Tổng quan về thông tin di động
Tổng quan về các hệ thống thông tin di động
1.1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động
❖ Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)
Hệ thống di động thế hệ thứ nhất chỉ cung cấp dịch vụ thoại tương tự, sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự để truyền tải dữ liệu thoại của người dùng Hệ thống này áp dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) để quản lý kết nối.
Trong hệ thống đa truy nhập theo tần số FDMA, các tín hiệu của người sử dụng khác nhau được truyền qua các kênh riêng biệt, mỗi kênh sử dụng tần số điều chế khác nhau.
- Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông truyền.
- Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể.
- BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS ( Mobile Station ).
Thế hệ di động thứ nhất áp dụng phương pháp đa truy nhập đơn giản, nhưng không đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của người dùng về dung lượng và tốc độ Do những hạn chế này, hệ thống di động thế hệ thứ hai đã được phát triển để cải thiện trải nghiệm người dùng.
❖ Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G)
Với sự gia tăng nhanh chóng của số lượng thuê bao di động, hệ thống thông tin động thế hệ thứ hai đã được phát triển để đáp ứng hiệu quả nhu cầu của người dùng, dựa trên công nghệ số tiên tiến.
Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 sử dụng điều chế số Và chúng sử dụng 2 phương pháp đa truy nhập:
- Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)
- Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)
❖ Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G)
Hệ thống thông tin di động 3G, được xây dựng dựa trên chuẩn IMT-2000, đã chính thức đi vào hoạt động từ năm 2001 IMT-2000 không chỉ mang lại nhiều khả năng mới mà còn đảm bảo sự phát triển liên tục của công nghệ thông tin di động thế hệ thứ 2.
Sử dụng dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:
Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến:
- Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến.
- Tương tác vói mọi loại hình dịch vụ viễn thông.
- Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau như trên xe, ngoài đường,
Có thể hỗ trợ các dịch vụ như :
- Đảm bảo chuyển mạng quốc tế.
- Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạch theo kệnh và số liệu chuyển mạch theo gói
- Dễ dàng hồ trợ các dịch vụ mới xuất hiện.
❖ Hệ thốngthôngtin di động thế hệ thứ 4 (4G)
Công nghệ 4G cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa lên tới 1 đến 1,5 Gb/s, được coi là chuẩn tương lai cho các thiết bị không dây Sử dụng công nghệ LTE (Long Term Evolution) và kỹ thuật OFDM (truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giao), 4G cho phép gửi nhiều tín hiệu đồng thời trên các tần số khác nhau Thiết bị 4G sử dụng máy thu vô tuyến với phần mềm SDR (Software Defined Radio), giúp tối ưu hóa băng thông thông qua việc sử dụng đa kênh đồng thời Hệ thống chuyển mạch mạng 4G chỉ sử dụng chuyển mạch gói, giúp giảm độ trễ trong quá trình truyền và nhận dữ liệu.
Hàn Quốc không chỉ áp dụng công nghệ 3G/4G mà còn tiên phong trong việc triển khai hệ thống mạng thế hệ thứ 5 (5G) và đang tích cực phát triển công nghệ 6G cho tương lai.
1.1.2 Các công nghệ được sử dụng trong hệ thống thôngtin di động
1.1.2.1 Đa truy nhập phân chia theo thòi gian TDMA
Trong hệ thống đa truy nhập TDMA, các tín hiệu của người sử dụng được truyền trong các khe thời gian riêng biệt, giúp tối ưu hóa việc sử dụng băng thông và giảm thiểu nhiễu tín hiệu.
Hệ thống TDMA, điển hình là Global System for Mobile (GSM), là một hệ thống thông tin di động toàn cầu Hệ thống này phân bổ cho mỗi người dùng một khe thời gian trong khung, cho phép tất cả người dùng chia sẻ cùng một tần số trong một khung thời gian nhất định.
- Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số.
Liên lạc song công trong viễn thông sử dụng hai băng tần khác nhau: một băng tần truyền tín hiệu từ trạm gốc đến máy di động, và băng tần còn lại truyền tín hiệu ngược lại Việc giảm số lượng máy thu phát tại trạm BTS có thể giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm chi phí.
1.1.2.2 Đatruy nhập phân chia theo mã CDMA
Kỹ thuật trải phổ cho phép nhiều người dùng chiếm cùng một kênh vô tuyến và thực hiện cuộc gọi mà không gây nhiễu lẫn nhau, nhờ vào mã đặc trưng duy nhất cho từng người sử dụng Trong mạng CDMA, các kênh vô tuyến được sử dụng lại trong mỗi ô, nhưng vẫn được phân biệt bởi mã trải phổ giả ngẫu nhiên, đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy trong giao tiếp.
Dãi tần tín hiệu rộng hàng MHz
Sừ dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp
- Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường hiệu quả hơn FDMA, TDMA
Việc các thuê bao MS sử dụng chung tần số giúp đơn giản hóa thiết bị truyền dẫn vô tuyến, đồng thời cho phép thay đổi kế hoạch tần số một cách dễ dàng Điều này mang lại tính linh hoạt cao trong việc chuyển giao và điều khiển dung lượng của ô mạng.
Cấu trúc chung của một hệ thống thông tin di động
1.2.1 Sơ đồ hệ thống thông tin di động
Hệ thống di động bao gồm nhiều phần tử vật lý, có thể là các bộ phận riêng lẻ hoặc kết hợp với các phần tử logic khác, và chúng cần tương tác để hoạt động hiệu quả Để đảm bảo sự tương tác, các bản tin phải được phát đi qua các giao diện giữa hai phần tử Nếu hai bộ phận chức năng tách biệt và giao diện được chuẩn hóa, nhà cung cấp dịch vụ có thể mua sản phẩm từ các nhà sản xuất khác nhau Tuy nhiên, việc đảm bảo hoạt động tốt vẫn gặp khó khăn vì tiêu chuẩn liên kết có thể không bao hàm tất cả các khía cạnh khai thác Phần này sẽ trình bày các bộ phận chức năng và các giao diện chuẩn hóa giữa chúng.
Sơ đồ tham khảo hệ thống thông tin di động ở hình 1.1
Note: Interfaces have been omitted for clarity purposes.
Hình 1.1: So’ đồ của hệ thống thôngtin di động
MS (Mobile Station) là thiết bị mà người dùng thường xuyên tiếp xúc trong hệ thống viễn thông, có thể là thiết bị gắn trong ô tô, thiết bị xách tay hoặc cầm tay Các thiết bị cầm tay nhỏ gọn không chỉ xử lý giao diện vô tuyến mà còn cung cấp các giao diện cần thiết cho người sử dụng như microphone, loa, màn hình hiển thị và bàn phím để quản lý cuộc gọi, cũng như kết nối với các thiết bị khác như máy tính cá nhân và máy fax Hiện nay, các nhà sản xuất đang nỗ lực phát triển các thiết bị đầu cuối nhẹ và tiện lợi để kết nối với trạm di động, với nhiều lựa chọn cho người tiêu dùng Chức năng chính của các thiết bị đầu cuối này bao gồm việc cung cấp các dịch vụ liên lạc hiệu quả và linh hoạt.
Thiết bị đầu cuối (TE) thực hiện các chức năng không liên quan đến mạng di động: FAX, máy tính.
Kết cuối trạm di động (MT) thực hiện các chức năng liên quan đến truyền dẫn giao diện vô tuyến.
Bộ thích ứng đầu cuối (TAF) đóng vai trò là cầu nối giữa thiết bị đầu cuối và kết nối di động, đặc biệt cần thiết khi giao diện trạm di động tuân theo tiêu chuẩn ISDN Việc sử dụng bộ thích ứng này cho phép kết nối đầu cuối với các thiết bị đầu cuối có giao diện modem, đảm bảo sự tương thích và hiệu suất tối ưu trong truyền thông.
❖ Trạm thu phát gốc, BTS
BTS (Base Transceiver Station) là một hệ thống bao gồm các thiết bị phát thu, anten và xử lý tín hiệu cho giao diện vô tuyến, có thể xem như các modem vô tuyến phức tạp với nhiều chức năng bổ sung Một thành phần quan trọng trong BTS là TRAU (Transcoder/Adapter Rate Unit), nơi diễn ra quá trình mã hóa và giải mã âm thanh cho hệ thống thông tin di động, đồng thời thực hiện điều chỉnh tốc độ trong trường hợp truyền dữ liệu TRAU có thể được đặt ngay trong BTS hoặc ở vị trí xa hơn, thường nằm giữa BSC và MSC.
❖ Bộ điều khiển trạm gốc BSC
BSC (Base Station Controller) là thiết bị quản lý giao diện vô tuyến thông qua lệnh điều khiển từ xa của BTS và MS, chủ yếu thực hiện các chức năng ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao (Handover) BSC kết nối với BTS ở một phía và MSC ở phía còn lại, hoạt động như một tổng đài nhỏ với khả năng tính toán đáng kể Vai trò chính của BSC là quản lý các kênh vô tuyến và thực hiện chuyển giao, với khả năng quản lý hàng chục BTS tùy thuộc vào lưu lượng Ngoài ra, BTS có thể kết hợp với BSC để tạo thành một trạm gốc.
Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động (MSC) đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin di động, chịu trách nhiệm điều phối việc thiết lập cuộc gọi cho người dùng MSC giao tiếp với BSC và mạng ngoài thông qua MSC cổng (GMSC), với yêu cầu sử dụng các chức năng tương tác (IWF) để đảm bảo thông tin cho người sử dụng Mạng thông tin di động cần giao diện với mạng ngoài để tận dụng khả năng truyền tải, chẳng hạn như sử dụng mạng báo hiệu kênh chung số 7 (CCS No 7) để đảm bảo hoạt động tương tác MSC thường là một tổng đài lớn, quản lý nhiều bộ điều khiển trạm gốc (BSC), phục vụ cho khu vực đô thị với khoảng một triệu dân Để kết nối MSC với các mạng khác, cần có các chức năng tương tác (IWF) để thích ứng giao thức và truyền dẫn, cho phép kết nối với các mạng như PSPDN, CSPDN, PSTN hay ISDN IWF có thể được tích hợp trong chức năng của MSC hoặc nằm ở thiết bị riêng, với giao tiếp giữa MSC và IWF được để mở.
❖ Bộ ghi định vị thường trú, HLR
Ngoài MSC, mạng thông tin di động bao gồm các cơ sở dữ liệu quan trọng Thông tin liên quan đến dịch vụ viễn thông được lưu trữ tại HLR (Home Location Register), không phụ thuộc vào vị trí hiện tại của thuê bao HLR cũng chứa thông tin về vị trí hiện tại của thuê bao và thường là một máy tính độc lập, không có khả năng chuyển mạch, có thể quản lý hàng trăm ngàn thuê bao Một chức năng quan trọng của HLR là nhận dạng trung tâm AUC, có nhiệm vụ quản lý an toàn dữ liệu của các thuê bao.
❖ Bộ ghi định vị tạm trú,VLR
VLR (Visitor Location Register) là cơ sở dữ liệu quan trọng trong mạng thông tin di động, kết nối với một hoặc nhiều MSC VLR có nhiệm vụ lưu trữ tạm thời thông tin thuê bao của các người dùng đang trong vùng phục vụ của MSC, đồng thời cung cấp dữ liệu về vị trí của họ với độ chính xác cao hơn HLR Các chức năng của VLR thường được tích hợp chặt chẽ với các chức năng của MSC.
Mạng thông tin di động bao gồm nhiều thành phần như MSC, VLR và HLR Khi thiết lập cuộc gọi từ mạng ngoài đến người dùng di động, cuộc gọi được định tuyến đến tổng đài cổng (GMSC) mà không cần biết vị trí hiện tại của thuê bao Tổng đài này có nhiệm vụ lấy thông tin vị trí và định tuyến cuộc gọi đến MSC tạm trú của thuê bao Để thực hiện điều này, GMSC dựa vào số điện thoại của thuê bao để xác định HLR cần thiết và gửi yêu cầu đến HLR Tổng đài cổng cũng kết nối mạng bên ngoài với mạng thông tin di động thông qua giao diện báo hiệu số 7 (CCS No 7), và thường được tích hợp với MSC để tối ưu hóa hiệu suất kinh tế.
❖ Khai thác và bảo dưỡng mạng
Hệ thống khai thác OS (Operation System) thực hiện khai thác và bảo dưỡng tập trung cho mạng thông tin di động.
Khai thác mạng là hoạt động giúp nhà cung cấp giám sát hành vi mạng, bao gồm tải hệ thống, mức độ chặn và số lượng chuyển giao giữa các ô Qua đó, họ có thể theo dõi chất lượng dịch vụ và xử lý sự cố kịp thời Ngoài ra, khai thác cũng liên quan đến việc điều chỉnh cấu hình để giảm thiểu vấn đề hiện tại, chuẩn bị cho lưu lượng tăng trong tương lai và mở rộng vùng phủ sóng Việc thay đổi mạng là cần thiết để đảm bảo hiệu suất và khả năng phục vụ khách hàng tốt nhất.
Trong hệ thống viễn thông hiện đại, việc khai thác được thực hiện qua máy tính và tập trung tại một trạm, cho phép điều chỉnh mềm thông qua việc thay đổi thông số chuyển giao để điều chỉnh biên giới tương đối giữa các ô, hoặc thực hiện can thiệp cứng bằng cách bổ sung dung lượng truyền dẫn hoặc lắp đặt trạm mới.
Bảo dưỡng là quá trình quan trọng nhằm phát hiện và sửa chữa các sự cố, hỏng hóc trong mạng viễn thông Các thiết bị hiện đại có khả năng tự phát hiện và dự báo sự cố thông qua chức năng tự kiểm tra Trong nhiều trường hợp, người ta sử dụng thiết bị dự phòng để thay thế cho thiết bị gặp sự cố, và việc này có thể được thực hiện từ xa bởi người khai thác Ngoài ra, bảo dưỡng còn bao gồm các hoạt động tại hiện trường để thay thế các thiết bị hỏng hóc.
Hệ thống khai thác và bảo dưỡng có thể được xây dựng dựa trên nguyên lý của Mạng quản lý viễn thông (TMN) Trong cấu trúc này, một phần của hệ thống sẽ kết nối với các thành phần mạng viễn thông như MSC, BSC, HLR và các thiết bị khác, ngoại trừ BTS, vì việc truy cập vào BTS được thực hiện thông qua BSC Đồng thời, hệ thống khai thác và bảo dưỡng cũng được kết nối với một máy tính chủ, thực hiện vai trò giao tiếp giữa người và máy Hệ thống này thường được gọi là Trung tâm khai thác và bảo dưỡng (OMC).
❖ AUX: Thiết bị bổ trợ
❖ Quản lý thuê bao và trung tâm nhận thực, AUC
Quản lý thuê bao bao gồm các hoạt động như nhập và xóa thuê bao khỏi mạng, cùng với việc xử lý các đăng ký phức tạp liên quan đến nhiều dịch vụ và tính năng bổ sung Nhà khai thác cần truy cập tất cả thông số để thực hiện tính cước cuộc gọi và gửi thông tin cước phí đến thuê bao Trong mạng thông tin di động, quản lý thuê bao chủ yếu liên quan đến HLR và một số thiết bị OS để kết nối HLR với các trung tâm giao dịch Quá trình này được thực hiện thông qua một khóa nhận dạng bí mật duy nhất cho mỗi thuê bao, mà AUC (Authentication Center) sử dụng để quản lý thông tin nhân thức và mật mã Khóa bí mật này có thể được lưu trữ trong HLR, MSC hoặc độc lập và được bảo mật trong bộ nhớ của MS, thường là dưới dạng SIM-CARD có thể tháo rời.
❖ Quản lý thiết bị di động, EIR
Quản lý thiết bị di động được thực hiện thông qua bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR (Equipment Identity Register), nơi lưu trữ tất cả dữ liệu liên quan đến trạm di động MS EIR kết nối với MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị; nếu thiết bị không được phép, nó sẽ bị cấm sử dụng Cần lưu ý rằng sự được phép của thuê bao được xác nhận bởi AUC, khác với thiết bị.
❖ Bộ xử lý bản tin số liệu, DMH: DMH (Data Message Handler) được sử dụng để thu thập các dừ liệu tính cước.
Phân lớp mặt phang chức năng cho cấu trúc
Cấu trúc của hệ thống thường được trình bày dưới dạng phân lớp mặt phẳng, trong đó trục ngang thể hiện phân bố không gian và trục thẳng đứng thể hiện mức độ trừu tượng tăng dần Mỗi lớp mặt phẳng đại diện cho các chức năng mà thiết bị phải thực hiện, trong khi khối thẳng đứng biểu thị cho các thiết bị cụ thể trong hệ thống.
