Các Khái Niệm Cơ Bản Trong Thông Tin Di Động

Chương 2 : Mạng di động tế bào tổ ong 2 Tại sao phải tái sử dụng tần số? 2 Tại sao chọn tế bào hình lục giác? 2 Khái niệm cell? 3 Khái niệm cluster? 3 Nhiễu : Các nguồn nhiễu tác động và cách khắc phục 3 Các khái niệm về lưu lượng người dùng, lưu lương cuộc gọi và lưu lượng toàn hệ thống: 4 6. Nâng cao dung lượng hệ thống: 5 Chương 3: Truyền sóng vô tuyến di động trong phạm vi rộng 6 Chương 4: Fading tầm hẹp và hiệu ứng đa đường 7 Khái niêm: 7 Nguyên nhân: 7 Các yếu tố ảnh hưởng tới Fading 7 •Phân loại Fading 8 Hiệu ứng Doppler 9 Chương 5: MẠNG TTDD 10 Băng tần : 10 Cấu trúc mạng GSM 11 Thủ tục thiết lập cuộc gọi 12  Từ máy MS gọi đi 12  Từ MS nhận được cuộc gọi PTSN 12 Chuyển giao 13 Điều kiện chuyển giao 13 Các phương pháp chuyển giao 13 Xử lý tín hiệu thoại 14

Chương 1: Tổng quan

Phân loại các hệ thống điện thoại di động

1 Phân loại theo đặc tính tín hiệu: mạng thông tin di động tương tự và mạng di động kỹ thuật số

2 Phân loại theo cấu trúc hệ thống: mạng di động tổ ong, mạng di động vệ tinh, mạng không dây cố định WLAN, WiMAX…

3 Phân loại theo phương thức đa truy cập vô tuyến: đa truy cập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiplex Access), đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiplex Access), đa truy cập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiplex Access)

4 Phân loại theo phương thức song công: đơn công ( quảng bá – truyền hình), bán song công (hệ thống bộ đàm), song công ( vừa nghe gọi cùng một lúc – hệ thống điện thoại diđộng ngày nay)

Chương 2 : Mạng di động tế bào tổ ong

Tại sao phải tái sử dụng tần số?

• Càng nhiều tần số thì càng đáp ứng được nhiều lưu lượng

• Tài nguyên tần số dành cho mạng di động là hữu hạn

• Ứng dụng dữ liệu đa phương tiện (ảnh, yotube, game online, xem phim trực tuyến ) tăng => Nhu cầu băng thông tăng

• Mạng di động với vùng phủ sóng rộng không thể đáp ứng nhu cầu sử dụng băng thông

=> Nghẽn mạng

Tái sử dụng tần số => Để tăng lưu lượng băng thông => Chia thành các vùng phủ sóng nhỏ hơn

Tại sao chọn tế bào hình lục giác?

• Yêu cầu phủ sóng mà không có khoảng trống

• Coi địa hình là bằng phẳng lý tưởng, coi mỗi tế bào như 1 đa giác đều.Nếu đa giác phủ kín mặt phẳng thì công thức sau phải được thỏa mãn:

4 ( 2).180 360 2

2

o k o

− n: số cạnh đa giác

k: số đa giác chung có chung 1 đỉnh để lấp kín 360 độ

• Do n,k đều là số nguyên nên n-2 phải là ước của 4 do đó n nhận giá trị 3,4,6 tức là đa giác đều phải là tam giác, tứ giác, lục giác đều

• Khi sử dụng angten phát tròn đặt tại tâm đa các đa giác này thì vs tế bào lục giác các hình tròn ngoại tiếp của 2 đa giác kề nhau có diện tích chồng nhau là nhỏ nhất Do vậy

mô hình tế bào lục giác được chọn trên thực tế

Khái niệm cell?

• Tế bào hay ô: là đơn vị cơ sở của mạng, tại đó trạm di động MS tiến hành trao đổi thông tin với mạng qua trạm thu phát gốc BTS (BS)

Khái niệm cluster?

• Tập hợp 1 số tế bào gọi là các cụm tế bào toàn bộ các kênh tần số sẵn có của hệ thống được phân bố cho các cell trong cụm tế bào Toàn bộ tần số này sẽ được sử dụng lại ở tất

cả các cụm khác

• mẫu 3/9 :

 Tần số sử dụng được chia thành 9 nhóm tần số ấn định trong 3 trạm gốc Mẫu này

có khoảng cách giữa các trạm đồng trên D=5,2R

 Số kênh trong 1 cell lớn, nhiễu cao, thường dùng cho những vùng có mật độ di động cao

• mẫu 4/12 :

 Tần số sử dụng được chia thành 12 nhóm tần số ấn định trong 4 trạm gốc Mẫu này có khoảng cách giữa các trạm đồng trên D=6R

 Sử dụng cho vùng có mật độ lưu lượng trung bình

• Mẫu 7/21 :

 Tần số sử dụng được chia thành 21 nhóm tần số ấn định trong 7 trạm gốc Mẫu này có khoảng cách giữa các trạm đồng trên D=7,9R

 Sử dụng cho vùng có mật độ lưu lượng thấp

Nhiễu : Các nguồn nhiễu tác động và cách khắc phục

• Intra cell: Nhiễu từ các MS trong cùng 1 cell

• Inter cell: Nhiễu từ các MS đang tiến hành gọi từ các cell lân cận

• Nhiễu từ các trạm gốc sử dụng cùng băng tần

• Nhiễu từ các hệ thông khác

•Nhiễu đồng kênh: sinh ra từ các ô tế bào sử dụng cùng tần số do việc tái sử dụng tần số gây lên

=> các khắc phục:

+ Sử dụng anten định hướng

+Hạ thấp độ cao anten trạm gốc

+ Tăng khoảng cách tái sử dụng tần số Khoảng cách tái sử dụng tần số D là khoảng cách tối thiểu của các kênh tần số tại đó mức nhiễu là chấp nhận được

D= 3N R×

hệ số tái sử dụng tần số

3

D

K

= =

, N: kích thước cluster D: khoảng cách giữa 2 cell đồng kênh

+ Đê giảm nhiễu đồng kênh cần tăng tỉ số S/I

( )

3

n

n

N

 

 

+ Tăng n (số mũ suy giảm sóng điện từ): chỉ số này phụ thuộc vào môi trường truyền sóng, công suất phát nên không thể thay đổi

+ Tăng tỉ số lặp lại kênh D/R: Ta có thể tăng khoảng cách giữa các tế bào có kênh truyền giống nhau hoặc giảm R là bán kính của một tế bào Hoặc tăng kích thước nhóm

N điều này làm giảm dung lượng hệ thống dẫn đến việc quản lý các cell phức tạp, và tốn kém do phải lắp đặt nhiều trạm BTS Như vậy cần tính toán D/R và kích thước nhóm phù hợp với địa hình và mật độ dân cư, và số kênh tương ứng với mỗi tế bào

+ Không thể dùng bộ lọc để loại bỏ giao thoa này do các máy phát có cùng tần số

• Nhiễu kênh lân cận: gây ra bởi bộ lọc máy thu không lý tưởng và hiệu ứng xa gần biểu hiện rõ ở bộ thu của trạm gốc Vì bộ lọc không lý tưởng nên tín hiệu ko mong muốn

ở kênh có tần số lân cận bị triệt tiêu mạnh song nếu nó là tín hiệu rất mạnh vẫn chui vào

bộ thu gây nhiễu tín hiệu mong muốn của 1 máy di động khác khi máy này ở xa bộ thu trạm gốc

•Cải thiện bộ lọc máy thu

Các khái niệm về lưu lượng người dùng, lưu lương cuộc gọi và lưu lượng toàn

hệ thống:

Lưu lượng người dùng: Lưu lượng người dụng là đại lượng đo khoảng thời gian sử dụng có ích trong 1h

Cường độ lưu lượng: Diễn tả lưu lượng trung bình của người sử dụng lưu lượng tổng cộng

6 Nâng cao dung lượng hệ thống:

Nguyên nhân:

Khi số người sử dụng tăng lên, mật đô người sử dụng cũng tăng lên trong khi nguồn tài nguyên tần số có hạn vì vậy nhiệm vụ của các nhà mạng là nâng cao chất lượng phục vụ bằng cách nâng cao dung lượng hệ thống nhằm làm giảm tắc nghẽn mạng Nâng cao dung lượng hệ thống là nâng cao việc tái sử dụng tần sô Việc tái sử dụng tần số tác động nhiễu đồng kênh Vì vậy cần tìm những phương pháp làm giảm nhiễu đồng kênh sẽ nâng cao được dung lượng hệ thống

Các phương pháp: có 3 kĩ thuật nâng cao dung lượng hệ thống khi người sử dụng tăng cao –chia nhỏ tế bào- sử dụng an ten định hướng- Phân vùng tế bào

