bài giảng truyền thông vô tuyến

 Mỗi trạm gốc được cấp một phần của tổng số các kênh có sẵn trên toàn bộ hệ thống  Các trạm gốc lân cận được gán các nhóm kênh khác nhau để nhiễu giữa các trạm gốc được giảm xuống tối

TRUYỀN THÔNG

VÔ TUYẾN

GIỚI THIỆU CHUNG

2

GIỚI THIỆU

PHỔ TẦN SỐ SỬ DỤNG

4

 Băng thông thấp so với mạng hữu tuyến

 Yêu cầu khả năng bảo mật

SƠ LƢỢC LỊCH SỬ THÔNG TIN VÔ

SƠ LƢỢC LỊCH SỬ THÔNG TIN VÔ

CÁC THẾ HỆ ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG

8

Chương 1

HỆ THỐNG DI ĐỘNG

TẾ BÀO - CƠ SỞ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

1.1

GIỚI THIỆU

10

 Mục đích thiết kế của các hệ thống vô tuyến di động đầu tiên:

 Đạt đƣợc một vùng phủ sóng rộng bằng việc sử dụng duy nhất một máy phát công suất cao bởi một giá ăng ten trên một tòa tháp cao

 Ƣu điểm: đạt đƣợc vùng phủ rất tốt

 Nhƣợc điểm: không có khả năng tái sử dụng tần số trên toàn hệ thống => các cố gắng để tái sử dụng tần số sẽ dẫn đến nhiễu tín hiệu

GIỚI THIỆU

 Hệ thống điện thoại tế bào là một giải pháp chính trong việc giải quyết vấn đề tái sử dụng phổ và dung lượng người dùng

 Nó cung cấp các dung lượng rất cao trong một phổ được cấp giới hạn mà không có bất kỳ sự thay đổi công nghệ chính nào

 Hệ thống điện thoại tế bào:thay thế một trạm phát công suất cao -> trạm phát công suất nhỏ (trạm tế bào – trạm gốc)

GIỚI THIỆU

12

1.2

QUÁ TRÌNH TÁI SỬ

DỤNG TẦN SỐ

 Mỗi trạm gốc được cấp một phần của tổng số các kênh có sẵn trên toàn bộ hệ thống

 Các trạm gốc lân cận được gán các nhóm kênh khác nhau

để nhiễu giữa các trạm gốc được giảm xuống tối thiểu

 Bằng cách hệ thống hóa không gian giữa các trạm gốc và các nhóm kênh của chúng, các kênh có sẵn được phân phối thông qua các vùng địa lý và có thể được tái sử dụng nhiều lần nếu như cần thiết, miễn là nhiễu đồng kênh giữa các trạm được giữ dưới mức chấp nhận được

 Khi nhu cầu đối với dịch vụ tăng, số lượng các trạm gốc có thể được tăng (cùng với một sự giảm tương ứng trong công suất trạm máy phát để tránh thêm nhiễu), => cung cấp thêm dung lượng vô tuyến mà không tăng phổ vô tuyến

TÁI SỬ DỤNG PHỔ TẦN SỐ

14

 Các hệ thống điện thoại vô tuyến tế bào dựa trên sự cấp phát thông minh và tái sử dụng các kênh xuyên suốt trong một vùng phủ sóng

 Mỗi trạm gốc trong hệ thống điện thoại tế bào đƣợc cấp một nhóm các kênh vô tuyến đƣợc dùng trong

một vùng địa lý nhỏ đƣợc gọi là “tế bào” (cell)

 Mỗi trạm gốc trong một “tế bào” đƣợc gán các nhóm kênh khác biệt hoàn toàn so với các “tế bào” lân cận

TÁI SỬ DỤNG PHỔ TẦN SỐ

 Các ăng ten trạm gốc đƣợc thiết kế để đạt đƣợc vùng phủ mong muốn trong một “tế bào” cụ thể Bằng việc giới hạn vùng phủ trong các biên của một “tế bào”

 Các nhóm kênh giống nhau có thể đƣợc dùng trong các “tế bào” khác nhau, nếu khoảng cách đủ lớn để giữ nhiễu ở mức giới hạn

 Quá trình thiết kế chọn lựa và cấp phát các nhóm kênh đối với tất cả các trạm gốc trong hệ thống điện thoại tế bào trong một hệ thống đƣợc gọi là sự tái sử dụng tần số hay hoạch định tần số

TÁI SỬ DỤNG PHỔ TẦN SỐ

16

 Các tế bào đƣợc gán cùng một chữ cái sẽ dùng chung một nhóm kênh

 Hoạch định tái sử dụng tần

số đƣợc mô tả nhƣ một bản

đồ để chỉ thị các kênh tần số khác nhau đƣợc sử dụng, tránh trùng lặp

 Tế bào hình lục giác là khái niệm và là mô hình đơn giản của vùng phủ sóng vô tuyến đối với mỗi trạm gốc Nó đã được chấp nhận phổ biến vì cho phép dễ

dàng quản lý, và phân tích của một hệ thống điện

thoại vô tuyến tế bào

 Vùng phủ sóng vô tuyến thực sự của một tế bào (hay

còn được gọi là footprint) sẽ được xác định từ các

phép đo trường hay sự lan truyền các mô hình cho trước

 Các footprint thực sẽ không có hình dạng nhất định trong tự nhiên

TÁI SỬ DỤNG PHỔ TẦN SỐ

18

 Các mô hình hình học cho diện tích vùng phủ bằng nhau

và không chồng chéo: hình vuông, hình tam giác đều,

và hình lục giác đều

 Một tế bào phải đƣợc thiết kế để phục vụ các điện thoại

di động yếu nhất trong footprint (tại biên của tế bào)

 Đối với một khoảng cách nhất định giữa trung tâm của

đa giác và các điểm xa nhất trên chu vi của nó, hình lục giác có diện tích lớn nhất trong ba hình

 Bằng việc sử dụng hình lục giác, với số lượng ít nhất

các Tế bào có thể bao phủ một vùng địa lý

 Hình lục giác là mô hình gần đúng nhất so với mô hình

bức xạ vòng tròn của ăng ten trạm gốc trong không

gian lan truyền tự do

LỰA CHỌN MÔ HÌNH VÙNG PHỦ SÓNG

 Footprint của một tế bào thực tế đƣợc xác định bởi

đường bao mà trong phạm vi đó, một máy phát nhất

CHỌN MÔ HÌNH VÙNG PHỦ SÓNG

20

 Xét một hệ thống Cellular có tổng số S kênh song

công có sẵn để sử dụng

 Mỗi tế bào đƣợc cấp một nhóm k kênh (k < S)

 Nếu S kênh đƣợc phân chia giữa N tế bào thành các

nhóm kênh, các nhóm kênh đƣợc phân chia đều

có cùng một số kênh nhƣ nhau

S = kN

PHÂN BỐ TẦN SỐ

 N các Tế bào sử dụng hết hoàn toàn dải phổ đƣợc cấp

thì đƣợc gọi là một cụm (cluster) Nếu một cluster

đƣợc nhân rộng M lần trong hệ thống, thì tổng số các kênh song công C sẽ là:

C = M.k.N = M.S

 Dung lƣợng của hệ thống Cellular tỷ lệ trực tiếp với

số cụm đƣợc nhân rộng trong một vùng phục vụ cố định

 Hệ số N đƣợc gọi là kích thước cluster (điển hình

 Một kích thước cluster lớn chỉ ra rằng tỷ lệ giữa bán kính tế bào và khoảng cách giữa các tế bào đồng kênh là lớn và ngược lại

 Hệ số N biểu diễn tương quan giữa nhiễu mà một điện

thoại di động hay trạm gốc có thể chịu được trong khi vẫn đảm bảo chất lượng thông tin liên lạc

 Quan điểm thiết kế: giá trị của N cần nhỏ nhất có thể, trong khi dung lượng hệ thống là cực đại trong một vùng phủ sóng nhất định

 Hệ số tái sử dụng tần số:1/N Khi đó mỗi tế bào trong một cụm chỉ được gán 1/N tổng số các kênh có sẵn

KÍCH THƯỚC CLUSTER

 Với mỗi hình lục giác đều có sáu hình lân cận cách đều và các đường nối trung tâm của bất kì tế bào nào với tế bào lân cận đều tạo thành các góc là bội số của

600

 Chỉ tồn tại một số các kích thước cụm nhất định và cách bố trí Tế bào khả thi

 Để phân bổ kết nối mà không có khe hở nào giữa các

tế bào lân cận, kích thước cluster chỉ có thể có các

giá trị thỏa mãn công thức:

N = i2 + ij + j2

=> i và j là các số nguyên không âm

KÍCH THƯỚC CLUSTER

24

 Từ tế bào cần xác định, di

chuyển i tế bào dọc theo

bất kì chuỗi lục giác nào đó

 Quay 600 ngƣợc chiều kim đồng hồ và di chuyển j tế bào

 Ví dụ: với i = 3 và j=2 (N=19)

TÌM TẾ BÀO ĐỒNG KÊNH LÂN CẬN

 Nếu tổng 33MHz của băng thông đƣợc cấp một hệ thống điện thoại cellular FDD riêng biệt mà dùng hai kênh đơn giản 25 KHz để cung cấp thoại song công và các kênh điều khiển, tính toán số lƣợng các kênh có sẵn trên một tế bào nếu một hệ thống sử dụng:

tế bào đối với mỗi hệ thống

VÍ DỤ

26

 Phổ tần 1MHz cho các kênh điều khiển: 1000/50 = 20 kênh điều khiển trong số 660 kênh có sẵn Để phân phối đồng đều các kênh điều khiển và các kênh thoại, phương pháp đơn giản là cấp cùng số các kênh trong mỗi tế bào

 660 kênh phải được phân phối đồng đều đến mỗi tế bào trong cụm Như vậy chỉ có 640 kênh thoại sẽ được cấp

a) Đối với N = 4, chúng ta có thể có 5 kênh điều khiển và

160 kênh thoại trên một tế bào Tuy nhiên, mỗi tế bào chỉ cần một kênh điều khiển độc lập (kênh điều khiển

có khoảng cách tái sử dụng lớn hơn các kênh thoại) Như vậy, một kênh điều khiển và 160 kênh thoại sẽ được gán cho mỗi tế bào

VÍ DỤ

28

 Đối với N = 7:

 4 tế bào với 3 kênh điều khiển và 92 kênh thoại

 2 tế bào với 3 kênh điều khiển và 90 kênh thoại

 1 tế bào với 2 kênh điều khiển và 92 kênh thoại

Thực tế, mỗi tế bào sẽ có một kênh điều khiển, 4 tế bào sẽ có 91 kênh thoại, và 3 tế bào sẽ có 92 kênh thoại

 Đối với N = 12:

 8 tế bào với 2 kênh điều khiển và 53 kênh thoại

 4 tế bào với 1 kênh điều khiển và 54 kênh thoại

Trong một hệ thống thật, mỗi tế bào sẽ có một kênh điều khiển, 8 tế bào sẽ có 53 kênh thoại, và 4 tế bào

sẽ có 54 kênh thoại

VÍ DỤ

1.3

CÁC CHIẾN LƢỢC

CẤP PHÁT KÊNH

30

 Để sử dụng hiệu quả các phổ tần vô tuyến => cần

một mô hình tái sử dụng tần số phù hợp Yêu cầu:

tăng dung lượng tối đa và giảm tối thiểu nhiễu

 Các chiến lược cấp kênh khác nhau được phát triển để đạt được các mục đích này

 Các chiến lược cấp kênh có thể được phân loại:

 Cấp kênh cố định

 Cấp kênh động

 Sự lựa chọn chiến lược cấp kênh ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống (ví dụ: cách các cuộc gọi được quản lý khi người dùng di động chuyển từ một tế bào đến một tế bào khác)

CHIẾN LƯỢC CẤP PHÁT KÊNH

 Mỗi tế bào được cấp một tập các kênh thoại được xác định trước Bất kì cuộc gọi nào muốn kết nối trong tế bào chỉ có thể được phục vụ bởi các kênh không được dùng trong tế bào đó

Nếu tất cả các kênh trong tế bào đó bị chiếm, cuộc gọi bị khóa và thuê bao không nhận được dịch vụ

 Biến thể của chiến lược cấp kênh cố định-chiến lược

mượn kênh: một tế bào được phép mượn các kênh từ

một tế bào lân cận nếu tất cả các kênh thuộc sở hữu của nó đã bị chiếm Các trung tâm chuyển mạch di động (MSC) giám sát các thủ tục mượn như vậy và đảm bảo rằng việc mượn một kênh không phá vỡ hay can thiệp đến bất kì cuộc gọi nào trong tế bào cho mượn

CHIẾN LƯỢC CẤP KÊNH CỐ ĐỊNH

32

 Các kênh thoại không đƣợc cấp cho các tế bào một cách cố định Thay vào đó, mỗi lần có yêu cầu thiết lập cuộc gọi, trạm gốc đang phục vụ sẽ yêu cầu MSC cấp một kênh thoại Sau đó, MSC cấp một kênh cho

tế bào yêu cầu theo một thuật toán nhất định

 MSC chỉ cấp một tần số nhất định nếu tần số đó không đƣợc sử dụng trong tế bào đang phục vụ hay bất kì tế bào nào khác

 Tần số này thuộc trong giới hạn hạn chế tối thiểu của việc tái sử dụng tần số để tránh nhiễu đồng kênh

CHIẾN LƢỢC CẤP KÊNH ĐỘNG

 Sự cấp phát kênh động giảm khả năng khóa cuộc gọi, tăng dung lượng của hệ thống, từ đó tất cả các kênh

có sẵn trong phổ được cấp phát đều có thể được truy cập bởi tất cả các tế bào

 Các chiến lược cấp kênh động yêu cầu MSC thu thập các dữ liệu thời gian thực trên kênh bị chiếm dụng, phân phối lưu lượng, và chỉ thị độ mạnh của tín hiệu

vô tuyến (RSSI) của tất cả các kênh trên một cách liên tục

Tăng dung lượng lưu trữ và quá trình tính toán trên

hệ thống nhưng ưu điểm là tăng hiệu suất sử dụng kênh và giảm xác suất một cuộc gọi bị khóa

CHIẾN LƯỢC CẤP KÊNH TỰ ĐỘNG

34

1.4

CHIẾN LƢỢC

CHUYỂN GIAO

 Khi một thuê bao di động di chuyển vào một tế bào

khác trong khi một cuộc đàm thoại đang diễn ra, MSC tự động chuyển cuộc gọi sang một kênh mới thuộc trạm gốc mới => yêu cầu quá trình chuyển

giao từ tế bào đang phục vụ qua tế bào mới

 Hoạt động chuyển giao này không chỉ liên quan đến việc xác định một trạm gốc mới, mà còn liên quan đến các yêu cầu về tín hiệu thoại và tín hiệu điều khiển đƣợc cấp cho các kênh liên kết với trạm gốc mới

GIỚI THIỆU

36

 Một số đặc điểm của quá trình chuyển giao:

 Có thể không xảy ra thường xuyên

 Quá trình chuyển giao phải được tiến hành thành công

 Người dùng không thể nhận ra quá trình chuyển giao

Người thiết kế hệ thống phải chỉ định một mức tín hiệu tối ưu mà tại đó bắt đầu một quá trình chuyển giao

GIỚI THIỆU

 Pu: công suất tín hiệu khả dụng tối thiểu (cho chất lượng thoại có thể chấp nhận được tại máy thu) Pu

thường được lấy giữa -90 dBm và -100 dBm

 Ph: công suất của tín hiệu mạnh hơn được dùng như một ngưỡng mà tại đó chuyển giao được tạo ra

∆ = Ph - Pu

=> không thể quá lớn hay quá nhỏ

 Nếu ∆ quá lớn sẽ các chuyển giao không cần thiết và

sẽ tạo gánh nặng cho MSC

 Nếu ∆ quá nhỏ thì có thể thiếu thời gian để hoàn

thành chuyển giao trước khi cuộc gọi bị mất kết nối bởi các điều kiện sóng yếu

NGƯỠNG TÍN HIỆU CHUYỂN GIAO

38

CHUYỂN GIAO TẠI BIÊN TẾ BÀO

 Sự giảm mức tín hiệu đo được không phải do fading

tại thời điểm đó mà do thuê bao di động thực sự đang

di chuyển xa trạm gốc phục vụ

 Xử lý: trạm gốc giám sát mức tín hiệu trong một khoảng thời gian nhất định trước khi sự chuyển giao được bắt đầu Giá trị trung bình của phép đo độ mạnh tín hiệu đang hoạt động được sử dụng để xác định tín hiệu bị fading hay là đang đi ra xa trạm gốc

 Giá trị này được tối ưu hóa để có thể tránh được các chuyển giao không cần thiết, trong khi đảm bảo các chuyển giao cần thiết phải được hoàn tất trước khi một cuộc gọi kết thúc do mức tín hiệu yếu

YÊU CẦU CỦA QUÁ TRÌNH CHUYỂN GIAO

40

 Chuyển giao cứng –Hard Hand Overs

 Ngắt liên kết với Cell hiện tại trước khi tạo liên kết với Cell mới

 Các hệ thống TDM, FDM : hệ thống GSM

 Chuyển giao mềm SHO-Soft Hand Overs

 Tạo liên kết với Cell mới trước khi ngắt liên kết với

Cell hiện tại

 Thường được sử dụng ở các hệ thống CDMA

 Tồn tại nhiều kết nối vô tuyến đồng thời trong giai

đoạn chuyển giao

MỘT SỐ CHIẾN LƯỢC CHUYỂN GIAO

 Nhiễu là yếu tố hạn chế chính trong việc triển khai hệ thống vô tuyến dạng tế bào

 Nguồn nhiễu:

 Một điện thoại di động trong cùng một tế bào

 Một cuộc gọi trong một tế bào lân cận

 Các trạm gốc khác hoạt động trong cùng một băng tần số

 Một hệ thống phi tế bào vô tình rò rỉ công suất vào các băng tần của tế bào

NHIỄU TRONG HỆ THỐNG DI ĐỘNG TẾ

BÀO

 Trên kênh thoại: nhiễu là nguyên nhân cắt ngang các cuộc nói chuyện, các thuê bao đang trong quá trình đàm thoại nghe thấy các cuộc thoại không mong muốn

 Trên kênh điều khiển: nhiễu dẫn đến tình trạng mất và khóa các cuộc gọi do lỗi trong các tín hiệu số

 Hai loại nhiễu chính của hệ thống di động tế bào là nhiễu đồng kênh và can nhiễu kênh lân cận

NHIỄU TRONG HỆ THỐNG DI ĐỘNG TẾ

BÀO

44

 Nhiễu giữa các tín hiệu từ các tế bào đồng kênh đƣợc gọi là nhiễu đồng kênh

 Nhiễu đồng kênh không thể khắc phục bằng cách tăng tỉ lệ tín hiệu-nhiễu (SNR) => không thể tăng công suất máy phát để giảm nhiễu

 Để giảm nhiễu đồng kênh, các tế bào đồng kênh phải đƣợc ngăn cách bởi một khoảng cách tối thiểu để đảm bảo cho quá trình truyền sóng

NHIỄU ĐỒNG KÊNH

 Nếu kích thước của mỗi tế bào xấp xỉ như nhau

 Các trạm gốc truyền cùng công suất

 Nhiễu đồng kênh là độc lập với công suất truyền và là một hàm phụ thuộc vào bán kính của tế bào (R) và khoảng cách giữa trung tâm của các tế bào đồng kênh gần nhất (D)

NHIỄU ĐỒNG KÊNH

46