Trong lĩnh vực viễn thông, phương pháp phân nhóm chức năng hiệu quả nhất là sử dụng mô hình kết nối hệ thống mở (OSI) Các chức năng được tổ chức thành các mặt phẳng chức năng xếp chồng lên nhau, với mặt phẳng thấp nhất đảm nhiệm việc truyền dẫn thông tin qua môi trường vật lý, trong khi mặt phẳng cao nhất phản ánh góc nhìn của người sử dụng Mỗi lớp cung cấp dịch vụ cho lớp cao hơn, và các dịch vụ này là sự mở rộng của những dịch vụ từ lớp dưới Các thiết bị hệ thống được trình bày theo phương thẳng đứng, với mặt cắt giữa thiết bị và lớp tương ứng với các chức năng mà thiết bị cần thực hiện Ngoài tổ chức phân lớp, còn có sự phân loại theo thời gian, trong đó các lớp thấp hơn tương ứng với phạm vi thời gian ngắn hơn và các lớp cao hơn nhóm các chức năng có phạm vi thời gian lâu hơn Các phần tử phối hợp với nhau để cung cấp dịch vụ qua việc trao đổi thông tin, với các quy tắc giao tiếp được xác định bởi các điểm chuẩn tại giao diện giữa hai phần tử khác nhau, gọi là giao thức báo hiệu Cần phân biệt rõ giữa giao diện và giao thức, trong đó giao diện là điểm tiếp xúc giữa hai phần tử, và có thể có nhiều giao thức khác nhau hoạt động tại đó.
MS và BTS thực hiện truyền dẫn, trong khi MS và MSC quản lý truyền dẫn tại giao diện vô tuyến Đồng thời, MS và MSC cũng quản lý di động của người sử dụng và thông tin liên quan Ngoài ra, MS còn kết nối với HLR để thiết lập các dịch vụ bổ sung.
Hình 1.6: Giao thức và giao diện
Ký hiệu ss : Supplementary Services - Dịch vụ bổ sung
CM : Connection Managment - Quản lý nối thông
MM : Mobility Managment - Quản lý di động
RR : Radio Resource Managment - Quản lý tài nguyên vô tuyến
Hình 1.6 minh họa việc phân tích giao diện thành ngăn xếp các giao thức, trong đó mỗi giao thức liên quan đến mặt cắt giữa chức năng và giao diện Các bản tin của giao thức có thể xuất hiện ở nhiều giao diện dọc theo đường truyền, đặc biệt khi các phần tử đồng cấp không nằm cạnh nhau Tuy nhiên, sự khác biệt giữa hai khái niệm này thường không được phân biệt rõ trong các tiêu chuẩn, dẫn đến việc tiêu chuẩn ‘giao diện’ thực chất trở thành tiêu chuẩn ‘giao thức’ Để thiết lập tiêu chuẩn cho các giao thức, các chức năng trên các mặt phẳng được cắt thành các mảng mỏng nhằm đảm bảo tính ổn định và giảm độ phức tạp Hình 1.7 thể hiện cấu trúc tổng quát của các mặt phẳng chức năng trong hệ thống thông tin di động, với mặt phẳng dưới cùng là mặt phẳng truyền dẫn, cung cấp phương tiện truyền dẫn cho nhu cầu thông tin của người sử dụng và trao đổi giữa các phần tử cộng tác Truyền dẫn diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn, từ vài micro giây đến vài giây.
Mặt quản lý tài nguyên truyền dẫn trong mạng viễn thông là một phần quan trọng, thường được kết hợp với quản lý thông tin, nhưng trong hệ thống tổ ong của thông tin di động, nó trở thành một vấn đề phức tạp và cần một lớp chức năng riêng biệt, gọi là lớp quản lý tài nguyên vô tuyến (RR) Lớp RR đảm bảo kết nối ổn định giữa các trạm di động và MSC, hỗ trợ di động trong quá trình gọi, với thời gian xử lý sự kiện từ vài giây đến vài phút Bên cạnh đó, lớp quản lý thông tin di động (MM) có nhiệm vụ quản lý dữ liệu thuê bao và vị trí của thuê bao, cũng như bảo mật thông tin qua các hoạt động như nhận thực Các phần tử như SIM-CARD, HLR và AUC tham gia vào hoạt động của lớp MM, giúp theo dõi thuê bao khi không bận và đảm bảo an toàn thông tin.
RR và MM đảm bảo cung cấp các dịch vụ viễn thông cho người dùng, được gọi là lớp quản lý thông tin hay lớp CM (Connection Management).
