1.3.3.1.Cỏc đặc điểm chớnh của thụng tin di động
Cụng nghệ thụng tin vụ tuyến đó phỏt triển với những bước dài từ điện bỏo, phỏt thanh vụ tuyến và truyền hỡnh tới việc sử dụng trải phổ cho điện thoại di động. Vấn đề đỏp ứng sự tăng trưởng về dung lượng mà khụng cần tăng phổ vụ tuyến đó được giải quyết bằng cỏch giảm cụng suất của trạm thu phỏt vụ tuyến BTS chỉ phục vụ một vựng nhỏ (Cell) và phủ súng một vựng rộng bằng cỏch đặt nhiều cell liờn tiếp nhau. Mỗi cell được ấn định một phần nhỏ của toàn bộ tài nguyờn phổ tần sốđược ấn định. Cỏc cell đặt xa nhau cú thể sử dụng cựng cựng một tần số, đú là xuất xứ của tờn mạng tổ ong Cellular. Nhờ khả năng sử dụng lại tần số này mà mạng cellular cú dung lượng lớn hơn.
Thế hệđầu tiờn của cỏc hệ thống tổ ong là cỏc hệ thống Analog được hóng NTT sử dụng tại Tokyo vào năm 1977. Mạng Analog NMT được sử dụng tại chõu Âu vào năm 1981, mạng AMPS được sử dụng tại Bắc Mỹ vào năm 1983.
Vào cuối những năm 80 thế hệđầu tiờn của hệ thống Cellular dựa trờn cỏc kỹ thuật bỏo hiệu analog tỏ ra đó lỗi thời. Những tiến bộ về cụng nghệ mạch tớch hợp cho phộp cỏc kỹ thuật mó hoỏ tiờn tiến được sử dụng, cho phộp tăng hiệu quả sử dụng phổ vụ tuyến. Thờm vào đú viễn thụng số cho phộp sử dụng mó hoỏ sửa sai cung cấp một phương thức chống lại nhiễu, vấn đề gõy nhiều khú khăn cho hệ thống analog. Ngoài ra cỏc hệ thống số cho phộp ghộp cỏc loại số liệu khỏc nhau và điều khiển hiệu quả mạng lưới.
Sự triển khai toàn cầu của hệ thống thụng tin cellular số bắt đầu vào đầu những năm 90. Ở chõu Âu đú là GSM, hệ thống này thống nhất tiờu chuẩn trước đú được dựng ở chõu Âu như hệ thống NMT ở bỏn đảo Scandinavia, hệ thống C-450 ởĐức và cỏc hệ thụng khỏc như TACS và R- 2000. Hệ thống GSM đạt đựoc hai mục đớch là cải thiện cụng nghệ truyền dẫn và cung cấp một tiờu chuẩn thống nhất. Ở bắc Mỹđú là hệ thống DAMPS (tiờu chuẩn IS 136), ở Nhật là hệ thống PDC, ngoài ra cuối những năm 90 xuất hiện hệ thống CDMA (tiờu chuẩn IS-95).
Ngoài nhiệm vụ phải cung cấp cỏc dịch vụ như mạng điện thoại cốđịnh thụng thuờng, cỏc mạng thụng tin di động phải cung cấp cỏc dịch vụđặc thự cho mạng di động đểđảm bảo thụng tin mọi lỳc, mọi nơi.
Đểđảm bảo cỏc chức năng núi trờn cỏc mạng thụng tin di động phải đảm bảo một sốđặc tớnh cơ bản sau:
1. Sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phỏt đểđạt được dung lượng cao do sự hạn chế của dải tần vụ tuyến sử dụng cho thụng tin di động.
2. Đảm bảo chất lượng truyền dẫn yờu cầu. Do truyền dẫn được thực hiện bằng vụ tuyến là mụi trường truyền dẫn hở, nờn tớn hiệu dễ bị ảnh hưởng của nhiễu pha đinh. Cỏc hệ thống thụng tin di động phải cú khả năng hạn chế tối đa cỏc ảnh hưởng này. Ngoài ra để tiết kiệm băng tần ở mạng thụng tin di động chỉ cú thể sử dụng cỏc Codec tốc độ thấp. Cỏc Codec này phải được thiết kế theo cụng nghệđặc biệt đểđạt được chất lượng truyền
3. Đảm bảo an toàn thụng tin tốt nhất. Mụi trường truyền dẫn vụ tuyến là mụi trường rất dễ bị nghe trộm và sử dụng trộm đường truyền nờn cần phải cú biện phỏp đặc biệt để đảm bảo an toàn thụng tin. Đểđảm bảo quyền lợi của người thuờ bao cần giữ bớ mật số nhận dạng thuờ bao và kiểm tra tớnh hợp lệ của mỗi người sử dụng khi họ truy nhập mạng. Đẻ chống nghe trộm cần mật mó hoỏ thụng tin của người sử dụng. Ở một số hệ thống thụng tin di động người ta sử dụng một khoỏ nhận dạng bớ mật riờng lưu ở bộ nhớ an toàn. Ở hệ thống GSM thẻ SIM-Card được sử dụng. Người thuờ bao cắm thẻ này vào mỏy di động của mỡnh và chỉ cú người này cú thể sử dụng nú. Cỏc thụng tin lưu giữở SIM-Card cho phộp đảm bảo an toàn thụng tin.
4. Giảm tối đa rớt cuộc gọi khi thuờ bao di động chuyển từ vựng phủ này sang vựng phủ khỏc.
5. Cho phộp phỏt triển cỏc dịch vụ mới, nhất là cỏc dịch vụ phi thoại. 6. Để mang tớnh toàn cầu phải cho phộp chuyển mạng quốc tế. 7. Cỏc thiết bị cầm tay phải gọn nhẹ và tiờu thụ ớt năng lượng.
1.3.3.2.Cỏc cụng nghệ sử dụng trong thụng tin di động
Cụng nghệ FDMA
Cụng nghệ FDMA là cụng nghệđa truy cập phõn chia theo tần số. Phổ tần số qui định cho liờn lạc di động được chia thành 2N dải tần số kế tiếp, cỏch nhau một dải tần phũng vệ. Mỗi dải tần được gỏn cho một kờnh liờn lạc. N dải tần dành cho liờn lạc hướng lờn, sau một dải tần phõn cỏch là N dải tần kế tiếp dành cho liờn lạc hướng xuống .
Đặc điểm: mỗi MS đựoc cấp phỏt đụi kờnh liờn lạc suốt thời gian thụng tuyến. Nhiễu giao thao do tần số cỏc kờnh lõn cận nhau là rất đỏng kể BTS phải cú bộ thu phỏt riờng làm việc với mỗi MS trong tế bào.
Hệ thống FDMA điển hỡnh là hệ thống di động AMPS (Advanced mobile phone system) .
Cụng nghệ TDMA
Cụng nghệ TDMA là cụng nghệđa truy cập phõn chia theo thời gian. Phổ tần số quy định cho liờn lạc di động được chia thành dải tần liờn lạc, mỗi dải tần liờn lạc này được dựng chung cho N kờnh liờn lạc, mỗi kờnh liờn lạc là một khe thời gian trong chu kỳ 1 khung. Tin tức đựơc tổ chức dưới dạng gúi, mỗi gúi cú bớt chỉ thịđầu gúi, thị chỉ cuối gúi, cỏc bớt đồng bộ, cỏc bớt bảo vệ và cỏc bớt dữ liệu .
Đặc điểm: Tớn hiệu của thuờ bao được truyền dẫn số. Liờn lạc song cụng mỗi hướng thuộc dải tần liờn lạc khỏc nhau. Giảm nhiễu giao thao, giảm số mỏy thu phỏt ở BTS. Fading và trễ truyền dẫn là những vấn đề kỹ thuật rất phức tạp, ngoài ra ISI (giao thao cỏc ký hiệu) hay mất đồng bộ cũng là những vấn đề cần giải quyết.
Hệ thống TDMA điển hỡnh là hệ thống di động GSM (Global System for Mobile communication).
Cụng nghệ CDMA
Cụng nghệ CDMA là cụng nghệđa truy cập phõn chia theo mó. Mỗi MS được gỏn một mó riờng biệt và kỹ thuật trải phổ tớn hiệu giỳp cho cỏc MS khụng gõy nhiễu lẫn nhau trong điều kiện cựng một lỳc dựng chung dải tần số.
Đặc điểm: dải tần tớn hiệu rộng hàng trăm Mhz, sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp. Kỹ thuật trải phổ cho phộp tớn hiệu vụ tuyến sử dụng cú cường độ trường rất nhỏ và chống pha đinh hiệu quả hơn FDMA hay TDMA. Việc cỏc thuờ bao MS trong tế bào dựng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn vụ tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số khụng cũn là vấn đề phức tạp, chuyển giao trở nờn mềm dẻo hơn, điều khiển dung lượng trong tế bào rất linh hoạt.
Hệ thống CDMA cũng ỏp dụng kỹ thuật nộn số như TDMA, nhưng với tốc độ bit thay đổi theo tớch cực thoại, nờn tớn hiệu thoại cú tốc độ bit trung bỡnh nhỏ hơn.
1.3.3.3.Cấu trỳc và cỏc thành phần của hệ thống GSM
Hệ thống GSM cú thể chia thành ba phần chớnh : hệ thống BSS, hệ thống mạng chuyển mạch NSS và hệ thống vận hành và bảo dưỡng O&M (hỡnh 1.59).
Hỡnh 1.59: Cấu trỳc tổng quỏt của hệ thống GSM
BTS (Base Transceiver Station) : Trạm thu phỏt gốc BSC (Base Station Controller) : Bộđiều khiển trạm gốc
MSC (Mobile Service Switching Center) : Trung tõm chuyển mạch cỏc dịch vụ di động HLR (Home Location Register) : Bộ ghi dịch định vị thường trỳ
EIR (Equipment Identity Register) : Bộ nhận dạng thiết bị AuC (Authentication Center) : Trung tõm nhận dạng VLR (Visitor Location Register) : Bộ ghi định vị tạm trỳ
ISDN (Intergrated Services Digital network) : mạng số tổ hợp đa dịch vụ
PSPDN (Packet Switching Public Digital network) : mạng chuyển mạch gúi cụng cộng PSTN (Public Switching Telephone Network) : Mạng chuyển mạch thoại cụng cộng PLMN (Public Land Mobile Network) : mạng di động mặt đất cụng cộng)
Đa số cỏc chức năng đặc biệt của hệ thống GSM được thực hiện bởi hệ thống cỏc trạm phỏt BSS trong việc liờn lạc với thiết bịđầu cuối mobile. Hệ thống BSS được chia thành hai khối chức năng : Trạm phỏt BTS và bộđiều khiển trạm phỏt BSC. Một mạng GSM dung lượng cao thụng
BSC BSC BTS BTS HLR VLR EIR AuC MSC ME SM PSTN,ISDN CSPDN PSPDN PLMN Um Abis A
thường cú hàng ngàn BTS. BTS cung cấp chức năng vụ tuyến thu phỏt và bỏo hiệu cho sự tương tỏc với cỏc phần tử khỏc của mạng. Vựng phủ súng của một BTS gọi là một Cell. BSC thực hiện chức năng chuyển mạch và điều khiển cỏc kờnh vụ tuyến cho hệ thống BSS. BSC ấn định kờnh vụ tuyến trong toàn bộ thời gian thiết lập một cuộc gọi và giải phúng tài nguyờn khi cuộc gọi kết thỳc. Chức năng di động chỉ trong nội vựng hệ thống BSS được thực hiện bởi BSC. Cỏc chức năng này làm cho cấu trỳc của BSC cao hơn của BTS.
Thụng thường mỗi BSC điều khiển hàng chục BTS. Khối chuyển mó TCE kết hợp với BSS chuyển đổi tớn hiệu thoại đặc trưng GSM thành dạng mó dựng trong mạng điện thoại cố định thụng thường. Vị trớ của bộ chuyển mó TCE cú thểđặt tại hai vị trớ tuỳ thuộc vào đặc trưng cụ thể của hệ thống : đặt tại vị trớ của BSC hoặc vị trớ của MSC. Vị trớ đặt cú ý nghĩa đối với giỏ thành truyền dẫn bởi vỡ tớn hiệu giữa BTS và bộ chuyển mó là 16 Kbit/sec. Tại bộ chuyển mó, tớn hiệu 16 Kbit/sec được chuyển đổi thành 64 Kbit/sec qua MSC tới mạng thoại cốđịnh.
Việc chuyển mạch giữa cỏc thuờ bao được thực hiện bởi trường chuyển mạch trong MSC. Một MSC kết nối với cỏc mạng khỏc như là mạng thoại cốđịnh PSTN, mạng ISDN, mạng số liệu gúi PSPDN.
Một bộ số liệu logic được gọi là bộđăng ký dữ liệu chủ chứa đựng cỏc thụng tin liờn quan đến việc đăng ký của mỗi thuờ bao như cỏc dịch vụ và vị trớ của thuờ bao. Để cú thểđịnh tuyến cỏc cuộc gọi tới, cỏc thụng tin địa chỉ của vựng khỏch được chứa trong HLR. Một ngõn hàng giữ liệu là bộđăng ký dữ liệu khỏch VLR phụ trỏch việc ghi chỳ cỏc đăng ký yờu cầu và thụng tin vị trớ của cỏc thuờ bao cư trỳ trong vựng phục vụ của nú. Thờm vào đú một bộ nhận thực thiờt bị EIR được sử dụng để ngăn cản việc sử dụng trộm hoặc cỏc mỏy mobile cầm tay khụng được phộp.
Một cuộc gọi tới mỏy MS được định tuyến tới tổng đài MSC cổng trong mạng di động cụng cộng mặt đất PLMN của thuờ bao. Bằng cỏch sử dụng cỏc thụng tin chứa trong HLR và VLR cuộc gọi được định tuyến tới MSC mà thuờ bao đang ởđú. Trong khi thuờ bao đang ở trong mạng chủ thỡ tổng đài MSC chủ và MSC cổng là giống nhau.
1.3.3.4.Giao diện vụ tuyến
Một trong những mục đớch sớm nhất trong sự nghiờn cứu phỏt triển của hệ thống GSM là xỏc định một giao diện mở cho phộp cỏc nhà khai thỏc (Operator) xõy dựng mạng lưới của mỡnh từ cỏc phần tử mạng của cỏc nhà cung cấp khỏc nhau, và cho phộp xõy dựng mạng lưới cú chất lượng cao với giỏ cả hợp lý. Một trong cỏc giao diện quan trọng nhất là giao diện vụ tuyến : giao diện Abis giữa BTS và BSC, giao diện A giữa BSC và MSC. Tất cả cỏc giao diện này được dựng cho việc truyền dẫn cỏc thụng tin của người sử dụng cũng nhưđiều khiển bỏo hiệu. Thờm vào đú cú một vài giao diện giữa MSC, VLR, HLR.
Hỡnh 1.60. Cấu trỳc khung và đa khung
Giao diện vụ tuyến bao gồm hai băng tần số song cụng 25 Mhz cho cảđường lờn và đường xuống (Uplink và downlink), giải băng tần là 890-915 MHz và 935-960 MHz (hỡnh 1.60). Cụng nghệđa truy nhập phõn chia theo tần số FDMA được ứng dụng cho mỗi súng mang cú độ rộng băng tần là 200 KHz. Về phương diện thời gian mỗi súng mang được ghộp vào 8 khe thời gian liờn tiếp (sử dụng cụng nghệđa truy nhập theo thời gian TDMA). Một chu kỳ nhắc lại liờn tiếp của mỗi khe thời gian gọi là một khung TDMA. Thụng tin bỏo hiệu và số liệu của người sử dụng được bảo vệ chống lại cỏc điều kiện lỗi trờn giao diện vụ tuyến bằng cỏch sử dụng mó sửa lỗi (mó xoắn) và đan xen. Số liệu được mó hoỏ khối được đưa vào cỏc Burst, mó hoỏ và điều chế sử dụng khoỏ dịch tối thiểu Gauss (điều chế tần số GMSK) qua giao diện vụ tuyến. Về mặt logic cỏc kờnh lưu lưọng được tổ hợp của cỏc khe thời gian trong cỏc khung TDMA liờn tiếp, thực hiện điều khiển liờn kết chậm SACCH và cỏc khe thời gian rỗi trong một đa khung 26 (Hỡnh 1.61).
Đường lờn (uplink) chậm 3 khe thời gian so với đường xuống. Việc này là một chi tiết rất quan trọng cho việc thiết kế MS ở chỗ việc phỏt và thu khụng bao giờ cựng một thời gian khụng giống như cỏc hệ thống Cellular analog. Điều này đơn giản cho việc thiết kế bởi vỡ việc cần thiết cỏch ly giữa cỏc mạch thu và phỏt là giảm đi. Thờm vào đú để thu và phỏt, việc giỏm sỏt của cỏc Cell lõn cận được yờu cầu cho mục đớch chọn lựa Cell.
MS RX
3 4 5 6 7 0 1 3 4 5 6 7 0 1
MS TX
7 0 1 3 4 5 6 7 0 1 3 4 5 6
Giỏm sỏt
Hỡnh 1.62. Hoạt động của MS trong chế độ thoại hoặc số liệu sử dụng một khe thời gian
Hỡnh 1.62 cho thấy sự hoạt động của một MS trong trạng thỏi truyền thoại hoặc số liệu. Trong vớ dụ này khe thời gian 2 được sử dụng cho việc thu và phỏt. Việc phỏt cú thể sớm hơn một chỳt để đảm bảo thời gian đến chớnh xỏc tại BTS. Việc giỏm sỏt của cỏc cell lõn cận được thực hiện trong khoảng thời gian giữa việc thu và phỏt theo khung TDMA. Trỡnh tự này được tiếp tục lặp lại trong toàn bộ thời gian diễn ra cuộc gọi trừ khung rỗi trong đa khung 26. Trong toàn bộ khung rỗi, MS thực hiện việc đồng bộ với cỏc Cell lõn cận.
1.3.3.5.Mó hoỏ kờnh và điều chế
Ở truyền dẫn số người ta thường đo chất lượng của tớn hiệu thu được bằng tỷ số lỗi bớt (BER). BER núi lờn bao nhiờu bớt trong tổng số bớt thu được mắc lỗi. Tỷ số này càng nhỏ càng tốt. Tuy nhiờn do đường truyền dẫn luụn luụn thay đổi nờn ta khụng thể giảm hoàn toàn xuống khụng, nghĩa là phải cho phộp một lượng lỗi nhất định. Để cú thể cải thiện tỷ số lỗi bớt BER người ta dựng cỏc phương phỏp mó hoỏ kờnh. Thụng thường mó hoỏ kờnh cú thể phỏt hiện lỗi và chừng mực nào đú sửa được lỗi. Mó hoỏ kờnh phải trả giỏ là thờm số bớt kiểm tra, tức là làm tăng lượng thụng tin truyền trờn đường truyền.
Trong thụng tin di động sử dụng hai phương phỏp mó hoỏ cơ bản là mó khối và mó xoắn. Ở mó hoỏ khối ta bổ sung một số bớt kiểm tra vào một số bớt thụng tin nhất định, cỏc bớt kiểm tra chỉ phụ thuộc vào cỏc bớt thụng tin ở khối bản tin. Ở mó xoắn, bộ mó hoỏ tạo ra khối cỏc bớt thụng tin mó húa khụng chỉ phụ thuộc vào khối bản tin hiện thời, mà cũn phụ thuộc vào cỏc bớt của cỏc khối trước.
Cỏc mó khối thường được sử dụng khi cú bỏo hiệu định huớng theo khối, chẳng hạn ở vụ tuyến di động mặt đất tương tự khi số liệu được phỏt đi theo khối. Nú cũng thường được sử dụng để phỏt hiện lỗi khi thực hiện ARQ (yờu cầu tự động phỏt lại). Mó hoỏ xoắn liờn quan nhiều hơn đến sửa lỗi, chẳng hạn khi khụng cú phương tiện ARQ.
Cả hai phương phỏp đều được sử dụng ở GSM, trước hết một số bớt thụng tin được mó hoỏ khối để tạo nờn một khối thụng tin kiểm tra. Sau đú tất cả cỏc bớt này được mó hoỏ xoắn để tạo nờn cỏc bớt được mó hoỏ.Cả hai bước trờn đều được ỏp dụng cho cả tiếng và số liệu mặc dự cỏc sơ