Ưu nhược điểm và vấn đề ứng dụng mạng CDMA trong hệ thống thông tin di động

Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động - Năm 1946 dịch vụ điện thoại di động công cộng lần đầu tiên được giới thiệu ở 25 thành phố của Mỹ.. Cũng trong năm 1991, hệ thống dựa trên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

MÃ SỐ: 60520203

PGS.TS ĐỖ XUÂN THỤ

Hà Nội – 2017

i

Lời cam đoan

Em xin cam đoan Luận văn này không giống hoàn toàn các luận văn trước hoặc các công trình đã có trước

Học viên thực hiện

Nguyễn Đình Sỹ

ii

Lời cảm ơn

Được sự phân công của Khoa sau đại học Viện Đại học Mở Hà Nội, và sự đồng ý của Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Đỗ Xuân Thụ em đã thực hiện đề tài phân tích “Ưu nhược điểm và vấn đề ứng dụng mạng CDMA Trong hệ thống thông tin di động”

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn này, em đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình từ các thầy cô bộ môn, các thầy cô tại khoa Sau Đại học Viện Đại Học Mở Hà Nội và các

cá nhân

Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới PGS.TS Đỗ Xuân Thụ người thầy đã trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt, chỉ bảo em những kiến thức về chuyên môn thiết thực và những dẫn chứng khoa học quí báu

Một lần nữa xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo, các đơn vị phòng ban, các khoa chuyên môn và cá nhân đã giúp đỡ em trong quá trình học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp này

Do trình độ, tính thực tế còn nhiều hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm nên không thể tránh khỏi những thiếu sót mà bản thân chưa thấy được Em rất mong được sự góp ý của quý Thầy, Cô để bài luận văn của em được hoàn chỉnh hơn

Em xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Học viên

Nguyễn Đình Sỹ

iii

Mục lục

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục từ viết tắt v

Danh mục bản vẽ vii

LỜI NÓI ĐẦU viii

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1

1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động 1

1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) 2

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) 4

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2,5G và 3G 6

1.1.4 Hệ thống thông tin di động 3,5G và 4G 6

1.2 Tổng quan về hệ thống điện thoại di động tổ ong 7

1.2.1 Tổng quan 7

1.2.2 Cấu hình hệ thống 8

1.2.3 Sự phát triển của hệ thống tổ ong 9

1.2.3.1 AMPS (Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến) 10

1.2.3.2 Các phương pháp đa truy nhập 14

1.3 Ứng dụng của mạng CDMA và mạng GSM 17

1.3.1 Tổng quan về GSM 17

1.3.1.1 Lịch sử phát triển của mạng GSM 18

1.3.1.2 Mạng thông tin di động 19

1.3.1.3 Các đặc tính của mạng di động GSM 19

1.3.1.4 Các dịch vụ được tiêu chuẩn ở GSM 20

1.3.1.5 Dịch vụ bản tin nhắn 21

1.3.1.6 Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng GSM 21

1.3.1.7 Về khả năng phục vụ 21

1.3.1.8 Về chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật 22

1.3.1.9 Về sử dụng tần số 22

1.3.1.11 Về mạng 22

1.3.2 So sánh giữa CDMA và GSM 23

1.3.2.1 GSM - Hệ thống thông tin di động toàn cầu 23

1.3.2.2 CDMA 26

1.4 Kết luận chương 29

Chương 2: KỸ THUẬT CDMA 30

iv

2.1 Giới thiệu chương 30

2.1.1 Tổng quan CDMA 30

2.1.2 Thủ tục phát/thu tín hiệu 30

2.1.3 Các đặc tính của CDMA 31

2.2 Nguyên lý của kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (cdma) 43

2.3 Kỹ thuật trải phổ 44

2.3.1 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp DS/SS 46

2.3.1.1 Tín hiệu giả tạp 46

2.3.1.2 Các hệ thống DS/SS-BPSK 49

2.3.1.3 Các hệ thống DS/SS-QPSK 56

2.3.1.4 Hiệu suất của các hệ thống DS/SS 60

2.3.2 Các hệ thống trải phổ nhảy tần FH/SS 66

2.3.2.1 Các hệ thống trải phổ nhảy tần nhanh (FFH) 67

2.3.2.2 Các hệ thống trải phổ nhảy tầng chậm (SFH) 73

2.3.3 Các hệ thống trải phổ nhảy thời gian và các hệ thống lai ghép 74

2.3.3.1 Các hệ thống trải phổ nhảy thời gian TH/SS 74

2.3.3.2 So sánh các hệ thống SS 76

2.3.3.3 Đa truy nhập 78

2.3.3.4 Các hệ thống lai ghép (kết hợp) 80

2.4 Những ưu nhược điểm của mạng CDMA 83

2.4.1 Ưu điểm 83

2.4.2 Nhược điểm về CDMA 87

2.5 Kết luận chương 88

Chương 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CDMA TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ TẠI VIỆT NAM 90

3.1 CDMAOne 90

3.2 Cdma 2000 91

3.3 Công nghệ CDMA2000 1X và CDMA2000 1xEV 91

3.5 Ứng dụng công nghệ CDMA ở Việt Nam 92

3.5.1 Quá trình phát triển CDMA tại Việt Nam 92

3.5.2 Những khó khăn của công nghệ CDMA tại Việt Nam 94

3.5.2.1 Hạn chế về thiết bị đầu cuối 95

3.5.2.2 Vùng phủ sóng chưa thật sự rộng khắp 96

3.6 Kết luận chương 96

KẾT LUẬN 97

v

Danh mục từ viết tắt

TỪ VIẾT

AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện di động thoại nâng

cao NMT Nordic Mobile Telephone Hệ thống điện thoại di động Bắc

Âu TACS Total Access Communication Tổng số truy cập truyền thông MSC Mobile service Switching Center Trung tâm chuyển mạch nghiệp vụ

di động AuC Authentication Center Trung tâm nhận thực

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

VLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú

SS7 Common channel Signaling System

no.7

Báo hiệu kênh chung số 7

PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch công

cộng

SS Switching System Hệ thống chuyển mạch

AUC Authentication Center Trung tâm nhận thực

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

VLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú

EIR Equipment Identify Register Thanh ghi nhận dạng thiết bị MSC Mobile Service Switching Center Trung tâm chuyển mạch các

nghiệp vụ di động BSS Base Station System Hệ thống trạm gốc

BSC Base Station Controller Đài điều khiển trạm gốc

Network

Mạng số đa dịch vụ tích hợp

PSPDN Packet Switched Mạng số liệu công cộng

Public Data Network chuyển mạch gói CSPDN Circuit Switched Public Data

PDC Personal Digital Cellular

HSPDA High Speed Downlink Packet

Acces TDD Time Division Duplex

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã

vii

Danh mục bản vẽ

Hình 1 1 Lặp Lại nhóm tế bào vùng dịch vụ 3

Hình 1 2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất 3

Hình 1 3 Mô hình cấu trúc mạng thông tin di động GSM 5

Hình 1 4 Hệ thống điện thoại di động 8

Hình 1 5 Mẫu tái sử dụng tần số (K=4,7, 12, 19) 11

Hình 1 6 Búp song của anten định hướng 11

Hình 1 7 Các phương pháp đa truy nhập 14

Hình 1 8 Cấu trúc của một GSM 23

Hình 2 1 Sơ đồ thu/phát CDMA……… 31

Hình 2 2 Các quá trình phân tập trong CDMA 32

Hình 2 3 So sánh chuyển vùng mềm và chuyển vùng cứng 33

Hình 2 4 Điều khiển công suất trong CDMA 35

Hình 2 5 Đường kết nối trong khi chuyển vùng mềm 38

Hình 2 6 Giao thoa từ BS bên cạnh 41

Hình 2 7 Quá trình trải phổ và nén phổ trong kỹ thuật CDMA 43

Hình 2 8 Hệ thống thông tin trải phổ 45

Hình 2 9 Hàm tự tương quan của tín hiệu PN nhận được từ dãy m 49

Hình 2 10 Sơ đồ khối của máy phát DS/SS-BPSK 51

Hình 2 11 Sơ đồ khối máy thu DS/SS – BPSK 52

Hình 2 12 PSD của tin tức, tín hiệu PN và tín hiệu DS/SS-BPSK 55

Hình 2 13 Dạng song của hệ thống DS/SS - QPSK 57

Hình 2 14 Sơ đồ khối máy thu hệ thống DS/SS- QPSK 58

Hình 2 15 Các ví dụ về c1 (t), c2 (t) nhận được từ cùng c(t) 59

Hình 2 16 Sơ đồ khối chức năng của máy phát và máy thu DS/SS - BPSK 61

Hình 2 17 Biểu đồ tần số của FFH và FSK 68

Hình 2 18 Sơ đồ khối của hệ thống FH/SS 69

Hình 2 19 Giản đồ tần số SFH với BPSK 75

Hình 2 20 Đồ thị tần số của hệ thống SFH với M - mức FSK, M-4 76

Hình 2 21 Đồ thị thời gian của hệ thống TH/SS 78

Hình 2 22 Sơ đồ khối máy phát của hệ thống lai FH/SS 81

Hình 2 23 Sơ đồ khối máy phát của hệ thống lai FH/SS 82

Hình 2 24 Máy thu hệ thống lai FH/SS 83

viii

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm vừa qua, nhu cầu trao đổi thông tin ngày một cao, nó không chỉ nằm trong giới hạn của một quốc gia, mà là trên phạm vi thế giới Sự phát triển rất nhanh của công nghệ điện tử, tin học, công nghệ viễn thông cung cấp ngày càng nhiều các loại hình dịch vụ mới đa dạng, an toàn, chất lượng cao đáp ứng ngày càng tốt các nhu cầu của khách hàng

Với nhu cầu thông tin di động không chỉ là thoại mà còn là truyền dữ liệu, hình ảnh,

âm thanh với tốc độ cao, các yêu cầu về chất lượng, bảo mật cũng được đặt ra Điều này

đã thúc đẩy các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động phải tìm kiếm một phương thức thông tin mới Và công nghệ CDMA đã trở thành mục tiêu hướng tới của lĩnh vực thông tin

di động trên toàn thế giới

Công nghệ CDMA dựa trên nguyên lý trải phổ đã đạt được hiệu quả sử dụng dải thông lớn hơn so với các công nghệ tương tự hoặc số khác do đó số lượng thuê bao truy nhập lớn hơn Nhờ dãn rộng phổ tín hiệu mà có thể chống lại được các tác động gây nhiễu

và bảo mật tín hiệu Các mạng thông tin di động sử dụng công nghệ CDMA có thể đáp ứng được các nhu cầu về thông tin di động trong tương lai Do đó, việc nghiên cứu và triển khai mạng thông tin di động CDMA là một điều tất yếu

Xuất phát từ những suy nghĩ như vậy nên em đã chọn đề tài: “ưu nhược điểm và vấn

đề ứng dụng mạng CDMA trong hệ thống thông tin di động” Đề tài này gồm có nội dung

như sau:

TẠI VIỆT NAM

Trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp mặc dù em đã rất cố gắng nhưng do thời gian hạn chế, trình độ và kinh nghiệm còn có hạn nên nội dung của luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự đóng góp, hướng dẫn và sự giúp

đỡ của thầy, cô để em hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Học viên

Nguyễn Đình Sỹ

1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN

DI ĐỘNG

1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động

- Năm 1946 dịch vụ điện thoại di động công cộng lần đầu tiên được giới thiệu

ở 25 thành phố của Mỹ Mỗi hệ thống dùng bộ ăng ten công suất lớn đặt cao phủ sóng toàn thành phố (bán kính 50km), kỹ thuật FM, truyền bán song công (Pust-to talk), ở băng tần 150MHz, độ rộng kênh truyền là 120kHz Đây chưa phải hệ thống

tế bào, tần số chưa được dùng lặp lại nên số người được phục vụ rất ít

- Năm 1950: Độ rộng kênh thu hẹp lại còn 60kHz, dẫn đến số kênh sử dụng tăng gấp đôi

- Năm 1960: Độ rộng kênh chỉ còn 30kHz, hiệu suất phổ tần tăng gấp 4 lần

- Năm 1950-> 1960: Xuất hiện tổng đài tự động, dịch vụ IMTS (sóng cộng, tự động quay số, tự động chọn kênh ) Tuy nhiên nhanh chóng bị bão hoà bởi nhu cầu người sử dụng do dịch vụ chất lượng kém và hay bị bận Dịch vụ IMTS hiện vẫn còn ở Mỹ, song hiệu suất sử dụng phổ kém so với điện thoại tế bào hiện nay Cũng trong thời gian này, lý thuyết mạng tế bào ra đời (AT&T đưa ra dự án điện thoại năm 1968) Tuy nhiên công nghệ điện tử lúc đó chưa đáp ứng được Cũng trong thời gian này, lý thuyết mạng tế bào ra đời (AT&T đưa ra dự án điện thoại năm 1968) Tuy nhiên công nghệ điện tử lúc đó chưa đáp ứng được

- Năm 1983: Ra đời hệ thống thông tin di động tiên tiến AMPS (Advanced Mobile Phone System ) Đánh dấu sự ra đời điện thoại tế bào thế hệ 1 Ủy ban viễn thông liên bang Mỹ (FCC) đã phân cho dịch vụ này 1 dải tần 40MHz trên khoảng tần số 800MHz ( ứng với 660 kênh sóng cộng rộng 2x30kHz= 60kHz) Phổ tần này được phân đều cho 2 nhà cung cấp để tạo sự cạnh tranh

- Năm 1989: Trước yêu cầu tăng trưởng mạnh mẽ số người sử dụng FCC phân thêm cho dịch vụ này 10MHz phổ nữa (ứng với 166 kênh song công) Hệ thống điện thoại tế bào này hoạt động trong môi trường hạn chế giao thoa, sử dụng lại tần

số, kĩ thuật đa truy cập theo tần số (FDMA)

2

- Năm 1991: Ra đời hệ thống tế bào số (USDC) theo chuẩn IS-54 trên cơ sở hạ tầng AMPS Hỗ trợ 3 người sử dụng trên 1 kênh 30kHz, kĩ thuật điều chế (π/4 DQPSK) Khi kĩ thuật nén tiếng nói và xử lý tín hiệu phát triển có thể tăng dung lượng lên 6 lần (kết hợp với kĩ thuật đa truy cập theo thời gian TDMA và tồn tại song song với AMPS trên cùng cơ sở hạ tầng) Đây là thời điểm đánh dấu sự ra đời của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (ở Châu Âu là hệ GSM) Cũng trong năm 1991, hệ thống dựa trên kĩ thuật trải phổ phát triển bởi công ty QUALCOM theo chuẩn IS-95 hỗ trợ nhiều người sử dụng trên một dải tần 1.25MHz, sử dụng kĩ thuật đa truy cập phân chia theo mã CDMA Có nhiều ưu điểm hơn AMPS về dung lượng, yêu cầu về tỉ số SNR thấp hơn, về giá thành có tính cạnh tranh cao Vấn đề tích hợp nhiều mạng khác nhau trong một cơ sở hạ tầng cũng được đặt ra từ những năm 90

- Năm 1995: Chính phủ mỹ đã cấp giấy phép trên dải tần 1800->2100MHz, hứa hẹn sự phát triển mới cho các dịch vụ thông tin cá nhân (PCS)

- Năm 2000: Tổ chức viễn thông quốc tế (ITU) đã tiến hành tiêu chuẩn hoá cho hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000_hệ thống thông tin di động thế

hệ thứ 3

1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất 1G, sử dụng công nghệ analog gọi

là đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) để truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di động Nhược điểm của các hệ thống này là chất lượng thấp, vùng phủ sóng hẹp và dung lượng nhỏ Các hệ thống này phát triển ở cả Châu Âu, Bắc Mỹ và Nhật Bản

Năm 1987, Nhật Bản đưa vào hệ thống di động tổ ong tương tự đầu tiên của hãng NTT Hệ thống điện thoại di động của Bắc Âu (NMT-Nordic Mobile Telephone) được đưa vào khai thác năm 1981 Hệ thống này hoạt động ở cả hai băng tần 450-900MHz

Năm 1983 Mỹ cho ra đời hệ thống thông tin di động tiên tiến Advance Mobile Phone System) Năm 1985, hệ thống thông tin thâm nhập toàn bộ

Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ truy cập FDMA có sơ đồ khái quát như sau

4

- AuC (Authentication Center): Trung tâm nhận thực

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

- VLR (Visitor Location Register): Bộ ghi định vị tạm trú

- BS (Base Station): Trạm gốc

- SS7 (Common channel Signaling System no.7): Báo hiệu kênh chung số 7

- PSTN (Public Switched Telephone Network): Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng Tuy nhiên các hệ thống này không thoả mãn được nhu cầu ngày càng tăng mà trước hết là về dung lượng Mặt khác các tiêu chuẩn của các hệ thống không tương thích nhau làm cho sự chuyển giao không đủ rộng (việc liên lạc ngoài biên giới là không thể) Do sử dụng kỹ thuật truyền tiếng nói tương tự nên hiệu suất sử dụng phổ tần không cao và chất lượng kém Những vấn đề này đặt ra cho hệ thống thông tin di động hế hệ 2 phải lựa chọn giải pháp kỹ thuật tương tự hay số Và kỹ thuật số

đã được lựa chọn , trước hết là sự bảo đảm chất lượng cao hơn, khả năng tiềm tàng

về một dung lượng lớn hơn

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G)

Vào cuối thập niên 1980, các hệ thống thế hệ thứ 2 (2G) sử dụng công nghệ số

đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) ra đời Các hệ thống này có ưu điểm

là sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát, đảm bảo chất lượng truyền dẫn yêu cầu, đảm bảo được an toàn thông tin, cho phép chuyển mạng quốc tế…Đến đầu thập niên 1990, công nghệ TDMA được dùng cho hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM ở Châu Âu

Dưới đây là sơ đồ khối của hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM( Global System for Mobile communication)

5

SS Switching System Hệ thống chuyển mạch

AUC Authentication Center Trung tâm nhận thực

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú VLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú

EIR Equipment Identify Register Thanh ghi nhận dạng thiết bị MSC Mobile Service Switching Center Trung tâm chuyển mạch các nghiệp

vụ di động

BSS Base Station System Hệ thống trạm gốc

BSC Base Station Controller Đài điều khiển trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

OSS Operation & Support System Hệ thống khai thác và hỗ trợ NSS Network Switching System Hệ thống chuyển mạch mạng

ISDN Integrated Service Digital Network Mạng số đa dịch vụ tích hợp PSPDN Packet Switched Mạng số liệu công cộng

Public Data Network chuyển mạch gói

Hình 1 3 Mô hình cấu trúc mạng thông tin di động GSM

6

CSPDN Circuit Switched Mạng số liệu công cộng

Public Data Network chuyển mạch kênh PSTN Public Switched Mạng điện thoại chuyển mạch

PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng Đến giữa thập kỷ 1990, đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) trở thành loại

hệ thống 2G thứ 2 khi người Mỹ đưa ra tiêu chuẩn nội địa IS-95 Năm 1993 tại Nhật Bản, NTT đưa ra tiêu chuẩn di động số đầu tiên của nước này (JPD-Japanish Personal Digital Cellular System) và phát triển hệ thống thông tin di động số cá nhân (PDC-Personal Digital Cellular) với băng tần hoạt động là 900-1400MHz

Ở Mỹ tiếp tục phát triển hệ thống số IS54 thành phiên bản mới là IS-136 hay còn gọi là AMPS số (D-AMPS ) và đã đạt được nhiều thành công Năm 1985 công nghệ CDMA ra đời, đó là công nghệ đa thâm nhập theo mã sử dụng kỹ thuật trải phổ được nghiên cứu và triển khai bởi hãng Qualcomm Communication Công nghệ này trước đó được sử dụng chủ yếu trong quân sự và đến nay đã được sử dụng rộng rãi nhiều nơi trên thế giới

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2,5G và 3G

Thông tin di dộng ngày nay đang tiến tới một hệ thống thế hệ thứ 3, hứa hẹn dung lượng thoại lớn hơn, kết nối dữ liệu di động tốc độ cao hơn và sử dụng các ứng dụng đa phương tiện Các hệ thống vô tuyến thế hệ thứ 3 (3G) còn cung cấp dịch vụ thoại với chất lượng tương đương, các hệ thống hữu tuyến và dịch vụ truyền

số liệu có tốc độ từ 144Kbps đến 2Mbps Các tiêu chuẩn về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 được ITU-R tiến hành chuẩn hoá cho IMT-2000 (Viễn thông di động quốc tế 2000)

1.1.4 Hệ thống thông tin di động 3,5G và 4G

Hệ thống 3,5G là sự nâng cấp của 3G sử dụng các công nghệ như công nghệ truy cập gói dữ liệu tốc độ cao HSPDA (High Speed Downlink Packet Acces), song công phân chia theo thời gian TDD( Time Division Duplex) và các công nghệ đặc

8

1.2.2 Cấu hình hệ thống

Hệ thống điện thoại di động tổ ong bao gồm các máy điện thoại di động trên ôtô, BS và MSC (trung tâm chuyển mạch điện thoại di động) Máy điện thoại di động bao gồm các bộ thu/phát RF, anten và bộ điều khiển; BS bao gồm các bộ thu/phát RF để kết nối máy di động với MSC, anten, bộ điều khiển đầu cuối số liệu

và nguồn

MSC xử lý các cuộc gọi đi và đến từ mỗi BS, cung cấp chức năng điểu khiển trung tâm cho hoạt động tất cả các BS một cách hiệu quả, để truy nhập vào tổng đài

