CÁC CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG SAU 3G

Các công nghệ di động Sau 3G 1
Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1
Lời nói đầu



Trong những năm gần đây, các mạng thoại tổ ong (cellular telephone network
1
, 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 3G
2
, 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”.
Các công nghệ di động Sau 3G 2
Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1
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.





Phạm Hoàng Dũng.
Các công nghệ di động Sau 3G 3
Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1
Chương 1:
Sự phát triển từ 2G qua 3G lên 4G




Trong 15 năm vừa qua, truyền thông qua đường dây cố định và không dây cũng như Internet
đã phát triển có thể nói là rất nhanh nhưng cũng có thể nói là rất chậm, tùy theo người ta quan sát
lĩnh vực này như thế nào. Để đánh giá khái quát về những sự phát triển cho đến hiện tại và trong
tương lai trong lĩnh vực này, chương này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về những sự kiện
chính đã giúp định hình ba lĩnh vực truyền thông này trong một thập kỷ rưỡi vừa qua. Tuy phần
lớn những sự phát triển mô tả dưới đây đã diễn ra ở những nước công nghệ cao nhất, nhưng
những yếu tố địa phương và chính sách điều chỉnh của mỗi quốc gia đã làm giảm đi hay tăng lên
tốc độ xảy ra các sự kiện ấy. Vì vậy, khoảng thời gian đó có thể được phân chia thành một số
giai đoạn, và những mốc thời gian cụ thể sẽ được cung cấp tùy theo mỗi quốc gia được xét.
1.1. Nửa đầu thập kỷ 1990: Viễn thông chủ yếu là thoại
Mười lăm năm trước, vào năm 1993, việc truy cập Internet chưa phổ biến rộng khắp, và hầu
hết những người dùng nó đều đang nghiên cứu hoặc làm việc tại các trường đại học hay trong
một vài công ty chọn lọc trong ngành IT. Vào lúc đó, toàn bộ các trường đại học được nối kết
với Internet ở một tốc độ truyền là 9.6 Kbit/s. Nhiều người trong số họ có máy tính tại nhà riêng,
nhưng việc quay số nối vào mạng của nhà trường chưa được áp dụng rộng rãi. Các mạng diễn
đàn chuyên đề (bulletin board) chẳng hạn như Fidonet
3
đã được sử dụng rộng rãi bởi lượng
người dùng ít ỏi “online” được vào lúc đó.
Vì thế, có thể nói rằng viễn thông 15 năm trước chủ yếu chỉ là thoại, xét theo quan điểm thị
trường đại chúng. Một tạp chí trực tuyến về viễn thông đã cung cấp một số hình ảnh thú vị về giá
cả dịch vụ viễn thông vào lúc đó, khi các công ty viễn thông độc quyền vẫn còn hiện diện ở hầu
hết các nước châu Âu. Ví dụ, một cuộc gọi “đường dài nội địa” 10 phút ở Đức trong giờ làm
việc, bị tính tiền là 3,25 Euro (nhưng vẫn còn rẻ hơn so với giá cả thoại đường dài ở Việt Nam
vào lúc đó).
Về phía truyền thông không dây, các mạng tương tự thế hệ đầu lúc đó đã có mặt được vài
năm rồi, nhưng chi phí sử dụng chúng đắt hơn nhiều, và các thiết bị di động kềnh càng và có giá
không với tới nổi, trừ các nhà doanh nghiệp. Vào năm 1992, các mạng GSM đầu tiên đã được
triển khai ở một số nước châu Âu, nhưng chỉ một số ít người chú ý đến các mạng này.
1.2. Từ 1995 đến 2000: sự cất cánh của viễn thông di động và
Internet
Khoảng năm 1998, các công ty viễn thông độc quyền đã cáo chung ở nhiều nước châu Âu.
Lúc đó, nhiều nhà cung cấp dịch vụ vốn đã chuẩn bị từ trước cho sự kiện này nhanh chóng nhảy

3
FidoNet (www.fidonet.org) là một mạng máy tính toàn cầu, được dùng để liên lạc giữa các hệ thống diễn
đàn chuyên đề (bulletin board system _ BBS) bằng các giao thức FTP và Telnet. Nó được nhiều người biết đến nhất
vào đầu những năm 1990, trước khi xuất hiện những khả năng truy cập dễ dàng và phải chăng vào Internet. Mạng
này đến nay vẫn tiếp tục hoạt động, nhưng đã thu hẹp lại khá nhiều, chủ yếu là do sự đóng cửa của nhiều BBS.
Các công nghệ di động Sau 3G 4
Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1
vào thay thế, và giá cả đã hạ xuống nhanh chóng trong vài tuần lễ và vài tháng đầu sau khi qui
định mới (bãi bỏ viễn thông độc quyền) có hiệu lực. Kết quả là, giá cả của cuộc gọi đường dài
nội địa 10 phút nhanh chóng rơi xuống chỉ còn một phần nhỏ của giá lúc đầu. Xu hướng này đến
nay vẫn tiếp tục, và chi phí một cuộc gọi như thế hiện nay chỉ khoảng vài xu ở Mỹ. Hơn nữa,
những cuộc gọi đường dài liên quốc gia ở châu Âu và thậm chí liên lục địa đến nhiều nước, như
Mỹ và những nước công nghiệp hóa khác chẳng hạn, cũng được tính với giá tương tự.
