<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b><small>TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCMMÔN HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN</small></b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<i>TP. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 01 năm 2024</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>MỤC LỤC</b>

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THƠNG KHƠNG DÂY...1

<b>1.1. Lịch sử của Truyền thơng khơng dây...2</b>

<b>1.2. Tầm nhìn khơng dây...7</b>

<b>1.3. Các vấn để kỹ thuật...10</b>

<b>1.4. Các hệ thống không dây hiện tại...14</b>

<b>1.4.1 Hệ thống điện thoại di động...14</b>

<b>1.4.2 Điện thoại không dây...22</b>

<b>1.4.3 Mạng LAN không dây (WLAN)...25</b>

<b>1.4.4 Dịch vụ dữ liệu không dây khu vựng rộng...27</b>

<b>1.4.5. Truy cập không dây băng thông rộng...28</b>

<b>1.4.6. Hệ thống phân trang...29</b>

<b>1.4.7 Hệ thống vệ tinh...30</b>

<b>1.4.8 Hệ thống radio chi phí thấp và tiết kiệm năng lượng: Bluetooth và Zigbee...32</b>

<b>1.4.9 Radio băng thông siêu rộng...34</b>

<b>1.5 Quang phổ không dây...35</b>

<b>1.5.1 Phương pháp phân bô quang phổ...35</b>

<b>1.5.2 Phân bố quang phổ cho các hệ thống hiện có...37</b>

<b>1.6 Các tiêu chuẩn...39</b>

TÀI LIỆU THAM KHẢO...41

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THƠNG KHƠNG DÂY</b>

Truyền thơng khơng dây, theo bất kỳ tiêu chí nào, là phân khúc đang phát triển nhanh nhất trong ngành truyền thơng. Do đó, nó đã thu hút sự chú ý của truyền thông và tưởng tượng của công chúng. Hệ thống di động đã trải qua sự tăng trưởng mũi nhọn trong thập kỷ qua và hiện có khoảng hai tỷ người dùng trên tồn thế giới. Thực sự, điện thoại di động đã trở thành công cụ kinh doanh quan trọng và một phần của cuộc sống hàng ngày ở hầu hết các nước phát triển, và đang nhanh chóng thay thế các hệ thống dây cũ kỹ ở nhiều nước đang phát triển. Ngoài ra, các mạng cục bộ không dây hiện đang bổ sung hoặc thay thế các mạng có dây trong nhiều gia đình, doanh nghiệp và trường học. Nhiều ứng dụng mới, bao gồm các mạng cảm biến không dây, các tuyến đường và nhà máy tự động, nhà thông minh và thiết bị gia đình, và y tế từ xa, đang nảy sinh từ ý tưởng nghiên cứu thành các hệ thống cụ thể. Sự tăng trưởng nổ của các hệ thống không dây kết hợp với sự phát triển của máy tính xách tay và máy tính bàn nhỏ gọn cho thấy tương lai tươi sáng cho các mạng không dây, cả là các hệ thống độc lập và là một phần của cơ sở hạ tầng mạng lớn hơn. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức kỹ thuật trong việc thiết kế các mạng không dây mạnh mẽ để cung cấp hiệu suất cần thiết để hỗ trợ các ứng dụng mới nổi. Trong chương giới thiệu này, chúng ta sẽ tóm tắt lịch sử của các mạng khơng dây, từ các tín hiệu khói của thời kỳ tiền công nghiệp đến các mạng di động, vệ tinh và khơng dây khác của ngày nay. Sau đó, chúng ta sẽ thảo luận về tầm nhìn khơng dây chi tiết hơn, bao gồm các thách thức kỹ thuật phải vượt qua để biến tầm nhìn này thành hiện thực. Chúng ta sẽ mô tả các hệ thống không dây hiện tại cùng với các hệ thống và tiêu chuẩn mới nổi. Khoảng cách giữa các hệ thống hiện tại và hệ thống mới nổi và tầm nhìn cho các ứng dụng khơng dây trong tương lai cho thấy cịn nhiều cơng việc phải làm để biến tầm nhìn này thành hiện thực.

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>1.1. Lịch sử của Truyền thông không dây</b>

Lịch sử của Truyền thông không dây bắt đầu từ thời kỳ tiền công nghiệp. Những hệ thống này truyền tải thơng tin qua khoảng cách tầm nhìn (sau này được mở rộng bằng kính thiên văn) bằng cách sử dụng tín hiệu khói, tín hiệu đèn pin, gương phản chiếu, đèn pháo hoặc cờ hiệu. Một tập hợp phức tạp các kết hợp tín hiệu đã được phát triển để truyền đạt các tin nhắn phức tạp bằng những tín hiệu nguyên thủy này. Các trạm quan sát được xây dựng trên đỉnh đồi và dọc theo các con đường để truyền tải những tin nhắn này qua khoảng cách lớn. Những mạng truyền thông sớm này đã được thay thế đầu tiên bằng mạng điện tín (do Samuel Morse phát minh vào năm 1838) và sau đó là điện thoại. Vào năm 1895, vài thập kỷ sau khi điện thoại được phát minh, Marconi đã thực hiện cuộc truyền thông radio đầu tiên từ Đảo Wight đến một con tàu kéo cách xa 18 dặm, và truyền thông radio ra đời. Công nghệ radio đã tiến bộ nhanh chóng để cho phép truyền tải qua khoảng cách lớn với chất lượng tốt hơn, tiêu thụ ít năng lượng và thiết bị nhỏ hơn, giá rẻ hơn, từ đó tạo điều kiện cho truyền thơng radio cơng cộng và riêng tư, truyền hình và mạng khơng dây.

Hệ thống radio sớm truyền tải tín hiệu analog. Ngày nay, hầu hết các hệ thống radio truyền tải tín hiệu số hóa được tạo thành từ các bit nhị phân, trong đó các bit được thu thập trực tiếp từ tín hiệu dữ liệu hoặc bằng cách số hóa tín hiệu analog. Một radio kỹ thuật số có thể truyền tải một luồng bit liên tục hoặc nhóm các bit thành gói tin. Loại radio sau được gọi là radio gói và được đặc trưng bởi việc truyền tải theo kiểu nổ: radio khơng hoạt động trừ khi nó truyền tải một gói tin. Mạng đầu tiên dựa trên radio gói, ALOHANET, được phát triển tại Đại học Hawaii vào năm 1971. Mạng này cho phép các trang web máy tính tại bảy khn viên trải rộng qua bốn hịn đảo giao tiếp với máy tính trung tâm trên đảo Oahu thông qua truyền tải radio. Kiến trúc mạng sử dụng mơ hình sao với máy tính trung tâm ở trung tâm. Bất kỳ hai máy tính nào cũng có thể thiết lập một liên kết truyền thông hai chiều giữa chúng thông qua trung tâm trung

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

tâm. ALOHANET tích hợp bộ giao thức đầu tiên cho quyền truy cập kênh và định tuyến trong các hệ thống radio gói, và nhiều nguyên tắc cơ bản trong các giao thức này vẫn được sử dụng cho đến ngày nay. Quân đội Hoa Kỳ rất quan tâm đến sự kết hợp giữa dữ liệu gói và radio phát sóng có sẵn trong ALOHANET. Suốt thập kỷ 1970 và đầu thập kỷ 1980, Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng (DARPA) đã đầu tư nguồn lực đáng kể để phát triển các mạng sử dụng radio gói cho truyền thơng chiến thuật trên chiến trường. Các nút trong các mạng khơng dây tạm thời này có khả năng tự cấu hình (hoặc cấu hình lại) thành một mạng mà không cần sự hỗ trợ từ cơ sở hạ tầng đã được thiết lập. Đầu tư của DARPA vào các mạng tạm thời này đạt đỉnh vào giữa thập kỷ 1980, nhưng các mạng kết quả vẫn không đạt được kỳ vọng về tốc độ và hiệu suất. Các mạng này tiếp tục được phát triển cho mục đích qn sự. Mạng radio gói cũng tìm thấy ứng dụng thương mại trong việc hỗ trợ dịch vụ dữ liệu không dây khu vực rộng. Các dịch vụ này, được giới thiệu lần đầu vào đầu những năm 1990, cho phép truy cập dữ liệu không dây (bao gồm email, truyền tệp và duyệt web) với tốc độ khá thấp, khoảng 20 Kbps. Thị trường mạng dữ liệu không dây khu vực rộng này thực sự không phát triển mạnh, chủ yếu do tốc độ dữ liệu thấp, chi phí cao và thiếu “ứng dụng quyết định”. Những dịch vụ này chủ yếu biến mất vào những năm 1990, được thay thế bởi khả năng truyền dữ liệu không dây của điện thoại di động và các mạng khu vực cục bộ không dây (LANs).

Sự giới thiệu của cơng nghệ Ethernet có dây vào những năm 1970 đã đưa nhiều công ty thương mại rời xa mạng lưới dựa trên radio. Tốc độ dữ liệu 10 Mbps của Ethernet vượt xa bất cứ thứ gì có sẵn sử dụng radio, và các cơng ty khơng phiền lịng chạy dây cáp trong và giữa các cơ sở của họ để tận dụng tốc độ cao này. Năm 1985, Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC) cho phép phát triển thương mại của các mạng LAN không dây bằng cách ủy quyền việc sử dụng công khai các dải tần công nghiệp, khoa học và y tế (ISM) cho các sản phẩm mạng LAN không dây. Dải ISM rất hấp dẫn đối với các nhà cung cấp

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

mạng LAN khơng dây vì họ khơng cần phải có giấy phép FCC để hoạt động trong dải tần này. Tuy nhiên, các hệ thống mạng LAN không dây không thể gây nhiễu cho người dùng chính của dải ISM, điều này buộc họ phải sử dụng một hồ sơ cơng suất thấp và một kế hoạch truyền tín hiệu không hiệu quả. Hơn nữa, sự nhiễu từ người dùng chính trong dải tần này khá cao. Kết quả là, các mạng LAN khơng dây ban đầu này có hiệu suất rất kém về tốc độ dữ liệu và phạm vi phủ sóng. Hiệu suất kém này, kết hợp với lo ngại về bảo mật, thiếu tiêu chuẩn và chi phí cao (điểm truy cập mạng LAN khơng dây đầu tiên được liệt kê với giá 1.400 đô la so với vài trăm đơ la cho một thẻ Ethernet có dây) dẫn đến doanh số bán hàng yếu. Ít hệ thống này thực sự được sử dụng cho mạng dữ liệu: chúng bị giới hạn trong các ứng dụng công nghệ thấp như kiểm soát hàng tồn kho. Thế hệ mạng LAN không dây hiện tại, dựa trên họ hàng của các tiêu chuẩn IEEE 802.11, có hiệu suất tốt hơn, mặc dù tốc độ dữ liệu vẫn tương đối thấp (tốc độ dữ liệu tối đa tổng hợp hàng chục Mbps) và phạm vi phủ sóng vẫn nhỏ (khoảng 150 m). Ethernets có dây ngày nay cung cấp tốc độ dữ liệu 100 Mbps, và khoảng cách hiệu suất giữa mạng LAN có dây và khơng dây có khả năng tăng theo thời gian mà khơng cần phân bổ thêm phổ. Mặc dù có sự khác biệt lớn về tốc độ dữ liệu, mạng LAN không dây đang trở thành phương pháp truy cập Internet được ưa chuộng trong nhiều gia đình, văn phịng và mơi trường trường học do tính tiện lợi và sự tự do không dây. Tuy nhiên, hầu hết các mạng LAN không dây hỗ trợ các ứng dụng như email và duyệt web khơng địi hỏi băng thơng cao. Thách thức cho các mạng LAN không dây trong tương lai sẽ là hỗ trợ nhiều người dùng cùng một lúc với các ứng dụng địi hỏi băng thơng cao và bị ràng buộc về độ trễ như video. Mở rộng phạm vi cũng là mục tiêu quan trọng cho các hệ thống mạng LAN không dây trong tương lai.

Cho đến nay, ứng dụng thành công nhất của mạng không dây là hệ thống điện thoại di động. Gốc rễ của hệ thống này bắt đầu từ năm 1915, khi truyền tải giọng nói khơng dây giữa New York và San Francisco được thiết lập lần đầu.

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

Năm 1946, dịch vụ điện thoại di động công cộng được giới thiệu tại 25 thành phố trên khắp Hoa Kỳ. Những hệ thống ban đầu này sử dụng một bộ phát trung tâm để phủ sóng cả một khu vực đơ thị. Sự sử dụng không hiệu quả của phổ radio kết hợp với tình trạng cơng nghệ radio tại thời điểm đó đã hạn chế nghiêm trọng khả năng của hệ thống: ba mươi năm sau khi dịch vụ điện thoại di động được giới thiệu, hệ thống New York chỉ có thể hỗ trợ 543 người dùng.

Một giải pháp cho vấn đề về khả năng chứa xuất hiện trong những năm 50 và 60 khi các nhà nghiên cứu tại AT&T Bell Laboratories phát triển khái niệm điện thoại di động [4]. Hệ thống di động tận dụng việc sức mạnh của tín hiệu truyền tải giảm đi theo khoảng cách. Do đó, hai người dùng có thể hoạt động trên cùng một tần số tại các vị trí không gian riêng biệt với sự can thiệp tối thiểu giữa chúng. Điều này cho phép sử dụng phổ tần số di động rất hiệu quả để hỗ trợ một số lượng lớn người dùng. Sự tiến hóa của các hệ thống di động từ khái niệm ban đầu đến thực hiện diễn ra rất chậm. Năm 1947, AT&T yêu cầu phổ tần số cho dịch vụ di động từ FCC. Thiết kế chủ yếu đã hoàn thành vào cuối những năm 1960, cuộc thử nghiệm trường đầu tiên diễn ra vào năm 1978 và FCC cấp phép dịch vụ vào năm 1982, lúc đó nhiều cơng nghệ ban đầu đã lỗi thời. Hệ thống di động analog đầu tiên triển khai tại Chicago vào năm 1983 đã bị quá tải vào năm 1984, lúc đó FCC đã tăng phân bổ phổ tần số di động từ 40 MHz lên 50 MHz. Sự phát triển nổ của ngành công nghiệp di động đã khiến hầu hết mọi người bất ngờ. Trước thực hiện hệ thống đầu tiên, một nghiên cứu thị trường do AT&T đặt hàng đã dự đoán rằng nhu cầu về điện thoại di động sẽ giới hạn cho bác sĩ và người giàu. Thực tế, AT&T gần như bỏ dự án kinh doanh di động vào những năm 1980 để tập trung vào mạng quang, sau đó trở lại với ngành sau khi tiềm năng của nó trở nên rõ ràng. Suốt những năm 1980 cuối, khi ngày càng nhiều thành phố trở nên quá tải với nhu cầu dịch vụ di động, việc phát triển công nghệ di động kỹ thuật số để tăng khả năng chứa và hiệu suất tốt hơn trở nên cần thiết.

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

Hệ thống di động thế hệ thứ hai, được triển khai lần đầu vào đầu những năm 1990, dựa trên truyền thông kỹ thuật số. Sự chuyển từ tín hiệu analog sang kỹ thuật số được thúc đẩy bởi khả năng chứa cao hơn và chi phí, tốc độ và hiệu suất năng lượng cải thiện của phần cứng kỹ thuật số. Trong khi các hệ thống di động thế hệ thứ hai ban đầu chủ yếu cung cấp dịch vụ thoại, những hệ thống này dần dần phát triển để hỗ trợ dịch vụ dữ liệu như email, truy cập Internet và tin nhắn ngắn. Thật không may, tiềm năng thị trường lớn cho điện thoại di động đã dẫn đến sự phát triển đa dạng của các tiêu chuẩn di động thế hệ thứ hai: ba tiêu chuẩn khác nhau chỉ ở Mỹ, và các tiêu chuẩn khác ở châu Âu và Nhật Bản, tất cả khơng tương thích. Việc các thành phố khác nhau có các tiêu chuẩn khơng tương thích khác nhau khiến việc lưu thơng trong tồn nước Mỹ và trên thế giới bằng cùng một tiêu chuẩn điện thoại di động trở nên không thể. Hơn nữa, một số quốc gia đã khởi đầu dịch vụ cho hệ thống thế hệ thứ ba, cho đó cũng có nhiều tiêu chuẩn khơng tương thích. Kết quả của việc phân loại tiêu chuẩn là nhiều điện thoại di động ngày nay có khả năng đa chế độ: chúng tích hợp nhiều tiêu chuẩn kỹ thuật số để hỗ trợ lưu thơng trong tồn quốc và trên tồn thế giới, và có thể cịn có tiêu chuẩn analog thế hệ đầu tiên, vì chỉ có tiêu chuẩn này cung cấp phủ sóng tồn cầu trong toàn nước Mỹ.

Hệ thống vệ tinh thường được đặc trưng bởi độ cao của quỹ đạo vệ tinh, quỹ đạo Trái Đất thấp (LEOs ở độ cao khoảng 2000 km), quỹ đạo Trái Đất trung bình (MEOs ở độ cao khoảng 9000 km) hoặc quỹ đạo đồng trục (GEOs ở độ cao khoảng 40.000 km). Quỹ đạo đồng trục được coi là tĩnh từ Trái Đất, trong khi các vệ tinh với quỹ đạo khác có khu vực phủ sóng thay đổi theo thời gian. Khái niệm sử dụng vệ tinh đồng trục cho truyền thông lần đầu được nhà văn khoa học viễn tưởng Arthur C. Clarke đề xuất vào năm 1945. Tuy nhiên, các vệ tinh triển khai đầu tiên, Sputnik của Liên Xô vào năm 1957 và Echo-1 của NASA/Bell Laboratories vào năm 1960, không phải là vệ tinh đồng trục do khó khăn trong việc đưa vệ tinh vào quỹ đạo cao như vậy. Vệ tinh GEO đầu tiên được phóng

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

bởi Hughes và NASA vào năm 1963. Sau đó, GEOs đã chiếm ưu thế trong cả hệ thống vệ tinh thương mại và chính phủ trong vài thập kỷ.

Vệ tinh đồng trục có phạm vi phủ sóng lớn, vì vậy cần ít vệ tinh (và tiền) hơn để cung cấp phủ sóng khu vực rộng hoặc tồn cầu. Tuy nhiên, cần một lượng lớn công suất để đến được vệ tinh và độ trễ truyền tải thường quá lớn cho các ứng dụng bị ràng buộc về độ trễ như thoại. Nhược điểm này đã dẫn đến sự chuyển đổi vào những năm 1990 sang các vệ tinh quỹ đạo thấp hơn [6, 7]. Mục tiêu là cung cấp dịch vụ thoại và dữ liệu cạnh tranh với các hệ thống di động. Tuy nhiên, các thiết bị di động vệ tinh lớn hơn nhiều, tiêu thụ nhiều năng lượng hơn và có giá đắt hơn so với điện thoại di động đương đại, giới hạn sự hấp dẫn của chúng. Đặc điểm hấp dẫn nhất của các hệ thống này là phủ sóng tồn cầu phổ biến của chúng, đặc biệt là ở các khu vực hẻo lánh hoặc các quốc gia đang phát triển khơng có hạ tầng hệ thống dây đất hoặc di động. Thật không may, những nơi như vậy thường khơng có nhu cầu lớn hoặc tài nguyên để trả tiền cho dịch vụ vệ tinh. Khi các hệ thống di động trở nên phổ biến hơn, chúng đã lấy đi hầu hết doanh thu mà các hệ thống LEO có thể đã tạo ra ở các khu vực đơng dân. Với khơng cịn thị trường thực sự, hầu hết các hệ thống vệ tinh LEO đã phá sản.

Một lĩnh vực tự nhiên cho các hệ thống vệ tinh là giải trí phát sóng. Các vệ tinh truyền hình trực tiếp hoạt động ở dải tần số 12 GHz. Những hệ thống này cung cấp hàng trăm kênh truyền hình và là đối thủ chính của cáp. Radio kỹ thuật số được truyền qua vệ tinh cũng trở nên phổ biến. Những hệ thống này, hoạt động ở cả châu Âu và Hoa Kỳ, cung cấp phát sóng âm thanh kỹ thuật số với chất lượng gần như CD.

<b>1.2. Tầm nhìn khơng dây</b>

Tầm nhìn của truyền thông không dây hỗ trợ trao đổi thông tin giữa con người hoặc thiết bị là biên giới truyền thông của vài thập kỷ tới, và nhiều phần

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

của nó đã tồn tại dưới một dạng nào đó. Tầm nhìn này sẽ cho phép truyền thơng đa phương tiện từ bất kỳ nơi nào trên thế giới bằng cách sử dụng một thiết bị cầm tay nhỏ hoặc máy tính xách tay. Các mạng khơng dây sẽ kết nối máy tính cầm tay, máy tính xách tay và máy tính để bàn ở bất kỳ nơi nào trong tòa nhà văn phòng hoặc trường học, cũng như từ qn cà phê góc phố. Trong gia đình, các mạng này sẽ cho phép một loại thiết bị điện tử thông minh mới tương tác với nhau và với Internet ngồi việc cung cấp kết nối giữa máy tính, điện thoại và hệ thống an ninh/giám sát. Những ngôi nhà thơng minh như vậy cũng có thể giúp người cao tuổi và người khuyết tật với cuộc sống hỗ trợ, giám sát bệnh nhân và phản ứng khẩn cấp. Giải trí khơng dây sẽ lan tỏa trong ngơi nhà và bất kỳ nơi nào mà con người tụ tập. Hội nghị truyền hình video sẽ diễn ra giữa các tòa nhà cách nhau hàng khối hoặc hàng lục đại lục, và những cuộc họp này cũng có thể bao gồm những người du lịch, từ nhân viên bán hàng đã bỏ lỡ kết nối chuyến bay đến CEO đang đi du thuyền ở vùng biển Caribe. Video không dây sẽ cho phép các lớp học từ xa, các cơ sở đào tạo từ xa và các bệnh viện từ xa ở bất kỳ nơi nào trên thế giới. Các cảm biến khơng dây có một loạt ứng dụng thương mại và quân sự rộng lớn. Các ứng dụng thương mại bao gồm giám sát nguy cơ cháy, các khu vực chất thải nguy hiểm, căng thẳng và biến dạng trong các tòa nhà và cầu, chuyển động của carbon dioxide và sự lan truyền của hóa chất và khí tại hiện trường thảm họa. Những cảm biến không dây này tự cấu hình thành một mạng để xử lý và giải thích các đo lường cảm biến và sau đó truyền thơng tin này đến một vị trí kiểm soát tập trung. Các ứng dụng quân sự bao gồm việc xác định và theo dõi mục tiêu đối phương, phát hiện các cuộc tấn cơng hóa học và sinh học, hỗ trợ các phương tiện robot không người lái và chống khủng bố. Cuối cùng, các mạng không dây cho phép các hệ thống kiểm soát phân tán, với các thiết bị từ xa, cảm biến và bộ kích kích hoạt được kết nối thơng qua các kênh truyền thông không dây. Những mạng này cho phép các tuyến đường tự động, robot di động và tự động hóa cơng nghiệp dễ dàng cấu hình lại.

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Các ứng dụng khác nhau được mô tả ở trên đều là các thành phần của tầm nhìn khơng dây. Vậy thì, chính xác là gì là truyền thơng khơng dây? Có nhiều cách khác nhau để phân đoạn chủ đề phức tạp này thành các ứng dụng, hệ thống hoặc vùng phủ sóng khác nhau. Các ứng dụng khơng dây bao gồm thoại, truy cập Internet, duyệt web, phát sóng và tin nhắn ngắn, dịch vụ thơng tin th bao, truyền tệp, họp truyền hình video, giải trí, cảm biến và kiểm soát phân tán. Các hệ thống bao gồm hệ thống điện thoại di động, mạng LAN không dây, hệ thống dữ liệu không dây khu vực rộng, hệ thống vệ tinh và mạng không dây ad hoc. Các vùng phủ sóng bao gồm trong tịa nhà, trường học, thành phố, khu vực và toàn cầu. Câu hỏi về cách xác định truyền thông không dây qua các phân đoạn này đã dẫn đến sự phân mảnh đáng kể trong ngành công nghiệp, như thể hiện qua nhiều sản phẩm, tiêu chuẩn và dịch vụ không dây khác nhau được cung cấp hoặc đề xuất. Một trong những lý do dẫn đến sự phân mảnh này là các ứng dụng khơng dây khác nhau có các u cầu khác nhau. Hệ thống thoại có yêu cầu tốc độ dữ liệu tương đối thấp (khoảng 20 Kbps) và có thể chịu được tỷ lệ lỗi bit khá cao (tỷ lệ lỗi bit, hoặc BER, khoảng 10^−3), nhưng tổng độ trễ phải nhỏ hơn khoảng 30 msec hoặc nó trở nên đáng chú ý đối với người dùng cuối. Trong khi đó, các hệ thống dữ liệu thường yêu cầu tốc độ dữ liệu cao hơn nhiều (1-100 Mbps) và BER rất nhỏ (BER mục tiêu là 10^−8 và tất cả các bit nhận được lỗi phải được truyền lại) nhưng khơng có u cầu độ trễ cố định. Hệ thống video thời gian thực có yêu cầu tốc độ dữ liệu cao kết hợp với các ràng buộc độ trễ giống như hệ thống thoại, trong khi phát sóng và tin nhắn ngắn có yêu cầu tốc độ dữ liệu rất thấp và khơng có ràng buộc độ trễ.

Những yêu cầu đa dạng cho các ứng dụng khác nhau làm cho việc xây dựng một hệ thống không dây có thể đáp ứng hiệu quả tất cả các yêu cầu này cùng một lúc trở nên khó khăn. Các mạng có dây thường tích hợp các u cầu đa dạng của các ứng dụng khác nhau bằng một giao thức duy nhất. Sự tích hợp này địi hỏi phải đáp ứng đồng thời các yêu cầu nghiêm ngặt nhất cho tất cả các

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

ứng dụng. Mặc dù điều này có thể khả thi trên một số mạng có dây, với tốc độ dữ liệu khoảng Gbps và tỷ lệ lỗi bit (BER) khoảng 10^−12, nhưng không khả thi trên các mạng khơng dây, có tốc độ dữ liệu thấp hơn và tỷ lệ lỗi bit cao hơn. Vì những lý do này, ít nhất trong tương lai gần, các hệ thống không dây sẽ tiếp tục bị phân mảnh, với các giao thức khác nhau được tùy chỉnh để hỗ trợ yêu cầu của các ứng dụng khác nhau.

Sự tăng trưởng phi tuyến của việc sử dụng điện thoại di động và truy cập Internet không dây đã tạo ra niềm tin lớn về công nghệ khơng dây nói chung. Rõ ràng khơng phải tất cả các ứng dụng không dây sẽ phát triển. Trong khi nhiều hệ thống và công ty không dây đã đạt được thành cơng ngoạn mục, cũng có nhiều thất bại trên đường đi, bao gồm các mạng LAN không dây thế hệ đầu tiên, hệ thống vệ tinh Iridium, dịch vụ dữ liệu khu vực rộng như Metricom và truy cập không dây cố định (cáp không dây) đến nhà. Thật khơng thể dự đốn được những thất bại và thành công của công nghệ không dây nằm ở tương lai. Hơn nữa, cần phải có đủ linh hoạt và sáng tạo từ cả kỹ sư và người điều tiết để cho phép những thành cơng tình cờ xảy ra. Tuy nhiên, rõ ràng là các hệ thống không dây hiện tại và mới nổi của ngày hôm nay kết hợp với tầm nhìn về các ứng dụng mà khơng dây có thể kích hoạt đảm bảo một tương lai sáng cho công nghệ không dây.

<b>1.3. Các vấn đề kỹ thuật</b>

Phải giải quyết nhiều thách thức kỹ thuật để cho phép các ứng dụng không dây của tương lai hoạt động. Những thách thức này lan rộng qua tất cả các khía cạnh của thiết kế hệ thống. Khi các thiết bị khơng dây thêm nhiều tính năng, những thiết bị nhỏ này phải tích hợp nhiều chế độ hoạt động để hỗ trợ các ứng dụng và phương tiện truyền thơng khác nhau. Máy tính xử lý dữ liệu thoại, hình ảnh, văn bản và video, nhưng cần có những đột phá trong thiết kế mạch để triển khai cùng một chế độ đa chức năng trên một thiết bị cầm tay rẻ tiền và nhẹ.

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Vì người tiêu dùng khơng muốn pin lớn cần thường xuyên sạc lại, việc truyền và xử lý tín hiệu trong thiết bị cầm tay phải tiêu thụ ít năng lượng nhất có thể. Xử lý tín hiệu cần thiết để hỗ trợ các ứng dụng đa phương tiện và chức năng mạng có thể tiêu thụ nhiều năng lượng. Do đó, các mạng dựa trên cơ sở hạ tầng không dây, chẳng hạn như mạng LAN không dây và hệ thống di động, đặt nhiều gánh nặng xử lý lên các trang web cố định có nguồn năng lượng lớn. Những hạn chế kèm theo và điểm thất bại duy nhất rõ ràng không mong muốn cho tồn bộ hệ thống. Mạng khơng dây tự động khơng có cơ sở hạ tầng rất hấp dẫn cho nhiều ứng dụng do tính linh hoạt và độ bền của chúng. Đối với những mạng này, tất cả quá trình xử lý và kiểm sốt phải được thực hiện bởi các nút mạng theo cách phân tán, làm cho việc tiết kiệm năng lượng trở nên khó khăn. Năng lượng là một tài nguyên đặc biệt quan trọng trong các mạng mà các nút không thể sạc lại pin của họ, ví dụ như trong các ứng dụng cảm biến. Thiết kế mạng để đáp ứng yêu cầu ứng dụng dưới ràng buộc năng lượng khó khăn như vậy vẫn là một thách thức công nghệ lớn. Băng thông hữu hạn và biến động ngẫu nhiên của kênh không dây cũng địi hỏi các ứng dụng mạnh mẽ có khả năng giảm sút một cách dễ dàng khi hiệu suất mạng giảm đi.

Thiết kế mạng không dây khác biệt cơ bản so với thiết kế mạng có dây do tính chất của kênh khơng dây. Kênh này là một phương tiện truyền thơng khơng thể đốn trước và khó khăn. Trước hết, phổ radio là một tài nguyên khan hiếm phải được phân bổ cho nhiều ứng dụng và hệ thống khác nhau. Vì lý do này, phổ được kiểm soát bởi các cơ quan quy định cả vùng lẫn toàn cầu. Một hệ thống vận hành tại một dải tần số cụ thể phải tuân theo các hạn chế cho dải tần đó do cơ quan quy định tương ứng đề ra. Phổ cũng có thể rất đắt đỏ vì ở nhiều quốc gia, giấy phép phổ thường được bán đấu giá cho người đặt giá cao nhất. Tại Hoa Kỳ, các cơng ty đã chi hơn chín tỷ đô la cho giấy phép di động thế hệ thứ hai, và các cuộc đấu giá ở châu Âu cho phổ di động thế hệ thứ ba thu về khoảng 100 tỷ đô la. Phổ thu được thông qua những cuộc đấu giá này phải được sử dụng cực

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

kỳ hiệu quả để có lợi nhuận hợp lý và cũng phải được tái sử dụng nhiều lần trong cùng một khu vực địa lý, do đó địi hỏi thiết kế hệ thống di động có khả năng chứa đựng cao và hiệu suất tốt. Ở tần số xung quanh vài Gigahertz, các thành phần radio không dây với kích thước hợp lý, tiêu thụ năng lượng và chi phí có sẵn. Tuy nhiên, phổ trong khoảng tần số này rất đơng đúc. Vì vậy, những đột phá công nghệ để cho phép hệ thống tần số cao với cùng chi phí và hiệu suất sẽ giúp giảm thiểu thiếu hụt về phổ. Tuy nhiên, sự mất mát tín hiệu ở các tần số cao này lớn hơn, do đó giới hạn phạm vi, trừ khi sử dụng anten hướng.

Như một tín hiệu lan truyền qua một kênh khơng dây, nó trải qua biến động ngẫu nhiên trong thời gian nếu bộ phát, bộ thu hoặc các vật thể xung quanh đang di chuyển, do sự thay đổi của ánh sáng phản xạ và suy giảm. Do đó, đặc điểm của kênh có vẻ thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian, điều này làm cho việc thiết kế hệ thống đáng tin cậy với hiệu suất đảm bảo trở nên khó khăn. Bảo mật cũng khó khăn hơn khi triển khai trong các hệ thống không dây, vì sóng khơng khí dễ bị người nào đó có anten RF nghe trộm. Các hệ thống tương tự tế bào khơng có bảo mật, và ai cũng có thể dễ dàng nghe lén cuộc trò chuyện bằng cách quét tần số tương tự tế bào analog. Tất cả các hệ thống tương tự tế bào kỹ thuật số đều triển khai một mức độ mã hóa. Tuy nhiên, với đủ kiến thức, thời gian và quyết tâm, hầu hết các phương pháp mã hóa này có thể bị phá vỡ và thực tế đã có một số phương pháp bị xâm phạm. Để hỗ trợ các ứng dụng như thương mại điện tử và giao dịch thẻ tín dụng, mạng khơng dây phải đảm bảo an tồn trước những người nghe lén như vậy.

Mạng không dây cũng là một thách thức đáng kể. Mạng phải có khả năng xác định vị trí của người dùng cụ thể bất kể nó đang ở đâu trong hàng tỷ thiết bị di động phân tán tồn cầu. Sau đó, mạng phải định tuyến cuộc gọi đến người dùng đó khi nó di chuyển với tốc độ lên đến 100 km/h. Tài nguyên hạn chế của mạng phải được phân bổ một cách công bằng và hiệu quả đối với các yêu cầu và vị trí người dùng thay đổi. Hơn nữa, hiện nay có một hạ tầng khổng lồ của các

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

mạng có dây: hệ thống điện thoại, Internet và cáp quang, nên nên được sử dụng để kết nối các hệ thống không dây lại với nhau thành một mạng tồn cầu. Tuy nhiên, các hệ thống khơng dây với người dùng di động sẽ không bao giờ có thể cạnh tranh về tốc độ truyền dữ liệu và độ tin cậy với các hệ thống có dây. Giao tiếp giữa các mạng khơng dây và có dây với khả năng hiệu suất khác biệt rất lớn là một vấn đề khó khăn.

Có lẽ thách thức kỹ thuật quan trọng nhất trong thiết kế mạng không dây là việc cải tiến q trình thiết kế chính nó. Các mạng có dây thường được thiết kế theo phương pháp lớp, trong đó các giao thức liên quan đến các lớp khác nhau của hoạt động hệ thống được thiết kế độc lập, với các cơ chế cơ bản để giao tiếp giữa các lớp. Các lớp trong các hệ thống không dây bao gồm lớp liên kết hoặc vật lý, xử lý truyền bit qua phương tiện truyền thông, lớp truy cập, xử lý truy cập chia sẻ vào phương tiện truyền thông, lớp mạng và lớp vận chuyển, định tuyến dữ liệu qua mạng và đảm bảo kết nối từ đầu đến cuối và giao diện ứng dụng, quy định tốc độ dữ liệu từ đầu đến cuối và ràng buộc trễ liên quan đến ứng dụng. Mặc dù phương pháp lớp giảm độ phức tạp và tạo điều kiện cho tính linh hoạt và tiêu chuẩn hóa, nó cũng dẫn đến khơng hiệu quả và mất hiệu suất do thiếu tối ưu hóa thiết kế tồn cầu. Khả năng chứa lớn và độ tin cậy tốt của các mạng có dây làm cho những khơng hiệu quả này tương đối vô hại đối với nhiều ứng dụng mạng có dây, mặc dù nó khơng thể đảm bảo hiệu suất tốt cho các ứng dụng bị ràng buộc về trễ như âm thanh và video. Tình hình rất khác biệt trong mạng không dây. Các liên kết không dây có thể có hiệu suất rất kém, và hiệu suất này cùng với kết nối người dùng và thay đổi cấu trúc mạng theo thời gian. Trên thực tế, khái niệm về liên kết khơng dây có phần mơ hồ do tính chất của truyền phát và phát sóng radio. Tính động và hiệu suất kém của kênh truyền thông không dây gốc cho thấy rằng các mạng hiệu suất cao phải được tối ưu hóa cho kênh này và phải mạnh mẽ và thích nghi với biến thể của nó, cũng như với động lực của mạng. Do đó, các mạng này u cầu các giao thức tích hợp và

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

thích nghi ở tất cả các lớp, từ lớp liên kết đến lớp ứng dụng. Thiết kế giao thức chéo lớp này đòi hỏi kiến thức đa ngành về truyền thơng, xử lý tín hiệu và lý thuyết và thiết kế mạng.

Trong phần tiếp theo, chúng tơi sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về các hệ thống không dây đang hoạt động hiện nay. Sẽ rõ ràng từ cái nhìn tổng quan này rằng tầm nhìn về mạng khơng dây vẫn là mục tiêu xa vời, với nhiều thách thức kỹ thuật cần vượt qua. Những thách thức này sẽ được xem xét chi tiết trong suốt cuốn sách.

<b>1.4. Các hệ thống không dây hiện tại</b>

Phần này cung cấp một cái nhìn tổng quan về các hệ thống không dây hiện đang hoạt động. Các chi tiết thiết kế của các hệ thống này liên tục phát triển, với các hệ thống mới xuất hiện và các hệ thống cũ bị loại bỏ. Do đó, chúng tơi sẽ tập trung chủ yếu vào các khía cạnh thiết kế cấp cao của các hệ thống phổ biến nhất. Thêm thông tin về các tiêu chuẩn hệ thống khơng dây có thể được tìm thấy trong [1, 2, 3]. Một tóm tắt về các tiêu chuẩn hệ thống khơng dây chính được đưa ra trong Phụ lục D.

<b>1.4.1 Hệ thống điện thoại di động</b>

Hệ thống điện thoại di động rất phổ biến và có lợi nhuận trên toàn thế giới: đây là những hệ thống đã kích hoạt cuộc cách mạng khơng dây. Các hệ thống di động cung cấp giao tiếp hai chiều bằng giọng nói và dữ liệu với phạm vi vùng, quốc gia hoặc quốc tế. Ban đầu, các hệ thống di động được thiết kế cho các thiết bị di động trong xe với anten được gắn trên nóc xe. Ngày nay, các hệ thống này đã phát triển để hỗ trợ các thiết bị di động nhẹ cầm tay hoạt động trong và ngồi tịa nhà ở cả tốc độ đi bộ và tốc độ xe.

Tiền đề cơ bản đằng sau thiết kế hệ thống tế bào là tái sử dụng tần số, khai thác sự thật rằng công suất tín hiệu giảm theo khoảng cách để tái sử dụng phổ

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

tần số cùng tại các vị trí khơng gian khác nhau. Cụ thể, khu vực phủ sóng của một hệ thống tế bào được chia thành các ơ khơng giao nhau, trong đó một tập hợp các kênh được gán cho mỗi ô. Tập hợp kênh này cũng được sử dụng trong một ô khác cách xa, như được thể hiện trong Hình 1.1, trong đó Ci chỉ ra tập hợp kênh được sử dụng trong một ô cụ thể. Hoạt động trong một ô được kiểm soát bởi một trạm cơ sở trung tâm, như được mô tả chi tiết hơn ở dưới đây. Sự nhiễu gây ra bởi người dùng trong các ô khác nhau hoạt động trên cùng một tập hợp kênh được gọi là nhiễu giữa các ô. Sự phân tách không gian của các ô tái sử dụng cùng một tập hợp kênh, khoảng cách tái sử dụng, nên nhỏ nhất có thể để tần số được tái sử dụng càng nhiều càng tốt, từ đó tối đa hóa hiệu suất phổ. Tuy nhiên, khi khoảng cách tái sử dụng giảm, nhiễu giữa các ô tăng lên do khoảng cách truyền tải nhỏ hơn giữa các ơ gây nhiễu. Vì nhiễu giữa các ơ phải duy trì dưới ngưỡng cho hiệu suất hệ thống chấp nhận được, khoảng cách tái sử dụng không thể giảm dưới một giá trị tối thiểu nào đó. Trong thực tế, việc xác định giá trị tối thiểu này khá khó khăn vì cả tín hiệu phát và tín hiệu gây nhiễu đều trải qua biến động ngẫu nhiên do đặc tính của truyền phát tín hiệu không dây. Để xác định khoảng cách tái sử dụng tốt nhất và vị trí trạm cơ sở, cần có một đặc điểm chính xác về truyền phát tín hiệu trong các ô.

Thiết kế ban đầu của hệ thống tế bào chủ yếu được thúc đẩy bởi chi phí cao của các trạm cơ sở, khoảng một triệu đô la mỗi cái. Vì lý do này, các hệ thống tế bào ban đầu sử dụng một số lượng tương đối nhỏ các ơ để phủ sóng cho cả một thành phố hoặc khu vực. Các trạm cơ sở của ô được đặt trên các tòa nhà cao hoặc núi và phát sóng với cơng suất rất cao, với khu vực phủ sóng của ơ lên đến vài dặm vng. Những ô lớn này được gọi là ô macro. Công suất tín hiệu được phát ra đồng đều theo tất cả các hướng, vì vậy một thiết bị di động di chuyển trong một vòng tròn xung quanh trạm cơ sở sẽ có cơng suất nhận được xấp xỉ khơng đổi nếu tín hiệu khơng bị chặn bởi một vật thể suy giảm. Đường viền trịn này của cơng suất khơng đổi tạo ra hình dạng ơ lục giác cho hệ thống,

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

vì lục giác là hình dạng gần nhất với hình trịn có thể phủ một khu vực cho trước bằng nhiều ô không giao nhau.

Hệ thống tế bào trong các khu vực đô thị hiện nay chủ yếu sử dụng các ô nhỏ hơn với các trạm cơ sở gần mặt đường phát sóng với công suất thấp hơn. Những ô nhỏ này được gọi là ơ micro hoặc ơ picocell, tùy thuộc vào kích thước của chúng. Sự tiến hóa này thành các ơ nhỏ hơn đã xảy ra vì hai lý do: nhu cầu về dung lượng cao trong các khu vực có mật độ người dùng cao và kích thước và chi phí giảm của điện tử trạm cơ sở. Một ơ bất kỳ có thể hỗ trợ số lượng người dùng xấp xỉ như nhau nếu hệ thống được tỷ lệ tương ứng. Do đó, đối với một khu vực phủ sóng cho trước, hệ thống có nhiều ơ micro sẽ có số lượng người dùng cao hơn trên mỗi đơn vị diện tích so với hệ thống chỉ có một số ơ macro. Ngồi ra, cần ít cơng suất hơn tại các thiết bị di động trong các hệ thống ô micro, vì các thiết bị di động gần trạm cơ sở hơn. Tuy nhiên, sự tiến hóa thành các ô nhỏ hơn đã làm phức tạp hóa thiết kế mạng. Các thiết bị di động di chuyển qua một ô nhỏ nhanh hơn so với một ô lớn, do đó việc chuyển giao phải được xử lý nhanh hơn. Ngồi ra, quản lý vị trí trở nên phức tạp hơn, vì có nhiều ơ trong một khu vực cho trước mà một thiết bị di động có thể nằm ở đó. Cũng khó khăn hơn để phát triển các mơ hình truyền phát tổng qt cho các ơ nhỏ, vì truyền phát tín hiệu trong các ơ này phụ thuộc nhiều vào vị trí đặt trạm cơ sở và hình học của các bộ phản xạ xung quanh. Đặc biệt, hình dạng ơ lục giác thường khơng phải là một xấp xỉ tốt cho truyền phát tín hiệu trong các ô micro. Các hệ thống ô micro thường được thiết kế bằng các hình dạng ơ vng hoặc tam giác, nhưng những hình dạng này có sai số lớn trong xấp xỉ truyền phát tín hiệu ơ micro [9].

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

<small>Hình 1.1: Hệ thống di động</small>

Tất cả các trạm cơ sở trong một khu vực địa lý cho trước được kết nối thông qua một liên kết truyền thơng tốc độ cao đến một văn phịng chuyển mạch điện thoại di động (MTSO), như được hiển thị trong Hình 1.2. MTSO hoạt động như một bộ điều khiển trung tâm cho mạng, phân bổ các kênh trong mỗi ô, phối hợp việc chuyển giao giữa các ô khi một thiết bị di động đi qua ranh giới của ô và định tuyến cuộc gọi đến và từ người dùng di động. MTSO có thể định tuyến cuộc gọi thoại qua mạng điện thoại công cộng (PSTN) hoặc cung cấp truy cập Internet. Người dùng mới nằm trong một ô cho trước yêu cầu một kênh bằng cách gửi yêu cầu cuộc gọi đến trạm cơ sở của ô qua một kênh kiểm soát riêng biệt. Yêu cầu được truyền đến MTSO, nơi chấp nhận yêu cầu cuộc gọi nếu có một kênh có sẵn trong ơ đó. Nếu khơng có kênh nào có sẵn, u cầu cuộc gọi sẽ bị từ chối. Cuộc gọi chuyển giao được khởi đầu khi trạm cơ sở hoặc thiết bị di động trong một ô cho trước phát hiện rằng công suất tín hiệu nhận được cho cuộc gọi đó đang tiến gần đến ngưỡng tối thiểu cho phép. Trong trường hợp này, trạm cơ sở thông báo cho MTSO biết thiết bị di động cần chuyển giao, và MTSO sau đó truy vấn các trạm cơ sở xung quanh để xác định liệu một trong những trạm này có thể phát hiện tín hiệu của thiết bị di động đó hay khơng. Nếu có, MTSO phối hợp việc chuyển giao giữa trạm cơ sở ban đầu và trạm cơ sở mới. Nếu khơng có kênh nào có sẵn trong ơ có trạm cơ sở mới, thì việc chuyển

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

giao sẽ thất bại và cuộc gọi sẽ bị chấm dứt. Cuộc gọi cũng sẽ bị thả nếu cường độ tín hiệu giữa thiết bị di động và trạm cơ sở của nó giảm xuống dưới ngưỡng tối thiểu cần thiết cho việc truyền thơng do biến động tín hiệu ngẫu nhiên.

Hệ thống tế bào thế hệ đầu tiên sử dụng truyền thông tương tự, vì chúng được thiết kế chủ yếu vào những năm 1960, trước khi truyền thông kỹ thuật số trở nên phổ biến. Hệ thống thế hệ thứ hai chuyển từ tương tự sang kỹ thuật số do nhiều lợi ích của nó. Các thành phần rẻ hơn, nhanh hơn, nhỏ hơn và u cầu ít cơng suất hơn. Chất lượng thoại được cải thiện nhờ mã hóa sửa lỗi. Hệ thống kỹ thuật số cũng có dung lượng cao hơn so với hệ thống tương tự, vì chúng có thể sử dụng phương pháp điều chế kỹ thuật số hiệu quả về tần số và kỹ thuật chia sẻ phổ tần số tế bào. Chúng cũng có thể tận dụng các kỹ thuật nén tiên tiến và yếu tố hoạt động thoại. Ngồi ra, kỹ thuật mã hóa có thể được sử dụng để bảo mật tín hiệu kỹ thuật số khỏi việc nghe trộm. Hệ thống kỹ thuật số cũng có thể cung cấp dịch vụ dữ liệu ngoài thoại, bao gồm tin nhắn ngắn, email, truy cập Internet và khả năng chụp ảnh (điện thoại có camera). Do chi phí thấp hơn và hiệu suất cao hơn, các nhà cung cấp dịch vụ đã sử dụng chiến thuật giá cả quyết liệt để khuyến khích người dùng chuyển từ hệ thống tương tự sang hệ thống kỹ thuật số, và ngày nay hệ thống tương tự chủ yếu được sử dụng ở các khu vực không có dịch vụ kỹ thuật số. Tuy nhiên, hệ thống kỹ thuật số không luôn hoạt động tốt như hệ thống tương tự. Người dùng có thể trải qua chất lượng thoại kém, thường xuyên bị gọi bị ngắt và phạm vi phủ sóng khơng đều ở một số khu vực. Hiệu suất hệ thống đã chắc chắn được cải thiện khi công nghệ và mạng phát triển. Ở một số khu vực, điện thoại di động cung cấp gần như chất lượng tương tự như dịch vụ dây đất. Thậm chí, một số người đã thay dịch vụ điện thoại dây trong nhà bằng dịch vụ di động.

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

<small>Hình 1.2 Kiến trúc mạng di động hiện tại</small>

Chia sẻ phổ trong các hệ thống truyền thơng, cịn được gọi là truy cập đa dạng, được thực hiện bằng cách chia các chiều tín hiệu theo trục thời gian, tần số và/hoặc mã. Trong truy cập đa dạng theo tần số (FDMA), tổng băng thông hệ thống được chia thành các kênh tần số chéo. Trong truy cập đa dạng theo thời gian (TDMA), thời gian được chia chéo và mỗi kênh chiếm toàn bộ dải tần số trong khoảng thời gian được gán. TDMA khó thực hiện hơn so với FDMA vì người dùng phải đồng bộ thời gian. Tuy nhiên, TDMA dễ dàng hơn để điều chỉnh nhiều tốc độ dữ liệu với TDMA vì nhiều khung thời gian có thể được gán cho một người dùng cụ thể. Truy cập đa dạng theo mã (CDMA) thường được thực hiện bằng cách sử dụng phổ trải phát trực tiếp hoặc phổ trải nhảy tần số với mã trực giao hoặc không trực giao. Trong phổ trải trực tiếp, mỗi người dùng điều chế chuỗi dữ liệu của mình bằng một chuỗi chip khác nhau, nhanh hơn nhiều so với chuỗi dữ liệu. Trong miền tần số, tín hiệu dữ liệu hẹp băng được tích chập với tín hiệu chip rộng băng, tạo ra tín hiệu có băng thơng rộng hơn nhiều so với tín hiệu dữ liệu ban đầu. Trong truyền phổ trải nhảy tần số, tần số mang của tín hiệu dữ liệu hẹp băng được biến đổi bằng một chuỗi chip có thể nhanh hơn hoặc chậm hơn so với chuỗi dữ liệu. Điều này dẫn đến tín hiệu điều chế nhảy qua các tần số mang khác nhau. Thơng thường, tín hiệu trải phổ trùng lắp lên nhau trong cùng một băng thông tín hiệu. Một bộ thu trải phổ trải ra từng tín hiệu riêng biệt bằng cách giải mã riêng từng chuỗi trải phổ. Tuy nhiên, đối

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

với mã không trực giao, người dùng trong cùng một ô gây nhiễu cho nhau (nhiễu trong ô) và mã được tái sử dụng trong các ô khác gây nhiễu giữa các ô. Cả nhiễu trong ô và nhiễu giữa các ô được giảm bớt bởi lợi tức trải phổ của mã. Hơn nữa, nhiễu trong các hệ thống trải phổ có thể được giảm bớt thông qua phát hiện đa người dùng và hủy nhiễu. Thêm chi tiết về các kỹ thuật khác nhau cho việc chia sẻ phổ và phân tích hiệu suất của chúng sẽ được trình bày trong các Chương 13-14. Các sự cân nhắc thiết kế liên quan đến việc chia sẻ phổ rất phức tạp và quyết định về kỹ thuật nào phù hợp nhất cho một hệ thống cụ thể và môi trường hoạt động không bao giờ đơn giản.

Các thiết kế hệ thống tế bào hiệu quả bị giới hạn bởi nhiễu, tức là nhiễu chiếm ưu thế so với ngưỡng tiếng ồn, vì nếu khơng, có thể thêm nhiều người dùng vào hệ thống. Do đó, bất kỳ kỹ thuật nào để giảm nhiễu trong các hệ thống tế bào đều dẫn trực tiếp đến việc tăng khả năng và hiệu suất của hệ thống. Một số phương pháp giảm nhiễu được sử dụng hiện nay hoặc được đề xuất cho các hệ thống tương lai bao gồm phân khu ô, ăng-ten hướng và thông minh, phát hiện đa người dùng và phân bổ tài nguyên động. Chi tiết về các kỹ thuật này sẽ được trình bày trong Chương 15.

Hệ thống tế bào thế hệ đầu tiên (1G) tại Hoa Kỳ, được gọi là Dịch vụ Điện thoại Di động Tiên tiến (AMPS), sử dụng FDMA với các kênh thoại được điều chế FM 30 KHz. Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC) ban đầu cấp 40 MHz phổ cho hệ thống này, sau đó tăng lên 50 MHz ngay sau khi dịch vụ được giới thiệu để hỗ trợ nhiều người dùng hơn. Băng thông tổng cộng này được chia thành hai dải 25 MHz, một dải cho các kênh từ di động đến trạm cơ sở và dải khác cho các kênh từ trạm cơ sở đến di động. FCC chia các kênh này thành hai tập được gán cho hai nhà cung cấp dịch vụ khác nhau trong mỗi thành phố để khuyến khích cạnh tranh. Một hệ thống tương tự, Hệ thống Truyền thơng Tồn diện Châu Âu (ETACS), đã xuất hiện ở Châu Âu. AMPS đã triển khai trên toàn

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

thế giới vào những năm 1980 và vẫn là dịch vụ tế bào duy nhất ở một số khu vực này, bao gồm một số khu vực nông thôn của Hoa Kỳ.

Nhiều hệ thống tế bào thế hệ đầu tiên (1G) tại Châu Âu khơng tương thích với nhau, và người châu Âu nhanh chóng hội tụ vào một tiêu chuẩn đồng nhất cho hệ thống số hóa thế hệ thứ hai (2G) được gọi là GSM 1. Tiêu chuẩn GSM sử dụng sự kết hợp của TDMA và phương pháp nhảy tần số chậm với modulation theo phương pháp dịch chuyển tần số cho âm thanh. Ngược lại, hoạt động tiêu chuẩn liên quan đến thế hệ thứ hai của hệ thống tế bào số ở Hoa Kỳ đã gây ra một cuộc tranh luận dữ dội về các kỹ thuật chia sẻ phổ, dẫn đến việc xuất hiện nhiều tiêu chuẩn khơng tương thích [10, 11, 12]. Đặc biệt, có hai tiêu chuẩn trong dải tần số tế bào 900 MHz: IS-54, sử dụng sự kết hợp của TDMA và FDMA và modulation theo phương pháp dịch chuyển pha, và IS-95, sử dụng CDMA trực tiếp với modulation và mã hóa nhị phân [13, 14]. Phổ cho tế bào số ở dải tần số 2 GHz PCS đã được đấu giá, vì vậy các nhà cung cấp dịch vụ có thể sử dụng một tiêu chuẩn hiện có hoặc phát triển các hệ thống độc quyền cho phổ đã mua. Kết quả cuối cùng là ba tiêu chuẩn tế bào số khác nhau cho dải tần số này: IS-136 (cơ bản giống IS-54 ở tần số cao hơn), IS-95 và tiêu chuẩn GSM châu Âu. Tiêu chuẩn tế bào số ở Nhật Bản tương tự IS-54 và IS-136 nhưng ở dải tần số khác, và hệ thống GSM ở châu Âu ở tần số khác so với hệ thống GSM ở Hoa Kỳ. Sự phát triển khơng tương thích của các tiêu chuẩn này ở Hoa Kỳ và trên toàn cầu khiến việc lưu diễn giữa các hệ thống trên toàn quốc hoặc toàn cầu trở nên không thể thiếu một điện thoại đa chế độ và/hoặc nhiều điện thoại (và số điện thoại).

Tất cả các tiêu chuẩn tế bào số thế hệ thứ hai (2G) đã được cải thiện để hỗ trợ dịch vụ dữ liệu gói tốc độ cao 1. Hệ thống GSM cung cấp tốc độ dữ liệu lên đến 100 Kbps bằng cách tổng hợp tất cả các khung thời gian lại cho một người dùng duy nhất. Cải tiến này được gọi là GPRS. Một cải tiến cơ bản hơn, Dịch vụ Dữ liệu Nâng cao cho Tiến hóa GSM (EDGE), tăng thêm tốc độ dữ liệu bằng

</div>