Hệ thống bao gồm nhiều phần tử độc lập tùy thuộc vào loại dịch vụ, trong đó HLR, VLR và MSC đóng vai trò quan trọng Các lớp RR, MM và CM đảm bảo chất lượng phục vụ cao cho người dùng Tuy nhiên, để có cái nhìn toàn diện, cần xem xét thêm mặt phẳng khai thác, quản lý và bảo dưỡng (OAM), cung cấp công cụ cho hoạt động của nhà khai thác Mặc dù dịch vụ của lớp này không cao hơn các lớp khác, nhưng nó có vai trò quan trọng trong việc duy trì và quản lý hệ thống Lớp OAM thường có thời gian hoạt động lâu hơn, từ vài giờ đến vài năm, và có mối liên hệ với hệ điều hành (OS).
MS BTS BSC MSC/VLR
Hình 1.7: cấu trúc giao thức của hệ thống thông tin di động
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1
Câu 1: Trình bày lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động Nêu đặc điểm của mạng 1G, 2G, 3G, 4G.
Câu 2: Trình bày các công nghệ được sử dụng trong hệ thống thông tin di động Hiện nay, các nhà mạng ở nước ta đang sử dụng công nghệ nào?
Câu 3: Nêu đặc điểm của công nghệ CDMA, TDMA trong hệ thống thông tin di động.
Câu 4: Vẽ sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống thông tin di động Nêu chức năng của các khối.
Câu 5: Trình bày các cấu trúc địa lý của hệ thống thông tin di động
Đặc điểm truyền dẫn ở thông tin di động
Mở đầu
Hệ thống thông tin di động là hệ thống truyền thông cho phép các thuê bao truyền và nhận tín hiệu qua không gian vô tuyến.
Trong hệ thống thông tin di động, người dùng có thể di chuyển nên phải có quá trình thực hiện xử lý để đảm bảo thông tin liên tục.
Hệ thống thông tin di động phải đối mặt với nhiều khó khăn, bao gồm việc nhiều người dùng truy cập đồng thời, suy hao tín hiệu trong quá trình truyền tải, nhiễu do ảnh hưởng của môi trường, nhiễu giữa các kênh truyền khác nhau, hiệu ứng đa đường và sự di động của người dùng.
❖ Ảnh hưởng của phương thức truyền dẫn đến hệ thống thông tin di động
Thông tin di động sử dụng công nghệ vô tuyến, do đó, quá trình truyền dẫn sẽ chịu ảnh hưởng từ hai yếu tố chính: môi trường truyền dẫn mở và băng tần hạn chế.
Môi trường truyền dẫn hở dẫn đến ảnh hưởng sau đây đối với truyền dẫn ở thông tin di động:
- Chịu ảnh hưởng rất lớn vào môi trường truyền dẫn: khí hậu, thời tiết.
- Chịu ảnh hưởng rất lớn vào địa hình: mặt đất, đồi núi, nhà cửa cây cối
- Suy hao trong môi trường rất lớn.
- Chịu ảnh hưởng của các nguồn nhiễu trong thiên nhiên: phóng điện trong khí quyển, phát xạ của các hành tinh khác (khi thông tin vệ tinh)
- Chịu ảnh hưởng nhiễu công nghiệp từ các động cơ đánh lửa bằng tia lửa điện.
- Chịu ảnh hưởng nhiễu từ các thiết bị vô tuyến khác.
- Dễ bị nghe trộm và sử dụng trái phép đường truyền thông tin.
Pha đinh là một hiện tượng nguy hiểm trong các đường truyền dẫn vô tuyến, gây ra sự thăng giáng thất thường của cường độ điện trường tại điểm thu Nguyên nhân của pha đinh thường liên quan đến sự thay đổi của thời tiết và địa hình, ảnh hưởng đến điều kiện truyền sóng Đặc biệt, pha đinh đa tia là loại nguy hiểm nhất, xảy ra khi máy thu nhận tín hiệu không chỉ từ tia đi thẳng mà còn từ nhiều tia phản xạ khác nhau Do đó, các hệ thống truyền dẫn vô tuyến cần được trang bị các thiết bị và hệ thống chống pha đinh hiệu quả để đảm bảo chất lượng tín hiệu.
Truyền dẫn thông tin di động hoạt động trong dải tần từ 800 MHz đến 2 GHz, gây ra sự hạn chế lớn về dung lượng truyền dẫn của các đường truyền.
Suy hao đường truyền và pha đinh
Suy hao đường truyền là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tín hiệu, bao gồm suy hao truyền dẫn qua không gian tự do, khúc xạ, nhiễu xạ, phản xạ sóng, và suy hao ghép nối do độ mở sóng ngoài môi trường.
Suy hao đường truyền trong thông tin vô tuyến điểm đến điểm phụ thuộc vào khoảng cách giữa anten thu và phát, với suy hao tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách R (R²) khi anten đặt cao Ngược lại, trong thông tin di động, khi anten di động (MS) gần mặt đất (khoảng 1,5 m), suy hao tỷ lệ với lũy thừa n của khoảng cách R (Rⁿ), trong đó n lớn hơn 2 Để tính toán suy hao đường truyền, người ta sử dụng các mô hình truyền sóng khác nhau, do tính chất không ổn định của truyền sóng, các mô hình này chủ yếu mang tính thực nghiệm Bài viết sẽ xem xét một số mô hình truyền sóng phổ biến được áp dụng để tính toán suy hao đường truyền.
Tổn hao truyền sóng giữa BS (trạm gốc) và MS (trạm di động) trong môi trường ngoài trời đã được nghiên cứu rộng rãi Thông thường, tổn hao trong quá trình truyền sóng có thể được biểu diễn thông qua một biểu thức cụ thể.
P(R): tổn hao tại khoảng cách R so với tổn hao tại khoảng cách tham khảo Ro n : mũ của tổn hao đường truyền ơ: lệch chuẩn, thông thường 8 dB
Thành phần thứ hai trong phương trình (2.1) mô tả sự suy hao không đổi giữa BS và MS trong môi trường ngoài trời, với giá trị n thường gần bằng 4, có thể dao động từ 2 đến 5 Khi n = 4, tín hiệu sẽ suy giảm 40 dB khi khoảng cách tăng gấp 10 lần so với khoảng cách tham khảo Thành phần thứ nhất của phương trình này phản ánh sự thay đổi của tổn hao xung quanh tổn hao đường truyền trung bình, được xấp xỉ bằng một phân bố logarit chuẩn với giá trị trung bình tương ứng với thành phần thứ hai và lệch chuẩn khoảng 8 dB Nghiên cứu đã chứng minh rằng giá trị này có thể áp dụng cho cả môi trường truyền sóng ở thành phố và nông thôn.
❖ Các mô hình thực nghiệm:
Có nhiều mô hình thực nghiệm được áp dụng để dự đoán tổn hao truyền sóng, trong đó hai mô hình phổ biến nhất là Hata-Okumura và Walfisch-Ikegami.
Hầu hết các công cụ truyền sóng sử dụng một dạng biến đổi của mô hình Hata
Mô hình Hata, được phát triển từ báo cáo kỹ thuật của Okumura, cung cấp một phương pháp thực nghiệm cho việc tính toán tổn hao tín hiệu trong thông tin vô tuyến Báo cáo này bao gồm chuỗi lưu đồ hữu ích cho việc lập mô hình và phân tích Các biểu thức trong mô hình Hata được sử dụng để xác định tổn hao trung bình Lp, giúp cải thiện độ chính xác trong các dự đoán về hiệu suất mạng.
Lp= 69,55 + 26,161gfc- 13,821ghb- a(hm) + (44,9-6,551ghb)lgR dB (2.2) Trong đó fc: Tần số (MHz)
Tổn hao trung bình (dB) được ký hiệu là Lp, trong khi độ cao của anten chạm gốc được biểu thị bằng hb (m) Hệ số hiệu chỉnh cho độ cao anten di động được ký hiệu là a(hm) (dB) Khoảng cách từ trạm gốc được tính bằng R (km).
Dải thông số sử dụng được trong mô hình Hata là:
Đối với khoảng cách từ 1 đến 20 km, công thức tính a(hm) cho thành phố nhỏ và trung bình là: a(hm) = (l,llgfc - 0,7)hm - (l,561gfc - 0,8) dB Trong khi đó, với thành phố lớn, a(hm) được tính bằng a(hm) = (8,29(lgl,54hm)² - 1,1 dB cho fc < 200 MHz hoặc a(hm) = 3,2(lgl l,75hm)² - 4,97 dB cho fc > 400 MHz.
Lb = Lp(thành phố) - 2[(ỉg(fc/28)2) - 5,4] dB (2.6) Vùng nông thôn (thông thoáng):
Lp = Lp(thành phố) - 4,78(lgfc)2 + 18,33(lgfc) - 40,49 dB (2.7)
Mô hình Hata không xem xét các điều chỉnh cho đường truyền cụ thể như trong mô hình Okumura, vốn có xu hướng trung bình hóa các tình trạng cực điểm và không phản ứng nhanh với sự thay đổi của mặt cắt đường truyền vô tuyến Mô hình Okumura thể hiện tốt hơn cho các khu vực đô thị với các tòa nhà xếp hàng, nhưng các phép đo của nó chỉ chính xác cho kiểu tòa nhà ở Tokyo Kinh nghiệm từ Mỹ cho thấy tình trạng ngoại ô thường nằm giữa vùng nông thôn và thành thị Để dự đoán tổn hao đường truyền chính xác, cần phải có dữ liệu về các yếu tố môi trường và thực hiện hiệu chỉnh cho từng đường truyền cụ thể Các kỹ thuật của Okumura để điều chỉnh cho các đặc điểm bất thường của đường truyền yêu cầu diễn giải thiết kế, làm cho nó không phù hợp cho việc sử dụng máy tính Đối với PCS hoạt động ở tần số 1.500 - 2.000 MHz, tổn hao trung bình Lp trong ô micro (phạm vi 0,5 - 1 km) được tính theo mô hình COST 231 Hata khi anten cao hơn nóc nhà.
Lp= 46,3+33,91gfc-13,821ghb-a(hra) + (44,9 - 6,551ghb)lgR + cm dB (2.8)
Trong đó: f, hb, hm, a(hm) và R giống như trên cm — 0 cho thành phố trung bình và các trung tâm ngoại ô
3 dB cho các trung tâm thành phố.
Công thức trên không áp dụng khi hb < h của nóc nhà.
Mô hình đánh giá tổn hao đường truyền thông tin tổ ong trong môi trường thành phố kết hợp giữa thực nghiệm và xác định, hoạt động hiệu quả trong dải tần 800 - 2.000 MHz Được áp dụng đầu tiên ở châu Âu cho hệ thống GMS và một số mô hình truyền sóng ở Mỹ, mô hình này bao gồm ba yếu tố chính: tổn hao không gian tự do, nhiễu xạ mái nhà - phố, và tổn hao tán xạ, cùng với tổn hao do nhiều vật chắn Các biểu thức liên quan được sử dụng để tính toán tổn hao trong mô hình này.
Lp=Lf + Lrts + Lms dB (2.9)
Hay Lp=Lf khi Lrts+Lms < 0 (2.10)
Chúng tôi đã tính toán tổn hao đường truyền sử dụng mô hình Hata và Walfisch - Ikegami dựa trên các thông số: tần số fc = 880 MHz, chiều cao anten người dùng hm = 1,5 m, chiều cao anten trạm hb = 30 m, độ cao nóc nhà = 0 m, chiều cao mái hr = 0 m, góc phủ ộ = 90°, chiều dài b = 30 m và chiều rộng w = 15 m Kết quả được so sánh và trình bày trong bảng 1.
Mô hình Hata Mô hình Walfisch - Ikegami
Bảng 2.1: So sánh tổn hao đường truyền từ mô hình Hata và Walfisch - Ikegami
Theo dự đoán, tổn hao đường truyền theo mô hình Hata thấp hơn từ 13 đến 16 dB so với mô hình Walfisch - Ikegami Mô hình Hata không tính đến ảnh hưởng của độ rộng phố, nhiễu xạ phố và các tổn hao tán xạ, trong khi các yếu tố này được xem xét trong mô hình Walfisch - Ikegami.
Thừa số hiệu chỉnh tổn hao do cây:
Weisseberger đã cải tiến mô hình trễ hàm mũ để áp dụng cho các khu vực có đường truyền vô tuyến bị cản trở bởi cây cối dày đặc trong khí hậu ôn hòa Mô hình này cho phép tính toán tổn hao bổ sung một cách hiệu quả.
Lf= l,33(fc)°‘284(df)0,588 dB đốivớidf>14m (2.11)
= 0,45(fc)°’284df dB đối với 0
