ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Phạm Thu Trang NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CHUYỂN ĐỔI CÔNG NGHỆ SANG
HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc
Mã số: 2.07.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS. TRẦN HỒNG QUÂN
Hà Nội - 2006
i
MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1. Những đặc thù của hệ thông tin di động
1.2. Tổng quan về hệ thông tin di động quá khứ, hiện tại và tƣơng lai
1.3. Giới thiệu hệ thông tin di động 4G
1.4. Kết luận


14
15
17
20
22

23

23
23
25
28
28
28
31
31
34
36
39 ii
3.3.1. Các phần tử mạng truy nhập vô tuyến.
3.3.2. Các phần tử mạng lõi.
3.3.3. Chức năng điều khiển.
3.3.4. Dịch vụ.
3.4. Những thách thức khi chuyển sang mạng 4G
3.4.1. Những thách thức
3.4.2. Giải pháp
3.4.2.1.Trạm di động

53
56
60
62

63
63
64
72
72
76
79
81
83
85
86

86
88
94

95 i
CÁC TỪ VIẾT TẮT

3GPP
The 3
rd

Authentication Center
Trung tâm nhận thực
AWGN
Additive White Gaussian Noise
Tạp âm Gauss trắng cộng
BER
Bit Error Rate
Tỉ số bit lỗi
BGP
Border Gateway Protocol
Đ ịnh tuyến biên
BPF
Bandwidth Pass Filter
Bộ lọc thông dải
BPSK
Binary Pulse Shift Keying
Khoá dịch pha nhị phân
BWA
Broadband Wireless Access
Truy cập không dây băng rộng
CDM
Code Division Multiplexing
Phân chia theo mã
CDMA
Code Division Multiple Access
Truy nhập phân chia theo mã
CEPT
Conference European Post and
Hội nghị bưu chính viễn thông Châu Âu


DVD EDGE
Enhanced Data for GSM Evolution
Tốc độ số liệu gói tăng cường để phát triển
GSM
EGPRS
Enhanced GPRS
GPRS tăng cường
EIR
Equipment Identity Register
Bộ ghi dịch nhận dạng thiết bị
EIR
Equipment Identity Register
Thanh ghi nhận dạng thiết bị
ERMES ERP
Enterprise Resource Planning
Hoạch định tài nguyên công ty
ETSI
European Telecommunications Standard
Institute
Viện chuẩn viễn thông Châu Âu
FDD
Frequency Division Duplex
Ghép công phân chia theo tần số
FDMA

HS-DSCH
High Speed Downlink Shared Channel
Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao
HSOPA HSS
Home Subscriber Server
Serve lưu trữ thông tin về thuê bao
HSUPA
High Speed Uplink Packet Access
Công nghệ truy nhập gói đường lên tốc độ
cao
IDFT
Inverse Discrete Fourier Transform
Biến đổi Fourier ngược, rời rạc
IEEE
The Institute of Electrical and Electronic
Engineers
Viện kỹ thuật điện và điện tử
IMT
International Mobile
Telecommunications
Viễn thông di động quốc tế
IP
Internet Protocol
Giao thức Internet iv

MCM
MultiCarrier Modulation
Điều chế đa sóng mang
MGCF
Media Gateway Control Function
Chức năng điều khiển tài nguyên đa phương
tiện
MIMO
Multi Output Multi Input
Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra
MMS
Multimedia Message
Tin nhắn đa phương tiện
MPLS
MultiProtocol Label Switching
Chuyển mạch nhãn đa giao thức
MR
Mobile Router
Bộ định tuyến di động
MRFP
Multimedia Resource Function Provide
Cung cấp tài nguyên đa phương tiện
MS
Mobile Station
Trạm di động
MSC
Mobile Switching Center
Trung tâm chuyển mạch di động
NAT
Network Address Translator

Public Data Network
Mạng số liệu công cộng
PLMN
Public Land Mobile Network
Mạng di động mặt đất công cộng
PNC
Public Network Computing
Tính toán mạng công cộng
PS
Packet Switching
Chuyển mạch gói
PSTN
Public Switched Telephone Network
Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng
QoS
Quality of Services
Chất lượng dịch vụ
QPSK
Quadrature Pulse Shift Keying
Khóa dịch pha vuông góc
RAB
Radio Access Bearer
Vật mang truy nhập vô tuyến
RAC
Radio Access Controller
Bộ điều khiển truy nhập vô tuyến
RAN
Radio Access Network
Mạng truy nhập vô tuyến
RAP

Software Defined Radio
Phần mềm hệ thống vô tuyến lý tưởng
SEG
Security Gateway
Gateway an ninh
SIM
Subscriber Identity Module
Module nhận dạng thuê bao
SIP
Session Initialization Protocol
Giao thức khởi tạo phiên
SMS
Short Message Service
Tin nhắn thường
SNR
Signal to Noise Ratio
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
SS
Spread Spectrum
Trải phổ
SS7oIP

Báo hiệu số 7 qua giao thức IP
STM
Synchronous Transfer Mode
Chế độ truyền tải đồng bộ
SVC
Switching Virtual Connection
Kết nối chuyển mạch ảo
TACS

VHE
Virtual Home Environment
Môi trường định vị thường trú ảo
VLR
Visitor Location Register
Bộ ghi dịch tạm trú
VSF
Variable Spread Frequency
Trải sóng tuỳ biến
WAN
Wide Area Network
Mạng diện rộng
WAP
Wireless Access Protocol
Giao thức truy cập không dây
WCDMA
Wideband Code Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng
WLAN
Wireless Local Area Network
Mạng cục bộ không dây
Hình 3.6: Môi trường mạng không đồng nhất trên cơ sở toàn IP
Hình 3.7: Nguyên lý OFDM
Hình 3.8: Cấu trúc mạng lõi 4G
Hình 3.9: Hệ thống phần mềm vô tuyến lý tưởng ix
Hình 3.10: Đầu cuối đa chế độ gắn liền với WLAN và quét các hệ thống hiện tại. Nó
có thể tải xuống phần mềm thích hợp bằng tay hoặc tự động.
Hình 3.11: Chuyển giao theo hai phương của thiết bị đầu cuối
Hình 3.12: Một ví dụ về tính di động cá nhân

Hình 4.1: Dịch vụ 4G
Hình 4.2: Khái niệm QoS và mối quan hệ QoS với chất lượng mạng
Hình 4.3: Mối liên hệ giữa các khái niệm QoS theo ETSI
Hình 4.4: Kiến trúc dịch vụ trong mạng di động thế hệ sau
Hình 4.5. Chất lượng dịch vụ QoS

Hình 5.1: Mô hình phát triển lên 4G từ GSM
Hình 5.2: Cấu trúc mạng GSM-GPRS
Hình 5.3: Mạng lõi cơ sở IP
Hình 5.4: Mô hình mạng 3.5G
Hình 5.5: Thay đổi ở RNC và Node B
Hình 5.6: Mô hình cấu trúc mạng 4G

Bảng 3.1. Các thông số hệ thống cho đường downlink
Bảng 3.2. Các thông số hệ thống cho đường uplink của hãng NTT DOCOMO
Bảng 3.3. Tóm tắt những thách thức chính và đề xuất các giải pháp
Bảng 4.1: Các tham số QoS trong mạng 4G

- 4 -
 Quản lý kênh truyền.
Tất cả các vấn đề trên đều phải xử lý trong thời gian thực. Bên cạnh đó, các yêu cầu
của người dùng về thiết bị như kích thước, trọng lượng, tuổi thọ của pin đã đặt ra các
đòi hỏi rất cao về công nghệ điện tử và các kỹ thuật xử lý tín hiệu. Chính vì vậy, chúng
ta phải đợi đến khi những tiến bộ của công nghệ điện tử chín muồi vào những năm 80,
thông tin di dộng mới thâm nhập vào đời sống xã hội.

1.2. TỔNG QUAN HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG QUÁ KHỨ, HIỆN TẠI VÀ
TƯƠNG LAI.
Lịch sử phát triển
1873: Phương trình Maxwells.
1886: Hertz chứng minh sự tồn tại của sóng vô tuyến.
1895: Marconi phát minh điện báo vô tuyến.
1900: Fessenden truyền tín hiệu thoại vô tuyến thành công:
Liên lạc vô tuyến giữa các tàu thuỷ và các trung tâm trên bờ
Liên lạc vô tuyến giữa máy bay và mặt đất.
1921: Hệ thống vô tuyến phục vụ cảnh sát đầu tiên, Detroit.
Các hệ thống điện thoại vô tuyến cá nhân đầu tiên ra đời.
1946: Hệ thống điện thoại vô tuyến công cộng đầu tiên, St. Louis.
Ra đời các điện thoại vô tuyến HF (Sử dụng băng tần: 2-22Mhz ).
1979: Ra đời mạng vô tuyến tổ ong AMPS
(AMPS là sự kết hợp của hệ thống AT&T tại Chicago và Motorola tại
Washington/Baltimore: chuẩn AMPS tương tự sử dụng dải tần 800Mhz) - 5 -
1980: Tiêu chuẩn nhắn tin POCSAG.

 Chi phí cho thiết bị và sử dụng dịch vụ phải mang tính kinh tế
 Hỗ trợ chuyển vùng quốc tế (roaming)
 Có khả năng hỗ trợ các thiết bị cầm tay
 Sử dụng trải phổ hiệu quả
 Tương thích với mạng ISDN
Phát triển từ thế hệ thứ nhất 1G(các hệ thống analog), hệ thông tin di động thế hệ thứ
hai(2G) - hệ truyền thông toàn cầu GSM với các tế bào số hoá cá nhân PDC (Personal
Digital Cellular), chuẩn tạm thời IS(Interim Standard) sử dụng kỹ thuật số cho luồng
định hướng tiếng nói đã là tâm điểm của cuộc cách mạng kỹ thuật số. Vào năm 1989,
Công nghệ GSM được chuyển giao cho Viện chuẩn viễn thông Châu Âu(ETSI). Các
dịch vụ mang tính thương mại mắt đầu được cung cấp vào giữa năm 1991, và vào năm
1993, 36 mạng GSM đã có mặt trên 22 quốc gia. Mặc dù được chuẩn hoá tại Châu Âu,
nhưng GSM không còn là chuẩn riêng của Châu Âu. Hơn 200 mạng GSM (bao gồm cả
DCS1800 và PCS1900) đã được ứng dụng tại 100 quốc gia trên toàn thế giới. Vào đầu
năm 1994, mạng GSM có 1.3 triệu thuê bao trên toàn thế giới và con số này đến năm
1997 là 55 triệu thuê bao. Ngày nay GSM đã trở thành thuật ngữ chung cho hệ thông
tin di động toàn cầu (Global System for Mobile Communication).
Từ khi hệ GSM thành công trong việc chuẩn hóa từ Châu Âu sang toàn cầu, nó
trở thành hệ thống truyền thông di động toàn cầu. Việc nâng cấp hệ thống GSM (2G)
qua GPRS và EDGE (EGPRS) cũng như WAP và imode (2.5G) cho phép tốc độ truyền
dữ liệu cũng như tốc độ truyền thoại được cải thiện trước khi có 3G. GSM được thiết - 7 -
kế cho các dịch vụ thoại số hay cho dữ liệu truyền dưới dạng bit tốc độ thấp phù hợp
với kênh thoại là 9.6Kbps.
Để có thể đáp ứng được các nhu cầu về sử dụng dịch vụ Internet ngày càng cao
của người dùng và cũng là một bước đệm cho 3G, các mạng thông tin di động hiện nay
đã phát triển công nghệ, đưa dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS 2.5G (General Packet
Radio Services) đến với khách hàng. Hệ thống này được ra đời và được nâng cấp dựa

ảnh, gửi nhận email, file đính kèm dung lượng lớn, tải tệp tin video và MP3, nhắn tin
dạng chữ chất lượng cao. Các thiết bị hỗ trợ 3G cho phép chúng ta download và xem
phim từ các chương trình TV, kiểm tra tài khoản ngân hàng, thanh toán hoá đơn điện
thoại qua mạng, nhận và gửi các bưu thiếp kỹ thuật số. Hơn nữa, chúng ta còn được
thưởng thức video giàu đồ hoạ, âm thanh vòm lập thể (surrounding sound) chất lượng
cao, game ba chiều mới mẻ (3D), giàu tính năng multimedia của thẻ modem vô tuyến,
hay PDA hợp thời trang.
Trong khi 2G hoạt động trong các băng tần 900 và 1800/1900Mhz, 3G hoạt
động trong băng tần 2Ghz và hệ thống mới này có nhiệm vụ chuyển giao những dịch
vụ đa phương tiện với dung lượng lớn hơn. Hệ 3G và 2G sẽ tiếp tục tồn tại trong một
thời gian với sự tối ưu hoá dự phòng các dịch vụ giữa chúng. Nhiều dạng chuyển giao
bằng vệ tinh khác nhau được sử dụng để cải thiện phạm vi phủ sóng tại thành thị, ngoại
ô, và vùng nông thôn. Năm 2004, điểm mốc đáng nhớ cho công nghệ 3G, công nghệ
3G đã tác động rất lớn đến đời sống hàng ngày của con người, mọi lúc, mọi nơi và hầu
như mọi việc được thực hiện trên điện thoại di động. Một điều quan trọng là khi công
nghệ ngày càng hội tụ và các tiêu chuẩn tương thích với nhau, người tiêu dùng không
còn quan tâm đến mạng sử dụng là GSM hay CDMA nữa mà họ chỉ quan tâm đến việc
máy di động của họ có thể hoạt động ở bất cứ nơi đâu họ đến. Nếu chúng ta nhìn xa
hơn nữa, ứng dụng giải trí sẽ là yếu tố kích thích lớn trong tăng trưởng 3G. Các thống
kê do nhà khai thác DoCoMo (Nhật Bản) đưa ra cho thấy 88% tỉ lệ gói đến từ truy cập - 9 -
Internet di động và trong số này 77% truy cập là liên quan đến giải trí. Tại Hàn Quốc,
các ứng dụng được yêu cầu phần lớn là các dịch vụ về video, audio, TV trực tiếp,…
Ngoài ra, các dịch vụ khác như download nhạc chuông, mua sắm cũng rất phổ biến.
Những dịch vụ này mang lại cho các nhà khai thác doanh thu rất lớn. Tóm lại với sự
phát triển ngày càng rộng khắp của công nghệ 3G, CDMA, các cơ hội là vô tận. Chúng
ta không còn sống trong một thế giới nơi mà tiêu chuẩn và công nghệ hạn chế chúng ta.
Nhu cầu ngày càng tăng về thiết bị mới, công nghệ cao, tính năng ưu việt đánh dấu sự

5GHz
WLAN

1G
analog
2G
digital
3G
IMT2000
3G+

4G
High speed
WLAN
WPAN
RFID
ZigBee
MAIIet
2010+
2005
2000
1995
Mobility
Data

phạm vi như một bước tiến để cải thiện cuộc sống. Theo các nhà phân tích, mạng 4G sẽ
được triển khai vào khoảng năm 2010, mạng này có thể hỗ trợ chuyển vùng toàn cầu
(roaming) thông qua nhiều mạng di động và mạng không dây. Với đặc tính này, người
dùng có thể truy nhập vào nhiều dịch vụ khác nhau, phạm vi vùng phủ sóng rộng hơn,
một thiết bị ứng dụng cho nhiều tiện ích, chi phí thấp, độ tin cậy truy cập không dây
cao ngay cả khi có sự cố của một hay nhiều mạng. Các mạng 4G có khả năng cùng
hoạt động trên nền IP cho truy nhập Internet di động thông suốt và tốc độ truyền lên tới
50Mbps.
So với mạng di động thế hệ ba, 4G có nhiều ưu thế hơn hẳn: dung lượng được
mở rộng, các mạng 4G hoàn toàn là chuyển mạch gói, các phần tử mạng số hoá, tốc độ
truyền tải dữ liệu cao hơn, cung cấp các dịch vụ truyền thông đa phương tiện với chi
phí thấp.
Các yêu cầu được đặt ra cho hệ thống:
 Truyền thông dải rộng - 11 -
Cho đến tận bây giờ phần lớn lưu lượng truyền tải trên hệ thống thông tin di động là
các tín hiệu thoại. Hệ thông tin di động thế hệ hai (2G), hệ thống tế bào số cá nhân
(PDC), giới thiệu các dịch vụ thương mại điện tử, thư tín điện tử email. Hệ thống IMT-
2000 cung cấp các giải pháp về truyền dẫn dữ liệu tại tốc độ cao từ 64Kbps đến
384Kbps. Hơn thế nữa, việc tăng tính khả dụng của các dịch vụ băng rộng như ADSL,
hệ thống truy cập cáp quang qua các mạng LAN văn phòng và mạng LAN gia đình có
thể sẽ dẫn đến các yêu cầu về tính tương thích dịch vụ trong các môi trường truyền
thông di động.
 Chi phí giá thành thấp.
Khi các dịch vụ băng rộng được đưa vào ứng dụng, người dùng có thể trao đổi được rất
nhiều loại hình thông tin, lúc này là các nhà cung cấp dịch vụ cần phải giảm giá một
cách đáng kể để mức giá thấp hơn hay ít nhất cũng phải bằng mức tính cước của dịch
vụ hiện thời. Hệ thống chuẩn IMT-2000 đặt ra mục tiêu giảm giá cước và tăng tốc độ

 Hội tụ mạng tế bào và quảng bá. Bắt đầu dịch vụ mới dựa trên
những khả năng mới
Các dịch vụ cao cấp nhờ nâng cao
phẩm chất và tính năng mạng
Hạ tầng dịch vụ mới
- Triển khai nhanh các dịch vụ mới
- Dễ dàng triển khai các dịch vụ mới
Kết nối và chuyển giao linh hoạt giữa nhiều
hệ thống truy nhập

Tốc độ truyền dẫn: 384 Kbps
Dung lượng hệ thống
Chi phí
Hệ thống trạm gốc
 100Mbps (tốc độ cao nhất của môi
trường di động); 1Gbps (tốc độ tối đa
trong môi trường indoor)
 gấp 10 lần hệ thống 3G

mạng. Với kỹ thuật MIMO điện thoại di động có thể nhận dữ liệu từ nhiều trạm trong
tầm liên lạc.

1.4. KẾT LUẬN
Với những ưu thế vượt trội hơn hẳn so với các thế hệ di động trước, mạng di
động thế hệ thứ tư có thể giải quyết vấn đề như lưu lượng người dùng, các giao diện
không gian, các thiết bị đầu cuối, các môi trường truyền sóng vô tuyến, các kiểu mô
hình chất lượng dịch vụ. Mục tiêu của 4G ở đây là vừa giải quyết được các yêu cầu của
người dùng, của các nhà khai thác dịch vụ cũng như các yêu cầu về kỹ thuật để có thể
tích hợp được với các hệ thống có sẵn. Hệ thông tin di động 4G sẽ cung cấp tốc độ
truyền dẫn cao hơn và dung lượng lớn hơn so với hệ thống IMT-2000. - 14 -
CHƯƠNG 2. YÊU CẦU HẠ TẦNG VIỄN THÔNG VÀ XU
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ
2.1. YÊU CẦU HẠ TẦNG VIỄN THÔNG
Như chúng ta đã biết, mạng hiện thời chủ yếu là phục vụ thoại, với sự phát triển
nhanh chóng của các dịch vụ số liệu, các nhu cầu về dịch vụ phi thoại như Internet,
truyền số liệu, thương mại điện tử ngày càng gia tăng. Thông tin di động thế hệ thứ hai
GSM mặc dù đã sử dụng công nghệ số nhưng vì là hệ thống băng hẹp và được xây
dựng trên cơ sở chuyển mạch kênh nên không đáp ứng được các yêu cầu này. Trong
bối cảnh đó ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hoá hệ thống thông tin di động thế hệ ba
với tên gọi IMT-2000. Hệ thông tin di động thế hệ ba cung cấp các dịch vụ viễn thông
bao gồm: truyền thông thoại, truyền số liệu tốc độ bit thấp, truyền thông đa phương
tiện, video cho người dùng làm việc ở vùng công sở, vùng dân cư, trong các phương
tiện vận tải….
Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin di động thì
việc chuyển sang hệ thông tin di động thứ tư trong vài thập kỷ tới là điều hoàn toàn có
thể. Hệ thống thông tin di động tập trung vào việc tích hợp các hệ thống hiện tại như