Đồ Án Thông Tin Vô Tuyến

Những yếu tố chính ảnh hởng đến tín hiệu cự ly của tín hiệu vô tuyến là tần số đợc sử dụng để phát quảng bá và thu tin tức, là độ dàI và chiều cao của anten, là công suất phát tín hiệu v

Chơng I: nguyên lý thông tin vô tuyến

Heaviside phát hiện một yếu tố là tầng điện ly ở phía trên của khí quyển có thể dùng làm vật phản xạ sóng điện từ Những yếu tố đó đã mở ra một lỷ nguyên thông tin vô tuyến cao tần đạI quy mô Gần 40 năm sau Marcôni, thông tinvô tuyến cao tần là phơng thức thông tin vô tuyến duy nhất sử dụng phản xạ của tầng đôí lu, nhng nó hầu nh không đáp ứng thông tin ngày càng

Thông tin vô tuyến ứng dụng cho truyền thông công cộng chủ yêú chia làm 3 phần:

-Thông tin vi ba cố định truyền dẫn, chuyển tiếp đờng dài -Thông tin di động

-Thông tin vệ tinh

Do đó khi nghiên cứu cơ sở của thông tin di động ta cần nhắc lạI nguyên lý của thông tin vô tuyến Cơ sở truyền thôngtin di động đợc dựa trên sự truyền thông tin vô tuyến

Tất cả các dịch vụ vô tuyến để truyền dẫn kể cả thông tin di động mà

đợc nghiên cứu trong đề tàI này đều sử dụng vô tuyến điện(radio) làm phơng tiện truyền dẫn Đối với một số ngời, nó nhắc đến một kỷ nguyên vàg công nghệ hoàn toàn mới Vì thế cho nên những dịch vụ vô tuyến mới phảI tiêu biểu cho một sự tiến bộ về công nghệ và có lẽ còn phảI tiêu bieeur cho một

kỷ nguyên mới trong viễn thông Hiện nay có rất nhiều dịch vô tuyến đã đợc

sử dụng cho viễn thông và còn đang xuất hiện những kháI niệm mới Mỗi kháI niệm tơng ứng với một mắt nối truyền thông thiết yếu, song để đảm bảo

một cuộc liên lạc nh khách hàng mong muốn thì tất cảcác dịch vụ vô tuyến này phảI đợc kết nối với nhau và hầu hết phảI kết nối vào mạng công cộng hiện có

Truyền dẫn có nhiều phức tạp và việc đạt đợc chất lợng dịch vụ thoảI máI đối với cuộc đàm thoạI dù cách xa nhau vàI ba km đôI khi cũng khó khăn nh nói với ngời trên vũ trụ Những yếu tố chính ảnh hởng đến tín hiệu

cự ly của tín hiệu vô tuyến là tần số đợc sử dụng để phát quảng bá và thu tin tức, là độ dàI và chiều cao của anten, là công suất phát tín hiệu và những cản trở gặp phảI trên đờng truyền tin tức, phụ thuộc vào có bao nhiêu ngời sử dụng băng tần vô tuyến riêng liên quan đến dảI sóng của tín hiệu và phụ thuộc vào kỹ thuật ghép kênh đợc sử dụng

Phần này sẽ đợc trình bàygiúp cho ngời mới làm quen với thông tin vô tuyến và thông tin di động nắm đợc cơ sở của thông tin vô tuyếncũng nh những hiểu biết chung về thông tin di động

II.Cơ sở của thông tin vô tuyến

ra trong khoảng thời gian 1s

Sự lặp đI lặp lạI, hay các dao động này trớc đây gọi là số chu kỳ trong 1s, bây giờ gọi là 1Hz trong 1s để kỷ niệm ngời khai sinh ra vô tuyếna điện, Hienrich Hertz Tần số của các dao động này có thể biến đổi từ 1 Hz tới hàng ngàn tỷ lần trong 1s và toàn bộ dảI các tần số này gọi là phổ tần

2 Các dảI băng tần và dảI thông

Chỉ có một phần của toàn bộ phỏ tần là thích hợp với truyền dẫn vô tuyến Nhìn chung, nó đợc xem là trảI rộng từ 30 kHz-300GHz Một vàI truyền dẫn vô tuyến có thể tiến ahnhf với các tần số thấp tới 72 Hz, nhng thực tế 100 Hz là giới hạn trên mà công nghệ hiện tạI có thể hực hiện đợc Phổ tần số vô tuyến đợc phân chia thành các nhóm lứon gọi là băng tần mà mỗi băng có tên riêng để mô tả Ví dụ nh VHF: tần số rất cao ,UHF : tần số siêu cao , siêu cao tần…

Kích cỡ của mỗi băng tần đợc xác định bằng dảI thông ( độ rộng dảI ) của nố Đó chỉ là hiệu số giữa các tần số thấp nhất và cao nhất trong một băng tần

Ví dụ: VHF – dảI thông 270 MHz (vì fmin=30MHz và

fmax=300MHz)

UHF –dảI thông là 490 MHz ( fmin =470MHz và fmax=960MHz )

Anten dùng để phát xạ hoặc thu tín hiệu vô tuyến Để công suất phát

và công suất thu tối đa thì anten phát có kích thớc tối u Kích thớc này có quan hệ với bớc sóng của tín hiệu Về cơ bản, tần số càng lớn với bớc sóng ngắn đòi hỏi anten càng nhỏ Một anten tối u thờng có kích thớc 1/2 bớc sóng Tuy nhiên do các anten đợc dựng thẳng đứng trên bề mặt kim loạI hay mặt đất nên thờng có 2 mặt dẫn điện Một gọi là phần thực, gọi là vật dẫn thực Phần kia gọi là vật dẫn ảnh, chỉ tồn tạI theo một cảm nhận vềđiện tr-ờng Vì lý do đó, để cungcấp đợc các đặc tính tối u cho một tần số nào đó, anten phảI có tần số bằng 1/4 bớc sóng và đợc gọi là “anten 1/4 bớc sóng ’’ Kích thớc vật lý của anten còn có thể giảm đI nữa nếu lấy thêm một linh kiệnđiện gọi là cuộn cảm ứng.Kỹ thuật này gọi là kỹ thuật gia cảm, có thể làm giảm kích thớc anten của dảI sóng ngắn nghiệp d mà thờng phảI cần đến

độ dàI 3m xuống còn 1m

5 Tăng ích anten

Anten thờng có một độ lợi(tăng ích) danh định biểu thị bằng

Decibel(db) Phép đo này tính theo Loga của tỷ số giữa hai công suất tín hiệu

Liên quan đến anten đang xét với một anten chuẩn Độ lợi hoặc độ tăng cờng độ tín hiệu này không phảI do bất kỳ sự khuyéch đạI tín hiệu nào

mà chỉ biểu thị cho sự chênh lệch về cờng độ tín hiệu giữa tín hiệu có thể thu

) (

) / ( ) (

Hz f

s m c

mα =

đợc từ một anten đằng hớng mà về mặt lý thuyết nó bức xạ một cách đồng

đều theo mọi hớng so với một anten định hớngtập trung tín hiệu theo một ớng nhất định Cũng nh vậy, một anten cho bao nhiêu độ lợi khi phát thì cũng cho bấy nhiêu độ lợi khi thu Ngời ta thờng đánh giá các trạm vô tuyến

h-sử dụng các anten tăng ích theo công suất bức xạ hiêụ dụng Một máy phát sản sinh ra 1w công suất đI qua một anten có độ tăng ích bằng 10 sẽ cho một bức xạ hiệu dụng(ERP) bằng 10w

6 Các đặc tính truyền lan cũa sóng vô tuyến

Vì kích thớc các bớc sóng khác nhau cho nên các tín hiệu vô tuyến truyền lan trong không gian theo các cách khác nhau Một số sóng rất thích hợp cho các đờng truyền dẫn có cự ly xa trong khi một số sóng khác lạI bị giới hạn trong cự ly ngắn Thông thờng thì tần số càng cao thì cự ly tín hiệu Truyền đI càng ngắn Các tần số có bớc sóng dàI có xu hớng đI theo bề cong của tráI đất ĐIũu đó giảI thích tạI sao các băng tần VLF và LF đặc biệt thích hợp cho mục đích đạo hàng cự ly xa và truyền dẫn toàn cầu Các tín hiệu dới

30 MHz, chủ yếu là các tín hiệu trong băng sóng trung MF, sẽ đI thẳng lên trời nhng một phần năng lợng của chúng phản xạ trở lạI làm cho sóng bị gấp khucs Hiệu ứng gấp khúc này cho phép truyền thông cự ly dàI nhng không hảI lúc nào cũng đủ độ tin cậy Trong dảI sóng VHF và cao hơn, các tín hiệu vô tuyến bị uốn cong và những bớc sóng đợc phát đI trong không trung sẽ không bị phản xạ trở lại Các tần số này rất hữu ích cho truyền thông theo tầm nhìn thẳng(trực thị) nhng lạI rất bất lợi cho các cuộc truyền thông cự ly

xa trừ khi chúng hớng vào một vệ tinh, để sau đó vệ tinh lạI phát chúng về tráI đất

Quá trình truyền lan sóng vô tuyến cũng bị ảnh hởng bởi mức công suất đợc dùng để phát tín hiệu Mức công suất phát tín hiệu của sóng vô tuyến đợc biểu thị bằng Watt giống nh công suất của cacs dụng cụ điện gia

đình, chỉ khác là các gía trị Watt thờng thấp hơn nhiều Cùng tồn tạI một mối quan hệ giữa các mức công suấtvà tần số trong đó các tần số càng cao, bớc sóng càng ngắn thì đòi hỏi các mức công suất càng cao để phát đI tín hiệu trên cùng một cự ly nh các tần số thấp hơn Cho dảI VHF chẳng hạn,

là100w, trong khi nếu phát ở dảI UHF thì phảI có công suất phát cực đạI là 5000w

Cờng độ tín hiệu của một sóng vô tuyến giảm đI rất nhanh khi nó rời anten phát Với đIũu kiện tuyệt đối không bị che chắn, mức giảm cờng độ tín hiệu thu đợc là 10mw(1/100 của w) khi anten phát ở cách 1609m sẽ chỉ còn 2,5mw khi cách máy phát 3218m và chỉ còn 0,1mw tạI khoảng cách

16090m Trong thực tế, do các vật chắn(các cao ốc ) hoặc các vật hấp …

thụ(các cây cao ), suy hao còn có thể lớn hơn rất nhiều, đạt trị số nghịch …

đảo của luỹ thừa năm hay luỹ thừa sáu của khoảng cách

Các tín hiệu vô tuyến không đến máy thu với cờng độ không đổi

Ng-ợc lạI chúng còn bị pha đinh Các tín hiêu phát thanh AM có mức độ biến

đổi do tín hiệu trực tiếp từ máy phát đI dọc theo bề mặt tráI đất có thể bị lệch nhau tuỳ thuộc vào vị trí sóng hình sin Sự lệch pha này triệt tiêu hoặc làm tăng cờng tín hiệu

Pha đinh cũng xảy ra đối với truyền dẫn trực thị, chẳng hạn phát thanh

FM hoặc mạng di động tế bào, do có can nhiễu giữa tín hiệu thu đợc trực tiếp

từ máy phát và tín hiệu bị phản xạ từ các cao ốc hoặc từ bề mặt tráI đất Pha

đinh xảy ra đối với các máy di động cầm tay khi thuê bao chuyển động giữa các vùng nơI mà các tín hiệu bị cộng hoặc trừ đI

Trực tiếp liên quan đến hiệu ứng gây ra phâ đinh là hiệu ứng truyền dẫn đa đờng : tín hiệu đến trên cả đờng trực tiếp và đờng phản xạ hoặc trên hai đờng phản xạ NgoàI việc làm thay đổi mức tín hiệu thu, hiệu ứng này còn làm xấu đI chất lợng của tín hiệu

Đối với các hệ thống vô tuyến số (Digital) nh các hệ thống đợc dùng trong một số ứng dụng mạng tế bào mà ta sẽ trình bày ngay sau đây Truyền dẫn đa đờng làm cho một xung thông tin nào đó đợc thu nhận vàI lần, hơI bị dãn cách về thời gian theo một phía, do sự khác nhau về khoảng cách đã đI của sóng trực tiếp và sóng phản xạ Xung này không có cờng độ giống nhau khi thu đợc qua một số đờng đI Các hiệu ứng không mong muốn của sự tán xạ hay khoảng trễ này đợc khống chế bởi các thiết kế hệ thống thích hợp

Các tín hiẹu vô tuyến chịu sự can nhiễu từ nhiễu tạp âm khác nhau Can nhiễu từ các nguyê nhân tự nhiên, chủ yếu là sấm, chớp , thờng rất mạnh

ở tần số dới 1MHz nhng giảm dần và trở thành thứ yếu ở tần số 30MHz Tạp

âm từ các đờng dây điện lực có thể rất mạnh ở dảI băng tàn này Các hệ thống đánh lửa ở xe ôtô tạo can nhiễu khá mạnh nhng tạp âm này sẽ giảm nhiều ở tần số cao hơn 300MHz Kết quả là đốivới nhiều ứng dụng vô tuyến dợc đề cập tới phần lớn tạp âm thờng thấy thực tế đợc tạo ra trong chính máy thu của khách hàng

7 Các hệ đIũu chế

Các sóng vô tuyến truyền tảI thông tin từ một vị trí khác theo một nghĩa nào đó thì chúng tơng tự nh các toa xe lửa ở chỗ chúng chỉ hữu ích khi chúng chuyên chở một cáI gì đó Tần số của sóng vô tuyến dùng để vận chuyển đợc gọi là tần số sóng mang Thông tin cần vân chuyển đợc trộn lẫn với sóng mang nhờ một quá trình đợc gọi là đIũu chế

Cần phảI có quá trình đIũu chế bởi vì tin tức của tín hiệu, nh tiếng nói chẳng hạn, thờng có tần số rất thấp, tới mức không dễ gì đợc phát xạtrong không gian Có hai hình thức đIũub chế đợc sử dụng là đIũu biên(AM) và

đIũu tần(FM) Các hình thức khác là đIũu chế biên độ cầu phơng(QAM) và

đIũu xung mã(PCM)

Ngời ta cũng thờng sử dụng kết hợp các kỹ thuật đIũu chế Chẳng hạn phát thanh FM stereo sử dụng cả FMvà AM Các hệ thống vô tuyến digital biến đổi các tín hiệu tiếng thành xung mã, sau đó sử dụng QAM hoặc PM để chuyển dòng xung theo tín hiệu vô tuyến

a.đIũu biên AM

ĐIũu biên AM là hình thức đIũu chế đầu tiên và vẫn còn rất thông dụng đặc biệt là đối với các đàI phát thanh thơng mạI Nếu bạn chỉnh máy thu tới 1000khz thì tần số sóng mang là 1000khz Các âm thanh tiếng nói đợc phát

đI trên tần số này đợc trộn với tần số sóng mang 1000khz đó Biên độ hay kích thớc sóng hình sin của tần số sóng mang sẽ tăng hay giảm theo cùng một tốc độ nh tốc độ tín hiệu tiếng nói

Vì AM biến đổi biên độ của sóng mang nên nó rất dễ bị tác động bới các tín hệu không mong muốn(hay tạp âm) chứa lẫn trong nội dung thông tin khi tín hệu đợc phát đi Khi sóng mang đợc loạI bỏ tạI máy thu vô tuyến (đợc giảI đIũu chế), tạp âm vẫn còn lạI với thông tin một đặc tính không vốn có

Do sự hạn chế này, đặc biệt tạp âm từ các hệ thống đánh lửa của xe cộ, ngày

từ đầu AM không thật thích hợp đối với các ứng dụng trong thông tin di

động ĐIũu biên vẫn còn đợc ứng dụng trong một số trờng hợp, chẳng hạn trong hàng không, nơI các nguồn tạp âm đợc khống chế theo cách riêng.b.ĐIều kiện cầu phơng(QAM)

Một phơng án đặc biệt của đIều chế biên độ, gọi là đIũu biên cầu phơng QAM, đợc sử dụng cho các hệ thống digital chẳng hạn nh các hệ thống

truyền dẫn vi ba và phát thanh AM analog stereo QAM tạo ra hai sóng mang của cùng một tần số nhng đợc tách ra tạI máy thu, cho nên tăng gấp đôI dung lợng của sóng vô tuyến

c.ĐIều tần(FM)

Để khắc phục vấn đề tạp âm cố hữu của AM, ngời ta phát triển đIều tần Với

đIều tần FM, tần ssố sóng mang, chứ không phảI là biên độ sẽ đợc biến thiên theo thông tin của tín hiệu cần đợc mang đI(tiếng nói, âm nhạc ) Do…

để cho tần số biến đổi, phần lớn nó sẽ không bị tác độngbởi bất kỳ tạp âm nào nó gặp sau khi tín hiệu đợc phát ra FM đợc sử dụng ở nơI mà việc giảm nhỏ tạp âm(thông tin di động ) và tính trung thực của tín hiệu(phát thanh FM stereo) có vai trò quan trọng

* Lấy mẫu

Theo lý thuyết thông tin, để truyền các thông tin trong một tín hiệu khoong nhất thiết phảI truyền toàn bộ thông tin đó Chỉ cần chuyển các mẫu tách ra

từ tín hiệu đó theo định luật lấy mẫu của nó là đủ Đây là nguyên tắc lấy mẫu Về ý nghĩa đIện học, lấy mẫu tức là lấy ra các giá trị tức thời của tín hiệu tơng tự vào những khoảng thời gian cách đều nhau Tín hiệu mẫu là một dãy xung mà đờng bao của nó là tín hiệu gốc

Hình 13

Theo lý thuyết lấy mẫu tin tức chứa trong tín hiệu sẽ không bị ảnh hởng khi lấy mẫu Tín hiệu lấy mẫu chứa trong nó toàn bộ thông tin tín hiệu gốc nếu:-Tín hiệu gốc có băng tần hữu hạn, tức là nó không có thành phần tần số ngoàI một tần số B nào đó

-Tốc độ lấy mẫu phảI lớn hơn hoặc bằng 2 lần B tức là fs >=2B

Trong kỹ thuật đIện thoạI, vùng phổ tiếng nói từ 300 Hz -> 3400Hz đợc

sử dụng Trong thực tế, phổ tiếng nói của ngời kéo dàI kéo từ tần số thấp nhất là khoảng 100Hz cho tới tần số âm rất cao Băng tần này đã đợc máy

đIện thoạI hạn chế bớt nhng mức hạn chế ở vùng tần số cao vẫn cha đủ, vì vậy trớc khi lấy mẫu, tín hiệu tiếng nói cần phảI qua bộ lọc thông thấp để hạn chế bớt phổ tiếng nói dới 3400Hz Tần số lấy mẫu 8000Hz đợc dùng cho hệ thống đIện thoạI PCM Tần số nàylớn hơn hai lần tần số cao nhất trong băng tần tín hiệu thoạI là 3400Hz một ít do những khó khăn khi chế tạo những bộ lọc thông thấp có đủ độ dốc

*Lợng tử hoá

Các mẫu lấy từ một tín hiệu tần số âm thoạI(VF) trong một khoảng biên

độ liên tục Kế đến là chia khoảng biên độ này ra thành một số khoảng nhất định Tất cả các mẫu tin có biên độ rơI vào một khoảng nhất định thỉ

đợc cho cùng một giá trị Đó là nguyên tắc lợng tử

Hình 14

Việc làm tròn biên độ mẫu xung không thể tránh khỏi sai số dẫn đến biến dạng lợng tử Biến dạng này có thể giảm khi ta tăng đủ lớn số lợng mức biên độ cho phép và hoàn toàn chấp nhận đợc vì có thể truyền dẫn không

có lỗi khi chỉ có một số nhất định các biên độ rời rạc Rõ ràng độ méo

l-ợng tử hoá không độc lập mà có liên quan đến biên độ, các xung mẫu nhỏ

có biến dạng lợng tử nhỏ còn những xung mẫu lớn phảI nhận bến dạng ợng tử lớn Từ đó cho ta giảI pháp tối u giữa chất lợng truyền dẫn và số l-ợng khoảng lợng tử Ngời ta thờng sử dụng phơng pháp tăng khoảng lợng

l-tử theo biên độ có thể nhận đợc tỷ số tín hiẹu và tạp âm lợng l-tử gần nh không đổi trong cả dảI tiếng nói khi khống chế sự biến đổi kích thớc khoảng đIện tử theo hàm số logarit Phơng pháp này cho phép sử dụng mức lợng tử ít hơn nhiều so với phơng pháp lợng tử hoá theo khoảng cách

đều nhau

*Mã hoá

Các mẫu xung đã đợc lợng tử hoá vẫn cha phù hợp để truyền dẫn vì khó có đợc mạch đIện táI tạo xung mà vẫn có thể phân biệt đợc số lợng lớn các biên độ mẫu, thờng là 2Π, cần cho tín hiệu tiếng nói Các mẫu l-ợng tử này đợc mã hoá thành một mã thích hợp Đến đây tín hiệu đã có thể truyền đI dới dạng chuỗi xung nhị phân

Hình 3.6

Nh vậy, trong kỹ thuật đIện thoạI ta dùng 2Π mức lợng tử nên mỗi mẫu xung đợc mã hoá bằng một nhóm mã hoặc đợc gọi là từ mã PCM, chá 8 xung nhị phân(8 bits)

Do tần số lấy mẫu là 8000mẫu/s, tín hiệu mã đa tần của tiếng nói sẽ tạo ra tín hiệu và với tốc độ 64kbit/s

*Trên nguyên tắc PCM các hệ thống truyền dẫn PCM gồm một máy phát một đờng truyền và một máy thu để thiết lập một đờng liên lạc hai chiều mỗi hệ thống phảI có một bộ thu phát tạI mỗi đầu cuối và một đờng

truyền dẫn 4dây giữa hai đầu Đờng truyền dẫn phảI đợc trang bị các bộ lặp tạI những khoảng đều nhau, táI tạo các bits đến rồi truyền đI tiếp dòng bits đã đợc táI tạo

Để tăng dung lợng, hệ thống PCM dùng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian(TDM) Vì các mã của mẩu tin đợc truyền đI rất nhanh nên các mẫu đến từ nguồn khác nhau có thể truyền đi trên cùng một đờng truyền, ở các thời đIểm khác nhau mỗi mẫu đợc ghép vào một khe thời gian

TạI đầu thu, mã nhị phân đợc biến đổi ngợc trở lạI thành dạng tiếng nói analog bao gồm táI tạo, giảI mã và khôI phục gọi là quá trình giảI

đIều chế

8.Các lĩnh vực kỹ thuậ ghép kênh

Để làm tăng dung lợng của dảI vô tuyến dùng cho một lĩnh vực nào

đó, chẳng hạn nh dịch vụ mạng tế bào, ngời ta s dụng các kỹ thuật ghép kênh Ghép kênh có nghĩa là các kỹ thuật thuê bao cũng sử dụng một đ-ờng truyền dẫn chung chẳng hạn nhu sử dụng chung một đờng cáp, một vàI tần số và một vàI thời gian Ghép kênh có thể ví nh việc làm gia tăng

lu lợng qua lạI của một cây cầu bắc qua sông Các làn đờng hiện có của cầu có thể thu hẹp để chứa đợc nhiều làn đờng hơn, hoặc có thể thêm toàn

bộ một tầng mới cho cây cầu Trong mọi trờng hợp cây cầu không rộng hơn trớc nhng bây giờ nó có thể vận chuyển đợc nhiều xe hơn trên suốt chiều dàI của nó.Ghép kênh có thể đợc phân loạI nh: ghép kênh phân chia theo không gian(SDM), theo thời gian(TDM), theo tần số(FDM) hay theo mã(CDM) Ví dụ một nhóm các kênh có thể tạo nên một kênh bằng việc ghép kênh phân chia tần số và nó bị tachs biệt với các kênh khác trên một

đờng cáp truyền dẫn Ghép kênh đợc sử dụng cho các đờng đIện thoạI,

FM stereo và kiểm tra chính xác không gian của hệ thống đó từ xa

Đối với thông tin di động số cellular mà ta sẽ xét, có 3 hình thức ghép kênh là FDAM(frequency division Multiple access- đavtruy nhập phân chia theo tần số), TDMA(Time division multiple Access- đa truy nhập phân chia theo thời gian) và CDMA(Code Division multiple Access- đa truy nhập phân chia theo mã)

Liên quan đến việc ghép kênh là dảI thông mà mỗi kênh hoặc mỗi mạch chiếm trong một băng tần nào ddó DảI thông đã đợc đề cập đến trớc

đây khi nói về các băng tần Nó đơn giản là sự chênh lệch giữa các tần số cao nhất và thấp nhất trong băng Cùng một kháI niệm nh vậy cũng đợc áp dụng cho các kênh theo một quy mô nhỏ hơn DảI thông của kênh giống nh bề rộng của một làn đờng thông trên cây cầu, chúng có thể rộng hoặc hẹp

*SDM: Là một phơng pháp ghép kênh mà nhiều thuê bao sử dụng đồng thời một đờng cáp bằng việc ràng buoọc vào đờng truyền dẫn riêng biệt vào một cáp chung chẳng hạn nh đờng đIện thoạI đợc tạo nên bởi hàng trăm, hàng ngàn đôI dây

*TDM: Là một phơng pháp ghép kênh mà ngời ta phân chia thời gian truyền số liệu của một cáp truyền dãan bằng phân chia thời gian và gán cho nó mỗi kênh con Các kênh con tốc độ thấp này sử dụng một đờng truyền dẫn tốc độ cao theo từng phần bởi việc gửi các số liệu của nó khi việc phân chia thời gian đợc gán một cachs định kỳ

* FDM là một phơng pháp ghép kênh màngời ta phân chia dảI thông của một đờng truyền dẫn (một băng tần) thành vàI dảI thông con và ấnđịnh mỗi phổ tín hiệu đợc gửi từ mọt thiết bị tốc đọ thấp nào đó một cách đồng thời bằng việc ghép kênh vào tần số trung tâm của mỗi thuê bao để phân tách nó với các tần số khác bằng bộ ọc thông băng FDM nói chung sử

dụng đIều chế FSK nhng đôI khi sử dụng đIều chế PSK( khoá dịch pha)

do nó là tốc độ thấp và có băng che chắn nhằm ngăn ngừa sự can nhiễu từ các kênh lân cận

Nói chung, trong thực tế TDM tốt hơn FDM về nhiều mặt Thứ nhất là việc lắp đặt hệ thống là giản đơn do không cần đến bộ đIều chế thuê bao bộ đIều chế, bộ giảI đIều chế hoặc bộ lọc thông băng giống nh của FDM trong mỗi kênh đIện báo Thứ 2, Bất lợi của xuyên âm giữa các kênh xảy ra do việc lọc kênh cha hoàn hảo và đặc tính không tuyến tính không thể bị ảnh hởng Thứ 3 là TDM có tốc độ truyền dẫn cao hơn vì nó không cần băng che chắn bảo vệ nh FDM và sử dụng hoàn toàn dảI thông đợc ấn định Nhng TDM đòi hỏi phảI đợc đồng

bộ, chính xác hơn FDM Hiện tợng fađing có lựa chọn băng hẹp, một hoặc một vàI kênh có thể bị mất ở FDM nhng tất cả các kênh bị méo ở TDM

9.Kỹ thuật phân tập

Trong thu sóng vô tuyến, hiện tợng fađinh là cờng độ trờng thu bị biến

đổi theo thời gian Hiện tợng phađinh bị phân chia thành phađinh nhanh và phađinh chậm hay phađinh chọn lọc và phađinh đồng bộ tuỳ theo các đặc tính tần số

Phađinh chọn lọc là hiện tợng phađinh xảy ra ở trên một phần băng tần của dảI thông truyền dẫn

Phađinh đồng bộ có nghĩa là cờng độ trờng thu đợc thay đổi cân đối trên toàn bộ băng tần trong dảI thông truyền dẫn

Phađinh phân cực xaỷ ra khi mặt phẳng phân cực của sóng vô tuyến đI tới bị thay đổi theo anten thu hoặc sóng đIện ly chịu ảnh hởng của từ trờng tráI đất

Phađinh nhảy cấp đợc hiẻu là tínhiệu bị ngắt quãng do sự thay đổi đặc trngcuả lớp đIện ly xung quanh khoảng cách nhảy lớp trong quá trình thông tin để giảI quyết vấn đề này một bộ đIều lợng sẵn có cho đồng

bộ phađinh và kỹ thuật phân tập là có sẵn trong phađinh chọn lọc

Kỹ thuật phân tập có nghĩa là thu các tín hiệu riêng rẽ từ hoặc nhiều hhệ thống thu mà chúng không có hoặc có rất ít mối quan hệ lẫn nhau

và sau đó tổng hợp hoặc phân tập một cách tự động tín hiêụ này để dễ

sử dụng trớc và sau khi tách sóng Kỹ thuật này đợc phân ra làm phân tập không gian, tần số, phân tập, phân cực tuỳ theo hệ thống thu

Kỹ thuật phân tập không gian sử dụng sự dao động phađinh độc lập của vị trí riêng rẽ xung quanh đIúm thu Nói chung hai hoặc ba anten

đợc lắp đặt riêng rẽ và tổng hợp hoặc chuyển hớng tín hiệu tới ngời sử dụng sau khi thu chúng một cách riêng rẽ đặc biệt thông tin vệ tinh là loạI

hình duy nhất của các hệ thống viba hoạt động ở tần số cao chịu sự suy giảm trong ma Có thể giải quyết sự suy giảm bằng viêc lắp đặt anten trong cự ly cách nhau vài dặm khác nhau nh việc phân chia không gian

Kỹ thuật phân tập tần số sử dụng sự giao động pha đinh bằng việc thay đổi tần số Một tín hiệu đợc gửi đi đồng thời qua nhiều tần số Nhợc điểm của kỹ thuật này là đòi hỏi dải thông rộng cho cả hai đầu phát và thu

Kỹ thuật phân tập phân cực có nghĩa là kỹ thuật thu tín hiệu riêng rẽ thông qua angten khác nhau đợc phân cực 900 với nhau Nó không đợc dùng trong thông tin cự ly xa vì kém hiệu quả hơn hai kỹ thuật trên Bộ hạn chế đã

đợc sử dụng tốt trong điện báo, cũng nh việc điều chế thích hợp hoặc angten chống pha đinh đã đợc sử dụng để giảm hiện tợng pha đinh

10 Can nhiều và phối hợp tần số

Can nhiều với các tín hiệu vô tuyến có thể do các tín vô tuyến có thể do các tín hiệu vô tuyến khác của con nhời tạo ra hai nguồn chính của can nhiều này là”can nhiều kênh lân cận “ và “can nhiều cùng kênh “ Trong cả hai tr-ờng hợp, ngời ta đều có biện pháp để giảm can nhiều đó Các biện pháp này

có thể bao gồm các tiêu chuẩn về tính năng thiết bị, việc định khoảng cách kênh chính xác, việc phân cách quản lý các thuê bao và việc phối hợp sử dụng tần số trong một khu vực cho trớc

a> Can nhiều kênh lân cận

Nếu các kênh vô tuyến đợc bố trí quá sít và nếu các bộ lọc điện tử không hợp

lý thì các tín hiệu từ một kênh vô tuyến có thể gây can nhiêù với một kênh lân cận Các kênh lân cận này hoạt động dựa trên những tần số khác nhau nhng chúng quá gần nhau đủ để can nhiều có thể xảy ra Vấn đề này đợc khắc phục bằng thiết kế hệ thống đúng đắn và sản xuất thiết bị có dung sai

đặc biệt cũng nh yêu cầu giãn cách giữa các thuê bao trên các kênh kề liền nhau trên cùng một vùng địa lý

b> Can nhiều cùng kênh

Không giống nh can nhiều kênh lân cận, can nhiều cùng kênh xảy ra khi các tín hiệu từ một nguồn này gây ra can nhiều với một nguồn khác trong trờng hợp các kênh sử dụng cùng một tần số nh nhau Hiện tợng này đợc làm giảm

đến mức có thể chấp nhận đợc nhờ sự phân cách về mặt địa lý các maý phát vô tuyến và sự hạn chế về mặt công suất của máy phát Các trạm có anten tại các độ cao đáng kể thờng hạn chế đợc mức công suất để giảm tiềm năng tạo

ra can nhiều Trong một số hệ thống tế bào, việc tái sử dụng tần số là căn cứ vào thiết kế hệ thống, thiết kế này chủ động phân cách về mặt vật lý các tế bào, sử dụng cùng một tần số nh nhau theo một phơng pháp định trớc Các hệ thống vô tuyến khác phải đợc phân tách cự li tính theo dặm riêng do FCC công nhận FCC yêu cầu các nhà khai thác đệ trình các số liệu ghi rõ khả năng gây can nhiều Nhiệm vụ này lúc đầu đợc thực hiện bằng tính toán thủ công trong phòng thí nghiệm, ngày nay đã có thể xác định liệu hệ thồng hiện

hành có bị ảnh hởng bởi một tín hiệu vô tuyến mới đợc đa vào hay không bằng các chơng trình mày tính.

III> Các ứng dụng của thông tin vô tuyến

Thông tin vô tuyến có rất nhiều ứng dụng nh đạo hàng vô tuyến, phát thanh truyền hình, điện báo, điện thoại, hàng không, vệ tinh Ngời ta chia làm 3 phần trong truyền thông công cộng:

-Thông tin viba cố định để truyền dẫn và chuyển tiếp đờng dài

-Thông tin di động, mà các dịch vụ của nó gần đây ngày càng sôi động

-Thông tin vệ tinh

1.Thông tin cố định

Sử dụng viba là chủ yếu, đợc chấp nhận sử dụng trong dịch điện thoại điện báo ảnh, phát thanh, truyền hình Thông tin viba với các bớc sóng ngắn có hớng tính mạnh và ít chịu ảnh hởng của các kênh khác Trong phơng thức thông tin này, các trạm lắp đặt với tầm nhìn thẳng không có chớng ngại vật với mức công suất thấp chỉ cần 1W là đủ để truyền thông bởi vì tăng ích anten cao, đủ để bù cho suy hao đờng truyền dẫn Với tần số truyền dẫn từ 3-12GHz nó có thể truyền nhiều tín hiệu điện thoại và tín hiệu truyền hình Ngoài ra với tỉ số S/N cao và băng tần rộng nó thích hợp cho thông tin FM Thông tin viba đòi hỏi nhiều chi phí và công nghệ trong việc lắp đặt hệ thống thông tin nhng gái thành cho mỗi kênh liên lạc lại kinh tế hơn do nó có rất nhiều kênh Việc thông tin vô tuyến kỹ thuật số rất phù hợp để truyền dẫn số liệu tốc độ cao nh ngành famacile và hình ảnh Nó có u điểm chống can nhiều nhiều và kinh tế nhờ việc ghép kênh

Vô tuyến cố định ngay từ khi vuất hiện đã đem lại những ứng dụng rất lớn

và rộng rãi Tuy nhiên trong thông tin cố định còn một vài nhợc điểm nh dung lợng tần số, chủ yếu sử dụng phơng pháp ghép kênh phân chia theo tần

số dẫn đến viịec hạn chế số lợng các thuê bao

2.Thông tin di động

Gần đây thong tin di đọng dã trở thành một ứng dụng trong lĩnh vực thông tin vô tuyến Sự phát triển của thông tin di động đợc bắt đầu bằng phát minh thí nghiệm sóng điện từ của Heztz và điện báo vô tuyến của Marconi và vào thời kỳ đàu của phát minh sóng vô tuyến, nó đợc sử dụng trong dịch vụ vận tải an toàn đờng biển để điều khiển các con tàu Đối với thông tin vô tuyến mặt đất, sau chiến tranh thế giới thứ nhất, hệ thống điện thoại di động vô tuyến dã đợc lắp đặt và khai thác trong ngành cảnh sát Trong dịch vụ thông tin di động hàng không- một hệ thống đợc khai thác ở dải sóng HF và VHF

đã đợc thiết lập để kiểm soát bay Hiện nay, hệ thống điện thoại xe cộ tự

động và hệ thống điện thoại di động tàu bè đợc thiết lập để dụng trong thực

tế Ngời ta sử dụng chuông bỏ túi điện thoại không dây, dải băng nghiệp d cá nhân và một số các dịch vụ thong tin vô tuyến di động khác nhau chẳng hạn nh dịch vụ vệ tinh hàng hải, điện thoại trên tàu hoả, máy bay trong t-

ơng lai không xa, tần số cận viba cũng đợc sử dụng.Với những ứng dụng to lớn nh trên , thông tin di động ngày càng phát triển, nó khắc phục đợc các nhợc điểm của thông tin cố định nh bớt cồng kềnh, có thể vừa di chuyển mà vẫn thực hiện truyền thông tin nh các phơng pháp ghép kênh làm tăng số l-ợng thuê bao Nó phát triển từ truyền dẫn tơng tự đến truyền dẫn số, đi từ mạng di đọng hai chiều đến mạng di động cấu trúc tế bào(các ô) với cấu trúc ngày càng phức tạp và có nhiều u điểm Do những đặc điểm trên mà nguyên

lý kỹ thuật của mạng thông tin di động khác với của mạng thông tin cố định

Trong khuôn khổ đề tài này, sẽ trình bày chủ yêú về thông tin di động mặt

đất bằng phơng pháp nghiên cứu mạng thông tin di động số cấu trúc tế bào

và sự phát triển của thông tin di động trong tơng lai

3.Thông tin vệ tinh

Sử dụng vệ tinh đã trở nên thông dụng từ nhiều năm nay trong chuyển tiếp phát thanh và truyền hình Mặc dù hiện nay đang bị cáp quang biển cạnh tranh, kỹ thuật truyền hình ảnh và tiếng nói vẫn còn phát triển trong nhiều năm tới Càng ngày, các vệ tinh càng tham gia nhiều vào việc truyền dữ liệu hay t liệu video cho các mạng tin học và vào việc liên lạc với thiết bị di động (thiết bị đầu cuối mang xách đợc)

Tại Châu Âu các vệ tinh đợc quan tâm do sự cần thiết phải mở cửa vào các mạng viễn thông các nớc Đông Âu, nơi mà các hạ tầng cơ sở tỏ ra không đáp ứng nổi yêu cầu ngời ta thấy xuất hiện, chẳng hạn giải pháp sử dụng những parabol thu cỡ nhỏ gọi là VSAT cạnh tranh với liên lạc mặt X25

Các thông tin vệ tinh sử dụng 2 đoạn khác nhau rõ rệt:đoạn mặt đất (các trạm mặt đất và các anten của chúng)và đoạn không gian (các vvệ tinh trên quỹ đạo)

Để hiểu rõ hoạt động của chúng ta hãy theo dõi đờng truyền của một cuộc liên lạc điện thoại quốc tế điển hình qua vệ tinh Một cuộc gọi nh vậy trớc hết phải đi qua mạng công cộng mặt đất để đén trạm vệ tinh mặt đất Trạm này dễ dàng nhận ra nhờ những anten lớn hình đĩa, hớng lên trời tới các vệ tinh mà nó liên lạc Trong tất cả các hệ vệ tinh trên thế giới, các trạm này là các trung gian bắt buộc giữa mạng mặt đất và vệ tinh Chúng xử việc phát và thu các cuộc liên lạc đến là đi từ các vệ tinh Để có thể lên vệ tinh, yếu tố trung tâm và duy nhất của đoạn không gian, cuộc gọi điện thoại, kinh qua một số thao tác(điều chế, khuyếch đại ) Các thao tác này sẽ đợc lặp lại(theo chiều ngợc) khi cuộc liên lạc đến đợc trạm mặt đất thu , ở đó nó sẽ dùng

đoạn mặt đất để tới địa chỉ cần đến Một mạng vệ tinh thờng gồm nhiều trạm mặt đất đẻ liên lạc đồng thời Sau cùng, các liên lạc qua vệ tinh dùng những bằng tần riêng biệt khác nhau do các tổ chức quốc tế có thẩm phân bố.Vệ tinh đảm bảo việc xử lý các tín hiệu ứng với các cuộc liên lạc đợc gửi đến từ trái đất và chuyển trả lại chúng tới các vị trí cần đến Chẳng hạn nó đảm bảo khuyếch đại tín hiệu để trạm mặt đất có thể thu đợc và tín hiệu này đã bị suy yếu do phải trải qua một đoạn đờng dài Mỗi vệ tinh nằm ở quỹ đạo địa tĩnh( nhìn từ mặt đất, chúng hiện ra nh đứng yên một chỗ) cao 36000 km chỉ

có một vùng sóng bao phủ, theo kích thớc hành tinh khoảng lục địa nh Châu

Âu chẳng hạn Vùng này ứng với diện tích địa lý có thể truy nhập tới vệ tinh Diện tích của vùng bao phủ này dĩ nhiên thay đổi theo thiết bị vệ tinh và theo các mục tiêu thơng mại của nhà khai thác Vậy là để bao phủ cả hành tinh, cần nhiều vệ tinh

ơng II: Tế bào và mạng tế bào trong thông tin di động GMS

I Mở đầu:

Thông tin di động đợc ứng dụng cho nghiệp vụ cảnh sát từ những năm

20 ở băng tần vô tuyến 2MHz Sau thế chiến thứ hai mới xuất hiện thông tin

di động điện thoại dân dụng Năm 1946, với kỹ thuật FM (điều chế tần số) ở băng sóng 150MHz, công ty AT&T đợc cấp giấy phép cho dịch vụ điện thoại

di động thực sự ở Saint Louis Năm 1948, một hệ thống điện thoại di động tự

động đầu tiên ra đời ở Richmond, Indiana Từ những năm 60, kênh thông tin

di động có dải thông tần số 30 KHz với kỹ thuật FM ở băng tần số 450 MHz

đa hiệu suất sử dụng phổ biến tần tăng gấp 4 lần so với cuối thế chiến II

Sở dĩ ta thờng nói đến điện thoại bởi vì nh đã trình bày ở chơng I, mọi mạng dịch vụ vô tuyến phải kết nối với nhau và kết nối vào mạng điện thoại công cộng Thông tin di động cũng không ở trờng hợp ngoại lệ, nó dùng điện thoại làm phơng tiện kết nối Nếu không có sự liên kết đó thì tất cả các dịch

vụ vô tuyến không đem lại ứng dụng to lớn nh ngày nay

Năm 1946 dịch vụ di động 2 chiều đã đợc đa vào hoạt động Các hệ thống di động hai chiều đã phát triển theo 2 loại cơ bản: dịch vụ điều phối và dịch vụ di động mặt đất công cộng (PLMS)

Di động điều phối đợc thiết kế đã truyền thông tơng tự (nh truyền thông) một xe với một nhân viên điều phối Nó có khả năng liên kết với mạng truyền mạch công cộng (PSTN)

Di động mặt đất (PLMN) đợc thiết kế để truyền thông tơng tự nh truyền thông của điện thoại hữu tuyến Nó đợc liên kết hoàn toàn với PSTN và mục

đích của nó là tạo điều kiện liên lạc giữa các thuê bao di động và cả thuê bao hữu tuyến Hệ thống di động chỉ có 2 kênh, cần có một điện thoại viên và một máy di động cần thao tác ấn nhả Điều này là cần thiết bởi vì ngời dùng chỉ có thể nghe hoặc nói chứ không thể vừa nghe, vừa nói đồng thời nh máy

điện thoại cố định Loại hoạt động này là bán song công Khi các hệ thống

đã phát triển, các kênh mới đợc bổ sung Đầu tiên tổ hợp cầm tay đợc gán cho một kênh riêng Kiểu hoạt động gọi là hoạt động không thành nhóm Sau

đó, để cải thiện, việc sử dụng kênh thuê bao di động đợc tạo ra khả năng để

sử dụng bất kỳ loại kênh nào Cơ chế này gọi là hệ thống đợc tạo nhóm Các

hệ thống đợc tạo nhóm đòi hỏi thuê bao di động sử dụng bộ chọn kênh để dò tìm kênh trống một cách thủ công Cuối cùng quá trình này đợc tự động hoá,

mà nh vậy, thuê bao đợc quét để tìm kênh trống một cách tự động Hoạt

động bán song công vẫn còn là tiêu chuẩn cho đến tận những năm 60 khi hãng Bell System giới thiệu dịch vụ di động cải tiến (IMTS) cho phép đàm thoại 2 chiều cùng một lúc, hoặc hoạt động hoàn toàn song công nh điện thoại hữu tuyến

Mặc dù vậy, dịch vụ di động 2 chiều chỉ vừa mới bắt đầu thì các nhợc

điểm cố hữu của nó đã bộc lộ Tất nhiên, nhợc điểm chính là do những can nhiều cũng kích nên đòi hỏi phân cách về mặt địa lý quá lớn(?)

Tuy nhiên, mô hình thông tin di động đầu tiên là mô hình phát quảng bá ở mô hình này, các máy di động và trạm gốc tơng đơng nhau về mặt kỹ thuật nghĩa là phải có công suất nh nhau, kích thớc vật lí nh nhau Các cuộc liên lạc luôn đợc thực hiện trong một vùng địa lý xác định nên việc di chuyển cùng các mạng di động này gặp rất nhiều khó khăn vì nó cồng kềnh Hơn nữa việc liên lạc bị hạn chế Muốn vùng phủ sóng rộng hơn vì các máy công suất phải rất lớn, công suất càng lớn càng tốt, anten thu đặt càng cao càng tốt dẫn đến dung lợng thuê bao trong mô hình này nhỏ, can nhiều lớn

và tốn kém về mặt công sức và kinh tế Những nhợc điểm của mô hình này ta

sẽ phân tích kỹ hơn trong các phần sau

Vì những nhợc điểm quá lớn nh trên, ngời ta phải nghĩ đến một mo hình thông tin di động cải tiến hơn với các máy di động cầm tay, có thể di chuyển tiện lợi với nhiều thuê bao hơn Năm 1947, phòng thí nghiệp điện thoại Bell bắt đầu khảo sát một khái niệm tái sử dụng tần số nhờ sử dụng tế bào (cell hay ô) nhỏ với các máy di động công suất thấp Các tế bào này có thể liên kết với nhau nhờ sử dụng một máy tính cho phép thuê bao có thể di động trong khi số lợng thuê bao cùng một lúc gia tăng đáng kể mà hệ thống vẫn phục vụ đợc Nh vậy là thay cho mô hình phát quảng bá với máy phát công suất cao và anten cao là những cell diện tích có máy phát BTS công suất bé, khi các cell ở cách xa nhau đủ xa thì có thể sử dụng lại cùng một tần số Tháng 12 năm 1971 đa ra hệ thống celled (mạng tế bào) kỹ thuật tơng tơng,

FM ở dải tần 850 MHz Đến đầu những năm 90, các thế hệ đầu tiên của

thông tin di động cellular đã bao gồm hàng loạt hệ thống ở các nớc khác nhau: TACS, NMI, AMIS Tuy nhiên, các hệ thống này không thoả mãn đ-

ợc nhu cầu ngày càng tăng, trớc hết về mặt dung lợng Mặt khác, các tiêu chuẩn hệ thống không tơng thích nhau làm cho sự chuyển giao không đủ rộng nh mong muốn Những vấn đề trên đặt ra cho thế hệ thứ hai thông tin di

động mạng tế bào phải giải quyết Và thông tin di động mạng tế bào số đợc tạo ra

Do các nớc khác nhau ở châu Âu sử dụng các tiêu chuẩn mạng tế bào khác nhau, cho nên cần thiết phải có một tiêu chuẩn duy nhất để cung cấp khả năng chuyển vùng Do vậy hệ thống di động toàn cầu GSM (Global System for Mibile) đã đợc phát triển nh một dịch vụ số hoá hoàn toàn làm việc ở băng tần 900 MHz và theo nguyên lí đa truy nhập phân chia thời gian TDMA (Time Division Multipe Access) với qui định 8 khe thời gian cho mỗi kênh rộng 20 kHz dịch vụ GSM đang rất phát triển ở Việt Nam

Các dịch vụ của thông tin di động: thông tin di động mặt dất, thông tin

di động đờng sắt, hàng hải và vệt inh ta sẽ nghiên cứu kĩ thông tin di động mặt đất trong phạm vi thông tin số mạng tế bào nguyên lí TDMA đợc minh hoạ bằng hệ thống GSM

II Cell và mạng tế bào

1 Trong mô hình di động quảng bá

Trong thông tin quảng bá, máy di động và trạm gốc luôn là các máy thu phát nh nhau và liên lạc đợc thực hiện theo một chiều Luôn chỉ có một máy phát và một máy thu hoạt động nghĩa là nếu máy di động làm nhiệm vụ thu thì chỉ thu tín hiệu mà không phát tín hiệu đợc Mặt khác chỉ liên lạc đợc trong một vùng địa lý rất nhỏ trong phạm vi phủ sóng của máy phát Càng xa máy phát tín hiệu càng yếu và can nhiễu lớn Điều này đòi hỏi công suất phát rất lớn ở tổng đài Do vậy mà nếu xét theo quan điểm tế bào thì vùng hoạt

động của các máy di động chỉ là một tế bào (cell) Nên cơ chế hoạt động cũng nh cấu trúc của hệ thống di động theo mô hình quảng bá đơn giản hơn rất nhiều

2 Định nghĩa tế bào và mạng tế bào

Cellular là tính từ, cell là danh từ, theo ý nghĩa đợc dùng trong đề tài này, chúng đợc dịch là "tế bào" hay "ô" Cell là đơn vị nhỏ nhất của mạng.

Nh ta đã biết, thông tin vô tuyến cố định (nh vô tuyến truyền hình, radio, điện thoại cố định ) với rất nhiều u điểm nhng vẫn tồn tại những hạn chế mà lớn nhất là dung lợng thuê bao bởi thông tin cố định sử dụng một tần

số cho một kênh Do vậy mà với dải băng tần xác định và dải thông xác định thì vùng lu lợng nhỏ cũng nh tiềm năng dung lợng thuê bao nhỏ Do nguồn tần số giới hạn, điều quan trọng là phải tận dụng tần số một cách tốt nhất Vì vậy khi thiết lập một hệ thống viễn thông di động, vấn đề cốt lõi là phải sử dụng lại một tần số ở địa điểm cách xa nơi sử dụng tần số này Để giải quyết vấn đề về các máy phát công suất lớn nh nhau ở nơi thu và phát dẫn đến khó khăn trong di chuyển và hạn chế các ứng dụng về thông tin di động, ngời ta chia vùng không gian thành các ô nhỏ (cell), trong mỗi ô có một đài vô tuyến gốc công suất nhỏ hơn lúc trớc rất nhiều Đài vô tuyến gốc (BTS) liên lạc với tất cả các máy thuê bao di động (MS) có trong ô (vùng phủ sóng của một BTS) Nhờ vậy mà ngày nay ta có thể sử dụng máy di động cầm tay nhỏ xíu với công suất phát thấp càng ngày càng nhỏ và hiện đại nhờ các công nghệ vi mạch điện tử tiên tiến Đặc điểm của hệ thống số cellular là việc sử dụng lại tần số và diện tích mỗi tế bào khá nhỏ mà dung lợng thuê bao lại rất lớn.a) Hình dạng tế bào

Nếu anten đa hớng phát sóng vô tuyến trên khu vực mặt bằng thì vùng bao phủ có dạng hình tròn khu vực tế bào đợc xác định bằng điểm có cùng vị trí mức thu trung bình giữa các vị trí tế bào trong khu vực lan truyền sóng vo tuyến và có dạng đa giác Có 3 phơng pháp để bao phủ kín khu vực bằng các

tế bào hình dạng đa giác có kích thớc nh nhau

****************

H 2.1 Hình dạng tế bào

a) Tế bào hình tam giác đều

b) Trờng hợp tế bào hình vuông

c) Trờng hợp tế bào hình lục giác đều

Trong 3 dạng trên, dạng tế bào hình lục giác đều là hiệu quả nhất trong việc sử dụng lại tần số làm tăng dung lợng thuê bao Hơn nữa, dạng tế bào

này tạo cho khu vực phục vụ không có chỗ hở, sử dụng khoảng không gian một cách hiệu quả nhất.

Sau đây ta sẽ xét biên giới của một tế bào ở hình trên, mỗi vòng tròn là một vùng phủ sóng của một anten vô hớng phát đằng hớng mà tại đó (tại biên) cờng độ tín hiệu đã suy giảm đến giá trị tối thiểu yêu cầu của máy thu, cờng độ thu thấp nhất (hay độ nhạy máy thu) Dây cung chung của các vòng tròn là quỹ tích các vị trí cờng độ tín hiệu các anten bằng nhau

Mỗi lục giác đều (một tế bào) là một vùng phủ sóng của anten vô hớng

có toàn bộ đừ biên bị giao thoa với vùng phủ sóng của 6 anten tơng tự đặt cách đều xung quanh, 6 dây cung tạo thành hình lục giác đều, biểu thị vùng phủ sóng của một tế bào Do trong các tế bào luôn có can nhiễu với tế bào bên cạnh khi sử dụng cùng một tần số nên không thể sử dụng chung tần số cho 2 tế bào cạnh nhau

Nếu máy di động (MS) ra khỏi vùng đó (vùng lục giác đều), nó sẽ đợc chuyển giao để làm việc với một tế bào khác liền kề mà nó hiện trong vùng phủ sóng Hình lục giác là kí hiệu tế bào trong bản đồ qui hoạch mạng di

động

**************

Hình 2.2.: Khái niệm biên giới tế bào hình lục giác đều

Ngời ta có thể phân bổ tế bào theo kiểu tuyến tính hoặc theo kiểu địa hình

Phân bổ tế bào đợc bố trí theo kiểu tuyến tính do khu vực phục vụ nằm trên bờ, dọc theo bờ biển hay dọc theo đờng trục của các thành phố lớn cách nhau vài chục kilimet thì tế bào bố trí theo hàng dọc và sử dụng tần số sau mỗi vòng Ta xét một ví dụ kiểu tuyến tính lập lại 3 tế bào (hình 2.3)

*************

Hình 2.3

Khi khu vực phục vụ có kiểu mặt phẳng giống nh các cuộc gọi của xe cô thì rất nhiều tế bào đợc phân bổ một cách phức tạp theo mô hình tế bào lập lại trên khu vực phục vụ không có chỗ hở Phân bổ tế bào theo kiểu địa hình: Mặc dù hình dạng tế bào thực tế phức tạp do sự lan truyền vô tuyến

chịu ảnh hởng của các yếu tố tự nhiên và địa lý, tế bào sẽ đợc mô hình hoá

và vị trí tế bào đợc phân bổ đều đặn trên vùng phục vụ

b) Sử dụng lại tần số

Ta đã biết rằng, do nguồn tần số giới hạn của thông tin vô tuyến, điều quan trọng là phải tận dụng tần số một cách tốt nhất Để thực hiện đợc nhiều cuộc liên lạc, ngời ta sử dụng lại tần số Nghĩa là sử dụng các kênh vô tuyến

ở cùng một tần số sóng mạng để phủ cho các vùng địa lý khác nhau Hay nói cách khác một tần số đợc sử dụng cho nhiều tế bào cách xa nhau Các tế bào này phải cách nhau ở cự ly đủ lớn để mọi nhiễu giao thoa đồng kênh (có thể xảy ra) chấp nhận đợc Chẳng hạn 3 tế bào sử dụng lại tần số cho cuộc gọi trên tàu ở cảng, cuộc gọi trên tàu hoả và cuộc gọi trên máy bay Khái niệm

sử dụng lại tần số đợc minh hoạ nh sau:

ô) mà phụ thuộc vào tỷ số D/R (R: bán kính ô) Việc thiết kế công suất phát

và chiều cao anten xác định R mong muốn

3 Các khu vực tế bào:

a) Định nghĩa:

Trong hệ thống mạng tế bào ban đầu sử dụng các vị trí tế bào với vùng bao phủ điển hình có bán kính 16km hoặc lớn hơn Vì một vùng bao phủ chỉ chứa một lợng thuê bao nhất định Nên khi lu lợng tăng lên hoặc cần có sự bao phủ tốt hơn ở các vùng nhất định thì kích thớc các khu vực tế bào giảm

đi Hiện nay, tế bào có bán kính khoảng 5-8 km và còn giảm đi nữa Các tế bào có thể đợc bố trí trong một qui mô bán kính 2-40 km hoặc hơn và chúng

đợc tính toán theo công suất phát và độ cao anten

Trong hệ thống mạng tế bào, khi lu lợng tăng, các kênh và các tế bào sẽ

đợc bổ sung cho tới khi toàn bộ phổ tần dành cho nó đợc đa vào sử dụng các

vùng thành phố lớn có thể dùng toàn bộ phổ tần nhng các mạng di động nông thôn thì thờng không sử dụng đủ số kênh.

Xét một mạng tế bào điển hình Trong sơ đồ này, cơ cấu sắp xếp tế bào

đợc trình bày theo mô hình 6 cạnh Các hệ thống mạng tế bào đợc thiết kế theo kiểu lục giác để tính toán mô hình tái sử dụng tần số thơng pháp này

đảm bảo sự phân cách triệt để giữa bất kỳ 2 tế bào nào dùng cùng một tần số sao cho không xảy ra can nhiễu Thông thờng hệ thống thiết kế mô hình tái

sử dụng 4 tế bào, 7 tế bào, 12 tế bào Nếu trái đất bằng phẳng và không có mặt vật cản thì sóng vô tuyến có thể chỉ bó hẹp trong tế bào hình lục giác này, song thực tế, hầu nh không bao giờ tín hiệu vô tuyến đạt đến giổng hoàn toàn mà chỉ gần giống nh hình lục giác mà thôi Đối với các vùng khó mà phục vụ bằng anten thông thờng, chẳng hạn trong các đờng hầm, thì phải áp dụng các phơng pháp đặc biệt Mặc dù vậy, việc sử dụng tế bào hình lục giác vẫn là một công cụ tối u nhất hiện nay

***************

Hình trên trình bày một số tế bào mini đợc phân bố giữa 2 hệ thống mạng tách biệt khi các tế bào phân chia khu vực thành các khu vực tế bào Khu vực tế bào đơn vị là một khu vực đợc bao phủ bởi một tam giác đều tối thiểu hoá số lợng tế bào bao phủ một khu vực Là vị trí một máy phát (thu)

do một hàng dịch vụ cung cấp mạng tế bào (hoặc một hàng vô tuyến vận hành, qua đó các thông tin vô tuyến đợc thiết lập giữa hệ thống mạng tế bào

b) Sự liên hệ giữa kích thớc tế bào và số thuê bao:

Số lợng các máy thu phát trong một tế bào cho trớc phụ thuộc vào lu ợng (số thuê bao) mà tế bào này định xử lý Tuy nhiên, số lợng tối đa các máy vô tuyến trong bất kỳ khu vực tế bào nào cũng phụ thuộc vào mô hình

l-tái sử dụng tần số theo thiết kế hệ thống Nó đợc tính bằng cách chia tổng số kênh cho mẫu tái sử dụng.

Ví dụ: Nếu hệ thống đợc thiết kế cho mẫu tái sử dụng N=4 và số lợng tối đa các cặp kênh thoại là 395 thì số lợng kênh lớn nhất trong bất kỳ tế bào nào không thể lớn hơn 98

Thông thờng chỉ khi hệ thống đạt đến nhiều nghìn thuê bao trong một vùng thành phố thì xuất hiện vấn đề sử dụng lại tần số để tăng dung lợng hệ thống

III Sự chia nhỏ tế bào

Trong thực tế, do sự tăng trởng lu lợng không ngừng trong một tế bào nào đó đến mức chất lợng phục vụ giảm sút quá mức, khi đó can nhiễu là lớn, bao phủ là không tốt, tín hiệu thiếu chính xác và hay bị tắc nghẽn, ngời

ta phải thực hiện việc chia tách tế bào đang xét thành các tế bào nhỏ hơn Để giảm can nhiễu, phải duy trì một cự li nhất định giữa các tế bào sử dụng những tần số giống nhau Tuy nhiên, cự li này có thể giảm bớt mà không phá

vỡ mô hình tái sử dụng tần số của tế bào

Ví dụ: Một tế bào lúc đầu có bán kính 12,8 km có thể đợc chia ra thành

4 tế bào, mỗi tế bào mới có bán kính 3,2 km Đối với hệ thống tế bào analog

đang hoạt động, việc phân chia tế bào là một phơng cách có hiệu quả để tăng dung lợng hệ thống, mặc dù còn có những giới hạn phải đảm bảo Hệ thống

tế bào số digital làm cho dung lợng tăng lên một cách đáng kể nhờ việc phân chia tế bào Càng ngày càng khó tìm đợc một vị trí thích hợp cho các khu

vực tế bào nhỏ và việc xử lí tải ô tổng đài cũng phát triển đáng kể vì thờng phải chuyển vị nhiều hơn.

Với các tế bào nhỏ hơn, ngời ta dùng công suất phát nhỏ hơn và mẫu sử dụng lại tần số đợc dùng với tỷ lệ xích nhỏ hơn Do đó mà kích thớc của các máy di động ngày càng nhỏ với nguồn năng lợng chỉ cần nhỏ mà máy vẫn liên lạc tốt với các vùng xa

Đến đây ta hiểu đợc rằng tại sao kích thớc tế bào ở vùng nông thôn nhỏ hơn rất nhiều so với ô vùng thành phố Sở dĩ có điều đó là do dung lợng thuê bao của mạng di động lớn hơn rất nhiều so với mạng di động nông thôn.Các tế bào nhỏ đợc chia nh trên k0chỉ nhằm mục đích tăng dung lợng

hệ thống mà còn bởi rất nhiều nguyên nhân phụ nh cải thiện chất lợng thu tín hiệu, cung cấp vùng bao phủ không dễ thấy, giảm bớt và khắc phục tắc nghẽn lu lợng tại các điểm nào đó hoặc vào một thời điểm nhất định

IV Các mức công suất của tế bào

Theo thiết kế, các hệ thống mạng tế bào làm việc tại mức công suất tín hiệu thấp hơn so với các hệ thống di động 2 chiều và phát quảng bá trớc đây Các trạm gốc có giới hạn công suất tối đa là 100 oat công suất bức xạ hiệu dụng (100 ERP) trừ những đoạn đặt trong vùng dịch vụ nông thôn công suất tối đa là 500W ERP

Các máy di động đợc thiết kế để dùng trong xe ô tô có thể phát 3w ERI trong khi các máy di động cầm tay có công suất tối đa là 600 mw ERP mạng

tế bào thờng đợc nhìn nhận nh một dịch vụ vô tuyến có công suất cao cho các phơng tiện xe cộ và đôi khi đợc xem là không thích hợp cho những ứng dụng công suất thấp Tuy nhiên, các mức công suất vừa đề cập ở trên là đại diện cho các mức cực đại, các mức thực tế cho các máy di động đợc điều chỉnh tự động phát ở các mức công suất thấp tới 7mw ERI Các mức công suất của trạm gốc đợc xác lập theo tham số thiết kế hệ thống nhng thờng thấp hơn nhiều so với 100w ERP cực đại

Chơng III: Truyền sóng trong thông tin di động

I Mở đầu:

Nh ta đã biết, sóng vô tuyến là sóng điện từ, nằm trong cùng nhóm với

ánh sáng, bức xạ hồng ngoại và tia X Tuy nhiên, các sóng điện từ đợc phát ở tần số thấp hơn ánh sáng hoặc bức xạ hồng ngoại Các đặc tính truyền lan thay đổi theo bớc sóng Các đặc tính cơ bản nh sau:

- Tần số thấp: dễ phản xạ (vợt qua khoảng cách tầm nhìn thẳng) hoạt

động tơng tự sóng âm thành

- Tần số cao: truyền dẫn theo đờng thẳng (bị ma hấp thụ hoặc làm tán xạ), hoạt động giống sóng ánh sáng

Ngoài ra khi tần số tăng thì độ rộng băng tần cũng tăng Chẳng hạn ta khó đạt đợc độ rồng bằng 500 KHz ở tần số khoảng 1MHg nhng có thể dễ dàng đạt đợc độ rộng bằng đó ở khoảng 1 GHz

ở các tần số cao, chúng ta dễ dàng chế tạo các anten có tính định hớng cao dễ truyền các sóng vô tuyến tuyến theo một hớng xác định, điều đó cho phép sử dụng lại tần số sóng vô tuyến, bằng cách thay đổi hớng hay vị trí của anten đó Nh vậy tần số càng cao thì càng phù hợp hơn cho truyền dẫn tín hiệu năng lợng cao

Mặt khác, các sóng vô tuyến tần số càng thấp, có thể truyền lan trên khoảng cách càng lớn Do đó, các tần số thấp phù hợp với thông tin giữa vùng xa vợt quá khoảng cách nhìn thẳng Ví dụ, các tần số VLF có thể truyền lan dới biển vì vậy, ta có thể sử dụng chúng để thông tin với các tàu ngầm

Nh vậy, tuỳ theo ứng dụng mà việc sử dụng lựa chọn tần số sao cho hiệu quả nhất ở chơng này ta sẽ xét xem sóng vô tuyến truyền trong thông tin di động (nói chung, cả quảng bá và cellular) nh thế nào, nó có gì khác so với thông tin trong mạng cố định hay không Và trên đờng truyền từ nơi phát

đến nơi thu, nó gặp những hiệu ứng gì

II Truyền sóng trong thông tin di động

Thông tin cố định chủ yếu sử dụng các tần số trong dải SHT (vi ba) còn thông tin di động chủ yếu sử dụng các tần số trong băng VHF và OHF Sở dĩ dùng các băng tần trong dải tần số VHF và OHF mà không sử dụng dải băng

tần số thấp là do tuy băng tần số cao dễ bị hấp thụ do ma hoặc làm tán xạ

nh-ng khi sử dụnh-ng chúnh-ng tronh-ng thônh-ng tin di độnh-ng có nhữnh-ng u điểm sau:

- Chúng cung cấp nhiều kênh thoại hơn băng sóng ngắn

- Chúng phản xạ tốt hơn sóng vi ba nên có khả năng thông tin không chỉ cho tầm nhìn thẳng

- Có thể sử dụng các anten định hớng để phát trong các vùng và các ớng truyền lan xác định

h Do không gian đợc chia thành các ô có kích thớc xác định nên không cần thiết phải truyền ở khoảng cách lớn vì khi di chuyển giữa các ô, sóng vô tuyến luôn có quá trình chuyển giao giữa anten này và anten kia sao cho phía thu thu đợc đúng tần số cần thu với độ chính xác cao nhất có thể

Sóng vô tuyến có thể chuyển từ anten phát đến anten thu qua các đờng truyền lan khác nhau Đờng phù hợp nhất phụ thuộc vào tần số đang sử dụng

và khoảng cách sóng cần vợt qua

***************

Tầng điện ly là mức khí quyển mà trong đó không khí rất loãng và có phần tử bị ion hoá Tầng này tồn tại ở độ cao 100-400 km so với mặt đất Tầng đối lu là tầng khí quyển từ mặt đất đến độ cao khoảng 12 km nơi xay ra các dòng đối lu

Tầng điện ly hấp thụ các tần số dài hơn MF, nhng phản xạ hầu hết các tần số trong băng HF Do đó, truyền sóng vô tuyến trong băng HF có thể phản xạ nhiều lần giữa mặt đất và tầng điện ly và có thể truy rất xa Mặt khác, các tần số trong băng VHF xuyên qua tầng điện ly vì vậy không thể sử dụng tầng điện ly để truyền sóng quá khoảng cách nhìn thẳng Nghĩa là trong thông tin vi ba hay thông tin cố định và phát quảng bá không phải sử dụng tầng điện ly để truyền sóng dẫn đến chúng luôn sử dụng bằng tần không phải VHF

Trong mạng cố định và mô hình di động quảng bá thờng sử dụng cách truyền lan mặt đất và ở tầng đối lu nên nó truyền các sóng trực tiếp, sóng phản xạ và tán xạ Do tầng điện lý thay đổi ở mọi thời điểm nên thông tin cố

định rất khó

Trong các băng VHF/OHF sử dụng chủ yếu cho thông tin di động, tuỳ theo mục đích thông tin mà ngời ta sử dụng các sóng trực tiếp, phản xạ hay nhiễu xạ.

Sở dĩ ta phải xét đến quá trình truyền sóng và các hiệu ứng sinh ra là bởi việc thiết lập một mạng tế bào sử dụng lại tần số và các tế bào diện tích nhỏ

đạt đợc một dung lợng thuê bao theo yêu cầu phải bao gồm cả công việc khảo sát tính chất truyền sóng vô tuyến trong môi trờng thực tế, trong đó xảy

ra can nhiễu hay các hạn chế do hiệu ứng trong khi di động vừa truyền sóng gây ra để có các biện pháp phòng ngừa, tính toán lắp đặt các trạm gốc sao cho tín hiệu thu đạt yêu cầu và dung lợng lớn

2 Phân loại đờng truyền sóng

Khi khoảng cách giữa anten phát và thu nằm trong tầng nhìn thẳng thì sóng trực tiếp là trung tâm của đờng truyền sóng Tuy nhiên, ngay cả khi khoảng cách truyền dẫn nằm trong khoảng tầm nhìn thẳng bình thờng, có các vật chắn nh các toà nhà hoặc đồi núi, thì ta có thể sử dụng các sóng phản xạ và nhiễu xạ để truyền sóng Các điều kiện địa hình ảnh hởng đến sự phân

bố không khí nên đờng truyền sóng luôn luôn biến đổi làm khoảng cách truyền sóng thực tế dài hơn hoặc ngắn hn

Trong thông tin di động, các kiểu truyền sóng khác nhau tuỳ kiểu dịch

vụ, nên các đặc tính truyền sóng cũng khác nhau Tự nhiên, các đờng truyền sóng có thể tạm chia thành 3 loại:

a) Không gian tự do:

Không gian tự do đợc xem là không gian lí tởng, không thay đổi không

có phản xạ, nhiễu xạ, khúc xạ, tán xạ Chỉ có tán xạ gây suy giảm các sóng vô tuyến và tây tổn hao trong không gian tự do

Loại thông tin cố định và vi ba truyền sóng chủ yếu trong không gian này

b) Vùng tơng tác 2 tia

Khi có 2 hay nhiều đờng truyền cho một tia đến anten thu do pha xạ thì sẽ tạo ra giao thoa, cờng độ điện trờng, tức thời thay đổi theo chu kỳ nhng cờng độ điện trờng thu đợc gần giống trong không gian tự do

Trong thông tin di động mặt đất mà ta nghiên cứu, độ cao của anten ??? thờng thấp nên hầu nh không có khoảng cách tầm nhìn thẳng nào giữa trạm gốc vô tuyến BTS và MS do các vật chắn nh toà nhà, các quả đồi trên đờng truyền vì vậy,, hầu hết các đờng truyền trong thông tin vô tuyến di động đợc thực hiện bằng các tia phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ Trong các đờng truyền

đó, cờng độ trờng thu đợc rất khác với giá trị không gian tự do, các nhân tố

ảnh hởng đến các đờng truyền sóng gồm:

+ Độ cao anten phát

+ Địa hình núi, thung lũng, đồi, cánh đồng và mặt đất phẳng

+ Những cản trở nhân tạo: kiểu dáng, mật độ các toà nhà và các kiến trúc khác

Các vùng thành thị, ngoại ô, vùng nhiều nhà cửa, các cánh đồng và vờn cây

Các điều kiện truyền sóng riêng biệt do các yếu tố này tạo ra hoà tần vào nhau rất phức tạp, nên không thể đánh giá các đặc tính riêng của ?? ? độ trờng một cách riêng biệt Vì vậy, việc đánh giá cờng độ trờng tổng quát không thể chính xác đợc Do đó, ngời ta sử dụng các số liệu, các bảng biểu, các công thức thực nghiệm để sắp xếp một lợng lớn các giá trị trong phòng thí nghiệm Mặc dù sử dụng các thủ tục đánh giá khác nhau để đánh giá thống kê nhng hầu hết các phơng pháp luận giống nhau

III Các hiệu ứng trong thông tin di động

Tồn tại một vấn đề là ta không dùng dây dẫn, thay vào đó sử dụng thiết

bị vô tuyến để truyền thông tin giữa trạm di động MS và mạng di động mặt

đất công cộng PLMN/GSM