Tải bản đầy đủ

Tìm hiểu công nghệ 5g và ứng dụng

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................... xii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .................................................................... xiv
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................ xv
CHƯƠNG 1 .................................................................................................. 1
QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG1
1.1. Công nghệ tương tự -0G và 1G .......................................................... 2
1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 ............................................. 5
1.2.1. Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA ............................. 6
1.2.2. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA. ..................................... 7
1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) ..................................... 9
1.4
1.5

Hệ thống thông tin di động thế hệ4 (4G) .......................................... 12
Hệ thống thông tin thế hệ thứ 5 (5G) ................................................ 15


CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
5G ................................................................................................................ 18
2.1. Kiến trúc hệ thống 5G ........................................................................ 18
2.1.1. Mạng truy nhập vô tuyến đám mây C-RAN ................................. 19
2.1.2. Mạng di chuyển MN..................................................................... 21
2.1.3. Truyền thông D2D ....................................................................... 22
2.2. Mạng lõi Nano.................................................................................... 26
2.2.1. Công nghệ Nano ........................................................................... 27
2.2.2. Điện toán đám mây ....................................................................... 36
2.2.3. Mạng All IP ................................................................................. 39
2.3. Các lớp mạng ..................................................................................... 40
2.4. Kỹ thuật truyền dẫn ............................................................................ 43
2.4.1. Dạng sóng..................................................................................... 43
2.4.2. Điều chế ....................................................................................... 46
2.4.3. Ghép kênh .................................................................................... 47
2.4.4. Đa truy nhập ................................................................................. 50
2.4.5. Anten ............................................................................................ 61
SV: NGUYỄN HẢI YẾN

x

Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

2.5. An ninh mạng trong hệ thống thông tin di động 5G ............................ 65
2.5.1. Thiết bị người sử dụng UE ........................................................... 65
2.5.2 Mạng truy nhập ............................................................................. 68
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG VÀ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG 5G .................................................................................................... 78
KẾT LUẬN ................................................................................................. 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... xii

SV: NGUYỄN HẢI YẾN

xi


Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Số hiệu Tên hình ảnh

Trang

1.1

Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động.

2

1.2

Một mẫu điện thoại thời 0G

3

1.3

IPhone 2G là sản phẩm tiêu biểu cho hệ thống thông tin thế
5
hệ thứ 2

1.4

Ví dụ đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)

6

1.5

Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)

7

1.6

Lộ trình phát triển lên 3G

10

1.7

Hình ảnh tổng thể của OFDM.

13

1.8

Khối khả năng của hệ thống 5G trong tương lai.

16

2.1

Kiến trúc hệ thống 5G (Nguồn: METIS).

18

2.2

Sự thay đổi từ RAN sang C-RAN.

21

2.3

Mạng di chuyển MN.

22

2.4

Mạng cực kỳ dày đặc UDN.

23

2.5

Các trường hợp can thiệp lẫn nhau trong truyền thông D2D. 25

2.6

Mạng lõi Nano trong hệ thống 5G.

27

2.7

Morph – Khái niệm công nghệ cho tương lai.

29

2.8

Cảm biến Nano.

30

2.9

Qubit.

33

2.10

Nanodot.

34

2.11

Mật mã lượng tử.

35

2.12

Điện toán đám mây.

37

2.13

Các lớp mạng trong hệ thống 5G.

40

SV: NGUYỄN HẢI YẾN

xii

Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

2.14

Lớp mạng (Network Layer).

42

2.15

Lịch sử quá trình kết nối (Nguồn: Cisco).

44

2.16

So sánh giữa công nghệ milimeter-wave và công nghệ hiện
45
tại.

2.17

So sánh các phương thức ghép kênh.

50

2.18

Đa truy nhập phân chia theo búp sóng BDMA.

51

2.19

Nguyên lý hoạt động của BDMA.

52

2.20

Cấu trúc khung của TDD-BDMA.

53

2.21

Cấu trúc khung của FDD-BDMA.

53

2.22

Sơ đồ các biến thể NOMA.

55

2.23

Hệ thống NOMA đường xuống sử dụng quá trình SIC cho 3 người dùng 57

2.24

Hệ thống NOMA đường lên sử dụng quá trình SIC cho 3 người dùng 58

2.25

So sánh giữa OMA (OFDMA) và NOMA đường xuống.

59

2.26

So sánh giữa OMA (OFDMA) và NOMA đường lên.

60

2.27

Mô hình kênh MIMO cơ bản với N୲ Anten phát và N୰ Anten thu. 63

2.28

Anten Massive MIMO.

62

2.29

Mô hình Cell sử dụng Anten Massive MIMO.

63

2.30

Phần mềm độc hại (Malware).

66

2.31

Hệ thống botnet.

68

3.1

Internet of Thing.

78

3.2

Ngôi nhà thông minh.

80

3.3

Thử nghiệm tốc độ 5G của Samsung

83

SV: NGUYỄN HẢI YẾN

xiii

Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
5G
1G
2G
3G
4G
APSK
BS
CDMA
CSI
CQI
DL
IoT
NOMA
OFDMA
OMA
RAN
SC
SDMA
SIC
SNR
UE
UL
OFDM
FBMC
GFDM

5௧௛ Generation

The First Generation
The Second Generation
The Third Generation
The Fourth Generation
Amplitude & Phase Shift Keying
Base Station
Code Division Multiple Access
Chanel Statr Information
Chanel Quality Indicator
Downlink
Internet of things
Non-Orthogonal Multiple Access
Orthogonal Frequency-Division
Multiple Access
Orthogonal Multiple Access
Radio Access Network
Superposition Coding
Spatial Division Multiple Access
Successive Interference Cancellation
Signal to-Noise Ratio
User Equipment
Uplink
Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Filter – bank Multicarrier
Generalized Frenquency Division
Multiplexing

SV: NGUYỄN HẢI YẾN

xiv

Thế hệ 5
Hệ thống di động thế hệ 1
Hệ thống di động thế hệ 2
Hệ thống di động thế hệ 3
Hệ thống di động thế hệ 4
Khóa chuyển pha và biên độ
Trạm gốc
Đa truy nhập phân chia theo mã
Thông tin trạng thái kênh
Chỉ thị chất lượng kênh
Đường xuống
Vạn vật kết nối Internet
Đa truy nhập không trực giao
Đa truy nhập phân chia theo tần số trực
giao
Đa truy nhập trực giao
Mạng truy nhập vô tuyến
Mã hóa chồng lẫn
Đa truy nhập mã thưa
Loại bỏ nhiễu kế cận
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
Thiết bị người dung
Đường lên
Đa sóng mang trực giao
Bộ lọc ngân hàng.
Đa phân chia theo tần số tổng quát.

Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

LỜI NÓI ĐẦU
Thời điểm hiện tại, mạng 4G mới bắt đầu được đưa vào sử dụng và đã
triển khai ở Việt Nam vào năm 2017, nhưng đến năm 2020, các nhà phân tích
cho rằng, sẽ liên tục xảy ra tình trạng quá tải thông tin. Nguyên nhân, cho dù
sự tăng vọt về doanh số bán hàng của các loại điện thoại thông minh
(smartphone) và máy tính bảng (tablet) đồng nghĩa với khối lượng dữ liệu
ngày càng lớn, nhưng chỉ có một phần nhỏ là do lượng truy cập của các thiết
bị này, còn lại phần lớn là do lượng thông tin từ việc kết nối các “vật thể” với
nhau, ví dụ như tivi, đồng hồ, đồ gia dụng, máy điều nhiệt và thậm chí cả
khóa cửa..., tất cả đều sẽ được số hóa,người sử dụng có thể thực hiện kết nối,
giao tiếp, điều khiển chúng mọi lúc mọi nơi.
Ưu điểm của mạng 4G là tải được khối lượng dữ liệu lớn và phức tạp
hơn so với các hệ thống di động trước, tuy nhiên, với tốc độ phát triển công
nghệ chóng mặt như hiện nay thì chỉ vài năm nữa, công nghệ 4G cũng không
thể đáp ứng được. Tại Đại hội thế giới di động 2012 - Mobile World
Congress 2012 (MWC 2012) được tổ chức ở Barcelona - Tây Ban Nha vào
tháng 2, chủ tịch Google, Eric Schmidt đã vẽ ra một viễn cảnh, các robot sẽ
đi dự các hội nghị và truyền về video HD qua mạng không dây, AT&T,
Qualcomm, Sony và Intel sẽ tạo ra một "ngôi nhà kết nối", nơi mà thậm chí
cả quần áo cũng có thể truyền các tín hiệu. Vì thế mạng không dây cần phải
hiểu được tính năng của từng loại thiết bị và biết phải đáp ứng nó như thế
nào.
Đây là một khó khăn thực sự cho các nhà mạng, điều này đòi hỏi ngành
công nghiệp di động thế giới cần phát triển một mạng thông minh có thể xử
lý được hàng tỉ kết nối mà vẫn ổn định và có chất lượng dịch vụ tốt, đáng
được mong đợi hơn. Chính vì vậy việc ra đời một thế hệ thông tin di động
mới 5G là điều sẽ diễn ra trong tương lai không xa. Và đây cũng lý do mà em
chọn đề tài “TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ 5G VÀ ỨNG DỤNG”làm đề tài cho
SV: NGUYỄN HẢI YẾN

