GIÁO TRÌNH KHÓA HỌC TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1. Giới thiệu chung

1.1. Lịch sử thông tin tế bào Một số sự phát triển quan trọng trong thông tin vô tuyến: • Hệ thống truyền dẫn vô tuyến đầu tiên được thực hiện bởi nhà khoa học

Heinrich Hertz năm 1885: • Hệ thống có cấu trúc đơn giản • Bộ phát dùng cuộn dây phát tia lửa điện giữa 2 điện cực • Bộ thu là vòng dây đồng không khép kín, đường kính 35cm • Phương pháp truyền dẫn vô tuyến này được cơ bản sử dụng trong hầu

hết các thiêt bị vô tuyến (đến năm 1915). • Năm 1900, Marconi, cha đẻ của ngành thông tin di động sau này đã thực hiện

truyền thông tin cho ngành tàu biển (Marconi. Nobel năm 1907). • Năm 1912, Fressenden, thực hiện truyền tín hiệu thoại. • Năm 1947, lần đầu tiên Bell Labs đã đưa ra khái niệm mạng thông tin tế bào

(Cellular Communication Network). • Năm 1982, lần đầu tiên hệ thống thông tin tế bào được đưa vào sử dụng tại

Nhật bản (thế hệ thứ nhất, còn gọi là hệ thống thông tin di động 1G). • Năm 1993, hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM (Global System for Mobile

Communication) đã phát triển tại Châu âu (hệ thống 2G). • Năm 2001-2002, hệ thống di động thế hệ mới (3G) đã ra mắt người sử dụng tại

Nhật, Mỹ và một số nước tiên tiến (Hàn Quốc, Châu Âu…).

Figure 1-1 Những bước ngoặt lớn trong ngành thông tin vô tuyến

1.2. Thế hệ thứ nhất 1G

a. Giới thiệu sơ lược: Thực sự hoạt động vào những năm 80s. Nó không phải là hệ thống thông tin tế bào đầu tiên. Dung lượng và khả năng lưu động cao hơn hẳn trước đó.

b. Yêu cầu của hệ thống: Dung lượng hệ thống cao hơn các hệ thống trước. Hỗ trợ khả năng lưu động cao của người sử dụng Tái sử dụng tần số trong mạng.

c. Đặc điểm của hệ thống: Dung lượng, tính lưu động cao. Các tế bào được chia nhỏ và tái sử dụng tần số ◊ Dung lưưọng tăng đáng kể. Dùng kỹ thuật truyền tín hiệu tương tự Analog (Voice)

Có nhiều hệ thống cung cấp dịch vụ, trong đó NMT (Nordic Mobile Telephone), Total Access Communication System (TACS), Advanced Mobile Phone Service (AMPS) là thành công nhất.

Các hệ thống khác như C-Netz (West Germany), Radiocom2000 (France) chỉ đáng kể trong nước.

NMT (Scandinavia Southern Europe): o NMT-450 o NMT-900

TACS (UK◊Middle Eastern, Southern Europe): o Dựa trên hệ thống AMPS o Dải tần 900 MHz

AMPS (Northern, Southern US Far East). o Dải tần 800MHz

NTT MCS là hệ thống di đông tế bào đầu tiên tại Nhật.

NMT-450 Andorra, Austria, Belarus, Belgium, Bulgaria, Cambodia, Croatia, Czech

Republic, Denmark, Estonia, Faroe Islands, Finland, France, Germany, Hungary,

Iceland, Indonesia, Italy, Latvia, Lithuania, Malaysia, Moldova, Netherlands,

Norway, Poland, Romania, Russia, Slovakia, Slovenia, Spain, Sweden, Thailand,

Turkey, and Ukraine

NMT-900 Cambodia, Cyprus, Denmark, Faroe Islands, Finland, France, Greenland,

Netherlands, Norway, Serbia, Sweden, Switzerland, and Thailand

TACS/ETACS Austria, Azerbaijan, Bahrain, China, Hong Kong, Ireland, Italy, Japan, Kuwait,

Macao, Malaysia, Malta, Philippines, Singapore, Spain, Sri Lanka, United Arab

Emirates, and United Kingdom

AMPS Argentina, Australia, Bangladesh, Brazil, Brunei, Burma, Cambodia, Canada,

China, Georgia, Guam, Hong Kong, Indonesia, Kazakhstan, Kyrgyzstan,

Malaysia, Mexico, Mongolia, Nauru, New Zealand, Pakistan, Papua New Guinea,

Philippines, Russia, Singapore, South Korea, Sri Lanka, Tajikistan, Taiwan,

Thailand, Turkmenistan, United States, Vietnam, and Western Samoa

C-NETZ Germany, Portugal, and South Africa

Radiocom 2000 France

1.3. Thế hệ thứ hai 2G

a. Xuất hiện đầu những năm 90s. b. Sử dụng kỹ thuật truyền dẫn số (khác biệt với hệ thống 1G). c. Dung lượng hệ thống cao hơn đáng kể so với hệ thống 1G.

Quản lý Cell có phân cấp (Hierarchical Cell Structure)◊: o Macro cell o Micro cell

o Pico cell d. Tần số trong một kênh truyền được tái sử dụng bằng cách dùng đồng

thời cho nhiều Users (phân biệt bởi Time Slot hoặc Code). e. Có 4 chuẩn cơ bản được sử dụng cho các hệ thống 2G:

Global System for Mobile Communication – GSM Digital- AMPS (D-AMPS). Code Division Multiple Access (CDMA-IS 95). Personal Digital Communication (PDC).

1) Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM GSM ( được sử dụng đầu tiên tại Châu Âu, và sau đó có mặt hầu hết các nước

trên thế giới): a) Sử dụng rất phổ biến và thành công ở nhiều nước. b) Southern America (Wide-Coverage GSM).

Đặc điểm hệ thống GSM: a) Sử dụng dải tần 900 MHz b) Có 2 dẫn xuất chính:

i. Digital Cellular System – DCS (GSM-1800). ii. Personal Communication System – PCS (GSM -1900).

c) Sau đó, ETSI (European Telecom Standard Institute): i. GSM-400

⇓ Bổ sung dung lượng cho GSM-800 ⇓ Rất phù hợp với các vùng phủ sóng rộng, mật độ dân cư cao, các

vùng duyên hải. ⇓ Tuy nhiên, cuối năm 2002, toàn bộ hệ thống GSM-400 đã không

còn hoạt động. ⇓ Băng tần hoạt động:

1. 450.4 - 457.6 (UL) / 460.4 - 467.6 (DL) 2. 478.8 - 486.0 (UL) / 488.8 - 496.0 (DL)

⇓ Lý do tại sao các hệ thống GSM-400 không phát triển tốt và sớm chấm dứt trên toàn thế giới ?

1. Đáp ứng yêu cầu phủ sóng rộng, tăng dung lượng 2. Cùng dải tần số với NMT-450◊không thể cùng song song

tồn tại và cùng hoạt động !!! ii. GSM-800 (sử dụng chủ yếu ở vùng Bắc Mỹ).

2) Hệ thống D-AMPS (US-TDMA IS 136 or TDMA): Được sử dụng ở Mỹ, Isarel và một số nước Châu Á. Dải tần 850 MHz hoặc 1900 MHz. Phương thức đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division

Multiple Access) (tương tự như hệ thống GSM).

3) Hệ thống CDMA-IS 95 (by Qualcomm): Sử dụng phương thức khác với GSM để thiết kế giao diện vô tuyến Sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã - CDMA IS-95 được sử dụng phổ biến ở:

a) United States b) South Korea (rất nhiều nơi). c) Hong Kong, Singapore. d) Japan và nhiều nước Đông Nam Á.

Hệ thống còn được gọi với tên là : Cdmaone (Au – KDDI Nhật bản) 4) Hệ thống PDC (Personal Digital Communication): Chuẩn hệ thống 2G của Nhật bản (JDC◊ PDC) Dải tần 800 MHz và 1500 MHz Hoạt động ở cả 2 chế độ: Analog và Digital Về cơ bản, các tham số kết nối lớp Vật lý (Physical Layer) rất giống với D-AMPS.

Tuy nhiên các khối giao thức thì giống với GSM. Hệ thống chỉ phát huy ở trong nước Nhật và không phát triển trên thị trường

viễn thông quốc tế. Đi cùng với các hệ thống thông tin di động tế bào 2G, vẫn còn có các hệ thống

số không dây (Cordless Digital System): a) DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications). b) Personal Handyphone System (PHS). c) Đặc điểm của các hệ thống Cordless Digital:

iii. Không phải là Cellular System, không có hệ thống riêng biệt iv. Chỉ có một Base Station và một nhóm các máy di động MS v. BS thường gắn vào một HT mạng nào đó. vi. Kết hợp với Cellular System nâng cao khả năng hoạt động của

hệ thống Cordless Digital.

1.4. Thế hệ 2.5G a. Là một thiết kế hoàn thiện và nâng cấp từ hệ thống 2G b. Không có sự phân biệt rõ ràng với hệ thống 2G. c. Các hệ thống 2.5G có thể đạt khả năng về dung lượng và qui hoạch giống với

các hệ thống 3G. d. Thông thường, 2.5G sử dụng các công nghệ sau:

HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) GPRS (General Packet Radio Service) EDGE (Enhanced Data Rate for Global Evolution)

e. Ví dụ về chuyển đổi nâng cấp hệ thống 2G lên 2.5G: IS-136 2.5G khi áp dụng GPRS hoặc EDGE IS-95 2.5G khi triển khai IS-95B hoặc áp dụng công nghệ CDMA2000

f. Vấn đề khi nâng cấp lên 2.5G: Tốc độ dữ liệu không đảm bảo (current: 9.6 or 14.4kbps) Ví dụ xét hệ thống HSCSD:

1) Hiện tại hệ thống có thể cung cấp dịch vụ dựa trên mạng dữ liệu chuyển mạch kênh, tốc độ 9.6/14.4kbps. Khi triển khai hệ thống 2.5G, yêu cầu tốc độ dữ liệu chuyển đổi tăng lên 4 lần (hệ thống sẽ chỉ định 4 time slots cho mỗi người sử dụng thay vì một Time Slot như trong hệ thống khi chưa nâng cấp). Từ đó cho thấy việc sử dụng nguồn tài nguyên vô tuyến của hệ thống khi nâng cấp là không hiệu quả.

2) Phù hợp với Real time Applications và nhu cầu các dịch vụ đáp ứng nhanh 3) HSCSD mang tính tạm thời cao trong khi chuyển đổi lên 3G

Xét đến GPRS: 1) Mạng chuyển mạch gói (giống Internet)◊ sử dụng tài nguyên vô tuyến hiệu quả

(không cấp phát TS liên tục cho một kết nối, mà chỉ cấp khi có dữ liệu cần truyền).

2) Tốc độ Data Rate lý thuyết ◊ 115Kbps (dùng bao nhiêu TS) 3) GPRS xuất hiện trên thị trường từ năm 2001, phù hợp với các ứng dụng

Non-Real-Time (Internet, Web…). 4) Chi phí cho GPRS rất đắt so với HSCSD. Tuy nhiên: Các hệ thống GSM cần thiết nâng cấp với GPRS Xem GPRS là bước cần thiết để đi vào lộ trình 3G (chương trình 3GPP chủ yếu

dựa trên GSM và GPRS để phát triển hệ thống 3G). Với hệ thống sử dụng EDGE:

5) Dùng phương thức điều chế 8-PSK (Phase Shift Keying) Tăng Data Rate lên 3 lần so với trong GSM Việc nâng cấp đơn giản hơn so với 2 phương án trên Nếu EGDE kết hợp với GPRS◊ Enhanced GPRS

a) EGDE phù hợp với khoảng cách ngắn b) GPRS với GMSK-Gaussian Minimum Shift Keying c) E-GPRS tối đa Data Rate là 384Kbps

EDGE + HSCSD Data Rate tăng 3 lần so với HSCSD ⇒ Kết hợp giữa 2 trong 3 hệ thống này đã tạo ra sự mềm dẽo và đa dạng trong việc nâng cấp các hệ thống 2G chuẩn bị cho hệ thống 3G

Quá trình nâng cấp các hệ thống 2G khác ngoài GSM ◊2.5G: 1) IS-136 (US-TDMA/850-1900MHz), có thể bằng: EGDE (chuyển đổi nhanh hơn cả GSM◊GPRS) GPRS

2) IS-95 (CDMAone): Hiện tại cung cấp 14.4Kbps Nếu nâng cấp từ IS-95, Data Rate tối đa là 64Kbps.

Có nhiều hệ thống IS-95 ◊2.5G với CDMA2000 1xRTT (S. Korea) 3) PDC (Japan): NTT Docomo phát triển một dịch vụ gọi là I-Mode (PDC-P) PDC-P: đằng sau mạng giao diện vô tuyến của PDC, là một mạng dữ liệu gói

(phụ trách truyền dẫn và kết nối với mạng truyền trải dữ liệu gói (Packet Data Network).

Thuê bao chỉ trả tiền theo lượng dữ liệu gói trao đổi (mà không phải theo thời gian sử dụng như các mạch chuyển mạch kênh).

I-Mode có điểm tương tự với Wireless Application Protocol-WAP (KDDI, Japan đã cung cấp dịch vụ Internet dựa trên WAP):

a) I-Mode đầu tiên xuất hiện đầu năm 1999 2002 (33 triệu) b) I-Mode đã rất thành công tại Nhật và cho thấy loại hình dịch vụ kiểu WAP

với sự xuất hiện của Data Network là rất được người dùng ưa chuộng sử dụng.

c) NTT cũng là nhà cung cấp dịch vụ 3G đầu tiên tại Nhật (W-CDMA)

1.5. Tổng quan hệ thống 3G Kể từ 1990s, các hệ thống thông tin di động đã phát triển nhanh chóng trên

toàn thế giới. Năm 1991, hệ thống GSM đầu tiện xuất hiện tại Finland. Sau đó GSM đã xâm nhập vào nhiều nước trên thế giới. GSM đã liên tục phát triển, nâng cấp không ngừng. Đến 9/2002: Tổng cộng có 460 mạng GSM Tổng số thuê bao 747.5 triệu Sau đó là khoảng thời gian chuẩn bị chuyển lên 3G của các hệ thống 2G. Với các

dịch vụ như GPRS, EDGE, CDMAone… Năm 1996-97, ETSI (European Telecom Standard Institute) và ARIB

(Association of Radio Industries Business) đã chọn WCDMA là ứng cử viên cho chuẩn về Giao diện Vô tuyến của hệ thống 3G.

Chuẩn này sau đó cũng được ủng hộ bởi NTT (Nhật) và nhiều tập đoàn viễn thông khác thuộc Châu Âu ◊ UTRAN/UTRAN FDD mode.

Sơ đồ phân bố phổ tần số cho hệ thống chuẩn IMT-2000 Chính xác, IMT-2000:

o 1885-2025 MHz (Uplink) o 2110–2200 MHz (Downlink)

1.6. Các chuẩn đề nghị cho 3G 1.6.1. W-CDMA

Băng thông rộng 5MHz: • Đủ rộng ◊ Data Rate: 144 - 384Kbps/ 2Mbps. • Cải thiện nhiễu đa đường (Multiple Paths Fading)/ Chất lượng

WCDMA tồn tại ở 2 dạng: • Synchronous Network (ETIS/ARIB/Korea TTA II) • Asynchronous Network (Korea TTA I/ CDMA2000)

Chuẩn WCDMA của EITS/ARIB gây được sự chú ý nhất: • Đổi tên thành UTRAN/FDD • Tương thích với hệ thống GSM để nâng cấp lên 3G (3GPP)

Chuẩn CDMA2000 • Phù hợp với hệ thống 2G (IS-95) • Các Operators: Qualcomm, Lucent, Motorola. • Được phát triển trong dự án 3GPP2

1.6.2. Advanced TDMA Đề xướng năm 1990s, với chuẩn UWC-136 Phù hợp với hệ thống TDMA IS-136 Sử dụng nhiều sóng mang tần số:

• 30 kHz (giống với IS-136) • 200 kHz (giống với GSM-EDGE) • and 1.6 MHz (chỉ dùng cho Indoor Services)

1.6.3. Hybrid TDMA/CDMA By European FRAME Project

• Mỗi Frame TDMA chia thành 8 TS • Trong mỗi TS, các kênh khác nhau được ghép kênh phân chia theo mã

dùng công nghệ CDMA. 1.6.4. OFDM

Dựa trên nguyên lý điều chế đa sóng mang (Multi-carrier) • Luồng dữ liệu chính (main data stream) được chia thành các luồng dữ

liệu phụ (sub data stream), tốc độ thấp trên các sóng mang phụ (sub-carrier), tốc độ dữ liệu trên các sub-carrier thấp hơn tốc độ luồng dữ liệu chính nhiều lần.

• Luồng dữ liệu phụ được điều chế bởi các mã trực giao, do đó mặc dù các sub-carrier có thể được bố trí rất sát nhau hoặc phổ tần số có thể giao nhau một phần nhưng kết quả là vẫn tránh được nhiễu giao thoa giữa các sóng mang cạnh nhau.

• Tín hiệu điều chế OFDM có khả năng cao trong việc chống lại truyền dẫn đa đường và khắc phục tốt độ trễ do tín hiệu truyền dẫn trong môi trường truyền sóng gây ra.

OFDM đã được sử dụng thành công trong các hệ thống Digital audio broadcasting (DAB) and Digital video broadcasting (DVB) hoặc được dùng trong các chuẩn kết nối LAN 802.11a, g.

Ưu điểm chính của OFDM: • Sử dụng băng thông hiệu quả (phổ tần số chia cho các Sub-carrier có thể

phủ nhau một phần nhất định). • Chống được nhiễu băng hẹp (Narrow-band Interference) • Hạn chế nhiễu đa đường (Multipath Interference)

Nhược điểm chính: • High Peak to Average Power (CS đỉnh trung bình)

Tuy nhiên không có chuẩn nào của IMT-2000 chọn công nghệ OFDM để triển khai. OFDM đã được nghiên cứu sử dụng nhiều cho WLAN và các hệ thống Broadcasting như đã đề cập trên.

1.6.5. IMT-2000

IMT-2000 được ITU đề xuất để nhằm tạo ra chuẩn/tiêu chí chung cho các hệ thống thông tin di động 3G.

Năm 1999, ITU đã chấp nhận các đề xuất sau cho IMT-2000: • IMT Direct Spread (IMT-DS or UTRA-FDD). • IMT Multi Carrier (IMT-MC or CDMA 2000). • IMT Time Code (IMT-TC or UTRA-TDD/TD-SCDMA). • IMT Single Carrier (IMT-SC or UWC-136). • IMT Frequency Time (IMT-FT or DECT).

IMT-DS và IMT-TC đã được phát triển bởi 3GPP1 IMT-MC được phát triển trong 3GPP2 IMT-DS ◊ 1st priority ◊ IMT-MC◊ 2nd priority.

1.6.6. 3GPP1

A. Tại sao IMT-2000 chọn Time Division Duplex ? Ưu điểm TDD:

• Trong hệ thống 3G, đường lên và xuống hoạt động trên các dải tần rất khác nhau.

• Tốc độ cho Downlink rất cao hơn so với Uplink. • Dễ điều khiển công suất.

Nhược điểm: • Can nhiễu đáng kể giữa các TS • Nhiễu Intracell và nhiễu Intercell giữa Uplink và Downlink

B. TD-SCDMA Được phát triển bởi China Academy of Telecommunications Technology. Trường hợp Narrow-band của UTRA TDD. Đã khai thác thành công tại T.Quốc Đặc điểm của TD-SCDMA:

• Giống UTRA TDD, nhưng dùng băng hẹp • Được xem là HT Low Bit Chip Rate LCR (1.28Mcps). • Băng thông sử dụng có 2 khả năng:

• ứng với LCR là 1.6MHz • UTRA TDD là 5MHz.

• So với hệ thống UTRA TDD, TD-SCDMA có ưu điểm: • Mỗi TS, cho phép 16 users truy nhập • Các hệ số Spreading Factor và Spreading Code giống với

UTRA TDD. • Uplink, hệ số Spreading Factor (1, 2, 4, 8, 16). • Downlink, hệ số Spreading Factor chỉ là 1 hoặc 16. Tuy

nhiên Multi-code vẫn có thể dùng được để thích nghi với các tốc độ bit khác nhau.

• Dùng băng thông ít hơn nhưng vẫn có thể đáp ứng dung lượng hệ thống như nhau nên hiệu quả hơn UTRA TDD.

1.6.7. 3GPP2 Hỗ trợ việc áp dụng CDMA2000 (một dạng của WCDMA). Dự án này còn được gọi là IMT-MC (Multi-Carrier). Chuẩn này phù hợp với các hệ thống có sẵn IS-95 (dùng nhiều ở Bắc Mỹ và Hàn

Quốc), có cùng chung Core Network. So sánh với chuẩn của 3GPP1:

• Chip Rate là bội của 1.2288MHz (up to 14.7456MHz). • Phase 1: Chip Rate: 1.2288 -3.6864 MHz. • Phase 2: Tăng 3 lần (chuẩn 1xEV-DO (IS-856)).

Hệ thống CDMA2000 có đặc điểm: • Forward Link (Downlink):

• Multi-carrier được sử dụng • Phổ được chia thành các phổ rộng 1.25MHz (rộng bằng phổ của

hệ thống IS-95). • Reverse Link (Uplink):

• Direct Spread được sử dụng • Gán phổ cho một sóng mang phổ rộng (Wideband Carrier) • Không đồng bộ thời gian trên Reverse Link.

Quá trình chuyển đổi từ hệ thống IS-95 lên hệ thống CDMA2000 (3G):

• Giai đoạn 1: CDMA2000 1xRTT Release 0 (144Kbps). • Giai đoạn 2: CDMA2000 1xRTT Release A (384Kbps). • Giai đoạn 3: CDMA2000 1xEV-DO (Enhanced Version of Data Only (up to

2Mbps for fixed-user). • Giai đoạn sau cùng, là hệ thống CDMA2000 1/3xEV-DV (hỗ trợ truyền tải

dữ liệu lên đến 5Mbps).

1.6.8. Con đường tiến đến các hệ thống 3G/4G Về cơ bản, các hệ thống thông tin di động hiện nay đều sử dụng một trong 2 loại

công nghệ GSM hoặc CDMA. Các hệ thống này có thể đang phát triển ở các thế hệ thứ 3 hoặc đang ở giai đoạn quá độ 2.5G.

Hình vẽ sau trình bày một quá trình phát triển đến hệ thống thế hệ thứ 3 của các hệ thống sử dụng công nghệ nói trên:

2. Các Khái Niệm về Hệ Thống Thông Tin Tế Bào 2.1. Khái niệm và nguyên lý cơ bản A. Chức năng cơ bản của một hệ thống TT di động:

Thiết lập kết nối dữ liệu (Multimedia) cho giữa 2 thuê bao. Các thuê bao di động được. Định vị được các thuê bao. Đảm bảo thuê bao luôn được kết nối tốt nhất với một trạm gốc BTS trong

mạng tế bào. B. Giới thiệu chung về cấu trúc một hệ thống thông tin di động

a) Sơ đồ nguyên lý:

b) Sơ đồ nguyên lý của một hệ thống di động thế hệ thứ 3 (3G)

PSTNPSTN/PLMN/PLMN

BTSBTS

BSCBSCBTSBTS

BTSBTS

BTSBTSBSCBSC

IWFIWFAAAAAA

InternetInternetHAHA

DCNDCN

PDSN(FA)PDSN(FA)

SMSCSMSC HLR/AuCHLR/AuC

MSC/VLRMSC/VLR

VMSVMS

Radio Access NetworkRadio Access Network RANRAN

Packet Core NetworkPacket Core Network PCNPCN

Circuit Core NetworkCircuit Core Network CCNCCN

WIN/PPSWIN/PPS

MSMS

MSMS

PSTNPSTN/PLMN/PLMNPSTNPSTN/PLMN/PLMN

BTSBTS

BSCBSCBTSBTS

BTSBTS

BTSBTSBSCBSC

IWFIWFAAAAAA

InternetInternetHAHA

DCNDCN

PDSN(FA)PDSN(FA)

SMSCSMSC HLR/AuCHLR/AuC

MSC/VLRMSC/VLR

VMSVMS

Radio Access NetworkRadio Access Network RANRAN

Packet Core NetworkPacket Core Network PCNPCN

Circuit Core NetworkCircuit Core Network CCNCCN

WIN/PPSWIN/PPS

MSMS

MSMS

C. Ý tưởng ban đầu về hệ thống thông tin vô tuyến

MSC

MSC: Mobile

Switching

Center

MMSS11

MMSS22

BBTTSS11

PSTN

Subscriber

BBTTSS22

D. Khái niệm tái sử dụng (Re-use) tần số trong T.T. tế bào: Nâng cao dung lượng hệ thống Tránh tắt nghẽn trong thông tin Tiết kiệm, sử dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến

Thay thế 1BTS công suất phát lớn thành nhiều BTS công suất bé hơn. Mỗi BTS chỉ phủ sóng cho một vùng có phạm vi nhỏ hơn. Các vùng này được bố trí sát nhau và gọi là các tế bào thông tin

(Communication Cell). Khái niệm mạng thông tin dạng tế bào

2.2. Khái niệm mạng thông tin tế bào (Cellular Communication Network).

• Mỗi BTS được gán một nhóm tần số. • Các BTS kế cận sử dụng các nhóm tần số khác nhau • Tái sử dụng nhóm tần số ở Cell này cho các Cell không kế cận

a) Cấu trúc hệ thống thông tin tế bào

ÝÝ ttưưởởnngg tthhiiếếtt kkếế bbaann đđầầuu:: Một hệ thống vô tuyến có thể phục vụ kết nối cho một khu

vực rộng lớn:

Antenna ở khá cao CS phát lớn Nhưng không áp dụng

kỹ thụât tái sử dụng tài nguyên vô tuyến (Tần số).

Dung lượng hệ thống hạn chế và sử dụng phổ tần số kém hiệu quả

- Mỗi trạm gốc BS được thiết kế cho một tế bào

Tế bào là phần bao phủ (phủ sóng) cả một trạm gốc BS Mỗi tế bào được cung cấp bởi một hoặc nhiều sóng mang (tần số,

kênh truyền…) - Các thuê bao di động kết nối song công (Full Duplex) với trạm gốc BS - Mỗi trung tâm chuyển mạch di động MSC có thể quản lý đến hàng trạm gốc BS - MSC đóng vai trò là trung tâm chuyển mạch vùng và là cổng kết nối với mạng điện thoại công cộng PSTN hoặc các mạng viễn thông khác.

b) Khái niệm Cluster trong T.T. tế bào:

c) Các đặc điểm của Cluster: Các Cluster khác nhau được đặt tại các vị trí địa lý khác nhau trên toàn

miền phủ sóng. Để thuận tiện cho việc qui hoạch, quản lý và phát triển mạng, Cell có

dạng hình lục giác (vùng phủ sóng rộng và vùng che lấp hẹp). Về cơ bản, có 2 cách đặt trạm BTS:

• Tại tâm của Cell (antenna vô hướng) • Tại góc của 3 Cell kề nhau (Antenna có hướng).

Cell hình lục giác nên để các Cluster xếp sát nhau:

Trong đó N là số cell trong một Cluster; i,j: các số nguyên dương.

Dải tần số dùng trong một cell bằng 1/N tổng tần số sử dụng trong toàn bộ hệ thống.

Nếu N nhỏ, kích thước Cell không đổi Số Cluster tăng lên dung lượng HT tăng, nhưng nhiễu đồng kênh tăng.

Ngược lại, nếu N lớn, kích thước Cell không đổi Số Cluster giảm xuống dung lượng hệ thống giảm và nhiễu đồng kênh bé. Cần thiết kế N đủ nhỏ để đảm bảo 2 yêu cầu về dung lượng hệ thống

cũng như yêu cầu về chất lượng dịch vụ đạt mức yêu cầu.

3. Điều khiển cuộc gọi:

•• KKhhááii nniiệệmm CClluusstteerr:: LLà nhóm các Cell

gần nhau và có tần số hoàn toàn khác

nhau:

• Tổng số các tần số có trong Cluster

bằng với tổng tần số có được trong toàn

hệ thống

• n: số Cell trong một Cluster gọi là kích

thước của Cluster.

22 jijiN ++=

a) Mỗi MS thực hiện truyền thông với một BTS thông qua một cặp tần số: ⇓ Hướng lên (Reverse) ⇓ Hướng xuống (Forward)

b) Có 4 loại kênh cơ bản: ⇓ Reverse Control Channel RCC ⇓ Reverse Voice Channel RVC ⇓ Forward Control Channel FCC ⇓ Forward Voice Channel FVC

c) Kênh điều khiển còn gọi là kênh thiết lập cuộc gọi, có nhiệm vụ thiết lập cuộc gọi và chuyển cuộc gọi đến một kênh thoại chưa được sử dụng. Nó nhận và truyền các thông tin để thiết lập cuộc gọi và yêu cầu dịch vụ. Nó được các thuê bao giám sát khi rãnh.

d) Mỗi Cell có ít nhất một kênh điều khiển. Khi thuê bao mở máy (Turn on) e) Khi thuê bao mở máy, MS quét tìm các kênh điều khiển, tìm kênh mạnh

nhất và giám sát kênh đó. Xử lý khi thuê bao được gọi (Called Party) f) Khi một MS khác được gọi, MSC sẽ gửi yêu cầu tìm kiếm thuê bao được

gọi (số nhận dạng TB) tới tất cả các BTS. Từ đó các BTS tiếp tục tìm kiếm thuê bao được gọi thông qua kênh điều khiển xuông FCC.

g) Khi TB được gọi nhận được tin tìm gọi, nó trả lời bằng thông điệp, xác nhận, gửi tới BTS của nó qua kênh RCC. BTS chuyển thông điệp này đến MSC.

h) MSC điều khiển cho BTS chuyển cuộc gọi đến một kênh thoại rỗi. Đồng thời BTS báo hiệu cho MS chuyển tần số liên lạc đến kênh thoại rỗi này.

i) Sau đó, trên kênh thoại rỗi này, BTS truyền tín hiệu chuông cho MS để đổ chuông.

j) Trong khi cuộc gọi đang diễn ra, MSC điều chỉnh công suất của MS và thay đổi tần số của MS và BTS để truy trì cuộc gọi khi MS đi ra khỏi vùng phủ sóng của BTS. Quá trình này gọi là Hand Off.

Xử lý khi thuê bao thực hiện gọi (Calling) k) Khi MS cần thiết lập cuộc gọi, MS gửi số nhận dạng của nó và số cần gọi

đến BTS thông qua kênh RCC. l) BTS nhận thông điệp này và gửi tiếp đến MSC. m) MSC phân tích yêu cầu, để xem số cần gọi thuộc mạng di động hay thuộc

mạng PSTN. n) Nếu là PSTN, MSC tiến hành chuyển cuộc gọi đến mạng PSTN. o) Nếu thuộc mạng di động, MSC sẽ phát tin quảng bá đến tất cả các BTS để

tìm kiếm thuê bao được gọi.

4. Chuyển giao cuộc gọi A. Đặc điểm và yêu cầu:

Hand Off đảm bảo cuộc gọi liên tục khi MS di chuyển từ Cell này sang Cell khác hoặc giữa Sector này sang Sector khác trong cùng một Cell.

MSC tự động chuyển cuộc gọi đến một tần số mới thuộc BTS mới. Yêu cầu cho Hand Off luôn cao hơn yêu cầu thiết lập cuộc gọi. Vì thế trong

thiết kế về dung lượng của Cell, luôn đặt ra một lượng kênh truyền nhất định ưu tiện cho xử lý chuyển giao cuộc gọi.

Hand Off phải được thực hiện thành công và không được nhận biết bởi người sử dụng.

Một mức công suất thu tối ưu tại BTS được chỉ định để tiến hành chuyển cuộc gọi cho MS, thường -90dBm đến -100dBm.

Δ = Prhandoff – Prminimum usable không quá lớn hoặc quá nhỏ

B. Hand Off ở các hệ thống 1 và 2G:

Ở hệ thống 1G, việc đo cường độ trường của các thuê bao di động MS được thực hiện bởi trạm gốc BTS và được giám sát bởi trung tâm chuyển mạch MSC:

BTS đo cường độ trường của các MS trong Cell thông qua đo tín hiệu của các

kênh thoại. Đồng thời, một Receiver khác của BTS chịu trách nhiệm đo cường độ trường

của tất cả các MS thuộc BTS xung quanh quản lý. Dựa vào giá trị của cường độ trường đo được từ các BTS bên cạnh, MSC

quyết định là tiến hành Hand Off hay không ? Nghĩa là nếu cường độ trường của BTS hiện tại đủ nhỏ và thường thì Δ = 6 ~12 dB, thì MSC chuyển cuộc gọi sang BTS bên cạnh có cường độ trường tốt hơn để duy trì cuộc gọi.

Ở các hệ thống 2G, việc Hand Off thường xảy ra với sự phối hợp giữa MS và BTS:

Mỗi MS luôn đo công suất nhận được từ BTS phục vụ và đồng thời đo công

suất từ BTS kế cận, sau đó gửi về trung tâm chuyển mạch MSC. Khi công suất đo được từ BTS kế cận cao hơn công suất thu được từ BTS

phục vụ, Hand off xảy ra. Thường thì Handoff bắt đầu khi Δ = 1 ~ 6 dB. Trường hợp MS di chuyển sang một Cell khác được quản lý bởi một MSC khác,

khi đó gọi là Intersystem HandOff.

C. Hình vẽ mô tả chuyển giao cuộc gọi

5. Can nhiễu và dung lượng hệ thống Trong thông tin tế bào, thường có 2 loại nhiễu chính:

Nhiễu đồng kênh (Co-channel Interference CCI). Nhiễu kênh kế cận (Adjacent-channel Interference).

A. Nhiễu đồng kênh CCI: Do các Cell sử dụng cùng tần số gây ra Tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu đồng kênh SIR (Signal Interference Ratio):

o Không phụ thuộc vào công suất phát tín hiệu (Noise?).

o Nhưng phụ thuộc vào tỉ số NRDQ 3/ == (R: bán kính của Cell; D:

khoảng cách ngắn nhất giữa 2 Cell có tần số giống nhau (khoảng cách tái sử dụng tần số), N: số lượng Cells trong một Cluster; i0: Số lượng Cell gây ra nhiễu đồng kênh; η: Độ dốc suy hao (Propagation law, η=4 trong PLMN).

o Nếu Q lớn và cell có bán kính không đổi D lớn N lớn có nhiều cell

trong một Cluster, số lượng Cluster trong hệ thống giảm Dung lượng hệ thống giảm nhưng tỉ số SIR tăng, chất lượng dịch vụ tăng lên .

o Nếu Q nhỏ D nhỏ N nhỏ có ít Cell trong một Cluster, có nhiều Cluster

MSC

∑∑=

−

−

=

==0o i

1ii

i

1ii D

R

I

SSIRη

η

( ) ( )00

3D/RSIRiN

i

ηη

==

trong hệ thống Dung lượng hệ thống tăng nhưng tỉ số SIR giảm, chất lượng dịch vụ cũng bị giảm xuống.

Cần lựa chọn một Trade-Off hợp lý để đảm bảo chất lượng dịch vụ (SIR) và dung lượng hệ thống cũng được đảm bảo (chọn N phù hợp).

6. Lưu Lượng (Traffic) và Mức Dịch Vụ (Grade of Service GOS) 6.1. Lưu Lượng:

Mỗi User được gán một tần số khi có yêu cầu thông thoại và tsố được giải phóng khi kết thúc. Do đó hệ thống có thể phục vụ một số lượng lớn thuê bao với số lượng kênh giới hạn (Traffic and Grade of Service).

Cường độ/lưu lượng (Traffic) có đơn vị là Erlang. Một Erlang (1Erl) có nghĩa là một lưu lượng được truyền tải bởi một kênh mà nó hoàn toàn được sử dụng/khai thác.

Công thức về lưu lượng cần thiết cho một User:

HA .μμ =

Trong đó: μ : Tần suất thực hiện cuộc gọi (Calls/đơn vị thời gian) H : Thời gian trung bình thực hiện một cuộc gọi

Tổng lưu lượng cần thiết cho U users là:

Số lượng kênh trong một Cell phải lớn hơn hoặc bằng AU. Ví dụ:

6.2. Mức Dịch Vụ GOS:

Khái niệm Traffic và Grade of Service: GOS là xác suất tắt nghẽn hệ thống vào giờ cao điểm (BH: Busy Hour).

GOS tỉ lệ với những cuộc gọi không thể liên lạc được vì các mạch đang bị chiếm khi các cuộc gọi mới xuất hiện.

HUAUAU ... μμ ==

GOS xem như là tiêu chuẩn đối với chất lượng chuyển mạch GOS tỉ lệ với tỉ số lưu lượng tổn thất và lưu lượng tổng Công thức tính ERLANG_B: Thể hiện quan hệ giữa xác suất nghẽn GOS, số

kênh C và lưu lượng A:

Để tiện sử dụng, dựa vào bảng kêt quả để giải bài toán tìm số kênh (channel) cần phục vụ khi đã biết GOS (%) và lưu lượng (Erl) cần truyền.

Ví dụ: Tính toán số kênh cần thiết để phục vụ 100 Users, với mức phục vụ GOS=2%. Lưu lượng trung bình cho mỗi người sử dụng là 30m Erl. Lời giải: Lưu lượng cần thiết cho 100 người dung là: 100x30m Erl=3 Erlang. Trên cơ sở tra cứu bảng Erlang-B, ứng với GOS=1%, Lưu lượng 3Erl, ta suy ra số lượng kênh cần thiết để đáp ứng yêu cầu về lưu lượng trên là 8 Channels.

7. Đặc Tính Truyền Sóng Của Kênh Vô Tuyến Di Động 7.1. Khái niệm truyền sóng vô tuyến

Tần số và đặc tính sóng vô tuyến Sóng vô tuyến là sóng điện từ, nằm cùng nhóm với ánh sáng, bức xạ hồng ngoại

và tia X. Tần số vô tuyến nằm trong dải tần số 10 Hz-300 GHz.

Channel 1% 1.2% 1.50% 2% 3% 5%

1 0.0101 0.0121 0.152 0.0204 0.0309 0.0526

2 0.153 0.168 0.19 0.23 0.282 0.381

3 0.455 0.489 0.535 0.602 0.715 0.899

4 0.869 0.922 0.992 1.09 1.26 1.52

5 1.36 1.43 1.52 1.66 1.88 2.22

6 1.91 2 2.11 2.28 2.54 2.96

7 2.5 2.6 2.74 2.94 3.25 3.74

8 3.13 3.25 3.4 3.63 3.99 4.54

9 3.78 3.92 4.09 4.34 4.75 5.37

10 4.46 4.61 4.81 5.08 5.53 6.22

)(

!

!

0

B

kA

CA

GOS C

k

k

C

∑=

=

Với sóng thuộc dải tần số thấp: Dễ phản xạ (vượt qua tầm nhìn thẳng). Họat động tương tự sóng âm thanh

Với sóng thuộc dải tần số cao: Họat động giống sóng ánh sáng Truyền dẫn theo đường thẳng (bị mưa hấp thụ, tán xạ)

Khi tần số tăng thì độ rộng băng tần sử dụng cũng tăng Trong vô tuyến di động, chủ yếu dùng băng tần VHF, UHF. VHF, UHF có ưu điểm:

Suy hao thấp Vượt qua tầm nhìn thẳng Antenna định hướng để phát theo hướng truyền lan xác định

Vì sao ngày càng có nhiều ứng dụng trong dải tần số cao ? Phổ tần số vô tuyến và ứng dụng tương ứng:

Các hiện tượng phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ trong truyền sóng

Phân loại truyền sóng:

Có nhiều phương thức truyền sóng từ Tx ◊ Rx o Tần số đang sử dụng o Địa hình, khoảng cách truyền

Các tia bên thu có thể là: o Trực tiếp LOS o Tia phản xạ o Tia nhiễu xạ o Tia khúc xạ từ tầng điện ly

Tùy vào mục đích truyền thông tin để sử dụng. Nếu môi trường giữa phát và thu là nhìn thẳng thì chủ yếu là sóng trực tiếp. Nếu có tòa nhà cao tầng, dùng các sóng phản xạ và nhiễu xạ và có thể có sóng trực tiếp.

Đường truyền sóng có thể chia làm 3 nhóm: Không gian tự do (Microwave) Vùng tương tác 2 tia (Air to Ground Communication) Vùng Fading Rayleigh (PLMN)

7.2. Đặc tính truyền sóng: Mô hình tính suy hao theo khoảng cách và hệ số mũ suy hao

α α

Soùng tôùi Soùng phaûn xaï

HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ

Tòa

nhà

Cạnh nhiễu xạ

Vùng

che

soùng nhieãu xaï

HIỆN TƯỢNG NHIỄU XẠ

Soùng tôùi Naêng löôïng taùn xaï

HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ

Moâi tröôøng Muõ suy hao ñöôøng truyeàn

Khoâng gian töï do 2

Voâ tuyeán di ñoäng ôû thaønh phoá 2,7 ñeán 3,5

Voâ tuyeán di ñoäng ôû thaønh phoá bò che khuaát

3 ñeán 5

Ñöôøng tröïc tieáp trong toøa nhaø 1,6 ñeán 1,8

Bò che khuaát trong toøa nhaø 4 ñeán 6

Bò che khuaát trong caùc nhaø maùy 2 ñeán 3

7.2.1. Không gian tự do (Free space)

Được xem là môi trường truyền sóng lý tưởng (không có nhiễu phản xạ, khúc xạ, tán xạ…).

Đặc điểm của truyền sóng trong môi trường nhìn thấy nhau LOS: o Nhìn thấy nhau, Light of Sight. o Sóng vô tuyến truyền như trong môi trường không gian tự do o Công suất thu: tỉ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách từ điểm phát

đến điểm thu. Mô hình tính toán suy hao trong LOS, mô hình Friss:

n

dddPdP ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

00 ).()(

[ ] [ ] ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+=

00 lg10)()(

ddndBdPdBdP

Phương thức tính suy hao trên đường truyền cho trường hợp LOS:

7.2.2. Truyền sóng trong môi trường của Đô thị/Nông thôn

Giới thiệu mô hình tính toán truyền sóng OKUMURA-HATA:

Mô hình Ukumura-Hata cho môi trường Đô Thị:

Mô hình Okumura-Hata trong môi trường truyền sóng ở ngoại ô:

; Frequency : 150Mhz to 1500Mhz.

Mô tả suy hao khi tính toán theo mô hình Okumura-Hata:

7.2.3. Mô hình tính toán COST-231 COST-231 Model Là mô hình mở rộng của mô hình Hata với sự khác biệt là tần số cho phép đến 2GHz (Mô hình Okumura-Hata chỉ hiệu lực đến 1500MHz).

L(Urban)[dB] = 46,3 + 33,9lg(fc) – 13,82lg(hte) –a(hre) + (44,9 –6,55lghte)lgd + CM Trong đó:

o CM= 0dB đối với các thành phố cỡ vừa và khu vực ngoại thành. o CM= 3dB đối với khu vực đô thị.

o f : 1500Mhz đến 2000Mhz o hte : 30m đến 200m o hre : 1m đến 10m o d : 1km đến 20km

7.2.4. Mô hình Sakagami-Kuboi (SAKAGAMI-KUBOI Model):

Sakagami và Kuboi đã thực hiện phân tích thêm những kết quả của Okumura để tìm ra mô hình thực nghiệm mang tính tổng quát hơn các mô hình trước đó do Okumura xây dựng.

Theo mô hình này, suy hao do truyền dẫn được tính toán như sau: Lp =100 –7,1lgW +0,023φ +1,4lghs +6,1lg(H) -[24,37 –3,1(H/hte)2]lghte +(43,42 –3,1lghte)lgd +20lgfc +exp(13(lgfc–3,23))

Trong đó: Lp : suy hao đường truyền [dB]. W : Độ rộng con đường tại điểm thu (5m đến 50m). φ : Góc hợp bởi đường phố và hướng truyền sóng từ BS đến MS (00 đến 900). hs : Chiều cao tòa nhà phía BS gần MS nhất (5m đến 80m). H : Chiều cao trung bình của các tòa nhà nằm xung quanh MS (5m- 50m). hte : Chiều cao của Antenna BS phát (20m đến 100m). d : Khoảng cách giữa BS và MS. fc : Tần số họat động, từ 450Mhz đến 2200Mhz. Nhiều thông số lien quan đến môi trường thành phố đã được xem xét. Mô hình này vẫn áp dụng được trong trường hợp antenna của BS thấp hơn toàn nhà (khi đó hệ thống áp dụng phương pháp nâng cao dung lượng bằng các Micro Cell).

8. Hệ Thống GSM/GPRS 8.1. Giới thiệu cấu trúc khối của hệ thống GSM 8.1.1. Cấu trúc chung của GSM:

Trong đó: BTS: Base Transceiver Station, Trạm thu/phát gốc. MS: Mobile Station, Trạm di động (thuê bao di động) MSC: Mobile Switching Center, Trung tâm chuyển mạch di động PLMN: Public Land Mobile Network, Mạng di động mặt đất công cộng PSTN: Public Switched Telephone Network, Mạng điện thoại chuyển mạch công

cộng. 8.1.2. Cấu trúc phân cấp của mạng GSM:

8.1.3. Các thành phần cơ bản của mạng GSM:

Trong đó: GMSC: Gateway của MSC OMC: Trung tâm bảo dưỡng và vận hành EIR: Bộ nhận thực thiết bị AuC: Bộ nhận thực thuê bao HLR: Bộ đăng ký vị trí thường trú VLR: Bộ đăng ký vị trí tạm trú 8.1.4. Các phân hệ thống trong GSM

Có 2 thành phần chính:

A. Các thiết bị được lắp đặt cố định Xét về phần mạng đuợc cài đặt cố định, hình vẽ sau mô tả cấu trúc và kết nối giữa các thành phần mạng như sau:

Phân hệ trạm gốc BSS

Trạm gốc BTS có chức năng:

- Đóng vai trò thiết bị phát và thu - Mã hóa và giải mã hóa thoại - Điều chỉnh tốc độ bit cho dữ liệu - Cung cấp các kênh báo hiệu trên giao diện vô tuyến - Mã hóa để bảo vệ lỗi… - Có cấu trúc khối như sau:

Mức công suất phát tối đa tại các BTS:

Bộ điều khiển trạm gốc BSC - Quản lý các giao diện vô tuyến - Cấp phát và giải phóng các kênh vô tuyến - Quản lý về chuyển giao cuộc gọi, quản lý di động… - Ra lệnh điều khiển công suất - Có cấu trúc như sau:

DB: o Chứa thông tin về trạng thái của tất cả BSS

o Và các phần mềm phục vụ cho BTS

Phân hệ chuyển mạch NSS - Network Switching Sub-System Các thành phần của NSS bao gồm:

Mobile Switching Center (MSC) / Gateway MSC (GMSC) Home Location Register (HLR ) / Authentication Center (AuC) Visitor Location Register (VLR) Equipment Identity Register (EIR)

Chức năng của NSS: Chuyển mạch cho các thuê bao Quản trị về dữ liệu khách hang Tính cước Billing Quản trị về bảo mật và di động của thuê bao

Kết nối giữa các thành phần với nhau: Thông qua mạng báo hiệu SS7, với sự mở rộng phù hợp (e.g. MAP – Mobile Application Part)

a) Trung Tâm Chuyển Mạch Di Động MSC An ISDN switch (64 kbps channels) Trung Tâm chuyển mạch phụ trách báo hiệu và chuyển mạch kênh

cho các thuê bao thuộc vùng địa lý thuộc MSC. Sự khác biệt lớn so với mạng PSTN: Chức năng di động:

o Đăng ký vị trí và cập nhật vị trí của MS o Nhận thực o Chuyển giao Handoff

Một mạng PLMN (operator network) có nhiều BSC và mỗi MSC quản lý một bộ các BSS (note: a BSS refers to just 1 MSC, not many)

b) Gateway của MSC- GMSC GMSC, need, as fixed

network switches are not mobile capable!!

GMSC task: query HLR for current MS location

(if fixed network switcheswere able to query HLR, direct connection with local MSC would be available)

GMSC, need, as fixed network switches are not mobile capable!!

GMSC task: query HLR for current MS location

(if fixed network switcheswere able to query HLR, direct connection with local MSC would be available)

Đặt tại vị trí kết nối trung kế với PSTN Các cuộc gọi đi vào mạng PSTN, đầu tiên được định tuyến đến

GMSC và sau đó, định tuyến đến trung tâm chuyển mạch MSC quản lý thuê bao tại vị trí hiện tại.

c) Bộ đăng ký vị trí thường trú HLR

Chứa cơ sở dữ liệu cho các thuê bao Lưu thông tin của các thuê bao đang đăng ký thuộc MSC hiện tại Có các kiểu dữ liệu sau về thuê bao:

◊ Permanent information associated to the user Các thông tin vĩnh viễn liên quan đến khách hàng

MSISDN (Mobile Subscriber ISDN, IMSI (Internation Mobile Subscriber Identity))

Các dịch vụ của thuê bao đã đăng ký sử dụng Giới hạn dịch vụ (roaming) Dữ liệu xác thực (Key xác nhận)

◊ Temporary information associated to the user Các thông tin tạm thời của khách hang:

Liên kết tới vị trí thực hiện tại của User Current VLR address (if avail) Current MSC address (if avail) MSRN (if user outside PLMN)- Message Sending Routing Number

d) Bộ đăng ký vị trí tạm trú VLR

Để đảm bảo rằng dữ liệu lưu trữ trong bộ HLR luôn sẵn sàng ngay cho cuộc gọi, thông tin trong HLR được lưu trữ thêm ở một cơ sở dữ liệu khác được gọi là bộ ghi vị trí

tạm thời VLR (VLR ở gần vị trí hiện tại của MS nhất). Đặc điểm họat động của VLR:

Khi MSs xâm nhập vào vùng dịch vụ mới, các thông tin về thuê bao này sẽ được sao chép ngay từ bộ HLR quản lý MSs.

Bộ VLR có thể phụ trách một hoặc nhiều MSC vùng Thông tin nhận thực cua Chức năng VLR thường được tích hợp trong trung tâm chuyển mạch MSC Nếu một thuê bao di chuyển đến một vùng dịch vụ VLR mới, việc cập nhật về vị

trí lại xảy ra: VLR mới sẽ yêu cầu dữ liệu thông tin về thuê bao từ HLR quản lý trực tiếp thuê bao di động.

e) Trung Tâm Nhận Thực AuC Nếu một thuê bao MS muốn truy nhập vào mạng lưới, VLR kiểm tra liệu SIM

card có hợp lệ không, đây là quá trình nhận thực. Để thực hiện kiểm tra, VLR yêu cầu các thông số nhận thực của thuê bao từ trung tâm nhận thực AuC.

Trung Tâm AuC có chức năng:

Phối hợp với HLR Tìm kiếm khóa IMSI (International Mobile Subscriber Identity) Lưu trữ các dữ liệu của thuê bao liên quan đến bảo mật

Các khóa PIN của thuê bao Khóa mã hóa dữ liệu thuê bao trên kênh vô tuyến Tiến trình kiểm tra tính hợp lệ của các khóa

- 8.1.4.1.1. Phân hệ vận hành và bảo trì Các chức năng cơ bản:

Quản trị mạng lưới Quản lý cấu hình, vận hành và thống kê Thu thập, phân tích và bảo trì mạng lưới Vận hành và tính cước thương mại Kế toán và tính cước Quản lý bảo mật hệ thống Quản lý các bộ đăng ký nhận dạng thiêt sbị EIR Một OSS bao gồm một hoặc nhiều trung tâm vận hành và bảo dưỡng OMC. OMC được kết nối đến phân hệ chuyển mạch NSS và phân hệ trạm gốc

thông qua mạng truyền dẫn dữ liệu gói X25.

8.1.4.1.2. Thuê bao di động MS GMS đã tách việc di động của người sử dụng ra khỏi việc di động của thiết bị bằng

cách đã định nghĩa ra 2 thành phần riêng biệt: Mobile Equipment (ME)

The cellular telephone itself Address/Identifier:

• IMEI (International Mobile Equipment Identity)

Subscriber Identity Module (SIM) Fixed installed chip (plug-in SIM) or Exchangeable card (SIM card) Addresses / identifiers:

• IMSI (International Mobile Subscriber Identity) • MSISDN (Mobile Subscriber ISDN)

Mobile Termination functionstRadio interface (tx, rx, signalling)

Terminal Equipment functions•User interface (microphone, keyboard, speakers, etc);•Functions specific of services(telephony, fax, messaging, etc),•Independent of GSM

Terminal Adaptor functions•Interfaces MT with different types

Mobile Termination functionstRadio interface (tx, rx, signalling)

Terminal Equipment functions•User interface (microphone, keyboard, speakers, etc);•Functions specific of services(telephony, fax, messaging, etc),•Independent of GSM

Terminal Adaptor functions•Interfaces MT with different types

8.2. Các tham số trong hệ thống GSM 8.2.1. Tham số chung

8.2.2. Điều chế GMSK trong GSM

8.2.3. Tham số của phương pháp FDMA

8.2.4. Tham số của phương pháp TDMA

1 TDMA Frame = 120ms/26= 4.615ms1 TDMA Frame có 8 TDMA Slots

Time slot duration = 4.615/ 8 ms = 576.9 µs = 577 µs

1 TDMA Frame = 120ms/26= 4.615ms1 TDMA Frame có 8 TDMA Slots

Time slot duration = 4.615/ 8 ms = 576.9 µs = 577 µs

8.2.5. Tham số trong Hybrid giữa FDMA và TDMA

A Physical Channel = A RFC + A Time Slot

124 124

A Physical Channel = A RFC + A Time Slot

124 124

8.3. Duplexing trong GSM

8.4. Các kênh logic trong hệ thống GSM

Đặc điểm cơ bản của kênh logic: Được xây dựng nằm ở trên lớp các kênh vật lý Trình bày các thông tin được chuyển giao giữa thuê bao di động MS

và phân hệ trạm gốc BSS Nhiều kênh logic khác nhau nhưng có thể sử dụng chung một kênh

vật lý

Từ hình vẽ trên, cho thấy các kênh logic bao gồm:

Kênh lưu lượng Traffic Channel Kênh quảng bá Broadcast Channel Kênh điều khiển chung Common Control Channel Kênh điều khiển báo hiệu điểm-điểm Dedicated Control Channel

Danh sách từ viết tắt dùng cho tên của các loại kênh logic như sau: TCH Traffic Channel TCH/F Traffic Channel Full Rate

TCH/H Traffic Channel Half Rate CCH Control Channels BCH Broadcast Channels FCCH Frequency Correction Channel SCH Synchronization Channel BCCH Broadcast Control Channel CCCH Common Control Channels PCH Paging Channel AGCH Access Grant Channel RACH Random Access Channel DCCH Dedicated Control Channels ACCH Associated Control Channels SDCCH Stand Alone Dedicated Control Channel FACCH Fast Associated Control Channel SACCH Slow Associated Control Channel

8.4.1. Kênh lưu lượng Traffic Channel (TCH) TCH - Traffic Channel TCH/F hỗ trợ truyền dẫn với các thông số:

Thoại : 13 kbit/s (full rate speech codec) Dữ liệu data : 14.5 , 12 , 6 hoặc 3.6 kbps

⇒ 22.8 kbps TCH/H hỗ trợ truyền dẫn:

Thoại: 6.5 kbit/s (Speech Half Rate Codec) Dữ liệu data: 6 hoặc 3.6 kbps

⇒ 11.4 kbps 8.4.2. Kênh điều khiển quảng bá- Broadcast Control Channel (BCCH)

Quảng bá dữ liệu về cấu hình mạng Cung cấp cấu trúc kênh của cell thuộc nó và cell bên cạnh Cung cấp các thông tin về đồng bộ Tổ chức của các kênh điều khiển chung CCCH Thông tin về tắt nghẽn, cac kênh rỗi và các kênh đã sử dụng

Kênh điều hiệu chỉnh tần số - Frequency Correction Channel FCCH MS sử dụng FCCH để đồng bộ các tần số Phát, Thu với hệ thống

mạng. Kênh đồng bộ - Synchronisation Channel SCH

Đồng bộ về thời gian (Time synchronization) Mã xác định trạm gốc BSIC (Base Station Identity Code) Số khung FN cho việc đồng bộ khung (Frame Number).

8.4.3. Kênh điều khiển chung Common Control channel CCCH Paging Channel (PCH)

Chỉ có trong Down Link Xác định một thuê bao di động cụ thể gọi vào.

Random Access Channel (RACH) Chỉ có trong Up Link MS sử dụng để báo từ PCH hoặc để yêu cầu thiết lập một kết nối bảo

hiêu. Access Grant Channel (AGCH)

Chỉ có trong Down Link Mạng sử dụng sau khi kiểm tra RACH thành công, nhằm mục đích cấp điểm bảo hiệu

Hướng dẫn thuê bao di động để vận hành trên một kênh vật lý nhất định, với một DCCH. RACH là bản tin CCCH cuối cùng trước khi MS di chuyển khỏi kênh điều khiển.

8.4.4. Kênh điều khiển báo hiệu điểm-điểm Dedicated Control Channel •Stand Alone Dedicated Control Channel SDCCH

Stand alone=not combined with TCH like SACCH, Assigned by AGCH. Used to send authentification data before MS is switched to a TCH.

•Slow Associated Control Channel SACCH Only in combination with SDCCH or TCH. BTS ⇒ MS :

Synchronisation (Time Advance) Power control

MS ⇒ BTS: the received signal strength measurements. Quality of TCH Signal strength measurements from BCH of neighboring cells.

•Fast Associated Control Channel FACCH Only in combination with TCH, stolen from TCH : Stealing bit is set. Stransfer information SACCH

Urgent message : Handoff requests. 8.4.5. Ví dụ về thiết lập cuộc gọi:

8.5. Mạng và dịch vụ GPRS

8.5.1. Con đường đi đến 3G

8.5.2. Mạng GPRS, nâng cấp của các mạng GSM 8.5.2.1. Đặc điểm:

Always online An upgrade to existing systems An integral part of future 3G systems Đặc tính luôn luôn Online:

Luôn cho phép MS kết nối trực tuyến với dịch vụ dữ liệu gói mà không cần phải trả cước phí theo phút như trong đàm thoại.

Có thể nâng cấp từ các hệ thống hiện tại GSM: GPRS không phải là một hệ thông mới hoàn toàn, mà là một phiên

bản nâng cấp từ các hệ thống GSM hiện tại GPRS là một phần của hệ thống thông tin thế hệ thứ 3.

Trên thực tế, GPRS là một hệ thống Overlay, có kiến trúc song song với hệ thống hiện tại (2G GSM).

Những dịch vụ cần thiết (Data) thì sẽ được định tuyến để đi qua phần cấu trúc mạng GPRS.

8.5.2.2. Cấu trúc chung của mạng GPRS

SGSN: Serving GPRS Support Node; GGSN: Gateway GPRS Support Node;

8.5.2.3. Cấu trúc của các mạng có chung mạng lõi

Mô hình này cung cấp kết nối của các Mạng truy nhập khác nhau (different access network) nhưng có cùng mạch lõi (the same core network).

9. Hệ Thống CDMA

9.1. Giới thiệu các phương thức đa truy nhập Trong hệ thống thông tin đa truy nhập, số lượng lớn thông tin được chia sẻ trên kênh thông tin chung.

Mục đích là phối hợp tín hiệu từ các máy thu khác nhau trên cùng một kênh thông tin chung, tại máy thu các tín hiệu phân biệt độc lập lẫn nhau mà không gây nhiễu do đa truy nhập gây ra.

Dựa trên đặc điểm của việc phân chia để các tín hiệu chia sẻ cung kênh thông tin, có các phương pháp đa truy nhập như sau: o Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA o Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA o Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

a) Phương pháp FDMA

FrequencySub Channel Sub Channel Sub Channel

Total BandGuard Band

Amplitude

FrequencySub Channel Sub Channel Sub Channel

Total BandGuard Band

Amplitude

Các người sử dụng được truy nhập vào kênh thông tin chung trên cơ sở phân chia theo tần số. FDMA có đặc điểm:

a. Kênh FDMA chỉ phục vụ duy nhất một thuê bao tại một thời điểm b. Nếu một kênh FDMA không được dùng, thì nó không được tái sử

dụng bởi một user khác. c. Sau khi đã gán một kênh thoại, BS và MS tiến hành thu và phát

một cách liên tục đồng thời. d. Băng thông kênh FDMA nhỏ (30KHz) e. Thời gian của ký hiệu (symbol) thường lớn hơn thời gian trễ tín

hiệu. f. FDMA là phương pháp truyền dẫn liên tục nên ít cần các bit phục

vụ mục đích định tuyến. g. FDMA cần cấu trúc lọc RF chặt chẽ để tối thiểu hóa giao thoa giữa

các kênh thông tin kế cận. h. Tổng số kênh có thể hoạt động đồng thời trong một hệ thống

c

guardtot

BBB

N2−

=

FDMA là:

• Btot: Tổng số phổ được phân phối • Bguard: Băng tần bảo vệ xung quanh mỗi kênh • Bc: Băng tần sử dụng của mỗi kênh

b) Phương pháp TDMA

Channel 1

Channel 2

Channel 3

Channel n

Buffer 1

Buffer 2

Buffer 3

Buffer n

Channel 2Channel 3Channel n

Clock

Channel 1

One Channel of FDMA

Channel 1

Channel 2

Channel 3

Channel n

Buffer 1

Buffer 2

Buffer 3

Buffer n

Channel 2Channel 3Channel n

Clock

Channel 1

One Channel of FDMA

Các người sử dụng được truy nhập vào kênh thông tin chung trên cơ sở phân chia theo thời gian. TDMA có đặc điểm:

a. Mỗi user chiếm một khe thời gian lặp lại theo chu kỳ b. TDMA chia một sóng mang đơn cho một user. Số khe thời gian

trong mỗi khung phụ thuộc vào kỹ thuật điều chế, băng thông… c. Truyền dẫn ở TDMA không liên tục. d. Quá trình xử lý chuyển giao cuộc gọi giữa các Cell là đơn giản, MS

có thể theo dõi các trạm gốc khác nhau trong suốt quá trình nghỉ. e. TDMA sử dụng các khe thời gian khác nhau cho phát và thu. f. Quá trình đồng bộ khung rất cần thiết và đòi hỏi chính xác để

phía thu tách sóng đúng.

• Btot: Tổng số phổ được phân phối • Bguard: Băng tần bảo vệ xung quanh mỗi kênh • Bc: Băng tần sử dụng của mỗi kênh • M: Số User cực đại trong một kênh vô tuyến

c) Phương pháp CDMA

c

guardtot

BBBm

N)2( −

=

Voice Data

PN Code

Carrier

RF AmpEncoding BPF

1.25MHz14.4KHz

ffc

f

S(t)

AA

d(t)

p(t)

S(t) = d(t)p(t) S(t) = d(t)p(t)cos

cosωct

Voice Data

PN Code

Carrier

RF AmpEncoding BPF

1.25MHz14.4KHz14.4KHz

ffc

f

S(t)

AA

d(t)

p(t)

S(t) = d(t)p(t) S(t) = d(t)p(t)cos

cosωct

Đặc điểm của hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã: Ưu điểm:

- Dung lượng lớn (10-15 lần so với AMPS) o Coding/Modulation Scheme o Voice Activity o Sectorization o Universal Frequency Reuse

A ED

C DF

G F CE

B

B GA ED

C DF

G F CE

B

B G

A A AA

A A AA

A A AA

A

A A AA

A A AA

A A AA

A

AMPS Frequency Reuse of 7 CDMA Frequency Reuse 1(Reuse planning not required)

- Chất lượng dịch vụ cao: o Khắc phục nhiều trong vấn đề Fading đa đường nhờ sử dụng các

bộ thu RAKE o Giảm tỉ lệ rơi cuộc gọi do áp dụng được chuyển giao mềm o Tùy vào yêu cầu dịch vụ, tốc độ của Voice Coder (Vocoder) có

thể điều chỉnh tốc độ mã hóa thoại khác nhau. - Giới hạn mềm về dung lượng: - Hạn chế can nhiễu:

o Sử dụng kỹ thuật trải phổ o Bộ thu chỉ giải trải phổ tín hiệu cần thiết và trải phổ can nhiễu

trong nền tín hiệu thu được - Chuyển giao (Handoff) mềm:

o Do các cell kế cận sử dụng cùng tần số

o Giảm được tỉ lệ cuộc gọi bị rơi - Điều khiển công suất và công suất phát thấp

o Áp dụng các kỹ thuật điều khiển công suất tối ưu o Tỉ lệ tín hiệu/nhiễu thấp hơn FDMA, TDMA o Tăng dung lượng hệ thống, giảm công suất phát (kéo dài thời

gian họat động của Pin) o Giảm công suất tiêu thụ, giảm được kích thước máy CDMA

- Bảo mật cuộc gọi o Sử dụng kỹ thuật trải phổ và các chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN

trong truyền dẫn - Hỗ trợ các dịch vụ gia tăng

o Voice Dialing Service, VMS(Voice Mailing Service), SMS(Short Message Service)

o Fax, Packet Data, VOD(Video on Demand), Multi-media Service - Tính kinh tế cao

o Dễ qui hoạch cell và hệ thống cần ít cell hơn so với AMPS o Phát công suất ít hơn chi phí ít hơn cho hệ thống

FDMA TDMA CDMA Kênh/Sóng mang 1 N>1. Một khung

TDMA gồm N khe thời gian đuwojc chỉ định dùng cho mõi khe thời gian khác nhau

N>1. Tất cả các thuê bao phát đồng thời trên cùng một băng thông.

Phát Liên tục, đồng thời trên đường Uplink và Downlink

Không liên tục, phát và thu tại các khe thời gian không chéo nhau

Liên tục đồng thời trên đường Uplink và Downlink.

Băng tần/kênh tần số

Băng tần hẹp BW tương đối BW rất rộng.

Nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu

Không đáng kể Có giá trị, dẫn đến sự phân chia khoảng cách phát N phần

Có giá trị, máy thu RAKE được sử dụng.

Tổng số Bit/Khung Thấp Cao, chứa các Bit đồng bộm bit bảo vệ và Bit giám sát

Tương đối thấp, nhưng yêu cầu có thêm kênh Pilot để yêu cầu cho

việc tách sóng liên tục

Phần cứng Đơn giản BW tương đối phức tạp do bộ cân bằng đồng bộ phức tạp

Rất phức tạp do yêu cầu xử lý tốc độ cao trên băng rộng

Ghép Duplex Yêu cầu Không cần thiết vì phát và thu tại những khe thời gian khác nhau

Yêu cầu

Chuyển giao Handoff

Máy phát và thu của BS liên tục nên không hiểu được Handoff

Thực hiện được vì MS luôn họat động để giám sát các BS trong N-1 khe thời gian khác. Do đó có thể thực hiện được Handoff nhanh.

Thực hiện được vì MS sử dụng máy thu RAKE để kiểm tra BS khác. Ngoài ra còn có chuyển giao mềm.

Chi phí BS Cao, một máy phát và máy thu cho mỗi kênh

Thấp Chi phí đường truyền RF thấp nhưng bộ xử lý BS chi phí cao.

Nhiễu băng hẹp Bị ảnh hưởng, làm giảm đặc tính hệ thống

Ảnh hưởng và làm giảm đặc tính hệ thống

Không ảnh hưởng vì nhiễu băng hẹp bị suy giảm đáng kể tại bộ nén phổ ở máy thu

Tái sử dụng tần số Cần thiết Cần thiết Không cần thiết Điều khiển công suất

Điều khiển chậm Điều khiển, dung lượng không tăng

Điều khiển nhanh, đặc tính hữu hiệu

Các dịch vụ mới Dung lượng phát bằng số lượng khe thời gian tại các kênh tần số

Dung lượng phát bằng số lượng các khe thời gian tại các kênh tần số

Phục vụ các dịch vụ với tốc độ bit phát khác nhau

Nhiễu băng hẹp 1 N>1. Một khung TDMA gồm N khe thời gian đuwojc chỉ định dùng cho mõi khe thời gian khác nhau

N>1. Tất cả các thuê bao phát đồng thời trên cùng một băng thông.

Phát Liên tục, đồng thời trên đường Uplink và Downlink

Không liên tục, phát và thu tại các khe thời gian không chéo nhau

Liên tục đồng thời trên đường Uplink và Downlink.

Băng tần/kênh tần số

Băng tần hẹp BW tương đối BW rất rộng.

◊ Bảng thông số kỹ thuật của các phương pháp đa truy nhập Thông số FDMA TDMA CDMA Dải tần vô tuyến 12.5MHz 12.5MHz 12.5MHz Tái sử dụng tần số K=7 K=7 K=1 Dải thông kênh vô tuyến

0.03MHz 0.03MHz 1.25MHz

Số kênh vô tuyến/dải

416 416 10

Số kênh vô tuyến/1cell

58 58 10

Số kênh lưu thông trong 1 kênh vô tuyến

1 3 20

Số kênh lưu thông trong một cell

57 168 200

Số dải quạt trong 1 cell

3 3 3

Số kênh lưu thông/dải

19 56 200

Dung lượng 100% 300% 1000%

9.2. Kỹ thuật thông tin trải phổ 9.2.1. Khái niệm về kỹ thuật trải phổ

Thông tin trải phổ là một hệ thống thông tin mà tín hiệu sử dụng mã trải phổ có bề rộng phổ lớn hơn bề rộng phổ của tín hiệu. Trong trường hợp này mã sử dụng là độc lập với hệ thống tín hiệu thông tin.

Vấn đề đặt ra là tại sao lại sử dụng kỹ thuật trải phổ trong hệ thống thông tin. Để đánh giá ảnh hưởng của tạp âm đến chất lượng của hệ thống thông tin, người ta sử dụng hai tham số:

- Tỷ số tín hiệu trên tạp âm ở đầu ra. - Xác suất lỗi BER.

Dựa vào kết quả nghiên cứu thông tin, người ta chỉ rõ ra rằng: với một mức tạp âm đã cho, việc nâng cao tỷ số tín hiệu trên tạp âm không thể thực hiện một cách tùy tiện mà phải trả giá cho một trong ba cách sau:

- Cách 1: Tăng công suất của nguồn tín hiệu, tuy nhiên biện pháp này không phải lúc nào cũng hợp lý và thực hiện được.

- Cách 2: Tăng độ dài tín hiệu, có nghĩa là kéo dài thời gian làm việc của hệ thống thông tin. Sử dụng phương pháp này nâng cao tỷ số tín hiệu/tạp âm, nhưng phải trả giá bởi tốc độ truyền tin bị giảm.

- Cách 3: Trải phổ tín hiệu.

9.2.2. Định nghĩa hệ thống thông tin trải phổ

Một hệ thống thông tin gọi là hệ thống trải phổ nếu nó thoả mãn đầy đủ các yêu cầu sau:

- Thứ nhất: Tín hiệu sau trải phổ chiếm một độ rộng băng truyền dẫn lớn hơn nhiều lần độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết để truyền đi thông tin.

- Thứ hai: Sự trải phổ được thực hiện bởi tín hiệu trải phổ thường được gọi là mã trải phổ. Mã trải phổ này độc lập với tín hiệu.

- Thứ ba: Tại phía thu việc nén phổ để khôi phục lại tín hiệu ban đầu được thực hiện bởi sự tương quan giữa tín hiệu thu được với bản sao được đồng bộ của tín hiệu trải phổ đã được sử dụng ở phía phát.

Như vậy, một số tín hiệu thông tin sử dụng các kỹ thuật điều chế truyền thống như điều tần, điều pha, điều xung mã... có độ rộng băng tần truyền dẫn lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết để truyền dữ liệu nhưng không phải là điều chế trải phổ, lý do là trong các hệ thống thông tin này kỹ thuật điều chế số không thoả mãn yêu cầu thứ hai và ba của định nghĩa hệ thống trải phổ. Kỹ thuật trải phổ áp dụng có hiệu quả trong các hệ thống thông tin dải rộng do có những ưu điểm lớn trong việc cải thiện chất lượng thông tin, kỹ thuật truyền dẫn, dung lượng chức năng điều khiển và khả năng chống nhiễu.

Ta xem xét mô hình một hệ thống thông tin trải phổ như sau:

nS()ε - k kªnh th«ng tinWS

u(t) i(t)

=− ()

()

1 εε nS

M y ph t M y thu

Những thành tựu trong thông tin số truyền thống dựa trên nền tảng của ý tưởng phát càng nhiều thông tin trong một băng hẹp càng tốt. Các hệ thống thông tin này gọi là hệ thống thông tin băng hẹp (tín hiệu thông tin băng hẹp thông thường được ký hiệu là Sn). Trong mô hình hệ thống thông tin trải phổ này (hình 1.1), hoạt động của máy

phát và máy thu có thể chia làm hai bước: Tại máy phát: - Bước 1: Chúng ta xem như là điều chế cấp một, tín hiệu được hình thành d(t) →

Sn. - Bước 2: Bước điều chế cấp hai là nơi áp dụng kỹ thuật trải phổ, ký hiệu ε(), kết

quả của cấp điều chế này là việc mở rộng phổ tín hiệu thành băng tần rất rộng. Tín hiệu này ký hiệu là Sw, được điều chế với mã trải phổ.

Tại máy thu: - Bước 1: Là việc nén phổ được ký hiệu ε-1(), thực chất của quá trình nén phổ như

đã trình bày là việc tương quan tín hiệu thu được Sw với bản sao mã trải phổ được đồng bộ nên tạp âm có ε-1() = ε().

- Bước 2: Sau trải phổ tín hiệu băng thông Sw được khôi phục lại về băng gốc Sn của tín hiệu băng hẹp. Ðến đây tín hiệu băng hẹp Sn qua giải điều chế tín hiệu băng hẹp để trở về dạng băng gốc d(t).

9.2.3. Các ưu điểm của hệ thống trải phổ 9.2.3.1. Ưu điểm triệt nhiễu:

Máy thu liệu có thể khắc phục được các ảnh hưởng của các loại nhiễu ra cố ý như thế nào, ngay cả khi công suất nhiễu lớn hơn nhiều so với công suất tín hiệu đã phát đi. Các nghiên cứu lý thuyết thông tin cổ điển về kênh tạp âm trắng - cộng - dừng Gaussian đã gợi ý để trả lời cho câu hỏi này. Tạp âm trắng Gaussian là một mô hình toán học, theo định nghĩa có phổ năng lượng phân bố đều vô hạn tất cả các tần số. Thông tin sở dĩ vẫn có thể đạt được bởi vì: tạp âm trắng có phổ năng lượng phân bố đều vô hạn tất cả các tần số, song chỉ có các thành phần tạp âm trong không gian tín hiệu (hay nói một cách khác là các thành phần này chiếm các toạ độ giống như các thành phần của tín hiệu) gây ra các ảnh hưởng có hại. Lấy ví dụ như với một tín hiệu băng hẹp (Narrowband Signal) thì điều đó có nghĩa là chỉ có các thành phần tạp âm trong bề rộng phổ tín hiệu mới có thể gây ảnh hưởng giảm đặc tính của hệ thống. Ta có thể hiểu ý tưởng của tín hiệu trải phổ chống nhiễu như sau: nhận xét rằng sẵn có nhiều toạ độ tín hiệu trực giao hay các phân lượng phổ để thiết lập việc liên kết thông tin và chỉ có một tập con của các toạ độ tín hiệu này được sử dụng tại bất cứ lúc nào. Ta giả thiết rằng phía gây nhiễu không xác định được tập con tín hiệu mà hiện đang được sử dụng. Với các tín hiệu có bề rộng phổ bằng W và thời gian tồn tại là T thì số các phân lượng phổ xấp xỉ là 2WT. Nếu xét riêng với một loại tín hiệu cho trước, đặc tính lỗi của hệ thống là một hàm của tỷ số năng lượng bit/tạp âm - ký hiệu Eb/N0. Để chống lại tạp âm trắng Gaussian với năng lượng vô hạn, sử dụng trải phổ (có bề rộng băng sau trải phổ lớn hơn 2WT) không cho phép cải thiện đặc tính của hệ thống. Tuy nhiên khi tạp âm có công suất cố định và phía gây nhiễu lại không biết chắc chắn tập con tín hiệu nào hiện liên kết thông tin đang sử dụng, rõ ràng rằng trong trường hợp này phía gây nhiễu sẽ phải chọn một trong hai chiến thuật sau đây để tạo nhiễu:

• Chiến thuật 1: Phía gây nhiễu tạo nhiễu ở tất cả các toạ độ tín hiệu của hệ thống với năng lượng nhiễu là bằng nhau tại tất cả các toạ độ trong băng phổ tín hiệu. Như vậy công suất nhiễu gây ra sẽ bị giảm nhỏ.

• Chiến thuật 2: Tập trung công suất nguồn nhiễu vào một băng hẹp nào đó của phổ tín hiệu. Phương pháp này gia tăng được công suất nhiễu nhưng xác suất tác động đúng vào toạ độ phổ của tín hiệu có ích sẽ bị giảm nhỏ.Hình 1.2 (a, b) là phương pháp trải phổ có mặt tạp âm trắng với việc trải phổ trong trường hợp tồn tại nhiễu cố ý. Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu trước khi trải phổ được biểu thị là G(f), và sau khi trải phổ là Gss(f). Để đơn giản hình vẽ chỉ mô tả theo không gian tần số. Hình minh hoạ cho ta thấy rằng mật độ phổ công suất một biên của tạp âm trắng N0 không thay đổi khi ta thực hiện trải phổ của tín hiệu từ W thành Wss. Công suất trung bình của tạp âm trắng (vùng phía dưới đường cong mật độ phổ) là vô hạn. Như vậy trải phổ trong môi trường tạp âm trắng không cải thiện được đặc tính của hệ thống.

N0

G(f)

GSS(f)

Trí c khi tr¶i phæ

Sau khi tr¶i phæWSS

W

N0

a)

b)

GSS(f)

WSS

GSS(f)

WSS

J0/P

d)

e)

G(f)

W

c)

• Hình (c,d,e) trình bày trường hợp công suất nhiễu thu được là J, như thế mật

độ phổ công suất nhiễu sẽ là J0 = J/W. Sau khi tín hiệu được trải phổ lần thứ nhất, phía gây nhiễu có thể chọn một trong hai phương án sau để tạo nhiễu.

a. Phương án gây nhiễu 1: Với phương án này mật độ phổ công suất tạp âm nhiễu sẽ giảm đi W/Wss lần. Kết

quả là mật độ phổ phổ công suất tạp âm nhiễu bây giờ là: J0 = J/Wss. Và J0 lúc này được xem như mật độ phổ công suất nhiễu tạp âm băng rộng (Broadband Noise).

b. Phương án gây nhiễu 2:

Với phương án này phía gây nhiễu tập trung trong dải hẹp của toạ độ phổ tín hiệu. Tuy nhiên bằng cách này phía gây nhiễu có thể tăng mật độ phổ tạp âm nhiễu từ J0 lên J0/p trong đó p là tỉ số giữa một phần độ rộng băng trải phổ đã được phía gây nhiễu lựa chọn để gây nhiễu và độ rộng băng trải phổ Wss (như vậy 0 ≤ p ≤ 1). Ta có thể thấy ngay rằng với phương án này, nếu phía gây nhiễu lựa chọn các toạ độ tín hiệu gây nhiễu mà không hợp lý thì hiệu quả của việc gây nhiễu sẽ rất kém.

Nói tóm lại, để chống lại nhiễu cố ý thì phải lựa chọn sự phân bố tín hiệu sao cho phía gây nhiễu khó mà có thể thiết lập được tỉ số công suất tạp âm nhiễu trên tín hiệu lớn trong phân bố tín hiệu này.

9.2.3.2. Giảm mật độ năng lượng:

Giả thiết ta có một yêu cầu rằng một hệ thống thông tin vô tuyến mà việc tách sóng không thể thực hiện được bằng bất cứ máy thu nào ngoài máy thu đã được định trước. Các hệ thống thông tin được thiết kế nhằm thoả mãn yêu cầu đặc biệt này được hiểu như các hệ thống thông tin xác suất tách sóng thấp (Low Probability of Detection - LPD). Các hệ thống thông tin này được thiết kế sao cho việc tách sóng các tín hiệu của hệ thống đối với bất cứ máy thu nào ngoài máy thu đã định trước càng khó càng tốt. Mục đích của một hệ thống như thế là nhằm sử dụng công suất tín hiệu tối thiểu và hệ thống phân lượng phổ tối ưu, điều đó dẫn tới xác suất tách sóng được tín hiệu là rất thấp. Do trong các hệ thống trải phổ, phổ tín hiệu được trải ra trên nhiều toạ độ phân lượng phổ hơn các hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế thông thường, do vậy công suất trung bình của tín hiệu được trải đều và mỏng trên toàn bộ miền trải phổ. Cũng vì lý do đó mà trải phổ tín hiệu không những hạn chế được ảnh hưởng của nhiễu mà sự tồn tại của tín hiệu cũng khó mà phát hiện ra được. Với bất kỳ máy thu nào khác không có bản sao được đồng bộ của mã trải phổ được sử dụng ở phía phát thì tín hiệu trải phổ dường như bị chìm trong nhiễu.

9.2.3.3. Truy nhập đa đường phân chia theo mã:

Phương thức truy nhập đa đường phân chia theo mã là phương thức thông tin dựa trên nền tảng của kỹ thuật trải phổ băng rộng. Phương thức này dựa trên nguyên tắc là mỗi người sử dụng được chỉ định một mã số xác định độc lập với những người sử dụng khác trong cùng hệ thống và cùng sử dụng chung một băng tần phát rộng của hệ thống. Một trong những tính năng của kỹ thuật đa truy nhập là khả năng cung cấp thông tin an toàn, giữa những người sử dụng không hợp lệ (người không có mã trải phổ) không dễ dàng can thiệp vào thông tin của những người sử dụng khác.

9.2.3.4. Khả năng phân dải theo thời gian cao:

Các tín hiệu trải phổ có thể được ứng dụng cho việc xác định vị trí hoặc cự ly đòi hỏi độ chính xác cao. Nguyên lý của việc xác định cự ly là đo thời gian xung thăm dò truyền từ nơi phát qua kênh truyền dẫn tới mục tiêu và quay trở về. Do sai số của phép đo thời gian là δt tỉ lệ nghịch với bề rộng phổ của xung, nghĩa là: δt = 1/W.

Nên xung thăm dò có bề rộng phổ càng lớn thì phép đo cự ly sẽ càng chính xác. Trên kênh Gaussian, phép đo lường một lần trên một xung duy nhất có độ tin cậy thấp vì các lý do sau:

- Thời gian xác lập của xung thăm dò lớn, khi bề rộng phổ của xung lại tỷ lệ nghịch với đại lượng này, do vậy sai số δt của phép đo lớn.

- Do sử dụng phép đo lường một lần trên một xung duy nhất, nên để nâng cao độ chính xác của phép đo ta phải tiến hành nhiều lần đo, làm như vậy vừa mất thời gian vả lại do các lần đo được tiến hành không đồng thời dẫn tới sai số giữa các lần đo lớn.

Nếu sử dụng kỹ thuật trải phổ để đo lường cự ly: thay cho việc phát đi một xung thăm dò duy nhất ta sử dụng một dãy xung. Trước khi phát đi chùm xung này được điều chế trải phổ. Ở phía thu, nhờ việc tương quan giữa tín hiệu thu được với bản sao mã trải phổ mà dãy xung thăm dò được phục hồi. Bằng việc đo chênh lệch giữa thời điểm phát và thời điểm thu nhận chùm xung thăm dò ta sẽ xác định được thời gian trễ truyền của chùm xung. Lý do như sau:

- Tín hiệu sau trải phổ (tín hiệu phát đi) có bề rộng phổ rất lớn do vậy sẽ giảm được sai số δt.

- Bằng việc sử dụng một dãy xung thăm dò, cùng một lúc ta thực hiện được nhiều phép đo liên tiếp, vừa giảm được thời gian đo, vừa giảm sai số giữa các lần đo, nên phép đo càng chính xác hơn.

9.2.4. Mô hình trải phổ triệt nhiễu:

≈

Cơ sở kỹ thuật trải phổ

Hình vẽ trên trình bày mô hình trải phổ triệt nhiễu. Tại bộ điều chế, thông tin s(t) với tốc độ Rss (ký hiệu/s) được nhân với mã trải phổ c(t) có tốc độ ký hiệu mã, thường gọi là tốc độ chíp của mã, ký hiệu là Rc (chip/s). Giả sử bề rộng phổ của s(t) và c(t) tương ứng là Ws(Hz) và Wc(Hz). Việc nhân theo thời gian chuyển sang tích chập trong miền tần số như sau:

s(t).c(t) ↔ S(ω)*C(ω)

Bởi vậy nếu tín hiệu có phổ hẹp so với mã trải phổ thì tín hiệu kết quả của tích

s(t).c(t) sẽ là tín hiệu có bề rộng phổ xấp xỉ bằng bề rộng phổ của mã trải phổ (Ws≈Ws).

Tại bộ giải điều chế, tín hiệu thu sẽ được nhân với bản sao được đồng bộ của mã trải phổ (mã trải phổ tại máy thu). Giả sử việc nhân là lý tưởng, và tín hiệu truyền đi không bị nhiễu, kết quả là phổ của tín hiệu thu được sẽ bị nén xuống. Bộ lọc thông dải R được sử dụng để lọc đi bất cứ thành phần tần số cao nào. Nếu có bất kỳ một tín hiệu không mong muốn nào tại máy thu, do việc nhân với mã trải phổ c(t) mà các thành phần tín hiệu này sẽ bị trải phổ với cách thức tương tự như việc trải phổ thông tin ở phía máy phát. Như vậy tại phía thu, tín hiệu thu bị nén phổ lại, sau đó được lọc để tách trở lại tín hiệu ban đầu, trong khi ấy phổ của các thành phần tín hiệu không mong muốn lại bị trải rộng ra, do đó mật độ phổ công suất tín hiệu sau khi nén phổ được tăng lên còn mật độ phổ các tín hiệu không mong muốn lại bị giảm đi. Như vậy, sau quá trình nén phổ nếu so sánh tỉ số tín hiệu trên tạp âm tại lối vào máy thu và lối ra bộ trộn nén phổ ta có thể phát biểu rằng tỉ số tín hiệu trên tạp âm lối ra bộ trộn nén phổ đã được nâng lên. Nói tóm lại, ta có thể trình bày ngắn gọn bản chất khả năng triệt nhiễu của hệ thống trải phổ như sau:

• Tại máy phát: bằng việc nhân tín hiệu với mã trải phổ, phổ tín hiệu có ích được trải ra trên toàn bộ bề rộng băng trải phổ (trải phổ lần một).

• Tại phia thu: tín hiệu thu được nén phổ nhờ việc nhân với bản sao đã được đồng bộ của mã trải phổ, tiếp đó nhờ quá trình lọc tín hiệu có ích được tách trở lại (trải phổ lần hai).

• Tín hiệu có ích được phục hồi sau lần trải phổ thứ hai ở máy thu (thực chất là quá trình nén phổ), trong khi đó do nhiễu chỉ được nhân với mã trải phổ có một lần nên phổ của nó bị trải rộng ra trên toàn bộ bề rộng băng trải phổ dẫn đến mật độ phổ công suất của nó bị suy giảm đi nhiều lần. Trong ví dụ minh hoạ này, ta giả sử rằng tốc độ dòng mã trải phổ Rs lớn hơn 3 lần tốc độ dòng bit dữ liệu Rb, và cả hai phép điều chế: điều chế tín hiệu và điều chế trải phổ đều là điều chế khoá dịch pha nhị phân (BPSK).

9.2.5. Phân loại các kỹ thuật trải phổ:

Việc nâng cao các thông số đánh giá chất lượng của hệ thống thông tin bao gồm tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/N trong các hệ thống tương tự và tỉ số bit lỗi BER trong các hệ thống số, có thể được thực hiện bằng các phương pháp trải phổ trực tiếp và nhảy thời gian. Kết quả của hai phương pháp này là việc tăng phân lượng phổ của tín hiệu. Một tín hiệu có độ rộng băng là W(Hz) sẽ có số phân lượng phổ là 2WT.

Với kỹ thuật nhảy thời gian, một bản tin có tốc độ dòng số R sẽ được phân bố để truyền trong khoảng thời gian lớn hơn. Tác dụng chống nhiễu của kỹ thuật này thể hiện ở chỗ phía gây nhiễu sẽ có xác suất thấp hơn trong việc gây nhiễu đúng vào toạ độ thời gian mà tín hiệu có ích đang được truyền đi từng loạt theo sự điều khiển của mã. Do đó để gia tăng phân lượng phổ trong kỹ thuật trải phổ thường sử dụng hai phương pháp cơ bản sau:

• Trải phổ trực tiếp (Direct Sequence - DS): Trong kỹ thuật này, mã trải phổ sẽ trải phổ tín hiệu đã bị điều chế bởi dữ liệu cần truyền một cách trực tiếp.

• Trải phổ nhảy tần (Frequency Hopping - FH): Trong kỹ thuật này, mã trải phổ sẽ tác động điều khiển bộ tạo sóng mang sau đó sóng mang này sẽ được điều chế bởi dữ liệu cần truyền.

Cũng có các kỹ thuật trải phổ khác mà là sự kết hợp của hai kỹ thuật trải phổ nêu trên, lấy ví dụ như kỹ thuật DS/FH; FH/TH; DS/FH/TH... Tuy nhiên các kỹ thuật này được xem như sự mở rộng đơn giản của hai kỹ thuật trên, nên không được xét một cách chi tiết.

Có hai cấu hình hệ thống trải phổ mà người thiết kế có thể sử dụng để đảm bảo cho máy thu và máy phát hoạt động đồng bộ với cùng một tập hợp các tín hiệu ngẫu nhiên. Ðó là hai hệ thống:

• Hệ thống chuẩn phát (Transmitted Reference - TR) • Hệ thống chuẩn lưu giữ ( Stored Reference - SR)

9.2.5.1. Hệ thống chuẩn phát

Trong những năm đầu nghiên cứu về kỹ thuật trải phổ, một trong những kỹ thuật được xét đến để đồng bộ mã trải phổ thực sự ngẫu nhiên như tạp âm băng rộng ở máy

thu và máy phát - được gọi là hệ thống chuẩn phát. Trong hệ thống chuẩn phát, máy phát có thể truyền đi hai biến thái của sóng mang băng rộng không thể dự đoán trước được, trong đó:

• Một sóng mang được điều chế với dữ liệu • Sóng mang còn lại không được điều chế Hai tín hiệu này được phát đi trên hai kênh riêng biệt. Phía thu sẽ sử dụng thành

phần sóng mang không được điều chế như một tín hiệu chuẩn để nén (hay tương quan) thành phần kia.

Ưu điểm cơ bản của hệ thống chuẩn phát là việc đồng bộ mã trải phổ tại máy thu không phải là vấn đề quan trọng, là do mã trải phổ điều chế dữ liệu và mã trải phổ sử dụng cho quá trình nén tín hiệu ở phía máy thu đã được phát đi đồng thời. Nhưng bên cạnh đó, hệ thống này cũng có những nhược điểm như sau:

• Mã trải phổ được truyền đi công khai, do đó bất cứ một đối tượng nào cũng có thể can thiệp được vào quá trình truyền tin. Như thế tính chất bảo mật của thông tin sẽ bị giảm.

• Hệ thống dễ dàng bị đánh lạc hướng khi phía gây nhiễu phát đi một cặp tín hiệu phù hợp với tải tin tới phía thu.

• Do tạp nhiễu tồn tại trên cả hai tín hiệu, trong trường hợp tín hiệu nhỏ, hiệu quả truyền tin sẽ bị giảm.

• So với các hệ thống thông tin thông thường, hệ thống loại này yêu cầu bề rộng băng truyền dẫn và công suất phát tăng gấp hai lần.

9.2.5.2. Hệ thống chuẩn lưu giữ

Tất cả các hệ thống trải phổ kiểu mới đều sử dụng mô hình hệ thống được gọi là hệ thống chuẩn lưu giữ, trong đó mã trải phổ được tạo ta một cách độc lập ở cả máy thu và máy phát. Đặc điểm cơ bản của hệ thống chuẩn lưu giữ là: một mã trải phổ được thiết kế tốt khó có thể xác định được thông qua việc giám sát quá trình truyền dẫn. Lưu ý rằng mã trải phổ trong các hệ thống chuẩn lưu giữ không thể thực sự ngẫu nhiên như trong các hệ thống chuẩn phát. Do mã trải phổ giống nhau cần được tạo ra độc lập tại hai hoặc nhiều vị trí, dãy mã cần được xác định được mặc dù sự xuất hiện của nó là ngẫu nhiên đối với các đối tượng trái phép. Các tín hiệu xác định nhưng lại xuất hiện ngẫu nhiên này được gọi là các tín hiệu giả tạp âm hay giả ngẫu nhiên (Pseudonoise hoặc Pseudo-random).

9.2.5.3. Các dãy mã giả tạp âm:

Hệ thống trải phổ theo mô hình chuẩn phát có thể sử dụng mã trải phổ thực sự ngẫu nhiên để trải và nén phổ tín hiệu bởi vì hai tín hiệu phát đi trong đó: một là mã trải phổ điều chế dữ liệu, và một không phải điều chế dữ liệu được truyền dẫn đồng

thời trên các miền phổ khác nhau. Còn với mô hình chuẩn lưu giữ lại không thể sử dụng mã trải phổ loại này do mã

cần được lưu giữ hoặc tạo ra ở phía thu. Hệ thống trải phổ sử dụng mô hình chuẩn lưu giữ cần phải sử dụng mã trải phổ giả ngẫu nhiên hoặc giả tạp âm.

Vậy tín hiệu giả ngẫu nhiên khác với tín hiệu thực sự ngẫu nhiên như thế nào ? Tín hiệu ngẫu nhiên thì không thể xác định được, sự biến đổi tiếp theo của nó chỉ

có thể miêu tả được bằng bảng thống kê. Tuy nhiên tín hiệu giả ngẫu nhiên thì không hoàn toàn ngẫu nhiên, nó là tín hiệu có chu kỳ xác định và có thể dự đoán trước được ở cả phía thu và phía phát. Tại sao nó lại có tên là giả ngẫu nhiên hoặc giả tập âm ? Mặc dù là tín hiệu xác định, nhưng sự suất hiện của nó có tính chất thống kê của tạp âm trắng và với các đối tượng trái phép sự suất hiện của nó thực sự là ngẫu nhiên.

a. Các chỉ tiêu ngẫu nhiên

Có ba chỉ tiêu cơ bản có thể áp dụng cho các dãy nhị phân tuần hoàn như là các chỉ tiêu của sự suất hiện ngẫu nhiên. Ðó là các chỉ tiêu:

• Tính cân đối: Để cân đối tốt yêu cầu trong mọi chu kỳ của dãy số, số các con số nhị phân 1 và 0 khác nhau nhiều nhất một đơn vị.

• Tính chạy: Một bước chạy được định nghĩa là một dãy các bit cùng loại. Sự xuất hiện của các bit khác loại chỉ ra một bước chạy mới. Ðộ dài của một bước chạy là số bit chứa trong bước đó. Trong số các bước chạy của một chu kỳ mã nếu có 1/2 bước chạy mỗi loại là độ dài 1; 1/4 bước chạy là độ dài 2; 1/8 bước chạy là độ dài 3 và cứ như vậy.

• Tính tương quan: Nghĩa là khi so sánh theo kiểu số hạng - số hạng (term by term) một dãy với chính dãy ấy nhưng bị dịch đi; dãy có tính tương quan tốt nếu như số số hạng giống nhau khác với số số hạng không giống nhau không quá một chỉ số đếm.

b. dãy ghi dịch

Trong ví dụ này, chuỗi ghi dịch được định nghĩa là chuỗi thu được tại lối ra của phần tử X4.

X1 X2 X3 X4

Đường hồi tiếp Cộng Modul 2

Ra

Giả sử trạng thái ban đầu của bộ ghi dịch là 1000. Như thế ta sẽ có trạng thái tiếp

theo của bộ ghi dịch. Ta thấy rằng sau 15 xung nhịp bộ ghi dịch lại quay trở về trạng thái ban đầu là 1000. Dãy tín hiệu thu được tại lối ra của phần tử X4 sau 15 xung nhịp

là: 000100110101111 Trong đó các bit ngoài cùng bên trái là các bit mới. Tiếp theo ta kiểm tra dãy thu

được ở trên xem nó có thoả mãn các chỉ tiêu ngẫu nhiên đã trình bày hay không. Trước tiên xét tính cân đối của dãy tín hiệu thu: Trong dãy có tất cả 7 con số 0 và

8 con số 1, chênh lệch giữa chúng là 1. Như vậy tính cân đối đã được thoả mãn. Xét tính chạy: Có tất cả 4 bước chạy 0; 4 bước chạy 1; một nửa là độ dài 1, một

phần tư là độ dài 2; một phần tám là độ dài 3... Do dãy quá ngắn để ta có thể tiếp tục kiểm tra, nhưng cũng đủ cho ta thấy rằng tính chạy cũng đã được thoả mãn.

Bảng trạng thái của bộ ghi dịch Xung nhịp tác động Trạng thái của bộ tạo mã

T0 1 0 0 0

T1 0 1 0 0

T2 0 0 1 0

T3 1 0 0 1

T4 1 1 0 0

T5 0 1 1 0

T6 1 0 1 1

T7 0 1 0 1

T8 1 0 1 0

T9 1 1 0 1

T10 1 1 1 0

T11 1 1 1 1

T12 0 1 1 1

T13 0 0 1 1

T14 0 0 0 1

T15 1 0 0 0

Bộ ghi dịch các dãy tùy thuộc vào số phần tử nhớ, cách đưa hồi tiếp và các điều

kiện ban đầu. Dãy đầu ra bộ ghi dịch được phân loại ra: Dãy có độ dài tối đa hoặc dãy có độ dài không tối đa. Dãy có độ dài tối đa là dãy có tính chất nếu đưa dãy vào bộ ghi dịch hồi tiếp tuyến tính gồm n phần tư nhớ, thì sự lặp lại của dãy xuất hiện sau p xung nhịp, trong đó: p=2n - 1.

Như vậy ta có thể thấy ngay rằng dãy đang xét ở trên là dãy có độ dài tối đa. Còn trong trường hợp: p ≤ 2n - 1 thì dãy được gọi là dãy có độ dài không tối đa.

9.2.6. Các mã trải phổ

9.2.6.1. Chuỗi M

9.2.6.2. Chuỗi Gold

Chuỗi Gold có thể đuợc tạo ra bằng cách tạo 2 chuỗi M bằng các thanh ghi dịch rồi kết hợp lại.

9.3. Hệ thống thông tin di động CDMA 9.3.1. Khái niệm CDMA 9.3.1.1. Tại sao phải nói đến vô tuyến số Digital Wireless Communication

Tăng được tính sử dụng phổ vô tuyến Tăng cường khả năng truy cập vô tuyến Việc xử lý tín hiệu số tối đã được sử dụng tối đa Khả năng tích hợp cao trên VLSI Độ tin cậy và độ chính xác cao Tương thích với truyền thông dữ liệu và mạng số Giảm được kích thước và thiết bị cho các tế bào Cell

9.3.1.2. Môi trường vô tuyến

Nhiễu đồng kênh và nhiễu do kênh kế cận gây ra Long-term Fading do địa hình và do con người gây ra

- Propagation Loss : 20 ~ 40dB(tùy thuộc m.trường) - Shadow Loss : tùy thuộc và các vật chắn trên đường đi

Short-term Fading gây ra do phản xạ đa đường bởi các vật phân tán: - Multi-Path Fading (Rayleigh Fading) - Doppler Effect

Khắc phục vấn đề Fading : - Long Term Fading : Thiết kế BTS trên cơ sở các vấn đề về Propagation Loss, gia tăng them các BTS trong các vùng bị Shadow - Multipath Fading : Phân tập, Kỹ thuật trải phổ trực tiếp, dung các kênh Pilot. - Slow Fading : Error Correction Coding - Fast Fading : Error Correction Coding, Interleaving

9.3.1.3. Biện pháp đối phó với Fading: Interleaving

- Hoán vị các Symbol được phát đi Antenna Diversity

- Kết hợp các tín hiệu thu được từ các đường thu khác nhau Equalization

- Hạn chế can nhiễu ISI (Inter-Symbol Interference) RAKE receiver

9.3.2. Khái niệm về đa truy nhập FDMA, TDMA, CDMA:

power

time

time

frequency

power

time

time

frequency frequency

power

time

frequency

power

time

frequency

power

frequency

power

9.3.3. Dung lượng hệ thống CDMA 9.3.3.1. Đường Lên

100%

K1

6%

K2

0.2%0.03%

K30.01%

K4

Where :N : Calls per SectorW : Spread Spectrum Bandwidth [1.25MHz]R : Data Rate [9.6Kbps / 14.4Kbps]Eb/Io : Bit Energy / Io [7 dB]

(Io = Other User Interference Density)d : Voice Activity Gain [40%]f : Other Interference / Same Interference [0.6]η : Loading Factor [0.8]g : Reduction for Variable Power [0.85]

27 Users per Sector for R=9.6Kbps18 Users per Sector for R=14.4Kbps

13.5 Times than AMPS5 Times than TDMA

N = Eb / Io d 1 + fW / R 1 1

η g

100%

K1

6%

K2

0.2%0.03%

K30.01%

K4

100%

K1

6%

K2

0.2%0.03%

K30.01%

K4

Where :N : Calls per SectorW : Spread Spectrum Bandwidth [1.25MHz]R : Data Rate [9.6Kbps / 14.4Kbps]Eb/Io : Bit Energy / Io [7 dB]

(Io = Other User Interference Density)d : Voice Activity Gain [40%]f : Other Interference / Same Interference [0.6]η : Loading Factor [0.8]g : Reduction for Variable Power [0.85]

27 Users per Sector for R=9.6Kbps18 Users per Sector for R=14.4Kbps

13.5 Times than AMPS5 Times than TDMA

N = Eb / Io d 1 + fW / R 1 1

η g

9.3.3.2. Đường xuống

Number of users per cell (capacity) approximated by

user

overhead

FFCCapacity −

=1

- Foverhead : Fraction of power allocated to overhead channels- Fuser : Fraction of average power allocated to a user

Number of users per cell (capacity) approximated by

user

overhead

FFCCapacity −

=1

- Foverhead : Fraction of power allocated to overhead channels- Fuser : Fraction of average power allocated to a user

9.3.3.3. Cấu trúc cơ bản hệ thống truyền dẫn CDMA

Voice Encoding

Channel Encoding Interleaving Spread

Spectrum Digital

Modulation Multiple Access

Transmitter Output

Bit Stream Wave Form

Voice Decoding

Channel Decoding

De-Interleaving

De-Spread Spectrum

Digital Demodulation

Multiple Access

Receiver Input

Bit Stream Wave Form

< Forward Link Block Diagram >

< Reverse Link Block Diagram >

Voice Encoding

Channel Encoding Interleaving Spread

Spectrum Digital

Modulation Multiple Access

Transmitter Output

Bit Stream Wave Form

Voice Decoding

Channel Decoding

De-Interleaving

De-Spread Spectrum

Digital Demodulation

Multiple Access

Receiver Input

Bit Stream Wave Form

< Forward Link Block Diagram >

< Reverse Link Block Diagram > 9.3.3.4. Giới thiệu Wash Code:

o Gồm 64 mã, mỗi mã có độ dài đến 64 bits

o Các mã này trực giao với nhau: Correlation là zero giữa các mã o Cung cấp mỗi mã để nhận dạng cho mỗi kênh truyền

9.3.3.4.1. Mã trực giao: o Hai mã được gọi là trực giao nếu làm phép X-OR cho 2 chuỗi mã,

kết quả là số lượng ký tự 1 và 0 bằng nhau. o Cách tạo mã trực giao:

Example:

001101001101010010100110011001

Creating Orthogonal Codes:0 0 0

0 100 0001 0100 1101 10

• Repeat code- Right- Below

• Invert code(diagonally)

Example:

001101001101010010100110011001

Creating Orthogonal Codes:0 0 0

0 100 0001 0100 1101 10

• Repeat code- Right- Below

• Invert code(diagonally) 9.3.3.5. Cấu trúc bộ thu RAKE (RAKE Receiver): o Cho phép tách và kết hợp 2 tín hiệu lệch nhau về thời gian o Phương pháp phân tập theo thời gian nhằm giải quyết vấn đề về Fading

đa đường. o RAKE bao gồm các bộ tìm Searcher và các Finger o Khi chuyển giao mềm, nó thu nhận tín hiệu từ các BTS khác nhau và đồng

thời.

Path 1

Path 2

Path 3

Path 1

Path 2

Path 3

Correlator1

Correlator2

Correlator3

Correlator4

Path1Path1

Path1 Path1

Path1 Data

Path2 Data

Path3 Data

Path4 Data

Correlator1

Correlator2

Correlator3

Correlator4

Path1Path1

Path1 Path1

Path1 Data

Path2 Data

Path3 Data

Path4 Data

9.3.3.6. Mã hóa thoại Mã hóa thoại được thực hiện với các tốc độ khác nhau:

Rate set 1: 8 k (QCELP: Qualcomm Code Excited Linear Prediction, EVRC: Enhanced Variable Rate Code) 8.6kbps, 4.0kbps, 2.0kbps, 0.8kbps Rate set 2 : 13k (QCELP, EVRC) 13.35kbps, 6.25kbps, 2.75kbps, 1.05kbps

Vocoder

0123

…0322313

0123

…0322313 VocoderVocoder

0123

0123

…0322313

0123

0123

…0322313 Vocoder

9.3.3.7. Mã hóa kênh truyền: o Dùng để sữa lỗi trong truyền thông vô tuyến số o Lặp lại mỗi bit và gửi o Các kiểu mã hóa kênh

o Mã hóa khối o Map block của tín hiệu vào với một tín hiệu khác

o Convolutional Coding (thường dùng) o Mã hóa tín hiệu vào o Đặc tính sửa lỗi cao nhưng phần cứng phức tạp o Lưu trữ và phát hiện ra tín hiệu nhờ vào giải mã Viterbi

o Mã hóa Turbo o Đã được thêm vào hệ thống IS-2000 nhằm cung cấp dữ liệu

gói tốc độ cao o Tốt hơn Convolutional Coding nhưng phức tạp hơn

o Convolutional Encoder: o Thường dùng R=1/2 or R=1/4 trong Forward Channel o Thường dùng R=1/3 or R=1/4 trong Reverse Channel

9.3.3.8. Kỹ thuật lặp lại tín hiệu Mục đích:

o Việc lặp lại tín hiệu nhằm duy trì một tốc độ bit ở đầu ra o Các tín hiệu lặp sử dụng đầu vào của bộ trộn tín hiệu

9.3.3.9. Điều khiển công suất o Để duy trì dung lượng hệ thống trong điều kiện mức công suất thấp nhất

cho MS và BSS. o Tăng dung lượng các hướng kết nối và đảm bảo chất lượng dịch vụ o Điều khiển công suất vòng mở (Opened Loop Power Control):

o Điều khiển Tx để đảm bảo tổng CS phát + CS thu = Offset o CS Offset được xác định trên cơ sở băng tầng làm việc và tỉ lệ trải

phổ. o Điều khiển công suất vòng đóng (Closed Loop Power Control):

o BTS đo công suất nhận được vào mỗi 1.25ms o Sau đó BTS yêu cầu MS điều chỉnh công suất, bậc để điều chỉnh là

1dB. o Điều khiển công suất hướng xuống (Forward Link Power Control):

o Điều chỉnh mức công suất phát dựa trên báo cáo mức độ lỗi của thuê bao di động.

o Điều khiển công suất đường xuống nhanh o Mô tả điều khiển công suất vòng mở và vòng đóng

AGC

PA

Closed-Loop

MSReceiver

MSTransmitter

Open-Loop

Tx Gain Adjust

BS TRX

Power ControlCommand

MS Signal Strengthmeasure

FER Criterion+

AGC

PA

Closed-Loop

MSReceiver

MSTransmitter

Open-Loop

Tx Gain Adjust

BS TRX

Power ControlCommand

MS Signal Strengthmeasure

FER Criterion+

9.3.3.10. Chuyển giao mềm Soft Handoff

Input

Data Rate Repetition Rate Symbol Rate

FL / RL

9600

4800

2400 1200

No repetition

Repeat 1 time (2 symbols)

Repeat 3 times (4 symbols)

Repeat 7 times (8 symbols)

19200 / 28800

19200 / 28800

19200 / 28800

19200 / 28800

Rate

Set 1

14400

7200

3600

1800

No repetition

Repeat 1 time (2 symbols)

Repeat 3 times (4 symbols) Repeat 7 times (8 symbols)

28800 / 28800

28800 / 28800

28800 / 28800 28800 / 28800

Rate

Set 2

o Chuyển giao xảy ra giữa các sector thuộc một cell (α,β,γ) o Dữ liệu thoại được kết hợp tại Cell và được chuyển như một

Frame tới BSC thực hiện chuyển giao trước khi cắt kết nối với Sector hiện tại.

α

βγBTS

CHC(combining & Decoding)

SELECTOR(One voice frame)

BSCα

βγBTS

CHC(combining & Decoding)

SELECTOR(One voice frame)

BSC

o Trường hợp giữa nhiều Cell với nhau:

o Tối đa 3 cell tham gia (cùng FA) o Mỗi cell cung cấp dữ liệu thoại tới BSC o Dữ liệu thoại được lựa chọn tại bộ Selector và sau đó

đến bộ Vocoder tại BSC o Thực hiện kết nối trước khi cắt kết nối

o Điều kiện tham gia o Inter Frequency Assignment o Make before Break

Soft Handoff Here

Cell A Cell B

Mobile AssistedHard Handoff Here

FM Handoff Here

Strength

ThresholdLevel

Distance

Cell A Cell B

Select BestVoice Frame

Vocoder

BSC

Soft Handoff Here

Cell A Cell B

Mobile AssistedHard Handoff Here

FM Handoff Here

Strength

ThresholdLevel

Distance

Cell A Cell B

Select BestVoice Frame

Vocoder

BSC

9.3.3.11. Chuyển giao cứng o Chuyển giao giữa các hệ thống

o Inter Frequency Assignment o Break before Make

Cell A

FA 1

FA 2

Cell B

FA 1

Cell A

FA 1

FA 2

Cell B

FA 1

9.3.3.12. Đăng ký trong CDMA o Thủ tục để MS thông báo những thông tin của nó đến hệ thống

để phục vụ Paging và dịch vụ về định vị thuê bao o Lưu trữ dữ liệu của thuê bao trong HLR, VLR. o Các hình thức đăng ký: 1. Đăng ký bởi MS:

- Bật/tắt máy (Power on/off) - Đăng ký định kỳ - Đăng ký theo thời gian - Đăng ký theo vùng

2. Đăng ký bởi hệ thống (MSC) - Đăng ký theo yêu cầu - Đăng ký kênh lưu lượng

9.4. Hệ thống thông tin di động CDMA IS-95 9.4.1. Tổng quát cấu hình mạng CDMA

OS AUX IWF

MSCBTS BSCAbis

MSC

DMH

HLR

ACEIR

VLR

A

E

F C B

Mi

Di

Ai

Pi

X LO

I

H

I

D

G

otherVLRs

PSPDN

PSTN

ISDN

PLMN TA

DCE

Sm

WPT0

WPT1

TAP

WPT2

Rm

Rm

MS

TE1

TE2

TE2

Um

TE2

Rx

W

S

R

Rv

TE2

TE2

TE2

Mobility Managers(Terminal & Personal)

External Networks

WPT0 : Wireless Personal TerminalUm : Interface Between BTS and Wireless Personal TerminalSm,Rm : Interface Between WPT and Terminal EquipmentDCE: Data Communication EquipmentRv : Interface Between BCE and Terminal Equipment Type 2Rx : Interface Between PSPDN and Terminal Equipment Type2

9.4.2. Đặc điểm hệ thống IS-95: Hỗ trợ tốc độ dữ liệu trung bình

– Lên đến 76.8kbps (RS 1), 115.2kbps(RS 2)

Hỗ trợ điều khiển công suất nhiều bậcl – 3 mức 0.25dB, 0.5dB, 1dB Hỗ trợ chức năng tăng công suất PUF(Power Up Function) IMSI (International Mobile Station Identity), cho phép Roaming quốc tế TMSI (Temporary Mobile Station Identity) – để bảo mật Dynamic Soft Handoff Access Handoff – Tăng tỉ lệ thành công chuyển giao cuộc gọi PACA (Priority Access and Channel Assignment)

9.4.3. Cấu trúc kênh hướng xuống

a. Pilot channel Phát liên tục Tín hiệu được trải phổ nhưng không điều chế

- Phát chuỗi mã PN ngắn Cho phép thuê bao liên hệ được hệ thống

- Tín hiệu tham chiếu cho liên hệ, định thời gian và mã hóa tương quan (Coherent Modulation).

Cung cấp sự so sánh về cường độ tín hiệu đến MS PN offset là duy nhất và bằng 512 cho mỗi Sector hoặc Cell Công suất dành cho Pilot channel chiếm khoảng 20% tông suất bức xạ từ

phía antenna phát.

All 0's

W0 I PN

1.2288Mcps

All 0's

W0 I PN

1.2288Mcps

b. Syn channel

MS sử dụng để đồng bộ với hệ thống Phát bản tin đồng bộ cùng với các thông tin:

- Pilot PN Offset - System Time - Long PN Code - CAI Rev. Level - System ID - Network ID - Paging Channel Data Rate

Phát với tốc độ bit là 1200 bps

1200 bps

W32 I PN

Q PN

1.2288McpsConvolutional

Encoder andRepetition

BlockInterleaver

4800sps1200 bps

W32 I PN

Q PN

1.2288McpsConvolutional

Encoder andRepetition

BlockInterleaver

4800sps

c. Paging channel

Trạm gốc dùng để: - Page Mobi - Transmit Overhead Information - MS Contro - Assign Mobile to Traffic Channel

Cung cấp MS các bản tin về: - System parameter - Neighbor List - Access Parameter - CDMA Channel List Phát với tốc độ 9600 hoặc 4800 bps

9600 bps4800 bps

W32 I PN

1.2288McpsConvolutional

Encoder andRepetition

BlockInterleaver

R = 1/2 19.2ksps

LongCode PN

Generator

Paging ChannelAddress Mask

Decimator

1.2288Mcps

19.2ksps

Q PN

9600 bps4800 bps

W32 I PN

1.2288McpsConvolutional

Encoder andRepetition

BlockInterleaver

R = 1/2 19.2ksps

LongCode PN

Generator

Paging ChannelAddress Mask

Decimator

1.2288Mcps

19.2ksps

Q PN d. Traffic channel

Dùng để: Chuyển tải thoại, mệnh lệnh và yêu cầu từ BTS đến MS. Phát với tốc độ lên tới 9600bps ứng với Rate Set 1 và 14400 bps ứng với

Rate Set 2

Puncturing

9600 bps4800 bps2400 bps1200 bps

Wt I PN

1.2288McpsConvolutional

Encoder andRepetition

BlockInterleaver

R = 1/219.2ksps +

LongCode PN

Generator

User AddressMask(ESN)

Decimator

1.2288Mcps

19.2ksps

Decimator Q PN

MU

X

4800Hz

PowerControl

Bit

For Rate set 2

++

+

Puncturing

9600 bps4800 bps2400 bps1200 bps

Wt I PN

1.2288McpsConvolutional

Encoder andRepetition

BlockInterleaver

R = 1/219.2ksps +

LongCode PN

Generator

User AddressMask(ESN)

Decimator

1.2288Mcps

19.2ksps

Decimator Q PN

MU

X

4800Hz

PowerControl

Bit

For Rate set 2

++

+

9.4.4. Cấu trúc phân bố kênh hướng lên

e. Access channel MS dùng để:

- Truy nhập hệ thống khi chưa được cấp kênh lưu lượng - Khởi tạo cuộc gọi - Trả lời lại bản tin Page - Đăng ký với hệ thống

Tạo thành cặp cùng với kênh Paing Dùng mã dài PN Phát ở tốc độ 4800 bps và có chiều dài khung là 20ms

4800bps

I PN

1.2288McpsConvolutional

Encoder andRepetition

BlockInterleaver

R = 1/3 or 1/228.8ksps

LongCode PN

Generator

Access ChannelAddress Mask

1.2288Mcps

Q PN

28.8ksps Walsh

Cover

307.2kHz

D

1/2 PNChip Delay

4800bps

I PN

1.2288McpsConvolutional

Encoder andRepetition

BlockInterleaver

R = 1/3 or 1/228.8ksps

LongCode PN

Generator

Access ChannelAddress Mask

1.2288Mcps

Q PN

28.8ksps Walsh

Cover

307.2kHz

D

1/2 PNChip Delay

f. Traffic channel

Tương tự với kênh traffic hướng xuống Một số điểm khác biệt:

- 64-ary Orthogonal Modulator - Using Long PN Code: để phân cấp Reverse Channel - Data Burst Randomizer: để cho điều khiển công suất và truyền

dẫn với các tốc độ khác nhau.

4800bps

I PN

1.2288McpsConvolutional

Encoder andRepetition

BlockInterleaver

R = 1/3 or 1/228.8ksps

LongCode PN

Generator

Access ChannelAddress Mask

1.2288Mcps

Q PN

28.8ksps Walsh

CoverData Burst

Randomizer

307.2kHz

D

1/2 PNChip Delay

For Traffic Channel

4800bps

I PN

1.2288McpsConvolutional

Encoder andRepetition

BlockInterleaver

R = 1/3 or 1/228.8ksps

LongCode PN

Generator

Access ChannelAddress Mask

1.2288Mcps

Q PN

28.8ksps Walsh

CoverData Burst

Randomizer

307.2kHz

D

1/2 PNChip Delay

For Traffic Channel

9.5. Cấu trúc mạng CDMA2000 9.5.1. Sơ đồ chung

MSC/VLR(SSP)MSC/VLR(SSP)

BSC(#0)

BSC(#0)

BSCBSC(#11)

BTS#0

BTS#0

MSMS

MSMS

PSTN/PLMN/ISDN

BTS#47

BTS#47

BTS#0

BTS#0

BTS#47

BTS#47

HLRHLR

Intra IPPDSNPDSN

HAHAAAAAAA

SMSCSMSCVMS/FMSVMS/FMS

AuCAuC

IWFIWF

Internet

G/WRouterG/W

Router

SCESCE

SCPSCP

IPIP SMSSMS

RAN

CCN

PCN

CANMSC/VLR(SSP)MSC/VLR(SSP)

BSC(#0)

BSC(#0)

BSCBSC(#11)

BTS#0

BTS#0

MSMS

MSMS

PSTN/PLMN/ISDN

BTS#47

BTS#47

BTS#0

BTS#0

BTS#47

BTS#47

HLRHLR

Intra IPPDSNPDSN

HAHAAAAAAA

SMSCSMSCVMS/FMSVMS/FMS

AuCAuC

IWFIWF

Internet

G/WRouterG/W

Router

SCESCE

SCPSCP

IPIP SMSSMS

RAN

CCN

PCN

CAN

9.5.2. Những đặc điểm chủ yếu của IS-2000 Có khả năng kết nối với GSM-MAP bên cạnh khả năng kết nối với mạng IP

và mạng IS-41. Phân lớp mới với LAC và MAC nên ghép kênh dịch vụ đã được cải thiện và

quản lý QoS, sử dụng tài nguyên vô tuyến hiệu quả. Hỗ trợ các đài vận hành khác nhau Cấu trúc kênh mềm dẻo, hỗ trợ đa dịch vụ với QoS khác nhau Truyền tốc độ thay đổi với mức cao nhất lên tới 1Mbps/channel và 2Mbps

/user 9.5.3. Tiêu chuẩn IS-2000 9.5.4. Băng thông họat động của IS-2000 9.5.5.

9.5.5.1. Trạm gốc BS 9.5.5.2. Tổng đài di động MX 9.5.5.3. Bộ đăng ký vị trí thường trú HLR 9.5.5.4. Thiết kế hệ thống CDMA

9.5.5.4.1. Dung lượng và các yếu tố ảnh hưởng đến dung lượng

9.5.5.4.2. Thiết kế đường truyền vô tuyến 9.5.6. Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA 9.5.7. Chức năng hệ thống

9.5.7.1. Chức năng của máy di động MS 9.5.7.2. Chức năng của trạm gốc BS 9.5.7.3. Chức năng của trung tâm chuyển mạch di động MSC

9.5.8. Chuyển mạch và chuyển giao trong CDMA. 9.6. Kỹ thuật CDMA băng rộng (W-CDMA)

9.6.1. Giới thiệu 9.6.2. Đặc điểm hệ thống

10. Công nghệ tương lai cho thông tin di động 10.1. OFDM 10.2. MC-CDMA