1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
4.1 Giao diện vô tuyến
Trong GSM, giao diện vô tuyến sử dụng cả hai phương thức phân kênh theo tần số và theo thời gian: FDMA (Frequency Division Multiple Access) và TDMA (Time Division Multiple Access). Trong FDMA, GSM sử dụng băng tần 900 Mhz (hay còn gọi là GSM 900) và 1800 Mhz (hay GSM 1800). Nhưng ở đây, chúng ta chỉ nghiên cứu sâu về GSM 900. Mỗi kênh được đặc trưng bởi một tần số (sóng mang) gọi là kênh tần số RFCH (Radio Channel) cho mỗi hướng thu phát, các tần số này cách nhau 200Mhz. Trong GSM 900, MS sử dụng 124 RFCH trong dãy tần 25Mhz và BTS sử
dụng 124 RFCH trong dãy tần từ 935 đến 960 Mhz (ở đây, nếu MS phát thì BTS thu và ngược lại). Tại mỗi tần số TDMA chia thành 8 khe thời gian TS tức là số kênh được tăng lên 8 lần. Nhưng trong tương lai số khe có thể sẽ tăng lên 16 lần. Một cặp RFCH (thu và phát) tại một khe thời gian được gọi là một kênh vật lý. Mỗi kênh được dùng để truyền một nhóm nhất định tham số thông tin được gọi là kênh logic (Logical Channel). Mỗi kênh vật lý được gán cho một hoặc một số kênh logic. Các kênh được chia thành hai loại:
- Kênh dùng để tải thông tin của thuê bao như thoại, số liệu….được gọi là kênh Traffic (Traffic Channel - TCH). Có 2 loại tốc độ truyền trên TCH là tốc độ đầy đủ (Full Rate) THC/F là loại tốc độ đang được sử dụng hiện nay và tốc độ bằng một nửa (Half Rate), TCH/H sẽ được sử dụng trong tương lai.
- Kênh điều khiển CCH (Control Channel) được sử dụng để truyền thông tin báo hiệu các thông tin quản lý Um.
4.2 Suy hao đường truyền và Fading:
Suy hao đường truyền là quá trình mà ở đó tín hiệu thu yếu dần do khoảng cách giữa trạm di động và trạm gốc tăng mà không có mặt vật cản giữa anten phát và thu. Suy hao trong không gian tự do:
Ls ≈ d.f
Ls (dB) = 33,4(dB) + 20logF(Mhz) + 20logd(km) d: là khoảng cách giữa anten phát Tx và thu Rx.
f: tần số phát.
Môi trường sử dụng của MS thường có chướng ngại vật gây hiệu ứng che tối làm giảm cường độ tín hiệu thu. Khi di động cùng với đài di động cường độ tín hiệu giảm giữa Tx và Rx có hay không có chướng ngại. Hiệu ứng này gọi là Fading chuẩn
logarit. Thời gian giữa 2 chỗ trũng Fading khoảng vài giây khi máy di động MS là loại lắp trên xe và chuyển động.
Hình 4.1 Fading chuẩn Logarit.
Khi môi trường thông tin có mật độ thuê bao dày và nhiều chướng ngại ta có Fading nhiều tia hay Raile, xảy ra khi tín hiệu truyền nhiều đường từ anten Tx đến Rx. Ở hiện tượng Fading Raile, tín hiệu thu được là tổng các tín hiệu phản xạ khác pha, khác biên độ. Những tín hiệu này khi cộng lại như các véctơ tạo nên một véctơ tổng gần bằng không có nghĩa là cường độ tín hiệu bằng 0. Đó là chỗ trũng Fading nghiêm trọng. Khoảng thời gian giữa hai chỗ trũng Fading phụ thuộc vào tốc độ chuyển động và tần số phát.
Hình 4.2 Fading Raile.
Ở một khoảng cách nhất định (x mét) so với anten phát Tx. Tín hiệu thu được minh họa như sau:
Hình 4.3 Tín hiệu thu được khi ở cách anten phát Tx một khoảng nhất định
Độ nhạy máy thu là mức tín hiệu vào yếu nhất cần thiết cho một tín hiệu ra quy định. Khi quy hoạch hệ thống, để chống lại Fading thì giá trị trung bình chung được lấy lớn hơn độ nhạy máy thu lượng Y(dB) bằng chỗ trũng Fading mạnh nhất, Y(dB) được gọi là dự trữ Fading.
4.3 Phân tán thời gian:
Hiện tượng này có nguồn gốc từ phản xạ của một vật ở xa anten thu Rx vài km. Khi phản xạ sẽ dần đến giao thoa giữa các ký hiệu ISI tức là giao thoa giữa các ký hiệu lân cận với nhau dẫn đến phía thu khó quyết định nhận được ký hiệu nào. Ở GSM tốc độ bit là 270kb/s, mỗi bit tương ứng với 3,7µm và tương ứng với khoảng cách là 1,1km. Khi có phản xạ từ 1km phía sau trạm di động thì tín hiệu phản xạ phải qua quãng đường dài hơn tín hiệu đi thẳng là 2km. Tín hiệu phản xạ sẽ trộn tín hiệu mong muốn với tín hiệu trễ 2bit.
Hệ thống GSM được thiết kế có thể hạn chế phân tán thời gian nhờ sử dụng một bộ cân bằng mà có thể thực hiện cân bằng một số quy định tín hiệu phản xạ nhưng không phải là tất cả. Bộ cân bằng của GSM có thể đạt được sự cân bằng cho các tín hiệu phản xạ chậm khoảng 4bit so với tín hiệu đến trực tiếp, tương ứng với 15µs. Tuy nhiên nếu tín hiệu phản xạ mà đến trễ hơn thế thì bộ cân bằng không thể đáp ứng được. Giai đoạn mà bộ cân bằng có thể đáp ứng được gọi là cửa sổ thời gian. Trong cửa sổ thời gian đó sẽ tăng cường độ tín hiệu đến trực tiếp. Tổng các tín hiệu phản xạ có thể nhỏ hơn 15µs phải ít nhất nhỏ hơn 9 lần tổng các tín hiệu trong cửa sổ. Tỉ số này gọi là tỉ số sóng mang trên sóng phản xạ (C/R). C/R được tính bằng tỉ số giữa năng lượng trong cửa sổ C và năng lượng ngoài cửa sổ R của bộ cân bằng, C/R càng nhỏ thì chất lượng càng kém. Vị trí đặt BTS ảnh hưởng rất lớn đến tỉ số này, nên đặt không hợp lý sẽ gây nên phân tán thời gian lớn. Các vùng có địa hình như miền núi, thành phố nhiều nhà cao tầng, vùng hồ xây dựng nhiều thềm, bậc thường có tỉ số C/R nhỏ. Thông thường tín hiệu phản xạ phải đi quãng đường lớn hơn 4,5km so với tín hiệu trực tiếp thì mới có trễ hơn 15µs. Tuy vậy, nếu tín hiệu phản xạ đó không mạnh tức là tỉ số C/R lớn hơn một số cho phép thì không ảnh hưởng đến vùng sóng phục vụ. Ngược lại, nếu tín hiệu phản xạ mạnh nhưng trễ vẫn thuộc cửa sổ thì sẽ tăng độ mạnh của tín hiệu đi thẳng. Chỉ khi C/R nhỏ phân tán thời gian lớn thì mới có yêu cầu thay đổi vị trí BTS, hoặc dùng phương pháp đặt thêm BTS phụ trợ.
• Nhiễu đồng kênh:
Nhiễu giao thoa đồng kênh là nhiễu do tín hiệu thu không mong muốn có cùng tần số với tần số tín hiệu thu mong muốn. Tỉ số giữa mức sóng mang mong muốn và không mong muốn là tỉ số nhiễu giao thoa đồng kênh (C/I). Tỉ số này phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Mẫu sử dụng lại tần số: khoảng cách giữa hai Cell tấn số ảnh hưởng lẫn nhau.
- Vị trí địa hình.
- Các vùng phản xạ địa phương.
- Kiểu anten, tính định hướng, chiều cao anten.
Tỉ số này có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của tín hiệu, dẫn đến sai tín hiệu, giải mã sai gây ra sót cuộc gọi hoặc thất bại trên đường truyền vô tuyến. Tiêu chuẩn GSM cho phép tỉ số C/I nhỏ nhất là 10. Ngoài ra trong thông tin vô tuyến tín hiệu còn ảnh hưởng bởi các kênh lân cận là các kênh gần tần số với tín hiệu thu, dải tần của chúng trùng lên nhau ở mức lớn. Khi đó cũng gây nhiễu gọi là nhiễu giao thoa kênh lân cận (C/A). Trong thực tế các tần số của các BTS cùng vị trí thường gây ảnh hưởng cho nhau.Tín hiệu khi đo đạc được gồm rất nhiều loại tín hiệu và nhiễu như đã nói ở trên.
4.4 Các phương pháp phòng suy hao đường truyền do Fading:
Để cải tiến máy thu và chất lượng của tín hiệu thu, có bốn phương pháp để thực hiện như sau:
- Phân tập anten (phân tập không gian): do hai anten thu ít có nguy cơ bị chỗ trũng Fading sâu cùng một lúc nên ta sử dụng hai anten Rx độc lập thu cùng tín hiệu rồi kết hợp các tín hiệu này lại ta sẽ có một tín hiệu ra khỏi bộ kết hợp ít bị Fading hơn. Khoảng cách giữa hai anten phải đủ lớn để tương quan giữa các tín hiệu ở hai anten nhỏ.
Hình 4.4 Biểu diễn phân tập không gian
- Nhảy tần: với Fading Raile mẫu Fading phụ thuộc vào tần số. Nghĩa là chỗ trũng Fading xảy ra ở các vị trí khác nhau đối với các tần số khác nhau. Vì vậy, ta có thể thay đổi tần số sóng mang trong một tần số khi cuộc gọi đang tiến hành, khi gặp chỗ trũng Fading một phần thông tin bị mất.
- Mã hóa kênh: ở truyền dẫn số người ta đo chất lượng của tín hiệu được chủ yếu bằng số lượng các bit thu được chính xác, dẫn đến biểu diễn tỉ số bit lỗi BER quan trọng với phát triển số liệu hơn Voice.
Ở phương pháp mã hóa kênh ta phải phát đi một lượng thông tin có số bit lớn hơn nhưng sẽ đạt độ an toàn chống lỗi cao hơn. Ngoài ra phương pháp này có thể phát hiện và sửa lỗi ở từng bit thu.
Ví dụ: Khi muốn gửi một bit “0” hay “1” để được bảo vệ ta bổ sung 3 bit như sau: Thông tin Bổ sung Gửi đi
0 000 0000 1 111 1111
Khối mã “0000” sẽ đúng với bit “0” và khối mã “1111” sẽ đúng với bit “1111”. Tỷ lệ là 1:4, bảo vệ xảy ra như sau:
Thu được: 0000 0010 0110 0111 1110 Quyết định: 0 0 x 1 1 Riêng mã “0110” không xác định được cụ thể, mã “ 0111” và “1110” được phát hiện là lỗi và có thể sửa.
Ở mỗi kênh kiểm tra lỗi được chia thành mã khối và mã xoắn và hai loại mã đều được sử dụng cho cả truyền tiếng và số liệu:
+ Các mã khối tuyến tính: với loại mã này luồng thông tin được chia thành các khối có độ dài bằng nhau. Các bit dư được bổ sung vào khối theo một thuật toán nhất định phụ thuộc vào loại mã được sử dụng. Các mã khối tuyến tính được xác định bằng ba thông số: độ dài khối n, độ dài thông tin và khoảng cách cực đại d. Các mã khối tuyến tính, trong đó các bản tin xuất hiện ở phần đầu của khối được gọi là mã hệ thống.
+ Các mã xoắn: đối với mã xoắn, bộ mã hóa tạo ra các bit mà không chỉ phụ thuộc vào các bit thông tin của khối bản tin hiện thời.
- Ghép xen kẽ: các lỗi bit thường xảy ra theo từng cụm do các chỗ trũng Fading lâu làm ảnh hưởng nhiễu bit liên tiếp. Để giải quyết hiện tượng lỗi bit quá dài, ta dùng phương pháp ghép kênh xen kẽ để tách các bit liên tiếp của một bản tin sao cho các bit này gửi đi không liên tiếp.
Khi truyền dẫn khung 2 có thể mất nếu không ghép xen toàn bộ khối bản tin sẽ mất nhưng ghép xen sẽ đảm bảo chỉ thị thứ hai ở từng khối là bị mắc lỗi:
Mã hóa kênh có thể khôi phục lại thông tin của tất cả các khối. Ở GSM thì bộ mã hóa kênh cung cấp 456 bit cho từng 20ms tiếng và được ghép xen để tạo ra các khối 57bit.
4.5 Phương pháp chống phân tán thời gian:
Mô hình truyền dẫn:
Máy thu tối ưu là máy thu hiểu rõ kênh. Ta lập mô hình toán học của kênh và điều chỉnh máy thu đến mô hình. Kênh được xét như một bộ lọc và được kích thích bởi một tín hiệu biết trước. So sánh đầu ra với đầu vào ta có đáp ứng xung của bộ lọc. Đáp ứng xung của bộ lọc cho ta biết được tín hiệu ra đối với tín hiệu vào, như vậy ta
có thể tìm được đáp ứng xung của kênh và lập mô hình kênh khi phân tích một tín hiệu thu được. Đáp ứng xung khi không có phản xạ (a) và khi có phản xạ (b).
Nguyên lý làm việc của một bộ cân bằng: sau khi lập mô hình kênh ta sẽ phải tạo ra tất cả các chuỗi bit có thể rồi đưa chúng qua mô hình kênh chuỗi đầu vào mà từ đó nhận được chuỗi đầu ra giống nó nhất gọi là chuỗi ngyên thủy hay chuỗi phát. Theo quy định của GSM, một bộ cân bằng cần có khả năng xử lý một tín hiệu phản xạ trễ đến 14,8µs tương ứng với thời gian của 4bit. Khi đó ngay cả tín hiệu phản xạ cũng bị ảnh hưởng bởi Fading Raile, nhưng do tín hiệu có mẫu Fading độc lập so với tín hiệu đi thẳng nên nó được lợi dụng để đạt hiệu quả cao hơn. Như vậy, với các tín hiệu phản xạ trễ dưới 15µs cho ta thêm năng lượng để cải tạo tín hiệu thu.
Thực tế, độ dài chuỗi N lớn nên phải được thực hiện nhiều so sánh và mất nhiều thời gian tính toán gây sự chậm trễ không cho phép. Để khắc phục khó khăn này người ta sử dụng thuật toán Viterbi mà ở đó không cần phải thử tất cả các chuỗi. Nguyên lý là khi tính toán ta loại bỏ tất cả các tổ hợp không có khả năng là tín hiệu và nhờ đó giảm được số lượng tính toán cần thiết.
4.6 Nguyên tắc khi chia kênh theo thời gian:
4.6.1 Khái niệm về khe vô tuyến:
Mạng GSM/PLMN được chia thành 124 kênh sóng mang, sóng này ở dải tần:
- Đường xuống (BTS – MS): 935 – 960 Mhz.
Băng tần đường lên 890,2 – 914,8 Mhz và đường xuống 935,2 – 959,8 Mhz. Trên mỗi sóng mang thực hiện ghép kênh theo thời gian, thực hiện ghép khung TDMA ta có số kênh bằng 124 x 8 (TS) = 992 kênh.
4.6.2 Kênh vật lý:
Một khe thời gian ở một tần số vô tuyến dành để truyền tải thông tin ở đường vô tuyến của GSM là một kênh vật lý. Mỗi một kênh tần số vô tuyến được tổ chức thành các khung TDMA dài 4,62ms gồm 8 khe thời gian (mỗi khe dài 577µs). Tại BTS, các khung TDMA trong các kênh tần số cả ở đường lên và đường xuống đều được đồng bộ. Tuy nhiên khung đường lên trễ 3 khe so với khung đường xuống. Nhờ có trễ này mà có thể sử dụng một khe thời gian có cùng số thứ tự ở cả đường lên và đường xuống để truyền tin bán song công.
Về mặt thời gian, các kênh vật lý ở một kênh tần số được tổ chức theo cấu trúc khung, đa khung, siêu đa khung, siêu siêu khung như sau:
Hình 4.5: Tổ chức khung, đa khung.
Một siêu siêu khung được chia thành 2048 siêu khung với thời gian là 6,12s. Siêu khung lại được chia thành các đa khung, có hai loại đa khung:
- Đa khung 26 khung chứa 26 khung TDMA. Đa khung này được sử dụng để mang TCH (và SACCH cộng với FACCH). 51 đa khung này tạo nên một siêu khung.
- Đa khung 51 khung chứa 51 khung TDMA. Đa khung này sử dụng để mang BCH và CCH. 26 đa khung này tạo nên một siêu khung.
Kênh vật lý được tổ chức theo quan niệm truyền dẫn. Đối với TDMA GSM thì kênh vật lý là một khe thời gian ở tần số sóng mang vô tuyến được chỉ định.
• GSM 900 nguyên thủy:
Dải tần số: 890, 815 Mhz cho đường lên uplink (từ MS đến BTS). 835, 960 Mhz cho đường xuống downlink (từ BTS đến MS).
Dải thông tần của một kênh vật lý là 200Khz. Dải tần bảo vệ ở biên cũng rộng 200 Khz.
Ful (n) = 890,0 Mhz + (0,2 Mhz) * n Fdl (n) = Ful (n) + 45Mhz
Với 1≤ n ≤ 124
Các kênh từ 1÷124 được gọi là kênh tần số vô tuyến tuyệt đối ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number). Kênh 0 là dải phòng vệ.
Vậy GSM 900 có 124 tần số bắt đầu từ 890,2Mhz. Mỗi dải thông tần là một khung TDMA có 8 khe thời gian. Như vậy số kênh vật lý ở GSM 900 là sẽ có 992 kênh.
• EGSM (GSM mở rộng E: extended)
Hệ thống GSM nguyên thủy được mở rộng mỗi băng tần thêm 10 Mhz (tương đương 50 kênh tần số) thì được gọi là EGSM:
925, 960 Mhz downlink.
Ful (n) = 880Mhz + (0,2Mhz) * n Fdl (n) = Ful (n) + 45Mhz.
Với n = ARFCN, 1≤ n ≤ 174. Kênh 0 là dải phòng vệ.
• DCS 1800 có số kênh tần số tăng gấp 3 lần so với GSM 900 Dải tần số: 1710, 1785 Mhz uplink. 1850, 1880 Mhz downlink. Ful (n) = 1710 + (0,2Mhz) * (n-511) Fdl (n) = Ful (n) + 95 Mhz Với 512 ≤ n ≤ 885. 4.6.3 Kênh logic:
Kênh logic được tổ chức theo quan điểm nội dung tin tức, các kênh này được đặt vào các kênh vật lý. Các kênh logic được đặc trưng bởi thông tin truyền giữa BTS và MS. Và có thể chia các kênh logic thành hai loại tổng quát: các kênh lưu lượng