tổng quan về thông tin di động gsm và giao diện vô tuyến um

Các mạng thông tin di động GSM cho phép có thể roaming chuyển vùng với nhau do đó những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau ở có thể sử dụng được nhiềunơi trên thế giới

KHOA ĐIỆN

ĐỀ TÀI : TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM

VÀ GIAO DIỆN VÔ TUYẾN Um

Giảng Viên Hướng Dẫn : Th.S VÕ THỊ HƯƠNG Sinh Viên Thực Hiện : ĐOÀN VĂN TUẤN

TRẦN NGỌC ANH

LÊ NGỌC CHUNG

Đà Nẵng, Tháng 6 năm 2012

CHƯƠNG I TỔNG QUAN THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM

Hệ thống thông tin di động toàn cầu (tiếng Pháp: Groupe Spécial Mobile tiếng Anh:

Global System for Mobile Communications; viết tắt GSM) là một công nghệ dùng cho mạng

thông tin di động Dịch vụ GSM được sử dụng bởi hơn 2 tỷ người trên 212 quốc gia và vùng lãnh

thổ Các mạng thông tin di động GSM cho phép có thể roaming (chuyển vùng) với nhau do đó

những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau ở có thể sử dụng được nhiềunơi trên thế giới

GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới Khả năng phủsóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ biến trên thế giới, cho phép người sửdụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng trên thế giới GSM khác với các chuẩn tiền thâncủa nó về cả tín hiệu và tốc độ, chất lượng cuộc gọi Nó được xem như là một hệ thống ĐTDĐ thế

hệ thứ hai (second generation, 2G) GSM là một chuẩn mở, hiện tại nó được phát triển bởi 3rd

Generation Partnership Project (3GPP)

Đứng về phía quan điểm khách hàng, lợi thế chính của GSM là chất lượng cuộc gọi tốt hơn,giá thành thấp và dịch vụ tin nhắn Thuận lợi đối với nhà điều hành mạng là khả năng triển khaithiết bị từ nhiều người cung ứng GSM cho phép nhà điều hành mạng có thể kết hợp chuyển vùngvới nhau do vậy mà người sử dụng có thể sử dụng điện thoại của họ ở khắp nơi trên thế giới

I LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG GSM

1.1 Lịch sử hình thành mạng thông tin di động GSM

Vào cuối thế kỷ 19, các thí nghiệm của nhà bác học người ITALYA Marconi Guglielmo(1874-1937, đạt giải Nobel Vật Lý năm 1909) đã cho ta thấy thông tin vô tuyến có thể thực hiệnliên lạc được giữa các máy thu phát di động ở xa nhau Loại mã sử dụng thời đó là mã Morse vàđến năm 1928 hệ thống vô tuyến truyền thanh được thiết lập lần đầu tiên cho cảnh sát

Đến năm 1933 sở cảnh sát Bayone New Jersy thiết lập được một hệ thống điện thoại di độngtương đối hoàn chỉnh đầu tiên trên thế giới Các thiết bị thời đó sử dụng rất cồng kềnh, nặng, đầytạp âm và rất tốn nguồn do sử dụng đèn điện tử, chất lượng mạng di động kém Tần số sóng vôtuyến sử dụng trong dải thấp của băng VHF lên chỉ có thể liên lạc được trong khoảng cách vàichục dặm Tuy vậy thời đó quân đội đã ứng dụng nó một cách rất hiệu quả trong quá trình triểnkhai và chiến đấu và trong đời sống như: Cảnh sát, cứu thương, cứu hỏa, hàng hải, hàng không

Đến năm 1947 Bell Laboratories đã nảy ra ý đồ hình thành một mạng di động tế bào Nhưngcông nghệ điện tử thời đó chưa phát triển lắm lên mãi đến năm 1981 thì hệ thống vô tuyến di động

tế bào đầu tiên ở Châu Âu được lắp đặt đầu tiên ở khu vực bán đảo Scan-đi-na-vơ, thoạt đầu chỉdùng cho vài chục ngàn thuê bao Hệ thống này ra đời nhờ sự phát triển của các mạch tổ hợp vàtích hợp như: Các bộ vi xử lý, các mạch tổng hợp tần số, các chuyển mạch nhanh dung lượng lớn

và thường được gọi là mạng vô tuyến di động mặt đất công cộng PLMRN (Public Land MobileRadio Network), làm việc ở dải tần UHF

Tháng 12-1971 đưa ra hệ thống cellular kỹ thuật tương tự, FM, ở dải tần số 850Mhz Kết hợpcác vùng phủ sóng riêng lẻ với nhau và đã giải quyết được bài toán khó về dung lượng

Do đó năm 1982 tại Hội Nghị Bưu Chính Viễn Thông Châu Âu CEPT (Conference of Postand Telecommunications) đã thành lập được nhóm chuyên môn về thông tin di động GSM (GroupeSpeciale Mobile) Nhóm này có nhiệm vụ xác định một hệ thống thông tin di động công cộng tiêuchuẩn cho toàn Châu Âu hoạt động trên băng tần 900MHz Nhóm đã quyết định xây dựng hệ thốngtoàn cầu cho thông tin di động GSM (Global System for Mobile Communications - hệ thống toàncầu cho thông tin di động) Các thí nghiệm và các mô phỏng đã được tiến hành ở nhiều nước Châu

Âu trên nhiều hệ thống với nhiều nguyên tắc và các chuẩn khác nhau

Dựa trên công nghệ đã được phát triển đến năm 1983, mạng điện thoại di động AMPS(Advance Mobile Phone Service) phục vụ thương mại đầu tiên tại Chicago, nước Mỹ Sau đó hàngloạt các chuẩn thông tin di động ra đời như: Nordic Mobile Telephone (NTM), Total AccessCommunication System (TACS).

Tới năm 1986 thì có 9 đề nghị về chuẩn cho một hệ thống GSM toàn Châu Âu và đã đượcthử nghiệm tại hội nghị diễn ra ở Pari Hội nghị được tiến hành bỏ phiếu với 15 nước Châu Âu đểchọn ra cấu hình chuẩn của hệ thống GSM căn cứ theo các yêu cầu sau: Hiệu quả phổ, chất lượng

âm thanh, giá thành máy di động, giá trạm cố định, tính tiện lợi, khả năng phục vụ với các dịch vụmới và khả năng cùng hoạt động với các mạng hiện hành

Ngày 27 tháng 3 năm 1991, cuộc gọi đầu tiên sử dụng công nghệ GSM được thực hiện bởimạng Radiolinja ở Phần Lan (mạng di động GSM đầu tiên trên thế giới)

Cho đến năm 1992 thì toàn Châu Âu đã có 6 mạng tế bào khác nhau tại 16 nước phục vụ cho1,2 triệu thuê bao Lúc đó thì các thuê bao di động của các mạng không tương thích nhau, dẫn đếngiá thành thiết bị và giá sử dụng dịch vụ rất cao dẫn đến số lượng thuê bao rất ít

Hệ thống GSM cho phép các trạm di động (MS) trong mạng không những liên lạc được vớinhau mà còn liên lạc được với bất kỳ thuê bao nào nối tới các mạng điện thoại chuyển mạch côngcộng PSTN (Public Switched Telephone Network), các mạng số liên kết đa dịch vụ ISDN(Intergrated Services Digital Network) Các dịch vụ chủ yếu khi mạng GSM ra đời là: Truyềnthoại, truyền số liệu, truyền fax, truyền các bản tin ngắn SMS…

Ở nước ta, mạng thông tin di động đầu tiên ra đời vào năm 1992 với khoảng 5.000 thuê bao.Hai nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động lớn là Mobifone (VMS) ra đời năm 1993 – liên doanhgiữa công ty bưu chính viễn thông VN (VNPT) và tập đoàn COMVIK (Thụy Điển) và Vinafonecủa trung tâm dịch vụ viễn thông (GPC) thuộc VNPT ra đời năm 1996 Đến năm 2002 Sfone củatập đoàn TELECOM của Hàn Quốc và tháng 6/2004, Viettel của công Ty Viễn Thông Quân Độicùng bước vào cuộc Cuộc chạy đua của các nhà khai thác làm cho giá cước giảm xuống và cácdịch vụ càng đa dạng

1.2 CÁC THẾ HỆ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM

1.2.1.Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất

Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA)

và chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệuthoại của mỗi người sử dụng Với FDMA , khách hàng được cấp phát một kênh trong tập hợp cótrật tự các kênh trong lĩnh vực tần số Sơ đồ báo hiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp, khi MSbật nguồn để hoạt động thì nó dò sóng tìm đến kênh điều khiển dành riêng cho nó Nhờ kênh này,

