Máy điện thoại không dây đợc thiết kế để giải phóng cho ngời sử dụng điện thoại khỏi chiều dài hạn chế của dây ống nói.
2.2.1. Máy điện thoại không dây tơng tự
Cấu trúc của máy điện thoại không dây tơng tự đợc mô tả nh hình vẽ
Máy mẹ đợc nối trực tiếp với mạng điện thoại công cộng (PSTN) bằng đờng dây thuê bao. Nó đợc xét nh là một máy điện thoại bàn kể cả vị trí trong mạng cũng nh khối thoại của nó. Máy con liên lạc với máy mẹ bằng đờng truyền vô tuyến 2 chiều.
Hình 2.22. Cấu trúc phần di động
Khối phát của máy mẹ và máy con làm việc ở 2 tần số khác nhau, giữa 2 máy phát và máy thu ở cả máy mẹ và máy con đều sử dụng chung một anten. Để tạo sự ghép nối giữa anten với cả máy phát và máy thu của máy mẹ cũng nh máy con có một thiết bị gọi là bộ song công.
Hình 2.23. Bộ song công
Cuộc gọi bị ngắt khi máy con quá xa máy mẹ vì công suất bức xạ cao tần của nó bị giới hạn nhỏ hơn 0,75mV, nên cự ly máy mẹ - máy con thờng vài trăm mét trở lại (200m).
2.2.2. Máy điện thoại không dây số
Điện thoại không dây sử dụng kỹ thuật số có cự ly xa hơn (400m) và sử dụng kỹ thuật trải phổ để đảm bảo tính riêng t của các cuộc đàm thoại. Các hệ thống thông tin trải phổ sử dụng sóng mang cao tần có tần số thay đổi rất nhanh theo một hàm giả số ngẫu nhiên trên một băng thông rộng hơn rất nhiều so với giá trị nhỏ nhất đợc yêu cầu tryuyền tín hiệu. Vì sóng mang chỉ làm việc trong
thời gian rất ngắn tại một tần số bất kỳ cho trớc nên ảnh hởng nhiễu của hệ thống đối với các thiết bị vô tuyến là không đáng kể. Công suất biểu kiến trung bình tại kênh bất kỳ cho trớc rất thấp do vậy tác động của nó mang đặc điểm của một nguồn tạp âm công suất thấp trên cả băng thông đợc dùng. Cũng vì lý do đó mà rất nhiều kênh thông tin có thể hoạt động theo kỹ thuật này mà không gây nhiễu lẫn nhau.
Yêu cầu thực tế trong thông tin trải phổ là làm sao giữ cho máy thu đồng bộ với máy phát, có hai kỹ thuật trải phổ chính là kỹ thuật trải phổ nhảy tần và kỹ thuật trải phổ theo mã.
Kỹ thuật trải phổ nhảy tần FHMA:
Trong FHMA thông tin đợc số hóa sau đó đợc chia thành các bản tin ngắn, mỗi bản tin đợc truyền đi với một tần số sóng mang khác nhau bằng một bộ phát giả số ngẫu nhiên.
Kỹ thuật trải phổ nhảy tần FHMA có một số nhợc điểm:
Việc điều chế là FM hoặc PM với băng thông hẹp tại một thời điểm nhất định và chiếm giữ một băng đơn. Tuy nhiên, sóng mang lại thay đổi bất kỳ sẽ phải yêu cầu một băng thông rộng hơn rất nhiều. Mặt khác, trong hệ thống sử dụng kỹ thuật trải phổ nhảy tần FHMA máy thu phải đợc u tiên truy cập theo thứ tự các sóng mang đợc truyền để thực hiện việc định thời từng bớc (đồng bộ hoá). Điều này dẫn đến việc hai hay nhiều máy phát tại một thời điểm sẽ cố chiếm giữ cùng một tần số.
Kỹ thuật trải phổ theo mã CDMA:
Trong truyền dẫn CDMA thông tin đợc số hoá trớc tiên sau đó đợc nhân với một chuỗi bits giả ngẫu nhiên (đợc gọi là chip) với tốc độ chip lớn hơn rất nhiều thông tin đợc số hoá, tín hiệu trải phổ đợc sử dụng để điều chế một sóng mang, tại phía thu tín hiệu đợc giải điều chế bằng cách sử dụng một dãy bít giả ngẫu nhiên nội tại cùng với một quá trình đợc gọi là tơng quan.
