THÔNG TIN DI ĐỘNG ThS Hà Duy Hưng Mobile: (090)988.8605 E-mail: haduyhung@tdt.edu.vn haduyhungtdt@yahoo.com Mục đích: Mobile  anywhere, anytime, anyone, any device, any service Hệ thống thông tin di động hệ thống thông tin đựơc phát triển triển khai nhanh lĩnh vực viễn thông nước ta  hiểu kiến thức liên quan, kỹ thuật sử dụng kiến trúc mạng yêu cầu cho tất sinh viên nghành viễn thông Nội Dung: - Quá trình phát triển lĩnh vực di động - Các kiến thức mạng di động tế bào - Các ảnh hưởng kỹ thuật áp dụng cho mạng - Kiến trúc mạng GSM, CDMA-2000, WCDMA - Các vấn đề triển khai thực tế Tài liệu tham khảo: [1] Mobile Radio Networks, 2nd Edition 2002, Bernhard H Walke [2] Mobile Fading Channels, 2002, Matthias Pätzold [3] Mobile Communications Design Fundamentals, 1993 2nd Edition, William C Y Lee [4] Mobile Channel Characteristics, 2000, James K Cavers [5] Wireless Communications, 1996, Theodore S Rappaport [6] The Mobile Radio Propagation Channel, 2000 2nd Edition, J D Parsons [7] Mobile Radio Communications, 1992, R Steele [8] Microwave Mobile Communications, 1974, W C Jakes, Jr Vấn đề thi cử: + + + + Thi Viết (90 phút) Nhiều đề (được xem tất loại tài liệu) Tuyệt đối không trao đổi thi (-2đ/lần) Điều kiện thi: phải làm đủ tập nhà tham gia giải tập lớp + Không thi lần 3, đề thi lần mức độ khó đề thi lần + Mọi thắc mắc trao đổi trực tiếp qua email Lịch sử Thông Tin Vô Tuyến • Hệ thống thông tin vô tuyến LOS (Light Of Sight ) Dùng khói (smoke), dùng lửa (flare), dùng gương (mirror) semaphore • Truyền dẫn sóng điện từ (1895) Được thí nghiệm thành công Anh hảng Macroni • Hệ thống vô tuyến truyền thoại 1915 sử dụng Mỹ • Dịch vụ điện thoại di động sử dụng 25 thành phố Mỹ 1946 (hạn chế dung lượng hiệu sử dụng phổ tần số) • Thế hệ thứ I (1G) Hệ thống thông tin di động tế bào (cellular mobile communication nerworks) 1983 At&T dùng kỹ thuật FDMA hệ thống tương tự Một số hệ thống đầu tiên: - Narrowband AMPS (NAMPS) - Total Access Cellular System (TACS) - Extended Total Access Communication System (ETACS) - Nordic Mobile Telephone System (NMT-900) - Nippon Telephone and Telephone (NTT) Một số đặc điểm: - Phân bổ tần số hạn chế - Dung lượng thấp - Nhiễu xảy máy di động di chuyển - môi trường fading nhiều tia - Không đảm bảo tính bí mật gọi - Không tương thích hệ thống với • Thế hệ thứ II (2G) Hệ thống thông tin di động tế bào 1987 Châu Âu dùng kỹ thuật TDMA, CDMA kết hợp FDMA hệ thống thông tin số truyền liệu tốc độ 19.2 kbps Một số hệ thống tiêu biểu: - United States Digital Cellular (USDC) standards IS-54, IS-136, IS-95 - Global System for Mobile communications (GSM) - Pacific Digital Cellular (PDC) - CdmaOne Ưu điểm hệ hiệu sử dụng tần số cao hơn, bảo mật tốt hơn, dung lượng chất lượng cao hệ 1, kết hợp nhiều loại hình dịch vụ, dùng mạch tích hợp (số), mã sữa lỗi, cân bằng, tương thích mạng khác dễ dàng • Thế hệ thứ III (3G) Hệ thống thông tin di động tế bào đề xuất vào năm 2000 gọi IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) sử dụng kỹ thuật TDMA, CDMA kết hợp FDMA với yêu cầu: - Tốc độ 144 kbps cho thuê bao di động chuyển động tốc độ cao - Tốc độ 384 kbps cho thuê bao di động chuyển động tốc độ thấp - Tốc độ Mbps cho thuê bao di động không chuyển động - Chất lượng dịch vụ phải không thua chất lượng dịch vụ mạng cố định thoại - Mạng phải có khả sử dụng toàn cầu, nghĩa bao gồm thông tin vệ tinh Có hệ thống đề xuất: - W-CDMA (Wideband –CDMA) - CDMA – 2000 - UMTS (Universal Mobile Telecommunication system) phát triển từ GSM - Hệ thống hệ 2.5G phát triển từ GSM - GPRS – General Packet Radio Services - HSCSD – High Speed Circuit Switch Data • Xu hướng phát triển Macrocell >600 m Microcell 60 to 600 m Fixed Wireless(802.16) /LAN(802.11) Visual Video Conference Video phone Networked Computing Interactive Games Medical Imaging Image Fax Voice Packet Interactive Cable Video Data Picocell to 60 m 3G Mobile Email PDA Cellullar/PCS WAN Voice Messaging Computer-Computer Circuit Voice Narrowband (Copper) ≤ 64 Kbps Wideband (Copper/Fiber) 64 Kbps~1.5Mbps Broadband (Fiber) ≥ 45Mbps 10 Signal Strength (dB) Small Area Average Distance λ/2 46 - Fading diện rộng (large scale fading) Fading diện rộng mô hình quan tâm đến độ lớn tín hiệu phát thu với khỏang cách riêng biệt (vài trăm m) dùng để ước lượng vùng phủ sóng  tổn hao kênh truyền - Fading diện hẹp (small scale fading) Fading diện hẹp mô hình quan tâm đến thay đổi độ lớn tín hiệu thu khỏang cách ngắn (vài bước sóng) hay khoảng thời gian ngắn - Fading nhanh (fast fading) fading chậm (slow fading) Biên độ tín hiệu thu hàm khỏang cách r(x) mà thông tin di động thiết bị cầm tay di chuyển biểu diễn hàm thời gian r(t) Sự thay đổi (variance) không gian hàm khỏang cách thể thay đổi phụ thuộc vào khỏang cách gọi 47 fading nhanh fading chậm Fading nhanh xét thay đổi khỏang cách ½ bước sóng thường di chuyển vật thể tán xạ (scatters) Fading nhanh phẳng khỏang dài từ 20 – 40 bước sóng gọi trung bình sector (sector average) Sự thay đổi mức tín hiệu trung bình theo che chắn tòa nhà (bề rộng tòa nhà) gọi fading chậm sector average r ( t ) = m ( t ) r0 ( t ) 48 B C Power A distance - A Ảnh hưởng diện rộng (tổn hao đường truyền – large scale fading) - B Ảnh hưởng diện trung (do che chắn – shadowing – medium scale fading) - C Ảnh hưởng diện hẹp (do dao động tín hiệu nơi thu đa đường 49 – small scale fading) • Suy hao kênh truyền - Suy hao không gian tự (LOS) Pr ( d ) µ d −2 - Xác định công suất khoảng cách d biết công suất khoảng cách d0 Pr(d0) d0 Pr(d) Pr (d ) = Pr (d )( d d0 ) d - Mô hình tia – công thức trường giao thoa, khoảng cách lớn, công thức vendensky E( d) µ d −2 Pr ( d ) µ d −4 50 • Các mô hình tính tổn hao kênh truyền cho Macro Cell - Mô hình Okumura (đã học) - Mô hình Hata (đã học) - Mô hình Hata mở rộng (đã học) - Mô hình Longley – Rice (đọc thêm) - Mô hình Durkin (đọc thêm) - Mô hình Walfisch – Bertoni (đọc thêm) • Mô hình tính tổn hao kênh truyền cho Micro Cell (đọc thêm) • Mô hình tính tổn hao kênh truyền cho Indoor (đọc thêm) 51 • Thống kê fading chậm: môi trường truyền sóng trạm gốc thiết bị di động tích nhiều trình ngẫu nhiên lên tín hiệu Nên với thang dB mức tín hiệu ngẫu nhiên tổng mà tổng nhiều biến ngẫu nhiên có dạng phân bố Gausian Do thống kê fading chậm có dạng phân bố Gausian theo thang dB gọi phân bố lognomal mức tín hiệu thu theo thang dB có dạng phân bố Gausian p ( L) = e 2π σ L L − mL ) ( − 2σ L2 1 p ( L < l ) = + erf 2  l − ml   2σ l L mức tín hiệu khỏang cách cụ thể mL suy hao trung bình khỏang cách cụ thể σL độ lệch chuẩn suy hao trung bình 52  ÷ ÷  • Thống kê fading nhanh: biên độ tín hiệu nhận fading nhanh thường có phân bố Rayleigh hay Rician n(r) = N/T level crossing rate tỷ số tổng tất mức vượt giới hạn khỏang thời gian cho trước với khỏang thời gian r Với fading Rayleigh n( r) = π f e σ Phụ thuộc vào tượng Doppler − m r2 2σ t(r) = ∑ti/N average duration of fades tỷ số tổng thời gian 53 fades khỏang thời gian cho trước với tổng số fades  ước lượng số • Mô hình kênh fading nhiều tia t = t0 + τ1 Transmit t=t0 t = t0 + τ4 t = t0 + τ t = t0 + τ2 Multipath Received Signals 54 • Mô hình kênh fading nhiều tia Mean Delay Spread τ= a ∑ k τk k a ∑ k k rms Delay Spread τ2 k k ∑a τ = ∑a k k k k k eiθ k στ = τ − ( τ ) k k 2 Where ∑ P(τ )τ = ∑ P(τ ) ∑ P(τ )τ = ∑ P(τ ) k k k k k 55 - Băng thông kết hợp (coherence bandwidth) Bc ≈ 50σ τ - Thời gian kết hợp (coherence time) 0.423 Tc = = 16π f m fm 56 • Các lọai kênh fading Fading Fadingchannel channel Large Largescale scalefading fadingdue duetoto motion motionover overlarge largeareas areas Mean Meansignal signal attenuation attenuationvsvs distance distance Time-delay Time-delay domain domain description description Small Smallscale scalefading fadingdue duetoto small smallchanges changesininposition position Variation about Variation about Variation about Variation about the mean the mean the mean the mean Time Timespreading spreading ofofthe thesignal signal frequency frequency domain domain description description Time Time domain domain description description F.F.TT Time Timevariation variation ofofthe thechannel channel F.F.TT Doppler Dopplershift shift domain domain description description Dual Dual Frequency Frequency Frequency Frequency selective selective selective selective fading fading fading fading Flat Flat fading fading Frequency Frequency selective selective fading fading Fast Fast fading fading Dual Dual Flat Flat fading fading Fast Fast fading fading Slow Slow fading fading Slow Slow fading fading 57 - Fading phẳng 58 - Fading lựa chọn tần số 59 - Mô hình kênh fading nhiều tia White Gaussian Noise White Gaussian Noise + x White Gaussian Noise White Gaussian Noise + White Gaussian Noise x j White Gaussian Noise + j j Doppler Filter Doppler Filter Doppler Filter x x x Transmitted Signal L h ( t ) = ∑ β i e jθi δ ( t − ti ) i =1 Tap Delay Line Model x Ts Ts + + AWGN + Channel Output 60 [...]... lý mạng Di Động Tế Bào (Cellular Mobile Nertwork) • Mạng di động ban đầu dựa trên trạm thu phát đặt cao với công suất lớn phủ một vùng với di n tích rộng: - Không sử dụng lại tần số - Dung lượng bị hạn chế - Máy cấm tay có kích thước lớn 1970s thay thế các trạm thu phát công suất lớn bằng các trạm thu phát với công suất bé phủ một vùng di n tích vừa đủ để có thể sử dụng lại phổ tần  mạng di động tế. .. là bao nhiêu là chấp nhận được? (GOS - Grade Of Service, thường 2% cho di động, 1% cho cố định) - Công thức Erlang B Blocking = GOS = Am m! m i A ∑ i! i =0 Ac = λTh Traffic của một user - A là cường độ traffic, đơn vị Erlang (Ac nhân tổng số user) - λ là tốc độ trung bình các cuộc gọi đến - Th là thời gian chiếm dụng trung bình của các cuộc gọi - m số kênh của hệ thống (áp dụng khi số lượng user lớn... băng thông của một kênh song công - N là hệ số sử dụng lại tần số Số users được phục vụ đồng thời là: Atot BW 1 n= Ac B N 25 Ví dụ: Băng thông 33MHz được dùng cho hệ thống DĐ tế bào với kênh song công 50kHz Khi hệ số tái sử dụng tần số N=4, N=7 xác định số lượng kênh trên một cell? Ví dụ: Băng thông 25 MHz được dùng cho hệ thống DĐ tế bào với mỗi user sử dụng kênh song công 30kHz Xác định số users hệ... tái sử dụng tần số là 4 Ví dụ: Một vùng có di n tích 2500 km2 được phục vụ bởi hệ thống AMPS Biết 200 kênh được dùng cho vùng này và để chất lượng hệ thống thỏa yêu cầu (SIR ≥ 18dB) thì hệ số tái sử dụng tần số N = 7 Xác định số cuộc gọi đồng thời có thể thực hiện trong vùng này? 26 (biết bán kính cell là 5 km) • Nhiễu đồng kênh (Co-Channel Interference CCI) - Cải thiện SNR  tăng công suất phát của... là C = kNM = MS N là được gọi là kích thước của Cluster thường 4, 7 hoặc 12 N càng lớn thì nhiễu đồng kênh càng bé  chất lượng tốt Ngược lại kích thước Cluster không đổi và kích thước cell giảm thì dung lượng kênh sẽ tăng  kỹ thuật chia cell Mỗi cell trong một Cluster chiếm 1/N kênh của hệ 24 thống Số users được phục vụ đồng thời - Atot là tổng di n tích cần bảo phủ - Ac là di n tích của một cell... trạm thu phát (BTS) thể hiện là hình lục giác - Sử dụng lại tần số là dùng lại kênh tần số cho một cell khác - Dung lượng tăng, thiết bị cầm tay bé, và độ phức tạp tăng (handover, 16 roaming, signaling and mornitoring) • Cell được thể hiện bằng một cặp số nguyên (i,j) Trong đó i là số cell khi di chuyển vuông góc với một cạnh của lục giác, j là số cell khi đổi hướng 600 ngược chiều kim đồng hồ (như hình... 2 1 2 o R R R • Bán kính cell • Số lượng cell trong một cụm là 1 R= 3 D2 N= 2 3R • Khoảng cách giữa 2 cell (0,0) và cell (i,j) D = i + ij + j 2 • Khoảng cách giữa 2 cell đồng kênh là 2 D = R 3N Q= D = 3N R • Cụm cell (nhóm cell – cluster) là một nhóm các cell được gán bởi một bộ tần sao cho không gây nhiễu lẫn nhau Bán kính của cụm là (xem D là khoảng cách giữa 2 cell lớn – 2 cụm) D Rc = 3 20 i j N... Ratio)  cải thiện SIR bằng cách tăng tỷ số Q=D/R R D 27 - Với cell dạng lục giác, giả thiết công suất tín hiệu tỷ lệ với d-n, trong đó d là khoảng cách, n là hệ số suy hao mũ âm (thường n = 4) C C R−n SIR = = 6 = 6 I −n I D ∑i ∑ i i =1 i =1 - Các cell lân cận có cùng khoảng cách ( ) ( R SIR = = D 6 n 3N 6 ) n D = R n 6 SIR = R n 6 C I - SIR được cải thiện khi hệ số tái sử dụng tần số lớn 28 - Với hệ... 1 21 5 0 25 22 • Các loại kích thước cell - Megacells: phủ hàng trăm km (satellite BS) - Macrocells: phủ hàng chục km (phủ thành phố) - Microcells: phủ hàng trăm m (tòa nhà, khu thương mại, hội nghị, hội chợ,…) - Picocells: W-LAN (trong toà nhà) - Femtocells: Mạng truy cập cá nhân, đồ dùng, vật dụng trong nhà PAN 23 • Dung lượng kênh của hệ thống tế bào Giả sử có N cells, mỗi cell được phân (gán) một... nhưng chỉ trong bán kính R/2 - Kênh không được dùng bởi a thì được dùng trong A với cả cell B C G G A D F F E B C D a C G A B G A D 33 + Dùng anten sector (anten định hướng trong vùng với gốc 1200) 1 2 3 Trong trường hợp này một cell chỉ cón bị nhiễu bởi 2 cell (không phải 6 cell trong trường hợp anten omni)  cải thiện 6dB đối với SIR tuy nhiên giảm hiệu quả sử dụng trung kế Vi dụ: n =4, N = 4 Anten