Hình 2.6 cho thấy thay đổi Eb/I0 nhận được từ thực nghiệm. Eb/Io ở một hệ thống được điều khiển công suất với các ô đầy tải được thay đổi để duy trì tỷ số lỗi khung thấp hơn 1%. Đồ thị biểu diễn ở đường liền nét rất giống mật độ xác xuất logarit chuẩn tắc được biểu diễn ở đường chấm chấm với trị trung bình 7dB và độ chênh lệch chuân là 2,4 dB cho hàm mũ chuẩn tắc. Nói chung độ chênh lệch chuẩn cao hơn khi Eb/I0 thay đổi so với trường họp tỷ số này được duy trì khơng đổi.
Có thể biểu diễn cơng suất Pp sau khi điều chỉnh công suất như sau:
Trong đó Pp biểu thị ở dB và là một biến số ngẫu nhiên Gausơ.
Ở hệ thống CDMA nhiều ô, ở đường xuống máy thu di động thu nhiễu từ các ô khác. Ở các hệ thống này việc điều chỉnh ở đường xuống là cần thiết để ấn định công suất cho từng người sử dụng theo công suất thực tế mà họ cần để hạn chế mức nhiễu mà họ gây ra.
Efr/No thu ỏ ỗ. d8
Hình 2.6: Giản đồ thực nghiệm Eb/I0 và xấp xỉ hoá logarit chuẩn ờ SO’ đồ điều khiển công suất
Tồn tại hai sơ đồ điều khiển công suất đường xuống:
+ Theo khoảng cách. Khi biết được vị trí của các trạm di động có thể giảm thiểu tổng công suất phát của mồi trạm di động bằng cách phát đi công suất cao hơn cho trạm di động ở biên giới của ô và phát đi công suất thấp hơn cho trạm di động ở gần trạm gốc. Phương pháp điều khiển công suất theo khoảng cách phù hợp nhất cho môi trường khơng bị che tối vì khi này suy hao cơng suất chỉ phụ thuộc vào khoảng cách. Đe các trạm di động có thể đo khoảng cách đén trạm gốc, trạm gốc phải phát tín hiệu hoa tiêu.
+ Theo tỷ số C/I. Nghĩa là giảm thiểu tỷ số C/I theo nhu cầu của từng người sử dụng . Đe vậy mỗi trạm di động phải phát thông tin về c/l đến trạm gốc. Nhờ vậy trạm gốc có thế quyết định nên tăng hay giảm công suất của người sử dụng được xét.
Từ bảng 2.4 ta thấy rằng dung lượng tăng từ 1 đến 38 lần khi sử dụng sơ đồ điều khiển công suất theo C/I và tăng từ 13 đến 30 lần khi thực hiện điều khiển công suất theo khoảng cách.
So sánh dung lượng đạt được nhờ hai phương pháp trên được cho ở bảng 2.4 Không điều khiển
công suất Theo C/I Theo khoảng cách
Che tối 8dB Một người sử dụng 38 người sử dụng —
Không che tối 13 người sử dụng — 30 người sử dụng
Bảng 2.4: số người sử dụng cực đại ở mỗi ô khi có và khơng sử dụng điều khiển cơng suất; độ lọi xử lý G=156, tích cực tiếng a=0,375
CẨU HƠI ƠN TẶP CHƯƠNG 2 •
Câu 1: Nêu ảnh hưởng của phương thức truyền dẫn đen hệ thống thông tin di động Câu 2: Trình bày hiện tượng suy hao đường truyền trong hệ thống thông tin di động Câu 3: Nêu các mơ hình thực nghiệm để dự đốn tổn hao truyền sóng
Câu 4: Trình bày hiện tượng pha đinh trong hệ thống thông tin di động Câu 5: Nêu các biện pháp chống pha định trong thông tin di động
Chưong 3: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TỎ
ONG GSM 3.1 Mỏ’ đầu
GSM là hệ thống thơng tin di động tồn cầu (Global System for Mobile Communication, được viết tắt là: GSM) là một công nghệ dùng cho mạng thông tin di động. Dịch vụ GSM được sử dụng bởi hơn 2 tỷ người trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ. Các mạng thơng tin di động GSM cho phép có the roaming với nhau. Do đó những máy điện thoại di động của các mạng GSM khác nhau ở chỗ có thể sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới. GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới. Khả năng có thể phủ sóng khắp nơi của chuẩn GSM khiến nó trở nên phổ biến trên thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng trên thế giới. GSM khác với các chuẩn trước kia về cả tín hiệu, tốc độ lẫn chất lượng cuộc gọi. Nó được xem như là một hệ thống điện thoại di động thế hệ thứ 2 (second generation, 2G). GSM là một chuẩn mở, hiện tại nó được phát triển bởi 3rd Generation Partnership Project (3GPP).
Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở Châu Âu và có tên gọi là GSM. Ban đầu hệ thống này được gọi là “Nhóm đặc trách di động ” (Group special Mobile) theo tên gọi của một nhóm được CEPT (Conference of European Postal and Telecommunications - Hội nghị các cơ quan quản lý viễn thơng và bưu chính Châu Âu) cử ra để nghiên cứu tiêu chuẩn. Sau đó để tiện thể cho việc thương mại hóa GSM được gọi là “Hệ thống thơng tin di động tồn cầu” (Global System for Mobile communications). GSM được phát triển từ năm 1982 khi các nước Bắc Âu gửi đề nghị đến CEPT để quy định một dịch vụ viễn thông chung Châu Âu ở băng tần 900MHz. Lúc đầu vào những năm 1982-1985 người ta bàn luận về việc nên xây dựng một hệ thống số hay tương tự. Năm 1985 hệ thống số được quyết định. Bước tiếp theo là chọn lựa giữa giải pháp băng rộng hay băng hẹp. Năm 1986 một cuộc kiểm tra ngoài hiện trường đã được tổ chức tại Pari, các hãng đã đua tài với các giải pháp của mình. Tháng 5 năm 1986, giải pháp TDMA băng hẹp đã được lựa chọn, đồng thời 13 nước đã ký vào biên bản ghi nhớ (MoU) thực hiện các quy định, như vậy đã mở ra một thị trường
di động số có tiềm năng lớn. Tất cả các hãng khai thác ký MoU hứa sẽ có một hệ thống GSM vận hành vào 01/07/1991. Những năm sau đó, hệ thống thơng tin di động tồn cầu GSM phát triển một cách mạnh mẽ, cùng với sự gia tăng nhanh chóng của các nhà điều hành, các mạng di động mới thì số lượng các thuê bao cũng gia tăng một cách chóng mặt. Đen cuối năm 1993 đã có hon 1 triệu thuê bao sử dụng mạng GSM của 70 nhà cung cấp dịch vụ trên 48 quốc gia. Năm 1996, số thành viên GSM MoU đã lên tới 200 nhà điều hành từ gần 100 quốc gia, 167 mạng hoạt động trên 94 quốc gia với số thuê bao đạt trên 50 triệu. Năm 2000, GPRS được ứng dụng. Năm 2001, mạng 3GSM (UMIT) được đi vào hoạt động, số thuê bao GSM đã vượt quá 500 triệu. Năm 2003, mạng EDGE đi vào hoạt động. Cho đến năm 2006 số thuê bao di động GSM đã lên tới con số 2 tỉ với trên 700 nhà điều hành, chiếm gần 80% thị phần thông tin di động trên thế giới.
Hệ thống thông tin di động GSM sử dụng kết hợp phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo tan so (FDMA), trong đó mỗi trạm di động để truy nhập vào mạng được cấp phát một cặp tần số và một khe thời gian. Trong chương này sẽ xét đến giao diện vô tuyến và truyền dẫn; cấu trúc phân lớp và báo hiệu; một số trường hợp báo hiệu ở hệ thống thông tin di động tổ ong GSM.
3.2 Giao diện vô tuyến và truyền dẫn
3.2.1 Quá trình xử lý các tín hiệu số và biến đổi vào sóng vơ tuyến.
Q trình này được trình bày ở lớp vật lý trong các khuyến nghị của GSM. (Hình 3.1).
Tiếng nói tín hiệu âm thanh được đưa qua bộ lọc và bộ biến đổi A/D với tần số lấy mẫu là 8KHz và mã hoá mỗi mầu bằng 13 bít. Tiếng nói của chúng ta có chu kỳ lấy mẫu là 20ms mồi mẫu mã hố thành 260 bít vậy tốc độ truyền bit là 13 Kbps. Tín hiệu sẽ đi qua mă hóa kênh ở đây chuỗi bít sẽ được thêm vào một số bít đáp ứng thừa để khi truyền đi đầu thu dễ dàng phát hiện lồi và sửa lỗi. Tiếp theo tín hiệu số sẽ truyền đến ghép xen, hoán đổi thứ tự của các bít trước khi truyền đi, mục đích của việc ghép xen là tránh lồi bit xảy ra ở các bít liên tiếp. Mật mã hố dùng để bảo mật thơng tin trên đường truyền. Các bít thơng tin được đóng gói thành các cụm để truyền đi tại lập khm cụm, các dạng thông tin khác nhau được tổ chức theo các cụm khác nhau. Cuối cùng là điều chế dùng để biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu khác để cho nó phù hợp với đường truyền.
