Phương pháp xác định vị trí trong hệ thống định vị vệ tinh GPS và phân tích các nguồn gây sai số của hệ thống

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

LỜI CẢM ƠN

Được sự đồng ý hướng dẫn làm đồ án tốt nghiệp của thầy TS Phạm Văn

Phước, em đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu về Fading và các biện pháp chống fading trong mạng thông tin di động”

Để hoàn thành đồ án này, em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo

đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy em trong suốt quá trình học tập và rèn luyện tạiTrường Đại học Hàng Hải Việt Nam

Em xin cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn Phạm Văn Phước đã tận tình, chu đáohướng đẫn em thực hiện đồ án này

Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất.Song do buổi đầu mới làm quen với việc làm đồ án tốt nghiệp nên không thểtránh khỏi những thiếu sót mà bản thân em chưa thấy được Em rất mong được

sự góp ý của thầy giáo, cô giáo và toàn thể các bạn để đồ án của em được hoànchỉnh hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hải Phòng, ngày 12 tháng 12 năm 2015 Sinh viên

TRẦN THỊ LUYÊN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướngdẫn trực tiếp của thầy TS Phạm Văn Phước Nếu vi phạm quy chế hay gian trátôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vi

DANG MỤC CÁC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ HỆ THỐNG GSM 2

1.1 KHÁI QUÁT VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG 2

1.1.1 Lịch sử phát triển 2

1.1.2 Đặc điểm truyền sóng trong thông tin di động 4

1.1.3Phân loại các hệ thống thông tin vô tuyến di động 6

1.1.4 Hệ thống vô tuyến di động TDMA 8

1.1.5 Các vấn đề kỹ thuật đảm bảo chất lượng liên lạc 11

1.2 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG GSM 14

1.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển của GSM 14

1.2.2 Một số ưu điểm của hệ thống GSM 15

1.2.3 Các thông số cơ bản của GSM 16

1.2.4 Cấu trúc và hoạt động của mạng GSM 17

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA FADING

2.1 HIỆN TƯỢNG FADING TRONG MẠNG GSM 25

2.1.1 Khái niệm về Fading 25

2.1.2 Fading chậm và fading nhanh 27

2.1.3 Fading phẳng và Fading lựa chọn tần số 28

2.2 MÔ HÌNH KÊNH TRONG MẠNG GSM 30

2.2.1 Khái niệm về kênh truyền dẫn phân tập đa đường 30

2.2.2.Đáp ứng xung của kênh không phụ thuộc thời gian 32

2.2.3 Đáp ứng xung của kênh phụ thuộc thời gian 37

2.2.4 Các mô hình kênh cơ bản 39

2.3 CÁC BIỆN PHÁP CHỐNG FADING TRONG MẠNG GSM 41

2.3.1 Bộ cân bằng ở miền thời gian 42

2.3.2 Bộ cân bằng ở miền tần số 44

2.3.3 Các kỹ thuật phân tập 46

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP CHỐNG FADING TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 49

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 49

3.2 KÊNH VÀ MODEM HỆ THỐNG 50

3.3 PHƯƠNG PHÁP THÍCH NGHI TỐC ĐỘ VÀ PHẤT XẠ CÔNG SUẤT TỐI ƯU 52

3.3.1 Không có tính vòng lặp 53

3.3.2 Tổ hợp với tỷ lệ cực đại 54

3.3.3 Tổ hợp lựa chọn 56

3.4 CÁC KẾT QUẢ BẰNG SỐ LIỆU VÀ SO SÁNH 57

3.4.1.Trường hợp không có tính lặp 57

3.4.2 Trường hợp sử dụng phân tập MRC 61

KẾT LUẬN 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 84

ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN 86

PLMR Public Land Mobile Radio Mạng vô tuyến mặt đất công

cộngPSTN Public Switched Telephone

Network

Mạng điện thoại chuyển mạch

công cộngISDN Integrated Services Digital

Network

Mạng đa dịch số

FDMA Frequency Division Mutiple Đa truy nhập theo tần số

TDMA Time Division Mutiple Đa truy nhập theo thời gian

CT Cordless Telecommunication Viễn thông không dây

CEPT Conference of Eropen on Post

and Telecommunication

Hội bưu chính viễn thông Châu

ÂGSM Groupe Special Mobile Hệ thống thông tin di động toàn

cầuHDCSD High Speed Circuit Switched

Data

Số liệu chuyển mạch kênh tốc

độ caoGPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói đa năng

MSC Mobile Switching Centre Tổng đàu thông tin di độngHLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

EIR Equipment Identity Register Bộ ghi số nhận diện thiết bịVLR Visistor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú

DANG MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.3 Cấu trúc tổ ong của một mạng vô tuyến tế bào 14

Hình 2.4 Mô hình phản xạ trong truyền dẫn phân tập đa đường 30

Hình 2.6 Mô hình tổng quát của truyền dẫn phân tập đa đường 32

Hàm tự tương quan thời gian của kênh trong sự so sánh với

bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh

Mô tả bộ cân bằng độ dốc và độ lõm của đặc tuyến tần số 45

Hình 3.2 Đồ thị dung lượng trung bình trên một đơn vị băng thông của

kênh fading Rayleigh và kênh AWGN theo CRN trung bìnhtrong trường hợp không có tính lặp

59

Hình 3.3 Đồ thị xác suất ngừng hoạt động của kênh fading trong

trường hợp không lặp

61

Hình 3.4 Đồ thị dung lượng kênh fading trên một đơn vị băng thông

của kênh fading Rayleigh sử dụng phân tập MRC theo CRNtrung bình với M=1

63

Hình 3.5 Đồ thị dung lượng kênh fading trên một đơn vị băng thông

của kênh fading Rayleigh sử dụng phân tập MRC theo CRNtrung bình với M=2

65

Hình 3.6 Xác suất ngừng hoạt động của kênh fading sử dụng tổ hợp

MRC với M=2

67

Hình 3.7 Dung lượng kênh fading trên một đơn vị băng thông của kênh

fading Rayleigh sử dụng phân tập MRC theo CNR trung bìnhvới M=4

69

Hình 3.8 Dung lượng kênh fading trên một đơn vị băng thông của kênh

fading Rayleigh sử dụng phân tập MRC theo CNR trung bìnhvới M=1, M=2, M=4

71

Hình 3.9 Dung lượng trung bình trên một đơn vị băng thông của kênh

fading Rayleigh và kênh AWGN theo CNR trung bình trong

73

3.10 fading Rayleigh và kênh AWGN theo CNR trung bình trong

79

MỞ ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế thế giới và khoa học kỹthuật giúp cho cuộc sống của con người ngày càng được cải thiện, nhu cầu sửdụng thông tin liên lạc ngày một tăng, chính vì thế hệ thống thông tin liên lạcphát triển hết sức nhanh chóng Tuy nhiên, một vấn đề đặt ra hết sức nan giải làlàm thế nào để đảm bảo được chất lượng thông tin một cách tốt nhất Một trongcác lĩnh vực nghiên cứu có tính chất quyết định tới chất lượng của thông tin đó

là ảnh hưởng của fading trong quá trình truyền dẫn Mặc dù vấn đề này đã đượcphân tích nghiên cứu khá nhiều và không còn mới mẻ nhưng em muốn tìm hiểuthêm về nó để củng cố lại kiến thức mà em đã được học tại trường, chính vì vậy

trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp em đã 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, em đã chia đồ án tốt nghiệp của mình thành 3

chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về thông tin di động

Chương 2: Phân tích và đánh giá ảnh hưởng của fading đối với thông tin diđộng

Chương 3: Phương pháp chống fading trong mạng thông tin di động

Trong suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp em đã cố gắng rất nhiều để hoànthành đúng yêu cầu và thời hạn quy định Tuy nhiên do trình độ và thời gian cóhạn nên đồ án tốt nghiệp của em sẽ khó tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy emrất mong nhận được sự góp ý sửa chữa, bổ xung của các thầy cô để đồ án tốtnghiệp của em được đầy đủ và hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện-Điện tử Đặc

biệt em xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Phạm Văn Phước đã động

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ HỆ THỐNG

GSM 1.1 KHÁI QUÁT VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG

vụ di động trong đời sống cũng đã sử dụng thông tin di động để các hoạt độngcủa mình được thuận lợi Hồi đó chất lượng thông tin di động rất kém do các đặctính truyền dẫn sóng vô tuyến, dẫn đến tín hiệu thu được là một tổ hợp nhiềuthành phần của tín hiệu đã được phát đi, khác nhau về biên độ, pha và thời giangiữ chậm Tổng véc tơ của các tín hiệu này làm cho đường bao tín hiệu thu được

bị thăng giáng mạnh và nhanh Khi trạm di động hoạt động, mức tín hiệu thuthường bị thay đổi lớn và nhanh làm cho chất lượng đàm thoại suy giảm trôngthấy

Băng tần có thể sử dụng được bởi công nghệ đương thời cho thông tin vôtuyến luôn khan hiếm Các băng sóng trung và dài đã được sử dụng cho phátthanh trong khi các băng tần số thấp và cao (LF và HF) thì bị chiếm bởi các dịch

vụ thông tin toàn cầu Công nghệ thời đó chưa thích hợp để đạt được chất lượngcao trên các băng sóng VHF và UHF Khái niệm về tái sử dụng tần số đã được

nhận thức song không được sử dụng để đạt được mật độ người sử dụng cao Do

đó, suốt nhiều năm chất lượng của thông tin di động kém hơn nhiều so với thôngtin hữu tuyến do công nghệ không thích hợp và các nhà tổ chức thông tin đãkhông 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 sốhóa nhờ sự phát minh ra những dụng cụ điện tử kích thước nhỏ bé và tiêu thụ ítnguồn thì tình trạng của vô tuyến di động vẫn còn biến đổi rất chậm chạp Các

hệ thống vô tuyến di động nội bộ mặt đất đã bắt đầu được sử dụng song mới chỉ

ở mức độ phục vụ các nhóm chuyên biệt chứ chưa phải dành cho các cá nhântrong cộng đồng Mặc dù ý tưởng về một mạng tế bào đã được hình thành từnhững năm 1947 song vẫn không làm gì để khởi đầu việc áp dụng một hệ vôtuyến tế bào Trong những năm của thập kỷ 80 đã chứng kiến sự ra đời của một

số hệ thống vô tuyến tế bào tương tự và thường được gọi là mạng vô tuyến mặtđất công cộng (PLMR-Public land Mobile Radio) Làm việc dải UHF, các mạngnày cho thấy một sự thay dổi vượt bậc về độ phức tạp của hệ thống thông tinliên lạc dân sự Chúng cho phép người sử dụng có thể đàm thoại và liên lạc traođổi thông tin được trong khi di động với đối tượng nào có nối tới các mạng điệnthoại chuyển mạch công cộng PSTN (Public Switched Telephone Network)hoặc các mạng đa dịch số ISDN (Integgrated Services Digital Network)

