(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao cho hướng xuống OFDMA trong mạng LTE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI--- NGUYỄN ĐỨC THẮNG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO CHO HƯỚNG XUỐNG OFDMA TRONG MẠNG LT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- NGUYỄN ĐỨC THẮNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO CHO HƯỚNG XUỐNG OFDMA TRONG

MẠNG LTE

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Kỹ thuật truyền thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

L ỜI CAM ĐOAN

chia theo t n s ầ ố trực giao cho hướng xu ng OFDMA trong mố ạng LTE” là do bản thân tôi nghiên c u và th c hi n M i tham khứ ự ệ ọ ảo được s d ng trong luử ụ ận văn đều được trích d n rõ ràng tên tác gi , tên công trình, ẫ ả thời gian và địa điểm công b N u có bố ế ất

k sao chép nào không h p l , không trung th c hay b t k s vi ph m b n quy nào ỳ ợ ệ ự ấ ỳ ự ạ ả ền tôi xin hoàn toàn ch u trách nhiị ệm

Tác gi ả

Nguyễn Đức Th ng ắ

TÓM TẮT LUẬN VĂN HẠC SĨ KỸ THUẬT T

M NG LTE Ạ

Người hướng d n: ẫ PGS.TS PH M NG C NAM Ạ Ọ

N I DUNG TÓM T T Ộ Ắ 1) Lý do ch n ọ đề tài

Mạng LTE đang dần thay th các công ngh ế ệ 2G và 3G trước đây trong lĩnh vực thông tin di động ph c v nhu cụ ụ ầu trao đổi thông tin của con người Luận văn “Nghiên

c u k ứ ỹ thuật đa truy nhập ghép kênh phân chia theo t n s ầ ố trực giao cho hướng xu ng ốOFDMA trong mạng LTE” nghiên c u các vứ ấn đề kỹ thu t trong m ng LTE Nhậ ạ ấn

m nh n k ạ đế ỹ thuật OFDMA khi áp dụng cho hướng xu ng trong m ng LTE ố ạ

2) M ục đích nghiên cứ u c a lu ủ ận văn, đối tƣợ ng, phạm vi nghiên c u ứ

Mục đích nghiên cứu c a luủ ận văn

Nghiên c u k ứ ỹ thuật đa truy nhập cho hướng xu ng trong mố ạng LTE, trong đó

k ỹthuật OFDMA được nêu ra như mộ ảt gi i pháp tối ưu

Đối tượng và ph m vi nghiên c u ạ ứ

C u trúc h ấ ệ thống thông tin di động, đặc bi t là mệ ạng thông tin di động th h ế ệthứ – ạ 4 m ng LTE Nghiên c u ng d ng c a kứ ứ ụ ủ ỹ thu t OFDMA áp dậ ụng cho hướng

xu ng trong m ng LTE ố ạ

3) N ội dung chính và đóng góp ủ c a tác gi ả

động, c u trúc h thấ ệ ống LTE, nguyên lý điều ch và giế ải điều ch , OFDM và k ế ỹ thuật

áp dụng OFDMA cho hướng xu ng trong m ng LTE T ố ạ ừ đó chỉ ra OFDMA là giải pháp tối ưu cho kỹ thuật đa truy nhập hướng xu ng trong m ng LTE Luố ạ ận văn có sử

d ng mô ph ng c u trúc b thu phát tín hiụ ỏ ấ ộ ệu OFDM đơn giản thông qua ph n m m mô ầ ề

ph ng Matlab ỏ Luận văn được trình bày theo n i dung gộ ồm các chương như sau:

Trình bày n n t ng k ề ả ỹ thuật điều ch và giế ải điều ch thông tin s , nghiên cế ố ứu

vấn đề c giao, và k trự ỹ thuật đa truy nhập ghép kênh phân chia theo t n s c giao ầ ố trựOFDMA, áp dụng OFDMA cho hướng xu ng trong k ố ỹthuật LTE

Mô ph phát và thu tín hi u d a trên k

Mô phỏng mô hình đơn giả ủ c a m t h th ng phát và thu tín hi u OFDM thông ộ ệ ố ệqua ph n m m mô ph ng Matlab ầ ề ỏ

4) Phương pháp nghiên cứ u

Nghiên c u d a trên n n tứ ự ề ảng cơ bản c a k ủ ỹ thuật thông tin s nguyên lý k ố, ỹthuật OFDMA và ựth c hi n mô ph ng thông qua trên ph n mềm Matlab ệ ỏ ầ

5) K t lu n ế ậ

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật “Nghiên cứ ỹ ật đa truy nhậ

chia theo t n s ầ ố trực giao cho hướng xu ng OFDMA trong mố ạng LTE”, tác giả đã rút

ra nh ng k t lu n sau: ữ ế ậ

Mạng thông tin di động không ngừng phát triển nhằm phục vụ nhu cầu trao đổi thông tin của con người Trong đó mạng LTE là hệ thống thông tin di động thế

hệ mới với khả năng truyền dẫn tốc độ cao và chất lượng dịch vụ ưu việt

Kỹ thuật OFDM dựa trên phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Chính điều này khiến cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường

Kỹ thuật đa truy nhập dựa trên ghép kênh phân chia theo tần số trực giao là một công nghệ đa sóng mang phát triển dựa trên nền tảng kĩ thuật OFDM Trong OFDMA, một số các sóng mang con, không nhất thiết phải nằm kề nhau, được gộp lại thành một kênh con (sub channel) và các user khi truy cập vào tài -nguyên sẽ được cấp cho một hay nhiều kênh con để truyền nhận tùy theo nhu cầu lưu luợng cụ thể

Kỹ thuật OFDMA là một giải pháp tối ưu cho kỹ thuật đa truy nhập hướng xuống trong mạng LTE

MỤC LỤC

TÓM T T LU Ắ ẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THU T Ậ ii

M C L C Ụ Ụ v

DANH M C CÁC KÝ HI U, CÁC CH Ụ Ệ Ữ VIẾ T T T Ắ viii

DANH M C CÁC B Ụ Ả NG xiii

DANH M C CÁC HÌNH V Ụ Ẽ, ĐỒ THỊ xiv

M Ở ĐẦ U 1

CHƯƠNG I: T NG QUAN V M NG LTE Ổ Ề Ạ 4

1.1 T NG QUAN V H Ổ Ề Ệ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4

1.1.1 Gi i thi u v h ớ ệ ề ệ thống điện thoại di động 4

1.1.2 Các k ỹ thuậ ơ ảt c b n s d ng trong h ử ụ ệ thống thông tin di động 5

1.1.3 H ệ thống CDMA 7

1.1.4 H ệ thống GSM 10

1.2 S PHÁT TRI N C A H Ự Ể Ủ Ệ THỐ NG THÔNG TIN DI ĐỘNG 18

1.2.1 Th h u tiên c a công ngh ế ệ đầ ủ ệ điện thoại di động (1G) 18

1.2.2 Th h ế ệ thứ hai c a công ngh ủ ệ điện thoại di động (2G) 19

1.2.3 Th h ế ệ thứ ba c a công ngh ủ ệ điện thoại di động (3G) 21

1.2.4 Th h ế ệ thứ ư ủ t c a công ngh ệ điện thoại di động (4G) 23

1.2.5 Th h ế ệ thứ năm của công ngh ệ điện thoại di động (5G) [16] 25

1.3 GI I THI U VỚ Ệ Ề LTE 27

1.3.1 Đặc điểm c a m ng LTE 29ủ ạ 1.3.2 D i t n hoả ầ ạt động m ng LTE ạ 31

CHƯƠNG II: C U TRÚC M NG LTE VÀ CÁC K THU T S D NG Ấ Ạ Ỹ Ậ Ử Ụ

TRONG LTE 33

2.1 CÁC V ẤN ĐỀ Ỹ K THUẬT LIÊN QUAN ĐẾ N M NG LTE Ạ 33

2.1.1 Tr và Fading ễ 33

2.1.2 D ch t n Doppler ị ầ 34

2.2 C U TRÚC M NG LTE [3] Ấ Ạ 35

2.2.1 L p v t lý m ng LTE ớ ậ ạ 35

2.2.2 C u trúc c a m ng LTE ấ ủ ạ 73

2.3 CÁC K Ỹ THUẬ T S D NG TRONG M NG LTE Ử Ụ Ạ 87

2.3.1 K ỹ thuật đa truy nhập cho h ng lên trong LTE ướ 87

2.3.2 K ỹ thuật đa truy nhập cho h ng xu ng OFDMA trong LTE ướ ố 88

CHƯƠNG III: K THU T OFDMA TRONG LTE Ỹ Ậ 90

3.1 N N T NG K Ề Ả Ỹ THUẬ T GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO T N S Ầ Ố TRỰC GIAO 90

3.1.1 Điều ch tín hi u và các phươế ệ ng pháp điều ch 90ế 3.1.2 Các phương pháp điều ch n sóng mế đơ ang, đa sóng mang 94

3.1.3 Gi i thi u k ớ ệ ỹ thuật OFDM 97

3.1.4 Tr c giao trong OFDM [9] ự 100

3.1.5 Các k ỹ thuật điều ch ế băng tần c s ơ ở 102

3.2 ĐA TRUY NHẬ P D A TRÊN K Ự Ỹ THUẬ T GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO T N S Ầ Ố TRỰ C GIAO 106

3.2.1 S h ơ đồ ệ thống OFDM 106

3.2.2 Phương pháp điều ch OFDM [9] ế 107

3.2.3 Ph ng pháp giươ ải điều ch OFDM [9] ế 113

3.2.4 Cân b ng kênh cho h ằ ệ thống OFDM [9] 119

3.3 K Ỹ THUẬ T OFDMA CHO H ƯỚ NG XU NG TRONG M NG LTE Ố Ạ 120

CHƯƠNG 4: MÔ PH NG PHÁT VÀ THU TÍN HI U D A TRÊN K Ỏ Ệ Ự Ỹ

THU T OFDM Ậ 124

4.1 S Ơ ĐỒ THU PHÁT TÍN HI U OFDM Ệ 124

4.2 K T QU MÔ PH Ế Ả Ỏ NG 126

4.2.1 Mô ph ng b phát OFDM ỏ ộ 126

4.2.2 Mô ph ng b thu OFDM ỏ ộ 130

4.2.3 Tín hi u OFDM và ph tín hi u OFDM ệ ổ ệ 134

4.3 K T LU N Ế Ậ 135

K T LU N VÀ KI N NGH Ế Ậ Ế Ị 137

TÀI LI U THAM KH O Ệ Ả 139

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT ,

BW Bandwidth

DL-SCH Downlink Shared Channel

E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access

FDD Frequency Division Duplex

HS-DSCH High Speed Downlink Shared Channel

HS-SCCH High Speed Uplink Packet Access

LPF Low Pass Filter

OFDMA Orthogonal Frequency-Division Multiple Access

PCCPCH Primary Common Control Physical Channel

PCFICH Physical Control Format Indicator Channel

RF Radio Frequency

SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access

TD-SCDMA Time Division Synchronous Code Division Multiple Access

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tốc độ dữ liệu hướng lên, hướng xuống , RTT của các cấu trúc mạng [6] 31 Bảng 1.2 Dải tần số cho Uplink và downlink sử dụng trong mạng LTE [6] 32Bảng 2.1 Các chủng loại UE 70 Bảng 3.1 Phân loại sóng vô tuyến 91

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ T HỊ

Hình 1.1 Cấu trúc mạng thông tin di động GSM 14

Hình 1.2 Cấu trúc số nhận dạng IMSI 14

Hình 1.3 Sơ đồ bộ chuyển đổi mã và phối hợp tốc độ 16

Hình 1.4 Sơ đồ vị trí bộ chuyển đổi mã và phối hợp tốc độ 17

Hình 2.1 Ánh xạ của các kênh truyền tải hướng lên tới các kênh vật lý 37

Hình 2.2 Ánh xạ các kênh truyền tải hướng xuống tới các kênh vật lý 37

Hình 2.3 Các chòm điểm điều chế trong LTE 38

Hình 2.4 Cấp phát tài nguyên hướng lên được điều khiển bởi eNodeB [3] 39

Hình 2.5 Cấu trúc khung LTE FDD 40

Hình 2.6 Tốc độ dữ liệu giữa các TTI theo hướng đường lên 41

Hình 2.7 Cấu trúc khe đường lên với tiền tố vòng ngắn và dài [3] 41

Hình 2.8 Chuỗi mã hóa kênh PUSCH 43

Hình 2.9 Ghép kênh của thông tin điều khiển và dữ liệu 44

Hình 2.10 Cấp phát tài nguyên đường xuống tại eNodeB 45

Hình 2.11 Cấu trúc khe đường xuống cho băng thông 1,4MHz 46

Hình 2.12 Chuỗi mã hóa kênh DL-SCH 46

Hình 2.13 Ví dụ về chia sẻ tài nguyên đường xuống giữa PDCCH & PDSCH 47

Hình 2.14 Sự tạo thành tín hiệu hướng xuống 48

Hình 2.15 Tài nguyên PUCCH 51

Hình 2.16 Thủ tục yêu cầu lập kế hoạch 52

Hình 2.17 Nguyên tắc điều chế dữ liệu và điều khiển 53

Hình 2.18 Cấp phát các trường dữ liệu & điều khiển khác nhau trên PUSCH 54

Hình 2.19 Các dạng phần mở đầu LTE RACH cho FDD 57

Hình 2.20 Tín hiệu đồng bộ 63

Hình 2.21 Vận hành LTE HARQ với 8 tiến trình 64

Hình 2.22 Định thời LTE HARQ cho một gói tin đường xuống duy nhất 65

Hình 2.23 Điều khiển định thời hướng lên 66

Hình 2.24 Công suất hướng lên LTE với thay đổi tốc độ dữ liệu 67

Hình 2.25 Thủ tục báo cáo thông tin trạng thái kênh (CSI) 68

Hình 2.26 Cấu hình tham số vật lý mạng LTE 72

Hình 2.27 Phát triển kiến trúc 3GPP hướng tới kiến trúc phẳng hơn 73

Hình 2.28 Kiến trúc hệ thống cho mạng chỉ có E-UTRAN 74

Hình 2.29 eNodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính 78

Hình 2.30 MME kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính 80

Hình 2.31 Các kết nối S GW tới các nút logic khác và các chức năng chính- 82

Hình 2.32 P-GW kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính 85

Hình 2.33 PCRF kết nối tới các nút logic khác & các chức năng chính 86

Hình 3.1 Mật độ phổ năng lượng của hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang 94

Hình 3.2 Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang 95

Hình 3.3 Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế đa sóng mang OFDM 97

Hình 3.4 Khoảng phòng vệ được chèn vào giữa các Symbol OFDM 98

Hình 3.5 Hiệu quả sử dụng sóng mang của kỹ thuật OFDM so với kỹ thuật FDM 101

Hình 3.6 Tín hiệu điều chế ASK [17] 102

Hình 3.7 Tín hiệu điều chế FSK [17] 103

Hình 3.8 Tín hiệu PSK [17] 104

Hình 3.9 Thành phần đồng pha và pha vuông góc trong 16 QAM 105

Hình 3.10 Chùm tín hiệu của 16-QAM 105

Hình 3.11 Tổng quan một hệ thống OFDM 106

Hình 3.12 Bộ điều chế OFDM 108

Hình 3.13: Mô tả về chuỗi bảo vệ trong OFDM 109

Hình 3.14 Mô tả chèn chuỗi bảo vệ trong việc chống nhiễu ISI 111

Hình 3.15 Biểu diễn dạng xung vuông 112

Hình 3.16 Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng IFFT 113

Hình 3.17 Hàm truyền đạt của kênh 114

Hình 3.18 Sơ đồ khổi bộ giải điều chế OFDM 114

Hình 3.19 Tách chuỗi bảo vệ ở bộ giải điều chế OFDM 116

Hình 3.20 Sơ đồ khổi bộ giải điều chế OFDM sử dụng thuật toàn FFT 119

Hình 3.21: Phát và thu OFDMA 122

Hình 3.22: Tín hiệu trong OFDMA [6] 123

Hình 4.1 Sơ đồ thu phát tín hiệu OFDM 124

Hình 4.2 Tín hiệu phát tại điểm B 126

Hình 4.3 Phổ tín hiệu được phát tại B 127

Hình 4.4 Xung g(t) 127

Hình 4.5 Tín hiệu phát tại C 128

Hình 4.6 Phổ tín hiệu phát tại C 128

Hình 4.7 Tín hiệu phát tại D 129

Hình 4.8 Phổ tín hiệu phát tại D 129

Hình 4.9 Phổ tín hiệu tại E 130

Hình 4.10 Tín hiệu thu được tại F 130

Hình 4.11 Phổ tín hiệu tại F 131

Hình 4.12 Tín hiệu thu được tại G 131

Hình 4.13 Phổ tín hiệu tại G 132

Hình 4.14 Tín hiệu tại H 132

Hình 4.15 Phổ tín hiệu tại H 133

Hình 4.16 Chòm sao điều chế băng tần cơ sở info_h 133

Hình 4.17 Chòm sao điều chế băng tần cơ sở a_hat 134

Hình 4.18 Tín hiệu sau điều chế OFDM 134

Hình 4.19 Phổ tín hiệu OFDM 135

Hình 4.20 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo sóng mang trực giao 136

MỞ ĐẦU

Lý do ch ọn đề tài

công ngh ệ trong đó có kỹthuật thông tin di động, vi c nghiên c u giệ ứ ải pháp tăng tốc độ

và chất lượng d ch v ị ụ thông tin di động là c n thi t Mầ ế ạng LTE ra đời v i vai trò là ớ

m ng tạ hông tin di động th h m i v i tế ệ ớ ớ ốc độ truy n d n d li u cao, ề ẫ ữ ệ ổn định và ch t ấlượng tốt Được s ự định hướng và hướng d n t n tình c a th y giáo PGS.TS Ph m ẫ ậ ủ ầ ạNgọc Nam, tác gi ả đã lựa ch n nghiên c u và trình bày luọ ứ ận văn thạc s k thu t v i ỹ ỹ ậ ớ

