Trang chủ Công nghệ & Ứng dụng Công nghệ & Ứng dụng Điện thoại di động từ thế hệ 0G đến thế hệ 5G (Phần 1)

Điện thoại di động từ thế hệ 0G đến thế hệ 5G (Phần 1)

Ngày nay điện thoại di động thông minh (Smartphone) trở nên rất phổ biến, trở thành vật bất ly thân với hầu như mọi người. Smartphone giúp con người có thể dễ dàng kết nối với nhau, trao đổi mọi thông tin tiếng nói, hình ảnh,... vượt qua mọi trở ngại về không gian địa lý, điều mà cách đây vài thập kỷ chỉ là ước mơ. Bài viết sau đây điểm qua nguyên lý hoạt động của điện thoại di động, bước đường phát triển như vũ bão và tương lai của điện thoại di động.

SƠ LƯỢC VỀ ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG

Điện thoại di động (ĐTDĐ) là thiết bị điện tử cầm tay, sử dụng tần số radio để thiết lập liên lạc với hệ thống chuyển mạch, cho phép người sử dụng truy cập để gọi và nhận thông tin thoại và hình ảnh trong vùng phủ sóng của nó. Người ta thường dùng chữ G (Generation - Thế hệ) để chỉ sự phát triển theo thời gian của các ĐTDĐ.

Ta hãy xét nguyên lý hoạt động của ĐTDĐ được mô tả trên hình 1. Khi gọi (Calling) ĐTDĐ phát sóng tần số radio gửi tín hiệu gọi tới trạm liên lạc tần số radio hoặc bằng dây dẫn (Cable or radio link) và chuyển về trạm trung tâm (Central exchange), tiếp theo tín hiệu sẽ chuyển tới trạm gốc (Base station antenna) để phát tín hiệu. Tín hiệu gọi truyền tới sẽ được anten trạm gốc phát ra không gian làm cho máy thu (Receiving) có thể nhận được. Mặt khác tín hiệu gọi cũng được truyền đến mạng cố định (Fixed network) dùng cho điện thoại cố định. Việc phân chia không gian thành các cell (Radio cell - mạng tổ ong) thường có bán kính (2-7) km tùy theo vùng đô thị hay nông thôn giúp mở rộng vùng phủ sóng của các trạm gốc mà không đòi hỏi công suất phát của các trạm gốc quá lớn (khoảng vài chục W) . Việc đưa vào công nghệ cell cho phép sử dụng lại các tần số nhiều lần trong các vùng lân cận do máy phát công suất thấp phủ sóng giúp cho ĐTDĐ trở nên kinh tế hơn.

MODULE NHẬN DẠNG THUÊ BAO

(SIM Card - Subcreiber Indentify Module) SIM card là thẻ nhận dạng thuê bao, thực chất là một micro chip được cài vào ĐTDĐ, lưu trữ những thông tin như số điện thoại, mã số mạng di động, số PIN, số điện thoại cá nhân và các thông tin cần thiết khác (hình 2). Thế hệ SIM đầu tiên - Full-size SIM (1FF)- được sản xuất và đưa vào sử dụng vào năm 1991 do Giesecke & Devrient làm ra Munich card dùng cho mạng không dây Phần Lan.

Ở Việt Nam hiện tại có 5 mạng sử dụng công nghệ này là Mobifone, Vinaphone, Viettel, Vietnamobile và Gtel.

Mạng di động sử dụng công nghệ WCDMA (Wideband CDMA - dải rộng) cũng dùng thẻ SIM. Hiện nay ở Việt Nam đó là S-Fone, mạng này có 2 hình thức sử dụng là trực tiếp máy và thẻ SIM. Một thuê bao di động bao gồm thiết bị di động đầu cuối và một thẻ SIM.

Nhờ có thẻ SIM mà người dùng có thể thay đổi ĐTDĐ dễ dàng, không cần đến sự hỗ trợ của nhà cung cấp dịch vụ di động.

Có bốn loại kích thước thẻ SIM: loại lớn (1FF), loại nhỏ (2FF), loại micro (3FF), loại nano (4-FF). ID-1 SIM có kích thước bằng chiếc thẻ tín dụng, xuất hiện ở thời kỳ đầu khi mạng di động mới ra đời, dùng với các máy di động đời cũ. Còn Plug-in SIM là loại mà ngày nay ta thường dùng.

Ngoài chức năng chính là nhận dạng thuê bao di động (đặc trưng bởi số IMSI - International Mobile Subscriber Identity - Nhận dạng thuê bao di động quốc tế), SIM còn chứa các dữ liệu khác của thuê bao như các mã số PIN, PIN2, PUK, PUK2, số của trung tâm dịch vụ nhắn tin SMS, danh bạ điện thoại,… Các loại SIM đời cũ lưu được 125 số điện thoại, SIM thông thường cho phép lưu đến 250 số điện thoại, Super SIM có thể lưu 750 số điện thoại. Một ĐTDĐ hybrid có thể chứa 4 SIM card. SIM và R-UIM có thể cùng phối hợp dùng truy cập các mạng GSM và CDMA

TRẠM GỐC BTS (Base Transceiver Station)

BTS là trạm thu phát sóng di động (hình 3) thông thường, BTS được đặt tại một vị trí nhất định theo quy hoạch của các nhà quản lý thông tin di động dựa theo mạng tổ ong, nhằm tạo ra hiệu quả thu phát sóng cao nhất với vùng phủ sóng rộng và ít có các điểm, vùng nằm giữa các BTS mà không được phủ sóng.

Về cấu tạo BTS gồm có:

• Một trạm thu phát (TRX) nhằm xử lý việc truyền và nhận tín hiệu, gửi và nhận các tín hiệu từ các phần tử mạng cao hơn;

• Một bộ tổ hợp sẽ kết hợp nguồn cấp dữ liệu từ một số trạm thu phát để được gửi đi thông qua một anten duy nhất, do đó làm giảm số lượng anten cần đặt;

• Một bộ khuếch đại công suất giúp khuếch đại tín hiệu từ trạm thu phát để truyền thông tin qua anten;

• Một bộ song công được sử dụng để tách việc gửi và nhận tín hiệu từ các anten hoặc từ một anten là một phần bên ngoài của BTS.

CẤU TẠO CỦA ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG

ĐTDĐ là một máy thu phát radio kỹ thuật số chuyên dụng có cấu tạo như hình 4, có sơ đồ khối cho trên hình 5. Máy có 3 khối chính: - Khối nguồn; - Khối điều khiển;

- Khối thu phát.

Khối nguồn có chức năng:

- Điều khiển tắt mở nguồn;

- Chia nguồn thành nhiều mức điện áp khác nhau;

- Ổn định điện áp cung cấp cho các tải. Điện áp V.BAT cấp nguồn trực tiếp vào các IC: IC nguồn, IC công suất phát và IC rung chuông Khi ta bật công tắc nguồn làm tác động vào IC nguồn qua chân PWR-ON.

Các điện áp khởi động cấp cho khối điều khiển bao gồm:

- Vi điều khiển 1- 2,8V cấp cho CPU;

- Vi điều khiển 2- 1,8V cấp cho CPU, bộ nhớ và IC mã âm tần;

- Vi điều khiển 3- 2,8V cấp cho mạch dao động 26 MHz.

Sau khi được cấp nguồn, khối vi xử lý CPU hoạt động, sẽ trao đổi dữ liệu với bộ nhớ để lấy ra phần mềm điều khiển các hoạt động, trong đó có các lệnh quay lại điều khiển khối nguồn để mở ra các điện áp cấp cho khối thu phát tín hiệu bao gồm:

- Vi điều khiển 1 cấp cho bộ dao động nội VCO;

- Vi điều khiển 2 cấp cho mạch cao tần ở chế độ thu;

- Vi điều khiển 3 cấp cho mạch cao tần ở chế độ phát.

Điều khiển nạp bổ sung: Dòng điện từ bộ nạp đi vào IC nạp và được CPU điều khiển thông qua lệnh CHA-EN để nạp vào pin, khi pin đầy thông qua chân báo pin BSI đưa về CPU để biết và ngắt dòng nạp. 

Khối điều khiển Bao gồm bộ xử lý trung tâm CPU thực hiện các chức năng:

- Điều khiển ON-OFF nguồn chính, chuyển nguồn giữa chế độ thu và phát;

- Điều khiển đồng bộ sự hoạt động giữa các IC;

- Điều khiển khối thu phát sóng;

- Quản lý các chương trình trong bộ nhớ;

- Điều khiển truy cập SIM Card; - Điều khiển màn hình;

- Xử lý mã quét từ bàn phím; - Điều khiển sự hoạt động của camera;

- Đưa ra tín hiệu rung chuông và chiếu sáng đèn LED.

- ROM là bộ nhớ chỉ đọc lưu các chương trìnhquản lý thiết bị, quản lý các IC, quản lý số IMEI, nội dung trong ROM do nhà sản xuất nạp vào trước khi điện thoại được xuất xưởng.

- SDRAM (Syncho Dynamic Radom Access Memory) Ram động - là bộ nhớ lưu trữ tạm thời các chương trình phục vụ trực tiếp cho quá trình xử lý của CPU.

- FLASH là bộ nhớ truy cập nhanh, có dung lượng khá lớn dùng để nạp các chương trình phần mềm như hệ điều hành và các chương trình ứng dụng trên điện thoại, khi CPU hoạt động sẽ truy cập vào FLASH để lấy ra phần mềm điều khiển máy hoạt động.

- Memory Card: Thẻ nhớ dùng cho các điện thoại đời cao để lưu các chương trình ứng dụng, tập tin ảnh, video, ca nhạc,...

THẾ HỆ BAN ĐẦU CỦA ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG 0G (Zero Generation)

Alexander Graham Bell là nhà phát minh sinh trưởng ở Edinburgh, Scotland, năm 1870 đến Boston, Massachusetts, Hoa Kỳ. Bell đã được nhận bằng sáng chế cho phát minh ra điện thoại vào năm 1876.

Marchese Guglielmo Marconi là một nhà phát minh người Italia, được biết đến là người đã phát minh ra máy điện báo radio, một phát minh đặt nền tảng cho kỹ thuật điện báo.

Thế hệ ban đầu của thông tin liên lạc 0G khi ĐTDĐ chưa được tiêu chuẩn hóa như hệ thống MTS (Mobile Telephone Service - Dịch vụ điện thoại di động) của Bell, Hệ thống ĐTDĐ chưa hình thành cell (ô lưới tổ ong) và chỉ có ít cuộc gọi đồng thời, giá cước rất cao. Năm 1908 bằng phát minh điện thoại không dây được cấp tại Kentucky Hoa Kỳ.

Năm 1908 hệ thống đường sắt Đức đã thử nghiệm điện thoại không dây trên các đoàn tàu quân sự giữa Berlin và Zossen. Năm 1924 bắt đầu thử nghiệm kết nối điện thoại trên các đoàn tàu giữa Berlin và Hamburg. Năm 1925 Công ty Zugtelephonie A.G đã cung cấp thiết bị điện thoại cho tàu hỏa và từ năm 1926 dịch vụ điện thoại và bưu chính đã phục vụ cho các hành khách toa hạng nhất trong các đoàn tàu tuyến đường Hamburg và Berlin. Lúc này ĐTDĐ chưa thực sự đúng như tên gọi của nó, thực chất chỉ là máy thu phát radio hai chiều cho phép người sử dụng như lái xe taxi thông tin với dịch vụ cấp cứu. Thay cho liên lạc với các trạm gốc có các mạng lưới tách rời, mạng thông tin di động đầu tiên có công suất đủ lớn để có vùng phủ sóng rộng.

Chiến tranh thế giới thứ hai đã thúc đẩy việc nghiên cứu và phát triển hệ thống thông tin di động quân sự. Máy thu phát radio xách tay đã ra đời vào những năm 1940. ĐTDĐ trang bị cho ô tô xuất hiện vào giai đoạn này, chúng khá cồng kềnh, tiêu thụ công suất lớn và chỉ cho phép vài cuộc gọi đồng thời (hình 6a, 6b).

Tại Mỹ, các kỹ sư của phòng thí nghiệm Bell bắt đầu làm việc trên hệ thống cho phép người sử dụng di động nhận cuộc gọi từ ô tô. Mạng cell cho phép sử dụng tự động và liên tục ĐTDĐ đã đi vào hoạt động vào ngày 17 tháng sáu 1946 tại St. Louis, sau đó AT&T cung cấp dịch vụ ĐTDĐ từ năm 1947.

Vào những năm 1957-1961 tại Liên Xô cũ Leonid Kupriyanovich, kỹ sư ở Matscơva đã phát triển và trình diễn các mô hình ĐTDĐ cầm tay, mô hình 1961 chỉ có 70 gam, tuy nhiên Liên Xô quyết định đầu tiên phát triển hệ thống điện thoại cho ô tô Altai.

Năm 1965 Công ty Bungari Radioelektronika đã trình diễn ở hội chợ quốc tế Matscơva Inforga-65 ĐTDĐ tự động phối hợp với trạm gốc dựa trên giải pháp do Leonid Kupriyanovich phát triển. Một trạm gốc kết nối với một đường dây điện thoại có thể phục vụ cho 15 thuê bao.

ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ NHẤT 1G

Ngày 3 tháng 4 năm 1973 Martin Cooper kỹ sư trưởng của Motorola đã thông báo cho các công ty viễn thông đối thủ rằng ông đã gọi cho họ từ điện thoại di động. ĐTDĐ cầm tay của ông có kích thước 228.6x127x44.4mm, nặng 1,1 kg, thời gian gọi khoảng 30 phút và cần khoảng 10 giờ để nạp (hình 7). 1G là điện thoại không dây tiêu chuẩn analog, tín hiệu tương tự được điều biến ở tần số 150 kHz và lớn hơn.

Năm 1979 Nhật Bản là nước đầu tiên có mạng ĐTDĐ thương mại rộng rãi trong các thành phố. Nhật Bản sử dụng nhiều tiêu chuẩn do NTT (Nippon Telegraph and Telephone Corporation) phát triển như TZ-801, TZ-802, and TZ-803. Hệ thống ĐTDĐ phương Bắc gồm Đan Mạch, Na Uy, Thụy Điển và Phần Lan đã đi vào hoạt động từ 1981. Tiêu chuẩn NMT (Nordic Mobile Telephone) được sử dụng ở các nước phương Bắc, Hà Lan, Thụy Sỹ và Đông Âu và Nga. Giữa những năm 80 mạng ĐTDĐ thế hệ 1G hoàn toàn tự động đi vào hoạt động. Năm 1983 Ủy ban thông tin liên bang Mỹ chứng nhận Motorola DynaTac là chiếc ĐTDĐ đầu tiên. 

Kể từ khi hệ thống 1G được Nordic Mobile Telephone giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1981, cứ khoảng 10 năm lại xuất hiện một thế hệ điện thoại di động mới.

ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ HAI 2G

ĐTDĐ thế hệ thứ hai 2G khác cơ bản với thế hệ thứ nhất 1G là hoàn toàn sử dụng công nghệ số sử dụng tiêu chuẩn GSM ở Phần Lan năm 1991 (hình 8)

Các ưu điểm nổi trội của ĐTDĐ 2G là:

• Cuộc gọi được mã bằng số, hiệu quả hơn về phổ tần, cho phép mức thâm nhập xa hơn. Tín hiệu số có thể được nén và dồn kênh hiệu quả hơn, cho phép nhiều cuộc gọi có thể truyền trên radio băng rộng, dải tần đến 200 kHz, mức nhiễu giảm đi rất nhiều.

• Các hệ thống số được thiết kế để phát với mức công suất phát nhỏ hơn, do đó tiêu thụ công suất nguồn giảm đi. Các cell nhỏ hơn sao cho nhiều cell có thể đặt trong cùng khoảng không gian, điều này dẫn tới thiết bị của các cột tháp rẻ hơn.

• Các dịch vụ dữ liệu bắt đầu với dạng văn bản, hình ảnh và MMS (multimedia messages). Mọi văn bản 2G được mã bằng số cho phép truyền dữ liệu theo chiều có thể tiếp nhận và đọc được. 2G được vượt qua với các công nghệ mới hơn 2,5G, 2,75G, 3G và 4G nhưng hiện nay 2G vẫn còn được sử dụng trong nhiều nước. Công nghệ 2G có thể được phân thành:

- TDMA (time division multiple access

 - truy cập bội phân chia thời gian)

- CDMA (code time multiple access– truy cập bội phân chia mã) tùy theo kiểu dồn kênh được sử dụng.

Các tiêu chuẩn 2G chính là:

- GSM (dựa trênTDMA), bắt nguồn từ Châu Âu nhưng được sử dụng ở đa số các nước ngoại trừ Bắc Mỹ. Trên 60 GSM operator được sử dụng CDMA2000 dải tần 450 MHz (CDMA450) trong năm 2012.

- IS-95 còn gọi là cdmaOne (dựa trên CDMA) sử dụng ở Mỹ và một phần châu Á, chiếm khoảng 17% tổng thuê bao. Trên 10 CDMA operators có GSM bao gồm operators ở Mexico, Ấn Độ và Úc.

- PDC còn gọi là JDC (Japanese Digital Cellular) (dựa trên TDMA), chỉ sử dụng ở Nhật Bản.

- iDEN (dựa trên TDMA), mạng sở hữu của Nextel Mỹ và and trên radio băng rộng Telus Mobility ở Canada.

- IS-136 a.k.a. Digital AMPS or D-AMPS (dựa trênTDMA), có giá trị tương đương ở Mỹ nhưng di chuyển sang GSM.

• Về dung lượng truyền với dịch vụ radio gói chung General Packet Radio Service (GPRS), tốc độ truyền cực đại lý thuyết là 50 kbit/s (thực tế 40 kbit/s). Với EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution), tốc độ truyền cực đại lý thuyết là 1 Mbit/s (thực tế 500 kbit/s).

• Nhược điểm: Trong khu vực dân cư thưa thớt tín hiệu số được truyền yếu hơn có thể không đủ để tới cột tháp cell. Điều này dẫn tới vấn đề đặc biệt hệ thống 2G phải có tần số cao hơn. Ở khoảng cách xa tín hiệu tương tự suy giảm dần, nhưng tín hiệu số có thể chuyển đột ngột từ tiếp nhận rõ sang mức không thể nhận được.

2.5G Hệ thống hai phẩy năm được sử dụng trong hệ 2G có bổ sung chuyển mạch gói là bước tiến quan trọng chuyển GSM sang 3G nhờ dưa vào dịch vụ radio gói chung General Packet Radio Service (GPRS). Mạng CDMA2000 tương tự đưa vào 2,5G đặt trọng tâm vào sử dụng gói dữ liệu.

2.75G (EDGE): Mạng GPRS hòa nhập vào mạng EDGE nhờ việc đưa vào mã 8PSK, trong khi tốc độ vẫn giữ nguyên, mỗi ký tự mang 3 bit thay cho 1 bit. Tốc độ truyền dữ liệu được tăng thêm do đó có tên gọi Enhanced GPRS (EGPRS) cho phép nâng cao tốc độ truyền. EDGE đã khai thác mạng GSM từ năm 2003 do công ty Mỹ AT&T.

Phần 2: giới thiệu về mạng thông tin di động thế hệ thứ ba - 3G, thứ 4 -3G, thứ 5 - 5G và cách sử dụng; các bước phát triển của smartphone và làm thế nào để sử dụng điện thoại di động hiệu quả. (đón đọc Tự động hóa ngày nay tháng 8/2017)

MODULE NHẬN DẠNG THUÊ BAO (SIM Card - Subcreiber Indentify Module) 

Lê Văn Doanh, Đỗ Đức Anh, Nguyễn Mạnh Toàn Bộ môn Chiếu sáng thông minh-Trung tâm R&D Rạng Đông

Theo Tạp chí Tự động hóa ngày nay số tháng 7/2017


Newer news items:
Older news items:

 

Mới cập nhật

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết