VÔ TUYẾN SỐ VÀ CÁC GIAO DIỆN SỬ DỤNG TRONG HỆ GSM

Hiệu ứng này xảy ra khi tín hiệu truyền nhiềuđường từ anten phát đến anten thu.Tín hiệu thu không được thu trực tiếp từ anten phát Tx mà từ nhiều phươngkhác nhau từ các điểm phản xạ , ch

VÔ TUYẾN SỐ VÀ CÁC GIAO DIỆN SỬ DỤNG TRONG HỆ GSM

I-VÔ TUYẾN SỐ TỔNG QUÁT

Thông tin di động số Cellular đời mới hiện nay sử dụng tần số vô tuyến từ

800 MHz trở lên Với tần số nói trên và giả thiết nguồn phát đặt trong một khônggian tự do và truyền sống lí tưởng Suy hao đường truyền sẽ tỷ lệ thuận với bìnhphương cự li Trong môi trường di động thì chất lượng của tín hiệu luôn thay đổitheo thời gian chẳng hạn khi đi xuyên qua một đường hầm giữa hai quả đồi Hiệuứng đặc biệt này gọi là che tối hay fadinh chậm Ở đây ta sẽ xét đến các tình huốngphát sinh khi thu tín hiệu

1- Suy hao đường truyền và fadinh

- Suy hao đường truyền là quá trình mà ở đó tín hiệu thu yếu dần do khoảngcách giữa trạm di động và gốc ngày càng tăng.Không có vật cản ở giữa ta thu đượckết quả:

Một hiện tượng khác khi mật độ thuê bao máy di động cao hơn ở các thànhphố Thì việc sử dụng trạm di động ở thành phố dẫn đến một hiệu ứng nhiễu đượcgọi là fadinh nhiều tia hay Raile Hiệu ứng này xảy ra khi tín hiệu truyền nhiềuđường từ anten phát đến anten thu.

Tín hiệu thu không được thu trực tiếp từ anten phát Tx mà từ nhiều phươngkhác nhau từ các điểm phản xạ , chẳng hạn các toà nhà giữa các anten không cókhoảng nhìn

Các tín hiệu này đạt đến trạm di động do nhiều lần phản xạ từ các toà nhàlớn

Do vậy tín hiệu thu là tổng của nhiều tín hiệu giống nhau như khác pha (vàkhác biên độ ở mức nhất định) Khi ta cộng các tín hiệu này thì có thể vectơ tổnggần bằng không nghĩa là cường độ tín hiệu rất gần không dẫn đến chỗ trũng fadinhrất nghiêm trọng

Khoảng thời gian giữa hai chỗ trũng fadinh phụ thuộc cả vào tốc độ chuyểnđộng cũng như vào tần số phát Một cách gần đúng có thể nói khoảng cách giữa haichỗ trũng gần bằng một nửa bước sóng.Ở dải 900 MHz khoảng 17 cm Vậy nếu xechạy với vận tốc 50Km/h thì thời gian gữa hai chỗ trũng sẽ như sau:

V=14m/s

 =1/3 m  T= /2V=12 ms

Mẫu fadinh phụ thuộc tần số

Ở một khoảng cách nhất định X mét so vớ Tx Tín hiệu thu có thể như sau:

Cưòng độ tín hiệu Rx phụ thuộc khoảng cách

Vậy độ nhạy của máy thu là tín hiệu vào yếu nhất cần thiết cho mọi tín hiệu

ra qui định

Giả sử cần thu X w để có thể phát hiện được thông tin gửi đế từ anten Tx.Vậy tín hiệu này phải nhỏ hơn X w thì mất dẫn đến không thể qui hoạch hệ thốngcủa mình theo giá trị trung bình chung của cường độ tín hiệu Vậy phải có mộtlượng dự trữ fadinh từ giá trị trung bình chung đến độ nhạy của máy thu bằng chỗtăng của fadinh sâu nhất như hình trên

Do vậy cần phải có các biện pháp chống lại fadinh

2- Phân tán thời gian

Việc sử dụng truyền dẫn số nảy sinh một vấn đề khác: phân tán thời gian Vấn đề này bắt nguồn từ phản xạ nhưng khác với fadinh nhiều tia tín hiệu phản xạđến từ một vật ở xa anten Rx vào khoảng vài Km

Sự phân tán thời gian dẫn đến giao thoa giữa các kí hiệu (ISI) ISI thể hiện ởchỗ các kí hiệu lân cận giao thoa với nhau và ở phía thu khó quyết định được kí

hiệu nào (hay thực sự kí hiệu nào được phát) Chuỗi 0,1 được phát từ trạm di độngnếu tín hiệu phản xạ đến chậm hơn tín hiệu đi thẳng một bit thì máy thu phát hiện 1

từ sóng phản xạ đồng thời phát hiện 0 từ sóng đi thẳng Do đó kí hiệu 1 giao thoavới kí hiệu 0.Ở GSM tốc độ bit là 270 Kbit/s dẫn đến một bit có độ lâu 3,7 Ms Vìthế một bit tương ứng với 1,1 Km , nếu có phản xạ từ một Km phiá sau trạm diđộng thì tín hiệu phản xạ phải đi một quãng đường dài hơn tín hiệu đi thẳng 2Km

Suy ra phản xạ trộn một tín hiệu trễ 2 bit so với tín hiệu mong muốn với tínhiệu mong muốn này

3- Các phương pháp phòng ngừa suy hao truyền dẫn do fadinh

Ta đã trình bày về các vấn đề này Bây giờ ta xét các phương pháp giảiquyết chúng

- Phân tập anten

Là sử dụng hai kênh thu chịu ảnh hưởng fadinh độc lập Thường ít có nguy

cơ cả hai anten bị chỗ trũng fadinh sâu cùng một lúc do vậy hai anten thu độc lậpthu cùng một tín hiệu sẽ chịu tác động của các đường bao fadinh khác nhau

Khi kết hợp các tín hiệu từ hai anten có thể giảm mức độ fadinh khoảngcách giữa hai anten đủ lớn để tương quan giữa các tín hiệu ở hai anten nhỏ

Thực tế thường là vài mét Cần tăng khoảng cách đối với các tần số thấphơn

ở 900MHz có thể tăng 6 dB với cự li giữa hai anten là 5-6 m

- Nhảy tần

Như đã đề cập ở trên khi nói đến fadinh Raile Mẫu fadinh phụ thuộc vào tần

số Điều này có nghĩa là chỗ trũng của fadinh sẽ xảy ra ở các vị trí khác nhau Đơngiản ta có thể nói rằng để lợi dụng hiện tượng này ta thay đổi tần số sóng mangtrong một số các tần số Khi cuộc gọi đang tiến hành và nếu gặp một chỗ trũngfadinh thì sẽ chỉ mất một phần thông tin Bằng cách sử lí phức tạp ta có thể khôiphục lại toàn bộ thông tin

- Mã hoá kênh

Ở truyền dẫn số người ta thường đo chất lượng của tín hiệu được truyềnbằng số lượng các bit thu được chính xác Điều này dẫn đến biểu diễn tỉ số bitlỗi(BER) BER nói lên bao nhiêu bít trong tổng số bít bị phát hiện là mắc lỗi Tấtnhiên ta muốn số này hay tỷ số này nhỏ nhất Tuy nhiên do đường truyển dẫn luônluôn thay đổi không thể giảm số này tới không Nghĩa là ta phải cho phép một sốlượng lỗi nhất định và ngoài ra có khả năng khôi phục thông tin này hay ít nhất cóthể phát hiện các lỗi để không sử dụng thông tin này vì nhầm là đúng Điều nàyđặc biệt quan trọng klhi phát đi số liệu đối với lỗi có thể chấp nhận lỗi ít hơn

Bộ mã hóa khối.

Thông tin Kiểm traThông tin

Khối bản tin Khối thông tin được

mã hoá Thông tin Thông

Ví dụ : Muốn gửi bít 0 hay 1 ta bổ xung theo cách sau:

0  0000

1  1111

Xét khối mã sau được gửi và thu được

Thu được 0000 0010 0110 0111 1101 Quyết định 0 0 x 1 1

Ở ví dụ này ta phát hiện hai lỗi và sửa một lỗi

Có thể chia các mã kiểm tra lỗi thành hai loại: Các mã khối và các mã xoắn

Ở mã khối ta thêm một số bít thông tin nhất định

Do các mã khối từ các bít kiểm tra trong khối mã chỉ phụ thuộc vào các bítthông tin ở khối bản tin

Còn ở mã hoá xoắn bộ mã hoá được tạo ra các bít mà không chỉ phụ thuộcvào các bít của khối bản tin hiện thời được dịch vào bộ mã hoá, nó còn phụ thuộcvào các bít của các khối trước

Sơ đồ minh hoạ:

tự động.

Khi phát hiện lỗi ta yêu cầu phát lại còn mã hoá xoắn liên quan đến sửa lỗi.Khi không có phương tiện ARQ Khi số hoá tiến và phát nó to không thể phát lại vìđiều này dẫn đến chậm trễ quá lớn

Do vậy cả hai phương pháp đều được sử dụng ở GSM

Tiếng được cát thành các đoạn 20 ms và được số hoá sau đó mã hoá bộ mãhoá tiếng cung cấp 260 bít cho 20 ms Các bít này chia thành :

- Ghép xen

Trong thực tế các lỗi bít thường được xảy ra thành cụm Đó là vì các chỗtrũng fadinh lâu làm ảnh hưởng nhiều bít liên tiếp Tiếc rằng mã hoá kênh hiệu suấtnhất khi phát hiện và hiệu chỉnh các lỗi đơn cũng như các cụm lỗi không quá dài

Để giải quyết vấn đề này chúng ta cần phải tìm cách tách riêng các bít liên tiếp củamột bảng tin sao cho các bít này được gửi đi theo cách không liên tiếp và đượcthực hiện bằng cách ghép xen

Ví dụ:

Các khối bản tin

Ghép xen Các khối bản tin được

ghép xen

1 1` 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4

4

1 x 3 4 1 x 3 4 1 x 3 4 1 x 3 4 1 x 3 4

4 12

452

5 13 453

6 14 454

7 15 455

8 16 456

Giả thiết mỗi khối bản tin gồm 4 bít Ta lấy các bít đầu của bốn khối liêntiếp và đặt các bít số này vào cùng một khối , bốn bít mới ta gọi là một khung Cũng làm như vậy với các bits thứ 2,3,4 củat bốn khối bản tin Sau đó ta phát cáckhung này đi Khi truyền dẫn có thể khối 2 bị mất Khi không ghép xen thì toàn bộkhối bản tin này sẽ mất, như khi ghép xen thì chỉ có bít thứ hai của từng khối là bịmắc lỗi Nhờ mã hoá kênh mà ta có thể khôi phục lại được thông tin của tất cả cáckhối

Ở GSM bộ mã hoá kênh cung cấp 456 bít cho từng 20 ms tiếng Các bít nàyđược ghép xen để tạo ra các khối 57 bít

20ms tiếng 20ms tiếng 20ms tiếng 20ms tiếng

456 bít = 857 456 bít = 857 456 bít = 857 456 bít = 857

3 3 57 1 26 1 57

AAAA

Cụm bình thường

- Phương pháp chống phân tán thời gian

Ta thấy phân tán thời gian là nguyên nhân gây ra giao thao giữa các kí hiệu(ISI) như thế nào Các kí hiệu phân tán về mặt thời gian và các kí hiệu cạnh nhaugây nhiễu giao thoa lẫn nhau đây là nguyên nhân của các khó khăn ở máy thu khi

ta cố gắng quyết định, xác định là thông tin nào đã được gửi đi

Kênh có thể là dây dẫn, cáp quang Mỗi loại kênh có các nét riêng củamình liên quan đến độ rộng băng tần, suy hao Máy thu tối ưu phải phù hợp chotừng dạng kênh truyền dẫn, nghĩa là phải hiểu rõ kênh, nếu không nó không phải làmáy thu tối ưu Như vậy ta phải lập mô hình toán học của kênh và điều khiển máythu của ta đến mô hình này Ta xét kênh như một bộ lọc Bộ lọc này được kíchthích bởi một tín hiệu biết trước và sau đó ta so sánh đầu ra với đầu vào đã biết.Việc so sánh này cho phép ta đáp ứng xung của bộ lọc

S S’

So sánh S và S’

Tính toán đáp ứng xung

Bộ lọc Đầu vào Thu 000 100

001 010 010

010 110

: :

: :

111 000

Mô hình kênh

Như vậy nếu ta biết tín hiệu gì được giử đi và phân tích tín hiệu thu được ta

có thể tìm được đáp ứng xung của kênh, và thành lập mô hình kênh Khi thành lập được một mô hình kênh Điều phải làm là tạo ra tất cả các chuỗi bít có thể có và đưa chúng qua mô hình kênh của ta, chuỗi đầu vào mà từ đó nhận được một chuỗi đầu ra giống nó nhất được gọi là chuỗi nguyên thuỷ hay chuỗi được phát

Ví dụ:

Với thí dụ này N=3 thu được 010, N=3 cho 9 khả năng của chuỗi vào để đưa

ra mô hình kênh giống nó nhất Cho nên chọn chuỗi 001 là chuỗi được phát Về ngnuyên lí bộ cân bằng GSM làm như trên nnhư không thực hiện ở mức bít mà đó

là các giá trị thực.Theo qui định GSM bộ cân băng cần có khả năng sử lí một tín hiệu phản xạ trễ đến 14,8 s tương ứng với thời gian là 4 bít

Dẫn đến tín hiệu phản xạ cũng bị ảnh hưởng bởi fadinh Raile do phản xạ ở vùng gần Tuy nhiên tín hiệu này có mẫu fadinh độc lập so với tín hiệu đi thẳng vì thế bộ cân bằng có thể lợi dụng để đạt hiệu quả cao Vậy khi tín hiệu phản xạ trễ không quá 15s thì chất lượng tín hiệu thu dược sẽ được cải thiện hơn

Ở GSM ta có N = 116 cho lên thực hiện điều trên là khó khăn Vì nếu so sánh 10 triệu tổ hợp trong 1s thì phải mất 6610 năm để tính toán tất cả các tổ

hợp điều này không cho phép Vì thế phải sử dụng thuật toán mà ở đó ta không cần thử tất cả các chuỗi đó (Veterbi)

Nguyên lý là khi tính toán ta loại bỏ các tổ hợp không có khả năng là tín hiệu vào cho nên giảm được lượng tính toán không cần thiết

II- CÁC GIAO DIỆN SỬ DỤNG TRONG GSM.

1.MS BTS hay Um Interface (Air).

Air Interface là giao diện vô tuyến tên gọi chung của đầu nối giữa trạm diđộng MS và BTS Giao tiếp sử dụng khái niệm TDMA với một khung TDMA chomột tần số mạng Mỗi khung gồm 8 khe thời gian TS ( Time slot), hướng từ BTSđến MS là đường xuống và ngược lại từ MS đến BTS là đường lên

-Khái niệm kênh:

+Kênh vật lý: Một khe thời gian của một khung TDMA ở một sóng mang

được gọi là một kênh vật lý Có 8 kênh vật lý trên một sóng mang ở GSM Thôngtin được phát đi trong TS được gọi là cụm

+Kênh Logic: Rất nhiều loại thông tin cần truyền giữa TS và BTS ( số liệu,

tiếng nói, báo hiệu, điều khiển) Ta nó về các kênh Logic khác nhau dựa trên loạithông tin cần truyền Các kênh Logic này được sắp xếp ở các kênh logic khácnhau Ví dụ tiếng nói được gửi đi trên kênh lưu thông, kênh này được ấn định mộtkênh vật lý nhất định trong thời gian truyền dẫn

Mạng GSM PLMN được dành 124 sóng mang song công ở dải tần:

Đường lên 890915 MHz (MS phát,BTS thu)

Đường xuống 935960 MHz (BTS phát, MS thu)

Khoảng cách giữa sóng mang 200 KHz

Vì vậy số kênh ở GSM là 1248=922 kênh

- Các kênh lôgíc.

Kênh lôgíc được chia làm hai loại : Kênh lưu thông và kênh điều khiển

+ Kênh lưu thông (TCH):

TCH mang thông tin tiếng được mã hoá hoặc số liệu của người sử dụng Làkênh đường lên và xuống, điểm đến điểm

Có hai dạng kênh được định nghĩa:

.Bm hay kênh toàn tốcTCH mang thông tin ( tiếng được mã hoá hay số

liệu) ở tốc độ tổng 22,8 kbit/s với tiếng nói và 9,6kbit/s với số liệu

Lm hay TCH bán tốc mang thông tin ( tiếng được mã hoá hay số liệu) ở tố

độ tổng 11,4 kbit/s với tiếng nói và 4,8kbit/s với số liệu

+ Các kênh điều khiển :

Các kênh này mang tín hiệu báo hiệu hay số liệu đồng bộ Ba loại kênh đượcđịnh nghĩa kênh quảng bá, kênh điều khiển chung và riêng Sau đó chúng lại đượcchia nhỏ :

Kênh điều khiển quảng bá thông tin chung trên cơ sở một kênh cho một BTS(thông tin riêng của ô) Là kênh đường xuống điểm tới đa điểm

Các kênh điều khiển chung (CCCH):

Kênh tìm gọi (PCH): kênh này được sử dụng để tìm gọi MS Kênh đườngxuống ,điểm tới đa điểm

Kênh thâm nhập ngẫu nhiên (RACH): Kênh này được MS dùng để yêu cầudành một SDCCH hoặc để trả lời tìm gọi, hoặc để thâm nhập khi khởi đầu hayđăng kí cuộc gọi MS Kênh đường lên, điểm đến điểm

Kênh cho phép thâm nhập (AGCH): kênh này được sử dụng để dành mộtSDCCH hay trực tiếp một TCH cho một MS Kênh đường lên /xuống, điểm đếnđiểm

Các kênh điều khiển riêng (DCCH):

Kênh điều khiển riêng đứng một mình (SDCCH)được sử dụng để báo hiệu

hệ thống khi thiết lập một cuộc gọi trước khi ấn định một TCH Chẳng hạn đăng kí

và nhận thực được thực hiện ở đây Kênh đường lên /xuống, điểm đến điểm

Kênh điều khiển liên kết chậm (SACCH) kênh này liên kết với một TCHhay một SDCCH Đây là một kênh số liệu liên tục mang thông tin liên tục như cácthông báo đo đạc từ trạm di động về cường độ tín hiệu thu từ ô hiện thời và các ôlân cận Thông tin cần cho chức năng chuyển giao Nó cũng được sử dụng để điềuchỉnh công suất của MS và để đồng bộ thời gian Kênh đường lên/xuống, điểm đếnđiểm

Kênh điều khiển liên kết nhanh (FACCH), là kênh liên kết với TCH.FACCH làm việc ở chế độ lấy cắp Nghĩa là nếu trong khi truyền dẫn cần trao đổithông tin báo hiệu với hệ thống ở tốc độ cao hơn nhiều so với khả năng củaSACCH, khi đó các cụm 20 ms tiếng (số liệu) được lấy cắp cho mục đích báo hiệu.Đây là trường hợp khi chuyển giao (handover) Người sử dụng sẽ không nghe thấygián đoạn khi bộ giải mã tiếng thay thế 20 ms tiếng thiếu bằng một chuỗi nội suy

- Cụm :Khuôn mẫu thông tin ở một khe thời gian trên kênh TDMA đuợc

gọi là một cụm, nghĩa là trong các khoảng thời gian đồng đều (cứ tám khe thờigian một lần ở kênh TDMA) ta gửi đi một cụm của một loại thông tin (xét từ MS)

TB Các bít được mật mã Chuỗi hướng dẫn Các bít được mật mã

TB GP

3 58 26 58 3 8,25

Có năm loại cụm khác nhau

Cụm bình thường:

Cụm này dược sử dụng để mang thông tin TCH và các kênh điều khiển trừRACH ,SCH, FCCH

Các bít được mật mã gồm 57 bít số liệu hay tiếng được mật mã cộng với một

‘Cờ lấy cắp’ chỉ thị xem cụm này có bị lấy cắp cho báo hiệu FACCH hay không

Cụm bình thường

Chuỗi hướng dẫn là một mẫu bít biết trước để bộ cân bằng có thể thành lậpmột mô hình kênh Sở dĩ chuỗi hướng dẫn được đặt ở giữa vì kênh này luôn thayđổi Khi đặt nó ở đây có thể hi vọng rằng kênh này không quá khác khi nó tác độnglên các bít thông tin Nếu ta đặt chuỗi hướng dẫn ở đẩu một cụm thì mẫu kênh do

ta tạo ra sẽ không đúng với các bít ở cuối cụm

Các bít đuôi (TB) luôn là (0,0,0).Các bít này giúp cho bộ cân bằng biết đượcđâu là đầu và cuối của mẫu bít, vì thuật toán của bộ cân bằng cần điểm khởi đầu vàkết thúc

Khoảng bảo vệ (GP) là một khoảng trống Nếu có cực đại 8 người sử dụngtrên một sóng mang sử dụng các khe thời gian khác nhau , ta cần đảm bảo rằng họkhông chồng lấn lên nhau trong quá trình truyền dẫn Trong thực tế rất khó đồng

bộ các cụm chính xác (không có GP) vì các trạm di động luôn luôn chuyển độngtrong quá trình cuộc gọi, vì thế các cụm của các trạm di động hơi ‘trượt’ so vớinhau, thậm chí cả khi sử dụng phương pháp đồng bộ thời gian thích ứng 8,25 bíttương ứng với 30 s GP cho phép máy phát dịch lên và dịch xuống trong giới hạn

do khuyến nghị GSM qui định

Cụm hiệu chỉnh tần số: