Tình hình tổng quan về hệ thống thông tin di động

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Trong quá trình phát triển của xã hội, thông tin liên lạc luôn đóng một vai trò cần thiết và quan trọng. Khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin đã đưa ra nhiều hình thức liên lạc ngày càng tiện nghi hơn, chất lượng tốt hơn. Nội dung Chương 1 sẽ trình bày về lịch sử phát triển cũng như các đặc tính của hệ thống thông tin di động. Bên cạnh đó, nó cũng giới thiệu về cấu trúc địa lý và xu hướng phát triển của hệ thống. Qua đó, sẽ có cái nhìn tổng quát về hệ thống thông tin di động. Lịch sử phát triển của 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, [1], khi đó, điện thoại di động chỉ sử dụng như là các phương tiện thông tin giữa các đơn vị cảnh sát ở Mỹ. Mặc dù các khái niệm tổ ong, các kỹ thuật trải phổ, điều chế số và các công nghệ vô tuyến hiện đại khác đã được biết đến, nhưng dịch vụ điện thoại di động mãi đến đầu những năm 1960 mới xuất hiện ở các dạng sử dụng được. Các hệ thống điện thoại di động đầu tiên này ít tiện lợi và dung lượng rất thấp so với các hệ thống hiện nay, [2]. Sau đó, hệ thống thông tin di động tế bào sử dụng kỹ thuật tương tự, điều chế tần số FM (Frequency Modulation), ở dải tần số 850Mhz ra đời. Dựa trên công nghệ này, hàng loạt các chuẩn thông tin di động ra đời như mạng điện thoại di động cải tiến AMPS (Advance Mobile Phone Service), hệ thống điện thoại di động Bắc Âu NMT (Nordic Mobile Telephone), hệ thống truyền thông truy nhập hoàn toàn TACS (Total Access Communication System). Giai đoạn này gọi là hệ thống di động tương tự thế hệ đầu tiên 1G (Generation wireless telephone technology 1) với dải tần hẹp, tất cả các hệ thống 1G sử dụng kỹ thuật điều chế tần số FM cho đàm thoại, điều chế khoá dịch tần FSK (Frequency Shift Keying) cho tín hiệu và kỹ thuật truy nhập được sử dụng là kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access), [1]. Cuối những năm 1980, cùng với sự gia tăng của thuê bao di động, người ta nhận thấy rằng các hệ thống tổ ong tương tự không thể đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng vào thế kỷ sau, nếu như không loại bỏ được các hạn chế cố hữu của các hệ thống này. Việc sử dụng kỹ thuật FDMA không thể đáp ứng được sự phát triển của các thuê bao vì tần số phân bổ cho di động rất hạn chế. Hơn nữa, khi máy di động di chuyển từ vùng này đến vùng khác sẽ xuất hiện nhiễu và gây ra tiếng ồn khó chịu, bên cạnh đó, hệ thống cũng không đảm bảo được tính bí mật của các cuộc gọi. Nếu chỉ sử dụng các hệ thống tổ ong tương tự thì sẽ không đáp ứng được các dịch vụ mới đối với khách hàng cũng như không thể giảm giá thành của thuê bao di động và cơ sở hạ tầng. Ngoài ra, không có tính tương thích giữa các hệ thống khác nhau, làm cho thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở nước khác. 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 các kỹ thuật đa truy nhập mới. Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) đầu tiên ra đời ở Châu Âu, [2]. Thế hệ thứ 2 được phổ biến trong suốt thập niên 90. Sự phát triển công nghệ thông tin di động thế hệ thứ hai cùng các tiện ích của nó đã làm bùng nổ lượng thuê bao di động trên toàn cầu. Giai đoạn này có các hệ thống thông tin di động số như: hệ thống thông tin di động sử dụng dải tần 900Mhz và 1800MHz đó là hệ thống GSM 900 và GSM 1800, phương thức truy nhập TDMA được sử dụng trong các hệ thống di động cải tiến số D-AMPS (Digital Advance Mobile Phone Service) ở dải tần số 800 Mhz đó là hệ thống IS-54 (Interim Standard 54) và công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) ở dải tần số 800 Mhz đó là hệ thống IS-95 (Interim Standard 95). Các hệ thống sử dụng kỹ thuật TDMA ngoại trừ IS-95 sử dụng kỹ thuật CDMA. Thế hệ 2 có khả năng cung cấp dịch vụ đa dạng, các tiện ích hỗ trợ cho công nghệ thông tin, cho phép thuê bao thực hiện quá trình chuyển vùng quốc tế, tạo khả năng giữ liên lạc trong một diện rộng khi họ di chuyển từ quốc gia này sang quốc gia khác, [1]. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các khách hàng viễn thông về các dịch vụ viễn thông mới, các hệ thống thông tin di động đã tiến tới thế hệ thứ ba (3G), [2]. Từ năm 1992, hội nghị thế giới truyền thông dành cho truyền thông một số dải tần cho hệ thống di động 3G. Sau đó, Liên minh viễn thông quốc tế ITU (International Telecommunication Union) chủ trương một hệ thống di động quốc tế toàn cầu cho năm 2000 IMT-2000 (International Mobile Telecommunications for the year 2000) sử dụng trong các dải 1885-2025MHz và 2110- 2200MHz. Thế hệ 3 gồm có các kỹ thuật: đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng W-CDMA (Wide band CDMA) kiểu song công phân chia theo tần số FDD (Frequency Division Duplex) và TD-CDMA (Time Division CDMA) kiểu song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplex). Mục tiêu của IMT- 2000 là giúp cho các thuê bao liên lạc với nhau và sử dụng các dịch vụ đa truyền thông trên phạm vi thế giới, [1]. Các đặc tính cơ bản của hệ thống thông tin di động Ngoài nhiệm vụ cung cấp các dịch vụ như mạng điện thoại cố định thông thường, các mạng thông tin di động phải cung cấp các dịch vụ đặc thù cho mạng di động để đảm bảo thông tin mọi lúc mọi nơi và phải đảm bảo các đặc tính sau:[2] Do sự hạn chế của dải tần vô tuyến dùng trong thông tin di động nên hệ thống phải sử dụng băng tần được cấp phát một cách hiệu quả để đạt được dung lượng cao. Hệ thống thông tin di động phải đảm bảo chất lượng truyền dẫn theo yêu cầu. Do truyền dẫn được thực hiện bằng vô tuyến là môi trường truyền dẫn hở, nên tín hiệu dễ bị ảnh hưởng của nhiễu và fading. Các hệ thống thông tin di động phải có khả năng hạn chế tối đa các ảnh hưởng này. Một đặc tính cơ bản nữa là hệ thống thông tin di động phải đảm bảo an toàn thông tin tốt nhất. Môi trường truyền dẫn vô tuyến là môi trường rất dễ bị nghe trộm và sử dụng trộm đường truyền nên cần phải có biện pháp đặc biệt để đảm bảo an toàn thông tin. Để đảm bảo quyền lợi của thuê bao, cần có các biện pháp như: giữ bí mật số nhận dạng thuê bao, kiểm tra tính hợp lệ của mỗi người sử dụng khi họ truy nhập mạng, mật mã hoá thông tin của người sử dụng. Hệ thống thông tin di động còn phải giảm tối đa rớt cuộc gọi khi thuê bao di động chuyển từ vùng phủ sóng này sang vùng phủ sóng. Cái mới sẽ luôn phát triển trên nền tảng của cái cũ, do đó, hệ thống phải cho phép phát triển các dịch vụ mới nhất đáp ứng nhu cầu của người sử dụng. Hệ thống thông tin di động cần phải đảm bảo được tính toàn cầu, nghĩa là cho phép chuyển vùng quốc tế. Vì đặc điểm của thông tin di động là đáp ứng nhu cầu của người sử dụng “mọi lúc, mọi nơi” nên thiết bị cầm tay phải gọn nhẹ, tiêu tốn ít năng lượng. Cấu trúc địa lý của hệ thống thông tin di động Ở một mạng di động, cấu trúc này rất quan trọng do tính lưu thông của các thuê bao trong mạng. Các phân vùng trong mạng được trình bày như trong Hình 1-1. [2-3]. Vùng phục vụ GSM (tất cả các quốc gia thành viên) Vùng phục vụ PLMN (một hay nhiều vùng ở một nước) Vùng phục vụ MSC (vùng được điều khiển bởi một MSC) Vùng định vị (vùng định vị tìm và gọi) Cell (ô) (Vùng có một trạm gốc riêng) Nguồn: Hoàng Anh Dũng, “Tối ưu hóa và quy hoạch mạng GSM”, đồ án tốt nghiệp, ĐH BK Hà Nội. Hình 1-1. Phân cấp cấu trúc địa lý mạng GSM. Phân chia theo vùng mạng Vùng phục vụ GSM là toàn bộ vùng phục vụ có sự kết hợp của nhiều quốc gia nên những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau có thể sử dụng được ở nhiều nơi trên thế giới. Phân cấp tiếp theo là vùng phục vụ mạng di động công cộng mặt đất PLMN (Public Land Mobile Network), đó có thể là một hay nhiều vùng trong một quốc gia tùy theo kích thước của vùng phục vụ. Tổng đài trung kế quốc gia hay quốc tế