Nghiên cứu về fading và các biện pháp chống fading trong mạng thông tin di động

Những năm gần dây số lượng thuê bao di động tăng lên rất nhanh, điều đó có nghĩa là cần tăng dung lượng kênh hay độ rộng băng tần để đảm bảobăng thông là giới hạn, cho nên số lượng thuê

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế thế gới vàkhoa học kỹ thuật gúp cho cuộc sống của con Người ngày càng được cảithiện, nhu cầu sử dụng thông tin liên lạc ngày một tăng, chính vì vậy các hệthống thông tin liên lạc ngày nay đang phát triển hết sức nhanh chóng Tuynhiên một vấn đề đặt ra hết sức nan giải là làm thế nào để đảm bảo được chấtlượng thông tin một cách tốt nhất Một trong các lĩnh vực nghiên cứu có tínhchất quyết định tới chất lượng của thông tin đó là ảnh hưởng của fading trongquá trình truyền dẫn Mặc dù vấn đề này đã được phân tích nghiên cứu khánhiều và không còn mới mẻ nhưng để củng cố lại kiến thức trong quá trình học

tập, vì vậy trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp em chọn đề tài “ Nghiên cứu

về Fading và các biện pháp chống fading trong mạng thông tin di động”.

Để giải quyết những vấn đề đặt ra, thì luận văn được chia thành bachương cụ thể như sau

Chương I: Tổng quan về thông tin di động

Chương II: Phân tích và đánh giá ảnh hưởng của fading đối với thông tin di động.Chương III: Phương pháp thích nghi tốc độ và phát xạ công suất tối ưu và môphỏng trên phần mềm ứng dụng Matlap

Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu làm luận văn em đã cố gắng hếtsức lực và kiến thức để hoàn thành đúng yêu cầu và thời hạn qui định, Tuynhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy mong nhận được sự quantâm đóng góp ý kiến của Quý Thầy, Cô cùng các học viên để luận văn của emđược đầy đủ và hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo Cô giáo trong khoa Điện tử tàu biển cùng toàn thể các học viên Đặc biệt em xin bày tỏ sự biết ơn

Điện-sâu sắc tới thầy giáo TS Phạm Văn Phước đã động viên và tận tình giúp đỡ

em trong suốt quá trình làm luận văn

Hải Phòng, ngày… tháng…….năm 2014

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ HỆ THỐNG GSM 1.1 KHÁI QUÁT VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG

1.1.1 Lịch sử phát triển

Vào cuối thế kỷ 19, nhà bác học người Ý Marconi Guglielmo

(1874-1937, giải Nobel vật lý năm 1909) bằng những nghiên cứu và thực nghiệm đãcho thấy là thông tin vô tuyến có thể thực hiện giữa các máy thu phát ở xanhau và di động Thông tin vô tuyến lúc đó chủ yếu sử dụng mã morse, mãicho tới năm 1928 hệ thống vô tuyến truyền thanh mới được thiết lập, ban đầuđược dùng cho Cảnh Sát Đến năm 1933 mới thiết lập được một hệ thốngthoại tương đối hoàn chỉnh đầu tiên trên thế giới, tuy nhiên các thiết bị thời đórẩt cồng kềnh, nặng, đầy tạp âm và tiêu tốn rất nghiều năng lượng do sử dụngcác đèn điện tử Công tác trong giải thấp của băng VHF, các thiết bị này liênlạc được với nhau với khoảng cách vài chục dặm Các dịch vụ di động trongđời sống như Cảnh Sát, Cứu thương, Cứu hỏa, Hàng hải, Hàng không…cũng

đã sử dụng thông tin di động để các hoạt đông của mình được thuận lợi Hồi

đó chất lượng thông tin di động rất kém do các đặc tính truyền dẫn sóng vôtuyến, dẫn đến tín hiệu thu được là một tổ hợp nhiều thành phần của tín hiệu

đã được phát đi, khác nhau về biên độ, pha và thời gian giữ chậm Tổng véc

tơ của các tín hiệu này làm cho đường bao tín hiệu thu được bị thăng giángmạnh và nhanh Khi trạm di động hoạt động, mức tín hiệu thu thường bị thayđổi lớn và nhanh làm cho chất lượng đàm thoại suy giảm trông thấy Tấtnhiên, tất cả các đặc tính truyền dẫn ấy ngày nay vẫn tồn tại song hồi đóchúng chỉ chống lại bằng một kỹ nghệ còn trong thời kỳ sơ khai Trong khingày nay công nghệ bán dẫn phát triển cho phép ta có thể sử dụng hàng triệuđèn bán dẫn trong việc loại bỏ những ảnh hưởng xấu của đặc tính truyền dẫn

Băng tần có thể sử dụng được bởi công nghệ đương thời cho thông tin

vô tuyến luôn khan hiếm Các băng sóng trung và dài đã được sử dụng chophát thanh trong khi các băng tần số thấp và cao (LF và HF) thì bị chiếm bởicác dịch vụ thông tin toàn cầu Công nghệ thời đó chưa thích hợp đẻ đạt đượcchất lượng cao trên các băng sóng VHF và UHF Khái niệm về tái sử dụng tần

số đã được nhân thức song không được sử dụng để đạt được mật độ người sửdụng cao Do đó, suốt nhiều năm, chất lượng của thông tin di động kém hơnnhiều so với thông tin hữu tuyến do công nghệ không thích hợp và các nhà tổchức thông tin đã không sử dụng nổi độ rộng dải tần trên các băng tần số cao

Khi mà các mạng điện thoại tương tự, cố định, thương mại đang được

số hóa nhờ sự phát minh ra những dụng cụ điện tử kích thước nhỏ bé và tiêuthụ ít nguồn thì tình trạng của vô tuyến di động vẫn còn biến đổi rất chậmchạp Các hệ thống vô tuyến di động nội bộ mặt đất đã bắt đầu được sử dụngsong mới chỉ ở mức độ phục vụ các nhóm chuyên biệt chứ chưa phải dànhcho các cá nhân trong cộng đồng Mặc dù ý tưởng về một mạng tế bào đãđược hình thành từ những năm 1947 song vẫn không làm gì để khởi đầu việc

áp dụng một hệ vô tuyến tế bào Mãi tới khi có các mạch tích hợp thiết kếđược một cách tùy chọn, các bộ vi sử lý, các mạch tổng hợp tần số, cácchuyển mạch nhanh dung lượng lớn…mạng vô tuyến tế bào mới được biếnthành hiện thực Trong những năm của thập kỷ 80 đã chứng kiến sự ra đời củamột số hệ thống vô tuyến tế bào tương tự thường được gọi là mạng vô tuyếnmặt đất công cộng (PLMR-Public land Mobile Radio) Làm việc ở dải UHF,các mạng này cho thấy một sự thay đổi vượt bậc về độ phức tạp của hệ thốngthông tin liên lạc dân sự Chúng cho phép người sử dụng có thể đàm thoại vàliên lạc trao đổi thông tin được trong mạng di động với bất kỳ đối tượng nào

có nối tới các mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN (Public

Switched Telephone Network) hoặc các mạng đa dịch số ISDN (InteggratedServices Digital Network).

Tuy nhiên do các hệ thống di dộng tế bào tương tự có dung lượng giớihạn nên nó không đáp ứng được nhu cầu công cộng tăng lên nhanh Vì vậycác quốc gia ở Châu Âu, Châu Mỹ và Nhật Bản đều nghiên cứu phát triển độclập các hệ thống thông tin tế bào số được gọi là hệ thống thông tin di động thế

hệ 2 Vào năm 1988 ở Châu Âu nhóm CTMS (Global System Mobille) đượcthành lập nhằm chuẩn hóa hệ thống di động toàn cầu, và hiện nay CTMS đãtrở thành hệ thống thông tin di động toàn cầu ở Mỹ Hiệp hội công nghiệp vàviễn thông (TIA) cũng đã thành lập ủy ban tiêu chuẩn các hệ thống tế bào số

và đã ban hành các tiêu chuẩn tạm thời, các phương pháp truy nhập (TDMA,CDMA) Tại nhật họ đã thành lập một ủy ban tiêu chuẩn hóa cho các hệ thốngthông tin tế bào số và đã ban hành tiêu chuẩn tế bào số cá nhân PDC(Personnal Digital Callular) vào năm 1992

Những năm gần dây số lượng thuê bao di động tăng lên rất nhanh, điều

đó có nghĩa là cần tăng dung lượng kênh hay độ rộng băng tần để đảm bảobăng thông là giới hạn, cho nên số lượng thuê bao lớn thì việc cần thiết làphải tăng hiệu quả sử dụng băng tần sẵn có và quan tâm đến vấn đề chống tạp

âm, nhiễu và phading trong các hệ thống thông tin hiện nay do việc thiết kếmột hệ thống mới là cực kỳ tốn kém Điều này đã được thấy rõ tại Việt Nam

là chúng ta phải chi trả một khoản kinh phí rất lớn cho việc phát triển các hệthống di động như: VIETTEL, MOBIL, VINA …Và các mạng di dộng này đãđáp ứng được phần nào nhu cầu sử dụng công cộng

1.1.2 Đặc điểm truyền sóng trong thông tin di động.

Đặc tính truyền sóng trong thông tin vô tuyến di động là tín hiệu thuđược ở máy thu bị thay đổi so với tín hiệu đã được phát đi cả về tần số, biên

độ, pha và thời gian giữ chậm Các thay đổi này có tính chất rất phức tạp, sự

tác động của chúng tới chất lượng liên lạc phụ thuộc vào hàng loạt yếu tốkhác nhau như địa hình, khoảng cách liên lạc, giải tần, khí quyển, tốc độtruyền tin, tốc độ di chuyển của trạm di động, mật độ thuê bao trên một đơn vịtần số trong một đơn vị diện tích, anten, công suất phát, sơ đồ điều chế…Tuyvậy, về cơ bản chúng ta có thể chia một cách vắn tắt các ảnh hưởng truyềnsóng này thành: Ảnh hưởng của hiệu ứng Dopler, tổn hao đường truyền là Fading.

 Hiệu ứng Dopler: Là sự thay đổi của tín hiệu thu được so với tín hiệu

đã được phát đi, gây bởi chuyển động tương đối giữa máy thu và máy pháttrong quá trình truyền sóng Giả sử một sóng mang không bị điều chế có tần

số fc, được phát tới một máy thu di động với vận tốc υ Tại máy thu, tần sốcủa tín hiệu thu được theo tia sóng thứ i sẽ là: f = fc + fm.cosαi , trong đó

i

α là góc tới tia sóng thứ i so với hướng chuyển động của máy thu, fm làlượng dịch tần Dopler, fm = υ. fc/C, với C là vận tốc ánh sáng Như vậy, chỉtrong trường hợp máy thu đứng yên so với máy phát (υ=0), hoặc máy thuđang chuyển động vuông góc với góc tới của tín hiệu (cosαi =0) thì tần số tínhiệu thu được mới không bị thay đổi so với tần số tín hiệu phát Hiệu ứngDopler xảy ra mạnh nhất khi máy thu di động theo phương của tia sóng tới(cosαi = ±1).Điều này thường xảy ra trong thông tin di động khi máy thu đặttrên xe di chuyển trên các xa lộ, còn các antenna trạm phát thì được bố trí dọctheo xa lộ (được gán trên các cầu vượt ngang qua xa lộ chẳng hạn)

 Tổn hao đường truyền: Là lượng suy giảm mức điện thu so với mức

điện phát Mức điện trung bình của tín hiệu thu giảm dần theo khoảng cách docông suất tín hiệu trên một đơn vị diện tích của mặt cầu song giảm dần theokhoảng cách giữa các anten thu và phát, do hấp thụ của môi trường truyền…Tổn hao đường truyền phụ thuộc tần số bức xạ, địa hình, tính chất môitrường, mức độ di chuyển của các chướng ngại, độ cao anten, loại anten…

Trong thông tin vô tuyến tế bào, trong nhiều trường hợp tổn hao đường truyềntuân theo quy luật mũ 4, tức là tăng tỉ lệ với lũy thừa của khoảng cách Vềnguyên tắc, tổn hao đường truyền hạn chế kích thước tế bào và cự li liên lạcsong trong nhiều trường hợp ta có thể lợi dụng tính chất của tổn hao đườngtruyền để phân chia hiệu quả các tế bào, cho phép tái sử dụng tần số một cáchhữu hiệu để tăng hiệu quả sử dụng tần số.

 Fading: Trong những khoảng cách tương đối ngắn mức tín hiệu thu

trung bình có thể xem là hằng số, tuy nhiên mức điện tức thời của tín hiệu thutại anten lại có thể thay đổi nhanh với những lượng tiêu biểu tới 40db Nhữngthay đổi nhanh mức điện thu tức thời này được gọi là fading nhanh

Giả sử một trạm cố định phát một sóng mang không bị điều chế, trạmthu di động sẽ thu được không chỉ một thành phần sóng mang đã được phát

đó mà là cả một tổ hợp các tia sóng do tín hiệu bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạbởi các cao ốc và các chướng ngại vật khác trong vùng truyền sóng trước khitới máy thu Thực tế, trong hầu hết các môi trường, mỗi tia sóng thu được tạimáy thu di động đều phải chịu những thay đổi (phụ thuộc vào đường đi củanó) về pha, thời gian giữ chậm riêng, biên độ cũng như dịch tần Doppler Kếtquả là tín hiệu mà trạm di động thu được có thể khác một cách căn bản vớisóng mang đã phát Trong nhiều trường hợp nghiêm trọng, tổng vec-tơ củacác tín hiệu tới theo nhiều tia có thể giảm tới một giá trị rất thấp Hiện tượngnày gọi là fading nhiều tia (multipath fading) Khi máy di động di chuyển,mức điện thu fading theo từng khoảng cách khác nhau giữa bước sóng dọctheo hành trình của nó Một khi fading rất sâu xảy ra, tín hiệu thu được có thểgiảm theo mức không, tỉ số tín/tạp nhỏ hơn không, khi đó đầu ra máy thuhoàn toàn phụ thuộc vào nhiễu kênh

Trong thực tế sóng mang được điều chế Trong thông tin di động số,ảnh hưởng của đặc tính truyền dẫn còn phụ thuộc vào tỷ số giữa độ dài một

dấu (symbol) và trải giữ chậm (delay spread) của kênh vô tuyến biến đổi theothời gian Độ trải giữ chậm có thể xem như độ dài của tín hiệu thu được khimột xung cực hẹp được truyền đi Nếu số liệu được truyền đi với tốc độ thấpthì chúng có thể giải quyết được dễ dàng tại phần thu Đó là sự khó khăn dotruyền theo nhiều tia của một xung số liệu thì kết thúc trước khi xung tiếptheo được phát đi Vì thế nếu ta cứ tăng tốc độ truyền số liệu lên mãi thì tớimột lúc mỗi dấu số hiệu sẽ trải hẳn sang các dấu số liệu lân cận, tạo ra xuyênnhiễu giữa các dấu ISI (intersymbol intenerence) Nếu không có các mạch sanbằng kênh nhằm loại bỏ ISI thì tỉ lệ lỗi bit BER (bit-error rate) sẽ lớn tới mứckhông thể chấp nhận được Giả sử ta vẫn cứ truyền số liệu với tốc độ lớn songđưa máy di đông lại đủ gần trạm cố định đồng thời giảm một cách thích hợpcông suất phát (tức là nếu thu hẹp kích thước tế bào) thì trải giữ chậm củatừng tia nhìn chung là nhỏ Khi đó ISI sẽ không còn đáng kể, do đó không cầnsan bằng kênh.

Fading được gọi là fading phẳng nếu nó xảy ra như nhau trong suốt cảdải tần số của kênh Fading là chọn lọc theo tần số khi nó xảy ra không đồngđều trong dải tần số của kênh, gây nên ISI Như vậy, kích thước của tế bào cóảnh hưởng rất quan trọng tới đặc điểm truyền sóng Đối với các tế bào có kíchthước lớn, các mạch san bằng là bắt buộc ngay cả khi truyền tốc độ thấp (vàichục kb/s) Ngược lại, với các siêu vi tế bào (picocell) trong đó trải dữ chậmnhỏ hơn 1µs nhiều, fading là phẳng ngay cả với tộc độ số liệu vài Mb/s, khi

đó mạch san bằng là không cần thiết Ở đây cần nhấn mạnh thêm rằng việc cóđược đường nhìn thẳng LOS (line of sight) giữa máy thu và máy phát (thườngxảy ra trong các vi tế bào) có ý nghĩa cải thiện chất lượng liên lạc đặc biệt

1.1.3 Phân loại các hệ thống thông tin vô tuyến di động

Theo cấu trúc, đặc điểm và phương thức truy nhập các hệ thống thôngtin vô tuyến di động có thể được phân chia thành nhiều loại khác nhau Theo

cấu trúc, chúng thường được phân thành: Hệ thống mạng tế bào, hệ thốngviễn thông không dây và vành địa phương Theo đặc tính, các hệ thống thôngtin di động có thể được chia thành các hệ thống liên tục (analogue) và các hệthống số (digital) Trong thông tin di động, các phương thức đa truy nhập(ghép kênh) sau thường được sử dụng: Đa truy nhập theo tần số FDMA(frequency Division Mutiple), đa truy nhập theo thời gian TDMA (TimeDivision Mutiple) và đa truy nhập theo mã CDMA (Code Division MutipleAccess).

 Phân loại theo cấu trúc

Mạng tế bào (cellular mobile radio): Việc liên lạc trong thông tin vô

tuyến di động tế bào được tiến hành giữa một hệ thống trạm gốc cố định BS(Base Station) được bố trí theo các vùng địa lý và các trạm di động MS(mobile station) Diện tích địa lý trong đó các MS liên lạc trực tiếp với một

BS được gọi là một mạng tế bào (cell), có thể coi biên của một tế bào đượcxác định bằng khoảng cách cực đại mà một MS có thể xa khỏi BS mà liên lạcvẫn còn chưa trở nên không thể chấp nhận được Về lý thuyết, các tế bàođược bố trí dưới dạng tổ ong với kích thước thích hợp cho phép tái sử dụngtần số nhằm đạt được mật độ người sử dụng cao Trong thực tế, hình dángthực và kích thước tế bào phụ thuộc vào địa hình, công suất phát, mật độngười sử dụng, loại anten và độ cao anten…Thông thường, trong địa hìnhnông thôn, tế bào có thể có bán kính tới 35km, trong đô thị bán kính này chỉcòn vài km Mạng vô tuyến tế bào được dùng để tổ chức PLMR GSM, IS-54/IS-136, IS-95 (CDMA)…là các hệ thống vô tuyến tế bào tiêu biểu

Viễn thông không dây CT (Cordless Telecommunication): Các mạng

không dây được thiết kế cho thông tin di động phủ sóng trên những khoảngcách tương đối nhỏ như trong môi trường công sở, nhà máy…Do kích thước

tế bào nhỏ, tốc độ truyền số liệu có thể quá cao mà không cần mạch san bằng

phức tạp, thậm chí cũng không cần mã hóa kênh Các mạng không dây tiêubiểu là DECT (Digital European Telecommunications) của châu Âu, CT-2của Anh.

Vành vô tuyến địa phương (wireless local loop): Được sử dụng để nối

thuê bao điện thoại tới mạng liên lạc công cộng bằng các thiết bị vô tuyến.Chất lượng liên lạc, độ an toàn thông tin vô tuyến địa phương thì cũng tương

tự như của mạng hữu tuyến Tùy lĩnh vực áp dụng, cự li liên lạc có thể là200m đến 500m trong địa hình đô thị và có thể tới 20km trong vùng nông thôn.Thủ tục lắp đặt nhanh, bảo trì và điều phối khá rẻ Tại nhũng vùng nông thôn hoặc

ở nơi hẻo lánh, nơi có mật độ thuê bao thấp, việc đặt các đường dây thuê baokhông mấy kinh tế thì vành vô tuyến địa phương lại trở nên hiệu quả hơn hết

 Phân loại theo đặc tính

Vô tuyến di động liên tục: Là các hệ thống điện thoại vô tuyến di động

thế hệ thứ nhất Tín hiệu thoại là tín hiệu liên tục, điều chế FSK (FrequencySift Keying) Ghép kênh chủ yếu theo tần số Các kênh điều khiển thì đã được

số hóa

Vô tuyến di động số: Cả tín hiệu thoại lẫn các kênh điều khiển đều là

tín hiệu số Ngoài dịch vụ điện thoại truyền thống, hệ thống di động số còncho phép khai thác một số các dịch vụ khác như truyền các tin ngắn, truyềnFax, truyền số liệu Tốc độ truyền cao và có khả năng mã hóa thông tin

 Phân loại theo phương thức đa truy nhập:

Đa truy nhập theo tần số (FDMA): Được sử dụng chủ yếu trong thôngtin di động thế hệ thứ nhất, hai dải tần số có độ rộng W được sử dụng cho đườngtruyền xuống (down-link) từ BS tới MS và đường truyền lên (up-link) từ MS tới

BS Mỗi một người sử dụng chiếm một dải tần con có độ rộng W/N gọi là kênh

và sử dụng kênh đó trong suốt thời gian liên lạc Có đặc điểm là tốc độ truyềnthấp, khó áp dụng các dịch vụ không thoại, hiệu quả sử dụng tần số thấp, có bao

nhiêu kênh trong một tế bào thì phải có bấy nhiêu máy thu, phát làm việc trênbấy nhiêu tần số kênh đặt tại BS, do đó kết cấu BS cồng kềnh.

Đa truy nhập theo thời gian (TDMA): Được sử dụng trong hầu hết các

hệ thống di động thế hệ thứ hai hoàn toàn số hóa Với loại truy nhập theo thờigian này, mỗi người sử dụng chiếm cả giải tần W trong một khe thời giannhất định, tuần hoàn trong suốt thời gian liên lạc Có đặc điểm dễ dàng mởcác dịch vụ không thoại, thiết bị trạm BS khá đơn giản do chỉ sử dụng mộtmáy thu, phát làm việc trên một cặp tần số ứng với các đường lên, xuống chonhiều người sử dụng (8 người sử dụng đối với GSM), hiệu quả sử dụng tần sốcao hơn so với các hệ thống FDMA Đối với loại đa truy nhập này, do tốc độtruyền dữ liệu khá cao, ISI tồn tại trong quá trình liên lạc, do đó trong nhiềutrường hợp các mạch san bằng khá phức tạp là cần thiết Đồng bộ cũng là mộtvấn đề đối với phương thức đa truy nhập này

Đa truy nhập theo mã (CDMA): Là một dạng của đa truy nhập phổ trảiSSMA (Spreat Spectrum Multiple Access), trong đó mỗi một người sử dụngdùng toàn bộ phổ tần như với TDMA, trong toàn bộ thời gian của cuộc gọinhư đối với FDMA Các kênh được phân biệt với nhau nhờ việc sử dụng các

mã giải nhiễu PN (PseudoNoise) Các ưu điểm nổi bật của CDMA là hiệu quả

sử dụng phổ rất cao, khả năng tái sử dụng tần số rất cao, phương án bố trí tần

số sử dụng trong các tế bào rất đơn giản, độ an toàn thông tin và khả năng làmviệc trong các điều kiện nhiễu mạnh rất cao…Mặc dầu có các ưu điểm nổi bậtnhư vậy, cho đến nay CDMA chỉ được sử dụng hạn chế do các vấn đề liênquan tới điều khiển công suất, đồng bộ và việc tìm ra các mã PN cung cấp sốkênh lớn Cũng cần phải nhấn mạnh thêm rằng, do hoàn cảnh lịch sử, hệthống GSM (TDMA) đã được chấp nhận ở châu âu và nhiều nước khác trênthế giới, bảo đảm tính lưu động (roaming) quốc tế trên một diện rất rộng trêntoàn cầu nên việc chiếm lĩnh thị trường và cạnh tranh của các hệ thống

CDMA hiện thời có khó khăn Tuy nhiên trong tương lai rất gần, khi nhu cầu

về thuê bao di động tăng lên rất lớn, các biện pháp kĩ thuật và công nghệ đủmạnh thì các hệ thống CDMA sẽ chiếm ưu thế tuyệt đối Theo ý kiến của cácchuyên gia hàng đầu thế giới, các thế hệ (thứ ba, thư tư) của thông tin di động

sẽ là các hệ thống CDMA và các phát triển của nó

 Phân loại theo phương thức song công.

Các phương thức song công trong thông tin di động là theo tần sốFDD (Frequency Division Duplex) và theo thời gian TDD (Time DivisionDuplex) FDD sử dụng chủ yếu trong thông tin vô tuyến tế bào hay trongvành vô tuyến địa phương, trong đó liên lạc đi và về giữa BS và MS thực hiệntrên hai tần số khác nhau bố trí trên hai giải tần khác nhau TDD được sửdụng trong các mạng liên lạc không dây CT Với TDD chỉ một giải tần sốđược dành cho liên lạc cả đi lẫn về và cấu trúc khung thời gian liên lạc được

áp dụng Việc phát từ BS tới MS diễn ra trong một nửa khung thời gian vànửa khung thời gian kia thì dành cho việc phát theo chiều ngược lại Trongthực tế, để đạt được dung lượng thích hợp, các phương thức đa truy nhập vàcác phương thức song công được sử dụng trộn lẫn, tạo ra các loại hệ thốngTDMA/FDD/FDMA (như trong GSM), FDMA/TDD (như trong TC-2),TDMA/TDD/FDMA (như trong DECT), hay CDMA/FDD (như trong các hệQualcomm CDMA cung cấp bởi Qualcomm LTD)

1.1.4 Hệ thống vô tuyến di động TDMA.

Sơ đồ khối cơ bản của một tuyến TDMA được cho như hình vẽ sau:

M¸y thu v« tuyÕn

T¸ch kªnh Hµm mê

Läc phèi hîp

San b»ng/

gi¶i ®iÒu chÕ

Gi¶i ghÐp xen

Hình 1.1 Sơ đồ khối cơ bản của một tuyến TDMA

Trong các hệ thống TDMA, một số tín hiệu của nhiều người sử dụngđược truyền trên một sóng mang tần số vô tuyến RF (Radio Frequency) đơn

Hệ thống được đồng bộ để việc truyền tín hiệu của từng người sử dụng diễn

ra trong từng khe thời gian riêng trong mỗi khung thời gian TDMA và do đó

số liệu được truyền đi thành từng gói với độ dài nhỏ hơn độ dài của khe thờigian một chút Nếu có n khe trong một khung TDMA và nếu số liệu đó được

mã hóa của một người sử dụng được truyền với tốc độ R, thì tín hiệu TDMA

sẽ được truyền theo tốc độ lớn hơn n.R một chút

Cấu trúc tín hiệu TDMA:

Chu tr×nh cña mét khung thêi gian TS

Hìn1.2: Cấu trúc tín hiệu khung TDMA

* Hoạt động của tuyến vô tuyến TDMA như sau:

Tiếng nói được số hóa tại bộ mã tiếng nói (Encoder) nhằm đạt tốc độbit tương đối thấp (để độ rộng phổ của tín hiệu giảm và do đó đạt được hiệuquả sử dụng phổ cao) với chất lượng âm thanh theo yêu cầu Tín hiệu tiếngnói số sau đó được mã hóa chống nhiễu tại thiết bị mã hóa kênh (ChannelCoder) và được tráo thứ tự truyền nhằm tránh lỗi cụm trên kênh trong bộ tráothứ tự truyền (Interleaver) Tín hiệu số liệu sau đó được đưa vào khối tạo góicùng các tín hiệu đồng bộ, thông tin giám sát và dãy tín hiệu dò kênh(Sounding Sequence) tạo thành gói tin sẽ truyền đi trong các khe thời gian.Sau khi qua thiết bị đệm, tín hiệu được điều chế rồi đưa tới máy phát để phát

(trên tần số vô tuyến theo các khe thời gian tuần hoàn) về phía máy thu Ởphần thu, tín hiệu được máy thu vô tuyến (RX frontend) thu nhận và giải điềuchế Mạch phân đường (Demux) sẽ tách tín hiệu số liệu và tín hiệu dò kênhđưa chúng tới các mạch xử lý tín hiệu (Gồm khối hàm mù mờ- AMBIGUITYFUNCTION, bộ lọc phối hợp – Matched Filter) và san bằng kênh (EqualiserSystem) nhằm loại bỏ các ảnh hưởng của trải giữ chậm quá mức, loại bỏ ISIgây bởi fađing nhiều tia và phương pháp điều chế dải hẹp Sau đó tín hiệu sốliệu sẽ được khôi phục lại thứ tự ban đầu, thực hiện dải tương quan lỗi tại bộkhôi phục thứ tự số liệu (Deinterleaver) Sau bộ giải mã sửa lỗi (ChannelDecoder), tín hiệu tiếng nói số được đưa vào thiết bị giải mã tiếng nói(Speech Decoder) để cho ra tín hiệu tiếng nói tới người nghe.

1.1.5 Các vấn đề kỹ thuật đảm bảo chất lượng liên lạc

a) Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật

Hiệu quả phổ có thể đánh giá bởi số người sử dụng trên một đơn vị tần

số và trong các tế bào có tái sử dụng tần số thì hiệu quả sử dụng phổ tần cũngđược tính theo tế bào Thông số này đặc biệt quan trọng vì nó xác định khảnăng phục vụ rộng rãi cho nhiều thuê bao của hệ thống, do đó trong rất nhiềutrường hợp nó ảnh hưởng tới tính kinh tế và khả năng cạnh tranh thị trườngcủa hệ thống

Chất lượng âm thanh, thường được chia thành các loại chất lượng tiếngchuông (toll quality), chất lượng gần tiếng chuông (near- toll quality) và chấtlượng kém thường chỉ dùng trong một số hệ thống vô tuyến di động quân sự.Mức độ phức tạp của thiết bị, giá thành máy di động và trạm cố định.Tính tiện lợi mang xách (kích thước, trọng lượng)

Mức độ tiêu thụ nguồn

Độ tin cậy thiết bị và độ tin cậy của đường liên lạc (độ phủ sóng, khảnăng chuyển điều khiển tin cậy không gây gián đoạn liên lạc)

Mức độ bảo mật thông tin, bảo đảm tính nội bộ, tính riêng tư của người

sử dụng

Khả năng đáp ứng nhiều dịch vụ khác nhau cũng như khả năng dễ thíchứng với sự phát triển trong tuơng lai

b) Các biện pháp kỹ thuật đảm bảo chất lượng liên lạc

Trong các hệ thống vô tuyến di động số, tín hiệu truyền trên kênh đóđược số hóa Trải giữ chậm và fađing gây nên ISI tác động rất xấu tới chấtlượng liên lạc, do đó phải có các biện pháp khắc phục tác động của ISI Ngoài

ra để đạt được chất lượng liên lạc theo yêu cầu với hiệu quả tần số cao, mộtloạt các biện pháp kỹ thuật phải được áp dụng Sau đây là một số biện pháp

kỹ thuật quan trọng thường được áp dụng nhằm đạt được các chỉ tiêu kinh tế

kỹ thuật được đề ra cho hệ thống:

Mã hóa tiếng nói: Mã hóa tiếng nói là một vấn đề rất quan trọng trong

việc ấn định tốc độ bit, trong việc bảo đảm chất lượng âm thanh cũng nhưtrong mức độ phức tạp của thiết bị, mức độ tiêu thụ nguồn Đối với các mạng

tế bào nhỏ hay các mạng CT, trong đó phổ tần tương đối rộng rãi, mật độngười sử dụng không cao thì vấn đề mã hóa tiếng nói không quá trầm trọng,

do đó các mã tiếng nói đơn giản như điều chế delta, điều chế mã xung logaritlog-PCM hay EDM có thể đạt được độ giữ chậm xử lý thấp, đơn giản về thiết

bị, mức tiêu thụ nguồn thấp với chất lượng âm thanh yêu cầu Đối với cácmạng tế bào lớn, đòi hỏi phải có các thiết bị và phương pháp mã hóa tiếng nóiphức tạp hơn nhiều Về cơ bản các mã này dựa trên việc phân tích các đặctính cơ bản của âm thanh, quá trình phát âm, cho phép dẫn đến khả năng nénthông tin cao nhằm đạt được tốc độ bit thấp với chất lượng tiếng nói theo yêucầu Một số mã tiếng nói thông dụng là RPE-LPC, CELP…cho phép truyềntiếng nói với chất lượng gần chuông tại tốc độ trên dưới 10 kbps Các mã

phức tạp này đòi hỏi các quá trình và thiết bị xử lý phức tạp, tiêu tốn nguồnhơn các mã đơn giản và gây nên giữ chậm xử lý đáng kể.

Mã hóa kênh (mã hóa chống nhiễu) và tráo thứ tự truyền (ghép xen):

Kênh vô tuyến thường gây ra các lỗi cụm trong truyền tín hiệu số Để chốnglại một cách hiệu quả, tín hiệu số phải được mã hóa chống nhiễu một cáchthích hợp, kết hợp với tráo thứ tự truyền Tráo thứ tự truyền là biện phápnhằm giải tương quan lỗi, giảm nhẹ nhiệm vụ cho giải mã kênh Bản chất củabiện pháp này là thay vì các ma trận số liệu được truyền đi theo số liệu bìnhthường (theo hàng), chúng được phát theo cột Ở phần thu các tín hiệu số liệusau giải điều chế được sắp xếp lại theo thứ tự ban đầu, vì thế lỗi cụm sẽ đượctrải ra, nhờ đó bộ giải mã chống nhiễu sẽ phát hiện và sửa được dễ dàng hơn.Trong một vài hệ thống, việc tráo thứ tự truyền được thực hiện tới vài lầnnhằm giải tương quan lỗi một cách triệt để (trong GSM việc tráo thứ tự truyềnđược thực hiện hai lần) Các mã chống nhiễu dùng để mã hóa kênh trongthông tin vô tuyến di động là các mở khối và mã cuốn sử dụng hỗn hợp,trong đó mã khối là mã kiểm tra chẵn nhằm phát hiện lỗi còn sót sau khi sửabằng mã cuốn Để tốc độ bit không trở nên quá lớn do mã hóa chống nhiễu(dẫn đến chiếm phổ lớn làm giảm hiệu quả sử dụng phổ), có thể chỉ các bitquan trọng và rất quan trọng trong tín hiệu tiếng nói số được mã, các bitkhông quan trọng thì không được mã Trong các tế bào nhỏ hay trong hệthống CT, do ảnh hưởng của kênh truyền không quá khắc nghiệt, các mã kênh

có thể không cần áp dụng

Điều chế: Để đạt được hiệu quả phổ tần cao, các sơ đồ điều chế phản

ứng một phần có thể được áp dụng trong thông tin vô tuyến di động, ví dụ sơ

đồ điều chế GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) với BT = 0.3 được sửdụng trong GSM cho phép điều chế số liệu tốc độ 271kbps với độ rộng phổđầu ra 50Khz Các loại điều chế này có đặc điểm là phản ứng xung đầu ra trải

lấn sang các dấu lân cận tạo nên ISI Trong trường hợp kênh hoàn toàn lýtưởng thì các ISI này có thể tính toán và triệt bỏ một cách dễ dàng tại bộ giảiđiều chế Tuy nhiên do fađing nhiều tia, hiệu ứng Dopler, trải giữ chậm…kênh truyền biến đổi theo thời gian, vì vậy để loại bỏ ISI một cách hiệu quảcác mạch san bằng với thuật toán phức tạp phải được áp dụng Với các kênh

có trải giữ chậm nhỏ, cự ly liên lạc ngắn như trong hệ CT, các sơ đồ điều chế đơngiản có thể được sử dụng và không nhất thiết phải có san bằng kênh

San bằng: Một trong các thuật toán san bằng phức tạp thường được áp

dụng là thuật toán Viterbi sử dụng với cửa sổ ước lượng kênh Nhờ thuật toánsan bằng này tính phân tập theo tia sóng được lợi dụng, góp phần loại bỏ ảnhhưởng của kênh biến đổi theo thời gian Để phục vụ san bằng, chuỗi tín hiệu

dò kênh (đường truyền) được phát kèm trong loạt tín hiệu TDMA Trong hệthống GSM, chuỗi dò kênh (training sequence) gồm 26 bit được truyền vàogiữa khuôn (format) của một loạt (burst) TDMA Căn cứ vào chuỗi dò kênh,mạch san bằng ở máy thu sẽ đánh giá ước lượng kênh một cách liên tục theothời gian nhằm đưa ra các quyết định chính xác về cực tính của các bit số liệu(tín hiệu tiếng nói số được mã hoá)

Nhảy tần: Nhảy tần có thể được áp dụng trong thông tin vô tuyến di

động để tăng hiệu quả mã chống nhiễu, giải tương quan lỗi và tăng hiệu quảphân tập Quá trình nhảy tần đòi hỏi đồng bộ nghiêm ngặt, trong các tế bàonhỏ thì nhảy tần có thể không cần áp dụng

Kiểm soát công suất : Kiểm soát công suất trong thông tin di động là

cần thiết để giảm nhiễu giữa các tế bào nằm gần nhau làm việc trên cùng mộtbăng tần số nhằm tăng hiệu quả tái sử dụng tần số Điều khiển công suất còncho phép tiết kiệm nguồn pin cho máy di động

1.2 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG GSM

1.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển của GSM

Một mạng vô tuyến tế bào gồm các BS đặt giữa các tế bào được bố tríthành mạng hình tổ ong như hình vẽ sau:

Hình 1.3: Cấu trúc tổ ong của một mạng vô tuyến tê bào

Các băng sóng đường lên, đường xuống có độ rộng W được chia thànhcác phần con Bc và mỗi dải con Bc được gán cho một tế bào, N tế bào lân cậnnhau hợp thành từng cụm N trạm gốc BS với W = N.Bc Các cụm này lại ghépgiáp nhau và phủ kín vùng gần phủ sóng là phần diện tích cần cung cấp dịch

vụ liên lạc di động Giữa các vùng cần phủ sóng, các mạng nối với nhau cóthể bằng đường trục riêng hoặc thông qua PSTN

Hệ thống vô tuyến di động tế bào (Cellular Mobile Radio System) đầutiên ở Châu Âu được lắp đặt vào năm 1981 tại khu vực bán đảo Scandinavo,lúc đầu chỉ dùng cho vài ngàn thuê bao Cho tới năm 1992 thì toàn Châu Âu

đã có tới 6 mạng tế bào khác nhau tại 16 nước, phục vụ 1,2 triệu thuê bao

Lúc đó tại Châu Âu giữa các hệ thống và các thiết bị thuê bao của các mạngkhác nhau không tương thích với nhau Số thuê bao thấp dẫn đến giá thiết bị

và dịch vụ cao Trong tình hình như vậy, từ năm 1982 Hội bưu chính viễnthông Châu Âu CEPT (Conference of Europen on Post andTelecommunication) đã thành lập nhóm chuyên môn về thông tin di độngGSM (Groupe Special Mobile) có nhiệm vụ xác định một hệ thống thông tin

di động công cộng tiêu chuẩn toàn Châu Âu hoạt động trên băng tần 900Mhz.Nhóm này đã quyết định xây dựng hệ thống liên lạc số di động cho hệ GSM(nay được hiểu một cách rộng rãi là Global System for MobileCommunication – Hệ thống thông tin di động toàn cầu) Các thí nghiệm vàcác mô phỏng đã được thực hiện ở nhiều nước Châu Âu trên nhiều loại hệthống với nhiều nguyên tắc khác nhau Tới năm 1986 có 9 đề nghị đầu tiên đãđược đề xuất cho một hệ GSM toàn Châu Âu và dã được thử nghiệm tại hộinghị diễn ra tại Pari: CD-900, MATS-D/W, ADPM, DMS-90, MOBIRA, SFH-

900, S900-D, MAX II, MATS-D/N Cả ba loại đa truy nhập (FDMA, TDMA,CDMA do Pháp và Đức đề xuất) Và có tới 7 sơ đồ điều chế được thử nghiệmtrong các loại hệ thống này, với tốc độ truyền từ 20kbps tới 8 Mbps Tại hội nghịnày, đại diện các nhà quản lý và cung cấp các dịch vụ thông tin từ 15 nước Châu

Âu đã tiến hành bỏ phiếu lựa chọn cấu hình tiêu chuẩn của hệ thống GSM căn

cứ theo yêu cầu về hiệu quả phổ, chất lượng âm thanh, giá thành máy di động,giá trạm cố định, tính tiện lợi mang xách, khả năng phục vụ các dịch vụ mới vàkhả năng cùng hoạt động với một hệ thống hiện hành

Tính bảo mật: Trong GSM việc đăng ký thuê bao được ghi ở Modulenhận dạng thuê bao SIM Card thuê bao có kích thước như tấm tín phiếu Ta

có thể cắm card thuê bao của mình vào máy thoại GSM và chỉ có mình mớiđược sử dụng nó Hệ thống kiểm tra là đăng ký thuê bao đúng và card không

bị lấy cắp Quá trình này được tự động thực hiện bằng một thủ tục nhận thựcthông qua một trung tâm nhận thực.

Tính bảo mật cũng được tăng cường nhờ việc sử dụng một mã số đểngăn chặn hoàn toàn việc nghe trộm trên đường vô tuyến Điều này đúng cho

cả tiếng nói và số liệu

1.2.2 Một số ưu điểm của hệ thống GSM

- Các dịch vụ mạng mới và cải thiện các dịch vụ liên quan đếntruyền số liệu như nén số liệu của người sử dụng, số liệu chuyển mạch kênhtốc độ cao HDCSD (High Speed Circuit Switched Data), dịch vụ vô tuyến gói

đa năng GPRS (General Packet Radio Service) và số liệu 14,4kbps

- Các công việc liên quan tới dịch vụ thoại như: Codec tiếng toàntốc cải tiến EFC (Enhanced Full Rate Codec), Codec đa tốc độ thích ứng vàkhai thác tự do đầu cuối các Codec tiếng

- Các dịch vụ bổ xung như: chuyển hướng cuộc gọi, hiển thị tên chủgọi, chuyển giao các cuộc gọi và các dịch vụ cấm gọi mới

- Cải thiện liên quan đến dịch vụ bản tin ngắn SMS (Short MessageService) như: Móc nối các SMS, mở rộng bảng chữ cái, mở rộng tương tácgiữa các SMS

- Các công việc liên quan đến tính cước như: Các dịch vụ trả tiềntrước, tính cước nóng và hỗ trợ cho ưu tiên vùng gia đình

- Tăng cường công nghệ SIM

- Dịch vụ mạng thông minh như: CAMEL

- Các cải thiện chung như: Chuyển mạng GSM - AMPS, các dịch vụđịnh vị, tương tác với các hệ thống thông tin di động vệ tinh và hỗ trợ định tuyếntối ưu

1.2.3 Các thông số cơ bản của GSM

Các mô tả chi tiết về GSM được nêu trong 13 tập khuyến nghị củaGSM thông qua vào tháng 4/1988 và từ đó tới nay liên tục được bổ xung vàphát triển Cho tới năm 1992 các mô tả này bao gồm:

 Băng sóng: Đường lên: 890-915 Mhz

Đường xuống: 935-960 Mhz

Các băng song công này phân bổ cho hai dải phòng vệ, mỗi dải rộng200Khz, 124 cặp sóng mang vô tuyến (lên - xuống) mỗi kênh rộng 200Khz.Khoảng cách giữa các sóng mang vô tuyến là 200Khz

 Loại song công: FDD (đường lên - xuống thuộc hai tần số thuộc haibăng sóng riêng biệt), khoảng cách giữa hai sóng mang lên và xuống của mộtkênh là 45Mhz Tần số sóng mang trên hai băng sóng đối với kênh song công

thứ n được xác định theo công thức:

FnI = 890.2+0.2(n-1) [Mhz]

FnII = FnI+45 [Mhz]

 Sơ đồ truy nhập: TDMA với 8 khe thời gian trên một sóng mang vôtuyến Độ dài 1TS = 0.58 ms, do đó khoảng thời gian một khung TDMA gầnbằng 8×0.58 = 4.6 ms

 Mã hoá tiếng nói: Mã dự kiến tuyến tính - kích thích xung đều LPC (Regular Pulse Excited-Linear Predictive Code) tốc độ 13Kbps

PRE- Mã kênh: Mã cuốn tốc độ 1/2, độ dài cưỡng ép bằng 5 CC(2,1,5), kếthợp với mã khối Mã khối với 3 bit kiểm tra được sử dụng để mã hoá 50 bittiếng nói quan trọng nhất, sau đó 53 bit này được ghép với 132 bit tiếng nóiquan trọng cùng 4 bit đuôi tạo thành cụm 189 bit và được mã hoá tiếp bằng

mã cuốn tốc độ 1/2 tạo nên độ dài mã 378 bit, 78 bit tiếng nói không quantrọng không được mã hoá

 Tráo thứ tự truyền: Áp dụng hai lần, nhờ vậy việc bị mất cả một loạt(burst) TDMA chỉ gây ảnh hưởng tới 12,5% số bit của một khung tín hiệutiếng nói.

 Tốc độ truyền: Tốc độ tin thoại chưa mã hoá kênh là 13kbps, tốc độ tinthoại của một khe thời gian là 22,8 kbps, tốc độ số liệu của cả 8 khe thời gian(gồm cả tin thoại, tín hiệu đồng bộ, chuỗi dò kênh…) là 271 kbps

 Điều chế: Điều chế dịch chuyển pha cực tiểu GMSK (GausianMinimum Shift Keying) có đường bao không đổi, BT = 0.3 (Bandwidthbitinterval), nhờ đó suy giảm giữa hai sóng mang lân cận là 18 dB và hơn 50

dB đối với các kênh xa hơn Độ rộng phổ tín hiệu một kênh vô tuyến (gồm 8khe thời gian với tốc độ tổng cộng 271kbps) là khoảng 50kbps

 San bằng: Phải giải quyết được các trải giữ chậm tới 16µs

 Nhảy tần: Nhảy tần chậm tốc độ 271 bước nhảy/s, việc quyết định có

áp dụng nhảy tần hay không thuộc vào quyền quyết định của nhà cung cấpdịch vụ điện thoại di động

 Công suất: Công suất đỉnh cho máy di động là 2 – 20 W, công suất trungbình cho máy thu di động là 0,25 – 2,5W, có áp dụng kiểm soát công suất

 Kiểm soát và điều khiển: Có áp dụng chuyển điều khiển HO, tên kênhđiều khiển là SDCCH, tốc độ kênh điều khiển là 967bps, kích thước tin điềukhiển là 184 bit, giữ chậm điều khiển là 980ms

1.2.4 Cấu trúc và hoạt động của mạng GSM

Sơ đồ cấu trúc đơn giản của một mạng di động mặt đất công cộng GSM

MS

PSTN

ISDN MT

MT :Mobile Termination- Đầu cuối di động

TE :Terminal Equipment- Thiết bị đầu cuối

Um :Giao diện vô tuyến giữa trạm cố định và trạm di động

BS :Base Station- Trạm gốc cố định

BSS :Base Station Systerm-Hệ thống trạm gốc

BTS :Base Tranceiver Station- Trạm thu phát gốc

BSC :Base Station Controller- Đài điều khiển trạm gốc

MSC :Mobile Switching Centre- Trung tâm chuyển mạch di động.NMC :Network Management Centre- Trung tâm quản lý mạng.OMC :Operation Maintenace Centre- Trung tâm khai thác và bảo trì.ADC :Administration Centre- Trung tâm quản trị điều phối

AUC :Authentication Centre- Trung tâm nhận thực thuê bao.EIR :Equipment Identity Register- Bộ ghi nhận thiết bị.

HLR :Home Location Register- Bộ ghi định vị thường trú

VLR :Visistor Location Register- Bộ ghi định vị tạm trú

GMSC:Gateway MSC-Tổng đài cổngPSTN :Public Switched Telephone Network-Mạng điện thoạichuyển mạch công cộng

ISDN :Intergrated Service Digital Network-Mạng tích hợp số đadịch vụ

LA : Location Area-Vùng định vị

a) Chức năng các khối trong mạng GSM

Trạm di động (MS).

Trạm di động là thiết bị mà một thuê bao sử dụng để truy nhập các dịch

vụ của hệ thống Về chức năng MS gồm một đầu cuối di động MT và thiết bịđầu cuối TE cái mà nó có thể gồm một hay nhiều bộ phận như bộ phận điệnthoại và thiết bị đầu cuối số liệu DTE Khi cần một hay nhiều bộ phối hợp đầucuối TA (Terminal Adapter) có thể được ghép kèm vào đó

MS thực hiện chức năng cần thiết để tạo kênh vật lý giữa MS và BSnhư thu phát vô tuyến, quản lý kênh, mã hoá và giải mã kênh, mã hoá và giải

mã tiếng nói…Có nhiều loại MS: Mang xách, gắn trên xe, cầm tay Giao diện

vô tuyến giữa MS và BS được đặt tên là Um Trong GMS có sự phân biệtgiữa thiết bị vật lý và thuê bao Một trạm di động MS bao gồm một thiết bị diđộng và một đơn vị nhỏ nữa gọi là Module xác nhận thuê bao SIM(Subcriber Identity Module) được chế dưới dạng một cách thông minh (smartcard) mà thiếu nó thiết bị di động không thể truy nhạp mạng ngoại trừ gọi các

số khẩn cấp (cảnh sát, cứu thương, cứu hoả)

Hệ thống trạm gốc (BSS – Base Station Systerm)

Hệ thống trạm gốc được chia theo chức năng thành: Trạm thu phátgốc (BTS – Base Tranceiver Station) và Đài điều khiển trạm gốc (BSC – BaseStation Controler) và chúng được kết nối với nhau bằng giao diện A-bis

BS (Base Station) thực hiện chức năng quản lý kênh vô tuyến bao gồm đặtkênh, giám sát chất lượng đường thông, phát các tin quảng bá và thông tin báohiệu liên quan, cũng như điều khiển các mức công suất và điều khiển nhảy tần.Các chức năng khác của BS còn là mã hoá giải mã và sửa lỗi, mã chuyển tiếngnói số hoặc phối hợp tốc độ số liệu, khởi đầu chuyển điều khiển HO trong nội bộ

tế bào về kênh tốt hơn cũng như mã tín hiệu báo hiệu và số liệu

Mỗi một tế bào của GSM có một trạm thu phát gốc BTS (là một máythu phát vô tuyến được sử dụng để phủ sóng cho một tế bào) hoạt động trênmột tập kênh vô tuyến Các tập kênh sử dụng trong các tế bào lân cận thì khácnhau nhằm chống gây nhiễu lẫn nhau Thiết bị vô tuyến trong một BS có thểphục vụ cho một vài tế bào, trong trường hợp đó BS gồm một vài BTS đặtdưới sự điều khiển của cùng một BSC BSC có nhiệm vụ thực hiện mọi chứcnăng kiểm soát trong BS như điều khiển HO, điều khiển công suất …Một sốđến lượt mình lại được phục vụ bởi MSC

Tổng đài thông tin di động (MSC – Mobile Switching Centre)

Tổng đài thông tin di động được nối tuyến tới BS thông qua giao diện

A và thực hiện tất cả các chức năng cần thiết đối với hoạt động của các trạm

di động trong cụm các tế bào mà nó phục vụ

Các chức năng của MSC bao gồm: Lập tuyến cuộc gọi, điều khiển cuộcgọi, các thủ tục cần thiết để làm việc với các mạng khác (như PSTN, ISDN),các thủ tục liên quan tới quản lý quá trình di động của các trạm di động nhưnhắn tin để thiết lập cuộc gọi, báo mới vị trí trong quá trình di động và nhậnthực nhằm chống các cuộc truy nhập trái phép, cũng như các thủ tục cần thiết

để tiến hành chuyển điều khiển

Chuyển điều khiển là một quá trình gắn lại liên lạc của một trạm diđộng sang một BS khác khi MS di động ra khỏi vùng phục vụ của một BS.Ngoài quá trình HO này GMS còn loại HO khác là HO trong tế bào Quá trìnhnày là việc chuyển một cuộc gọi đang tiến hành trên một kênh này sang mộtkênh khác trong cùng một tế bào khi chất lượng kênh đang dùng giảm dướimức cho phép, có nhiễu quá lớn hoặc có vấn đề trong bảo trì Do các yêu cầungày càng cao về mật độ máy trong một tế bào, các kênh RF phải được tái sửdụng luôn vì thế dẫn đến việc phải chia tế bào nhỏ hơn (micro cell) và do đólàm tăng khả năng nhiễu cùng kênh Để chống lại, một thuật toán HO hiệuquả là tuyệt đối cần thiết dựa trên việc đánh giá một cách thông minh, và dovậy khá phức tạp, chất lượng tín hiệu nhận được.

Bộ ghi định vi thường trú (HLR – Home Location Register)

Bộ ghi định vị thường trú là một đơn vị cơ sở dữ liệu dùng để quản lýcác thuê bao di động HLR chứa một phần thông tin được báo mới thườngxuyên về vị trí hiện thời của MS (MS hiện đang có mặt tại vùng phục vụ củaMSC nào) cho phép các cuộc gọi tới một MS đựơc nối tới MSC mà tại đó MS

bị gọi danh hiện diện Ngoài ra HLR còn chứa các thông tin về thuê bao nhưcác dịch vụ phụ (mà thuê bao có quyền sử dụng trong mạng) và các thông sốnhận thực liên quan tới quá trình nhận thực thuê bao như số nhận diện thuêbao di động quốc tế IMSI (International Mobile Subcriber Identity) Thông sốnày được trung tâm nhận thực sử dụng để xác nhận quyền truy nhập hệ thốngcủa thuê bao Mọi thông tin nói trên của thuê bao thuộc về một mạng của mộtnhà cung cấp dịch vụ (công ty điện thoại di động) đều được đưa vào lưu trữtại HLR của mạng, ngay vào thời điểm đăng ký (mua) thuê bao

Trung tâm nhận thực (AUC – Authentication Centre).

Trung tâm nhận thực là một đơn vị cơ sở dữ liệu trong mạng, cung cấpcác tham số mã mật và nhận thực cần thiết để đảm bảo tính riêng tư (mật) của

từng cuộc gọi và nhận thực quyền truy nhập của thuê bao đang tiến hành truynhập mạng.

Bộ ghi số nhận diện thiết bị (EIR – Equipment Identity Register)

Bộ ghi số nhận diện thiết bị nối tới MSC bằng một tuyến báo hiệu,cũng là một cơ sở dữ liệu chứa thông tin về thiết bị (con số nhận diện phầncứng của thiết bị di động) cho phép MSC nhận biết được MS hỏng, bị lấy cắphay đang gọi trộm

Bộ ghi định vị tạm trú (VLR – Visistor Location Register)

Bộ ghi định vị tạm trú là một khối chức năng theo dõi mọi MS hiện cótrong vùng MSC của nó, kể cả MS đang hoạt động ngoài vùng của HLR củachúng VLR vì vậy là một cơ sở dữ liệu chứa thông tin của mọi MS hợp lệhiện đang có trong vùng của nó Mỗi MSC có một VLR duy nhất Vùng màMSC/VLR quản lý gọi là vùng phục vụ MSC/VLR

Việc quản lý di động của các MS trong mạng được thực hiện thông quaquá trình báo mới vị trí (location updating) của MS với sự tham gia của cácđơn vị co sở dữ liệu là HLR và VLR MS phải thường xuyên thông báo choPLMN (Public Land Mobile Network) về vị trí của mình bằng cách thườngxuyên báo mới vị trí thông qua MSC/VLR để đổi mới nội dung của HLR Khibáo mới vị trí các thông tin cần thiết về MS được ghi trong HLR Để hỗ trợquá trình báo mới vị trí, các PLMN được chia thành các vùng địa lý khônggiao nhau gọi là các vùng định vị LA (Location Area) Mỗi LA gồm một số tếbào và được đặc trưng bằng một số nhận diện LA duy nhất LAI (LocationArea) Số này được phát quảng bá thường xuyên tới mọi MS thông qua cáckênh điều khiển phát thanh BCCH (Broadcast Control CHannel) truyền trêncác sóng mang vô tuyến riêng Các MS có thể di chuyển tự do trong LA màkhông cần báo mới vị trí Chỉ khi nào MS nhận thấy cần có sự thay đổi về sốnhận diện LA thì nó mới phát ra yêu cầu báo mới vị trí Ngoài ra khi MS

chuyển động tới một vùng MSC mới thì VLR của MSC đó sẽ hỏi số liệu về

MS từ HLR để sau đó nếu MS muốn gọi thì VLR đã có các thông tin cần thiết

để thiết lập cuộc gọi, không cần hỏi lại HLR nữa Đồng thời HLR cũng đượcbáo mới về vị trí của MS đó (về MSC mà MS di chuyển tới) MS vãng lai (từmột HLR khác tới) thì được đăng ký một cách tự động tại MSC gần nhất vàHLR của mạng mà MS mới truy nhập sẽ được báo về sự xuất hiện của MS đó.Một con số vãng lai tạm thời đựoc gán cho MS mới đến, điều này cho phépnối tuyến cuộc gọi tới MS này

OMC, NMC, ADC là các bộ phận chức năng mà thông qua chúng cóthể giám sát điều khiển, quản lý và bảo vệ hệ thống

b) Hoạt động của hệ thống phục vụ một cuộc gọi

Khi một người sử dụng di động khởi đầu một cuộc gọi, MS sẽ tìm kiếmmột BS xem như gần nhất (là BS đang cung cấp một mức tín hiệu mà MS thuthấy đủ lớn trên sóng mang BCCH) Sau đó MS sẽ đồng bộ với nó và báo cho

BS biết quá trình truy nhập này là để thiết lập cuộc gọi đi Tiếp đó BS sẽ đặtmột kênh báo hiệu hai chiều SDCCH, đồng thời thiết lập một đường nối tớiMSC phục vụ khu vực MSC sử dụng số IMSI nhận được từ trạm di động đểhỏi HLR của thuê bao Số liệu về thuê bao nhận đuợc từ HLR sau đó sẽchuyển đến VLR khu vực Sau khi được mạng chấp nhận, MS xác định loạidịch vụ mong muốn và phát đi số máy bị gọi BS phục vụ tế bào sẽ đặt kênhliên lạc và MSC sẽ nối tuyến cuộc gọi tới đích Nếu MS di chuyển sang một

tế bào khác thì nó sẽ được gán lại cho BS khác và quá trình HO xảy ra

+ Nếu cả hai BS đang tham gia vào quá trình HO này lại được điều khiểnbởi cùng một BSC thì HO được tiến hành dưới sự điều khiển của BSC đó

+ Nếu các BS đó được điều khiển bởi các BSC khác nhau thì HO đượcthực hiện bởi MSC

Nếu một người từ mạng điện thoại cố định công cộng PSTN muốn thiếtlập một cuộc gọi tới một thuê bao GSM, tổng đài trong PSTN sẽ nối cuộc gọitới tổng đài cổng GMSC (Gateway MSC) của mạng di động PLMN GMSC

có thể là bất cứ MSC nào của mạng GSM (có thể là hầu hết các MSC củaGSM) GMSC làm việc như một tổng đài trung kế vào của GSM/PLMN TạiGMSC chức năng hỏi định tuyến cuộc gọi tới thuê bao di động được thựchiện Điều này được thực hiện bằng cách hỏi HLR nơi MS bị gọi đang hiệndiện HLR sẽ thông báo địa chỉ MSC nào mà MS bị gọi đã đăng ký mới nhất.Khi đó GMSC có thể định tuyến cuộc gọi tới MSC cần thiết Khi cuộc gọi đạttới MSC này, VLR của nó sẽ cho biết chi tiết hơn về vị trí của MS bị gọi (LAhiện thời mà MS bị gọi đang hiện diện) Nhờ đó có thể nối thông tới MS bịgọi Dưới dự điều khiển của BSC một tín hiệu nhắn gọi (Paging) được pháttrên một kênh Paging (PCH) khắp khu vực phủ sóng của vùng định vị mà tại

đó MS bị gọi đang đăng ký vị trí, các kênh Paging này được các MS trongvùng thu nghe thường xuyên ngay cả khi không có đàm thoại Khi MS bị gọinhận được tín hiệu Paging gọi nó, MS đó sẽ khởi động thủ tục truy nhậpmạng giống thủ tục đuợc tiến hành khi nó thực hiện cuộc gọi như đã được mô

tả ở trên, chỉ khác là tin truyền về BS thì báo rằng sự truy nhập này là do thuđược tín hiệu gọi trên kênh Paging

Chương 2 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA FADING ĐỐI VỚI

MẠNG GSM 2.1 HIỆN TƯỢNG FADING TRONG MẠNG GSM

2.1.1 Khái niệm về Fading

Fading được hiểu là hiện tượng cường độ trường của tín hiệu bị thănggiáng theo thời gian trong quá trình truyền dẫn trên kênh vô tuyến Tại đầuthu tín hiệu thu được có chất lượng bị suy giảm đi

Các loại fading được chia ra là :

- Fading nhiều đường

Fading có thể do nhiều nguyên nhân gây ra như là do phản xạ từ mặtđất, nước, từ tầng điện ly, hay do môi trường khí quyển không đồng nhất, dotán xạ khi sóng vô tuyến đập vào các vật không bằng phẳng mà các vật này cókích thước, cỡ, khoảng chiều dài bước sóng, do nhiễu xạ khi sóng vô tuyếnđập vào các vật có kích thước lớn hơn nhiều so với bước sóng, điều này sẽlàm tăng bội số đường truyền tại máy thu Nếu giữa anten phát và anten thukhông có đường truyền trong tầm nhìn thẳng thì tia phát được thu bằng nhiềuđường truyền sóng khác nhau do phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ Vì vậy nên các tiasóng tới điểm thu không cùng thời điểm và biên độ bị suy giảm dẫn đến tạiđiểm thu biên độ và pha bị thay đổi Tại máy thu sẽ thu được vô số các tínhiệu truyền đi từ nhiều hướng khác nhau với thời gian đến và pha khác nhau,tại đây các tín hiệu được cộng lại với nhau tạo thành tín hiệu cuối cùng Cáctín hiệu này có góc pha khác nhau nên khi chúng đồng pha với nhau sẽ tạonên hiện tượng cộng tích cực, nếu chúng ngược pha sẽ tạo nên hiện tượngcộng tiêu cực tức là triệt tiêu nhau.

2.1.2 Fading chậm và fading nhanh

Fading có thể nói là chậm nếu như thời gian một symbol T s nhỏ hơn độ

ổn định thời gian ( ) ∆t c của một kênh truyền Và ngược lại, fading được coi là

nhanh nếu như thời gian một symbol T s lớn hơn độ ổn định thời gian ( ) ∆t c

của một kênh truyền

Fading nhanh xảy ra khi anten thu nhận tín hiệu gồm nhiều tia phản xạ,tín hiệu tổng hợp gồm nhiều sóng có biên độ và pha khác nhau nên nó có tínhiệu thay đổi bất kỳ và nhiều khi chúng còn triệt tiêu lẫn nhau Fading nhanhgây ra hiện tượng tiếng ồn

Fading nhanh được biểu hiện hai đặc tính là méo tín hiệu (trải trễ tínhiệu) và sự biến đổi theo thời gian của kênh Do sự chuyển động giữa máy

phát và máy thu, kênh truyền sẽ biến đổi theo thời gian khi thay đổi đườngtruyền sóng Tốc độ thay đổi của các điều kiện truyền sóng này được xem nhưtốc độ biến thiên nhanh của fading Fading nhanh thường được mô tả thống

kê bằng phân bố Rayleigh, Rice, hoặc Nakagami-m Việc lựa chọn mô hìnhphù hợp chủ yếu phụ thuộc vào môi trường hoạt động của hệ thống thông tin.Nếu số các đường phản xạ đa đường lớn và không có thành phần tín hiệutrong tầm nhìn thẳng, đường bao của tín hiệu thu thường được mô tả thống kêbằng hàm mật độ phân bố xác suất Rayleigh Khi có sự xuất hiện của thànhphần tín hiệu không fading với cường độ mạnh, ví dụ như tín hiệu đến từđường truyền trong tầm nhìn thẳng, đường bao fading nhanh được mô tả bằnghàm mật độ phân bố xác suất Rice

Fading chậm xãy ra do hiệu ứng che khuất bởi các vật che chắn của địahình xung quanh gây nên Nó có phân bố chuẩn xung quanh một giá trị trungbình nếu ta lấy logarit cường độ tín hiệu Do vậy có thể gọi là fading loga chuẩn

Ảnh hưởng của fading này là làm méo khả năng phủ sóng của máy phát

Để chống fading này, người ta sử dụng khoảng dự trữ máy phát Khoảng dự trữnày phụ thuộc vào độ lệch tiêu chuẩn thường được giả thiết là từ 4dB đến 8dB

2.1.3 Fading phẳng và Fading lựa chọn tần số

 Mô hình kênh Fading phẳng

Kênh fading phẳng còn có thể gọi là kênh biên độ thay đổi (đôi khi còngọi là kênh băng hẹp vì dải rộng tín hiệu là hẹp hơn so với bề rộng độ ổn địnhtần số của kênh) Thông thường loại kênh này gây nên suy giảm sâu và cần

20 dB đến 30 dB công suất thêm cho bộ phát để đạt được tốc độ lỗi bit nhưkênh không có suy giảm Phân bố hệ số kênh của suy giảm phẳng là rất quantrọng cho thiết kế ghép nối Phân bố phổ biến nhất là phân bố Rayleigh Tómlại trong kênh suy giảm phẳng ta có:

B < (∆f)c, T s > τ

Với T s là nghịch đảo độ rộng băng dải B của hệ thống τ và ( )∆f c là độ

trải trễ và bề rộng độ ổn định tần số của kênh

Kênh fading phẳng được mô tả theo như hình vẽ sau:

Hình 2.2 Mô tả kênh fading phẳng

 Kênh fading lựa chọn tần số

Nếu kênh có hệ số không đổi và pha tuyến tính trong một khoảng tầnnhỏ hơn dải rộng tín hiệu truyền thì kênh sẽ gây ra suy giảm chọn lọc tần số.khi đó độ trải trễ sẽ lớn hơn nghịch đảo dải rộng tín hiệu, tín hiệu thu đượcgồm nhiều phiên bản của dạng sóng phát bị suy giảm và làm trễ khác nhaugây nên méo tín hiệu Fading chọn lọc tần số gây nên méo ký hiệu truyền, còngọi là giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) Kênh này khó hình dung hơn là kênhfading phẳng vì môi trường truyền phải được mô hình và kênh phải được xétnhư bộ lọc tuyến tính Do nguyên nhân này phép đo đa đường dải rộng phảiđược thực hiện và mô hình được phát triển từ các phép đo này

Khi phân tích các hệ thống thông tin di động, các mô hình đáp ứngxung thống kê chẳng hạn như mô hình Rayleigh hai tia (đáp ứng xung là hai

xung dạng Delta, suy giảm độc lập và trễ giữa hai xung đủ để tạo nên suygiảm chọn lọc đối với tín hiệu được cấp) được máy tính tạo ra hay từ các phép

đo nói chung được dùng để phân tích suy giảm chọn lọc tần số kích thướcnhỏ Suy giảm chọn lọc tần số là do trễ đa đường bằng hay vượt quá chu kỳ

ký hiệu truyền, kênh này cũng được gọi là kênh băng rộng vì dải rộng tín hiệulớn bề rộng độ ổn định tần số của kênh Thời gian thay đổi, kênh sẽ thay đổi

hệ số và pha, phổ tín hiệu gây nên méo thay đổi theo thời gian Ta có quan hệgiữa độ rộng dải Bcủa tín hiệu và bề rộng độ ổn định tần số ( )∆f c như sau:

B > (∆f)c , T s < τ

Mô hình kênh fading chọn lọc tần số được mô tả như sau:

Hình 2.3 Kênh fading chọn lọc tần số

2.2 MÔ HÌNH KÊNH TRONG MẠNG GSM

2.2.1 Khái niệm về kênh truyền dẫn phân tập đa đường

Hình 2.4 Mô hình phản xạ trong truyền dẫn phân tập đa đường

Ở hình 2.4 trình bày về khái niệm truyền dẫn phân tập đa đường Tín hiệu

từ anten phát được truyền đến máy thu thông qua nhiều hướng phản xạ hoặc tán

xạ khác nhau Tín hiệu giả sử nhận được bằng hai luồng tín hiệu một luồng làtín hiệu truyền thẳng có trễ truyền dẫn tương ứng là τ1, tuyến thứ 2 có trễ truyềndẫn là τ2 Giả thiết tín hiệu phát đi từ máy phát đơn giản chỉ là luồng tín hiệu

từ hai tuyến truyền dẫn được mô tả ở hình 2.4 Ta thấy rằng tín hiệu thu được ởtần số f1 bị suy giảm ở một mức độ khác so với độ suy giảm ở tín hiệu có tần số

2

f Do vậy, cường độ tín hiệu thu được ở tần số f1 khác với cường độ tín hiệuthu được ở tần số f2 cho dù là ở máy phát phát đi hai tín hiệu ở cùng biên độ.Hiện tượng này chính là hiện tượng fading ở miền tần số Kênh truyền dẫn phântập đa đường gây nên hiệu ứng fading ở miền tần số gọi là kênh phụ thuộc tần

số Thực chất của hiện tượng kênh phụ thuộc tần số là hàm truyền đạt của kênhphụ thuộc vào giá trị của tần số của tín hiệu phát

Hình 2.5 Mô tả sự phân tập theo tần số của tín hiệu

Hình 2.6 Mô hình tổng quát của truyền dẫn phân tập đa đường

Mô hình tổng quát của truyền dẫn phân tập đa đường không phải chỉ làhai tuyến truyền dẫn mà có thể là vô số các tuyến truyền dẫn khác nhau như ởhình 2.6 Ở mô hình tổng quát có thể là phản xạ, tán xạ hoặc là khúc xạ theo

nhiều hướng khác nhau rồi mới đến máy thu Trong trường hợp máy phát đặttrong tầm nhìn thẳng thì sẽ có một luồng tín hiệu trong tầm nhìn thẳng Tínhiệu này thường có cường độ lớn hơn hẳn và làm chất lượng tín hiệu thu tốthơn nhiều.

2.2.2.Đáp ứng xung của kênh không phụ thuộc thời gian

 Khái niệm về kênh không phụ thuộc thời gian:

Kênh không phụ thuộc thời gian là kênh truyền dẫn trong trường hợpkhông có sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu

Bản chất của hiện tượng này là cả đáp ứng xung và hàm truyền đạt của kênhkhông phụ thuộc thời gian

+ Khái niệm về đáp ứng xung của kênh: Đáp ứng xung của kênh là mộtdãy xung thu được ở máy thu khi máy phát phát đi một xung cực ngắn gọi làxung Dirac δ( )t

+ Xung δ( )t được định nghĩa là xung Dirac nếu nó thỏa mãn hai điềukiện sau:

Hình 2.7 Mô tả đáp ứng xung của kênh

 Hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc thời gian

Hình 2.8 mô tả hàm truyền đạt của kênh.

Hàm truyền đạt của kênh qua phép biến đổi Fourier :

Dựa vào hàm truyền đạt của kênh ta có thể nhận biết được ở miền tần

số nào tín hiệu bị suy hao hay tương ứng với độ fading lớn và ở miền tần sốnào thì tín hiệu ít bị suy hao Thực chất thì hầu hết các hệ thống truyền dẫnbăng rộng trong môi trường truyền dẫn phân tập đa đường đều có fading ởmiền tần số Độ phụ thuộc vào tần số phụ thuộc vào trễ truyền dẫn của kênh

và bề rộng băng tần tín hiệu

τ là trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh Tùy thuộc vào bề rộng băng tần của

hệ thống so với bề rộng độ ổn định tần số của kênh mà kênh được định nghĩa

là kênh phụ thuộc tần số hay không

Hình 2.9 Hàm truyền đạt của kênh

Hình 2.9 mô tả sự so sánh giữa bề rộng băng tần của hệ thống so với

bề rộng độ ổn định tần số của kênh, trong đó ϕHH( )∆f là hàm tự tương quan

tần số của kênh, B là bề rộng băng tần của hệ thống

Cụ thể là nếu bề rộng độ ổn định tần số của kênh lớn hơn nhiều so với bề rộngbăng tần của hệ thống:

(2.5.)

( )∆f c≥B