Luận Văn Xu hướng phát triển của hệ thống thông tin di động sau 3g

TÊN ĐỀ TÀI: Xu hướng phát triển của hệ thống thông tin di động sau 3g​
Information
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG

1. 1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động
Thông tin di động được ứng dụng cho nghiệp vụ cảnh sát từ những năm 20 ở băng tần 2MHz. Sau thế chiến thứ 2 mới xuất hiện thông tin di động điện thoại dân dụng (1939-1945) với kỹ thuật FM ở băng sóng 150MHz. Năm 1948, một hệ thống thông tin di động hoàn toàn tự động đầu tiên ra đời ở Richmond - Indian. Từ những năm 60, kênh thông tin di động có dải tần số 30Khz với kỹ thuật FM ở băng tần 450MHz đưa hiệu suất sử dụng phổ tần tăng gấp 4 lần so với cuối thế chiến thứ 2.
Quan niệm về cellular bắt đầu từ cuối những năm 40 với Bell thay thế cho mô hình quảng bá với máy phát công suất lớn và Anten đặt cao, là những cell có diện tích bé có máy phát BTS công suất nhỏ, khi các cell ở cách nhau đủ xa thì có thể sử dụng lại cùng tần số. Tháng 12/1971 đưa ra hệ thống cellular kỹ thuật tương tự, sử dụng phương pháp điều tần FM, dải tần 850MHz. Tương ứng là sản phẩm thương nghiệp AMPS với tiêu chuẩn do AT & T và MOTOROLAR của Mỹ đề xuất sử dụng được ra đời vào năm 1983. Đầu những năm 90 thế hệ đầu tiên của thông tin di động tế bào đã bao gồm hàng loạt các hệ thống ở các nước khác nhau như: TACS, NMTS, NAMTS, C, . Tuy nhiên các hệ thống này không thoả mãn được nhu cầu ngày càng tăng của nhu cầu sử dụng và trước hết là về dung lượng. Mặt khác các tiêu chuẩn hệ thống không tương thích nhau làm cho sự chuyển giao không đủ rộng như mong muốn (việc liên lạc ngoài biên giới là không thể). Những vấn đề trên đặt ra cho thế hệ 2 thông tin di động tế bào phải lựu chọn giải pháp kỹ thuật: kỹ thuật tương tự hay kỹ thuật số. Các tổ chức tiêu chuẩn hoá đa số đều lựa chọn kỹ thuật số.
Trước hết kỹ thuật số bảo đảm chất lượng cao hơn trong môi trường nhiễu mạnh và khả năng tiềm tàng về một dung lượng lớn hơn.
Sử dụng kỹ thuật số có ưu điểm sau:
 Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn.
 Mã hoá tín hiệu thoại với tốc độ ngày càng thấp cho phép ghép nhiều kênh thoại hơn và dòng bít tốc độ chuẩn.
 Giảm tỉ lệ tin tức báo hiệu dành tỉ lệ tin tức lớn hơn cho người sử dụng.
 áp dụng kỹ thuật mã hoá kênh và mã hoá nguồn của kỹ thuật truyền dẫn số.
 Hệ thống số chống nhiễu kênh chung CCI (Cochannel Interference) và chống nhiễu kênh kề ACI (Adjacent-Channel Interference) hiệu quả hơn. Điều này cuối cùng làm tăng dung lượng của hệ thống.
 Điều khiển động cho cấp phát kênh liên lạc làm cho việc sử dụng tần số hiệu quả hơn.
 Có nhều dịch vụ mới nhận thực, số liệu, mật mã hoá và kết nối với ISDN.
 Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn, dung lượng tăng, báo hiệu liên tục đều dễ dàng xử lý bằng phương pháp số.
 Hệ thống thông tin di động tế bào thế hệ thứ hai có ba tiêu chuẩn chính: GMS, IS - 54 (bao gồm cả tiêu chuẩn AMPS), JDC.
