Tài liệu tham khảo bộ môn thông tin di động

Cùng với sự phát triển của công nghệ số hóa trong điện tử và viễn thông liên lạc thì việc chuyển đổi trong thông tin di động cũng có sự chuyển biến công nghệ, các mạng tương tự như trên

Chương 1

TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Như chúng ta đều đã nhận thấy thì khi cuộc sống càng phát triển chúng ta càng rất cần thông tin đồng thời thì thông tin cũng làm chất xúc tác cho cuộc sống hiện nay phát triển ngày càng cao hơn Trong rất nhiều lĩnh vực thông tin thì thông tin di động đã

và đang là vấn đề phát triển nhanh nhất, càng ngày thông tin di động càng được phổ biến rộng rãi và sâu rộng Từ những nhận thức đó thì việc tìm hiểu kỹ thuật công nghệ của chuyên ngành thông tin di động là một yêu cầu tất yếu của các sinh viên chuyên ngành thông tin liên lạc hiện này và sau này Hệ thống thông tin di động là một hệ thống viễn thông khá phức tạp và có nhiều ứng dụng rộng rãi, từ điện thoại di động đến hiện nay là truyền số liệu di động cũng đã được triển khai rộng khắp

1.1 Giới thiệu tổng quan

Hiện nay trên thế giới nói chung và trong đó có Việt Nam chúng ta đã đang và sẽ tồn tại hai hệ thống thông tin di động đó là mạng điện thoại di động tổ ong GSM (Global System for Mobile Communication) và mạng di động sử dụng công nghệ CDMA (Code Division Multipe Acess) Mỗi hệ thống có những đặc tính riêng, có ưu nhược điểm đặc trưng mà hệ thống còn lại không (hoặc chưa) thay thế được Trong giáo trình này chúng ta sẽ đề cập đến cả hai hệ thống nói trên theo từng đặc tính chung và riêng của chúng

1.1.1 Khái quát lịch sử phát triển

Cột mốc đánh dấu sự ra đời và phát triển của thông tin di động hiện nay phải được xét đến kể từ khi James Clerk Maxwell đưa ra lý thuyết về sóng điện từ vào năm

1861, đây là nền tảng lý thuyết quan trọng nhất của các kỹ thuật thông tin không dây nói chung và trong đó có cả thông tin di động của chúng ta Tuy nhiên để áp dụng được

lý thuyết đó vào thực tế là cả một chặng đường lâu dài Cho đến những thập niên đầu thế kỹ XIX, các dạng thông tin di động đầu tiên được phát triển để phục vụ cho quân sự

và các dịch vụ an toàn công cộng nhất là trong thế chiến thứ 2

Sau thế chiến thứ hai, thông tin di động bắt đầu được phát triển cho mục đích thương mại, đầu tiên được xây dựng ở Mỹ hệ thống điện thoại di động MTS (Mobile Telephone System) vào năm 1946; nhưng trên mạng đó chỉ cho phép truyền đơn công

và sử dụng chuyển mạch nhân công Mãi đến 1969 hệ thống điện thoại di động song công sử dụng chuyển mạch tự động mới được phát triển thành công là IMPS (Improved Mobile Telephone System) Mạng thoài này sử dụng dãi tần 450MHz và đã được chuẩnhóa tại Mỹ nhưng lại không thể đáp ứng nhu cầu phát triển

Th.s Lê Văn Thanh Vũ

Thông tin di độ ng 2

Vào cuối thập kỷ 70, phòng thí nghiệm Bell LaBTS đã phát triển thành công hệ thống AMPS và đưa ra thương mại hóa bởi hãng AT&T vào năm 1983; hệ thống này sử dụng dãi tần trên 800MHz với hướng lên trong khoảng 824-846MHz và hướng xuống

là 869-894MHz Trong AMPS sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự FM với khoảng dịch tần cực đại 12KHz cho kênh thoại và khoảng cách tần số là 30KHz; phân bố tần số trong mạng tuân theo nguyên lý chia ô AMPS chia sẽ cho hai nhà cung cấp với 832 kênh Các kênh được chia đều cho các nhà cung cấp dịch vụ, và khu vực địa lý, với 42 kênh mang thông tin của mạng (kênh báo hiệu chung)

Song song với AMPS của Mỹ thì Châu Âu cũng đã thực hiện được hệ thống di động cho mình vào 01/10/1981 bằng chuẩn NMT450 là một mạng di động tế bào chủ yếu phục vụ cho khu vực Bắc Âu NMT450 sử dụng dãi tần trên 450MHz với kỹ thuật FDMA/FM với khoảng dịch tần cực đại là ±5KHz và khoảng cách tần giữa hai kênh là25KHz và sử dụng kỹ thuật điều chế khóa dịch tần FSK Sau đó hệ thống này đượcnâng cấp để sử dụng khoảng tần 900MHz và trở thành NMT900 vào năm 1986 và đây

là cơ sở cho việc phát triển mạng di động số thế hệ thứ 2 được phổ biến rộng rãi với tên gọi GSM (Global System Mobile)

Dựa vào AMPS, tại Anh đưa ra chuẩn TACS (Total Access Communication

System), hệ thống truyền thông truy cập toàn thể, với sự thay đổi dãi tần của các kênh

vô tuyến Hệ thống TACS sau này được phát triển ở nhiều nước như ở Nhật là J-TACS, hãy chuẩn mở rộng là N-TACS TACS có dãi tần kênh 25kHz ở dãi tần 890-915MHz cho đường lên và 935-960MHz cho đường xuống với khoảng cách kênh 45MHz; ban đầu được cấp dãi 25MHz, dự trữ 10MHz cho hệ thống pan_TACS ở Anh và 16MHz cho chuẩn mở rộng N-TACS Trong hệ thống TACS sử dụng kênh điều khiển và báo hiệu ở tốc độ 8kbps

Cùng với sự phát triển của công nghệ số hóa trong điện tử và viễn thông liên lạc thì việc chuyển đổi trong thông tin di động cũng có sự chuyển biến công nghệ, các mạng tương tự như trên đã dần được thay thế bằng các mạng số hóa mà thành công nhất

là hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM (Global System Mobile) Sự chuyển đổi từ mạng tương tự qua mạng số thường được biết đến như sự chuyển đổi thế hệ mạng di động, mà ở đó mạng thông tin công nghệ tương tự được xem là thế hệ thứ nhất (1G) và mạng thông tin di động toàn cầu GSM là thế hệ thứ 2 (2G) Hiện nay chúng ta thường được nghe đến các khái niệm 2.5G và 3G chính là các thế hệ mạng thông tin mới được

đề xuất và đang phát triển để đáp ứng nhu cầu trao đổi tin ngày càng cao của xã hội hiện đại Trong các thế hệ mạng sau này thì chủ yếu được nâng cấp kỹ thuật công nghệ

để đáp ứng được các yêu cầu của thông tin đa phương tiện tốc độ cao (truyền hình,

Năm 1982, theo đề xuất của Cty Nordic Telecom (Viễn thông Bắc Âu), Netherlands, nhóm nghiên cứu Group Special Mobil (GSM) thì Tổ chức Bưu chính Viễn thông Châu Âu – CEPT (Conference Euro Posts and Telecommunication) đã hình thành tiêu chuẩn mới cho hệ thống thông tin di động xuyên Châu Âu Sau đó 5 năm (1987) thì 13 nhà khai thác quản lý đã ký kết thỏa thuận đưa ra tiêu chuẩn GSM là viết tắt theo tên tiếng Pháp của Global System for Mobile Communication là tiêu chuẩn chúng ta sử dụng hiện nay GSM sử dụng mã hóa tiếng nói dự đoán đặc tuyến xung kích chính tắc (PRE-LPC) và phương thức TDMA phân chia theo thời gian.