Kỹ thuật trải phổ theo mã CDMA có một số nhợc điểm:
Vì số lợng các bits để biểu diễn một bits tin (1 hoặc 0) là rất lớn, do đó sự tơng quan không thể hoàn hảo, nó phải nhận ra đúng thành phần của các chips nh biểu diễn ở các bản tin đó (1 hoặc 0), cũng chính vì số bits và tốc độ bits lớn nên nó phải yêu cầu có băng thông cho việc truyền dẫn lớn. Nhợc điểm lớn nhất chính là công suất của các máy phát riêng biệt phải đợc điều khiển rất khắt khe bởi vì nếu có một tín hiệu mạnh từ một trong các máy phát ở băng rộng có thể lấn át thiết bị đầu cuối rất nhạy của hệ thống và cản trở việc thu nhận các tín hiệu khác, tức là phải tăng cờng thêm hệ thống điều khiển công suất phát cho tất cả các máy di động, điều này cũng có nghĩa là làm tăng tốc độ phức tạp và giá thành của hệ thống.
Hiện nay kỹ thuật vi xử lý đợc dùng trong các máy điện thoại khiến khả năng dịch vụ và cung cấp tiện ích của máy điện thoại rất phong phú. Kỹ thuật máy tính trong mạng thông tin điện thoại số chủ động kết hợp với thiết bị đầu cuối tạo ra nhiều dịch vụ điện thoại chất lợng cao.
ch
ơng 3
mạng thông tin di động số cellular
Cellular là gì ?
Cellular là tính từ. Cell là danh từ, chúng đợc dịch là "tế bào", "ô". Cell là đơn vị nhỏ nhất của mạng. Trên sơ đồ địa lý quy hoạch mạng, cell có hình dạng một ô tổ ong hình lục giác. Trong một cell có đài vô tuyến gốc BTS, BTS liên lạc vô tuyến với tất cả các máy thuê bao di động MS có mặt trong cell.
I. Đặc điểm mạng thông tin di động số
3.1.1. Lịch sử
Thông tin di động đợc ứng dụng cho nghiệp vụ cảnh sát những năm 20 ở băng tần vô tuyến 2 MHz. Sau thế chiến II mới xuất hiện thông tin di động điện thoại dân dụng. Năm 1946, với kỹ thuật FM ở băng sóng 150 MHz AT&T đợc cấp giấy phép cho dịch vụ điện thoại di động thực sự. Năm 1948, một hệ thống điện thoại hoàn toàn tự động đầu tiên ra đời.
Quan niệm "Cellular" bắt đầu từ cuối những năm 40 với Bell. Tháng 12/1971 hệ thống cellular kỹ thuật tơng tự ra đời, FM, ở dải tần số 850 MHz, tơng ứng sản phẩm thơng nghiệp AMPS ra đời năm 1983.
Đến đầu những năm 90, thế hệ đầu tiên của thông tin di động cellular đã bao gồm hàng loạt các nớc khác TACS, NMTS, NAMTS,... Tuy nhiên, các hệ thống này không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng về dung lợng, các tiêu chuẩn hệ thống không tơng thích làm cho sự chuyển giao không đủ rộng nh mong muốn. Những vấn đề trên đặt ra cho thế hệ thông tin di động cellular mới có lựa chọn đó là kỹ thuật tơng tự hay kỹ thuật số. Các bản tin đợc gửi qua hệ thống t- ơng tự khó tránh khỏi bị nghe lén bởi một ngời bất kỳ sử dụng một máy quét tần số cùng với kiến thức cơ bản về điện tử. Hệ thống có thể bị xâm phạm nghiêm trọng hơn bởi sự tập hợp bất hợp pháp các mã truy cập do các cá nhân hoặc các tổ chức sử dụng nhân bản cùng với việc truy nhập miễn phí vào hệ thống điện
trong môi trờng cạnh tranh nhiễu mạnh và khả năng tiềm tàng về một dung lợng lớn hơn. Chuyển sang dạng số có thể cải thiện tính riêng t vì có thể chặn các bản tin mã hóa dới dạng số. Kỹ thuật số còn có khả năng nhận dạng việc sử dụng gian lận hệ thống điện thoại nhanh chóng hơn và giải quyết bằng cách từ chối phục vụ ngay lập tức. Vì việc chuyển sang một hệ thống số hoàn toàn cần phải có sự đầu t lớn về cơ sở hạ tầng của các nhà cung cấp dịch vụ nên phần lớn các hệ thống vẫn làm việc bởi hệ thống kỹ thuật tơng tự cha chuyển sang hệ thống kỹ thuật số.
Thế hệ thứ ba bắt đầu từ những năm sau của thập kỷ 90 sẽ là kỹ thuật số CDMA và TDMA cải tiến.
ở đây ta sẽ tìm hiểu mạng thông tin di động số cellular và thực chất đó là mạng di động mặt đất công cộng PLMN, nói một cách tổng quát, thì PLMN hợp tác với các mạng cố định để thiết lập cuộc gọi.
3.1.2. Nguyên lý cellular
Đặc điểm của mô hình cellular là việc sử dụng lại tần số và diện tích mỗi cell là khá nhỏ.
Trong mỗi cell ngời ta sử dụng một nhóm tần số vô tuyến. Các chữ cái A, B, C, D, E, F,G vừa là tên của cell vừa là biểu thị một nhóm xác định các tần số kênh vô tuyến đợc sử dụng trong cell đó. Nhóm tần số A đợc sử dùng cho tất cả các cell Ai, nghĩa là nhóm tần số A đợc dùng lại nhiều lần cho các cell Ai có cự ly đủ lớn, công suất phát đủ nhỏ để nhiễu lẫn nhau do dùng chung tần số là không đáng kể, và cũng tơng tự cho các nhóm tần số B, C, D, E, F, G. Trong thực tế do sự tăng trởng lu lợng không ngừng trong một cell nào đó đến mức chất lợng phục vụ giảm sút quá mức, ngời ta phải thực hiện việc chia tách cell xét thành các cell nhỏ hơn. Với chúng, ngời ta dùng công suất phát nhỏ hơn và mẫu sử dụng lại tần số đợc dùng ở tỷ lệ xích nhỏ hơn.
Hình 3.2. Tăng dung lợng hệ thống bằng sự chia tách thành các cell nhỏ hơn Do đặc tính di động của MS, mạng phải theo dõi MS liên tục để xác định rằng MS hiện đang ở trong cell nào. Việc này có thể đợc thực hiện theo 3 phơng án:
Trong phơng án 1, MS phải thông báo cho PLMN mỗi khi MS chuyển sang cell mới. Sự cập nhật vị trí nh vậy là ở mức cell. Khi có cuộc gọi đến MS thì BST phát thông báo quảng bá trong phạm vi 1 cell.
các cell của PLMN, do đó không cần sự báo cáo có mặt của MS về vị trí hiện thời thuộc về cell nào.
Trong phơng án 3, kết hợp cả 2 phơng án trên. Nếu MS chuyển động từ cell này sang một cell khác trong cùng một vùng định vị, đó là một phân cấp quản lý lãnh thổ gồm một nhóm liên thông nhỏ hơn toàn bộ lãnh thổ mà PLMN quản lý, Thì MS không phải thông báo gì cho PLMN, và nếu MS chuyển sang vùng định vị mới thì nó phải thông báo cho PLMN về vùng định vị mới mà nó đang ở đó. Thông báo tìm gọi MS đợc phát quảng bá trong một vùng định vị. ở
phơng án này giúp ta cách giữ số lợng thông báo tìm gọi và số lợng thông báo cập nhật vị trí của MS không quá lớn.
Hệ thống thông tin di động cellular là một hệ thống trung kế vô tuyến vì nó có số kênh ít hơn số thuê bao khả dĩ cùng một lúc muốn sử dụng hệ thống. Phơng thức để sử dụng chung các kênh đợc gọi là đa truy cập, ngời dùng khi có nhu cầu thì đợc bảo đảm về sự truy cập vào trung kế.
Có 5 sơ đồ đa truy cập vào kênh vật lý:
FDMA (đa truy cập phân chia tần số) phục vụ các cuộc gọi theo các kênh tần số khác nhau.
TDMA (đa truy cập phân chia thời gian) phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau.
CDMA (đa truy cập phân chia mã) phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau.
PDMA (đa truy cập phân chia cực tính) phục vụ các cuộc gọi theo các sự phân cực khác nhau của sóng vô tuyến.
SDMA (đa truy cập phân chia không gian ) phục vụ các cuộc gọi theo các anten định hớng búp sóng hẹp.
a. Đa truy cập phân chia theo tần số FDMA
Với FDMA, ngời dùng đợc cấp phát 1 kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số. Nếu số kênh có sẵn nhiều hơn 15, thì có thể đạt hiệu suất trung kế cao nhất bằng cấp phát ban đầu từ kênh điều khiển chung: tất cả các MS khởi tạo cuộc liên lạc lấy sự chỉ dẫn từ kênh điều khiển chung này. Sơ
đồ báo hiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp. Khi MS bật nguồn để làm việc thì nó dò sóng tìm đến kênh điều khiển dành riêng. Nhờ kênh này, MS nhận đợc dữ liệu báo hiệu gồm các lệnh về kênh tần số dành riêng cho lu lợng ngời dùng. Sự báo hiệu giống nh một bản chỉ dẫn. Các cơ quan nhà nớc căn cứ vào nhu cầu chung của xã hội quy định chính xác dải tần số thông tin di động. Khi số thuê bao nhiều vợt trội so với các kênh tần số có thể thì một số ngời dùng bị chặn không đợc truy cập. Mỗi MS đợc cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến. Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là rất đáng kể. BSTC phaỉ có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS trong cell. Hệ thống FDMA điển hình là AMPS ( Advanced Mobile Phone System)
b. Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA
Khả năng công nghệ về mã hóa thoại và nén dữ liệu cho phép trừ bỏ độ d và khoảng lặng trong truyền thoại, cũng cho phép giảm thời gian để trình diễn tín hiệu thoại. Hệ thống thông tin di động TDMA, ứng dụng kỹ thuật nén số đối với thoại để nhiều ngời dùng một kênh chung. Các thuê bao khác nhau dùng chung kênh nhờ cài xen thời gian, mỗi thuê bao đợc cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung. GMS phân chia thuê bao vào các kênh tần số theo kỹ thuật FDMA đơn giản. Các thuê bao chung kênh tần số lại đợc chia riêng từng thuê bao một khe thời gian trong cấu trúc khung tuần hoàn 8 khe.
Một khe thời gian GSM dài 577às. Một khung GSM dài 8x577 = 4615 ms. Với phơng pháp này thì số máy thu phát ở trạm vô tuyến gốc BTC và nhiễu giao thoa sẽ giảm.
c. Đa truy cập phân chia theo mã CDMA
Mỗi MS đợc gán một mã riêng biệt và kỷ thuật trải phổ tín hiệu giúp cho các MS không gây nhiễu lẫn nhau trong điều kiện có thể cùng một lúc chung dải tần số. Phơng pháp này có đặc điểm :
Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz. Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp, nó cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cờng độ rất nhỏ và chống pha đinh hiệu quả hơn FDMA, TDMA.
Các thuê bao trong cell dùng chung tần số nên thiết bị truyền dẫn vô tuyến đơn giản, thay đổi kế hoạch tần số dễ dàng, điều khiển dung lợng trong cell rất linh hoạt.
Hệ thống CDMA cũng áp dụng kỹ thuật nén số nh TDMA, nhng với tốc độ bit thay đổi theo tín hiệu thoại, nén tín hiệu thoại có tốc độ bit trung bình nhỏ hơn.
d. Đa truy cập phân chia theo không gian SDMA
Bất kỳ hệ thống thông tin di động cell nào, tơng tự hay số đều dùng SDMA. Hệ thống cellular cho phép đa truy cập vào kênh vô tuyến chung dựa trên căn bản là theo từng cell riêng rẽ. Điều hạn chế SDMA là việc sử dụng lại tần số, những ngời dùng đồng thời dùng chung một tần số nh nhau với điều kiện họ phải tách biệt nhau đủ xa để tối thiếu hóa can nhiễu cùng kênh đối với nhau. Nhóm các tần số dùng ở một cell có thể lặp lại dùng ở cell khác trong hệ thống miễn là cự ly giữa chúng đủ giảm can nhiễu cùng kênh đến ngỡng cho phép.
3.1.3. Cấu trúc mạng thông tin di động số cellular
Hệ thống thông tin di động cellular bao gồm : Phân hệ chuyển mạch NSS ( Network SubSystem) Phân hệ vô tuyến RSS = BSS + MS
Phân hệ vận hành và bảo dỡng OMS
BSS (Base Station Subsystem) = TRAU + BSC + BTS
Trong mỗi BSS, một bộ điều khiển trạm gốc BSC : điều khiển một số trạm BTS xử lý các bản tin báo hiệu, khởi tạo kết nối, điều khiển chuyển giao, kết nối đến các MSC, BTS và OMC. Còn BTS có chức năng : thu phát vô tuyến, mã hóa và giải mã, mật mã/ giải mật mã, điều chế/ giải điều chế. BSS nối với NSS thông qua luồng PCM cơ sở 2 Mbps.
Hình 3.3. Mô hình hệ thống thông tin di động Các ký hiệu
OSS Hệ thống khai thác và hỗ trợ SS Hệ thống chuyển mạch