›
›

Bài giảng Thông tin di động

doc 84 trang ngocly 2700
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Thông tin di động", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • docbai_giang_thong_tin_di_dong.doc

Nội dung text: Bài giảng Thông tin di động

  1. Thông tin di độ ng1 Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Như chúng ta đều đã nhận thấy thì khi cuộc sống càng phát triển chúng ta càng rất cần thông tin đồng thời thì thông tin cũng làm chất xúc tác cho cuộc sống hiện nay phát triển ngày càng cao hơn. Trong rất nhiều lĩnh vực thông tin thì thông tin di động đã và đang là vấn đề phát triển nhanh nhất, càng ngày thông tin di động càng được phổ biến rộng rãi và sâu rộng. Từ những nhận thức đó thì việc tìm hiểu kỹ thuật công nghệ của chuyên ngành thông tin di động là một yêu cầu tất yếu của các sinh viên chuyên ngành thông tin liên lạc hiện này và sau này. Hệ thống thông tin di động là một hệ thống viễn thông khá phức tạp và có nhiều ứng dụng rộng rãi, từ điện thoại di động đến hiện nay là truyền số liệu di động cũng đã được triển khai rộng khắp. 1.1. Giới thiệu tổng quan Hiện nay trên thế giới nói chung và trong đó có Việt Nam chúng ta đã đang và sẽ tồn tại hai hệ thống thông tin di động đó là mạng điện thoại di động tổ ong GSM (Global System for Mobile Communication) và mạng di động sử dụng công nghệ CDMA (Code Division Multipe Acess). Mỗi hệ thống có những đặc tính riêng, có ưu nhược điểm đặc trưng mà hệ thống còn lại không (hoặc chưa) thay thế được. Trong giáo trình này chúng ta sẽ đề cập đến cả hai hệ thống nói trên theo từng đặc tính chung và riêng của chúng. 1.1.1. Khái quát lịch sử phát triển Cột mốc đánh dấu sự ra đời và phát triển của thông tin di động hiện nay phải được xét đến kể từ khi James Clerk Maxwell đưa ra lý thuyết về sóng điện từ vào năm 1861, đây là nền tảng lý thuyết quan trọng nhất của các kỹ thuật thông tin không dây nói chung và trong đó có cả thông tin di động của chúng ta. Tuy nhiên để áp dụng được lý thuyết đó vào thực tế là cả một chặng đường lâu dài. Cho đến những thập niên đầu thế kỹ XIX, các dạng thông tin di động đầu tiên được phát triển để phục vụ cho quân sự và các dịch vụ an toàn công cộng nhất là trong thế chiến thứ 2. Sau thế chiến thứ hai, thông tin di động bắt đầu được phát triển cho mục đích thương mại, đầu tiên được xây dựng ở Mỹ hệ thống điện thoại di động MTS (Mobile Telephone System) vào năm 1946; nhưng trên mạng đó chỉ cho phép truyền đơn công và sử dụng chuyển mạch nhân công. Mãi đến 1969 hệ thống điện thoại di động song công sử dụng chuyển mạch tự động mới được phát triển thành công là IMPS (Improved Mobile Telephone System). Mạng thoài này sử dụng dãi tần 450MHz và đã được chuẩn hóa tại Mỹ nhưng lại không thể đáp ứng nhu cầu phát triển. Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  2. Thông tin di độ ng2 Vào cuối thập kỷ 70, phòng thí nghiệm Bell LaBTS đã phát triển thành công hệ thống AMPS và đưa ra thương mại hóa bởi hãng AT&T vào năm 1983; hệ thống này sử dụng dãi tần trên 800MHz với hướng lên trong khoảng 824-846MHz và hướng xuống là 869-894MHz. Trong AMPS sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự FM với khoảng dịch tần cực đại 12KHz cho kênh thoại và khoảng cách tần số là 30KHz; phân bố tần số trong mạng tuân theo nguyên lý chia ô. AMPS chia sẽ cho hai nhà cung cấp với 832 kênh. Các kênh được chia đều cho các nhà cung cấp dịch vụ, và khu vực địa lý, với 42 kênh mang thông tin của mạng (kênh báo hiệu chung). Song song với AMPS của Mỹ thì Châu Âu cũng đã thực hiện được hệ thống di động cho mình vào 01/10/1981 bằng chuẩn NMT450 là một mạng di động tế bào chủ yếu phục vụ cho khu vực Bắc Âu. NMT450 sử dụng dãi tần trên 450MHz với kỹ thuật FDMA/FM với khoảng dịch tần cực đại là 5KHz và khoảng cách tần giữa hai kênh là 25KHz và sử dụng kỹ thuật điều chế khóa dịch tần FSK. Sau đó hệ thống này được nâng cấp để sử dụng khoảng tần 900MHz và trở thành NMT900 vào năm 1986 và đây là cơ sở cho việc phát triển mạng di động số thế hệ thứ 2 được phổ biến rộng rãi với tên gọi GSM (Global System Mobile). Dựa vào AMPS, tại Anh đưa ra chuẩn TACS (Total Access Communication System), hệ thống truyền thông truy cập toàn thể, với sự thay đổi dãi tần của các kênh vô tuyến. Hệ thống TACS sau này được phát triển ở nhiều nước như ở Nhật là J-TACS, hãy chuẩn mở rộng là N-TACS. TACS có dãi tần kênh 25kHz ở dãi tần 890-915MHz cho đường lên và 935-960MHz cho đường xuống với khoảng cách kênh 45MHz; ban đầu được cấp dãi 25MHz, dự trữ 10MHz cho hệ thống pan_TACS ở Anh và 16MHz cho chuẩn mở rộng N-TACS. Trong hệ thống TACS sử dụng kênh điều khiển và báo hiệu ở tốc độ 8kbps. Cùng với sự phát triển của công nghệ số hóa trong điện tử và viễn thông liên lạc thì việc chuyển đổi trong thông tin di động cũng có sự chuyển biến công nghệ, các mạng tương tự như trên đã dần được thay thế bằng các mạng số hóa mà thành công nhất là hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM (Global System Mobile). Sự chuyển đổi từ mạng tương tự qua mạng số thường được biết đến như sự chuyển đổi thế hệ mạng di động, mà ở đó mạng thông tin công nghệ tương tự được xem là thế hệ thứ nhất (1G) và mạng thông tin di động toàn cầu GSM là thế hệ thứ 2 (2G). Hiện nay chúng ta thường được nghe đến các khái niệm 2.5G và 3G chính là các thế hệ mạng thông tin mới được đề xuất và đang phát triển để đáp ứng nhu cầu trao đổi tin ngày càng cao của xã hội hiện đại. Trong các thế hệ mạng sau này thì chủ yếu được nâng cấp kỹ thuật công nghệ để đáp ứng được các yêu cầu của thông tin đa phương tiện tốc độ cao (truyền hình, truyền số liệu tốc độ cao, ). Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  3. Thông tin di độ ng3 Năm 1982, theo đề xuất của Cty Nordic Telecom (Viễn thông Bắc Âu), Netherlands, nhóm nghiên cứu Group Special Mobil (GSM) thì Tổ chức Bưu chính Viễn thông Châu Âu – CEPT (Conference Euro Posts and Telecommunication) đã hình thành tiêu chuẩn mới cho hệ thống thông tin di động xuyên Châu Âu. Sau đó 5 năm (1987) thì 13 nhà khai thác quản lý đã ký kết thỏa thuận đưa ra tiêu chuẩn GSM là viết tắt theo tên tiếng Pháp của Global System for Mobile Communication là tiêu chuẩn chúng ta sử dụng hiện nay. GSM sử dụng mã hóa tiếng nói dự đoán đặc tuyến xung kích chính tắc (PRE-LPC) và phương thức TDMA phân chia theo thời gian. Từ năm 1989 GSM được chuyển nhượng cho Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI) và được viện phát triển qua nhiều giai đoạn mãi đến năm 1997 mới hoàn thành tiêu chuẩn đầy đủ thành GSM 2G có kết hợp với dịch vụ số liệu chuyển mạch tốc độ cao (HSCSD) và dịch vụ truyền sóng vô tuyến gói đa dụng (GPRS). GSM sử dụng giao diện vô tuyến ở dãi tần trên 850MHz, cụ thể là 890-915MHz cho đường lên và 935-960 cho đường xuống đối với các mạng di động (hiện nay đang sử dụng dãi tần 1800MHz). Kỹ thuật điều chế của GSM là GMSK (Khóa mã cực tiểu Gaussian) với mỗi giá trị BT là 0.3 tại tốc độ dữ liệu tổng 270kbps. Điều này đưa ra để cân đối tối ưu giữa độ phức tạp của thiết bị và hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống. Bảng 1.1. Tóm lược lịch sử phát triển của GSM Năm Sự kiện 1982 Nhóm nghiên cứu di động đặc biệt được CEPT thành lập (GSM ra đời) 1986 Dãi tần 900MHz dành riêng cho GSM được sự chấp thuận của EC Telecom Có 3 sơ đồ truyền dẫn sóng vô tuyến khác nhau và khác cả tốc độ mã hóa âm thanh ở các quốc gia khác nhau. 1987 Các thông số cơ sở của chuẩn hóa GSM được chấp thuận vào tháng 2 1988 Đặc tả chi tiết GSM pha 1 được hoàn thành cho cơ sở hạ tầng mạng 1989 Nhóm di động đặc biệt chuyển sang cho ETSI thành hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM hiện nay) thành chuẩn hóa quốc tế cho mạng dịch vụ thoại di động cấu trúc tế bào. 1990 GSM bước đầu tương thích cho hoạt động ở băng tần DSC1800 1991 Mạng GSM đầu tiên được xây dựng ở Phần Lan 1992 Lần đầu tiên việc đăng ký chuyển vùng quốc tế được thực hiện giữa Viễn thông Phần Lan (Telecom Finland) và Vodafone (Vương quốc Anh). Bản tin SMS đầu tiên được gửi đi. 1993 Telstra Australia trở thành mạng ngoài Châu Âu đầu tiên đi vào hoạt động. Mạng GSM đầu tiên hoạt động trong dãi tần DCS1800 (GSM1800) ở Vương quốc Anh. Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  4. Thông tin di độ ng4 1994 GSM pha 2 (cho các dịch vụ mạng thông tin số liệu / fax) ban hành. Số lượng thành viên của MoU GSM vượt qua con số 100, thuê bao GSM tiến đến con số hàng triệu. 1995 Mạng GSM đầu tiên hoạt động ở Nga và Trung Quốc Số lượng thuê bao GSM tiến đến con số 50 triệu 1997 Máy cầm tay 3 băng đầu tiên được công bố 1998 Số thuê bao GSM trên toàn cầu vượt qua 100 triệu 1999 WAP bắt đầu được triển khai thử nghiệm ở Pháp và Italia 2000 Các dịch vụ GPRS thương mại đầu tiên được công bố, máy cầm tay GPRS đầu tiên được đưa ra thị trường. Năm tỉ bản tin SMS được gửi trong 1 tháng. 2001 Mạng 3G GSM đầu tiên đi vào cuộc sống. Số lượng lượng thuê bao GSM trên toàn thế giới vượt xa 500 triệu. 2003 Mạng EDGE đầu tiên đi vào hoạt động. Số lượng thành viên của hiệp hội GSM vượt qua 200 quốc gia. Hơn nữa tỉ máy cầm tay được sản xuất trong 1 năm. 2008 Con số thuê bao GSM vượt qua ngưỡn 3 tỉ. Hiện nay song song với hệ thống điện thoại di động tế bào GSM thì còn có một công nghệ mới, trước đây chỉ sử dụng cho mục đích quân sự là CDMA và được đưa ra thương mại bởi hãnh Qualcomm IS-95 (Interim Standard – 95A) với tên gọi là CDMA- ONE vào năm 1991. IS-95 sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) là nền tảng cho sự mở rộng dung lượng thuê bao, hạn chế công suất phát để chống nhiễu và nâng cao hiệu suất sử dụng dãi tần hạn chế. Công nghệ CDMA ra đời hứa hẹn sự đột phá mới trong sự phát triển của hệ thống thông tin di động bởi khả năng chống nhiễu và tốc độ truyền tin cao đáp ứng cho các yêu cầu dịch vụ đa phương tiện. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 được nghiên cứu để phát triển các dịch vụ mới cũng như cải thiện chất lượng các dịch vụ truyền thống và nâng cao tính hiệu quả sử dụng băng tần vô tuyến. Trong rất nhiều hệ thống thế hệ ba thì nổi bật nhất là: Hệ thống thông tin di động đa năng UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) do CEPT đề xuất; và hệ thống thông tin di động mặt đất công cộng tương lai - FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunication Systems) do ITU-R phát triển. Và hiện nay đang nghiên cứu xu thế OFDM để triển khai cho mạng thông tin di động tương lai, hay còn gọi là 4G. Với mạng di động sử dụng kỹ thuật OFDM sẽ cho phép liên kết tốc độ cao trong điều kiện nhiễu lớn và di chuyển ở tốc độ cao. Tuy nhiên với OFDM các kỹ thuật điều chế còn có sự kết hợp của ghép kênh và đa thâm nhập khá phức tạp còn phải nghiên cứu thử nghiệm trong thời gian tới. Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  5. Thông tin di độ ng5 1.1.2. Cấu trúc chung của hệ thống Một hệ thống thông tin di động cơ bản sẽ gồm các thành phần như ở H-1.1 sau Hình 1.1. Cấu trúc của một hệ thống thông tin di động Trong sơ đồ ở (H-1.1) các thành phần trong đó chỉ biểu thị chức năng của khối con (hệ thống con) mà chưa đề cập đến thiết bị di động cá nhân (thiết bị đầu cuối người dùng). Trong hệ thống di động thì trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC (Mobile Service Switching Centrel) là quan trọng nhất, có vai trò chuyển mạch giữa thuê bao người dùng với mạng viễn thông tổng thể. Các hệ thống con trong trong thông tin di động gồm: - Trạm di động – MS (Mobile Station): Là thiết bị đầu cuối người dùng, có thể là điện thoại, hay thiết truyền số liệu, - Modun xác nhận thuê bao – SIM (Subscriber Indentity Module) là đơn vị chứa thông tin người dùng sử dụng cho công tác xác nhận thuê bao và tính cước. Tập hợp hai chức năng trên tạo nên một đầu cuối thuê bao di động hoàn chỉnh - Trạm thu phát gốc – BTS (Base Transceiver Station): Thực hiện chức năng phát và thu tín hiệu với các MS gồm anten thu phát, thiết bị thu phát và điều khiển. - Bộ điều khiển trạm gốc – BSC (Base Station Controller) có nhiệm vụ quản lý tất cả các giao diện vô tuyến thông qua lệnh điều khiển từ xa của MS và BTS. Thực chất các BSC là các tổng đài cỡ nhỏ có khả năng tính toán lớn dùng cho việc quản lý các kênh truyền ở giao diện vô tuyến và chuyển giao (handover). - Khối chuyển mã và thích ứng tốc độ - TRAU (Transcoder and Rate Adapter Unit). Đây là thiết bị mà tại đó thực hiện chức năng chuyển đổi giữa mã tiếng của GSM thành mã tiếng bình thường một kênh thoại và ngược lại; và đồng thời cũng thực hiện chức năng thích ứng tốc độ cả trong các kết nối truyền số liệu khác. Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  6. Thông tin di độ ng6 - MSC (Mobile Service Switching Center): Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động. MSC thực hiện kết nối các BSC lại với nhau thông qua giao diện Abis và cùng giao tiếp với mạng bên ngoài thông (còn được gọi là MSC cổng). - Thanh ghi thường trú – HLR (Home Location Register) là cơ sở dữ liệu lưu giữ các thông tin cung cấp dịch vụ cho thuê bao mà không phụ thuộc vào vị trí thuê bao hiện thời trên mạng nhưng nó cũng có cả thông tin về vị trí hiện thời của thuê bao. Một chức năng quan trọng của HLR chính là chức năng xác thực AUC (Authentication Centrer). - Thanh ghi tạm trú – VLR (Visitor Location Register) là cơ sở dữ liệu thứ hai của hệ thống; có thể được nối với một hay nhiều MSC. Chức năng chính của VLR là lưu giữ tạm thời số liệu thuê bao của các thuê bao hiện đang nằm trong vùng phục vụ của MSC tương ứng. Tập hợp các chức năng trên tạo thành hệ thống con trạm gốc BSS (Base Station Subsystem) là khối đệm tạo nên kết nối giữa hệ thống thông tin với thuê bao di động. Đây là phần giao tiếp chính với khách hành thuê bao thông tin di động. Ngoài ra để hoàn chỉnh một hệ thống thông tin thì thông tin di động cũng phải có thêm sự kết nối với các mạng thông tin khác cũng như phải các thành phần quản lý hệ thống. Với hệ thống thông tin di động thì sẽ gồm thêm NSS (Netwok and Switching Subsystem) và hệ thống khai thác và hỗ trợ - OSS (Operation and Support System). Trong đó OSS có chức năng khai thác bảo dưỡng hệ thống mạng thông tin, quản lý và tính cước thuê bao trong mạng, quản lý thiết bị di động. NSS với chức năng chính là chuyển mạch từ mạng thông tin ra mạng viễn thông bên ngoài, ứng dụng cho các cuộc gọi liên mạng. Trong việc quản lý thiết bị di động OSS sẽ cần phải được hỗ trợ từ thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR (Equipment Identity Register), tại đây sẽ lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến trạm di động MS được nối với MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra hợp phép của thiết bị đó. Nếu thiết bị không được xác nhận sẽ bị cấm liên lạc với mạng thông tin. Nhưng chú ý rằng EIR lại được xem là thành phần con của hệ thống trạm gốc chuyển mạch. 1.2. Cấu trúc tế bào Sở hữu một dãi tần vô tuyến giới hạn, các mạng di động sẽ chỉ có thể cung cấp một số lượng rất nhỏ các kênh vô tuyến cho truyền dẫn thông tin và từ đó số người dùng hạn chế. Ví dụ, với hệ thống GSM sử dụng dãi tần 900MHz có dãi thông 25MHz sẽ có số lượng tối đa là 125 kênh tần số, dãi thông số mang 200kHz; nếu sử dụng ghép kênh thời gian với 8 khe thì cũng chỉ có 1000 kênh. Nhưng quan trọng hơn là với sự Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  7. Thông tin di độ ng7 phân bố rộng và sự di chuyển của đầu cuối, sử dụng cấp phát cố định kênh sẽ không thể sử dụng để liên kết đầu cuối với mạng và bài toán đặt ra sự phân chia khu vực phục vụ với các dãi tần khác nhau có thể lập lại ở những khoảng cách xa đã được áp dụng cho các mạng thông tin di động; mỗi khu vực phục vụ được gọi là một tế bào (cell). Nguyên lý chia cell và tái sử dụng tần số có thể mô tả như ở (H-1.) Hình 1. : Mô hình mạng tế bào tái sử dụng tần số Các định nghĩa: + Tế bào (cell) là một khu vực phục vụ của trạm phát sóng cơ bản (BTS), toàn mạng phủ sóng sẽ được chia nhỏ thành các tế bào thường có dạng lục giác với trạm phát sóng sẽ ở trung tâm của tế bào. + Mỗi tế bào i có một tập con tần số Si được lấy từ tập dãi tần được cấp phát cho mạng. Trong hệ thống GSM tập con S i gán cho một tế bào được gọi là Cấp phát tế bào (Cell Allocation - CA). Hai tế bào lân cận không bao giờ dùng chung một dãi tần, do yêu cầu tránh xuyên nhiễu cùng kênh của các tế bào liền kề. + Chỉ ở một khoảng D thì có thể sử dụng lại tập con tần số S i, các tế bào cách tế bào i một khoảng D có thể được gán cho một hoặc tất cả tập cho S i của tế bào i. Khi thiết kế mạng di động, D phải được chọn đủ lớn để nhiễu đồng kênh là đủ nhỏ có thể chấp nhận được mà không làm giảm chất lượng tín hiệu nhận được. Hình 1. : Tái sử dụng tần số và phân chia cluster trong mạng tế bào + Khi một trạm di động chuyển từ một tế bào này đến tế bào khác khi đang đàm thoại thì sẽ tự động có sự thông đổi kênh/tần số, gọi là handover. Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  8. Thông tin di độ ng8 1.2.1. Tỷ số sóng mang trên xuyên nhiễu Chất lượng tín hiệu trong một kết nối được đo bằng tỷ số công suất tín hiệu sử dụng cho công suất xuyên nhiễu nhận từ một tế bào đồng kênh, ký hiệu là CIR (hay C/I): C C«ng suÊt tÝn hiÖu nhËn C«ng suÊt tÝn hiÖu nhËn (1.) I C«ng suÊt tÝn hiÖu nhiÔu C«ng suÊt xuyªn nhiÔu tõ c¸ c tÕbµo kh¸ c Xuyên nhiễu về cơ bản là một hàm của nhiễu đồng kênh phụ thuộc vào khoản g cách tái sử dụng tần số D. Từ điểm đứng của trạm di động, xuyên nhiễu đồng kênh có nguyên nhân của trạm gốc cách trạm gốc hiện tại một khoảng D. Trong đánh giá xấu nhất CIR của trạm di động ở biên vùng phủ cách anten phát là R, bao gồm cả suy hao lan truyền với giả thiết là sáu trạm lân cận phát nhiễu cùng công suất và có khoảng cách xấp xỉ nhau (cho khoảng D rất lớn hơn bán kính tế bào R). Lúc đó:    C Pt .R Pt .R 1 R 6A 6 (1.) I  6 D  Pi  Pt .D i 1 i 1 1.2.2. Định dạng của CLUSTER Thông thường việc phân tập lặp lại tần số sẽ tạo nên các nhóm tế bào (cluster), các tế bào trong cùng một cluster phải được cấp phát tần số khác nhau, trong khi các tế bào ở các cluster khác có thể sử dụng lại các kênh như cùng phân tập. Kích thước của cluster được đặc trưng bởi số lượng tế bào trong cluster là k, được xác định bằng số tần số sử dụng trong một khoảng D với bán kính tế bào R đã cho. Mỗi cluster có các đặc tính sau: - Một cluster có thể bao hàm hết tất cả dãi tần được cấp phát cho toàn mạng. - Trong cùng một cluster tần số sóng không được sử dụng lại, các tần số trong tập Si chỉ có thể tái sử dụng ở các cluster lân cận. -Với một cluster lớn sẽ cho khoảng sử dụng lại tần số lớn và giá trị CIR cũng khá lớn, tuy nhiên với cluster lớn thì số lượng kênh trong một tế bào phải nhỏ đi và số lượng thuê bao cung cấp được trong một tế bào cũng sẽ giảm nhỏ. Khoảng tái sử dụng tần số D có thể xác định theo giá trị hình học từ mô hình tế bào lục giác ở (H- ) phụ thuộc theo k và R là: D R 3.k (1.) Lúc này có thể viết lại biểu thức của CIR là    C R R 1 2   3.k (1.) I 6.D 6 R 3k 6 Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  9. Thông tin di độ ng9 Áp dụng kết quả này ta có thể xác định được kích thước tối ưu của cluster với yêu cầu chất lượng CIRmin cho trước như biểu thức sau  2 2 1 2  min k i i. j j CIRmin 3.k  i , j 0 6  Theo như phép đo ở trên, ở mức tín hiệu âm có thể nhận tốt thì giá trị CIR có thể chấp nhận được có khoảng CIR min = 18dB. Giả sử hệ số lan truyền có giá trị xấp xỉ là  = 4 thì lúc này ta tính được kích thức của cluster sẽ là: C C 10lg 18dB 63,1 I min I min 1  C 3.k 2 63,1 k 6,5 hay k 7 6 I min Giá trị này cũng đã được xác nhận bằng mô phỏng trên máy tính, và cũng đã chỉ ra được với thông số CIR min = 18dB thì khoảng các tái sử dụng tần số D = 4,6R. Ngoài ra trong thực tế, một số mạng còn sử dụng một số kích thước cluster khác là 3 và 12. 1.2.3. Dung lượng tải và quản lý tải Như chúng ta đã đề cập ở trên, số lượng các kênh và dung lượng tải cực đại trên một tế bào phụ thuộc kích thức cluster k, theo quan hệ như sau Bt nF (1.) Bc .k Trong đó, nF là số lượng tần số cấp phát trên một tế bào. Bt là băng thông tổng cộng của hệ thống mạng tế bào. Bc là băng thông của một kênh. Số lượng kênh trên một tế bào trong hệ thống FDMA bằng số lượng kênh tần số được cho từ băng thông của hệ thống và từng kênh: n = nF. Số lượng kênh trên mỗi tế bào ở hệ thống TDMA sẽ bằng số lượng kênh tần số nhân với số khe thời gian trên mỗi kênh: n = m. nF. Mỗi tế bào có thể mô hình như là một hệ thống tổn hao tải theo dạng lý thuyết với n dịch vụ (kênh thuê bao), giả sử quá trình cuộc gọi đến có phân phối hàm mũ theo thời gian (quá trình Possion), và một quá trình Possion khác là quá trình dịch vụ. Các quá trình dịch vụ và gọi đến còn được gọi là quá trình Markov, như là một hệ thống đã biết là hệ thống suy hao M/M/n. Cho một xác xuất khối B, một tế bào phục vụ tối đa tải yêu cầu là Amax trong suốt thời gian bận là Amax f B,n max Tm (1.) Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  10. Thông tin di độ ng 10 Trong đó max là số cuộc gọi thực hiện trong thời gian bận Tm là thời gian kéo dài trung bình của các cuộc gọi. Mối liên hệ yêu cầu tải A và xác suất khối B với tổng số kênh n được cho bởi biểu thức Erlang sau An n! B n (1.) Ai  i ! i 0 Tuy nhiên các giá trị xấp xỉ này chỉ có nghĩa trong môi trường microcell, ở đó số lượng người dung trong tế bào là đủ lớn tương đồng với số lượng kênh cho phép và do đó số lượng cuộc gọi đến được xem như xấp xỉ hằng số. Trong các hệ thống picocell và microcell với giả thiết cuộc gọi không gửi lâu, thì lúc này định lượng tải theo lý thuyết phải sử dụng mô hình Engset, kết quả là số cuộc gọi đến không phải là hằng số thời gian dài. Xác suất mà tất cả các kênh đều cho kết quả bận từ M số người dùng trong tế bào và có a người dùng không bận thì: M n a n P (1. ) n n M i  a i 0 i Trong trường hợp hày xác suất khi có một cuộc gọi đến mà không có một kênh rỗi có sẵn (xác xuất bị khóa) là M 1 an n P (1.) B n M 1 i  a i 0 i Với M thì công thức khóa Engset sẽ trở thành biểu thức khóa Erlang. 1.2.4. Phân chia sector trong tế bào Từ việc tìm hiểu CIR yêu cầu kích thước cluster và kết quả thu được về dung lượng tải tin ở phần trên, đã chỉ ra việc thiết kế hệ thống với dung lượng tải cho trước trong một vùng là: Từ yêu cầu CIR là tối thiểu tìm được kích thước cluster và từ đó xác định số lượng kênh tối đa trong một tế bào; dung lượng tải trong một khu vực được xác định bằng bán kính tế bào. Nhưng do tài nguyên cấp phát cho mạng là giới hạn (như dãi tần, băng thông, ) nên dung lượng tải có thể tăng thêm bằng việc chọn các tế bào có kích thước nhỏ hơn. Nhưng điều đó lại yêu cầu gia tăng số lượng các trạm gốc (BTS), điều này làm gia tăng chi phí đầu tư cho các trạm BTS và bao gồm cả các kết nối đường trục. Một cách tiếp cận khác là sử dụng các tế bào sector thay cho các tế bào đẳng Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  11. Thông tin di độ ng 11 hướng, trong tìm hiểu sâu hơn ở phần sau. Trong trường hợp sector hóa, mỗi tế bào vô hướng được chia thành ba sector 120 o hoặc sáu sector 60o, mỗi sector được hỗ trợ bởi một anten sector để thu phát trong các góc phủ sóng của chính sector đó; do vậy số lượng xuyên nhiễu đồng kênh sẽ giảm nhỏ từ 6 xuống còn 2 trong trường hợp 3 sector 120o và 1 ở trường hợp sáu sector. Từ đó chúng ta cải thiện được hệ số CIR như sau   1 R 1 3.k 2 (1.) C C A 3. I 1200 I omni 2 D 2 Với trường hợp 3 sector ở một tế bào, còn với trường hợp 6 sector sẽ là   3.k 2 (1.) C C R A 6. I 60o I omni D o Với một giá trị CIR đã cho, ta có thể giảm được kích thức cluster k thành k120 và o k60 của các trường hợp ba và sáu sector tương ứng theo các biểu thức sau  120o 2 2 C 1 min k i i. j j 3.k 2  (1.) i , j 0 I 2 min   60o 2 2 C Và min k i i. j j 3.k 2  (1.) i , j 0 I min Do vậy chúng ta sẽ thu được số lượng kênh trên tế bào lớn hơn, tuy nhiên một điều cần chú ý là số lượng kênh được cấp phát phải chia cho số lượng sector. Trong thực tế, số lượng kênh khả dĩ tổng thể là không lớn, và khi chia cho sector sẽ làm phân nhỏ lượng kênh cần cung cấp điều này đưa đến việc các kênh chỉ được sử dụng trong một sector để làm giảm sự ảnh hưởng xuyên dài đến các tế bào và sector bên cạnh nên sẽ làm giới hạn độ lợi. Tuy nhiên sự phụ thuộc các tham số trên của việc sector hóa được giảm nhỏ đến mức có thể để không làm giảm dung lượng hệ thống. Để làm rõ vấn đề này ta xét một ví dụ sau: giả sử yêu cầu chất lượng tín hiệu là CIRmin=18dB, kích thức cluster là đẳng hướng k=7 và tham số =4 (như ở ví dụ trên). 120o Sử dụng phương trình (1.) chúng ta thu được C 23dB cho cùng cluster k=7 và I k 7 o o 120 chia sector 120 . Trong trường hợp giảm cluster k=4, thì giá trị C 18,5dB thì vấn I k 4 120o cho cùng kết quả nhưng nếu giảm về k=3 thì thì giá trị C 16dB là giá trị quá nhỏ I k 3 hơn yêu cầu đề ra. Do vậy kích thước cluster nhỏ nhất trong trường hợp chia sector 120o sẽ là k=4. Còn với việc chia 6 sector trong một tế bào có thể thu nhỏ kích thức 60o cluster về k=3, lúc đó C 19dBthỏa yêu cầu của biểu thức (1.). Trong những I k 3
  12. Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  13. Thông tin di độ ng 12 nghiên cứu để tìm được dung lượng lớn hơn, điều này có thể thu được từ việc phân chia sector chúng ta sẽ có được xác suất khối. Xác suất khối thu được từ biểu thức Erlang, trong đó ta ký hiệu B(a,n) với a là tải tin và n là số lượng thuê bao (kênh truyền). Trong trường hợp tế bào đẳng hướng, xác suất khối trở thành: sys Pomni B A,N (1.) b komni Trong đó, A là tải tin dự kiến cho tế bào, N sys là số lượng các kênh khả dụng của hệ thống. Trong trường hợp phân chia sector các giá trị phải giảm đi một lượng tương ứng với số sector trong tế bào; do đó số lượng kênh trong một sector đơn lẻ sẽ bằng với lượng tải tin được gán cho sector đó. Do vậy xác suất khối trong trường hợp sector 120o sẽ là 120o A N sys P B , 0 (1.) b 3 k120 3 Và trong trường hợp sector 60o, ta sẽ thu được là: 120o A N sys P B , 0 (1.) b 6 k60 6 Hình 1. : Bảng 1. : Độ lợi dung lượng sector hóa với giá trị CIRmin = 18dB Sector Nsys=84 Nsys=252 120o 27,6% 50,6% 60o 17,8% 72,9% 1.2.5. Lọc không gian để giảm nhỏ xuyên nhiễu Ở các trạm gốc sử dụng anten thông minh để có thể phát được búp sóng thích ứng với các người dùng riêng lẻ, lúc đó trường phát cho hướng xuống và trường nhận ở hướng lên là như nhau. Thông qua khái niệm này bán kính và công suất xuyên nhiễu tái sử dụng đáng kể trong hệ thống tế bào, lúc này sử dụng chùm phát tương thích để gia Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  14. Thông tin di độ ng 13 tăng dung lượng trong kỹ thuật SDMA (Space Division Multi Access). Một cách khác là biến điểm xuyên nhiễu tái sử dụng thành độ lợi dụng lượng tải xác thực SFIR (Spatial filtering for Interference reduction). Trong khi SDMA cho phép tái sử dụng kênh trong cùng một tế bào và có trường thế cao hơn khi cải tiến dung lượng, nó cũng yêu cầu một phương pháp quản lý tài nguyên vô tuyến mới (RRM- Radio Resource Management), mô tả cho kênh vị trí và chuyển giao để duy trì sự trực giao các kênh trong không gian. Ngược lại với SFIR không cho phép tái sử dụng kênh trong cùng tế bào và cũng không cần kèm theo sự thay đổi giao thức cũng như phương pháp RRM. Trong một hệ thống SFIR một chùm sóng tương thích được hướng đến một người dùng nhất định, nhưng một người trong một tế bào phải được cấp phát những kênh tải lưu lượng khác nhau (như TDMA hay FDMA). 1.3. Phân lớp và giao thức trong mạng di động 1.3.1. Phân lớp trong mạng di động Mạng di động cũng là một mạng thông tin nên vẫn tuân theo phân lớp chức năng theo mô hình 7 lớp OSI (Open System Interconnection), với các chức năng của từng lớp vẫn tuân thủ nguyên tác chung và đồng thời cũng có những đặc điểm riêng của thông tin di động. Việc sử dụng mô hình 7 lớp cho mạng thông tin với các nguyên nhân sau: - Sử dụng vi xử lý trong viễn thông sẽ cho phép mở rộng các dịch vụ mới nhưng làm gia tăng yêu cầu thông tin tại máy tính và tổng đài. - Người dùng không quan tâm đến các kết nối vật lý thực tế của mạng, mà chỉ quan tâm đến quá trình trao đổi thông tin đơn giản và an toàn bảo đảm đến đích. - Máy tính là một bộ phận có cấu trúc, nên có những khác biệt giữa các máy khác nhau nên cần phải có sự tương đồng trong hệ thống. - Hệ thống ngày nay càng yêu cầu nhiều dịch vụ khác nhau, nên phải có sự mềm dẻo trong việc đáp ứng yêu cầu phát triển gia tăng trong hệ thống. Từ các yêu cầu đó, ITU đã đề xuất mô hình 7 lớp như sau Th.s Lê Văn Thanh Vũ Hình 1.2: Các lớp trong mô hình OSI
  15. Thông tin di độ ng 14 Nguyên tắc tổng quát cho mô hình 7 lớp có thể tóm tắt như sau: + Các lớp làm việc độc lập với nhau, lớp trên nhận dịch vụ của lớp dưới và cung cấp dịch vụ cho lớp ngay ở trên nó. Lớp thấp hơn sẽ không quan tâm đến nội dung thông tin mà chỉ cung cấp dịch vụ truyền dẫn cho lớp trên mà thôi. + Mỗi lớp trong mô hình chỉ thông tin với lớp kề sát nó và tương thích ngang hành gián tiếp với lớp đó ở đầu cuối bắt tay (xem ở H-1.2). + Trong mạng thông tin, trong quá trình truyền dẫn qua nhiều nút mạng, mạng thông tin chỉ mở đóng gói tương ứng với chức năng của ba lớp thấp nhất (lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu và lớp mạng). + Giao thức tại ba lớp cuối không nhất thiết phải giống nhau tại mọi liên kết trong mạng. Ví dụ trong mạng thông tin GSM, ở lớp 2 liên kết giữa BTS và BSC sử dụng là LAPD, trong khi liên kết giữa BSC và MSC lại sử dụng giao thức SS7. + Thông tin qua các lớp sẽ được tách gộp đóng gói tạo thành giao thức tương ứng cho mỗi lớp trong mạng cụ thể, từ lớp cao nhất xuống đến lớp thấp nhất thông tin sẽ được đóng gói và bổ sung tiêu đề qua mỗi lớp trong khi ở đầu nhận sẽ thực hiện theo chiều ngược lại. Quá trình được mô tả như sau Hình 1.3: Luồng tin trong mô hình 7 lớp A/ Lớp vật lý: Lớp vật lý là lớp thấp nhất (lớp 1) là liên kết vật lý trong mạng thông tin Lớp vật lý có thể đồng nhất với môi trường liên kết, nên có thể là dây dẫn tín hiệu (cáp), đường truyền vệ tinh, sóng vô tuyến, cáp quang, . Tại lớp này sẽ không cần biết nội dung thông tin cũng như định dạng của nó, thậm chí có thể không cần phân biệt đó là thông tin hay lệnh điều khiển hệ thống, do vậy không có tiêu đề cho lớp 1. Trong hệ thống GSM lớp vật lý sẽ là giao diện Air interface cho liên kết giữa MS với BTS, nhưng trong các liên kết khác có thể sử dụng cả môi trường hữu tuyến. B/ Lớp liên kết dữ liệu- Lớp 2: Lớp liên kết dữ liệu có chức năng đóng gói thông tin để chuyển đến lớp vật lý phát đi trong môi trường đồng bộ hoặc không đồng bộ. Trong lớp này giao thức phổ biến nhất là HDLC, nhưng với thông tin di động có thể là LAPD hoặc SS7. Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  16. Thông tin di độ ng 15 C/ Lớp mạng – lớp 3 Lớp mạng là lớp cao nhất trong phân lớp mạng truyền tin, và tại đây chứa các thông tin hỗ trợ cho quá trình xác định đường đi của tin tức trên mạng mà ta thường gọi là định tuyến do vậy mà tại tất cả các nút mạng luôn phải xử lý các thông tin của lớp này để thực hiện việc truyền nhận thông tin. Trong thông tin di động, với giao thức RR giữa MS, BTS, BSC và MSC sẽ sử dụng thông tin địa chỉ để định tuyến theo hệ thống báo hiệu kênh chung số 7. Chú ý rằng, các bản tin MM và CC không giống như với RR, thông tin của MM và CC không thuộc lớp 3, hơn nữa RR cung cấp dung lượng chuyển tải mang MM và CC một cách thông suốt giữa MS và NSS. D/ Lớp giao vận – lớp 4 Lớp giao vận có chức năng chính là chuyển giao chức năng giữa các lớp hướng ứng dụng với các lớp hướng mạng, cung cấp giải pháp bảo vệ cho chuyển lớp end-to- end thích hợp trước khi thông tin được chuyển lên các lớp cao hơn. Trong mô hình 7 lớp, lớp giao vận có chức năng phân đoạn dữ liệu thành gói tin và thực thi công việc điều khiển end-to-end. E/ Lớp phiên – lớp 5 1.3.2. Phân lớp giao thức Do đặc tính của mạng thông tin di động sử dụng môi trường truyền dẫn đa dạng và các liên kết bên trong mạng rất phức tạp nên giao thức được sử dụng cũng rất đa dạng cho từng đặc điểm liên kết. Về mặt giao thức thông tin di động sử dụng các giao thức cho mạng GSM như sau: giao thức không gian (Air interface) cho liên kết giữa MS và BTS; giao thức Abis cho kết nối giữa BTS và MSC; giao thức A ứng dụng trong liên kết giữa MSC với MS BTS BSC MSC/VLR HLR GMSC RR MM RR Truyền dẫn Hình 1. : Phân chia giao thức trong mạng di động Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  17. Thông tin di độ ng 16 Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  18. Thông tin di độ ng 17 Chương 2 ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN 2.1. Khái quát Kênh vô tuyến là một vấn đề quan trọng bậc nhất mang tính sống còn của thông tin di động, vì đây là môi trường liên kết giữa mạng và thuê bao, tuy nhiên kênh vô tuyến là một kênh truyền có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng liên kết rất đa dạng. Kênh vô tuyến vốn đã chịu ảnh hướng lớn của điều kiện khách quan khi sử dụng môi trường mở, thì trong thông tin di động kênh vô tuyến còn có các đặc tính riêng có của nó. Với đặc tính vô tuyến sử dụng dãi tần từ 450MHz đến 3000MHz sẽ chịu ảnh hưởng của các hiện tượng che khuất, nhiễu điện từ và trong môi trường di động với đặc tính truyền không trực xạ sẽ là hiện tượng Fadinh. Tạp âm , là những tín hiệu không mong muốn tác động lên tín hiệu lan truyền trong môi trường. Thông trường tạp âm được chia thành hai loại là tạp âm cộng và tạp âm nhân, sự phân loại này dựa vào đặc điểm tác động của tạp âm lên tín hiệu. Tạp âm cộng sẽ tác động cộng tính lên tín hiệu; với tạp âm nhân sẽ điều biến tín hiệu mang tin. Trong các hệ thống viễn thông nói chung và thông tin di động thì chủ yếu là tạp âm cộng và được chia làm các dạng sau: tạp âm khí quyển, tạp âm vũ trụ, tạp âm trong máy thu. Can nhiễu , là các ảnh hưởng của các tín hiệu trong cùng hệ thống hoặc từ các hệ thống khác và đặc biệt là ngay trong chính tín hiệu cũng có thể gây nên can nhiễu với chính nó. Để phân chia can nhiễu có thể dựa vào đặc tính phổ tần của tín hiệu sẽ chia thành can nhiễu cùng kênh (CCI – Co Channel Interference) và nhiễu kênh lân cận (ACI – Adjacent Channel Interference). Với các kênh truyền không lý tưởng, tín hiệu sẽ bị can nhiễu tác động sẽ gây nên méo tín hiệu làm các ký hiệu trong cùng một tín hiệu can nhiễu lần nhau, trường hợp này được gọi là xuyên nhiễu ký hiệu (ISI – Inter Symbol Interference). Nhiễu kênh lân cận ACI, 2.2. Suy hao không gian tự do Khi sóng lan truyền, dù trong điều kiện nào cũng sẽ có sự suy giảm theo khoảng cách cũng như chịu sự tác động của môi trường truyền dẫn; trong tất cả các điều kiện đó thì khi lan truyền trong điều kiện đơn giản nhất là không gian tự do (chân không). Xét một quá trình truyền sóng vô tuyến dạng sin ở điểm phát với công suất P rad (W) thì ở một khoảng cách d (m) thì vector biên độ trường (công suất nhận) sẽ là Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  19. Thông tin di độ ng 18 P P rad W (2.1) fs 4 .d2 m Trong trường hợp đầu phát sử dụng anten có độ tăng ích G t thì công suất phát Prad sẽ được thay bằng Prad Pt .Gt khi đó Pt là công suất được cấp ra từ khối phát anten. Nhưng do ảnh hưởng của yếu tố môi trường, sự lan truyền sóng thường được tính theo mật động điện trường trung bình quân phương như sau Efs Zfs.Pfs (2.2) Với Zfs là trở kháng không gian tự do, tính theo công thức  fs Zfs A 120 377  (2.3)  fs Lúc đó cường độ điện trường ở đầu nhận cách đầu phát một khoảng d với môi trưởng không gian tự do do anten dị hướng có độ tăng ích Gt là PG 30P.G E 120 t t t t (2.4) fs 4 .d2 d Mặt khác chúng ta cũng đã biết, khi lan truyền cường độ điện trường cũng như công suất nhận chỉ thu được theo một hướng duy nhất của tín hiệu đến, nên công suất nhận vào khối thu Pr chỉ là một phần của công suất nhận được: 2 P  P (2.5) r 4 rec Với Prec là công suất truyền đến điểm đặt anten thu. Trong trường hợp anten thu là anten dị hướng có hệ số tăng ích Gr, công suất vào khối nhận sẽ là 2 2   Erec Pr Prec .Gt Gr (2.6) 4 4 Zfs Kết hợp với biểu thức tính công suất phát và điện trường phát (2.3) và (2.4) thì 2 2  E rec 2 2 P E G Gt Gr tæng qu¸ t Efs .d 4 .d E r  fs (2.7) r rec P 2 120 30.G 2 t t  Gt .Gr kh«ng gian tù do 4 .d Trong trường hợp tổng quát của (2.7), chúng ta có thể xác định ảnh hưởng của lan truyền trong các số hạng của cường độ điện trường trong môi trường không gian tự do ở dạng suy hao sau đây:
  20. Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  21. Thông tin di độ ng 19 Pr 1 4 d E fs Suy hao 10. lg 20. lg 20lg Pt Gt Gr  Erec (2.8) L fs Lnfs VớiL fs là suy hao trong không gian tự do và Lnfs là suy hao trong mô trường thực. 4 d 4 .1000d L 20lg 20lg fs 299,8 Lúc đó  (2.9) f 32, 45 20lg d. f Trong đó, d là khoảng cách liên kết từ phát đến thu tính theo km. f là tần số sóng mang, tính theo đơn vị MHz. 2.3. Các mô hình lan truyền sóng phương ngang 2.3.1. Sự tác động của khí quyển Với các dạng thông tin mặt đất nhất là trong dãi tần VHF và UHF, trong lan truyền từ đầu phát đến đầu nhận sẽ bị tác động bởi nhiều yếu tố. Đầu tiên trong điều kiện không gian tự do những sẽ bị tác động bởi khí quyển, nhất là tầng đối lưu (tầng khí thấp nhất) mà trong đó có rất nhiều loại khí gas. Do ảnh hưởng này hằng số điện môi  r rất nhỏ hơn so với đơn vị, tức là giá trị tương ứng trong không gian tự do (chân không) là do mật độ khí gas giảm theo độ cao; và cùng với nó là chiết xuất môi trường n  r cũng sẽ giảm theo độ cao. Sự thay đổi chiết xuất môi trường sẽ phát sinh nên các hiệu ứng lan truyền của sóng vô tuyến mặt đất là: khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ, truyền qua ống dẫn và fading tín hiệu. Ảnh hưởng đầu tiên xét đến là sự tác động lên đường dẫn sóng, vì chiết xuất thay đổi theo độ cao, nên ta có thể xem n như là hàm của độ cao so với mặt đất h; để đơn giản có thể lấy giá trị chuẩn hóa cho chiết xuất là n A 0,39 12 . Và sự tỷ lệ m ft nghịch của chiết xuất và độ cao, tốc độ lan truyền sẽ tăng theo độ cao, và sẽ làm cho sóng truyền theo đường cong mà không phải theo đường thẳng tương tự với sóng mặt đất; và bán kính cong của đường dẫn lúc Quỹ đạo đường truyền cong này sẽ là rw A 4re , với re là bán kính Trái đất (là 6,370km). Trong (H-2.1) mô tả quỹ đạo lan truyền sóng sẽ theo đường cong không cắt mặt đất, mà không thẳng như Bề mặt Trái đất dạng tia sáng. Hình 2.1: Quỹ đạo cong đường dẫn sóng Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  22. Thông tin di độ ng 20 Và do sóng lan truyền theo đường cong, nên độ dài đường đi của sóng sẽ lớn hơn khoảng cách nhìn thẳng (đường thẳng), nên phải tính lại quãng đi đi của sóng vô tuyến theo như mô hình ở (H-2.2) hei Khoảng cách hei Khoảng cách đường dẫn thẳng đường dẫn cong LLsi LLsi Tia truyền (cho sóng vô thẳng tuyến ngang) Hướng tâm Trái Hướng tâm đất a = k.re (b) Trái đất re (a) Hình 2. 2: Mô hình tính khoảng cách lan truyền sóng ngang Trong mô hình biểu diễn khoảng cách lan truyền sóng ngang (H-2.2), độ cao anten phát hei đặt vuông góc mặt phẳng Trái đất. Đường truyền sẽ có dạng cong (H- 2.2a) và lúc này cách tính sẽ phức tạp do phải tính đến độ uốn cong chính xác của dạng hình học. Nhưng đơn giản hơn ta có thể sử dụng mô hình bên phải, với bán kính Trái đất lúc nào được tính lại là a k.r 4 r . Từ kết quả đó ta có thể tính được khoảng e 3 e cách theo mô hình bên phải như sau: 2 2 LLsi a h ei a 2a.hei (2.10) Thay giá trị của bán kính Trái đất biểu kiến, ta thu được: LLsi 0,002.a.hei 17.hei (2.11a) Hay dLsi km A 2hei ft (2.11b) Trong đó a A 8,493km là bán kính Trái đất biểu kiến và hei là độ cao anten phát tính theo đơn vị m. Khi xét thêm đầu thu có độ cao anten thì khoảng cách đường truyền nhìn thẳng sẽ được định nghĩ gồm hai phần như sau: dLsi A dLst dLsr d (2.12) 2.3.2. Ảnh hưởng đặt tính địa hình Chúng ta đều biết rằng trong sự lan truyền sóng vô tuyến rất thường phải đi qua các vận chắn do nhiều yếu tố, như núi, đồi, các tòa cao ốc, giữa đầu phát và đầu thu và như thế sẽ ảnh hưởng đến nhiều yếu tố lan truyền như sự thay đổi khoảng cách đường dẫn, suy hao do vật cản, hiệu ứng đa đường do tín hiệu đi theo nhiều đường dẫn cùng đến đầu nhận. Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  23. Thông tin di độ ng 21 Các vật cản trên đường truyền sóng sẽ có độ cao khác nhau và ảnh hưởng của chúng cũng khác nhau, nên để đặc tả cho thông số này ta có thể biểu diễn độ cao địa hình là hàm h theo khoảng cách tính từ đầu phát là x, thì ha x href x hs x (2.13) Trong đó, href là độ cao mặt tham chiếu so với mức 0 (mực nước biển) và hs(x) là giá trị thay đổi so với mặt tham chiếu. Với điều kiện khảo sát môi trường truyền dẫn chúng ta chỉ cần chú ý đến sự chêch lệch độ cao, vì đây là yếu tố tác động lên chất lượng tín hiệu truyền, và để thực hiện được việc xác định đặc tính địa hình được chuyển thành độ chêch lệch với mặt phẳng tham chiếu như ở (H-2.3). 10% mức cao 10% bên dưới Hình 2.3: Độ lệch của địa hình Qua nhiều lần thống kê số liệu địa hình, chuẩn hóa cho sự chênh lệch độ cao h được tính theo quan hệ với khoảng cách liên kết như sau d h d h 1 0,8.e 50 (2.14) Và có người ta cũng đã khảo sát để đưa ra bảng giá trị chênh lệch độ cao của một số địa hình cụ thể như sau Bảng 2.1: Các giá trị chệnh lệch độ cao của một số địa hình Dạng địa hình h (m) Mặt nước và đồng bằng phẳng 0-5 Đồng bằng 5-20 Đồng bằng có gập ghềnh nhỏ 20-40 Đồng bằng gập ghềnh 40-80 Vùng đồi thấp 80-150 Vùng núi 150-300 Vùng núi hiểm trở 300-700 Vùng núi rất hiểm trở lớn hơn 700 Xét đến quá trình truyền vô tuyến sẽ có anten phát và thu, và lúc đó độ cao anten cũng là một yếu tố ảnh hưởng lớn đến đặc tính truyền dẫn, độ cao hiệu dụng anten được xác định theo công thức sau: hei A max hgi ,hgi hs x href x  Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  24. Thông tin di độ ng 22 Trong đó ký hiệu i t, r để chỉ là anten phát hoặc là anten thu tương ứng, h gi là độ cao của anten so với mặt đất tại điểm đặt; ký hiệu h s là độ cao địa hình vị trí đặt anten so với mặt tham chiếu. Như trong (H-2.4) mô tả các đại lượng liên quan Độ cao địa hình Độ cao mặt đất trung bình trên đường truyền Hình 2.4: Độ cao hiệu dụng của anten Với mục đích đã đề ra là sự có mặt của thông tin địa hình cụ thể, tham số h có liên hệ với sự thông kê vị trí lắp đặt anten. Nếu anten có vị trí ngẫu nhiên, như với trạm di động thì có thể đưa ra giá trị độ cao trung bình ha x tương ứng với độ cao mặt tham chiếu theo giá trị h ref. Với các vị trí cố định chắc chắn, như đặt anten trạm gốc trên đồi thì từ các thông tin phân tích rất nhiều vị trí địa hình chúng ta có được biểu thức tính độ cao hiệu dụng của anten như sau khi giả thiết độ cao cấu trúc anten là 10m: hgi (2.15) gi  h e 2h h h gi ei h gi 1 c. max 1,sin  10m Trong đó, c = 4 (vị trí ngẫu nhiên) hoặc 9 (vị trí cố định chắc chắn). Với biểu thức thực nghiệm (2.15) để tính độ cao hiệu dụng anten không có thông tin chi tiết về địa hình có thể được dùng để ước lượng khoảng cách phương ngang theo mặt Trái đất từ đầu phát đến đầu nhận dL st và dL sr và khoảng cách LOS dLs dLst dLsr bằng việc dùng dLsi 2ahei . Kết quả được cho như ở (H-2.5) Hình 2.5: Ảnh hưởng địa hình và vị trí anten lên khoảng cách truyền ngang Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  25. Thông tin di độ ng 23 Lúc đó giá trị trung bình của khoảng cách LOS dL dL1 dL2 và khoảng cách ngang dLi có thể ước lượng theo công thức thực nghiệm: 0,07 h max hei ,5m dLi d Lsi e (2.16) 2.3.3. Các chế độ lan truyền Ảnh hưởng của Trái đất lên sự truyền sóng mặt đất của các sóng vô tuyến trong dãi tần VHF và UHF phụ thuộc khoảng cách đường truyền. Với các đường dẫn LOS ngắn, thì tác dụng chính của Trái đất là tia phản xạ đến đầu nhận cùng với tia trực tiếp, đây chính là nguyên nhân gây nên nhiễu suy giảm hoặc gia tăng. Cho các đường dẫn nhìn thẳng hướng xa (BLOS – Beyond line of sight) sự lan truyền tín hiệu theo phương ngang vẫn xảy ra bởi vì sự nhiễu xạ của sóng theo phương ngang, sự tán xạ từ khí quyển và cả hai. Các chế độ truyền sóng trong điều kiện nhìn thẳng được mô tả như ở (H-2.6), chế độ truyền bắt đầu từ LOS khoảng cách gần và lần lượt đến các chế độ truyền khác. Đường truyền trực tiếp cộng thêm nhiễu đa đường từ các góc độ khác nhau phụ thuộc độ cao anten và bề mặt địa hình Tán xạ trên mặt cong Trái đất và trên các đặc tính địa hình Tán xạ khí quyển, xuyên thấu yếu, là chế độ ưu thế cho khoảng cách khoảng 100km Hình 2.6 : Các chế độ truyền Từ đường cong ngẫu nhiên ở (H-2.5) áp dụng cho trạm di động trong hệ thống tế bào sẽ có độ cao anten khoảng h gm = hem = 2m, sẽ có khoảng phương ngang theo mặt đất ở khoảng dLsm 5km. Áp dụng cho vùng nông thôn, có thể thấy rằng yếu tố địa hình sẽ là giảm khoảng cách này như trong công thức thực nghiệm (2.16). Ví dụ, nếu địa hình có đặc tính đồi với tham số bấn định h = 100m, giá trị khoảng cách ngang thực tế vào khoảng 0,07 100 max 2,5 0,07 20 dLm 5.e 5.e 3,7 km Với trạm gốc trong hệ thống tế bào có thể lấy chuẩn hóa độ cao anten 30-60m, ta lấy giá trị 50m. Trên bề mặt Trái đất với độ cao anten đó sẽ tương ứng với khoảng cách ngang khoảng dLsb 16,99hgb 29,1 km . Trong trường hợp địa hình xác thực, anten trạm gốc được đặt trên đất cao, nên sử dụng đường cong điểm đặt chắc chắn ở (2.14) thì độ cao anten trạm gốc hiệu dụng lúc này sẽ là: Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  26. Thông tin di độ ng 24 2h .h gb gb h heb h gb 1 4.max 1 ,sin e 10 2.50 100 50 1 4max 1 ,sin 5 e 51,8 m Với độ cao hiệu dụng của anten lúc này thì khoảng cách ngang mặt đất của dLsb 29,7km sẽ bị giảm đi một lượng do địa hình, do đó giá trị thực sự chỉ còn là 0,07 100 51,8 dLb 29,7 e 27,0 km Từ các kết quả đó thì khoảng cách đường dẫn phương ngang cho liên kết giữa trạm di động và trạm gốc cực đại vào khoảng dL dLm dLb 27,0 3,7 30,7 km 2.4. Các chế độ truyền LOS và phản xạ Chúng ta đều biết được rằng môi trường lan truyền thực tế của sóng vô tuyến trong điều kiện của hệ thống tế bào là rất phức tạp do sự tác động của địa hình, các yếu tố nhân tạo (cao ốc, mặt đất, ). Tuy nhiên để thuận lợi trong quá trình tìm hiểu quá trình lan truyền thì mô hình đầu tiên đơn giản và là cơ bản nền tảng vẫn là mô hình lan truyền LOS và sự phản xạ của sóng điện từ qua vật cản và mặt đất. 2.4.1. Sự lan truyền theo đường nhiền thẳng Điều kiện truyền LOS có dạng hình học được trình bày trong (H-2.7), trong đó từ anten phát có một tia trực tiếp đến đầu nhận theo đường dẫn r1 và một tia phản xạ với độ dài r2. Vì theo hướng truyền thì điện trường tại điểm phản xạ tia phản xạ sẽ bị dịch o pha 180 với các song phân cực ngang, do đó tia phản xạ sẽ là nhiễu suy giảm khi r 1 r 2 tương ứng với điều kiện anten có độ cao thấp và khoảng cách liên kết lớn. Tia trực tiếpTia phản xạ mặt đất Hình 2.7: Dạng hình học của đường dẫn tia LOS Tuy nhiên do mặt đất có dạng cong, do đó việc tính khoảng cách thực địa sẽ phức tạp, nên để đơn giản hơn sẽ quy chiếu mặt cong thành mặt phẳng như ở hình bên ' phải với độ cao anten lúc này sẽ ngắn hơn là ht (i=t,r) < ht. Kết quả là sai khác giữa r 1 và r 2 là nhỏ hơn và do vậy sự tác động của nhiễu suy giảm lớn hơn. Một ảnh hưởng khác là sự chia nhỏ các tia phản xạ làm giảm cường độ tia phản xạ. Do có hai tác động Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  27. Thông tin di độ ng 25 ngược nhau, làm mức độ ảnh hưởng của đường dẫn LOS trong quá trình lan truyền thực tế có thể được phân tích bằng cách sử dụng mô hình mặt đất phẳng như ở hình bên phải trong (H-2.7). Và từ kết quả ở (H-2.7) độ lệch trong chiều dài đường dẫn giữa tia trực tiếp và tia phản xạ sẽ là 2 2 2 2 r2 r 1 tr h h d tr h h d 2 2 1 h h 1 h h d 1 t r d 1 t r A (2.17a) 2 d 2 d 2.h .h t r d Độ lệch đường dẫn này sẽ dẫn đến sự lệch pha giữa hai tia đến đầu thu là 4 h.h f .hh t r 1,3343 10 5 t r (2.17b) d d Trong đó, f là tần số trung tâm sóng mang tính theo đơn vị MHz, khoảng cách liên kết d tính theo km và các độ cao anten theo đơn vị m. Góc nghiên hay góc phản xạ  cho bởi: ht ht d ht hr tg ht  (2.17c) dt h t hr d Nếu bỏ qua thành phần tín hiệu đến đầu thu do lan truyền sóng mặt đất từ điểm phản xạ do có giá trị rất nhỏ trong dãi VHF và UHF, bình phương tỷ số năng lượng điện trường nhận được và năng lượng trong không gian tự do sẽ là: 2 E 2 2 rec 1 R.ej 1 R 2 R cos  (2.18a) Efs Trong đó, R là hệ số phản xạ liên hệ với góc phản xạ  và trở kháng mặt đất z là sin z R  R ej (2.18b) sin z Và trở kháng mặt đất z phụ thuộc hằng số điện môi của Trái đất cho bởi: 2  g cos  g 1 ph©n cùc ngang z 2 (2.19a)  cos  1 g g ph©n cùc däc  g g Giá trị g phụ thuộc hằng số điện môi của không gian tự do , liên hệ với đặc tính điện môi và độ dẫn của mặt đất tương ứng như sau:  4 j  g  j  1,796 10 (2.19b) 2 . f . fs f Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  28. Thông tin di độ ng 26 Ví dụ: Các tham số chuẩn của Trái đất là  0,005 và  15 sẽ cho  15 j 90 , nên với f = 100MHz thì giá trị trở kháng mặt đất sẽ là z 3,75 1,84o g f cho phân cực ngang và z 0,251,59o cho phân cực dọc. Với tần số f = 1000MHz thì z 3,74 0,18o cho phân cực ngang và 0,250,16o cho phân cực dọc. Do vậy với các tần số tế bào UHF với các góc tới rất nhỏ thì RA 1 và (2.18a) trở thành 2 Erec 2 2 ht hr 2 1 cos 4sin (2.20) Efs .d Quan hệ trong (2.20) cho thấy lan truyền LOS trên bề mặt Trái đất cho kết quả có độ lợi 6dB trên khoảng không có /2 là bội số lẻ của /2 khi đó sin( /2) = 1; và có kết quả triệt tiêu khi /2 là bội số của do lúc đó sin( /2) = 0. Và sự thay đổi góc lệch này có nguyên nhân từ độ cao anten hoặc khoảng cách liên kết. Ở khoảng cách có =n. được xác định bởi quan hệ: 4h h d t r n. (2.21) n .n 4h h Lưu ý rằng nếu d d t r thì và sẽ không có sự dao động (2.20) 1  2 2 xuất hiện ở công suất tín hiệu nhận, cùng lúc đó thì công suất tín hiệu nhận sẽ giảm khi khoảng cách d tăng lên. Tập hợp các vị trị thỏa điều kiện d . Với d d A t r thì làm cho 1  2 6 sin 0,5 thì công suất nhận theo đường LOS sẽ luôn nhỏ hơn so với không gian tự 2 do theo như ở (2.20). Cũng vậy thì hàm sin trong (2.20) có thể được thay bằng argument của chính nó, và 2 2 Erec 4 ht hr ' d d (2.22a) Efs .d Độ lợi mạng cho đường dẫn (2.20) nhân với suy hao không gian tự do sẽ là: 2 Pr 2 2 .ht .hr  4sin P .d 4 .d t (2.22b) 2 2 2 .h t . hr  hht r ' 4 2 d d .d 4 .d d Lúc này dễ thấy công suất nhận được tỷ lệ nghịch với bậc 4 của khoảng cách liên kết. Sử dụng phương pháp tính suy hoa đường truyền cho quá trình lan truyền LOS thì Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  29. Thông tin di độ ng 27 2 ht hr L 10lg 120 4 0lg d 20lg h h (2.22c) LOS d4 t r Xét một ví dụ về lan truyền đa đường đơn giản cho hệ thống tế bào, một trạm gốc có anten cao ht 50m và độ cao hr 2m được minh họa ở (H-2.8). Giả thiết hệ thống sử dụng tần số trung tâm f 850MHz, lúc đó ta có 1,134 ; do đó với d nhỏ d hơn 1,134km thì góc lệch lớn hơn thì độ lợi ở (2.20) dao động khi trạm di động tiến 2 xa trạm gốc như đồ thị trong (H-2.9). Còn khi d > 1,134km góc /2 luôn nhỏ hơn 90o nên sẽ không còn dao động trong suy hao khi trạm di động di chuyển ra xa trạm gốc. Anten trạm gốc Anten di động triệt tiêu Đỉnh Hình 2.8: Ví dụ trường hợp đa đường hai tia đơn giản Chú ý trong (H-2.9) dao động nhỏ hơn nếu biên độ của phản xạ mặt đất nhỏ hơn đơn vị, có nguyên nhân từ sự nhấp nhô của Trái đất tạo nên hệ số phản xạ R nhỏ hơn 1. Hình 2.9: Quan hệ của suy hao với không gian tự do ở H-2.8 Từ kết quả đó, áp dụng biểu thức tính độ lợi đường truyền ta sẽ thu được họ đường cong độ lợi như trong (H-2.10). Trong (H-2.10) biểu diễn rõ sự phụ thuộc độ lợi Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  30. Thông tin di độ ng 28 theo hàm bậc 4 của khoảng cách. Ở biên của các đới Fresnel thứ nhất và thứ 2 cũng đường chỉ ra trong hình, và sự phụ thuộc của biên độ của tia phản xạ vào hệ số phản xạ mặt đất R cũng được đưa ra. Hình 2.10: Độ lợi mạng cho ví dụ ở (H-2.8) Từ ví dụ này có thể thấy là các điểm phản xạ mặt đất trong đới Fresnel thứ nhất thì các trạm di động ở xa trạm gốc. Khi địa hình không bằng phẳng, hay có các tòa nhà nằm trong lân cận đường truyền trực tiếp t hì sẽ có nhiều điểm phản xạ làm xuất hiện xuyên nhiễu đa đường suy giảm. Tổng quát hơn, đới Fresnel thứ nhất được xác định có dạng elip chứa các điểm phản xạ thỏa điều kiện độ lệch chiều dài đường truyền giữa tia trực tiếp và tia phản xạ nhỏ hơn nữa bước sóng (H-2.11). Chú ý là do độ cao địa hình được tính dọc theo đường cong Trái đất, do đó đường truyền trực tiếp có thể vẽ như một đường thẳng. h0: bán kính đới Fresnel thứ nhất Bán kính Trái đất hiệu dụng 4/3R Hình 2.11: Đới Fresnel thứ nhất và đường dẫn thông suốt Lúc đó bán kính đới Fresnel thứ nhất h 0 dọc theo chiều dài đường dẫn d ở khoảng dt từ trạm phát và cách trạm nhận một khoảng dr được giải từ quan hệ:  ®é dµi ®- êng ph¶n x¹ - d 2 kho¶ng c¸ ch ®Çu ph¸ t ®Õn ®iÓm ph¶n x¹ + + kho¶ng c¸ ch ®Çu thu ®Õn ®iÓm ph¶n x¹ - d Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  31. Thông tin di độ ng 29  d 2 h2 d2 h2 d 2 t0r0 2 2 h0 h0 Hay dt 1 2  dr 1 2  dt d r t 2d r 2d h2 d d A 0  t r 2d t dr d .d d .d Do đó h m t r 548 t r (2.23) 0 d d. f 2.4.2. Nhiễu xạ qua địa nhìn và vật cản nhân tạo Khi mà khoảng cách liên kết d lớn hơn nhiều khoảng các LOS dLs, hay khi có các vật cản tự nhiên và nhân tạo trên đường truyền trực tiếp nhưng chúng ta vẫn nhận được công suất tín hiệu đến đầu thu do hiệu ứng nhiễu xạ. Sóng vô tuyến có thể truyền xuyên qua vòng LOS tạo thành một khu vực che khuất bởi hiệu ứng nhiễu xạ; nhiễu xạ là một đặc tính cơ bản của sự truyền sóng, trong quang học dùng giải thích cho quang hình học trong việc mô tả xác thực đường truyền sóng quang uốn cong qua vật cản. Có thể mô tả đơn giản quá trình truyền nhiễu xạ qua vật cản như trong (H-2.12). Ở hình (a) giới thiệu khái niệm vùng che khuất bởi đồi núi (hay còn gọi là vùng bóng) và hình (b) mô hình hóa quá trình truyền nhiễu xạ theo dạng mặt cắt. d dt dr Vùng che khuất (a) Vùng bóng khuất T R (b) Mô hình mặt cắt Hình 2.11: Mô tả quá trình lan truyền nhiễu xạ sóng vô tuyến Xét một lan truyền sóng từ T đến R với một vật cản có độ cao H đặt giữa đường cung truyền sóng với khoảng liên kết d như trong (H-2.11b) thì khi độ cao màn chắn tăng (nhưng vẫn thấp hơn đường dẫn H 0, suy hao được xấp xĩ theo biểu thức sau: 6,02 9 ,11v 1,27v2 v 2, 4 A v (2.24a) 12,953 20lgv v 2, 4 2d 2d Trong đó v tg .tg H (2.24b)  dt .dr  Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  32. Thông tin di độ ng 30 Và các góc ,  được định nghĩa như trong hình (H-2.11) và hàm xấp xĩ A(v) có đồ thị được vẽ ra trong (H-2.12) Hình 2.12: Suy hao mặt cắt nhiễu xạ 2.5. Các công thức thực nghiệm Trong thực tế các hệ thống tế bào sẽ không thể đưa ra được mô hình chi tiết của các đường lan truyền sóng vô tuyến, bởi vì sự phức tạp của các tham số và sự thay đổi điều kiện lan truyền sẽ dẫn đến các chương trình tính toán quá phức tạp để xác định được suy hao và vùng che phủ. Nên để đơn giản và thực tế hơn hiện nay thường sử dụng các công thức thực nghiệm và có bổ sung các tham số phụ thuộc mô trường, hay còn được gọi là mô hình thực nghiệm và mô hình bán thực nghiệm. Hiện nay có khá nhiều các mô hình toán học cho phạm vi suy hao lan truyền dựa trên thực nghiệm với rất nhiều phép đo thực tiễn suy hao; hoặc các mô hình bán thực nghiệm khi sử dụng thêm lý thuyết về các hiệu ứng lan truyền trên cơ sở kết quả đo các tham số vật lý của môi trường lan truyền. Các mô hình cụ thể sử cho phép chúng ta khảo sát suy hao và sự phủ sóng tế bào khá chính xác khi nghiên cứu với một số tham số phụ thuộc môi trường cụ thể một các đơn giản và rõ ràng với kết quả khá chính xác. 2.5.1. Các công thức Hata và CCIR Theo kết quả đo suy hao lan truyền sóng vô tuyến vùng rộng ở thành thị và thành phố nhỏ của Okumura và đồng sự đã công bố họ các đường cong thực nghiệm sử dụng cho bố trí hệ thống tế bào. Các đường cong thực nghiệm sử sau đó được sử dụng lại một số để thiết lập nên biểu thức Hata, được gọi là mô hình Hata được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Biểu thức cơ bản cho suy hao lan truyền được Hata đưa ra là L dB 69,55 26,16lg f 13,82lgh1 a h2 44,9 6,55lgh1 lgd K (2.25a) Trong đó, h1 và h2 lần lượt là độ cao anten trạm gốc và anten di động, đơn vị m. d là khoảng cách liên kết, đơn vị km. f là tần số trung tâm có đơn vị là MHz. Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  33. Thông tin di độ ng 31 Thừa số a(h2) là giá trị hiệu chỉnh anten phụ thuộc môi trường: 1,1. lg f 0,7 h2 1,56 lg f 0,8 thµnh phè nhá vµ võa 2 (2.25b) a h2 8,29 lg1,54.h2 1,1 thµnh phè lì n, f 200MHz 2 3,2 lg11,75h2 4,97 thµnh phè lì n, f 400MHz Thừa số K trong (2.25a) được dùng để hiệu chỉnh thành phố nhỏ cho ngoại ô và vùng mở: 2 2 lg f 5, 4 vï ng ngo¹ i « K 28 (2.25c) 2 4,78 lg f 18,33lg f 40,94 vï ngm ë Một công thức thực nghiệm khác được nghiên cứu bởi CCIR (nay là một bộ phận của ITU-R) tương tự mô hình Hata khi khảo sát suy hao đường dẫn không gian tự do kết hợp với suy hao địa hình đã đưa ra công thức: L 69,55 26,16lg f 13,82lg h1 a h2 44,9 6,55lg h1 lg d B (2.26a) Với các thừa số hiệu chỉnh phụ thuộc môi trường như sau a h2 1,1lg f 0,7 h2 1,56lg f 0,8 (2.26b) B 30 25lg % vï ng bÞlÊp ®Çy bëi c«ng tr×nh (2.26c) Công thức này tương tự như công thức Hata trong điều kiện ở thành phố nhỏ và vừa, với bổ sung thừa số hiệu chỉnh B. Thừa số B sẽ có giá trị hiệu chỉnh B=0 cho khu vụ thành phố với khoảng lấp đầy 15% là các tòa nhà; còn với khu vực có mật độ xây dựng khoảng 20% thì B 30 25lg20 2,5dB. Các giá trị trong công thức CCIR trong phương trình suy hao đường truyền cho các tham số chuẩn hóa hệ thống tế bào f=850MHz và h2=2m như sau L 144,9 13,82 lg h 44,9 6,55lg h lg d B 1 1 (2.27)  . lg d B Ở đó và  mô tả đường cong suy hao lan truyền (không ở dạng có đơn vị dB) hàm mũ có dạng L a d . Bảng (2.2) liệt kê một số các giá trị ,  và  khác nhau ứng với các độ cao anten trạm gốc. Bảng 2.2: Tham số hàm mũ công thức CCIR/Hata h1   10m 131,09 38,35 3,84 20m 126,93 36,38 3,64 30m 124,50 35,22 3,52 Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  34. Thông tin di độ ng 32 Từ bảng (B-2.2) thì giá trị hệ số mũ  có giá trị trong khoảng từ 3,54 cho các liên kết tế bào, so với hệ số mũ trong không gian tự do =2. Như ở phần trước thì trong trường hợp đa đường hai tia nằm trong đới Fresnel thứ nhất (trạm di động ở xa trạm gốc) hệ số mũ lúc này có giá trị cực đại =4. Để so sánh hai công thức suy hao Hata và CCIR, hình (H-2.13) vẽ đồ thị của các họ đường cong suy hao theo hai mô hình trong các điều kiện thông số cụ thể. Các đường liền nét là họ đường CCIR 15% 15% 10% 5% Các đường nét đứt là họ đường Hata Thành phố Ngoại ô Vùng mở Điều kiện: f=850MHz, h1=30m, h2=2m Hình 2.13: So sánh hai họ đường cong thực nghiệm CCIR và Hata Như từ đầu đã đề cập, mô trường di động rất phức tạp liên kết vô tuyến ảnh hưởng ngẫu nhiên lên độ lớn tín hiệu thu do nhiễu đa đường suy giảm. Sự dao động phụ thuộc nhiều yếu tố, như ở phần trước thì trong khoảng cách gần độ lớn tín hiệu dao động cho đến biên của đới Fresnel thứ nhất. Nhưng trong phần này chúng ta chưa đề cập đến vấn đề dao động của độ lớn tín hiệu nhận mà chỉ chú trọng vào giá trị suy hao trung bình trong điều kiện lan truyền di động tế bào. So sánh kết quả trong (H-2.13), ở công thức CCIR có thừa số hiệu chỉnh B có chức năng tương tự thừa số K ở biểu thức Hata nhưng phức tạp hơn do còn phụ thuộc mật độ xây dựng. Từ quan hệ (2.26c) có thể thấy suy hao sẽ đồng biến với mật độ xây dựng theo dạng biểu thức hàm mũ. Đồng thời với các mô hình Hata/Okumura/CCIR cũng đã có khá nhiều các công thức thực nghiệm khác và cũng đã được kiểm chứng trong nhiều điều kiện khác nhau qua các phép đo suy hao. Kết quả kiểm tra đã cho thấy thông số ở các đô thị Nhật Bản sẽ cho giá trị suy hao nhỏ hơn khoảng 10dB so với việc đo trong điều kiện đô thị ở Anh, Canada, và Hoa Kỳ, nhưng lại cho giá trị như nhau khi đo ở các vùng ngoại ô. 2.5.2. Công thức Walfisch-Ikegami Ở Châu Âu kết quả chương trình nghiên cứu của "Cooperation in Field of Scientific and Technical Research – COST" đã phát triển mô hình thực nghiệm và bán Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  35. Thông tin di độ ng 33 thực nghiệm cho lan truyền sóng vô tuyến. Thực tế thì Dự án 231 (Cost 231) được đặt tên là "Triển khai truyền thông vô tuyến di động mặt đất" đã đưa ra kết quả là khuyến nghị mô hình hóa lan truyền cho các ứng dụng PCS và tế bào của ITU, là mô hình bán thực nghiệm cho tế bào cỡ trung đến lớn trong các khu vực có xây dựng được gọi là mô hình Walfisch-Ikegami. Mô hình Walfisch-Ikegami (WIM) đã cho được kết quả phù hợp với thông số lan truyền đường dẫn trong khoảng cách từ 0,02 đến 5km. WIM phân chia hai trường hợp lan truyền là LOS và không LOS (NLOS). Trong trường hợp LOS sẽ không có vật chắn trên đường truyền trực tiếp giữa đầu phát và đầu thu thì mô hình WIM cho suy hao lan truyền cho bởi phương trình LLOS 42,64 26lgd 20lg f , d 0,02km (2.28) Lưu ý rằng hệ số lan truyền (số mũ khoảng cách) cho trường hợp LOS là 2,6 26 2,6 tức là LLOS A d . Mô hình này giả thiết rằng độ cao anten trạm gốc ( 30m) 10 để chắc rằng đường dẫn ở trong khoảng đới Fresnel bậc cao. Xét lại suy hao lan truyền trong không gian tự do cho bởi: Lfs 32,45 20lgd 20lg f (2.29a) Thì suy hao truyền dẫn LOS có thể viết lại LLOS L fs 10,19 6 lg d Lfs 6 lg(50d) d (2.29b) L 6 lg m 20 fs Trong đó d m là khoảng cách liên kết tính theo đơn vị mét. Từ biểu thức (2.29b) ta có thể thấy là cứ mỗi khoảng 20m thì suy hao theo tuyến LOS sẽ lớn hơn 6dB so với không gian tự do tính từ khoảng 20m đầu tiên. So sánh này được cụ thể bằng các đồ thị như trong hình vẽ (H-2.14). Không gian tự do WIM trong điều kiện LOS Tần số 1900MHz Tần số 850MHz Hình 2.14: So sánh suy hao của WIM và không gian tự do khi truyền LOS Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  36. Thông tin di độ ng 34 Cho trường hợp đường dẫn NLOS, WIM đưa ra biểu thức cho suy hao đường dẫn có các tham số được mô tả như trong hình (H-2.15) với các đại lượng chi tiết như sau: hb = Độ cao anten trạm gốc so với mặt đường, tính theo m (từ 4 đến 50m) hm = Độ cao anten trạm di động, tính theo m (từ 1 đến 3m) hB = Độ cao bình thường của tầng triệt tòa nhà, tính theo m. hB = hb - hB = Độ cao anten trạm gốc trên mái tòa nhà hB = hm - hB = Độ cao anten trạm di động ở bên dưới mái tòa nhà b = Khoảng cách tòa nhà, đơn vị m (sẽ lấy 2050 khi không có dữ liệu) w = Độ rộng con đường (lấy bằng b/2 khi không có thông tin)  = Góc tới của sóng so với hướng di động (không có sẽ lấy 90o) Anten trạm gốc d Trạm di động Hướng di hb  chuyển w hB Anten trạm di động Hướng b hm sóng đến Hình 2.16: Các tham số môi trường trong WIM ở NLOS Bằng việc sử dụng các thông số ở trên, với đường truyền NLOS thì WIM đưa ra biểu thức tính suy hao đường truyền theo dB như sau: Lfs Lrts Lmds Lrts Lmds 0 LNLOS (2.30a) L fs L rts L m ds 0 Với Lfs 32,45 20lgd 20lg f lµ suy hao kh«ng gian tù do (2.30b) Lrts Suy hao nhiÔu x¹ vµ t¸ n x¹ tõ trÇn m¸ i ®Õn ®- êng (2.30c) Lmsd Suy hao nhiÔu x¹ ®a mµn ch¾n (2.30d) Các thừa số suy hao Lrts và Lmsd là hàm của các thông số của NLOS như sau Lrts 16,9 10lgw 10lg f 20lg hm Lori (2.31a) Trong đó thừa số cuối cùng là suy hao hướng truyền được tính bởi: 10 0,354 0  35o o o o Lori 2,5 0,075  35 35  55 (2.31b) o o o 4,0 0,114  55 55  90 Từ biểu thức dễ thấy rằng Lrts sẽ nghịch biến với độ rộng con đường và đồng biến với độ cao của tòa nhà. Ảnh hưởng của góc tới  được vẽ ở (H-2.17) dưới đây. Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  37. Thông tin di độ ng 35 ori Suy hao theoh ướ ng L Suy hao Giá trị góc tới  Hình 2.17: Suy hao theo hướng trong WIM Công thức để tính thừa số suy hao do nhiều màn chắn Lmsd như sau: Lmsd Lbsh ka kd lgd kf lg f 9lgb (2.32a) Trong biểu thức trên có Lbsh là độ lợi che khuất (suy hao âm) xuất hiện là do trạm gốc ở trên mái chóp tòa nhà 18lg 1 hb hb 0 Lb s h (2.32b) 0 hb 0 Các hệ số kd, kf và ka được dùng để xác định sự phụ thuộc của suy hao tương ứng theo khoảng cách, tần số và ảnh hưởng của đa màn chắn; trong đó hệ số k a đa màn chắn được xác định theo biểu thức sau: 54 hb 0 ka 54 0,8 hb hb 0, d 0,5km (2.32c) 54 0,8 hd h 0, d 0,5km b 0,5 b Hệ số kd trong biểu thức tính suy hao đa màn chắn được cho bởi 18 hb 0 kd h (2.32d) 18 15 b h 0 h b B Và hệ số suy hao phụ thuộc tần sẽ có cho ở biểu thức sau f 0,7 1 thµnh phè võa vµ nhá 925 k f 4 (2.32e) f 0,5 1 § « thÞlì n 925 Kết hợp các biểu thức cho các thừa số suy hao khác nhau trong suy hao lan truyền ở điều kiện NLOS thì mô hình WIM sẽ cho kết quả suy hao trong từng trường hợp cụ thể như sau: Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  38. Thông tin di độ ng 36 + Khi hb > 0 L 69,55 38lg d 26 lg f 10lg w 9lg b NLOS (2.33a) 20lg hm 18lg 1 hb Lori + Khi hb 0, d 0,5km: h L 69,55 38 15 b lg d 26 lg f 10lg w 9lg b NLOS h B (2.33b) 20lg hm 0,8lg hb Lori + Khi hb 0, d 0) hệ số mũ trong suy hao theo khoảng cách có giá trị =3,8. Còn với các tòa nhà cao hơn anten trạm gốc hệ số mũ nằm trong khoảng =3,85,3. 2. Suy hao có liên hệ không nhạy với khoảng cách tòa nhà b. 3. Suy hao đường truyền sẽ rất nhạy với độ cao anten trạm di động h m cho kết quả gắn liền với tham số này 2.6. Các mô hình suy hao lan truyền cho máy tính Ngoài các mô hình suy hao trong lan truyền sóng vô tuyến di động thì còn có một số các mô hình máy tính nổi tiếng áp dụng cho các kỹ thuật ngoại suy cho ước lượng các tham số địa hình và các thông tin đầu vào khác và việc lựa chọn tự động giá trị các tham số thực nghiệm tương ứng với trường hợp di động đề ra. Có hai mô hình máy tính đáng chú ý nhất là mô hình Longley-Rice (còn được biết đến với tên gọi ITSITM- Institute for Telecommunications Sciences Irregular Terrain Model) và mô hình Địa hình Trái đất gập ghềnh (TIREM – Terrain Integrated Rough Earth Model). 2.6.1. Các mô hình Longley-Rice và TIREM Cả hai mô hình Longley-Rice và TIREM đề xem xét các tham số địa hình dọc theo đường cong lớn từ đầu phát đến đầu thu để phát triển công thức tùy biến cho suy hao lan truyền vượt quá suy hao không gian tự do Lfs như là một hàm theo khoảng cách Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  39. Thông tin di độ ng 37 liên kết dọc theo đường truyền. Như với mô hình Longley-Rice giá trị tham chiếu trung bình theo dB của suy hao lan truyền vượt ngưỡn dựa trên công thức: Ael k1 k2 lg d dmin d dLs Aref Aed md d dLs d dx (2.34) A ess m d d d x Trong đó có 3 vùng khoảng cách tương ứng với các điều kiện mô hình lan truyền LOS, nhiễu xạ và tán xạ. Ở mỗi miền khoảng cách được xác định từ chương trình đầu vào và các đặc tính mặt chắn, độ dốc và hệ số mũ được đưa ra tương ứng. Các giá trị tham số trong (2.34) được chọn trong số các đường cong bán kinh nghiệm như là hàm của khoảng cách. Trong hình (H-2.18) là một ví dụ về suy hao lan truyền tổng cộng theo dB bằng chương trình Longley-Rice cho trường hợp thông tin di động 850MHz. Trong ví dụ chỉ ra ở (H-2.18) khoảng cách LOS dLs là 29,4km trên mặt đất phẳng. Biểu thức suy hao cho chân không theo dB ở ví dụ là FSL = 91,04+20lgd. Giá trị của các tham số trong miền LOS và nhiễu xạ trong (2.34) gắn liền với các đường cong trong hình (H-2.18) được cho ở bảng (B-2.3) như sau Bảng 2.3: Các tham số Longley-Rice h Ael k1 k2 Aed md 1 -4,19 0,500 13,0 8,40 0,722 10 -0,442 0,495 9,47 10,4 0,598 100 14,4 0,623 0 20,2 0,428 200 27,0 0,547 0 32,3 0,370 Lúc đó suy hao tổng trong ví dụ tính theo giá trị tuyệt đối sẽ là Ael k1d k2 L 109,104 d2 10 10 d 10 A k (2.35) 9,104 el  kd 2 2 lg10 10 10 e 1 d 10 ,  10 Kiểm tra biểu thức (2.35) hệ số mũ của suy hao lan truyền như là hàm của k  2 2 khoảng cách trong miền LOS là 10. Trong (B-2.3) và trong hình (H-2.18) rút ra được là hệ số mũ sẽ là =3,3 cho mặt đất rất phẳng ( h =1m) và giảm đến =2 khi tham số độ bất định địa hình rất lớn. Sự phụ thuộc này có kết quả từ các tia phản xạ c ó suy hao lớn hơn tia trực tiếp. Ngoài ra suy hao theo dB và một dạng khác của nó được điều chỉnh cho ước lượng và các tham số khác, đầu ra chương trình Longley-Rice sẽ thay đổi theo suy hao thực tế theo dB, biểu diễn trong thừa số chêch lệch suy hao  c. Một cách chuẩn hóa  c vào khoảng 8dB. Như vậy chương trình có thể được xem như làm một mô hình suy hao lan truyền theo dB như là một biến ngẫu nhiên Guass với giá trị trung bình (cũng có nghĩa trị trung bình trong trường hợp biến Guass) và độ lệch Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  40. Thông tin di độ ng 38 chuẩn. Sử dụng các giá trị Aref, c và phân bố Guass, các chương trình tính được các giá trị suy hao sẽ không vượt quá tỷ lệ cụ thể của thời gian và vị trí thích hợp hay trường hợp ứng với thông tin đầu vào nhiều thay đổi. Hình 2.18 : Ví dụ tính toán suy hao tuyệt đối Mô hình máy tính TIREM có cơ sở cho các tính toán suy hao lan truyền là thông tin độ cao địa hình dọc theo đường dẫn phát đến thu. Sử dụng thông tin bản đồ số, mô hình độ cao địa hình cụ thể giữa hai vị trí anten và phụ thuộc vào tính chất địa lý của khu vực để lựa chọn mô hình lan truyền cho việc tính toán suy hao truyền dẫn trung bình. Sự khác biệt chính giữa mô hình TIREM và Longley-Rice là việc tính toán suy hao trong miền LOS, là những liên kết có đường dẫn không bị chướng ngại xuất hiện giữa bộ phát và đầu thu. Trong mô hình Longley-Rice sử dụng kết hợp giữa đa đường hai tia và sự nhiễu xạ để tính suy hao LOS bổ sung thêm vào suy hao không gian tự do; TIREM lựa chọn nhỏ hơn là suy hao nhiễu xạ Trái đất bằng và suy hao trong miền phản xạ tìm được bằng việc tính vùng rỗng giữa tia trực tiếp với địa hình:  Nếu vùng rỗng là lớn hơn 1,5 lần bán kính của đới Fresnel thứ nhất, chương trình xuất ra suy hao không gian tự do như là suy hao lan truyền thực tế.  Nếu vùng rỗng là nhỏ hơn một nữa bán kính đới Fresnel thứ nhất (đường trực tiếp đến rất gần Mặt đất) chương trình sử dụng một biểu thức thực nghiệm đa đường cho Mặt đất gồ gề để tính suy hao.  Nếu vùng rỗng nằm giữa khoảng 0,5 đến 1,5 lần bán kính đới Fresnel thứ nhất, chương trình phát triển kết hợp có trọng số của suy hao không gian tự do và biểu thức thực nghiệm đa đường Mặt đất gồ gề để đánh giá suy hao lan truyền cần tìm. Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  41. Thông tin di độ ng 39 2.6. Môi trường truyền đa trường sóng vô tuyến di động Chúng ta đã đề cập các chủ đề mô hình lan truyền trong thiết kế mạng tế bào với trọng tâm vùng che phủ trong ô tế bào, sử dụng các ví dụ cụ thể để minh họa cho cách tiếp cận đó. Bây giờ chúng ta mô tả môi trường sóng vô tuyến di động trong yếu tố ảnh hưởng đến kênh thông tin cho tín hiệu vô tuyến và nghiên cứu chủ đề về hàm trải trễ, với đặc tính mô hình kênh che khuất do phân bố đa đường trong cùng thời điểm. Ngoài việc mô tả kênh trong miền thời gian, chúng ta cũng nghiên cứu đặc tính trong miền tần số, bao gồm hàm truyền tần số kênh, hàm trải Doppler. Các kênh di động hầu hết chịu phân tán thời gian ảnh hưởng hiệu ứng fading đa đường do sự kết hợp lan truyền theo nhiều đường dẫn cùng đến đầu nhận. Đặc tả kênh fading sẽ được tìm hiểu chính trong phần này theo một số loại fading sẽ đề ra trong biểu diễn theo cả thời gian và tần số, fading nhanh và chậm, fading phẳng và không phẳng. Chúng ta định nghĩa các thuật ngữ này một cách chính xác và xem xét mối liên hệ giữa tốc độ tăng âm và tốc độ di động như là hàm của độ sâu tăng âm. 2.6.1. Mô hình kênh Ở giữa anten của khối phát và anten khối nhận, tín hiệu lan truyền chịu ảnh hưởng của nhiều hiệu ứng; khái niệm "Kênh" liên hệ với các hiệu ứng tín hiệu và sự truyền qua bộ lọc tác động lên tín hiệu truyền. Các hiệu bao gồm các tác động là giảm do suy hao đường truyền và hiệu ứng fading thay đổi; và trong các thể nghiệm toán học cũng đã có rất nhiều các mô hình đã được đưa ra. Một số mô hình đơn giản chỉ ra sự mô tả mất mát do khoảng cách lan truyền trong các mô tả hiệu ứng fading. Bởi vì kênh có thể xem là một bộ lọc, các mô hình kênh được mô hình bởi hàm truyền của bộ lọc. Hầu hết các mô hình kênh là mô tả các ảnh hưởng của kênh lên tín hiệu thay đổi theo thời gian, do đó các mô hình này được biểu diễn ở dạng toán học là một hàm theo thời gian, và cũng có thể mô tả ở dạng tương ứng trong miền tần số. Một thành phần quan trong đối với kênh di động là việc đến cùng lúc nhiều bản sao tín hiệu xuyên nhiễu với tín hiệu mong muốn; và một ảnh hưởng trong miền tần số là sự di tần xuất phát từ đặc tính di chuyển tương đối giữa đầu phát và đầu nhận. 2.6.1.1. Hàm phân bố trễ Một tác dụng của kênh là xuất hiện nhiều bản sao của tín hiệu cùng đến đích với pha và biên độ khác nhau, ở đây chúng ta sẽ định lượng và biểu diễn ảnh hưởng ở dạng toán học. Xét một kênh truyền với một tín hiệu dạng mũ phức z(t), lúc đó z t I z t jQz t (2.a) Lúc đó kênh sẽ tác động lên tín hiệu vào bằng việc tạo ra một tín hiệu phức w(t) w t Iw t jQw t (2.b) Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  42. Thông tin di độ ng 40 Sử dụng mô hình hệ thống ở (H-2.), trong miền tần z(t) Kênh tin w(t) số ta có thể biểu diễn lại các tín hiệu trên theo dạng sau Hình 2. : Mô hình kênh tin Z f F z t z t .e j 2 ft dt (2.c)  Và W f F w t w t .e j 2 t dt (2.d)  Trong miền thời gian, đường bao phức của tín hiệu ra khỏi kênh có thể được biểu diễn như là nhân chập của đường bao phức đầu vào z(t) với hàm của kênh g(,t): w t z t  .g  ,t d (2.) Trong đó, hàm kênh g(,t) là hàm trải trễ của kênh, và tổng quát thì nó có biến phức. Mặt khác chúng ta đã biết là với một tích phân chập cho hệ thống tuyến tính sẽ được đặc trưng bởi hàm đáp ứng xung h(,t); do đó thì g(,t) chính là đáp ứng xung của kênh tin, khi cho đầu vào có dạng xung kích z t  t  0 thì w t  t  0  .g  ,t d g t  0,t (2.) Từ kết quả trên, ta thấy được đáp ứng xung kênh truyền sẽ là một hàm trễ một khoảng  khi đầu vào là một xung kích. Kênh cũng có thể được mô tả theo dạng tổng các số hạng phụ thuộc khoảng nguyên lần  là (i. ), lúc đó ta viết lại: w t A  z t i.  .g i.  ,t  (2.) i Do vậy Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  43. Thông tin di độ ng 41 Chương 3 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TOÀN CẦU – GSM Hệ thống thông tin di động toàn cầu – GSM (Global System for Mobile) là một mạng thông tin có tính phổ dụng rộng rãi cả về mặt kỹ thuật cũng như ứng dụng của nó. Những năm đầu phát triển nó được xem là chuẩn hóa cho mạng 2G, nhưng hiện nay hệ thống này đã và đang có sự phát triển ổn định tiến lên 3G thông qua các dịch vụ bổ sung trong các chuẩn mới thành lập. Mạng GSM sử dụng kỹ thuật GMSK để điều chế tín hiệu số trên kênh vô tuyến ở giao diện không gian và sử dụng kết hợp hai phương pháp đa truy cập là TDMA/FDMA kết hợp. 3.1. Giới thiệu tổng quan mạng GSM Mô hình hệ thống GSM được đề xuất theo dạng dưới đây C D E E A Abis B Um Hình 4.1: Mô hình hệ thống GSM Từ đó ta thấy được sự kết nối giữa các thuê bao di động với các đối tượng khác (với thuê bao trong hệ thống di động, với người dùng mạng tích hợp số ISDN, với mạng PSPDN, với CSPDN hay với các thuê bao điện thoại cố định PSTN, ). Trong từng kết nối sẽ có nhiều đặc trưng khác nhau cũng như trong các dịch vụ khác nhau sẽ có các yêu cầu khác nhau. 3.1.1. Dịch vụ thoại Trong dịch vụ thoại thì do đặc tính kênh truyền di động sử dụng chế độ mã tiếng đặc trưng, nên với trường hợp liên mạng khi kết nối với hệ thống điện thoại cổ điển theo tiêu chuẩn chuyển mạch kênh hay PSTN chúng ta phải có sự thích ứng giữa hai chuyển truyền dẫn âm thanh khác nhau như ở (H-4.2). Chú ý rằng mặt dù hình vẽ sử dụng mặt phẳng chung cho cả hai hướng nhưng thực chất thì tiêu chuẩn cho từng phía Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  44. Thông tin di độ ng 42 là hoàn toàn khác nhau. Tại hướng thuê bao di động sử dụng chuẩn 13kbps sẽ phải sử dụng bộ lọc và mã hóa tiếng đặc trưng nhưng với hướng thuê bao cố định sử dụng chuẩn âm thanh 8bit được nén theo luật A. B TRAU – Chuyển mã và T  S tốc độ âm thanh   Mặt phẳng âm thanh Mặt phẳng tương tự Mặt phẳng số 13kbps Mặt phẳng số 64kbps Hình 4.2: Phân lớp trình bày dịch vụ thoại Từ phân bố mặt phẳng trình bày như trên thì ở giao tiếp âm tại thuê bao di động, âm sẽ được mã hóa ở lớp mặt phẳng 13kbps thông qua một bộ lọc đặc biệt (mô phỏng vòm miệng và chuyển đổi ADC) sẽ được điều chế để theo sóng mang đến BTS. Tại đây tín hiệu âm được tái tạo và chuyển đổi thành tín hiệu số 64kbps tương đương với chuẩn âm cổ điển thường gặp (thông qua TRAU). Từ sau khối thích ứng và chuyển mã tín hiệu được chuyển đến các thuê bao PSTN hay các mạng có chức năng thoại khác. Biên giới phân chia mặt phẳng trình bày tiếng được xác định theo hai điểm sau - Giữa giao tiếp người dùng với thiết bị đầu cuối; tại đây sử dụng mặt phẳng âm cơ học. - Giữa tổng đài chuyển mạch dịch vụ MSC với tổng đài hay mạng truyền dẫn có ứng dụng thoại khác. Chất lượng truyền dẫn trong dịch vụ thoại của thông tin di động phụ thuộc lớn vào phương tiện truyền dẫn cũng nhưng hướng truyền. Chú ý rằng khi kết nối liên mạng rất có thể xảy ra hiện tượng hồi âm do sự thay đổi giao thức cũng như chuẩn hóa môi trường truyền dẫn. 3.1.2. Các dịch vụ phi thoại Khi công nghệ càng phát triển thì thông tin di động ngày càng có nhiều dịch vụ mở rộng và đó chính là các dịch vụ phi thoại như: truyền số liệu dạng gói, tin nhắn văn bản, tin nhắn đa phương tiện, hình ảnh tĩnh và hình ảnh động, . Lúc đó các thiết bị đầu cuối cũng như thiết bị trong mạng phải xử lý được các yêu cầu cụ thể của các chức năng sau: Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  45. Thông tin di độ ng 43 - Mã hóa nguồn, thực hiện việc biến đổi thông tin đa dạng đầu vào thành các mã nhị phân và ngược lại khi thực hiện việc nhận thông tin. - Trong một liên kết các đầu cuối phải có khả năng xử lý các yêu cầu trình bày thông tin (như tổ chức trang, phiên và ngôn ngữ, ). - Tái tạo thông tin để giao tiếp với người sử dụng. Từ những yêu cầu đó, để liên kết với mạng bên ngoài thông tin di động cần có - Chức năng thích ứng đầu cuối TAF (Terminal Adaptation Function) để thích ứng với thiết bị đầu cuối với phần truyền dẫn vô tuyến chung. - Chức năng tương tác mạng IWF (Network Interworking Function) để kết nối mạng GSM với các mạng khác.  Liên kết đầu cuối  GSM TAF IWF  Hình 4. : Mặt phẳng truyền số liệu Tuy nhiên do đặc tính của các mạng khác nhau là rất khác nhau mà các chức năng thích ứng đầu cuối và tương tác mạng sẽ có những đặc điểm khác nhau để thích ứng với chức năng tương thích giữa mạng GSM với các mạng khác khi các thuê bao sử dụng các dịch vụ với chất lượng tốt nhất có thể được. 3.1.3. Nguyên lý đa thâm nhập Do trong mạng thông tin di động các thuê bao sử dụng chung môi trường truyền dẫn và tổng đài kết nối hệ thống; nên phải có sự phân chia tài nguyên mạng cho từng thuê bao khác nhau. Đó chính là yêu cầu tiên quyết của các kỹ thuật đa thâm nhập; và hiện nay có các phương pháp đa thâm nhập như sau - Đa thâm nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access) sử dụng nguyên lý phân cấp tần số cho các thuê bao khác nhau để phân định cũng như xác thực thuê bao. - Đa thâm nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) sử dụng tài nguyên thời gian để cấp phát cho các thuê bao; lúc này các thuê bao có thể truy nhân hệ thống cùng một tần số nhưng tại những thời điểm khác nhau. Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  46. Thông tin di độ ng 44 - Đa thâm nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) là kỹ thuật sử dụng chuỗi số ngẫu nhiên để làm mã phân chia các thuê bao khi kết nối với hệ thống. - Đa thâm nhập trực giao – OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) là một kỹ thuật được phát triển dựa trên công nghệ OFDM; cho phép các thuê bao sử dụng một nhóm các sóng mang con trực giao tại một thời điểm nào đó và ở những thời điểm khác sẽ sử dụng các sóng mang con khác. 3.2. Giao diện vô tuyến Mạng GSM nói riêng, hay mạng di động nói chung thì giao diện vô tuyến là một đặc điểm riêng có cho từng mạng và có tính chất quyết định đến quy mô và chất lượng toàn mạng trên nhiều phương diện. Do đó khi nói đến mạng di động người ta sẽ thường đề cập mạng truy cập (vô tuyến) như là đặc trưng cho toàn mạng di động. Các giao diện vô tuyến trong mạng thông tin di động có khá nhiều phương thức thực hiện tùy thuộc vào yêu cầu dịch vụ và hướng giao kết liên mạng phục vụ cho dịch vụ thông tin di động tương ứng. Tuy nhiên do đặc tính của mạng thông tin di động sử dụng chuẩn hóa mã tiếng nói khác với chuẩn hóa của mã âm thanh đã có trong mạng truyền thông nói chung và mạng điện thoại cổ điển mà chúng ta đã biết; nên trong cấu hình mạng thì chúng ta phải bổ sung các thích ứng đầu cuối cho các liên kết không dây theo chuẩn thông tin di động toàn cầu GSM. + Truyền dẫn tiếng , quá trình truyền dẫn tiếng có thể phân thành các giao đoạn - Trạm di động, thực hiện quá trình mã hóa tiếng ở mặt phẳng 13kbps (toàn tốc) hoặc 6,5kbps (bán tốc) theo sơ đồ mã RPE-LTP (Regular Pulse Excitation – Long Term Prediction; kích thích xung dài – tiền định thời gian dài). Quá trình mã hóa và giải mã tại trạm di động và TRAU được cho ở hình sau Khối Khối LPF LPF ADC mã hóa giải mã DAC  (a) Mã hóa ở MS 8bit/luật A vào Khối Khối 13bit đồng đều 13bit đồng đều mã hóa giải mã vào 8bit/luật A (b) Chuyển mã ở TRAU giao tiếp với mạng PSTN Hình 4.2 : Quá trình mã hóa và giải mã tiếng ở GSM Tại đầu vào MS sóng âm cơ học được thu nhận qua bộ lọc thông thấp để giới Bộ lọc phân Bộ lọc Chọn lưới Phân đoạn tích LPC thông thấp PRE Ghép Luồng Bộ lọc kênh tốc độ phân tích 13kbps LPC Th.sVă Lê n Thanh Vũ Phân tích LPC Hình 4.4: Sơ đồ khối bộ mã tiếng trong GSM
  47. Thông tin di độ ng 45 hạn dãi thông sau đó chuyển thành tín hiệu số 14bit đồng đều từng khối 20ms với 260bit tốc độ luồng bit là 13kbps. Ngược lại khi mạng GSM nhận luồng bit dịch vụ thoại từ PSTN sẽ là tín hiệu 8bit/luật A nên phải có sự chuyển mã để tạo thành luồng bit 13bit đồng đều. - Từ trạm di động đến trạm gốc. - Từ trạm gốc đến bộ thích ứng và chuyển mã TRAU - Từ TRAU đến MSC 3.2.1. Lớp vật lý giao diện Um Tại lớp vật lý, giao diện Um sử dụng kỹ thuật điều chế GMSK, dựa trên nền đa truy cập FDMA/TDMA với mỗi BTS sẽ có 6 kênh phân chia theo tần số và mỗi kênh đó lại chia thành 8 khe thời gian ứng với 8 kênh truyền tin. Do đó ở giao diện lớp vô tuyến ở mỗi BTS sẽ có 6×8=48 kênh tin ở mức vật lý. Với trường hợp sử dụng kênh bán tốc, thì trên một kênh tần số sẽ có 16 khe thời gian. Trong một dãi tần dùng cho BTS, sẽ được chia thành các kênh tần số với khoảng rộng băng tần điều chế 0,2MHz, khoảng cách với kênh lân cận là 45MHz. Biểu thức tính tần số trung tâm mỗi kênh sẽ là FL n 890, 2 0, 2 n 1 MHz FU n FL n 45 MHz Trong đó: FL(n), FU(n) là tần số thứ n của kênh được xuống và lên. Hình 3. : Cấu trúc FDMA/TDMA của GSM Trong GSM, thông tin được truyền đi ở dạng khối, được gọi là cụm tin (burst), được ghép vào các kênh thông tin vô tuyến theo dạng phân cấp thời gian. Có bốn loại cụm được sử dụng trong GSM gồm: Cụm bình thường (NB - Normal Burst) dùng mang thông tin lưu lượng và kênh kiểm tra có cấu trúc như ở (H-3.) chỉ chứa 114bit thông tin. NB thường được sử dụng ở các kênh lưu lượng TCH, các kênh điều khiển trừ các kênh RACH, SCH và FCCH. Số bit 8,25 3 57 1 26 1 57 3 Tên GP TB Tin đã mã hóa Cờ Chuỗi huấn luyện Cờ Tin đã mã hóa TB Hình 3. : Cấu trúc cụm bình thường - NB Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  48. Thông tin di độ ng 46 Trong đó: GP (Guard Period) cờ đầu cụm có chức năng bảo vệ cụm TB (Tail Bits ) trường 3bit đuôi (000) để xác định biên của mỗi cụm. Chuỗi huấn luyện (Midamble hay Training Sequence) để huấn liệu cân bằng giữa cụm Cụm hiệu chỉnh tần số (FB - Frequency Correction Burst) chỉ chứa 142bit toàn 0 dùng để tạo ra sự dịch pha 67,7kHz trên tần số danh định. FB sử dụng cho kênh FCCH. Số bit 8,25 3 142 3 Tên GP TB Các bit hiệu chỉnh tần số cố định TB Hình 3. : Cấu trúc hiệu chỉnh tần số - FB Cụm đồng bộ (SB - Synchronous Burst) chỉ chứa 142bit toàn 0 dùng để tạo ra sự dịch pha 67,7kHz trên tần số danh định. Cụm SB sử dụng ở kênh đồng bộ SCH. Số bit 8,25 3 39 64 39 3 Tên GP TB Thông tin đã mã hóa Chuỗi đồng bộ Thông tin đã mã hóa TB Hình 3. : Cấu trúc cụm đồng bộ - SB Cụm thâm nhập (AB – Access Burst) chỉ được sử dụng cho các thâm nhập ngẫu nhiên và thâm nhập chuyển giao. Mỗi AB chứa 36bit thông tin và 41 bit đồng bộ (bit huấn luyện), hai trường bit đuôi (8+3)bit và 68,25 bit bảo vệ. AB sử dụng cho các kênh thâm nhập RACH và TCH. Số bit 8 41 36 68,25 Tên TP Chuỗi đồng bộ Các bit thông tin Khoảng thời gian bảo vệ Hình 3. : Cấu trúc cụm thâm nhập - AB Cụm giả (DB - Dummy Burst) chỉ phát đi ở BTS trong một số trường hợp, DB không mang tin và có cấu trúc tương đồng với NB. Số bit 8,25 3 58 26 58 3 Tên GP TB Các bit hỗn hợp Chuỗi huấn luyện Các bit hỗn hợp TB Hình 3. : Cấu trúc cụm giả Trong quá trình truyền tin, thông tin tại Um của GSM phân cấp theo thời gian, với đơn vị nhỏ nhất là khe thời gian để truyền một cụm kéo dài 576,9µs chứa 156,25bit và kết hợp 8 khe (được đánh số từ TS0÷TS7) sẽ tạo thành một khung kéo dài trong khoảng thời gian 4,615ms. Hợp nhiều khung sẽ tạo thành các đa khung (MultiFrame), trong GSM tồn tại hai HF = 3h28m53s760ms Cấu trúc, đánh số siêu siêu khung SF = 6s120ms Cấu trúc, đánh số siêu khung MF = 120ms MF = 235,38ms Cấu trúc, đánh số trong đa khung Th.s Lê Văn Thanh Vũ F = 576,9×8 = 4,615ms Cấu trúc, đánh số khe trong khung Hình 3. : Phân cấp thời gian trong GSM
  49. Thông tin di độ ng 47 loại đa khung, là đa khung 26khung dùng cho kênh lưu lượng sẽ kéo dài trong khoảng 120ms và đa khung 51khung cho các kênh điều khiển có thời gian kéo dài là 235,4ms. Kết hợp 26 đa khung 51khung hoặc 51 đa khung 26khung sẽ tạo thành một siêu khung (SuperFrame) sẽ có khoảng thời gian là 6s120ms; các đa khung trong siêu khung được đánh số từ 0 đến 26 hoặc từ 0 đến 51. Cấu trúc lớn nhất tại Um của GSM là Siêu siêu khung (HyperFrame) sẽ gồm 2048 siêu khung được đánh số từ 0 đến 2047 có thời gian kéo dài là 3h28m53s760ms. Sự phân cấp theo thời gian ở Um được cho ở (H-3.) Trên các kênh vật lý sẽ mang các kênh logic thể hiện ở chức năng thông tin được thực hiện trong các tác vụ cụ thể, và việc ánh xạ kênh logic lên kênh vật lý tùy thuộc hoàn cảnh liên kết và khả năng đáp ứng của mạng. Các kênh logic được phân chia thành từng nhóm theo chức năng trao đổi thông tin và nhiệm vụ điều khiển kết nối trong giao diện Um như sau: Các kênh điều khiển dùng chung (CCCH – Common Control Channel) - Kênh hiệu chỉnh tần số (FCCH – Frequency Correction Channel), được phát từ BTS một tone tương ứng với các bit đều 0 để thuê bao thu nhận cho mục đích hiệu chỉnh dao động của nó. - Kênh đồng bộ (SCH – Synchronization Channel) luôn có hướng xuống từ BTS, và sẽ phát liên tục mã nhận dạng trạm gốc và giá trị thời gian hiện tại. - Kênh điều khiển quảng bá (BCCH – Broadcast Control Channel), phát liên tục các bản tin định dạng, cấu hình và đặc tính của BTS. Các bản tin trong ARFCN cũng cung cấp cả thông tin của các BTS lân cận. Các kênh điều khiển dành riêng (DCCH – Delicated Control Channel) - Kênh điều khiển dành riêng đứng một mình SDCCH (Standalone Delicated Control Channel) dùng để trao đổi thông tin giữa MS và BTS khi chưa có kênh lưu lượng. - Kênh điều khiển liên kết chậm (SACCH – Slow Associated Control Channel), dùng cho truyền dẫn thông tin báo hiệu trong suốt quá trình kết nối cuộc gọi. - Kênh điều khiển liên kết nhanh (FACCH – Fast Associated Control Channe), cũng như SACCH là truyền dẫn thông tin báo hiệu cuộc gọi nhưng chỉ khi cần thiết. - Kênh thâm nhập ngẫu nhiên (RACH – Ramdom Access Channel) MS sẽ truy xuất ngẫu nhiên kênh này để đăng ký kết nối với hệ thống. Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  50. Thông tin di độ ng 48 - Kênh tìm gọi (PCH – Paging Channel) mang bản tin tìm gọi PAG_REQ. - Kênh cho phép thâm nhập (AGCH - Access Grant Channel) cho phép đăng ký kênh điều khiển liên kết chậm SDCCH bởi bản tin IMM_ASS_CMD. Các kênh lưu lượng (Traffic Channel), Kênh Tốc độ bit (kbps) Các kênh được cấp Chế độ hoạt động FACCH Bm 13 Song công SACCH FACCH Lm <13 Song công SACCH BCCH 0,782 Đường xuống RACH 0,034 Đường lên AGCH 0,782 Đường xuống PCH 0,782 Đường xuống SDCCH 0,782 Đường xuống 0,391 SACCH Song công 0,383 9,2 FACCH Song công 4,6 Ánh xạ kênh logic lên đường truyền vật lý, 3.3. Các giao thức trong GSM Giao diện Abis 7 6 5 4 3 2 1 0 LPD SAPI C/R Trường địa chỉ Trường điều khiển Độ dài M Chỉ thị độ dài Thông tin lớp 3 Trường tin Các bit đệm Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  51. Thông tin di độ ng 49 Loại khung Bản tin Mẫu bit C/R Trường tin I N(R) P N(S) 0 Lệnh Có RR N(R) P/F 0 0 0 1 Cả hai Không S RNR N(R) P/F 0 1 0 1 Cả hai Không REJ N(R) P/F 1 0 0 1 Cả hai Không SABM 0 1 P 1 1 1 1 Lệnh Có thể DM 0 00 F 1 1 1 1 Trả lời Không U UI 0 00 P 0 0 1 1 Lệnh Có DISC 0 10 P 0 0 1 1 Lệnh Không UA 0 11 F 0 0 F 1 Trả lời Có thể Các kênh 64kbps TS0 TS1 TS2 TS3 TS31 Các kênh con 16kpbs Byte 1 Byte 2+3 Byte 4+5 Byte N Cờ Địa chỉ Điều khiển Thông tin CRC Cờ 01111110 16bit 8/16bit N bit 16bit 01111110 Loại Loại khung 7 6 5 4 3 2 1 0 khung 7 6 5 4 3 2 1 0 I N(R) P N(S) 0 N(R) 0 I S N(R) P/F S S 0 1 N(S) P U M M M P/F M M 1 1 X X X X S S 0 1 S N(R) P/F U M M M P/F M M 1 1 Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  52. Thông tin di độ ng 50 Cờ Địa chỉ Điều khiển Thông tin CRC Cờ 01111110 16bit 8/16 bit N bit 16bit 01111110 SAPI C/R EA0 TEI EA1 Cấu trúc bản tin lớp 2 của giao diện Abis 7 6 5 4 3 2 1 0 Phân biệt bản tin Phân biệt bản tin T Byte 1 0 Dự trữ EM Kiểu bản tin Byte 2 1 Quản lý nối thông Trường tin 4 Quản lý kênh dành riêng 6 Quản lý kênh chung 8 Quản lý TRx Byte N khác Dự trữ cho tương lai 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 Nhận dạng phần tử thông tin Nhận dạng phần tử thông tin Nội dung thông tin Độ dài của trường tin Trường tin có độ dài cố định Nội dung thông tin Trường tin có độ dài thay đổi Mã Kiểu bản tin 0000 . Các bản tin quản lý lớp vô tuyến 0001 - Yêu cầu số liệu (truyền các bản tin trong suốt ở các khung tại giao diện Air) 0010 - Chỉ thị số liệu I của lớp 2 0011 - Chỉ thị lỗi (chỉ thị lỗi giao thức ở lớp liên kết vô tuyến) 0100 - Yêu cầu thiết lập (thiết lập đường nối lớp 2 tại giao diện vô tuyến) 0101 - Xác nhận liên kết 0110 - Chỉ thị thiết lập 0111 - Yêu cầu giải phóng (giải phóng liên kết lớp 2 tại giao diện vô tuyến) 1000 - Khẳng định giải phóng 1001 - Chỉ thị giải phóng 1010 - Yêu cầu số liệu đơn vị (truyền các bản tin trong suốt ở các khung UI) 1011 - Chỉ thị số liệu đơn vị 00010 Các bản tin quản lý kênh chung 001 - Thông tin BCCH (chỉ thị thông tin mới sẽ được phát ở BCCH) 010 - Chỉ thị tải BCCH (chỉ thị tải ở RACH và BCCH) 011 - Kênh được yêu cầu (nhận được bản tin yêu cầu kênh RR) 100 - Chỉ thị xóa (xóa bản tin ấn định kênh tức thì RR do quá tải ở AGCH) 101 - Lệnh tìm gọi (yêu cầu tìm gọi MS) 110 - Lệnh ấn định kênh tức thì (thiết lập DCCH, trả lời yêu cầu kênh) 111 - Yêu cầu quảng bá SMS (phát quảng bá bản tin SMS trong ô) 00011 Các bản tin quản lý TRx 001 - Chỉ thị tiềm năng RF (mức nhiễu ở các kênh vô tuyến lỗi) Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  53. Thông tin di độ ng 51 010 - Chèn đệm SACCH (thông tin chèn đệm mới sẽ được sử dụng ở SACCH) 011 - Quá tải (quá tải kênh điều khiển hay bộ xử lý của TRx) 100 - Thông báo lỗi (phát hiện bản tin bị mắt lỗi) 001 Các bản tin quản lý kênh dành riêng 00001 - Tích cực kênh (tích cực một kênh vô tuyến) 00010 - Công nhận tích cực kênh 00011 - Phủ nhận tích cực kênh 00100 - Chỉ thị sự cố kết nối (sự cố ở kết nối vô tuyến) 00101 - Thôi tích cực SACCH 00110 - Lệnh mật mã (bắt đầu mật mã ở giao diện vô tuyến) 00111 - Phát hiện chuyển giao (phát hiện MS chuyển giao đến BTS mới) 01000 - Kết quả đo (số liệu đo tín hiệu vô tuyến từ BTS MS) 01001 - Yêu cầu thay đổi chế độ (thay đổi chế kênh) 01010 - Công nhận thay đổi chế độ 01011 - Phủ nhận thay đổi chế độ. 01100 - Yêu cầu nội dung vật lý (nội dung vật lý không được ETSI định nghĩa) 01101 - Khẳng định nội dung vật lý 01110 - Giải phóng kênh vô tuyến 01111 - Điều khiển công suất MS (thay đổi mức công suất MS hay các giới hạn) 10000 - Điều khiển công suất MS (thay đổi mức công suất BTS) 10001 - Lập cấu hình xử lý trước (truyền các thông số xử lý trước đến BTS) 10010 - Kết quả đo được xử lý trước (từ BTS) 10011 - Công nhận giải phóng kênh vô tuyến Bảng 4. : Phần tử thông tin giao diện Abis Mã Phần tử thông tin Abis 00000001 - Số kênh (chỉ thị kênh ở giao diện vô tuyến) 00000010 - Nhận dạng đường nối 00000011 - Kiểu tích cực 00000100 - Công suất BTS 00000101 - Nhận dạng kênh 00000110 - Chế độ kênh 00000111 - Thông tin mật mã 00001000 - Số khung 00001001 - Tham khảo chuyển giao 00001010 - Thông tin L1 00001011 - Thông tin L3 00001100 - Nhận dạng MS 00001101 - Công suất MS 00001110 - Nhóm tìm gọi 00001111 - Tải tìm gọi 00010000 - Khung cảnh vật lý 00010001 - Trễ thâm nhập 00010010 - Tải RACH 00010011 - Tham khảo yêu cầu 00010100 - Chế độ giải phóng 00010101 - Thông tin tiềm năng kênh vô tuyến 00010110 - Lý do RLM 00010111 - Thời gian khởi đầu 00011000 - Định trước thời gian 00011001 - Các kết quả đo 00011010 - Lý do 00011011 - Số kết quả đo Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  54. Thông tin di độ ng 52 00011100 - Nhận dạng bản tin 00011101 - Chỉ thị bản tin 00011110 - Kiểu thông tin hệ thống 00011111 - Các thông số công suất MS 00100000 - Các thông số công suất BTS 00100001 - Các thông số xử lý trước 00100010 - Các kết quả đo đã được xử lý trước 00100011 - Thông tin ấn định kênh tức thì 00100100 - Thông tin SMSCB 7 6 5 4 3 2 1 0 Phân biệt bản tin T EM Kiểu bản tin Các phần tử thông tin Thông tin L3 Phân biệt TI Giá trị TI giao thức 0 Kiểu bản tin Phần tử thông tin Nhận dạng giao thức Phân biệt bản tin = 1 3Điều khiển cuộc gọi, gói, dịch T = 1: Bản tin trong suốt vụ bổ sung Nhận dạng bản tin 4 Quản lý di động Cờ TI=0 Bản tin được phát từ điểm 6 Quản lý tiềm năng khởi xướng TI 9 Các dịch vụ bản tin ngắn Cờ TI=1 Bản tin được phát đến điểm 11 Các dịch vụ bổ sung phi thoại khởi xướng TI 15 Dự trữ cho thủ tục kiểm tra Giá trị TI=07 Khác Dự trữ cho tương lai Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  55. Thông tin di độ ng 53 3.4. Báo hiệu trong mạng GSM Khái niệm báo hiệu nguyên thủy được đưa ra cho quá trình điều khiển kết nối giữa chủ gọi (thuê bao gọi đi) và bị gọi (thuê bao nhận gọi); nhưng với các dịch vụ và công nghệ hiện nay báo hiệu đã có nhiều sự thay đổi toàn diện. Báo hiệu là quá trình điều khiển liên kết giữa thuê bao với thuê bao, giữa thuê bao và mạng thông tin, giữa các mạng thông tin, sử dụng với mục đích tạo liên kết để truyền thông tin giữa các nút mạng. Mạng báo hiệu là tập hợp các thiết bị và đường truyền dẫn được sử dụng cho mục đích truyền các thông tin báo hiệu, và được minh họa như sau STP Liên kết thông tin Đường báo hiệu Đường báo hiệu STP Điểm chuyển báo hiệu (Signalling Transfer Point) SP Điểm báo hiệu (Signalling Point) SP SP Mạng báo hiệu Báo hiệu trong GSM hoạt động dựa trên nguyên lý mạng báo hiệu kênh chung số 7 và có một số thay đổi để phù hợp hơn với môi trường di động và các dịch vụ đặc thù của OSI MS BTS BSC MSC MSC/VLR, HLR, GMSC I CM S U MM MAP P CM RR BSSP TCAP T Lớp 3 MM BTSM SCCP BSSAP U P RR RR BTSM MTP lớp 3 SCCP LAPD SCCP Lớp 2 LAPDm LAPDm LAPD MTP lớp 2 MTP lớp 3 MTP lớp 3 Báo hiệu Báo hiệu Lớp 1 Báo hiệu Báo hiệu MTP lớp 1 MTP lớp 2 MTP lớp 2 lớp 1 lớp 1 lớp 1 lớp 1 MTP lớp 1 MTP lớp 1 Không gian Abis A Hình 3. : Mô hình báo hiệu SS7 trong GSM theo cấu trúc 7 lớp mạng di động. Mô hình mạng báo hiệu số 7 được cho như ở hình (H-3) Trong đó, CM (Connection Management) quản lý nối thông MM (Mobility Management) quản lý di động RR (Radio Resource Management) Quản lý tài nguyên vô tuyến BTSM (BTS Management) Quản lý trạm gốc Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  56. Thông tin di độ ng 54 BSSAP (Base Station System Application Part) Phần ứng dụng hệ thống trạm gốc SCCP (Signalling Connection Control Part) phần điều khiển nối thông báo hiệu MTP (Message Transfer Part) phần truyền bản tin báo hiệu MAP (Mobile Application Part) phần ứng dụng di động TCAP (Transaction Capabilities Application Part) phần ứng dụng các khả năng trao đổi ISUP (ISDN User Part) phần người sử dụng ISDN. TUP ( Telephone User Part) phần người sử dụng điện thoại. A/ Báo hiệu giữa MSC với các thành phần khác trong hệ thống Tổng đài MSC sẽ thực hiện báo hiệu với các thành phần khác trong mạng theo phương thức SS7, đây là báo hiệu giữa hai tổng đài hoặc giữa tổng đài (MSC) với các cơ sỡ dữ liệu của hệ thống. Giao thức báo hiệu trong các liên kết này sẽ là - MAP và TCAP là các giao thức báo hiệu trong GSM tại lớp 7, bảo đảm chức năng thông tin đầu xa của báo hiệu và thiết lập kết nối trao đổi thông tin. Trong đó MAP được đưa ra dành riêng cho GSM. - SCCP sử dụng tại lớp 3, là một bổ sung cho SS7 để tương thích với mô hình OSI 7 lớp với các chức năng thiết lập các liên kết logic và mở rộng thêm việc đánh địa chỉ và định tuyến. - MTP là ba lớp thấp nhất cho quá trình truyền bản tin tại các lớp 1, 2 và 3. - ISDNUP và TUP được đặt ra tại lớp 7 ứng dụng cho PSTN và MSC thiết lập và quản lý giám sát cuộc gọi. B/ Báo hiệu trong giao diện A Giữa MSC và BSC GSM sử dụng giao diện A với hai giao thức để thực hiện hai chức năng chính trong hệ thống là Quản lý nối thông CM (Connection Management); Quản lý di động MM (Mobility Management). C/ Giao diện Abis D/ Giao diện Um 3.4.1. Các báo hiệu trong mạng GSM Để thực hiện việc quản lý thông tin thuê bao cũng như thực hiện quá trình tạo kết nối trong môi trường di động, mạng GSM sẽ thực hiện các dạng báo hiệu như sau Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  57. Thông tin di độ ng 55 + Cập nhật vị trí Là quá trình xảy ra khi MS di chuyển từ một vùng định vị trước bởi số nhận dạng LAI sang một vùng định vị mới với giá trị LAI mới. Quá trình cập nhật vị trí được phân làm hai loại (H-3. ) 3.4.2. Báo hiệu tại giao diện không gian  Yêu cầu kênh (Channel Resquest) Khởi đầu MOC, tham khảo ngẫu nhiên Ấn định kênh tức thời – UI (Tham khảo yêu cầu, số SDCCH) SABM (Yêu cầu dịch vụ CM) (Điều khiển cuộc gọi) UA I (Yêu cầu nhận thực) (RAND, CKSC) Trả lời nhận thực (SRES) I (Lệnh mã hóa) I (Chế độ mật mã hoành thành) Sẵn sàng thu I (thiết lập) (Khả năng mang, tương thích, số bị gọi, các tính năng) I (đang tiến hành gọi) Sẵn sàng thu Hình : Phần đầu báo hiệu MOC Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  58. Thông tin di độ ng 56  I (Lệnh ấn định) (TCH - no) Sẵn sàng thu SABM UA I (Hoàn thành ấn định) Sẵn sàng thu I (Báo chuông) Sẵn sàng thu I (Kết nối) I (Công nhận liên kết) Sẵn sàng thu Hình : Cấp phát FACCH sớm  I (Báo chuông) Sẵn sàng thu I (Lệnh ấn định) TCH - No Sẵn sàng thu SABM UA I (Hoàn thành ấn định) Sẵn sàng thu I (Liên kết) I (Công nhận liên kết) Sẵn sàng thu Hình : Báo hiệu MOC, cấp phát FACCH muộn Th.s Lê Văn Thanh Vũ
  59. Thông tin di độ ng 57  UI (Yêu cầu tìm gọi) TMSI Yêu cầu kênh (Lý do : trả lời tìm gọi, tham khảo ngẫu nhiên) UI (Ấn định tức thời) (Tham khảo yêu cầu, SDCCH-No) SABM (Trả lời tìm gọi) (TMSI, CKSN) UA I (Yêu cầu nhận thực) (RAND, CKSC) I (trả lời nhận thực) (SRES) I (Yêu cầu chế độ mã hóa) I (Chế độ mật mã hoành thành) I (thiết lập) (Khả năng mang, tương thích, số chủ gọi, các tính năng) I (cuộc gỏi được kết nối) Sẵn sàng thu Hình : Phần đầu báo hiệu MTC + Báo hiệu gọi đến thuê bao di đông – MTC Th.s Lê Văn Thanh Vũ