MS nhận được dữ liệu báo hiệu gồm các lệnh về kênh tần số dành riêng cho lưu lượng ngườidùng Trong trường hợp nếu số thuê bao nhiều hơn so với các kênh tần số có thể, thì một số người

bị chặn lại không được truy cập

Đa truy nhập phân chia theo tần số nghĩa là nhiều khách hàng có thể sử dụng được dãi tần đãgán cho họ mà không bị trùng nhờ việc chia phổ tần ra thành nhiều đoạn Phổ tần số quy định choliên lạc di dộng được chia thành 2N dải tần số kế tiếp, và được cách nhau bằng một dải tần phòng

vệ Mỗi dải tần số được gán cho một kênh liên lạc N dải kế tiếp dành cho liên lạc hướng lên, saumột dải tần phân cách là N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng xuống

Đặc điểm :

Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến

Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể

BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS

Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di dộng tiên tiến (Advanced Mobilephone System - AMPS)

Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản Tuy nhiên

hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung lượng và tốc độ Vìcác khuyết điểm trên mà nguời ta đưa ra hệ thống thông tin di động thế hệ 2 ưu điểm hơn thế

hệ 1 về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp

1.2.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao cả về số lượng và chất lượng, hệ thốngthông tin di động thế hệ 2 được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựatrên công nghệ số Thế hệ 2 sử dụng chuyển mạch kênh ( Circuit Switching )

Bổ sung thêm các dịch vụ di động mới như SMS, Fax và dịch vụ bổ sung cho thoại …

Hệ thống di động số tế bào được cải thiện đáng kể như : Dung lượng tăng, chất lượng thoạitốt hơn, hỗ trợ các dịch vụ số liệu (data)

Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng điều chế số Và chúng sử dụng 3 phươngpháp đa truy cập:

 Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access - TDMA)

 Đa truy cập phân chia theo tần số (Frequency Division Multiple Access - FDMA)

 Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA)

1.2.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba

Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một giai đoạn trung gian làthế hệ 2,5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiều khe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụngcông nghệ CDMA trong đó có thể chồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tầnmới, bao gồm các mạng đã được đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x Ở thế hệthứ 3 này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và cókhả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s Để phân biệt với các hệ thống thông tin di độngbăng hẹp hiện nay, các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 gọi là các hệ thống thông tin di độngbăng rộng

Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 đã được đề xuất, trong

đó 2 hệ thống W-CDMA và CDMA2000 đã được ITU chấp thuận và đưa vào hoạt động trongnhững năm đầu của những thập kỷ 2000 Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điềunày cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin diđộng thế hệ 3

- W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là sự nâng cấp của các hệ thống

thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, IS-136

- CDMA2000 là sự nâng cấp của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệCDMA: IS-95

NMT (900)

TACS

GSM (900)

MxWCDMA

SMR

GSM (1800) GSM (1900)

IS-136 TDMA (800)

IS-95 CDMA (800)

IS-136 (1900)

IS-95 (J-STD-008) (1900)

Hình 1.1 Quá trình phát triển lên 3G của 2 nhánh công nghệ chính

 Yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3:

Thông tin di động thế hệ thứ 3 xây dựng trên cơ sở IMT-2000 được đưa vào phục vụ từnăm 2001 Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời bảođảm sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ 2

- Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau:

+ 384 Kb/s đối với vùng phủ sóng rộng

+ 2 Mb/s đối với vùng phủ sóng địa phương

- Các tiêu chí chung để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G):

+ Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:

Đường lên : 1885-2025 MHz

Đường xuống : 2110-2200 MHz

+ Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến: Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến

Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông

+ Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài đường, trên xe,

vệ tinh

+ Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:

Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment) trên cơ sở

mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu

Đảm bảo chuyển mạng quốc tế

Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạchtheo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói.

+ Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện

1.2.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sang thế hệ 4 qua giai đoạn trung gian là thế hệ 3,5 cótên là mạng truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA Thế hệ 4 là công nghệ truyền thôngkhông dây thứ tư, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1cho đến 1.5 Gb/giây Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây Cácnghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100Mb/giây khi di chuyển và tới 1 Gb/giây khi đứng yên, cho phép người sử dụng có thể tải và truyềnlên hình ảnh động chất lượng cao Chuẩn 4G cho phép truyền các ứng dụng phương tiện truyềnthông phổ biến nhất, góp phần tạo nên các những ứng dụng mạnh mẽ cho các mạng không dây nội

bộ (WLAN) và các ứng dụng khác

Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM, là kỹ thuật nhiềutín hiệu được gởi đi cùng một lúc nhưng trên những tần số khác nhau Trong kỹ thuật OFDM, chỉ cómột thiết bị truyền tín hiệu trên nhiều tần số độc lập (từ vài chục cho đến vài ngàn tần số) Thiết bị4G sử dụng máy thu vô tuyến xác nhận bởi phần mềm SDR (Software - Defined Radio) cho phép sửdụng băng thông hiệu quả hơn bằng cách dùng đa kênh đồng thời Tổng đài chuyển mạch mạng 4Gchỉ dùng chuyển mạch gói, do đó, giảm trễ thời gian truyền và nhận dữ liệu

II CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CỦA MẠNG GSM

Hệ thống thông tin di động GSM cho phép chuyển vùng tự do của các thuê bao trong châu Âu,

có nghĩa là một thuê bao có thể thâm nhập sang mạng của nước khác khi di chuyển qua biên giới.Trạm di động GSM – MS (GSM Mobile Station) phải có khả năng trao đổi thông tin tại bất cứ nơinào trong vùng phủ sóng quốc tế

 Về khả năng phục vụ :

- Hệ thống được thiết kế sao cho MS có thể dùng được trong tất cả các nước có mạng

- Cùng với phục vụ thoại, hệ thống phải cho phép sự linh hoạt lớn nhất cho các loại dịch vụkhác liên quan tới mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN)

- Tạo một hệ thống có thể phục vụ cho các MS trên các tầu viễn dương như một mạng mởrộng cho các dịch vụ di động mặt đất

 Về chất lượng phục vụ và an toàn bảo mật:

- Chất lượng của thoại trong GSM phải ít nhất có chất lượng như các hệ thống di độngtương tự trước đó trong điều kiện vân hành thực tế

- Hệ thống có khả năng mật mã hoá thông tin người dùng mà không ảnh hưởng gì đến hệthống cũng như không ảnh hưởng đến các thuê bao khác không dùng đến khả năng này

- Kế hoạch đánh số dựa trên khuyến nghị của CCITT

- Hệ thống phải cho phép cấu trúc và tỷ lệ tính cước khác nhau khi được dùng trong cácmạng khác nhau

- Trung tâm chuyển mạch và các thanh ghi định vị phải dùng hệ thống báo hiệu được tiêuchuẩn hoá quốc tế

- Chức năng bảo vệ thông tin báo hiệu và thông tin điều khiển mạng phải được cung cấptrong hệ thống

III CHỨC NĂNG CƠ BẢN CỦA MẠNG GSM

Một hệ thống thông tin di động để trở thành hệ thống thông tin hữu hiệu khi chúng có đầy đủ cácchức năng sau:

a Định vị và theo dõi

Dù đang trong thời gian liên lạc hay trong trạng thái chờ, do người sử dụng luôn hoạt độngnên hệ thống phải luôn thay đổi thông tin về vị trí của người sử dụng mới có thể đảm bảo liên lạckhông bị ngắt quãng khi người sử dụng thay đổi vị trí Cũng như đảm bảo đáp ứng kịp thời nhu cầuthông tin sau khi người sử dụng đến địa chỉ mới Do vậy, hệ thống phải có khả năng điều khiểnthiết bị đầu cuối di động

b Đảm bảo truy nhập tốt nhất

Thông thường, thuê bao bị vây bọc giữa nhiều tín hiệu trạm cơ sở, do đó dù xét trên phươngdiện hệ thống hay người sử dụng thì việc tìm điểm truy nhập tốt nhất vẫn là yêu cầu cơ bản Chỉ cónhư vậy, chất lượng hệ thống mới được đảm bảo tin cậy

1.3.1 Các đặc tính chủ yếu của hệ thống GSM

 Có thể phục vụ được số lớn các dịch vụ và tiện ích cho thuê bao cả trong thông tin di độngthoại và truyền số liệu

 Đối với thoại có thể có các dịch vụ:

- Chuyển hướng cuộc gọi vô điều kiện

- Chuyển hướng cuộc gọi khi thuê bao di động bận

- Cấm tất cả các cuộc gọi ra quốc tế

- Giữ cuộc gọi

- Thông báo cước phí

- Nhận dạng số chủ gọi

 Đối với dịch vụ số liệu:

- truyền số liệu

- Dịch vụ nhắn tin: các gói thông tin có kích cỡ 160 ký tự có thể lưu giữ

1.3.2 Sự tương thích của các dịch vụ trong GSM với các dịch vụ của mạng sẵn có

 PSTN ( Publich Switched Telephone Network - Mạng điện thoại chuyển mạch côngcộng)

 ISDN ( Intergrated Service Digital Network – mạng số tổ hợp dịch vụ)

Cho phép các thuê bao lưu động ở các nước với nhau có cùng sử dụng hệ thống GSM một cáchhoàn toàn tự động Nghĩa là thuê bao có thể mang máy di động đi mọi nơi và mạng sẽ tự động cậpnhật thông tin về vị trí của thuê bao đồng thời thuê bao có thể gọi bất cứ nơi nào mà không cầnthiết thuê bao khác đang ở đâu

- Sử dụng băng tần 900 MHz với hiệu quả cao bởi sự kết hợp giữa 2 phương pháp TDMA,FDMA

- Giải quyết sự hạn chế dung lượng: thực chất việc dung lượng sẽ tăng lên nhờ việc

sử dụng tần số tốt hơn và kỹ thuật chia ô nhỏ, do vậy số thuê bao được phục vụ sẽ tăng lên

- Tính linh động cao nhờ sử dụng các loại máy thông tin di động khác nhau: máy cầmtay, máy xách tay, máy đặt trên ô tô…

- Tính bảo mật: Mạng kiểm tra sự hợp lệ của mỗi thuê bao GSM bởi thẻ đăng kí SIM(Subcirber identity Module) Thẻ Sim sử dụng mật khẩu PIN (Persnal Identity Number) để bảo vệquyền sử dụng của người sử dụng hợp pháp SIM cho phép sử dụng nhiều dịch vụ và cho phépngười dùng truy nhập vào các PLMN(Public Land Mobile Network) khác nhau Đồng thời trong hệthống GSM còn có trung tâm nhận thực AuC, trung tâm còn cung cấp mã bảo mật chống nghetrộm cho từng đường vô tuyến và thay đổi cho từng thuê bao

IV ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SÓNG TRONG MẠNG GSM

Đặc tính truyền sóng trong thông tin vô tuyến di động là tín hiệu thu được ở máy thu bị thayđổi so với tín hiệu đã phát ở máy phát về tần số, biên độ, pha và thời gian giữ chậm Các thay đổinày có tính chất rất phức tạp và sự tác động của chúng ảnh hưởng tới chất lượng liên lạc hay truyền

dữ liệu Nó phụ thuộc vào hàng loạt các yếu tố như: Địa hình, khoảng cách liên lạc, dải tần, khíquyển, mật độ thuê bao…Tuy vậy ta có thể cơ bản chia ảnh hưởng của chúng thành: Ảnh hưởngcủa hiệu ứng Dopler, tổn hao đường truyền, hiệu ứng pha-đinh và hiện tượng trải trễ

Tổn hao đường truyền: Là lượng suy giảm của mức điện thu so với mức điện đã phát đi Mức

điện trung bình của tín hiệu thu giảm dần theo khoảng cách, do công suất của tín hiệu trên một diệntích của mặt cầu sóng tới giảm dần theo khoảng cách giữa anten phát và anten thu, hấp thụ của môitrường truyền sóng…Tổn hao đường truyền phụ thuộc vào: Tần số bức xạ, địa hình, mật độ thuêbao, mức độ di động của chướng ngại vật, loại anten được sử dụng…Trong mạng tế bào thì tổn haonày tăng tỷ lệ với lũy thừa của khoảng cách, tuân theo luật mũ 4

Tổn hao đường truyền hạn chế kích thước của tế bào và cự ly thông tin, do đó ta có thể lợidụng nó để phân chia hiệu quả các tế bào, cho phép tái sử dụng tần số một cách hiện hữu, làm tănghiệu quả sử dụng tần số

Ảnh hưởng của hiệu ứng Dopler: Là sự thay đổi của tần số tín hiệu thu so với tần số tín hiệu

được phát gây bởi chuyển động tương đối giữa máy thu và phát trong quá trình truyền sóng Giả sửtần số thu được tại máy thu là:

f = f c + f m *cosα i

→ f = f c *(1+(v/c) * cosα i ) (1.1)

Trong đó:

f là tần số tín hiệu thu được ở đầu vào máy thu

fc là tần số sóng mang phát không bị điều chế

00; 1800) như: Anten phát bố trí dọc theo quốc lộ còn máy thu đặt trên xe chuyển động trên xa lộđó…

Hiện tượng pha-đinh: Ở một khoảng cách ngắn nào đó thì mức tín hiệu thu trung bình không

đổi, khi mức điện tức thời của tín hiệu thu tại anten có thể thay đổi nhanh hoặc chậm (pha-đinhnhanh hoặc pha-đinh chậm), nhưng khi khoảng cách giữa MS và BTS tăng thì mức điện thu trungbình giảm

Nguyên nhân gây ra pha đinh là: Sự truyền lan theo nhiều tia của sóng vô tuyến trong môitrường di động như: Nhiễu xạ, tán xạ và phản xạ từ các chướng ngại vật hay người ta còn gọi làpha đinh đa đường Pha đinh gọi là phẳng nếu mức tín hiệu thu trung bình xảy ra như nhau với mọitần số làm việc của kênh trong suốt dải tần Pha đinh tần số là pha đinh xảy ra đối với tất cả các tần

số trong suốt dải tần Khi pha-đinh rất sâu xảy ra thì tín hiệu thu được có thể giảm tới không, tỷ sốtín hiệu/tạp âm nhỏ hơn không (S/N<0) thì đầu ra của máy thu hoàn toàn phụ thuộc vào nhiễu củakênh

Hiện tượng trải trễ: Đối với thông tin di động số thì việc truyền dẫn tín hiệu theo nhiều tia

sóng trong môi trường di động dẫn đến sự trải trễ và độ trải trễ có thể xem như độ dài của xung khixung cực hẹp được phát đi

Hiện tượng trải trễ làm hạn chế tốc độ truyền tin và khi lưu lượng trải trễ càng lớn thì tốc độtruyền tin càng nhỏ Đối với hệ thống thông tin di động trong nhà thì tốc độ tối đa có thể đạt được

khoảng 2 Mb/s mà không cần bộ san bằng kênh Còn đối với thông tin di động tế bào lớn muốntruyền tin với tốc độ cao thì nhất thiết phải có bộ san bằng kênh hoặc là chia nhỏ kích thước của tếbào (thực chất của bộ san bằng kênh là mạch lọc) Do đó kích thước của tế bào có ảnh hưởng rấtlớn đến đặc điểm truyền sóng trong thông tin di động.

V CẤU TRÚC ĐỊA LÝ CỦA MẠNG

Mọi mạng điện thoại cần một cấu trúc nhất định để định tuyến các cuộc gọi đến tổng đài cầnthiết và cuối cùng đến thuê bao bị gọi Ở một mạng di động, cấu trúc này rất quan trọng do tính lưuthông của các thuê bao trong mạng Trong hệ thống GSM, mạng được phân chia thành các phânvùng sau (hình 1.1):

Hình 1.1 Phân cấp cấu trúc địa lý mạng GSM

Hình 1.2 Phân vùng và chia ô

1.5.1 Vùng phục vụ PLMN

Vùng phục vụ GSM là toàn bộ vùng phục vụ do sự kết hợp của các quốc gia thành viên nênnhững máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau ở có thể sử dụng được nhiềunơi trên thế giới

Phân cấp tiếp theo là vùng phục vụ PLMN, đó có thể là một hay nhiều vùng trong một quốcgia tùy theo kích thước của vùng phục vụ

Kết nối các đường truyền giữa mạng di động GSM/PLMN và các mạng khác (cố định hay diđộng) đều ở mức tổng đài trung kế quốc gia hay quốc tế Tất cả các cuộc gọi vào hay ra mạngGSM/PLMN đều được định tuyến thông qua tổng đài vô tuyến cổng G-MSC (Gateway - MobileService Switching Center) G-MSC làm việc như một tổng đài trung kế vào cho GSM/PLMN

1.5.2 Vùng phục vụ MSC

MSC (Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động, gọi tắt là tổng đài di động) VùngMSC là một bộ phận của mạng được một MSC quản lý Để định tuyến một cuộc gọi đến một thuêbao di động Mọi thông tin để định tuyến cuộc gọi tới thuê bao di động hiện đang trong vùng phục

vụ của MSC được lưu giữ trong bộ ghi định vị tạm trú VLR

Một vùng mạng GSM/PLMN được chia thành một hay nhiều vùng phục vụ MSC/VLR

1.5.3 Vùng định vị LA

Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR được chia thành một số vùng định vị LA Vùng định vị là mộtphần của vùng phục vụ MSC/VLR, mà ở đó một trạm di động có thể chuyển động tự do mà khôngcần cập nhật thông tin về vị trí cho tổng đài MSC/VLR điều khiển vùng định vị này Vùng định vịnày là một vùng mà ở đó thông báo tìm gọi sẽ được phát quảng bá để tìm một thuê bao di động bịgọi Vùng định vị LA được hệ thống sử dụng để tìm một thuê bao đang ở trạng thái hoạt động

Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng định vị LAI(Location Area Identity):

LAI = MCC + MNC + LAC

MCC (Mobile Country Code): mã quốc gia

MNC (Mobile Network Code): mã mạng di động

LAC (Location Area Code) : mã vùng định vị (16 bit)

1.5.4 Cell ( tế bào )

Vùng định vị được chia thành một số ô mà khi MS di chuyển trong đó thì không cần cậpnhật thông tin về vị trí với mạng Cell là đơn vị cơ sở của mạng, là một vùng phủ sóng vô tuyếnđược nhận dạng bằng nhận đạng ô toàn cầu (CGI) Mỗi ô được quản lý bởi một trạm vô tuyến gốcBTS

CGI = MCC + MNC + LAC + CI

CI (Cell Identity): Nhận dạng ô để xác định vị trí trong vùng định vị

Hình 1.5.4 Phân vùng một vùng phục vụ MSC thành các vùng định vị và các ô

LA 4

LA 3

LA 1

LA 2

Cell

MS VLR

Trạm di động MS tự nhận dạng một ô bằng cách sử dụng mã nhận dạng trạm gốc BSIC (BaseStation Identification Code).

VI BĂNG TẦN SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG GSM

Các mạng di động GSM hoạt động trên 4 băng tần Hầu hết hoạt động ở băng 900 MHz và

1800 MHz Vài nước ở Châu Mỹ thì sử dụng băng 850 MHz và 1900 MHz do băng 900 MHz và

1800 MHz ở nơi này đã bị sử dụng trước

Và cực kỳ hiếm có mạng nào sử dụng tần số 400 MHz hay 450 MHz chỉ có ở Scandinavia sử dụng do các băng tần khác đã bị cấp phát cho việc khác

Ở một số nước, băng tần chuẩn GSM900 được mở rộng thành E-GSM, nhằm đạt được dải tầnrộng 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 dụng công nghệ phân chia theo thời gian TDM (time division multiplexing), cho phép

truyền 8 kênh thoại toàn tốc hay 16 kênh thoại bán tốc trên 1 kênh vô tuyến Có 8 khe thời gian gộp lại gọi là một khung TDMA Các kênh bán tốc sử dụng các khung luân phiên trong cùng khe thời gian Tốc độ truyền dữ liệu cho cả 8 kênh là 270.833 kbit/s và chu kỳ của một khung là 4.615 m

Công suất phát của máy điện thoại được giới hạn tối đa là 2 watt đối với băng GSM 850/900MHz và tối đa là 1 watt đối với băng GSM 1800/1900 MHz

ra tần số phát, khoảng cách giữa tần số thu và phát của băng GSM 900 luôn là 45MHz và được gọi

là khoảng cách song công Kênh vô tuyến này được chia làm 8 TS (time slot) khe thời gian , mỗikhe thời gian là một kênh vật lý để trao đổi thông tin giữa trạm thu phát và trạm di động Ngoài

băng tần trên GSM còn mở rộng băng tần DCS (Digital Cellular System) Công suất phát tối đa củaGSM900 là 0.8/2/5W.

VII PHƯƠNG PHÁP TRUY NHẬP TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Ở giao diện vô tuyến, MS và BTS liên lạc với nhau bằng sóng vô tuyến Để sử dụng tàinguyên tần số có hiệu quả, ngoài việc sử dụng lại tần số, số kênh vô tuyến được dùng theo kiểukênh trung kế Hệ thống trung kế vô tuyến là hệ thống vô tuyến có số kênh sẵn sàng phục vụ ít hơn

số người dùng khả dĩ Phương thức sử dụng các kênh gọi là phương pháp đa truy nhập Ngườidùng khi có nhu cầu thì được đảm bảo về sự truy nhập vào trung kế Có ba phương pháp chia kênhchính là : FDMA,TDMA, CDMA

1.7.1 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

Với phương pháp truy cập TDMA thì nhiều người sử dụng một sóng mang và trục thời gianđược chia thành nhiều khoảng thời gian nhỏ để dành cho nhiều người sử dụng sao cho không có sự

chồng chéo Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi

dải tần liên lạc này dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời giantrong chu kỳ một khung Các thuê bao khác dùng chung kênh nhờ cài xen thời gian, mỗi thuêbao được cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung

Mạng TDMA

Đặc điểm :

-Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số

-Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong đó mộtbăng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di động và một băngtần được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc Việc phân chia tần nhưvậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạt động cùng một lúc mà không sợ cannhiễu nhau

-Giảm số máy thu phát ở BTS.

-Giảm nhiễu giao thoa

Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System forMobile Communications - GSM)

-Máy điện thoại di động kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn kỹ thuật FDMA Hệ thống

xử lý số đối với tín hiệu trong MS tương tự có khả năng xử lý không quá 106 lệnh trong 01giây, còn trong MS số TDMA phải có khả năng xử lý hơn 50x106 lệnh trên giây

Nhận xét :

Với phương pháp trên người dùng được cấp phát một khe thời gian Và nếu người dùng không sử dụng khe thời gian này để truyền dữ liệu thì thời gian sẽ bị lãng phí

1.7.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA

Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frquency Division Multiple Access): phục vụ cáccuộc gọi theo các kênh tần số khác nhau Người dùng được cấp phát một kênh trong tập hợp cáckênh trong lĩnh vực tần số Phổ tần số được chia thành 2N dải tần số kế tiếp, cách nhau một khoảngbảo vệ Mỗi dải tần số được gán một kênh liên lạc, N dải dành cho liên lạc hướng lên, N dải dànhcho liên lạc hướng xuống

Ví dụ : Một mạng có sáu trạm, các trạm 1, 3, 4 có dữ liệu cần truyền, các trạm 2, 5, 6 nhàn

rỗi

Mạng FDMANhận xét

• Do mỗi người dùng được cấp một băng tần riêng, nên không có sự đụng độ xảy ra Khi chỉ

có số lượng người dùng nhỏ và ổn định, mỗi người dùng cần giao tiếp nhiều thì FDMA chính là cơchế điều khiển truy cập đường truyền hiệu quả

• Tuy nhiên, khi mà lượng người gởi dữ liệu là lớn và liên tục thay đổi hoặc đường truyềnvượt quá khả năng phục vụ thì FDMA bộc lộ một số vấn đề Nếu phổ đường truyền được chia làm

N vùng và có ít hơn N người dùng cần truy cập đường truyền, thì một phần lớn phổ đường truyền

bị lãng phí Ngược lại, có nhiều hơn N người dùng có nhu cầu truyền dữ liệu thì một số người dùng

sẽ phải bị từ chối không có truy cập đường truyền vì thiếu băng thông Tuy nhiên, nếu lại giả sửrằng số lượng người dùng bằng cách nào đó luôn được giữ ổn định ở con số N, thì việc chia kênhtruyền thành những kênh truyền con như thế tự thân là không hiệu quả Lý do cơ bản ở đây là: nếu

có vài người dùng rỗi, không truyền dữ liệu thì những kênh truyền con cấp cho những người dùngnày bị lãng phí

• Có thể dễ dàng thấy được hiệu năng nghèo nàn của FDMA từ một phép tính theo lý thuyếtxếp hàng đơn giản Bắt đầu là thời gian trì hoãn trung bình T trong một kênh truyền có dung lượng

C bps, với tỉ lệ đến trung bình là λ khung/giây, mỗi khung có chiều dài được chỉ ra từ hàm phân

phối mũ với giá trị trung bình là 1/µ bit/khung Với các tham số trên ta có được tỉ lệ phục vụ là µCkhung/giây Từ lý thuyết xếp hàng ta có :

Ví dụ : nếu C = 100 Mbps, 1/µ = 10000 bits và λ = 5000 khung/giây thì T = 200 µs.

Bây giờ nếu ta chia kênh lớn này thành N kênh truyền nhỏ độc lập, mỗi kênh truyền nhỏ códung lượng C/N bps Tỉ lệ trung bình các khung đến các kênh truyền nhỏ bây giờ là λ/N Tính toánlại T chúng ta có :

Thời gian chờ đợi trung bình trong các kênh truyền con sử dụng FDMA là xấu hơn gấp N lần

so với trường hợp ta sắp xếp cho các khung được truyền tuần tự trong một kênh lớn

1.7.3 Kết hợp giữa FDMA và TDMA

Trong giao diện vô tuyến GSM , hai kỹ thuật TDMA và FDMA thường được kết hợp sử dụngvới nhau Với mỗi một sóng mang vô tuyến, một cách tiêu biểu thì trục thời gian được chia thành cáckhung TDMA đều nhau, mỗi khung gồm 8 khe thời gian, mỗi thuê bao truy nhập mạng trên tần sốsóng mang đó sẽ phân biệt nhau về khe thời gian mà chúng sử dụng, nghĩa là theo phương thức đatruy nhập TDMA Tuy nhiên, trong một mạng GSM lại sử dụng nhiều sóng mang khác nhau, cácthuê bao đang truy nhập trên sóng mang này sẽ được phân biệt với các thuê bao trên sóng mang khác

về tần số dùng phương thức đa truy nhập FDMA

Kết hợp giữa TDMA và FDMACác điện thoại di động TDMA sử dụng các kênh 30 KHz, mỗi kênh lại được chia thành ba khe thời gian Một thiết bị cầm tay sử dụng một khe thời gian cho việc gởi và một khe khác cho