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 rông băng tần để đảm bảo băngthông là giới hạn, cho nên số lượng thuê bao lớn thì việc cần thiết là phải tănghiệu 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 kế một hệ thốngmới là cực kỳ tốn kém Điều này đã được thấy rõ tại Việt Nam là chúng ta phảichi trả một khoản kinh phí rất lớn cho việc phát triển các hệ thống di động như:

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 thu được ởmáy thu bị thay đổi so với tín hiệu đã được phát đi cả về tần số, biên độ, pha vàthời gian giữ chậm Các thay đổi này có tính chất rất phức tạp, sự tác động củachúng tới chất lượng liên lạc phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố khác nhau Tuyvậy, về cơ bản chúng ta có thể chia một cách vắn tắt các ảnh hưởng truyền sóngnày thành: Ảnh hưởng của hiệu ứng Dopler, tổn hao đường truyền là Fading

 Hiệu ứng Dopler: Là sự thay đổi của tín hiệu thu so với tín hiệu phát, gây

bởi chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát trong quá trình truyềnsóng Khi một sóng mang không bị điều chế có tần số fc, được phát tới mộtmáy thu di động với vận tốc  Tại máy thu, tần số của tín hiệu thu được theo tiasóng thứ i sẽ là: f = fc+ fm.cosi , trong đó i là góc tới tia sóng thứ i so vớihướng chuyển động của máy thu, fm là lượng dịch tần Dopler, fm =  fc/C, với

C là vận tốc ánh sáng Như vậy, chỉ trong trường hợp máy thu đứng yên so vớimáy phát (=0), hoặc máy thu đang chuyển động vuông góc với góc tới của tínhiệu (cosi =0) thì tần số tín hiệu thu được mới không bị thay đổi so với tần sốtín hiệu phát Hiệu ứng Dopler xảy ra mạnh khi mà máy thu di động theophương tia sóng tới (cosi = 1)

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

Mức điện trung bình của tín hiệu thu giảm dần theo khoảng cách do công suấttín hiệu trên một đơn vị diện tích của mặt cầu nhưng giảm dần theo khoảng cáchgiữa các anten thu và phát, do hấp thụ của môi trường truyền… Trong thông tin

vô tuyến tế bào, trong nhiều trường hợp tổn hao đường truyền tuân theo quy luật

mũ 4, tức là tăng tỉ lệ với lũy thừa của khoảng cách Trong nhiều trường hợp ta

có thể lợi dụng tính chất của tổn hao đường truyền

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

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

Trong thực tế sóng mang được điều chế Trong thông tin di động số, ảnhhưởng 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 theo thờigian Độ trải giữ chậm có thể xem như độ dài của tín hiệu thu được khi mộtxung cực hẹp được truyền đi Nếu số liệu được truyền đi với tốc độ thấp thìchúng có thể giải quyết được dễ dàng tại phần thu Đó là sự bành trướng dotruyền theo nhiều tia của một xung số liệu thì kết thúc trước khi xung tiếp theođược phát đi Tuy thế nếu ta cứ tăng tốc độ truyền số liệu lên mãi thì tới một lúcmỗi dấu số hiệu sẽ trải hẳn sang các dấu số liệu lân cận, tạo ra xuyên nhiễu giữacác dấu ISI (intersymbol intenerence) Nếu không có các mạch san bằng kênhnhằm loại bỏ ISI thì tỉ lệ lỗi bit BER (bit-error rate) sẽ lớn tới mức không thểchấp nhận được Giả sử ta vẫn cứ truyền số liệu với tốc độ lớn song đưa máy diđộng lại đủ gần trạm cố định đồng thời giảm một cách thích hợp công suất phát(tức là nếu thu hẹp kích thước tế bào) thì trải giữ chậm của từng tia nhìn chung

là nhỏ Khi đó ISI sẽ không còn đáng kể, do đó không cần san bằng kênh

Fading được gọi là fading phẳng nếu nó xảy ra như nhau trong suốt cả dải tần

số của kênh Fading là chọn lọc theo tần số khi nó xảy ra không đồng đều trongdải tần số của kênh, gây nên ISI Đối với các tế bào có kích thước lớn, các mạchsan bằng là bắt buộc ngay cả khi truyền tốc độ thấp (vài chục kb/s) Ngược lại,với các siêu vi tế bào (picocell) trong đó trải trữ chậm nhỏ hơn 1s nhiều,fading là phẳng ngay cả với tộc độ số liệu vài Mb/s, khi đó mạch san bằng làkhông cần thiết Ở đây cần nhấn mạnh thêm rằng việc có được đường nhìn thẳngLOS (line of sight) giữa máy thu và máy phát (thường xảy ra trong các vi tế bào)

có ý nghĩa cải thiện chất lượng liên lạc đặc biệt

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

chia thành các hệ thống liên tục (analogue) và các hệ thống số (digital) Trongthông 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 truynhập theo thời gian TDMA (Time Division Mutiple) và đa truy nhập theo mãCDMA (Code Division Mutiple Access)

 Phân loại theo cấu trúc.

Mạng tế bào (cellular mobile radio): Việc liên lạc 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 MSliên lạc trực tiếp với một BS được gọi là một mạng tế bào (cell), có thể coi biêncủa một tế bào được xác định bằng khoảng cách cực đại mà một MS có thể xakhỏi BS mà liên lạc vẫn còn chưa trở nên không thể chấp nhận được Về lýthuyết, các tế bào được bố trí dưới dạng tổ ong với kích thước thích hợp chophép tái sử dụng tần số nhằm đạt được mật độ người sử dụng cao Trong thực tế,hình dáng thực và kích thước tế bào phụ thuộc vào địa hình, công suất phát, mật

độ người 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 chỉ cònvài 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 khoảng cáchtương đối nhỏ như trong môi trường công sở, nhà máy…Do kích thước tế bàonhỏ, 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 tiêu biểu là DECT(Digital European Telecommunications) của châu Âu, CT-2 của 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.Chấtlượng liên lạc, độ an toàn thông tin vô tuyến địa phương thì cũng tương tự nhưcủa mạng hữu tuyến Tùy lĩnh vực áp dụng, cự li liên lạc có thể là 200m đến500m trong địa hình đô thị và có thể tới 20km trong vùng nông thôn Thủ tục lắpđặt 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 bao không mấykinh 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 thế hệ thứ nhất Tín hiệu thoại

là tín hiệu liên tục, diều chế FSK (Frequency Sift Keying) Ghép kênh chủ yếutheo 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 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 thế hệthứ nhất, hai dải tần số có độ rộng W được sử dụng cho đường truyền xuống(down-link) từ BS tới MS và đường truyền lên (up-link) từ MS tới BS Có đặcđiểm là tốc độ truyền thấp, khó áp dụng các dịch vụ không thoại, hiệu quả sửdụng tần số thấp, có bao nhiêu kênh trong một tế bào thì phải có bấy nhiêu máythu phát làm việc trên bấy nhiêu tần số kênh đặt tại BS, do đó kết cấu BS cồngkềnh

Đa truy nhập theo thời gian (TDMA): Được sử dụng trong hầu hết các hệthống di động thế hệ thứ hai hoàn toàn số hóa Với loại truy nhập theo thời giannày, mỗi người sử dụng chiếm cả giải tần W trong một khe thời gian nhất định,tuần hoàn trong suốt thời gian liên lạc Đặc điểm: Dễ dàng mở các dịch vụkhông thoại, thiết bị trạm BS khá đơn giản do chỉ sử dụng một máy thu phát làmviệc trên một cặp tần số ứng với các đường lên, xuống cho nhiều người sử dụng(8 người sử dụng đối với GSM), hiệu quả tần số sử dụng cao hơn so với các hệthống FDMA Đối với loại đa truy nhập này, do tốc độ truyền dữ liệu khá cao,ISI tồn tại trong quá trình liên lạc, do đó trong nhiều trường hợp các mạch sanbằng khá phức tạp là cần thiết Đồng bộ cũng là một vấn 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 gọi như

trong các tế bào rất đơn giản, độ an toàn thông tin và khả năng làm việc trongcác điều kiện nhiễu mạnh rất cao…Mặc dầu có các ưu điểm nổi bật như vậy, chođến nay CDMA chỉ được sử dụng hạn chế do các vấn đề liên quan tới điều khiểncông suất, đồng bộ và việc tìm ra các mã PN cung cấp số kênh lớn Tuy nhiêntrong tương lai rất gần, khi nhu cầu về thuê bao di động tăng lên rất lớn, các biệnpháp kĩ thuật và công nghệ đủ mạnh thì các hệ thống CDMA sẽ chiếm ưu thếtuyệt đối Theo ý kiến của các chuyên 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 số FDD(Frequency Division Duplex) và theo thời gian TDD (Time Division Duplex).FDD sử dụng chủ yếu trong thông tin vô tuyến tế bào hay trong vành vô tuyếnđịa phương, trong đó liên lạc đi và về giữa BS và MS thực hiện trên hai tần sốkhác nhau bố trí trên hai giải tần khác nhau TDD được sử dụng trong các mạngliên lạc không dây CT Với TDD chỉ một giải tần số được dành cho liên lạc cả đilẫn 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 và nửa khung thời gian kia thì dànhcho việc phát theo chiều ngược lại

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 dụng đượctruyền trên một sóng mang tần số vô tuyến RF (Radio Frequency) đơn Hệ thốngđược đồng bộ để việc truyền tín hiệu của từng người sử dụng diễn ra trong từngkhe thời gian riêng trong mỗi khung thời gian TDMA và do đó số liệu đượctruyền đi thành từng gói với độ dài nhỏ hơn độ dài của khe thời gian một chút.Nếu có n khe trong một khung TDMA và nếu số liệu đó được mã hóa của mộtngười sử dụng được truyền với tốc độ R, thì tín hiệu TDMA sẽ được truyền theotốc 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 độ bittương đối thấp để độ rộng phổ của tín hiệu giảm và do đó đạt được hiệu quả sửdụng phổ cao Tín hiệu tiếng nói số sau đó được mã hóa chống nhiễu tại thiết bị

mã hóa kênh (Channel Coder) và được tráo thứ tự truyền nhằm tránh lỗi cụmtrên kênh trong bộ tráo thứ tự truyền (Interleaver) Tín hiệu số liệu sau đó đượcđưa vào khối tạo gói cùng các tín hiệu đồng bộ, thông tin giám sát và dãy tínhiệu dò kênh (Sounding Sequence) tạo thành gói tin sẽ truyền đi trong các khethời 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

Ở phần 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 kênh đưachúng tới các mạch xử lý tín hiệu (Gồm khối hàm mù mờ- AMBIGUITY

FUNCTION, 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 ISI gâybởi fađing nhiều tia và phương pháp điều chế dải hẹp Sau đó tín hiệu số liệu sẽđược khôi phục lại thứ tự ban đầu, thực hiện dải tương quan lỗi tại bộ khôi phụcthứ tự số liệu (Deinterleaver) Sau bộ giải mã sửa lỗi (Channel Decoder), tínhiệu tiếng nói số được đưa vào thiết bị giải mã tiếng nói (Speech Decoder) đểcho 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 cũng đượctính theo tế bào Thông số này xác định khả năng phục vụ rộng rãi cho nhiềuthuê bao của hệ thống, do đó trong rất nhiều trường hợp nó ảnh hưởng tới tínhkinh tế và khả năng cạnh tranh thị trường của 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)

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 đó được

số hóa Trải giữ chậm và fađing gây nên ISI tác động rất xấu tới chất lượng liênlạc, do đó phải có các biện pháp khắc phục tác động của ISI Ngoài ra để đạtđược chất lượng liên lạc theo yêu cầu với hiệu quả tần số cao, một loạt các biệnpháp kỹ thuật phải được áp dụng

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 như trong mức

độ phức tạp của thiết bị, mức độ tiêu thụ nguồn Đối với các mạng tế bào nhỏhay các mạng CT, trong đó phổ tần tương đối rộng rãi, mật độ người sử dụngkhông cao thì vấn đề mã hóa tiếng nói không quá trầm trọng, do đó các mã tiếngnói đơn giản như điều chế delta, điều chế mã xung logarit log-PCM hay EDM

có thể đạt được độ giữ chậm xử lý thấp, đơn giản về thiết bị, mức tiêu thụ nguồnthấp với chất lượng âm thanh yêu cầu Đối với các mạng tế bào lớn, đòi hỏi phải

có các thiết bị và phương pháp mã hóa tiếng nói phức tạp hơn nhiều Về cơ bảncác mã này dựa trên việc phân tích các đặc tính cơ bản của âm thanh, quá trìnhphát âm, cho phép dẫn đến khả năng nén thông tin cao nhằm đạt được tốc độ bitthấp với chất lượng tiếng nói theo yêu cầu Một số mã tiếng nói thông dụng làRPE-LPC, CELP…cho phép truyền tiếng 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 lýphức tạp, tiêu tốn nguồn hơn các mã đơn giản và gây nên giữ chậm xử lý đángkể

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 chống lại mộtcách hiệu quả, tín hiệu số phải được mã hóa chống nhiễu một cách thích hợp, kếthợp với tráo thứ tự truyền Tráo thứ tự truyền là biện pháp nhằm giải tương quanlỗi, giảm nhẹ nhiệm vụ cho giải mã kênh Bản chất của biện pháp này là thay vìcác ma trận số liệu được truyền đi theo số liệu bình thường (theo hàng), chúng

được phát theo cột Ở phần thu các tín hiệu số liệu sau giải điều chế được sắpxếp lại theo thứ tự ban đầu Để tốc độ bit không trở nên quá lớn do mã hóachống có thể chỉ các bit quan trọng và rất quan trọng trong tín hiệu tiếng nói sốđược mã, các bit không quan trọng thì không được mã Trong các tế bào nhỏ haytrong hệ thống CT, do ảnh hưởng của kênh truyền không quá khắc nghiệt, các

mã kênh có thể không cần áp dụng

Điều chế: Muốn 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 Trongtrường hợp kênh hoàn toàn lý tưởng thì các ISI này có thể tính toán và triệt bỏmột cách dễ dàng tại bộ giải điều chế Tuy nhiên do fađing nhiều tia, hiệu ứngDopler, trải giữ chậm…kênh truyền biến đổi theo thời gian, vì vậy để loại bỏ ISIthì các 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 chếđơn giản 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 Nhờ thuật toán san bằng này tính phân tập theo tia sóngđược lợi dụng, góp phần loại bỏ ảnh hưởng của kênh biến đổi theo thời gian Đểphục vụ san bằng, chuỗi tín hiệu dò kênh (đường truyền) được phát kèm trongloạt tín hiệu TDMA

Nhảy tần: Nhảy tần có thể được áp dụng để tăng hiệu quả mã chống nhiễu,

giải tương quan lỗi và tăng hiệu quả phân tập Quá trình nhảy tần đòi hỏi đồng

bộ nghiêm ngặt, trong các tế bào nhỏ 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 một băngtần số nhằm tăng hiệu quả tái sử dụng tần số Điều khiển công suất còn cho phéptiết 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 tế bào

Các băng sóng đường lên, đường xuống có độ rộng W được chia thành cácphần con Bc và mỗi dải con Bc được gán cho một tế bào, N tế bào lân cận nhauhợp thành từng cụm N trạm gốc BS với W=N.Bc Các cụm này lại ghép giápnhau và phủ kín vùng gần phủ sóng là phần diện tích cần cung cấp dịch vụ liênlạc di động Giữa các vùng cần phủ sóng, các mạng nối với nhau có thể bằngđường trục riêng hoặc thông qua PSTN

Tính bảo mật: Trong GSM việc đăng ký thuê bao được ghi ở Module nhậndạng thuê bao SIM Card thuê bao có kích thước như tấm tín phiếu Ta có thểcắm card thuê bao của mình vào máy thoại GSM và chỉ có mình mới được sửdụng 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 thực thông qua mộttrung tâm nhận thực.

Tính bảo mật cũng được tăng cường nhờ việc sử dụng một mã số để ngănchặn hoàn toàn việc nghe trộm trên đường vô tuyến Điều này đúng cho cả tiếngnói 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 đến truyền

số liệu như nén số liệu của người sử dụng, số liệu chuyển mạch kênh tốc độ caoHDCSD (High Speed Circuit Switched Data), dịch vụ vô tuyến gói đa năngGPRS (General Packet Radio Service) và số liệu 14,4kbps

- Các công việc liên quan tới dịch vụ thoại như: Codec tiếng toàn tốccải tiến EFC (Enhanced Full Rate Codec), Codec đa tốc độ thích ứng và khaithác 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 tác giữacác SMS

- Các công việc liên quan đến tính cước như: các dịch vụ trả tiền trước,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 của GSMthông qua vào tháng 4/1988 và từ đó tới nay liên tục được bổ xung và phát 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 hai băngsóng riêng biệt), khoảng cách giữa hai sóng mang lên và xuống của một kênh 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 PRE-LPC(Regular Pulse Excited-Linear Predictive Code) tốc độ 13Kbps

 Mã kênh: Mã cuốn tốc độ 1/2, độ dài cưỡng ép bằng 5 CC(2,1,5), kết hợpvới mã khối

 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 hiệu tiếngnói

 Tốc độ truyền: Tốc độ tin thoại chưa mã hoá kênh là 13kbps, tốc độ tinthoại của một khe thời gian là 22.8kbps, tốc độ số liệu của cả 8 khe thời gian(gồm cả tin thoại, tín hiệu đồng bộ, chuỗi dò kênh…) là 271kbps

 Điều chế: Điều chế dịch chuyển pha cực tiểu GMSK (Gausian MinimumShift Keying) có đường bao không đổi, BT=0.3 (Bandwidth bitinterval) Độrộng phổ tín hiệu một kênh vô tuyến (gồm 8 khe thời gian với tốc độ tổng cộng271kbps) là khoảng 50kbps.

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

 Nhảy tần: Nhảy tần chậm tốc độ 271 bước nhảy/s, việc quyết định có ápdụng nhảy tần hay không thuộc vào quyền quyết định của nhà cung cấp dịch vụđiện 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

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

NMC :Network Management Centre - Trung tâm quản lý mạng

MSC :Mobile Switching Centre - Trung tâm chuyển mạch di động.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

bị vật lý và thuê bao Một trạm di động MS bao gồm một thiết bị di động và mộtđơn vị nhỏ nữa gọi là Module xác nhận thuê bao SIM (Subcriber IdentityModule) được chế dưới dạng một cách thông minh (smart card)

Hệ thống trạm gốc (BSS – Base Station Systerm)

Hệ thống trạm gốc được chia theo chức năng thành: Trạm thu phát gốc(BTS – Base Tranceiver Station) và Đài điều khiển trạm gốc (BSC – BaseStation Controler)

hiệu 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 máy thuphát vô tuyến được sử dụng để phủ sóng cho một tế bào) hoạt động trên một tậpkênh vô tuyến Các tập kênh sử dụng trong các tế bào lân cận thì khác nhaunhằm chống gây nhiễu lẫn nhau Thiết bị vô tuyến trong một BS có thể phục vụcho một vài tế bào, trong trường hợp đó BS gồm một vài BTS đặt dưới sự điềukhiển của cùng một BSC BSC có nhiệm vụ thực hiện mọi chức năng kiểm soáttrong BS như điều khiển HO, điều khiển công suất…Một số đến lượt mình lạiđược 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 vàthực hiện tất cả các chức năng cần thiết đối với hoạt động của các trạm di độngtrong cụm các tế bào mà nó phục vụ

Các chức năng của MSC bao gồm: lập tuyến cuộc gọi, điều khiển cuộc gọi,các thủ tục cần thiết để làm việc với các mạng khác (như PSTN, ISDN)

Chuyển điều khiển là một quá trình gắn lại liên lạc của một trạm di độngsang một BS khác khi MS di động ra khỏi vùng phục vụ của một BS Ngoài quátrình HO này GMS còn loại HO khác là HO trong tế bào Quá trình này là việcchuyển một cuộc gọi đang tiến hành trên một kênh này sang một kênh kháctrong cùng một tế bào khi chất lượng kênh đang dùng giảm dưới mức cho phép,

có nhiễu quá lớn hoặc có vấn đề trong bảo trì Do các yêu cầu ngày càng cao vềmật độ máy trong một tế bào, các kênh RF phải được tái sử dụng luôn vì thế dẫnđến việc phải chia tế bào nhỏ hơn (micro cell) và do đó làm tăng khả năng nhiễucùng kênh Để chống lại, một thuật toán HO hiệu quả là tuyệt đối cần thiết dựa

trên việc đánh giá một cách thông minh, và do vậy khá phức tạp, chất lượng tínhiệu 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 lý cácthuê bao di động HLR chứa một phần thông tin được báo mới thường xuyên về

vị trí hiện thời của MS (MS hiện đang có mặt tại vùng phục vụ của MSC nào)cho phép các cuộc gọi tới một MS đựơc nối tới MSC mà tại đó MS bị gọi đanhhiện diện Ngoài ra HLR còn chứa các thông tin về thuê bao như các dịch vụphụ (mà thuê bao có quyền sử dụng trong mạng) và các thông số nhận thực liênquan tới quá trình nhận thực thuê bao như số nhận diện thuê bao di động quốc tếIMSI (International Mobile Subcriber Identity) Thông số này được trung tâmnhận thực sử dụng để xác nhận quyền truy nhập hệ thống của thuê bao Mọithông tin nói trên của thuê bao thuộc về một mạng của một nhà cung cấp dịch vụ(công ty điện thoại di động) đều được đưa vào lưu trữ tại HLR của mạng, ngayvào 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 cấp cáctham số mã mật và nhận thực cần thiết để đảm bảo tính riêng tư (mật) của từngcuộc gọi và nhận thực quyền truy nhập của thuê bao đang tiến hành truy nhậpmạng

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 làmột cơ sở dữ liệu chứa thông tin về thiết bị (con số nhận diện phần cứng củathiết bị di động) cho phép MSC nhận biết được MS hỏng, bị lấy cắp hay đanggọi trộm

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

chúng VLR vì vậy là một cơ sở dữ liệu chứa thông tin của mọi MS hợp lệ hiệnđang 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 qua quátrình báo mới vị trí (location updating) của MS với sự tham gia của các đơn vị

cơ sở dữ liệu là HLR và VLR MS phải thường xuyên thông báo cho PLMN(Public Land Mobile Network) về vị trí của mình bằng cách thường xuyên báomới vị trí thông qua MSC/VLR để đổi mới nội dung của HLR Khi báo mới vịtrí các thông tin cần thiết về MS được ghi trong HLR Để hỗ trợ quá trình báomới vị trí, các PLMN được chia thành các vùng địa lý không giao nhau gọi làcác vùng định vị LA (Location Area) Mỗi LA gồm một số tế bào và được đặctrưng bằng một số nhận diện LA duy nhất LAI (Location Area) Số này đượcphát quảng bá thường xuyên tới mọi MS Các MS có thể di chuyển tự do trong

LA mà không cần báo mới vị trí Chỉ khi nào MS nhận thấy cần có sự thay đổi

về số nhận diện LA thì nó mới phát ra yêu cầu báo mới vị trí Ngoài ra khi MSchuyển 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 đểthiết lập cuộc gọi, không cần hỏi lại HLR nữa Đồng thời HLR cũng được báomới về vị trí của MS đó (về MSC mà MS di chuyển tới) MS vãng lai (từ mộtHLR khác tới) thì được đăng ký một cách tự động tại MSC gần nhất và HLR củamạng mà MS mới truy nhập sẽ được báo về sự xuất hiện của MS đó Một con sốvãng lai tạm thời đựoc gán cho MS mới đến, điều này cho phép nối tuyến cuộcgọi tới MS này

Các bộ phận OMC, NMC, ADC giúp chúng có thể 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 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 đặt một kênh báohiệu hai chiều SDCCH, đồng thời thiết lập một đường nối tới MSC phục vụ khuvực MSC sử dụng số IMSI nhận được từ trạm di động để hỏi HLR của thuêbao Số liệu về thuê bao nhận đuợc từ HLR sau đó sẽ chuyển đến VLR khu vực.Sau khi được mạng chấp nhận, MS xác định loại dịch vụ mong muốn và phát đi

số máy bị gọi BS phục vụ tế bào sẽ đặt kênh liên lạc và MSC sẽ nối tuyến cuộcgọi 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 được thựchiện bởi MSC

Nếu một người từ mạng điện thoại cố định công cộng PSTN muốn thiết lậpmột cuộc gọi tới một thuê bao GSM, tổng đài trong PSTN sẽ nối cuộc gọi tớitổng 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 của GSM).GMSC làm việc như một tổng đài trung kế vào của GSM/PLMN Tại GMSCchức năng hỏi định tuyến cuộc gọi tới thuê bao di động được thực hiện Điềunày được thực hiện bằng cách hỏi HLR nơi MS bị gọi đang hiện diện HLR sẽthông 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 đạt tới MSC này,VLR của nó sẽ cho biết chi tiết hơn về vị trí của MS bị gọi (LA hiện thời mà MS

bị gọi đang hiện diện) Nhờ đó có thể nối thông tới MS bị gọi Dưới sự điềukhiển của BSC một tín hiệu nhắn gọi (Paging) được phát trên 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 trong vùng thu nghe thường xuyên

nó thực hiện cuộc gọi như đã được mô tả ở trên, chỉ khác là tin truyền về BS thìbáo rằng sự truy nhập này là do thu được 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 đầu thutín hiệu thu được có chất lượng bị suy giảm đi

Các loại fading được chia ra là :

- Fading nhiều đường

Fading nhanh phẳng

Fading chậm lựa chọn tần số

Fading nhanh lựa chọn tần số

Tc Ts

(a) chu kỳ symbol được truyền

Bd

Bs

(b) Băng thông của tín hiệu dãi nền được truyền

Hình 2.1 Các loại fading trong mạng GSM

Fading có thể do nhiều nguyên nhân gây ra như là do phản xạ từ mặt đất, nước, từ tầng điện ly, hay do môi trường khí quyển không đồng nhất, do tán xạkhi sóng vô tuyến đập vào các vật không bằng phẳng mà các vật này có kíchthước cỡ khoảng chiều dài bước sóng, do nhiễu xạ khi sóng vô tuyến đập vàocác vật có kích thước lớn hơn nhiều so với bước sóng, điều này sẽ làm tăng bội

số đường truyền tại máy thu Nếu giữa anten phát và anten thu không có đườngtruyền trong tầm nhìn thẳng thì tia phát được thu bằng nhiều đường truyền sóngkhác nhau do phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ Vì vậy nên các tia sóng tới điểm thukhông cùng thời điểm và biên độ bị suy giảm dẫn đến tại điểm thu biên độ vàpha bị thay đổi Tại máy thu sẽ thu được vô số các tín hiệu truyền đi từ nhiềuhướng khác nhau với thời gian đến và pha khác nhau, tại đây các tín hiệu đượccộng lại với nhau tạo thành tín hiệu cuối cùng Các tín hiệu này có góc pha khácnhau nên khi chúng đồng pha với nhau sẽ tạo nên hiện tượng cộng tích cực, nếuchúng ngược pha sẽ tạo nên hiện tượng cộng tiêu cực tức là triệt tiêu nhau

BsFading nhanh lựa chọn tần số

Fading chậm lựa chọn tần số

Fading nhanh phẳng

Fading chậm phẳng

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 lànhanh nếu như thời gian một symbol T s lớn hơn độ ổn định thời gian ( ) t c củamột 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 tín hiệu)

và sự biến đổi theo thời gian của kênh Do sự chuyển động giữa máy phát vàmáy thu, kênh truyền sẽ biến đổi theo thời gian khi thay đổi đường truyền sóng.Tốc độ thay đổi của các điều kiện truyền sóng này được xem như tốc độ biếnthiên nhanh của fading Fading nhanh thường được mô tả thống kê bằng phân bốRayleigh, Rice, hoặc Nakagami-m Việc lựa chọn mô hình phù hợp chủ yếu phụthuộc 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 hiệu trong tầm nhìn thẳng, đườngbao của tín hiệu thu thường được mô tả thống kê bằng hàm mật độ phân bố xácsuất Rayleigh Khi có sự xuất hiện của thành phần tín hiệu không fading vớicường độ mạnh, ví dụ như tín hiệu đến từ đường truyền trong tầm nhìn thẳng,đường bao fading nhanh được mô tả bằng hàm mật độ phân bố xác suất Rice

Fading chậm xảy 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

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 như kênhkhông có suy giảm Phân bố hệ số kênh của suy giảm phẳng là rất quan trọngcho thiết kế ghép nối Phân bố phổ biến nhất là phân bố Rayleigh Tóm lại trongkênh suy giảm phẳng ta có:

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 tần nhỏhơn dải rộng tín hiệu truyền thì kênh sẽ gây ra suy giảm chọ lọc tần số Khi đó

độ trải trễ sẽ lớn hơn nghịch đảo dải rộng tín hiệu, tín hiệu thu được gồm nhiềuphiên bản của dạng sóng phát bị suy giảm và làm trễ khác nhau gây nên méo tín

hiệu Fading chọn lọc tần số gây nên méo ký hiệu truyền, còn gọi là giao thoagiữa các ký hiệu (ISI) Kênh này khó hình dung hơn là kênh fading phẳng vì môitrường truyền phải được mô hình và kênh phải được xét như bộ lọc tuyến tính.

Do nguyên nhân này phép đo đa đường dải rộng phải được thực hiện và mô hìnhđược phát triển từ các phép đo này

Khi phân tích các hệ thống thông tin di động, các mô hình đáp ứng xungthống kê chẳng hạn như mô hình Rayleigh hai tia (đáp ứng xung là hai xungdạng Delta, suy giảm độc lập và trễ giữa hai xung đủ để tạo nên suy giảm chọnlọc đối với tín hiệu được cấp) được máy tính tạo ra hay từ các phép đo nói chungđược dùng để phân tích suy giảm chọn lọc tần số kích thước nhỏ Suy giảm chọnlọc tần số là do trễ đa đường bằng hay vượt quá chu kỳ ký hiệu truyền, kênh nàycũng được gọi là kênh băng rộng vì dải rộng tín hiệu lớn bề rộng độ ổn định tần

số của kênh Thời gian thay đổi, kênh sẽ thay đổi hệ số và pha, phổ tín hiệu gâynên méo thay đổi theo thời gian Ta có quan hệ giữa độ rộng dải Bcủa tín hiệu

2.2 MÔ HÌNH KÊNH TRONG MẠNG GSM

2.2.1 Khái niệm về kênh truyền dẫn phân tập đa đường

antrenna

Tuyến 2

Máy thu

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 1, tuyến thứ 2 có trễ truyềndẫn là 2 Giả thiết tín hiệu phát đi từ máy phát đơn giản chỉ là luồng tín hiệu

sin( 2 ft ) với tần số f1 và f2 Tín hiệu ở máy thu là tổng của tín hiệu nhận được

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