Bài giảng Thông tin di động: Phần 1 - ThS. Phạm Văn Ngọc

Bài giảng Thông tin di động: Phần 1 - ThS. Phạm Văn Ngọc cung cấp cho các bạn về những kiến thức: Những đặc thù của thông tin động, lịch sử phát triển của thông tin động, một số hệ thống thông tin động trên thế giới, xu hướng phát triển của thông tin di dộng,... Để hiểu rõ hơn nội dung bài giảng mời các bạn cùng tham khảo tài liệu.

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 tàu trên biển bằng sóng điện từ Đến năm 1980 thông tin di động mới thực sự phát triển trên thế giới

Để hiểu được ta làm phép tính: Mỗi cuộc liên lạc giữa hai người cần một đường truyền độc lập, giả sử mỗi kênh có dải thông 3kHz (trên thực tế lớn hơn) thì dải tần vô tuyến 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, đấy chưa kể dải tần này còn dành cho rất nhiều công việc khác như phát thanh, truyền hình, thông tin hàng không…

Phương pháp duy nhất để giải quyết vấn đề tăng số lượng người sử dùng trên một dải tần vô tuyến hạn chế là: Một cuộc liên lạc di động này có thể sử dụng đúng dải tần của một cuộc liên lạc di động khác với điều kiện hai cuộc liên lạc phải ở khoảng cách đủ xa nhau để sóng vô tuyến truyền đến nhau nhỏ hơn sóng truyền giữa hai người dùng trong cuộc Do đó để thích hợp cho việc quản lý người ta chia vùng phục vụ thành các phần nhỏ gọi là tế bào (Cellular) Khi đó hai cuộc liên lạc ở hai tế bào đủ xa nhau có thể sử dụng cùng một dải tần số sóng vô tuyến thông qua việc quản

lý của một trạm trung tâm Về lý thuyết kích thước tế bào là rất nhỏ khi đó có thể phục vụ vô số cuộc gọi cùng một lúc chỉ cần một dải tần hạn chế Phương pháp này gọi là phương pháp sử dụng lại tần số

Tóm lại, những đặc thù của thông tin di động là: Phục vụ đa truy cập – gắn liền với thiết kế mạng tế bào, các hệ quả kéo theo liên quan đến vấn đề này là: Chuyển giao, chống nhiễu, quản lý di động, quản lý tài nguyên vô tuyến, bảo mật,… Những điều này khác rất nhiều với mạng vô tuyến cố định và luôn đỏi hỏi phát triển những công nghệ mới

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 điển hình:

− Năm 1946: Dịch vụ điện thoại di động công cộng được giới thiệu lần đầu ở 25 thành phố Mỗi hệ thống dùng bộ phát công suất lớn đặt trên ăng ten cao phủ sóng bán kính 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 sử dụng tăng gấp đôi

− Năm 1960: Độ rộng kênh được thu hẹp chỉ còn 30kHz

− Từ năm 1950 – 1960: Xuất hiện trung kế tự động, dịch vụ IMTS, hiệu suất sử dụng phổ kém so với hệ thống tế bào ngày nay

− Trong khoảng 1950 – 1960: Lý thuyết mạng tế bào ra đời tuy nhiên công nghệ lúc đó chưa đáp ứng được

− Năm 1976: Ở New York chỉ có 12 kênh phục vụ 543 khách hàng, dịch vụ chất lượng kém hay bị bận

− Năm 1981 hệ thống điện thoại di động Bắc Âu NMT450 trở thành hệ thống dịch vụ truyền thông di động tế bào đầu tiên ưở Châu Âu Hệ thống này ra đời chủ yếu phát triển các máy điệu thoại trên xe hơi và xách tay Là hệ thống kỹ thuật Analog, hoạt động trên băng tần 450MHz (453 – 457.5MHz từ MS – BTS và 463 – 467.5MHz từ BTS – MS) sử dụng đa truy cập FDMA, điều chế FSK, độ rộng băng tần là 25kHz do đó cho phép hỗ trợ 180 kênh

− Năm 1986 hệ thống NMT900 Tây âu, hệ thống này hoạtđộng trên băng tần 900MHzhoặc 1800MHz (mở rộng) với kỹ thuật đa truy nhập TDMA

− Năm 1983: Ra đời dịch vụ thông tin di động cải tiến (AMPS) bởi công ty AT&T Đánh dấu sự ra đời điện thoại di động tế bào thế hệ 1 FCC cấp độ rộng phổ là 40MHz trên phổ tần 800MHz, Năm 1989; FCC phân thêm 10MHz phổ cho hệ thống AMPS (824 – 849MHz từ MS → BTS và 869 – 894MHz từ BTS → MS) cho dịch vụ này mỗi kênh có độ rộng băng tần 30kHz, do đó hệ thống có 832 kênh đúp (kênh song công mỗi 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 Hệ thống tế bào này hoạt động trong môi trường hạn chế giao thoa, sử dụng lại tần số, kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA, để cực đại số người dùng dải tần và tổ chức kênh của hệ thống AMPS như sau:

990 991 … 1023 1 2 … 799 990 990 … 1023 1 2 … 799

Các kênh phát xuôi BTS → MSCác kênh phát ngược MS → BTS

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 3 người sử dụng trên một kênh truyền 30kHz (sử dụng điều chế π /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 và tồn 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 bởi Quancom theo chuẩn IS – 95 hỗ trợ nhiều người sử dụng trên một dải tần 1.25MHz,

sử dụng kỹ thuật trải phổ trực tiếp (CDMA) Với AMPS yêu cầu SNR 18 dB thì CDMA yêu cầu thấp hơn và cho dung lượng cao hơn Ngoài ra bộ mã hóa tiếng nói tốc độ thay đổi có thể phát hiện tiếng nói khi đàm thoại sẽ điều khiển bộ phát chí phát sóng khi nói sẽ làm giảm môi trường giao thoa và tiết kiệm pin Hệ thống này đang được sử dụng rộng rãi tại các nước Bắc Mỹ, một số nước châu Á, đang cạnh tranh thị trường so với hệ thống GSM

− Năm 1991 hệ thống mạng thông tin di động thế hệ 2 ra đời ở Châu Âu với trên phổ tần 900MHz (890 – 915MHz uplink và 935 – 960MHz downlink) sử dụng kỹ thuật TDMA/FDMA

− Vấn đề tích hợp các mạng trong một cơ sở hạ tầng cũng được đặt ra từ đầu những năm 1990

− Năm 1995: Chính phủ Mỹ đã cấp giấy phép trên dải tần 1800/2100MHz hứa hẹn 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 và chuẩn phát triển cho thông tin di động đa dịch vụ thế hệ 3 theo chuẩn UMTS và CDMA2000

Hệ thống thông tin di động trên thế giới phân thành 3 loại chính như sau là: Hệ nhắn 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 nhận được bản tin nhắn một chiều với một thiết bị thu đơn giản như một chiếc radio và một

mã số riêng

− Điện thoại kéo dài: là thiết bị cầm tay kết nối vô tuyến với một máy chủ đặt trong nhà, máy chủ được kết nối với mạng điện thoại công cộng (PSTN) Tầm vô tuyến 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 vùng dịch 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 các chuẩn không tương thích nhau đó là Nhật bản, Bắc Mỹ và Châu Âu và các nước còn lại Ngoài ra Các hệ thống thông tin di động vệ tinh cũng đang được các công ty Global Start, Iridium phát triển và khai thác với khả năng phục vụ trong vùng phủ sóng lớn hơn so với hệ thống di động mặt đất Đây là những tồn tại lịch sử mà trong

xu hướng phát triển của tương lai thế giới mong muốn một hệ thống thống nhất toàn cầu đa dịch vụ, phục vụ người dùng di chuyển khắp nơi chỉ với một thiết bị cầm tay

USDC Tế bào 1991 TDMA 824 – 894MHz π/ 4 DQPSK 30KHz CDPD Tế bào 1993 FH / gói 824 – 894MHz GMSK 30KHz

12.5MHz

GSC Nhắn tin 1970 Đơn công Vài kênh FSK 12.5KHz POSAG Nhắn tin 1970 Đơn công Vài kênh FSK 12.5KHz FLEX Nhắn tin 1993 Đơn công Vài kênh 4 – FSK 15KHz DSC1900

ERMES Nhắn tin 1993 FDMA Vài kênh 4 - FSK 25KHz

DECT Kéo dài 1993 TDMA 1.88 – 1.9 GHz GFSK 1.728KHz DCS-1800 Kéo dài /PCS 1993 TDMA 1.71 – 1.88 GHz GMSK 200KHz

Chuẩn Loại Bắt đầu Truy cập Băng tần Điều chế Kênh

PDC Tế bào 1993 TDMA 810 – 1501 MHz π/4DQPSK 25kHz

PHS Kéo dài 1993 TDMA 1895 – 1907 MHz π/4DQPSK 300kHz

Hiện nay thông tin di động đang trong giai đoạn phát triển như vũ bão, đáp ứng nhu cầu không ngừng tăng của khách hàng cả về dung lượng, chất lượng và loại hình dịch 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 hệ thống vô tuyến cá nhân: Kết hợp sự thông minh của mạng PSTN, xử lý tín hiệu số hiện đại và công nghệ vô tuyến (RF)

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

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

− Xu hướng phát triển hệ viễn thông vệ tinh LEO, cùng với sự phát triển công nghệ vũ trụ, hệ thông tin vệ tinh phối hợp với hệ di động mặt đất tạo nên kết nối toàn cầu 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 tiên tiến nhất và lựa chọn các mô hình thích hợp với sự phát triển của tương lai

- 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: High Speed Circuit Swiched Data), dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS: General Packet Radio 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 cuối các Codec tiếng

- Các dịch vụ bổ sung như: Chuyển hướng cuộc gọi, hiển thị tên chủ gọi, chuyển giao cuộc gọi và các dịch vụ chặn cuộc 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 cước nóng và hỗ trợ cho ưu tiên vùng gia đình

- Tăng cường công nghệ SIM Như dung lượng SIM 64k, 128k và tích hợp các dịch vụ trên SIM như Bankplus, Daily express, Daily SMS, I - Muzik, Mobile Internet

- Dịch vụ mạng thông minh: CAMEL

- Các cải thiện chung như: Chuyển mạng, các dịch vụ địng vị, tương tác với 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 di động truyền thông cá nhân đa phương tiện Hộp thư thoại sẽ được thay thế bằng bưu thiếp 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 tốc độ bit của các dịch vụ khác nhau Ngoài ra cần đảm bảo đường truyền vô tuyến không đối xứng như ở đường xuống tốc độ bit cao hơn và đường lên tốc độ thấp hơn hoặc ngược lại

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

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

- Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu, nghĩa là bao gồm cả dịch vụ 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 động 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 bao IMT-2000 sẽ đạt con số 200 triệu thuê bao trên toàn thế giới vào năm 2010, đồng thời ITU-R cũng nhận thấy cần phải đảm bảo một băng tần chung toàn cầu để đạt được giá thành thấp hơn nhờ việc sử dụng chung các thiết bị đầu cuối IMT-2000 trên phạm vi

toàn cầu và phát triển các chỉ tiêu kĩ thuật chung cho các thiết bị đầu cuối ITU-R ước tính rằng vào năm 2010 sẽ thiếu băng thông khoảng 160MHz cho các hệ thống thông tin mặt đất và 2x67 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 dành các 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 chia thích hợp các tần số trong các băng tần này bởi mỗi quốc gia sẽ theo nhu cầu trong nước và các ứng dụng thương mại khác

MS: Ứng dụng di động vệ tinh DECT: Hệ thống viễn thông không dây kỹ thuật số FDD: Song công phân chia tần số TDD: Song công phân chia thời gian

Các tiêu chuẩn di động băng rộng mới được xây đựng trên cơ sở CDMA hoặc CDMA kết hợp với TDMA

Phương pháp sử dụng lại tần số dẫn đến vùng dịch vụ được chia thành các miền nhỏ kề nhau gọi là các tế bào Mỗi tế bào có một ăng ten trung tâm với công suất phù hợp 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 tế bào kề nhau phải cực tiểu

− Hai tế bào sử dụng cùng dải tần ở khoảng cách đủ xa nhau

Để đơn giản ta coi địa hình là bằng phẳng lý tưởng, mỗi tế bào như một đa giác đều Nếu đa giác này phủ kín mặt phẳng thì công thức sau đây được thỏa mãn

Ở đây n là số cạnh đa giác, l là số đa giác có chung một đỉnh để phủ kín một góc

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 giá trị 3, 4, 6 tức đa giác đều phải là tam giác, tứ giác hoặc lục giác đều

Hình 2 – 1 Mô hình vùng chồng lấn giữa 2 tế bảo

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

Giả sử chúng ta có S kênh truyền và phân cho một nhà cung cấp dịch vụ Khi thiết kế hệ thống không thể phân tất cả S kênh truyền này cho một tế bào, vì khi lặp lại S kênh này ở tế bào bên cạnh các kênh cùng dải tần ở 2 tế bào cạnh nhau sẽ gây nhiễu lên nhau Do vậy S kênh này phải phân cho một nhóm N tế bào (N còn gọi là kích thước nhóm) như vậy mỗi nhóm có S/N = C kênh,

Khi thiết kế lặp lại cả nhóm tế bào này trên toàn bộ vùng dịch vụ Điều này làm cho 2 tế bào cùng kênh ở xa nhau hơn; hai tế bào ở cạnh nhau sử dụng các kênh truyền khác nhau điều đó dẫn đến kích thước nhóm càng lớn, 2 tế bào sử dụng cùng kênh ở khoảng cách càng xa nhau

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

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

Hình 2 – 2: 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

Với việc lựa chọn thiết kế là các tế bào hình lục giác, khoảng cách tâm giữa hai

tế bào có cùng kênh truyền nằm gần nhau nhất là D, khoảng cách này được tính như sau

lấn

2 2

“Kích thước nhóm là số tế bào sử dụng hết S kênh truyền của hệ thống.”

Kích thước nhóm là một số nguyên N phải thỏa mãn công thức trên Thông thường nó được lựa chọn giá trị N = 4, 7, 12, …

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

3 iR

Số kênh đúp được phép là:

33000kHz/50kHz = 660 kênh đúp

a N = 4 số kênh trong một tế bào là

660/4 = 165 kênh đúp, dung lượng kênh hệ thống là

C = P*k = 50*165 = 8250 kênh đúp

b N = 7 số kênh trong một tế bào là:

660/7 = 94 kênh đúp , dung lượng kênh hệ thống là

C = 50*94 = 4700 kênh đúp

c N = 12 số kênh trong một tế bào là:

660/12 = 55 kênh đúp, dung lượng kênh hệ thống là

C

lg 10

Trong đó:

Pe: Công suất tín hiệu của sóng phát mong muốn

Pi : Công suất tín hiệu của sóng phát gây nhiễu

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:

Trong trường hợp nhiễu cùng kênh chỉ xét các tế bào cùng kênh ở gần nhau nhất gây nhiễu (các tế bào có cùng khoảng cách D đến tế bào mong muốn gây nhiễu lên nhau), bỏ qua các tế bào cùng kênh ở xa gây nhiễu

Coi hệ thống sử dụng tế bào lục giác có kích thước nhón N = 6 khi đó ta có 6 tế bào cùng kênh gây nhiễu

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

6

1 i i

Hình 2 – 4a: Nhiễu đồng kênh gây ra tại bộ thu của máy di động

Hình 2 – 4b: Nhiễu đồng kênh gây ra tại 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 bào khoảng R (khi ở rìa tế bào) I là công suất không mong muốn cùng kênh của trạm phát

ở các tế bào xung quanh gần nhất cách máy di động xấp xỉ khoảng D Sử dụng công thức tính D ở công thức (2 – 3)

Q =D/R còn gọi là tỷ số lặp lại kênh, từ công thức (2 – 2), ( 2 – 7) ở trên ta có Quy tắc thiết kế trên địa hình lý tưởng:

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

Máy thu di động hoạt có hiệu quả đòi hỏi C/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 trường hợp hệ số suy giảm sóng điện từ là (chú ý coi rằng chỉ có 6 tế bào xung quanh gây nhiễu với cự ly và công suất như nhau): a n = 4, b n = 3

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

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

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

Đây là mô hình chấp nhận được

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

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

C/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 C/I = (1/6).(6)3 = 36 = 15,56 dB mô hình chấp nhận được

Nhiễu kênh lân cận xảy ra khi bên thu chịu ảnh hưởng nhiễu của các kênh liền kề với nó ngoài tín hiệu thu mong muốn Tỉ lệ giữa sóng mang trên nhiễu của kênh liền kề được biểu diễn bằng công suất của kênh mong muốn trên công suất của kênh liền kề:

c

P

P A

C

lg 10

Trong đó:

Pe: Công suất nhận được bởi kênh mong muốn

Pa: Công suất nhận được bởi kênh liền kề

Như vậy, ảnh hưởng của nhiễu phụ thuộc phần lớn vào độ chọn lọc máy thu và độ rộng phổ bên ngoài băng của các sóng nhiễu

Do đó khi thiết kế hệ thống thông tin di động tế bào là phải tính đến nhiễu kênh lân cận trong cùng một tế bào, dẫn đến việc phải hoạch định tần số trong tế bào và nhóm tế bào khi thiết kế:

− Nguyên nhân nhiễu kênh lân cận gây bởi bộ lọc máy thu không lý tưởng và hiệu ứng xa gần biểu 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 Được minh họa trên hình 2 – 5:

Hình 2 – 5: Nhiễu kênh lân cận lên bộ thu trạm cơ sở

− Do đó nhiễu kênh cân cận chỉ xét tại máy thu trạm cơ sở

− Xét trường hợp nhiễu kênh lân cận do máy thu MS1 gây nhiễu cho MS2 tại trạm cơ sở Giả sử máy di động MS1 ở gần trạm cơ sở hơn máy di động MS2 20 lần (SMS2/IMS1) = (20)-n = -52dB (với n = 4) Nếu bộ lọc trung tâm của máy thu trạm cơ sở

có sườn dốc của bộ 15dB/octabi

(SMS2/IMS1) = -52dB + 15*m

Trong đó m là khoảng cách 2 kênh tần số tần số gần nhất

Trường hợp hệ thống đòi hỏi SMS2/IMS1 ≥15dB khi đó ta có m ≥5.13, m là số nguyên nên chọn m = 6

Do đó muốn chống nhiễu kênh lân cận khi đó dải tần phát của 2 máy di động phải cách xa nhau 6 lần độ rộng kênh truyền Khi lập kế hoạch phân chia kênh truyền cho các tế bào phải chú ý đến điều này

Tuy nhiên, các kỹ thuật hiện đại ngày nay đã cho phép chế tạo các máy thu có độ chọn lọc tương đối cao và giảm nhỏ ảnh hưởng của nhiễu kênh lân cận

Tế bào

MS1 MS 2

Hệ AMPS ở Mỹ năm 1983 được cấp 666 kênh đúp, đến năm 1989 được cấp thêm 166 kênh đúp tổng cộng có 666 + 166 = 832 kênh đúp

Bảng 2 – 4: Phân kênh trong hệ AMPS cho 2 nhà cung cấp dịch vụ A và B

Tổng số kênh của hệ thống được chia cho 2 công ty cung cấp dịch vụ mỗi công

ty có 416 kênh, trừ các kênh đóng vai trò điều khiển còn lại 399 kênh được chia thành

21 tập con bằng cách đánh số liên tiếp, mỗi tập con 19 kênh Các kênh trong một tập cách nhau 21 kênh Trong mô hình lặp 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

Tái sử dụng tần số là một trong những thế mạnh của các hệ thống thông tin vô tuyến kiểu tế bào Khi tổ chức thông tin theo từng ô nhỏ và mỗi vùng một trạm phát, ở các khoảng cách xa, các tín hiệu bị suy giảm đến mức nào đó mà coi như không còn tác dụng nữa, khi đó các tần số đã dùng có thể được sử dụng lại như một mạng khác

và vì thế, số thuê bao được phục vụ chắc chắn sẽ tăng lên

Thực tế trong quy hoạch tế bào, người ta làm gần đúng các tế bào bằng một hình lục giác và vùng phục vụ được chia thành một mạng tế bào Trên một vị trí trạm, người ta có thể đặt các anten thu phát định hướng cho ba hướng cách nhau 1200

Đối với một mạng di động cụ thể, tuỳ theo dải tần số, địa hình, mà người ta chọn theo một trong các mẫu tái sử dụng tần số

GSM sử dụng ba kiểu mẫu sử dụng lại tần số: 3/9, 4/12 và 7/21 Theo công thức tính khoảng cách lặp giữa hai tế bào đồng kênh ta có:

D = R* 3N

Trong đó:

D: khoảng cách giữa hai tế bào đồng kênh (km);

- Mỗi rẻ quạt sử dụng các anten phát 600 và hai anten thu phân tập 600 cho một góc phương vị

- Mỗi rẻ quạt được xấp xỉ hoá bằng hình lục giác

Lưu lượng phân bố được coi là đồng nhất ở tất cả các ô

Bình thường, kích thước rẻ quạt được xác định như là khoảng cách giữa hai trạm BTS lân cận Bán kính rẻ quạt R (bằng cạnh của lục giác) luôn luôn là một phần

ba khoảng cách giữa hai trạm Tuỳ theo một số mẫu dưới đây, nhóm các rẻ quạt cạnh nhau được gọi là cụm

* Mẫu 3/9, nhóm 9 tần số trong một mẫu sử dụng lại tần số 3 tế bào

Với một dải tần cho trước, số sóng mang có thể sử dụng trong cùng một cell là tương đối lớn, nên khoảng cách giữa các sóng mang của cùng một trạm thì khá nhỏ, thêm vào đó, khoảng cách giữa các trạm đồng kênh là nhỏ do đó mẫu 3/9 có xác suất xuất hiện nhiễu đồng kênh C/I và nhiễu kênh lân cận C/A tương đối lớn Mẫu này thường áp dụng cho những vùng có mật độ thuê bao lớn, kích thước cell nhỏ nhưng

B3

Hình 2 – 6: Mô hình sử dụng lại tần số 3/9

vùng phủ sóng phải rõ ràng để tránh các nhiễu đồng kênh Mô hình này phù hợp phục

vụ INDOOR cho các nhà cao tầng Khoảng cách giữa hai ô đồng kênh trong trường hợp này là: D = 5,2 R

* Mẫu 4/12, nhóm 12 tần số trong một mẫu sử dụng lại tần số 4 tế bào

* Mẫu 7/21 nhóm 21tần số trong một mẫu sử dụng lại tần số 7 tế bào

D1 D3 D2

A3

G1 Hình 2 – 8: Mô hình sử dụng lại tần số 7/21

D1 D3 D2

B3

Hình 2 – 7: Mô hình mẫu sử dụng tần số 4/12

Với mô hình này, số kênh trong một cell nhỏ hơn do đó, mô hình này cho phép

mở rộng kích thước cell phù hợp với mật độ trung bình và ít nhà cao tầng, và có thể phục vụ cho cả INDOOR và OUTDOOR Ưu điểm chính của mô hình này là các vấn

đề về nhiễu đồng kênh và nhiễu kề kênh là không đáng ngại

Bên cạnh hai mô hình 3/9 và 4/12 đã trình bầy ở trên, còn có mô hình tái sử dụng tần số 7/21, tức là sử dụng nhóm 21 tần số trong một mẫu sử dụng lại tần số 7 đài Mô hình này được thể hiện trong hình dưới đây:

Với mô hình này, số lượng kênh trong một cell là nhỏ do đó có thể phục vụ cho các vùng mật độ thấp Khoảng cách giữa các trạm có sóng mang đồng kênh tương đối lớn (D=7,9R), các cell đồng kênh cách xa nhau, do đó hầu như không có hiện tượng nhiễu đồng kênh Trong cùng một cell, các sóng mang cách nhau khá xa nên nhiễu kênh lân cận thấp, vì vậy chất lượng cho các vùng khó phủ sóng được đảm bảo Do vậy, mô hình này được sử dụng khi chia nhỏ các cell thích ứng với mật độ máy di động ngày càng tăng và những vùng khó phủ sóng có kích thước cell tương đối nhỏ

Mobilephone sử dụng các kênh tần số từ 84 đến kênh 124

Các kênh 41 và 83 dành để bảo vệ Do vậy việc tái sử dụng tần số được xem xét kỹ lưỡng, dựa vào nhiều yếu tố khác nhau để có sự khai thác triệt để các băng tần được quyền sử dụng

Việc chia vùng dịch vụ thành các tế bào, tất yếu phải giải quyết vấn đề chuyển giao khi người dùng di chuyển trong khi liên lạc Các hệ thống thông tin di động hiện đại 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 sử dụng thay đổi theo thời gian hoặc khi có sự tụ họp bất thường của những người 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 của mạng

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

Hình 2 – 9: Ngưỡng chuyển giao Khi máy di động chi chuyển theo tuyến đường nằm chính giữa hai tế bào có thể xẩy ra tình huống chuyển đổi qua lại quyền quản lý của hai trạm cơ sở Hiện tượng này gọi là hiệu ứng “ping pong” gây quá tải ở bộ phận điều khiển chuyển giao Để khử hiệu ứng này cần đặt một mức ngưỡng chuyển giao (thông thường là 6dB với hệ thống tương tự), tức là khi tín hiệu thu được ở tế bào mới phải lớn hơn tín hiệu thu được từ tế bào cũ 6dB thì mới quyết định chuyển giao (hình 2 – 9)

Điều này đã tách một biên chuyển giao thành 2 biên khác nhau Nếu đặt 2 mức ngưỡng 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 tải tính toán quản lý lên tổng đài hoặc các bộ điều khiển chuyển giao, phân việc đo mức và báo cáo mức tín hiệu nhận được từ các trạm cơ sở xung quanh 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 kích thước khác nhau nhằm quản lý các di động có tốc độ rất khác nhau Người dùng di chuyển tốc độ chậm được phân sang hệ thống các tế bào kích thước nhỏ (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 chuyển giao)

6dB 6dB

Hình 2 – 10: Phân vùng tế bào lớn kết hợp tế bào nhỏ (chồng cell)

“Kênh chung là kênh được sử dụng chung lần lượt cho nhiều người sử dụng”, giống như kênh trung kế của tổng đài

Kênh vô tuyến trong thông tin di động được sử dụng chung lần lượt cho nhiều người, giống trung kế tổng đài hữu tuyến Nó chỉ được cấp phát khi có yêu cầu, do đó chỉ 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”

Trong 1 giờ có 1 cuộc gọi kéo dài 18 phút Ta nói lưu lượng cuộc gọi là 18/60 = 0.3 Erl

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

Trong 1 giờ người sử dụng gọi µ cuộc gọi, mỗi cuộc gọi kéo dài trung bình H phút Cương độ lưu lượng sử dụng là Au = µ H/60 (Erl) Nếu U người sử dụng trong hệ thống sử dụng giống nhau thì khi đó lưu lượng tổng cộng của cả hệ thống là

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 giờ cao điểm là bao nhiêu”

Ví dụ: Hệ thống có GOS = 3% tức là trong 100 lần người sử dụng tiến hành liên lạc có thể xẩy ra 3 lần cuộc gọi bị chặn (tổng đài báo hệ thống bị bận)

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

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 những người 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

AC

Achan

Ở đó C là số kênh trung kế được sử dụng

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 tính được theo công thức này Ta có thể tra kết quả theo bảng Erlang B như sau

Bảng Erlang B với tổng đài không nhớ cuộc gọi bị chặn

Biết lưu lượng mỗi người dùng là 0.1 Erl

: Từ bảng trên ta có thể đưa ra được lưu lượng tổng cộng

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 Erl/tế bào

d Lưu lượng của toàn thành phố

C

k

k C

C

k

AC

AC

A

Adoi

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(

*)0Pr(

)Pr(cho doi >t = cho doi > cho doi >t cho doi >

chot

doi

exp

*)0Pr(

Hdoi

choD

−

>

Hình 2 – 11: Bảng kết quả công thức Erlan C

(A) Lưu lượng theo công thức Erlang C

Bài giảng thông tin di động ThS Phạm Văn Ngọc 30

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

:

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

Số người dùng trong một tế bào là 8,8/0,029 = 303 người

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

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)

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)

Là lưu lượng sử dụng tính trung bình trên một kênh trung kế

Giá trị này phụ thuộc vào cách tổ chức thiết kế và cấp độ dịch vụ xác định

10 kênh trung kế/tế bào với GoS = 1% (trường hợp tổngđài không nhớ cuộc gọi bị chăn) khi tra bảng Erlang B ta thấy chúng đáp ứng lưu lượng cuộc gọi 4.46 Erl (tương ứng 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 được 2*1,36 Erl = 2,72 Erl (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

Bài giảng thông tin di động ThS Phạm Văn Ngọc 31

Số lượng người sử dụng dịch vụ thông tin di động không ngừng tăng, đặt ra một yêu 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 ăng ten định hướng và phân vùng trong tế bào

Là thay 1 tế bào lớn bị quá tải bằng các tế bào nhỏ hơn với các trạm cơ sở đặt thấp hơn và có công suất phát nhỏ hơn

Dung lượng tăng thêm là do sử dụng lại kênh truyền (kích thước nhóm N không đổi nhưng số lượng tế bào trong vùng phục vụ được tăng lên)

Hình 2 – 12: Chia nhỏ tế bào

Nếu dùng tế bào có Rmới = ½.Rcũ khi đó sẽ có 4 tế bào mới thay thế tế bào cũ Điều này làm số nhóm lặp lại tăng lên 4 lần và dung lượng tăng cũng xấp xỉ 4 lần mà vẫn giữ nguyên tỷ số lặp lại kênh (Q) không làm thay đổi sơ đồ phân bố kênh Công suất phát của các 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 tượng chuyển 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 điều khiển vùng phủ sóng

Bài giảng thông tin di động ThS Phạm Văn Ngọc 32

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

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

Hình 2 – 13: Sử dụng ăng ten định hướng

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

tỷ số S/I

Bài giảng thông tin di động ThS Phạm Văn Ngọc 33

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

Phương pháp sử dụng ăng ten định hướng làm tăng số chuyển giao và quá tải các phần tử chuyển mạch Lee đã đưa ra giải pháp là thay trạm trung tâm lớn bằng một số trạm phát công suất thấp hơn phủ các vùng nhỏ hơn trong tế bào và các trạm này được kết 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 có lưu 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 giữa các 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)

Bài giảng thông tin di động ThS Phạm Văn Ngọc 34

Liên lạc bằng sóng điện từ ngoài ưu điểm thích hợp cho người dùng di động, không phải chi phí nhiều cho việc xây dựng cơ sở hạ tầng thì lại có khó khăn với tín hiệu có tốc

độ lỗi bit cao đối với bất kỳ kỹ thuật điều chế nào Bên cạnh tính suy giảm sóng theo đường truyền, tạp âm nhiễu AWGN, còn có méo tín hiệu, đó còn chưa kể đến nguồn gây nhiễu bất thường khác Do đó đã xuất hiện nhiều kỹ thuật sử lý tín hiệu để đảm bảo việc truyền dẫn thông tin được chính xác, có các kỹ thuật dưới đây

Cân bằng, phân tập, mã kênh là 3 kỹ thuật có thể dùng độc lập hay phối hợp để cải thiện chất lượng tín hiệu nhận được khi truyền tín hiệu qua kênh vô tuyến

Cân bằng sẽ khử giao thoa giữa các tín hiệu (ISI) gây ra do hiệu ứng đa đường và

độ rộng phổ củakênh truyền hẹp hơn độ rộng băng cần thiết do đótín hiệu bị trải dài ra và chồng so le lên nhau, đó là trở ngại chính hạn chế tốc độ kênh truyền Bộ cân bằng trong máy thu có nhiệm vụ sửa lại dạng tín hiệu thu được cho giống tín hiệu trước khi truyền

để cải thiện tốc độ đường truyền, đó là yêu cầu rất cao trong các bộ thông tin hiện đại

Do kênh truyền thay đổi theo thời gian một cách ngẫu nhiên nên tính chất quan trọng của

bộ cân bằng là phải thích nghi được theo kênh truyền

Phân tập là kỹ thuật nhằm khai thác tính đa đường độc lập của kênh truyền để nâng cao tỷ số tín /tạp mà không đòi hỏi tăng công suất của máy phát Nếu kỹ thuật cân bằng coi hiệu ứng đa đường là đối thủ thì phân tập lại coi nó là đồng minh Phân tập có thể theo không gian, tần số và cực tính của tín hiệu Khi phân tập theo không gian kỹ thuật này thường đòi hỏi dùng nhiều anten thích hợp cho bộ thu trạm cơ sở, khi anten này thu tín hiệu yếu thì ở anten kia có thể thu được tín hiệu mạnh cải thiện được tín hiệu thu tổng hợp

Mã kênh là kỹ thuật chuyển đổi trước dòng dữ liệu tại bộ phát nhằm tạo nên một quy luật nào đó (Các kỹ thuật khác thường tiến hành ở bộ thu) Tại bộ thu quy luật này được kiểm tra để phát hiện lỗi gây nên bởi đường truyền và tùy theo cấp độ mà nó có thể hiệu chỉnh được lỗi này Cái giá phải trả cho kỹ thuật này là giảm tốc độ thông tin vì phải tăng thêm nhiều bit truyền.Mã kênh có bậc càng cao thì tốc độ thông tin càng giảm Có hai kỹ thuật mã kênh chính là Mã khối và Mã xoắn:

− Mã khối tiến hành trên từng khối xác định của dữ liệu

Bài giảng thông tin di động ThS Phạm Văn Ngọc 35

− Mã xoắn tiến hành liên tục theo dòng dữ liệu

Tùy theo yêu cầu của hệ thông tin cụ thể mà 3 kỹ thuật trên được sử dụng với mức

độ khác nhau

Bộ cân bằng thích nghi sử dụng một dãy thử nghiệm chiều dài cố định được biết trước (thông thường là một dãy giả ngẫu nhiên)để tại bộ thu dựa vào đó hiệu chỉnh lại tín hiệu sau đường truyền Dãy thử nghiệm được phát xen kẽ với dữ liệu ở nơi phát

Tại nơi thu dãy thử nghiệm được biết trước ban đầu Một thuật toán được sử dụng

để hiệu chỉnh lại dãy thu được nhằm làm cho sự khác biệt với dãy biết trước là tối thiểu Khi hiệu chỉnh xong méo kênh coi như đã được bù trừ và ngay sau đó có thể truyền một đoạn dữ liệu qua với sự giữ nguyên hiệu chỉnh này Do kênh liên tục biến đổi nên ngay sau đoạn dữ liệu lại đến dãy thử nghiệm để liên tục hiệu chỉnh méo kênh

Hình 3 – 1: Mô hình cân bằng kênh

Thông thường bộ cân bằng là một bộ lọc ngang rời rạc hữu hạn, tín hiệu lối vào tại thời điểm k ký hiệu là yk, các tín hiệu trước đó lưu giữ trong các thanh ghi dịch là yk-1,

yk-2, … yk-N Tín hiệu lối ra phụ thuộc trạng thái tín hiệu này và phụ thuộcvào các hệ số hiệu chỉnh (trọng số) tương ứng tại thời điểm k

Bộ thu RF Tầng IF

Bộ tách

Quyết định

Bộ cân bằng

Tín hiệu được tạo lại

Bài giảng thông tin di động ThS Phạm Văn Ngọc 36

Hình 3 – 2: Bộ cân bằng thích nghi

Ký hiệu véc tơ lối vào (dãy tập dượt nhận được tại bộ thu sau khi qua đường truyền) tại thời điểm k là:

= [yk, yk-1, yk-2, …, yk-N]TVéc tơ trọng số hiệu chỉnh là:

= [w0k, w1k, w2k, …, wNk] Lối ra của bộ cân bằng tại thời điểm k khi đó được biểu diễn:

n k nk

xk đã biết

Lối ra dˆk

của bộ cân bằng

Lỗi ek

∑

Bài giảng thông tin di động ThS Phạm Văn Ngọc 37

Chú ý rằng các trọng số Wk có thể rút ra ngoài trung bình theo thời gian (vì không thay đổi trong lúc truyền dữ liệu qua kênh)

1

1 2

1 2

1 1

2 1

N k k N k k N k

N k k k

k k

k k

N k k k

k k

k k

yy

yyyyy

yyy

yy

yy

yyy

yy

yy

,

1 0

EW

EW

EW

E

N

Hay véc tơ trọng số tối ưu là Wˆ = R− 1.Pgọi là phương trình Wiener

Đây chính là cơ sở cho thuật toán tính trọng số của bộ lọc nhằm hiệu chỉnh tín hiệu nhận được gần sát với tín hiệu thử kênh biết trước

Lỗi tối thiểu của bộ cân bằng được viết lại là:

Emin = MMSE = E[xk2] – PT .R-1 .P = E[xk2] – PT.Wˆ (3 – 7)

Trên thực tế việc tối thiểu hóa trung bình bình phương lỗi (MMSE) được thực hiện

đệ quy bằng thuật toán đạo hàm ngẫu nhiên Thuật toán còn được gọi là tối thiểu trung bình bình phương (LMS), đây là thuật toán cân bằng đơn giản nhất, nó chỉ cần 2N + 1 phép toán trong một bước tính đệ quy Các hệ số của bộ lọc được cập nhật theo các phương trình dưới đây với biến n là kỹ hiệu bước tính đệ quy:

Bài giảng thông tin di động ThS Phạm Văn Ngọc 38

)()

(.)()1(

)(ˆ)()(

)()

()(ˆ

*

nynenwn

w

ndnxne

nynWnd

N k N

N

k k

k

N T N k

α

−

=+

−

=

=

Với N là số tầng làm trễ trong bộ cân bằng và α là cỡ bước điều khiển tốc độ hội tụ

và sự ổn định của thuật toán

Bộ cân bằng LMS làm cực đại tỷ số tín hiệu trên méo với một độ dài bộ lọc hạn chế Nếu tín hiệu thu được có đặc tính phân tán thời gian lớn hơn thời gian trễ trong bộ lọc thì bộ lọc cân bằng không thể làm giảm méo Tốc độ hội tụ trong LMS là lâu vì chỉ có một tham số điều khiển tốc độ thích nghi α Để đảm bảo sự thích nghi không trở thành

sự mất ổn định, giá tị α phải chọn sao cho

20

λα

Ở đó λ là trị riêng thứ i của ma trận hiệp biến Ri NN Vì

1

nyn

Giả sử có các tín hiệu ri (i = 1, 2, …, M) thu được từ M đường truyền độc lập được

xử lý có trọng số tạo nên tín hiệu tổ hợp

rN

Bài giảng thông tin di động ThS Phạm Văn Ngọc 39

Dùng bất đẳng thức Chebysep, γ cực đại khi GT i = ri/N dẫn đến:

=

Nói cách khác trọng số tổ hợp phải tỷ lệ với độ lớn tín hiệu lối vào của kênh để tỷ

số tín hiệu /ồn của kênh tương ứng ta thu được tín hiệu tổ hợp cực đại

Trong kỹ thuật phân tập có thể thực hiện phân tập theo nhiều cách khác nhau như: phân tập thời gian, phân tập tần số, phân tậpkhông gian, phân tập đa đường và phân tập phân cực Để tận dụng được toàn bộ lợi ích của phân tập, cần phải thực hiện kết hợp ở phía thu Các bộ kết hợp phải được thiết kế sao cho sau khi đã hiệu chỉnh trễ và pha cho các đường truyền khác nhau, các mức tín hiệu vào phải được cộng theo vectơ còn tạp âm cộng ngẫu nhiên Như vậy khi lấy trung bình tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR đầu ra sẽ lớn hơn đầu vào ở mỗi máy thu

• Phân tập thời gian

Phân tập phát dựa trên quan niệm là phía phát sẽ phát đi các mẫu tín hiệu không tương quan để các mẫu này sẽ bị pha đinh không tương quan ở phía thu Phân tập phát cho phép giảm tỷ số Eb/It yêu cầu hay công suất phát yêu cầu trên kênh và nhờ vậy tăng dung lượng hệ thống Có thể thực hiện phân tập phát theo các cách sau

1) Phân tập phát đa sóng mang (Multicarrier Transmit Diversity)

2) Phân tập phát trực giao

3) Phân tập phát không gian - thời gian (STTD)

Sơ đồ khối của hệ thống phân tập phát không gian và thời gian đưa ra ở hình 3 - 3

Bài giảng thông tin di động ThS Phạm Văn Ngọc 40

Hình 3 - 3 Sơ đồ khối hệ thống phân tập phát không gian và thời gian (STTD) 4) Phân tập phát chuyển mạch thời gian (TSTD)

Phân tập phát phân chia thời gian

Sơ đồ khối của phân tập phát chuyển mạch phân chia thời gian được thể hiện trong hình 3 – 4 Trong sơ đồ phân tập này,chuyển mạch thực hiện chọn anten phát để được một trong hai đường truyền.Tín hiệu được chuyển mạch hoặc theo một mẫu được quyết định ở BTS hoặc theo chất lượng tín hiệu thu được từ MS

Hình 3 -4.Sơ đồ hệ thống phân tập phát chuyển mạch phân chia thời gian

Sơ đồ phân tập phát chuyển mạch thời gian giống như sơ đồ ở hình 3 - 3,tuy nhiên ở đây chuyển mạch được điều khiển bởi tín hiệu lựa chọn anten phát nhanh (AS) được phát

M

U X

M

U

X Đan

độ

Hoa tiêu

TPC

Chuyển mạch

Tx Anten1

Tx Anten2

Mã định kênh và mã ngẫu nhiên dài

Bộ mã STTD

M

U

X

Đan xen

Mã

hoá

kênh

phối hợp tốc

độ

M

U

X

Mã định kênh và mã ngẫu nhiên dài

Hoa tiêu phân tập

Tx anten 1

Hoa tiêu

TPC

Tx anten 2

Bài giảng thông tin di động ThS Phạm Văn Ngọc 41

đi từ MS trong thời gian chuyển giao Giá trị của bit AS được xác định trên cơ sở đo ở kênh vật lý điều khiển chung (CCPCH) phát đi từ anten được xét

Các kỹ thuật phân tập thu được sự dụng để giảm ảnh hưởng của pha đinh và cải thiện

độ tin cậy của thông tin mà không cần tăng công suất phát hoặc độ rộng băng tần

Mục đích của thu phân tập là nếu thu hai mẫu tín hiệu độc lập, thì các mẫu này sẽ bị pha đinh không tương quan Điều này có nghĩa là xác suất tất cả các mẫu này đồng thời thấp hơn một mức nhất định thấp hơn nhiều so với xác suất của một mẫu riêng lẻ Như vậy nếu ta kết hợp các mẫu này một cách thích hợp thì ta sẽ được tín hiệu tổng hợp ít bị ảnh của pha đinh hơn nhiều so với một tín hiệu đơn lẻ Hiện có nhiều kiểu phân tập khác nhau: thời gian, tần số, không gian, góc, nhiều tia và phân cực

Trong thực tế các kỹ thuật phân tập thu có thể được áp dụng hoặc ở BTS hoặc ở MS mặc dù mọi kiểu ứng dụng đều có các đặc trưng riêng Thông thường máy thu phân tập chỉ được sử dụng ở trạm gốc Vì giá thành của bộ kết hợp phân tập cao, nhất là khi sử dụng nhiều máy thu Ngoài ra công suất máy phát của MS bị giới hạn bởi tuổi thọ của acqui BTS có thể tăng công suất phát hoặc độ cao anten để cải thiện diện phủ sóng cho

MS Thông thường các hệ thống phân tập được thực hiện ở máy thu chứ không ở máy phát vì không cần thêm năng lượng cho hệ thống phân tập thu Do tính đảo lẫn giữa đường truyền lên và xuống,nên các hệ thống phân tập thực hiện ở MS cũng giống như các hệ thống phân tập ở BS

Trong máy thu RAKE để nhận được các phiên bản dịch thời của chuỗi ngẫu nhiên, tín hiệu thu phải đi qua đường trễ trước khi được lấy tương quan chéo và được kết hợp Trong hệ thống trải phổ CDMA tín hiệu được trải phổ bằng dãy giả ngẫu nhiên Dãy giả ngẫu nhiên này có tương quan thấp khi lệch nhau hơn 1 chíp Do vậy nếu các thành phần đa đường có thời gian trễ lệch nhau lớn hơn 1 chíp thì khi bộ tương quan tại nơi thu bắt đồng bộ với 1 đường truyền, tín hiệu ở đường truyền kia do tương quan thấp sẽ biểu hiện như là ồn mà không cộng vào làm méo tín hiệu như kỹ thuật băng hẹp thông thường,

do đó có thể không cần dùng đến bộ cân bằng Do tính chất này mà bộ thu RAKE dùng 3

bộ tương quan bắt đồng bộ với 3 đường truyền trễ khác nhau rồi sau đó khai thác tính phân tập về mặt thời gian của 3 tín hiệu thu được bằng cách hiệu chỉnh pha và tổ hợp lại

Bài giảng thông tin di động ThS Phạm Văn Ngọc 42

Lối ra của mối bộ tương quan được trọng số theo độ mạnh của tín hiệu để cực đại tín hiệu tổng hợp

Hình 3 –5: Bộ thu RAKE

Ghép xen là một cách chủ động tạo ra sự phân tập về thời gian ở ngay bộ phát mà không mất thêm tổng phí nào Kỹ thuật này phát triền mạnh ở điện thoại di động thế hệ 2 khi bộ mã hóa tiếng nói được số hóa Lối ra của bộ mã hóa tiếng có một dãy các bit quan trọng cần phải phân tán chúng hoặc xắp xếp lại về mặt thời gian để nếu có can nhiễu hoặc suy giảm mạnh chúng không bị ảnh hưởng cùng một lúc Có 2 cách ghép xen là ghép xen khối và ghép xen xoắn

Ghép xen khối là việc đưa dữ liệu (từng khối n x m bit) vào một bảng chữ nhật (m hàng và n cột) theo cách điền đầy từng cột sau đó lại đọc ra lần lượt theo hàng hình 3 - 6, các bit quan trọng khi đó sẽ được tách biệt nhau bằng m bit Tại bộ thu giải ghép xen sẽ làm tác động ngược lại và điền vào theo hàng và đọc ra theo cột

Hình 3 – 6: Bảng ghép xen hàng, cột

Đọc vào theo cột

Bài giảng thông tin di động ThS Phạm Văn Ngọc 43

Ghép xen xoắn được thực hiện theo một thuật toán liên tục và thích hợp khi sử dụng

mã xoắn ghép xen luôn đi kèm hiện tượng trễ vì phải đợi n.m bit thì mới ghép hay giải ghép xen Do tiếng nói chỉ cho phép trễ tối đa 40ms nên độ trễ của các bit ghép xen không được vượt quá giá trị này

Tác động của kênh truyền lên tín hiệu có thể được coi là xác định như: suy giảm, méo tuyến tính hoặc phi tuyến, hoặc không xác định như: ồn cộng tính, suy giảm đa đường… Vì tác động xác định có thể coi là trường hợp riêng của thay đổi ngẫu nhiên, nên do đó mô hình toán của truyền thông là sự phụ thuộc ngẫu nhiên giữa lối vào và ra của kênh

Trong điều kiện kênh truyền có gây lỗi với một xác suất nào đó, có thể làm giảm xác suất lỗi này bằng cách biến đổi trước bản tin được truyền Cách biến đổi bản tin nhằm cải thiện độ tin cậy của việc truyền tin qua kênh gọi là mã kênh

Để đơn giản ta xét kênh truyền đối xứng nhị phân Đó là kênh mà xác suất làm sai lệch 1 thành 0 bằng sai lệch 0 bằng 1 tức là:

p(y = 0 | x = 1) = p(y = 1 | x = 0) = ε

Hình 3 –7: Mô hình kênh đối xứng nhị phân Qua kênh này thay cho việc truyền bit 0 và 1 ta truyền một nhóm n bit toàn 0 và một nhóm n bit toàn 1 (n là số lẻ) (mã phát lặp) Bộ giải mã ở đây là theo đa số: Nếu nhóm nhận được có nhiều số 0 hơn sẽ quyết định là 0 hoặc nhóm nhận được có nhiều số 1 hơn

sẽ quyết định là 1 Khi đó quyết định có thể sai khi ít nhất có (n + 1)/2 bit lỗi truyền trong

ký hiệu 1 nhóm Với kênh là đối xứng nhị phân có xác suất truyền sai là ε như nói ở trên thì xác suất quyết định sai của cách truyền trên có thể tính là:

ε