xv

Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

bài báo cáo tốt nghiệp. Bài báo cáo sẽ nêu ra những yêu cầu đặt ra của một hệ
thống thông tin di động 5G cùng với đó là những kỹ thuật tiên tiến mới được
xem là ứng viên sáng giá trong việc xây dựng và triển khai cho hệ thống này
trong tương lai.
Nội dung đồ án gồm:
Chương 1: Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động
Chương 2: Kiến trúc của hệ thống thông tin di động 5G
Chương 3: Ứng dụng và triển khai hệ thống thông tin di động 5G
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp
đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè.
Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa ĐTVT đã tạo điều
kiện, giúp đỡ và trang bị cho em những kiến thức quý báu. Em cũng xin chân
thành cảm ơn thầy THS. ĐÀO XUÂN PHÚCđã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ
em hoàn thành tốt đồ án đúng thời hạn.
Tuy nhiên, do hạn chế về mặt thời gian cũng như năng lực bản thân nên
nội dung của đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong thấy cô
giáo và các bạn quan tâm và đóng góp ý kiến thêm để đồ án này được hoàn
thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hải Yến

SV: NGUYỄN HẢI YẾN

xvi

Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

CHƯƠNG 1
QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Giới thiệu chương: Chương này sẽ trình bày lịch sử phát triển của hệ
thống thông tin di động trên thế giới. Cho cái nhìn tổng quan tiêu chuẩn, ưu
nhược điểm của các thế hệ thông tin di động hiện đã được phát triển trên thế
giới. Đồng thời chương này cũng đề cập cập đến các yêu cầu đặt racủa hệ
thống thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G).
Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội.
Xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tang
lên và thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng
của nó. Cho đến nay hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giao đoạn
phát triển, từ thế hệ di động thế hệ 1 đến thế hệ 4 và thế hệ sẽ phát triển trên
thế giới-thế hệ 5. Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các đặc tính
chung của các hệ thống thông tin di động.
Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý tưởng về
thiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di
động sau này. Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm
tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ.
Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn
đến lĩnh vực thông tin di động. Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin
di động đã cải thiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được.

SV: NGUYỄN HẢI YẾN

1

Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết hợp
được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải được bài toán khó về
dung lượng.

Hình 1.1: Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào.
1.1. Công nghệ tương tự -0G và 1G
Có hai thế hệ trong các ngành công nghệ di động được coi là tương tự.
Các công nghệ này được coi là 0G và 1G. 1G là công nghệ di động tổ ong
(cellular) đầu tiên, còn 0G là công nghệ di động tiền tổ ong (pre-cellular). Các
thiết bị đầu cuối sử dụng trong 0G khó có thể gọi là thiết bị di động. Các mẫu
mã đầu tiên rất lớn và thường được gắn vào xe ô tô. Sau đó, các thiết bị cầm
tay ra đời, nhưng 0G bị thay thế bởi thế hệ kế tiếp 1G.
Khía cạnh chủ yếu phân biệt giữa 0G và 1G là công nghệ 1G sử dụng
mạng tổ ong (cellular network). Một mạng tổ ong là một mạng tạo nên bởi
một số các cell. Mỗi cell này được phục vụ bởi một máy phát cố định, thường
gọi là trạm gốc. Trên thực tế cũng có một vài ví dụ về việc sử dụng mạng tổ
ong trong 0G, nhưng điều làm nên sự khác biệt giữa 1G và 0G là 1G hỗ trợ
việc kết nối liền mạch khi di chuyển từ cell này sang cell khác. Điều này có
nghĩa là, khi người dùng ra khỏi tầm hoạt động của một trạm gốc trong khi
đang thực hiện cuộc gọi, nếu sử dụng công nghệ 0G thì người dung sẽ bị ngắt
SV: NGUYỄN HẢI YẾN

2

Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

kết nối, trong khi sử dụng công nghệ 1G người dung sẽ không nhận thấy sự
ngắt quãng nào. Mặt khác, các công nghệ 0G thường bán song công (có nghĩa
là viêc thu và phát âm thanh không xảy ra đồng thời).