Tuy nhiên các hệ thông thông tin di động thế hệ thứ hai cũng tồn tại một số nhược điểm như sau: Độ rộng dải thông băng tần của hệ thống là bị hạn chế nên việc ứng dụng các dịch vụ dữ liệu bị hạn chế, không thể đáp ứng được các yêu cầu phát triển cho các dịch vụ thông tin di động đa phương tiện cho tương lai, đồng thời tiêu chuẩn cho các hệ thống thế hệ thứ hai là không thống nhất do Mỹ và Nhật sử dụng TDMA băng hẹp còn Châu Âu sử dụng TDMA băng rộng nhưng cả 2 hệ thống này đều có thể được coi như là sự tổ hợp của FDMA và TDMA vì người sử dụng thực tế dùng các kênh được ấn định cả về tần số và các khe thời gian trong băng tần. Do đó việc thực hiện chuyển mạng toàn cầu gặp phải nhiều khó khăn.
Bắt đầu từ những năm cuối của thập niên 90 hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba ra đời bằng kỹ thuật đa truy nhập CDMA và TDMA cải tiến. Lý thuyết về CDMA đã được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng trong thông tin quân sự từ những năm 1960. Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin trong những năm 1980, CDMA đã được thương mại hoá từ phương pháp thu GPRS và Ommi-TRACKS, phương pháp này cũng đã được đề xuất trong hệ thống tổ ong của QUALCOM - Mỹ vào năm 1990.
Trong thông tin CDMA thì nhiều người sử dụng chung thời gian và tần số, mã PN (tạp âm giả ngẫu nhiên) với sự tương quan chéo thấp được ấn định cho mỗi người sử dụng. Người sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định. Đầu thu tạo ra một dãy giả ngẫu nhiên như ở đầu phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngược các tín hiệu đồng bộ thu được.
So với hai hệ thống thông tin di động thứ nhất và thứ hai thì hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba là hệ thống đa dịch vụ và đa phương tiện được phủ khắp toàn cầu. Một trong những đặc điểm của nó là có thể chuyển mạng, hoạt động mọi lúc, mọi nơi là đều thực hiện được. Điều đó có nghĩa là mỗi thuê bao di động đều được gán một mã số về nhận dạng thông tin cá nhân, khi máy ở bất cứ nơi nào, quốc gia nào trên thế giới đều có thể định vị được vị trí chính xác của thuê bao. Ngoài ra hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba là một hệ thống đa dịch vụ, thuê bao có thể thực hiện các dịch vụ thông tin dữ liệu cao và thông tin đa phương tiện băng rộng như: hộp thư thoại, truyền Fax, truyền dữ liệu, chuyển vùng quốc tế, Wap (giao thức ứng dụng không dây) . để truy cập vào mạng Internet, đọc báo chí, tra cứu thông tin, hình ảnh . Do đặc điểm băng tần rộng nên hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba còn có thể cung cấp các dịch vụ truyền hình ảnh, âm thanh , cung cấp các dịch vụ điện thoại thấy hình .
1.2 Cấu hình của hệ thống thông tin di động
Hệ thống điện thoại di động tổ ong bao gồm có ba phần chính là máy di động MS (Mobile Station), trạm gốc BS (Base Station), và Tổng đài di động (MSC).
Hệ thống điện thoại di động tổ ong bao gồm các máy điện thoại di động trên ô tô (hay xách tay), BS và MSC (trung tâm chuyển mạch điện thoại di động).
Máy điện thoại di động (MS) bao gồm các bộ thu/phát RF, anten và bộ điều khiển, BS bao gồm các bộ thu/phát RF để kết nối máy di động với MSC, anten, bộ điều khiển, đầu cuối số liệu và nguồn.
MSC sử lý các cuộc gọi đi và đến từ mỗi BS và cung cấp chức năng điều khiển trung tâm cho hoạt động của tất cả các BS một cách hiệu quả và để truy nhập vào tổng đài của mạng điện thoại công cộng. Chúng bao gồm bộ phận điều khiển, bộ phận kết nối cuộc gọi, các thiết bị ngoại vi và cung cấp chức năng thu thập số liệu cước đối với các cuội gọi đã hoàn thành.
Các máy di động, BS và MSC được liên kết với nhau thông qua các đường kết nối thoại và số liệu. Mỗi máy di động sử dụng một cặp kênh thu/phát RF. Vì các kênh lưu lượng không cố định ở một kênh RF nào mà thay đổi thành các tần số RF khác nhau phụ thuộc vào sự di chuyển của máy di động trong suốt quá trình cuộc gọi nên cuộc gọi có thể được thiết lập qua bất cứ một kênh nào đã được xác định trong vùng đó. Cũng từ những quan điểm về hệ thống điện thoại di động mà thấy rằng tất cả các kênh đã được xác định đều có thể bận do đã được kết nối một cách đồng thời với các máy di động.
Bộ phận điều khiển của MSC, là trái tim của hệ thống tổ ong, sẽ điều khiển, sắp đặt và quản lý toàn bộ hệ thống.
Tổng đài tổ ong kết nối các đường đàm thoại để thiết lập cuộc gọi giữa các máy thuê bao di động với nhau hoặc các thuê bao cố định với các thuê bao di động và trao đổi các thông tin báo hiệu đa dạng qua đường số liệu giữa MSC và BS.
CHƯƠNG V XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG SAU 3G

5.1: Những hạn chế của hệ thống 3G và những yếu tố thúc đẩy 4G
Mạng 3G tạo ra bước tiến triển lớn trong sự tiến triển của thông tin di động cá nhân. Trên thực tế, mạng 3G có khả năng hỗ trợ lại hình dịch vụ internet di động đa phương tiện với chất lượng dịch vụ cải thiện đáng kể so với hệ thống 2,5G. Giao diện vô tuyến WCDMA được thiết kế để hỗ trợ vùng phủ cải thiện dung lượng cao với tốc độ bit trung bình (384kbps) trong trường hợp trong nhà. Việc ghép kênh thống kê ở giao diện vô tuyến cũng cải thiện đáng kể hiệu suất ở chế đọ truyền dẫn chuyển mạch gói. Tuy nhiên hệ thống 3G cũng có một số hạn chế sau:
ã Việc đạt được tốc độ truyền số liệu cao là rất khó đối với công nghệ CDMA do can nhiễu giữa các dịch vụ.
ã Khó có thể tạo ra một dải đầy đủ các dịch vụ đa tốc độ với yêu cầu về hiệu năng Qó khác nhau do những hạn chế đối với mạng lõi gây ra bởi tiêu chuẩn giao diện vô tuyến.
ã Ngoài ra, dải tần ở băng tần 2GHz dành cho hệ thống 3G sẽ sớm bị lão hoá và có những ràng buộc khi kết hợp chế độ song công phân chia theo tần số và thời gian.
Vào năm 2010, sự phát triển công nghệ sẽ hướng vào các hệ thống vô tuyến tích hợp. Hệ thống vô tuyến tích hợp sẽ trở nên phổ biến giống như các hệ vi xử lý tích hợp ngày nay. Các hệ thống này tương tác với nhau tạo nên mạng khu vực trong nhà(HAN). Các thiết bị giống như vậy xuất hiện trong các phương tiện giao thông mạng(mạng VAN) và trong các hệ thống sở hữu cá nhân (PAN) . Những chip này phục vụ với tư cách là phương tiện thông tin cự ly ngắn giữa các vật thể và các thiết bị, hỗ trợ các tính năng giám sát và điều khiển trong hầu hết các trường hợp không cần có sự can thiệp của người sử dụng.
Khi một người di chuyển trong những môi trường như vậy, các kết nối cự ly ngắn sẽ cho phép thông tin cá nhân di chuyển cùng với anh ta, phòng khách sạn tự động thay đổi nhiệt độ, chương trình tivi, cường độ ánh sáng phù hợp với sở thích của anh ta. Tuy nhiên, việc tích hợp những kết nối như vậy với mạng truy cập vô tuyến diện rộng sẽ làm xuất hiện những khái niệm dịch vụ có hiệu quả hơn nữa như: các thiết bị di động truy nhập mạng diện rộng, các thiết bị cảm biến và các thông tin truy nhập đại diện cho người sử dụng để thực hiện những mong muốn của anh ta.
Những dịch vụ như vậy tất nhiên sẽ phải phù hợp với các dịch vụ của hệ thống 3G như:
ã Gửi/nhận thư điện tử
ã Truy nhập Internet
ã Giao dịch qua mạng(thương mại điện tử)
ã Các dịch vụ thông tin dựa trên vị trí
ã Truy nhập các cơ sở dữ liệu công ty
ã Chuyển tệp kích thước lớn
Các dịch vụ nói trên tăng thêm nhu cầu truy nhập thông tin và nhu cầu đối vói việc giao dịch thương mại cũng như các dịch vụ thông tin dựa trên vị trí. Tất cả các dịch vụ đó yêu cầu tốc độ bit cao.
Từ những phân tích trên đây, có thể thấy rằng hệ thống 4G sẽ yêu cầu linh động cao để có khả năng hỗ trợ cho:
ã Lưu lượng người sử dụng
ã Các giao diện vô tuyến và các loại đầu cuối
ã Các môi trường truyến dẫn vô tuyến
ã Các loại hình chất lượng dịch vụ
ã Các đặc tính di động
Để có thể đáp ứng những yêu cầu như vậy, hệ thống 4G phải linh động và có khả năng thích nghi ở mọi khía cạnh. Do vậy đối với hệ thống này phần mềm có vai trò quan trọng hơn cơ sở hạ tầng phần cứng. Việc tích hợp cũng là một xu hướng chính của hệ thống 4G, đặc biệt là tích hợp giữa mạng truy nhập vô tuyến với các phần tử mạng lõi. Các yếu tố thúc đẩy chính của hệ thống 4G sẽ là:
ã Sự đa dạng của thiết bị
ã Các ứng dụng thương mại điện tử và các ứng dụng phụ thuộc vị trí
ã Sự mở rộng các thủ tục IP để thực hiện đặc tính di động và phạm vi rộng QoS
ã Yếu tố cá nhân và bảo mật
ã Các giao diện vô tuyến và kết nối mạng động.
ã Các cơ chế cải thiện vùng phủ sóng
ã Việc sử dụng phổ tần động và cải thiện phổ tần.
5.2: viễn cảnh đối với hệ thống 4G
Các yếu tố tác động đến hệ thống thông tin di động trong tương lai thể hiện trên hình sau:



Hình 5.1 Nhứng yếu tố chủ chốt đối với hệ thống 4G
 Các dịch vụ hội tụ toàn phần: người sử dụng sẽ có thể truy nhập một phạm vi rộng các loại hình dịch vụ và ứng dụng rất thuận tiện và an toàn. Các dịch vụ này chiều theo sở thích cá nhân của người sử dụng.
 Truy nhập di động mọi nơi: Chế độ truy nhập chiếm ưu thế sẽ là chế độ di động cho tất cả các dịch vụ thông tin thoại, phần lớn các dịch vụ thông tin số liệu tốc độ cao và một phần các dịch vụ quảng bá và giải trí. Truy nhập di động đối với các dịch vụ thương mại sẽ trở nên bình thường thay thế cho các dịch vụ hiện tại.
 Sự đa dạng của thiết bị người sử dụng: Người tiêu dùng sẽ có điều kiện lựa chọn một số lượng lớn các thiết bị di động giá thành thấp để thực hiện truy nhập một cách thuận tiện và thông suốt. Các thiết bị tương tác với người sử dụng theo cách đa cảm biến bao gồm không chỉ lời nói, thính giác, thị giác mà còn các giác quan khác, các số liệu sinh học và môi trường liên quan trực tiếp đến ứng dụng. Các thiết bị đặc biệt dành cho người tàn tật sẽ trở nên phổ biến hơn.
 Các mạng tự trị: Các hệ thống này là các mạng tự động thích nghi có khả năng tự quản lý cấu hình để phù hợp với yêu cầu thay đổi của người sử dụng đối với cả dịch vụ và dung lượng. Việc sử dụng có hiệu quả phổ tần vô tuyến là một yếu tố thiết yếu đối với các hệ thống này. Việc tự động và tự quản lý sẽ là tiêu chuẩn của hệ thống đó.
 Tính phụ thuộc vào phần mềm: Các tác tử di động thông minh sẽ tồn tại trong mạng và ở thiết bị của người sử dụng. Các tác tử di động này sẽ hoạt động ở tất cả các lớp từ việc quản lý những sở thích cá nhân của người sử dụng đến việc tổ chức và tái cấu hình các phẩn tử chính trong mạng.