Cũng khoảng thời điểm đó, ngành viễn thông đã đạt đến một cột mốc quan trọng. Khoảng 5
năm sau khi các mạng di động GSM đầu tiên được triển khai, bảng giá các cuộc gọi điện thoại di
động cũng như giá cả điện thoại di động đã đạt đến một mức khuyến khích được sự chấp nhận
rộng rãi của thị trường đại chúng. Trong khi vào những năm đầu của GSM, việc sử dụng điện
thoại di động đã được coi là xa xỉ và chủ yếu chỉ phục vụ nhu cầu làm ăn của các doanh nhân, thì
vào cuối thập kỷ đó, việc chấp nhận của đại chúng đã tăng lên đến chóng mặt, và điện thoại di
động đã nhanh chóng biến đổi từ một thiết bị giá cao dành cho doanh nhân thành một công cụ
truyền thông không thể thiếu được đối với phần lớn người dân ở các nước tiên tiến.
Công nghệ truyền tín hiệu số trên đường dây cố định cũng đã phát triển ở một mức độ nhất
định trong khoảng thời gian này, và các modem với tốc độ 30–56 Kbit/s đã dần dần được chấp
nhận bởi các sinh viên và những người dùng máy tính khác để truy cập Internet thông qua trường
đại học hoặc thông qua các nhà cung cấp dịch vụ quay số Internet tư nhân. Khoảng thời điểm
này, truyền thông dựa trên văn bản cũng bắt đầu phát triển, và các trình duyệt Web đua nhau
xuất hiện, có thể hiển thị được các trang Web với nội dung đồ họa. Ngoài ra, e-mail cũng đã vượt
qua cái mục tiêu giáo dục ban đầu của nó. Nội dung trên Internet vào lúc đó chủ yếu được công
bố bởi những hãng thông tấn lớn và các tổ chức IT, và rất giống một mô hình phân phối từ trên
xuống (top-down), trong đó người dùng chủ yếu là người tiêu thụ chứ không phải người cung
cấp thông tin. Ngày nay, mô hình này được gọi là Web 1.0.
Tuy các cuộc thoại qua các mạng di động đã nhanh chóng thành công, song truy cập Internet
di động lúc ấy vẫn đang là những bước đi chập chững. Lúc đó, các mạng GSM chỉ cho phép
truyền dữ liệu với tốc độ từ 9.6 đến 14.4 Kbit/s qua các đường nối kết chuyển kênh. Tuy nhiên
khi ấy chỉ có một số ít người sử dụng dữ liệu di động, chủ yếu là do chi phí cao và thiếu thốn các
ứng dụng và thiết bị. Tuy vậy, cuối thập kỷ đó người ta đã thấy những ứng dụng truyền dữ liệu
di động đầu tiên, chẳng hạn như các trình duyệt Web và email di động trên các thiết bị như PDA
(Personal Digital Assistants) chẳng hạn, vốn có thể truyền thông tin qua lại với các điện thoại di
động thông qua các cổng hồng ngoại.
1.3. Từ 2000 đến 2005: Dot Com suy sụp, xuất hiện Web 2.0
và Mobile Internet
Sự phát triển vẫn tiếp tục và thậm chí còn tăng tốc trong cả ba lĩnh vực truyền thông này, bất
chấp sự suy sụp Dot Com (tức các trang Web) vào năm 2001, vốn đã làm cho cả hai ngành công
nghiệp viễn thông và Internet rơi vào một giai đoạn suy thoái trong vài năm. Mặc cho thời kỳ
đình đốn này, đã có nhiều bước phát triển quan trọng mới xảy ra trong thời gian này.
Một trong những bước đột phá chính trong thời gian này là sự trỗi dậy mạnh mẽ của truy cập
Internet thông qua DSL và các modem truyền hình cáp. Những kiểu truy cập này đã nhanh
chóng thay thế các đường nối kết bằng modem quay số bởi vì chúng trở nên có giá cả phải chăng
và cung cấp những tốc độ kết nối 1 MBit/s và cao hơn. So sánh với những đường nối kết bằng
modem quay số 56 Kbit/s, thời gian tải xuống các trang Web có nội dung đồ họa và các file lớn
đã được cải thiện rất nhiều. Vào cuối thời kỳ này, đa số người dùng ở nhiều quốc gia đã có được
khả năng truy cập Internet băng rộng, cho phép họ xem được các trang Web phức tạp hơn thế
nhiều. Ngoài ra, những dạng truyền thông mới như Blog và Wiki đã xuất hiện, nhanh chóng cách
mạng hóa sự mất cân bằng giữa người tạo và người tiêu thụ nội dung. Đột nhiên, người dùng
Các công nghệ di động Sau 3G 5
Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1
không còn chỉ là người tiêu thụ nội dung nữa mà đồng thời cũng là người tạo ra nội dung cho
toàn thế giới thưởng thức. Đây là một trong những đặc điểm chính của cái được gọi với tính chất
đại chúng là Web 2.0.
