Bài giảng Thông tin di động cung cấp cho người học các kiến thức: Quá trình phát triển trong lĩnh vực di động, các kiến thức cơ bản trong mạng di động tế bào, các ảnh hưởng chính cũng như các kỹ thuật được áp dụng cho mạng,... Mời các bạn cùng tham khảo.
THƠNG TIN DI ĐỘNG ThS. Hà Duy Hưng Mobile: (090)988.8605 Email: haduyhung@tdt.edu.vn haduyhungtdt@yahoo.com Mục đích: Mobile anywhere, anytime, anyone, any device, any service Hệ thống thơng tin di động là một trong những hệ thống thơng tin đang đựơc phát triển cũng như triển khai nhanh trong lĩnh vực viễn thơng hiện nay ở nước ta hiểu được các kiến thức liên quan, các kỹ thuật được sử dụng cũng như kiến trúc mạng là một trong những u cầu cho tất cả sinh viên của nghành viễn thơng Nội Dung: Q trình phát triển trong lĩnh vực di động Các kiến thức cơ bản trong mạng di động tế bào Các ảnh hưởng chính cũng như các kỹ thuật được áp dụng cho mạng Kiến trúc mạng GSM, CDMA2000, WCDMA Tài liệu tham khảo: [1] Mobile Radio Networks, 2nd Edition 2002, Bernhard H. Walke [2] Mobile Fading Channels, 2002, Matthias Pätzold [3] Mobile Communications Design Fundamentals, 1993 2nd Edition, William C. Y. Lee [4] Mobile Channel Characteristics, 2000, James K. Cavers [5] Wireless Communications, 1996, Theodore S. Rappaport [6] The Mobile Radio Propagation Channel, 2000 2nd Edition, J. D. Parsons [7] Mobile Radio Communications, 1992, R. Steele [8] Microwave Mobile Communications, 1974, W. C. Jakes, Jr Vấn đề thi cử: + Thi Viết (90 phút) + Nhiều đề (được xem tất cả các loại tài liệu) + Tuyệt đối khơng được trao đổi khi thi (2đ/lần) + Điều kiện được thi: phải làm đủ bài tập về nhà và tham gia giải bài tập tại lớp + Khơng thi lần 3, đề thi lần 2 ở mức độ bằng hoặc khó hơn đề thi lần 1 + Mọi thắc mắc trao đổi trực tiếp qua email 1. Lịch sử Thơng Tin Vơ Tuyến • Hệ thống thơng tin vơ tuyến đầu tiên là LOS (Light Of Sight ) Dùng khói (smoke), dùng lửa (flare), dùng gương (mirror) và semaphore • Truyền dẫn sóng điện từ đầu tiên (1895) Được thí nghiệm thành cơng ở Anh của hảng Macroni • Hệ thống vơ tuyến truyền thoại đầu tiên 1915 được sử dụng ở Mỹ • Dịch vụ điện thoại di động đầu tiên được sử dụng tại 25 thành phố của Mỹ 1946 (hạn chế về dung lượng và hiệu quả sử dụng phổ tần số) • Thế hệ thứ I (1G) của Hệ thống thơng tin di độ5ng tế bào (cellular mobile communication nerworks) 1983 do At&T dùng kỹ thuật Một số hệ thống đầu tiên: Narrowband AMPS (NAMPS) Total Access Cellular System (TACS) Extended Total Access Communication System (ETACS) Nordic Mobile Telephone System (NMT900) Nippon Telephone and Telephone (NTT) Một số đặc điểm: Phân bổ tần số hạn chế Dung lượng thấp Nhiễu xảy ra khi máy di động di chuyển trong mơi trường fading nhiều tia Khơng đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi Khơng tương thích giữa các hệ thống với nhau • Thế hệ thứ II (2G) của Hệ thống thơng tin di động tế bào 1987 ở Châu Âu dùng kỹ thuật TDMA, CDMA kết hợp FDMA là hệ thống thơng tin số có thể truyền dữ liệu tốc độ 19.2 kbps Một số hệ thống tiêu biểu: United States Digital Cellular (USDC) standards IS54, IS136, IS95 Global System for Mobile communications (GSM) Pacific Digital Cellular (PDC) CdmaOne Ưu điểm của thế hệ này hiệu quả sử dụng tần số cao hơn, bảo mật tốt hơn, dung lượng và chất lượng cũng cao hơn thế hệ 1, kết hợp nhiều loại hình dịch vụ, dùng mạch tích hợp (số), mã sữa lỗi, bộ cân bằng, tương thích mạng khác dễ dàng • Thế hệ thứ III (3G) của Hệ thống thơng tin di động tế bào được đề xuất vào năm 2000 còn được gọi là IMT2000 (International Mobile Telecommunications) s dụng kỹ thuật TDMA, CDMA kết hợp FDMA với các u cầu: Tốc độ 144 kbps cho th bao di động chuyển động tốc độ cao Tốc độ 384 kbps cho th bao di động chuyển động tốc độ thấp Tốc độ 2 Mbps cho th bao di động khơng chuyển động Chất lượng dịch vụ phải khơng thua kém chất lượng dịch vụ mạng cố định nhất là đối với thoại Mạng phải có khả năng sử dụng tồn cầu, nghĩa là bao gồm cả thơng tin vệ tinh Có 3 hệ thống được đề xuất: WCDMA (Wideband –CDMA) CDMA – 2000 UMTS (Universal Mobile Telecommunication system) đ ược phát triển từ GSM Hệ thống thế hệ 2.5G phát triển từ GSM GPRS – General Packet Radio Services HSCSD – High Speed Circuit Switch Data • Xu hướng phát triển Macrocell >600 m Microcell 60 to 600 m Fixed Wireless(802.16) /LAN(802.11) Visual Video Conference Video phone Networked Computing Interactive Games Medical Imaging Image Fax Voice Packet Interactive Cable Video Data Picocell 6 to 60 m 3G Mobile Email PDA Cellullar/PCS WAN Voice Messaging ComputerComputer Circuit Voice Narrowband (Copper) 64 Kbps Wideband (Copper/Fiber) 64 Kbps~1.5Mbps Broadband (Fiber) 45Mbps 10 Signal Strength (dB) Small Area Average Distance /2 46 Fading diện rộng (large scale fading) Fading diện rộng là mơ hình quan tâm đến độ lớn của tín hiệu giữa phát và thu với những khỏang cách riêng biệt (vài trăm m) và dùng để ước lượng vùng phủ sóng tổn hao kênh truyền Fading diện hẹp (small scale fading) Fading diện hẹp là mơ hình quan tâm đến sự thay đổi độ lớn của tín hiệu thu được trong một khỏang cách ngắn (vài bước sóng) hay một khoảng thời gian ngắn Fading nhanh (fast fading) và fading chậm (slow fading) Biên độ tín hiệu thu được là hàm của khỏang cách r(x) mà thơng tin di động thiết bị cầm tay di chuyển được biểu diễn là hàm của thời gian r(t). Sự thay đổi (variance) trong khơng gian là hàm của khỏang cách được thể hiện sự thay đổi phụ thuộc vào khỏang cách được gọi 47 là fading nhanh và fading chậm. Fading nhanh xét sự thay đổi trong khỏang cách ½ bước sóng thường do sự di chuyển của các vật thể tán xạ (scatters). Fading nhanh bằng phẳng trong một khỏang dài từ 20 – 40 bước sóng thì được gọi là trung bình sector (sector average). Sự thay đổi của mức tín hiệu trung bình theo sự che chắn của tòa nhà (bề rộng tòa nhà) được gọi là fading chậm sector average r ( t ) = m ( t ) r0 ( t ) 48 B C Power A distance A Ảnh hưởng diện rộng (tổn hao đường truyền – large scale fading) B Ảnh hưởng diện trung (do che chắn – shadowing – medium scale fading) C Ảnh hưởng diện hẹp (do dao động của tín hiệu t ại nơi thu đa 49 đường – small scale fading) • Suy hao kênh truyền Pr ( d ) Suy hao trong khơng gian tự do (LOS) d −2 Xác định công suất tại khoảng cách d khi biết công suất tại khoảng cách d0 Pr(d0) d0 Pr(d) Pr (d ) Pr (d )( d d0 ) d Mơ hình 2 tia – cơng thức trường giao thoa, khi khoảng cách lớn, công thức vendensky E( d) d −2 Pr ( d ) d 50 −4 • Các mơ hình tính tổn hao kênh truyền cho Macro Cell Mơ hình Okumura (đã học) Mơ hình Hata (đã học) Mơ hình Hata mở rộng (đã học) Mơ hình Longley – Rice (đọc thêm) Mơ hình Durkin (đọc thêm) Mơ hình Walfisch – Bertoni (đọc thêm) • Mơ hình tính tổn hao kênh truyền cho Micro Cell (đọc thêm) • Mơ hình tính tổn hao kênh truyền cho Indoor (đọc thêm) 51 • Thống kê của fading chậm: trong mơi trường truyền sóng giữa trạm gốc và thiết bị di động là tích của nhiều q trình ngẫu nhiên lên tín hiệu. Nên với thang dB thì mức của các tín hiệu ngẫu nhiên là tổng. mà tổng của nhiều biến ngẫu nhiên