Giáo Trình Thông Tin Di Động ĐH CNTTTT Thái Nguyên

Giáo Trình Đại Học Chuyên Ngành Viễn ThôngPHỤ LỤCChương 1: Khái quát chung về thông tin di động41.1.Những đặc thù của thông tin di động41.2.Lịch sử phát triển của thông tin di động41.3.Một số hệ thống thông tin di động trên thế giới61.4.Xu hướng phát triển của thông tin di động81.5.Một số kết quả đạt được mạng GSM9Chương 2: Tế bào – Cơ sở thiết kế hệ thống112.1.Tế bào và việc phân bổ tần số112.2.1.Lựa chọn tế bào112.2.2.Phân chia kênh truyền112.2.3.Kích thước nhóm N122.2.Nhiễu cùng kênh và dung lượng hệ thống132.3.Nhiễu kênh lân cận và kế hoạch phân chia kênh truyền162.4.Chiến lược phân kênh và chuyển giao172.5.Trung kế và cấp độ dịch vụ182.5.1.Kênh chung182.5.2.Cấp độ dịch vụ192.5.3.Tổng đài không nhớ cuộc gọi bị chặn – Công thức Erlang B192.5.4.Tổng đài nhớ cuộc gọi bị chặn – Công thức Erlang C232.5.5.Hiệu suất trung kế252.6.Nâng cao dung lượng hệ thống tế bào252.6.1.Chia nhỏ tế bào252.6.2.Sử dụng ăng ten định hướng262.6.3.Phân vùng trong tế bào27Chương 3: Mã hóa tiếng nói293.1.Các đặc trưng của tiếng nói303.2.1.Hàm mật độ xác suất (pdf)303.2.2.Hàm tự tương quan (AFC)303.2.3.Hàm mật độ phổ công suất (psd)303.2.1.Lượng tử tuyến tính313.2.2.Lượng tử phi tuyến313.2.3.Lượng tử thích nghi323.2.4.Lượng tử véctơ333.3.Các bộ mã hóa theo dạng sóng333.3.1.Bộ điều chế xung mã vi phân thích nghi (ADPCM)333.3.2.Bộ mã hóa sóng âm theo tần số343.4.Các bộ mã hóa theo nguồn âm (Vocoder)363.4.1.Vocoder kênh373.4.2.Vocoder hài373.4.3.Vocoder Cepstrum373.4.4.Vocoder kích thích bằng Voice373.4.5.Các bộ mã dự đoán tuyến tính373.5.Chọn bộ mã hóa tiếng nói trong thông tin di động413.6.Đánh giá hoạt động của bộ mã hóa tiếng nói42Chương 4: Cân bằng – Phân tập – Mã kênh444.1.Giới thiệu chung444.2.Cơ sở của kỹ thuật cân bằng thích nghi454.3.Cơ sở của kỹ thuật phân tập (tổ hợp tỷ số cực đại)484.3.1.Các dạng phân tập494.3.2.Phân tập phát494.3.3.Phân tập thu514.3.4.Bộ thu RAKE514.3.5.Ghép xen (interleaving)524.4.Mã kênh534.4.1.Các vấn đề cơ bản của mã kênh534.4.2.Dung lượng kênh544.4.3.Mã khối554.4.4.Mã xoắn66Chương 5: Hệ thống thông tin di động tổ ong GSM765.1. Đặc điểm chung của hệ thống GSM765.2. Kiến trúc hệ thống GSM765.2.1.Hệ thống con chuyển mạch – SS.795.2.2.Hệ thống con trạm gốc – BSS805.2.3.Hệ thống con vận hành và bảo dưỡng OSS825.3.Kiến trúc vô tuyến của GSM845.4. Các loại kênh trong GSM855.4.1.Kênh lưu lượng865.4.2.Các kênh điều khiển865.5.Cuộc gọi trong GSM885.5.1.Cuộc gọi từ MS885.5.2.Cuộc gọi từ mạng cố định đến MS895.6.Cấu trúc khung905.7.Xử lý tín hiệu trong GSM945.8. Cấu trúc mạng GPRS dựa trên nền mạng GSM975.8.1. Gateway GSN (GGSN)985.8.2. Serving GSN (SGSN)995.8.3. Đơn vị kiểm tra dữ liệu gói PCU ( Packet Control Unit )1005.8.4. HLR, VLR, AUC và EIR1005.8.5. BSS (Base Station System)1015.9. Các loại kênh trong mạng GRPS1025.9.1. Các kênh logic gói1025.9.2. Kênh lưu lượng logic gói1045.9.3. Kênh lưu lượng dữ liệu gói105Chương 6: Hệ thống thông tin di động CDMA1066.1.Giới thiệu chung1066.2.Kiến trúc hệ thống CDMA1086.2.1 Thiết bị người sử dụng UE (USER EQUIPMENT)1106.2.2 Cấu trúc mạng truy cập1106.2.3. Mạng lõi CN1116.3.Dãy giả ngẫu nhiên (PN)1126.3.1.Tạo dãy m1126.3.2.Tính chất của chuỗi MLSR1166.3.3.Hàm tương quan của tín hiệu mã giả ngẫu nhiên1176.3.4.Dãy Gold1196.4.Mã trực giao1196.5.Trải phổ dãy (chuỗi) trực tiếp (DS – SS)1206.6.Hoạt động của trải phổ dãy trực tiếp1226.7.Trải phổ nhảy tần (FH – SS)1256.8.Hoạt động của trải phổ nhảy tần1276.9.Hệ thống MC DS – CDMA1286.9.1.Mô hình hệ thống MC DS – CDMA1296.9.2.Máy phát1306.9.3.Kênh truyền1326.9.4.Máy thu1346.9.5.Đánh giá đặc tính hệ thống MC DS – CDMA1366.10.Điều chế OFDM1446.10.1.Cấu trúc khung1466.10.2.Kỹ thuật điều chế1476.10.3.Khoảng bảo vệ và tiền tố lặp1496.10.4.Tạo cửa sổ1516.10.5.Ghép xen1526.10.6.Tác dụng của chèn CP153Chương 7: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 31597.1. Yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di độngt hế hệ thứ 31597.2.Hệ thống CDMA1607.2.1. Vùng phủ sóng của cdma 20001607.2.2.Cấu trúc của kênh cdma 20001617.3.W – CDMA1647.4. Hệ thống lai ghép TDMA và CDMA (hệ thống UTRA TDD)165

Bộ môn Công nghệ truyền thông Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT PHỤ LỤC Chương 1: Khái quát chung thông tin di động .4 1.1 Những đặc thù thông tin di động 1.2 Lịch sử phát triển thông tin di động 1.3 Một số hệ thống thông tin di động giới 1.4 Xu hướng phát triển thông tin di động 1.5 Một số kết đạt mạng GSM Chương 2: Tế bào – Cơ sở thiết kế hệ thống 11 2.1 Tế bào việc phân bổ tần số 11 2.2.1 Lựa chọn tế bào 11 2.2.2 Phân chia kênh truyền 11 2.2.3 Kích thước nhóm N 12 2.2 Nhiễu kênh dung lượng hệ thống .13 2.3 Nhiễu kênh lân cận kế hoạch phân chia kênh truyền 16 2.4 Chiến lược phân kênh chuyển giao .17 2.5 Trung kế cấp độ dịch vụ 18 2.5.1 Kênh chung 18 2.5.2 Cấp độ dịch vụ 19 2.5.3 Tổng đài không nhớ gọi bị chặn – Công thức Erlang B 19 2.5.4 Tổng đài nhớ gọi bị chặn – Công thức Erlang C 23 2.5.5 Hiệu suất trung kế 25 2.6 Nâng cao dung lượng hệ thống tế bào .25 2.6.1 Chia nhỏ tế bào 25 2.6.2 Sử dụng ăng ten định hướng .26 2.6.3 Phân vùng tế bào .27 Chương 3: Mã hóa tiếng nói 29 3.1 Các đặc trưng tiếng nói .30 3.2.1 Hàm mật độ xác suất (pdf) .30 3.2.2 Hàm tự tương quan (AFC) .30 3.2.3 Hàm mật độ phổ công suất (psd) 30 3.2.1 Lượng tử tuyến tính 31 3.2.2 Lượng tử phi tuyến 31 3.2.3 Lượng tử thích nghi 32 3.2.4 Lượng tử véctơ 33 3.3 Các mã hóa theo dạng sóng 33 3.3.1 Bộ điều chế xung mã vi phân thích nghi (ADPCM) 33 3.3.2 Bộ mã hóa sóng âm theo tần số 34 3.4 Các mã hóa theo nguồn âm (Vocoder) 36 3.4.1 Vocoder kênh 37 3.4.2 Vocoder hài .37 3.4.3 Vocoder Cepstrum 37 3.4.4 Vocoder kích thích Voice 37 Bài giảng thông tin di động ThS Phạm Văn Ngọc Bộ môn Công nghệ truyền thông Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT 3.4.5 Các mã dự đốn tuyến tính 37 3.5 Chọn mã hóa tiếng nói thơng tin di động 41 3.6 Đánh giá hoạt động mã hóa tiếng nói 42 Chương 4: Cân – Phân tập – Mã kênh 44 4.1 Giới thiệu chung 44 4.2 Cơ sở kỹ thuật cân thích nghi 45 4.3 Cơ sở kỹ thuật phân tập (tổ hợp tỷ số cực đại) 48 4.3.1 Các dạng phân tập 49 4.3.2 Phân tập phát 49 4.3.3 Phân tập thu 51 4.3.4 Bộ thu RAKE 51 4.3.5 Ghép xen (interleaving) 52 4.4 Mã kênh 53 4.4.1 Các vấn đề mã kênh 53 4.4.2 Dung lượng kênh 54 4.4.3 Mã khối 55 4.4.4 Mã xoắn 66 Chương 5: Hệ thống thông tin di động tổ ong GSM 76 5.1 Đặc điểm chung hệ thống GSM 76 5.2 Kiến trúc hệ thống GSM 76 5.2.1 Hệ thống chuyển mạch – SS 79 5.2.2 Hệ thống trạm gốc – BSS 80 5.2.3 Hệ thống vận hành bảo dưỡng OSS .82 5.3 Kiến trúc vô tuyến GSM 84 5.4 Các loại kênh GSM 85 5.4.1 Kênh lưu lượng 86 5.4.2 Các kênh điều khiển 86 5.5 Cuộc gọi GSM 88 5.5.1 Cuộc gọi từ MS 88 5.5.2 Cuộc gọi từ mạng cố định đến MS 89 5.6 Cấu trúc khung 90 5.7 Xử lý tín hiệu GSM 94 5.8 Cấu trúc mạng GPRS dựa mạng GSM 97 5.8.1 Gateway GSN (GGSN) 98 5.8.2 Serving GSN (SGSN) 99 5.8.3 Đơn vị kiểm tra liệu gói PCU ( Packet Control Unit ) 100 5.8.4 HLR, VLR, AUC EIR 100 5.8.5 BSS (Base Station System) 101 5.9 Các loại kênh mạng GRPS .102 5.9.1 Các kênh logic gói .102 5.9.2 Kênh lưu lượng logic gói 104 5.9.3 Kênh lưu lượng liệu gói 105 Chương 6: Hệ thống thông tin di động CDMA 106 Bài giảng thông tin di động ThS Phạm Văn Ngọc Bộ môn Công nghệ truyền thông Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT 6.1 Giới thiệu chung 106 6.2 Kiến trúc hệ thống CDMA 108 6.2.1 Thiết bị người sử dụng UE (USER EQUIPMENT) 110 6.2.2 Cấu trúc mạng truy cập .110 6.2.3 Mạng lõi CN .111 6.3 Dãy giả ngẫu nhiên (PN) .112 6.3.1 Tạo dãy m .112 6.3.2 Tính chất chuỗi MLSR .116 6.3.3 Hàm tương quan tín hiệu mã giả ngẫu nhiên 117 6.3.4 Dãy Gold 119 6.4 Mã trực giao 119 6.5 Trải phổ dãy (chuỗi) trực tiếp (DS – SS) .120 6.6 Hoạt động trải phổ dãy trực tiếp 122 6.7 Trải phổ nhảy tần (FH – SS) 125 6.8 Hoạt động trải phổ nhảy tần 127 6.9 Hệ thống MC DS – CDMA 128 6.9.1 Mô hình hệ thống MC DS – CDMA 129 6.9.2 Máy phát 130 6.9.3 Kênh truyền 132 6.9.4 Máy thu 134 6.9.5 Đánh giá đặc tính hệ thống MC DS – CDMA 136 6.10 Điều chế OFDM 144 6.10.1 Cấu trúc khung .146 6.10.2 Kỹ thuật điều chế 147 6.10.3 Khoảng bảo vệ tiền tố lặp 149 6.10.4 Tạo cửa sổ 151 6.10.5 Ghép xen 152 6.10.6 Tác dụng chèn CP 153 Chương 7: Hệ thống thông tin di động hệ thứ .159 7.1 Yêu cầu chung hệ thống thông tin di độngt hế hệ thứ .159 7.2 Hệ thống CDMA 160 7.2.1 Vùng phủ sóng cdma 2000 .160 7.2.2 Cấu trúc kênh cdma 2000 161 7.3 W – CDMA 164 7.4 Hệ thống lai ghép TDMA CDMA (hệ thống UTRA TDD) 165 Bài giảng thông tin di động ThS Phạm Văn Ngọc Bộ môn Công nghệ truyền thông Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT Chương 1: Khái quát chung thông tin di động 1.1 Những đặc thù thông tin di động Nói đến thơng tin di động nói đến việc liên lạc thơng qua sóng điện từ năm 1897 Gugliemo Marconi thực liên lạc từ đất liền với tàu biển sóng điện từ Đến năm 1980 thơng tin di động thực phát triển giới Để hiểu ta làm phép tính: Mỗi liên lạc hai người cần đường truyền độc lập, kênh giả sử có dải thơng 3kHz (trên thực tế lớn hơn) dải tần vơ tuyến từ – 3GHz cho phép truyền 3.10 9/3.103 = 106 liên lạc lúc Để phục vụ hàng chục triệu người sử dụng máy di động lúc, chưa kể dải tần dành cho nhiều cơng việc khác Phương pháp để giải vấn đề để nhiều người dùng độc lập dải tần vô tuyến hạn chế là: Một liên lạc di động sử dụng dải tần liên lạc di động khác với điều kiện hai liên lạc phải đủ xa khoảng cách để sóng truyền đến nhỏ sóng truyền hai người Do để thích hợp cho việc quản lý người ta chia thành phần nhỏ gọi tế bào (Cellular) Hai liên lạc hai tế bào đủ xa sử dụng dải tần số sóng điện từ thơng qua việc quản lý trạm trung tâm tế bào Về lý thuyết kích thước tế bào nhỏ phục vụ vơ số gọi lúc cần dải tần sóng vơ tuyến hạn chế Phương pháp gọi phương pháp sử dụng lại tần số Tóm lại, đặc thù thông tin di động là: Phục vụ Đa truy cập – gắn liền với thiết kế Mạng tế bào, hệ qủa kéo theo liên quan đến vấn đề là: Chuyển giao, chống nhiễu, quản lý di động, quản lý tài nguyên vô tuyến, bảo mật,… Những điều khác nhiều với mạng vô tuyến cố định đỏi hỏi phát triển công nghệ 1.2 Lịch sử phát triển thông tin di động Để có tranh tồn cảnh phát triển thông tin di động ta điểm lại số mốc lịch sử phát triển thông tin di động giới Ta lựa chọn lịch sử phát triển thông tin di động nước Mỹ làm điển hình:  Năm 1946: Dịch vụ điện thợi di động công cộng giới thiệu lần đầu 25 thành phố Mỗi hệ thống dùng phát công suất lớn đặt ăng ten cao phủ sóng bán kính 50km kỹ thuật Push to talk (bán song công), độ rộng kênh truyền 120kHz (mặc dù độ rộng băng tần tiếng nói 3khz) Đây chưa phải hệ thống tế bào, tần số chưa sử dụng lại, số người phục vụ Bài giảng thông tin di động ThS Phạm Văn Ngọc Bộ môn Công nghệ truyền thông Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT  Năm 1950: Độ rộng kênh thu hẹp lại 60kHz, dẫn đến số kênh sử dụng tăng gấp đôi  Năm 1960: Độ rộng kênh 30kHz  Từ năm 1950 – 1960: Xuất trung kế tự động, dịch vụ IMTS, hiệu suất sử dụng phổ so với hệ thống tế bào ngày  Trong khoảng 1950 – 1960: Lý thuyết mạng tế bào đời nhiên công nghệ lúc chưa đáp ứng  Năm 1976: Ở New York có 12 kênh phục vụ 543 khách hàng, dịch vụ chất lượng hay bị bận  Năm 1981 hệ thống điện thoại di động Bắc Âu NMT450 trở thành hệ thống dịch vụ truyền thông di động tế bào Châu Âu Hệ thống đời chủ yếu phát triển máy điệu thoại xe xách tay Là hệ thống kỹ thuật Analog, hoạt động băng tần 450MHz (453 – 457.5MHz từ MS – BTS 463 – 467.5MHz từ BTS – MS) sử dụng đa truy cập FDMA, điều chế FSK, độ rộng băng tần 25kHz cho phép hỗ trợ 180 kênh  Năm 1986 hệ thống NMT900 Tây âu, hệ thống hoạt động băng tần 900MHz  Năm 1983: Ra đời dịch vụ thông tin di động cải tiến (AMPS) công ty AT&T Đánh dấu đời điện thoại di động tế bào hệ FCC phân 40MHz phổ tần 800MHz, Năm 1989; FCC phân thêm 10MHz phổ cho hệ thống AMPS (824 – 849MHz từ MS – BTS 869 – 894MHz từ BTS – MS) cho dịch vụ kênh có độ rộng băng tần 30kHz, hệ thống có (660 832 kênh đứpđúp, (kênh song công kênh độ rộng 2*30 = 60kHz) Trong 832 kênh có 40 kênh mang thơng tin hệ thống Ở thành phố phân cho nhà cung cấp dịch vụ, điểm đáng nhớ lịch sử phát triển thông tin di động  Năm 1989; FCC phân thêm 10MHz phổ cho hệ thống AMPS Hệ thống tế bào hoạt động môi trường hạn chế giao thoa, sử dụng lại tần số, kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA, để cực đại số người dùng dải tần tổ chức kênh hệ sau: Bài giảng thông tin di động ThS Phạm Văn Ngọc Bộ môn Công nghệ truyền thông Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT Các kênh phát ngược Các kênh phát xuôi 99 99 … 102 … 79 99 99 … 102 … 79 0 824 – 849 MHz Số hiệu kênh ngược: Số hiệu kênh xuôi: 869 – 894 MHz Tần số: 0.030N + 825.0 MHz 0.030(N - 1023) + 825.0 MHz 0.030N + 870.0 MHz 0.030(N – 1023) + 870.0 MHz  Năm 1991: Ra đời hệ thống tế bào số (USDC) theo chuẩn IS – 54, hỗ trợ người sử dụng kênh truyền 30kHz (  / DQPSK ) Khi kỹ thuật nén tiếng nói xử lý tín hiệu phát triển tăng dung lượng lên lần (kết hợp với TDMA tồn song song với AMPS sở hạ tầng) đánh dấu đời thông tin di động hệ  Cũng năm 1991: Hệ thống dựa kỹ thuật trải phổ phát triển Quancom theo chuẩn IS – 95 hỗ trợ nhiều người sử dụng dải tần 1.25MHz, phân biệt mã trải phổ trực tiếp (CDMA) Với AMPS yêu cầu SNR >= 18 dB CDMA yêu cầu thấp cho dung lượng cao Ngoài mã hóa tiếng nói tốc độ thay đổi phát tiếng nói đàm thoại điều khiển phát chí phát sóng nói làm giảm môi trường giao thoa tiết kiệm pin  Năm 1991 hệ thống Mạng thông tin di động hệ đời Châu Âu với phổ tần 900MHz (890 – 915MHz uplink 935 – 960MHz downlink) sử dụng kỹ thuật TDMA/FDMA  Vấn đề tích hợp mạng sở hạ tầng đặt từ đầu năm 1990  Năm 1995: Chính phủ Mỹ cấp giấy phép dải tần 1800/2100MHz hứa hẹn phát triển cho dịch vụ thông tin cá nhân (PCS)  Năm 2000: tổ chức viễn thông quốc tế (ITU) thống số hướng chuẩn phát triển cho thông tin di động đa dịch vụ hệ theo chuẩn UMTS CDMA2000 1.3 Một số hệ thống thông tin di động giới Hệ thống thông tin di động giới phân thành loại sau là: Hệ nhắn tin - điện thoại kéo dài - điện thoại tế bào đó:  Hệ nhắn tin: loại hình thơng tin di động bán song cơng người dùng nhận tin nhắn chiều với thiết bị thu đơn giản radio mã số riêng Bài giảng thông tin di động ThS Phạm Văn Ngọc Bộ môn Công nghệ truyền thông Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT  Điện thoại kéo dài: thiết bị cầm tay kết nối vô tuyến với máy chủ đặt nhà, máy chủ kết nối với mạng điện thoại công cộng (PSTN) Tầm vô tuyến kéo dài hẹp (