Giáo Trình Thông Tin Di Động ĐH CNTTTT Thái Nguyên

Giáo Trình Đại Học Chuyên Ngành Viễn ThôngPHỤ LỤCChương 1: Khái quát chung về thông tin di động41.1.Những đặc thù của thông tin di động41.2.Lịch sử phát triển của thông tin di động41.3.Một số hệ thống thông tin di động trên thế giới61.4.Xu hướng phát triển của thông tin di động81.5.Một số kết quả đạt được mạng GSM9Chương 2: Tế bào – Cơ sở thiết kế hệ thống112.1.Tế bào và việc phân bổ tần số112.2.1.Lựa chọn tế bào112.2.2.Phân chia kênh truyền112.2.3.Kích thước nhóm N122.2.Nhiễu cùng kênh và dung lượng hệ thống132.3.Nhiễu kênh lân cận và kế hoạch phân chia kênh truyền162.4.Chiến lược phân kênh và chuyển giao172.5.Trung kế và cấp độ dịch vụ182.5.1.Kênh chung182.5.2.Cấp độ dịch vụ192.5.3.Tổng đài không nhớ cuộc gọi bị chặn – Công thức Erlang B192.5.4.Tổng đài nhớ cuộc gọi bị chặn – Công thức Erlang C232.5.5.Hiệu suất trung kế252.6.Nâng cao dung lượng hệ thống tế bào252.6.1.Chia nhỏ tế bào252.6.2.Sử dụng ăng ten định hướng262.6.3.Phân vùng trong tế bào27Chương 3: Mã hóa tiếng nói293.1.Các đặc trưng của tiếng nói303.2.1.Hàm mật độ xác suất (pdf)303.2.2.Hàm tự tương quan (AFC)303.2.3.Hàm mật độ phổ công suất (psd)303.2.1.Lượng tử tuyến tính313.2.2.Lượng tử phi tuyến313.2.3.Lượng tử thích nghi323.2.4.Lượng tử véctơ333.3.Các bộ mã hóa theo dạng sóng333.3.1.Bộ điều chế xung mã vi phân thích nghi (ADPCM)333.3.2.Bộ mã hóa sóng âm theo tần số343.4.Các bộ mã hóa theo nguồn âm (Vocoder)363.4.1.Vocoder kênh373.4.2.Vocoder hài373.4.3.Vocoder Cepstrum373.4.4.Vocoder kích thích bằng Voice373.4.5.Các bộ mã dự đoán tuyến tính373.5.Chọn bộ mã hóa tiếng nói trong thông tin di động413.6.Đánh giá hoạt động của bộ mã hóa tiếng nói42Chương 4: Cân bằng – Phân tập – Mã kênh444.1.Giới thiệu chung444.2.Cơ sở của kỹ thuật cân bằng thích nghi454.3.Cơ sở của kỹ thuật phân tập (tổ hợp tỷ số cực đại)484.3.1.Các dạng phân tập494.3.2.Phân tập phát494.3.3.Phân tập thu514.3.4.Bộ thu RAKE514.3.5.Ghép xen (interleaving)524.4.Mã kênh534.4.1.Các vấn đề cơ bản của mã kênh534.4.2.Dung lượng kênh544.4.3.Mã khối554.4.4.Mã xoắn66Chương 5: Hệ thống thông tin di động tổ ong GSM765.1. Đặc điểm chung của hệ thống GSM765.2. Kiến trúc hệ thống GSM765.2.1.Hệ thống con chuyển mạch – SS.795.2.2.Hệ thống con trạm gốc – BSS805.2.3.Hệ thống con vận hành và bảo dưỡng OSS825.3.Kiến trúc vô tuyến của GSM845.4. Các loại kênh trong GSM855.4.1.Kênh lưu lượng865.4.2.Các kênh điều khiển865.5.Cuộc gọi trong GSM885.5.1.Cuộc gọi từ MS885.5.2.Cuộc gọi từ mạng cố định đến MS895.6.Cấu trúc khung905.7.Xử lý tín hiệu trong GSM945.8. Cấu trúc mạng GPRS dựa trên nền mạng GSM975.8.1. Gateway GSN (GGSN)985.8.2. Serving GSN (SGSN)995.8.3. Đơn vị kiểm tra dữ liệu gói PCU ( Packet Control Unit )1005.8.4. HLR, VLR, AUC và EIR1005.8.5. BSS (Base Station System)1015.9. Các loại kênh trong mạng GRPS1025.9.1. Các kênh logic gói1025.9.2. Kênh lưu lượng logic gói1045.9.3. Kênh lưu lượng dữ liệu gói105Chương 6: Hệ thống thông tin di động CDMA1066.1.Giới thiệu chung1066.2.Kiến trúc hệ thống CDMA1086.2.1 Thiết bị người sử dụng UE (USER EQUIPMENT)1106.2.2 Cấu trúc mạng truy cập1106.2.3. Mạng lõi CN1116.3.Dãy giả ngẫu nhiên (PN)1126.3.1.Tạo dãy m1126.3.2.Tính chất của chuỗi MLSR1166.3.3.Hàm tương quan của tín hiệu mã giả ngẫu nhiên1176.3.4.Dãy Gold1196.4.Mã trực giao1196.5.Trải phổ dãy (chuỗi) trực tiếp (DS – SS)1206.6.Hoạt động của trải phổ dãy trực tiếp1226.7.Trải phổ nhảy tần (FH – SS)1256.8.Hoạt động của trải phổ nhảy tần1276.9.Hệ thống MC DS – CDMA1286.9.1.Mô hình hệ thống MC DS – CDMA1296.9.2.Máy phát1306.9.3.Kênh truyền1326.9.4.Máy thu1346.9.5.Đánh giá đặc tính hệ thống MC DS – CDMA1366.10.Điều chế OFDM1446.10.1.Cấu trúc khung1466.10.2.Kỹ thuật điều chế1476.10.3.Khoảng bảo vệ và tiền tố lặp1496.10.4.Tạo cửa sổ1516.10.5.Ghép xen1526.10.6.Tác dụng của chèn CP153Chương 7: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 31597.1. Yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di độngt hế hệ thứ 31597.2.Hệ thống CDMA1607.2.1. Vùng phủ sóng của cdma 20001607.2.2.Cấu trúc của kênh cdma 20001617.3.W – CDMA1647.4. Hệ thống lai ghép TDMA và CDMA (hệ thống UTRA TDD)165

PHỤ L ỤC C

Chương 1: Khái quát chung về thông tin di động 4

1.1 Những đặc thù của thông tin di động 4

1.2 Lịch sử phát triển của thông tin di động 4

1.3 Một số hệ thống thông tin di động trên thế giới 6

1.4 Xu hướng phát triển của thông tin di động 8

1.5 Một số kết quả đạt được mạng GSM 9

Chương 2: Tế bào – Cơ sở thiết kế hệ thống 11

2.1 Tế bào và việc phân bổ tần số 11

2.2.1 Lựa chọn tế bào 11

2.2.2 Phân chia kênh truyền 11

2.2.3 Kích thước nhóm N 12

2.2 Nhiễu cùng kênh và dung lượng hệ thống 13

2.3 Nhiễu kênh lân cận và kế hoạch phân chia kênh truyền 16

2.4 Chiến lược phân kênh và chuyển giao 17

2.5 Trung kế và cấp độ dịch vụ 18

2.5.1 Kênh chung 18

2.5.2 Cấp độ dịch vụ 19

2.5.3 Tổng đài không nhớ cuộc gọi bị chặn – Công thức Erlang B 19

2.5.4 Tổng đài nhớ cuộc gọi bị chặn – Công thức Erlang C 23

2.5.5 Hiệu suất trung kế 25

2.6 Nâng cao dung lượng hệ thống tế bào 25

2.6.1 Chia nhỏ tế bào 25

2.6.2 Sử dụng ăng ten định hướng 26

2.6.3 Phân vùng trong tế bào 27

Chương 3: Mã hóa tiếng nói 29

3.1 Các đặc trưng của tiếng nói 30

3.2.1 Hàm mật độ xác suất (pdf) 30

3.2.2 Hàm tự tương quan (AFC) 30

3.2.3 Hàm mật độ phổ công suất (psd) 30

3.2.1 Lượng tử tuyến tính 31

3.2.2 Lượng tử phi tuyến 31

3.2.3 Lượng tử thích nghi 32

3.2.4 Lượng tử véctơ 33

3.3 Các bộ mã hóa theo dạng sóng 33

3.3.1 Bộ điều chế xung mã vi phân thích nghi (ADPCM) 33

3.3.2 Bộ mã hóa sóng âm theo tần số 34

3.4 Các bộ mã hóa theo nguồn âm (Vocoder) 36

3.4.1 Vocoder kênh 37

3.4.2 Vocoder hài 37

3.4.3 Vocoder Cepstrum 37

3.4.5 Các bộ mã dự đoán tuyến tính 37

3.5 Chọn bộ mã hóa tiếng nói trong thông tin di động 41

3.6 Đánh giá hoạt động của bộ mã hóa tiếng nói 42

Chương 4: Cân bằng – Phân tập – Mã kênh 44

4.1 Giới thiệu chung 44

4.2 Cơ sở của kỹ thuật cân bằng thích nghi 45

4.3 Cơ sở của kỹ thuật phân tập (tổ hợp tỷ số cực đại) 48

4.3.1 Các dạng phân tập 49

4.3.2 Phân tập phát 49

4.3.3 Phân tập thu 51

4.3.4 Bộ thu RAKE 51

4.3.5 Ghép xen (interleaving) 52

4.4 Mã kênh 53

4.4.1 Các vấn đề cơ bản của mã kênh 53

4.4.2 Dung lượng kênh 54

4.4.3 Mã khối 55

4.4.4 Mã xoắn 66

Chương 5: Hệ thống thông tin di động tổ ong GSM 76

5.1 Đặc điểm chung của hệ thống GSM 76

5.2 Kiến trúc hệ thống GSM 76

5.2.1 Hệ thống con chuyển mạch – SS 79

5.2.2 Hệ thống con trạm gốc – BSS 80

5.2.3 Hệ thống con vận hành và bảo dưỡng OSS 82

5.3 Kiến trúc vô tuyến của GSM 84

5.4 Các loại kênh trong GSM 85

5.4.1 Kênh lưu lượng 86

5.4.2 Các kênh điều khiển 86

5.5 Cuộc gọi trong GSM 88

5.5.1 Cuộc gọi từ MS 88

5.5.2 Cuộc gọi từ mạng cố định đến MS 89

5.6 Cấu trúc khung 90

5.7 Xử lý tín hiệu trong GSM 94

5.8 Cấu trúc mạng GPRS dựa trên nền mạng GSM 97

5.8.1 Gateway GSN (GGSN) 98

5.8.2 Serving GSN (SGSN) 99

5.8.3 Đơn vị kiểm tra dữ liệu gói PCU ( Packet Control Unit ) 100

5.8.4 HLR, VLR, AUC và EIR 100

5.8.5 BSS (Base Station System) 101

5.9 Các loại kênh trong mạng GRPS 102

5.9.1 Các kênh logic gói 102

5.9.2 Kênh lưu lượng logic gói 104

5.9.3 Kênh lưu lượng dữ liệu gói 105

6.1 Giới thiệu chung 106

6.2 Kiến trúc hệ thống CDMA 108

6.2.1 Thiết bị người sử dụng UE (USER EQUIPMENT) 110

6.2.2 Cấu trúc mạng truy cập 110

6.2.3 Mạng lõi CN 111

6.3 Dãy giả ngẫu nhiên (PN) 112

6.3.1 Tạo dãy m 112

6.3.2 Tính chất của chuỗi MLSR 116

6.3.3 Hàm tương quan của tín hiệu mã giả ngẫu nhiên 117

6.3.4 Dãy Gold 119

6.4 Mã trực giao 119

6.5 Trải phổ dãy (chuỗi) trực tiếp (DS – SS) 120

6.6 Hoạt động của trải phổ dãy trực tiếp 122

6.7 Trải phổ nhảy tần (FH – SS) 125

6.8 Hoạt động của trải phổ nhảy tần 127

6.9 Hệ thống MC DS – CDMA 128

6.9.1 Mô hình hệ thống MC DS – CDMA 129

6.9.2 Máy phát 130

6.9.3 Kênh truyền 132

6.9.4 Máy thu 134

6.9.5 Đánh giá đặc tính hệ thống MC DS – CDMA 136

6.10 Điều chế OFDM 144

6.10.1 Cấu trúc khung 146

6.10.2 Kỹ thuật điều chế 147

6.10.3 Khoảng bảo vệ và tiền tố lặp 149

6.10.4 Tạo cửa sổ 151

6.10.5 Ghép xen 152

6.10.6 Tác dụng của chèn CP 153

Chương 7: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 159

7.1 Yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di độngt hế hệ thứ 3 159

7.2 Hệ thống CDMA 160

7.2.1 Vùng phủ sóng của cdma 2000 160

7.2.2 Cấu trúc của kênh cdma 2000 161

7.3 W – CDMA 164

7.4 Hệ thống lai ghép TDMA và CDMA (hệ thống UTRA TDD) 165

Chương 1:

Khái quát chung về thông tin di động1.1 Những đặc thù của thông tin di động

Nói đến thông tin di động là nói đến việc liên lạc thông qua sóng điện từ bắt đầu

từ năm 1897 Gugliemo Marconi đã thực hiện liên lạc từ đất liền với những con tàutrên biển bằng sóng điện từ Đến năm 1980 thông tin di động mới thực sự phát triểntrên thế giới

Để hiểu được ta làm phép tính: Mỗi cuộc liên lạc giữa hai người cần một đườngtruyền độc lập, mỗi kênh giả sử có dải thông 3kHz (trên thực tế lớn hơn) thì dải tần vôtuyến là từ 0 – 3GHz chỉ cho phép truyền 3.109/3.103 = 106 cuộc liên lạc cùng một lúc

Để phục vụ hàng chục triệu người có thể cùng sử dụng máy di động cùng một lúc, đấychưa kể dải tần này còn dành cho rất nhiều công việc khác

Phương pháp duy nhất để giải quyết vấn đề để nhiều người dùng độc lập trênmột dải tần vô tuyến hạn chế là: Một cuộc liên lạc di động này có thể sử dụng đúngdải tần của một cuộc liên lạc di động khác với điều kiện hai cuộc liên lạc phải ở đủ xanhau về khoảng cách để sóng truyền đến nhau nhỏ hơn sóng truyền giữa hai ngườitrong cuộc Do đó để thích hợp cho việc quản lý người ta chia thành các phần nhỏ gọi

là tế bào (Cellular) Hai cuộc liên lạc ở hai tế bào đủ xa nhau có thể sử dụng cùng mộtdải tần số sóng điện từ thông qua việc quản lý của một trạm trung tâm tế bào Về lýthuyết kích thước tế bào là rất nhỏ khi đó có thể phục vụ vô số cuộc gọi cùng một lúcchỉ cần một dải tần sóng vô tuyến hạn chế Phương pháp này gọi là phương pháp sửdụng lại tần số

Tóm lại, những đặc thù của thông tin di động là: Phục vụ Đa truy cập – gắn liềnvới thiết kế Mạng tế bào, các hệ qủa kéo theo liên quan đến vấn đề này là: Chuyểngiao, chống nhiễu, quản lý di động, quản lý tài nguyên vô tuyến, bảo mật,… Nhữngđiều này khác rất nhiều với mạng vô tuyến cố định và luôn đỏi hỏi phát triển nhữngcông nghệ mới

1.2 Lịch sử phát triển của thông tin di động

Để có bức tranh toàn cảnh về sự phát triển của thông tin di động ta điểm lại một

số mốc lịch sử khi phát triển thông tin di động trên thế giới

Ta có thể lựa chọn lịch sử phát triển thông tin di động của nước Mỹ làm điểnhình:

 Năm 1946: Dịch vụ điện thợi di động công cộng được giới thiệu lần đầu ở 25thành phố Mỗi hệ thống dùng bộ phát công suất lớn đặt trên ăng ten cao phủ sóng bánkính 50km kỹ thuật Push to talk (bán song công), độ rộng kênh truyền là 120kHz(mặc dù độ rộng băng tần của tiếng nói chỉ là 3khz) Đây chưa phải là hệ thống tế bào,tần số chưa được sử dụng lại, số người được phục vụ rất ít

 Năm 1950: Độ rộng kênh được thu hẹp lại còn 60kHz, dẫn đến số kênh sửdụng tăng gấp đôi

từ BTS – MS) sử dụng đa truy cập FDMA, điều chế FSK, độ rộng băng tần là 25kHz

độ rộng băng tần 30kHz, do đó hệ thống có (660 832 kênh đứpđúp, (kênh song côngmỗi kênh độ rộng 2*30 = 60kHz) Trong 832 kênh có 40 kênh chỉ mang thông tin về

hệ thống Ở mỗi thành phố phân cho 2 nhà cung cấp dịch vụ, đây là điểm đáng nhớtrong lịch sử phát triển của thông tin di động

 Năm 1989; FCC phân thêm 10MHz phổ cho hệ thống AMPS Hệ thống tế bàonày hoạt động trong môi trường hạn chế giao thoa, sử dụng lại tần số, kỹ thuật đa truynhập phân chia theo tần số FDMA, để cực đại số người dùng dải tần và tổ chức kênhcủa hệ như sau:

0.030(N - 1023) + 825.0 MHz 0.030N + 870.0 MHz

0.030(N – 1023) + 870.0 MHz

 Năm 1991: Ra đời hệ thống tế bào số (USDC) theo chuẩn IS – 54, hỗ trợ 3người sử dụng trên một kênh truyền 30kHz ( / 4DQPSK) Khi kỹ thuật nén tiếng nói

và xử lý tín hiệu phát triển có thể tăng dung lượng lên 6 lần (kết hợp với TDMA vàtồn tại song song với AMPS trên cùng cơ sở hạ tầng) đánh dấu sự ra đời của thông tin

di động thế hệ 2

 Cũng năm 1991: Hệ thống dựa trên kỹ thuật trải phổ được phát triển bởiQuancom theo chuẩn IS – 95 hỗ trợ nhiều người sử dụng trên một dải tần 1.25MHz,phân biệt mã trải phổ trực tiếp (CDMA) Với AMPS yêu cầu SNR >= 18 dB thìCDMA yêu cầu thấp hơn và cho dung lượng cao hơn Ngoài ra bộ mã hóa tiếng nóitốc độ thay đổi có thể phát hiện tiếng nói khi đàm thoại sẽ điều khiển bộ phát chí phátsóng khi nói sẽ làm giảm môi trường giao thoa và tiết kiệm pin

 Năm 1991 hệ thống Mạng thông tin di động thế hệ 2 ra đời ở Châu Âu với trênphổ tần 900MHz (890 – 915MHz uplink và 935 – 960MHz downlink) sử dụng kỹthuật TDMA/FDMA

 Vấn đề tích hợp các mạng trong một cơ sở hạ tầng cũng được đặt ra từ đầunhững năm 1990

 Năm 1995: Chính phủ Mỹ đã cấp giấy phép trên dải tần 1800/2100MHz hứahẹn sự phát triển mới cho dịch vụ thông tin cá nhân (PCS)

 Năm 2000: tổ chức viễn thông quốc tế (ITU) đã thống nhất một số hướng vàchuẩn phát triển cho thông tin di động đa dịch vụ thế hệ 3 theo chuẩn UMTS vàCDMA2000

1.3 Một số hệ thống thông tin di động trên thế giới

Hệ thống thông tin di động trên thế giới phân thành 3 loại chính như sau là: Hệnhắn tin - điện thoại kéo dài - điện thoại tế bào trong đó:

 Hệ nhắn tin: là loại hình thông tin di động bán song công người dùng chỉ nhậnđược bản tin nhắn một chiều với một thiết bị thu đơn giản như một chiếc radio vàmột mã số riêng

 Điện thoại kéo dài: là thiết bị cầm tay kết nối vô tuyến với một máy chủ đặttrong nhà, máy chủ được kết nối với mạng điện thoại công cộng (PSTN) Tầm vôtuyến kéo dài hẹp (<100m) tiện lợi cho người sử dụng di động tốc độ thấp…

 Điện thoại tế bào cho phép người sử dụng di động tốc độ nhanh, toàn bộ vùngdịch vụ được chia thành các tế bào kề nhau, người dùng nằm trong tế bào nào sẽ

do trạm cơ sở của tế bào đó quản lý…

Ngoài việc phân loại trên thì trên thế giới tồn tại 3 hệ thống điện thoại với cácchuẩn không tương thích nhau đó là Nhật bản, Bắc Mỹ và Châu Âu cà các nước cònlại Đây là những tồn tại lịch sử mà trong xu hướng phát triển tương lai thế giới mongmuốn một hệ thống thống nhất toàn cầu đa dịch vụ, phục vụ người dùng di chuyển

Các chuẩn thông tin di động chính ở Bắc Mỹ

USDC Tế bào 1991 TDMA 824 – 894MHz  / 4DQPSK 30KHz

12.5MHz

Các chuẩn thông tin di động chính ở Châu Âu

GSM Tế bào / PCS 1990 TDMA 890 - 960 MHz GMSK 200KHz

DCS-1800 Kéo dài / PCS 1993 TDMA 1.71 – 1.88 GHz GMSK 200KHz

 Hệ nhắn tin: là loại hình thông tin di động bán song công người dùng chỉ nhậnđược bản tin nhắn một chiều với một thiết bị thu đơn giản như một chiếc radio

 Điện thoại tế bào cho phép người sử dụng di động tốc độ nhanh, toàn bộ vùngdịch vụ được chia thành các tế bào kề nhau, người dùng nằm trong tế bào nào

sẽ do trạm cơ sở của tế bào đó quản lý…

Ngoài việc phân loại trên thì trên thế giới tồn tại 3 hệ thống điện thoại với cácchuẩn không tương thích nhau đó là Nhật bản, bắc Mỹ và Châu Âu cà các nước cònlại Đây là những tồn tại lịch sử mà trong xu hướng phát triển tương lai thế giới mongmuốn một hệ thống thống nhất toàn cầu đa dịch vụ phục vụ người dùng di chuyểnkhắp nơi chỉ với một thiết bị cầm tay

Các chuẩn thông tin di động chính ở Nhật Bản

đầu

Truy

PDC Tế bào 1993 TDMA 810 – 1501 MHz  / 4DQPSK 25KHz

PHS Kéo dài 1993 TDMA 1895 – 1907 MHz  / 4DQPSK 300KHz

1.4 Xu hướng phát triển của thông tin di động

Hiện nay thông tin di động đang trong giai đoạn phát triển như vũ bão, đáp ứngnhu cầu không ngừng tăng của khách hàng cả về khối lượng, chất lượng và loại hìnhdịch vụ chia làm các giai đoạn phát triển sau:

 Từ năm 1989 đã có những nghiên cứu rộng lớn trên thế giới nhằm phát triển hệthống vô tuyến cá nhân: Kết hợp sự thông minh của mạng PSTN, xử lý tín hiệu sốhiện đại và công nghệ RF

 Xu hướng phát triển mạng vô tuyến trong nhà (indoor) cho phép người dùng kếtnối máy tính văn phòng trong các tòa nhà lớn (tần số 1.8GHz)

 Xu hướng chuẩn hoá IMT – 2000, được quyết định bởi ITU xây dựng chuẩn vàquy hoạch tần số trên toàn thế giới

 Xu hướng phát triển hệ viễn thông vệ tinh LEO, cùng với sự phát triển côngnghệ vũ trụ, hệ thông tin vệ tinh phối hợp với hệ di động mặt đất tạo nên kết nối toàncầu thích hợp với mọi loại địa hình và loại thông tin

 Hiện nay các quốc gia phát triển sau lại có cơ hội đi nhanh vào các ứng dụng tiêntiến nhất và lựa chọn các mô hình thích hợp với sự phát triển của tương lai

1.5. Một số kết quả đạt được mạng GSM

- Các dịch vụ mạng mới và cải thiện các dịch vụ liên quan đến truyền số liệu như

nén số liệu của người sử dụng, số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCDS: HighSpeed Circuit Swiched Data), dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS: General PacketRadio Sevice) và số liệu 14,4 kbit/s

- Các công việc liên quan đến dịch vụ thoại như: Codec tiếng toàn tốc cải tiến (EFC:Enhanced Full Rate Codec), Codec đa tốc độ thích ứng và khai thác tự do đầu cuốicác Codec tiếng

- Các dịch vụ bổ sung như:chuyển hướng cuộc gọi, hiển thị tên chủ gọi, chuyển giaocuộc gọi và các dịch vụ chặn gọi

- Cải thiện liên quan đến dịch vụ bản tin ngắn (SMS :Short Message Service) như:móc nối các SMS, mở rộng bảng chữ cái, mở rộng tương tác giữa các SMS

- Các công việc liên quan đến tính cước như:các dịch vụ trả tiền trước, tính cướcnóng và hỗ trợ cho ưu tiên vùng gia đình

- Tăng cường công nghệ SIM

- Dịch vụ mạng thông minh: CAMEL

- Các cải thiện chung như:chuyển mạng GSM-AMPS, các dịch vụ địng vị, tương tácvới các hệ thống thông tin di động vệ tinh và hỗ trợ định tuyến tối ưu

Thông tin di động thế hệ ba sẽ phải là thế hệ thông tin di động cho các dịch vụ diđộng truyền thông cá nhân đa phương tiện Hộp thư thoại sẽ được thay thế bằng bưuthiếp điện tử được lồng ghép với hình ảnh và các cuộc thoại thông thường trước đây

sẽ được bổ sung các hình ảnh để trở thành thoại có hình…

Dưới đây là một số yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di động thứ ba này:

- Mạng phải là băng thông rộng và có khả năng truyền thông đa phương tiện Nghĩa

là mạng phải đảm bảo được tốc độ bit của người sử dụng đến 2Mbit/s

- Mạng phải có khả năng cung cấp độ rộng băng tần (dung lượng) theo yêu cầu.Điều này xuất phát từ việc thay đổi tồc độ bit của các dịch vụ khác nhau Ngoài racần đảm bảo đường truyền vô tuyến không đối xứng chẳng hạn với:tốc độ bit ởđường xuống và tốc độ thấp ở đường lên hoặc ngược lại

- Mạng phải cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu Nghĩa là đảm bảo các kếtnối chuyển mạch cho thoại, các dịch vụ video và các khả năng số liệu gói cho cácdịch vụ số liệu

- Chất lượng dịch vụ phải không thua kém chất lượng dịch vụ mạng cố định, nhất làđối với thoại

- Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu, nghĩa là bao gồm cả thông tin vệ tinh

Băng tần cho IMT-2000 đã được quy định tại hội nghị quản lý vô tuyến thế giới– 92 (WARC-92) vào năm 1992 Một dải phổ 230MHz trong băng tần 2GHz (1885-

2025 MHz, 2110-2200 MHz) đã được phân chia cho IMT-2000 Tuy nhiên sự bùng

nổ nhu cầu đối với thông tin di đông và các xu hướng đa phương tiện trong thông tin

di động khiến cho ITU-R dự đoán vào giữa năm 1999 và 2000 rằng băng tần

IMT-2000 sẽ trở nên không đủ trong tương lai gần Đặc biệt, ITU-R dự báo số thuê baoIMT-2000 sẽ đạt con số 200 triệu thuê bao trên toàn thế giới vào năm 2010, đồng thờiITU-R cũng nhận thấy cần phải đảm bảo một băng tần chung toàn cầu để đạt được giáthành thấp hơn nhờ việc sử dụng chung các thiết bị đầu cuối IMT-2000 trên phạm vitoàn cầu và phát triển các chỉ tiêu kĩ thuật chung cho các thiết bị đầu cuối ITU-R ướctính rằng vào năm 2010 sẽ thiếu băng thông khoảng 160MHz cho các hệ thống thôngtin mặt đất và 2 x 67 MHz cho các hệ thống thông tin vệ tinh trên thế giới Để đáp ứng

dự báo này, hội nghị thông tin vô tuyến thế giới 2000 (WRC-2000) đã đề xuất dànhcác băng tần 800 MHz (806-960 MHz), 1,7GHz (1710-1885 MHz) và 2,5 GHz (2500-

2690 MHz) để sử dụng cho IMT-2000 trên thế giới trong tương lai, còn việc phân chiathích hợp các tần số trong các băng tần này bởi mỗi quốc gia sẽ theo nhu cầu trongnước và các ứng dụng thương mại khác

DECT W-CDMA (TDD)

W-CDMA Uplink (FDD)

MS W-CDMA (TDD)

W-CDMA Downlink (FDD)

Chương 2:

Tế bào – Cơ sở thiết kế hệ thống

Phương pháp sử dụng lại tần số dẫn đến vùng dịch vụ được chia thành các miềnnhỏ kề nhau gọi là các tế bào Mỗi tế bào có một ăng ten trung tâm với công suất phùhợp để quản lý các di động trong tế bào mà không gây nhiễu sang các tế bào khác.Việc phân chia này phải thỏa mãn 2 yêu cầu:

 Diện tích các tế bào phải phủ kín vùng dịch vụ, vùng chồng lấn giữa hai tếbào kề nhau phải cực tiểu

 Hai tế bào sử dụng cùng dải tần phải cách nhau đủ xa

2.1 Tế bào và việc phân bổ tần số

Ở đây n là số cạnh đa giác, l là số đa giác có chung một đỉnh để lấp kín 3600 Do

l, n đều là các số nguyên nên (n – 2) phải là ước của 4 do đó n chỉ có thể nhận các giátrị 3, 4, 6 tức đa giác đều phải là tam giác, tứ giác hoặc lục giác đều

 Khi sử dụng ăng ten phát tròn đặt tại tâm các đa giác này Với tế bào lục giácthì các hình tròn ngoại tiếp của 2 đa giác kề nhau có diện tích chồng lên nhaunhỏ nhất, Do vậy mô hình tế bào lục giác được lựa chọn trên thực tế

2.2.2 Phân chia kênh truyền

Giả sử chúng ta có S kênh truyền và phân cho một nhà cung cấp dịch vụ Khithiết kế hệ thống không thể phân tất cả S kênh này cho một tế bào vì khi lặp lại điềunày ở tế bào bên cạnh các kênh cùng dải tần ở 2 tế bào cạnh nhau sẽ gây nhiễu lênnhau Do vây S kênh này phải phân cho một nhóm N tế bào (N còn gọi là kích thướcnhóm) như vậy mỗi nhóm có S/N = k kênh, rồi thiết kế lặp lại cả nhóm tế bào này trênđịa bàn dịch vụ Điều này làm cho 2 tế bào cùng kênh ở xa nhau hơn, và hai tế bào ởcạnh nhau chỉ sử dụng các kênh truyền khác nhau điều đó dẫn đến kích thước nhómcàng lớn, 2 tế bào cùng kênh ở càng xa nhau

Nếu vùng dịch vụ chia làm M tế bào thì dung lượng hệ thống (số người tối đa

có thể sử dụng cùng một lúc) được tính là T (kênh):

T = M.k = M.S/N (2 – 2)

Hình 2 – 1: Lặp lại nhóm tế bào trong vùng dich vụ

Từ công thức này ta thấy nếu N tăng thì T giảm, nếu N giảm thì T tăng Vậy để đạt được dung lượng lớn nhất thì N phải tiến đến 1 (tức là phân tất cả kênh vào 1 tế bào) song như đã nói ở trên 2 tế bào bên cạnh nhau sẽ gây nhiễu lên nhau Ngược lại

để đảm bảo chống nhiễu tốt, N lớn sẽ làm cho dung lượng hệ thống giảm Lựa chọn kích thước nhóm N thích hợp là nhiệm vụ của người thiết kế.

2.2.3 Kích thước nhóm N

Khi lựa chọn tế bào hình lục giác, gọi khoảng cách tâm giữa hai tế bào có kênhtruyền giống nhau (cùng kênh) nằm gần nhau nhất là D, khoảng cách này được tínhnhư sau

i j123014913713271219123014913713271219

Mặt khác so tính lặp lại của lục giác và kích thước nhóm cũng được tính:

2 2

Ví dụ: Phổ tần 33MHz được phân cho hệ di động song công phân chia

theo tần số có độ rộng kênh đơn là 25kHz Tính số kênh ở mỗi tế bào ở các trường hợp.

a N = 4, b N = 7, c N = 12 Nếu vùng dịch vụ có 50 tế bào Tính dung lượng hệ thống trong mỗi trường hợp đó

Giải: Độ rộng kênh đúp là:

25kHz*2 = 50kHz

Số kênh đúp được phép là:

33000kHz/50kHz = 660 kênh đúp

N = 4 số kênh trong một tế bào là:

660/4 = 165 kênh đúp, dung lượng kênh là C = P*k = 50*165 = 8250

N = 7 số kênh trong một tế bào là:

660/7 = 94 kênh đúp C = 50*94 = 4700

N = 12 số kênh trong một tế bào là:

660/12 = 55 kênh đúp C = 50*55 = 2450

2.2 Nhiễu cùng kênh và dung lượng hệ thống

Để đánh giá ảnh hưởng của nhiễu cùng tần số do việc sử dụng lại kênh truyền

ta có công thức suy giảm sóng điện từ là:

Tỷ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu cùng kênh gây bởi 6 tế bào xungquanh thu tại máy di động được tính là:

(2 – 6)

Hình 2 – 3a: Nhiễu đồng kênh lên bộ thu của máy di động

Ở đó S là công suất tín hiệu có ích thu tại máy di động cách xa tâm tế bàokhoảng R (khi ở rìa tế bào) I là công suất không mong muốn cùng kênh cảủau trạmphát ở các tế bào xung quanh gần nhất cách máy di động xấp xỉ khoảng D Sử dụngcông thức tính D và công thức suy giảm sóng điện từ (2 – 3) đến ( 2 – 5) ta thu được:

Quy tắc thiết kế trên địa hình lý tưởng:

Từ S/I, n  N, D/RCác thông số S/I và n bị quy định trước bởi môi trường và tính năng bộ thu bởinhà chế tạo thiết bị, N và D/R được tính toán thiết kế bởi nhà cung cấp tế bào Để xácđịnh tiếp R phải thống kê mật độ địa lý người sử dụng (mật dộ lưu lượng) và số kênhtương ứng trong mỗi thế bào

Ví dụ: Máy thu di động hoạt động tốt đòi hỏi S/I > 15dB Hãy tính hệ số lặp lại

kênh, kích thước nhóm tế bào để hệ thống có dung lượng lớn nhất ứng với các trườnghợp suy giảm sóng điện từ so môi trường là:

a n = 4, b n = 3 (coi rằng chỉ có 6 tế bào xung quanh gây nhiễu với

cự ly và công suất như nhau)

Giải:

a Với n = 4 ta chọn N = 7, ta có tỷ số lặp lại kênh là

D/R = 3N = 3 * 7 = 4,583

S/I = 1/6(D/R)n = (1/6)(4,583)4 = 75,3 = 18,66 dB

đây Đây là mô hình chấp nhận được

b Với n = 3 ta chọn N = 7 ta có tỷ số lặp lại kênh là:

D/R = 3N = 3 * 7 = 4,583

S/I = (1/6)(4,583)3 = 16,4 = 12,05 dB không thỏa mãn yêu cầu máy thu

Do đó ta cần tăng N, N = 12 (j = 2; i = 2) ta có

D/R = 3N = 3 * 12 = 6

Khi đó S/I = (1/6)(6)3 = 36 = 15,56 dB mô hình chấp nhận được

2.3 Nhiễu kênh lân cận và kế hoạch phân chia kênh truyền

Một đặc thù riêng của mạng thông tin di động tế bào là phải tính đến nhiễukênh lân cận dẫn đến việc phải hoạch định tần số trong nhóm tế bào khi thiết kế:

 Nhiễu kênh lân cận gây bởi bộ lọc máy thu không lý tưởng và hiệu ứng xa gầnbiểu hiện rõ ở bộ thu của trạm cơ sở Vì bộ lọc không lý tưởng nên tín hiệu không

mong muốn ở kênh lân cận mặc dù bị triệt mạnh song nếu nó là tín hiệu rất mạnh (do một máy di động ở gần trạm cơ sở) vẫn chui vào bộ thu gây nhiễu tín hiệu không

mong muốn của một máy di động khác khi máy này ở xa bộ thu trạm cơ sở Đượcminh họa trên hình 2 – 4:

 Giả sử máy di động MS1 ở gần trạm cơ sở hơn máy MS2 20 lần (SMS2/IMS1) =(20)-n = -52dB (với n = 4) Nếu bộ lọc trung tâm của máy thu trạm cơ sở có sườn dốc20dB/octabi thì muốn chống nhiễu kênh lân cận dải tần phát của 2 máy di động phải

cách xa nhau 6 lần độ rộng kênh truyền Do đó khi lập kế hoạch phân chia kênh

Hình 2 – 4: Nhiễu kênh lân cận lên bộ thu trạm cơ sở

Ví dụ: Hệ AMPS năm 1983 có 666 kênh đúp, năm 1989 có thêm 166 kênh đúp

lại 7 tế bào (N = 7) Mỗi tế bào được phân chia theo công thức iA + iB + iC đảm bảo

trong một tế bào cách nhau ít nhất 6 kênh

2.4 Chiến lược phân kênh và chuyển giao

Việc chia vùng dịch vụ thành các tế bào, tất yếu phải giải quyết vấn đề chuyểngiao khi người dùng di chuyển trong khi liên lạc Các hệ thống thông tin di động hiệnđại luôn phải làm tốt hai việc là phân kênh và chuyển giao

 Phân kênh tĩnh kết hợp phân kênh động: điều này gắn với mật độ người sửdụng thay đổi theo thời gian hoặc khi có sự tụ họp bất thường của nhữngngười dùng máy di động, nên bên cạnh một số kênh được phân cố định còn

có một số kênh dự trữ được phân linh hoạt theo tình huống cụ thể củamạng.

 Chuyển giao tránh hiện tượng “ping pong” và có nguyên tắc ưu tiên

Hình 2 – 5: Ngưỡng chuyển giaoKhi máy di động chi chuyển theo tuyến đường nằm chính giữa hai tế bào có thểxẩy ra tình huống chuyển đổi qua lại quyền quản lý của hai trạm cơ sở Hiện tượngnày gọi là hiệu ứng “ping pong” gây quá tải ở bộ phận điều khiển chuyển giao Đểkhử hiệu ứng này cần đặt một mức ngưỡng chuyển giao (thông thường là 6dB với hệthống tương tự), tức là khi tín hiệu thu được ở tế bào mới phải lớn hơn tín hiệu thuđược từ tế bào cũ 6dB thì mới quyết định chuyển giao (hình 2 – 5)

Điều này đã tách một biên chuyển giao thành 2 biên khác nhau Nếu đặt 2 mứcngưỡng này khác nhau (theo 2 chiều chuyển động thì có thể thay đổi “mềm” được

“kích thước” quản lý của 2 tế bào

 Kỹ thuật MAHO (máy di động hỗ trợ chuyển giao): Là kỹ thuật giảm tảitính toán quản lý lên tổng đài hoặc các bộ điều khiển chuyển giao, phânviệc đo mức và báo cáo mức tín hiệu nhận được từ các trạm cơ sở xungquanh cho chính máy di động

 Chuyển giao trong hệ thống người dùng có tốc độ chuyển động khác nhau:Điều này liên quan đến cấu hình các tế bào chồng phủ lên nhau có kíchthước khác nhau nhằm quản lý các di động có tốc độ rất khác nhau Người

6dB6dB

dùng di chuyển tốc độ chậm được phân sang hệ thống các tế bào kích thướcnhỏ (đáp ứng nơi có mật độ người sử dụng cao) Người dùng di chuyển tốc

độ cao được phân sang hệ tế bào kích thước lớn (giảm tần suất chuyểngiao)

Hình 2 – 6: Phân vùng tế bào lớn kết hợp tế bào nhỏ (chồng cell)

2.5 Trung kế và cấp độ dịch vụ

2.5.1 Kênh chung

Kênh vô tuyến trong thông tin di động được sử dụng chung lần lượt cho nhiềungười, giống trung kế tổng đài hữu tuyến Nó chỉ được cấp phát khi có yêu cầu, do đóchỉ cần một số ít kênh mà vẫn phục vụ được khá nhiều người

“Lưu lượng (A): Là đại lượng đo phần thời gian sử dụng có ích trong 1 giờ.”

“Đơn vị đo lưu lượng là Erlang - Erl”

Ví dụ: Trong 1 giờ có 1 cuộc gọi kéo dài 30 phút Ta nói lưu lượng cuộc gọi là

0.5 Erlang

“Cường độ lưu lượng (Au): Diễn tả lưu lượng trung bình của người sử dụng.”

Ví dụ: Trong 1 giờ người gọi gọi  cuộc gọi, mỗi cuộc gọi kéo dài trung bình

H phút Cương độ lưu lượng sử dụng là Au =  H/60 Nếu U người sử dụng trong hệthống giống nhau thì khi đó lưu lượng tổng cộng của cả hệ thống là A = U.Au

Với 1 kênh truyền thì lưu lượng của 1 kênh luôn <= 1, tuy nhiên với hệ thống

có nhiều kênh truyền thì lưu lượng hệ thống có thể lớn hơn 1

2.5.2 Cấp độ dịch vụ

Bài toán lần lượt dùng chung kênh của nhiều người là bài toán xác suất dựatrên lưu lượng trung bình của cuộc gọi và xác suất truy cập của người sử dụng Vàothời điểm đồng nhất trong ngày, trong tuần,… nhiều người cùng gọi một lúc dẫn đến

số kênh truyền không đáp ứng được có thể làm cuộc gọi bị chặn.

“Cấp độ dịch vụ là chỉ số cho biết xác suất xảy ra cuộc gọi bị chặn vào lúc cao điểm là bao nhiêu”.

Ví dụ: Hệ thống có GOS = 2% tức là trong 100 lần người sử dụng tiến hành

liên lạc có thể xẩy ra 2 lần cuộc gọi bị chặn (tổng đài báo hệ thống bị bận)

1 4 3 5 2

Erlang nêu ra công thức liên hệ 3 đại lượng: Cấp độ dịch vụ (GOS: xác suất

cuộc gọi bị chặn), số kênh truyền C của hệ thống (số kênh cho 1 tế bào) và lưu lượng

người sử dụng A (lưu lượng tổng cộng trong một tế bào) với 2 loại tổng đài

2.5.3 Tổng đài không nhớ cuộc gọi bị chặn – Công thức Erlang B

Các giả thiết bổ sung để xây dựng công thức là:

 Không tính thời gian thiết lập cuộc gọi

 Người có cuộc gọi bị chặn khi truy cập lần tiếp theo bình đẳng như nhữngngười truy cập khác

 Số người truy cập tuân theo phân bố Poisson

 Thời gian chiếm kênh của một cuộc gọi phân bố theo hàm mũ (E.e-t)

 Có số hữu hạn kênh được sử dụng

k

A C

A chan

bi

!

) Pr(

(2 – 8)

Ở đó C là số kênh trung kế

A là lưu lượng tổng cộng của hệ

Pr xác suất cuộc gọi bị chặn (GOS)

Có thể xây dựng mô hình người sử dụng hữu hạn kết quả nhỏ hơn kết quả tínhđược theo công thức này Ta có thể tra theo kết quả theo hình 2 – 7

Ví dụ 1:

Có bao nhiêu người dùng có thể được phục vụ với tổng đài không nhớ cuộc gọi

bị chặn có cấp độ GOS 5%0, nếu số kênh trong một tế bào của hệ thống là:

Ta có A = 3.96 suy ra tổng số người dùng là U = A/Au = 3.96/0.1 = 39.6 người,

ta chọn U = 39

Hình 2 – 7: Giản đồ Erlang B

độ dịch vụ là GOS = 2% theo công thức Erlang B với tổng đài không nhớ cuộc gọi bịchặn và lưu lượng của mỗi khách hàng trung bình là 0.03 Erl Tính

a Số tế bào trong thành phố

b Số kênh trên một tế bào

c Lưu lượng cuộc gọi trên mỗi tế bào

d Lưu lượng của toàn thành phố

e Tổng số người có thể dùng theo GOS = 2%

f Số người dùng trên một kênh của toàn thành phố

Số tế bào trong thành phố là 1300/41.57 = 31 tế bào

b Số kênh trên một tế bào là:

40000000/(60000*7) = 95 kênh (C)

c C = 95, GOS = 0.02 ta có A = 84 Erlan/ tế bào

d Lưu lượng của toàn thành phố

31*84 = 2604 Erlan

e Mỗi người dùng 0.03Erlnên tổng số người có thể được phục vụ là:

U = A/Au = 2604/0.03 = 86600 người

f Số người dùng trên một kênh là

86600/(7*95) = 130 người/ kênh

g Số người dùng nhiều nhất cùng một lúc là:

95*31 = 2945 người

2.5.4 Tổng đài nhớ cuộc gọi bị chặn – Công thức Erlang C

Ở hệ thống này một cuộc gọi bị chặn sẽ được xếp hàng trong dãy những cuộc gọi bịchặn chờ được truy cập

GOS lúc này sẽ là chỉ số cho biết khả năng một cuộc gọi bị chặn và phải chời trongmột thời gian xác định

Để tính GOS trước hết ta phải tính xác suất cuộc gọi bị chặn theo công thức Erlang C

k

k C

C

k

A C

A C

A

A doi

cho

(2 – 9)

Có thể tính hoặc là tra kết quả theo hình 2 – 8

Sau đó nhân với xác suất chờ t giây trong hàng đợi Công thức cuối cùng là:

) 0

| Pr(

* ) 0 Pr(

cho t

H doi

cho D





Ví dụ:

Hệ tế bào lục giác trong có: N = 4 và bán kính tế bào R = 1.387 km

Hệ được phân dải tần ứng với 60 kênh đúp Nếu lưu lượng người dùng là 0.029Erl,

và có 1 cuộc gọi/giờ Với GOS là 5% hãy xác định

a Bao nhiêu người dùng/km2 được cung cấp bởi hệ này

b Xác suất cuộc gọi (sau khi bị chặn) phải chờ thêm t = 10 giây

c Xác suất tổng cộng cuộc gọi phải chờ t = 10 giây

Giải: Với bán kính tế bào là R = 1.387 km diện tích tế bào là 5km2

N = 4 và tổng số kênh đúp là 60 kênh nên số kênh / tế bào = 60/4 = 15

a Tra bảng Erlan C với GOS = 5% và C =15 ta có A = 8.8 Erl

Hình 2 – 8: Bảng kết quả công thức Erlan C

Số người dùng trong một tế bào là 8.8/0.029 = 303 người

Số người dùng /km2 là 303/5 = 60 người/km2

b   1cuộc gọi/giờ H = Au/  =0.029 giờ = 104.4 giây

Xác suất cuộc gọi (sau khi bị chặn) phải chờ thêm t = 10 giây là

Pr(chờ đợi > t / chờ đợi > 0) = exp( -(C – A).t/H)

= exp(-(15 – 8.8)*10/104.4 = 52.22 %

c Với GOS = 5% xác suất tổng cộng mọt cuộc gọi phải chờ 10 giây là:

Pr(chờ đợi > 10s) = Pr(chờ đợi > 0).Pr(chờ đợi > 10s | chờ đợi > 0)

= 0.05*0.5522 = 2.78 %

2.5.5 Hiệu suất trung kế

Là lưu lượng sử dụng tính trung bình trên một kênh trung kế Giá trị này phụ thuộcvào cách tổ chức thiết kế và cấp độ dịch vụ xác định

Ví dụ:

10 kênh trung kế/tế bào với GOS = 1% (trường hợp tổng đài không nhớ cuộc gọi bịchăn) khi tra bảng Erlan B ta thấy chúng đáp ứng lưu lượng cuộc gọi 4.46 Erlan (tươngứng lưu lượng một kênh là 0.446 Erl/kênh)

Nếu tổ chức kênh này trên 2 tế bào thì khi tra bảng ta thấy chúng chỉ đáp ứng được2*1.36 Erl = 2.72 Erln (tương ứng 0.272 Erl/kênh) Cách tổ chức đầu có hiệu suất trung

kế cao hơn cách tổ chức thứ 2 vơi cùng một GOS song khả năng chống nhiễu kém hơn

2.6 Nâng cao dung lượng hệ thống tế bào

Số lượng người sử dụng dịch vụ thông tin di động không ngừng tăng, đặt ra mộtyêu cầu phát triển nâng cao dung lượng hệ thống một cách có kế hoạch và tính kế thừa

Có ba kỹ thuật chính để nâng cao dung lượng hệ thống là: Chia nhỏ tế bào, sử dụng ăngten định hướng và phân vùng trong tế bào

E F F

F

D B

E C

G

G B

D

C D

Hình 2 – 9: Phân chia tế bào

Ví dụ:

Nếu dùng tế bào có Rmới = ½.Rcũ khi đó sẽ có 4 tế bào mới thay thế tế bào cũ Điềunày làm số nhóm lặp lại tăng lên 4 lần và dung lượng tăng cũng xấp xỉ 4 lần mà vẫn giữnguyên tỷ số lặp lại kênh (Q) không làm thay đổi sơ đồ phân bố kênh Công suất phát củacác tế bào mới trong hệ thống cũng phải điều chỉnh cho phù hợp

Pr (tại biên tế bào cũ) =Pt1R-n = Pr (tại biên tế bào mới) = Pt2(R/2)-n

Với n = 4 ta có Pt2 = Pt1/16 hay trạm phát của tế bào mới phải giảm 12dB

Trên thực tế, ta duy trì cả hai mô hình tế bào lớn và nhỏ để phục vụ các đối tượngchuyển động với tốc độ khác nhau và các kênh truyền cũng được phân thành 2 nhóm kích

cỡ tế bào này để tránh giao thoa cùng kênh, kết hợp với kỹ thuật hạ thấp ăng ten để điềukhiển vùng phủ sóng

2.6.2 Sử dụng Anten định hướng

Điều này sẽ dẫn đến giảm giao thoa cùng kênh cho phép các tế bào cùng kênh ở gầnnhau hơn (giảm D/R hay giảm N, tăng sự lặp lại tần số) dẫn đến tăng dung lượng hệthống trong khi kích thước tế bào không thay đổi

Ví dụ 1:

Sử dụng ăng ten định hướng có góc 1200 số trạm gây nhiễu cùng kênh xung quanhkhông phải là 6 như sử dụng ăng ten tròn mà chỉ là 2 S/I từ 17 dB sẽ tăng lên 24.2 dBnên có thể giảm N từ 12 đến 7 phương pháp này không thay đổi số trạm cơ sở mà chỉtăng thêm số ăng ten trên một trạm cơ sở điều này cũng sẽ làm giảm phần nào hiệu suấttrung kế và tăng thêm số lần chuyển giao

Hình 2 – 10: Sử dụng ăng ten định hướng.

Ví dụ 2:

Xét hệ thống có thời gian trung bình cuộc gọi là 2 phút Xác suất cuộc gọi bị chặn là1%, theo công thức Erlan B mỗi tế bào có một cuộc gọi trong 1 giờ và có 399 kênh/7 tếbào Khi dùng ăng ten tròn khả năng phục vụ là 44.2 Erl hay 1326 cuộc gọi/giờ Nếudùng ăng ten định hướng 1200 sẽ chỉ có 19 kênh/1 ăng ten với cùng xác suất bị chặn vàtrung bình cuộc gọi, mỗi ăng ten phục vụ 11.2 Erl tức là 336 cuộc gọi/giờ hay 1008 cuộcgọi/giờ trong 1 tế bào (giảm 24% so với ăng ten phát sóng tròn) trong khi đó lại nâng cao

tỷ số S/I

Ví dụ với ăng ten 600 với N = 7 sẽ cho S/I = 29 dB cho phép dùng N = 4 làm tăngdung lượng lên 7/4 lần (hiệu suất trung kế giảm 44%)

2.6.3 Phân vùng trong tế bào

Phương pháp sử dụng ăng ten định hướng làm tăng số chuyển giao và quá tải cácphần tử chuyển mạch Lee đã đưa ra giải pháp là thay trạm trung tâm lớn bằng một sốtrạm phát công suất thấp hơn phủ các vùng nhỏ hơn trong tế bào và các trạm này đượckết nối về điều khiển chung ở một trạm cơ sở của tế bào

Kỹ thuật này thường được dùng dọc theo các đường cao tốc hay các hành lang cólưu lượng lớn (với S/I = 18 dB là đòi hỏi thông thường với hệ điều chế băng hẹp FM, với

N = 7 thì D/R = 4.6, vận dụng điều này cho Dz/Rz = 4.6 để chống nhiễu cùng kênh giữacác vùng thì đối với tế bào tỷ số này cho D/R = 3, N = 3 Do vậy khi giảm N = 7 đến N =

3 sẽ tăng dung lượng hệ thống lên 7/3 = 2.33 lần)

Chương 3:

MÃ HÓA TIẾNG NÓIMã hóa tiếng nói

Trong thông tin di động độ rộng dải tần có giá trị như hàng hóa, do đó bộ mã hóatiếng nói đóng vai trò quan trọng không chỉ với chất lượng tiếng nói mà còn phải đảmbảo chiếm dụng ít băng tần với tốc độ bit thấp Bộ mã hóa tốc độ bit thấp làm tăng dunglượng hệ thống là yêu cầu quan trọng của các nhà cung cấp dịch vụ Các bộ mã hóa tiếngnói cơ bản được phân thành 2 loại chính là: Mã hóa theo dạng sóng và mã hóa nguồn(vocoder)

Hình 3 – 1: Phân loại mã hóa tiếng nói

Mã hóa dạng sóng: Là kỹ thuật mã hóa và giải mã liên tục bán theo dạng sóng của

tín hiệu âm thanh, về nguyên tắc chúng được thiết kế độc lập với nguồn âm nên chấtlượng không phụ thuộc vào nguồn tín hiệu Kiểu mã này chống nhiễu tốt, không phứctạp, giá rẻ song hệ số nén tín hiệu chưa cao như PCM, ADPCM…

Mã hoá tiếng nói

Miền tần số

APC CVSDM

Mã hóa nguồn: Dựa trên sự mô phỏng nguồn âm cụ thể (tiếng nói được nghiên cứu

trước các đặc tính để khai thác khả năng nén mã), kỹ thuật này khá phức tạp, có độ trễcao, giá thành đắt bù lại có hệ số nén lớn và cho tốc độ bit mã hóa thấp

3.1 Các đặc trưng của tiếng nói

Tiếng nói có một số tính chất đặc thù có thể đựa vào đó để thiết kế bộ mã hóa đó là:Dải tần giới hạn (<4 KHz), phổ tần không bằng phẳng, phân bố biên độ không đồngnhất, có sự tương quan khác 0 giữa các mẫu tiếng nói và tồn tại các khoảng lặng phi thoạitrong khi nói chuyện Tính chất đó như sau:

3.2.1 Hàm mật độ xác suất (pdf)

Hàm mật độ xác suất diễn tả sự phân bố biên độ trong tiếng nói, nó có dạng như sau

) / 2 exp(

2

1 )

x

x x

3.2.2 Hàm tự tương quan (AFC)

Một tính chất của tiếng nói là tồn tại sự tương quan khác 0 giữa các mẫu khi tiếnhành lấy mẫu biên độ tiếng nói Có nghĩa một mẫu trong tiếng nói chúng ta có thể dựđoán trước từ một số mẫu trước đó với một lỗi ngẫu nhiên nhỏ, tính chất này được ướclượng bởi hàm:

) (

) (

1 ) (

k N n

k n x n x N

các khoảng tần số khác nhau Bản chất không bằng phẳng này là biểu hiện tính chất tựtương quan trong vùng tần số.

Sự không bằng phẳng của phổ có thể đánh giá qua hàm SFM (như là tỷ số của trungbình số học/ trung bình hình học của các mẫu khi lấy mẫu psd)

N N k k

N k k

S

S N

1 2 1 2 1



T Q

T x

f x E MSE

0

2

2 1 [ ( ) ( )]

)) (

Trong đó x(t) là biên độ tín hiệu được lấy mẫu tại thời điểm t, fQ(x) biểu diễn giá trịlượng tử gần x(t) nhất Méo lượng tử (ồn lượng tử) và chất lượng của bộ lượng tử đượcđánh giá qua tỷ số công suất tín hiệu / ồn lượng tử (SQNR) Bộ điều chế xung mã (PCM)dùng phép lượng tử 8 bit / mẫu trong điện thoại thương mại Nếu phép lượng tử là tuyếntính thì ta có công thức liên hệ như sau:

Trong đó  = 4.77 đối với giá trị đỉnh của SQNR và  = 0 đối với SQNR trungbình Từ phương trình trên ta thấy là cứ thêm một bit lượng tử thì SQNR được tăng thêm

6 dB

3.2.2 Lượng tử phi tuyến

Méo lượng tử có thể được giảm thiểu nếu phân bố các giá trị lượng tử một cáchthích hợp (không phải cách đều như lượng tử tuyến tính) Phân bố này dựa trên hàm pdfnhư sau:

Một phương pháp thường dùng trong điện thoại thương mại là bộ lượng tử Loga vớihai kỹ thuật là luật  dùng ở Mỹ và luật A dùng ở châu Âu Tín hiệu trước hết được điqua bộ khuếch đại “nén” (dạng hàm Loga) và sau đó đi vào bộ lượng tử tuyến tính

Theo luật  công thức của bộ lượng tử loga có dạng là:

) 1 ln(

) ( 1

1 ln

1

) ( ln(

1

1 ) ( 0 ln

1

) ( )

(

0

t w A A

t w A

A t w A

t w A t

Như đã nói ở trên là có sự khác nhau của pdf trong thời gian dài và thời gian ngắnđối với tiếng nói Sự thay đổi theo thời gian của tiếng nói tạo nên một dải động lớn (cỡ 40dB) Do vậy bộ lượng tử cần được điều chỉnh thích hợp bằng cách tăng bước lượng tử khicông suất tín hiệu lối vào tăng, và giảm khi công suất tín hiệu lối vào giảm (khi đó sốmức lượng tử không thay đổi) ta gọi đó là lượng tử thích nghi.

L

n

R log 2

Trong đó n là không gian lượng tử

L là độ dài véc tơ lượng tử

R là số bit mã hóa trên một mẫu

Khi n = 256, L = 1, R = 8 bit / mẫu (ứng với PCM) Khi L = 10 – 12 có thể cho R =0.5 bit / mẫu lỗi lượng tử véc tơ được coi là khoảng cách Ơcơlit giữa véc tơ lượng tử vàvéc tơ lối vào Được sử dụng cho bộ mã hóa nguồn âm có tốc độ bit thấp

3.3 Các bộ mã hóa theo dạng sóng

3.3.1 Bộ điều chế xung mã vi phân thích nghi (ADPCM)

Bộ điều chế PCM không loại bỏ sự dư thừa thông tin trong tín hiệu tiếng nói (dotính tương quan khác 0) Bộ ADPCM khai thác điều này để giảm tốc độ bit Do có tính tựtương quan cao mà các mẫu biên độ cạnh nhau ít khi thay đổi lớn nên dải động trong tínhiệu vi phân nhỏ hơn nhiều dải động của bản thân tín hiệu Mã hóa tín hiệu vi phân sẽcho tốc độ bit chỉ là 32Kbps (=1/2 chuẩn PCM) với cùng chất lượng tín hiệu (khi giải mãdùng bộ tích phân)

Trên thực tế ADPCM được kết hợp với thuật toán tiên đoán tín hiệu, thay cho việc

mã hóa sự sai khác giữa hai mẫu cạnh nhau là việc mã hóa sự sai khác giữa mẫu thật và

mẫu dự đoán nó (dựa trên một nhóm các mẫu thật trước đó, sai khác này còn gọi là lỗi dựđoán).

Hình 3 – 3: Bộ mã hóa ADPCM

Ví dụ:

Một bộ mã hóa PCM thích nghi có tốc độ lấy mẫu là 8kHz, mỗi mẫu được biểu diễnbằng nhóm 8 bit Bước lượng tử được điều chỉnh lại cứ sau 10ms và độ lớn của bướclượng tử được mã hóa bằng 5 bit Tính tốc độ bit truyền, giá trị SQNR đỉnh và trung bìnhcủa bộ mã hóa

Giải:

fz = 8kHz = 8000 Hz

n = 8, số bit thông tin trên một giây là 8*8000 = 64000 bit/s

Do hiệu chỉnh bước lượng tử cứ sau 10ms nên tốc độ bit hiệu chỉnh là:

5*1/(10*10-3) = 500 bit/s

Tốc độ bit truyền của bộ mã hóa là 64000 + 500 = 64500 bit/s = 64.5 kbps

Tỷ số SQRN chỉ phụ thuộc vào số bit dùng để mã hoá một mẫu lượng tử:

SQNRđỉnh = 6.02n + 4.77 = 6.02*8 + 4.77 = 52.93 dB

SQNRTB = 6.02n = 6.02*8 = 48.16 dB

3.3.2 Bộ mã hóa sóng âm theo tần số

Mã hóa được tiến hành theo các vùng tần số Phổ của tín hiệu tiếng nói được chiathành các dải hẹp hoặc biến đổi thành các tần số rời rạc và được mã hóa độc lập với nhau

 Lượng tử 4 bit thích nghi

Tạo bước thích nghi

Lượng tử thích nghi ngược

Dự đoán thích nghi

I(k)

Dq(k)

Tùy theo mức độ quan trọng của các dải tần con hay tần số rời rạc mà số bit sử dụng mãhóa nhiều hay ít

3.3.2.1 Mã hóa theo băng con (SBC)

Phổ của tín hiệu được chia thành 4 đến 8 dải con bằng các bộ lọc Các băng conđược di chuyển biên trái về 0 để có thể dùng tốc độ lấy mẫu Nyquist ở trong miền thờigian và được lấy mẫu với số bít khác nhau phụ thuộc biên độ phổ và tiêu chuẩn thính giáccủa con người

3.3.2.2 Mã hóa biến đổi thích nghi

Mã hóa biến đổi thích nghi là kỹ thuật mã hóa trong miền tần số dùng phương phápbiến đổi Có tốc độ mã hóa trong khoảng 9.6 – 20 kbps Các mẫu tín hiệu trong một cửa

sổ được biến đổi thành một tập các tần số rời rạc, biên độ của các tần số này được lượng

tử và mã hóa riêng biệt để truyền đi Tại bộ thu các hệ số lượng tử được biến đổi ngược

để tạo lại tín hiệu ban đầu Phương pháp này dùng biến đổi cosin rời rạc (DCT) theo côngthức:

n x

N

k n k

g n x k

10)Trong đó g(0) = 1 và g(k) = 2, k = 1, 2, … IDCT được thực hiện theo công thức:

k n k

g k X N n

Trên thực tế DCT hay IDCT được tính theo thuật toán nhanh để đáp ứng thời gianthực tế và việc thiết kế bước lượng tử khác nhau ở các tần số khác nhau cũng được thựchiện theo thời gian được truyền như thông tin tiêu đề (cỡ 2 kbps) số bit lượng tử ở tần sốrời rạc tỷ lệ với năng lượng của nó

3.4 Các bộ mã hóa theo nguồn âm (Vocoder)

Kỹ thuật này dùng để tách các thông số của nguồn âm và mã hóa các thông số nàytruyền đến nơi thu Tại nơi thu các thông số này được giải mã để điều khiển một nguồn

âm tương tự như nơi phát để tái tạo lại tín hiệu Các vocoder có tốc độ bit rất thấp nhưngphức tạp và phụ thuộc vào nguồn âm

Cơ chế chung của một nguồn âm bao gồm có nguồn kích thích và bộ lọc thôngminh và loa

Tiếng nói của chúng ta được phân thành 2 loại:

Voiced là kết quả dao động gần tuần hoàn của cơ quan phát âm

Unvoice được tạo nên bởi sự thổi khí qua khe hẹp của môi và lưỡi

Các thông số của mô hình này là các tần số chính (tần số pitch <300Hz), các giá trịđỉnh của bộ lọc thông minh có giá trị là 500Hz, 1500Hz, 2500Hz, 3500Hz và thống sốbiên độ tương ứng

Nguồn

ồn

Nguồn xung

Nguồn thứ cấp

Bộ lọc

cơ quan phát âm

Lối ra tiếng nói

Bộ phân tích Lối vào

tiếng nói

Hình 3 – 4: Mô hình nguồn phát âm

3.4.1 Vocoder kênh

Voceder kênh là hệ phân tích và tổng hợp âm đầu tiên trong vùng tần số Nó xácđịnh các thông số của tín hiệu trong các dải tần con, sau đó mã hóa và hợp kênh các dảilại việc lấy mẫu được đồng bộ sau 10 – 30ms Cùng với thông tin về năng lượng, voicehay unvoice, tần số pitch được truyền đi

3.4.2 Vocoder hài

Tương tự với Voceder kênh song có thể làm tốc độ bit thấp hơn vì dùng ít tín hiệuđiều khiển hơn Thay vì việc gửi các mẫu đường bao phổ công suất thì Vocoder hài chỉgửi các cực đại (peak, ít nhất là 3 đỉnh) của đường bao này có thể có tốc độ < 1200 bpssong có khó khăn trong việc xác định chính xác các cực đại nên không thật sự hiệu quả

3.4.3 Vocoder Cepstrum

Bộ Vocoder này tách phổ kích thích và phổ cơ quan phát âm bằng Fourier ngượccủa loga phổ biên độ để tạo nên Cepstrum của tín hiệu Các hệ số tần thấp thể hiện trongCepstrum là đường bao của phổ cơ quan phát âm Các hệ số tần số cao tạo nên đoàn xungtuần hoàn là bội số của chu kỳ lấy mẫu Bộ lọc tuyến tính dùng để tách các hệ sốCepstrum của cơ quan phát âm khỏi hệ số kích thích Trong bộ thu các hệ số Cepstrumcủa cơ quan phát âm được biến đổi fourier để tạo nên đáp ứng tần số của cơ quan phát âmhoặc giữ nguyên được coi là đáp ứng xung của cơ quan phát âm Bằng cách nhân chậpđáp ứng xung này với một tín hiệu kích thích tổng hợp, tiếng nói ban đầu được tái tạo lại

Hệ LPC mô hình cơ quan phát âm như bộ lọc toàn điểm cực với hàm truyền được

G z

H

1

1

)(

(3 – 12)

Ở đây G là hệ số khuếch đại, z-1 biểu diễn toán tử trễ đơn vị Kích thích bộ lọc hoặc

là xung tại tần số pitch là ồn trắng ngẫu nhiên tùy thuộc đoạn tiếng nói là voice hayunvoice Các hệ số của bộ lọc được xác định dùng kỹ thuật dự đoán tuyến tính giống nhưtrong bộ ADPCM Song thay cho việc truyền các giá trị lượng tử của tín hiệu lỗi giữamẫu tiên đoán và mẫy thực (ADPCM), hệ thống LPC truyền chỉ những đặc tính chọn lọccủa tín hiệu lỗi đó là các thông số như: hệ số khuếch đại, tần số pitch, quyết định voicehay unvoice, cho phép xấp xỉ tín hiệu lỗi chính xác Tại bộ thu các thông tin trên đượcdùng đểt ái tạo lại tín hiệu lỗi để kích thích bộ lọc tổng hợp Còn bộ lọc tổng hợp tại bộthu được điều khiển bởi các hệ số đự đoán nhận được Trên thực tế nhiều bộ LPC phátcác hệ số bộ lọc trong đó đã biểu diễn tín hiệu lỗi và có thể tổng hợp trực tiếp tại bộ thu

Xác định hệ số dự đoán: tín hiệu dự đoán là một tổng có trọng số của p mẫu trước

đó (p dài từ 10 – 15)

Hình 3 – 5: Sơ đồ chung của bộ mã hóa và giải mã

n p

k

k n k

Quyết định Voice/unvoice

Tổng

Hợp

Kích thíchLối

vào

p k

k n k N

n

e E

1

2 0

1

2

(3 – 14)Với a0 = -1 Thường lỗi được tính trong cửa sổ 10ms tương ứng với N = 80 Cho viphân của E theo am bằng 0 ta có:

n

m n m

s a s

a

E

0 1

0 2

N n

k k n m

n s a s

0 0





p k

) ( 1 log )) ( ( tanh )

k R

k R k

R k

LAR

n

n n

n

(3 – 16)Các LPC khác nhau trong cách tạo ra tín hiệu lỗi tại bộ thu Có 3 cách cơ bản: cáchthứ nhất rất phổ biến dùng 2 nguồn kích thích tại bộ thu, một nguồn là ồn trắng và nguồnkia là đoàn xung có tốc độ pitch, việc chọn nguồn này hay nguồn kia kích thích phụthuộc vào quyết định voice/unvoice của bộ phát Kỹ thuật này gặp khó khăn trong việctách thông tin về pitch ở bộ phát (ngoài ra sự đồng pha giữa các thành phần hài của xungkích thích tạo nên tiếng ù trong tiếng nói tổng hợp) Vấn đề này được loại bỏ trong 2 cách

sau là kích thích bằng đa xung và kích thích bằng sách mã

3.4.5.2 LPC kích thích bằng đa xung

Việc kích thích bằng xung đơn/chu kỳ pitch luôn làm méo tín hiệu Atal đã đề nghịdùng nhiều xung (8 xung/chu kỳ) và điều chỉnh vị trí và biên độ các xung này để tối thiểulỗi trung bình bình phương được trọng số Kỹ thuật này được gọi là MPE –LPC làm chấtlượng tiếng nói tốt hơn không chỉ do lỗi dự đoán được xấp xỉ tốt hơn mà còn do nó

không đòi hỏi tách pitch Số xung có thể giảm với voive có pitch cao bằng cách kết hợpmột bộ lọc tuyến tính với vòng pitch trong bộ tổng hợp.

3.4.5.3 LPC kích thích bằng mã (CELP)

Ở phương pháp này bộ mã hóa và giải mã có chung một sách mã những tín hiệukích thích ngẫu nhiên (ồn trắng Gauss) Với mỗi tín hiệu tiếng nói bộ phát sẽ tìm trongsách mã tín hiệu kích thích lên bộ lọc LPC cho tín hiệu gần giống nhất, sau đó chỉ việctruyền chỉ số của tín hiệu kích thích này đến bộ thu Dựa vào chỉ số này bộ thu sẽ tìm ratín hiệu kích thích thích hợp Bộ mã hóa theo kỹ thuật này đòi hỏi hơn 500 triệu phép tínhnhân và cộng / giây Chúng có thể cho chất lượng tiếng nói cao với việc kích thích được

mã hóa 0.25 bit / mẫu và có tốc độ 4.8 kbps

Hình 3 – 6: Bộ mã hóa CELP

Ví dụ:

Xét việc mã hóa cụm 5 ms của tiếng nói Tại tần số lấy mẫu 8 KHz mỗi cụm có 40mẫu, với việc mã hó ¼ bit / mẫu sẽ cho chúng ta 10 bit / cụm Vì vậy sẽ có 210 = 1024 cácdãy dài 40 mẫu có thể Mỗi dãy 40 mẫu của tín hiệu kích thích được lấy chuẩn lại và cho

đi qua bộ lọc đệ quy tạo ra chu kỳ voice và hiệu chỉnh đường bao phổ

Những mẫu tiếng nói được phát lại tại lối ra bộ lọc thứ 2 được so sánh với tín hiệutiếng nói nguyên bản để tạo nên tín hiệu vi phân (lỗi) Lỗi này được xử lý qua bộ lọctuyến tính với hệ số khuếch đại cao ở tần số thụ cảm mạnh, và khuếch đại nhỏ ở tần sốthụ cảm thấp Mặc dù đòi hỏi tính toán nhanh song tiến bộ của DSP và công nghệ VLSI

đã tạo ra ứng dụng thời gian thực của CELP (hệ CDMA theo chuẩn IS – 95 đã sử dụngCELP tại tốc độ 1.2 – 14.4 kbps Năm 1995 Qual.com đề ra QCELP13 là bộ mã hóaCELP 13.4 kbps hoạt động trên kênh 14.4 kbps.)

Mạchbình phương

Mạchtrung bìng