công nghệ FDMA, TDMA với CDMA ứng dụng trong thông tin di động tế bào

công nghệ FDMA, TDMA với CDMA ứng dụng trong thông tin di động tế bào

Mục lục

Lời nói đầu 3

CHƯƠNG I :NHữNG KHáI NIệM CHUNG Về THÔNG TIN DI ĐộNG I.Cấu trúc hệ thống thông tin di động số: 4

1 Phân hệ trạm gốc BSS: 4

1.1 Bộ điều khiển trạm gốc ( BSC ) 5

1.2 Trạm thu phát gốc ( BTS ) 5

1.3 Bộ chuyển mã (XCDR) 6

1.4 Các cấu hình của BSS 6

2 Phân hệ chuyển mạch (SS) 6

2.1 Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động (MSC) 7

2.2 Bộ ghi định vị thường trú(HLR) 7

2.3 Bộ ghi định vị thường trú(VLR) 8

2.4 Bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR) 9

2.5.Trung tâm nhận thực(AUC): 9

II Tổng quan về các kỹ thuật đa truy nhập đã và đang sử dụng : 10

1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA): 10

2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA): 11

3 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA): 12

4 So sánh các công nghệ FDMA, TDMA với CDMA ứng dụng trong thông tin di động tế bào: 12

Chương II: kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu I mô tả chung: 16

ii hệ thống điều chế tương tự: 16

III Hệ thống điều chế số: 18

1 Mô tả chung hệ thống điều chế số: 18

1.1 Điều chế BPSK và QPSK: 19

1.2 Điều chế FSK và MSK: 20

2 Thu phân tập: 23

IV Điều khiển lỗi : 24

1 Các chiến lược điều khiển lỗi: 24

2 Các mã hiệu chỉnh lỗi: 24

2.1 Mã khối: 24

2.2 Mã xoắn: 25

Chương III: hệ thống thu phát I hệ thống trạm gốc bsc: 27

1 Chức năng: 27

1.1 Quản lý mạng vô tuyến 27

1.2 Quản lý BTS 27

1.3 Điều khiển cuộc nối trạm di động 27

1.4 Quản lý mạng truyền dẫn .28

2 Cấu trúc BSC 28

2.1 Mô hình hệ thống 28

2.2 Cấu trúc phần cứng 29

3 Các hệ thống con điều khiển của BSC : 30

4 Các hệ thống ứng dụng của BSC: 30

II hệ thống trạm gốc BTS: 30

1 Chức năng: 30

1.1 Các tiềm năng 30

1.2 Mã hoá và ghép kênh 31

1.3 Điều khiển hệ thống con vô tuyến 31

2 Cấu trúc BTS: 31

2.1 Giao tiếp máy thu phát ở xa 32

2.2 Hệ thống con máy thu phát 32

2.3 Bộ đổi nguồn 33

3 Các dặc tính: 34

3.1 Tính tin cậy 34

3.2 Tính bảo dưỡng 34

III Máy di động: 34

1 Cấu hình tham khảo GSM 34

2 Modul nhận dạng thuê bao 35

2.1 Mô tả 33

2.2 SIM card IC 35

3 Các tính năng của máy di động 35

3.1 Các yêu cầu để thực hiện các tính năng MS 36

3.2 Một số các tính năng của thuê bao di động 36

Chương IV: Giới thiệu 2 tổ chức mạng thông tin di động hiện nay ở việt nam I Tổng quan 39

II Mạng vinaphone 39

1 Các số liệu về cấu hình và các dịch vụ hiện tại của mạng VINAPHONE: 39

1.1 Cấu hình: 39

1.2 Các dịch vụ của mạng VINAPONE 39

1.3 Cấu hình và dịch vụ mới trong tương lai: 40

2 Sơ đồ đấu nối của toàn mạng tháng 12 năm 2000: 41

II Mạng mobilephone 43

1 Giới thiệu mạng và cấu hình mạng 43

1.1 Giới thiệu 43

1.2 Cấu hình 43

1.3 Các dịch vụ 43

2 Sơ đồ kết nối mạng MOBIPHONE 44

Lời nói đầu

Hiện nay trong cuộc sống hàng ngày thông tin liên lạc đóng một vai trò rất quan trọng không thể thiếu được, nó quyết định nhiều mặt hoạt động của xã hội, giúp con

người nắm bắt nhanh chóng các giá trị văn hoá, kinh tế, khoa học kỹ thuật rất đa dạng vàphong phú.

Bằng những bước phát triển thần kỳ, các thành tựu công nghệ Điện Tử – Tin Học– Viễn Thông làm thay đổi cuộc sống con người từng giờ từng phút , nó tạo ra một tràolưu "Điện Tử – Tin Học – Viễn Thông " trong mọi lĩnh vực ở những năm cuối của thế kỷ

20, và đầu thế kỷ 21

Lĩnh vực Thông Tin Di Động cũng không nằm ngoài trào lưu đó Cùng với nhiềucông nghệ khác nhau Thông Tin Di Động đang không ngừng phát triển đáp ứng nhu cầuthông tin ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, tạo nhiều thuận lợi trong miềnthời gian cũng như không gian Chắc chắn trong tương lai Thông Tin Di Động sẽ đượchoàn thiện nhiều hơn nữa để thoả mãn nhu cầu thông tin tự nhiên của con người

Trên cơ sở những kiến thức đã tích luỹ được qua 5 năm học tập chuyên ngànhĐiện Tử – Viễn Thông tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và hơn một tháng thực tậptại Đài GSM – Trung tâm Dịch vụ viễn thông KV I, tôi đã hoàn thành bản báo cáo thựctập tốt nghiệp này

Để hoàn thành bản báo cáo này tôi xin chân thành cảm ơn thày giáo TS Nguyễn

Vũ Sơn đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực tập tốt nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình Phó đài MSC1 Phạm Đình Hoàncùng các cán bộ trong công ty trong suốt quá trình thực tập tại đài

CHƯƠNG I :NHữNG KHáI NIệM CHUNG Về THÔNG TIN DI ĐộNG

I.Cấu trúc hệ thống thông tin di động số:

Mô hình hệ thống thông tin di động cellular như sau:

Các ký hiệu:

AUC: Trung tâm nhận thực VLR: Bộ ghi định vị tạm trú

HLR: Bộ ghi định vị tạm trú EIR: Thanh ghi nhận dạng thiết bị

BSC: Đài điều khiển trạm gốc MS: Máy di động

OMC: Trung tâm khai thác và bảo dưỡng ISDN: Mạng số liên kết đa dịchvụ

PSPDN: Mạng chuyển mạch công cộng theo gói OSS: Hệ thống khai thác và hỗ trợPLMN: Mạng di động mặt đất công cộng SS: Hệ thống chuyển mạch

PSTN: Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng

CSPDN: Mạng chuyển mạch số công cộng theo mạch

MSC: Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động (Tổng đài di động)

BSCBTS

MS

Hệ THốNG TRạM GốC truyền dẫn tin tức Kết nối cuộc gọi và truyền dẫn tin tức

Hệ thống Chuyển mạch

BSS sẽ liên lạc với trạm di động trên giao diện vô tuyến số và với trung tâm chuyểnmạchcác dịch vụ di động ( MSC ) qua đường truyền.2Mbps.

3 Bộ chuyển mã - XCDR

Bộ chuyển mã được sử dụng để nén các tín hiệu từ trạm di động sao cho việcphát các tín hiệu lên các giao diện cơ sở có hiệu quả hơn Do vậy bộ chuyển đổi mã cũngđược xem như một bộ phận của BSS , nó thường được định vị để nối đến MSC

BSC quản lý giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa của BTS và

MS Đó là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao BSCđược đặt giữa các BTS và MSC BSC là một tổng đài nhỏ có khả năng tính toán nhấtđịnh Vai trò chủ yếu của BSC là quản lý các kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao Một BSC có thể quản lý hàng chục BTS , tạo thành một trạm gốc Giao diện A được quyđịnh giữa BSC và MSC , sau đó giao diện Abits được quy định giữa BSC với BTS

BTS sẽ đảm bảo việc điều khiển BSS Một thông tin bất kỳ do BTS yêu cầu, chokhai thác sẽ thu qua BSC Cũng như vậy, thông tin bất kỳ được yêu cầu về BTS (ví dụOMC ) sẽ thu được bằng BSC

BSC sẽ kết hợp với một ma trận số được dùng để kết nối các kênh vô tuyến trêngiao diện vô tuyến với các mạch hệ thống trong MSC

Ma trận chuyển mạch BSC cũng cho phép BSC thực hiện các chuyển vùng giữacác kênh vô tuyến trong các BSC riêng rẽ dưới sự điều khiển của BSC mà không dínhdáng đến MSC

1.2 Trạm thu phát gốc ( BTS ).

BTS chứa phần cứng RF tức là các thiết bị thu , phát, anten và khối xử lý tín hiệucho giao diện vô tuyến BTS như là một Moderm vô tuyến phức tạp BTS sẽ cung cấpviệc kết nối giao diện vô tuyến với máy di động , nó cũng có nhiều hạn chế về chức năngđiều khiển , điều này sẽ giảm nhiều lưu lượng cần được truyền giữa BTS và BSC

Mỗi BTS sẽ cung cấp lần lượt từ 1 đến 6 sóng mang RF, và sẽ cung cấp từ 8 đến

48 cuộc gọi đồng thời

BSC, BTS sẽ điều khiển riêng rẽ hoặc cả hai cùng điều khiển một chức năng BSC sẽ quản lý cácchức năng, ngược lại BTS sẽ thực hiện các chức năng hoặcthực hiện các phép đo để giúp BSC

XCDR là bộ chuyển mã toàn tốc, sẽ đảm bảo sự chuyền mã thoại và ghép kênhcon 4:1 Bộ chuyển mã (XCDR) cần phải có để chuyển đổi thông tin (thoại hay số liệu)

ở lối ra MSC (64 Kb/s) thành dạng quy định bởi các đặc tính kỹ thuật SGM (Special

Mobile Group committee) để phát lên giao diện vô tuyến, tức giữa BSS và MS (64 Kb/s

thành 16 Kb/s và ngược lại)

Tín hiệu 64 Kb/s từ các bộ điều chế xung mã (PCM) của MSC, nếu được phát trêngiao diện vô tuyến mà không có sự sửa đổi thì sẽ chiếm nhiều dải tần vô tuyến, điều nàytất nhiên là việc sử dụng phổ vô tuyến có sẵn là không hiệu quả, vì vậy bằng việc xử lýcác mạch 64 Kb/s để giảm băng tần yêu cầu sao cho tổng lượng thông tin yêu cầu để phátthoại đã được số hoá giảm xuống 13 Kb/s

Bộ chuyển mã có thể được đặt ở MSC,BSC hay BTS, nếu nó được đặt tại MSCthì các kênh truyền 13 Kb/s được phát đến BSS bằng cách chèn thêm bit để có tốc độtruyền dữ liệu 16 Kb/s và sau đó sẽ ghép 4 kênh 16 Kb/s thành một kênh 64 Kb/s Do vậymỗi đường truyền PCM 2Mb/s 30 kênh có thể mang 120 kênh thoại GSM quy định, tức

là sẽ tiết kiệm chi phí đối với nhà khao thác hệ thống Bộ chuyển mã thường được định

vị chung với MSC, như vậy nó sẽ giảm số lượng đường truyền 2Mb/s

Như trên đã đề cập, một BSC có thể điều khiển nhiều BTS, số lượng các BTS cựcđại có thể được điều khiển bằng một BSC không quy định trong GSM Các BTS và BSChay có thể cả hai sẽ được đặt trong cùng một cell hpặc được đặt ở các khu vực khác

(remote) Trong thực tế phần lớn là các BTS là được điều khiển từ xa, trong một mạng

thì các BTS nhiều hơn nhiều so với các BSC

Một BTS không cần thông tin trực tiếp với BSC điều khiển nó, nó có thể được kếtnối với BSC thông qua một vòng các BTS Để thiết lập một mạng thì một vòng BTS cóthể giảm số lượng cáp cần thiết như khi một BTS có thể được kết nối với một BTS bêncạnh nó đúng hơn so với tất cả được nối tới một BSC, để tránh trễ truyền dẫn do vòngcác BTS gây ra Vì vậy độ dài của một vòng BTS cần phải giữ đủ ngắn để ngăn ngừa lỗivòng do trễ thoại trở nên quá dài

2 Phân hệ chuyển mạch (SS)

Phân hệ chuyển mạch bao hàm các chức năng chuyển mạch chính của hệ thốngGSM, nó cũng bao gồm các cơ sở dữ liệu cần thiết vê số liệu thuê bao và quản lý diđộng Chức năng chính của nó là quản lý các thông tin giữa mạng GSM và các mạngtruyền thông khác

Các thành phần của phân hệ chuyển mạch như sau :

- Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động(MSC)

- Bộ ghi định vụ thường trú (HLR)

- Bộ ghi định vị tạm trú (VLR)

- Bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR)

- Trung tâm nhận thực thuê bao(AUC)

- Chức năng tương tác mạng(IWF)

- Bộ triệt tiếng vang(EC)

Hệ thống các thanh ghi định vị : thanh ghi định vị thường trú (HLR), thanh ghiđịnh vị tạm trú, thanh ghi định dạng thiét bị (EIR) Các thanh ghi định vị là các điểm xử

lý được định hướng đến cơ sở dữ liệu của các bộ phận quản lý số liệu thuê bao theo bất

cứ địa chỉ nào khi một thuê bao di động đứng yên cũng như khi lưu động trong khắpmạng

Về mặt chức năng, như chức năngtương tác (IWF), triệt vang (EC) có thể xemnhư là các phần của MSC vì các hoạt động của chúng là được liên kết chính xác đếnchuyển mạch cũng như kết nói các cuộc gọi thoại và số liệu đến và đi từ các trạm di động(MS)

Trong thông tin di động MSC dùng để chuyển mạch cuộc gọi, tức là thiết lập cuộcgọi đến MS và đi từ MS, toàn bộ mục đích của nó giống nhưmột tổng đài điện thoại bất

kỳ Tuy nhiên, do cần phải bổ xung thêm nhiều mặt điều khiển, bảo mật phức tạp trong

hệ thống tế bào GSM và độ rộng băng tần cho thuê bao, nên sẽ có nhiều ưu điểm hơn,MSC có khả năng đáp ứng nhiều chức năng bổ xung khác

MSC sẽ thực hiện hàng loạt các nhiệm vụ khác nhau tuỳ thuộc vào vị trí của nótrong hệ thống Khi MSC cung cấp giao diện giữa PSTN và các BSS trong hệ thốngGSM nó sẽ được hiểu như là một MSC cổng ở vị trí này nó sẽ đảm bảo yêu cầu chuyểnmạch cho toàn bộ quá trình thông tin di động từ khi bắt đầu cho đến khi kết thúc

Mỗi MSC sẽ cung cấp dịch vụ đến các máy di động được định vị trong vùng phủsóng địa lý xác định, một hệ thống điển hình gồm có nhiều MSC Một MSC có khả năngđáp ứng vùng đô thị khoảng một triệu dân

MSC thực hiện các chức năng sau:

- Chức năng xử lý cuộc gọi: Bao gồm điều khiển việc thiết lập cuộc gọi thoại/

số liệu, liên kết các BSS, liên kết các MSC, các chuyển vùng, điều khiển việcquản lý di động (tính hợp lệ và vị trí của thuê bao)

- Chức năng hỗ trợ và bảo dưỡng khai thác: Bao gồm việc quản lý cơ sở dữ liệu,định lượng và đo lưu lượng thông tin, giao tiếp người- máy

- Chức năng hoạt động tương tác giữa các mạng: Quản lý giao tiếp giữa hệthống GSM và hệ thống điện thoại công cộng PSTN

- Chức năng Billing: Thu thập số liệu lập hoá đơn cước cuộc gọi

2.2. Bộ ghi định vị thường trú(HLR)

Bộ ghi định vị thường trú liên quan với cơ sở dữ liệu về các thông số của thuêbao Các thông tin này được đưa vào cơ sở dữ liệu do hãng khai thác mạng khi một thuêbao mới được bổ xung vào hệ thống

Bất kể MS hiện ở đâu, HLR đều lưu giữ mọi thông tin thuê bao liên quan đến việccung cấp các dịch vụ viễn thông, kể cả vị trí hiện thời của MS HLR thường là một máytính đứng riêng có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao, nhưng không có khả năngchuyển mạch Một chức năng nữa của HLR là nhận dạng thông tin do AUC cung cấp(sốliệu bảo mật về tính hợp pháp của thuê bao)

Các tham số được lưu giữ trong HLR gồm có:

- Các chỉ số (ID) của thuê bao (IMSI và MSISDN)

- VLR của thuê bao hiện thời (vị trí hiện thời)

- Các dịch vụ bổ sung thuê bao yêu cầu

- Thông tin về dịch vụ bổ sung (ví dụ số máy chuyển tiếp hiện thời)

- Trạng thái thuê bao(đăng ký / xoá đăng ký)

- Khoá nhận thực và các chức năng AUC

- Số lưu động thuê baodi động(MSRN)

Cơ sở dữ liệu của HLR chứa đựng các dữ liệu chính của tất cả các thuê bao ở mộtmạng GSM PLMN

Cơ sở dữ liệu của HLR chứa đựng các dữ liệu chính của tất cả các MSC và cácVLR trong mạng và dù cho mạng có nhiều HLR nhưng chỉ có một cơ sở dữ liệu được ghicho một thuê bao Vì vậy một HLR chỉ xử lý một phần của toàn bộ cơ sở dữ liệu thuêbao

