Chơng 1
Giới thiệu chung
1.1 Lịch sử và xu hớng phát triển thông tin di động
Vào cuối thế kỷ XIX, các thí nghiệm của Marconi
1
đã cho thấy thông tin vô
tuyến có thể thực hiện giữa các máy thu phát ở xa nhau và di động. Thông tin vô
tuyến thời bấy giờ sử dụng mã Morse
2
, chủ yếu cho quân sự và hàng hải. Mãi cho
tới năm 1928 hệ thống vô tuyến truyền thanh mới đợc thiết lập, thoạt tiên cho
cảnh sát. Vào năm 1933, sở cảnh sát Bayonne
3
đã thiết lập đợc một hệ thống điện
thoại vô tuyến di động tơng đối hoàn chỉnh đầu tiên trên thế giới. Hồi đó các thiết
bị điện thoại di động rất cồng kềnh, nặng hàng chục kg, đầy tạp âm và rất tốn
nguồn do dùng các đèn điện tử tiêu thụ nguồn lớn. Công tác trong dải thấp của
băng VHF, các thiết bị này liên lạc đợc với khoảng cách vài chục dặm. Sau đó
quân đội cũng đã dùng thông tin di động để triển khai và chỉ huy chiến đấu. Các
dịch vụ di động trong đời sống nh cảnh sát, cứu thơng, cứu hoả, hàng hải, hàng
không cũng đã dần sử dụng thông tin di động để các hoạt động của mình đợc
thuận lợi. Chất lợng thông tin di động hồi đó rất kém. Đó là do các đặc tính
truyền dẫn sóng vô tuyến, dẫn đến tín hiệu thu đợc là một tổ hợp nhiều thành
phần của tín hiệu đã đợc phát đi, khác nhau cả về biên độ, pha và độ trễ. Tại ăng-
ten thu, tổng véc-tơ của các tín hiệu này làm cho đờng bao tín hiệu thu đợc bị
thăng giáng mạnh và nhanh. Khi trạm di động hành tiến, mức tín hiệu thu tức thời
thờng bị thay đổi lớn và nhanh làm cho chất lợng đàm thoại suy giảm trông thấy.
Tất nhiên, tất cả các đặc tính truyền dẫn ấy ngày nay vẫn tồn tại song hồi đó
chúng chỉ đợc chống lại bằng một kỹ nghệ còn trong thời kỳ sơ khai. Trong khi
ngày nay công nghệ mạch tích hợp cỡ lớn VLSI (Very Large Scale Integrated
circuit) cho phép sử dụng từ hàng trăm ngàn đến khoảng một triệu đèn bán dẫn

các bộ vi xử lý, các mạch tổng hợp tần số, các chuyển mạch nhanh dung lợng
lớn mạng vô tuyến tế bào mới đợc biến thành hiện thực.
Từ cuối những năm 1970, với sự ra đời của các công nghệ nói trên, các
mạng vô tuyến di động tế bào đã đợc phát triển rất nhanh chóng
4
. Chúng ta đang
đợc chứng kiến sự phát triển hết sức nhanh chóng của thông tin vô tuyến di động
tế bào, với nhịp độ cứ 10 năm lại có một thế hệ vô tuyến di động tế bào mới, với
các dịch vụ ngày càng mở rộng, chất lợng dịch vụ ngày một cao và vùng cung cấp
dịch vụ ngày một rộng lớn. Những năm thập kỷ 1980 đã chứng kiến sự ra đời của
một số hệ thống vô tuyến tế bào tơng tự, thờng đợc gọi là các mạng vô tuyến di
động mặt đất công cộng PLMR (Public Land Mobile Radio). Các hệ thống loại
này đợc gọi là hệ thống vô tuyến di động tế bào thế hệ thứ nhất 1G (1
st
Generation), tiêu biểu là Hệ thống các dịch vụ điện thoại di động tiên tiến AMPS
(Advanced Mobile Phone Service) của Mỹ công tác trên dải tần 800 MHz và Hệ
thống điện thoại di động Bắc Âu NMT 450 (Nordic Mobile Telephony) công tác
trên dải tần 450 MHz, rồi sau đó trên cả dải 900 MHz (NMT 900). Làm việc ở dải
UHF, các mạng này cho thấy một sự thay đổi vợt bậc về độ phức tạp của các hệ
thống thông tin liên lạc dân sự. Chúng cho phép những ngời sử dụng có đợc các
cuộc đàm thoại trong khi di động với nhau hay với bất kỳ đối tợng nào có nối tới
các mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN (Public Switched Telephone
Network) hoặc các mạng thông tin số đa dịch vụ tích hợp ISDN (Integrated
Services Digital Network). Trong những năm 1990 đã có những bớc tiến hơn nữa
với việc áp dụng các hệ thống thông tin di động tế bào số (digital cellular
system). Các hệ thống mới này đợc gọi là các hệ thống vô tuyến di động thế hệ
thứ hai 2G (2
nd
Generation), tiêu biểu là Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM
(Global System for Mobile communications) của Châu Âu công tác trên dải tần 900

0
20
0
30
0
40
0
Hình 1-1 Tơng quan lợi nhuận một số loại hình dịch vụ thông tin (châu Âu) []
Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai chủ yếu vẫn nhắm vào phục vụ
dịch vụ thoại. Dịch vụ số liệu mà chúng đáp ứng đợc chủ yếu là dịch vụ truyền số
liệu chuyển mạch kênh tốc độ thấp (dới 10 kb/s), không đáp ứng đợc các nhu cầu
truyền số liệu ngày càng tăng. Trong suốt nhiều năm, ngời ta đã nói rất nhiều đến
sự tăng trởng vô cùng mạnh mẽ của các dịch vụ dữ liệu song mặt bằng về truy
nhập vô tuyến là trở ngại lớn nhất làm cho điều này trở thành hiện thực. Chính sự
phát triển nhanh chóng về nhu cầu đối với các dịch vụ dữ liệu, nhất là đối với
Internet, đã thúc đẩy mạnh mẽ công nghiệp vô tuyến và là động lực chính đối với
sự phát triển các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba 3G (3
rd
Generation) đa
dịch vụ.
Các nỗ lực phát triển thông tin di động 3G đợc phát động trớc tiên tại Châu
Âu. Vào năm 1988, dự án RACE 1043 đã đợc hình thành với mục đích ấn định
công nghệ và dịch vụ cho hệ thống 3G gọi là Hệ thống viễn thông di động vạn
năng (UMTS: Universal Mobile Telecommunications System), dự kiến triển khai
vào năm 2000. Trong khi đó, chính phủ Mỹ đã không đề ra một chơng trình quốc
gia nghiên cứu phát triển 3G nào. Song song với dự án RACE 1043, Liên minh
viễn thông quốc tế ITU (International Telecommunication Union) cũng thành lập ban
TG
6
8/1, ban đầu đặt dới sự bảo trợ của CCIR (Uỷ ban t vấn quốc tế về vô tuyến),

Đã có tới mời sáu đề xuất tiêu chuẩn cho các hệ thống 3G, trong đó mời cho
các mạng 3G mặt đất và sáu cho các hệ thống di động vệ tinh MSS (Mobile
Satellite Systems). Đa số các đề xuất đều ủng hộ chọn CDMA (Code Division
Multiple Access-Đa truy nhập theo mã) làm phơng thức đa truy nhập và ITU đã
đồng ý rằng họ các tiêu chuẩn trong IMT-2000 sẽ bao gồm năm công nghệ sau:
+ IMT DS (Direct Sequence): Công nghệ này đợc gọi rộng rãi là UTRA
FDD và W-CDMA, trong đó UTRA là Truy nhập vô tuyến mặt đất cho UMTS
(UMTS Terrestrial Radio Access), FDD là song công phân chia theo tần số
(Frequency Division Duplex), còn W trong W-CDMA là băng rộng (Wideband);
+ IMT MC (MultiCarrier): Hệ thống này (còn đợc gọi là cdma2000) là
phiên bản 3G của IS-95 (nay đợc gọi là cdmaOne), sử dụng đa sóng mang;
+ IMT TC (Time Code): Đây là UTRA TDD, tức là kiểu UTRA sử dụng
song công phân chia theo thời gian (Time Division Duplex);
+ IMT SC (Single Carrier): IMT đơn sóng mang, nguyên thuỷ là một dạng
của GSM pha 2+ gọi là EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution);
+ IMT FT (Frequency Time): IMT tần số-thời gian, là hệ thống viễn thông
không dây tăng cờng DECT (Digitally Enhanced Cordless Telecommunications).
Tuy nhiên, theo một số chuyên gia [], các hệ thống 3G thực sự chỉ gồm IMT
DS, IMT MC và IMT TC.
Từ trớc khi hệ thống 3G đầu tiên theo chuẩn W-CDMA đợc đa vào khai thác
ở Nhật bản vào tháng mời năm 2001, việc nghiên cứu chuyển hoá các hệ thống
thông tin di động từ 2G lên 3G thông qua các hệ thống thế hệ hai rỡi (2,5G) cũng
đã đợc tiến hành, chủ yếu ở Mỹ và Châu Âu.
ở Mỹ, hệ thống cdmaOne (tên gọi trớc đó là IS-95) đợc dự định phát triển
thành phiên bản 3G là cdma2000. Các dịch vụ cơ bản mà cdma2000 sẽ cung cấp
là dịch vụ điện thoại di động truyền thống và các dịch vụ âm thanh tiên tiến nh
th thoại (voice-mail) và hội nghị âm thanh (audio-confrencing). Thêm vào đó,
ngoài các dịch vụ dữ liệu tốc độ thấp, cdma2000 sẽ cung cấp các dịch vụ dữ liệu
tốc độ trung bình từ 64 kb/s đến 144 kb/s cho các ứng dụng nh Internet và cả một
tốc độ cao, lên tới 2 Mb/s cho các dịch vụ chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch

TDMA
7
) ban đầu chỉ là 9,6 kb/s. Tốc độ dữ liệu cực đại của ngời sử dụng trên
một kênh vật lý đơn sau đó đã đợc nâng lên đến 14,4 kb/s nhờ giảm năng lực mã
hoá kênh trên kênh toàn tốc bằng cách đục thủng symbol mã. Để khỏi phải nâng
tiếp mức độ đục thủng symbol mã hơn nữa, các giải pháp khác nhằm cung cấp tốc
độ dữ liệu cao hơn 14,4 kb/s là cho phép một trạm di động (MS) truy cập nhiều
khe thời gian trong một khung TDMA hoặc sử dụng sơ đồ điều chế với số mức
điều chế cao hơn, chẳng hạn nh sơ đồ điều chế biên độ vuông góc hay 8-PSK.
Đối với giải pháp thứ nhất (một MS có thể truy nhập hơn một khe thời gian
trong khung TDMA), hai dịch vụ mới đã đợc đa ra nh một phần của hệ thống
GSM pha 2+. Đó là dịch vụ dữ liệu chuyển mạch kênh cao tốc (HSCSD: High
Speed Circuit Switched Data) và dịch vụ vô tuyến gói tổng quát (GPRS: General
Packet Radio Service). Dịch vụ HSCSD cho phép một MS đợc chiếm một số khe
thời gian trên một khung TDMA trên cơ sở chuyển mạch kênh, tức là một MS
chiếm dụng toàn bộ nguồn lực của một số kênh vật lý đã đợc đặt cho nó trong
suốt thời gian cuộc gọi. Trái lại, GPRS sử dụng các kết nối theo kiểu gói trên giao
diện vô tuyến, bằng cách đó một ngời sử dụng đợc ấn định cho một hoặc một số
kênh lu lợng chỉ khi có yêu cầu chuyển thông tin. Kênh đợc giải phóng ngay sau
khi việc chuyển tin hoàn thành.
Giải pháp thứ hai nhằm nâng cao tốc độ dữ liệu của ngời sử dụng bằng cách
sử dụng một sơ đồ điều chế với số mức điều chế cao đợc nghiên cứu trong dự án
Các tốc độ dữ liệu nâng cao cho việc phát triển GSM (EDGE: Enhanced Data
rates for GSM Evolution). Các kiểu điều chế khác nhau đã đợc xem xét, thoạt tiên
là điều chế biên độ vuông góc offset 4 mức (Q-O-QAM: Quaternary-Offset-
Quadrature Amplitude Modulation) và điều chế biên độ vuông góc offset nhị
phân (B-O-QAM: Binary-Offset-Quadrature Amplitude Modulation), cuối cùng
dừng lại ở điều chế pha tám mức 8-PSK (Phase Shift Keying). Cũng cần nói thêm
rằng, không chỉ Châu Âu phát triển EDGE từ GSM mà hệ thống IS-136 (TDMA)
của Mỹ cũng đợc dự kiến phát triển theo hớng lên EDGE. Nh vậy, việc phát triển

có thể di động đôi chút, các hệ thống này chủ yếu nhằm truyền tin giữa các máy
tính trong môi trờng trong nhà với tốc độ truyền số liệu lên đến 54 Mb/s trên
băng tần 5 GHz.
Các thế hệ sau thế hệ thứ 3 hiện đang đợc ráo riết nghiên cứu. Thế hệ thứ t
(4G) đã đợc dự kiến có thể sẽ trở thành hiện thực từ năm 2010. Theo nhiều nhà
nghiên cứu [4G], kỹ thuật OFDM kết hợp với CDMA rất có thể là nền tảng công
nghệ cho các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 với tốc độ bít của ngời sử
dụng có thể lên tới 150 Mb/s.
Mặc dù các hệ thống thế hệ thứ 4 vẫn còn cha trở thành hiện thực, các
nghiên cứu về kỹ thuật áp dụng cho thế hệ thứ 5 đã đợc xúc tiến ngày một mạnh
mẽ hơn trên toàn thế giới. Theo ý kiến của một số nhà chuyên môn [4G], kỹ thuật
nhiều đầu vào nhiều đầu ra-điều chế đơn sóng mang (MIMO-SCM: Multiple
Input Multiple Output-Single Carrier Modulation) có thể sẽ là một ứng cử viên
sáng giá cho các hệ thống thế hệ thứ 5.
1.2 phân loại các hệ thống thông tin di động
Theo cấu trúc, đặc điểm và phơng thức truy nhập các hệ thống thông tin vô
tuyến di động có thể đợc phân chia thành nhiều loại khác nhau. Theo cấu trúc,
chúng thờng đợc phân thành: hệ thống mạng tế bào, hệ thống viễn thông không
dây và vành vô tuyến nội hạt. Theo đặc tính tín hiệu, các hệ thống vô tuyến di
động có thể đợc chia thành các hệ thống liên tục (analog) và các hệ thống số
(digital). Trong thông tin di động, các phơng thức đa truy nhập sau thờng đợc sử
dụng: đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple
Access), đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple
Access) và đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple
Access). Do khuôn khổ có hạn, phần này chỉ điểm qua những đặc tính chủ yếu
nhất của từng loại hệ thống vô tuyến di động theo các cách phân loại nêu trên.
Phân loại theo cấu trúc hệ thống
Vô tuyến di động tế bào (cellular mobile radio): Việc liên lạc trong thông
tin vô tuyến di động tế bào đợc tiến hành giữa một hệ thống trạm gốc cố định BS
(Base Station) đợc bố trí theo các vùng địa lý và các trạm di động MS (Mobile

nối các thuê bao hiện diện trong một vành đai địa lý quanh một trạm gốc đơn tới
mạng liên lạc công cộng bằng các thiết bị vô tuyến. Các hệ thống WWL lẫn CT
đều không có khả năng (hoặc không đợc phép) chuyển giao cuộc gọi. Chất lợng
liên lạc, độ an toàn thông tin của vành vô tuyến nội hạt thì cũng tơng tự nh của
mạng thuê bao hữu tuyến. Tuỳ lĩnh vực áp dụng, cự ly liên lạc có thể là 200 m đến
500 m trong địa hình đô thị và có thể tới 20 km trong vùng nông thôn. Thủ tục lắp
đặt nhanh chóng, lắp đặt, bảo trì và điều phối khá rẻ. Tại những vùng nông thôn
hoặc ngoại ô hẻo lánh, nơi có mật độ thuê bao thấp, khi việc đặt các đờng dây thuê
bao điện thoại mới không mấy kinh tế thì vành vô tuyến nội hạt trở nên rất hiệu
quả [WWL].
Phân loại theo đặc tính tín hiệu
Vô tuyến di động tơng tự: Là các hệ thống điện thoại vô tuyến di động thế hệ
thứ nhất. Tín hiệu thoại là tín hiệu tơng tự, điều chế FSK (Frequency Shift
Keying). Phơng thức đa truy nhập chủ yếu là FDMA. Các kênh điều khiển thì đã
đợc số hoá.
Vô tuyến di động số: Cả tín hiệu thoại lẫn các kênh điều khiển đều là tín
hiệu số. Ngoài dịch vụ điện thoại truyền thống, hệ thống vô tuyến di động số còn
cho phép khai thác một loạt các dịch vụ khác nh truyền các tin ngắn, truyền fax,
truyền số liệu Tốc độ truyền cao và có khả năng mã hoá thông tin.
Phân loại theo phơng thức đa truy nhập
Đa truy nhập theo tần số (FDMA): Đợc sử dụng chủ yếu trong thông tin di
động thế hệ thứ nhất, trong đó hai dải tần số có độ rộng W đợc sử dụng cho đờng
xuống (down-link) từ BS tới MS và đờng lên (up-link) từ MS tới BS. Với mỗi một
hớng liên lạc, mỗi một ngời sử dụng chiếm một dải tần con có độ rộng W/N gọi
là kênh và sử dụng kênh đó trong suốt thời gian liên lạc. Đặc điểm của phơng
thức đa truy nhập theo tần số là tốc độ truyền thấp, khó áp dụng các dịch vụ phi
thoại, hiệu quả sử dụng tần số thấp, có bao nhiêu kênh trong một tế bào thì phải
có bấy nhiêu máy thu-phát làm việc trên bấy nhiêu tần số kênh đặt tại BS, do đó
kết cấu BS cồng kềnh.
Đa truy nhập theo thời gian (TDMA): Đợc sử dụng trong hầu hết các hệ

động sẽ là các hệ thống CDMA và các phát triển của nó.
Khái niệm về các phơng thức đa truy nhập đợc minh hoạ trên hình 1.2.
Trong thực tế, các hệ thống TDMA và CDMA thờng đợc thiết kế ở dạng lai
TDMA/FDMA và CDMA/FDMA nhằm tăng số thuê bao có thể phục vụ đồng
thời tại một vùng phủ sóng của một trạm.
Hình 1-2 Các phơng thức đa truy nhập
Phân loại theo phơng thức song công
Các phơng thức song công trong thông tin di động bao gồm song công phân
chia theo tần số FDD (Frequency Division Duplex) và song công phân chia theo
thời gian TDD (Time Division Duplex). FDD sử dụng chủ yếu trong thông tin vô
tuyến tế bào hay trong vành vô tuyến nội hạt, trong đó liên lạc đi và về giữa BS và
MS thực hiện trên hai tần số khác nhau bố trí trên hai dải tần khác nhau. TDD th-
ờng đợc sử dụng trong các mạng liên lạc không dây CT hoặc trong một số phiên
bản của thông tin di động 3G. Với TDD, chỉ một dải tần số đợc dành cho liên lạc
cả đi lẫn về và cấu trúc khung thời gian đợc áp dụng. Việc phát từ BS tới MS diễn
ra trong một nửa khung thời gian và nửa khung thời gian kia thì dành cho việc
8
FDMA
TDMA
CDMA
f
f
f
t
t
t
phát theo chiều ngợc lại. Trong thực tế, để đạt đợc dung lợng thích hợp, trong các
hệ thống thông tin di động các phơng thức đa truy nhập và các phơng thức song
công đợc sử dụng trộn lẫn, tạo ra các loại hệ thống TDMA/FDD/FDMA (nh
GSM), FDMA/TDD (nh CT-2), TDMA/TDD/FDMA (nh DECT), hay

Khả năng chuyển giao là một đặc trng của các hệ thống thông tin di động tế bào
và nhờ đó chúng có thể bảo đảm cuộc gọi thông suốt trong quá trình máy di
động di chuyển từ vùng này sang vùng khác.
Trong quá trình phát triển các hệ thống vô tuyến di động tế bào, một số vấn
đề đã nảy sinh nh vấn đề về hiệu suất trung kế và chiến lợc cấp phép cho các nhà
khai thác, các tiêu chuẩn chất lợng, các khái niệm, vấn đề quy hoạch hệ thống vô
tuyến di động tế bào Dới đây, chúng ta sẽ xem xét một cách vắn tắt các vấn đề
này.
Hiệu suất trung kế và chiến lợc cấp phép cho các nhà khai thác
Chiến lợc cấp phép cho các nhà khai thác (công ty điện thoại di động) liên
quan đến việc phân định phổ tần số dành cho dịch vụ điện thoại di động, hiệu quả
trung kế và lợi thế của việc thúc đẩy cạnh tranh. Trớc đây, vào thời kỳ đầu tiên
của các hệ thống vô tuyến di động tế bào, Uỷ ban truyền thông liên bang Mỹ
FCC (Federal Communication Committee) đã thực hành chính sách phân định
toàn bộ phổ tần cho một nhà khai thác trên một vùng thị trờng. Điều này liên
quan tới việc dự đoán về thị trờng điện thoại di động hồi đó vẫn còn cha rõ ràng,
9
Chuyển giao cuộc gọi (Hand-Over theo tiếng Anh Anh hay Hand-Off theo tiếng Anh
Mỹ, viết tắt là HO): Quá trình chuyển đổi kênh tự động khi một máy di động di chuyển
từ tế bào này sang tế bào khác sao cho cuộc gọi có thể tiếp tục mà không cần khởi phát
lại (không cần quay số lại).
9
việc ấn định phổ tần và cấp phép chỉ dựa trên lợi thế về hiệu suất trung kế. Xét về
hiệu suất trung kế, việc phân định 1 nhà khai thác/thị trờng cho hiệu suất trung kế
tốt hơn trờng hợp 2 nhà khai thác/thị trờng. Điều này có thể giải thích đợc theo thí
dụ sau []. Trong thí dụ này chúng ta sẽ xét đến sự suy giảm hiệu suất trung kế
giữa hai phơng án 1 và 2 nhà khai thác/thị trờng. Trong trờng hợp đầu, giả sử trên
một vùng thị trờng gồm 7 tế bào, nhà khai thác đợc ấn định toàn bộ băng tần với
tổng số 666 kênh. Trong trờng hợp thứ hai, hai nhà khai thác cùng khai thác trên
vùng thị trờng nói trên và đợc phân định mỗi nhà khai thác một nửa độ rộng băng

i
=
76,1
60ì
i
A
(1.1)
Do vậy, Q
1
= 2832,95 cuộc gọi/giờ và Q
2
= 1295,45 ì 2 = 2590,9 cuộc gọi/giờ.
Hệ số suy giảm hiệu suất trung kế giữa trờng hợp thứ hai so với trờng hợp
thứ nhất với xác suất chặn 2% có thể tính đợc nh sau:
%5,8
95,2832
9,259095,2832
=

=

(1.2)
Mặc dầu hiệu suất trung kế giảm khi số nhà khai thác trên một vùng thị trờng
tăng lên song trong năm 1980 FCC đã xét lại chiến lợc một hệ thống/một thị tr-
ờng của mình và nghiên cứu khả năng áp dụng chiến lợc hơn một hệ thống/một
thị trờng nhằm tận dụng các lợi thế do cạnh tranh mang lại. Rõ ràng việc tiết
kiệm chi phí do hiệu suất trung kế lớn dẫn đến việc một hệ thống/một thị trờng có
vẻ có lợi hơn, song khi cân bằng các lợi ích của tính kinh tế nhờ quy mô
(economy of scale), có đợc trong trờng hợp chỉ một nhà khai thác/một thị trờng,
với các lợi ích do cạnh tranh mang lại (các nhà khai thác đều phải cố gắng phấn