thì có dạng phân bố Gausian. Do đó thống kê của fading chậm có dạng phân bố Gausian theo thang dB và được gọi là phân bố lognomal hay là mức tín hiệu thu được theo thang dB có dạng phân bố Gausian p ( L) = e 2π σ L L − mL ) ( − 2σ L2 1 p ( L < l ) = + erf 2 L là mức tín hiệu ở khỏang cách cụ thể mL là suy hao trung bình tại một khỏang cách cụ thể L là độ lệch chuẩn của suy hao trung bình 52 �l − ml � � 2σ � l � � � � • Thống kê của fading nhanh: biên độ của tín hiệu nhận được do fading nhanh thường có phân bố Rayleigh hay Rician n(r) = N/T level crossing rate là tỷ số giữa tổng tất cả các mức vượt trên một giới hạn trong khỏang thời gian cho trước với khỏang thời r gian này. V ới fading n( r) = π f e σ Rayleigh Phụ thuộc vào hiện tượng Doppler − m r2 2σ t(r) = ti/N average duration of fades là tỷ số giữa tổng thời gian của 53 các fades trong khỏang thời gian cho trước với tổng số fades ước • Mơ hình kênh fading nhiều tia t = t0 + Transmit t=t0 t = t0 + t = t0 + t = t0 + Multipath Received Signals 54 • Mơ hình kênh fading nhiều tia Mean Delay Spread τ= a � k τk k a �k k rms Delay Spread τ2 k k στ = τ − ( τ ) �a τ = �a k k k k k �P(τ )τ = �P(τ ) k k k k k k 2 Where �P(τ )τ = �P(τ ) k k 55 eiθ Băng thông kết hợp (coherence bandwidth) Bc 50σ τ Thời gian kết hợp (coherence time) 0.423 Tc = = 16π f m fm 56 • Các lọai kênh fading Fading channel Fading channel Large scale fading due to Large scale fading due to motion over large areas motion over large areas Mean signal Mean signal attenuation vs attenuation vs distance distance Timedelay Timedelay domain domain description description Variation about Variation about Variation about Variation about the mean the mean the mean the mean F. T F. T Small scale fading due to Small scale fading due to small changes in position small changes in position Time spreading Time spreading of the signal of the signal Time Time domain domain description description frequency frequency domain domain description description Time variation Time variation of the channel of the channel F. T F. T Doppler shift Doppler shift domain domain description description Dual Dual Frequency Frequency Frequency Frequency selective selective selective selective fading fading fading fading Flat Flat fading fading Frequency Frequency selective selective fading fading Fast Fast fading fading Dual Dual Flat Flat fading fading Fast Fast fading fading Slow Slow fading fading Slow Slow fading fading 57 Fading phẳng 58 Fading lựa chọn tần số 59 Mơ hình kênh fading nhiều tia White Gaussian Noise White Gaussian Noise + x White Gaussian Noise White Gaussian Noise + x j h( t) = i =1 White Gaussian Noise + j Doppler Filter Doppler Filter x x x βi e jθi δ ( t − ti ) Tap Delay Line Model x j Doppler Filter Transmitted Signal L White Gaussian Noise Ts Ts + + AWGN 60 + Channel Output ... 3G Cellular 10 0 802 .11 b MIMO 10 ) sr ete m( e g na R Bluetooth 802 .11 a UW B 1M 10 M 10 0M Peak Data Rate 1G 15 10 G 2. Ngun lý mạng Di Động Tế Bào (Cellular Mobile Nertwork) • Mạng di động ban đầu dựa trên trạm thu phát đặt cao với cơng suất ... 21 25 21 i j N 1 1 2 12 13 19 16 21 25 22 • Các loại kích thước cell Megacells: phủ hàng trăm km (satellite BS) Macrocells: phủ hàng chục km (phủ thành phố) Microcells: phủ hàng trăm m (tòa nhà, khu thương mại, hội ... 64 Kbps ~1. 5Mbps Broadband (Fiber) 45Mbps 10 • Thế hệ 4G (dự kiến) Indoor Cellular W-LAN W-PAN 4G Satellite Communica tions Radio Broadcasting TV Broadcasting 11 • Thế hệ 4G (vision 2 010 ???) 12