Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo chuyên ngành viễn thông Thông tin di động tế bào
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO1. Sự phát triển của các dịch vụ tế bào (Tổ ong- Cellular)Năm 1946, hệ thống điện thoại di động thương mại đầu tiên đã được đưa vào hoạt động ở thành phố Saint Louis- Hoa Kỳ, sử dụng băng tần 150 MHz với khoảng cách kênh là 60 KHz và số lượng kênh bị hạn chế chỉ tới 3. Tuy nhiên dịch vụ này vừa chỉ mới bắt đầu thì những nhược điểm cố hữu của nó đã bộc lộ. Tất nhiên nhược điểm chính là do những nguyên nhân về can nhiễu cùng kênh nên đòi hỏi phải phân cách về mặt vật lý quá lớn.Năm 1947, phòng thí nghiệm điện thoại Bell bắt đầu bắt tay vào khảo sát một khái niệm tái sử dụng tần số nhờ sử dụng các tế bào nhỏ (cell) với các máy di động công suất thấp. Các tế bào này có thể liên kết với nhau nhờ sử dụng một máy tính, cho phép thuê bao có thể di động trong khi số lượng thuê bao cùng một lúc gia tăng đáng kể mà hệ thống vẫn có thể phục vụ được. Tuy nhiên, thực tế các nước khác đã đưa mạng tế bào hoạt động như một dịch vụ thương mại trước cả Hoa Kỳ. Cụ thể, dịch vụ mạng tế bào thương mại đầu tiên được bắt đầu ở Nhật Bản vào năm 1979. Và rất nhanh sau đó nó được phát triển ở nhiều khác trên thế giới.Mặc dù các dịch vụ mạng tế bào phát triển rất mạnh, nhưng không hề có khả năng tương hợp giữa các dịch vụ trên phạm vi toàn cầu. Hệ thống ở Hoa Kỳ dựa trên thiết kế ban đầu của AT&T và Motorola, được gọi là AMPS (Advanced Mobile Phone Service- dịch vụ điện thoại di động tiên tiến). AMPS được sử dụng ở khoảng 70 nước khác trên thế giới và nó là tiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Ngoài ra phải kể đến một số các tiêu chuẩn thông dụng khác là: NMT (Nordic Mobile Telephone- điện thoại di động Bắc Âu), TACS (Total Access Communications Service- dịch vụ truyền thông hoàn toàn truy nhập) và hệ thống GSM (Global System for Mobile- hệ thống di động toàn cầu). Hệ thống NMT ban đầu đã được thiết kế cho các mạng tương đối nhỏ gồm 20.000- 30.000 thuê bao và cung cấp 180 kênh, mỗi kênh sử dụng dải thông 25 hoặc 30 KHz trong dải tần 450 MHz. Một thế hệ sau này của NMT cung cấp dung lượng lớn hơn ở dải tần 900 MHz, nó có khả năng cung cấp 1.000 kênh, mỗi kênh sử dụng dải thông 25 KHz hoặc 2.000 kênh, mỗi kênh có dải thông12,5 KHz. Và hiện tại có khoảng 30 nước đã sử dụng hệ thống NMT. Hệ thống TACS được sử dụng ở Châu Âu, Anh Quốc và khoảng vài chục nước khác. Một dạng chuyển hoá của TACS được sử dụng ở Nhật Bản gọi là JTACS, cung cấp 1.320 kênh, 11 mỗi kênh chiếm dải thông 25 KHz. Còn sự ra đời của GSM có thể nói là do các nước khác nhau ở Châu Âu sử dụng các tiêu chuẩn mạng tế bào khác nhau, cho nên cần có một tiêu chuẩn duy nhất để cung cấp khả năng chuyển vùng (Các tiêu chuẩn khác nhau không chỉ sử dụng các giao thức khác nhau mà còn hoạt động ở các tần số khác nhau, vì vậy không thể có tính tương thích tòn cầu). Do vậy hệ thống GSM đã được phát triển như một dịch vụ số hoá hoàn toàn có thể dùng được ở Châu Âu và nhiều nước khác. GSM được thiết kế để làm việc ở băng tần 900 MHz và qui định tám khe thời gian cho mỗi kênh rộng 200 KHz.2. Cấu trúc cơ bản của mạng tế bàoVề cơ bản, hệ thống điện thoại di động tế bào gồm các máy điện thoại di động trên xe ô tô hoặc xách tay (MS), trạm gốc (BS) và tổng đài di động (MSC- trung tâm chuyển mạch điện thoại di động). Trong đó, máy điện thoại di động bao gồm các bộ thu/phát RF, anten và bộ điều khiển . BS cũng bao gồm các bộ thu/phát RF để kết nối giữa máy di động với trung tâm chuyển mạch của hệ thống, anten, bộ điều khiển, đầu cuối số liệu và nguồn cung cấp. Còn MSC bao gồm bộ phận điều khiển, bộ phận kết nối cuộc gọi, các thiết bị ngoại vi và cung cấp chức năng thu thập số liệu cước đối với các cuộc gọi đã hoàn thành.Các thành phần chức năng của mạng được liên kết với nhau thông qua các đường kết nối thoại và số liêụ. Mỗi máy di động sử dụng một cặp kênh thu/phát RF. Vì các kênh lưu lượng không cố định ở một kênh RF nào mà thay đổi thành các tần số RF khác nhau phụ thuộc vào sự di chuyển của máy di động trong suốt quá trình cuộc gọi. Nên cuộc gọi có thể được thiết lập ở bất kỳ một kênh nào đã được xác định trong vùng đó. Cũng từ những quan điểm về hệ thống điện thoại di động mà thấy rằng tất cả các kênh đã được xác định đều có thể bận do được kết nối một cách đồng thời với các máy di động. MSC xử lý các cuộc gọi đi và đến từ mỗi BS và cung cấp chức năng điều khiển trung tâm cho hoạt động của tất cả các BS một cách hiệu quả và để truy nhập vào tổng đài của mạng điện thoại công cộng. Bộ phận điều khiển của MSC có thể nói là trái tim của hệ thống tế bào vì nó sẽ điều khiển, sắp đặt và quản lý toàn bộ hệ thống. Tổng đài MSC kết nối các đường đàm thoại để thiết lập cuộc gọi giữa các máy thuê bao di động với nhau hoặc các thuê bao cố định với các thuê bao di động và trao đổi các thông tin báo hiệu đa dạng qua đường số liệu giữa MSC và BS. Các thông tin thoại và báo hiệu giữa máy di động và BS được truyền đi qua kênh RF, các đường kết nối thoại và số liệu cố định được sử dụng để truyền các thông tin thoại và báo hiệu giữa BS và MSC.22 Máy phátBộ điều khiển hệ thốngTổng đài đầu cuối(Đến các máy thu)(Đến các máy thu)Đường dây dành riêngĐường dây dành riêngĐường dây dành riêngQuay số gọi đến trực tiếp (DID)Tới PSTNVới hệ thống này, do các máy phát thường có công suất lớn hơn nhiều (500 w) so với các máy di động (25 W). Và đương nhiên anten của máy di động thường ở mức thấp hơn nhiều so với anten phát. Để cự ly thông tin của hệ thống được như nhau theo cả hai chiều, người ta thường 33 dùng các trạm đầu xa chứa các máy thu. Các trạm đầu xa này sẽ thu nhận tín hiệu phát của máy di động và gửi chuyển tiếp tín hiệu đó trở lại bộ điều khiển hệ thống để xử lý.Trong khi đó, đối với mạng tế bào người ta lại bố trí các máy thu/phát trong vô số các tế bào nhỏ trong phạm vi của vùng bao phủ. Các máy thu/phát được điều khiển bởi một bộ xử lý trung tâm hoặc một tổng đài, sao cho thuê bao có thể di chuyển giữa các cell mà dịch vụ vẫn được duy trì. Điều này cho phép tái sử dụng lại tần số và tạo điều kiện để mạng tế bào có tiềm năng dung lượng lớn hơn nhiều so với các hệ thống thông tin di động trước đây.MSC# 1MSC# 2Tới PSTN hoặc các mạng khácTới PSTN hoặc các mạng khácCell ACell B. . .Tuyến kết nối44 Hình vẽ: Hệ thống tế bào điển hìnhCHƯƠNG II : PHƯƠNG PHÁP TRUY NHẬP KÊNH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1. Kỹ thuật ghép kênh (Multiplexing)Để làm tăng dung lượng của dải vô tuyến dùng trong một lĩnh vực nào đó, chẳng hạn như trong thông tin di động thì người ta phải sử dụng 55 kỹ thuật ghép kênh. Hiện nay có rất nhiều loại ghép kênh, nhưng ba hình thức thông dụng nhất là:• FDMA (Frequency Division Multiple Access- Đa truy nhập phân chia theo tần số). • TDMA (Time Division Multiple Access- Đa truy nhập phân chia theo thời gian). • CDMA (Code Division Multiple Access- Đa truy nhập phân chia theo mã). Liên quan đến việc ghép kênh là dải thông mà mỗi kênh hoặc mỗi mạch chiếm trong một băng tần nào đó. Trong mỗi hệ thống ghép kênh đều sử dụng khái niệm đa truy nhập, điều này có nghĩa là các kênh vô tuyến được nhiều thuê bao dùng chung chứ không phải là mỗi khách hàng được gán cho một tần số riêng.2. FDMAĐối với các hệ thống tế bào hiện đang sử dụng kỹ thuật ghép kênh FDMA, đều chia toàn bộ băng tần được phân phối cho một nhà khai thác mạng tế bào (Khoảng 25 MHz) thành các kênh rời rạc. Vì mỗi kênh thường có độ rộng dải là 30 KHz, cho nên hệ thống có tất cả 832 kênh khả dụng. Mỗi cuộc đàm thoại cần sử dụng hai tần số, cho nên mỗi nhà khai thác có 416 cặp tần số khả dụng. Mỗi cặp có thể gán cho một thuê bao mạng tế bào vào bất kỳ lúc nào.Thiết bị di động sử dụng kỹ thuật FDMA ít phức tạp hơn so với các thiết bị sử dụng các kỹ thuật ghép kênh khác và nói chung giá thành cũng rẻ hơn. Tuy nhiên, do mỗi kênh cần dùng một máy phát và một máy thu riêng biệt. Cho nên FDMA đòi hỏi rất nhiều thiết bị tại vị trí trạm gốc. Kỹ thuật FDMA có khả năng sử dụng được với cả các hệ thống truyền dẫn số (Digital) lẫn các hệ thống truyền dẫn tương tự (Analog). Sau đây là minh hoạ về kỹ thuật FDMA sử dụng cho hệ thống tế bào analog ở Hoa Kỳ:30 KHz kênh 1Thoại analog30 KHz kênh 832 .Thoại analog66 Như vậy, mỗi kênh chiếm dải thông và đáp ứng cho một cuộc đàm thoại. Tần số của mỗi kênh tuy khác nhau nhưng nhiều máy vô tuyến có thể truy nhập tới được. 3. TDMAVới TDMA mỗi kênh vô tuyến được chia thành các khe thời gian. Từng cuộc đàm thoại được biến đổi thành tín hiệu số và sau đó được gán cho một trong những khe thời gian này. Số lượng khe trong một kênh có thể thay đổi bởi vì nó là một nhiệm vụ của thiết kế hệ thống. Có ít nhất là hai khe thời gian cho một kênh, và thường thì nhiều hơn, điều đó có nghĩa là TDMA có khả năng phục vụ số lượng khách hàng nhiều hơn vài lần so với kỹ thuật FDMA với cùng một đại lượng dải thông như vậy.TDMA là một hệ thống phức tạp hơn FDMA, bởi vì tiếng nói phải được số hoá hoặc mã hoá, sau đó được lưu trữ vào một bộ nhớ đệm để gán cho một khe thời gian trống và cuối cùng mới phát đi. Do đó việc truyền dẫn tín hiệu là không liên tục và tốc độ truyền dẫn phải lớn hơn vài lần tốc độ mã hoá. Ngoài ra, do có nhiều thông tin hơn chứa trong cùng một dải thông nên thiết bị TDMA phải được sử dụng kỹ thuật phức tạp hơn để cân bằng tín hiệu thu nhằm duy trì chất lượng của tín hiệu.Hình vẽ dưới đây minh hoạ kỹ thuật TDMA, các kênh analog 30 kHz dùng cho mạng tế bào hỗ trợ được ba kênh digital. Các đường truyền âm thanh analog của mỗi cuộc đàm thoại đi qua bộ biến đổi A/D và sau đó chiếm một khe thời gian trong kênh analog 30 kHz.30 kHz kênh 130 kHz kênh 83277 .Bộ biếnđổi A/DBộ biếnđổi A/DBộ biếnđổi A/DBộ biếnđổi A/DBộ biếnđổi A/DBộ biếnđổi A/D(1)(2)(3)(4)(5)(6)4. CDMATrong kỹ thuật CDMA, tín hiệu mang tin ( ví dụ như tiếng nói) được biến đổi thành tín hiệu digital, sau đó được trộn với một mã giống 88 như mã ngẫu nhiên. Tín hiệu tổng cộng, tức tiếng nói cộng với mã giả ngẫu nhiên, khi đó được phát trong một dải tần rộng nhờ một kỹ thuật gọi là trải phổ.Không giống FDMA hay TDMA, truyền dẫn trải phổ mà CDMA sử dụng đòi hỏi các kênh có dải thông tương đối rộng (Thường là 1,25 MHz). Tuy nhiên theo tính toán lý thuyết thì CDMA có thể chứa được số thuê bao lớn gấp khoảng 20 lần mà FDMA có thể có trong một dải thông tổng cộng như nhau . Bộ biếnđổi A/DTạomãBộ biếnđổi A/DTạomã(20)Bộ biếnđổi A/DTạomãBộ biếnđổi A/DTạomã(20)1,25 MHz kênh 11,25 MHz kênh 20. (1)(1)99 Hình vẽ trên là một minh hoạ của kỹ thuật CDMA. Dải thông tăng từ 30 kHz lên 1,25 MHz, nhưng trong dải thông này bây giờ còn xấp xỉ 20 cuộc đàm thoại. Mỗi đường thoại analog trước hết được biến đổi thành digital nhờ bộ biến đổi A/D đúng như với TDMA. Tuy nhiên sau đó thêm một bước nữa là chèn một mã đặc biệt qua một bộ tạo mã. Sau đó tín hiệu được phát đi, trải rộng thêm 1,25 MHz dải thông chứ không chiếm một khe thời gian riêng trong dải này. Các đặc tính tiên tiến của thông tin di động sử dụng kỹ thuật CDMA:Tái sử dụng tần só: Trong các hệ thống thông tin di động TDMA, mỗi tần số được tái sử dụng lại tại các tế bào cách nhau một cự ly nhất định. Nhưng trong hệ thống sử dụng kỹ thuật CDMA, một tần số được sử dụng trên cc tế bào kề nhau. Với việc tái sử dụng tần số, ở mức độ giao thoa cho phép có thể đạt dung lượng của hệ thống cao hơn nhiều so với các hệ thống di động dùng kỹ thuật FDMA hoặc TDMA.Dung lượng đạt cao hơn:Trong hệ thống di động CDMA, khoảng 27 cuộc gọi tốc độ 9,6 Kb/s có thể làm việc đồng thời trong một sector và 18 cuộc gọi tốc độ 14,4 Kb/s đồng thời cho một sector. Dung lượng của hệ thống CDMA lớn gấp 13,5 lần so với hệ thống di động AMPS, và lớn gấp 5 lần so với hệ thống di động TDMA.Khả năng chuyển vùng mềm:Quá trình máy di động di chuyển trong vùng phủ sóng có thể xảy ra ba loại chuyển vùng khác nhau là: Chuyển vùng cứng (Máy di chuyển giữa các LA kề nhau hay giữa các BSC), chuyển vùng mềm (Máy di chuyển giữa các BTS của cùng một BSC) và chuyển vùng mềm hơn (Máy di chuyển giữa các sector của cùng một BTS).Trong khi hệ thống di động TDMA sử dụng kỹ thuật chuyển vùng cắt trước khi nối thì trong công nghệ CDMA lại sử dụng kỹ thuật nối trước khi cắt. Khi đang di chuyển, máy di động vẫn tiếp tục dò tìm tín hiệu dẫ đường của các trạm thu phát bên cạnh. Nó so sánh tín hiệu thu được của các trạm lân cận với tín hiệu của trạm đang kết nối. Khi cường độ thu của trạm lân cận đạt đến một mức ngưỡng nào đấy thì việc chuyển vùng mềm có thể sẽ 1010 . I : TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO1. Sự phát triển của các dịch vụ tế bào (Tổ ong- Cellular)Năm 1946, hệ thống điện thoại di động thương mại đầu. mạng tế bàoVề cơ bản, hệ thống điện thoại di động tế bào gồm các máy điện thoại di động trên xe ô tô hoặc xách tay (MS), trạm gốc (BS) và tổng đài di động