Trung tâm chuyển mạch điện thoại di động 1

Trung tâm chuyển mạch điện thoại di động 2

9

của mạng điện thoại công cộng Chúng bao gồm bộ phận điều khiển, bộ phận kết nối cuộc gọi, các thiết bị ngoại vi và cung cấp chức năng thu nhập số liệu cước đối với các cuộc gọi đã hoàn thành Các máy di động BS và MSC được lên kết với nhau qua các đường kết nối thoại và số liệu Mỗi máy di động sử dụng một cặp kênh thu/phát RF Vì các kênh lưu lượng không cố định ở một kênh RF nào mà thay đổi thành các tần số RF khác nhau phụ thuộc vào sự di chuyển của máy di động trong suốt quá trình cuộc gọi nên cuộc gọi có thể được thiết lập qua bất cứ kênh nào đã được xác định trong vùng đó Cũng từ những quan điểm về hệ thống điện thoại di động mà thấy rằng tất cả các kênh đã được xác định đều có thể bận do đã được kết nối một cách đồng thời các máy di động Bộ nhận điều khiển của MSC, là trái tim của hệ thống tổ ong, sẽ điều khiển, sắp đặt và quản lý toàn bộ hệ thống

Tổng đài tổ ong kết nối các đường đàm thoại để thiết lập cuộc gọi giữa các máy thuê bao di động với nhau hoặc các thuê bao cố định với các thuê bao di động

và trao đổi các thông tin báo hiệu đa dạng qua đường số liệu MSC và BS Các thông tin thoại và báo hiệu giữa máy di động và BS được truyền qua kênh RF, các đường kết nối thoại và số liệu cố định được sử dụng để truyền các thông tin thoại và báo hiệu giữa BS và MSC

1.2.3 Sự phát triển của hệ thống tổ ong

Hệ thống điện thoại di động thương mai đầu tiên được đưa vào áp dụng sử dụng băng tần 150MHz tại Saint Louis – Mỹ vào năm 1946 với khoảng cách kênh

là 60kHz và số lượng kênh bị hạn chế đến 3

Đó là hệ thống bán song công và vì thế mà người đàm thoại bên kia không thể nói được trong khi người đàm thoại bên này đang nói và việc kết nối là nhân công nhờ điện thoại viên Sau đó nhờ một số cải tiến mà hệ thống IMTS MJ bao gồm 11 kênh ở băng tần 150 MHz và hệ thống ITMS MK bao gồm 12 kênh ở băng tần 450 MHz đã được sử dụng vào năm 1969 Đó là hệ thống song công và một BS

có thể phục vụ cho một vùng bán kính rộng tới 80km

10

1.2.3.1 AMPS (Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến)

AMPS là một hệ thống điện thoại di động tổ ong do AT&T và Motorola – Mỹ

đề xuất sử dụng vào năm 1982 Để sử dụng hiệu quả hơn nguồn tần số có giới hạn nên vùng phục vụ rộng của nó được phân chia thành các ô nhỏ và dịch vụ cung cấp

sử dụng một tần số nhất định với một công suất nhỏ để cho phép các BS ở cách xa một khoảng nhất định có thể tái sử dụng cùng một tần số đó một cách đồng thời Sau đó, người ta coi vùng phục vụ tương ứng như một hình lục giác để làm đơn giản hóa việc thiết kế và tính toán lý thuyết về mạng điện thoại di động

Tái sử dụng tần số liên quan đến việc định vị các BS để tái sử dụng các tần số chính xác, không phải sử dụng cùng một tần số giữa các BS kề nhau mà chỉ sử dụng lại ở một khoảng cách nhất định hoặc xa hơn nhằm làm giảm giao thoa giữa các kênh giống nhau (Hình 1.5) đưa ra các mẫu tái sử dụng tần số khác nhau

11

Trên hình 1.5 ta thấy các cụm mẫu tái sử dụng tần số của các BS với tất cả các

băng tần có thể số lượng các ô trong cụm đó được gọi là yếu tố tái sử dụng tần số (K)

10 9

8 219

7 1

18 6 5

17 16 15

11 12 13 14 4 3

10 9

10 9

8 219

7 1

18 6 5

17 16 15

11 12 13 14 4 3

10 9

8 219

7 1

18 6 5

17 16 15

11 12 13 14 4 3

10 9

8 219

7 1

18 6 5

17 16 15

11 12 13 14 4 3

10 9

8 219

7 1

18 6 5

17 16 15

11 12 13 14 4 3

10 9

8 219

12

Trong trường hợp này thì hiệu quả tái sử dụng tần số tăng lên nếu một anten định hướng được sử dụng tại BS vì giao thoa tần số chỉ ảnh hưởng đến các BS sử dụng cùng một kênh trong anten phát xa định hướng và vì vậy mà giao thoa của các kênh chính tăng (thông thường sử dụng vùng phủ sóng 120o) Khi xuất hiện trạng thái chuyển vùng thì tín hiệu đã được kết nối với BS có khả năng thu nhận tín hiệu tốt Trong trạng thái chuyển vùng thì kênh bị ngắt trong một khoảng thời gian (150ms) và chuyển vùng sẽ bị trì hoãn hoặc bị cản trở trong trường hợp không có kênh trong ô mới

Dịch vụ chuyển vùng ngoài hệ thống thông thường có thể được cung cấp trong một vùng phục vụ khác, do một hệ thống khác điều khiển mà thuê bao nói đến không đăng ký

13

Bảng 1.1 Đưa ra các so sánh về tham số của 4 hệ thống thông dụng

Băng Tx 8000 MHz 9000 MHz 9000 MHz 450-470

MHz Khoảng cách kênh 30 KHz 25 KHz 25/1,25KHz 25/20KHz Khoảng cách song công 45 MHz 45 MHz 45 MHz 10 MHz

Điều chế kênh điều

khiển

Độ lệch kênh điều khiển 8 KHz 6,4 KHz 3,5 KHz 3,5 KHz

Mã kênh điều khiển Manchester Manchester NRZ NRZ Dung lượng kênh

14

1.2.3.2 Các phương pháp đa truy nhập

Công nghệ viễn thông phát triển đã kéo theo nhu cầu sử dụng các dịch vụ thông tin di động ngày càng tăng Số người sử dụng thông tin di động và truyền thông không dây tăng vọt dẫn đến việc dùng chung, chia sẻ tài nguyên (các đường truyền vô tuyến vật lý) là một xu hướng tất yếu Việc nhiều người cùng sử dụng chung một đường truyền vô tuyến được gọi là đa truy nhập

Có ba phương pháp đa truy nhập được sử dụng trong thông tin di động: đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), theo thời gian (TDMA) và theo mã (CDMA)

- Đa truy cập theo phân chia tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access)

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số - FDMA (Fequency Division Multiple Access) là một phương pháp đa truy nhập lâu đời nhất và được thực thi rộng rãi nhất

Trong phương pháp này, băng tần của toàn bộ hệ thống bị chia thành nhiều phần nhỏ Hệ thống gán cho mỗi người sử dụng một tần số khác nhau, mỗi kênh truyền là một tần số, có nghĩa là mỗi người sử dụng có một kênh truyền riêng Hệ thống phân biệt tín hiệu của những người sử dụng khác bằng các kênh tần số khác nhau Điều này làm cho hệ thống sử dụng phổ tần kém hiệu quả nhất, vì khi đang

Hình 1 7 Các phương pháp đa truy nhập

15

tiến hành cuộc gọi, không một người sử dụng nào khác có thể chia sẻ cùng một kênh tần số Mỗi kênh trong hệ thống FDMA đường là một cặp tần số, tần số cao dành cho đường xuống, tần số thấp dành cho đường lên