sẽ thực hiện việc kết nối các đường truyền giữa mạng di động GSM/PLMN và các mạng khác. Tất cả các cuộc gọi vào hay ra đối với mạng GSM/PLMN đều được định tuyến thông qua tổng đài vô tuyến cổng G-MSC (Gateway Mobile Service Switching Center). G-MSC làm việc như một tổng đài trung kế cho GSM/PLMN. Đây là nơi thực hiện chức năng định tuyến cho các cuộc gọi kết cuối di động. Phân chia theo vùng phục vụ Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động MSC (Mobile Services Switching Center), gọi tắt là tổng đài di động. Vùng phục vụ MSC là một vùng của mạng được một MSC quản lý. Nó có nhiệm vụ là định tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động. Mọi thông tin để định tuyến cuộc gọi tới thuê bao di động hiện đang trong vùng phục vụ của MSC được lưu giữ trong bộ ghi định vị tạm trú VLR (Visitor Location Register). Một vùng mạng GSM/PLMN được chia thành một hay nhiều vùng phục vụ MSC/VLR. Phân chia theo vùng định vị Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR được chia thành một số vùng định vị LA (Location Area). LA là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR, ở đó, thông báo tìm gọi sẽ được phát quảng bá để tìm một thuê bao di động bị gọi hay được hệ thống sử dụng để tìm một thuê bao đang ở trạng thái hoạt động. Vùng định vị có thể bao gồm một số ô (cell) và phụ thuộc vào một hay vài bộ điều khiển trạm gốc BSC (Base Station Controller), nhưng nó chỉ thuộc một MSC/VLR. Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử dụng mã nhận dạng vùng định vị LAI (Location Area Identity): LAI = MCC + MNC + LAC Trong đó: MCC (Mobile Country Code): mã quốc gia. MNC (Mobile Network Code): mã mạng di động. LAC (Location Area Code) : mã vùng định vị, [4]. Phân chia theo ô (cell) Vùng định vị được chia thành một số cell mà khi thuê bao (Mobile Station – MS) di chuyển trong đó thì không cần cập nhật thông tin về vị trí với mạng. Cell là đơn vị cơ sở của mạng, là một vùng phủ sóng vô tuyến được nhận dạng bằng mã nhận dạng ô toàn cầu CGI (Cell Global Indentify). Mỗi ô được quản lý bởi một trạm thu phát gốc BTS (Base Tranceiver Station). CGI = MCC + MNC + LAC + CI CI (Cell Identity): là mã nhận dạng ô để xác định vị trí cell trong vùng định vị. Trạm di động MS tự nhận dạng một ô bằng cách sử dụng mã nhận dạng trạm gốc BSIC (Base Station Identification Code), [4]. Vùng phục vụ MSC được phân chia thành các LA và các cell như trong Hình 1-2. LA LA LA LA CELL MSC VLR Nguồn: TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình thông tin di động”, NXB Bưu điện. Hình 1-2. Phân vùng một vùng phục vụ MSC thành các vùng định vị và các cell. Xu thế phát triển của mạng thông tin di động Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động từ thế hệ thứ nhất tới thế hệ thứ tư được thể hiện như trong Hình 1-3. [5] ANALOG TACS AMPS 1G GSM (TDMA) GPRS EDGE UMTS (WCDMA) HSPA 3G LTE (OFDMA) 2G 2.5G 2.75G 3G 3.5G Pre -4G IS-136 (TDMA) IS-95A (CDMA) Cellular Technology Evolution IS-95B 1xRTT (CDMA2000) EV-DV CDMA 2000 EV-DO CDMA 2000 UMB (OFDMA) 3GPP standards 3GPP2 standards Wifi (OFDM) 2005 Brosdband Wireless Technology Evolution 802.16-2004 (OFDM) 802.16e-2005 (OFDMA) 802.16m (OFDMA) 2006 2006-2009 2010+ 4G ALL-IP Conver-gence Tài liệu trực tuyến, “Tổng quan về các G”. Hình 1-3. Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động từ 1G đến 4G. Kể từ khi ra đời, các hệ thống thông tin di động GSM đã phát triển với một tốc độ hết sức nhanh chóng, [6], đặc biệt là ở khu vực châu Á như Trung Quốc, Ấn Độ. Số thuê bao điện thoại di động trên toàn thế giới đã tăng từ 2,1 tỷ (cuối năm 2005) lên đến hơn 2,5 tỷ (quý 3 năm 2006), trong đó, số thuê bao GSM chiếm hơn 2 tỷ, và hiện nay số kết nối này đã tăng hơn 4 tỷ, chiếm khoảng 80%, [6]. Ưu điểm của 2G là chất lượng thoại và mức độ bảo mật cá nhân cao, được triển khai một số dịch vụ dữ liệu như thư điện tử và tin nhắn ngắn SMS (Short Message Services). Hệ thống kỹ thuật số được thiết kế giảm bớt năng lượng sóng vô tuyến 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, [5]. Do có nhận thức rõ về tầm quan trọng của các hệ thống thông tin di động mà ở châu Âu, ngay khi quá trình tiêu chuẩn hoá GSM chưa kết thúc, người ta đã tiến hành nghiên cứu các dịch vụ và công nghệ cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G). Hệ thống 3G của châu Âu được gọi là Hệ thống viễn thông di động toàn cầu UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems). Những người thực hiện dự án mong muốn rằng hệ thống UMTS trong tương lai sẽ được phát triển từ các hệ thống GSM hiện tại, [7]. Song song với châu Âu, Liên minh Viễn thông Quốc tế ITU (International Telecommunications Union) cũng đã thành lập một nhóm nghiên cứu để nghiên cứu về các hệ thống thông tin di động thế hệ 3. Nhóm nghiên cứu đặt tên cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 của mình là Hệ thống Thông tin Di động Mặt đất Tương lai FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunications System). Sau này, nhóm nghiên cứu đổi tên hệ thống thông tin di động của mình thành Hệ thống Thông tin Di động Toàn cầu cho năm 2000 IMT-2000 (International Mobile Telecommunications for the year 2000), [7]. Hệ thống 3G có khả năng đem lại hàng loạt các tiện ích mới, các dịch vụ gia tăng như truyền hình di động, điện thoại có hình, tải dữ liệu truyền thông, [8]. Thị trường 3G thế giới phát triển, nhưng tốc độ chậm hơn so với dự báo trước đây. Thị trường 3G chủ yếu tập trung vào một số ít các nước phát triển như Nhật, Hàn Quốc và Mỹ. Đa số các nước thu nhập thấp chưa ứng dụng dịch vụ 3G. Do nhu cầu của thị trường về các ứng dụng tốc độ dữ liệu cao còn hạn chế nên doanh thu của các nhà khai thác vẫn chủ yếu đến từ các dịch vụ truyền thống như thoại và SMS, dịch vụ dữ liệu và nội dung 3G mới chỉ đạt từ 10 – 20 % tổng số doanh thu và dịch vụ nội dung chủ yếu vẫn là các dịch vụ đơn giản như nhạc chuông, tin nhắn có hình ảnh, [6]. Hệ thống 3,5G là những ứng dụng được nâng cấp dựa trên công nghệ hiện có của 3G. Công nghệ của 3,5G chính là truy nhập gói tốc độ cao HSPA (High Speed Package Access). Đây là giải pháp mang tính đột phá về mặt công nghệ, được phát triển trên cơ sở của hệ thống 3G W-CDMA, [5]. Nhu cầu truyền thông của người sử dụng chưa bao giờ tăng như hiện nay, giới hạn của hệ thống thông tin di động thế hệ ba, sự xuất hiện của các công nghệ băng rộng mới trên thị trường đã đưa các nhà nghiên cứu đến với thế hệ thứ tư (4G). Nhằm bước trên 3G, 4G không những phải cung cấp tốc độ cao hơn mà còn phải tạo ra những ưu điểm rõ ràng và hữu hình với mọi người trong cuộc sống hàng ngày. Các công nghệ mới hứa hẹn về một sự cải thiện gấp 10 lần hiệu quả sử dụng phổ tần so với các giải pháp đang tồn tại. Các hệ thống 4G cũng được xem như các hệ thống tổ ong dựa trên IP. Các hệ thống 4G phải có hiệu quả chi phí và định hướng dịch vụ. 4G được định nghĩa là một nền tảng của sự hội tụ, cung cấp các ưu điểm rõ ràng về vùng phủ sóng, độ rộng băng tần và công suất tiêu thụ, [9]. Thực tế cho thấy, những cái mới sẽ luôn được đón nhận và các dịch vụ viễn thông luôn phát triển mạnh nhờ vào công nghệ mới. Dịch vụ điện thoại cố định đang tăng trưởng chậm do bị dịch vụ thông tin di động lấn lướt với nhiều tiện ích mới mà điện thoại cố định không thể có được, [10]. Kết luận Tóm lại, Chương 1 đã trình bày khái quát về lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động, đồng thời, cũng nêu lên các đặc tính chung của hệ thống. Bên cạnh đó, nội dung của chương cũng đã trình bày về cấu trúc địa lý cũng như xu hướng phát triển của mạng. Qua đó, thấy được cái nhìn tổng quát về hệ thống thông tin di động. Chương 2 sẽ trình bày về cấu trúc, các thành phần cũng như vai trò của chúng trong hệ thống thông tin di động thế hệ 2.