đề tài: “Nghiên c u k thuứ ỹ ật đa truy nhập ghép kênh phân chia theo t n s c giao ầ ố trựcho hướng xu ng OFDMA trong mố ạng LTE” Nhằm trình bày kh ả năng ưu việ ủt c a giải pháp s d ng k thuử ụ ỹ ật OFDMA cho hướng xu ng trong m ng LTE ố ạ

Phạm Ngọc Nam, đã định hướng nghiên cứu cho em Em cũng xin gử ờ ảm ơn chân i l i cthành nhất đến các th y cô giáo trong hầ ội đồng ph n biả ện đã dành thời gian quý báu đểnghiên cứu đánh giá nội dung và k t qu c a c a luế ả ủ ủ ận văn

M ục đích nghiên cứ u c a lu ủ ận văn, đối tƣợ ng, ph ạ m vi nghiên c u ứ

Mục đích nghiên cứu c a luủ ận văn

Nghiên c u k ứ ỹ thuật đa truy nhập cho hướng xu ng trong mố ạng LTE, trong đó

k ỹthuật OFDMA được nêu ra như mộ ảt gi i pháp tối ưu

Đối tượng và ph m vi nghiên c u ạ ứ

C u trúc h ấ ệ thống thông tin di động, đặc bi t là mệ ạng thông tin di động th h ế ệthứ – ạ 4 m ng LTE Nghiên c u ng d ng c a kứ ứ ụ ủ ỹ thu t OFDMA áp dậ ụng cho hướng

xu ng trong m ng LTE ố ạ

N ội dung chính và đóng góp củ a tác gi ả

c trình bày n n t n k thu t thông tin s , h thông thông

tin di động, c u trúc h thấ ệ ống LTE, nguyên lý điều ch và gi i u ch , OFDM và k ế ả điề ế ỹthuật áp dụng OFDMA cho hướng xu ng trong m ng LTE T ố ạ ừ đó chỉ ra OFDMA là giải pháp tối ưu cho kỹ thuật đa truy nhập hướng xu ng trong m ng LTE Luố ạ ận văn có

s d ng mô ph ng c u trúc b thu phát tín hiử ụ ỏ ấ ộ ệu OFDM đơn giản thông qua ph n mầ ềm

mô ph ng Matlab ỏ Luận văn được trình bày theo n i dung gộ ồm các chương như sau:

t OFDMA trong m ng LTE

Trình bày n n t ng k ề ả ỹ thuật điều ch và giế ải điều ch thông tin s , nghiên cế ố ứu

vấn đề c giao, và k trự ỹ thuật đa truy nhập ghép kênh phân chia theo t n s c giao ầ ố trựOFDMA, áp dụng OFDMA cho hướng xu ng trong k ố ỹthuật LTE

4: Mô ph phát và thu tín hi u d a trên k t

Mô phỏng mô hình đơn giả ủ c a m t h th ng phát và thu tín hi u OFDM thông ộ ệ ố ệqua ph n m m mô ph ng Matlab ầ ề ỏ

Phương pháp nghiên cứ u

Nghiên c u d a trên n n tứ ự ề ảng cơ bản c a k ủ ỹ thuật thông tin s , nguyên lý k ố ỹthuật OFDMA và th c hi n mô ph ng thông qua trên ph n m m Matlab ự ệ ỏ ầ ề

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG LTE

trình bày s hình thành và phát tri n c a h ng thông tin di

động Gi i thi u v ớ ệ ề đặc điểm và các d i t n hoả ầ ạt động c a m ng LTE ủ ạ

1.1.1 Giới thiệu về hệ thống điện thoại di động

H ệthống điện thoại di động đầu thương mại đầu tiên được triển khai năm 1946;

s dử ụng băng tần 150 MHz; được đưa vào áp dụng t i Saint Louis Hoa K H ng ạ – ỳ ệthốnày có kho ng cách kênh 60 KHz, v i s ả ớ ố lượng kênh b h n ch , ch ị ạ ế ỉ đến 3 kênh Đây

là h ệthống bán song công, người đàm thoạ ở ỗi đầu dây không nói được khi người m i đàm thoại đầu dây còn lại đang nói Việc k t nế ối đàm thoại ph thu c vào nhân công ụ ộ(điện thoại viên) Sau đó hệ ống này đượ th c c i ti n thành h th ng IMTS MJ bao gồm ả ế ệ ố

11 kênh t n s 150 MHz, và h ở ầ ố ệ thống IMTS MK bao g m 12 kênh t n s 450 ồ ở ầ ốMHz Các h ệ thống này được đưa vào sử ụ d ng t ừ năm 1969 Đây là hệ ng song thốcông đầu tiên, m i BS có th ph c v một vùng bán kính r ng t i 80 Km ỗ ể ụ ụ ộ ớ

Đó là những h thệ ống di động đầu tiên được đưa vào phục v cho mụ ục đích thông tin liên l c cạ ủa con người T nh ng h ừ ữ ệ thống di động ban đầ ớu v i chất lượng

d ch v ị ụ chất lượng th p, cung c p d ch vấ ấ ị ụ đơn thuần là tho i, tính b o m t thông tin ạ ả ậkém Tr i qua gả ần 70 năm, đến nay h thệ ống thông tin di động đã có những bước ti n ếđáng kể và không ng ng phát tri n nhừ ể ằm gia tăng các phương thức cung c p và chất ấlượng d ch v Ngày nay v i s phát tri n h thị ụ ớ ự ể ệ ống thông tin di động, chúng ta có th ểgửi nh n d ậ ữ liệu dung lượng l n v i tớ ớ ốc độ cao Đàm thoại video chất lượng t t và d ố ễdàng truy c p các ng d ng gi i trí trên internet ậ ứ ụ ả

1.1.2 Các kỹ thuật cơ bản sử dụng trong hệ thống thông tin di động

a Truy n sóề ng trong thông tin di động [17]

c truyCác phương thứ ền sóng cơ bản gi a máy phát và máy thu g m có truy n ữ ồ ềsong công phân chia theo t n s (FDD) và truy n song công phân chia theo th i gian ầ ố ề ờ(TDD) Trong khi phương thức FDD s d ng kênh t n s ử ụ ầ ố ở hai băng ần khác nhau đểtmang thông tin gi a MS và BS Thì TDD s d ng cùng môt kênh t n s mang thông ữ ử ụ ầ ố đểtin theo hai hướng tại các khe thơi gian luân phiên

FDD s d ng 2 t n s ử ụ ầ ố khác nhau đểtruyền thông tin gi a BS và MS ữ

- Hướng xuống: Thông tin được truy n t ề ừ BS đến MS (Downlink ~ Forward Channel)

- Hướng lên: Thông tin được truy n t ề ừ MS đến BS (Uplink ~ Reverse Channel)

TDD sử dụng chung 1 tần số để truyền thông tin giữa BS và MS

Trong thông tin di động, m i h thỗ ệ ống được c p phát m t ho c nhiấ ộ ặ ều băng tần, m i ỗbăng tần được chia thành nhi u kênh vô tuyề ến xác định Ngoài ra tín hiệu được truy n ềgiữa BS và MS còn ch u ị ảnh hưởng c a suy hao, fading và nhiủ ễu do đó hệ ng thông thốtin di động cần được thi t k k lưỡng tín hiế ế ỹ ệu được truyền đi và nhận được v i ch t ớ ấlượng t t nh t ố ấ

b M ng t ong và vạ ổ ấn đề tái s d ng t n s ử ụ ầ ố

Để có th ể tăng dung lượng thuê bao ph c v ụ ụ người ta xây d ng h thự ệ ống điện thoại di d ng theo c u trúc m ng t ong và nghiên c u vi c tái s d ng t n sộ ấ ạ ố ứ ệ ử ụ ầ ố Theo đó toàn b vùng ph c v c a h ộ ụ ụ ủ ệ thống n thođiệ ại được chia thành các vùng ph c v nhụ ụ ỏ,

g i là các ô, m i ô có m t tr m g c ph ọ ỗ ộ ạ ố ụ trách và đượ ổng đài điểc t u khi n nhể ằm đảm

b o thuê bao có th duy trì liên l c khi di chuy n liên t c gi a các ô T n s m i máy ả ể ạ ể ụ ữ ầ ố ỗ

di động s d ng không c nh m t ử ụ ố đị ở ộ kênh mà kênh đàm thoại xác định nh kênh báo ờ

hiệu và máy di động được đồng b v t n s m t cách t ng Vì v y các ô k nhau ộ ề ầ ố ộ ự độ ậ ềnên s d ng t n s khác nhau, và các ô xa có th tái s d ng l i t n s ử ụ ầ ố ở ể ử ụ ạ ầ ố đã được s ử

dụng Để cho phép các máy di động có th duy trì cu c g i liên t c trong khi di chuyể ộ ọ ụ ển giữa các ô thì tổng đài sẽ điề u khi n các kênh báo hi u hoể ệ ặc kênh lưu lượng theo s di ựchuyển của máy di động đểchuyển đổ ầi t n s m t cách t ng H thố ộ ự độ ệ ống điện tho i t ạ ổong bao gồm các máy điện thoại di động, BS và MSC ( Trung tâm chuy n mạch điện ểthoại di động) Trên điện thoại di động có các b thu phát RF, anten và b u khi n ộ ộ điề ể

BS bao g m các b ồ ộ thu/phát RF để ế ối máy di độ k t n ng v i MSC, anten, b u khi n, ớ ộ điề ể

đầu cu i s li u và ngu n ố ố ệ ồ

MSC x lý các cu gử ộc ọi đi và đế ừ ỗn t m i BS và cung c p chấ ức năng điều khi n ểtrung tâm cho hoạt động c a t t c các BS m t cách hi u qu ủ ấ ả ộ ệ ả và để truy c p vào t ng ậ ổđài cảu mạng điện tho i công c ng MSC bao g m b phạ ộ ồ ộ ận điều khi n, b ph n k t n i ể ộ ậ ế ốcuộ ọc g i, các thi t b ngo i vi và cung c p chế ị ạ ấ ức năng thu thập s liố ệu cước đố ới v i các cuộ ọi đã hoàn thành Các máy di động, BS và MSC được g c liên k t với nhau thông ếqua các đường k t n i tho i và s u Mế ố ạ ố liệ ỗi máy di động s d ng m t c p kênh ử ụ ộ ặthu/phát RF Vì các kênh lưu lượng không c nh mố đị ở ột kênh RF nào mà thay đổi thành các t n s RF khác nhau ph ầ ố ụ thuộc vào s di chuy n cự ể ủa máy di động trong suốt quá trình cu c g i nên cu c g i có th ộ ọ ộ ọ ể được thi t l p thông qua b t c mế ậ ấ ứ ột kênh nào đã được xác định trong vùng đó Điều đó có nghĩa sẽ có trường h p tợ ất các các kênh đều

bận do đã được k t n i vế ố ới các máy di động Các thông tin tho i và báo hi u gi a máy ạ ệ ữ

và BS được truyền qua kênh RF, các đường k t n i tho i và s u c ế ố ạ ố liệ ố định đượ ửc s

d ng ụ đểtruyền thông tin tho i và dùng cho báo hi u gi a BS và MSC ạ ệ ữ

n ti n cho mô ph

Đểthuậ ệ ỏng và tính toán, người ta s d ng các ô lử ụ ục giác để đạ i

di n cho các cell, trên th c t Trên th c t , hình dệ ự ế ự ế ạng cell là không xác định, vi c quy ệ

ho ch vùng ph sóng (coverage area) cạ ủ ần quan tâm đến các y u t a hình và mế ố đị ật độthuê bao, t ừ đó sẽ xác định s ng tr m gố lượ ạ ốc BTS, kích thước cell và phương thức ph ủsóng thích h p S ợ ố lượng Cell trong một vùng địa lý ph thu c vào mụ ộ ật độ thuê bao và các y u t a hình (Các toàn nhà, cây cế ố đị ối, đồi núi, ao hồ…)

c K ỹ thuật đa truy nh p phân chia theo th i gian TDMA ậ ờ

Ở ỹ k thu t TDMA ph t n s ậ ổ ầ ố quy định cho liên lạc di động được chia thành các

d i t n liên l c, m i d i t n liên lả ầ ạ ỗ ả ầ ạc này được dùng chung cho N kênh liên l c, mạ ỗi kênh liên l c là m t khe th i gian (Time slot) trong chu k m t khung Tin tạ ộ ờ ỳ ộ ức đượ ổc t chức dướ ại d ng gói, m i gói có bit ch u gói, ch ỗ ỉ thị đầ ỉ thị cuối gói, các bit đồng b và ộcác bit d ữliệu Không như hệ ố th ng FDMA, h ng TDMA truy n d n d u không ệthố ề ẫ ữliệliên t c và ch s d ng cho d u s ụ ỉ ử ụ ữ liệ ố và điều ch s TDMA có th phân phát thông tin ế ố ểtheo hai phương pháp là phân định trước và phân phát theo yêu cầu Trong phương pháp phân định trước, vi c phân phát các cệ ụm được định trước ho c phân phát theo ặthời gian Ngượ ại trong phương pháp phân địc l nh theo yêu c u các mầ ạch đượ ới đáp c t

ứng khi có cu c g i yêu c u, nh ộ ọ ầ ờ đó tăng được hi u su t s d ng m ch Trong TDMA ệ ấ ử ụ ạcác kênh được phân chia theo th i gian nên nhi u giao thoa gi a các kênh k c n gi m ờ ễ ữ ế ậ ảđáng kể TDMA s d ng m t kênh vô tuyử ụ ộ ến để ghép nhi u lu ng thông tin thông qua ề ồviệc phân chia theo th i gian nên c n ph i có viờ ầ ả ệc đồng b hóa vi c truy n dộ ệ ề ẫn để tránh trùng l p tín hi u Ngoài ra, vì s ặ ệ ố lượng kênh ghép tăng nên thời gian tr do truy n d n ễ ề ẫ

đa đường không th b ể ỏ qua được, do đó sự đồ ng b ph i tộ ả ối ưu

1.1.3 Hệ thống CDMA

a Gi i thi u m ng CDMAớ ệ ạ

Thiế ị di động đượt b c nghiên c u s m nh t gứ ớ ấ ần như chỉ ử ụng phương thức đa s dtruy nh p phân chia theo t n s FDMA (Frequency Division Multiple Access) Theo ậ ầ ốphương thức đa truy nhập này, mỗi đôi thiế ịt b cùng thu phát sóng đồng th i, s d ng ờ ử ụphương pháp truyền sóng FDD

Lý thuy t v mế ề ạng CDMA được xây d ng t nhự ừ ững năm 1950 và được ứng

d ng trong thông tin quân s t a nhụ ự ừ ững năm 1960 Vớ ựi s phát tri n c a công ngh bán ể ủ ệ

d n và lý thuy t thông tin trong nhẫ ế ững năm 1980, CDMA đã được thương mại hóa t ừ

phương pháp thu GPS và Ommi-TRAC, phương pháp này cũng đã được đề ấ xu t trong

h ng t ong c a Qualcomm M ệ thố ổ ủ – ỹ vào năm 1990 Trong CDMA nhiều ngườ ửi s

d ng chung th i gian và t n s , mã PN (Mã t p âm gi ụ ờ ầ ố ạ ảngẫu nhiên) v i s ớ ự tương quan chéo thấp được ấn định cho mỗi ngườ ử ụng Ngườ ử ụi s d i s d ng truy n tín hi u nh ề ệ ờtrải

ph tín hi u truy n có s dổ ệ ề ử ụng mã PN đã ấn định Đầu thu t o ra m t dãy gi ngạ ộ ả ẫu nhiên như ở đầ u phát và khôi ph c l i tín hi u d nh nh vi c tr i ph ụ ạ ệ ự đị ờ ệ ả ổ ngược các tín

hiệu đồng b ộ thu được

b Nguyên lý phát/thu tín hi u CDMA ệ

Đố ớ ệ ối v i h th ng CDMA, t t c ấ ả người dùng s s d ng cùng lúc mẽ ử ụ ột băng tần Tín hi u truyệ ền đi sẽchiếm toàn b ộ băng tần c a h ng Tuy nhiên, các tín hi u củ ệthố ệ ủa

mỗi người dùng được phân bi t v i nhau b i các chuệ ớ ở ỗi mã Thông tin di động CDMA

s d ng k thu t tr i ph cho nên nhiử ụ ỹ ậ ả ổ ều ngườ ử ụi s d ng có th ể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng th i ti n hành các cu c g i, mà không s gây nhi u l n nhau Kênh vô ờ ế ộ ọ ợ ễ ẫtuyến CDMA được dùng l i m i cell trong toàn m ng, và nhạ ỗ ạ ững kênh này cũng được phân bi t nhau nh mã tr i ph ngệ ờ ả ổ giả ẫu nhiên PN Trong h th ng CDMA, tín hi u ệ ố ệ

bản tin băng hẹp được nhân v i tín hiớ ệu băng thông rấ ột r ng, g i là tín hi u phân tán ọ ệTín hi u phân tán là m t chu i mã gi ệ ộ ỗ ả ngẫu nhiên mà tốc độ chip c a nó r t l n so v i ủ ấ ớ ớ

tốc độ ữ d u T t c các users trong m t h ng CDMA dùng chung t n s liệ ấ ả ộ ệ thố ầ ố sóng mang và có th ể được phát đồng th i M i user có m t t mã gi ờ ỗ ộ ừ ả ngẫu nhiên riêng c a ủ

nó và nó được xem là tr c giao v i các t mã khác T i máy thu, s có m t t ự ớ ừ ạ ẽ ộ ừ mã đặc trưng đượ ạo ra đểc t tách sóng tín hi u có t mã gi ngệ ừ ả ẫu nhiên tương quan với nó T t ấ

c ả các mã khác được xem như là nhiễu Để khôi ph c l i tín hi u thông tin, máy thu ụ ạ ệ

c n ph i bi t t mã dùng máy phát M i thuê bao v n hành mầ ả ế ừ ở ỗ ậ ột cách độ ậc l p mà không c n bi t các thông tin c a máy khác ầ ế ủ

Tín hi u s u thoệ ố liệ ại (9,6 Kbps) phía phát được mã hóa, lặp, chèn và được nhân

điều ch ế đi qua mộ ộ ọc băng thông có độ ộng băng 1,25 MHz rồt b l r i phát qua antenna

Ở đầ u thu, sóng mang và mã PN c a tín hiủ ệu thu đượ ừ antenna được đưa đếc t n b ộtương quan qua bộ ọc băng thông độ ộng băng 1,25 MHz và số ệ l r li u tho i mong mu n ạ ốđược tách ra để tái t o l i s u tho i nh s d ng b tách chèn và gi i mã ạ ạ ố liệ ạ ờ ử ụ ộ ả

mềm, điều khiển dung lượng cell r t linh ho ấ ạt

-Chất lượng thoại cao hơn, dung lượng h thệ ống tăng đáng kể (có th gấ ừ 4 đếể p t n 6

l n h ầ ệ thống GSM), độ an toàn (tính b o mả ật thông tin) cao hơn do sử ụ d ng dãy mã

ngẫu nhiên để i ph , kháng nhi u ttrả ổ ễ ốt hơn, khả năng thu đa đường tốt hơn, chuyển vùng linh ho t Do h s tái s d ng t n s là 1 nên không c n phạ ệ ố ử ụ ầ ố ầ ải quan tâm đến vấn

đề nhiễu đồng kênh

-CDMA không có gi i h n rõ ràng v s ớ ạ ề ố ngườ ử ụng như TDMA và FDMA Còn ởi s dTDMA và FDMA thì s ố ngườ ử ụi s d ng là c nh, không th ố đị ể tăng thêm khi tấ ảt c các kênh b ịchiếm

-H ệ thống CDMA ra đời đã đáp ứng nhu c u ngày càng l n d ch v ầ ớ ị ụ thông tin di động

t ế bào Đây là hệ thống thông tin di động băng hẹ ớ ốc độp v i t bit thông tin của người

s d ng là 8-13 kbps ử ụ

-M ng CDMA có th áp d ng mạ ể ụ ột cách đa dạng phân tập đểgiảm Fading Đố ới v i các

h nệ thố g băng hẹp như điều ch FM, chế ất lượng tín hi u b ệ ị ảnh hưởng nghiêm tr ng ọ

bởi Fading đa đường Trong điều ch ế CDMA băng rộng, fading đa đường được giảm đi đáng kể vì tín hiệu qua các đường khác nhau được thu nh n mậ ột cách độ ập, nhưng c l

do fading đa đường x ra liên t c nên b gi đi u ch không th x lý tín hi u thu m t ả ụ ộ ả ề ế ể ử ệ ộcách độ ậc l p dẫn đến vấn đề fading đa đường không th ể được gi i quy t triả ế ệt để Đểgiảm fading, người ta s d ng bi n pháp phân t p; phân t p có th theo th i gian, t n ử ụ ệ ậ ậ ể ờ ầ

s , ho c kho ng cách Phân t p theo thố ặ ả ậ ời gian đạt được b ng vi c s d ng mã s a sai ằ ệ ử ụ ử

H ệthống CDMA băng rộ ứng ng d ng phân t p theo t n s nh c m r ng kh ụ ậ ầ ố ờ việ ở ộ ả năng báo hi u trong mệ ột băng tần r ng và fading liên h p v i t n s ộ ợ ớ ầ ố thường có ảnh hưởng đến băng tần báo hi u (200K -300KHz) Phân tệ Hz ập theo kho ng cách có th ểđạt được ả

b ng 3 cách: Thi t l p nhiằ ế ậ ều đường báo hi u (chuy n vùng mệ ể ềm) để ế k t n i máy di ố

động v i 2 ho c nhi u BS; s dớ ặ ề ử ụng môi trường đa đường qua chức năng trải ph gi ng ổ ốnhư bộ thu quét thu nh n và t h p các tín hi u phát v i các tín hi u phát tr khác th i ậ ổ ợ ệ ớ ệ ễ ờgian; đặt nhi u anten t i BS Phân t p anten có th áp d ng cho h ng FDMA và ề ạ ậ ể ụ ệ thốTDMA Phân t p theo th i gian có th áp d ng cho các h ậ ờ ể ụ ệ thống s có tố ốc độ mã truyền d n cao H ống CDMA có th áp d ng t t c các bi n pháp phân t p ẫ ệth ể ụ ấ ả ệ ậ

H ng CDMA cung c p chệ thố ấ ức năng điều khi n công su t 2 chi u (t ể ấ ề ừ BS đến

MS và ngượ ại) Điềc l u khi n công suể ất đảm b o cho tín hi u phát cả ệ ủa các máy di động trong m t vùng ph c v có th ộ ụ ụ ể thu được với độ nh y trung bình c a BS Khi công suạ ủ ất phát c a t t c ủ ấ ả các máy di động được điều khi n, t ng công suể ổ ất thu đượ ạ ộc t i b thu BS trở thành công su t trung bình c a nhiấ ủ ều máy di động

1.1.4 Hệ thống GSM

a Giới thiệu hệ thống GSM

H ệ thống thông tin di động toàn c u GSM (Global System for Mobile ầCommunications) là một công ngh dùng cho mệ ạng thông tin di động D ch v GSM ị ụ

được s d ng bử ụ ởi hơn 2 tỷ người trên 212 qu c gia và vùng lãnh th Các m ng thông ố ổ ạtin di động GSM cho phép có th roaming vể ới nhau do đó những máy điện tho i di ạ

động GSM c a các m ng GSM khác nhau có th s dủ ạ ở ể ử ụng được nhiều nơi trên thếgiới V i chớ ất lượng cu c g i t t, giá thành th p, d ch v tin nh n, kh ộ ọ ố ấ ị ụ ắ ả năng phủ sóng

r ng khộ ắp nơi, khả năng triển khai thi t b t nhi u ngu n cung ế ị ừ ề ồ ứng cho phép người dùng có th s dể ử ụng điện tho i c u h ạ ả ọ khắp nơi trên thế giới… đã làm cho GSM trởthành chu n ph bi n nhẩ ổ ế ất cho điện thoại di động

Được nghiên c u và chu n hóa t ứ ẩ ừ năm 1982 bởi CEPT (European Conference

of Pastal and Telecommunication Administrations), v i mớ ục tiêu cho phép thuê bao lưu động kh p Châu Âu Mắ ạng điện thoại di động s d ng công ngh ử ụ ệ GSM được chính thức cung c p d ch v u tiên b Radiolinja Phấ ị ụ đầ ở ở ần Lan Vào năm 1993 đã có hơn 1 triệu thuê bao s d ng m ng GSM c a 70 nhà cung c p d ch v trên 48 qu c gia Ngày ử ụ ạ ủ ấ ị ụ ốnay, GSM đã trở thành chu n toàn c u v i giao diẩ ầ ớ ện được chu n hóa, máy thu GSM ba ẩbăng tần có th ể lưu động toàn c u Mầ ạng thông tin di động GSM hoạt động trên các băng tần GSM 900MHz, DCS 1800MHz, PCS 1900 MHz S dử ụng phương thức đa truy c p TDMA/FDMA (8 thuê bao / 200 kHz) ậ [17]

Đố ới v i các m ng s dạ ử ụng băng tần 900 MHz thì đường lên (t ừ thuê bao di động

đến tr m truy n d n uplink) s d ng t n s trong d i 890ạ ề ẫ ử ụ ầ ố ả –915 MHz và đường xu ng ốdownlink s dử ụng t n s trong d i 935ầ ố ả –960 MHz Và chia các băng tần này thành 124 kênh với độ ộng băng thông 25 MHz, mỗ r i kênh cách nhau 1 kho ng 200 kHz Kho ng ả ảcách song công (đường lên & xu ng cho 1 thuê bao) là 45 MHz ố

Băng tần chuẩn GSM900 đã được m r ng thành E-GSM, nhở ộ ằm đạt được d i ả

t n rầ ộng hơn E-GSM dùng 880–915 MHz cho đường lên và 925–960 MHz cho đường xuống Như vậy, đã thêm được 50 kênh (đánh số 975 đến 1023 và 0) so với băng GSM-900 ban đầu E-GSM cũng sử ụ d ng công ngh phân chia theo th i gian TDM ệ ờ(time division multiplexing), cho phép truy n 8 kênh tho i toàn t c hay 16 kênh thoề ạ ố ại

bán t c trên 1 kênh vô tuy n Có 8 khe th i gian g p l i g i là m t khung TDMA Các ố ế ờ ộ ạ ọ ộkênh bán t c s d ng các khung luân phiên trong cùng khe th i gian Tố ử ụ ờ ốc độtruyề ữn d liệu cho c 8 kênh là 270.833 kbit/s và chu k c a m t khung là 4.615 m Công suả ỳ ủ ộ ất phát của máy điện thoại được gi i h n tớ ạ ối đa là 2 watt đố ới băng GSM 850/900 MHz i v

và tối đa là 1 watt đố ới băng GSM 1800/1900 MHz.i v

Có t t c bấ ả ốn kích thước cell site trong m ng ạ GSM đó là macro, micro, pico và umbrella Vùng ph sóng c a m i cell ph ủ ủ ỗ ụ thuộc nhiều vào môi trường Macro cell đượ ắc l p trên c t cao ho c trên các toà nhà cao t ng, micro cell lộ ặ ầ ại đượ ắ ởc l p các khu thành thị, khu dân cư, pico cell thì tầm ph sóng ch o ng vài ch c mét tr l i nó ủ ỉ kh ả ụ ở ạthường đượ ắp để ếc l ti p sóng trong nhà Umbrella l p b sung vào các vùng b che ắ ổ ịkhu t hay các vùng tr ng gi a các cell Bán kính ph sóng c a m t cell tu ấ ố ữ ủ ủ ộ ỳ thuộc vào

độ cao của anten, độ ợi anten thườ l ng thì nó có th t vài trể ừ ăm mét tới vài ch c km ụTrong th c t thì kh ự ế ả năng phủ sóng xa nh t c a m t tr m GSM là 35 km (22 d m) ấ ủ ộ ạ ặ

M t s khu v c trong nhà mà các anten ngoài tr i không th ph sóng tộ ố ự ờ ề ủ ới như nhà ga, sân bay, siêu thị thì người ta s dùng các trẽ ạm pico đểchuyể ến ti p sóng t các anten ừngoài tr i vào ờ

b Giao di n vô tuy n ệ ể

GSM là mạng điện thoại di động thi t k g m nhi u t ế ế ồ ề ế bào do đó các máy điện thoại

di động k t n i v i mế ố ớ ạng b ng cách tìm ki m các cell g n nó nh t Các mằ ế ầ ấ ạng di động GSM hoạt động trên 4 băng tần H u h t thì hoầ ế ạt động ở băng 900 Mhz và 1800 Mhz Vài nướ ởc Châu M thì s dỹ ử ụng băng 850 Mhz và 1900 Mhz do băng 900 Mhz và

1800 Mhz ở nơi này đã bị ử ụng trướ s d c.Và c c k hi m có m ng nào s d ng t n s ự ỳ ế ạ ử ụ ầ ố

400 Mhz hay 450 Mhz ch ỉ có ở Scandinavia s d ng dử ụ o các băng tần khác đã bị ấ c p phát cho vi c khác Các m ng s dệ ạ ử ụng băng tần 900 Mhz thì đường lên (t thuê bao di ừđộng đến tr m truy n d n uplink) s d ng t n s trong d i 890-ạ ề ẫ ử ụ ầ ố ả 915 MHz và đường

thành 124 kênh với độ ộng băng thông 25 Mhz, mỗ r i kênh cách nhau 1 kho ng 200 ảKhz Khoảng cách song công (đường lên & xu ng cho 1 thuê bao) là 45MHz m t s ố Ở ộ ốnước, băng tần chuẩn GSM900 được m r ng thành E-GSM, nhở ộ ằm đạt được d i t n ả ầ

r ng hộ ơn E-GSM dùng 880–915 MHz cho đường lên và 925–960 MHz cho đường xuống Như vậy, đã thêm được 50 kênh (đánh số 975 đến 1023 và 0) so với băng GSM- 900 ban đầu E-GSM cũng sử ụ d ng công ngh phân chia theo th i gian TDM ệ ờ(time division multiplexing), cho phép truy n 8 kênh tho i toàn t c hay 16 kênh thoề ạ ố ại bán t c trên 1 kênh vô tuy n Có 8 khe th i gian g p l i g i là m t khung TDMA Các ố ế ờ ộ ạ ọ ộkênh bán t c s d ng các khung luân phiên trong cùng khe th i gian Tố ử ụ ờ ốc độtruyề ữn d liệu cho c 8 kênh là 270.833 kbit/s và chu k c a m t khung là 4.615 m Công suả ỳ ủ ộ ất phát của máy điện thoại được gi i h n tớ ạ ối đa là 2 watt đố ới băng GSM 850/900 Mhz i v

và tối đa là 1 watt đố ới băng GSM 1800/1900 Mhz.i v

c C u trúc h ấ ệ thống thông tin di động toàn c u GSMầ

H ệthống thông tin di động toàn cầu GSM được chia làm 3 phân h Bao gệ ồm:

- Phân h ệchuyển mạch – NSS (Network Switching Subsystem)

- Phân h vô tuy n RSS (Radio SubSystem) = BSS + MS ệ ế –

- Phân h v n hành và bệ ậ ảo dưỡng OMS (Operation and Maintenance Subsystem) –

Trạm di động MS: Bao gồm thi t b ế ị di động ME (Mobile Equipment) và Module

nh n d ng thuê bao (SIM ậ ạ – Subscriber Indentity Module) SIM lưu giữ các s nhố ận

d ng IMSI, TMSI, khóa nh n th c Kạ ậ ự i khóa m t mã Kậ c , số ệ hi u nh n dậ ạng vùng định v ịLAI (Location Area ID), danh sách các t n s lân c n ầ ố ậ

S ố IMSI: International Mobile Subscriber Identity được s d ng nh m nhử ụ ằ ận

d ng MS b i h ng, ph c v báo hiạ ở ệthố ụ ụ ệu và điều khi n ể

– TMSI nh n d ng duy nh t mậ ạ ấ ột MS trong vùng điều khi n c a 1 VLR ể ủ

– TMSI có c u trúc tấ ối đa 32 bits

Phân h m g c BSS (Base Station Subsystem) ệ trạ ố : Bao g m b ồ ộ chuyển đổi

mã và ph i h p tố ợ ốc độ (TRAU), b u khi n tr m g c BSC và nhi u tr m thu phát ộ điề ể ạ ố ề ạ

gốc (BTS) BSS được k t n i v i NSS qua luế ố ớ ồng PCM cơ ởs 2Mbps

u khi n m t s m BTS x lý các b n tin báo hi u- i t o k t n i -

Điều khi n chuy n giao : Intra & Inter BTS HO-K t nể ể ế ối đến các MSC, BTS và OMC, thực hi n x lý cu c g i, v n hành, bệ ử ộ ọ ậ ảo dưỡng và cung c p các giao ti p gi a BSS và ấ ế ữMSC Chức năng cơ bản c a BSS bao g m vi c qu n lý kênh vô tuy n và chuy n tiủ ồ ệ ả ế ể ếp các thông tin báo hiệu đến MS hoặc ngượ ạc l i

kênh logic vào kênh v t lý, mã hóa/gi i mã hóa, mậ ả ật mã hóa/gi i mả ật mã hóa, điều chế ải điề/gi u ch BTS cung c p các kênh vô tuy n cho vùng ph sóng c a nó Vùng ế ấ ể ủ ủ

ph sóng c a BTS có th ủ ủ ể được thi t k ế ế đẳng hướng ho c theo ki u sector BTS ghép 4 ặ ểkênh tho i 16 kbps (tạ ốc độ phù h p vợ ới kênh 13 kbps được dùng Air interface) vào ởtrong m t kênh 64 kbps trên kênh giao ti p BTS và BSC BSC s nh tuy n cho kênh ộ ế ẽ đị ế64kbps đến b chuy n mã xa (RXCDR) trong MSC Tộ ể ở ở ại đây, kênh 64kbps được chuyển thành 4 kênh 16kbps , sau đó một kênh 16kbps được chuy n thành 64kbps ểA_law giao ti p RXCDR và chuyở ế ển đến MSC BSS n i v i NSS thông qua lu ng ố ớ ồPCM cơ sở 2 Mbps, M ng và h th ng chuy n mạch Network and Switching ạ ệ ố ểSubsystem (ph n này g n gi ng v i mầ ầ ố ớ ạng điện tho i c ạ ố định) Đôi khi người ta còn gọi

nó là m ng lõi (core network) Ph n m ng GPRS (GPRS care network) Ph n này là ạ ầ ạ ầ

m t ph n lộ ầ ắp thêm để cung c p d ch v truy c p Internet Và m t s ph n khác ph c v ấ ị ụ ậ ộ ố ầ ụ ụviệc cung c p các d ch v cho mấ ị ụ ạng GSM như gọi, hay nhắn tin SMS , Máy điện tho i ạ - Mobile Equipment Th SIM (Subscriber identity module) ẻ

B u khi n tr m g c BSC th c hi n các chộ điể ể ạ ố ự ệ ức năng điều khi n m t s ể ộ ố trạm BTS, x lý các b n tin báo hiử ả ệu, điều khi n, v n hành bể ậ ảo dưỡng đi/đến BTS; kh i t o ở ạ

k t nế ối, điều khi n chuy n giao Intra & Inter BTS HO, k t nể ể ế ối đến MSC, BTS và OMC

B ộ chuyển đổi mã và ph i h p tố ợ ốc độ TRAU (TRAU: Trancoding and Rate Adaption Unit còn g i XCDR = TransCoDeR) XCDR x lý vi c giao ti p các kênh ọ ử ệ ế64kbps mở ạng c nh v i kênh vocoder 13 kbps ố đị ớ ở “Air” interface, XCDR là một chức năng của BSS và có th t t i MSC, BSC ho c BTS Tùy theo v ể đặ ạ ặ ị trí đặt, b ộchuyển mã s ẽ tác động cách th c hi n vi c chuy n mã và s đườự ệ ệ ể ố ng truy n 2Mbps yêu ề

c u vi c k t nầ ệ ế ối các BTS đến BSC và BSC đến MSC (Đối v i mớ ạng Vinaphone, XCDR được đặ ởt MSC)

Hình 1.3 Sơ đồ ộ b chuyể đổn i mã và ph i h p tố ợ ốc độ

Hình 1.4 Sơ đồ ị v trí b ộchuyển đổi mã và ph i h p tố ợ ốc độ

Phân h chuy n m ch NSS (SSS) ệ ể ạ ồ ổng đài di độ

Services Switching Center) , b nh v ộ đị ị thường trú HLR (Home Location Register), b ộ

định v t m trú VLR (Visitor Location Register) , Trung tâm nh n th c AC ị ạ ậ ự(Authentication Center), , b ba thông s nh n thộ ố ậ ực “triple”, kh i nh n d ng thi t b ố ậ ạ ế ịEIR Tổng đài di động MSC có chức năng: Xử lý cu c gộ ọi (call procesing), điều khiển chuyển giao (Handover control), quản lý di động (mobility management), x lý tính ửcước (billing), tương tác mạng (interworking function): GatewayMSC HLR là cơ sở

d u tham chiữ liệ ếu lưu giữ lâu dài các thông tin v thuê bao, g m các s ề ồ ố nhậ ạn d ng: IMSI, MSISDN, các thông tin v thuê bao, danh sách d ch v ề ị ụ MS được/hạn ch s ế ử

d ng, s hiụ ố ệu VLR đang phục v ụ MS VLR là cơ sở ữ d liệu trung gian lưu giữ ạ t m thờithông tin v thuê bao trong vùng ph c v ề ụ ụ MSC/VLR được tham chi u t ế ừ cơ sở ữ d liệu HLR g m các s nh n d ng: IMSI, MSISDN,TMSI; s hi u nh n dồ ố ậ ạ ố ệ ậ ạng vùng định

v ị đang phục v MS; danh sách d ch v ụ ị ụ MS được/hạn ch s d ng Tr ng thái c a MS ế ử ụ ạ ủ(bận: busy; r i ỗ : idle) AuC (AC) là cơ sở ữ ệu lưu giữ d li mã khóa cá nhân Ki c a các ủthuê bao và t o ra b ba tham s nh n thạ ộ ố ậ ực „triple: RAND, Kc,SRES‟ khi HLR yêu cầu

để ế ti n hành quá trình nh n thậ ực thuê bao” EIR là cơ sở ữ ệ d li u thông tin v tính h p ề ợ

l c a thi t b ME qua s IMEI M t thi t b s có s IMEI thu c 1 trong 3 danh sách: ệ ủ ế ị ố ộ ế ị ẽ ố ộ

danh sách tr ng (white list) -ắ > valid ME, danh sách đen (black list) -> stolen ME, danh sách xám (gray list) -> ME is fauly or do not meet curent GSM specifications

Phân h v n hành và b ệ ậ ảo dƣỡ ng OMS: Các thành ph n c a phân h NSS và ầ ủ ệBSS (BSC, BTS,TRAU) được điều hành, theo dõi và bảo dưỡng t p trung thông qua ậphân h OMS OMS có th bao g m 1 ho c nhi u trung tâm v n hành bệ ể ồ ặ ề ậ ảo dưỡng OMC ( Operation & Maintenance Center) OMS được phân chia thành OMC-S (switching)

có chức năng quản lý phân h BSS , OMC-R (Radio) có chệ ức năng quản lý phân h ệBSS OMC th c hi n các chự ệ ức năng Quản lý c nh báo (Event/alarm manegament), ảquán lý l i (Fault manegament), qu n lý chỗ ả ất lượng (performance manegament), quản

lý c u hình (configuration manegament), qu n lý b o m t (sercurity manegament) ấ ả ả ậ

1.2 1 Thế hệ đầu tiên của công nghệ điện thoại di động (1G)

Thế ệ đầ h u tiên c a công ngh n thoủ ệ điệ ại di động 1G s d ng công ngh ử ụ ệ tương tự , phương thức đa truy nhập phân chia theo t n s ầ ố FDMA và điều ch t n s ế ầ ố FM đểtruyền kênh tho i trên sóng vô tuyạ ến đến thuê bao điện thoại di động V i FDMA, ớngười dùng được c p phát m t kênh trong t p h p có tr t t các kênh tronấ ộ ậ ợ ậ ự g lĩnh vự ầc t n

số Trong trường h p n u s thuê bao nhiợ ế ố ều vượt tr i so v i các kênh t n s có th , thì ộ ớ ầ ố ể

m t s ộ ố người b ị chặ ại không đượn l c truy c p Các h ậ ệ thống điển hình bao g m: ồAMPS, TACS và NMT H ệthống FDMA điển hình là h ệthống điện thoại di động tiên tiến AMPS với các đặc điểm như mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc su t thố ời gian thông tuy n; nhi u giao thoa do t n s các kênh lân cế ễ ầ ố ận nhau là đáng kể; tr m thu ạphát g c BTS ph i có b thu phát riêng làm vi c v i m i MS trong cell.ố ả ộ ệ ớ ỗ

H ng thôệ thố ng tin di động th h u tiên cung c p d ch vế ệ đầ ấ ị ụ đơn thuần là tho i V i ạ ớchất lượng th p và b o m t kém và có nhi u h n ch ấ ả ậ ề ạ ế như phân bổ ầ t n s r t h n chố ấ ạ ế,

môi trường fading đa đường; không cho phép giảm đáng kể giá thành c a thi t b di ủ ế ịđộng và cơ sở ạ ầng, không đả h t m b o tính bí m t c a các cu c gả ậ ủ ộ ọi; không tương thích giữa các h thệ ống khác nhau, đặc bi t ởệ châu Âu, làm cho thuê bao không th s d ng ể ử ụđược máy di động c a mình ủ ở các nước khác; Chất lượng th p và vùng ph sóng h p ấ ủ ẹ

APMS (Advanced Mobile Phone Service) d ch v n thoị ụ điệ ại di động tiên ti n ếCông ngh n thoệ điệ ại di động analoge đã từng đượ ử ục s d ng B c & Nam M & khở ắ ỹ ắp

35 nước khác V n hành trong d i t n s 800MHz s d ng công ngh ậ ả ầ ố ử ụ ệ FDMA Đây là

h ệthống điện thoại di động t ong do AT&T và Motorola Hoa K xuấ ử ụổ – ỳ đề t s d ng vào năm 1982 Vì nguồn t n s là có gi i h n, nên yêu c u s d ng hi u qu là c n ầ ố ớ ạ ầ ử ụ ệ ả ầthiết; do đó vùng phụ ụ ộng được v r c phân chia thành các ô nh và d ch v cung c p s ỏ ị ụ ấ ử

d ng m t t n s nhụ ộ ầ ố ất định v i m t công su t nh cho phép các BS cách xa mớ ộ ấ ỏ để ở ột kho ng cách nhả ất định có th tái s d ng cùng m t t n s ể ử ụ ộ ầ ố đó một cách đồng th i Sau ờ

đó, người ta l y m t hình lấ ộ ục giác để đặc trưng cho vùng phục v ụ tương ứng và để đơn giản hóa vi c thi t k và tính toán lý thuy t v mệ ế ế ế ề ạng điện thoại di động

- TACS: Total Communication System, được tri n khai ể ở Anh vào năm 1985

- AMPS: Advaced Mobile Phone System được tri n khai t i B c M ể ạ ắ ỹ vào năm 1978 sử

dụng băn ầg t n 800 MHz

1.2.2 Thế hệ thứ hai của công nghệ điện thoại di động (2G)

a Th h ế ệ thứ hai c a công ngh ủ ệ điện thoại di động

Thế ệ thứ h hai c a công ngh n thoủ ệ điệ ại di động analog 2G; là h ng di ệ thố

động s t ố ế bào Dung lượng kênh tăng, chất lượng d v ịch ụ đượ ảc c i thi n so v i công ệ ớngh n thoệ điệ ại di động th h u tiên, và có h các d ch v s u Sế ệ đầ ỗ trợ ị ụ ố liệ ử ụ d ng chuyển mạch kênh và các phương thức truy cập TDMA và CDMA băng hẹp (NarrowBand)

Các h ệthống điển hình: GSM, CDMA -95 and D-AMPS, IS-136 IS

-GSM (Global System for Mobile Phone) TDMA tri n khai t i Châu Âu – ể ạ

-D-AMPS (IS-136 Digital Advanced Mobile Phone System) TDMA tri n khai t– – ể ại

M ỹ

- -95 (CDMA one) - CDMA Tri n khai t i M và Hàn Qu IS ể ạ ỹ ốc

- PDC (Personal Digital Cellular) TDMA, Tri n khai t– ể ạiNhậ ảt B n

- CDMA: CDMA là m t chu n t bào s dùng các k ộ ẩ ế ố ỹ thuật ph d i rổ ả ộng đểtruyền tín

hi u, khác v i k ệ ớ ỹthuật kênh băng hẹp, dùng trong các h thệ ống tương tự thông thường

Nó k t h p c âm thanh s và d u s vào trong m t m ng truy n thông vô tuyế ợ ả ố ữ liệ ố ộ ạ ề ến duy nh t và có th cung c p cho khách hàng các d ch v âm thanh sấ ể ấ ị ụ ố, thư thoại (voice mail), nh n di n s gậ ệ ố ọi đến (caller ID), và truy n tin bề ằng văn bản CDMA được TIA (Telecommunication Industry Association) công nhận như là kỹ thu t s ậ ố đa truy ộb i cho điện thoại di động vào năm 1993 Có mộ ốt s bi n th cế ể ủa CDMA như là see W-CDMA, B-CDMA, TD-SCDMA

của GSM đời th hai (2G) S dứ ử ụng phương thức chuy n mể ạch gói, thông tin đượ ảc t i

đi dưới d ng các gói tin Nh ng gói tin này t ạ ữ ự tìm đường ng n nhắ ất đến địa ch c n ỉ ầđến Do đó các dịch v s liụ ố ệu được c i tiên, tả ốc độ bit data cao hơn và hỗ ợ ế ố tr k t n i internet Trên lý thuyết, tốc độ truyền tin dùng GPRS lên t i 115Kbit/s Các h ống ớ ệ thđiển hình g m có: ồ

- GPRS (General Packet Radio Services): Nâng c p t m ng GSM nh m h ấ ừ ạ ằ ỗ trợ chuyển

m ch gói (172 kbps) ạ

- EDGE (Enhance Data rate for GSM Evolution): H tỗtrợ ốc độ bit cao hơn GPRS trên

n n GSM (384 kbps) ề

1.2 3 Thế hệ thứ ba của công nghệ điện thoại di động (3G)

Thế ệ ứ h th 3 c a công ngh ủ ệ di động được phát triển theo 2 hương tiêu chuẩn

triên t h ng GSM , GPRS; là s nâng c p c a các h ừ ệthố ự ấ ủ ệ thống thông tin di động th ế

h 2 s d ng công ngh ệ ử ụ ệTDMA như: GSM, IS-136

CDMA 2000 1xEVDO: Phát tri n t h ng CDMA IS 95; là s nâng c p c a h ể ừ ệ thố ự ấ ủ ệthống thông tin di động th h 2 s d ng công ngh CDMA: IS-95 ế ệ ử ụ ệ

Các h ệ thống này đề ử ụu s d ng công ngh ệ CDMA, điều này cho phép th c hi n tiêu ự ệchuẩn toàn th gi i cho giao di n vô tuy n c a h thế ớ ệ ế ủ ệ ống thông tin di động th h 3 ế ệ

H ệthống thông tin di động chuy n t ể ừ thế ệ h 2 sang th h 3 qua mế ệ ột giai đoạn trung gian là th h 2,5G s d ng công ngh ế ệ ử ụ ệ TDMA trong đó kế ợt h p nhi u khe ho c ề ặnhi u t n s ho c s d ng công ngh ề ầ ố ặ ử ụ ệ CDMA trong đó có thểchồng lên ph t n c a th ổ ầ ủ ế

h hai n u không s d ng ph t n m i, bao g m các mệ ế ử ụ ổ ầ ớ ồ ạng đã được đưa vào sử ụ d ng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x th h th 3 này các h th ng thông tin di Ở ế ệ ứ ệ ố

động có xu th hoà nh p thành m t tiêu chu n duy nh t và có kh ế ậ ộ ẩ ấ ả năng phục v t c ụ ở ố

độ bit lên đến 2 Mbit/s Để phân bi t v i các h thệ ớ ệ ống thông tin di động băng hẹp hi n ệnay, các h ệthống thông tin di động th h 3 g i là các h ế ệ ọ ệthống thông tin di động băng

r ng ộ

C i ti n n i b t nh t c a m ng 3G so v i mả ế ổ ậ ấ ủ ạ ớ ạng 2G là kh ả năng cung ứng truy n ềthông gói tốc độ cao nh m tri n khai các d ch v ằ ể ị ụtruyền thông đa phương tiện

3G CDMA: W-CDMA được tri n khai ph bi n nh t, s dể ổ ế ấ ử ụng các băng tần 2100 MHz , mộ ố ốt s qu c gia s dử ụng băng tần 850 MHz , 900Mhz , 1900 MHz

- 3G UMTS, HSPA, HSPA+ : B1(2100),B2(1900),B4(AWS),B5(850), B8(900)

- 3G TD-SCDMA: 850/900/1900/2100MHz

Thông tin di động th h th 3 xây dế ệ ứ ựng trên cơ sở IMT-2000 được đưa vào phục

v t ụ ừ năm 2001 Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều kh ả năng mới nhưng cũng

đồng th i bờ ảo đảm s phát tri n liên t c cự ể ụ ủa thông tin di động th h 2 H ng thông ế ệ ệthốtin di động th h th ế ệ ứ 3 có các đặc điểm như sau:

- Tốc độ ủ c a th h ế ệ thứ ba được xác định, 384 Kb/s đố ới v i vùng ph sóng r ng; 2 ủ ộMb/s đố ới v i vùng ph ủ sóng đị phương.a

- S d ng d i tử ụ ả ần quy định qu c t ố ế 2GHz cho hướng lên : 1885-2025 MHz; hướng

xu ng : 2110-2200 MHz ố

- Là h ệ thống thông tin di động toàn c u cho các lo i hình thông tin vô tuy n: Tích ầ ạ ế

h p các mợ ạng thông tin h u tuy n và vô tuyữ ế ến Tương tác với mọi lo i d ch v vi n ạ ị ụ ễthông

- S dử ụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài đường, trên xe,

1.2 4 Thế hệ thứ tư của công nghệ điện thoại di động (4G)

Thế ệ ứ h th 4 c a công ngh n 4G: Là công ngh ủ ệ điệ ệ cho phép ngườ ử ụi s d ng truyền nh n d ệ ốc độậ ữ li u t cao, tốc độ nh n d ệu lên đếậ ữli n 100 Mbps khi di chuy n, ể

1 Gbps khi đứng yên Th h 4 dùng k thu t truy n t i truy c p phân chia theo t n s ế ệ ỹ ậ ề ả ậ ầ ố

trực giao OFDM, là k ậỹ thu t nhi u tín hiề ệu được gởi đi cùng một lúc nhưng trên những

t n s khác nhau Các công ngh ầ ố ệ được xem như 4G như LTE, LTE Advance, WiMAX 3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên c a LTE ủchưa đủ các tính năng theo yêu cầu c a IMT Advanced LTE có tủ ốc độ lý thuy t lên ế

đến 100Mbps ở đường xu ng và 50Mbps ố ở đường lên đố ới băng thông 20MHz Ởi vNhật B n, nhà cung c p mả ấ ạng NTT DoCoMo định nghĩa 4G bằng khái niệm đa phương tiện di động (Modbile Multimedia) v i kh ớ ả năng kế ốt n i m i lúc , mọ ọi nơi, khảnăng di động toàn c u và d ch v c thù cho t ng khách hàng NTT DoMoCo xem 4G ầ ị ụ đặ ừnhư là một m r ng c a mở ộ ủ ạng thông tin di động t bào 3G Vế ới quan điểm này 4G s ẽchính là m ng 3G LTE, UMB hay WiMAX 802.16m ạ Ở Châu Âu, 4G được xem như làkhả năng đảm b o cung c p d ch v liên t c, không b ả ấ ị ụ ụ ị ngắt quãng v i kh ớ ả năng kế ốt n i

v i nhi u lo i hình m ng truy c p vô tuy n khác nhau và kh ớ ề ạ ạ ậ ế ả năng lựa ch n m ng vô ọ ạtuyến thích hợp để truyề ản t i d ch v ị ụ đến người dùng m t cách tộ ối ưu nhất Hi n nay, ệtrên th ế giới đã triển khai các d ch v mị ụ ạng LTE và LTE Advance, được xem như

m ng th h công ngh 4G M ng LTE Advance mạ ế ệ ệ ạ ở ộ ố nướt s c Anh, Hàn Qu c, Nh t ố ậ

Bản đã đạt đế ốc độn t nhanh gấp đôi so với mạng LTE LTE Advanced là ng viên cho ứchuẩn IMT-Advanced, m c tiêu cụ ủa nó là hướng đến đáp ứng được yêu c u c a ITU ầ ủLTE Advanced có kh ả năng tương thích với thi t b và chia s ế ị ẻ băng tần v i LTE phiên ớ

bản đầu tiên.Di động WiMAX (IEEE 802 16e-2005) là chu n truy cẩ ập di động không dây băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ bít đỉnh đường xu ng là 128 ốMbps và 56 Mbps cho đường xu ng vố ới độ ộng băng thông hơn 20 MHz UMB (Ultra rMobile Broadband) : UMB được các t ch c vi n thông c a Nh t B n, Trung Qu c, ổ ứ ễ ủ ậ ả ố

B c M và Hàn Qu c cùng vắ ỹ ố ới các hãng như Alcatel- Lucent, Apple, Motorola, NEC