Hình 1.2. Một mẫu điện thoại thời 0G
Vào những năm 1970, các mạng sử dụng công nghệ 0G bị quá tải
nghiêm trọng. Một chuẩn tương tự khác được giới thiệu đó là 1G. Giống như
0G, 1G sử dụng băng tần vô tuyến UHF. Việc truyền âm thanh được thực
hiện mà không có sự mã hóa trên giao diện vô tuyến. Điều này có nghĩa là bất
cứ ai có một máy quét đơn giản cũng có thể nghe được các cuộc điện đàm.
Các cố gắng của nhà chức trách nhằm ngăn chặn việc xâm nhập bất hợp pháp
này đều không giải quyết được vấn đề. Bên cạnh việc bảo vệ thông tin cá
nhân, nhược điểm này của hệ thống còn đưa đến một vấn đề khác bởi vì dữ
liệu truyền được gửi đi mà không mã hóa, các kỹ thuật bảo mật còn thô sơ dễ
dàng lộ ra cho các hacker.
Hầu hết các công nghệ 1G chỉ có một dạng bảo mật, một thủ tục nhận
thực hết sức thô sơ. Thủ tục này bao gồm việc xác nhận hai số: số nhận dạng
di động MIN và số thuê bao điện tử ESN. Quá trình xác nhận này diễn ra khi
một thiết bị di động bắt đầu liên lạc với hệ thống. Đầu tiên, số đen (blacklist)
sẽ được kiểm tra xem xét thiết bị di động này có bị khóa hay không. Tiếp theo
một bản tin được gửi tới HLR để thông qua sự kết hợp của MIN và ESN. Cả
hai số này được truyền không mã hóa giao diện vô tuyến. Hacker có thể nghe
SV: NGUYỄN HẢI YẾN

3

Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

trộm và có thể sử dụng các số này để tạo ra các bản sao bất hợp pháp mà với
chúng các hacker có thể nhận thực thành công dưới dạng một thuê bao khác.
Vấn đề càng trở nên trầm trọng khi nhiều nhà cung cấp thậm chí không nhận
thực trên các máy di động do việc thiếu hụt sự chuẩn hóa và các lý do về hiệu
suất. Điều này gây nên việc sử dụng trái phép vô cùng lớn trong các mạng di
động.
Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy nhập đơn giản.
Tuy nhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng
về cả dung lượng và tốc độ. Nó bao gồm những hạn chế sau;


Phân bố tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ



Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch

trong môi trường fading đa tia.

Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và
cơ sở hạ tần.


Không đảm bảo tính bí mật 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 máy di động của mình ở các
nước khác.

Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp.
Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử
dụng kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với kỹ thuật đa truy cập
mới ưu điểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp. Vì vậy đã
xuất hiện hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2.

SV: NGUYỄN HẢI YẾN

4

Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

1.2. Hệ thống thông
hông tin di động thế hệ thứ 2
Hệ thống
ng thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đaa truy cập
c phân chia
theo thờii gian (TDMA) đầu
đ tiên trên thế giới được ra đời ở châu Âu và có tên
gọi là GSM. Với sự phát triển
tri nhanh chóng của thuê bao, hệ th
thống thông tin
di động thế hệ thứ 2 lúc đó đã đáp ứng kịp thời số lượng lớnn các thuê bao di
động dựaa trên công ngh
nghệ số. Hệ thống 2G hấp dẫn hơn hệ thốống 1G bởi vì
ngoài dịch vụ thoạii truyền
truy thống, hệ thống này còn có khả năng
ăng cung ccấp một
số dịch vụ truyền dữ liệệu và các dịch vụ bổ sung khác. Ở Việtt Nam, hhệ thống
thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm 1993, hiệnn nay đang được
công ty VMS và GPC khai thác rất
r hiệu quả với hai mạng
ng thông tin di động
số Vianphone và Mobiphone theo tiêu chuẩn
chu GSM.

Hình 1.3.
3. IPhone 2G là ssản phẩm tiêu biểu cho hệ thống
ng thông tin thế
th hệ thứ
2
Tiêu biểu cho việcc phát tri
triển mạnh mẽ của mạng
ng 2G chính là ssản phẩm
iphone – sản phẩm
m bán chạy
ch hàng đầu hiện nay.
Tất cả hệ thống
ng thông tin di động thế hệ 2 đều sử dụng kỹ thuật điều chế
số. Và chúng sử dụng
ng 2 ph
phương pháp đa truy nhập:

SV: NGUYỄN HẢI YẾN

5

L
Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

• Đa truy nhập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple AccessTDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau.
• Đa truy nhập phân chia theo mã (Code Division Multiple AccessCDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau.
1.2.1. Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

Hình 1.4. Ví dụ đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)
Trong hệ thống TDMA phổ tần số quy định cho liên lạc di động được
chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho
kênh N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian (time slot) trong
một chu kì khung. Tin tức được tổ chức dưới dạng gói, mỗi gói có bít chỉ thị
đầu gói, chỉ thị cuối gói, các bít đồng bộ và các bít dữ liệu. Không như hệ
thống FDMA, hệ thống TDMA truyền dẫn dữ liệu không liên tục và chỉ sử
dụng cho dữ liệu số và điều chế số.

SV: NGUYỄN HẢI YẾN

6

Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

Các đặc điểm của TDMA
- TDMA có thể phân phát thông tin theo hai phương pháp là phân định
trước và phân phát theo yêu cầu. Trong phương pháp phân định trước,
việc phân phát các cụm được định trước hoặc phân phát theo thời gian.
Ngược lại trong phương pháp phân định theo yêu cầu các mạch được
tới đáp ứng khi có cuộc gọi yêu cầu, nhờ đó tăng được hiệu suất sử
dụng mạch.
- Trong TDMA các kênh được phân chia theo thời gian nên nhiễu giao
thoa giữa các kênh kế cận giảm đáng kể.
- TDMA sử dụng một kênh vô tuyến để ghép nhiều luồng thông tin
thông qua việc phân chia theo thời gian nên cần phải có việc đồng bộ
hóa việc truyền dẫn để tránh trùng lặp tín hiệu. Ngoài ra, vì số lượng
kênh tăng nên thời gian trễ do truyền dẫn đa đường không thể bỏ qua
được, do đó sự đồng bộ hóa phải tối ưu.
1.2.2. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA.

Hình 1.5. Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)
Đối với hệ thống CDMA, tất cả người dùng sẽ sử dụng cùng lúc một
băng tần. Tín hiệu truyền đi sẽ chiếm toàn bộ băng tần của hệ thống. Tuy
SV: NGUYỄN HẢI YẾN

7

Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

nhiên, các tín hiệu của mỗi người dùng được phân biệt với nhau bởi các chuỗi
mã. Thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều sử
dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi, mà
không sợ gây nhiễu lẫn nhau.
Kênh vô tuyến CDMA được dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và
những kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên
PN.
Trong hệ thống CDMA, tín hiệu băng hẹp được nhân với tin hiệu băng
thông rất rộng, gọi là tín hiệu phân tán. Tín hiệu phân tán là một chuỗi mã giả
ngẫu nhiên mà tốc độ chip của nó rất lớn so với tốc độ dữ liệu. Tất cả các
users trong một hệ thống CDMA dùng chung tần số sóng mang và có thể
được phát đồng thời. Mỗi users có một từ mã giả ngẫu nhiên riêng của nó và
nó được xem là trực giao với các từ mã khác. Tại máy thu, sẽ có một từ mã
đặc trưng được tạo ra để tách sóng tín hiệu có từ mã giả ngẫu nhiên tương
quan với nó. Tất cả các mã khác được xem như là nhiễu. Để khôi phục lại tín
hiệu thông tin, máy thu cần phải biết từ mã dùng ở máy phát. Mỗi thuê bao
vận hành một cách độc lập mà không cần biết các thông tin của máy khác.
Đặc điểm của CDMA:
- Dải tần tín hiệu rộng hang MHZ
- Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp
- Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ
trường rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA, TDMA.
- Việc các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị
truyền dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không còn
vấn đề, chuyển giao trở thành mềm, điều khiển dung lượng cell rất linh
hoạt.
- Chất lượng thoại cao hơn, dung lượng hệ thống tăng đáng kể (có thể
gấp từ 4 đến 6 lần hệ thống GSM), độ an toàn (tính bảo mật thông tin)
cao hơn do sử dụng dãy mã ngẫu nhiên để trải phổ, kháng nhiễu tốt
hơn, khả năng thu đa đường tốt hơn, chuyển vùng linh hoạt. Do hệ số
SV: NGUYỄN HẢI YẾN

8

Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

tái sử dụng tần số là 1 nên không cần phải quan tâm đến vấn đề nhiễu
đồng kênh.
- CDMA không có giới hạn rõ ràngvề số người sử dụng như TDMA và
FDMA. Còn ở TDMA và FDMA thì số người sử dụng là cố định,
không thể tăng thêm khi tất cả các kênh bị chiếm.
- Hệ thống CDMA ra đời đã đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn dịch vụ
thông tin di động tế bào. Đây là hệ thống thông tin di động băng hẹp
với tốc độ bít thông tin của người sử dụng là 8-13 kbps.
Ưu và nhược điểm của 2G
∗ Ưu điểm:
Trong mạng 2G, tín hiệu kỹ thuật số được sử dụng để trao đổi giữa điện
thoại và các tháp phát sóng, làm tăng hiệu quả trên 2 phương diện chính:
Dữ liệu số của giọng nói có thể được nén và ghép kênh hiệu quả hơn so
với mã hóa analog nhờ sử dụng nhiều hình thức mã hóa, cho phép nhiều cuộc
gọi cùng được mã hóa trên một dải băng tần.
Hệ thống kỹ thuật số được thiết kế giảm bớt năng lượng sóng radio phát
từ điện thoại. Nhờ vậy có thể thiết kế điện thoại 2G nhỏ gọn hơn, đồng thời
giảm chi phí đầu tư những tháp phát sóng.
Mạng 2G trở nên phổ biến cũng do công nghệ này có thể triển khai một
số dịch vụ như Email và SMS. Đồng thời mức độ bảo mật cá nhan cũng cao
hơn so với 1G.
∗ Nhược điểm:
Những nơi dân cư thưa thớt, sóng kĩ thuật số yếu có thể không tới được
các tháp phát sóng. Tại những địa điểm như vậy, chất lượng truyền sóng cũng
như chất lượng các cuộc gọi giảm đáng kể.
1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G)
Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một giai đoạn
trung gian là thế hệ 2,5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiều khe
hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể
SV: NGUYỄN HẢI YẾN

9

Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

chồng lên phổ tần của thế
th hệ 2 nếu không sử dụng phổ tần mới,
i, bao ggồm các
mạng đã được đưaa vào ssử dụng như:: GPRS, EDGE và CDMA2000
CDMA2000-1x.

Hình 1.6: Lộ trình phát triển lên 3G
Ở thế hệ thứ 3 này các hệ
h thống thông tin di động
ng có xu thế
th hòa nhập
thành một tiêu chuẩn
n duy nhất
nh và có khả năng phục vụ ở tốcc độ
đ bít lên đến
2Mbps. Để phân biệtt vvới các hệ thống thông tin di động băng
ăng hhẹp các hệ
thống thông tin di động
ng th
thế hệ 3 gọi là các hệ thống thồnn tin di động băng
rộng.
Nhiều tiêu chuẩnn cho hhệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT
IMT-2000 đã
được đề xuất, trong đó hai hệ
h thống W-CDMA
CDMA và CDMA2000 đđã được IUT
chấp thuận và đưaa vào hoạt
ho động trong đầu của những năm thậpp kkỉ 2000. Các
hệ thống này đều sử dụng
d
công nghệ CDMA, điềuu này cho phép th
thực hiện
tiêu chuẩn toàn thế giớii cho giao di
diện vô tuyến của hệ thống
ng thông tin di động
thế hệ thứ 3.
W-CDMA
CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là ssự nâng cấp
của các hệ thống
ng thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệệ TDMA như:
GSM, IS-136.
CDMA2000 là sự
ự nâng cấp của hệ thống thông tin di động
ng tthế hệ 2 sử
dụng công nghệ CDMA: IS-95.
IS
Yêu cầu đối với hệệ thông thông tin di động thế hệ 3

SV: NGUYỄN HẢI YẾN

10

L
Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

Thông tin di động thế hệ 3 xây dựng trên cơ sở IMT-2000 được đưa vào
phục vụ từ năm 2001. Mục đích của IMT 2000 là đưa ra nhiều kha năng mới
nhưng cũng đồng thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di động thế
hệ 2.
Tốc độ của thế hệ 3 được xác định như sau:
- 384 Kbps đối với vùng phủ sóng rộng.
- 2Mbps đối với vùng phủ sóng địa phương.
Các tiêu chí chung để xay dựng hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G):
- Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:
Đường lên: 1885 – 2025 MHz
Đường xuống: 2110 – 2200 Mhz
- Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin
vô tuyến:
Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến.
Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông.
- Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài
đường, trên xe, vệ tinh.
- Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:
Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Vitual Home Environment)
trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng
toàn cầu.
Đảm bảo chuyển mạng quốc tế
Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu
chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch theo gói.
- Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới phát triển.
Ưu và nhược điểm của 3G
∗ Ưu điểm:
- 3G tiện dụng và linh hoạt
SV: NGUYỄN HẢI YẾN

11

Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

- Nhiều tiện ích và dịch vụ nổi bật đó là sử dụng điện thoại video
(video call), dịch vụ Internet di động, xem phim, nghe nhạc theo
yêu cầu… phù hợp với những người năng động, nhất là đối với
những người hay đi công tác xa, thường xuyên phải di chuyển.
- Internet 3G tiện lợi, tốc độ truy cập Internet không kém đường
truyền ADSL, có thể di chuyển, sử dụng ở mọi lúc, mọi nơi.
∗ Nhược điểm:
- Tầm phủ sóng bị giới hạn.
- Giá cước, thiết bị đầu cuối cao.
- Chất lượng chưa ổn định. Mặt khác khi nhiều người cùng truy cập đến
BS thì tốc độ truyền dẫn của 3G sẽ bị chia sẻ dẫn tới tốc độ truy cập
giảm, đó là những khó khăn mà các nhà mạng cần giải quyết.
1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ4 (4G)
Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sang thế hệ 4 qua giai đoạn trung
gian là thế hệ 3.5 có tên là mạng truy nhập gói đường xuống tốc độ cao
HSDPA. Thế hệ 4 là công nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phép
chuyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lí tưởng lên tới 1 cho đến
1,5 Gbps. Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không
dây. Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có
thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbps khi di chuyển và tới 1 Gbps khi đứng
yên, cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên hình ảnh động chất
lượng cao. Chuẩn 4G cho phép truyền các ứng dụng phương tiện truyền thông
phổ biến nhất, góp phần tạo nên các ứng dụng mạnh mẽ cho các mạng không
dây nội bộ (WLAN) và các ứng dụng khác.
Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giao

SV: NGUYỄN HẢI YẾN

12

Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

OFDM, là kỹ thuật nhiềều tín hiệu được gửi đi cùng một lúc nhữ
ững trên những
tần số khác nhau.

Hình 1.7: Hình ảnh tổng thể của OFDM.
Trong kỹ thuậtt OFDM, chỉ
ch có một thiết bị truyền tín hiệuu trên nhiều
nhi tần số
độc lập (từ vài chụcc cho đến vài nghìn tần số). Thiết bị 4G sử dụng máy thu
vô tuyến xác nhận bởii phần
ph mềm SDR (Software – Defined Radio) cho phép
sử dụng băng
ng thông hiệu
hi quả hơn bằng cách dùng đa kênh đồồng thời. Tổng
đài chuyển mạch mạng
ng 4G chỉ
ch dùng chuyển mạch gói, do đó, gi
giảm trễ thời
gian truyền và nhận dữ liệu.
4G là hệ thống
ng thông tin băng
b
rộng được xem như IMT tiên ti
tiến (IMT
advanced) được định
nh ngh
nghĩa bới ITU – R. Tốc độ dữ liệu đề ra là 100 Mbps
cho thuê bao di chuyển
n cao và 1Mbps cho thuê bao ít di chuyể
chuyển, băng thông
linh động lên đếnn 40MHz. Sử
S dụng hoàn toàn trên nềnn IP, cung cấp
c các dịch
vụ như điện thoạii IP, truy cập
c internet băng rộng, các dịch vụ game và dòng
HDTV đa thương tiện…
n…
3G LTE đượcc xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầuu tiên ccủa LTE chưa
đủ các tính năng
ng theo yêu ccầu của IMT Advanced. LTE có tốốc độ lý thuyết
lên đến 100Mbps ở đườ
ờng xuống và 50 Mbps ở đường lên đốii vvới băng thông
20 MHz.
SV: NGUYỄN HẢI YẾN

13

L
Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

Và sẽ hơn nữa nếu MIMO, các anten mảng được sử dụng. LTE được phát
triển đầu tiên ở hai thủ đô Stockholm và Olso vào ngày 14/12/2009. Giao diện
vô tuyến vật lí đầu tiên được đặt tên là HSOPA (High Speed Radio Access),
bây giờ có tên là E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access). Thực
tế cho thấy, hầu hết các hang sản xuất thiết bị viễn thông hàng đầu thế giới:
Alcatel-Lucent, Samsung, nokia, LG… đã bắt tay với các nhà mạng lớn trên
thế giới (Verizon Wireless, AT&T, NTT DoCoMo, ZTE…) thực hiện các
cuộc thử nghiệm quan trọng trên công nghệ LTE và đã đạt những thành công
đáng kể. LTE Advanced là ứng viên cho chuẩn IMT-Advanced, mục tiêu của
nó là hướng đến đáp ứng được yêu cầu của ITU. LTE Advanced có khả năng
tương thích với thiết bị và chia sẻ băng tần với LTE phiên bản đầu tiên.
Di động WiWAX (IEEE 802.16e-2005) là chuẩn truy cập di động không dây
băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ bít đỉnh đường xuống là
128 Mbps và 56Mbps cho đường xuống với độ rộng băng thông hơn 20MHz.
UMB (Ultra Mobile Broadband): UMB được các tỏ chức viễn thông của
Nhật Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hang như AlcatelLucent, Apple, Motorola, NEC và Verizon Wireless phát triển từ nền tảng
CDMA. UMB có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25MHz đến
20MHz và làm việc ở nhiều dải tần số, với tộc độ truyền dữ liệu lên tới
288Mbps cho luồng xuống và 75 Mbps cho luồng lên với độ rộng băng tần sử
dụng là 20 MHz. Qualcomm là hang đi đầu trong nỗ lực phát triển UMB, mặc
dù hãng này cũng đồng thời phát triển cả công nghệ LTE.
Yêu cầu kỹ thuật của 4G bao gồm cả mạng chuyển mạch gói tin dựa trên địa
chỉ IP và một kênh với băng thông có khả năng mở rộng lên đến 40MHz.
4G sử dụng công nghệ mạng như: UMTS, OFDM, SDR, TD-SCDMA,
MIMO, WIMAX.
Các tính năng nổi bật của 4G như:
- Hệ thống quang phổ hiệu quả
- Dung lượng mạng cao
SV: NGUYỄN HẢI YẾN

14

Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

- Tỷ lệ chuyển giao dữ liệu lớn
- Dịch vụ chất lượng cao
- Bảo mật và tính cá nhân cao
Mặt hạn chế của 4G:
- 4G sẽ tôn chi phí hơn cho người sử dụng do tuổi thọ pin kém và bộ vi
xử lý của thiết bị phải được thay đổi thường xuyên.
- Kết nối chỉ giới hạn trong thành phố lớn hoặc khu đô thị.
1.5 Hệ thống thông tin thế hệ thứ 5 (5G)
Để đảm bảo cho sự phát triển liên tục của hệ thống thông tin di động,
vào tháng 2 năm 2013, ba tổ chức của Trung Quốc là: Bộ Công nghiệp và
Công nghệ Thông tin MIIT, Ủy ban Phát triển và Cải cách Quốc gia NDRC
và Bộ Khoa học và Công nghệ MOST đã cùng nhau hợp tác thành lập nhóm
“IMT-2020 (5G) Promotion” dựa trên nền tảng của nhóm “IMT-Advanced
Promotion” nhằm hướng đến việc xây dựng và phát triển hệ thống thông tin
di động thế hệ thứ 5 (5G).
Theo IMT 2020, hệ thống 5G phải đáp ứng được những tiêu chí sau:
Tốc độ dữ liệu cao hơn hệ thống hiện tại từ 10 đến 100 lần.
Độ trễ gần như bằng 0.
2

Đáp ứng phục vụ được số lượng lớn thiết bị (hàng triệu thiết bị trên 1

km .
Đáp ứng được Thông lượng cao hơn, khoảng vài chục Tbps/km2.
Đảm bảo kết nối liên tục với các thiết bị di chuyển với tốc độ cực
nhanh, lên tới hơn 500 km/h.
Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ lên từ 5 đến 15 lần.
Giảm chi phí tiêu hao trên mỗi bit dữ liệu khoảng 100 lần.
Nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng lên hơn 100 lần

SV: NGUYỄN HẢI YẾN

15

Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

Hình 1.8. Khối khả năng của công nghệ 5G trong tương lai.
Để làm được điều này, cần phải có những nền tảng kỹ thuật mới để nâng
cấp quá trình xử lý và truyền dữ liệu của hệ thống di động hiện nay. Đã có
nhiều kỹ thuật được đề xuất, ví dụ như:
* Công nghệ truyền dẫn không dây:
Massive MIMO.
Đa truy nhập: NOMA, BDMA…
Nâng cao kỹ thuật đa sóng mang: FBMC, UBMC…
Các kỹ thuật điều chế và mã hóa tiên tiến: WAN, tiền mã hóa…
* Công nghệ mạng không dây:
Mạng truy cập vô tuyến đám mây C-RAN.
Mạng di động MN.
Truyền thông D2D

SV: NGUYỄN HẢI YẾN

16

Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

Kết luận chương:Hệ thống 5G trong tương lai sẽ đem lại cho người
sử dụng những trải nghiệm hoàn toàn mới về chất lượng dịch vụ, nơi mà
chúng ta có thể kết nối với mọi vật xung quanh mọi lúc, mọi nơi. Mạng 5G sẽ
là một mạng lưới hoàn chỉnh cho mạng di động không dây, hướng đến một
thế giới không dây “thực sự”, một thế giới Internet of Thing (IoT).

SV: NGUYỄN HẢI YẾN

17

Lớp: ĐTVT K16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: THS. ĐÀO XUÂN PHÚC

CHƯƠNG 2:
KIẾN TRÚC CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G

Giới thiệu chương: Chương này sẽ đề cập đến kiến trúc của hệ thống
thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G) và các công nghệ, kỹ thuật truyền dẫn
mới được cho là ứng viên cho việc phát triển hệ thống này. Đồng thời,
chương này cũng đề cập đến những vấn đề về an ninh mạng mà hệ thống 5G
trong tương lai có thể phải đối mặt.
2.1. Kiến trúc hệ thống 5G

Hình 2.1: Kiến trúc hệ thống 5G (Nguồn: METIS).
Năm 2012, Ủy ban Châu Âu (European Commission) đã chi ra
50.000.000 triệu Euro để đầu tư vào nghiên cứu việc triển khai hệ thống
SV: NGUYỄN HẢI YẾN

18

Lớp: ĐTVT K16


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×