Đề tài Các công nghệ sau 3G
Lời nói đầu 1 Chương 1: Sự phát triển từ 2G qua 3G lên 4G 3 1.1. Nửa đầu thập kỷ 1990: Viễn thông chủ yếu là thoại 3 1.2. Từ 1995 đến 2000: sự cất cánh của viễn thông di động và Internet 3 1.3. Từ 2000 đến 2005: Dot Com suy sụp, xuất hiện Web 2.0 và Mobile Internet 4 1.4. Từ 2005 đến nay: thoại di động phủ sóng toàn cầu, VoIP và Mobile Broadband bắt đầu phổ biến 6 1.5. Tương lai – Nhu cầu đối với các hệ thống Sau 3G 7 1.6. Tất cả các hệ thống này đều dựa trên IP 10 Chương 2: Tổng quan các kiến trúc Sau 3G – Các hệ thống UMTS, HSPA, và HSPA+ 13 2.1. Tổng quan 13 2.2. UMTS 14 2.2.1. Giới thiệu 14 2.2.2. Kiến trúc mạng 14 2.2.3. Giao tiếp vô tuyến và mạng truy nhập vô tuyến 22 2.3. HSPA (HSDPA và HSUPA) 33 2.3.1. Các kênh dùng chung (shared channel) 33 2.3.2. Đa mã trải 34 2.3.3. Điều chế cấp cao hơn 35 2.3.4. Sắp đặt lịch truyền, điều chế và mã hóa, HARQ 36 2.3.5. Cập nhật và chuyển giao cell 37 2.3.6. HSUPA 38 2.4. HSPA+ và những cải tiến khác: Cạnh tranh với LTE 40 2.4.1. Điều chế cấp cao hơn nữa 40 2.4.2. MIMO 41 2.4.3. Khả năng truyền gói liên tục (Continuos Packet Connectivity) 41 2.4.4. Các trạng thái Enhanced Cell-FACH, Enhanced Cell/URA-PCH 44 2.4.5. Cải tiến mạng vô tuyến: Một đường hầm duy nhất (One-tunnel) 46 2.4.6. Cạnh tranh với LTE ở dải tần 5 MHz 47 Chương 3: LTE và LTE-Advanced 48 3.1. Giới thiệu 48 3.2. Kiến trúc mạng 49 3.2.1. Các trạm cơ sở cải tiến 49 3.2.2. Đường giao tiếp giữa mạng lõi với mạng truy nhập vô tuyến 50 3.2.3. Gateway nối với Internet 51 Các công nghệ không dây Sau 3G ii Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 3.2.4. Đường giao tiếp với cơ sở dữ liệu người dùng 52 3.2.5. Chuyển qua chuyển lại giữa những công nghệ vô tuyến khác nhau 52 3.2.6. Thuật ngữ “thiết lập cuộc gọi gói” trở thành lịch sử 52 3.3. Air Interface và mạng vô tuyến của LTE 53 3.3.1. Truyền dữ liệu hướng xuống 53 3.3.2. Truyền dữ liệu hướng lên 55 3.3.3. Các thông số vật lý 56 3.3.4. Từ khe đến khung 57 3.3.5. Các ký hiệu tham chiếu và các kênh truyền 58 3.3.6. Hướng xuống: Kênh quảng bá 59 3.3.7. Hướng xuống: Kênh nhắn tin 60 3.3.8. Hướng xuống và hướng lên: Các kênh truyền tải và kênh điều khiển dành riêng, và việc ánh xạ chúng vào kênh vật lý dùng chung 60 3.3.9. Hướng xuống: Các kênh điều khiển ở tầng vật lý 60 3.3.10: Hướng lên: Các kênh điều khiển ở tầng vật lý 61 3.3.11. Cấp phát lịch truyền linh động và cấp phát lịch truyền lâu dài 61 3.3.12. Truyền MIMO trong LTE 62 3.3.13. Tính toán thông suất LTE 63 3.3.14. Kiểm soát tài nguyên vô tuyến 64 3.3.15. Trạng thái tích cực RRC 65 3.3.16. Trạng thái rỗi RRC 65 3.3.17. Xử lý các gói dữ liệu ở eNodeB 66 3.4. Các thủ tục báo hiệu cơ bản 67 3.4.1. Tìm kiếm mạng và quảng bá các thông tin hệ thống 68 3.4.2. Liên hệ ban đầu với mạng 68 3.4.3. Xác minh thuê bao (authentication) 68 3.4.4. Yêu cầu cấp phát một địa chỉ IP 69 3.5. Tổng kết và so sánh với HSPA 69 3.6. LTE-Advanced 70 Chương 4: WiMAX (IEEE 802.16) 71 4.1. Giới thiệu 72 4.2. Kiến trúc mạng 72 4.2.1. Các mạng nhỏ dành cho khách hàng cố định 72 4.2.2. Các mạng từ vừa tới lớn và tính di động 72 4.2.3. ASN-GW 74 4.2.4. Xác minh và mã hóa 74 4.2.5. Cấp phát địa chỉ IP cho máy khách và các kênh R6 76 4.2.6. Quản lý tính di động ở tầm vi mô 76 4.2.7. Quản lý tính di động ở tầm vĩ mô 77 4.3. Giao tiếp vô tuyến và mạng vô tuyến của WiMAX cố định 802.16d 78 4.4. Giao tiếp và mạng vô tuyến của WiMAX di động 80 Các công nghệ không dây Sau 3G iii Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 4.4.1. OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 81 4.4.2. Truyền MIMO trong WiMAX 82 4.4.3. Các hệ thống ăng-ten thích nghi (AAS) 82 4.4.4. Các thủ tục chuyển giao 83 4.4.5. Chế độ tiết kiệm điện năng và chế độ ngủ 84 4.4.6. Chế độ rỗi 84 4.5. Các thủ tục báo hiệu cơ bản 85 4.6. Tổng kết và so sánh với HSPA và LTE 86 4.7. Các công nghệ này cạnh tranh lành mạnh 87 Danh mục các từ viết tắt 88 Tài liệu tham khảo 91 Các công nghệ di động Sau 3G 1 Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 Lời nói đầu Trong những năm gần đây, các mạng thoại tổ ong(cellular telephone network , hay ngắn gọn hơn: cellular network) đã biến đổi thành những mạng truy cập chuyển gói rất mạnh mẽ, phục vụ cho cả truyền thoại lẫn truy cập Internet. Các mạng 3.5G hiện tại, chẳng hạn như UMTS/HSDPA và CDMA 1xEvDO, giờ đây đã cung cấp những thông lượng lên đến vài Mbps cho những người dùng riêng rẽ, và khả năng truy cập di động vào Internet từ các thiết bị cầm tay và máy tính xách tay không còn được xem là thấp hơn một mối nối kết DSL hoặc cáp nữa. Thế nhưng, yêu cầu về băng thông và dung lượng vẫn không ngừng tăng lên do bởi lượng người dùng gia tăng trong các mạng ấy và do những ứng dụng đòi hỏi cao về băng thông chẳng hạn như truyền phim ảnh và truy cập Internet di động từ máy tính xách tay. Vì vậy, các nhà chế tạo mạng và các nhà điều hành mạng viễn thông cần tìm ra những phương cách nào đó để làm tăng dung lượng và hiệu năng làm việc trên các mạng của họ, trong khi vẫn giữ giá thành thấp hay thậm chí còn giảm đi. Trong quá khứ, sự tiến hóa của mạng truyền thông không dây chủ yếu liên quan đến việc thiết kế các mạng truy nhập có dải tần cao hơn và thông lượng lớn hơn. Khi chúng ta tiến đến thời kỳ các kiến trúc mạng Sau 3G , giờ đây có một sự tiến hóa còn nhanh hơn nữa ở các mạng lõi, và quan trọng nhất là ở các thiết bị và ứng dụng dành cho người dùng. Sự tiến hóa này tiếp tục những xu hướng công nghệ vốn đã “đụng trần” trong thế giới mạng Internet “đường truyền cố định” hiện nay. Các hệ thống điện thoại chuyển kênh đang được thay thế bởi các công nghệ VoIP, còn Web 2.0 thì khuyến khích người dùng trở thành những nhà sáng tạo nội dung và chia sẻ thông tin của mình với toàn thế giới. Trong tương lai, các mạng không dây broadband sẽ có một ảnh hưởng rất quan trọng đối với xu hướng này, bởi lẽ điện thoại di động và máy tính xách tay là những công cụ lý tưởng để sáng tạo và tiêu thụ nội dung. Phàn lớn các điện thoại di động và máy tính xách tay hiện nay đều đã được trang bị những máy ảnh số tiên tiến, và khả năng quay phim chụp ảnh của chúng ngày càng tốt hơn. Mặt khác, chúng ta đang chứng kiến các công nghệ mobile broadband ngày càng trở nên tương đồng về mặt giao tiếp vô tuyến(air interface) và kiến trúc nối mạng(networking architecture); chúng đang được hội tụ thành một kiến trúc mạng dựa trên IP cùng với công nghệ giao tiếp vô tuyến dựa trên OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access _ Đa truy cập phân tần trực giao). Mặc dù sự tiến hóa về kiến trúc mạng chưa đạt đến mức hội tụ đầy đủ và thực sự, nhưng các loại mạng truy cập không dây ở những giai đoạn khác nhau của quá trình tiến hóa này đamg được thiết kế để đáp ứng việc truyền các dịch vụ đa phương tiện ở khắp nơi thông qua việc nối kết liên mạng. “Cellular” có căn ngữ là “cell”, còn cell ở đây có nghĩa là ngăn, ô, hoặc lỗ tổ ong. Gọi như vậy là vì, các cell trong mạng được mô hình bằng những hình lục giác sắp kế cận nhau để tái sử dụng tần số ở những vùng cách xa nhau theo nguyên tắc đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA). Cách sắp xếp này giống cách sắp xếp các lỗ hay ngăn trong cấu trúc của tổ ong (cellular construction of a beehive). Thuật ngữ “Sau 3G” là được chuyển từ thuật ngữ “Beyond 3G” trong tiếng Anh sang. Thuật ngữ gốc này vốn chỉ được qui ước tạm chứ chưa có định nghĩa chính xác, dùng để chỉ các hệ thống công nghệ di động thuộc loại “Enhanced IMT-2000” theo qui định của ITU (xem Chương 1), nhưng đã trở nên phổ biến (thậm chí được dùng ở một số nước không nói tiếng Anh). Ở Việt Nam, thuật ngữ đó được chuyển thành “Hậu 3G” và “Sau 3G”, trong đó “Hậu 3G” phổ biến hơn so với “Sau 3G” (có thể kiểm chứng điều này bằng cách tìm kiếm các cụm từ đó trên Web thông qua các công cụ như Google, Yahoo! hoặc Bing chẳng hạn), tuy nhiên ở đây chúng tôi sẽ dùng “Sau 3G”. Các công nghệ di động Sau 3G 2 Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 Tuy các xu hướng tiến hóa công nghệ này đã và đang diễn ra, có rất ít tài liệu mô tả chúng về mặt kỹ thuật, nhất là ở Việt Nam. Luận văn này cố gắng mô tả sự tiến hóa của những công nghệ truyền thông không dây từ 3G trở về sau. Nó tập trung bàn về sự tiến hóa của truyền thông di động 3G và Sau 3G, như được xây dựng bởi tổ chức chuẩn hóa 3GPP (3rd Generation Partnership Project), lưu ý đến sự tiến hóa về kỹ thuật truy cập vô tuyến và mạng truy nhập. Luận văn này bao gồm bốn chương. Chương 1 điểm qua lịch sử tiến hóa của các mạng di động trong quá khứ, rồi liệt kê những xu hướng tiến hóa đang nổi lên hiện nay. Chương 2 bàn sâu về các công nghệ truy cập vô tuyến hậu duệ của công nghệ GSM phổ biến hiện nay: UMTS, HSPA và HSPA+. Chương 3 bàn tiếp về các thế hệ cải tiến của HSPA: LTE và LTE-Advanced. Cuối cùng, chương 4 bàn về công nghệ WiMAX với hai phiên bản đã được triển khai cho tới nay: 802.16d và 802.16e. Do khuôn khổ luận văn có hạn mà các lĩnh vực đề cập lại quá rộng lớn và mới mẻ, nên chúng tôi không dám bàn sâu vào một số khía cạnh kỹ thuật nền tảng trong các công nghệ, ví dụ như nền tảng lý thuyết của các phương thức điều chế và mã hóa, chi tiết về hệ thống báo hiệu số 7 (SS-7) vốn vẫn còn được dùng trong UMTS, chi tiết về các tầng giao thức trong các hệ thống mạng, và nguyên lý chi tiết của OFDM và OFDMA, chi tiết kỹ thuật của truyền MIMO, v.v. Do kiến thức còn hạn chế, luận văn này chắc chắn không tránh khỏi nhiều thiếu sót. Xin cảm ơn thầy Phạm Thanh Đàm đã tận tình hướng dẫn tôi trong thời gian làm luận văn này. Xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô Khoa Viễn Thông 2 đã giảng dạy, cung cấp kiến thức và giúp đỡ động viên để tôi có thể hoàn thành được luận văn này. Xin cảm ơn những người thân trong gia đình tôi, cảm ơn những người bạn thân thiết đã giúp đỡ tôi trong những lúc khó khăn nhất. Phạm Hoàng Dũng. Các công nghệ di động Sau 3G 3 Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 Chương 1: Sự phát triển từ 2G qua 3G lên 4G Trong 15 năm vừa qua, truyền thông qua đường dây cố định và không dây cũng như Internet đã phát triển có thể nói là rất nhanh nhưng cũng có thể nói là rất chậm, tùy theo người ta quan sát lĩnh vực này như thế nào. Để đánh giá khái quát về những sự phát triển cho đến hiện tại và trong tương lai trong lĩnh vực này, chương này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về những sự kiện chính đã giúp định hình ba lĩnh vực truyền thông này trong một thập kỷ rưỡi vừa qua. Tuy phần lớn những sự phát triển mô tả dưới đây đã diễn ra ở những nước công nghệ cao nhất, nhưng những yếu tố địa phương và chính sách điều chỉnh của mỗi quốc gia đã làm giảm đi hay tăng lên tốc độ xảy ra các sự kiện ấy. Vì vậy, khoảng thời gian đó có thể được phân chia thành một số giai đoạn, và những mốc thời gian cụ thể sẽ được cung cấp tùy theo mỗi quốc gia được xét. 1.1. Nửa đầu thập kỷ 1990: Viễn thông chủ yếu là thoại Mười lăm năm trước, vào năm 1993, việc truy cập Internet chưa phổ biến rộng khắp, và hầu hết những người dùng nó đều đang nghiên cứu hoặc làm việc tại các trường đại học hay trong một vài công ty chọn lọc trong ngành IT. Vào lúc đó, toàn bộ các trường đại học được nối kết với Internet ở một tốc độ truyền là 9.6 Kbit/s. Nhiều người trong số họ có máy tính tại nhà riêng, nhưng việc quay số nối vào mạng của nhà trường chưa được áp dụng rộng rãi. Các mạng diễn đàn chuyên đề (bulletin board) chẳng hạn như Fidonet 3 đã được sử dụng rộng rãi bởi lượng người dùng ít ỏi “online” được vào lúc đó. Vì thế, có thể nói rằng viễn thông 15 năm trước chủ yếu chỉ là thoại, xét theo quan điểm thị trường đại chúng. Một tạp chí trực tuyến về viễn thông đã cung cấp một số hình ảnh thú vị về giá cả dịch vụ viễn thông vào lúc đó, khi các công ty viễn thông độc quyền vẫn còn hiện diện ở hầu hết các nước châu Âu. Ví dụ, một cuộc gọi “đường dài nội địa” 10 phút ở Đức trong giờ làm việc, bị tính tiền là 3,25 Euro (nhưng vẫn còn rẻ hơn so với giá cả thoại đường dài ở Việt Nam vào lúc đó). Về phía truyền thông không dây, các mạng tương tự thế hệ đầu lúc đó đã có mặt được vài năm rồi, nhưng chi phí sử dụng chúng đắt hơn nhiều, và các thiết bị di động kềnh càng và có giá không với tới nổi, trừ các nhà doanh nghiệp. Vào năm 1992, các mạng GSM đầu tiên đã được triển khai ở một số nước châu Âu, nhưng chỉ một số ít người chú ý đến các mạng này. 1.2. Từ 1995 đến 2000: sự cất cánh của viễn thông di động và Internet Khoảng năm 1998, các công ty viễn thông độc quyền đã cáo chung ở nhiều nước châu Âu. Lúc đó, nhiều nhà cung cấp dịch vụ vốn đã chuẩn bị từ trước cho sự kiện này nhanh chóng nhảy 3 FidoNet (www.fidonet.org) là một mạng máy tính toàn cầu, được dùng để liên lạc giữa các hệ thống diễn đàn chuyên đề(bulletin board system _ BBS) bằng các giao thức FTP và Telnet. Nó được nhiều người biết đến nhất vào đầu những năm 1990, trước khi xuất hiện những khả năng truy cập dễ dàng và phải chăng vào Internet. Mạng này đến nay vẫn tiếp tục hoạt động, nhưng đã thu hẹp lại khá nhiều, chủ yếu là do sự đóng cửa của nhiều BBS. Các công nghệ di động Sau 3G 4 Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1 vào thay thế, và giá cả đã hạ xuống nhanh chóng trong vài tuần lễ và vài tháng đầu sau khi qui định mới (bãi bỏ viễn thông độc quyền) có hiệu lực. Kết quả là, giá cả của cuộc gọi đường dài nội địa 10 phút nhanh chóng rơi xuống chỉ còn một phần nhỏ của giá lúc đầu. Xu hướng này đến nay vẫn tiếp tục, và chi phí một cuộc gọi như thế hiện nay chỉ khoảng vài xu ở Mỹ. Hơn nữa, những cuộc gọi đường dài liên quốc gia ở châu Âu và thậm chí liên lục địa đến nhiều nước, như Mỹ và những nước công nghiệp hóa khác chẳng hạn, cũng được tính với giá tương tự. Cũng khoảng thời điểm đó, ngành viễn thông đã đạt đến một cột mốc quan trọng. Khoảng 5 năm sau khi các mạng di động GSM đầu tiên được triển khai, bảng giá các cuộc gọi điện thoại di động cũng như giá cả điện thoại di động đã đạt đến một mức khuyến khích được sự chấp nhận rộng rãi của thị trường đại chúng. Trong khi vào những năm đầu của GSM, việc sử dụng điện thoại di động đã được coi là xa xỉ và chủ yếu chỉ phục vụ nhu cầu làm ăn của các doanh nhân, thì vào cuối thập kỷ đó, việc chấp nhận của đại chúng đã tăng lên đến chóng mặt, và điện thoại di động đã nhanh chóng biến đổi từ một thiết bị giá cao dành cho doanh nhân thành một công cụ truyền thông không thể thiếu được đối với phần lớn người dân ở các nước tiên tiến. Công nghệ truyền tín hiệu số trên đường dây cố định cũng đã phát triển ở một mức độ nhất định trong khoảng thời gian này, và các modem với tốc độ 30–56 Kbit/s đã dần dần được chấp nhận bởi các sinh viên và những người dùng máy tính khác để truy cập Internet thông qua trường đại học hoặc thông qua các nhà cung cấp dịch vụ quay số Internet tư nhân. Khoảng thời điểm này, truyền thông dựa trên văn bản cũng bắt đầu phát triển, và các trình duyệt Web đua nhau xuất hiện, có thể hiển thị được các trang Web với nội dung đồ họa. Ngoài ra, e-mail cũng đã vượt qua cái mục tiêu giáo dục ban đầu của nó. Nội dung trên Internet vào lúc đó chủ yếu được công bố bởi những hãng thông tấn lớn và các tổ c
Các file đính kèm theo tài liệu này:
Các công nghệ sau 3G.pdf
