Tổng quan về mạng thông di động gsm cách thức giao tiêp giữa máy đầu cuối di động

Lời nói đầu Thông tin di động đà trở thành dịch vụ kinh doanh thiếu đợc tất nhà khai thác viễn thông Đối vơí khách hàng viễn thông với nhà doanh nghiệp thông tin di động trở thành phơng tiện quen thuộc Các dịch vụ thông tin di động không hạn chế cho khách hàng giàu có mà phát triển cho đối tợng khách hàng viễn thông với phát triển đất nớc công nghệ thông tin có bớc phát triển tuyệt vời với phát triển nghành khác nh, điện tử, tin học, quang học công nghệ viễn thông đà mang ®Õn cho ngêi tÊt nh÷ng øng dơng tÊt nghành kinh tế, giáo dục, văn học, y học, thông tin quảng bá Các quốc gia coi viễn thông tin học Các quốc gia coi viễn thông tin học nghành mũi nhọn đợc đầu t thích đáng nghiên cứu ứng dụng công nghệ thông tin làm đòn bẩy để kích thích phát triển nghành kinh tế quốc dân khác Đi với phát triển công nghệ thông tin thông tin di động đợc phát triển tăng cờng cách đa thêm dịch vụ nh thông tin số liệu tốc độ cao, hình ảnh tốc độ thấp, hình ảnh tốc độ đủ để phục vụ cho truyền hình Các quốc gia coi viễn thông tin học Để làm đ ợc điều thông tin di động số băng hẹp đợc chuyển vào thông tin di động số băng rộng số nớc phát triển giới số thuê bao di động đà chiếm 70% tổng thêu bao, nớc ta số thuê bao di động đà chiÕm trªn 10% tỉng sè thªu bao Víi su thÕ háo mạng thâm nhập thuê bao để đáp ứng tính di động hoạt động kinh tế-xà hội ngêi thÕ kû XXI dù b¸o c¸c tû trọng thuê bao di động tổng số thuê bao không ngừng tăng nhanh đạt tới 50% tổng số thêu bao vào đầu kỷ XXI Nớc ta hai mạng thông tin di động tổ ong số đại theo tiêu chuẩn GSM đợc khai thác hiệu Mạng di động mạng có s tổ hợp hoàn chỉnh nhiêu công nghệ tiên tiến thuật toán lý thuyết đại nh kỹ thuật định vị, xử lý tiếng nói, ®iỊu chÕ sè, sư lý tÝn hiƯu sè… C¸c qc gia coi viễn thông tin học Vì việc nghiên cứu tìm hiểu mạng thông tin di động để có đợc nhìn ban đầu đòi hỏi phải có lỗ lực lớn thơì gian công sức tinh thần đồ án em nhằm mục đích cung cấp làm sáng tỏ kiến thức tổng quan mạng thông di động GSM cách thức giao tiêp máy đầu cuối di động Các quốc gia coi viễn thông tin học Cuốn đồ án nằm khuôn khổ hạn hẹp luận án tốt nghiệp lại bị hạn chế thời gian chắn không tránh khỏi thiếu sót _ _ ý thøc còng nh thực tế kỹ thuật ngơì viết mong nhận đợc ý kiến đóng góp từ phía độc giả để nội dung đồ án đợc nâng cao hoàn thiện cuối em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đức Thuận đà giúp đỡ em tận tình trình thực tập nh trình làm đồ án _ _ Chơng I Khái quát thông tin vô tuyến di động 1.1 Lịch sử phát triển: Vào cuối kỷ 19, thí nghiệm nhà bác học ngời ý Mareoni Gugliehno (1874 1937, giải Nobel vật lý năm 1909) đà cho thấy thông tin vô tuyến thực máy thu phát xa di động Thông tin vô tuyến lúc sử dụng mà Morse, mÃi năm 1928 hệ thống vô tuyến truyền đuợc thiết lập, tiên cho cảnh sát Đến năm 1933 sở cảnh sát Bayone, New jersey thiết lập đợc hệ thống thoại vô tuyến di động tuơng đối hoàn chỉnh giới Hồi thiết bị điên thoại di động cồng kềnh, nặng hàng chục kg, đầy tạp âm tốn nguồn dùng đèn điện tử tiêu thụ nguồn lớn Công tác dải thấp băng VHF, thiết bị liên lạc đợc với khoảng cách vài chục dặm Sau quân đội đà sử dụng thông tin di động để triển khai huy chiến đấu có hiệu Các dịch vụ di động đời sống nh cảnh sát, cứu thuơng, cứu hoả, hànghải, hàng không Cũng đà sử dụng thông tin di động để hoạt động đợc thuận lợi Chất lợng thông tin di động hồi Đó đặc tuyến truyền dẫn sóng vô tuyến dẫn đến tín hiệu thu đợc tổ hợp nhiều thành phần tín hiêu đợc phát đi, khác biên độ pha thời gian giữ chậm Tổng vec tơ tín hiệu làm cho đờng bao tín hiệu thu đợc bị thăng giáng mạnh nhanh Khi trạm di động hành tiến , mức tín hiệu thu thờng bị thay đổi lớn nhanh làm cho chất lợng đàm thoại bị suy giảm trông thấy Tất nhiên, tất đặc tính truyền dẫn ngày tồn song hồi chúng đợc chống lại kỹ nghệ thời kỳ sơ khai Trong ngày công nghệ bán dẫn sử dụng hàng triệu đèn bán dẫn cho việc loại bỏ ảnh hởng sấu đặc tính truyền dẫn hồi máy thu phát thờng không 10 đèn điện tử Băng tần sử dụng đợc công nghệ đơng thời cho thông tin vô tuyến khan Các băng sóng chung dài đà đợc sử dụng cho phát băng tần số thấp cao (LF HF) bị chiếm dich vụ thông tin toàn cầu Công nghệ ngày cha thích hợp để đạt đợc chất lợng liên lạc cao băng sóng VHF UHF Khái niệm tái dụng tần số đà đợc nhận thức song không đợc áp dụng để đạt đợc nguời sử dụng cao Do đó, suốt nhiều năm chất lợng thông tin di động h¬n _ _ nhiều so với thông tin hữu tuyến công nghệ không thích hợp nhà tổ chức thông tin đà không sử dụng độ rộng dải tần băng tần số cao Trong mạng điện thoại tơng tự cố định thơng mại đợc số hoá nhờ phát minh dụng cụ điện tử có kích thớc nhỏ bé tiêu thụ nguồn tình trạng vô tuyến điện biến đổi chậm chạp Các hệ thống vô tuyến di động nội mặt đất đà bắt đầu đợc sử dụng song mức độ phục vụ nhóm chuyên biệt cha phải cho cá nhân cộng đồng Mặc dầu Bell Laboratories đà thai nghén ý đồ mạng tế bào từ năm 1947, song mÃi tận năm 1979 công ty mẹ không làm khởi đầu việc áp dụng hệ thống vô tuyến tế bào Thời kỳ ấp ủ lâu dài phải chờ đợi phát triển cần thiết công nghệ Chỉ có mạch tích hợp thiết kế đợc mét c¸ch t chän, c¸c bé vi sư lý, c¸c mạch tổng hợp tần số, chuyển mạch nhanh dung lợng lớn Mạng vô tuyến tế bào đợc biến thành thực Những năm thập kỷ 80 đà chøng kiÕn sù ®êi cđa mét sè hƯ thèng vô tuyến tế bào tơng tự thờng đợc gọi mạng vô tuyến di động mặt đất công cộng (PLMR Publie Land Mobile Radio) Làm việc giải UHF, mạng cho thấy thay đổi vợt bậc độ phức tạp hệ thống thông tin liên lạc dân Chúng cho phép ngời sử dụng có đợc đàm thoại di động với đối tợng có nối tới mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN (Public Switched Telephon Network) mạng đa dịch số ISDN (Integrated Services Digital Nework) Trong năm 90 có bớc tiến thông tin di động với việc áp dụng mạng tế bào số (Digital cellular System) hệ thống không giây số (Digital Cordless Telecommunication System) Ngoài dịch vụ điện thoại truyền thống, hệ vô tuyến di động sè thÕ hƯ thø hai nµy sÏ cung cÊp mét mảng dịch vụ khác nh tiếng nói, truyền số liệu, truyền fax, truyền tin nhắn Ngày thông tin di động phát triển mạnh mẽ phạm vi toàn giới, ngày tiến tới chia sẻ thị trờng thay mảng dịch vụ thông tin cố định Hình 1a Phác cho khía cạnh dự báo tơng quan dịch vụ thông tin di động thông tin cố định tơng lai gần châu Âu, 450 cho thấy từ năm 1998 trở lợi nhuận từ dịch vụ thông tin di động bắt kịp vợt nhanh lợi nhuận thu đợc từ dịch vụ cố ®Þnh 400 350 300 250 200 150 100 Fixed Service Supphers Module Service Supphers 50 _ _ 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 H×nh1a Dù báo lợi nhuận số loại hình dịch vụ thông tin (châu Âu) 1.2 Đặc điểm truyền sóng thông tin di động: Đặc điểm truyền sóng thông tin vô tuyến di động tín hiệu thu đợc máy thu bị thay đổi so với tín hiệu đà bị phát tần số biên độ, pha thơi gian giữ chậm Các thay đổi có tính chất phức tạp Sự tác động chúng tới chất lợng liên lạc phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố khác nh địa hình khoảng cách liên lạc, giải tần, khí tốc độ truyền tin tốc độ di chuyển trạm di động, mật độ thuê bao đơn vị diện tích , ăng ten, công suất phát, sơ đồ điều chế Tuy chung ta chia cách vắn tắt ảnh hởng truyền sóng thành ảnh hởng hiệu ứng dopler, tổn hao đờng trun vµ pha ding 1.2.1 HiƯu øng dopler: Lµ sù thay đổi thay đổi tần số tín hiệu thu đợc so với tín hiệu đà đợc phát đi, gây chuyển động tơng đối máy thu máy phát qúa trình truyền sóng Gỉa sử sóng mang không bị điều chế có tần số fc đợc phát tới máy thu di động với vận tốc v Tại máy thu, tần số tín hiệu nhận đợc theo tia sóng thứ i f=fc+fm.cos i góc tới tia sóng thứ i so với hớng chuyển động máy thu, fm lợng dịch tần Dopler fm = v.fc/c với c vận tốc ánh sáng Nh trờng hợp máy thu đứng im so với máy phát (v=0) máy thu chuyển động vuông góc với góc tới tín hiệu (cosi =0 ) tần số liệu thu đợc có thay đổi so với tần số tín hiệu phát Hiệu ứng dopler sẩy mạnh máy thu di động theo phơng tia sóng tới (cosi = 1) Điều thờng sảy thông tin di động máy thu đặt xe di chuyển xa lộ, _ _ c¸c ăng ten trạm phát đợc bố chí dọc theo xa lộ (đợc gán cầu vợt ngang qua xa lộ chẳng hạn) 1.2.2 tổn hao đờng chuyền: Là lợng suy giảm mức điện thu so với mức điện phát mức điện trung bình tín hiệu thu giảm dần theo khoảng cách công suất tín hiệu đơn vị diện tích mặt sóng cầu giảm dần khoảng cách ăng ten thu phát, hấp thụ môi trờng truyền Tổn hao đờng truyền phụ thuộc vào tần số xạ, địa hình, tính chất môi trờng mức độ di động chớng ngại vật, độ cao ăng ten, loại ăng ten Trong thông tin vô tuyến tế bào, nhiều trờng hợp tổn hao đờng truyền tuân theo luật mũ tức tăng tỉ lệ với luỹ thừa khoảng cách Về nguyên tắc tổn hao đờng truyền hạn chế kích thớc tế bào cự ly liên lạc song nhiều trờng hợp ta lợi dụng tính chất tổn hao đờng truyền để phân chia hiệu tế bào cho phép tái dụng tần số cách hữu hiệu làm tăng hiệu sử dụng tần số 1.2.3 Pha-ding: Trong quÃng cách tơng đối ngắn mức tín hiệu thu trung bình coi số, nhiên mức điện tức thời tín hiệu thu ăng ten lại thay đổi nhanh với lợng tiêu biểu tới 40 dB Những thay đổi nhanh mức điện thu tức thời đợc gọi pha-ding nhanh Giả sử trạm cố định phát sóng ngang không bị điều chế, trạm thu di động thu đợc không thành phần sóng mang đà đợc phát mà tổ hợp tia sóng tín hiệu bị phản xạ, nhiễu xạ cao ốc, tán xạ, trớng ngại vật linh tinh kh¸c tríc tíi m¸y thu Thùc tÕ hầu hết môi trờng tia sóng thu đợc máy thu di động phải chịu thay ®ỉi (phơ thc vµo ®êng ®i cđa nã) vỊ pha, thời gian giữ chậm riêng, biên độ nh dịch tần dopler Kết tín hiệu mà trạm di động thu đợc khác cách với sóng mang đà phát Trong trờng hợp nghiêm trọng, tỉng vec – t¬ cđa tÝn hiƯu tíi theo nhiỊu tia giảm tới giá trị thấp Hiện tợng gọi pha ding nhiều tia máy di động di chuyển, mức thu bị pha - ding theo tõng qu·ng c¸ch nưa bíc sãng däc theo hành trình pha ding sâu xảy ra, tín hiệu thu đợc giảm tới không, tỉ số tín/ tạp nhỏ không, đầu máy thu hoàn toàn tuỳ thuộc vào nhiƠu cđa kªnh _ _ Trong thức tế sóng mang đợc diều chế Trong thông tin di động số ảnh hởng đặc tính truyền dẫn phụ thuộc vào tỷ lệ số độ dài dấu (Symbol) trải giữ chậm (Delay Spread) kênh vô tuyến biến đổi theo thời gian Độ trải giữ chậm xem nh độ dài tín hiệu thu đợc xung cực hẹp đợc truyền Nếu số liệu đợc truyền với tốc độ thấp chúng giải đợc dễ dàng phần thu Đó bành trớng trun theo nhiỊu tia cđa mét xung sè liƯu kết thúc trớc xung đợc phát Tuy ta tăng tốc độ truyền số liệu lên mÃi tới lúc dấu số liệu trải hẳn sang dấu số liệu lân cận, tạo xuyên nhiễu dấu ISI (InterSymbol Interference) Nếu mạch san kênh nhằm loại bỏ ISI tỷ lệ lỗi bít BER (Bít – Erro Ratio) sÏ lín tíi møc kh«ng thĨ chÊp nhận đợc Giả sử ta truyền số liệu với tốc độ lớn song đa máy di động lại gần trạm cố định đồng thơì giảm cách thích hợp công suất phát tức thu hẹp kích thớc tế bào trải giữ chậm tia nhìn chung nhỏ ISI không đáng kể không cần san kênh Pha ding đợc gọi phẳng xảy nh suốt dải tần số kênh Pha ding chọn lọc theo tần số xảy đồng giải tần số kênh, gây lên ISI Nh kích thớc tế bào có ảnh hởng quan trọng tới đặc điểm truyền sóng Đối với tế bào có kích thớc lớn mạch san bắt buộc truyền tốc độ thấp (vài chục kb/s) ngợc lại với siêu vi tế bào (Picocell) trải giữ chậm nhỏ 1s nhiều, pha ding phẳng với tốc độ số liệu vài Mb/s, mạch san không cần thiết cần nhấn mạnh thêm việc có đợc đờng truyền nhìn thẳng LOS (Line Of Sight) máy thu máy phát (thờng sảy vi tế bào) có ý nghĩa cải thiện chất lợng liện lạc đặc biệt 1.3 Phân loại hệ thống thông tin vô tuyến di động: Theo cấu trúc đặc điểm phơng thức truy nhập hệ thống thông tin vô tuyến di động đợc phân chia thành nhiều loại khác Theo cấu trúc, chúng thờng đợc phân chia thành: hệ thống mạng tế bào hệ thống viễn thông không dây vành vô tuyến địa phơng Theo đặc tính, hệ thống vô tuyến di động đợc phân chia thành hệ thống liên tục (Analogue) hệ thống số (Digital) Trong thông tin di động, phơng thức đa truy nhập (ghép kênh) sau thờng đợc sử dụng: Đa truy nhập theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access) ®a truy nhËp theo thêi gian TDMA _ _ (Time Division Multiple Access) đa truy nhập theo mà CDMA(Code Division Multiple Access) Do khuân khổ có hạn phần em điểm qua đặc yếu loại hệ thống vô tuyến di động theo phân loại nêu 1.3.1 Phân loại theo cấu trúc: - Mạng tế bào (Cellular Mobile Radio): Việc liên lạc thông tin vô tuyến di động tế bào đợc tiến hành hệ thống trạm gốc cố định BS (Base Station) đợc bố trí theo vùng địa lý trạm di động MS (Mobile Station) diện tích địa lý MS liên lạc trức tiếp với BS đợc gọi tế bào (Cell) coi biên tế bào đợc xác định khoảng cách cực đại mà MS khỏi BS mà liên lạc cha chở lên chấp nhận đợc lý thuyết tế bào thờng đợc bố chí có dạng tổ ong với kích thớc thích hợp cho phép tái dụng tần số nhằm đạt đợc mật độ ngời sử dụng thích hợp thực tế hình dáng thực kích thớc tế bào phụ thuộc vào địa hình công suất phát, mật độ ngời sử dụng, loại ăng ten độ cao ăng ten Thônng thờng địa hình nông thôn tế bào có bán kính tới 35km, đô thị số vài km chí vài trăm mét đến 1km Mạng vô tuyến tế bào đợc dïng ®Ĩ tỉ chøc PLMR, GSM, IS – 54/IS – 136, IS95 (CDMA) Là hệ thống vô tuyến tế bào tiêu biểu - Viễn thônng không dây CT (Cordless Telecommunication ): Các mạng không dây đợc thiết kế cho mạng di động phủ sóng khoảng cách tơng đối nhỏ nh môi trờng công sở nhà máy Do kích thớc tế bào nhỏ tốc độ chuyền số liệu cao mà không cần mạch san phức tạp, chí không thiết phải áp dụng mà hoá kênh Các mạng không dây tiêu biểu DECT (Digital European Coidless Telecommunication ) châu Âu, CT Anh - Vành vô tuyến địa phơng (Wireless Local Loop): Đợc sử dụng để nối thêu bao điện thoại tới mạng điện thoại công cộng thiết bị vô tuyến Chất lợng liên lạc, độ an toàn thông tin vành vô tuyến điạ phơng tơng tự nh mạng hữu tuyến Tuỳ lĩnh vực áp dụng cự li liên lạc 200m đến 500m địa hình đô thị tới 20km vùng nông thôn Thủ tục lắp đặt nhanh chóng, lắp đặt, bảo trì điều _ _ phối rẻ Tại vùng nông thôn ngoại ô hẻo lánh nơi có mật độ thuê bao thấp việc đặt đờng dây thuê bao điện thoại không thấy kinh tế vành vô tuyến địa phơng trở nên hiệu 1.3.2 Phân loại theo đặc tính: - Vô tuyến di động liên tục: Là hệ thống điện thoại vô tuyến di động hệ thứ nhất, tín hiệu thoại tín hiệu liên tục điều chế FSK (Frequency Shift Keying) Ghép kênh chủ yếu theo tần số kênh điều khiển đà dợc số hoá - vô tuyến di động số : Cả tín hiệu thoại lẫn kênh điều khiển dều tín hiệu số Ngoài dịch vụ điện thoại truyền thống hệ thống vô tuyến di động số cho phép khai thác loạt dịch vụ khác nh truyền tin ngắn, tuyền fax, truyền liệu Tốc độ truyền cao có khả mà hoá thông tin 1.3.3 Phân loại theo phơng thức đa truy nhập : - Đa truy nhập theo tân số (FDMA): Đợc sử dụng chủ yếu thông tin di động hệ thứ nhất, hai giải tần số có độ rộng W đợc sử dụng cho đờng truyền xuống (Dows Link) từ BS tới MS đờng truyền lên (Up - Link) từ MS tới BS Mỗi ngời sử dụng chiếm tần có độ dộng W/N gọi kênh sử dụng kênh suốt thời gian liên lạc Đặc điểm: tốc độ chuyền thấp, khó áp dụng dịch vụ không thoại, hiệu sử dụng tần số thấp, có kênh tế bào phải có nhiêu máy thu - phát làm việc nhiêu tần số kênh đặt BS, kết cấu BS cồng kềnh - Đa truy nhập theo thời gian (TDMA): Đợc sử dụng hầu hết hệ thống vô tuyến di động hệ thứ hai hoàn toàn số háo Với loại truy nhập theo thời gian này, ngời sử dụng chiếm giải tần W khe thời gian định, tuần hoàn suốt thời gian liên lạc Đặc điểm: dễ dàng mở dịch vụ không thoại, thiết bị trạm BS đơn giản cần máy thu phát làm việc cặp tần số ứng với đờng lên, xuống cho nhiỊu ngêi sư dơng (8 ngêi sư dơng ®èi víi GSM), hiệu sử dụng tần số cao so với hệ thống FDMA Đối với loại đa truy nhập này, tốc độ chuyền số liệu cao, ISI tån t¹i _ _ trình liên lạc, nhiều trờng hợp mạch san phức tạp cần thiết Đồng vấn đề phơng thức da truy nhập - Đa truy nhập theo mà (CDMA): Là dạng đa truy nhËp phỉ tr¶i SSMA (Spread Speetrum Multiple Access), ngời sử dụng dùng toàn phổ tần nh với TDMA, toàn thời gian gọi nh FDMA Các kênh đợc phân biệt với nhờ việc sử dụng mà giải nhiễu PN (Pseudo Noise) Các u điểm bật CDMA hiệu sử dụng phổ cao, khả tái dụng tần số cao, phơng án bố chí tần số sử dụng tế bào đơn giản, độ an toàn thông tin khả làm việc điều kiện nhiễu mạnh cao Mặc dầu có u điểm bật nh vậy, CDMA đợc sử dụng hạn chế vấn đề có liên quan tới điều khiển công suất, đồng việc tìm mà PN cung cấp số kênh lớn Cũng cần phải nhấn mạnh thêm rằng, hoàn cảnh lịch sử hệ thống GSM (TDMA) đà đợc chấp nhận châu Âu nhiều nớc khác giới, bảo đảm tính lu động (Roaming) quốc tế diện rộng toàn cầu nên việc chiếm lĩnh thị trờng việc cạnh tranh hệ thống CDMA thời có khó khăn Tuy nhiên, tơng lai gần, nhu cầu thuê bao di động tăng lên lớn, biện pháp kỹ thuật công nghệ đủ mạnh hệ thống CDMA chiếm u tuyệt đối Theo ý kiến chuyên gia hàng đầu giới, hệ (thứ ba, thứ t) thông tin di động hệ thống CDMA phát triển Khái niệm phơng thức đa truy nhập đợc minh hoạ hình 1b _ _