Đặc điểm chính của hệ thống FDMA:

+ Một kênh FDMA chỉ mang một kênh thoại tại một thời điểm

+ Khi kênh FDMA không được sử dụng, nó sẽ ở trong tình trạng rỗi, nhưng không một thuê bao nào khác có thể chia sẻ, sử dụng kênh tần số này

+ Cuộc gọi được thu phát liên tục sau khi ấn định kênh thoại

+ Băng thông của mỗi kênh hẹp (30kHz), do đó hệ thống FDMA là hệ thống băng hẹp

+ Mức độ phức tạp của FDMA thấp hơn các hệ thống khác

+ Do phân cách thuê bao bằng các tần số khác nhau, nên hệ thống cần rất ít thông tin cho mục đích đồng bộ

+ Dung lượng của hệ thống nhỏ Tuy nhiên có thể tăng dung lượng bằng cách sử dụng băng tần hẹp hơn thông qua cải tiến các kỹ thuật điều chế

+ Sử dụng các bộ truyền song công do cả hai hướng thu và phát hoạt động cùng một lúc, dẫn đến tăng chi phí cho thiết bị

+ Ảnh hưởng của nhiễu đối với hệ thống rất cao Vì vậy phải sử dụng nhiều bộ lọc tần số

- Đa truy cập theo phân chia thời gian TDMA (Time Division Multiple Access)

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian – TDMA (time division multiple access) cũng chia nhỏ băng tần của mình thành nhiều kênh tần số khác nhau Nhưng thời gian sử dụng kênh tần số được chia thành nhiều khe thời gian nhỏ hơn (ví dụ 8 khe trong GSM) Vì vậy, nhiều người có thể sử dụng chung một tần số Khi đã sử dụng hết tất cả các khe thời gian trên một tần số thì người sử dụng tiếp theo sẽ được cấp phát một khe thời gian trên kênh tần số mới Điều này làm tăng thêm hiệu quả sử dụng tần số của hệ thống so với hệ thống FDMA

Nhiều người sử dụng trên một kênh tần số được ấn định khe thời gian khác nhau

16

Mỗi người chỉ có thể thu phát tín hiệu trong khe thời gian của mình Mỗi kênh tần

số cùng với một khe thời gian tạo thành một kênh truyền bên trong hệ thống trong TDMA, vì mỗi người sử dụng không truyền liên tục mà chỉ truyền trên khe thời gian nên hệ thống phải sử dụng tín hiệu số và điều chế số Có hai dạng song công bên trong TDMA: song công theo tần số (FDD) và song công theo thời gian (TDD) FDD sử dụng các kênh có tần số khác nhau cho truyền và nhận Ngược lại, trong TDD, một nửa thời gian được dành cho thu và một nửa còn lại dành cho việc phát tín hiệu

Đặc điểm chính của hệ thống TDMA:

+ TDMA cho phép nhiều người sử dụng chung một tần số, bằng cách chia khoảng thời gian sử dụng tần số thành nhiều khe thời gian không chồng lấp nhau, và mỗi người sử dụng một khe thời gian Số lượng khe tùy thuộc vào kỹ thuật điều chế, băng thông …

+ Việc truyền tín hiệu trong TDMA diễn ra không liên tục mà thành từng cụm nhỏ

Vì vây, máy di động có thể giảm bớt năng lượng tiêu hao cho việc thu phát tín hiệu, dẫn đến thời gian sử dụng acquy tăng lên

+ Trong các khe thời gian rỗi, máy di động đo đạc mức công suất của các trạm phát khác

+ TDMA cần nhiều thông tin cho quá trình đồng bộ ban đầu hơn FDMA do chế độ truyền không liên tục và chia khe thời gian

+ Có thể cấp phát băng tần theo yêu cầu thông qua việc ấn định nhiều kênh cho một người sử dụng để tăng tốc độ của dịch vụ Vì vậy, tốc độ dịch vụ có thể được cải thiện

- Đa truy cập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access)

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã – CDMA (code division multiple access) không phân chia nhỏ phổ tần, cũng không chia thời gian thành các khe, mà tất cả những người sử dụng khác nhau đều được phép sử dụng toàn bộ băng tần trong cùng một thời gian

Hệ thống trải phổ có khả năng chống lại nhiễu đa đường và tăng dung lượng

17

đa truy nhập Hiệu quả sử dụng băng tần rất cao khi có nhiều người cùng sử dụng hệ thống

Các đặc điểm chính của CDMA:

+ Cho phép mỗi người dùng sử dụng toàn bộ băng tần của hệ thống trong cùng một thời gian

+ Mỗi người sử dụng sẽ có một mã khác nhau để phân biệt Mã được sử dụng để mã hóa và điều chế

+ Sử dụng hiệu quả phổ tần hơn các hệ thống FDMA và TDMA

và vùng lãnh thổ Các mạng thông tin di động GSM cho phép có thể roaming với nhau Do đó những máy điện thoại di động của các mạng GSM khác nhau ở chỗ có thể sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới

GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới Khả năng có thể phủ sóng khắp nơi của chuẩn GSM khiến nó trở nên phổ biến trên thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng trên thế giới GSM khác với các chuẩn trước kia về cả tín hiệu, tốc độ lẫn chất lượng cuộc gọi Nó được xem như là một hệ thống ĐTDĐ thế hệ thứ 2 (second generation, 2G ) GSM là một chuẩn mở, hiện tại nó được phát triển bởi 3rd Generation Partnership Project (3GPP)

18

1.3.1.1 Lịch sử phát triển của mạng GSM

Vào đầu thập niên 1980, tại Châu Âu, người ta phát triển một mạng ĐTDĐ chỉ

sử dụng trong một số khu vực Sau đó năm 1982 nó được chuẩn hóa bởi CEPT (European Conference of Postal and Telecommunicatio Administrations) và tạo ra Groupe Spécial Mobile (GSM) với mục đích phát triển một chuẩn thống nhất cho hệ thống thông tin di động để có thể sử dụng chung cho toàn Châu Âu Mạng điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM được xây dựng và đưa vào sử dụng đầu tiên bởi mạng Radiolinja ở Phần Lan

Vào năm 1989, công việc quản lý tiêu chuẩn và phát triển mạng GSM được chuyển cho Viện viễn thông Châu Âu (European Telecommunications Standards Istitute - ETSI) và các tiêu chuẩn, đặc tính phase 1 của công nghệ GSM được công

bố vào năm 1990

Năm 1992, Telstra Australia là mạng đầu tiên ngoài Châu Âu ký vào biên bản ghi nhớ của GSM MoU (Memorandum of Understanding) Cũng trong năm này, thỏa thuận chuyển vùng quốc tế đầu tiên được ký kết giữa hai mạng Finland Telecom của Phần Lan và Vodafone của Anh Tin nhắn đầu tiên cũng được gửi đi trong năm 1992

Những năm sau đó, hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM phát triển một cách mạnh mẽ, cùng với sự gia tăng nhanh chóng của các nhà điều hành, các mạng

di động mới thì số lượng các thuê bao cũng gia tăng một cách chóng mặt Đến cuối năm 1993 đã có hơn 1 triệu thuê bao sử dụng mạng GSM của 70 nhà cung cấp dịch

vụ trên 48 quốc gia Năm 1996, số thành viên GSM MoU đã lên tới 200 nhà điều hành từ gần 100 quốc gia, 167 mạng hoạt động trên 94 quốc gia với số thuê bao đạt trên 50 triệu Năm 2000, GPRS được ứng dụng Năm 2001, mạng 3GSM (UMTS) được đi vào hoạt động, số thuê bao GSM đã vượt quá 500 triệu Năm 2003, mạng EDGE đi vào hoạt động Cho đến năm 2006 số thêu bao di động GSM đã lên tới con số 2 tỉ với trên 700 nhà điều hành, chiếm gần 80% thị phần thông tin di động trên thế giới Theo dự đoán của GSM Association, năm 2007 số thuê bao GSM sẽ đạt 2,5 tỉ

19

1.3.1.2 Mạng thông tin di động

Từ đầu năm 1980 sau khi hệ thống WMT đã đưa vào hoạt động một cách thành công thì nó cũng biểu hiện một số hạn chế

- Thứ nhất: do yêu cầu của dịch vụ quá lớn so với mong đợi của các nhà thiết kế

nên hệ thống này không thể đáp ứng được

- Thứ hai: các hệ thống khác nhau đang hoạt động không phù hợp với người dùng

trong mạng

Ví dụ: một đầu cuối trong TACS không thể truy nhập vào mạng NMT cũng

như một đầu cuối NMT không thể truy nhập vào mạng TACS

- Thứ ba: nếu thiết kế một mạng cho toàn Châu Âu thì không một nước nào đáp ứng được vì vốn đầu tư quá lớn

Tất cả những hạn chế trên dẫn đến một yêu cầu là phải thiết kế một hệ thống mới được làm theo kiểu chung để có thể dùng cho nhiều nước Trước tình hình đó vào tháng 9/1987 trong hội nghị của Châu Âu về bưu chính viễn thông, 17 quốc gia đang sử dụng mạng điện thoại đã họp hội nghị và ký vào biên bản ghi nhớ làm nền tảng cho mạng thông tin di động số là toàn Châu Âu sử dụng dải tần 900 Mhz Đến năm 1988 viện tiêu chuẩn Châu Âu (European- Telecommunication- Standard Institute) đã thành lập nhóm đặc trách về mạng thông tin di động số GSM Nhóm này có nhiệm vụ đưa ra tiêu chuẩn thống nhất cho thông tin di động số GSM dưới hình thức các khuyến nghị, lấy các tiêu chuẩn này làm cơ sở cho việc xây dựng mạng thông tin di động và làm sao cho chúng thống nhất, tương thích nhau

- Sự tương thích của các dịch vụ trong GSM với các dịch vụ mạng của mạng

có sẵn (PSTN- ISDN) bởi các giao diện theo tiêu chuẩn chung

- Tự động cập nhật vị trí cho mọi thuê bao di động

- Giải quyết sự hạn chế dung lượng nhờ việc sử dụng tần số tốt hơn

1.3.1.4 Các dịch vụ được tiêu chuẩn ở GSM

- Dịch vụ thoại

+ Chuyển hướng các cuộc gọi vô điều kiện

+ Chuyển hướng cuộc gọi khi thuê bao di động không bận

+ Chuyển hướng cuộc gọi khi không đến được MS

+ Chuyển hướng cuộc gọi khi ứ nghẽn vô tuyến

+ Cấm tất cả các cuộc gọi ra

+ Cấm tất cả các cuộc gọi ra quốc tế

+ Cấm tất cả các cuộc gọi ra quốc tế trừ các nước PLMN thường trú

+ Cấm tất cả các cuộc gọi đến

+ Cấm tất cả các cuộc gọi đến khi lưu động ở nước ngoài có PLMN thường trú + Giữ cuộc gọi

+ Đợi gọi

+ Chuyển tiếp cuộc gọi

+ Hoàn thành các cuộc gọi đến các thuê bao bận

+ Nhóm và sử dụng khép kín

+ Dịch vụ ba phía

+ Thông báo cước phí

+ Dịch vụ điện thoại không tính cước

+ Nhận dạng số chủ gọi

+ Nhận dạng cuộc gọi hiềm thù

+ Nhận dạng số thoại được nối

- Các dịch vụ số liệu

21

GSM được thiết kế để đưa ra rất nhiều các dịch vụ số liệu Các dịch vụ số liệu được phân biệt với nhau bởi người sử dụng phương tiện (người sử dụng điện thoại PSTN, ISDN hoặc các mạng đặc biệt…) bởi bản chất của luồng thông tin đầu cuối (dữ liệu thô, Fax, Videotex, Teletex…) Bởi phương tiện truyền dẫn (gói hay mạch, đồng bộ hay không đồng bộ…) và bởi bản chất của thiết bị đầu cuối

Các dịch vụ này chưa thực sự thích hợp với môi trường di động Một trong các yêu cầu đó là do yêu cầu thiết bị đầu cuối khá cồng kềnh, chỉ phù hợp với mục đích bán cố định hoặc thiết bị đặt trên ô tô

1.3.1.5 Dịch vụ bản tin nhắn

Dịch vụ bản tin nhắn khá phù hợp với môi trường di động các bản tin nhắn độ dài vài octet có thể được tiếp nhận bằng thiết bị đầu cuối rất nhỏ

Có hai loại dịch vụ bản tin nhắn:

- Dịch vụ bản tin nhắn truyền điểm – điểm (giữa hai thuê bao) Loại này được

chia thành hai loại nhỏ:

+ Dịch vụ bản tin nhắn kết cuối di động, điểm – điểm (SMS- MO/ PP) Cho phép người sử dụng GSM nhận các bản tin nhắn

+ Dịch vụ bản tin nhắn khởi đầu từ Mobile, điểm – điểm (SMS-MI/PP) Cho phép người sử dụng GSM gửi bản tin đến người sử dụng GSM khác

- Dịch vụ bản tin nhắn phát quảng bá: cho phép bản tin nhắn gửi đến máy di động trên một vùng địa lý nhất định

1.3.1.6 Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng GSM

Hệ thống thông tin di động GSM cho phép chuyển vùng tự do của các thuê bao trong khu vực Châu Âu, có nghĩa là một thuê bao có thể thâm nhập sang mạng của các nước khác khi di chuyển sang biên giới Trạm di động GSM – MS (GSM Mobile Station) phải có khả năng trao đổi thông tin ở bất cứ nơi nào phủ sóng quốc

tế

1.3.1.7 Về khả năng phục vụ

- Hệ thống được thiết kế sao cho MS có thể dùng được tất cả các nước có mạng

1.3.1.8 Về chất lượng dịch vụ và an toàn bảo mật

- Chất lượng của thoại trong GSM phải ít nhất có chất lượng như các hệ thống

di động tương tự trước đó trong điều kiện vận hành thực tế

- Hệ thống có khả năng bảo mật, mã hóa thông tin người dùng mà không ảnh hưởng đến hệ số cũng như không ảnh hưởng đến các thuê bao khác không dùng đến khả năng này

1.3.1.11 Về mạng

- Kế hoạch nhận dạng dựa trên khuyến nghị của CCITT

- Kế hoạch đánh số dựa trên khuyến nghị của CCITT

- Hệ thống phải cho phép cấu trúc và tỷ lệ tính cước khác nhau khi được nhận dùng trong các mạng khác nhau

- Trung tâm chuyển mạng và các thanh ghi định vị phải dùng hệ thống báo hiệu được tiêu chuẩn hóa quốc tế

- Chức năng bảo vệ thông tin báo hiệu và thông tin điều khiển mạng phải được cung cấp trong hệ thống

23

1.3.2 So sánh giữa CDMA và GSM

Giới công nghệ vẫn thường nói nhiều đến GSM và CDMA, cùng với sự đua tranh thị phần giữa hai mạng này Nhưng ít ai nắm được nguồn gốc và đặc điểm mỗi mạng Lịch sử phát triển của CDMA và GSM gắn liền với sự phát triển của ngành viễn thông Điện thoại di động (ĐTDĐ) chẳng qua chỉ là một máy thu phát sóng điện từ Trước đây, người ta sử dụng một trạm thu phát gốc (Base Station) chung cho tất cả các máy điện thoại di động Vì vậy công suất của máy điện thoại phải lớn và số kênh (tương ứng với số cuộc gọi) bị giới hạn Để khắc phục điều này, mạng tế bào đã được phát minh, ĐTDĐ sử dụng công suất thấp vẫn có thể liên lạc được trên phạm vi rộng

1.3.2.1 GSM - Hệ thống thông tin di động toàn cầu

Hình 1 8 Cấu trúc của một GSM

24

Hệ thống thông tin di động toàn cầu (tiếng Anh: Global System for Mobile Communications; tiếng Pháp: Groupe Spécial Mobile; viết tắt: GSM) là một công nghệ dùng cho mạng thông tin di động Dịch vụ GSM được sử dụng bởi hơn 2 tỷ người trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ Các mạng thông tin di động GSM cho phép có thể chuyển vùng (roaming) với nhau do đó những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau có thể sử dụng được ở nhiều nơi trên thế giới GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới Khả năng phú sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ biến trên thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng trên thế giới GSM khác với các chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu và tốc độ, chất lượng cuộc gọi Nó được xem như là một hệ thống ĐTDĐ thế hệ thứ hai (second generation, 2G) GSM là một chuẩn mở, hiện tại nó được phát triển bởi 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Đứng về phía quan điểm khách hàng, lợi thế chính của GSM là chất lượng cuộc gọi tốt hơn, giá thành thấp và dịch vụ tin nhắn Thuận lợi đối với nhà điều hành mạng là khả năng triển khai thiết bị từ nhiều người cung ứng GSM cho phép nhà điều hành mạng có thể sẵn sàng dịch vụ ở khắp nơi,

vì thế người sử dụng có thể sử dụng điện thoại của họ ở khắp nơi trên thế giới

- Giao diện radio

GSM là mạng điện thoại di động thiết kế gồm nhiều tế bào do đó các máy điện thoại di động kết nối với mạng bằng cách tìm kiếm các cell gần nó nhất Các mạng

di động GSM hoạt động trên 4 băng tần Hầu hết thì hoạt động ở băng 900 MHz và

1800 MHz Vài nước ở Châu Mỹ thì sử dụng băng 850 MHz và 1900 MHz do băng

900 MHz và 1800 MHz ở nơi này đã bị sử dụng trước Và cực kỳ hiếm có mạng nào sử dụng tần số 400 MHz hay 450 MHz chỉ có ở Scandinavia sử dụng do các băng tần khác đã bị cấp phát cho việc khác

Các mạng sử dụng băng tần 900 MHz thì đường uplink sử dụng tần số trong dãi 890-915 MHz và đường downlink sử dụng tần số trong dãi 935-960 MHz Và chia các băng tần này thành 124 kênh với độ rộng băng thong 25 MHz, mỗi kênh cách nhau 1 khoảng 200 kHz Sử dụng công nghệ phân chia theo thời gian TDM

đa là 1 watt đối với băng GSM 1800/1900 MHz Mạng GSM sử dụng 2 kiểu mã hoá

âm thanh để nén tín hiệu âm thanh 3,1 kHz đó là mã hoá 6 và 13 kbps gọi là full rate (13 kbps) và haft rate (6 kbps) Để nén họ sử dụng hệ thống có tên là linear predictive coding (LPC)

Vào năm 1997 thì họ cải tiến thêm cho mạng GSM là bộ mã GSM-EFR sử dụng full rate 12,2 kbps

Có tất cả bốn kích thước cell site trong mạng GSM đó là macro, micro, pico và umbrella Vùng phủ sóng của mỗi cell phụ thuộc nhiều vào môi trường Macro cell được lắp trên cột cao hoặc trên các toà nhà cao tầng, micro cell lại được lắp ở các khu thành thị, khu dân cư, pico cell thì tầm phủ sóng chỉ khoảng vài chục mét trở lại

nó thường được lắp để tiếp sóng trong nhà Umbrella lắp bổ sung vào các vùng bị che khuất hay các vùng trống giữa các cell Bán kính phủ sóng của một cell tuỳ thuộc vào độ cao của anten, độ lợi anten thường thì nó có thể từ vài trăm mét tới vài chục km Trong thực tế thì khả năng phủ sóng xa nhất của một trạm GSM là 32 km (22 dặm)

Một số khu vực trong nhà mà các anten ngoài trời không thề phủ sóng tới như nhà ga, sân bay, siêu thị thì người ta sẽ dùng các trạm pico để chuyển tiếp sóng từ các anten ngoài trời vào

- Lịch sử

Vào đầu thập niên 1980 tại châu Âu người ta phát triển một mạng điện thoại di động chỉ sử dụng trong một vài khu vực Sau đó vào năm 1982 nó được chuẩn hoá bởi CEPT (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) và tạo ra Groupe Spécial Mobile (GSM) với mục đích sử dụng chung cho toàn Châu Âu

26

Mạng điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM được xây dựng và đưa vào

sử dụng đầu tiên bởi Radiolinja ở Phần Lan Vào năm 1989 công việc quản lý tiêu chuẩn vá phát triển mạng GSM được chuyển cho viện viễn thông châu Âu (European Telecommunications Standards Institute - ETSI), và các tiêu chuẩn, đặc tính phase 1 của công nghệ GSM được công bố vào năm 1990 Vào cuối năm 1993

đã có hơn 1 triệu thuê bao sử dụng mạng GSM của 70 nhà cung cấp dịch vụ trên 48 quốc gia

+ Phần mạng GPRS (GPRS care network) Phần này là một phần lắp thêm để cung cấp dịch vụ truy cập Internet

+ Và một số phần khác phục vụ việc cung cấp các dịch vụ cho mạng GSM như gọi, hay nhắn tin SMS

+ Máy điện thoại - Mobile Equipment

Thẻ SIM (Subscriber identity module)

CDMA (viết đầy đủ là Code Division Multiple Access) nghĩa là đa truy nhập (đa người dùng) phân chia theo mã GSM phân phối tần số thành những kênh nhỏ, rồi chia xẻ thời gian các kênh ấy cho người sử dụng Trong khi đó thuê bao của mạng di động CDMA chia sẻ cùng một giải tần chung Mọi khách hàng có thể nói đồng thời và tín hiệu được phát đi trên cùng một giải tần Các kênh thuê bao được tách biệt bằng cách sử dụng mã ngẫu nhiên Các tín hiệu của nhiều thuê bao khác nhau sẽ được mã hoá bằng các mã ngẫu nhiên khác nhau, sau đó được trộn lẫn và phát đi trên cùng một giải tần chung và chỉ được phục hồi duy nhất ở thiết bị thuê

27

bao (máy điện thoại di động) với mã ngẫu nhiên tương ứng Áp dụng lý thuyết truyền thông trải phổ, CDMA đưa ra hàng loạt các ưu điểm mà nhiều công nghệ khác chưa thể đạt được

Hiện nay ở Việt Nam có 6 nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di động Trong đó, Saigon Postel (S-Fone), EVN Telecom, Hà Nội Telecom sử dụng công nghệ CDMA, Mobifone, Vinaphone và Vietel sử dụng công nghệ GSM

Mạng sử dụng chuẩn GSM đang chiếm gần 50% số người dùng điện thoại di động trên toàn cầu TDMA ngoài chuẩn GSM còn có một chuẩn khác nữa, hiện được sử dụng chủ yếu ở Mỹ Latin, Canada, Đông Á, Đông Âu Còn công nghệ CDMA đang được sử dụng nhiều ở Mỹ, Hàn Quốc Công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA là công nghệ truyền sóng kỹ thuật số, cho phép một số người dùng truy nhập vào cùng một kênh tần số mà không bị kẹt bằng cách định vị những rãnh thời gian duy nhất cho mỗi người dùng trong mỗi kênh Công nghệ này đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu ít tốn kém hơn CDMA Còn công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA là công nghệ trải phổ cho phép nhiều tần số được sử dụng đồng thời; mã hóa từng gói tín hiệu số bằng một mã khóa duy nhất và gửi đi

Bộ nhận CDMA chỉ biết nhận và giải mã Công nghệ này có tính bảo mật tín hiệu cao hơn TDMA Theo các chuyên gia CNTT Việt Nam, xét ở góc độ bảo mật thông tin, CDMA có tính năng ưu việt hơn

- Ưu điểm

Sử dụng bộ mã hóa ưu việt nhờ hệ thống kích hoạt thoại, hiệu suất tái sử dụng tần số trải phổ cao và điều khiển năng lượng, nên nó cho phép quản lý số lượng thuê bao cao gấp 5-20 lần so với công nghệ GSM Áp dụng kỹ thuật mã hóa thoại mới, CDMA nâng chất lượng thoại lên gần bằng với hệ thống điện thoại hữu tuyến

+ Chuyển giao mềm

Đối với điện thoại di động, để đảm bảo tính di động, các trạm phát phải được đặt rải rác khắp nơi Mỗi trạm sẽ phủ sóng một vùng nhất định và chịu trách nhiệm với các thuê bao trong vùng đó Với CDMA, ở vùng chuyển giao, thuê bao có thể

28

liên lạc với 2 hoặc 3 trạm thu phát cùng một lúc, do đó cuộc gọi không bị ngắt quãng, làm giảm đáng kể xác suất rớt cuộc gọi

+ Điều khiển công suất

Một ưu điểm khác nữa của CDMA là nhờ sử dụng các thuật toán điều khiển nhanh và chính xác, thuê bao chỉ phát ở mức công suất vừa đủ để đảm bảo chất lượng tín hiệu, giúp tăng tuổi thọ của pin, thời gian chờ và đàm thoại Máy điện thoại di động CDMA cũng có thể sử dụng pin nhỏ hơn, nên trọng lượng máy nhẹ, kích thước gọn và dễ sử dụng

Trong thông tin di động, thuê bao di động di chuyển khắp nơi với nhiều tốc độ khác nhau, vì thế tín hiệu phát ra có thể bị sụt giảm một cách ngẫu nhiên Để bù cho

sự sụt giảm này, hệ thống phải điều khiển cho thuê bao tăng mức công suất phát Các hệ thống analog và GSM hiện nay có khả năng điều khiển chậm và đơn giản, thuê bao không thể thay đổi mức công suất đủ nhanh, do đó phải luôn luôn phát ở công suất cao hơn vài dB so với mức cần thiết Tuy nhiên, để sử dụng mạng điện thoại di động CDMA, người dùng phải trang bị thiết bị đầu cuối phù hợp với công nghệ của mạng Chi phí cho thiết bị đầu cuối CDMA hiện nay khoảng 200-1.000 USD tùy công năng của máy, trong tương lai giá sẽ thấp hơn Trong vấn đề bảo mật, CDMA cung cấp chế độ bảo mật cao nhờ sử dụng tín hiệu trải băng phổ rộng Các tín hiệu băng rộng khó bị rò ra vì nó xuất hiện ở mức nhiễu, những người có ý định nghe trộm sẽ chỉ nghe được những tín hiệu vô nghĩa Ngoài ra, với tốc độ truyền nhanh hơn các công nghệ hiện có, nhà cung cấp dịch vụ có thể triển khai nhiều tùy chọn dịch vụ như thoại, thoại và dữ liệu, fax, Internet

Không chỉ ứng dụng trong hệ thống thông tin di động, CDMA còn thích hợp

sử dụng trong việc cung cấp dịch vụ điện thoại vô tuyến cố định với chất lượng ngang bằng với hệ thống hữu tuyến, nhờ áp dụng kỹ thuật mã hóa mới Đặc biệt các

hệ thống này có thể triển khai và mở rộng nhanh và chi phí hiện thấp hơn hầu hết các mạng hữu tuyến khác, vì đòi hỏi ít trạm thu phát

Tuy nhiên, những máy điện thoại di động đang sử dụng chuẩn GSM hiện nay không thể sử dụng chuẩn CDMA Nếu tiếp tục phát triển GSM, hệ thống thông tin

29

di động này sẽ phải phát triển lên WTDMA mới đáp ứng được nhu cầu truy cập di động các loại thông tin từ mạng Internet với tốc độ cao, thay vì với tốc độ 9.600 bit/giây như hiện nay, và so với tốc độ 144.000 bit/giây của CDMA

1.4 Kết luận chương

Chương này đã trình bày về lịch sử hình thành mạng thông tin di động cũng như quá trình phát triển của mạng 1G, 2G, 3G và 4G Cấu trúc cell ngày càng được phân chia ngày càng nhỏ làm tăng dung lượng của hệ thống, thuận lợi trong việc phân chia tải cho các vùng phục vụ, tiết kiệm công suất phát của BTS nâng cao hiệu quả hệ thống CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi Những người sử dụng nói trên được phân biệt lẫn nhau nhờ một mã đặc trưng không trùng với bất kỳ ai Ngoài ra trong nội dung chương có nói đến ứng dụng của hai mạng GSM và CDMA đ Để hiểu rõ hơn về kỹ thuật trải phổ sẽ được trình bày trong chương 2

30

Chương 2: KỸ THUẬT CDMA

2.1 Giới thiệu chương

2.1.1 Tổng quan CDMA

Lý thuyết về CDMA (Code Division Multiple Access), đa truy cập phân chia theo mã số, đã được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng trong thông tin quân sự từ những năm 1960 Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin trong nhưng năm 1980, CDMA đã được thương mại hóa từ phương pháp thu GPS và Ommi – TRACS, phương pháp này cũng đã được đề xuất trong hệ thống tổ ong của Qualcomm – Mỹ vào năm 1990

Trong thông tin CDMA thì nhiều người sử dụng chung thời gian và tần số, mã PN( tạp âm giả ngẫu nhiên) với sự tương quan chéo thấp được ấn định cho mỗi người sử dụng Người sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định Đầu thu tạo ra một dãy giả ngẫu nhiên như ở đầu phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngược các tín hiệu đồng bộ thu được