1.2.2.4 Phân chia theo ô
Vùng định vị được chia thành một số ơ (hình 2.4). Ơ là một vùng chủ vô tuyến được mạng nhận dạng bằng nhận dạng ơ tồn cầu (CGI : Cell Global Identity). Trạm di động nhận dạng ô bằng mã nhận dạng trạm gốc (BSIC : Base Station Identity Code). Vùng phú của các ô thường được mơ phịng bằng hình lục giác để tiền cho việc tính tốn thiết kế.
Hình 1.4: phân chia vùng thành các ô 1.3 Phân lớp mặt phang chức năng cho cấu trúc
Thường cấu trúc của một hệ thống có thể được trình bày ở dạng phân lóp mặt phẳng như ở hình 3.1, trong đó mồi mặt phẳng thể hiện các chức năng mà các thiết bị phải thực hiện. Trục thẳng đứng thể hiện mức độ trừu tượng tăng dần, còn trục ngang thê hiện phân bố theo khơng gian. Khối thẳng đứng thể hiện thiết bị.
Nhóm vật lý
Hình 1.5: Phân lớp mặt phẳng chức năng
Ớ lĩnh vực viễn thơng phưomg pháp tốt nhất để phân nhóm các chức năng là sử dụng mơ hình kết nối hệ thống mở (OSI : open System Interconnection). Các chức năng được nhóm thành các mặt phang chức năng xếp thành cac tầng. Mặt phẳng thấp
nhất để truyền dẫn thông tin giữa các phần tử cách xa nhau dựa trên mơi trường vật lý cứng, trong khi đó mặt phẳng cao nhất thể hiện cảnh nhìn từ người sử dụng bên ngoài. Mỗi mặt phẳng (hay lớp) cung cấp dịch vụ cho lóp cao hom tiếp theo, các dịch vụ này bản thân lại là sự tăng cường của các dịch vụ cung cấp bởi lớp ngay dưới thấp hơn. Các thiết bị hay các phần tử hệ thống được trình bày theo phương thẳng đứng cịn mặt cắt giữa thiết bị và mặt phẳng lóp tương ứng với các chức năng mà thiết bị này phải thực hiện theo các mục tiêu của lớp. Ngồi tổ chức phân lớp nói trên (dựa trên khái niệm cung cấp dịch vụ của lớp này cho lớp khác) cịn có tổ chức theo thời gian. Nói chung các lóp thấp hơn tương ứng với phạm vi thời gian ngắn hơn, trong khi đó các lớp cao hơn sẽ nhóm các chức năng có phạm vi thời gian ngắn hơn, trong khi đó các lớp cao hơn sẽ nhóm các chức năng có phạm vi thời gian lâu hơn. Ổ mồi lớp các phần tử cộng tác với nhau để cũng cấp dịch vụ cần thiết qua việc trao đổi thông tin. Các quy tắc của các trong đổi nói trên được xác định bởi các điểm chuẩn nơi mà dịng thơng tin cắt ngang một giao diện giữa hai phần tử khác nhau. Các quy tắc này được gọi là các giao thức báo hiệu. Không nên nhầm giữa giao diện và giao thức. Giao diện là nơi tiếp xúc giữa hai phần tử khác nhau : nhiều giao thức khác nhau. Chẳng hạn giao diện vô tuyến ở thông tin di động là điểm quá giang cho các bản tin thuộc nhiều giao thức giữa MS và BTS (truyền dẫn), giữa MS và MSC (để quản lý truyền dẫn ở giao diện vô tuyến), giữa MS và MSC (để quản lý di động của người sử dụng và quản lý thông tin) hoặc thậm chí cả giữa MS và HLR để thiết lập các dịch vụ bổ sung (hình 1.6)
Ký hiệu
ss : Supplementary Services - Dịch vụ bổ sung CM : Connection Managment - Quản lý nối thông MM : Mobility Managment - Quản lý di động
RR : Radio Resource Managment - Quản lý tài ngun vơ tuyến
Hình 1.6 cho thấy việc phân tích một giao diện thành một ngăn xếp các giao thức, trong đó mỗi phần tử của ngăn xếp (giao thức) liên quan đến mặt cắt giữa mặt phang chức năng và giao diện. Ngồi ra ta có thể nhìn thấy các bản tin của một giao thức cho trước ở một số giao diện dọc theo đường truyền của chúng, nếu các phần tử đồng cấp với nhau không nằm cạnh. Tuy nhiên sự khác nhau về hai khái niệm trên thường không được phân biệt ở các tiêu chuẩn. Vì vậy tiêu chuẩn ‘giao diện’ thực chất là tiêu chuẩn ‘ giao thức’.
Để lập tiêu chuẩn cho các giao thức, các chức năng ở các mặt phẳng lại được cắt mảnh thành các mảng mỏng hở để đảm bảo tính ổn định của các mảnh và tránh được sự quá phức tạp của giao thức. Hình 1.7 cho thấy cấu trúc tổng quát các mặt phang chức năng của hệ thống thông tin di động. Mặt phẳng dưới cùng là cơ sở của hệ thống viễn thông : mặt phẳng truyền dẫn. Nó cung cấp các phương tiện truyền dẫn cho các nhu cầu thông tin của các người sử dụng cũng như trao đổi thông tin giữa các phần tử cộng tác. Truyền dần là lĩnh vực của các sự kiện có phạm vi thời gian rất ngắn, từ vài micro giây (điều chế bit) đến vài giây (truyền dẫn bản tin).
Mặt cao hơn tiếp theo là mặt quản lý các tài nguyên truyền dẫn. Ở các mạng viễn thơng mặt này thường được nhóm chung với các chức năng quản lý thơng tin vì quản lý mạch cố định thể hiện một bộ phận nhỏ của vấn đề này. Tuy nhiên ở một hệ thống tổ ong như thông tin di động việc quản lý các tài nguyên truyền dẫn là một vấn đề phức tạp và vì thế cần một mặt phẳng chức năng riêng. Mặt phẳng này được gọi là lớp quản lý tài nguyên vô tuyến hay lớp RR (Radio Resource Management). Lớp RR đảm bảo các kết nối ổn định giữa các trạm di động MS và các MSC để đảm bảo sự di động của người sử dụng trong quá trình gọi (chuyển giao), về quan điểm thời gian mặt phẳng này và hai mặt phẳng tiếp theo xử lý các sự kiện ở phạm vi cuộc gọi từ vài giây đến vài phút. Tiếp theo là một mặt phẳng nhỏ, mặt phẳng này khơng được nhóm chung
với mặt quản lý thơng tin vì nó mang đặc thù của mạng thông tin di động. Lớp quản lý thông tin di động hay lớp MM (Mobility Managment) có nhiệm vụ quản lý các cơ sở dừ liệu về thuê bao và đặc biệt là dữ liệu về vị trí của thuê bao. Một nhiệm vụ bổ sung nữa của lớp này là quản lý tính bảo mật của thuê bao : nhận thực. SIM-CARD, HLR và AUC là ví dụ về các phần tử tham gia vào các hoạt động MM. Lóp MM bổ sung vào các chức năng truyền dẫn do các lóp dưới cung cấp phương tiện để theo dõi thuê bao khi nó khơng bận thơng tin và các chức năng liên quan đến an toàn. Mặt phẳng tiếp theo ít đặc trưng hơn cho thơng tin di động. Nó sử dụng cơ sở ổn định do các lớp RR và MM cung cấp để đảm bảo các dịch vụ viễn thông cho người sử dụng. Ta gọi nó là lóp quản lý thơng tin hay lóp CM (Connection Managment).
Nó bao gồm một số các phần tử độc lập với nhau phụ thuộc vào kiểu dịch vụ. HLR, VLR, nhất là MSC than gia rất lớn vào lớp này. Các lớp RR, MM, CM đảm bảo chất lượng phục vụ cao cho người sử dụng. Tuy nhiên để có một bức tranh hồn thiện cần phải bổ sung thêm một mặt khác : mặt phẳng khai thác, quản lý và bảo dưỡng (OAM : Operation Administration and Maintenance), mặt phẳng này cung cấp phương tiện cho các hoạt động của nhà khai thác, về mặt dịch vụ lớp này thức ra khơng cao hơn các lớp khác, vì nó khơng trực tiếp tăng cường các dịch vụ mà các lớp khác cung cấp cho người sử dụng. Lóp này được đặc trưng bởi phạm vi thời gian lâu hơn các lóp khác, thường từ vài giờ hay vài ngày đến vài năm. Tất nhiên nó quan hệ với OS.
MS BTS BSC MSC/VLR
CÂU HỎI ÔN 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 THÔNG TIN DI ĐỘNG
2.1 Mở đầu
Hệ thống thông tin di động là hệ thống truyền thông cho phép các thuê bao truyền và nhận tín hiệu qua khơng gian vơ 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 thơng tin liên tục.
Các khó khăn gặp phải trong hệ thống thông 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 môi 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. Thông 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 đốn 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 thơng 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 nông thôn (thơng thống):
Lp = Lp(thành phố) - 4,78(lgfc)2 + 18,33(lgfc) - 40,49 dB (2.7)
Mơ hình Hata khơng 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 nơng thơn 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 môi 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 đốn 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 ơ 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