Từ năm 1989 GSM được chuyển nhượng cho Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu

Âu (ETSI) và được viện phát triển qua nhiều giai đoạn mãi đến năm 1997 mới hoàn thành tiêu chuẩn đầy đủ thành GSM 2G có kết hợp với dịch vụ số liệu chuyển mạch tốc

độ cao (HSCSD) và dịch vụ truyền sóng vô tuyến gói đa dụng (GPRS)

GSM sử dụng giao diện vô tuyến ở dãi tần trên 850MHz, cụ thể là 890-915MHz cho đường lên và 935-960 cho đường xuống đối với các mạng di động (hiện nay đang

sử dụng dãi tần 1800MHz) Kỹ thuật điều chế của GSM là GMSK (Khóa mã cực tiểu Gaussian) với mỗi giá trị BT là 0.3 tại tốc độ dữ liệu tổng 270kbps Điều này đưa ra để cân đối tối ưu giữa độ phức tạp của thiết bị và hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống

Bảng 1.1 Tóm lược lịch sử phát triển của GSM

1982 Nhóm nghiên cứu di động đặc biệt được CEPT thành lập (GSM ra đời)

1986 Dãi tần 900MHz dành riêng cho GSM được sự chấp thuận của EC Telecom

Có 3 sơ đồ truyền dẫn sóng vô tuyến khác nhau và khác cả tốc độ mã hóa âm thanh ở các quốc gia khác nhau

1987 Các thông số cơ sở của chuẩn hóa GSM được chấp thuận vào tháng 2

1988 Đặc tả chi tiết GSM pha 1 được hoàn thành cho cơ sở hạ tầng mạng

1989 Nhóm di động đặc biệt chuyển sang cho ETSI thành hệ thống thông tin di

động toàn cầu (GSM hiện nay) thành chuẩn hóa quốc tế cho mạng dịch vụ thoại di động cấu trúc tế bào

1990 GSM bước đầu tương thích cho hoạt động ở băng tần DSC1800

1991 Mạng GSM đầu tiên được xây dựng ở Phần Lan

1992 Lần đầu tiên việc đăng ký chuyển vùng quốc tế được thực hiện giữa Viễn

thông Phần Lan (Telecom Finland) và Vodafone (Vương quốc Anh).

Bản tin SMS đầu tiên được gửi đi

1993 Telstra Australia trở thành mạng ngoài Châu Âu đầu tiên đi vào hoạt động

Mạng GSM đầu tiên hoạt động trong dãi tần DCS1800 (GSM1800) ở Vương quốc Anh

Th.s Lê Văn Thanh Vũ

Thông tin di độ ng 4

1994 GSM pha 2 (cho các dịch vụ mạng thông tin số liệu / fax) ban hành

Số lượng thành viên của MoU GSM vượt qua con số 100, thuê bao GSM tiến đến con số hàng triệu

1995 Mạng GSM đầu tiên hoạt động ở Nga và Trung Quốc

Số lượng thuê bao GSM tiến đến con số 50 triệu

1997 Máy cầm tay 3 băng đầu tiên được công bố

1998 Số thuê bao GSM trên toàn cầu vượt qua 100 triệu

1999 WAP bắt đầu được triển khai thử nghiệm ở Pháp và Italia

2000 Các dịch vụ GPRS thương mại đầu tiên được công bố, máy cầm tay GPRS

đầu tiên được đưa ra thị trường Năm tỉ bản tin SMS được gửi trong 1 tháng

2001 Mạng 3G GSM đầu tiên đi vào cuộc sống

Số lượng lượng thuê bao GSM trên toàn thế giới vượt xa 500 triệu

2003 Mạng EDGE đầu tiên đi vào hoạt động

Số lượng thành viên của hiệp hội GSM vượt qua 200 quốc gia

Hơn nữa tỉ máy cầm tay được sản xuất trong 1 năm

2008 Con số thuê bao GSM vượt qua ngưỡn 3 tỉ

Hiện nay song song với hệ thống điện thoại di động tế bào GSM thì còn có một công nghệ mới, trước đây chỉ sử dụng cho mục đích quân sự là CDMA và được đưa ra thương mại bởi hãnh Qualcomm IS-95 (Interim Standard – 95A) với tên gọi là CDMA- ONE vào năm 1991 IS-95 sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) là nền tảng cho sự mở rộng dung lượng thuê bao, hạn chế công suất phát để chống nhiễu và nâng cao hiệu suất sử dụng dãi tần hạn chế Công nghệ CDMA ra đời hứa hẹn sự đột phá mới trong sự phát triển của hệ thống thông tin di động bởi khả năng chống nhiễu và tốc độ truyền tin cao đáp ứng cho các yêu cầu dịch vụ đa phương tiện

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 được nghiên cứu để phát triển các dịch vụ mới cũng như cải thiện chất lượng các dịch vụ truyền thống và nâng cao tính hiệu quả

sử dụng băng tần vô tuyến Trong rất nhiều hệ thống thế hệ ba thì nổi bật nhất là: Hệ

thống thông tin di động đa năng UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)

do CEPT đề xuất; và hệ thống thông tin di động mặt đất công cộng tương lai - FPLMTS

(Future Public Land Mobile Telecommunication Systems) do ITU-R phát triển.

Và hiện nay đang nghiên cứu xu thế OFDM để triển khai cho mạng thông tin di động tương lai, hay còn gọi là 4G Với mạng di động sử dụng kỹ thuật OFDM sẽ cho phép liên kết tốc độ cao trong điều kiện nhiễu lớn và di chuyển ở tốc độ cao Tuy nhiên với OFDM các kỹ thuật điều chế còn có sự kết hợp của ghép kênh và đa thâm nhập kháphức tạp còn phải nghiên cứu thử nghiệm trong thời gian tới

1.1.2 Cấu trúc chung của hệ thống

Một hệ thống thông tin di động cơ bản sẽ gồm các thành phần như ở H-1.1 sau

Hình 1.1 Cấu trúc của một hệ thống thông tin di động

Trong sơ đồ ở (H-1.1) các thành phần trong đó chỉ biểu thị chức năng của khối con (hệ thống con) mà chưa đề cập đến thiết bị di động cá nhân (thiết bị đầu cuối người dùng) Trong hệ thống di động thì trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC

(Mobile Service Switching Centrel) là quan trọng nhất, có vai trò chuyển mạch giữa

thuê bao người dùng với mạng viễn thông tổng thể

Các hệ thống con trong trong thông tin di động gồm:

- Trạm di động – MS (Mobile Station): Là thiết bị đầu cuối người dùng, có thể là điện thoại, hay thiết truyền số liệu, …

- Modun xác nhận thuê bao – SIM (Subscriber Indentity Module) là đơn vị chứathông tin người dùng sử dụng cho công tác xác nhận thuê bao và tính cước

⇒ Tập hợp hai chức năng trên tạo nên một đầu cuối thuê bao di động hoàn chỉnh

- Trạm thu phát gốc – BTS (Base Transceiver Station): Thực hiện chức năng

phát và thu tín hiệu với các MS gồm anten thu phát, thiết bị thu phát và điều khiển

- Bộ điều khiển trạm gốc – BSC (Base Station Controller) có nhiệm vụ quản lý

tất cả các giao diện vô tuyến thông qua lệnh điều khiển từ xa của MS và BTS Thực chất các BSC là các tổng đài cỡ nhỏ có khả năng tính toán lớn dùng cho việc quản lý

các kênh truyền ở giao diện vô tuyến và chuyển giao (handover).

- Khối chuyển mã và thích ứng tốc độ - TRAU (Transcoder and Rate Adapter

Unit) Đây là thiết bị mà tại đó thực hiện chức năng chuyển đổi giữa mã tiếng của GSM

thành mã tiếng bình thường một kênh thoại và ngược lại; và đồng thời cũng thực hiệnchức năng thích ứng tốc độ cả trong các kết nối truyền số liệu khác

Th.s Lê Văn Thanh Vũ

Thông tin di độ ng 6

- MSC (Mobile Service Switching Center): Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di

động MSC thực hiện kết nối các BSC lại với nhau thông qua giao diện Abis và cùng giao tiếp với mạng bên ngoài thông (còn được gọi là MSC cổng)

- Thanh ghi thường trú – HLR (Home Location Register) là cơ sở dữ liệu lưu giữ

các thông tin cung cấp dịch vụ cho thuê bao mà không phụ thuộc vào vị trí thuê bao hiện thời trên mạng nhưng nó cũng có cả thông tin về vị trí hiện thời của thuê bao Một

chức năng quan trọng của HLR chính là chức năng xác thực AUC (Authentication

Centrer).

- Thanh ghi tạm trú – VLR (Visitor Location Register) là cơ sở dữ liệu thứ hai

của hệ thống; có thể được nối với một hay nhiều MSC Chức năng chính của VLR là lưu giữ tạm thời số liệu thuê bao của các thuê bao hiện đang nằm trong vùng phục vụ của MSC tương ứng

⇒ Tập hợp các chức năng trên tạo thành hệ thống con trạm gốc BSS (Base

Station Subsystem) là khối đệm tạo nên kết nối giữa hệ thống thông tin với thuê bao di

động Đây là phần giao tiếp chính với khách hành thuê bao thông tin di động

Ngoài ra để hoàn chỉnh một hệ thống thông tin thì thông tin di động cũng phải có thêm sự kết nối với các mạng thông tin khác cũng như phải các thành phần quản lý hệ

thống Với hệ thống thông tin di động thì sẽ gồm thêm NSS (Netwok and Switching

Subsystem) và hệ thống khai thác và hỗ trợ - OSS (Operation and Support System)

Trong đó OSS có chức năng khai thác bảo dưỡng hệ thống mạng thông tin, quản lý và tính cước thuê bao trong mạng, quản lý thiết bị di động NSS với chức năng chính là chuyển mạch từ mạng thông tin ra mạng viễn thông bên ngoài, ứng dụng cho các cuộc gọi liên mạng

Trong việc quản lý thiết bị di động OSS sẽ cần phải được hỗ trợ từ thanh ghi

nhận dạng thiết bị EIR (Equipment Identity Register), tại đây sẽ lưu giữ tất cả các dữ

liệu liên quan đến trạm di động MS được nối với MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra hợp phép của thiết bị đó Nếu thiết bị không được xác nhận sẽ bị cấm liên lạc với mạng thông tin Nhưng chú ý rằng EIR lại được xem là thành phần con của hệ thống trạm gốc chuyển mạch

1.2 Cấu trúc tế bào

Sở hữu một dãi tần vô tuyến giới hạn, các mạng di động sẽ chỉ có thể cung cấp một số lượng rất nhỏ các kênh vô tuyến cho truyền dẫn thông tin và từ đó số người dùng hạn chế Ví dụ, với hệ thống GSM sử dụng dãi tần 900MHz có dãi thông 25MHz

sẽ có số lượng tối đa là 125 kênh tần số, dãi thông số mang 200kHz; nếu sử dụng ghépkênh thời gian với 8 khe thì cũng chỉ có 1000 kênh Nhưng quan trọng hơn là với sự

phân bố rộng và sự di chuyển của đầu cuối, sử dụng cấp phát cố định kênh sẽ không thể

sử dụng để liên kết đầu cuối với mạng và bài toán đặt ra sự phân chia khu vực phục vụ với các dãi tần khác nhau có thể lập lại ở những khoảng cách xa đã được áp dụng cho

các mạng thông tin di động; mỗi khu vực phục vụ được gọi là một tế bào (cell) Nguyên

lý chia cell và tái sử dụng tần số có thể mô tả như ở (H-1.)

Hình 1 : Mô hình mạng tế bào tái sử dụng tần sốCác định nghĩa:

+ Tế bào (cell) là một khu vực phục vụ của trạm phát sóng cơ bản (BTS), toàn

mạng phủ sóng sẽ được chia nhỏ thành các tế bào thường có dạng lục giác với trạm phát sóng sẽ ở trung tâm của tế bào

+ Mỗi tế bào i có một tập con tần số Si được lấy từ tập dãi tần được cấp phát cho mạng Trong hệ thống GSM tập con Si gán cho một tế bào được gọi là Cấp phát tế bào

(Cell Allocation - CA) Hai tế bào lân cận không bao giờ dùng chung một dãi tần, do

yêu cầu tránh xuyên nhiễu cùng kênh của các tế bào liền kề

+ Chỉ ở một khoảng D thì có thể sử dụng lại tập con tần số Si, các tế bào cách tế

bào i một khoảng D có thể được gán cho một hoặc tất cả tập cho Si của tế bào i Khi thiết kế mạng di động, D phải được chọn đủ lớn để nhiễu đồng kênh là đủ nhỏ có thể

chấp nhận được mà không làm giảm chất lượng tín hiệu nhận được

Hình 1 : Tái sử dụng tần số và phân chia cluster trong mạng tế bào

+ Khi một trạm di động chuyển từ một tế bào này đến tế bào khác khi đang đàm

thoại thì sẽ tự động có sự thông đổi kênh/tần số, gọi là handover.

