Các hệ thống loại này đợc gọi là hệ thống vô tuyến di động tế bào thế hệ thứ nhất 1G 1st Generation, tiêu biểu là Hệ thống các dịch vụ điện thoại di động tiên tiến AMPS thống điện thoại
Trang 1Chơng 1 Giới thiệu chung
1.1 Lịch sử và xu hớng phát triển thông tin di động
Vào cuối thế kỷ XIX, các thí nghiệm của Marconi1 đã cho thấy thông tin vô tuyến có thể thực hiện giữa các máy thu phát ở xa nhau và di động Thông tin vô tuyến thời bấy giờ sử dụng mã Morse2, chủ yếu cho quân sự và hàng hải Mãi cho tới năm 1928 hệ thống vô tuyến truyền thanh mới đợc thiết lập, thoạt tiên cho cảnh sát Vào năm 1933, sở cảnh sát Bayonne3 đã thiết lập đợc một hệ thống điện thoại vô tuyến di động tơng đối hoàn chỉnh đầu tiên trên thế giới Hồi đó các thiết
bị điện thoại di động rất cồng kềnh, nặng hàng chục kg, đầy tạp âm và rất tốn nguồn do dùng các đèn điện tử tiêu thụ nguồn lớn Công tác trong dải thấp của băng VHF, các thiết bị này liên lạc đợc với khoảng cách vài chục dặm Sau đó quân đội cũng đã dùng thông tin di động để triển khai và chỉ huy chiến đấu Các dịch vụ di động trong đời sống nh cảnh sát, cứu thơng, cứu hoả, hàng hải, hàng không cũng đã dần sử dụng thông tin di động để các hoạt động của mình đợc thuận lợi Chất lợng thông tin di động hồi đó rất kém Đó là do các đặc tính truyền dẫn sóng vô tuyến, dẫn đến tín hiệu thu đợc là một tổ hợp nhiều thành phần của tín hiệu đã đợc phát đi, khác nhau cả về biên độ, pha và độ trễ Tại ăng-ten thu, tổng véc-tơ của các tín hiệu này làm cho đờng bao tín hiệu thu đợc bị thăng giáng mạnh và nhanh Khi trạm di động hành tiến, mức tín hiệu thu tức thời thờng bị thay đổi lớn và nhanh làm cho chất lợng đàm thoại suy giảm trông thấy Tất nhiên, tất cả các đặc tính truyền dẫn ấy ngày nay vẫn tồn tại song hồi đó chúng chỉ đợc chống lại bằng một kỹ nghệ còn trong thời kỳ sơ khai Trong khi ngày nay công nghệ mạch tích hợp cỡ lớn VLSI (Very Large Scale Integrated circuit) cho phép sử dụng từ hàng trăm ngàn đến khoảng một triệu đèn bán dẫn
cho việc loại bỏ các ảnh hởng xấu của đặc tính truyền dẫn thì hồi đó các máy thu phát thờng chỉ có không đến 10 đèn điện tử
Băng tần có thể sử dụng đợc bởi công nghệ đơng thời cho thông tin vô tuyến luôn khan hiếm Các băng sóng trung và dài đã đợc sử dụng cho phát thanh trong khi các băng tần số thấp và cao (LF và HF) thì bị chiếm bởi các dịch vụ thông tin toàn cầu Công nghệ hồi đó thì cha thích hợp để đạt đợc chất lợng liên lạc cao trên các băng sóng VHF và UHF Khái niệm về tái dụng tần số đã đợc nhận thức song không đợc áp dụng để đạt đợc mật độ ngời sử dụng cao Do đó, suốt vài chục năm, chất lợng của thông tin di động kém hơn nhiều so với thông tin hữu tuyến do công nghệ không thích hợp và các nhà tổ chức thông tin đã không sử dụng nổi độ rộng dải tần trên các băng tần số cao
Trong khi các mạng điện thoại tơng tự cố định thơng mại đợc số hoá nhờ sự phát minh ra các dụng cụ điện tử kích thớc nhỏ bé và tiêu thụ ít nguồn dựa trên vật liệu bán dẫn thì tình trạng của vô tuyến di động vẫn còn biến đổi rất chậm chạp Các hệ thống vô tuyến di động nội bộ mặt đất đã bắt đầu đợc sử dụng vào những năm 1940 song mới chỉ ở mức độ phục vụ các nhóm chuyên biệt chứ cha phải cho các cá nhân trong cộng đồng Mặc dầu Bell Laboratories đã thai nghén ý
1Guglienmo Marchese Marconi (1874-1937): kỹ s và nhà sáng chế ngời ý, chuyên về
điện báo vô tuyến, giải Nobel về vật lý năm 1909
2 Samuel Finley Breese Morse (1791-1872): nghệ sĩ và nhà sáng chế ngời Mỹ, ngời đầu tiên phát triển thành công điện báo tại Mỹ
3Bayonne: Thành phố cảng nhỏ ở đông bắc bang New Jersey, miền đông nớc Mỹ
1
Trang 2đồ về một mạng tế bào ngay từ năm 1947, song mãi cho tới tận năm 1979 công ty
mẹ của nó vẫn không làm gì để khởi đầu việc phát triển một hệ thống liên lạc vô tuyến tế bào Thời kỳ ấp ủ lâu dài đó là do phải chờ đợi các phát triển cần thiết trong công nghệ Chỉ tới khi có các mạch tích hợp thiết kế đợc một cách tuỳ chọn, các bộ vi xử lý, các mạch tổng hợp tần số, các chuyển mạch nhanh dung lợng lớn mạng vô tuyến tế bào mới đợc biến thành hiện thực
Từ cuối những năm 1970, với sự ra đời của các công nghệ nói trên, các mạng vô tuyến di động tế bào đã đợc phát triển rất nhanh chóng4 Chúng ta đang
đợc chứng kiến sự phát triển hết sức nhanh chóng của thông tin vô tuyến di động
