Hệ thống này hoạt động trên kỹ thuật tương tự được xây dựng đầu tiên ở Nhật vào năm 1979. Các mạng thông tin di động thuộc thế hệ này có thể kể đến là:FDMA, Nordic Mobile Telephone (NMT) được sử dụng ở các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga; Advanced Mobile Phone Sytem (AMPS) được sử dụng ở Mỹ và Úc; TACS được sử dụng ở Anh, C-45 ở Tây Đức, Bồ Đào Nha và Nam Phi;
Radiocom 2000 ở Pháp và Radio Telefono Mobile Integrat (RTMI) ở Italia.
Dịch vụ chủ yếu được cung cấp trên hệ thống thông tin thế hệ 1 là thoại.
Dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọi có độ tin cậy thấp, chất lượng âm thanh kém, không có chế độ bảo mật . . . [2]
1.2.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai 2G
Năm 1982, Hiệp hội Quản lý Bưu chính Viễn thông Châu Âu European Conference of Postal and Telecommunications adminstrations (CEPT) thành lập nhóm chuyên trách mang tên Groupe Spécial Mobile với mục đích phát triển chuẩn mới về thông tin di động ở Châu Âu. Năm 1987, 13 quốc gia ký vào biên bản ghi nhớ và đồng ý giới thiệu mạng Global System for Mobile Communications (GSM) vào năm 1991.
Năm 1988, Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu European Telecommu- nication Standards Institute (ETSI) được thành lập và có trách nhiệm chuẩn hóa GSM thành chuẩn của Châu Âu.
Tất cả các chuẩn của thế hệ này đều là chuẩn kỹ thuật số và được định hướng thương mại, bao gồm các chuẩn: GSM, Integrated Digital En- hanced Network (iDEN), Digital-Advanced Mobile Phone System (D-AMPS), Interim Standard 1995 (IS-95), Personal Digital Cellular (PDC), Personal Handy-phone System (PHS), General Packet Radio Service (GPRS), High- speed circuit-switched data (HSCSD), Wideband Integrated Digital Enhanced Network (WiDEN) và CDMA-2000.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai làm việc trong băng tần gồm 124 sóng mang được chia làm 2 băng, mỗi băng rộng 25MHz, khoảng cách giữa 2 sóng mang kề nhau là 200KHz. Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt cho 2 đường lên và xuống. Khoảng cách giữa 2 tần số là không đổi là 45MHz [2].
• Dải tần đường lên từ 890 – 915 MHz
• Dải tần đường xuống từ 935 – 960 MHz
Kỹ thuật đa truy cập được áp dụng trong hệ thống thông tin di động thê hệ thứ hai bao gồm TDMA và Code Division Multiple Access (CDMA). Trong
thế hệ này, các cuộc gọi di động được mã hóa thành tín hiệu số rồi chuyển đi.
Điều này cho phép tăng hiệu quả kết nối các thiết bị và bắt đầu có khả năng thực hiện các dịch vụ dữ liệu trên điện thoại di động – khởi đầu là tin nhắn Short Message Service (SMS) (tốc độ khoảng 10kbps), kế đến là các dịch vụ dữ liệu có thể hoạt động được trên kỹ thuật GPRS và Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE) với tốc độ dữ liệu khoảng 64-144kbps trong thế hệ thứ 2.5 (2.5G).
1.2.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba 3G
Các mạng 3G khắc phục những nhược điểm của các mạng 2G và 2.5G đặc biệt ở tốc độ thấp và sự không tương thích giữa các công nghệ như TDMA và CDMA giữa các mạng khác nhau. Vào năm 1992, International Telecommu- nication Union (ITU) công bố chuẩn International Mobile Telecommunications - 2000 (IMT-2000) cho hệ thống3Gvới các ưu điểm chính được mong đợi đem lại bởi hệ thống 3G là [2]:
• Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao
• Các dịch vụ tin nhắn (e-mail, fax, SMS, chat, ...)
• Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, truyền hình, nghe nhạc,...)
• Truy nhập Internet (duyệt Web, tải tài liệu, ...)
• Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương thích toàn cầu giữa các hệ thống.
Để thoả mãn các dịch vụ đa phương tiện cũng như đảm bảo khả năng truy cập Internet băng thông rộng, IMT-2000 hứa hẹn cung cấp băng thông 2Mbps. Tuy nhiên, trên thực tế cho thấy rằng băng thông này chỉ cung cấp được cho người dùng không di chuyển, còn khi đi bộ (5km/h) băng thông sẽ chỉ còn 384 Kbps, khi di chuyển bằng ô tô (40km/h) sẽ là 144Kbps. Theo đặc tả của ITU một công nghệ toàn cầu sẽ được sử dụng trong mọi hệ thống IMT-2000, điều này dẫn đến khả năng tương thích giữa các mạng 3G trên toàn thế giới.
Hai công nghệ chủ đạo trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba bao gồm:
1.2.3.1 UMTS
Dựa trên công nghệ W-CDMA, là giải pháp được ưa chuộng cho các nước đang triển khai các hệ thốngGSMmuốn chuyển lên 3G. Universal Mobile Telecommunications Systems (UMTS) được hỗ trợ bởi European Union (EU) và được quản lý bởi Third Generation Partnership Project (3GPP), tổ chức chịu trách nhiệm cho các công nghệ GSM, GPRS. UMTS hoạt động ở băng thông 5MHz, cho phép các cuộc gọi có thể chuyển giao một cách hoàn hảo giữa các hệ thống UMTS và GSM đã có.
1.2.3.2 CDMA2000
Một chuẩn 3G quan trọng khác là CDMA2000, chuẩn này là sự tiếp nối đối với các hệ thống đang sử dụng công nghệ CDMA trong thế hệ 2. CDMA- 2000 được quản lý bởi Third Generation Partnership Project 2 (3GPP2), một tổ chức độc lập và tách rời khỏi 3GPP của UMTS. CDMA-2000 có tốc độ truyền dữ liệu từ 144Kbps đến 2Mbps. Hệ thống CDMA-2000 không có khả năng tương thích với các hệ thống GSM hoặc D-AMPS của thế hệ thứ 2.
Đặc điểm nổi bật nhất của mạng 3G là khả năng hỗ trợ nhiều người dùng thoại lẫn dữ liệu đặc biệt ở các vùng đô thị - với tốc độ cao hơn và chi phí thấp hơn so với mạng 2G. 3G sử dụng kênh truyền dẫn 5 MHz để chuyển dữ liệu.
Cho phép việc truyền dữ liệu ở tốc độ 384 Kbps trong mạng di động và 2 Mbps trong hệ thống tĩnh. Cấu trúc phân tầng đem lại các ưu điểm như dễ triển khai dịch vụ mới, thuận tiện trong nâng cấp cơ sở hạ tầng mạng cũng như áp dụng các kỹ thuật mới vào mạng.
1.2.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư 4G
Hệ thống 4G ngoài dịch vụ thoại truyền thống và các dịch vụ khác của 3G con cung cấp thêm dịch vụ truy cập Internet băng thông rộng di động. Ứng dụng tiềm năng và hiện tại bao gồm truy cập di động web, điện thoại IP, các dịch vụ game, truyền hình độ nét cao trên điện thoại di động, truyền hình hội nghị, truyền hình 3D, điện toán đám mây...
Hai ứng viên của hệ thống 4G được triển khai thương mại là: tiêu chuẩn Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) di động (sử dụng đầu tiên tại Hàn Quốc vào năm 2007) và tiêu chuẩn Long Term Evolution (LTE) (ở Oslo, Na Uy và Stockholm, Thụy Điển từ năm 2009).
1.2.4.1 WiMAX
WiMAX là chuẩn truyền thông, cung cấp việc truyền dẫn không dây ở khoảng cách lớn bằng nhiều cách khác nhau, từ kiểu kết nối điểm - điểm cho tới kiểu truy nhập tế bào. Dựa trên các tiêu chuẩn IEEE 802.16, WiMAX cho phép người dùng có thể truy cập Internet trên máy tính xách tay hoặc trên điện thoại di động mà không cần kết nối vật lý bằng cổng Ethernet tới router hoặc switch.
Trong truyền thông Line of sight (LOS), IEEE 820.16-2001 có dải tần hoạt động là 10–66 GHz. Đối với Non Line of sight (NLOS), IEEE 802.16-2004 [3] hoạt động ở dải tần số 2–11GHz. Trong họ IEEE 802.16, nổi bật nhất là chuẩn 802.16e-2005 [4] với khả năng đáp ứng cả các dịch vụ cố định cũng như các dịch vụ di động, nên còn được gọi là WiMAX di động. Áp dụng kỹ thuật Multi-Input Multi-Output (MIMO) với 2 anten phát và 2 anten thu đã cho tốc độ dữ liệu tối đa khoảng 75Mbps. Bên cạnh đó, nhóm làm việc IEEE 802.16
đang phát triển phiên bản triển khai các trạm relay bên cạnh các trạm phát sóng BS để sử dụng kênh truyền một cách hiệu quả, tăng tốc độ truyền dẫn và mở rộng vùng phủ sóng.
1.2.4.2 LTE
LTE được xây dựng như là một công nghệ 4G hay một đặc tả kỹ thuật của mạng di động thế hệ thứ tư do 3GPP phát triển. LTE được thiết kế để cung cấp các tốc độ dữ liệu cao, sử dụng hiệu quả mạng vô tuyến, giảm trễ, cải thiện tính di động, do đó giúp cung cấp dịch vụ tốt hơn. Sự kết hợp các khả năng này nhằm tăng cường sự tương tác của người sử dụng với mạng và thúc đẩy nhu cầu về các dịch vụ đa phương tiện di động trong tương lai. Ngoài ra, các cuộc gọi được chuyển giao tới một mạng lõi toàn IP, với kiến trúc mạng đơn giản hóa và các giao tiếp mở, làm giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối.
1.2.5 Định hướng hệ thống thông tin di động thế hệ thứ năm 5G
Tiêu chuẩn5G có thể được giới thiệu trong khoảng đầu những năm 2020.
Tuy nhiên, vẫn chưa có dự án phát triển 5G quốc tế chính thức được đưa ra và vẫn còn nhiều tranh cãi về 5G chính xác sẽ là cái gì.
Yêu cầu của 5G là sẽ phải là:
• Tốc độ bit cao hơn kể cả trong trình trạng lưu lượng mạng đang ở mức cao điểm.
• Hiệu năng phổ phải được cải thiện nhiều hơn nữa vì tài nguyên vô tuyến đang quá cạn kiệt trước nhu cầu người sử dụng.
• Tiêu thụ pin thấp hơn.
• Xác suất rớt cuộc gọi thấp.
• Độ trễ thấp.
• Hỗ trợ thiết bị đa dạng.
• ...
Một số kỹ thuật đề xuất áp dụng trong mạng 5G như sau [5]:
• Milimet wave: tần số sóng mang được nâng lên từ 3 đến 300 GHz, bước sóng tính bằng mm. Trên dải tần này còn đang bỏ trống và mở ra cơ hội cung cấp các dịch vụ tốc độ bit cao, băng thông rộng.
• Massive MIMO: kỹ thuật truyền dẫn với số lượng anten lớn để phục vụ đồng thời nhiều người dùng. Thông tin của nhiều người sử dụng được truyền trên
cùng nguồn tài nguyên thời gian - tần số, tối đa hóa độ lợi beamforming tối thiểu hóa giao thoa.
• Future PHY / MAC: kỹ thuật điều chế mới như Generalised Frequency Division Multiplexing (GFDM), Filter Bank Multi-Carrier (FBMC), Uni- versal Filtered MultiCarrier (UFMC) ... để thực hiện tốt hơn nữa trong đa truy cập.
• Dense networks: giảm bán kính vùng phủ sóng, giảm kích thước Base Sta- tion (BS), cơ hội để triển khai femtocells (Mobile Station (MS) cũng có thể làm một trạm phát sóng) và kết hợp với những kỹ thuật khác, một mạng sẽ có rất nhiều tế bào, năng lượng tiêu thụ thấp.
• Multi-hop: sử dụng relay để nâng chất lượng phủ sóng.
• Cognitive radio: dùng chung phổ tần bằng cách tìm phổ chưa sử dụng để tăng hiệu quả sử dụng phổ.
• Li-Fi: (thuật ngữ ghép giữa Light và Wi-Fi) sử dụng LED (light-emitting diodes) để truyền dữ liệu ở dạng quang thay vì dạng sóng.
• Full duplex: đường lên và đường xuống dùng chung băng tần thay vì 2 băng như trước.
• ...