Trong thế giới truyền thoại đường dây cố định, giá cả cho các cuộc gọi quốc nội và quốc tế
tiếp tục sụt giảm. Vào cuối khoảng thời gian này, đã có những nỗ lực đầu tiên sử dụng Internet
để truyền đi các cuộc thoại. Những người đầu tiên chấp nhận hình thức này đã khám phá ra công
dụng của Internet telephony và thực hiện những cuộc gọi điện thoại qua Internet thông qua các
đường kết nối DSL hoặc modem cáp của họ. Những chương trình độc quyền như Skype đột
nhiên cho phép người dùng gọi cho bất kỳ thuê bao Skype nào trên thế giới miễn phí, với chất
lượng thoại cực tốt trong nhiều trường hợp. Tuy nhiên, đối với chuyện này thì “miễn phí” là một
khái niệm tương đối thôi, bởi vì cả hai bên tham gia cuộc gọi đều phải trả tiền truy cập Internet,
nên các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông vẫn hưởng lợi từ những cuộc gọi này nhờ cước phí
hàng tháng cho các mối nối kết DSL và modem cáp. Thêm vào đó, nhiều công ty mới thành lập
đã bắt đầu cung cấp dịch vụ thoại tương tự cho các hãng chuyển đổi dữ liệu thoại qua giao thức
IP bằng cách sử dụng giao thức SIP (Session Initiation Protocol) đã chuẩn hóa để truyền tải các
cuộc thoại qua Internet. Các thiết bị media gateway bảo đảm rằng những thuê bao như vậy có thể
liên lạc với nhau qua các số điện thoại bằng đường dây cố định thông thường, và có thể gọi đến
bất kỳ điện thoại tương tự nào trên thế giới. Những hình thức truyền thông đường dài mới nổi
này cũng khiến Internet được sử dụng một cách tích cực để truyền đi những cuộc thoại quốc tế,
và vì thế đã giúp cho chi phí thoại thấp hơn.
Năm 2001, dịch vụ GPRS (General Packet Radio Service) đã lần đầu tiên được đưa vào các
mạng GSM công cộng. Khi những điện thoại di động có khả năng GPRS đầu tiên nhanh chóng
xuất hiện sau đó, việc truy cập Internet di động đã trở nên khả thi trong thực tế đối với đông đảo
người dùng hơn. Trước đó, truy cập Internet di động chỉ có thể thực hiện được thông qua những
cuộc gọi dữ liệu chuyển kênh. Tuy nhiên, tốc độ truyền dữ liệu, thời gian thiết lập cuộc gọi, và
việc nhất thiết phải duy trì kênh truyền ngay cả trong những quãng thời gian không tích cực cũng
không thích hợp cho hầu hết các ứng dụng Internet. Những vấn đề này, cùng với những màn
hình hiển thị nhỏ và đơn sắc của các điện thoại di động và phần mềm di động trong thời kỳ “thơ
ấu” này của nó khiến cho những dịch vụ Internet không dây lúc đầu (WAP 1.0) chưa bao giờ trở
nên phổ biến. Đến năm 2005, các thiết bị đã “trưởng thành” hơn, những màn hình màu độ phân
giải cao đã được đưa vào các điện thoại di động tầm trung, và các trình duyệt Web di động WAP
2.0 cùng các chương trình khách e-mail di động dễ dùng kết hợp với GPRS thành một tầng vận
chuyển chuyển gói, cuối cùng đã cho phép truy cập Internet di động đi vào thị trường đại chúng.
Nhưng cho dù có những tiến bộ này, thì những mức giá và cuộc đấu tranh giữa những khu vực
truy cập mở và đóng (lát nữa sẽ bàn kỹ hơn) đã làm giảm đáng kể sự phát triển Internet di động.
Từ đây về sau, trong tài liệu này chúng tôi sẽ dùng các thuật ngữ “truy cập di động vào
Internet” và “truy cập Internet di động” thay vì thuật ngữ “Internet di động”. Đó là vì thuật ngữ
sau khiến người đọc lầm tưởng rằng có thể có một sự phân biệt giữa “Internet đường dây cố
định” và “Internet di động”. Tuy đúng là một số dịch vụ được “cắt may” riêng để dùng trên các
thiết bị điện thoại di động, thậm chí còn hưởng lợi từ và tận dụng tính di động của người dùng,
nhưng xu hướng chung là ngày càng có nhiều ứng dụng, dịch vụ, và nội dung được cung cấp và
hữu ích cho cả các thiết bị di động nhỏ nhắn lẫn các thiết bị cầm tay lớn hơn hoặc cố định.
Một cột mốc quan trọng nữa đối với truy cập Internet không dây trong khoảng thời gian này
là, các mạng 3G đã bắt đầu được đưa vào hoạt động ở nhiều nước vào các năm 2004 và 2005.
Trong khi GPRS có tốc độ truyền gần với modem quay số, thì UMTS đã nâng tốc độ truyền dữ
liệu lên đến 384 Kbit/s trong thực tế, và sử dụng chúng có vẻ cũng nhanh như sử dụng DSL vậy.
Nhưng chế độ giá cả của các nhà cung cấp dịch vụ mạng cũng làm cho sự chấp nhận rộng rãi 3G
phải chậm lại vài năm.
Các công nghệ di động Sau 3G 6
Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1
1.4. Từ 2005 đến nay: thoại di động phủ sóng toàn cầu, VoIP
và Mobile Broadband bắt đầu phổ biến
Từ 2005 đến nay, tỉ lệ dân chúng ở các nước công nghiệp hóa truy cập Internet thông qua các
đường nối kết băng rộng DSL hoặc cáp đã tiếp tục gia tăng. Ngoài ra, nhiều nhà cung cấp dịch
vụ mạng đã bắt đầu triển khai ADSL2+, và các modem mới cho phép tốc độ tải xuống vượt quá
15 Mbit/s đối với những người dùng sống gần các tổng đài. Những đường VDSL và cáp quang
triển khai đến trạm phân phối hoặc đến tận nhà thuê bao còn cung cấp những tốc độ truyền lớn
hơn nữa. Kể từ năm 2005, một hướng phát triển khác ngày càng gia tăng là Voice over IP (VoIP)
thông qua một cổng điện thoại trên router DSL hoặc modem cáp. Điều này đang làm cho mạng
điện thoại tương tự truyền thống đi đến chỗ cáo chung, và các nhà cung cấp dịch vụ thoại đường
dây cố định nhìn thấy lượng khách hàng của họ ngày cảng sụt giảm.
Vào đầu năm 2009 này, lượng người dùng điện thoại di động trên toàn thế giới đã đạt đến 3 tỉ.
Thế có nghĩa là gần như cứ hai người trên địa cầu thì có một người sở hữu một điện thoại di
động, một mức phát triển mà năm năm trước hiếm có ai tiên đoán được. Năm 2007, các nhà cung
cấp dịch vụ mạng đã đăng ký mỗi phút 1000 thuê bao mới. Phần lớn sự tăng trưởng này là nhờ
sự triển khai các mạng GSM/GPRS 2G và 2.5G ở các thị trường đang nổi lên. Do sự cạnh tranh
toàn cầu giữa các nhà cung cấp, các thành phần thiết bị mạng cũng hạ đến mức có thể triển khai
được các mạng không dây ở những nước có mức thu nhập trên đầu người rất thấp. Một yếu tố
quan trọng khác đóng góp vào sự tăng trưởng chóng mặt này là sự xuất hiện ngày càng nhiều các
điện thoại di động GSM giá cực rẻ, không đến 50 USD. Chỉ trong vài năm, các mạng di động đã
thay đổi hình thức hoạt động và truy cập thông tin cho những những chủ doanh nghiệp nhỏ như
tài xế tắc-xi và người buôn bán nhỏ ở các thị mới nổi. Các mạng GSM giờ đây có mặt ở hầu hết
mọi nơi trên thế giới.
Ở các nước công nghiệp hóa, các mạng 3G tiếp tục phát triển, và năm 2006 chứng kiến những
cuộc nâng cấp mạng đầu tiên từ UMTS lên HSDPA (High Speed Data Packet Access). Thời gian
đầu, điều này cho phép nâng tốc độ truyền dữ liệu của người dùng lên đến mức từ 1 đến 3
Mbit/s. Với các thiết bị đầu cuối di động cao cấp, tốc độ chắc chắn còn cao hơn nữa. Hiện nay,
những tốc độ truyền cao như vậy chủ yếu chỉ có ích khi phối hợp với các máy tính xách tay cung
cấp Internet băng rộng cho người dùng hầu như ở mọi nơi, nhưng sau này chắc chắn HSDPA
cũng sẽ rất có ích cho những ứng dụng di động một khi việc tải xuống các file ghi âm bài thuyết
trình (podcast), âm nhạc và phim ảnh trên các thiết bị di động trở thành nhu cầu phổ biến của
quần chúng.










Hình 1.1: Tỉ lệ doanh thu truyền dữ liệu di động của vài hãng dịch vụ viễn thông năm 2007.
Các công nghệ di động Sau 3G 7
Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1
Tuy các mạng 3G đã xuất hiện vài năm rồi, việc người dùng chấp nhận chúng vẫn còn chậm
chạp cho tới khoảng 2006/2007, khi các nhà cung cấp dịch vụ mạng di động cuối cùng mới đưa
ra những bảng giá hấp dẫn. Giá hạ xuống 40 đến 50 Euro hoặc thấp hơn cho phí thuê bao truy
cập Internet băng rộng không dây và dung lượng tải hàng tháng khoảng chừng 5 GBytes. Như
thế là quá đủ cho mọi thứ ngoại trừ chia sẻ file qua mạng và truyền tải phim ảnh số lượng lớn.
Các nhà cung cấp cũng bắt đầu đưa ra những gói thuê bao nhỏ hơn trong phạm vi từ 6 đến 15
Euro một tháng nếu người dùng thỉnh thoảng mới truy cập Internet bằng máy tính xách tay. Hiện
nay đã có hãng cung cấp những gói với giá tương tự như vậy cho thuê bao duyệt Web và email
không giới hạn trên điện thoại di động. Giá cả và mức độ sẵn dùng 3G hiện nay vẫn khác biệt tùy
theo quốc gia. Vào năm 2006, doanh thu truyền dữ liệu di động riêng ở Mỹ đã đạt đến 15,7 tỉ đô
la, trong số đó 50 đến 60 phần trăm là doanh thu từ các dịch vụ cao hơn SMS. Ở một số nước,
doanh thu truyền dữ liệu di động giờ đây chiếm khoảng 20 đến 30 phần trăm tổng doanh thu của
nhà cung cấp dịch vụ viễn thông (xem Hình 1.1).
Trong khi việc roaming dữ liệu không dây vẫn còn đang dọ dẫm những bước đầu tiên, thì ở
nhiều nước khả năng truy cập Internet không dây thông qua các SIM card trả trước đã được cung
cấp ở những mức giá tương đương với giá dành cho thuê bao trả sau. Đây đúng là một bước tiến
quan trọng khác, bởi vì nó mở ra cánh cửa truy cập Internet bất kỳ lúc nào và bất kỳ đâu cho
những người dùng sáng tạo chẳng hạn như sinh viên, loại người thích dùng SIM trả trước hơn là
trả sau hàng tháng. Ngoài ra, nó khiến những người thường xuyên đi công tác xa thấy thuận tiện
hơn (những người này trước đây không có khả năng truy cập Internet trên đường đi trừ khi ở các
hotspot không dây tại các sân bay và khách sạn).
1.5. Tương lai – Nhu cầu đối với các hệ thống Sau 3G
Khi nhìn vào tương lai, câu hỏi chính đặt ra cho các nhà cung cấp dịch vụ và cung cấp thiết bị
mạng là khi nào và tại sao người dùng cần đến các mạng không dây Sau 3G (Beyond 3G, viết tắt
là B3G). Mười mấy năm trước, điện thoại là ứng dụng đầu tiên được di động hóa. Vài năm sau
đó thì SMS (Short Message Service) trở thành ứng dụng truyền dữ liệu di động đầu tiên vào
được thị trường đại chúng. Đến nay thì những mạng điện thoại di động đơn giản nhất cũng có
khả năng truyền SMS do bởi yêu cầu thấp về băng thông của nó. Có thể xem SMS chính là dịch
vụ tiên phong của những dịch vụ truyền dữ liệu khác như e-mail di động, duyệt Web di động,
viết blog di động, Push to Talk (PTT, tức dịch vụ dùng điện thoại di động như máy bộ đàm), tin
nhắn tức thời di động, và nhiều dịch vụ khác nữa. Những ứng dụng như vậy trở thành hiện thực
là nhờ sự xuất hiện các mạng không dây truyền các gói dữ liệu theo giao thức IP và các thiết bị
di động ngày càng mạnh mẽ. Đến nay thì dung lượng của các mạng 3G và 3.5G vẫn đủ cho yêu
cầu về bandwidth của các ứng dụng này và số lượng người dùng hiện có. Nhưng đã có thể thấy
rõ là trong tương lai không xa, một số xu hướng sẽ làm tăng yêu cầu về bandwidth:
 Mức độ sử dụng mạng không dây ngày càng tăng: do giá cả ngày càng hạ, ngày càng có
nhiều người sử dụng các ứng dụng không dây cần truy cập mạng.
 Nội dung đa phương tiện: tuy những nỗ lực đầu tiên di động hóa Web chỉ đạt được các
trang Web chủ yếu là văn bản, nhưng nội dung đồ họa ngày càng trở nên phổ biến hơn.
Một hình ảnh có thể nói thay cho hàng nghìn từ ngữ, nhưng nó cũng làm tăng lượng dữ
liệu cần được truyền đi cho mỗi trang Web. Việc tải xuống âm nhạc và phim ảnh cũng
đang trở nên phổ biến hơn, làm tăng hơn nữa yêu cầu về bandwidth.
 Các mạng xã hội di động: tương tự như trong Internet đường dây cố định, có một dòng
ứng dụng mới đang thay đổi cách thức con người sử dụng Internet. Trong quá khứ, người
dùng chủ yếu chỉ tiêu thụ nội dung. Ngày nay thì các blog, podcast, các site chia sẻ hình
ảnh và các cổng truyền tải phim đang định hình lại Internet, bởi vì người dùng không còn
chỉ tiêu thụ nội dung nữa mà nay đã dùng mạng để chia sẻ những ý tưởng, hình ảnh và
Các công nghệ di động Sau 3G 8
Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1
phim ảnh của họ với người khác. Ví dụ, những ứng dụng như Shozu và Lifeblog cho phép
người dùng tải hình ảnh, phim ảnh và các bài viết blog từ các thiết bị di động lên Web.
Việc truyền hình ảnh, podcast và phim ảnh sẽ làm tăng gấp bội lượng dữ liệu mà người
dùng gửi và nhận qua Internet.
 Voice over IP: thế giới thoại đường dây cố định đang nhanh chóng chuyển sang hướng
VoIP. Nhiều khả năng là chỉ khoảng năm năm nữa, nhiều mạng thoại chuyển kênh đường
dây cố định hiện nay sẽ chuyển hoàn toàn sang truyền thoại dựa trên IP. Tương tự như vậy,
về phương diện truy cập mạng, nhiều người dùng sẽ sử dụng VoIP như dịch vụ thoại chính
của họ, ví dụ như qua các mạng DSL hoặc TV cáp. Hiện nay đã có thể thấy những động
thái chuyển dịch này rồi, bởi vì thị trường thoại chuyển kênh đang chịu áp lực ngày càng
tăng do sự sụt giảm số lượng thuê bao. Kết quả là, nhiều nhà cung cấp dịch vụ thoại đường
dây cố định không còn đầu tư vào công nghệ chuyển kênh nữa. Có thể quan sát thấy một
xu hướng tương tự trong các mạng không dây. Tuy nhiên, ở đây sự chuyển dịch chậm hơn
nhiều, đặc biệt là do yêu cầu bandwidth cao hơn để truyền các cuộc thoại qua một đường
truyền chuyển gói. Chủ đề này sẽ được bàn kỹ hơn trong mục 1.6.
 Sự thay thế cho đường dây cố định: trong khi lượng thông thoại ngày càng tăng thì
doanh thu ngày càng giảm ở cả các mạng đường dây cố định lẫn không dây do cước thuê
bao ngày càng giảm. Vì vậy ở nhiều nước, các nhà cung cấp dịch vụ không dây đang cố
gắng kềm giữ hoặc tăng doanh thu bình quân trên mỗi thuê bao bằng cách chào mời khả
năng truy cập Internet cho máy PC, máy tính xách tay và các thiết bị di động trên các mạng
UMTS/HSDPA hoặc CDMA của họ. Như vậy là họ bắt đầu cạnh tranh trực tiếp với các
nhà cung cấp dịch vụ DSL và cáp. Muốn cạnh tranh thành công, họ cũng phải tăng thêm
băng thông trên mạng của mình.
 Sự cạnh tranh từ những nhà cung cấp dịch vụ Internet không dây khác: ở một số nước,
các nhà cung cấp dịch vụ khác đã và đang chào mời khả năng truy cập Internet không dây
broadband bằng các mạng WiFi hoặc WiMAX/802.16. Những nhà cung cấp dịch vụ như
thế cạnh tranh trực tiếp với các nhà cung cấp dịch vụ UMTS và CDMA truyền thống vẫn
đang hoạt động trong thị trường này.
 Internet băng rộng không phải chỉ có được thông qua những ổ cắm trên tường: ngày
nay, rất nhiều người đã dùng các thiết bị điểm truy cập (access point) WiFi để xây dựng
“lãnh địa” Internet băng rộng của mình. Vì vậy, Internet băng rộng hầu như luôn bao
quanh họ. Trong tương lại, người ta sẽ không chỉ dùng những lãnh địa như vậy cho máy
tính để bàn và xách tay, mà còn cho các thiết bị nhỏ hơn, như điện thoại di động có sẵn khả
năng WiFi chẳng hạn. Những thiết bị nhỏ hơn này cũng sẽ thay đổi cách thức chúng ta tiếp
nhận những lãnh địa Internet như thế. Không còn cần thiết phải ngồi ở một chỗ riêng biệt,
như trước máy tính chẳng hạn, thì mới truyền thông (bằng VoIP, e-mail, nhắn tin tức thời),
lấy thông tin xuống từ hoặc gửi thông tin lên Web (tranh ảnh, các trang blog, phim ảnh,
v.v ). Khi khu vườn băng rộng của cá nhân không còn nữa, các thiết bị di động sẽ chuyển
sang dùng mạng tổ ong. Trong tương lai, các mạng tổ ong sẽ mở rộng ra cả những khu vực
mà hiện nay chúng chưa phủ sóng, và thông lượng khả dụng của chúng sẽ tăng lên để đáp
ứng số lượng người dùng tăng thêm và số lượng ứng dụng được nối kết thông qua chúng.
Việc chuyển qua chuyển lại giữa những lãnh địa Internet cá nhân tại nhà và mạng tổ ong
rộng lớn hơn bên ngoài sẽ trở nên vô hình (tức người dùng sẽ không nhận ra sự chuyển
dịch đó) khi các dịch vụ và thiết bị cho mạng tổ ong phát triển thêm.
Một số công nghệ không dây hiện đang được xây dựng hoặc đang trong giai đoạn triển khai
ban đầu, được thiết kế để đáp ứng nhu cầu tương lai này: LTE (Long Term Evolution) của 3GPP,
HSPA+ và WiMAX. Tất cả các công nghệ này sẽ được bàn kỹ hơn trong Chương 2. Câu hỏi đặt
Các công nghệ di động Sau 3G 9
Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1
ra là trong bối cảnh như vậy, những công nghệ nào là 3G hiện nay, và công nghệ nào được xem
là 4G trong tương lai?
Cơ quan chịu trách nhiệm phân loại các mạng không dây là ITU (International
Telecommunication Union). ITU phân loại các mạng viễn thông di động quốc tế (international
mobile telecommunication _ IMT) như sau:
 Các hệ thống IMT-2000: tức những hệ thống mà ta gọi là 3G hiện nay, ví dụ như UMTS
và CDMA2000. Danh sách tất cả các hệ thống ITU-2000 được liệt kê trong khuyến nghị ITU-
R M.1457-6.
 Các hệ thống Enhanced IMT-2000: sự phát triển của các hệ thống IMT-2000 (tức Sau 3G),
ví dụ như HSPA, CDMA 1xEvDo và những thế hệ phát triển hơn nữa của chúng trong tương
lai.
 Các hệ thống IMT-Advanced: các hệ thống thuộc loại này được xem là hệ thống 4G.
Hiện nay vẫn chưa có định nghĩa rõ ràng nào về các đặc tính của các hệ thống IMT-Advanced
(4G) trong tương lai. Khuyến nghị ITU-R M.1645 cung cấp một vài gợi ý đầu tiên, nhưng vẫn để
ngỏ khái niệm ấy:
It is predicted that potential new radio interface(s) will need to support data rates of up to
approximately 100 Mbit/s for high mobility such as mobile access and up to approximately 1 Gbit/s
for low mobility such as nomadic/local wireless access, by around the year 2010 [. . .] These data
rate figures and the relationship to the degree of mobility [. . .] should be seen as targets for
research and investigation of the basic technologies necessary to implement the framework. Future
system specifications and designs will be based on the results of the research and investigations.
Khi so sánh với các đặc tả hiện nay của WiMAX với các yêu cầu kỹ thuật này, rõ ràng
WiMAX không đủ tư cách để được xem là một chuẩn 4G IMT-Advanced, bởi vì tốc độ truyền
dữ liệu của nó còn thấp hơn khá nhiều, ngay cả trong những điều kiện lý tưởng (WiMAX cố định
chỉ có tốc độ truyền dữ liệu tối đa là 70 Mbps, WiMAX di động còn thấp hơn).
Chuẩn hậu duệ của chuẩn UMTS do 3GPP xây dựng, gọi là LTE, cũng khó mà đáp ứng
những yêu cầu này. Ngay cả trong một hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) bốn-
đường-truyền, tốc độ truyền dữ liệu ở dải tần sóng mang 20 MHz cũng không thể vượt quá 326
Mbit/s. (Ngay cả con số này cũng đã được tính ở khả năng tối đa rồi, bởi vì việc đặt bốn ăng-ten
vào trong một thiết bị nhỏ hoặc trên mái nhà trong thực tế không hề đơn giản).
Có lẽ cũng nên so sánh các hệ thống 4G tương lai này với quá trình phát triển của các hệ
thống 3G hiện nay. Quá trình phát triển của UMTS là một ví dụ tiêu biểu. Với HSDPA và
HSUPA, tốc độ truyền của người dùng giờ đây đã vượt mức dự đoán lúc đầu 2 Mbit/s dành cho
các hệ thống IMT-2000. Thế nhưng quá trình phát triển của các hệ thống này vẫn chưa dừng lại.
Những ấn bản chuẩn mới xây dựng Release 7 và 8 trong 3GPP được gọi là HSPA+, vốn bao gồm
cả công nghệ MIMO và những công nghệ cải tiến khác, cũng đưa công nghệ UMTS cải tiến này
đến một mức dung lượng và băng thông như đang được chỉ định cho LTE trên dải tần sóng mang
5 MHz. HSPA+ rõ ràng cũng không phải là một hệ thống 4G IMT-Advanced, bởi vì nó chỉ cải
tiến về mặt công nghệ vô tuyến so với các hệ thống 3G IMT-2000 hiện nay thôi. Vì vậy, HSPA+
được xếp loại là một “hệ thống IMT-2000 nâng cao” (Enhanced IMT-2000 system).
Để đáp ứng những yêu cầu trông đợi của IMT-Advanced, các cơ quan soạn thảo chuẩn
WiMAX và LTE đã bắt đầu những nỗ lực đầu tiên để cải tiến hơn nữa các công nghệ của họ. Về
phía WiMAX, nhóm công tác 802.16m đang tiến hành chuẩn hóa một kỹ thuật giao tiếp vô tuyến
nhanh hơn trước. Về phía LTE, một chương trình làm việc tương tự được đặt tên là LTE+ hoặc
Enhanced LTE cũng bắt đầu khởi động.
Các công nghệ di động Sau 3G 10
Sinh viên thực hiện: Phạm Hoàng Dũng – Đ06VTK1
Những nghiên cứu hiện nay chỉ ra rằng những yêu cầu về tốc độ truyền được mô tả trong
ITU-R M.1645 chỉ có thể đạt được ở dải tần 100 MHz hoặc hơn nữa. Đây là một thách thức thực
sự, xét theo quan điểm kỹ thuật cũng như do sự thiếu thốn các dải tần cao này. Vì vậy, không
chắc lắm là những yêu cầu này có còn được giữ nguyên trong định nghĩa cuối cùng về 4G IMT-
Advanced hay không.
Trong thực tế, vài công nghệ mạng khác nhau sẽ cùng có mặt và phát triển trong tương lai để
đáp ứng yêu cầu về mặt băng thông và dung lượng. Cũng có thể một sự kết hợp các hệ thống vô
tuyến khác nhau, như LTE cùng với WiFi chẳng hạn, sẽ được dùng để thỏa mãn yêu cầu về dung
lượng.
Từ quan điểm người dùng và quan điểm dịch vụ thì công nghệ mạng nào được coi là 3.5G,
3.9G hay 4G cũng không thành vấn đề. Cho nên tài liệu này dùng thuật ngữ “công nghệ Sau 3G”
hay B3G để chỉ tất cả các công nghệ mà có khả năng thỏa mãn yêu cầu dung lượng trong tương
lai, bao gồm các công nghệ được xây dựng mới hoàn toàn cũng như phát triển từ các hệ thống
hiện tại.
1.6. Tất cả các hệ thống này đều dựa trên IP
Tuy về mặt mạng vô tuyến (giao tiếp với thuê bao), khó đoán trước được tập hợp những công
nghệ 4G hay 3G phát triển nào sẽ được dùng trong tương lai, nhưng tương lai của các mạng lõi
cố định và di động lại dễ tiên đoán hơn nhiều. Một trong những đặc điểm chính của các mạng 3G
là việc hậu thuẫn cho cả các dịch vụ chuyển kênh lẫn các dịch vụ chuyển gói. Trong các mạng di
động trước 3G, bộ phận chuyển kênh của mạng lõi cùng với các dịch vụ chuyển kênh của mạng
giao tiếp vô tuyến được thiết kế để chuyên vận chuyển các cuộc thoại (đơn thuần tiếng cũng như
có cả hình). Việc điều khiển dịch vụ phụ thuộc hoàn toàn vào MSC (Mobile Switching Center),
thành phần chính của một mạng chuyển kênh. Bởi vì các thuê bao có thể chuyển vùng (roaming)
tùy ý trong một mạng di động, nên cần có một cơ sở dữ liệu để theo dõi vị trí hiện tại của thuê
bao cùng với thông tin về thuê bao, đó là HLR (Home Location Register). Để thiết lập một cuộc
gọi, điện thoại di động phải luôn liên lạc với MSC. Tiếp đến, MSC sử dụng số điện thoại đích để
tra vấn HLR về vị trí của thuê bao đích. Sau đó, cuộc gọi được gửi chuyển tiếp đến MSC này, rồi
MSC báo với thuê bao đích về cuộc gọi đến. Quá trình này được gọi là báo hiệu (signaling). Một
đường truyền chuyển kênh (circuit-switched channel) được thiết lập giữa hai thuê bao ấy thông
qua ma trận chuyển mạch (switching matrix) của MSC, còn các tín hiệu báo hiệu cần thiết cho
cuộc gọi được truyền trên một mạng báo hiệu độc lập, bởi vì đường truyền chuyển kênh kia chỉ
vận chuyển tín hiệu thoại thôi.
Trong những kiểu thiết kế mạng gần đây, các MSC được tách ra thành hai thành phần: một là
MSC Call Server chịu trách nhiệm xử lý chuyện báo hiệu, còn thành phần kia là một media
gateway, chịu trách nhiệm gửi chuyển tiếp cuộc gọi thoại, như được minh họa trong Hình 1.2.
Thay vì dùng những kênh nối cố định, các media gateway sử dụng các đường nối kết ATM
chuyển gói hoặc IP để gửi chuyển tiếp cuộc gọi. Điều này loại bỏ sự cần thiết phải vận chuyển
dữ liệu thoại qua các đường truyền chuyển kênh trong mạng lõi.
Tuy cách giải quyết này rất thích hợp để vận chuyển các cuộc gọi thoại với một dải tần cố
định và những yêu cầu nghiêm ngặt về độ trễ, nhưng nó hoạt động không tốt đối với việc truy
cập Internet. Trong Internet, tất cả dữ liệu đều được vận chuyển trong các gói dữ liệu. Hơn nữa,
các gói dữ liệu chỉ được trao đổi giữa hai thiết bị đầu cuối (endpoint) khi có một đường nối kết
được thiết lập, nhưng đường nối kết này hay thay đổi. Ví dụ tiêu biểu là một phiên duyệt Web,
trong đó một người dùng ghé đến vài trang Web, thậm chí nhiều khi cùng một lúc ghé đến nhiều
trang. Khi một trang Web được truyền đi, nó muốn sử dụng càng nhiều thông lượng hiện có càng
tốt chứ không phải bị giới hạn ở một kênh chuyển kênh vốn được thiết kế để vận chuyển những
luồng dữ liệu thoại hoặc hình số hóa băng hẹp. Các đường nối kết Internet nhiều khi cũng chạy

Xem chi tiết: CÁC CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG SAU 3G