Hệ thống thông tin di động GSM

Tài liệu tham khảo Hệ thống thông tin di động GSM

Chơng 1: Khái quát về thông tin di động GSM 1.1 Khái quát về thông tin di động

1.1.1 Lịch sử phát triển

Vào thế kỷ 19, thí nghiệm của Marconi cho thấy là thông tin vô tuyến có thể thực hiện giữa các máy thu phát cách xa nhau và di động Năm 1928 hệ thống vô tuyến truyền thanh mới đợc thiết lập, lúc đầu dành cho cảch sát Đến năm 1933, sở cảnh sát Bayone thiết lập một hệ thống thoại vô tuyến di động

t-ơng đối hoàn chỉnh đầu tiên trên thế giới Tuy nhiên các thiết bị điện thoại di

động còn rất cồng kềnh, nặng, đầy tạp âm và tốn nguồn do dùng đèn điện tử Công tác trong dải thấp của băng VHF, các thiết bị này liên lạc với khoảng cách vài chục dặm Chất lợng của hệ thống còn kém là do đặc tính truyền dẫn sóng vô tuyến dẫn đến tín hiệu thu đợc là tổ hợp của nhiều thành phần tín hiệu đã đợc phát đi, khác nhau cả về biên độ, pha và độ trễ Tổng véc-tơ của tín hiệu này làm cho đờng bao tín hiệu thu đợc bị thăng giáng mạnh và nhanh Khi trạm di

động hành tiến, mức tín hiệu thu thờng bị thay đổi lớn và nhanh làm cho chất l-ợng đàm thoại suy giảm trông thấy Tất nhiên, tất cả các đặc tính truyền dẫn ấy ngày nay vẫn tồn tại song hồi đó chúng chỉ đợc chống lại bằng công nghệ còn sơ khai Ngày nay công nghệ bán dẫn có thể sử dụng hàng triệu đèn bán dẫn cho việc loại bỏ ảnh hởng xấu của đặc tính truyền dẫn

Băng tần có thể sử dụng đợc bởi công nghệ đơng thời cho thông tin vô tuyến luôn khan hiếm Các băng sóng trung và dài đã sử dụng cho phát thanh trong khi các băng tần thấp và cao (LF và HF) bị chiếm bởi các dịch vụ thông tin toàn cầu Công nghệ hồi đó còn cha thích hợp để đạt đợc chất liên lạc cao trên các băng sóng VHF và UHF Khái niệm về tái sử dụng tần số đã đợc nhận thức song không đợc áp dụng để đạt đợc mật độ ngời sử dụng cao Do đó trong nhiều năm chất lợng của thông tin di động kém hơn nhiều so với thông tin hữu tuyến do công nghệ không thích hợp và các nhà tổ chức thông tin đã không sử dụng nổi độ rộng dải tần trên các băng tần số cao

Trong khi mạng điện thoại tơng tự cố định thơng mại đang đợc số hóa nhờ

sự phát minh ra các dụng cụ điện tử kích thớc nhỏ bé và tiêu thụ ít nguồn thì tình trạng của vô tuyến di động vẫn còn biến đổi rất chậm chạp Các hệ thống vô tuyến di động nội bộ mặt đất đã bắt đầu đợc sử dụng song mới chỉ ở mức độ phục vụ các nhóm chuyên biệt chứ cha phải cho các cá nhân trong cộng đồng Năm 1947 Bell Labs cho ra ý tởng về mạng điện thoại di động tế bào, trong đó các máy di động lu động tự do và chuyển vùng khi từ tế bào này sang tế bào khác Các tế bào tổ chức phủ kính vùng phủ sóng và kết nối thành mạng thông qua chuyển mạch (tổng đài điện thoại di động) bố trí tại các trung tâm vùng Song do hạn chế về mặt công nghệ nên cha thể thực hiện đợc Trong những năm thập kỷ 1980 đã chứng kiến sự ra đời của một số hệ thống vô tuyến tế bào tơng

tự gọi là các mạng vô tuyến di động mặt đất công cộng (PLMR) Các mạng này làm việc ở dải UHF, chúng cho thấy một sự thay đổi vợt bậc về độ phức tạp của

hệ thống thông tin liên lạc dân sự Chúng cho phép ngời sử dụng có thể đàm thoại trong khi di động với bất kỳ đối tợng nào có nối tới mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN hoặc các mạng đa dịch vụ số ISDN Trong những năm 90 việc áp dụng mạng tế bào số và các hệ thống không dây số đã cho chất lợng liên lạc di động cải thiện đáng kể Thế hệ di động thứ hai đã cung cấp một loạt các dịch vụ mới nh th tiếng nói, truyền số liệu, fax, truyền tin ngắn Từ năm 1997, liên minh viễn thông quốc tế (ITU) đã tiến hành xây dựng tiêu chuẩn cho thông tin thế hệ thứ ba (3G: 3rd Generation) trong dự án

IMT-2000 Với thế hệ này có khả năng cung cấp đa dịch vụ nh thoại, video, gói dữ liệu Hỗ trợ cả chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh, truyền dữ liệu không

đối xứng Đặc biệt là khả năng lu động và chuyển vùng quốc gia lẫn quốc tế,

t-ơng thích và liên kết với thông tin vệ tinh, pht-ơng thức tính cớc không theo thời gian mà theo dung lợng truyền Thế hệ thông tin di động thứ 4 cũng đang đợc nghiên cứu với khả năng tích hợp tất cả các loại thông tin trên trái đất Đồng thời cải thiện đáng kể chất lợng của các dịch vụ

1.1.2 Các đặc tính cơ bản của thông tin di động

Thông tin di động ngoài việc phải cung cấp các dịch vụ nh mạng điện thoại cố định thông thờng còn phải cung cấp các dịch vụ đặc thù của nó để bảo

đảm thông tin mọi lúc, mọi nơi trong phạm vi phủ sóng Xuất phát từ yêu cầu

đó thông tin di động phải giải quyết đợc các đặc tính cơ bản nh sau:

+ Sử dụng hiệu quả nhất băng tần đợc cấp phát, đợc đánh giá bằng số ngời

sử dụng trên một đơn vị tần số và trong các hệ tế bào có tái sử dụng tần số thì hiệu quả sử dụng phổ còn đợc tính trên một tế bào Thông số này đặc biệt quan trọng vì nó xác định khả năng phục vụ rộng rãi cho nhiều thuê bao của hệ thống, do đó trong nhiều trờng hợp nó ảnh hởng tới tính kinh tế và khả năng cạnh tranh thị trờng của hệ thống;

+ Bảo đảm chất lợng âm thanh, thờng đợc chia thành chất lợng tiếng chuông (toll quality), chất lợng gần tiếng chuông (near-toll quality) và chất lợng kém th-ờng chỉ dùng trong một số hệ thống vô tuyến di động quân sự;

+ Bảo đảm an toàn thông tin tốt nhất Do tín hiệu đợc truyền là môi trờng vô tuyến dễ bị nghe trộm và sử dụng trộm nên phải có biện pháp bảo đảm an toàn thông tin Nhằm bảo đảm quyền lợi cho các thuê bao, mạng cần phải giữ bí mật số nhận dạng thuê bao và kiểm tra tính hợp lệ khi máy di động truy cập mạng Để chống việc nghe trộm cần mật mã hoá thông tin của ngời dùng Trong

hệ thống GSM sử dụng SIM-CARD cho phép thực hiện các thủ tục an toàn cho thuê bao;

+ Mạng thông tin di động phải giảm tối đa rớt cuộc gọi khi thuê bao chuyển vùng (HO: HandOver);

+ Cho phép chuyển mạng quốc tế;

+ Các thiết bị cầm tay phải gọn nhẹ, tiện lợi cho mang xách (kích thớc, trọng lợng);

+ Mức độ tiêu thụ nguồn thấp;

+ Mức độ phức tạp của thiết bị, giá thành máy di động và trạm cố định; + Khả năng đáp ứng nhiều dịch vụ mới phát triển trong tơng lai, nhất là các dịch vụ phi thoại

1.1.3 Kênh vô tuyến di động

Kênh vô tuyến di động gây ra những hạn chế cơ bản đối với chất lợng liên lạc cũng nh dung lợng của hệ thống Kênh vô tuyến di động có thể thay đổi từ dạng LOS (Line-Of-Sight) đến dạng bị che chắn bởi các chớng ngại cố định hay

di động Các thay đổi này có tính chất phức tạp, mang nặng tính ngẫu nhiên Sự tác động của chúng tới chất lợng liên lạc phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau nh địa hình, khoảng cách liên lạc, dải tần, khí quyển, tốc độ truyền tin, tốc

độ di chuyển của trạm di động, ăng-ten, công suất phát… Vì vậy việc mô hình hóa là vấn đề khó khăn nhất trong thiết kế hệ thống, thờng đợc giải quyết bằng phơng pháp thống kê và đo lờng Tuy nhiên, về cơ bản chúng ta có thể phân chia một cách vắn tắt các ảnh hởng truyền sóng này thành: Tổn hao đờng truyền, pha-đing đa đờng, hiệu ứng Doppler và trải trễ đờng truyền Các yếu tố này gây ra ISI làm ảnh hởng rất lớn đến chất lợng liên lạc

+ Hiệu ứng Doppler: Đó là sự thay đổi tần số thu đợc so với tần số phát

đi, gây bởi sự chuyển động tơng đối giữa máy phát và máy thu trong quá trình truyền sóng Giả thiết rằng một sóng mang không bị điều chế có tần số fc đang phát tới máy thu di động với vận tốc υ, đợc biểu diễn trên hình vẽ 1.1 Tia tới

MS tạo phơng di chuyển một góc αi Tại máy thu, tần số của tín hiệu nhận đợc theo tia sóng thứ i sẽ là:

f = fc + fd = fc + fm cos αi

= fc +

c

v

.fc.cos αi ; với c là vận tốc ánh sáng

fd cực đại khi cos αi = 1 hay αi= 0 độ hoặc αi = 180 độ Trờng hợp này hiệu ứng Doppler xảy ra mạnh nhất

Hình 1.1: Ví dụ về hiệu ứng Doppler Tổng hợp tác động của mọi tia sóng tới máy thu là một tín hiệu trải rộng về tần số với độ rộng 2fd Trong trờng hợp tín hiệu phát có điều chế với độ rộng băng

là Ws thì tín hiệu nhận đợc rẽ trải ra trên một dải cỡ Ws + 2fd với tần số trung tâm

có thể khác fc Chỉ trong trờng hợp máy thu đứng yên so máy phát (υ=0) hoặc máy thu đang chuyển động vuông góc với góc tới của tín hiệu (cos αi=0) thì tần số tại máy thu mới không bị thay đổi so với tần số tín hiệu phát Tóm lại hiệu ứng Doppler xảy ra làm tần số thu tại MS biến đổi một cách ngẫu nhiên dẫn tới việc tăng tỷ lệ lỗi bit (BER)

+ Hiện tợng trải trễ: Đối với thông tin di động số, việc truyền dẫn tín hiệu theo nhiều tia sóng trong môi trờng di động dẫn đến sự trải trễ ∆D là lợng trễ Độ trải trễ có thể xem nh là độ dài của xung thu khi xung cực hẹp đợc phát đi Hiện tợng trải trễ hạn chế tốc độ truyền tin Xét hình vẽ 1.2, để không xảy

ra ISI thì phải thoả mản T>∆D suy ra R=1/T < 1/∆D Nh vậy, khi ∆D càng lớn thì tốc độ truyền tin càng nhỏ Đối với thông tin di động trong nhà và microcell thì ∆D nhỏ hơn 0.5às do đó không cần san bằng cũng đạt đợc tốc độ 2Mb/s Tuy nhiên với các tế bào lớn thì ∆D lên đến 10às do đó để truyền tin tốc độ cao (≥64kb/s) cần phải có san bằng

i

αi

MS Chiều di chuyển

BS

Hình 1.2: Tín hiệu bị trải trễ trên đờng truyền.

Nh vậy, hiện tợng trải trễ phụ thuộc vào kích thớc tế bào Tế bào càng bé thì hiện tợng trải trễ ít nên có thể truyền với tốc độ cao hơn

+ Tổn hao đờng truyền: Tổn hao đờng truyền là lợng suy giảm mức điện thu so với mức điện phát Tuỳ theo đặc tính của môi trờng truyền dẫn mà ta có mức độ tổn hao khác nhau Ví dụ, trong không gian tự do, mức điện thu đợc giảm dần theo bình phơng khoảng cách từ máy phát tới máy thu do công suất tín hiệu trên một đơn vị diện tích của mặt cầu sóng giảm dần theo bình phơng khoảng cách giữa các ăng-ten thu và phát Trong thông tin di động trong môi tr-ờng khí quyển gần mặt đất, do hấp thụ của môi trtr-ờng truyền, do che khuất… tổn hao đờng truyền có thể lớn hơn rất nhiều so với tổn hao trong điều kiện truyền sóng trong không gian tự do Tổn hao đờng truyền phụ thuộc vào tần số bức xạ,

địa hình, tính chất môi trờng… Điều này làm hạn chế kích thớc tế bào, song nhiều trờng hợp có thể lợi dụng tính chất tổn hao để phân chia hiệu quả các tế bào, cho phép tái sử dụng lại tần số làm tăng hiệu quả sử dụng tần số

+ Hiện tợng pha-đing: Pha-đing nhanh dùng để mô tả sự thăng giáng nhanh biên độ tín hiệu vô tuyến trong một khoảng thời gian hoặc khoảng truyền ngắn sao cho có thể bỏ qua ảnh hởng của tổn thất đờng truyền Pha-đing xảy ra

do xuyên nhiễu giữa hai hay nhiều tia tín hiệu truyền đến máy thu tại các thời

điểm khác nhau gọi là pha-đing đa đờng

Tổng hợp các tín hiệu tới tại ăng ten máy thu làm cho tín hiệu biến đổi mạnh cả về biên độ và pha, phụ thuộc vào phân bố cờng độ, quan hệ thời gian truyền sóng và độ rộng băng tín hiệu phát Tùy thuộc vào mối quan hệ giữa các

∆ D D

T

t

t BS

MS

tham số của tín hiệu (độ rộng băng, chu kỳ Symbol) và các tham số của kênh ta

có các tín hiệu bị pha-đing khác nhau

Pha-đing phẳng xảy ra khi độ rộng băng tín hiệu nhỏ hơn độ rộng băng của kênh và khi trải giữ chậm nhỏ hơn chu kỳ Symbol Pha-đing phẳng xảy ra thì toàn bộ độ rộng băng tín hiệu phát đi vẫn giữ nguyên, tất cả các thành phần tần số nằm trong đó đều suy giảm nh nhau Ta gọi kênh pha-đing phẳng là kênh biến đổi biên độ hay là kênh băng hẹp

Pha-đing chọn lọc theo tần số xảy ra khi độ rộng băng tín hiệu lớn hơn độ rộng băng kênh và kênh đợc gọi là kênh băng rộng Với điều kiện này, phản ứng xung của kênh có trải giữ chậm đa đờng lớn hơn chu kỳ Symbol Khi đó, tín hiệu nhận đợc bị chồng lên nhau giữa các Symbol cạnh nhau và sẽ bị méo

Nh vậy pha-đing chọn lọc theo tần số do phân tập theo thời gian của tín hiệu phát trên cùng một kênh và gây ra ISI

Dựa vào hiệu ứng Doppler ta có pha-đing nhanh và pha-đing chậm Tùy thuộc vào sự thay đổi nhanh của tín hiệu băng gốc so với tốc độ thay đổi của kênh ta có pha-đing nhanh hay chậm Đối với kênh pha-đing nhanh phản ứng xung của kênh thay đổi nhanh trong một khoảng Symbol Điều này gây ra phân tập tần số do hiệu ứng Doppler và dẫn đến méo tín hiệu Trong thực tế pha-đing nhanh chỉ xảy ra khi tốc độ dữ liệu chậm Đối với kênh pha-đing chậm trải Doppler thấp, sự biến đổi của kênh thấp hơn sự biến đổi tín hiệu băng gốc Nh vậy tốc độ di chuyển của các máy di động (hoặc các đối tợng trên kênh) quyết

định pha đing chậm hay nhanh

1.1.4 Phân loại các hệ thống thông tin di động

Theo cấu trúc, đặc điểm và phơng thức đa truy nhập các hệ thống thông tin vô tuyến di động có thể phân thành nhiều loại khác nhau Theo cấu trúc, chúng thờng đợc phân thành: hệ thống mạng tế bào, hệ thống viễn thông không dây và vành vô tuyến nội hạt Theo đặc tính, các hệ thống vô tuyến di động có thể đợc chai thành các hệ thống tơng tự và các hệ thống số Trong thông tin di động, th-ờng sử dụng các phơng thức truy nhập sau: đa truy nhập phân chia theo thời

gian TDMA (Time Division Multiple Access), đa truy nhập phân chia theo tần

số FDMA (Frequency Division Multiple Access), đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) Sau đây ta điểm qua những đặc tính chủ yếu nhất của từng loại hệ thống vô tuyến di động theo các cách phân loại nh trên

• Phân loại theo tính chất tín hiệu:

Vô tuyến di động tơng tự: Là các hệ thống điện thoại vô tuyến thế hệ thứ

nhất Tín hiệu thoại là tín hiệu tơng tự nhng các kênh điều khiển đã số hoá

Vô tuyến di động số: Là loại thông tin di động mà cả tín hiệu thoại và tín

hiệu điều khiển đều đợc số hoá Ngoài ra hệ thống này còn cho phép khai thác một số các dịch vụ khác nh truyền tin ngắn, fax…

• Phân loại theo phơng pháp song công (vô tuyến):

Song công phân chia theo tần số (FDD): Thờng sử dụng trong các hệ

thống vô tuyến tế bào hay trong vành vô tuyến nội hạt Băng tần tín hiệu đợc chia làm hai, một nửa dành cho đờng lên và nột nửa cho đờng xuống Khoảng cách giữa tần số thu và phát phải cách nhau một lợng cho trớc Ưu điểm là dễ quy hoạch tần số nhng lại phải dùng hai anten một dành cho thu và một dành cho phát hoặc một anten và một Duplexer dẫn tới kích thớc, trọng lợng tăng

Song công phân chia theo thời gian (TDD): Đợc sử dụng hầu hết trong hệ

thống di động thế hệ 2 Trong đó, khoảng thời gian đợc phép truyền đợc chia làm 2, một nửa cho phát và một nửa cho thu Ưu điểm của hệ thống này là tại

BS không cần sử dụng nhiều anten, giảm bớt cồng kềnh Tuy nhiên điều này lại làm cho tốc độ truyền tăng lên hai lần dẫn tới dải thông bị chiếm cũng tăng hai lần và chỉ dùng cho hệ thống tín hiệu số

Trên thực tế, hệ thống GSM kết hợp cả hai phơng thức trên nhằm sử dụng hiệu quả băng tần đợc cấp phát

• Phân loại theo phơng pháp đa truy nhập:

Tài nguyên vô tuyến là hữu hạn do đó tài nguyên tần số đợc phân cho thông tin di động rất hẹp Trong khi đó số ngời dùng đông dẫn tới đụng độ giữa các cuộc gọi Để giải quyết vấn đề này ngời ta dùng các phơng thức đa truy nhập nh FDMA, TDMA, CDMA

trong thông tin di động thế hệ thứ nhất, trong đó băng tần tín hiệu có độ rộng W

đợc chia thành nhiều kênh nhỏ, mỗi cuộc gọi sẽ chiếm một kênh con trong suốt thời gian gọi Đặc điểm của phơng thức đa truy nhập theo tần số là tốc độ truyền thấp, khó áp dụng các dịch vụ phi thoại, hiệu quả sử dụng tần số thấp, có bao nhiêu kênh trong một tế bào thì phải có bấy nhiêu máy thu-phát làm việc

đặt tại BS, vì vậy kết cấu BS cồng kềnh

Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA): Là phơng pháp đa truy

nhập mà trong đó thời gian đợc chia thành nhiều khe, mỗi cuộc gọi chiếm một khe và chiếm toàn bộ tần số Đợc sử dụng hầu hết trong các hệ thống vô tuyến

di động thế hệ thứ hai, hoàn toàn số hoá Đặc điểm của các hệ thống này là dễ dàng mở các dịch vụ phi thoại, thiết bị trạm BS đơn giản do chỉ cần một máy thu-phát làm việc, hiệu quả sử dụng tần số cao hơn so với các hệ thống FDMA

Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA): Là một dạng của đa truy nhập

sử dụng kỹ thuật trải phổ SSMA (Spread Spectrum Multiple Access), trong đó mỗi một thuê bao sử dụng toàn bộ phổ tần nh với TDMA và trong toàn bộ thời gian của cuộc gọi nh với FDMA Các ngời sử dụng đợc phân biệt với nhau nhờ việc sử dụng các mã giả nhiễu PN (PseudoNoice) khác nhau Các u điểm nổi bật của hệ thống này là không phải quy hoạch tần số, hiệu quả sử dụng phổ rất cao, khả năng tái dụng tần số rất cao, độ bảo mật thông tin và khả năng chống nhiễu rất tốt… Tuy nhiên hệ thống CDMA đòi hỏi phải điều khiển công suất phát, đồng bộ rất chặt chẽ Trong tơng lai rất gần, khi nhu cầu thuê bao di động cũng nh các nhu cầu đa dịch vụ tăng lên rất lớn, các biện pháp kỹ thuật và công nghệ đủ mạnh thì các hệ thống CDMA sẽ chiếm u thế tuyệt đối Các hệ thống

thông tin di động tiếp theo sẽ là các hệ thống CDMA và các sự phát triển của

nó

• Phân loại theo cấu trúc hệ thống:

Mạng tế bào: Việc liên lạc trong thông tin vô tuyến di động tế bào đợc

tiến hành giữa một hệ thống trạm gốc cố định BS (Base Station) và các trạm di

động MS (Mobile Station) Về lý thuyết thì mạng đợc tổ chức thành hình tổ ong nhng thực tế lại phụ thuộc vào địa hình, công suất phát, độ nhạy máy thu, mật

độ ngời sử dụng, loại anten… Mạng vô tuyến tế bào đợc sử dụng để tổ chức PLMN, GSM, IS-54…là các hệ thống tế bào tiêu biểu

Viễn thông không dây CT (Cordless Telecommunication): Các mạng không

dây đợc thiết kế cho thông tin di động phủ sóng trên diện tích nhỏ vì vậy tốc độ truyền khá cao mà không cần các bộ san bằng phức tạp, thậm chí cũng không nhất thiết phải

áp dụng mã hoá kênh Các mạng không dây tiêu biểu là DECT (Digital European Cordless Telecommunications) của châu Âu, CT-2 của Anh…

Vành vô tuyến nội hạt WLL (Wireless Local Loop): Sử dụng để nối các

thuê bao hiện diện quanh một trạm gốc đơn tới mạng liên lạc công cộng bằng các thiết bị vô tuyến Chất lợng cũng nh hệ thống hữu tuyến Thờng đợc lắp đặt những nơi có mật độ thuê bao thấp Thủ tục lắp đặt nhanh chóng, chi phí bảo trì

và điều phối khá rẻ

1.2 Khái quát về hệ thống GSM

1.2.1 Giới thiệu chung Một mạng vô tuyến tế bào gồm các BS đặt giữa các tế bào đợc bố trí thành mạng hình tổ ong Các băng sóng đờng lên, đờng xuống có độ rộng W đợc chia thành các phần Bc và mỗi giải con Bc đợc gán cho một tế bào, N tế bào lân cận nhau hợp thành từng cụm N trạm gốc BS với W=N.Bc Các cụm này lại ghép sát nhau và phủ kín vùng cần phủ sóng là phần diện tích cần cung cấp dịch vụ liên lạc di động Giữa các vùng phủ sóng, các mạng nối với nhau có thể bằng đờng trục riêng hoặc thông qua PSTN