Th.s Lê Văn Thanh Vũ

1.2.1 Tỷ số sóng mang trên xuyên nhiễu

Chất lượng tín hiệu trong một kết nối được đo bằng tỷ số công suất tín hiệu sửdụng cho công suất xuyên nhiễu nhận từ một tế bào đồng kênh, ký hiệu là CIR (hay C/I):

C  C«ng suÊt tÝn hiÖu nhËn 

C«ng suÊt tÝn hiÖu

I C«ng suÊt tÝn hiÖu nhiÔu C«ng suÊt xuyªn nhiÔu tõ c¸ c tÕbµo kh¸ c

Xuyên nhiễu về cơ bản là một hàm của nhiễu đồng kênh phụ thuộc vào khoản g

cách tái sử dụng tần số D Từ điểm đứng của trạm di động, xuyên nhiễu đồng kênh có nguyên nhân của trạm gốc cách trạm gốc hiện tại một khoảng D Trong đánh giá xấu nhất CIR của trạm di động ở biên vùng phủ cách anten phát là R, bao gồm cả suy hao

lan truyền với giả thiết là sáu trạm lân cận phát nhiễu cùng công suất và có khoảng cách

xấp xỉ nhau (cho khoảng D rất lớn hơn bán kính tế bào R) Lúc đó:

Thông thường việc phân tập lặp lại tần số sẽ tạo nên các nhóm tế bào (cluster),

các tế bào trong cùng một cluster phải được cấp phát tần số khác nhau, trong khi các tế bào ở các cluster khác có thể sử dụng lại các kênh như cùng phân tập Kích thước của

cluster được đặc trưng bởi số lượng tế bào trong cluster là k, được xác định bằng số tần

số sử dụng trong một khoảng D với bán kính tế bào R đã cho.

Mỗi cluster có các đặc tính sau:

- Một cluster có thể bao hàm hết tất cả dãi tần được cấp phát cho toàn mạng

- Trong cùng một cluster tần số sóng không được sử dụng lại, các tần số trong tập Si chỉ có thể tái sử dụng ở các cluster lân cận

- Với một cluster lớn sẽ cho khoảng sử dụng lại tần số lớn và giá trị CIR cũng khá lớn, tuy nhiên với cluster lớn thì số lượng kênh trong một tế bào phải nhỏ

đi và số lượng thuê bao cung cấp được trong một tế bào cũng sẽ giảm nhỏ

Khoảng tái sử dụng tần số D có thể xác định theo giá trị hình học từ mô hình tế bào lục giác ở (H- ) phụ thuộc theo k và R là:

γ  

Áp dụng kết quả này ta có thể xác định được kích thước tối ưu của cluster với

yêu cầu chất lượng CIRmin cho trước như biểu thức sau

Theo như phép đo ở trên, ở mức tín hiệu âm có thể nhận tốt thì giá trị CIR có thể

chấp nhận được có khoảng CIRmin = 18dB Giả sử hệ số lan truyền có giá trị xấp xỉ là γ

= 4 thì lúc này ta tính được kích thức của cluster sẽ là:



= 63,1⇒ k ≥ 6,5 hay k = 7

6  I min

Giá trị này cũng đã được xác nhận bằng mô phỏng trên máy tính, và cũng đã chỉ

ra được với thông số CIRmin = 18dB thì khoảng các tái sử dụng tần số D = 4,6R Ngoài

ra trong thực tế, một số mạng còn sử dụng một số kích thước cluster khác là 3 và 12

1.2.3 Dung lượng tải và quản lý tải

Như chúng ta đã đề cập ở trên, số lượng các kênh và dung lượng tải cực đại trênmột tế bào phụ thuộc kích thức cluster k, theo quan hệ như sau

n F = B t

B c

k

(1.)

Trong đó, nF là số lượng tần số cấp phát trên một tế bào

Bt là băng thông tổng cộng của hệ thống mạng tế bào

Bc là băng thông của một kênh

Số lượng kênh trên một tế bào trong hệ thống FDMA bằng số lượng kênh tần số

được cho từ băng thông của hệ thống và từng kênh: n = nF

Số lượng kênh trên mỗi tế bào ở hệ thống TDMA sẽ bằng số lượng kênh tần số

nhân với số khe thời gian trên mỗi kênh: n = m nF

Mỗi tế bào có thể mô hình như là một hệ thống tổn hao tải theo dạng lý thuyết với n dịch vụ (kênh thuê bao), giả sử quá trình cuộc gọi đến có phân phối hàm mũ theo thời gian (quá trình Possion), và một quá trình Possion khác là quá trình dịch vụ Các quá trình dịch vụ và gọi đến còn được gọi là quá trình Markov, như là một hệ thống đã

biết là hệ thống suy hao M/M/n Cho một xác xuất khối B, một tế bào phục vụ tối đa tải

Th.s Lê Văn Thanh Vũ

Trong đó λmax là số cuộc gọi thực hiện trong thời gian bận

Tm là thời gian kéo dài trung bình của các cuộc gọi

Mối liên hệ yêu cầu tải A và xác suất khối B với tổng số kênh n được cho bởi

biểu thức Erlang sau

Tuy nhiên các giá trị xấp xỉ này chỉ có nghĩa trong môi trường microcell, ở đó số

lượng người dung trong tế bào là đủ lớn tương đồng với số lượng kênh cho phép và do

đó số lượng cuộc gọi đến được xem như xấp xỉ hằng số Trong các hệ thống picocell và

microcell với giả thiết cuộc gọi không gửi lâu, thì lúc này định lượng tải theo lý thuyết

phải sử dụng mô hình Engset, kết quả là số cuộc gọi đến không phải là hằng số thời

gian dài Xác suất mà tất cả các kênh đều cho kết quả bận từ M số người dùng trong tế bào và có a người dùng không bận thì:

1.2.4 Phân chia sector trong tế bào

Từ việc tìm hiểu CIR yêu cầu kích thước cluster và kết quả thu được về dung lượng tải tin ở phần trên, đã chỉ ra việc thiết kế hệ thống với dung lượng tải cho trước trong một vùng là: Từ yêu cầu CIR là tối thiểu tìm được kích thước cluster và từ đó xác định số lượng kênh tối đa trong một tế bào; dung lượng tải trong một khu vực được xác định bằng bán kính tế bào Nhưng do tài nguyên cấp phát cho mạng là giới hạn (như dãi tần, băng thông, ) nên dung lượng tải có thể tăng thêm bằng việc chọn các tế bào có kích thước nhỏ hơn Nhưng điều đó lại yêu cầu gia tăng số lượng các trạm gốc (BTS), điều này làm gia tăng chi phí đầu tư cho các trạm BTS và bao gồm cả các kết nối đường

120o và 1 ở trường hợp sáu sector Từ đó chúng ta cải thiện được hệ số CIR như sau

Với một giá trị CIR đã cho, ta có thể giảm được kích thức cluster k thành

k60 của các trường hợp ba và sáu sector tương ứng theo các biểu thức sau k

sẽ làm giới hạn độ lợi Tuy nhiên sự phụ thuộc các tham số trên của việc sector hóa được giảm nhỏ đến mức có thể để không làm giảm dung lượng hệ thống

Để làm rõ vấn đề này ta xét một ví dụ sau: giả sử yêu cầu chất lượng tín hiệu là

CIRmin=18dB, kích thức cluster là đẳng hướng k=7 và tham số γ=4 (như ở ví dụ trên)

120o sẽ là k=4 Còn với việc chia 6 sector trong một tế bào có thể thu nhỏ kích thức

60 o

cluster về k=3, lúc đó (C

I )k= 3 = 19dBthỏa yêu cầu của biểu thức (1.) Trong những

trong đó ta ký hiệu B(a,n) với a là tải tin và n là số lượng thuê bao (kênh truyền) Trong

trường hợp tế bào đẳng hướng, xác suất khối trở thành:

Trong đó, A là tải tin dự kiến cho tế bào, Nsys là số lượng các kênh khả dụng của

hệ thống Trong trường hợp phân chia sector các giá trị phải giảm đi một lượng tương ứng với số sector trong tế bào; do đó số lượng kênh trong một sector đơn lẻ sẽ bằng với lượng tải tin được gán cho sector đó Do vậy xác suất khối trong trường hợp sector 120o

Bảng 1 : Độ lợi dung lượng sector hóa với giá trị CIRmin = 18dB

1.2.5 Lọc không gian để giảm nhỏ xuyên nhiễu

Ở các trạm gốc sử dụng anten thông minh để có thể phát được búp sóng thích ứng với các người dùng riêng lẻ, lúc đó trường phát cho hướng xuống và trường nhận ở hướng lên là như nhau Thông qua khái niệm này bán kính và công suất xuyên nhiễu tái

sử dụng đáng kể trong hệ thống tế bào, lúc này sử dụng chùm phát tương thích để gia

Th.s Lê Văn Thanh V

tăng dung lượng trong kỹ thuật SDMA (Space Division Multi Access) Một cách khác là biến điểm xuyên nhiễu tái sử dụng thành độ lợi dụng lượng tải xác thực SFIR (Spatial

filtering for Interference reduction) Trong khi SDMA cho phép tái sử dụng kênh trong

cùng một tế bào và có trường thế cao hơn khi cải tiến dung lượng, nó cũng yêu cầu một

phương pháp quản lý tài nguyên vô tuyến mới (RRM- Radio Resource Management),

mô tả cho kênh vị trí và chuyển giao để duy trì sự trực giao các kênh trong không gian Ngược lại với SFIR không cho phép tái sử dụng kênh trong cùng tế bào và cũng không cần kèm theo sự thay đổi giao thức cũng như phương pháp RRM Trong một hệ thống SFIR một chùm sóng tương thích được hướng đến một người dùng nhất định, nhưng một người trong một tế bào phải được cấp phát những kênh tải lưu lượng khác nhau (như TDMA hay FDMA)

1.3 Phân lớp và giao thức trong mạng di động

1.3.1 Phân lớp trong mạng di động

Mạng di động cũng là một mạng thông tin nên vẫn tuân theo phân lớp chức năng theo mô hình 7 lớp OSI (Open System Interconnection), với các chức năng của từng lớp vẫn tuân thủ nguyên tác chung và đồng thời cũng có những đặc điểm riêng của thông tin di động Việc sử dụng mô hình 7 lớp cho mạng thông tin với các nguyên nhân sau:

- Sử dụng vi xử lý trong viễn thông sẽ cho phép mở rộng các dịch vụ mới nhưng làm gia tăng yêu cầu thông tin tại máy tính và tổng đài

- Người dùng không quan tâm đến các kết nối vật lý thực tế của mạng, mà chỉ quan tâm đến quá trình trao đổi thông tin đơn giản và an toàn bảo đảm đến đích

- Máy tính là một bộ phận có cấu trúc, nên có những khác biệt giữa các máy khác nhau nên cần phải có sự tương đồng trong hệ thống

- Hệ thống ngày nay càng yêu cầu nhiều dịch vụ khác nhau, nên phải có sự mềm dẻo trong việc đáp ứng yêu cầu phát triển gia tăng trong hệ thống

Từ các yêu cầu đó, ITU đã đề xuất mô hình 7 lớp như sau

ũ

Hình 1.2: Các lớp trong mô hình OSI

Thông tin di độ ng 14

Nguyên tắc tổng quát cho mô hình 7 lớp có thể tóm tắt như sau:

+ Các lớp làm việc độc lập với nhau, lớp trên nhận dịch vụ của lớp dưới và cung cấp dịch vụ cho lớp ngay ở trên nó Lớp thấp hơn sẽ không quan tâm đến nội dung thông tin mà chỉ cung cấp dịch vụ truyền dẫn cho lớp trên mà thôi

+ Mỗi lớp trong mô hình chỉ thông tin với lớp kề sát nó và tương thích ngang hành gián tiếp với lớp đó ở đầu cuối bắt tay (xem ở H-1.2)

+ Trong mạng thông tin, trong quá trình truyền dẫn qua nhiều nút mạng, mạng thông tin chỉ mở đóng gói tương ứng với chức năng của ba lớp thấp nhất (lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu và lớp mạng)

+ Giao thức tại ba lớp cuối không nhất thiết phải giống nhau tại mọi liên kết trong mạng Ví dụ trong mạng thông tin GSM, ở lớp 2 liên kết giữa BTS và BSC sử dụng là LAPD, trong khi liên kết giữa BSC và MSC lại sử dụng giao thức SS7

+ Thông tin qua các lớp sẽ được tách gộp đóng gói tạo thành giao thức tương ứng cho mỗi lớp trong mạng cụ thể, từ lớp cao nhất xuống đến lớp thấp nhất thông tin

sẽ được đóng gói và bổ sung tiêu đề qua mỗi lớp trong khi ở đầu nhận sẽ thực hiện theo chiều ngược lại Quá trình được mô tả như sau

Hình 1.3: Luồng tin trong mô hình 7 lớpA/ Lớp vật lý: Lớp vật lý là lớp thấp nhất (lớp 1) là liên kết vật lý trong mạng thông tin

Lớp vật lý có thể đồng nhất với môi trường liên kết, nên có thể là dây dẫn tín hiệu (cáp), đường truyền vệ tinh, sóng vô tuyến, cáp quang, … Tại lớp này sẽ không cần biết nội dung thông tin cũng như định dạng của nó, thậm chí có thể không cần phân biệt đó là thông tin hay lệnh điều khiển hệ thống, do vậy không có tiêu đề cho lớp 1

Trong hệ thống GSM lớp vật lý sẽ là giao diện Air interface cho liên kết giữa

MS với BTS, nhưng trong các liên kết khác có thể sử dụng cả môi trường hữu tuyến.B/ Lớp liên kết dữ liệu- Lớp 2:

Lớp liên kết dữ liệu có chức năng đóng gói thông tin để chuyển đến lớp vật lý phát đi trong môi trường đồng bộ hoặc không đồng bộ Trong lớp này giao thức phổbiến nhất là HDLC, nhưng với thông tin di động có thể là LAPD hoặc SS7

D/ Lớp giao vận – lớp 4

Lớp giao vận có chức năng chính là chuyển giao chức năng giữa các lớp hướng ứng dụng với các lớp hướng mạng, cung cấp giải pháp bảo vệ cho chuyển lớp end-to- end thích hợp trước khi thông tin được chuyển lên các lớp cao hơn Trong mô hình 7 lớp, lớp giao vận có chức năng phân đoạn dữ liệu thành gói tin và thực thi công việc điều khiển end-to-end

E/ Lớp phiên – lớp 5

1.3.2 Phân lớp giao thức

Do đặc tính của mạng thông tin di động sử dụng môi trường truyền dẫn đa dạng

và các liên kết bên trong mạng rất phức tạp nên giao thức được sử dụng cũng rất đa dạng cho từng đặc điểm liên kết Về mặt giao thức thông tin di động sử dụng các giao thức cho mạng GSM như sau: giao thức không gian (Air interface) cho liên kết giữa MS

và BTS; giao thức Abis cho kết nối giữa BTS và MSC; giao thức A ứng dụng trong liênkết giữa MSC với

Hình 1 : Phân chia giao thức trong mạng di động

Th.s Lê Văn Thanh Vũ

Thông tin di độ ng 16

nó Với đặc tính vô tuyến sử dụng dãi tần từ 450MHz đến 3000MHz sẽ chịu ảnh hưởng của các hiện tượng che khuất, nhiễu điện từ … và trong môi trường di động với đặc tính truyền không trực xạ sẽ là hiện tượng Fadinh.

truyền trong môi trường Thông trường tạp âm được chia thành hai loại là tạp âm cộng

và tạp âm nhân, sự phân loại này dựa vào đặc điểm tác động của tạp âm lên tín hiệu Tạp âm cộng sẽ tác động cộng tính lên tín hiệu; với tạp âm nhân sẽ điều biến tín hiệu mang tin Trong các hệ thống viễn thông nói chung và thông tin di động thì chủ yếu

là tạp âm cộng và được chia làm các dạng sau: tạp âm khí quyển, tạp âm vũ trụ, tạp

âm trong máy thu

hệ thống khác và đặc biệt là ngay trong chính tín hiệu cũng có thể gây nên can nhiễu với chính nó Để phân chia can nhiễu có thể dựa vào đặc tính phổ tần của tín hiệu sẽ

chia thành can nhiễu cùng kênh (CCI – Co Channel Interference) và nhiễu kênh lân cận (ACI – Adjacent Channel Interference) Với các kênh truyền không lý tưởng, tín

hiệu sẽ bị can nhiễu tác động sẽ gây nên méo tín hiệu làm các ký hiệu trong cùng một tín hiệu can nhiễu lần nhau, trường hợp này được gọi là xuyên nhiễu ký hiệu (ISI – Inter Symbol Interference)

Nhiễu kênh lân cận ACI,

2.2 Suy hao không gian tự do

Khi sóng lan truyền, dù trong điều kiện nào cũng sẽ có sự suy giảm theo khoảng cách cũng như chịu sự tác động của môi trường truyền dẫn; trong tất cả các điều kiện đó thì khi lan truyền trong điều kiện đơn giản nhất là không gian tự do (chân không) Xét một quá trình truyền sóng vô tuyến dạng sin ở điểm phát với công suất Prad (W) thì ởmột khoảng cách d (m) thì vector biên độ trường (công suất nhận) sẽ là

Th.s Lê Văn Thanh Vũ

Trong trường hợp đầu phát sử dụng anten có độ tăng ích Gt thì công suất phát

Prad sẽ được thay bằng P

rad = P t .G t

khi đó Pt là công suất được cấp ra từ khối phát anten

Nhưng do ảnh hưởng của yếu tố môi trường, sự lan truyền sóng thường đượctính theo mật động điện trường trung bình quân phương như sau

Với Zfs là trở kháng không gian tự do, tính theo công thức

Z fs = µfs

Lúc đó cường độ điện trường ở đầu nhận cách đầu phát một khoảng d với môi

trưởng không gian tự do do anten dị hướng có độ tăng ích Gt là

Với Prec là công suất truyền đến điểm đặt anten thu Trong trường hợp anten thu

là anten dị hướng có hệ số tăng ích Gr, công suất vào khối nhận sẽ là

Th.s Lê Văn Thanh Vũ

Thông tin di độ ng 19

 P Suy hao =−10 lg r 1   4π d   E 

Với Lfs là suy hao trong không gian tự do

và Lnfs là suy hao trong mô trường thực

L = 20lg 4π d 

= 20lg= 4π 1000d Lúc đó fs 

= 32, 45+ 20lg(d f )

Trong đó, d là khoảng cách liên kết từ phát đến thu tính theo km.

f là tần số sóng mang, tính theo đơn vị MHz.

2.3 Các mô hình lan truyền sóng phương ngang

2.3.1 Sự tác động của khí quyển

Với các dạng thông tin mặt đất nhất là trong dãi tần VHF và UHF, trong lan truyền từ đầu phát đến đầu nhận sẽ bị tác động bởi nhiều yếu tố Đầu tiên trong điều kiện không gian tự do những sẽ bị tác động bởi khí quyển, nhất là tầng đối lưu (tầng khí thấp nhất) mà trong đó có rất nhiều loại khí gas Do ảnh hưởng này hằng số điện môi εrrất nhỏ hơn so với đơn vị, tức là giá trị tương ứng trong không gian tự do (chân không)

là do mật độ khí gas giảm theo độ cao; và cùng với nó là chiết xuất môi trường n = εrcũng sẽ giảm theo độ cao Sự thay đổi chiết xuất môi trường sẽ phát sinh nên các hiệu ứng lan truyền của sóng vô tuyến mặt đất là: khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ, truyền qua ống dẫn và fading tín hiệu

Ảnh hưởng đầu tiên xét đến là sự tác động lên đường dẫn sóng, vì chiết xuất thay

đổi theo độ cao, nên ta có thể xem n như là hàm của độ cao so với mặt đất h; để đơn

giản có thể lấy giá trị chuẩn hóa cho chiết xuất là n  −0,39

m =−12

ft Và sự tỷ lệnghịch của chiết xuất và độ cao, tốc độ lan truyền sẽ tăng theo độ cao, và sẽ làm cho sóng truyền theo đường cong mà không phải theo đường thẳng tương tự với sóng mặt đất; và bán kính cong của đường dẫn lúc

này sẽ là r

w  4re , với re là bán kính Trái Quỹ đạo đường truyền cong

đất (là 6,370km) Trong (H-2.1) mô tả quỹ

đạo lan truyền sóng sẽ theo đường cong

Và do sóng lan truyền theo đường cong, nên độ dài đường đi của sóng sẽ lớn hơn khoảng cách nhìn thẳng (đường thẳng), nên phải tính lại quãng đi đi của sóng vô tuyếntheo như mô hình ở (H-2.2)

Hướng tâm

Trái đất re (a)

(cho sóng vô tuyến ngang)

Hướng tâm Trái

đất a = k.re (b)

Hình 2 2: Mô hình tính khoảng cách lan truyền sóng ngang

Trong mô hình biểu diễn khoảng cách lan truyền sóng ngang (H-2.2), độ cao anten phát hei đặt vuông góc mặt phẳng Trái đất Đường truyền sẽ có dạng cong (H-2.2a) và lúc này cách tính sẽ phức tạp do phải tính đến độ uốn cong chính xác của dạnghình học Nhưng đơn giản hơn ta có thể sử dụng mô hình bên phải, với bán kính Tráiđất lúc nào được tính lại là a = k.r e = 4

3 r e Từ kết quả đó ta có thể tính được khoảng

cách theo mô hình bên phải như sau:

Trong đó a  8,493km là bán kính Trái đất biểu kiến

và hei là độ cao anten phát tính theo đơn vị m.

Khi xét thêm đầu thu có độ cao anten thì khoảng cách đường truyền nhìn thẳng

sẽ được định nghĩ gồm hai phần như sau:

đường dẫn, suy hao do vật cản, hiệu ứng đa đường do tín hiệu đi theo nhiều đường dẫn

Các vật cản trên đường truyền sóng sẽ có độ cao khác nhau và ảnh hưởng của chúng cũng khác nhau, nên để đặc tả cho thông số này ta có thể biểu diễn độ cao địa

hình là hàm h theo khoảng cách tính từ đầu phát là x, thì

h a ( x) = h ref ( x) + h s

( x)

(2.13)

Trong đó, href là độ cao mặt tham chiếu so với mức 0 (mực nước biển) và hs(x) là

giá trị thay đổi so với mặt tham chiếu Với điều kiện khảo sát môi trường truyền dẫn chúng ta chỉ cần chú ý đến sự chêch lệch độ cao, vì đây là yếu tố tác động lên chất lượng tín hiệu truyền, và để thực hiện được việc xác định đặc tính địa hình được chuyển thành độ chêch lệch với mặt phẳng tham chiếu như ở (H-2.3)

10% mức cao

10% bên dưới

Hình 2.3: Độ lệch của địa hình

Qua nhiều lần thống kê số liệu địa hình, chuẩn hóa cho sự chênh lệch độ cao ∆h

được tính theo quan hệ với khoảng cách liên kết như sau

 −d 

∆h(d) =∆h1− 0,8.e 50 

Và có người ta cũng đã khảo sát để đưa ra bảng giá trị chênh lệch độ cao của một

số địa hình cụ thể như sau

Bảng 2.1: Các giá trị chệnh lệch độ cao của một số địa hình

Mặt nước và đồng bằng phẳngĐồng bằng

Đồng bằng có gập ghềnh nhỏĐồng bằng gập ghềnh

Vùng đồi thấpVùng núiVùng núi hiểm trởVùng núi rất hiểm trở

0-55-2020-4040-8080-150150-300300-700lớn hơn 700

Xét đến quá trình truyền vô tuyến sẽ có anten phát và thu, và lúc đó độ cao anten cũng là một yếu tố ảnh hưởng lớn đến đặc tính truyền dẫn, độ cao hiệu dụng anten được xác định theo công thức sau:

h ei  max{h gi ,h gi + h s ( x) − h ref ( x) }

Th.s Lê Văn Thanh Vũ

để chỉ là anten phát hoặc là anten thu tương ứng, hgi là

độ cao của anten so với mặt đất tại điểm đặt; ký hiệu hs là độ cao địa hình vị trí đặt anten so với mặt tham chiếu Như trong (H-2.4) mô tả các đại lượng liên quan

Độ cao địa hình trung bình Độ cao mặt đất trên đường truyền

Hình 2.4: Độ cao hiệu dụng của anten

Với mục đích đã đề ra là sự có mặt của thông tin địa hình cụ thể, tham số ∆h có

liên hệ với sự thông kê vị trí lắp đặt anten Nếu anten có vị trí ngẫu nhiên, như với trạm

di động thì có thể đưa ra giá trị độ cao trung bình h a ( x) tương ứng với độ cao mặt tham

chiếu theo giá trị href Với các vị trí cố định chắc chắn, như đặt anten trạm gốc trên đồi thì từ các thông tin phân tích rất nhiều vị trí địa hình chúng ta có được biểu thức tính độ

cao hiệu dụng của anten như sau khi giả thiết độ cao cấu trúc anten là 10m:

Trong đó, c = 4 (vị trí ngẫu nhiên) hoặc 9 (vị trí cố định chắc chắn).

Với biểu thức thực nghiệm (2.15) để tính độ cao hiệu dụng anten không có thông tin chi tiết về địa hình có thể được dùng để ước lượng khoảng cách phương ngangtheo mặt Trái đất từ đầu phát đến đầu nhận

d = d × e

Lúc đó giá trị trung bình của khoảng cách LOS

ngang d Li có thể ước lượng theo công thức thực nghiệm:

Tán xạ trên mặt cong Trái đất

và trên các đặc tính địa hình

Đường truyền trực tiếp cộng thêm nhiễu đa đường từ các góc

độ khác nhau phụ thuộc độ cao anten và bề mặt địa hình

Tán xạ khí quyển, xuyên thấu yếu, là chế độ

ưu thế cho khoảng cách khoảng 100km

Hình 2.6 : Các chế độ truyền

Từ đường cong ngẫu nhiên ở (H-2.5) áp dụng cho trạm di động trong hệ thống tế

bào sẽ có độ cao anten khoảng h gm = h em = 2m, sẽ có khoảng phương ngang theo mặtđất ở khoảng d

Lsm = 5km Áp dụng cho vùng nông thôn, có thể thấy rằng yếu tố địa hình

sẽ là giảm khoảng cách này như trong công thức thực nghiệm (2.16) Ví dụ, nếu địa hình có đặc tính đồi với tham số bấn định ∆h = 100m, giá trị khoảng cách ngang thực tế

vào khoảng

d Lm = 5.e−0,07 100max ( 2,5 ) = 5.e−0,07 20 = 3,7(km)

Với trạm gốc trong hệ thống tế bào có thể lấy chuẩn hóa độ cao anten 30-60m, talấy giá trị 50m Trên bề mặt Trái đất với độ cao anten đó sẽ tương ứng với khoảng cáchngang khoảng d Lsb = 16,99h gb = 29,1(km) Trong trường hợp địa hình xác thực,

anten

Với độ cao hiệu dụng của anten lúc này thì khoảng cách ngang mặt đất của

d Lsb = 29,7km sẽ bị giảm đi một lượng do địa hình, do đó giá trị thực sự chỉ còn là

Chúng ta đều biết được rằng môi trường lan truyền thực tế của sóng vô tuyến trong điều kiện của hệ thống tế bào là rất phức tạp do sự tác động của địa hình, các yếu

tố nhân tạo (cao ốc, mặt đất, ) Tuy nhiên để thuận lợi trong quá trình tìm hiểu quá trình lan truyền thì mô hình đầu tiên đơn giản và là cơ bản nền tảng vẫn là mô hình lan truyền LOS và sự phản xạ của sóng điện từ qua vật cản và mặt đất

2.4.1 Sự lan truyền theo đường nhiền thẳng

Điều kiện truyền LOS có dạng hình học được trình bày trong (H-2.7), trong đó

từ anten phát có một tia trực tiếp đến đầu nhận theo đường dẫn r1 và một tia phản xạ với

độ dài r2 Vì theo hướng truyền thì điện trường tại điểm phản xạ tia phản xạ sẽ bị dịchpha 180o với các song phân cực ngang, do đó tia phản xạ sẽ là nhiễu suy giảm khi r 1≈ r2

tương ứng với điều kiện anten có độ cao thấp và khoảng cách liên kết lớn

Tia trực tiếp Tia phản xạ mặt đất

Hình 2.7: Dạng hình học của đường dẫn tia LOS

Tuy nhiên do mặt đất có dạng cong, do đó việc tính khoảng cách thực địa sẽphức tạp, nên để đơn giản hơn sẽ quy chiếu mặt cong thành mặt phẳng như ở hình bênphải với độ cao anten lúc này sẽ ngắn hơn là h' (i=t,r) < ht Kết quả là sai khác giữa r1

Thông tin di độ ng 25

ngược nhau, làm mức độ ảnh hưởng của đường dẫn LOS trong quá trình lan truyền thực

tế có thể được phân tích bằng cách sử dụng mô hình mặt đất phẳng như ở hình bên phải trong (H-2.7) Và từ kết quả ở (H-2.7) độ lệch trong chiều dài đường dẫn giữa tia trựctiếp và tia phản xạ sẽ là

Độ lệch đường dẫn này sẽ dẫn đến sự lệch pha giữa hai tia đến đầu thu là

∆=4π h t h r = 1,3343π×10−5 f h t

điện môi và độ dẫn của mặt đất tương ứng như sau:

Ví dụ: Các tham số chuẩn của Trái đất là σ = 0,005 và ε = 15 sẽ cho

εg = 15− j 90 f , nên với f = 100MHz thì giá trị trở kháng mặt đất sẽ

là

z = 3,75∠

−1,84o

cho phân cực ngang và z =

0,25∠1,59o cho phân cực dọc Với tần số f = 1000MHz thì

z = 3,74∠−

0,18o cho phân cực ngang và 0,25∠0,16

tần số tế bào UHF với các góc tới rất nhỏ thì R −1 và (2.18a) trở thành

E rec 2

≈ 2(1− cos∆) = 4sin2  2π h t

Quan hệ trong (2.20) cho thấy lan truyền LOS trên bề mặt Trái đất cho kết quả

có độ lợi 6dB trên khoảng không có ∆/2 là bội số lẻ của π/2 khi đó sin(∆/2) = ±1; và có kết quả triệt tiêu khi ∆/2 là bội số của π do lúc đó sin(∆/2) = 0 Và sự thay đổi góc lệch này có nguyên nhân từ độ cao anten hoặc khoảng cách liên kết

Ở khoảng cách có ∆=n.π được xác định bởi quan hệ:

khoảng cách d tăng lên.

Tập hợp các vị trị thỏa điều kiện ∆ < n.π được gọi là đới Fresnel thứ n; đới Fresnel thứ nhất tương ứng với d > d1 Với d > d'

 12h t h r thì ∆

2 <π

6 làm cho

sin(∆

2) < 0,5 thì công suất nhận theo đường LOS sẽ luôn nhỏ hơn so với không gian

tự do theo như ở (2.20) Cũng vậy thì hàm sin trong (2.20) có thể được thay bằngargument của chính nó, và

Lúc này dễ thấy công suất nhận được tỷ lệ nghịch với bậc 4 của khoảng cách liênkết Sử dụng phương pháp tính suy hoa đường truyền cho quá trình lan truyền LOS thì

Th.s Lê Văn Thanh Vũ

được minh họa ở (H-2.8) Giả thiết hệ

thống sử dụng tần số trung tâm f = 850MHz, lúc đó ta có ∆= 1,134π ; do đó với d nhỏ

d

hơn 1,134km thì góc lệch lớn hơn π

2 thì độ lợi ở (2.20) dao động khi trạm di động tiến

xa trạm gốc như đồ thị trong (H-2.9) Còn khi d > 1,134km góc ∆/2 luôn nhỏ hơn 90onên sẽ không còn dao động trong suy hao khi trạm di động di chuyển ra xa trạm gốc

Anten trạm gốc

Anten di động

triệt tiêu Đỉnh

Hình 2.8: Ví dụ trường hợp đa đường hai tia đơn giản

Chú ý trong (H-2.9) dao động nhỏ hơn nếu biên độ của phản xạ mặt đất nhỏ hơn đơn vị, có nguyên nhân từ sự nhấp nhô của Trái đất tạo nên hệ số phản xạ R nhỏ hơn 1

Hình 2.9: Quan hệ của suy hao với không gian tự do ở H-2.8

Thông tin di độ ng 28

theo hàm bậc 4 của khoảng cách Ở biên của các đới Fresnel thứ nhất và thứ 2 cũng đường chỉ ra trong hình, và sự phụ thuộc của biên độ của tia phản xạ vào hệ số phản xạ mặt đất R cũng được đưa ra

Hình 2.10: Độ lợi mạng cho ví dụ ở (H-2.8)

Từ ví dụ này có thể thấy là các điểm phản xạ mặt đất trong đới Fresnel thứ nhất thì các trạm di động ở xa trạm gốc Khi địa hình không bằng phẳng, hay có các tòa nhà nằm trong lân cận đường truyền trực tiếp thì sẽ có nhiều điểm phản xạ làm xuất hiện xuyên nhiễu đa đường suy giảm Tổng quát hơn, đới Fresnel thứ nhất được xác định có dạng elip chứa các điểm phản xạ thỏa điều kiện độ lệch chiều dài đường truyền giữa tia trực tiếp và tia phản xạ nhỏ hơn nữa bước sóng (H-2.11) Chú ý là do độ cao địa hình được tính dọc theo đường cong Trái đất, do đó đường truyền trực tiếp có thể vẽ như mộtđường thẳng

h 0 : bán kính đới Fresnel thứ nhất

Bán kính Trái đất hiệu dụng 4/3R

Hình 2.11: Đới Fresnel thứ nhất và đường dẫn thông suốt

Lúc đó bán kính đới Fresnel thứ nhất h0 dọc theo chiều dài đường dẫn d ở khoảng dt từ trạm phát và cách trạm nhận một khoảng dr được giải từ quan hệ: