Đồ Án Các công nghệ di động sau 3G

Mục lục
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
Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng - Đ06VTK1


Các công nghệ không dây Sau 3G ii
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
Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng - Đ06VTK1


Các công nghệ không dây Sau 3G iii
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
Lời nói đầu
Trong những năm gần đây, các mạng thoại tổ ong (cellular telephone network1, 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 3G2, 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.
1 “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).
2 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”.
2
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.





̃̃̃̃̃̃̃̃̃̃̃̃̃̃̃̃̃̃̃̃̃̃