Chơng I : Hệ thống thông tin di động tế bào I.1 Lịch sử phát triển thông tin di ®éng : HƯ thèng ®iƯn tho¹i di ®éng ®a lần Mỹ vào năm 1946 hệ thống toàn thành phố, sử dụng cấu trúc phân vùng rộng băng tần 150MHz Hệ thống bao gồm kênh,chuyển mạch nhân công có phân cách kênh 60 KHz.Nã cịng lµ mét hƯ thèng Ên nót nói Ngay sau hệ thống đợc đa thành phố lớn Mỹ,nhu cầu đà vợt dung lợng số kênh có hạn Do phân cách kênh đà đợc giảm xuống 30KHz vào năm 1955 để tăng số kênh cung cấp tới 11 Sau kênh thứ 12 đợc bổ sung tần số 450MHz đợc bắt đầu vào năm 1969 Hệ thống đựoc gọi IMTS(improved mobile telephone service : dịchvụ điện thoại di động cải tiến ) Sử dụng công nghệ gồm có kết nối tự động quay số, hệ thống song công truy nhập di động đa kênh.Tuy nhiên Vào năm 1970 hệ thống trở nên lạc hậu tiến giới hoá Vào năm 1960 hệ thống 150MHz cho thành phố đợc trình bày đà đợc đa sử dụng Châu âu Nhng không đợc phổ biến rộng rÃi nh Mỹ số kênh có hạn.ở Nhật Bản tập đoàn điện thoại điện báo công cộng NIPPON (NNT cũ ) Đà phát triển hệ thống cho thành phố sử dụng 400 MHz công nghệ nhất.Nhng không đa đợc vào thơng mại vấn đề ổn định tần số đợc vẽ hình sau Các hệ thống điện thoại sách tay di động sử dụng cấu trúc ô nhỏ đà đợc đa để đáp đứng nhu cầu tăng nhanh vào năm 1980 cấu trúc điển hình hệ thống đợc cho hình 1.2 Nớc Mỹ Anh Pháp Đức Hà Lan Nhật Tên hệ thống IMTS TLRP Pari -iv Net-B ĐTDĐ Rapid* Chuyển mạch Tự Nhân Tự Tự Nhân Tự động công động động công động Tần số (MHz) 15 150 150 150 150 450 0450 Đồ án tốt nghiệp Phân cách kênh Khz Số kênh Chuyển mạch kênh di động Bán kính ô (km) Thông tin di động toàn cầu 2020 25 25 25 25 25 1111 Tù ®éng 2065 36 Nhân công 040 50 36 Tự động 1015 36 Tự động 1015 12 Nhân công 1015 32 Tự ®éng 1020 300 20 1015 15 15 15 10 10 0120 Công suất phát 10 trạm gốc 0250 Công suất phát 2016 trạm di động Việc nghiên cứu phát triển hệ thống điện thoại xách tay di động sử dụng ô nhỏ bắt đầu Mỹ vào cuối năm 1960.Sau uỷ ban thông tin liên bang Mỹ (FCC) đà đề ghị phát triển hệ thống để đáp ứng nhu cầu năm 1980 đến tổ chức liên quan đà ổn định lại băng tần 800900MHZ ,Trứơc đợc dành cho truyền hình quảng bá cho thông tin di động mặt đất sử dụng hệ thống nói trên.Cả hai hÃng AT&T Motola đà hởng ứng đề xuất sau gần 10 năm nghiên cứuphát triển cải tiến ,AT&T đà tiến hành thử nghiệm tiếp thị dịch vụ Chicago(1977) tiếp thử nghiệm tơng tự hệ thống Motola vùng Washington tiêu chuẩn đợc gọi AMPS(advanced mobile phone service) dịch vụ điện thoại di động tiên tiến đợc đa tẩt thành phố Mỹ mà trớc hết Chicago tháng 10 năm 1983.Tháng 11 năm 1989 số thuê bao sử dụng dịch vụ bao gồm Canada đà đạt tới 200 triệu Châu âu nớc Scandinave(Thuỷ Điện,Phần lan,Nany Đan Mạch )Đà phát triển hệ thống 450Mhz có cấu trúc ô nhỏ đợc gọi NMT- 450 (Điện thoại di động Bắc âu ) Và đà thác thơng mại từ năm 1981.Sau Stockhom thành phố lớn vùng đà đa mét hƯ thèng míi NMT -900 sư dơng 900MHZ vµo tháng 10 năm 1986 để đáp ứng nhu cầu ngày tăng đến tháng 11 năm 1988 đà có 54 triƯu thuª bao sư dơng hƯ thèng NMT,ë NhËt việc nghiên cứu phát triển hệ thống 800 MHZ để Đồ án tốt nghiệp Thông tin di động toàn cầu cung cấp nhiều dịch vụ đất nớc đà bắt đầu vào khoảng năm 1970 Các đặc tính truyền sóng đợc nghiên cức,tiếp theo kỹ thuật nh truyền dẫn thoại số liệu sử dụng điều tần tợng tự băng hẹp, chuyển mạch di động cho hàng trăm kênh sử dụng tổng hợp tần số vi xử lý,thông tin di động vùng rộng sở điều khiển chơng trình lu giữ hệ thống báo hiệu số kênh chung đựơc cải tiến hoàn thiện sau đà đa phục vụ 23 vùng Tokyo vào tháng 12 năm 1979 sau vùng phục vụ Tokyo đà đợc mở rộng cung cấp dịch vụ ÔSaka ,Nagoya, dịch vụ bắt đầu cung cấp toàn đất nớc vào tháng năm 1984 Bắt đầu từ tháng năm 1988 thành phố lớn nh Tokyo đà sử dụng kỹ thuật thu phân tập cho trạm di động đáp ứng nhu cầu ngày tăng Ngoài hệ thống dung lợng lớn có phần cách kênh hẹp (12,5khz) đà đợc khai thác số nớc khác Tuy nhiên hệ thống không thoả mÃm nhu cầu ngày tăng trớc hết dung lợng tiêu chuẩn hệ thống không tơng thích làm cho chuyển giao không đủ rộng nh mong muốm (ra biên giới ) Những vấn đề dặt cần phải đợc phải giải tổ chức tiêu chuẩn hoá đà chọn giải pháp kỹ thuật sổ trớc hết vi kỹ thuật số chất lợng cao môi trờng lớn Các hệ thống thông tin di động số tế bào có u điểm sau - Sử dụng kỹ thuật ®iỊu chÕ sè tiªn tiÕn nªn hiƯu st sư dơng phổ tần số cao - Mà hoá số tín hiệu thoại tốc độ bít ngày thấp cho phép phép nhiều kênh thoại vào dòng bit tốc độ chuẩn - Giảm tỷ lệ báo hiệu tin tức, dành tû lƯ lín h¬n cho tin tøc ngêi sư dơng - áp dụng kỹ thuật mà hoá kênh mà ho¸ ngn cđa trun dÉn sè - HƯ sè chèng nhiễu đồng kênh (CCI conchannel interfence) nhiễu kênh kế cận (ACI Adjacent channel interfence) Hiệu đIều làm tăng dung lợng hệ thống - Điều khiển động trongviệc cấp pháp kênh liên tục làm cho sử dụng phổ tần số hiệu Đồ án tốt nghiệp Thông tin di động toàn cầu - Có nhiều dịch vụ :Nhận thực ,số liệu,mật mà hoá , kết nối với ISND - Điều khiển truy nhập chuyển gioa hoàn hảo hơn,dung lợng tăng diện tích tế bào nhỏ chuyển giao nhiều báo hiệu dễ dàng xử lý phơng pháp số I.2 Cấu trúc mạng thông tin di động tế bào Trong hệ thống thông tin vô tuyến việc tổ chức mạng phủ sãng phơ thc nhiỊu u tè kh¸c nh mËt độ thuê bao lu lợng sử dụng địa hình mà theo nhà thiết kế định sử dụng kiểu anten , công suất pháp cách bố trí trạm lân cận khác Tuy nhiên nhìn chung có loại mô hình anten sau - Mô hình anten đẳng hớng vùng phủ sóng có dạng hình tròn đờng biên tơng ứng với quỹ tích vị trí có cự ly đến vị trí anten mà cờng độ tín hiệu đà suy giảm đến giá trị tối thiểu yêu cầu máy thu (độ nhạy máy thu ) - Mô hình anten định hớng vùng phủ sóng có dạng hình rẽ quạt mô hình có vùng phủ sóng xa tập trung hớng thích hợp để sử dụng cho vùng có mật độ thuê bao tập trung,lu lợng sử dụng lớn.Một trạm thiết kế với 23 anten để hình thành vùng rẻ quạt phủ sóng hớng Hình 1.1: Vùnh phủ sóng Anten đẳng hớng anten định hớng Mạng thông tin di động tế bào ứng dụng kỹ thuật viễn thông có nhu cầu lớn phát triển nhanh thông tin di động tế bào tế bào (Cell) đơn vị nhỏ mạng.Hình dạng tế bào phụ thuộc vào kiểu anten công suất trạm gốc Đồ án tốt nghiệp Thông tin di động toàn cầu Mật độ phân bố máy di động, tính chất lu lợng thuê bao chất lợng dịch vụ yêu cầu, vùng phủ địa lý phục vụ yếu tố định đến việc thiết kế Anten trạm.Tuy nhiên để thuận lợi việc quy hoạch mạng cung cấp nhìn ban đầu tổng thể hệ thống ngời ta đà lý tởng hoá yếu tố xem nh đồng sử dụng Anten đẳng hớng đặt cách xung quanh Khi vùng phủ sóng trạm đợc mô hình hoá thành hình lục giác chúng trở thành dạng ký hiệu cho tế bào sở đồ quy hoạch chuẩn mạng di động Hình 1.2: Mô hình hoá tế bào sơ đồ quy hoạch chuẩn Trong tế bào có trạm vô tuyến gốc (Base transcevier station)BTS liên lạc vô tuyến với tẩt thuê bao di ®éng MS( Mobile Station) cã mỈt vïng phđ sãng cđa tÕ bµo Khi MS di chun ngoµi vùng phủ sóng, phải đợc chuyển giao để làm việc với BTS tế bào khác liền kề mà vùng phủ sóng Đặc điểm mô hình tế bào việc tái sử dụng tần số diện tích tế bào nhỏ Trong tế bào ngời ta sử dụng nhóm tần số kênh vô tuyến,các nhóm tần số đựơc sử dụng lại tế bào với cự ly đủ lớn,công suất phát đủ nhỏ để nhiễu lẫn dùng chung tần số không phụ thuộc vào cự ly tuyệt đối D tế bào mà phụ thuộc vào tỷ số D/R (Với bán kính tế bào ) Việc thiết kế công suất phát nhiễu cao Anten xác định R mong muốn Đồ án tốt nghiệp Thông tin di động toàn cầu Trong thực tế, tăng trởng lu lợng không ngừng tế bào đến mức chất lợng phục vụ giảm sút mức,ngời ta phải thực việc chia tách tế bào thành tế bào thành tế bào nhỏ gọi micro cell hay picocell Với chúng ngời ta dùng công suất phát nhỏ mẫu sử dụng tần số đợc dùng tỷ lệ nhỏ Trong hệ thống điện thoại di động tế bào tần số mà máy di động sử dụng cố định kênh mà kênh đàm thoại đợc xác định nhờ kênh báo hiệu máy di động đợc đồng tần số cách tự động Vì tế bào kề nên sử dụng tần số khác tế bào cách xa khoảng cách định sử dụng lại tần số đó.Để cho phép máy di động trì gọi liên tục di chuyển tế bào, tổng đài điều khiển kênh báo hiệu kênh lu lợng theo di chuyển máy di động để chuyển đổi tần số máy di động thành tần số thích hợp cách tự động I.2.1: Mô hình hƯ thèng GSM chun SS HƯ AUC m¹ch ISDN HLR PSPDN thèng EIR VLR MSC CSPDN OSS PSTN PLMN bss BSC hệ thống trạm gốc BTS MS Đồ án tốt nghiệp Thông tin di động toàn cầu Trong : thiết bị truyền dẫn tin tức kết nèi cc gäi vµ trun dÉn tin tøc SS: Switching system : HƯ thèng chun m¹ch AUC: Authentication center : Trung t©m nhËn thùc VLR : visitor location register: bé ghi định vị tạm trú HLR: Home location register : Bộ ghi định vị thờng trú EIR : Equipment identity register : Thanh ghi nhËn d¹ng MSC: Mobile service swiching center: Tổng đài di động BSS: Base station system : HƯ thèng tr¹m gèc BTS : Base transciver station : Đài vô tuyến gốc MS : Mobile station : Máy di động OMC: Operation and maintenance center: Trung tâm khai thác bÃo dỡng OSS:Hệ thống khai thác hỗ trợ ISDN: Integrated switching digital network: Mạng số liệu liên kết đa dịch vụ PSPDN: Packet switch pulic data network: Mạng chuyển mạch đIện thoại công cộng CSPDN: Circuit switched pulic data network : Mạng chuyển mạch số công cộng theo m¹ch PLMN : Pulic land mobile network: M¹ng di động mặt đất công cộng PTSN: Pulic switched telephone network: Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng I.2.2: Mạng GSM ( Gruop special mobile or gobal system for mobile communication) Hệ thống GSM đợc chia thành hệ thống, hệ thống chuyển mạch (SS) hệ thống trạm gốc (BSS) Đồ án tốt nghiệp Thông tin di động toàn cầu Mỗi hệ thống nói chứa sơ đồ khối chức năng,ở đà thực tất chức hệ tống,các khối chức đợc thực thiết bị phần cứng khác Hệ thống đợc thực mạng gồm nhiều ô vô tuyến cạnh để đảm bảo toàn vùng phủ vùng phục vụ Mỗi ô có trạm vô tuyến gốc (BTS) làm việc tập hợp kênh vô tuyến, kênh khác với kênh sử đợc dụng ô lân cận để tránh nhiễu giao thoa.Một điều klhiển trạm gốc (BSC) điều khiển nhóm BTS.BSC điều khiển chức nh chuyển giao điều khiển công suất.Một trung tâm chuyển mạch nghiệp vụ di động (MSC) phục vụ số điều khiển trạm gốc.MSC điều khiển gọi đến từ chuyển mạch điện thoịa công cộng (PSTN) mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN), mạng di động mặt đất công cộng (PLMN) mạng số liệu công cộng (PDN) chức mạng riêng.Các khối nói tham gia vào việc nối thông trạm di động (MS) chẳng hạn thuê bao PSTN , mạng cố định.Nếu không thêt thực gọi đến MS Ta không cần thiết bị khác ,vấn đề nảy sinh ta muốn thực gọi đến cuối MS, ngời khởi đầu gọi hầu nh MS đợc gọi đâu Vì ta cần có số sỡ liệu mạng để theo dõi MS Cơ sở liệu quan trọng đăng ký vị trí thờng trú (HLR) ngời mua đăng ký từ hÃng khai thác GSM ngời sữ đợc đăng ký HLR hÃng ,HLR chứa thông tin thuê bao nh dịch vụ bổ sung thông số nhận thực.Ngoài có thông tin vị trí MS,nghĩa thời MS vùng MSC nào, thông tin thay đổi MS di động,MS gữi thông tin vị trí (MCS/VLR) đến HLR nhờ đảm bảo phơng tiện để thu gọi Khối có tên trung tâm nhận thực (AUC) đợc nối đến HLR.Chức AUC cung cấp cho HLR thông số nhận thực khoá mà để sử dụng cho bảo mật,bộ ghi định vị tạm trú (VLR) sở giữ liệu chứa thông tin tất MS từ HLR,đồng thời HLR đợc thông báo MS vùng MSC nào, Nếu sau MS muốn thực gọi mà không cần hỏi HLR có thĨ coi VLR nh mét HLR ph©n bè.VLR cịng sÏ chứa thông tin xác vị trí MS MSC Đồ án tốt nghiệp Thông tin di động toàn cầu Nếu ngời mạng cố định (PSTN) muốn thực gọi đến thuê bao GSM, tổng đài PSTN nối gọi đến MSC có trang bị chức gọi chức cổng, Tổng đài MSC đợc gọi tổng đài MSC cổng (GMSC) tổng đài MSC mạng GSM ( hầu hết tổng đài , GMSC phải tìm vị trí MS cần tìm,Điều thực cách hỏi HLR nơi MS đăng ký,HLR trả lời địa vùng MSC thời MSC định tuyến lại gọi đến MSC cần thiết KHi gọi đạt tới MSC này,VLR biÕt chi tiÕt h¬n vỊ trÝ cđa MS nh vËy cã thĨ nèi th«ng cc gäi ë GSM cã sù khác biệt già thiết bị vật lý đăng ký thuê bao.Trạm di động thiết bị đợc đặt ôtô hay xách tay GSM có khối nhỏ đợc gọi môđun nhận dạng thuê bao (SIM) khối vật lý tách riêng,chẳng hạn card Ic, đợc gọi card thông minh,SIM với thiết bị trạm hợp thành trạm di động Không có Sim , MS thâm nhập đến mạng di động trừ trờng hợp gọi khẩn Khi liên kết đăng ký thuê bao với card sim không với MS, đăng ký thuê bao sử dụng trạm MS khác mình, Điều làm nảy sinh vấn đề MS bị cắp, Chúng ta cần sỡ liệu chứa số lệu phần cứng thiết bị Thanh ghi nhận dạng thiết bị (EIR) đợc nối với MSC qua đờng báo hiệu,nó cho phép MSC kiểm tra hợp lệ thiết bị cáh cấm MS có dạng không đợc chấp thuận,Cần nhớ việc nhận thực đăng ký thuê bao đợc thông số AUC Vùng fục vụ GSM(tất nớc thành viên) Vùng fục vụ PLMN(một hay nhiều vùng nớc) Vùng fục vụ MSC(vùng đợc đIều khiển MSC) Vùng định vị(vùng định vị tìm gọi) Cell(ô) (vùng có trạm gốc riêng) Đồ án tốt nghiệp Thông tin di động toàn cầu Hình vẽ: ví dụ phân cấp cấu trúc địa lý GSM I.3 Mét sè vÊn ®Ị trun sãng I.3.1 Suy hao truyền Fading: Suy hao đờng truyền trình mà tín hiệu thu yếu dần khoảng cách trạm di động trạm gốc ngày tăng Trong không gian tự vật cản tợng phản xạ, đồng thời truyền sóng đợc coi tầm nhìn thẳng (LOS) ta nói anten cho trớc mật độ công suất thu tỷ lệ nghịch với bình phơng khoảng cách D anten phát thu, nói công suất thu tỷ lệ nghịch với bình phơng tần số phát, f kết suy hao không gian tù lµ