Dữ liệu thuê bao có thể được truy nhập hoặc bằng số IMSI hoặc số MSISDN

Dữ liệu cũng có thể sẽ được truy nhập bởi một MSC hay một VLR trong mộtmạng PLMN khác để cho phép liên kết hệ thống và liên kết vùng lưu động

VLR là một cơ sở dữ liệu được nối với một hay nhiều MSC

VLR sẽ sao chép hầu hết các số liệu được lưu trữ tại HLR Tuy nhiên, đó chỉ là sốliệu tạm thời tồn tại chừng nào mà thuê bao “đang hoạt động” trong vùng phủ riêng củaVLR (số liệu định vị thuê bao MS lưu giữ trong VLR chính xác hơn số liệu tương ứngtrong HLR) Do vậy cơ sở dữ liệu VLR sẽ có một vài số liệu giống hệt như nhiều số liệuchính xác, thích hợp khi các thuê bao tồn tại trong vùng phủ của VLR

VLR sẽ cung cấp cơ sở dữ liệu nội bộ về thuê bao bất cứ nơi nào thuê bao tồn tạithực sự trong một mạng PLMN, điều này có thể có hoặc không có ở hệ thống “gốc” ,chức năng này sẽ loại trừ các nhu cầu về truy cập đến cơ sở dữ liệu HLR “ gốc ” tốnnhiều thờ gian

Các chức năng của VLR thường được liên kết với chức năng của MSC

Các dữ lệu bổ sung được lưu trữ ở VLR như sau:

- Nhận dạng vùng định vị:

Các ô trong mạng di động (PLMN) được tập hợp liền nhau thành các vùng địa lý

và mỗi vùng được ấn định một chỉ số nhận dạng vùng định vị (LAI), một vùng định vịđiển hình có khoảng 30 ô

Mỗi VLR sẽ kiểm soát một loạt các LAI và khi một thuê bao di chuyển từ mộtLAI này đến một LAI khác, thì LAI được cập nhật vào một VLR Cũng như vậy, khi mộtthuê bao di chuyển từ một VLR này đến một VLR khác thì các địa chỉ của VLR sẽ đượccập nhật vào một HLR

- Nhận dạng thuê bao di động tạm thời:

Các VLR sẽ điều khiển việc phân phối các chỉ số nhận dạng thuê bao di động tạm

thời (TMSI) và sẽ thông báo chúng đến HLR.

Các TMSI sẽ được cập nhật thường xuyên, điều này sẽ làm cho việc phát hiệncuộc gọi là rất khó khăn vì vậy, đảm bảo khả năng an ninh rất cao cho thuê bao.TMSI cóthể sẽ được cập nhật ở các trạng thái bất kỳ sau:

 Thiết lập cuộc gọi

 Đang vào một LAI mới

 Đang vào một VLR mới

- Số lưu động của thông tin di động :

Khi một thuê bao muốn hoạt động ngoài vùng thường trú của nó tại một thời điểmnào đó thì VLR cũng sẽ chỉ định một số lưu động cho trạm di động (MSRN), chỉ số nàyđược ấn định từ một danh sách các số thuê bao được lưu giữ tại VLR (MSC) MSRN sau

đó được sử dụng để định tuyến cuộc gọi đến một MSC sẽ điều khiển trạm gốc tại vị tríhiện thời của các trạm di động Cơ sở dữ liệu trong VLR có thể sẽ được truy nhập bằngIMSI,TMSI hay MSRN Một cách điển hình sẽ có một VLR cho mỗi MSC

2.4. Bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR )

ở eir chứa một cơ sở dữ liệu trung tâm để xác nhận tính hợp lệ của chỉ số nhậndạng thiết bị di động quốc tế (IMEI)

Đây là cơ sở dữ liệu liên quan duy nhất đến thiết bị MS và không liên quan đếnthuê bao đang sử dụng MS để phats hay thu các cuộc gọi

Cơ sở dữ liệu của EIR gồm có danh sách các số IMEI (hay các khối IMEI) được

cơ cấu như sau:

- Danh sách Trắng : gồm các số IMEI đã được gán cho các máy di động hợp lệ

- Danh sách Đen : gồm các số IMEI của các máy di động đã được trình báo làmất cắp hoặc các dịch vụ bị từ chối vì một vài lý do nào đó

- Danh sách Xám : gồm các số IMEI của các máy di động có các vấn đề trụctrặc (như lỗi phần mềm ), tuy nhiên chưa đủ ý nghĩa để cho phép dựa vào

Trung tâm nhận thực là một hệ thống xử lý AUC thường được đặt chung vớithanh ghi định vị thường trú (HLR ) bởi vì nó được yêu cầu để truy nhập và cập nhật mộtcách liên tục, liên quan mật thiết đến hồ sơ thuê bao trong hệ thống Trung tâm nhậnthực AUC /HLR có thể được đặt chung với MSC hoặc tại các MSC ở xa Quá trình nhậnthực thường xảy ra ở mỗi thời điểm “khởi đầu”của thuê bao trong hệ thống

Trong quá trình nhận thực, các dữ liệu bảo mật được lưu giữ tại SIM card đượcvận dụng và so sánh với dữ liệu lưu giữ tại cơ sở dữ liệu của HLR Đây là các dữ liệu đãđược nhập vào SIM card và cơ sở dữ liệu của hệ thống (HLR )tại thời điểm phát hànhSIM card

Quá trình nhận thực như sau:

1 Một số ngẫu nhiên được gửi tới máy di động từ trung tâm nhận thực (AUC )

2 Số này được thao tác bằng các thuật toán nhận thực lưu giữ trong SIM card.Khoá nhận thực thuê bao (Ki) được lưu giữ trong SIM cũng được sử dụngtrong việc thao tác

3 Các kết quả thao tác số ngẫu nhiên sẽ được trả lời (SRES) trở lại AUC cùngvới một khoá bảo mật (Kc) đã được lưu giữ tại SIM card Khoá bảo mật đượcdùng để bảo mật dữ liệu khi phát lên lên giao diện vô tuyến, tạo ra nhiều sự antoàn trên giao diện

4 Khi máy di động và AUC cùng thực hiện đồng thời các phép tính giống nhaumột cách chính xác với số ngẫu nhiên và dữ liệu đã được lưu giữ tại HLR

5 AUC sẽ nhận lời đáp (SRES) và so sánh nó với đáp án đúng

6 Nừu các trả lời đưa ra bởi AUC và thuê bao giống nhau thì thuê bao được phép

sử dụng trên mạng

7 Khoá bảo mật được đưa ra bởi AUC, được lưu giữ và gửi đến BTS để chopphép được tiến hành bảo mật

II.Tổng quan về các kỹ thuật đa truy nhập đã và đang sử dụng:

Để làm tăng dung lượng của dải vô tuyến dùng cho hệ thống thông tin tế bào,người ta sử dụng các kỹ thuật ghép kênh Hiện nay có rất nhiều dạng ghép kênh nhưng có

Trong mỗi hệ thống ghép kênh ở trên đều sử dụng thuật ngữ đa truy nhập, tức làcác kênh vô tuyến được nhiều thuê bao dùng chung chứ không phải là mỗi thuê bao đượcgán một tần số riêng

Sau đây sẽ đi chi tiết về ba kỹ thuật ghép kênh

1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA):

Các hệ thống tế bào hiện tại đang sử dụng kỹ thuật ghép kênh FDMA, chia toàn

bộ băng tần được phân phối cho một nhà khai thác mạng tế bào (25 MHz) thành các kênhrời rạc Vì mỗi kênh có dải thông (độ rộng dải) là 30 KHz, cho nên hệ thống có tất cả 832kênh Mỗi cuộc đàm thoại cần sử dụng hai tần số, cho nên mỗi nhà khai thác có 416 cặptần số khả dụng, mỗi cặp có thể gán cho một thuê bao mạng tế bào vào bất kỳ lúc nào.Thoạianalog 30 KHz kênh1

Hình vẽ trên minh hoạ kỹ thuật FDMA, được áp dụng cho hệ thống tế bào analog

ở Hoa Kỳ Mỗi kênh chiếm 30 kHz dải thông và đáp ứng cho một cuộc đàm thoại Tần sốcủa mỗi kênh tuy khác nhau nhưng nhiều máy vô tuyến có thể truy nhập được

2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA):

Với TDMA mỗi kênh vô tuyến được chia thành các khe thời gian Từng cuộc đàmthoại được biến đổi thành tín hiệu số mà sau đó được gán cho một trong những khe thờigian này Số lượng khe trong một kênh có thể thay đổi bởi vì nó là một nhiệm vụ củathiết kế hệ thống Có ít nhất là hai khe thời gian cho một kênh, và thường thì nhiều hơn,điều đó có nghĩa là TDMA có khả năng phục vụ số lượng khách hàng nhiều hơn vài lần

so với kỹ thuật FDMA với cùng một lượng dải thông như vậy

TDMA là một hệ thống phức tạp hơn FDMA, bởi vì tiếng nói phải được số hoáhoặc mã hoá, sau đó được lưu trữ vào một bộ nhớ đệm để gán cho một khe thời giantrống và cuối cùng mới phát đi Do đó việc truyền dẫn tín hiệu là không liên tục và tốc độtruyền dẫn phải lớn hơn vài lần tốc độ mã hoá Ngoài ra, do có nhiều thông tin hơn chứatrong cùng một dải thông nên thết bị TDMA phải được sử dụng kỹ thuật phức tạp hơn đểcân bằng tín hiệu thu nhằm duy trì chất lượng tín hiệu

Hình vẽ dưới đây minh hoạ kỹ thuật TDMA, các kênh analog 30 kHz dùng chomạng tế bào hỗ trợ được ba kênh digital Các đường truyền âm thanh analog của mỗicuộc đàm thoại đi qua bộ biến đổi A/D và sau đó chiếm một khe thời gian trong kênhanalog 30 kHz

Bộ biến đổi A/D

Bộ biến đổi A/D

Bộ biến đổi A/D

Bộ biến đổi A/D

Bộ biến đổi A/D

Bộ biến đổi A/D

30 kHz kênh 1

30 kHz kênh 832

.

3. Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA):

Trong kỹ thuật CDMA, tín hiệu mang tin ( ví dụ như tiếng nói) được biến đổithành tín hiệu digital, sau đó được trọn với một mã giống như mã ngẫu nhiên Tín hiệutổng cộng, tức tiếng nói cộng với mã giả ngẫu nhiên, khi đó được phát trong một dải tầnrộng nhờ một kỹ thuật gọi là trải phổ

Không giống FDMA hay TDMA, truyền dẫn trải phổ mà CDMA sử dụng đòi hỏicác kênh có giải thông tương đối rộng (thường là 1,25 MHz) Tuy nhiên theo tính toán lýthuyết thì CDMA có thể chứa được số thuê bao gấp 20 lần mà FDMA có thể có trongmột dải thông tổng cộng như nhau

Hình vẽ trên minh hoạ kỹ thuật CDMA Dải thông tăng từ 30 kHz lên 1,25 MHz,nhưng trong dải thông này bây giờ còn xấp xỉ 20 cuộc đàm thoại Mỗi đường thoạianalog trước hết được biến đổi thành digital nhờ bộ biến đổi A/D đúng như với TDMA.Tuy nhiên sau đó thêm một bước nữa là chèn một mã đặc biệt qua một bộ tạo mã Sau đótín hiệu được phát đi, trải rộng thêm 1,25 MHz dải thông chứ không chiếm một khe thờigian riêng trong dải này

4 So sánh các công nghệ FDMA, TDMA với CDMA ứng dụng trong thông tin di động tế bào:

Trong FDMA mỗi một khe tần số được dành riêng cho một người sử dụng vàngười này sẽ dùng khe tần số này suốt quá trình cuộc gọi Trong sơ đồ TDMA mỗingười dùng được cấp cho một khe thời gian trong quá trình gọi Số lượng người dùngđược quyết định bởi số lượng các khe thời gian hay tần số khác nhau có sẵn Trong sơ đồCDMA tất cả các người dùng phát đồng thời và trên một tần số Tín hiệu được phát đichiếm toàn bộ dải thông của hệ thống và các dãy mã được sử dụng để phân biệt người sửdụng này với người sử dụng kia

CDMA hơn hẳn so với các kỹ thuật đa truy nhập khác Nó có thể tính đượcphương sai trong hàm truyền của kênh gây ra bởi bộ chọn lọc tần số Các máy thu

Bộ biến đổi A/D Tạomã

Bộ biến đổi A/D

Tạo mã

(1)

(20)

Bộ biến đổi A/D Tạomã

Bộ biến đổi A/D

Tạo mã

(1)

(20)

1,25 MHzkênh 1

1,25 MHzkênh 20

CDMA được thiết kế để tận dụng ưu điểm từ đặc tính nhiều đường liên quan đến fadingchọn lọc tần số và để làm giảm tối thiểu ảnh hưởng của chúng đến dung lượng của hệthống.

Ưu điểm chủ yếu về dung lượng của CDMA có được trong môi trường vô tuyến

đa tế bào Trong thông tin di động trước đây một trạm gốc công suất lớn được sử dụng đểphủ sóng một vùng rộng lớn Hệ thống này bị hạn chế khắt khe về mặt băng tần và khôngthể đáp ứng các dịch vụ di động Trong hệ thống điện thoại di động tế bào, máy phát củatrạm gốc đơn lẻ được thay thế bởi rất nhiều các trạm gốc có công suất nhỏ, mỗi máy phátphủ sóng cho một vùng có dạng tổ ong, gọi là một tế bào Trong các hệ thống FDMA hayTDMA mỗi tế bào được chia cho một phần tử của dãy tần số có sẵn Dãy tần được dùngtrong một tế bào có thể được sử dụng lại trong tế bào khác cách đó đủ xa sao cho tín hiệutrong hai tế bào này không gây nhiễu đến nhau Số L té bào sử dụng hết toàn bộ phổ tần

có sẵn được gọi là cluster (cụm) Các cluster được bố trí như hình vẽ

Hình vẽ: Cấu trúc cơ bản của hệ thống tế bào

Trong hệ thống FM/FDMA hay TDMA/FDMA số lượng các kênh trong một tếbào tỷ lệ nghịch với hệ số tái sử dụng tần số L, liên quan đến số lượng các kênh trên dãytần xác định, vì mỗi tế bào trong một cluster chỉ được dành cho 1/L phần phổ tần sẵn cótrong băng tần Trong hình vẽ L=7

G

B C

D F

A

E

G

B C

D F

A

E G

B C

D F

A

E

G

B C

D F

A

E G

B C

D F

A

E

Trong khi đó, CDMA có thể tái sử dụng toàn bộ băng tần với tất cả các tế bào Hệ

số tí sử dụng trong hệ thống tế bào CDMA do đó bằng 1 Điều này khiến cho dung lượngcủa hệ thống được cải thiện Để ý rằng dung lượng được xác định như là một số lượngtối đa những người sử dụng tích cực trong tất cả các tế bào chứ không phải là chỉ sốlượng của những người dùng trong dãy tần hay trong một tế bào đơn vị Việc cải thiện vềmặt dung lượng tổng thể như định nghĩa của hệ thống CDMA so với hệ thống TDMAhay FDMA theo yêu cầu từ 4 đến 6 và so với hệ thống FM/FDMA là hệ số khoảng 20

Những tín hiệu cơ bản của người sử dụng khác đồng thời trên cùng băng tần sẽgây ra nhiễu đồng kênh Nhiễu đồng kênh là một tham số giới hạn của hệ thống vô tuyến

di động Phương pháp tái sử dụng tần sổ trong TDMA/FDMA và FM/FDMA gây ranhiễu đồng kênh vì có cùng một dải tần được sử dụng lại ở một tế bào khác Việc sửdụng các cluster 7 tế bào trong nhiều hệ thống vô tuyến di động là không đủ để tránh hiệntượng nhiễu đồng kênh Có thể tăng L lớn hơn 7 để giảm nhiễu đồng kênh nhưng sẽ làmgiảm số lượng các kênh trong một tế bào, do vậy sẽ làm giảm dung lượng của hệ thống.Tương tự nếu giữ nguyên hệ số tái sử dụng là 7 và chia tế bào thành những vùng nhỏhơn Mỗi tế bào được chia thành ba hoặc sáu vùng nhỏ sẽ sử dụng ba hoặc sáu anten địnhhướng tương ứng tại trạm gốc phục vụ cho cả thu lẫn phát Mỗi vùng nhỏ này sử dụngmột dải tần riêng, khác với dải tần của các vùng kia Thí dụ, nếu một tế bào được chiathành ba vùng nhỏ thì nhiễu thu được trên anten định hướng chỉ sấp xỉ một phần ba củanhiễu thu được trên anten vô hướng đặt tại trạm gốc Sử dụng tế bào chia nhỏ thành bavùng thì số lượng người dùng trong một tế bào có thể tăng thêm gấp ba lần trong cùngmột cluster

Một vấn đề quan trọng khác trong việc tăng dung lượng của hệ thống là tính tíchcực của thoại Trong một cuộc thoại giữa hai người, mỗi người chỉ nói khoảng 35% đến40% thời gian và nghe hết thời gian còn lại Trong hệ thống CDMA tất cả nhẽng người

sử dụng cùng chia sẻ một kênh vô tuyến Khi những người sử dụng trên kênh đang liênlạc không nói thì những người sử dụng đang đàm thoại khác sẽ chỉ chịu ảnh hưởng rấtnhỏ của nhiễu Do vậy việc giám sát tính tích cực của tiến nói làm giảm nhiễu đa truynhập đến 65% Điều này dẫn đến việc tăng dung lượng của hệ thống lên hệ số 2,5

Trong đa truy nhập FDMA hoặc TDMA việc người sử dụng được phân chia tần

số hoặc thời gian trong thời gian diễn ra cuộc gọi và hệ thống cấp lại hai tài nguyên nàycho hai người khác trong khoảng thời gian rất ngắn khi kênh ấn định yên lặng là khôngthực tế vì điều này yêu cầu phải chuyển mạch rất nhanh giữa những người sử dụng khácnhau Trong FDMA và TDMA việc tổ chức tần số là yêu cầu khó khăn vì nó kiểm soátnhiễu đồng kênh Trong hệ thống CDMA chỉ có một kênh chung nên không cần thựchiện tổ chức tần số

Trong FDMA và TDMA, khi máy di động ra khỏi vùng phủ sóng của tế bào trongquá trình đàm thoại thì tín hiệu thu được sẽ bị yếu đi và trạm gốc sẽ yêu cầu chuyển giao(handover) Hệ thống sẽ chuyển mạch sang một kênh mới khi cuộc gọi tiếp tục TrongCDMA các tế bào khác nhau, khác nhau ở chỗ sử dụng các dãy mã khác nhau nhưnggiống nhau là đều sử dụng cùng phổ tần Do đó không cần phải thực hiện handover từ tần

số này qua tần số khác Chuyển giao như vậy được gọi là chuyển giao mềm (softhandover)

Trong hệ thống CDMA không có một giới hạn rõ ràng về số lượng người dùngnhư trong FDMA và TDMA Tuy vậy chất lượng hoạt động của hệ thống đối với tất cảnhững người sử dụng giảm ít nhiều khi số lượng người sử dụng cùng liên lạc tăng lên.Khi số người sử dụng tăng lên đến mức độ nào đó thì sẽ khiến cho nhiễu có thể làm chotiếng nói trở nên khó hiểu và gây mất ổn định hệ thống Tuy nhiên trong CDMA ta quantâm đến điều kiện “phong toả mềm”, có thể giải toả được trái với điều kiện “phong toảcứng” như trong TDMA và FDMA khi mà tất cả các kênh đều bị chiếm.

Hệ thống CDMA cũng có một vài nhược điểm Hai nhược điểm nổi bật là: hiệu

ứng tự nhiễu và hiệu ứng xa gần Hiệu ứng tự nhiễu do các dãy mã không trực giao gây

ra Trong hệ thống vô tuyến di động các máy di động truyền tin độc lập với nhau, tín hiệucủa chúng không đến trạm gốc một cách cùng lúc Do trễ thời gian của chúng là phân bốngẫu nhiên nên sự tương quan chéo giữa các tín hiệu thu được từ những người sử dụng làkhác không Để nhận được nhiễu có mức thấp tất cả tín hiệu phải có tương quan chéonhỏ và mọi trễ thời gian tương đối Tương quan chéo giữa các ký tự có được bằng việcthiết kế một tập các dãy trực giao Tuy nhiên không có một tập dãy mã nào được biết làhoàn toàn trực giao khi được dùng trong hệ thống không đồng bộ Các thành phần khôngtrực giao của tín hiệu của những người sử dụng khác sẽ xuất hiện như là nhiễu trong tínhiệu điều chế mong muốn Nếu sử dụng máy thu có bộ lọc thích ứng trong hệ thống nhưvậy thì số lượng của người sử dụng bị hạn chế bởi nhiễu gây ra bởi những người sử dụngkhác Điều này khác với trong các hệ thống TDMA và FDMA, trong các hệ thống nàytính chất trực giao của tín hiệu thu được bị duy trì bằng việc chọn lọc và đồng bộ chínhxác

Hạn chế chính của CDMA là hiệu ứng xa gần Hiện tượng này xuất hiện khi mộttín hiệu yếu từ một máy di động ở xa thu được tại trạm gốc bị chèn ép bởi tín hiệu mạnh

từ nguồn nhiễu đó Tín hiệu nhiễu với công suất lớn hơn n lần công suất tín hiệu mongmuốn sẽ tác dụng gần như là n tín hiệu nhiễu có công suất bằng công suất của tín hiệu

Để khắc phục hiệu ứng xa gần trong hầu hết các ứng dụng CDMA người ta sử dụng các

sơ đồ điều khiển công suất Trong hệ thống tế bào điều khiển công suất được thực hiệnbởi các trạm gốc, các trạm này định kỳ ra lệnh các máy di động điều chỉnh công suất máyphát sao cho tất cả các tín hiệu thu được tại trạm gốc với mức công suất là như nhau

Chương II: kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu

để truyền dẫn tín hiệu thoại

ii hệ thống điều chế tương tự:

Hệ thống FM (điều tần) thay đổi tần số của sóng mang theo sự thay đổi điện ápvào của tín hiệu

Nguyên lý FM có thể được mô tả theo toán học bằng phương trình:

ở hệ thống FM, thành phần tần số (phổ) lớn hơn trong hệ thống AM Nên cần có

độ rộng băng tần lớn hơn Ta so sánh phổ của FM và AMbằng hình vẽ trang sau

Độ rộng băng thực tế (B) cho FM có thể được cho bằng phương trình sau:

( f f m)

B =2 ∆ +

ở đây: ∆f : Độ lệch tần số đỉnh.

ππ

f =ω /2π ω =maxω

Hình vẽ: Phổ điều chế

III Hệ thống điều chế số:

Khái niệm tổ ong cho phép tái sử dụng đồng kênh mật độ cao thuộc một vùng địa

dư cho hệ thống thông tin di động và cho phép sử dụng hiệu quả phổ tần Vì thế, cấu hìnhmạng tổ ong được chọn cho nhiều dự án hệ thống vô tuyến di động tiên tiến Công nghệ

số hỗ trợ đắc lực cho việc đạt được không chỉ truyền dẫn số liệu tốc độ cao, mà còn điềukhiển hệ thống cấp bậc cao và độ linh hoạt cao

Sự khác biệt điển hình nhất giữa hệ thống tương tự và hệ thống số là phương phápthâm nhập vô tuyến và truyền dẫn thoại Trong hệ thống số, tín hiệu thoại được biến đổithành tín hiệu số Trong các mạng điện thoại chuyển mạch số công cộng, tín hiệu thoạiđược biến đổi thành tín hiệu điều xung mã (PCM) 64 kb/s Truyền dẫn tín hiệu thoại64kb/s – PCM yêu cầu độ rộng băng lớn hơn nhiều so với truyền dẫn tương tự, kết quả làhiệu quả sử dụngtần số kém hơn Để giải quyết vấn đề này, có nhiều cố gắng nhằm giảmtốc độ bit xuống thấp hơn Mới đây, kỹ thuật mã hoá tín hiệu thoại với tốc độ thoại bitvào khoảng 10 kb/s đã được thực hiện trong khi vẫn đảm bảo tiếng thoại vẫn chấp nhậnđược Bằng việc sử dụng phương pháp điều chế hiệu suất độ rộng băng như QPSK,truyền dẫn tín hiệu thoại dạng số có thể đạt được hiệu suất tần số cao hơn hệ thống tương

tự, khi sử dụng phương pháp mã hoá tiếng tốc độ bit thấp

Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) được sử dụng nhiềuhơn là phương pháp FDMA cho hệ thống tổ ong số, ưu điểm không chỉ có nhiều người

sử dụng, có thể dùng chung một cặp thu phát vô tuyến Cấu trúc TDMA còn mang laịnhiều ưu điểm khác Chẳng hạn các đầu cuối di động có thể giám sát cường độ tín hiệuthu được từ các trạm gốc của các ô lân cận baừng cách sử dụng cụm TDMA của chúngtrong quá trình thu phát Sử đụng thông tin như vậy các đầu cuối di động có thể xác địnhđược vị trí của chúng và thời điểm chuyển giao Điều này cải thiện đáng kể hiệu quả và

độ tin cậy điều khiển kên vô tuyến

Từ khi thông tin phi thoại hoặc số liệu ở dạng tín hiệu số, các hệ thống tổ ong sốphù hợp hơn trong việc cung cấp các dịch vụ phi thoại so với hệ thống tương tự cả vềchất lượng cũng như tốc độ truyền dẫn Vấn đề thu nhỏ kích thước của đầu cuối di động

và máy xách tay, hệ thống số có thể đòi hỏi thêm các thành phần như là các mạch mã hoá

và giải mã tín hiệu thoại Tuy nhiên các mạch số đó phù hợp khi tích hợp so với các mạchtương tự Vì lý do này, hy vọng rằng các máy vô tuyến nhỏ, nhẹ và kinh tế hơn sẽ xuấthiện trong tương laicùng tiến bộ trong công nghệ vi mạch yích hợp cỡ lớn

1. Mô tả chung hệ thống điều chế số:

Sóng vô tuyến có thể được biểu diễn như sau:

X(t) = A cos(ω.t+ f )

Trong đó, Alà biên độ sóng vô tuyến, ω là tần số sóng mang và f là pha của sóng

Có thể phân loại hệ thống điều chế số theo các phần tử được sử dụng để truyền số liệu như:

A -> ASK

ω -> FSK

f -> PSKChúng ta sẽ xem xét kỹ hơn về hệ thống thực tế trong các phần sau

1.1 Điều chế BPSK và QPSK:

BPSK và QPSK là điều chế mà trong đố thông tin được đưa vào theo hai pha vàbốn pha của sóng mang tương ứng Trong hệ thống BPSK, các pha sóng đều được thiếtlập là 0 và π so với sóng mang không điều chế Đây là điều chế pha nhị phâncho phép

chuyển một bit thông tin thành một pha Trong hệ thống QPSK, các pha sóng điều chếđược thiết lập là 0, π/4 và 3π/4, nó cho phép chuyển hai bit thông tin thành một pha.

Hình vẽ sau cho thấy sự chuyển pha đối với BPSK và QPSK

Hình vẽ: Biểu đồ véc tơ QPSK

Cho các biểu thức sau:

)sin(

)()cos(

)()cos(

)()

(t A q t nt a t I t t Q t t

n

c n

Hình vẽ: Các đặc tính phổ và pha QPSK

FSK biến đổi thông tin thành các phần tử tần số trong một tín hiệu vô tuyến

Bộ điều chế FSK có 2 kiểu sau:

- Kiểu chuyển mạch bộ giao động

- Kiểu điều khiển điện áp

(a) Kiểu chuyển mạch bộ giao động

~

~

~

.

(b) Kiểu điều khiển gằng điện áp

Hình vẽ: Cấu tạo một bộ điều khiển

Tín hiệu thu được lựa chọn bằng hai bộ lọc băng thông đồng bộ theo tần số điềuchế, và các đầu ra tuân theo luật bình phương hoặc được tách đồng bộ Sau đó giá trị củahai tín hiệu ra được so sánh để được tín hiệu giải điều chế Cấu tạo một mạch điềuchế/giải điều chế FSK thông thường ít phức tạp hơn mạch đối với PSK, và biên độ khôngđổi Vì thế có thể sử dụng một bộ khuyếch đại bão hoà để đảm bảo hiệu suất hệ thốngtruyền dẫn lớn hơn

đối nhau ) khi lượng thay đổi pha (hệ số điều chế) trên một mã bằng số nguyên lần 0,5.Đặc biệt là CPFSK có hệ số điều chế 0,5 được gọi là khoá dịch tần cực tiểu (MSK).

Từ hình vẽ tín hiệu MSK và hình vẽ cho thấy sự thay đổi pha của nó (trang sau).Các đặc tính tỷ số lỗi mã của MSK giống hệt các đặc tính của QPSK (4PSK) và có thểthực hiện tách sóng đồng bộ trực giao giống như đối với QPSK, nhưng MSK sử dụngđiều tần

[ ( )]

cos)

2)(

ak = 1:logic 0 ; ak = -1:logic 1

)sin(

)()cos(

)()(sin)sin(

)(cos)cos(

F0F0