3.2.2 Các kênh vật lý.
Các kênh vật lý được coi là các cặp tần số và khe thời gian dùng để truyền tải thông tin giữa trạm di động MS và trạm thu phát gốc BTS.
a/ Các kênh tần số được sử dụng ở GSM
- Phân bố tần số ở GSM được quy định nằm trong giải tần 890 - 960 MHz Với bố trí các kênh tàn số như sau:
fL = 890 MHz + (0,2 MHz) x n, n = 0,1,2,... 124 fƯ=fL + 45 MHz
Bao gồm 125 kênh đánh số từ 0 đến 124, kênh 0 dành cho khoảng bảo vệ nên khơng được sử dụng, trong đó: fL là tần số ở bán băng tần thấp dành cho đường lên (từ trạm di động đến trạm BTS), fƯ là tần số ở bán băng tần cao dành cho đường xuống (từ BTS đến trạm di động).
- Hệ thống GSM mở rộng (E-GSM) có băng tần rộng thêm 10 MHz ở cả hai phía nhờ vậy số kênh sẽ tăng thêm 50 kênh. Phân bố tần số trong trừng hợp này như sau:
fL = 890 MHz + (0,2 MHz) X n, 0 < n < 124 và fL = 890 MHz + (0,2 MHz) X (n-1024), 974 < n < 1023 fƯ=fL + 45 MHz
Các kênh bổ sung được đánh số từ 974 đến 1023 và kênh thấp nhất 974 để làm khoảng bảo vệ nên không sử dụng.
- Đối với hệ thống DCS - 1800 băng tần công tác 1710- 1800 MHz, phân bổ tần số cho các kênh như sau:
fL = 1710 MHz + (0,2 MHz) X (n-511), 512 < n < 885 fƯ=fL + 95 MHz
Gồm 374 kênh đánh số từ 512 đến 885.
Đe cho các kênh lân cận không gây nhiễu cho nhau mỗi BTS phủ một tế bào của mạng phải sử dụng các tần số cách xa nhau và các ô sử dụng các tần số giống nhau hoặc gần nhau phải xa nhau.
b/ Tổ chức đa truy nhập bằng cách kết họp giữa FDMA và TDMA
Truyền dần vô tuyến ở GSM được chia thành các cụm (Burst) chứa hàng trăm bit đã được điều chế. Mồi cụm được phát đi trong một khe thời gian có độ rộng là 15/26 ms (577 /rs) ở một trong kênh tần số có độ rộng 200 kHz nói trên. Sơ đồ mơ tả cách kết họp FDMA và TDMA được cho ở hình 2.2.
Hình 3.2: Đa truy nhập kết họp FDMA và TDMA
Mỗi một kênh tần số cho phép tổ chức các khung truy nhập theo thời gian, mỗi khung bao gồm 8 khe thời gian từ 0 đến 7 (TSo, TS1.... TS7).
c/ Các kênh vật lý
Các kênh vật lý là một khe thời gian ở một tần số vô tuyến dùng để truyền tải thông tin ở đường vô tuyến của GSM. Như ở phần trên ta đã nói GSM sử dụng băng tần sau:
- 935-960 MHz cho đường xuống (BTS phát) - Khoảng cách giữa các sóng mang là 200 kHz.
Trong tương lai khi mở rộng đến hệ thống DCS-1800 băng tần được sử dụng sẽ là: - 1710-1785 MHz đường lên
- 1805-1880 MHz đường xuống
Để đảm bảo các quy định về tần số bên ngồi băng phải có một khoảng bảo vệ giữa các biên của băng (200 kHz). Vì thế ở GSM-900 ta có 124 kênh tần số vô tuyến bắt đầu từ 890,2 MHz và ở DCS-1800 ta có 374 kênh tần số vơ tuyến bắt đầu từ 1710,2 MHz. Mỗi một kênh tần số vô tuyến được tổ chức thành các khung TDMA có 8 khe thời gian. Một khe thời gian có độ dài 15/26 «577 ỊJS. 8 khe thời gian của một khung TDMA có độ dài gần bằng 4,62 ms.
Ở BTS các khung TDMA ở tất cả các kênh tần số trên đường xuống được đồng bộ. Đồng bộ cũng được áp dụng như vậy với đường lên. Tuy nhiên khởi đầu của khung TDMA đường lên trễ một khoảng thời gian cố định 3 khe. Lý do trễ để cho phép MS sử dụng cùng một khe thời gian ở cả đường lên lẫn đường xuống phải thu phát đồng thời. Sự trễ nói trên được mơ tả ở hình 2.3 dưới đây.
Hình 3.3: Các khung TDMA
Đường xuống kênh tẩn sô Khung
TDMA
Khung TDMA
Khung TDMA
Đường xuống kênh tán sô' Khung
TDMA
Khung
TDMA
Khung TĐMA
Đường lên kênh tân sô' Khung
TDMA
Khung TDMA
Khung
TDMA
Đường lẽn kênh tẩn số Khung
TDMA Khung TDMA Khung TDMA 4-------- - Cấu trúc các cụm
Khi MS cần truy xuất vào mạng thì sẽ được hệ thống cung cấp cho một khe thời gian. Mỗi khe thời gian có độ dài là 0.577ms nhưng thông tin truyền đi trong khe này chỉ chiếm có 0.546ms. Thơng tin trong khoảng thời gian này được gọi là cụm và khoảng thời gian còn lại hai đầu là thời gian bảo vệ dài 0.3 Ims.
Tuỳ theo mồi loại tín hiệu khác nhau mà cách tổ chức cụm trong GSM khác nhau. Có 5 loại cụm trong thơng tin di động GSM.
• Cụm hiệu chỉnh tần số (FB Frenquency Corection Bust):
GP 8,25 TB 3 142 bit cố đĩnh T0 3
Cụm này chứa 142 bit cố định làm tín hiệu điều khiển, các bit khởi tạo và kết thúc cụm là 3 bit. Cụm này sử dụng cho kênh FCCH (kênh hiệu chỉnh tần số).
• Cụm thường (NB Normal Bust):
GP 8,25 TB 3 57 bit đươc mật mã hoá F 1 Chuỗi hưởng dẫn 26 bit F 1 57 bit đưạc mật mã hoá TB 3
Mỗi cụm thường chứa 114 bít thơng tin và được chia thành 2 gói, mỗi gói 57 bít, xen giữa hai gói là một chuỗi hướng dẫn chiều dài 26 bít. Ở hai đầu cụm thường sử dụng 3 bit đuôi cho mỗi đầu.
Cụm thường được sử dụng cho các kênh lưu lượng và các kênh điều khiển hai chiều.
• Cụm đồng bộ (SB Synchronization Burst):
TB 39 bit được mật Chuỗi hướng dẫn 39 bit được mật TB
3 mã hố 64 bít mã hố 3
Cụm được sử dụng để đồng bộ thời gian cho trạm di động. Cụm chứa 78 bít được mật mã hố mang thơng tin về FN (số khung) của TDMA và của BSIC (mã nhận dạng gốc). Cụm SB được sử dụng để truyền kênh SCH (kênh đồng bộ khung).
• Cụm truy xuất (AB Acces Burst):
GP 68,25 TB 3 Chuỗi đổng bộ 41 Các bit được mật ma 36 TB 3
Cụm AB sử dụng cho các kênh điều khiển 1 chiều cịn lại. • Cụm giả (DB Dummy Burst):
TB Các bit hỗn hợp Chuỗi hướng dẫn Các bít hỗn hợp TB 3 58 26 bít 58 3
Cụm DB có tổ chức giống như cụm NB nhưng thông tin trong cụm NB là thông tin giả, sử dụng các bit hồn hợp. Được sử dụng trong các khe thời gian rồi.
Ký hiệu:
TB: Tail Bít (3 bit): các bit đi (cuối cụm) TS: Training sequence (26 bit): Chuồi hướng dẫn
TS có hai mục đích: xác định khe thời gian và giúp máy thu thức hiện điều
chỉnh tín hiệu thu.
3.2.3 Các kênh logic.
Kênh (CH) Ghép TD Ghép FD
Kênh điểu khiển cho báo hiêu Kênh lưu lượng:
Thông tin của người sử dụng
Kênh Bm 13 kbps
Kênh điều khiển chung (CCCH) riêng cho từng ứng dụng Kênh Lm tốc độ bít thấp hơn Bm Kênh quảng bá (BCCH) thông tin cho
tất cả MS
Kênh cho phép truy nhập (AGCH) ấn định ban đấu một kênh DCCH Kênh truy nhập ngẫu nhiên để yêu cáu DCCH Kênh tìm gọi (PCH): tìm gọi thuê bao
Kênh riêng đứng một mình (SDCCH)
cho đến khi TCH được ấn định
Kênh điều khiển riêng liên kết nhanh
(FACCH) ấn định cho từng TCH
Kênh điều khiển riêng (DCCH) ấn định cho một MS
Kênh điều khiển riêng đứng một minh (SACCH) ấn định cho từng TCH và SDCCH
liên kết chậm
Hình 3.4: cấu trúc các kênh logic ở giao diện vô tuyến
Ký hiệu:
-----> Hướng đường lên MS-BS TD: Phân chia theo thời gian