tế bào, với nhịp độ cứ 10 năm lại có một thế hệ vô tuyến di động tế bào mới, với các dịch vụ ngày càng mở rộng, chất lợng dịch vụ ngày một cao và vùng cung cấp dịch vụ ngày một rộng lớn Những năm thập kỷ 1980 đã chứng kiến sự ra đời của một số hệ thống vô tuyến tế bào tơng tự, thờng đợc gọi là các mạng vô tuyến di
động mặt đất công cộng PLMR (Public Land Mobile Radio) Các hệ thống loại
này đợc gọi là hệ thống vô tuyến di động tế bào thế hệ thứ nhất 1G (1st
Generation), tiêu biểu là Hệ thống các dịch vụ điện thoại di động tiên tiến AMPS
thống điện thoại di động Bắc Âu NMT 450 (Nordic Mobile Telephony) công tác
trên dải tần 450 MHz, rồi sau đó trên cả dải 900 MHz (NMT 900) Làm việc ở dải UHF, các mạng này cho thấy một sự thay đổi vợt bậc về độ phức tạp của các hệ thống thông tin liên lạc dân sự Chúng cho phép những ngời sử dụng có đợc các cuộc đàm thoại trong khi di động với nhau hay với bất kỳ đối tợng nào có nối tới các mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN (Public Switched Telephone Network) hoặc các mạng thông tin số đa dịch vụ tích hợp ISDN (Integrated Services Digital Network) Trong những năm 1990 đã có những bớc tiến hơn nữa
với việc áp dụng các hệ thống thông tin di động tế bào số (digital cellular system) Các hệ thống mới này đợc gọi là các hệ thống vô tuyến di động thế hệ
thứ hai 2G (2nd Generation), tiêu biểu là Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM
MHz và 1800 MHz, các hệ thống của Mỹ IS5-136 làm việc trên hai dải 800 MHz
và 1900 MHz hay IS-95 công tác trên dải 800 MHz và các hệ thống viễn thông không dây số (digital cordless telecommunication system) nh Hệ thống viễn
thông không dây số của Châu Âu DECT (Digital European Cordless Telecommunications) Trong số các hệ thống 2G kể trên, hệ thống GSM đợc xem
là hệ thống thành công nhất Ngoài các dịch vụ điện thoại truyền thống, các hệ thống vô tuyến di động số thế hệ thứ hai cung cấp một mảng các dịch vụ mới khác nh th thoại (voice-mail), truyền số liệu tốc độ thấp, truyền fax, các tin ngắn
phạm vi toàn thế giới, càng ngày càng tiến tới chia sẻ thị trờng và thay thế từng mảng các dịch vụ thông tin cố định Hình 1.1 thể hiện tơng quan giữa các dịch vụ thông tin di động và thông tin cố định ở châu Âu, trong đó cho thấy chỉ từ năm
1998 trở đi lợi nhuận từ các dịch vụ thông tin di động của châu Âu đã bắt kịp và vợt rất nhanh lợi nhuận thu đợc từ các dịch vụ cố định
4 Vào tháng 4 năm 1979, Uỷ ban truyền thông liên bang Mỹ (FCC: Federal Communi-cation Committee) đã cấp phép cho Công ty điện thoại Bell bang Illinois điều hành một
hệ thống điện thoại di động tế bào ở khu vực Chicago
5 IS (Interim Standard): Tiêu chuẩn tạm thời.
2
1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002
Dịch vụ cố định
Dịch vụ di động
10
0
20
0
30
0
40
0
Trang 3Hình 1-1 Tơng quan lợi nhuận một số loại hình dịch vụ thông tin (châu Âu) []
Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai chủ yếu vẫn nhắm vào phục vụ dịch vụ thoại Dịch vụ số liệu mà chúng đáp ứng đợc chủ yếu là dịch vụ truyền số liệu chuyển mạch kênh tốc độ thấp (dới 10 kb/s), không đáp ứng đợc các nhu cầu truyền số liệu ngày càng tăng Trong suốt nhiều năm, ngời ta đã nói rất nhiều đến
sự tăng trởng vô cùng mạnh mẽ của các dịch vụ dữ liệu song mặt bằng về truy nhập vô tuyến là trở ngại lớn nhất làm cho điều này trở thành hiện thực Chính sự phát triển nhanh chóng về nhu cầu đối với các dịch vụ dữ liệu, nhất là đối với Internet, đã thúc đẩy mạnh mẽ công nghiệp vô tuyến và là động lực chính đối với
sự phát triển các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba 3G (3rd Generation) đa
dịch vụ
Các nỗ lực phát triển thông tin di động 3G đợc phát động trớc tiên tại Châu
Âu Vào năm 1988, dự án RACE 1043 đã đợc hình thành với mục đích ấn định công nghệ và dịch vụ cho hệ thống 3G gọi là Hệ thống viễn thông di động vạn năng (UMTS: Universal Mobile Telecommunications System), dự kiến triển khai
vào năm 2000 Trong khi đó, chính phủ Mỹ đã không đề ra một chơng trình quốc gia nghiên cứu phát triển 3G nào Song song với dự án RACE 1043, Liên minh viễn thông quốc tế ITU (International Telecommunication Union) cũng thành lập ban
TG68/1, ban đầu đặt dới sự bảo trợ của CCIR (Uỷ ban t vấn quốc tế về vô tuyến), nhằm phối hợp hoạt động nghiên cứu phát triển hệ thống 3G với tên gọi Hệ thống viễn thông di động mặt đất công cộng tơng lai (FPLMTS: Future Public Land Mobile Telecommunications System), mục đích ban đầu là xây dựng một tiêu