- Chia nhỏ tế bào: Là thay thế một tế bào lớn hơn bằng những tế bào nhỏ hơn với trạm gốc đặt thấp hơn và có công suất phát nhỏ hơn Dung lượng tăng thêm là do việc tăng thêm sự sử dụng lại kênh.(kích cỡ tế bào R thay đổi xong tỉ số D/R vẫn giữ nguyên) + Ưu điểm: Tăng được sự sử dụng lại kênh, đáp ứng được những vùng có mật độ dân cư cao, nâng cao dung lượng hệ thống

+ Nhược điểm: Khi thiết bị di động di chuyển với tốc độ nhanh khó có thể kiểm soát, vì vậy phải có một tế bào lớn bao chông phủ các tê bào nhỏ nhằm kiểm soát thiết bị

có tốc độc chuyển động cao Hơn nữa thêm với việc công xuất phát nhỏ nên bên máy thu phải có bộ lọc tốt để tránh hiện tượng nhiễu kênh lân cận

- Sử dụng anten định hướng: Là sử dụng các anten phát theo một hướng nhất định thay thế các anten phát tròn Làm giảm giao thoa cùng kênh cho phép các tế bào cùng kênh ở gần nhau hơn ( giảm tỉ số D/R tức là giảm kích cỡ cụm hay tăng sự lặp lại tần số) dẫn đến tăng dung lượng hệ thống khi kích thước tế bào không đổi

+ Ưu điểm: Làm giảm kích cỡ cụm hay tăng sự lặp lại tần số không làm thay đổi kích thước tế bào

+ Nhược điểm: Làm tăng số anten trên một trạm gốc, phần nào làm giảm hiệu suất trùn kế và tăng thêm số lần chuyển giao, làm quá tải các phần tử chuyển mạch

-Phân vùng trong tế bào: Thay các trạm gốc lơn bằng các trạm công xuất nhỏ hơn phủ sóng những phần nhỏ hơn trong tế bào và các trạm này được kết nối về điều khiển chung một trạm gốc của tế bào (điều này sẽ giảm nhiễu đồng kênh)

+ Ưu điểm: Chuyển giao không xảy ra giữa các anten trong cùng một tế bào mà chỉ thay đổi anten quản lý khi MS di chuyển từ vùng này sang vùng khác trong tế bào(tức

là dải tần giữ nguyên không bị thay đổi) Được dung dọc theo các đường cao tốc có lưu lượng lớn

+ Nhược điểm: Làm tăng số cột + anten

Chương 3: Truyền sóng vô tuyến di động trong phạm vi rộng

Đặc điểm truyền sóng trong môi trường di động

• Kênh vô tuyến di động là hạn chế cơ bản tới hoạt động của mạng thông tin di động

• Đường truyền vô tuyến di động từ vật phát đến vật thu có thể là đường thẳng trực tiếp hoặc bị che bởi các vật chắn như tòa nhà, núi non, thậm chí là lá cây

• Đường truyền là không cố định, thay đổi liên tục do người sử dụng di chuyển

• Tín hiệu nhận được tại máy di động là tổng của các đường truyền vô tuyến khác nhau

• Tất cả điều này gây ra suy giảm tín hiệu, ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ của mạng di độngG tự do

1 Phản xạ

 Xảy ra khi sóng điện từ truyền đi chạm vào vật thể có kích thước lớn hơn rất nhiều

so với bước sóng của sóng điện từ Vật phản xạ thường là: các tòa nhà, các bức tường

2 Khúc xạ

 Xảy ra khi sóng điện từ truyền đi từ phần phát đến phần thu bị gặp phải mép của vật thể, nó sẽ đổi hướng theo một góc độ nhất đinh, phụ thuộc vào tần số

 Tần số càng cao, góc khúc xạ càng lớn

 Tín hiệu bị bẻ cong khi nó đi qua 1 chất liệu có mật độ khác biệt so với môi

trường trước đó

 Thay đổi hướng đi của sóng

3 Tán xạ (Lệch hướng khi va chạm vào vật khác)

 Xảy ra khi sóng truyền qua môi trường có nhiều vật cản mà kích thước của nó nhỏ

so với bước sóng và số lượng vật cản thường có số lượng tập trung lớn

 Tín hiệu bị phân tán thành nhiều đường tín hiệu có cường độ yếu hơn

4 Suy giảm

 Gây ra bởi bất kỳ vật cản nào trên đường đi của sóng Tần số càng cao suy giảm càng cao

Chương 4: Fading tầm hẹp và hiệu ứng đa đường

Khái niêm:

- Mô tả sự biến động nhanh của biên độ, pha của các loại trễ đa đường của tín hiệu

vô tuyến trong một khoảng thời gian ngắn hoặc qua những khoảng di chuyển nhỏ

- Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời gian (time-spreading) của tín hiệu

và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của kênh truyền

Nguyên nhân:

- Gây ra bởi sự giao thoa giữa hai hoặc nhiều phiên bản của tín hiệu phát khi tới trạm thu với thời gian hơi lệch nhau

- Fading gây nên bởi tín hiệu đa đường

- Sóng đa đường có thể làm mạnh lên hoặc yếu đi tín hiệu tổng thu được tại trạm thu do biên độ và pha của tín hiệu thu được bị thay đổi

- Fading tầm hẹp, do xây dựng và hiện tượng đa đường truyền giữa máy phát và máy thu

- Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn

- Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù sự hấp thụ

này phụ thuôc vào dải tần số công tác đăc biệt là dải tần cao (>10Ghz).

- Sự khúc xạ gây bởi sự không đổng đều của mật đô không khí.

- Sự phản xạ sóng từ bề măt trái đất, đăc biệt trong trường hợp có bề măt nước và

sự phản xạ sóng từ các bất đổng nhất trong khí quyển Đây cũng là môt yếu tố dẫn đến sự truyền lan đa đường.

- Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng

điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường Hiện tượng này đăc biệt quan trọng trong thông tindi động.

Các yếu tố ảnh hưởng tới Fading

• Sóng truyền đa đường

– Sự xuất hiện của các vật phản xạ và tán xạ gây nên đa phiên bản của tín hiệu phát đi tới trạm thu

– Với các biên độ khác nhau và trễ thời gian (trải trễ) khác nhau

– Gây nên tín hiệu tổng tại trạm thu bị suy giảm hoặc méo

• Tốc độ di chuyển

– Gây nên dịch chuyển Doppler tại mỗi thành phần của sóng đa đường

– Gây nên điều chế tần số ngẫu nhiên

• Tốc độ của các vật thể xung quanh

– Gây nên dịch chuyển Doppler biến thiên theo thời gian trên các thành phần của sóng đa đường

• Băng thông truyền dẫn của kênh

– Nếu băng thông của tín hiệu phát lớn hơn băng thông của kênh đa đường truyền, tín hiệu nhận được sẽ bị méo, nhưng cường độ tín hiệu không bị suy giảm nhiều qua

– Nếu tín hiệu phát có băng thông hẹp so với kênh truyền dẫn, biên độ của tín hiệu thay đổi rất nhanh, nhưng tín hiệu không bị méo theo thời gian

•Phân loại Fading

- Fading phẳng

• Nếu kênh vô tuyến di động có biên độ không đổi và đáp ứng pha tuyến tính trong một băng thông lớn hơn băng thông của tín hiệu phát thì tín hiệu thu được sẽ

là fading phẳng

• Tức là trong kênh Fading phẳng, tất cả các thành phần tần số truyền qua băng thông kênh đều chịu ảnh hưởng Fadinh như nhau

B(băng thông tín hiệu) < Bc (băng thông kênh truyền)

D

T <T

(chu kì kí hiệu)

- Fading chọn lọc tần số

•Nếu kênh vô tuyến di động có biên độ không đổi và đáp ứng pha tuyến tính trong một băng thông nhỏ hơn băng thông của tín hiệu phát thì kênh tạo ra fading chọn lọc tần số trên tín hiệu thu được

• Trong điều kiện như vậy, đáp ứng xung kim của kênh có trải trễ đa đường lớn hơn băng thông của tín hiệu phát

• Trong kênh Fadinh chọn lọc tần số, một số đoạn phổ của tín hiệu khi đi qua kênh Fading chọn lọc tần số sẽ bị ảnh hưởng nhiều hơn các phần khác

• Khi Fading chọn lọc tần số xảy ra,tín hiệu thu được bao gồm đa phiên bản của tín hiệu phát đã bị suy giảm hoặc trễ Do đó, tín hiệu thu được sẽ bị méo

• Tín hiệu thu được bao gồm nhiều phiên bản của tín hiệu phát bị suy giảm và trễ thời gian , vì vậy tín hiệu thu được bị méo

• Fading chọn lọc tần số là do phân tán thời gian của các ký hiệu được truyền trong kênh

• Vì vậy kênh sẽ sinh nhiễu liên ký hiệu ( intersymbolinterference )(ISI)

• Mô hình cho loại kênh này khá khó vì mỗi thành phần đa đường phải được mô hình hóa và kênh phải là bộ lọc tuyến tính

• Mô hình phổ biến: 2-ray Rayleigh fading

•Cũng được gọi là các kênh băng rộng vì băng thông của tín hiệu rộng hơn băng thông của đáp ứng xung kim của kênh

B(băng thông tín hiệu) > Bc (băng thông kênh truyền)

D

T >T

(chu kì kí hiệu)

- Fading nhanh

• Trong kênh Fadinh nhanh, đáp ứng xung kim của kênh thay đổi nhanh trong khoảng của ký hiệu

• Nói cách khác, thời gian nhất quán của kênh nhỏ hơn chu kỳ ký hiệu của tín hiệu phát

• Điều này gây nên phân tán tần số (fading chọn lọc thời gian) do trải Doppler, dẫn tới tín hiệu bị méo

• Tín hiệu méo do Fading nhanh tăng lên cùng với sự tăng của trải Doppler ứng với băng thông của tín hiệu phát

B(băng thông tín hiệu) > Bc (băng thông kênh truyền)

C

T <T

(chu kì kí hiệu)

- Fading chậm

• Trong kênh fading chậm, đáp ứng xung kim của kênh thay đổi với tốc độ chậm hơn rất nhiều so với tín hiệu phát

• Kênh có thể coi như tĩnh qua một hoặc vài khoảng băng thông tương quan

• Trải Doppler của kênh bé hơn rất nhiều so với băng thông truyền dẫn cơ bản

B(băng thông tín hiệu) < Bc (băng thông kênh truyền)

C

T >T

(chu kì kí hiệu)

Hiệu ứng Doppler

• Khi trạm phát hoặc trạm thu di chuyển thì tần số của tín hiệu thu được thay đổi nghĩa là

nó khác với tần số của tín hiệu phát Hiện tượng này gọi là Hiệu ứng Doppler

• Sự thay đổi của tần số được gọi là dịch chuyển Doppler

– Điều này phụ thuộc vào:

• Vận tốc tương đối của trạm thu so với trạm phát

• Tần số (hoặc bước sóng) truyền

• Hướng di chuyển so với hướng của tín hiệu tới

BT :

1

cos 2

d

v f

t

∆

∆

• Dịch chuyển Doppler là số dương

– Nếu máy di động di chuyển cùng hướng với hướng đi của sóng truyền

• Dịch chuyển Doppler là số âm

- Nếu máy di động dịch chuyển ra xa với hướng đi của sóng

Chương 5: MẠNG TTDD

Băng tần :

• Băng tần là 1 băng (1 dải) tần số nào đó được giới hạn bởi 1 tần số thấp nhất và 1 tần số cao nhất

• Mỗi hệ thống được cấp 1 phát 1 hoặc nhiều băng tần

• Trong mỗi băng tần, kênh vô tuyến hệ thống được ấn định

• VD GSM 900 - UL(hướng thuận):890-915 Mhz,

DL(hướng ngược): 935-960Mhz

Phương thức đa truy nhập:

Mạng GSM:

Cấu trúc mạng GSM

 BTS – Base Tranceiver Station hoặc BS: Base Station

• Thu phát vô tuyến

• Ánh xạ kênh logic và kênh vật lý

• Mã hóa và giải mã

• Mật mã hóa và giải mật mã hóa

• Điều chế và giải điều chế

 BSC – Base Section Controller

• Điều khiển 1 số trạm BTS : xử lý các bản tin báo hiệu, điều khiển vận hành, bảo dưỡng 1 đường đi/đến BTS

• Khởi tạo kết nối

• Điều khiển chuyển giao : Intra và Inter BTSHO

• Kết nối tới BTS,OMC,MSC

 MSC – Mobile Switching Center

• Xử lý cuộc gọi

• Điều khiển chuyển giao

• Xử lý tính cước

• Quản lý di động

• Tương tác mạng GMSC

 HLR – Home Location Register

• Là cơ sở dữ liệu tham chiếu lưu tiữ lâu dài các số liệu về thuê bao

• Các số hiệu nhận dạng thuê bao IMSI, MSIDN

• Các thông tin về thuê bao

• Danh sách các dịch vụ MS được/ hạn chế sử dụng

• Số hiệu VLR đang phục vụ MS

 VLR – Visitor Location Register

• Là cơ sở dữ liệu trung gian lưu trữ tạm thời các thông tin về thuê bao trong vùng phục vụ của MSC/VLR được tham chiếu từ dữ liệu cơ sở HLR

• Các số hiệu nhận dạng thuê bao IMSI, MSIDN,TMSI

• Danh sách các dịch vụ MS được/ hạn chế sử dụng

• Số hiệu nhận dạng vùng định vị đang phục vụ MS

• Trạng thái của MS ( dỗi, bận)