cư. Vì thế đồng thời cả 2 băng tần di động

đều đuợc sử dụng, ở đây điện thoại sử dụng băng tần 1800MHz khi có thành

phần khác sử dụng lên trên mạng 900MHz.

Hệ thống GSM 900 làm việc trong một băng tần hẹp, dài tần cơ bản từ

(890- 960MHz). Trong đó băng tần cơ bản đuợc chia làm 2 phần :

+ Đuờng lên từ (890 - 915) MHz.

+ Đuờng xuống từ (935 - 960)MHz.

Băng tần gồm 124 sóng mang đuợc chia làm 2 băng, mỗi băng rộng

25MHz,khoảng cách giữa 2 sóng mang kề nhau là 200KHz. Mỗi kênh sử

dụng 2 tần số riêng biệt cho 2 đuờng lên và xuống gọi là kênh song công.

Khoảng cách giữa 2 tần số là không đổi bằng 45MHz. Mỗi kênh vô tuyến

mang 8 khe thời gian TDMA và mỗi khe thời gian là một kênh vật lý trao đổi

thông tin giữa MS và mạng GSM. Tốc độ từ 6.5 - 13 Kbps.

Từ năm 1989 GSM được chuyển nhượng cho Viện tiêu chuẩn viễn

thông Châu Âu (ETSI) và được viện phát triển qua nhiều giai đoạn. Đến

năm 1997 mới hoàn thành tiêu chuẩn đầy đủ thành GSM 2G có kết hợp với

dịch vụ số liệu chuyển mạch tốc độ cao (HSCSD) và dịch vụ truyền sóng vô

tuyến gói đa dụng (GPRS).

Trong đó :

❖ HSCSD ( High Speed Circuit Switched Data) - Chuyển mạch kênh

tốc độ cao:

Nhược điểm các hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ GSM là

tốc độ truyền dữ liệu chậm. Tốc độ về mặt lý thuyêt là 14.4Kbps, thực tế đo

19

được chỉ khoảng 9.6Kbps. Do vậy khi áp dụng công nghệ HSCSD sẽ làm tăng

tốc độ truyền tải dữ liệu cả hệ thống. Cốt lõi công nghệ này là việc sử dụng

ghép kênh theo thời gian, một trạm di động có thể sử dụng nhiều khe thời

gian cho một kết nối dữ liệu tối đa là 4 khe thời gian. Một khe thời gian có thể

sử dụng tốc độ 9.6Kbps hoặc 14.4Kbps. Toàn bộ tốc độ chính là số khe thời

gian nhân với tốc độ dữ liệu của một khe thời gian. HSCSD phân bố việc sử

dụng khe thời gian một cách liên tục ngay cả khi không có dữ liệu truyền đi.

❖ GPRS (General Packet Radio Service) - Dịch vụ truyền dữ liệu theo gói:

GPRS là một hệ thống vô tuyến thuộc giai đoạn trung gian, nhưng vẫn

là hệ thống 3G nếu xét về mạng lõi. GPRS cung cấp các kết nối số liệu

chuyển mạch gói với tốc độ truyền lên tới 171,2Kbps (tốc độ số liệu đỉnh) và

hỗ trợ giao thức Internet TCP/IP và X25, nhờ vậy tăng cường đáng kể các

dịch vụ số liệu của GSM.

Việc tích hợp GPRS vào mạng GSM được thực hiện rất đơn giản. Một

phần các khe trên giao diện vô tuyến dành cho GPRS, cho phép ghép kênh số

liệu gói được lập lịch trình trước đối với một số trạm di động. Phân hệ trạm

gốc chỉ cần nâng cấp một phần nhỏ liên quan đến khối điều khiển gói (PCU-

Packet Control Unit) để cung cấp khả năng định tuyến gói giữa các đầu cuối

di động các nút cổng (gateway). Một nâng cấp nhỏ về phần mềm cũng cần

thiết để hỗ trợ các hệ thống mã hoá kênh khác nhau. Mạng lõi GSM được tạo

thành từ các kết nối chuyển mạch kênh được mở rộng bằng cách thêm vào các

nút chuyển mạch số liệu và gateway mới, được gọi là GGSN (Gateway GPRS

Support Node) và SGSN (Serving GPRS Support Node). GPRS là một giải

pháp đã được chuẩn hoá hoàn toàn với các giao diện mở rộng và có thể

chuyển thẳng lên 3G về cấu trúc mạng lõi.

❖ EDGE ( Enhanced Data Rates for GSM Evolution): Tốc độ số liệu tăng

cường để phát triển GSM: EDGE có thể phát nhiều bit gấp 3 lần GPRS trong

một chu kỳ. Đây là lý do chính cho tốc độ bit EDGE cao hơn. ITU đã định

20