chuẩn 3G chung cho toàn thế giới Sự khác biệt quan trọng giữa TG8/1 và cơ quan dự án RACE 1043 là ở chỗ RACE là một dự án nghiên cứu và phát triển thực sự, còn TG8/1 thì lại giống nh một diễn đàn về 3G hơn Các chuyên gia của Châu Âu trong dự án RACE cũng tham gia TG8/1 và dần dần FPLMTS trở nên
đồng nghĩa với UMTS
Sau này TG8/1 đã bỏ tên gọi FPLMTS, thay bằng Viễn thông di động quốc
tế cho năm 2000 (IMT-2000: International Mobile Telecommunications-2000) và
cũng từ bỏ mục tiêu chính trị khó khăn về một tiêu chuẩn chung duy nhất cho toàn cầu, thay vào đó là chấp nhận một họ các tiêu chuẩn miễn là các tiêu chuẩn đó phải
có khả năng thoả mãn một tập các đòi hỏi tối thiểu Dự án IMT-2000 đã xây dựng các yêu cầu chung nhất cho các hệ thống thông tin di động 3G nhằm phục vụ nhiều loại hình dịch vụ, với tốc độ tối đa lên tới 2 Mb/s Các yêu cầu cơ bản đối với các hệ thống thông tin di động 3G, một cách vắn tắt, bao gồm:
+ Có khả năng truyền thông đa phơng tiện với các tốc độ: a) 384 kb/s (đi bộ)
và 144 kb/s (trên xe) đối với môi trờng ngoài trời (oudoor) có vùng phủ sóng
t-ơng đối rộng; b) tới 2 Mb/s đối với môi trờng trong nhà (in-door) có vùng phủ
sóng hẹp;
+ Có khả năng cung cấp đa dịch vụ nh thoại, hội nghị truyền hình (video conferencing), dữ liệu gói Hỗ trợ cả các dịch vụ chuyển mạch kênh lẫn chuyển
mạch gói và truyền dữ liệu không đối xứng (tốc độ bít cao trên đờng xuống và tốc
độ bít thấp trên đờng lên);
+ Có khả năng lu động và chuyển vùng quốc gia lẫn quốc tế;
+ Có khả năng tơng thích, cùng tồn tại và liên kết với vệ tinh viễn thông;
6 TG (Task Group): Nhóm công tác.
3
Trang 4+ Cơ cấu tính cớc theo dung lợng truyền chứ không theo thời gian kết nối;
Đã có tới mời sáu đề xuất tiêu chuẩn cho các hệ thống 3G, trong đó mời cho các mạng 3G mặt đất và sáu cho các hệ thống di động vệ tinh MSS (Mobile Satellite Systems) Đa số các đề xuất đều ủng hộ chọn CDMA (Code Division Multiple Access-Đa truy nhập theo mã) làm phơng thức đa truy nhập và ITU đã
đồng ý rằng họ các tiêu chuẩn trong IMT-2000 sẽ bao gồm năm công nghệ sau: + IMT DS (Direct Sequence): Công nghệ này đợc gọi rộng rãi là UTRA
FDD và W-CDMA, trong đó UTRA là Truy nhập vô tuyến mặt đất cho UMTS
+ IMT MC (MultiCarrier): Hệ thống này (còn đợc gọi là cdma2000) là
phiên bản 3G của IS-95 (nay đợc gọi là cdmaOne), sử dụng đa sóng mang;
+ IMT TC (Time Code): Đây là UTRA TDD, tức là kiểu UTRA sử dụng
song công phân chia theo thời gian (Time Division Duplex);
+ IMT SC (Single Carrier): IMT đơn sóng mang, nguyên thuỷ là một dạng
của GSM pha 2+ gọi là EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution);
+ IMT FT (Frequency Time): IMT tần số-thời gian, là hệ thống viễn thông
không dây tăng cờng DECT (Digitally Enhanced Cordless Telecommunications).
Tuy nhiên, theo một số chuyên gia [], các hệ thống 3G thực sự chỉ gồm IMT
DS, IMT MC và IMT TC
Từ trớc khi hệ thống 3G đầu tiên theo chuẩn W-CDMA đợc đa vào khai thác
ở Nhật bản vào tháng mời năm 2001, việc nghiên cứu chuyển hoá các hệ thống thông tin di động từ 2G lên 3G thông qua các hệ thống thế hệ hai rỡi (2,5G) cũng
đã đợc tiến hành, chủ yếu ở Mỹ và Châu Âu
ở Mỹ, hệ thống cdmaOne (tên gọi trớc đó là IS-95) đợc dự định phát triển thành phiên bản 3G là cdma2000 Các dịch vụ cơ bản mà cdma2000 sẽ cung cấp
là dịch vụ điện thoại di động truyền thống và các dịch vụ âm thanh tiên tiến nh
th thoại (voice-mail) và hội nghị âm thanh (audio-confrencing) Thêm vào đó,
ngoài các dịch vụ dữ liệu tốc độ thấp, cdma2000 sẽ cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ trung bình từ 64 kb/s đến 144 kb/s cho các ứng dụng nh Internet và cả một tốc độ cao, lên tới 2 Mb/s cho các dịch vụ chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói cao tốc Cdma2000 sẽ cho phép các máy di động truyền các dịch vụ đa phơng tiện, trong đó việc kết hợp các tín hiệu cả âm thanh, video và dữ liệu sẽ đợc xử lý
đồng thời Các dịch vụ 2 Mb/s hầu nh sẽ đợc giới hạn cho môi trờng trong nhà còn các tốc độ lên đến 144 kb/s sẽ hỗ trợ đợc cho mọi môi trờng (trong nhà cũng
nh ngoài trời) Giữa cdma2000 và cdmaOne có sự tơng thích hoàn toàn ở chỗ cả hai hệ thống có thể làm việc lẫn nhau đối với các dịch vụ tốc độ thấp đợc hỗ trợ trong dải thông 1,25 MHz của cdmaOne Các trạm gốc của cdma2000 đợc đồng
bộ với nhau và đồng bộ với các trạm gốc của cdmaOne Tốc độ chíp của cdma2000 là bội số tốc độ chíp của cdmaOne (1,2288 Mchip/s) và phân cách sóng mang trong phơng thức song công phân chia theo tần số của cdma2000 là
Nì1,25 MHz với N = 1, 3, 6, 9 và 12 Các phân cách sóng mang 1,25 MHz (nh
của IS-95), 3,75 MHz, 7,5 MHz, 11,25 MHz và 15 MHz nghĩa là cả CDMA băng hẹp lẫn băng rộng đều hỗ trợ đợc Các dịch vụ CDMA băng rộng có thể đợc hỗ trợ theo hai cách: trải phổ trực tiếp hoặc trải phổ gián tiếp trên nhiều sóng mang con Một bản tin dữ liệu tốc độ cao hoặc đợc truyền bằng cách tách thành N dòng
dữ liệu tốc độ thấp hơn, từng dòng dữ liệu con đợc trải phổ với tốc độ 1,2288 Mchip/s và điều chế lên một trong các sóng mang phân cách nhau 1,25 MHz, hoặc có thể đợc trải phổ trực tiếp với tốc độ chíp Nì1,2288 Mchip/s và truyền đi bằng một sóng mang đơn Phiên bản cdma2000-1x đợc xem là phiên bản thế hệ 2+ của cdma2000, với N = 1 Điểm khác biệt căn bản giữa cdma2000-1x và
cdmaOne là ở chỗ do sử dụng sơ đồ điều chế khoá dịch pha 4 mức QPSK
4
Trang 5cdma2000-1x gấp đôi của cdmaOne Thêm vào đó, cdma2000-1x còn áp dụng các kỹ thuật phân tập phát và điều khiển công suất hớng đi mà trong cdmaOne không có, vì vậy ngay cả với N = 1, cdma2000 cũng có dung lợng cao hơn của
cdmaOne
ở Châu Âu, hệ thống thông tin di động GSM (thế hệ thứ hai) chỉ hỗ trợ đợc dịch vụ số liệu tốc độ thấp Tốc độ dữ liệu của ngời sử dụng trên giao diện vô tuyến sử dụng một kênh vật lý đơn (một khe thời gian đơn trên một khung TDMA7) ban đầu chỉ là 9,6 kb/s Tốc độ dữ liệu cực đại của ngời sử dụng trên một kênh vật lý đơn sau đó đã đợc nâng lên đến 14,4 kb/s nhờ giảm năng lực mã hoá kênh trên kênh toàn tốc bằng cách đục thủng symbol mã Để khỏi phải nâng
tiếp mức độ đục thủng symbol mã hơn nữa, các giải pháp khác nhằm cung cấp tốc
độ dữ liệu cao hơn 14,4 kb/s là cho phép một trạm di động (MS) truy cập nhiều khe thời gian trong một khung TDMA hoặc sử dụng sơ đồ điều chế với số mức
điều chế cao hơn, chẳng hạn nh sơ đồ điều chế biên độ vuông góc hay 8-PSK
Đối với giải pháp thứ nhất (một MS có thể truy nhập hơn một khe thời gian trong khung TDMA), hai dịch vụ mới đã đợc đa ra nh một phần của hệ thống GSM pha 2+ Đó là dịch vụ dữ liệu chuyển mạch kênh cao tốc (HSCSD: High Speed Circuit Switched Data) và dịch vụ vô tuyến gói tổng quát (GPRS: General Packet Radio Service) Dịch vụ HSCSD cho phép một MS đợc chiếm một số khe
thời gian trên một khung TDMA trên cơ sở chuyển mạch kênh, tức là một MS chiếm dụng toàn bộ nguồn lực của một số kênh vật lý đã đợc đặt cho nó trong suốt thời gian cuộc gọi Trái lại, GPRS sử dụng các kết nối theo kiểu gói trên giao diện vô tuyến, bằng cách đó một ngời sử dụng đợc ấn định cho một hoặc một số kênh lu lợng chỉ khi có yêu cầu chuyển thông tin Kênh đợc giải phóng ngay sau khi việc chuyển tin hoàn thành
Giải pháp thứ hai nhằm nâng cao tốc độ dữ liệu của ngời sử dụng bằng cách
sử dụng một sơ đồ điều chế với số mức điều chế cao đợc nghiên cứu trong dự án
“Các tốc độ dữ liệu nâng cao cho việc phát triển GSM” (EDGE: Enhanced Data rates for GSM Evolution) Các kiểu điều chế khác nhau đã đợc xem xét, thoạt tiên
là điều chế biên độ vuông góc offset 4 mức (Q-O-QAM: Quaternary-Offset-Quadrature Amplitude Modulation) và điều chế biên độ vuông góc offset nhị
phân (B-O-QAM: Binary-Offset-Quadrature Amplitude Modulation), cuối cùng
dừng lại ở điều chế pha tám mức 8-PSK (Phase Shift Keying) Cũng cần nói thêm
rằng, không chỉ Châu Âu phát triển EDGE từ GSM mà hệ thống IS-136 (TDMA) của Mỹ cũng đợc dự kiến phát triển theo hớng lên EDGE Nh vậy, việc phát triển EDGE đợc đặt dới sự bảo trợ của cả Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI:
European Telecommunication Standard Institute) lẫn Tập đoàn thông tin vô tuyến
hoàn cầu (UWC: Universe Wireless Communication Consortium), hệ quả là EDGE
tơng thích với cả GSM lẫn IS-136 Mục đích ban đầu của việc phát triển EDGE chỉ là tăng tốc độ bít của ngời sử dụng nhằm mở rộng hơn nữa dải các dịch vụ có thể cung cấp đợc song EDGE đã đợc tô vẽ thành một hệ thống 3G và hiện nay nó
là một thành viên của họ các hệ thống IMT-2000 nh đã trình bày ở trên Lộ trình phát triển lên EDGE của các hệ thống GSM hay IS-136 đợc dự định là: trớc hết triển khai GPRS, rồi đến GPRS tăng cờng (EDPRS: Enhanced Data rates Packet Radio Services) và Dịch vụ dữ liệu chuyển mạch kênh tăng cờng (ECSD: Enhanced Circuit Switch Data), cuối cùng là điều chế với số mức điều chế cao sẽ
đợc triển khai để cho ra các dịch vụ EDGE 3G
Các hệ thống thông tin di động vẫn đang đợc phát triển không ngừng Sau thế hệ thứ ba, hệ thống tốc độ dữ liệu cao (HDR: High Data Rate) truyền thông
tin theo gói trên đờng xuống với tốc độ cực đại 2,4 Mb/s đã đợc đề xuất và hệ thống truy nhập theo gói đờng xuống cao tốc có thông lợng hơn 2 Mb/s hiện đang
7 TDMA (Time Division Multiple Access): Đa truy nhập phân chia theo thời gian, xin
xem khái niệm trong các mục sau
5
Trang 6đợc 3GPP8 tiêu chuẩn hoá Các hệ thống này đợc xem nh các hệ thống 3,5G Ngoài ra, một loạt các hệ thống tạo nên các mạng cục bộ vô tuyến (WLAN:
Wireless Local Area Network) nh IEEE802.11a của Mỹ, LAN vô tuyến chất lợng
cao kiểu 2 (HIPERLAN/2: HIgh-PERformance LAN type 2) của Châu Âu và
Thông tin truy nhập vô tuyến đa phơng tiện (MMAC: Multimedia Mobile Access Communication) của Nhật Bản đã đợc tiêu chuẩn hoá Dựa trên kỹ thuật ghép
theo tần số trực giao (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing), mặc
dù có thể hỗ trợ các dịch vụ video hay âm thanh thời gian thực cho ngời sử dụng
có thể di động đôi chút, các hệ thống này chủ yếu nhằm truyền tin giữa các máy tính trong môi trờng trong nhà với tốc độ truyền số liệu lên đến 54 Mb/s trên băng tần 5 GHz
Các thế hệ sau thế hệ thứ 3 hiện đang đợc ráo riết nghiên cứu Thế hệ thứ t (4G) đã đợc dự kiến có thể sẽ trở thành hiện thực từ năm 2010 Theo nhiều nhà nghiên cứu [4G], kỹ thuật OFDM kết hợp với CDMA rất có thể là nền tảng công nghệ cho các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 với tốc độ bít của ngời sử dụng có thể lên tới 150 Mb/s
Mặc dù các hệ thống thế hệ thứ 4 vẫn còn cha trở thành hiện thực, các nghiên cứu về kỹ thuật áp dụng cho thế hệ thứ 5 đã đợc xúc tiến ngày một mạnh
mẽ hơn trên toàn thế giới Theo ý kiến của một số nhà chuyên môn [4G], kỹ thuật nhiều đầu vào nhiều đầu ra-điều chế đơn sóng mang (MIMO-SCM: Multiple Input Multiple Output-Single Carrier Modulation) có thể sẽ là một ứng cử viên
sáng giá cho các hệ thống thế hệ thứ 5
1.2 phân loại các hệ thống thông tin di động
Theo cấu trúc, đặc điểm và phơng thức truy nhập các hệ thống thông tin vô tuyến di động có thể đợc phân chia thành nhiều loại khác nhau Theo cấu trúc, chúng thờng đợc phân thành: hệ thống mạng tế bào, hệ thống viễn thông không
dây và vành vô tuyến nội hạt Theo đặc tính tín hiệu, các hệ thống vô tuyến di
động có thể đợc chia thành các hệ thống liên tục (analog) và các hệ thống số
dụng: đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access), đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) và đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) Do khuôn khổ có hạn, phần này chỉ điểm qua những đặc tính chủ yếu
nhất của từng loại hệ thống vô tuyến di động theo các cách phân loại nêu trên
Phân loại theo cấu trúc hệ thống
Vô tuyến di động tế bào (cellular mobile radio): Việc liên lạc trong thông
tin vô tuyến di động tế bào đợc tiến hành giữa một hệ thống trạm gốc cố định BS
Station) Diện tích địa lý trong đó các MS liên lạc trực tiếp với một BS đợc gọi là
một tế bào (cell), có thể coi biên của một tế bào đợc xác định bởi khoảng cách
cực đại mà một MS có thể ra xa khỏi BS mà liên lạc vẫn còn cha trở nên không thể chấp nhận đợc Khi MS vừa liên lạc vừa di chuyển từ tế bào này sang tế bào khác, hệ thống sẽ tự động chuyển giao cuộc gọi và MS sẽ tiếp tục cuộc gọi thông qua BS của tế bào mới Về lý thuyết, các tế bào thờng đợc bố trí có dạng tổ ong với kích thớc thích hợp cho phép tái dụng tần số nhằm đạt đợc mật độ ngời sử dụng thích hợp Trong thực tế, hình dáng thực và kích thớc tế bào phụ thuộc vào
địa hình, công suất phát, độ nhạy máy thu, mật độ ngời sử dụng, loại ăng-ten và
8 3GPP (3rd Generation Partnership Project): Dự án hợp tác vì thế hệ thứ 3, một chơng
trình hợp tác chứ không phải là một cơ quan tiêu chuẩn hoá, do ETSI đề xuất năm 1998 nhằm liên kết với các cơ quan tiêu chuẩn hoá khác trên thế giới trong việc tiêu chuẩn hoá các hệ thống thông tin di động 3G Các thành viên của 3GPP gồm: ETSI (Châu Âu), CWTS (Trung Quốc), T1 (Mỹ), ITA (Hàn Quốc), ARIB và TTC (Nhật Bản)
6
Trang 7độ cao ăng-ten Thông thờng, trong địa hình nông thôn, tế bào có thể có bán kính tới 35 km, trong các đô thị bán kính này chỉ còn một vài km, thậm chí chỉ vài trăm mét đến 1 km Mạng vô tuyến tế bào đợc dùng để tổ chức PLMR GSM, IS-54/IS-136, IS-95 là các hệ thống vô tuyến tế bào tiêu biểu
Viễn thông không dây CT (Cordless Telecommunications): Các mạng không
dây đợc thiết kế cho thông tin di động phủ sóng trên những khoảng cách tơng đối nhỏ nh trong các môi trờng công sở, nhà máy Do kích thớc tế bào nhỏ, tốc độ truyền số liệu có thể khá cao mà không cần các mạch san bằng phức tạp, thậm chí cũng không nhất thiết phải áp dụng mã hoá kênh Các mạng không dây tiêu biểu
là DECT (Digital European Cordless Telecommunications) của châu Âu, CT-2
của Anh
Vành vô tuyến nội hạt WLL (Wireless Local Loop): Đợc sử dụng để thực hiện
nối các thuê bao hiện diện trong một vành đai địa lý quanh một trạm gốc đơn tới mạng liên lạc công cộng bằng các thiết bị vô tuyến Các hệ thống WWL lẫn CT
đều không có khả năng (hoặc không đợc phép) chuyển giao cuộc gọi Chất lợng liên lạc, độ an toàn thông tin của vành vô tuyến nội hạt thì cũng tơng tự nh của mạng thuê bao hữu tuyến Tuỳ lĩnh vực áp dụng, cự ly liên lạc có thể là 200 m đến
500 m trong địa hình đô thị và có thể tới 20 km trong vùng nông thôn Thủ tục lắp
đặt nhanh chóng, lắp đặt, bảo trì và điều phối khá rẻ Tại những vùng nông thôn hoặc ngoại ô hẻo lánh, nơi có mật độ thuê bao thấp, khi việc đặt các đờng dây thuê bao điện thoại mới không mấy kinh tế thì vành vô tuyến nội hạt trở nên rất hiệu quả [WWL]
Phân loại theo đặc tính tín hiệu
Vô tuyến di động tơng tự: Là các hệ thống điện thoại vô tuyến di động thế hệ
thứ nhất Tín hiệu thoại là tín hiệu tơng tự, điều chế FSK (Frequency Shift Keying) Phơng thức đa truy nhập chủ yếu là FDMA Các kênh điều khiển thì đã
đợc số hoá
Vô tuyến di động số: Cả tín hiệu thoại lẫn các kênh điều khiển đều là tín
hiệu số Ngoài dịch vụ điện thoại truyền thống, hệ thống vô tuyến di động số còn cho phép khai thác một loạt các dịch vụ khác nh truyền các tin ngắn, truyền fax, truyền số liệu Tốc độ truyền cao và có khả năng mã hoá thông tin
Phân loại theo phơng thức đa truy nhập
Đa truy nhập theo tần số (FDMA): Đợc sử dụng chủ yếu trong thông tin di
động thế hệ thứ nhất, trong đó hai dải tần số có độ rộng W đợc sử dụng cho đờng
xuống (down-link) từ BS tới MS và đờng lên (up-link) từ MS tới BS Với mỗi một
hớng liên lạc, mỗi một ngời sử dụng chiếm một dải tần con có độ rộng W/N gọi
là kênh và sử dụng kênh đó trong suốt thời gian liên lạc Đặc điểm của phơng thức đa truy nhập theo tần số là tốc độ truyền thấp, khó áp dụng các dịch vụ phi thoại, hiệu quả sử dụng tần số thấp, có bao nhiêu kênh trong một tế bào thì phải
có bấy nhiêu máy thu-phát làm việc trên bấy nhiêu tần số kênh đặt tại BS, do đó kết cấu BS cồng kềnh
Đa truy nhập theo thời gian (TDMA): Đợc sử dụng trong hầu hết các hệ
thống vô tuyến di động thế hệ thứ hai, hoàn toàn số hoá Với loại đa truy nhập theo thời gian này, mỗi ngời sử dụng chiếm cả giải tần W trong một khe thời gian
nhất định, tuần hoàn trong suốt thời gian liên lạc Đặc điểm: Dễ dàng mở các dịch
vụ phi thoại, thiết bị trạm BS khá đơn giản do chỉ cần một máy thu phát làm việc trên một cặp tần số ứng với các đờng lên, xuống cho nhiều ngời sử dụng, hiệu quả
sử dụng tần số cao hơn so với các hệ thống FDMA Đối với loại đa truy nhập này,
do tốc độ truyền số liệu khá cao, ISI tồn tại trong quá trình liên lạc, do đó trong nhiều trờng hợp các mạch san bằng khá phức tạp là cần thiết Đồng bộ cũng là một vấn đề đối với phơng thức đa truy nhập này
Đa truy nhập theo mã (CDMA): Là một dạng của đa truy nhập sử dụng kỹ
thuật trải phổ SSMA (Spread Spectrum Multiple Access), trong đó mỗi một ngời
7
Trang 8sử dụng dùng toàn bộ phổ tần nh với TDMA, trong toàn bộ thời gian của cuộc gọi
nh đối với FDMA Các ngời sử dụng đợc phân biệt với nhau nhờ việc sử dụng các mã giả nhiễu PN (PseudoNoise) khác nhau Các u điểm nổi bật của CDMA là
hiệu quả sử dụng phổ rất cao, khả năng tái dụng tần số rất cao, phơng án bố trí tần số sử dụng trong các tế bào rất đơn giản, độ an toàn thông tin và khả năng làm việc trong các điều kiện nhiễu mạnh rất cao Mặc dầu có các u điểm nổi bật nh vậy, cho đến nay CDMA chỉ đợc sử dụng ở một số hạn chế các hệ thống do các vấn đề liên quan tới điều khiển công suất, đồng bộ và việc tìm ra các mã PN cung cấp số kênh lớn Cũng cần phải nhấn mạnh thêm rằng, do hoàn cảnh lịch sử, hệ thống GSM (TDMA) ra đời trớc và đã đợc chấp nhận ở châu Âu và nhiều nớc khác trên thế giới, bảo đảm tính lu động (roaming) quốc tế trên một diện rất rộng
trên toàn cầu nên khả năng chiếm lĩnh thị trờng và cạnh tranh của các hệ thống CDMA thế hệ thứ hai ban đầu còn cha cao Tuy nhiên, trong tơng lai rất gần, khi nhu cầu về thuê bao di động cũng nh các nhu cầu liên lạc đa dịch vụ tăng lên rất lớn, các biện pháp kỹ thuật và công nghệ đủ mạnh thì các hệ thống CDMA sẽ chiếm u thế tuyệt đối Phơng thức đa truy nhập CDMA đã đợc lựa chọn sử dụng trong nhiều tiêu chuẩn thông tin di động 3G (W-CDMA hay cdma2000 ) Theo
ý kiến của các chuyên gia hàng đầu thế giới, các thế hệ tiếp theo của thông tin di
động sẽ là các hệ thống CDMA và các phát triển của nó
Khái niệm về các phơng thức đa truy nhập đợc minh hoạ trên hình 1.2 Trong thực tế, các hệ thống TDMA và CDMA thờng đợc thiết kế ở dạng lai TDMA/FDMA và CDMA/FDMA nhằm tăng số thuê bao có thể phục vụ đồng thời tại một vùng phủ sóng của một trạm
Hình 1-2 Các phơng thức đa truy nhập
Phân loại theo phơng thức song công
Các phơng thức song công trong thông tin di động bao gồm song công phân chia theo tần số FDD (Frequency Division Duplex) và song công phân chia theo
thời gian TDD (Time Division Duplex) FDD sử dụng chủ yếu trong thông tin vô
tuyến tế bào hay trong vành vô tuyến nội hạt, trong đó liên lạc đi và về giữa BS và
MS thực hiện trên hai tần số khác nhau bố trí trên hai dải tần khác nhau TDD th-ờng đợc sử dụng trong các mạng liên lạc không dây CT hoặc trong một số phiên bản của thông tin di động 3G Với TDD, chỉ một dải tần số đợc dành cho liên lạc cả đi lẫn về và cấu trúc khung thời gian đợc áp dụng Việc phát từ BS tới MS diễn
ra trong một nửa khung thời gian và nửa khung thời gian kia thì dành cho việc 8
FDMA
TDMA
CDMA
f
f f
t
t
t
Trang 9phát theo chiều ngợc lại Trong thực tế, để đạt đợc dung lợng thích hợp, trong các
hệ thống thông tin di động các phơng thức đa truy nhập và các phơng thức song công đợc sử dụng trộn lẫn, tạo ra các loại hệ thống TDMA/FDD/FDMA (nh GSM), FDMA/TDD (nh CT-2), TDMA/TDD/FDMA (nh DECT), hay CDMA/FDD (nh IS-95 hay cdma2000)
1.3 một số vấn đề về thông tin di động tế bào
Các hệ thống vô tuyến di động truyền thống trớc đây (không có cấu trúc tế bào) gặp phải một số nhợc điểm quan trọng nh hạn chế về khả năng cung cấp dịch vụ, chất lợng dịch vụ kém và hiệu quả sử dụng phổ tần thấp Những điều này
có thể giải thích một cách tơng đối vắn tắt nh sau Về mặt khả năng cung cấp dịch
vụ, các hệ thống vô tuyến di động truyền thống luôn đợc thiết kế theo cách ấn
định một số kênh cho một vùng địa lý thờng đợc hoạch định càng rộng càng tốt, dẫn đến công suất phát phải lớn đến mức các tiêu chuẩn kỹ thuật cho phép Một ngời sử dụng khởi phát một cuộc gọi tại một vùng sẽ phải khởi phát lại cuộc gọi khi di chuyển sang một vùng mới do cuộc gọi bị rớt vì sóng đã quá yếu Điều này hẳn là không mong muốn vì chẳng có gì bảo đảm rằng cuộc gọi của ngời sử dụng
có thể hoàn thành đợc khi không có khả năng chuyển giao cuộc gọi9 từ vùng này sang vùng khác Về chất lợng dịch vụ (liên quan tới tỷ lệ nghẽn cuộc gọi), các hệ thống vô tuyến di động truyền thống có số kênh khá hạn chế cho một vùng rất rộng Khi số thuê bao tại một vùng tăng lên quá lớn thì khả năng nghẽn cuộc gọi trong giờ cao điểm là rất lớn Độ đo hiệu quả sử dụng phổ tần đợc xác định nh số thuê bao lớn nhất có thể phục vụ đợc bởi một kênh tính tại giờ cao điểm Đối với các hệ thống điện thoại di động truyền thống, mỗi một kênh tần số nhất thời chỉ phục vụ đợc một khách hàng, do vậy không thể tận dụng phổ tần số một cách hiệu quả
Tất cả những nhợc điểm trên đã dẫn tới ý tởng về các hệ thống vô tuyến di
động tế bào mà nó cho phép tái sử dụng băng tần số tại các vùng địa lý khác nhau Chính nhờ việc tái sử dụng tần số mà hiệu quả sử dụng tần số của một hệ thống vô tuyến di động tế bào có thể đạt lớn hơn hẳn, mặt khác cho phép thu hẹp kích thớc vùng địa lý phủ sóng của một trạm (gọi là một tế bào hay một ô), nhờ vậy số thuê bao trong một tế bào có thể giữ đợc ở mức thích hợp sao cho khả năng nghẽn cuộc gọi là chấp nhận đợc, bảo đảm chất lợng dịch vụ theo yêu cầu Khả năng chuyển giao là một đặc trng của các hệ thống thông tin di động tế bào
và nhờ đó chúng có thể bảo đảm cuộc gọi thông suốt trong quá trình máy di
động di chuyển từ vùng này sang vùng khác
Trong quá trình phát triển các hệ thống vô tuyến di động tế bào, một số vấn
đề đã nảy sinh nh vấn đề về hiệu suất trung kế và chiến lợc cấp phép cho các nhà khai thác, các tiêu chuẩn chất lợng, các khái niệm, vấn đề quy hoạch hệ thống vô tuyến di động tế bào… Dới đây, chúng ta sẽ xem xét một cách vắn tắt các vấn đề này
Hiệu suất trung kế và chiến lợc cấp phép cho các nhà khai thác
Chiến lợc cấp phép cho các nhà khai thác (công ty điện thoại di động) liên quan đến việc phân định phổ tần số dành cho dịch vụ điện thoại di động, hiệu quả trung kế và lợi thế của việc thúc đẩy cạnh tranh Trớc đây, vào thời kỳ đầu tiên của các hệ thống vô tuyến di động tế bào, Uỷ ban truyền thông liên bang Mỹ FCC (Federal Communication Committee) đã thực hành chính sách phân định
toàn bộ phổ tần cho một nhà khai thác trên một vùng thị trờng Điều này liên quan tới việc dự đoán về thị trờng điện thoại di động hồi đó vẫn còn cha rõ ràng,
9 Chuyển giao cuộc gọi (Hand-Over theo tiếng Anh Anh hay Hand-Off theo tiếng Anh
Mỹ, viết tắt là HO): Quá trình chuyển đổi kênh tự động khi một máy di động di chuyển
từ tế bào này sang tế bào khác sao cho cuộc gọi có thể tiếp tục mà không cần khởi phát lại (không cần quay số lại)
9
Trang 10việc ấn định phổ tần và cấp phép chỉ dựa trên lợi thế về hiệu suất trung kế Xét về hiệu suất trung kế, việc phân định 1 nhà khai thác/thị trờng cho hiệu suất trung kế tốt hơn trờng hợp 2 nhà khai thác/thị trờng Điều này có thể giải thích đợc theo thí
dụ sau [] Trong thí dụ này chúng ta sẽ xét đến sự suy giảm hiệu suất trung kế giữa hai phơng án 1 và 2 nhà khai thác/thị trờng Trong trờng hợp đầu, giả sử trên một vùng thị trờng gồm 7 tế bào, nhà khai thác đợc ấn định toàn bộ băng tần với tổng số 666 kênh Trong trờng hợp thứ hai, hai nhà khai thác cùng khai thác trên vùng thị trờng nói trên và đợc phân định mỗi nhà khai thác một nửa độ rộng băng tần tổng cộng, tức là mỗi nhà khai thác có 333 kênh Giả sử thời gian trung bình của một cuộc gọi là 1,76 phút10 và xác suất chặn cuộc gọi cho phép đối với một tế bào là 2% Với số kênh trên một tế bào cho trờng hợp đầu N1 = 666/7 ≈ 95, cho trờng hợp sau N2 = 333/7 ≈ 47,5 và xác suất chặn11B = 0,02, tra bảng Erlang12 B (phụ lục 1) chúng ta đợc tải có thể chịu đựng của các trờng hợp lần lợt là A1 = 83,1 Erlang và A2 = 38 Erlang Đối với trờng hợp thứ hai, tải có thể chịu đựng tổng cộng của cả hai nhà khai thác là 2A2 Nh vậy, ta có A1 ≥ 2A2 Số cuộc gọi có thể phục vụ đợc trong giờ cao điểm với thời gian trung bình một cuộc gọi 1,76 phút sẽ là:
76 , 1
60
ì
i A
(1.1)
Do vậy, Q1 = 2832,95 cuộc gọi/giờ và Q2 = 1295,45 ì 2 = 2590,9 cuộc gọi/giờ
Hệ số suy giảm hiệu suất trung kế giữa trờng hợp thứ hai so với trờng hợp thứ nhất với xác suất chặn 2% có thể tính đợc nh sau:
% 5 , 8 95
, 2832
9 , 2590 95
,
=
Mặc dầu hiệu suất trung kế giảm khi số nhà khai thác trên một vùng thị trờng tăng lên song trong năm 1980 FCC đã xét lại chiến lợc một hệ thống/một thị tr-ờng của mình và nghiên cứu khả năng áp dụng chiến lợc hơn một hệ thống/một thị trờng nhằm tận dụng các lợi thế do cạnh tranh mang lại Rõ ràng việc tiết
kiệm chi phí do hiệu suất trung kế lớn dẫn đến việc một hệ thống/một thị trờng có
vẻ có lợi hơn, song khi cân bằng các lợi ích của tính kinh tế nhờ quy mô
với các lợi ích do cạnh tranh mang lại (các nhà khai thác đều phải cố gắng phấn
đấu giảm cớc dịch vụ, do đó toàn xã hội đợc lợi lớn), FCC đã đi đến kết luận về u thế vợt trội của chiến lợc hai nhà khai thác/một vùng thị trờng Hiện tại, chiến lợc cấp phép này đợc áp dụng rộng rãi với số nhà khai thác/một vùng thị trờng lên tới
3
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống vô tuyến di động tế bào
10 Các con số trong thí dụ này hoàn toàn mang tính giả định, chỉ phù hợp trong tính toán
ở Mỹ vào thời kỳ đầu của điện thoại di động tế bào Các con số thống kê về thời gian trung bình một cuộc gọi hiện nay thay đổi theo thói quen sử dụng của khách hàng cũng
nh chính sách cớc ở Việt Nam hiện nay (2005), con số này là quãng gần 1 phút
11 Xác suất chặn (blocking probability): Là xác suất của việc cuộc gọi bị từ chối do hệ
thống không đủ nguồn lực để phục vụ
12 Erlang: Đơn vị đo lu lợng viễn thông dùng trong lĩnh vực điện thoại, đặt theo tên của nhà toán học, nhà thống kê học, kỹ s ngời Đan Mạch Agner Krarup Erlang (1878-1929), ngời đặt nền móng cho ngành kỹ thuật lu lợng và lý thuyết hàng đợi Erlang là đơn vị thống kê không thứ nguyên, là lu lợng một ngời sử dụng điện thoại trong một giờ Erlang thờng đợc sử dụng trong tính toán cấp độ dịch vụ (GOS: Grade Of Service) và
chất lợng dịch vụ (QoS: Quality of Service) trong điện thoại, việc tính toán lu lợng bằng
Erlang thờng đợc tính với giờ cao điểm
10
cuộc gọi/giờ
