CÂU HỎI ƠN TẬP CHƯƠNG 1
Câu 1: Trình bày lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động. Nêu đặc điểm của
mạng 1G, 2G, 3G, 4G.
Câu 2: Trình bày các cơng nghệ được sử dụng trong hệ thống thông tin di động. Hiện
nay, các nhà mạng ở nước ta đang sử dụng công nghệ nào?
Câu 3: Nêu đặc điểm của công nghệ CDMA, TDMA trong hệ thống thông tin di động. Câu 4: Vẽ sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống thông tin di động. Nêu chức năng của
các khối.
Chương 2: ĐẶC ĐIỀM TRUYỀN DẪN Ở THƠNG TIN DI ĐỘNG
2.1 Mở đầu
Hệ thống thơng tin di động là hệ thống truyền thông cho phép các th bao truyền và nhận tín hiệu qua khơng gian vô tuyến.
Trong hệ thống thơng tin di động, người dùng có thể di chuyển nên phải có q trình thực hiện xử lý để đảm bảo thông tin liên tục.
Các khó khăn gặp phải trong hệ thống thơng tin di động là: nhiều người dùng truy cập đồng thời, suy hao tín hiệu trên đường truyền, nhiễu do tác động của môi trường, nhiễu giữa các kênh truyền khác nhau, hiệu ứng đa đường và sự di động của người dùng.
❖ Ảnh hưởng của phương thức truyền dẫn đến hệ thống thông tin di động
Thông tin di động sử dụng phương thức vơ tuyến vì thế truyền dẫn sẽ bị ảnh hưởng của 2 yếu tố sau: môi trường truyền dẫn hở và băng tần hạn chế.
Môi trường truyền dẫn hở dẫn đến ảnh hưởng sau đây đối với truyền dẫn ở thông tin di động:
- Chịu ảnh hưởng rất lớn vào mơi trường truyền dẫn: khí hậu, thời tiết. - Chịu ảnh hưởng rất lớn vào địa hình: mặt đất, đồi núi, nhà cửa cây cối... - Suy hao trong môi trường rất lớn.
- Chịu ảnh hưởng của các nguồn nhiễu trong thiên nhiên: phóng điện trong khí quyển, phát xạ của các hành tinh khác (khi thông tin vệ tinh)...
I
- Chịu ảnh hưởng nhiễu công nghiệp từ các động cơ đánh lửa bằng tia lửa điện.
- Chịu ảnh hưởng nhiễu từ các thiết bị vô tuyến khác.
- Dễ bị nghe trộm và sử dụng trái phép đường truyền thông tin.
Một ảnh hưởng rất nguy hiểm ở các đường truyền dẫn vô tuyến là pha đinh. Như ta đã biết pha đinh là hiện tượng thăng giáng thất thường của cường độ điện trường ở điểm thu. Nguyên nhân pha đinh có thể do thời tiết và địa hình thay đổi làm thay đổi điều kiện truyền sóng. Pha đinh nguy hiểm nhất là pha đinh đa tia xảy ra do máy thu
nhận được tín hiệu khơng phải chỉ từ tia đi thẳng mà cịn từ nhiều tia khác phản xạ từ các điểm khác nhau trên đường truyền dẫn. Các hệ thống truyền dẫn vô tuyến phải được trang bị các hệ thống và thiết bị chống pha đinh hữu hiệu.
Truyền dẫn ở thông tin di động sử dụng dải tần từ 800 MHz đến 2GHz, điều này dẫn đến dung lượng truyền dẫn của các đường truyền dẫn bị hạn chế rất lớn.
2.2 Suy hao đường truyền và pha đinh2.2.1 Suy hao đường truyền 2.2.1 Suy hao đường truyền
Suy hao đường truyền là cực điểm suy hao của các yếu tố khác liên quan đến tín hiệu bao gồm suy hao truyền dẫn qua không gian tự do (free-space loss), khúc xạ, nhiễu xạ và phản xạ sóng, suy hao ghép nối do độ mở sóng ngồi mơi trường (aperture - medium coupling loss) và hap thụ.
Ở thông tin vô tuyến điểm đến điểm do anten đặt cao, nên suy hao đường truyền tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách R giữa anten thu và phát (R2). Ở thông tin di động anten MS gần mặt đất (khoảng 1,5 m) nên suy hao tỷ lệ với lũy thừa n khoảng cách R giữa anten thu và phát (Rn), trong đó n >2. Để tính tốn suy hao đường truyền người ta lập các mơ hình truyền sóng khác nhau. Do đặc điểm truyền sóng khơng ổn định, nên các mơ hình này đều mang tính thực nghiệm. Dưới đây ta xét một số mơ hình truyền sóng thường được sử dụng để tính tốn suy hao đường truyền.
❖ Mơ hình giải tích
- Tổn hao truyền sóng giữa BS và MS ở mơi trường ngồi trời đã được nghiên cứu nhiều. Nói chung tổn hao trong truyền sóng được biểu diễn theo biểu thức sau:
P(R) = N(R,ơ) + nlgR/Ro (2.1) Trong đó:
P(R): tổn hao tại khoảng cách R so với tổn hao tại khoảng cách tham khảo Ro
n : mũ của tổn hao đường truyền
Thành phần thứ hai ở vế phải của phương trình (2.1) thể hiện suy hao không đổi ở mơi trường ngồi trời giữa BS và MS. Thơng thường n gần bằng 4, mặc dù nó có thể thay đổi từ 2 ( bằng tổn hao trong không gian tự do) đên 5. Neu n = 4 thì tín hiệu sẽ suy giảm 40 dB nếu khoảng cách tăng 10 lần so với khoảng cách tham khảo. Thành phần thứ nhất ở phương trình (2.1) thể hiện sự thay đổi của tổn hao xung quanh tổn hao đường truyền trung bình. Hàm này xấp xỉ hóa bằng một phân bố logarit chuẩn có giá trị trung bình bằng thành phần thứ hai và lệch chuẩn gần bằng 8 dB. Người ta đã chứng minh rằng giá trị này có thể áp dụng cho mơi trường truyền sóng gồm cả thành phố lẫn nơng thơn.
❖ Các mơ hình thực nghiệm:
Một số mơ hình thực nghiệm đã được đề xuất và được sử dụng để dự đoán các tổn hao truyền sóng. Ta xét hai mơ hình được sử dụng rộng rãi: mơ hình Hata- Okumura và Walfisch- Ikegami.
- Mơ hình Hata- Okumura:
Hầu hết các cơng cụ truyền sóng sử dụng một dạng biến đổi của mơ hình Hata. Mơ hình Hata là quan hệ thực nghiệm được rút ra từ báo cáo kỹ thuật của Okumura cho phép sử dụng các kết quả và cơng cụ tính tốn. Báo cáo của Okumura bao gồm 1 chuỗi các lưu đồ được sử dụng để lập mơ hình thơng tin vơ tuyến. Dưới đây là các biếu thức được sử dụng trong mơ hình Hata để xác định tổn hao trung bình Lp:
Vùng thành phố:
Lp= 69,55 + 26,161gfc- 13,821ghb- a(hm) + (44,9-6,551ghb)lgR dB (2.2) Trong đó fc: Tần số (MHz)
Lp: Tổn hao trung bình (dB) hb: Độ cao anten chạm gốc (m)
a(hm): Hệ số hiệu chỉnh cho độ cao anten di động (dB) R: Khoảng cách từ trạm gốc (km)
Dải thông số sử dụng được trong mơ hình Hata là: 150 <fc< 1500 MHz
1 < hm < 10m 1 < R < 20km a(hm) tính như sau:
Đối với thành phố nhỏ và trung bình:
a(hm) = (l,llgfc- 0,7)hm-(l,561gfc- 0,8) dB (2.3) Đối với thành phố lớn: a(hm) = (8,29(lgl,54hm)2 - 1,1 dB với fc <200 MHz (2.4) hay a(hm) = 3,2(lgl l,75hm)2 -4,97 dB với fc > 400 MHz (2.5) Vùng ngoại ô: Lb = Lp(thành phố) - 2[(ỉg(fc/28)2) - 5,4] dB (2.6) Vùng nơng thơn (thơng thống):
Lp = Lp(thành phố) - 4,78(lgfc)2 + 18,33(lgfc) - 40,49 dB (2.7)
Mơ hình Hata không xét đến mọi hiệu chỉnh cho đường truyền cụ thể được sử dụng trong mơ hình Okumura. Mơ hình Okumura có khuynh hướng trung bình hóa một số tình trạng cực điểm và khơng đáp ứng nhanh sự thay đổi nhanh của mặt cắt đường truyền vô tuyến. Thể hiện phụ thuộc vào khoảng cách của mơ hình Okumura phù hợp với các giá trị đo. Các phép đo của Okumura chỉ đúng cho các kiểu tòa nhà ở Tokyo. Kinh nghiệm đo đạc tưong tự ở Mỹ cho thấy rằng tình trạng ngoại ơ điển hình ở Mỹ thường ở một vị trí nào đó giữa các vùng nông thôn và vùng thành thị. Định nghĩa Okumura có tính thể hiện tốt hon đối với vùng gia đình thành phố với các nhóm nhà xếp thành hàng. Mơ hình Okumura yêu cầu thực hiện đánh giá thiết kế khá lớn, đặc biệt khi chọn lựa các yếu tố mơi trường phù hợp. cần có các dữ liệu để có khả năng dự đốn các nhân tố mơi trường trên cơ sở tính chất vật lý của các tòa nhà xung quanh máy thu di động. Ngồi các nhân tố về mơi trường phù hợp, cần thực hiện hiệu chỉnh theo đường truyền cụ thể để biến đổi dự đốn tổn hao đường truyền trung bình của Okumura và dự đoán cho đường truyền cụ thể đang được khảo sát. Các kỹ thuật của Okumura để hiệu chỉnh mặt đất bất thường và các đặc điểm khác của đường
truyền cụ thể đòi hỏi các diễn giải thiết kế và vì thế khơng phù hợp cho việc sử dụng máy tính.
Đối với PCS làm việc ở tần số 1.500 - 2.000 MHz tổn hao trung bình Lp ở ô micro (tầm phủ 0,5 - 1 km) được tính theo mơ hình COST 231 Hata khi anten cao hơn nóc nhà như sau:
Lp= 46,3+33,91gfc-13,821ghb-a(hra) + (44,9 - 6,551ghb)lgR + cm dB (2.8) Trong đó:
f, hb, hm, a(hm) và R giống như trên
cm — 0 cho thành phố trung bình và các trung tâm ngoại ơ 3 dB cho các trung tâm thành phố.
Công thức trên không áp dụng khi hb < h của nóc nhà. - Mơ hình Walfisch - Ikegami:
Mơ hình này được sử dụng để đánh giá tổn hao đường truyền ở môi trường thành phố cho thông tin tổ ong. Đó là sự kết hợp giữa mơ hình thực nghiệm và xác định để đánh giá tổn hao đường truyền ở vùng thành phố trong dải tần 800 - 2.000 MHz. Trước hết mơ hình này được sử dụng ở châu Âu cho hệ thống GMS và ở một số mơ hình truyền sóng ở Mỹ. Mơ hình này chứa ba phần tử: tổn hao không gian tự do, nhiễu xạ mái nhà - phố và tổn hao tán xạ (hình 2.1) và tổn hao do nhiều vật chắn. Các biểu thức sử dụng cho mơ hình này như sau:
Lp=Lf + Lrts + Lms dB (2.9) Hay Lp=Lf khi Lrts+Lms < 0 (2.10)
Ta tính tốn tổn hao đường truyền từ mơ hình Hata và Walfisch - Ikegami theo các số liệu dưới đây và so sánh kết quả ở bảng 1.
fc = 880 MHz, hm = 1,5 m, hb = 30 m, Nóc nhà = 0 m, hr =30 m, ộ = 90°, b = 30 m. w = 15 m
Khoảng cách km
Tổn hao đường truyền
Mơ hình Hata Mơ hình Walfisch - Ikegami
1 126,16 139,45
2 136,77 150,89
3 142,97 157,58
4 147,37 162,33
5 150,79 166,01
Bảng 2.1: So sánh tổn hao đường truyền từ mơ hình Hata và Walfisch - Ikegami
Tổn hao đường truyền dự đốn theo mơ hình Hata thấp hom 13 - 16 dB so với mơ hình Walfisch - Ikegami. Mơ hình Hata bỏ qua ảnh hưởng của độ rộng phố, nhiễu xạ phố và các tổn hao tán xạ. Các ảnh hưởng này được xét ở mơ hình Walfisch - Ikegami.
Thừa số hiệu chỉnh tổn hao do cây:
Weisseberger đã phát triển mơ hình trễ hàm mũ cải tiến có thể sử dụng ở nơi đường truyền vơ tuyến bị chắn bởi cây nhiều lá, khô, mật độ cao ở các vùng khí hậu ơn hịa. Có thể tính tốn tổn hao bổ sung như sau:
Lf= l,33(fc)°‘284(df)0,588 dB đốivớidf>14m (2.11) = 0,45(fc)°’284df dB đối với 0<df< 14 m
Trong đó Lf: Tổn hao tính bằng dB fc: Tần số tính bang GHz df: Độ tin cậy cao tính bằng m
Hiệu số tổn hao đường truyền với các cây có lá và khơng có lá vào khoảng 3-5 dB. Đối với tần số trong dải 900 MHz , phương trình rút gọn cịn:
= 0,437df dB đối với 0 < df < 14 m
- Các mơ hình cho mơi trường trong nhà:
Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng việc sử dụng máy thu cầm tay di động trong nhà sẽ bị pha đinh Rayleigh nhiều tia đối với các đường truyền bị chướng ngại và pha đinh Rician đối với các tia tầm nhìn thẳng (LOS: Line Of Sight) không phụ thuộc vào kiểu nhà. Pha đinh Rayleigh là pha đinh ngắn hạn gây ra do các tín hiệu truyền theo nhiều đường khác nhau dẫn đến triệt tiêu lẫn nhau một phần. Đường truyền tầm nhìn thẳng (LOS) khơng bị che chắn bởi các cấu trúc của tịa nhà, nói một cách khác khơng có phản xạ tín hiệu. Pha đinh Rician xảy ra do sự kết họp đường truyền LOS mạnh với đường truyền mặt đất cộng với nhiều đường truyền phản xạ yếu. Trạm di động TIA IS - 95A có khả năng phân biệt được các tín hiệu truyền theo các đường khác nhau nhờ máy thu RAKE. TIA IS-95A không đề cập đến cân bằng phân tán trễ ở đường truyền vơ tuyến vì thế máy thu của MS khơng có bộ cân bằng. Trái lại các máy thu GMS cần có các bộ cân bằng.
Việc phân loại truyền sóng giữa các tầng là vấn đề quan trọng đối với hệ thống vô tuyến trong nhà của các tịa nhà nhiều tầng vì cần dùng chung tần số trong tòa nhà. Các tần số cần được tái sử dụng ở các tầng khác nhau để tránh nhiễu giao thoa. Kiểu vật liệu của tịa nhà, tỷ lệ các phía của tịa nhà và các dạng cửa sổ có ảnh hưởng lên suy hao vô tuyến giữa các tầng. Đo đạc cho thấy rằng tổn hao giữa các tầng khơng tăng tuyến tính theo dB cùng với sự tăng của cự ly phân cách. Tổn hao tầng lớn nhất theo dB xảy ra khi máy thu và máy phát cách nhau một tầng. Tổn hao đường truyền tổng tăng ở mức độ thấp hon khi số tầng tăng. Giá trị suy hao điển hình giữa các tầng là 15 dB cho phân cách một tầng và thêm 6-10 dB trên một phân cách cho đến bốn tầng phân cách. Đối với 5 hay nhiều tầng phân cách hon, tổn hao chỉ tăng vài dB cho mỗi tầng (bảng 2 ).
Cường độ tín hiệu nhận được trong tịa nhà từ máy phát ngồi tịa nhà đóng vai trị quan trọng cho các hệ thống vơ tuyến dùng chung tần số với các tòa nhà bên cạnh hay với một hệ thống ngoài trời. Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng cường độ tín hiệu thu được bên trong tòa nhà tầng cùng với độ cao. ở các tầng thấp của tòa nhà, cụm kiến trúc đô thị gây ra suy hao lớn horn và giảm mức truy nhập. Ở các tầng cao có
thể có đường truyền LOS tạo ra tín hiệu đến mạnh hơn ở tường ngồi tịa nhà. Người ta nhận thấy rằng truy nhập vô tuyến là hàm của tần số và độ cao bên trong tịa nhà.
Kiểu n ơ Tồn tịa nhà Tất cả các vị trí 3,14 16,3 Cùng tầng 2,76 12,9 Qua 1 tầng 4,19 5,1 Qua 2 tầng 5,04 6,5 Tòa nhà văn phịng 1 Tồn bộ tòa nhà 3,54 12,8 Cùng tầng 3,27 11,2 Chái tây tầng 5 2.68 8,1 Chái giữa tầng 5 4,01 4,3 Chái tây tầng 4 3,18 4,4 Cửa hàng thực phẩm 1,81 5,2 Cửa hàng bán lẻ 2,18 8,7 Tịa nhà văn phịng 2 Tồn bộ tòa nhà 4,33 13,3 Cùng tầng 3,25 5,2
Bảng 2.2: Mũ tổn hao đường truyền trung bình và độ lệch chuẩn
Tổn hao truy nhập tăng khi tần số tăng. Các phép đo phía trước một cửa sổ cho thấy rằng tổn hao truy nhập 6 dB thấp hơn tổn hao truy nhập so với các phép đo thực hiện ở các bộ phận của tịa nhà khơng có cửa sổ.
Các nghiên cứu thực nghiệm cũng cho thấy rằng tổn hao truy nhập tòa nhà giảm ở mức 2 dB trên tầng từ mức tầng trệt đến tầng thứ 10 và sau đó bắt đầu tăng khoảng
từ tầng 10. Việc tăng tổn hao truy nhập tòa nhà ở các tầng cao hơn là do ảnh hưởng che tối của các tòa nhà lân cận.
Tổn hao trung bình là một hàm số phụ thuộc vào khoảng cách lũy thừa n: Lp(R) = L(R0) +10 X nlg(R/R0) dB (2.13)
Trong đó:
Lp(R): Tổn hao đường truyền trung bình (dB)
L(Ro): Tổn hao đường truyền từ máy phát đến khoảng cách tham khảo Ro (dB) n: Mũ tổn hao trung bình
R: Khoảng cách đến máy phát (m)
Ro: Khoảng cách tham khảo đến máy phát (m)
Ta chọn Ro bằng Im và coi rằng L(R0) là tổn hao đường truyền không gian tự do từ máy phát đến cự ly tham khảo Im. Sau đó ta coi rằng hệ số khuếch đại anten bằng các tổn hao của cáp hệ thống (trong thực tế không phải bao giờ điều này cũng đúng) ta được tổn hao đường truyền L(R0) bằng 31,5 dB ở tần số 914 MHz trên đường truyền không gian tự do 1 m.
Người ta nhận thấy rằng tổn hao đường truyền được phân bố log chuẩn xung quanh phương trình (2.13). Mũ tổn hao đường truyền trung bình n và lệch chuẩn phụ thuộc vào kiểu tòa nhà, cánh nhà và số tầng giữa máy phát và máy thu. Có thể xác định tổn hao đường truyền ở đoạn phân cách R(m) giữa máy phát và máy thu như sau:
L(R)= Lp(R) + Xơ dB (2.14) Trong đó:
L(R) : Tổn hao đường truyền ở cự ly phân cách R(m) giữa phát thu
xơ : Biến ngẫu nhiên phân bố logarit chuẩn trung bình khơng với độ lệch chuẩn ơ dB
Bảng 2 tổng kết các mũ tổn hao đường truyền trung bình và độ lệch chuẩn xung quanh trung bình cho các mơi trường khác nhau.
Ở mơi trường nhiều tầng, phương trình (2.13) có thể thay đổi để nhấn mạnh mũ