LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GSM

THÔNG TIN DI ĐỘNG CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GSM

I LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM:

Điện thoại di động ra đời từ những năm 1920, khi đó điện thoại di động được sử dụng như là các phương tiện thông tin giữa các đơn vị cảnh sát ở Mỹ Dịch vụ điện thoại di động mải đến đầu năm 1960 ở các dạng sử dụng được và khi đó nó chỉ là các sữa đổi thích ứng của các hệ thống điều vận Cuối những năm 1980 người ta nhận thấy rằng các hệ thống tổ ông tương tự không thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng vào thế kỷ sau nếu như không loại bỏ được các hạn chế cố hữu của hệ thống này: (1) phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng thấp; (2) tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trường fadinh đa tia; (3) không đáp ứng được các dịch vụ mớihấp dẫn đối với khách hàng; (4) không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết

bị di động và cơ sở hạ tầng; (5) không đảm bảo tính bảo mật của các cuộc gọi; (6) không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, làm cho thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở nước khác

Giải pháp duy nhất để loại bỏ những hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với các kỹ thuật đa truy nhập mới

Hệ thống thông tin di động sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở Châu Aâu vả có trên gọi là GSM Ban đầu hệ thống này được gọi là “ nhóm đặc trách di động” (Group Special Mobile) theo tên gọi của một nhóm được CEPT( Conference Of European Postal And

Telecommunications Administrations – Hội nghị các cơ quan quản lý viễn thông vàbưu chính Châu Aâu) cử ra để nghiên cứu tiêu chuẩn Sau đó để tiện cho việc thương mại hóa GSM được gọi là “ hệ thống thông tin di động toàn cầu” (GSM: Global System for Mobile Communications)

GSM được phát triển từ năm 1982 khi các nước Bắc Aâu gởi đề nghị đến CEPT để quy định một dịch vụ viễn thông chung châu Âu ở băng tần 900MHz Năm 1985 hệ thống số được quyết định sử dụng và tháng 5 năm 1986 giải pháp TDMA băng hẹp được chọn lựa

Ở Việt Nam hệ thống thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm 1993, hiện nay đang được công ty VNPT (VMS, GPC), VIETTEL, SPT, EVN khai thác rất hiệu quả

II MẠNG GSM:

Cấu trúc một mạng tế bào đơn giản gồm có:

1.Trạm di động MS: Mobile Station

Là một thiết bị độc lập, làm nhiệm vụ kết nối với các thiết bị bên ngoài như máy tính, Fax MS bao gồm thiết bị di động ME (Mobile Equipment) và Module nhận dạng thuê bao SIM ( Subcriber Identity Module)

2.Phân hệ trạm gốc BSS: Base Station Subsystem

BSS nối với MS thông qua giao diện vô tuyến và cũng nối đến NSS BSS bao gồm tổng đài thu phát trạm gốc BTS (Base Transceiver Station) và bộ điều khiển trạm gốc BSC (Base Station Controller) Một BSC điều khiển nhiều BTS Một bộ phận TRAU (Transcoder/Rate Adaption Unit) thực hiện mã hoá và giải mã đồng thời điều chỉnh tốc độ cho việc truyền số liệu

VOICE CIRCUITS

MOBILE TELEPHONE SWITING OFFICE DEDICATED VOICE GRADE CIRCUITS

SWICHES AND PROCESSOR

CELL SITE

DA LINK

CELL #1 CELL #2 MOBILE UNIT

Hệ thống GSM sử dụng mô hình OSI (Open System Interconnection) Có 3 giao diện phổ biến trong mô hình OSI: giao diện vô tuyến giữa MS và BTS, giao diện A giữa MSC và BSC và giao diện A-bis giữa BTS và BSC.

Hình 1.3 – BSS = BTS + BSC và các giao diện

3 Phân hệ chuyển mạch NSS: Network and Switching Subsystem

NSS trong GSM là một mạng thông minh NSS quản lý giao diện giữa người sử dụng mạng GSM với người sử dụng mạng viễn thông khác, nó bao gồm:

• Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC (Mobile Service Switching Centre): Có nhiệm vụ thiết lập cuộc gọi đến và từ thuê bao di động Một MSC điều khiển nhiều BSC

• Chức năng tương tác mạng IWF (InterWorking Function): là cổng giao tiếp giữa người dùng mạng GSM với các mạng ngoài

• Thanh ghi định vị thường trú HLR (Home Location Register): chứa tất cả các thông tin về thuê bao, và các thông tin liên quan đến vị trí hiện hành của thuê bao,

MSC

BSCB

T S

B S

B S

GIAO DIỆN ABIS

GIAO DIỆN A

GIAO DIỆN VÔ TUYẾN

BSS MS

MSC

nhưng không chính xác HLR có trung tâm nhận thực AUC (Authentication Centre) và thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR (Equipment Identity Register)

• Thanh ghi định vị tạm trú VLR (Visitor Location Register): Nối đến một hoặc nhiều MSC, lưu trữ các thông tin hiện hành để cập nhật cho MSC, như vị trí thuê bao hiện hành (chính xác hơn trong HLR)

• MSC cổng (GMSC): để thiết lập cuộc gọi, cuộc gọi được định tuyến đến GMSC, GMSC sẽ tìm đúng số thuê bao HLR chứa số thuê bao được gọi GMSC có giao tiếp với mạng ngoài

Ngoài ra trong mạng GSM còn có phân hệ vận hành OSS (Operation SubSystem) Có 3 vùng trong OSS :

(1) Chức năng vận hành mạng và duy trì,(2) Quản lý thuê bao, bao gồm cả việc lập phiếu và tính cước,(3) Quản lý thiết bị vô tuyến

Hình 1.4 – Tổ chức của OSS

III MÔ HÌNH LỚP CỦA GSM:

Hệ thống GSM sử dụng mô hình OSI (Open System Interconnection) bao gồm 5 lớp: Truyền dẫn TX (Transmission), Quản lý tài nguyên vô tuyến RR (Radio Resource management), Quản lý di động MM (Mobility Management), Quản lý giao tiếp CM (Communication Management), Vận hành, bảo dưỡng và duy trì OAM (Operation,Administration and Maintenance)

Lớp TX thiết lập một kết nối giữa MS và BTS

Lớp RR bao gồm các giao thức quản lý giao tiếp qua giao diện vô tuyến và cung cấp một đường truyền ổn định giữa MS và BSC

Lớp MM quản lý dữ liệu thuê bao và các hoạt động xác thực

Lớp CM có các chức năng sau :

(1) Thiết lập duy trì và giải phóng cuộc gọi

(2) Quản lý các dịch vụ bổ sung Cho phép người dùng có một số điều khiển cuộc gọi của họ trong mạng

Subscription management and charging

Network operation and maintenance

NSS

NSS

Mobile equipment management

MESIM MS

(3) Dịch vụ bản tin ngắn SMS (Short Message Service) Liên quan đến các dịch vụ bản tin ngắn điểm tới điểm Một trung tâm dịch vụ bản tin ngắn có thể kết nối nhiều mạng GSM.

Hình 1.5 – Mô hình lớp của GSM

IV TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN:

1.Truyền dẫn tín hiệu thoại:

Một tín hiệu thoại tương tự 4-KHz được chuyển đổi sang tín hiệu số 64kbps, sau đó nó được giảm xuống còn 13kbps trước khi điều chế Ở đây dùng tốc độ 13kbps thay cho 64kbps để phù hợp với kênh băng hẹp 13kbps Mã hoá tiếng nói thường dùng hai cách sau:

♦ Kích thích xung đều RPF (Regular Pulse Excitation): phát xung nhiễu để mô phỏng cho tiếng nói

♦ Mã hóa dự đoán tuyến tính LPC (Linear Prediction Coding): Phát dạng sóng tiếng nói bằng cách dùng bộ lọc với hệ số nhân là 8 được phát với một khung tiếng nói 20ms, dùng 260 bit để biểu diễn một khung 20ms Có hai cách truyền dẫn tín hệu thoại trong GSM, đó là liên tục và không liên tục

OAM

CM MM RR Transmission

User Operator

Chế độ không trong suốt vận hành theo cơ chế tự truyền lại ARQ (Automatic Repeat Request) Dữ liệu được truyền lại khi nó không được xác nhận ở đầu cuối Với chế độ không trong suốt tốc độ truyền là 12kbps cho kênh toàn tốc và 6kbps cho kênh bán tốc, lỗi truyền dẫn giảm, tuy nhiên do sử dụng cơ chế truyền lại nên hiệu suất sử dụng đường truyền không cao.

1.Cấu trúc kênh:

Dịch vụ cho phép người dùng có bốn chế độ truyền dẫn vô tuyến, ba cho truyền dữ liệu và một cho thoại Chế độ truyền dẫn vô tuyến dùng kênh vật lý

2 Kênh vật lý:

Có ba loại kênh vật lý, cũng được gọi là kênh lưu lượng :

♦ TCH/F (Full rate ): kênh toàn tốc Truyền dẫn tín hiệu thoại ở tốc độ 13kbps hoặc ba tốc độ dữ liệu 12, 6 và 3.6kbps

♦ TCH/H( Half rate): kênh bán tốc Truyền dẫn mã tín hiệu thoại ở tốc độ 7kbps hoặc hai tốc độ dữ liệu là 6 và 3.6kbps

♦ TCH/8 (One-eight rate): kênh tốc độ 1/8 Dùng cho kênh báo hiệu, kênh chung và kênh dữ liệu tốc độ thấp

Kênh vật lý đươcï tổ chức theo quan điểm truyền dẫn Đối với TDMA GSM, kênh vật lý là một khe thời gian ở một sóng mang vô tuyến được chỉ định:

Dãi tần số: 890 – 915MHz cho đường lên (từ MS đến BTS)

935 – 960MHz cho đường xuống (từ BTS đến MS)

Dãi thông tần của kênh vật lý là 200KHz Dãi tần bảo vệ ở biên rộng 20KHz GSM 900 có 124 dãi thông tần bắt đầu từ tần số 890.2MHz Mỗi dãi thông tần kênh là một TDMA có 8 khe thời gian Mỗi khe kéo dài 577µs, mỗi khung là 4.62ms Khung đường lên trễ ba khe so với khung đường xuống Nhờ vậy mà MS có thể sử dụng một khe thời gian có cùng thứ tự ở đường lên hoặc đường xuống để truyền tín hiệu song công

3.Kênh logic:

a Kênh chung đường xuống:

• Kênh hiệu chỉnh tần số FCCH (Frequency Correction Channel): lặp lại mỗi 51x8 chu kỳ cụm, dùng để nhận dạng tần số hiệu chỉnh

• Kênh đồng bộ SCH (Synchronization Channel): mang thông tin đồng bộ khung cho MS và nhận dạng BTS

• Kênh điều khiển quảng bá BCCH ( Broadcast Control Channel): được phát quảng bá một cách đều đặn trong mỗi cell và được thu bởi các MS ở trạng thái nghĩ

• Kênh cho phép tìm gọi và truy cập PAGCH (Paging and Access Grant Channel): dùng để thu cuộc gọi đến tại MS

• Kênh quảng bá cuộc gọi CBCH (Call Broadcast Channel): Mỗi cell phát quảng bá một bảng tin ngắn, lặp lại mỗi 2s, từ mạng đến MS ở trạng thái nghĩ

MS tìm cụm FCCH, sau đó tìm một cụm SCH trên cùng một tần số để đạt được sự đồng bộ Tiếp theo, MS thu BCCH trên nhiều khe thời gian và chọn một cell riêng ở trạng thái nghĩ.

b Kênh chung đường lên:

Kênh chung đường lên duy nhất là kênh truy cập ngẫu nhiên RACH ( Random Access Channel) RACH cho phép MS chọn để truy xuất cuộc gọi Có hai tốc độ RACH/F (với toàn tốc), và RACH/H (với bán tốc )

c.Kênh báo hiệu:

Tất cả các kênh báo hiệu là một trong những kênh vật lý, và tên của kênh được dựa trên chức năng logic của nó

• Kênh điều khiển kết nối chậm SACCH (Slow Associated Control Channel): là một TCH tốc độ thấp dùng cho báo hiệu hỗ trợ và các thủ tục không khẩn cấp mà chính là chuyển giao cuộc gọi giữa các cell Nó dùng với tốc độ 1/8

Channel): Dùng cho việc thiết lập cell, nhận thực thuê bao và yêu cầu chuyển giao cuộc gọi giữa các cell

Channel): Hoạt động với tốc độ thấp, dùng kênh TCH/8 Phục vụ cho việc cập nhật và quá trình thiết lập cuộc gọi khi một TCH được chỉ định

Khe vô tuyến được phân phối đến người sử dụng chi khi cuộc gọi đã được thiết lập xong Có hai chế độ là dành riêng và rỗi Việc hoạt động ở chế độ nào là phụ thuộc vào đường lên hay đường xuống Trong thuật ngữ GSM, đường xuống là tín hiệu phát ra từ trạm gốc đến MS và ngược lại cho tín hiệu đường lên

• Kênh thoại/ dữ liệu: mỗi khe thời gian của kênh thoại chứa 260 bits cho mỗi khối Toàn bộ khối có 316 bits Mỗi khe thời gian kênh dữ liệu chứa 120 hoặc

240 bits cho mỗi khối

• Chế độ kênh: bởi vì sự quí giá của phổ tần số, nên không có một người dùng nào được cấp một kênh dành riêng

• Chế độ dành riêng: dùng TCH trong suốt cuộc gọi được thiết lập và dùng SACCH để cập nhật vị trí ở chế độ dành riêng TCH và SACCH là các kênh dành riêng cho cả đường lên và đường xuống

• Chế độ nghĩ: trong lúc không có cuộc gọi, thì năm kênh đường xuống ở trạng thái rỗi: FCCH, SCH, BCCH được phát quảng bá một cách đều đặn; PAGCH và CBCH gởi một bản tin mỗi 2s Trong suốt chế độ nghĩ, MS lắng nghe ở các kênh đường xuống, và dùng SDCCH để ghi nhận một sự liên kết vị trí với một trạm gốc tương ứng trong mạng

GSM là sự kết hợp của FDMA và TDMA Tổng số kênh trong FDMA là 124, và mỗi kênh rộng 200KHz Ở đường lên sử dụng khoảng tần số 935 – 960MHz và đường xuống sử dụng khoảng tần số 890 – 915MHz TDMA dùng mỗi kênh là 200KHz, một khung có tám khe thời gian, một khung kéo dài trong 4.615ms

1.Phương pháp FDMA.

FDMA là gán các kênh đến từng người riêng rẽ Các kênh này được gán dựa trên các yêu cầu mà người sử dụng cần

Trong suốt thời gian cuộc gọi tiến hành, không có một user nào dùng chung băng tần số đó FDMA có những đặc điểm sau:

• Kênh FDMA chỉ phục vụ duy nhất một thuê bao tại một thời điểm

• Nếu một kênh FDMA không được dùng, thì nó ở trạng thái nghĩ và không được dùng bởi các user khác để tăng khả năng của hệ thống

• Sau khi đã gán một kênh thoại, trạm gốc và MS thu và phát một cách liên tục và đồng thời

Hình 1.6 – Cách gán băng tần số của FDMA

• Băng thông của kênh FDMA là tương đối nhỏ (khoảng 30KHz) khi mỗi kênh phục vụ duy nhất một sóng mang FDMA thường được áp dụng cho hệ thống băng hẹp

• Thời gian của kí hiệu là lớn so với thời gian trễ trung bình Vì vậy giao thoa kí tự ISI thấp và không cần sử dụng Equalizer

• Hệ thống FDMA không phức tạp như TDMA

• FDMA là phương pháp truyền dẫn liên tục, nên các bits cần cho mục đích định tuyến là ít hơn TDMA

• FDMA cần một cấu trúc lọc RF chặt chẽ giảm thiểu giao thoa kênh kề.Tổng số kênh có thể hoạt động đồng thời trong một hệ thống FDMA là:

c

guard tot

B

B B

Btot: Tổng số phổ được phân phối

Bguard: Băng bảo vệ tại cạnh của các kênh

Bc: Băng thông của mỗi kênh

2.Phương pháp TDMA:

Frequency Code

Hệ thống TDMA chia phổ vô tuyến ra các khe thời gian (Time slot) và mỗi khe chỉ cho phép người sử dụng được phát hoặc thu.

Như trong hình 1.7, mỗi user chiếm một khe thời gian được lặp lại một cách chu kỳ, một kênh được xem như là một khe thời gian mà nó lặp lại ở mỗi khung Một khung có N khe thời gian Không như hệ thống FDMA, hệ thống TDMA truyền dẫn dữ liệu không liên tục và chỉ sử dụng cho dữ liệu số và điều chế số Việc truyền dẫn từ các user khác nhau được kết hợp lại thành một khung lặp lại như hình 1.8

Hình 1.7 – Phương pháp phân chia kênh trong TDMA

Một khung bao gồm nhiều khe thời gian Mỗi khung có bit mở đầu, bit thông tin và bit kết thúc

Trong TDMA bit mở đầu chứa thông tin về địa chỉ và đồng bộ mà cả trạm gốc và MS dùng để nhận dạng Các đặc điểm của TDMA:

• TDMA chia một tần số sóng mang đơn cho một user Số khe thời gian trong mỗi khung phụ thuộc vào nhiều hệ số như kỹ thuật điều chế, băng thông…

• Truyền dẫn dữ liệu ở hệ thống TDMA là không liên tục nhưng diễn ra theo cụm

• Quá trình xử lí chuyển giao cuộc gọi giữa các cell là đơn giản, MS có thể lắng nghe từ các trạm gốc khác trong suốt thời gian nghĩ

• TDMA dùng các khe thời gian khác nhau cho phát và thu, vì vậy truyền song công được yêu cầu

• Việc cân bằng thích ứng luôn cần thiết trong hệ thống TDMA, bởi vì tốc độ truyền dẫn trong TDMA lớn hơn so với FDMA

• Trong TDMA thời gian bảo vệ nên được tối thiểu

• Quá trình đồng bộ khung đòi hỏi rất chặt chẽ

Tổng số kênh trong hệ thống TDMA:

Frequency Code

Time

Channel 1 Channel 2 Channel N

Time slots

guard tot

B

B B

m

m: là số user cực đại trong một kênh vô tuyến

Hình 1.8 – Cấu trúc khung của TDMA

3.Hằng số thời gian trễ giữa đường lên và đường xuống:

Việc đánh số các khe của các khe đường lên là lấy khe thời gian đường xuống bằng cách làm trễ ba khe Trong trường hợp này, MS sẽ không phát và thu đồng thời bởi vì hai khe này là khác nhau về vật lý Trễ truyền dẫn khi MS ở xa trạm gốc

4.Các loại khe thời gian khác:

Mỗi cell cung cấp một xung clock chuẩn cho các khe thời gian Mỗi khe thời gian được đánh số TN (Time Slot Number) mà nó được biết bởi trạm gốc và MS TN được lặp lại một cách chu kỳ

5 Cụm và chuỗi hướng dẫn:

Ở TDMA, tín hiệu được phát ở dạng cụm Chu kì của cụm mang biên độ tín hiệu phát bắt đầu từ giá trị 0 cho đến giá trị chuẩn của nó Một gói bits được phát bởi tín hiệu điều chế Sau đó biên độ giảm về 0 Cụm này diễn ra tại MS phát hoặc tại BTS nếu cụm kề không được phát

Trong một cụm có các bit đuôi và cụm hướng dẫn Các bits đuôi gồm có ba bits tại điểm bắt đầu và kết thúc của mỗi cụm, nó nhằm cung cấp thời gian bảo vệ

Chuỗi hướng dẫn là chuỗi được biết ở máy thu, nó hướng dẫn cho bộ Equalizer.Có các loại cụm sau đây:

(1) Cụm bình thường dùng trong TCH

Tail Information Training sequence Information Tail

(2) Cụm truy xuất dùng ở RACH hướng đường lên

Flag

Preamble Information Message Tail bits

Slot 1 Slot 2 Slot 3 Slot N

Trail bits Sync bits Information Data Guard bits

Một khung TDMA

7 41 1 35 3

Tail Training sequence Information Tail

(3) Cụm F và S Cụm F được dùng ở FCCH và có định dạng đơn giản Tất cả có

148 bits zero, đưa ra một dạng sóng thuần sine 5 cụm S trong mỗi 51x8 chu kỳ BP được dùng ở SCH Một cụm S như sau:

Tail Information Training sequence Information Tail

VII THỦ TỤC VẬN HÀNH CỦA MẠNG:

Thủ tục vận hành của hệ thống được chia ra bốn phần và một thủ tục handoff

1 MS không khởi động:

Khi một thuê bao không ở trạng thái gọi, nó sẽ quét 21 kênh thiết lập trên tổng số 416 kênh Sau đó nó chọn một kênh mạnh nhất và khóa ở kênh này Sau 60s quá trình tự định vị được lặp lại

2 Cuộc gọi khởi động từ MS:

Thuê bao bấm số cần gọi, kiểm tra xem số cần gọi có đúng hay không, bấm

nút “send” Một yêu cầu cho dịch vụ được gởi bằng cách chọn một kênh thiết lập đạt

được từ quá trình tự định vị Trạm gốc thu tín hiệu này, và nó chọn một hướng Anten tối

ưu cho kênh thoại dùng Tại thời điểm này, trạm gốc cũng đồng thời một yêu cầu đến trung tâm chuyểm mạch di động MTSO ( Mobile Telephone Switching Office) với một tốc độ dữ liệu cao MTSO chọn một kênh thoại thích hợp cho cuộc gọi, và trạm gốc thông qua định hướng Anten để kết nối với MS

3 Cuộc gọi khởi động từ mạng:

Thuê bao A muốn gọi cho thuê bao B, nó sẽ quay số của thuê bao B Trung tâm vùng sẽ nhận dạng số này và gởi thẳng đến MTSO Đến lược MTSO sẽ gởi một bản tin tìm gọi dựa trên số thuê bao này đến các trạm gốc và tại đây tiến hành giải thuật tìm kiếm Mỗi trạm gốc phát một bản tin tìm gọi trên kênh thiết lập của nó MS nhận dạng được số này trên một kênh thiết lập mạnh nhất , khóa ở đó và đáp ứng về trạm gốc MS theo các lệnh để được dành riêng kênh thoại và cuộc gọi đã sẵn sàng

4 Kết thúc cuộc gọi:

Khi MS tắt máy phát, một tín hiệu đặc biệt (tín hiệu đơn tone) được phát đến các trạm gốc và hai bên cùng giải phóng cuộc gọi MS tiếp tục kiểm tra tìm gọi thông qua kênh thiết lập mạnh nhất

5 Thủ tục handoff:

Trong lúc cuộc gọi diễn ra, hai thuê bao cùng ở trên một kênh thoại Khi một

MS di chuyển ra khỏi vùng phủ sóng của trạm gốc chứa nó thì tín hiệu thu trở nên yếu Để cuộc gọi không bị ngắt, trạm gốc hiện hành sẽ yêu cầu một thủ tục chuyển giao

cuộc gọi đến một kênh tần số mới ở một trạm gốc mới mà không gây ra ngắt cuộc gọi hoặc bắt đầu một cuộc gọi mới.

VIII QUẢN LÝ VÔ TUYẾN:

1 Quản lý tài nguyên vô tuyến RR (Radio Resoucre management):

Trong mạng vô tuyến, kênh vô tuyến được phân phối cho việc thiết lập, chuyển giao và giải phóng cuộc gọi trên một định hướng cuộc gọi Có ba chức năng quản lý là định vị, chuyển giao và di động Việc thực hiện chức năng RR yêu cầu một số giao thức giữa MS và mạng

a Giao thức đường truyền:

Việc trao đổi thông tin báo hiệu phải được gởi và hiểu bởi mỗi thiết bị hỗ trợ báo hiệu Hầu hết các chức năng trao đổi thông tin được phân phối đến các thiết bị khác nhau Có ba loại giao thức để cung cấp cho việc trao đổi thông tin

•Giao thức đường truyền vô tuyến RLP (Radio Link Protocol) đặc trưng trong GSM là LAPDm

•LAPD là giao thức đường truyền thích ứng với kênh D của ISDN

•Phần chuyển bản tin MTP (Message Transfer Part) là giao thức dùng cho mạng báo hiệu số 7

Tốc độ bản tin báo hiệu của giao thức đường truyền vô tuyến là 22.8kbps Tốc độ bản tin báo hiệu ở các giao thức đường truyền khác là 64kbps

b Giao diện liên kết với giao thức đường truyền:

MSC – MSC ( báo hiệu liên quan tới cuộc

BSC chuyển tiếp ( báo hiệu liên quan tới

Hình 1.9 – Các giao thức từ MAP/C đến MAP/I

2 Quản lí di động MM: Mobility Manegement

Các tín hiệu không liên quan đến cuộc gọi tương ứng với giao thức trong MSC mà nó khác so với MSC hoặc HLR khác và được nhóm lại thành MAP Chúng ta có thểphân biệt chúng bằng MAP/X, ở đây X có thể là B, C, D hoặc E

MAP/B: giao thức giữa BSC và MSC chuyển tiếp

MAP/C: giao thức giữa GMSC và một HLR

MAP/D: giao thức giữa MSC/HLR khác và HLR

MAP/E: giao thức giữa các MSC

Người dùng hệ thống Cellular yêu cầu quản lí di động cho các hoạt động cập nhật vị trí, chuyển giao và di động Một hoạt động chuyển giao xảy ra khi một kênh thoại thay đổi khi một MS đi vào một cell khác trong lúc cuộc gọi đang diễn ra Di động là khả năng khởi động cuộc gọi ở trong hệ thống mạng này và phân phối nó đến hệ thống các mạng khác bằng cách dùng MM và quản lí cập nhật vị trí

a Quản lí cập nhật vị trí:

Thuê bao luôn được liên kết với mạng di động mặt đất PLMN (Public Land Mobile Network) thường trú của nó Khi di chuyển nó sẽ liên kết với mạng PLMN tạm trú Chúng ta có thể nhận dạng cuộc gọi từ PLMN tạm trú từ vị trí của MS

Trong quá trình xử lí chọn lựa PLMN, MM thường tìm cell ở trong PLMN thường trú Nếu không có dịch vụ hiện hành, user có thể chọn chế độ tự động (tìm kiếm mạng ) hoặc chế độ thao tác bằng tay (tìm kiếm user) để tìm được PLMN phù hợp Trong trường hợp dịch vụ giới hạn, MM tiếp tục kiểm tra chỉ 30 sóng mang mạnh nhất

(B)

(B)MSC

MAP/E

MAP/C

SMS - gatewayMAP/H

VLRMSC

Dịch vụ giới hạn luôn quan tâm đến vùng phủ sóng tại biên giới của các quốc gia lân cận.

b Chọn lựa cell:

Việc chọn lựa cell tốt nhất từ 1 MS phụ thuộc vào 3 yếu tố

(1) Mức độ thu của tín hiệu thu tại MS

(2) Công suất phát cực đại của MS

(3) Hai hệ số p1 và p2 đặc trưng của cell Đây là chuẩn C1

C1 = A – Max(B,0)

A = Trung bình mức thu – p1

B = p2 – công suất RF lớn nhất của MSP1 = một giá trị giữa –110 và – 48dBmP2 = một giá trị giữa 13 và 43dBmCả hai giá trị p1 và p2 được phát quảng bá từ các cell

Công suất lớn nhất của MS = 29 đến 43dBm

Thuật giải chọn cell:

•Một SIM phải được chèn vào

•C1 lớn nhất được chọn bằng cách đạt được C1 từ cell tương ứng ; C1 phải lớn hơn 0

•Tất cả các cell phải không cản trở dịch vụ

c Hoạt động nhận thực:

Hoạt động nhận thực bảo vệ mạng chống lại sự truy xuất bất hợp pháp.Giai đoạn 1: Một mã số nhận dạng thuê bao cá nhân PIN (Personnal Identification Number ) bảo vệ SIM PIN được kiểm tra bởi SIM tại chỗ, sau đó SIM không bao giờ được gởi ra đường truyền vô tuyến

Hình 1.10 – Quá trình tính toán nhận thực

Giai đoạn 2: Mạng GSM tiến hành một cuộc kiểm tra bằng cách gởi một số ngẫu nhiên RAND Một số RAND 128 bits được gởi từ mạng đến MS và nó trộn với hệ số bảo mật của MS là KI, thông qua một giải thuật xử lí là A3, nó đưa ra một

SRES(Signed Result) Dài 32 bits Sau đó SRES được gởi đến mạng từ MS để chứng thực.

d Mã hoá:

Mã hoá để chống lại việc nghe lén MS dùng RAND thu được từ mạng và trộn với KI thông qua một giải thuật khác là A8 và phát ra Kc (64 bits) Chuỗi mật mã được phát ra từ Kc

Số khung và Kc di chuyển đến giải thuật mật mã A5 và phát ra S2 (114 bits), chúng được đưa vào cổng EX-OR mà đầu vào là chuỗi bits kiểm tra 114 bits và chuỗi mật mã S2 như hình 1.11

e Hoạt động nhận thực thuê bao – hoạt động bảo mật:

SIM (phía MS) và AUC ( phía mạng) là nơi chứa khóa KI của thuê bao Khóa KI không bao giờ được phát ra không gian Cả hai đều tính toán A3 và A8

3 Quản lý giao tiếp CM: Communication Management

Lớp CM cung cấp các dịch vụ viễn thông như thoại, fax và dữ liệu cho người sử dụng thông qua lớp RR và MM như trình bày trong hình 1.12

Người dùng GSM bao gồm máy gọi và máy bị gọi Chức năng quản lí của CM là điều khiển cuộc gọi, quản lí dịch vụ và dịch vụ bản tin ngắn

a Điều khiển cuộc gọi CC: Call Control

CC quản lý hầu hết các dịch vụ huớng mạch ( như thoại, dữ liệu) thông qua MSC/VLR, GMSC, IWF và HLR Chức năng của CC là thiết lập, duy trì và giải phóng cuộc gọi Để thiết lập cuộc gọi, số của MS phải được gán MS/ISDN là số ISDN của MS Số di động MS (MSRN) là số định tuyến, một số khác có thể cho phép thuê bao GMS hoặc nhận dạng thuê bao quốc tế IMSI (International Mobile Subscriber Identity) và cung cấp bởi MS để truy xuất vào mạng quốc tế.

b Chuyển giao: Handoff hay Handover

Thuật giải chuyển giao của GSM không được xây dựng thành một chuẩn Đó là đặc trưng của chuyển giao hỗ trợ di động MAHO (Mobile Assistance Handover)

MS quét các sóng mang vô tuyến theo chỉ dẫn của BTS Nó theo dõi các khe thời gian, các khe này không được gán để nó thu tín hiệu Trong thường hợp này, theo yêu cầu của BTS, cường độ tín hiệu của một sóng mang vô tuyến đặc trưng được đo trong một khung thời gian, số đo đó được gởi thẳng về BTS để hỗ trợ quá trình xử lý chuyển giao Quá trình được gọi là MAHO MSC dùng hai thông tin để quyết định cho việc chuyển giao Hai thông tin này là:

(1) Cường độ mà MS thu được tại các BTS lân cận

(2) Cường độ tín hiệu mà BTS thu được tại MS

c Quản lý các dịch vụ bổ sung SSM: Supplementary Service Management

CC cung cấp các dịch vụ bổ sung như chờ cuộc gọi, định hướng cuộc gọi, và trả lời tự động SSM là dịch vụ quản lý điểm đến điểm Một trung tâm dịch vụ SSM (SSM – SC ) có thể nối với nhiều mạng GSM SSM bao gồm hai chức năng:

(1) Kết thúc tự động bản tin ngắn;

(2) Khởi động tự động bản tin ngắn

4 Quản lý mạng NM: Network Management

Một trung tâm MS giám sát các hoạt động sau:

(1) Quản lý và giám sát thuê bao;

(2) Lập phiếu và tính cước ;

1 Nhiễu ngoại:

Nhiễu ngoại là loại nhiễu ở bên ngoài các thiết bị và mạch điện Có ba loại nhiễu ngoại : Nhiễu khí quyển, nhiễu bên ngoài trái đất và nhiễu nhân tạo

a Nhiễu khí quyển.

Nhiễu khí quyển là đặt tính điện tự nhiên của khí quyển trái đất Nhiễu khí quyển thường được gọi là nhiễu tĩnh điện và ảnh hưởng của nó là xuất hiện tiếng lào xào thường nghe ở các loa khi không có tín hiệu Tĩnh điện thường ở dạng đáp ứng xung mà sự phân tán năng lượng trải rộng trên tần số của nó Biên độ năng lượng tỉ lệ nghịch với tần số của nó.

(a) (b)

Hình 1.13 – Aûnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu

(a) Tín hiệu không nhiễu

(b) Tín hiệu có nhiễu

b Nhiễu ngoài trái đất:

Nhiễu ngoài trái đất bao gồm các tín hiệu điện bắt đầu từ bên ngoài bầu khí quyển của trái đất Nó được chia làm hai loại là nhiễu mặt trời và nhiễu vũ trụ

•Nhiễu mặt trời: được phát ra từ sức nóng của mặt trời

•Nhiễu vũ trụ: là nguồn nhiễu được phân phối một cách liên tục qua dãy ngân hà, cường độ nhiễu tương đối nhỏ

c Nhiễu nhân tạo:

Là loại nhiễu sinh ra do hoạt động của con người Nó có cường độ mạnh trong vùng thành thị và công nghiệp, nên có lúc được gọi là nhiễu công nghiệp

b Nhiễu shot:

Gây ra bởi đến một cách ngẫu nhiên của sóng mang tại phần tử đầu ra của thiết bị điện tử như là diode, FET, BJT

c Nhiễu thời gian vượt:

Một số thay đổi của chuỗi sóng mang khi chúng đi từ đầu vào đến đầu ra của một thiết bị sinh ra một dạng tín hiệu không hợp lệ, biến thiên ngẫu nhiên gọi là nhiễu thời gian vượt

3 Điện áp nhiễu:

Mô hình tương đương cho nguồn nhiễu điện trở:

RI : là điện trở nội

RN : là điện trở tải

VN : là nguồn điện áp nhiễu

Khi RN = RI, điện áp

2

N R

V KTB

%

l fundementa

higher V

Vfundemental = điện áp hiệu dụng của hài bậc một

5 Méo quá điều chế:

Méo quá điều chế sinh ra các tín hiệu mà tần số là tổng hoặc hiệu của các tần số của các tín hiệu gốc đầu vào khi chúng được trộn vào một thiết bị phi tuyến Tần số tổng và hiệu gọi là tích chéo (Cross Product):

f1, f2 là các tần số cơ bản

n,m là các số nguyên dương từ 1 đến vô cùng

6 Tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu:

Là tỷ số mức công suất tín hiệu trên mức công suất nhiễu

N

S

P

P N

S

PS : công suất tín hiệu (W)

PN : công suất nhiễu (W)

N

S

log10)

N

S

log20)

VS : điện áp tín hiệu (V)

VN : điện áp nhiễu (V)

7 Noise figure và Noise factor:

Noise factor (F) và Noise figure (NF) là hệ số dặt trưng dùng để cho thấy tỷ số tín hiệu trên nhiễu suy giảm bao nhiêu khi nó đi qua một mạch hoặc một dãy mạch Noise factor là tỷ lệ của

1

3 1

2 1

1

11

−

−++

−+

−+

=

n

n T

A A

F A

A

F A

F F

FT : Noise factor tổng

F1: Noise factor của mạch 1

Fn : Noise factor của mạch n

A1 : độ lợi của mạch 1

An : độ lợi của mạch n

Và Noise figure tổng của mạch được tính

CHƯƠNG II:

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SỐ TRONG MẠNG

ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG

I.KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ BPSK:

Giả sử ban đầu pha bằng 0

Chuỗi dữ liệu nhị phân đầu vào là d(t), biểu diễn dưới dạng RNZ với bit 1 là +1V và bit 0 là –1V

Tín hiệu điều chế BPSK là:

)2cos(

2)

T

E t

cos(

2)

T

E t

Từ (2.2) và (2.3), ta kết hợp lại tương ứng dạng của của tín hiệu BPSK là:

T

E t d t

Hình 2.1 – Sơ đồ điều chế BPSK

2 Phổ và băng thông của tín hiệu BPSK:

Tín hiệu BPSK có thể biểu diễn dưới dạng hình bao phức:

d(t)

Cos(2πf

Ct)

SBPSK(t)

SBPSK(t) = Re { gBPSK(t).exp(j2 π fCt) }

(2.5)

Với gBPSK(t) là hình bao phức của tín hiệu được cho bởi:

)(

2)

T

E t

sin 2

) (

fT

fT E

)

)(

)(

sin)

(

(sin2)(

b C b

C

b C b

BPSK

T f f

T f f T

f f

T f f E

f P

π

ππ

π

(2.8)Băng thông của tín hiệu BPSK được xấp xỉ khi nó chứa 90% năng lượng của tín hiệu:

0

dB N

Eb

Tín hiệu BPSK tại máy thu:

( ) = ( ) 2 cos(2πf t+θ)

T

E t d t

Yêu cầu ở máy thu là phải khôi phục lai đúng chuỗi dữ liệu d(t) Kỹ thuật giải điều chế kết hợp hay đồng bộ ở BPSK đòi hỏi phải có sự đồng bộ rõ ràng về pha và tần số của sóng mang tạo ra tại máy thu Sơ đồ khối của một máy thu BPSK được trình bày như hình 2.2:

Tín hiệu BPSK sau khi đi qua mạch bình phương là:

2

12)()2

(cos

2)

T

E t d f

T

E t

b

b C

b

b

(2.11)Sau khi đi qua mạch lọc băng thông và chia hai thì tín hiệu tại đầu ra của khôi phục sóng mang là:

f T

E t d t

b

b C

1

2)

(2

cos

2)

(.2

cos

(2.13)

Cos(2 π fCt + θ )

Square law device Bandpass Filter 2fC FrequencyDivider f/2

Integrate and Dump circuit

Bit Synchronizer

m(t)cos 2 (2 π fCt + θ )

m(t)cos(2 π fCt + θ )

Cos 2 (2 π fCt + θ ) Cos(4 π fCt + θ ) m(t)cos(2 π fCt + θ )

Demodulated signal

m(t)

Tín hiệu ở (2.13) được vào mạch tích phân và xả, sau đó sẽ đi vào mạch quyết định.

Điện áp đầu ra của mạch tích phân:

b

b b

kT T

b

b b

kT T k b

b b

b

T

E kT

d

dt t

f T

E kT

d dt T

E kT

d

kT

b b

b

2

2 2 cos 2

1 2

2

1 2

)

(

1 1

=

+ +

(2.14)

Như vậy chúng ta đã khôi phục lại được chuỗi dữ liệu d(t)

4 Biểu diễn hình học của tín hiệu BPSK:

Chọn một tín hiệu là cơ sở là trực chuẩn:

T t

b

π

2 cos 2 ) (

Ta có :

Khoảng cách giữa hai tín hiệu : d = 2 E b

Hình 2.3 – Khoảng cách giữa hai tín hiệu BPSKXác suất lỗi trong BPSK:

Với Eb là năng lượng của bit

N0 mật độ xác suất nhiễu trắng

II KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK:

1 Nguyên lý điều chế và phổ của QPSK:

Tín hiệu điều chế QPSK có dạng:

cos

2)

T

E t

R T

f i

T

E t

S

S c

S

π

2 cos

( ) ( f t)

T t

S

π

2 sin

2 2

2

2sin2

2sin

sinsin

2

b c

b c b

c

b c b

S c

S c S

c

S c S

QPSK

T f f

T f f T

f f

T f f E

T f f

T f f T

f f

T f f E

f P

π

ππ

π

π

ππ

Đồ thị xác suất lỗi bit trong điều chế QPSK với môi trường nhiễu trắng

2 Kỹ thuật điều chế và giải điều chế QPSK:

Pe

) (

0

dB N

Eb

Sơ đồ điều chế QPSK:

Hình 2.6 – Sơ đồ máy phát QPSKTín hiệu m(t) sau khi đi qua bộ Serial to parallel converter sẽ tạo ra hai dòng bit mI(t) ( cùng pha với m(t) ) và mQ(t) ( lệch pha 900 ) Hai tín hiệu này được điều chế độc lập qua bộ điều chế cân bằng như tín hiệu BPSK Sau đó hai tín hiệu này được lấy tổng để được tín hiệu QPSK như trong biểu thức (2.28)

Bộ lọc BPF đặt tại đầu ra của của bộ điều chế để giới hạn phổ công suất của tín hiệu QPSK, tránh gây ra nhiễu cho các kênh lân cận

Sơ đồ khối của bộ giải điều chế QPSK

Hình 2.7 – Sơ đồ khối của máy thu QPSK

Bộ lọc BPF đặt trước máy thu có nhiệm vụ loại bỏ nhiễu ngoài băng và giảm giao thoa kênh kề

Tín hiệu tại đầu ra của bộ lọc được chia làm hai phần, hai phần này được đưa vào hai bộ giải điều chế kết hợp Đầu ra của hai bộ giải điều chế kết hợp ( một cùng pha và một lệch pha 900 ) được đưa vào mạch quyết định và sau đó ta được hai chuỗi dữ liệu nhị phân Hai chuỗi này được dồn kênh để được dữ liệu mong muốn

90 0

Symbol Timing Recovery Circuit

LPF DecisionCircuit

Recovery Signal Multiplexer

III KỸ THUẬT FSK:

1.Nguyên lý điều chế FSK:

Trong FSK, tín hiệu tín hiệu sóng mang có biên độ không đổi, tần số thay đổi theo hai giá trị nhị phân đầu vào là 0 hoặc 1 ( tương ứng là tần só thấp và cao )

Tín hiệu FSK có dạng :

T

E t

b

b

Ở đây d(t) là chuỗi dữ liệu nhị phân đầu vào: d(t) = ±1

2π∆f : là độ lệch tần số so với tần số sóng mang chuẩn 2πfc

Gọi tần số cao là fH = fc + ∆f và tần số thấp fL = fc - ∆f Khi đó tín hiệu FSK có thể được biểu diễn :

[ f f t]

T

E t

f f P

T

E t

b

b c

H b

b cos 2 π − ∆

2

Hình 2.8 – Sơ đồ điều chế FSK

3.Phổ và băng thông của tín hiệu FSK:

Theo biểu thức (2.34), thì phổ của tín hiệu FSK là tổng của phổ của hai tín hiệu ASK tại hai tần số sóng mang là fc + ∆f và fc - ∆f

Phổ của tín hiệu FSK như hình 2.9

Băng thông của tín hiệu FSK được tính theo công thức Carson:

Với B là băng thông của tín hiệu dãi nền

Nếu chọn ∆f = Rb, và ta cũng có B = Rb

Hình 2.9 - Phổ của tín hiệu FSK

là băng thông tối ưu của tín FSK

4 Thu tín hiệu FSK:

Tín hiệu FSK có thể thu bằng phương pháp kết hợp và không kết hợp

a Tách sóng tín hiệu FSK kết hợp:

Máy thu FSK kết hợp bao gồm hai bộ tương quan, chúng được cung cấp tín hiệu chuẩn kết hợp tại máy thu Ngõ ra của hai mạch tương quan được đưa vào mạch so sánh và được so sánh với ngưỡng Nếu độ lệch tín hiệu lớn hơn ngưỡng thì ngõ ra ở mức

1 và ngược lại thì mứ c 0

Hình 2.10 – Sơ đồ máy thu FSK kết hợp.

Xác suất lỗi trong FSK:

=  

0

E ercf

FSK

b Máy thu FSK không kết hợp:

Sơ đồ khối máy thu FSK không kết hợp:

Hình 2.11 – Sơ đồ khối máy thu FSK không kết hợp

Máy thu bao gồm hai bộ lọc cộng hưởng và theo sau là hai bộ tách sóng hình bao Hai bộ lọc cộng hưởng tại hai tần số là fH = fc + ∆f và fL = fc - ∆f Ngõ ra của mạch

sin2πfct

Received

signal

Decision Circuit

Output

Σ

Matched Filter at

fH

Matched Filter at

fL

Envelope Detector

Envelope Detector

Decision Circuit

Output

Received

Signal

tách sóng hình bao được lấy mẫu tại t =kTb, với k là số nguyên, và giá trị này được so sánh và đưa đến mạch quyết định để lấy mức tín hiệu ra tương ứng.

Xác suất lỗi trong FSK không kết hợp:

= − 0 

, ,

2

exp2

CHƯƠNG III:

MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN – SUY HAO

ĐƯỜNG TRUYỀN

I TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN:

Hầu hết các hệ thống vô tuyến tế bào vận hành ở vùng thành thị nên không có đường truyền trực tiếp (line of sight) giữa máy phát và máy thu, mà ở đây sự hiện diện của các cấu trúc cao tầng đã sinh ra hiện tượng mất mác do nhiễu xạ Bởi do các sóng phản xạ từ nhiều đối tượng khác nhau, sóng đi theo các đường có độ dài khác nhau nên sự tác động của các sóng này tại một vị trí nào đó sẽ gây ra hiện tượng Fading nhiều đường tại một vị trí nào đó Để dự đoán cường độ tín hiệu thu tại một khoảng cách nào đó so với máy phát, người ta dùng các mô hình truyền dẫn

Mô hình dùng để dự đoán cường độ tín hiệu trung bình với một khoảng cách máy phát – máy thu bất kỳ để ước lượng vùng phủ sóng vô tuyến của một máy phát là mô hình large – scale Ngược lại, để cho thấy sự thăng gián của tín hiệu thu ở một khoảng cách ngắn ( khoảng vài bước sóng λ) thì ta dùng mô hình small – scale

II MÔ HÌNH TRUYỀN DẪN TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO:

Mô hình truyền dẫn trong không gian tự do dùng để dự đoán cường độ tín hiệu khi tồn tại duy nhất một đường truyền line of sight giữa máy phát và máy thu ( như trong hệ thống vệ tinh, Viba) Công suất tại một điểm bất kỳ trên đường truyền sóng là hàm của khoảng cách Công suất thu tại Anten máy thu cách Anten phát một khoảng cách d thì tuân theo phương trình Friss:

L d

G G P d

2

)4(

)(

π

λ

ở đây: Pt : công suất máy phát

Gt : độ lợi Anten phát

Gr : độ lợi Anten thu

L : hệ số mất mác hệ thống Độ lợi của Anten quan hệ với góc mở hiệu dụng Ae của nó :

c : vận tốc ánh sáng

f : tần số sóng mang

Suy hao truyền dẫn (PL) là sự khác nhau ( được đo ở dB) giữa công suất phát và thu:

10)

(

d

G G P

P dB

Nếu độ lợi của các Anten được giả sử là 1, thì:

2π

D: là đường kính lớn nhất của Anten phát

Như vậy, mô hình truyền dẫn trong không gian tự do là môi trường lý tưởng trong hệ thống thông tin Nó phù hợp với các hệ thống vệ tinh và Viba khi tồn tại đường truyền trực tiếp line of sight

III SUY HAO ĐƯỜNG TRUYỀN:

Ơû thông tin vô tuyến điểm đến điểm do anten đặt cao, nên suy hao đường truyền tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách R giữa anten thu và phát (R2) Ở thông tin di động anten MS gần mặt đất (khoảng 1.5 m) nên suy hao tỷ lệ với lũy thừa n khoảng cách R giữa anten thu và phát (Rn), trong đó n>2 Để tính các suy hao đường truyền người ta lập các mô hình truyền sóng khác nhau Do đặt điểm truyền sóng không ổn định, nên các mô hình này đều mang tính thực nghiệm

Suy hao đường truyền trong môi trường vô tuyến di động là do ảnh hưởng của cấu trúc địa lí và sự hiện diện của các đối tượng tán xạ dọc theo đường truyền sóng Các cấu trúc phức tạp của bề mặt địa lí và các đối tượng tán xạ gây ra các hiện tượng phản xạ phản chiếu ( Specular reflection), phản xạ lan truyền (diffuse Reflection), và nhiễu xạ ( diffraction)

1 Phản xạ phản chiếu:

Phản xạ phản chiếu xảy ra khi sóng vô tuyến gặp một bề mặt bằng phẳng mà khoảng cách giữa hai trạm thu phát lớn hơn rất nhiều so với bước sóng của tín hiệu vô tuyến Đây là loại phản xạ tuân theo định luật Snell, như trong hình 3.2

Ởû đây sóng tới từ Anten sẽ bị phản xạ tại Q Tuy nhiên, có thể xem như sóng phản xạ này được phát ra từ Anten ảo T’, đối xứng với T qua bề mặt

Hình 3.2 – Aùp dụng định luật Snell

2 Phản xạ lan truyền:

Phản xạ lan truyền xảy ra khi sóng vô tuyến gặp một bề mặt ghồ ghề mà sự ghồ ghề của bề mặt này tương ứng với bước sóng của tín hiệu bức xạ Phản xạ lan truyền không tuân theo định luật Snell Nó bị tán xạ năng lượng và gây ra các hướng sóng phản xạ khác nhau Cường độ của sóng vô tuyến phản xạ lan truyền thì yếu hơn phản xạ phản chiếu vì năng lượng của nó bị tán xạ qua bề mặt phản xạ

3 Nhiễu xạ:

Nhiễu xạ xảy ra khi trên đường truyền sóng giữa máy phát và máy thu có sự hiện diện của các đối tượng tán xạ ( như đồi núi, toà nhà cao tầng) Sự suy hao tín hiệu phụ thuộc vào cấu trúc nằm trên hoặc gần đường truyền line of sight

Việc dự đoán suy hao đường truyền giúp ích rất nhiều trong việc hiểu biết ảnh hưởng của hiện tượng nhiều đường của tín hiệu vô tuyến Tuy nhiên, sự ảnh hưởng này rất phức tạp cho việc tính toán Đầu tiên, chúng ta phải tiến hành đo đạc các trạng thái tĩnh, và từ các số này ta tiến hành phân tích lại các trường hợp khác nhau Nó được phân tích và đánh giá trên cơ sở lí thuyết trường điện từ

IV DỰ ĐOÁN SUY HAO ĐƯỜNG TRUYỀN:

1 Dự đoán suy hao đường truyền qua địa hình bằng phẳng:

Khi tín hiệu sóng vô tuyến được truyền qua địa hình có bề mặt bằng phẳng (khoảng cách giữa máy phát và máy thu là đủ lớn so với bước sóng tín hiệu) thì hiện tượng phản xạ phản chiếu xảy ra và chỉ có một sóng phản xạ đến máy thu, như hình 3.3

T

T'

Q

Base station antenna

Hình 3.2 - Áp dụng định luật Snell

Hình 3.3 – cấu trúc bề mặt ảnh hưỡng đến sóng phản xạ.

Như đã biết ở phần trước, phản xạ phản chiếu thì tuân theo định luật Snell, ở đây tích của hệ số khúc xạ N1 với cosine của góc tới θ là một hằng số:

• Hệ số phản xạ:

Tỷ số của sóng đến với sóng phản xạ ( liên kết với nó) gọi là hệ số phản xạ, kí hiệu là a Để tính hệ số phản xạ ta dùng công thức Fressnel cho sóng phân cực dọc và phân cực ngang

Sóng phân cực ngang là sóng phản xạ từ các tòa nhà cao tầng

Sóng phân cực dọc là sóng phản xạ từ mặt đất

Ta có hệ số phản xạ cho trường hợp phân cực ngang và dọc theo công thức Fressnel:

2 1

2 1

2 1

2 1

)cos(

sin

)cos(

sin

θε

θ

θε

h e h

2 1

2 1

2 1 2

) cos (

sin

) cos (

sin

θ ε

θ ε

θ ε

θ ε

θ

− +

c í c j

ve v

ở đây εc = εr – j60σλ

εr :hằng số tỷ lệ của hệ số điện môi εc

σ :độ dẫn điện của môi trường

Góc θ được minh họa trong hình 3.4

Hình 3.4 – Quan hệ giữa sóng phân cực dọc và phân cực ngang

(a) Phân cực ngang(b) Phân cực dọc

Hình 3.3 - Cấu trúc bề mặt ảnh hưởng đến sóng tán xạ.

H

t H

Hình 3.5 - Quan hệ giữûa sóng phân cực dọc và phân cực ngang.

(a) Phân cực ngang.

(b) Phân cực dọc.

Đối với mặt đất trong môi trường vô tuyến di động, thì εr rất lớn và góc θ1 thường nhỏ hơn 1 Rad Khi sóng tới là phân cực dọc thì :

Với c là vận tốc ánh sáng

2 Dự đoán suy hao đường truyền qua địa hình ghồ ghề:

Hình 3.5 – Phản xạ trong môi trường vô tuyến di động lí tưởng

Để có thể dự đoán đặt tính của tín hiệu qua địa hình ghồ ghề, ta phải định nghĩa tiêu chuẩn để xác định mức độ ghồ ghề đó

a Xác định tiêu chuẩn:

Để xác định mức độ ghồ ghề của bề mặt ta dùng tiêu chuẩn Rayleigh Xét hình 3.6

E

H

H H

H H

Hai tia tới chạm vào bề mặt với mức độ lồi lõm khác nhau Góc của tia tới và phản xạ là θ, độ lệch đường truyền là :

Hình 3.6 – Mô hình bề mặt ghồ ghề với tiêu chuẩn Rayleigh

và độ lệch pha của hai tia:

λ

πλ

πβ

ϕ= ∆d = 2 ∆d =4 Hsin

Khi ∆ψ rất nhỏ, có nghĩa là sự khác nhau trong độ cao của bề mặt phản xạ là rất nhỏ và bề mặt được xem nhu là bằng phẳng Trong trường hợp ngược lại, có thể xem ∆ψ ≈π và kết quả là hai tín hiệu phản xạ với cùng hệ số phản xạ ai có thể được biểu diễn:

=

R

và tiêu chuẩn cho sự ghồ ghề là: H > HR

b Trường tán xạ:

Truyền dẫn qua một bề mặt gợn sóng được minh họa trong hình 3.7

Trường tán xạ Es tới tại điểm Ps theo hướng Anten máy thu có thể được tính bằng tích phân Helmholtz Giả sử trường tán xạ chỉ có thành phần theo trục x và z, thành phần theo trục y bằng 0, d1 là khoảng cách từ Q đến P Theo tích phân Helmholtz, trường tán xạ thu tại điểm P qua bề mặt gợn sóng được biểu diễn bởi

z = S(x) là :

dx n

E n

E y

y

dS n

E n

E P

E

L L

S S

4

4

1 ) (

θ θ

Hình 3.7 - Mô hình bề mặt ghồ ghề với tiêu chuẩn Rayleigh

Hình 3.7 – Ảnh hưỡng truyền dẫn qua bề mặt gợn sóng.

Vì d1 >> λ, nên ta có mối quan hệ

d0 : là khoảng cách đường trực tiếp giữa BTS và MS

d’ :là khoảng cách từ BTS đến Q

E :là sóng đến và ∂∂E n là vi phân chuẩn của S

Điểm P được giả sử là vị trí của MS

Khi phương pháp tích phân Helmholtz của phương trình (3.31) được dùng để tính trường tán xạ tại điểm thu qua bề mặt ghồ ghề, điều cần thiết ở đây là phải tính toán bề mặt S(x) S(x) có thể tính bằng phương pháp xấp xỉ hoặc phân bố chuẩn.Với phương pháp xấp xỉ Ta giả sử đặt tính của bề mặt S(x) là ngẫu nhiên, bán kính chổ lồi được xem là lớn hơn rất nhiều so với bước sóng tới Khi đó trường ES được tính :

E ae

a : là hệ số phảng xạ của bề mặt bằng phẳng

Khi đó trường HS là :

H ae

c Bề mặt ghồ ghề là một hàm của khoảng cách:

Cho chiều cao của Anten trạm gốc là hI, khoảng cách giữa MS và BTS là

d, góc đến là θ thì :

x

To point P

Base station antenna

mà H R =8sinλθ

Khi θ nhỏ thì

kd h h

8

λθ

k

+

(3.37)Như vậy HR là một hàm của khoảng cách d

V CÁC HỆ SỐ CỦA KÊNH VÔ TUYẾN – HIỆU ỨNG DOPPLER:

1 Hiệu ứng Doppler:

MS thu tín hiệu khi đang chuyển động, ngoài tín hiệu sóng mang có tần số tần số fc được thu, thì lại có thêm một tín hiệu có tần số khác được thu, mà tần số này phụ thuộc vào vận tốc của MS, tần số đó được gọi tần số Doppler Nó được sinh ra từ hiệu ứng Doppler

Giả sử MS đang di chuyển với vận tốc v là hằng số, dọc theo đoạn đường có chiều dài là d giữa hai điểm X và Y Trong thời gian này, nó đang thu một tín hiệu từ nguồn S, như minh họa trong hình 3.8

Hiệu đường đi của sóng từ S tới X và từ S tới Y là :

Trong đó: ∆t là thời gian MS đi từ X đến Y

θ được giả sử là góc hợp bởi sóng tới tại X và Y với mặt đường ( giả sử θ là như nhau tại X và Y)

Hình 3.8 – Mô hình truyền sóng qua bề mặt bằng phẳng

Độ lệch pha của tín hiệu thu:

λ

πλ

Direct wave

Refle cted wave

Phương trình (3.40) cho thấy mối quan hệ giữa tần số Doppler với vận tốc

MS và góc đến của sóng tới so với mặt đường Nó cũng cho thấy rằng, nếu MS di chuyển theo hướng đến của sóng tới thì fd > 0 (θ < 900), còn nếu MS di chuyến theo hướng ngược lại thì fd < 0 (θ > 900)

2 Hệ số phân tán Doppler:

Phân tán thời gian của kênh nhiều đường băng rộng hầu hết được định lượng bởi trễ quá trung bình (τ) và phân tán trễ hiệu dụng (στ) của chúng Ta có τ vàστ

được định nghĩa như sau:

k k

k

k k k k k

P

P a

a

)(

)(

2

2

τ

ττ

k k

k

k k k k k

P

P a

τ

ττ

τ

Giá trị của τ, τ2 và στ phụ thuộc vào cách chọn ngưỡng nhiễu dùng để xử lý P(τ) Ngưỡng nhiễu dùng để phân biệt thành phần nhiều đường và nhiễu nhiệt

3 Băng thông kết hợp:

Băng thông kết hợp Bc được định nghĩa là số đo thống kê của dãy tần số của các kênh được xem là bằng phẳng Hay nói cách khác, băng thông kết hợp là dãy tần số mà trong đó có hai thành phần tần số có khả năng tương quan mạnh nhất về biên độ Nếu có hai tín hiệu điều hòa mà khoảng cách tần số lớn hơn Bc thì được xem như là hai kênh hoàn toàn khác nhau Nếu băng thông kết hợp được xem như là băng thông mà tương quan tần số trên 0.9 thì ta có thể xấp xỉ:

τσ

Với στ là phân tán trễ được định nghĩa ở phần trên

Còn nếu hàm tương quan tần số là trên 0.5 thì:

τσ

4 Phân tán Doppler và thời gian kết hợp:

Phân tán Doppler và thời gian kết hợp là hệ số mô tả đặt tính biến thiên theo thời gian của kênh truyền Phân tán Doppler BD là số đo của sự mở rộng phổ gây

ra bởi sự thay đổi thời gian của kênh truyền Và được định nghĩa là dãy tần số mà qua đó phổ Doppler thu là không zero Khi một tín hiệu thuần sine được phát với tần số fc, thì phổ của tín hiệu thu (còn gọi là phổ Doppler) sẽ có các thành phần thay đổi từ fc -

fd đến fc + fd ở đây fd là tần số Doppler

Nếu băng thông của tín hiệu dãi nền là lớn hơn BD, thì ảnh hưởng cảu phân tán Doppler được bỏ qua tại máy thu Tổng số phổ mở rộng phụ thuộc vào fd, mà

fd là hàm của vận tốcMS và góc giữa hướng di chuyển của MS va sóng tán xạ Ta có:

Với fm là tần số Doppler lớn nhất

Thời gian kết hợp dùng để đặt trưng cho sự phân tán tần số của kênh truyền trong miền thời gian Thời gian kết hợp TC là nghịch đảo của BD:

m D C

f B

Thời gian kết hợp là khoảng thời gian mà hai tín hiệu thu có khả năng tương quan về biên độ mạnh Nếu thời gian kết hợp được định nghĩa là thời gian mà hàm tương quan trên 0.5 thì:

m C

1 Tổng quát về Fading nhiều đường :

Fading nhiều đường là một hiện tượng thường xuyên xảy ra trong môi trường vô tuyến di động, và vì vậy nó luôn được quan tâm trong lúc thiết kế hệ thống

Tín hiệu sóng mang vô tuyến có thể được biểu diễn theo các dạng sau:

Hiện tượng Fading nhiều đường thường xảy ra ở ba dạng:

(1) MS và các vật tán xạ xung quanh đều đứng yên;

(2) MS đứng yên và các vật tán xạ xung quanh chuyển động hay ngược lại;

(3) MS và các vật tán xạ xung quanh đều chuyển động;

a Trường hợp thứ nhất:

Tất cả các tín hiệu phản xạ đến MS một cách độc lập, điều đó được minh họa trong hình 3.9

Tín hiệu thu tại MS là tổng của N tín hiệu phản xạ:

∑

=

i i

N 1

Hình 3.9 – Hiện tượng nhiều đường

Hệ số ai trong (3.54) là hệ số suy hao truyền dẫn của thành phần thứ i, nó có thể là một giá trị phức Ta có s0(t - τi) là :

i i

j t

j a

t j a t

s

τ ω φ

ω

φ τ ω τ

0 0

0 0

0 0

0 0

exp

exp )

(

− +

a a t

b MS đứng yên và các vật xung quanh di chuyển hay ngược lại:

Thời gian trễ τi và hệ số suy hao ai là khác nhau tương ứng với thành phần thứ i Tín hiệu thu s(t) trong trường hợp này là: