Đề tài Ứng dụng công nghệ CDMA trong thông tin di động

Mục lục Lời nói đầu 1 Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động 1 1.1. Lịch sử phát triển, đặc điểm truyền sóng và phân loại 1 1.1.1. Lịch sử và phát triển 1 1.1.2. Đặc điểm truyền sóng trong thông tin di động 10 1.1.3. Phân loại các loại hệ thống thông tin di động 14 1.2. Các đặc tính có bản của thông tin di động 17 1.3. Cấu trúc chung hệ thống thông tin di động GSM 19 1.3.1. Sơ đồ khối của hệ thống thông tin di động GSM 19 1.3.2. Chức năng của các thành phần trong mạng GSM 20 1.3.2.1. Hệ thống chuyển mạch SS 20 1.3.2.2. Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC 20 1.3.2.3. Bộ ghi dịch tạm trú VLR 21 1.3.2.4. Bộ ghi định vị thường trú HLR 21 1.3.2.5. Quản lý thuê bao và trung tâm nhận thực AUC 21 1.3.2.6. Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR 22 1.3.2.7. Tổng đài cổng GMSC 22 1.3.3. Hệ thống trạm gốc BSS 23 1.3.3.1. Bộ điều khiển trạm gốc BSC 23 1.3.3.2. Trạm thu phát gốc BTS 23 1.3.4. Phân hệ khai thác và bảo dưỡng OSS 23 1.3.4.1. Khai thác và bảo dưỡng 23 1.3.4.2. Quản lý thuê bao 24 1.3.4.3. Quản lý thiết bị di động MS 25 1.3.5. Máy di động MS 25 1.3.6. Cấu trúc địa lý vùng mạng GSM 26 1.3.6.1. Vùng mạng 26 1.3.6.2. Vùng phục vụ MSC 26 1.3.6.3. Vùng định vị và quy hoạch 27 1.3.6.4. Ô (Cell) 28 Chương 2: Tổng quan về mạng thông tin di động thế hệ 3 29 2.1. Tổng quan 29 2.2. Cấu trúc mạng CDMA 30 2.2.1. Máy thuê bao di động MS 32 2.2.1.1. Bộ giải điều chế 32 2.2.1.2. Bộ điều chế 33 2.2.2. Trạm gốc BS 33 2.2.2.1. Hệ thống con BTS 34 2.2.2.2. Thiết bị điều khiển trạm gốc BSC 35 2.2.2.3. Điều hành trạm gốc BSM 36 2.2.3. Trung tâm chuyển mạch di động (Tổng đài di động MSC) 37 2.2.3.1. Hệ thống chuyển mạch truy nhập ASS 38 2.2.3.2. Hệ thống mạng liên kết INS 38 2.2.3.3.Hệ thống điều khiển trung tâm CCS 38 2.2.4. Bộ đăng ký định vị thường trú HLR 39 2.2.5. Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR 39 2.2.6. Trung tâm nhận thực AC 40 2.2.7. Hệ thống điều khiển OS 40 2.3. Kỹ thuật trải phổ 40 2.3.1. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS) 41 2.3.1.1. Các hệ thống DS/SS-BPSK 41 2.3.1.2. Các hệ thống DS/SS-QPSK 49 2.3.2. Hệ thống nhảy tần (FH/SS) 53 2.3.2.1. Các hệ thống FH/SS nhanh 54 2.3.2.2. Các hệ thống FH/SS chem. 58 2.3.3. Hệ thống nhảy thời gian (TH/SS) 58 Chương 3: Ứng dụng công nghệ CDMA trong thông tin di động thế hệ 3 60 3.1. Điều khiển công suất 60 3.1.1. Sự cần thiết của điều khiển công suất 60 3.1.2. Điều khiển công suất đường lên 61 3.1.2.1. Điều khiển công suất vòng hở 61 3.1.2.2. Điều khiển công suất vòng kín 65 3.1.3. Điều khiển công suất đường xuống 68 3.2. Tính toán dung lượng trong hệ thống thông tin di động CDMA 71 3.2.1. Dung lượng cực đường truyền hướng lên 73 3.2.1.1. Tốc độ mã hoá thoại 77 3.2.1.2. Tích cực thoại 78 3.2.1.3. Can nhiễu 78 3.2.1.4. Tăng ích dải quạt 79 3.2.1.5. Điều khiển công suất chính xác 80 3.2.1.6. Phân tích tắc nghẽn (phương pháp truyền thống) 80 3.2.1.7. Phân tích tắc nghẽn mềm trong CDMA 81 3.2.2. Dung lượng đường truyền xuống 86 3.2.2.1. Tính gần đúng bậc nhất dung lượng đường truyền hướng xuống 86 3.2.2.2. Tính dung lượng: số người dùng 87 Kết luận 89 Tài liệu tham khảo 91 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của nghành công nghệ điện tử, tin học, công nghệ viễn thông trong những năm vừa qua phát triển rất mạnh mẽ cung cấp ngày càng nhiều các loại hình dịch vụ mới đa dạng, an toàn, chất lượng cao đáp ứng ngày càng tốt yêu cầu của khách hàng. Thế kỷ 21 sẽ chứng kiến sự bùng nổ của thông tin vô tuyến trong đó tin tức di động đóng vai trò rất quan trọng. Nhu cầu về thông tin ngày càng tăng cả về số lượng, chất lượng và các loại hình dịch vụ, điều này đã thúc đẩy thế giới phải tìm kiếm một phương thức thông tin mới. Và công nghệ CDMA đã trở thành mục tiêu hướng tới của lĩnh vực thông tin di động trên thế giới. Hiện nay, mạng thông tin di động của Việt Nam đang sử dụng công nghệ GSM, tuy nhiên trong tương lai mạng thông tin này sẽ không đáp ứng được các nhu cầu về thông tin di động, do đó việc nghiên cứu và triển khai mạng thông tin di động CDMA là một điều tất yếu. Xuất phát từ những suy nghĩ như vậy nên em đã quyết định chọn đề tài : “Ứng dụng công nghệ CDMA trong thông tin di động”. Nội dung của đồ án gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động. Chương 2: Tổng quan về mạng thông tin di động thế hệ 3. Chương 3: Ứng dụng công nghệ CDMA trong thông tin di động thế hệ 3. Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, mặc dù em đã cố gắng nhiều nhưng do trình độ có hạn nên không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự phê bình, hướng dẫn và sự giúp đỡ của các Thầy cô, bạn bè. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của Thầy Hồ Quang Huy cùng các thầy cô trong khoa Điện tử Viễn thông đã giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1. Lịch sử phát triển, đặc điểm truyền sóng và phân loại 1.1.1. Lịch sử và phát triển a. Lịch sử Vào cuối thế kỷ XIX, các thí nghiệm của các nhà bác học người ý Marconi Guglielmo (1874-1937, giải Nobel vật lý 1909) đã cho they là thông tin vô tuyến cỏ thể thực hiện giữa các máy thu phát ở xa nhau và di động. Thông tin vô tuyến lúc đó chủ yếu sử dụng mã Morse, mãi cho tới năm 1928 hệ thống vô tuyến truyền thanh mới được thiết lập, thoạt tiên cho cảnh sát. Đến năm 1933 sở cảnh sát Bayone, New Jersey mới thiết lập được một hệ thống thoại vô tuyến di động tương đối hoàn chỉnh đầu tiên trên thế giới. Hồi đó các thiết bị điện thoại di động rất cồng kềnh, nặng hàng choc kg, đầy tạp âm và rất tốn nguồn do dùng các đền điện tử tiêu thụ nguồn lớn. Công tác trong dải thấp của băng VHF, các thiết bị này liên lạc được với khoảng cách vài chục dặm. Sau đó quân đội cũng đã dùng thông tin di động để triển khai và chỉ huy chiến đấu có hiệu quả. Các dịch vụ di động trong đời sống như cảnh sát, cứu thương, cứu hoả, hàng hải, hàng không…cũng đã sử dụng thông tin di động để các hoạt động của mình được thuận lợi. Chất lượng thông tin di động hồi đó rất kém. Đó là do các đặc tính truyền dẫn sóng vô tuyến, dẫn đến tín hiệu thu được là một tổ hợp nhiều thành phần của tín hiệu đã được phát đi, khác nhau cả về biên độ, pha và độ trễ. Tổng véc-tơ của các tín hiệu này làm cho đường báo hiệu thu được bị thăng giáng mạnh và nhanh. Khi trạm di động hành tiến, mức tín hiệu thu thường bị thay đổi lớn và nhanh làm cho chất lượng đàm thoại suy giảm trông thấy. Tất nhiên, tất cả các đặc tính truyền dẫn ấy ngày nay vẫn tồn tại song hồi đó chúng chỉ được chống lại bằng một kỹ nghệ còn trong thời kỳ sơ khai. Trong khi ngày nay công nghệ mạch tích hợp cỡ lớn VLSI (Very Large Scale Intergrated circuit) có thể sử dụng từ hàng trăm ngàn đến khoảng một triệu đèn bán dẫn cho việc loại bỏ các ảnh hưởng xấu của đặc tính truyền dẫn thì hồi đó các máy thu phát thường chỉ có không đến 10 đèn điện tử. Băng tần có thể sử dụng được bởi công nghệ đương thời cho thông tin vô tuyến luôn khan hiếm. Các băng sóng trung và dài đã được sử dụng cho phát thanh trong khi các băng tần số thấp và cao (LF và HF) thì bị chiếm bởi các dịch vụ thông tin toàn cầu. Công nghệ hồi đó thì chưa thích hợp để đạt được chất lượng liên lạc cao trên các băng sóng VHF và UHF. Khái niệm về tái sử dụng tần số đã được nhận thức song không được áp dụng để đạt được mật độ người sử dụng cao. Do đó, suốt nhiều năm chất lượng của thông tin di động kém hơn nhiều so với thông tin hữu tuyến do công nghệ không thích hợp và các nhà tổ chức thông tin đã không sử dụng nổi độ rộng dải tần trên các băng tần số cao. Trong khi các mạng điện thoại tương tự cố định thương mại đang được số hoá nhờ sự phát minh ra các dụng cụ điện tử kích thước nhỏ bé và tiêu thụ ít nguồn thì tình trạng của vô tuyến di động vẫn còn biến đổi rất chem. Chạp. Các hệ thống vô tuyến di động nội bộ mặt đất đã bắt đầu sử dụng song mới chỉ ở mức độ phục vụ các nhóm chuyên biệt chứ chưa phải cho các cá nhân trong cộng đồng. Mặc dầu Bell Laboratories đã thai nghén ý đồ về một mạng tế bào ngay từ khởi đầu việc phát triển một hệ thống liên lạc vô tuyến tế bào. Thời kỳ ấp ủ lâu dài đó là do phải chờ đời các phát triển cần thiết trong công nghệ. Chỉ tới khi có các mạch tích hợp thiết kế được một cách tuỳ chọn, các bộ vi xử lý, các mạch tổng hợp tần số, các chuyển mạch nhanh dung lượng lớn… mạng vô tuyến tế bào mới được biến thành hiện thực. Những năm thập kỷ 1980 đã chứng kiến sự ra đời của một số hệ thống vô tuyến tế bào tương tự thường được gọi là các mạng vô tuyến di động mặt đát công cộng (PLMR-Public Land Mobile Radio). Làm việc ở giải UHF, các mạng này cho thấy một sự thay đổi vượt bậc về độ phức tạp của các hệ thống thông tin liên lạc dân sự. Chúng cho phép người sử dụng có được các cuộc đàm thoại trong khi di động với bất kỳ đối tượng nào có nối tới các mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN (Public Switched Telphone Network) hoặc các mạng đa dịch số ISDN (Intergratd Services Digital Network). Trong những năm 1990 đã có những bước tiến hơn nữa trong thông tin di động với việc áp dụng các mạng tế bào số (digital cellular system) và các hệ thống không dây số (digital cordless telecommunication system). Ngoài các dịch vụ điện thoại truyền thống, các hệ vô tuyến di động số thế hệ thứ hai sẽ cung cấp một mảng các dịch vụ mới khác như tiếng nói, truyền số liệu, truyền fax, truyền các tin ngắn… Thông tin di động đã và đang phát triển hết sức mạnh mẽ trên phạm vi toàn thế giới, càng ngày càng tiến tới chia sẻ thị trường và thay thế từng mảng các dịch vụ thông tin cố định. Từ năm 1997, Liên minh viễn thông quốc tế ITU (International Telecom-munication Union) đã xây dựng tiêu chuẩn chung cho thông tin di động thế hệ thứ ba (3G: Generation) trong dự án IMT – 2000 (International Mobile Telecom-munications-2000). Mục đích của IMT-2000 là xây dựng tiêu chuẩn chung nhất cho các hệ thống thông tin di động toàn cầu, phục vụ nhiều loại hình dịch vụ với tốc độ tối đa lên tới 2 Mb/s. b. Lộ trình phát triển từ các thế hệ hai đến thế hệ ba ö Lộ trình phát triển từ hệ thống IS-95 thế hệ hai đến CDMA2000 thế hệ ba: Nhu cầu về truyền số liệu trong tương lai sẽ cho phép các nhà khai thác mạng viễn thông cung cấp rất nhiều tính năng mới của mạng và các dịch vụ giá trị gia tăng trên cơ sở khai thác mạng hiện có và triển khai các thế hệ công nghệ tương lai. Cùng với Internet, Internet đang trở thành một trong những hoạt động kinh doanh ngày càng quan trọng, một trong các hoạt động này là xây dựng các văn phòng vô tuyến để kết nối các cán bộ di động trong công sở và xí nghiệp của họ. Ngoài ra tiềm năng to lớn đối với các công nghệ mới cung cấp tin tức và các thông tin khác trực tiếp cho các thiết bị vô tuyến sẽ tạo ra các luồng lợi nhuận mới cho các nhà khai thác. Mặc dù các mạng cdmaOne (IS-95) không phải là các mạng đầu tiên cung cấp truy nhập số liệu, nhưng đây là các mạng được thiết kế duy nhất để cho phép truyền số liệu. Trước hết truyền dẫn tốc độ thay đổi có sẵn ở trong cdmaOne cho phép quyết định lượng thông tin cần phát, vì thế cho phép chỉ sử dụng tiềm năng mạng theo nhu cầu. Vì truyền dẫn thoại của các hệ thống cdmaOne theo gói, nên các khả năng truyền số liệu gói đã cóbên trong thiết bị. Công nghệ truyền dẫn số liệu gói của cdmaOne sử dụng ngăn xếp giao thức số liệu gói số tổ ong (CDP: Cellular Digital Packet Data) phù hợp với TCP/IP. Bổ sung truyền số liệu vào mạng cdma2000 sẽ cho phép nhà khai thác mạng tiếp tục sử dụng các phương tiện truyền dẫn, các phương tiện vô tuyến, cơ sở hạ tầng và các máy cầm tay sẵn có bằng cách đơn giản nâng cấp phần mềm cho chức năng tương tác. Nâng cấp lên IS-95B cho phép tăng tốc kênh để cung cấp tốc độ số liệu 64-115 kbit/s và đồng thời cải thiện chuyển giao mềm và chuyển giao cứng giữa các tần số. Các nhà sản xuất đã công bố các khả năng số liệu gói, số liệu kênh và fax số trên các thiết bị cdmaOne. Một trong các mục tiêu quan trọng của ITU IMT-2000 là tạo ra các tiêu chuẩn để hỗ trợ một băng tần trên toàn cầu nhằm thúc đẩy ở mức đọ cao việc nhiều người thiết kế và hỗ trợ các dịch vụ cao. ITM-2000 sẽ sử dụng các đầu cuối bỏ túi kích cỡ nhỏ, mở rộng nhiều môi trường khai thác và trỉên khai cấu trúc mở cho phép đưa ra các công nghệ mới. Ngoài ra các hệ thống 3G hứa hẹn đem lại các dịch vụ thoại vô tuyến có các mức chất lượng hữu tuyến đồng thời với tốc độ và dung lượng cần thiết để hỗ trợ đa phương tiện và các ứng dụng tốc độ cao. Các dịch vụ trên cơ sở định vị, đạo hàng, hỗ trợ cấp báo, và các dịch vụ tiên tiến khác cũng sẽ được hỗ trợ. Một trong các yêu cầu kỹ thuật của cdma2000 là tương thích với hệ thống cũ cdmaOne về: các dịch vụ thoại, các bộ mã hoá thoại, các cấu trúc báo hiệu và các khả năng bảo mật. Giai đoạn 1 của cdma2000 (hay 1xRTT) (RTT: Radio Transmission Technology) sử dụng độ rộng băng tần 1,25 MHz và truyền số liệu đỉnh 144 kbit/s cho các ứng dụng cố định hay di động. Giai đoạn 2 của cdma2000 (3xRTT) sẽ sử dụng độ rộng băng tần 5 MHz và có thể cung cấp tốc độ số liệu 144kbit/s cho các ứng dụng di động và xe cộ, và 2 Mbit/s cho các ứng dụng cố định. Các nhà công nghiệp tiên đoán rằng giai đoạn 3xRTT sẽ dần tiến tới 1 Mbit/s cho từng kênh lưu lượng hay kênh Walsh. Bằng cách hợp nhất hay bó hai kênh, người sử dụng có thể đạt được tốc độ đỉnh 2 Mbit/s là tốc độ đỉnh của IMT-2000. Sự khác nhau cơ bản giữa giai đoạn một và giai đoạn hai của cdma2000 là độ rộng băng tần và thông lượng tổng hay khả năng tốc độ số liệu đỉnh. Giai đoạn hai sẽ đưa ra các khả năng đa phương tiện tiên tiến và đặt nền móng cho dịch vụ thoại 3G phổ biến, các bộ mã hoá thoại như VoIP (thoại trên nền IP). Vì các tiêu chuẩn 1xRTT và 3xRTT phần lớn sử dụng chung các phần tử vô tuyến băng gốc, nên các nhà khai thác có thể thực hiện một bước tiến căn bản đến các khả năng đầy đủ của 3g bằng cách thực hiện 1xRTT. Cdma2000 giai đoạn hai sẽ bao gồm các mô tả chi tiết về các giao thức báo hiệu, quản lý số liệu và các yêu cầu mở rộng từ vô tuyến 5 MHz đến 10 và 15 MHz trong tương lai. Cùng với sự ra đời của cdma 2000 giai đoạn một, các dịch vụ số liệu cũng sẽ được cải thiện. Giai đoạn một cũng sẽ hình thành cơ cấu MAC (Medium Access Control: điều khiển truy nhập môi trường) và định nghĩa giao thức kết nối vô tuyến (RLP: Radio Link Protocol) cho số liệu gói để hỗ trợ các tốc độ số liệu gói ít nhất là 144 kbit/s. Triển khai giai đoạn hai cdma2000 sẽ mang lại rất nhiều các khả năng mới và các tăng cường dịch vụ. Giai đoạn hai sẽ hỗ trợ tất cả các kích cỡ kênh (6x, 9x và12x) cơ cấu cho các dịch vụ thoại, bộ mã hoá thoại cho cdma2000, bao gồm tiếng trên IP. Trong giai đoạn hai, các dịch vụ đa phương tiện thực sự sẽ được cung cấp và sẽ mang lại các cơ hội lợi nhuận bổ sung cho các nhà khai thác. Các dịch vụ đa phương tiện sẽ có thể thực hiện được thông qua MAC số liệu gói, hỗ trợ đầy đủ cho dịch vụ số liệu gói đến 2 Mbit/s, RLP hỗ trợ tất cả các tốc độ số liệu đến 2 Mbit/s và mô hình gói đa phương tiện tiên tiến . Trong lĩnh vực dịch vụ và báo hiệu, giai đoạn hai cdma2000 sẽ đem đến cấu trúc báo hiệu 3G cdma2000 tự sinh đối với điều khiển truy nhập kết nối (LAC: Link Access Control) và cấu trúc báo hiệu lớp cao. Cấu trúc này sẽ đảm bảo hỗ trợ để cải thiện tính riêng tư, nhận thực và chức năng mật mã. Cấu trúc và thiết bị mạng hiện có của nhà khai thác sẽ ảnh hưởng lên quá trình chuyển đổi này. Một mạng được xây dựng trên cấu trúc mở tiên tiến với lộ trình chuyển đổi rõ ràng có thể nhận được các khă năng của 1xRTT bằng cách chuyển đổi môđun đơn giản. Các mạng có cấu trúc ít linh hoạt hơn có thể đòi hỏi các bước chuyển đổi tốn kém để thay thế toàn bộ hệ thống thu phát gốc (BTS). Để đạt được tốc độ đỉnh 144 kbit/s, nhà khai thác có thể nâng cấp phần mềm cho mạng và các trạm gốc để hỗ trợ giao thức số liệu của 1xRTT. Thoả thuận mới đây giữa Qualcomm và Ericsson đề xuất ba chế độ CDMA lựa chọn và phát triển dần dần của một tiêu chuẩn toàn cầu, tiêu chuẩn này sẽ tương thích với cả ANSI-41 và GSM MAP. Cách làm này cho thấy việc sử dụng các máy cầm tay đa chế độ và các giải pháp nảy sinh do thị trường như là lộ trình chắc chắn nhất để thống nhất tiêu chuẩn CDMA 3G ở thế hệ thông tin vô tuyến tiếp theo. Vì thuê bao đòi hỏi sự tiện lợi và công suất vô tuyến lớn hơn, việc chuyển sang công nghệ 3G cho phép các nhà khai thác hỗ trợ các khả năng cao hơn, giảm giá thành mạng và tăng tổng lợi nhuận. IS-95A IS-95B Cdma2000 giai đoạn 2 Cdma2000 giai đoạn 1 2 Mbit/s 144 Mbit/s 64 kbit/s 14,4 kbit/s 2G cdmaOne 3G 2002 Hình 1.1. Lộ trình phát triển từ cdmaOne đến cdma2000 ö Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động GSM đến thế hệ hai sang W-CDMA thế hệ ba Để đáp ứng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình ảnh đồng thời đảm bảo tính kinh tế, hệ thống thông tin di động hai sẽ được chuyển đổi từng bước sang thế hệ ba. Có thể tổng quát các giai đoạn chuyển đổi như sau: GSM GPRS HSCSD WCDMA pha 1 WCDMA Hình 1.2. Lộ trình phát triển từ GSM đến W-CDMA Ký hiệu: HSCSD: High Speed Circuit Switched Data: Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao. GPRS: General Packet Radio Service: Dịch vụ gói vô tuyến chung. Con đường đến 3G duy nhất của GSM là CDMA băng thông rộng, ở Châu Âu WCDMA được gọi là hệ thống viễn thông di động toàn cầu (USMT). Trong cấu trúc dịch vụ 3G , cần có băng thông rất lớn và như thế cần nhiều phổ tần hơn. ở Hoa Kỳ, FCC chưa thể nhanh chóng phân bổ bất cứ phổ nào cho các dịch vụ 3G. Hoa Kỳ có khoảng 190 MHz phổ tần phân bổ cho các dịch vụ vô tuyến di động trong khi phần còn lại của thế giới chỉ được phân bổ 400 Mhz. Vì thế có thể tin rằng sự phát triển 3G ở Hoa Kỳ sẽ rất khác với phần còn lại của thế giới. Để đến 3G có lẽ cần phải đi qua giai đoạn 2,5G. Nói chung 2,5G bao gồm tất cả các công nghệ sau: dữ liệu chuyển mạch gói tốc độ cao (HSCSD), dichụ vụ vô tuyến nói chung (GPRS), tốc độ dự liệu nâng cao cho sự phát triển GSM hay toàn cầu (EDGE). å HSCSD là phương thức đơn giản nhất để nâng cao tốc độ. Thay vì một khe thời gian (Ts), một trạm di động có thể sử dụng một số khe để kết nối dữ liệu. Trong các ứng dụng thương mại hiện nay, thông thường sử dụng tối đa 4Ts, 1Ts có thể sử dụng hoặc tốc độ 9,6 kbps. Đây là cách không tốn kém nhằm tăng dung lượng dữ liệu chỉ bằng cách nâng cao phần mềm của mạng. Nhưng nhược điểm lớn nhất của nó là cách sử dụng tài nguyên vô tuyến. Bởi vậy đây là hình thức chuyển mạch kênh, HSCSD chỉ định việc sử dụng các Ts một cách liên tục, them chí ngay cả khi không có tín hiệu trên đường truyền. å Giải pháp tiếp theo là GPRS và dường như là giải pháp được nhiều nhà cung cấp dịch vụ lực chọn. Tốc độ dữ liệu có thể lên tới 115,2 Kbps bằng việc ding 8Ts. Nó được quan tâm vì là hệ thống chuyển mạch gói, do đó nó không sử dụng tài nguyên vô tuến một cách liên tục mà chỉ thực hiện khi có thông tin cần gửi đi. GPRS đặc biệt thích hợp với các ứng dụng phi thời gian thực như email và lướt Web. Triển khai hệ thống này thì tốn kém hơn hệ thống HSCSD. Mạng này cần các thành phần mới cũng như cần sửa đổi các thành phần hiện có nhưng nó được xem là bước đi cần thiết để tiến tới tăng dung lượng, dịch vụ. Một mạng GMS mà không có khả năng GPRS thì sẽ không tồn tại lâu trong tương lai. ở Việt Nam, quý IV năm 2005 Vinaphone và Mobiphone cũng đã triển khai GPRS. å Bước tiếp theo là cải tiến GSM thành tốc độ dữ liệu nâng cao cho sự phát triển GSM hay toàn cầu (EDGE), tăng tốc độ dữ liệu lên tới 384 Kbps với 8Ts thay vì 14,4 Kbps cho mỗi Ts, EDGE đạt tới 48 Kbps cho mỗi Ts. ý tưởng của EDGE là sử dụng phương pháp điều chế mới được gọi là 8 PSK. EDGE là một phương thức nâng cấp hấp dẫn đối với mạng GSM vì nó chỉ yêu cầu một phần mềm nâng cấp trạm gốc. Nó không thay thế hay nói đúng hơn cùng tồn tại với phương pháp điều chế khoá dịch tối thiểu Gausian (GMSK), được sử dụng trong GSM, nên các thuê bao có thể sử dụng máy di động cũ của mình nếu không cần được cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn. Xét trên khía cạnh kỹ thuật, cũng cần giữ GMSK. Nếu EDGE được sử dụng cùng với GPRS thì sự kết hợp này được gọi là GPRS nâng cấp (EGPRS) còn sự kết hợp của EDGE và HSCSD được gọi là CSD. WCDMA thực sự là một dịch vụ vô tuến băng thông rộng sử dụng băngg tần 5Mhz để đạt được tốc độ dữ liệu lên tới 2 Mbps. Rb £ 384 Kbps. Hiện ytại cả Châu Âu và Nhật Bản đều đang thử nghiệm hoặc triển khai WCDMA và công nghệ này đang tiến triển nhanh trên cong đường thương mại hoá. 1.1.2. Đặc điểm truyền sóng trong thông tin di động Đặc tính truyền sóng trong thông tin di động là tín hiệu thu được ở máy thu bị thay đổi so với tín hiệu đã được phát đi cả về tần số, biên độ, pha và độ trễ. Các thay đổi này có tính chất rất phức tạp, mang nặng tính ngẫu nhiên. Sự tác động của chúng tới chất lượng liên lạc phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố khác nhau như địa hình, khoảng cách liên lạc, dải tần, khí quyển, tốc độ truyền tin, tốc độ di chuyển của trạm di động, mật độ thuê bao trên một đơn vị tần số trong một đơn vị diện tích, ăngten, công suất phát, sơ đồ điều chế… Tuy nhiên, về cơ bản chúng ta có thể phân chia một cách vắn tắt các ảnh hưởng truyền sóng này thành: ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler, tổn hao đường truyền, pha đinh đa đường và trải trễ. ö Hiệu ứng Doppler: là sự thay đổi tần số của tín hiệu thu đựơc so với tín hiệu đã đựơc phát đi, gây bởi chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu trong qúa trình truyền sóng. Giả sử một sóng mang không bị điều chế có tần số fc, được phát tới một máy thu đang di động với vận tốc v. Tại máy thu, tần số của tín hiệu nhận được theo tia sóng thứ i sẽ là f = fc + fmcosai , trong đó ai là góc tói của tia sóng thứ i so với hướng chuyển động của máy thu, fm là lượng dịch tần Doppler, fm = v.fc/c, với c là vận tốc ánh sáng. Tổng hợp tác động của mọi tia sóng tới máy thu theo mọi góc khác nhau trong trường hợp tín hiệu phát là một sóng mang đơn không điều chế dẫn tới tín hiệu nhận được tại máy thu là một tín hiệu trải rộng về tần số với độ rộng băng tần WD lên tới 2fm (tín hiệu thu được trong trường hợp này có tần số từ fc - Ws/2 tới fc + Ws/2) thì tín hiệu nhận đựơc sẽ trải ra trên một dải tần số có độ rộng tới cỡ Ws+WD với tần số trung tâm có thể khác với fc. Như vậy, hiệu ứng Doppler có thể gây nên suy giảm chất lượng liên lạc một cách trầm trọng. Chỉ trong trường hợp máy thu đứng yên so với máy phát (v=0) hoặc máy thu đang chuyển động vuông góc với góc của tín hiệu (cosai=0) thì tần số tín hiệu thu mới không bị thay đổi so với tần số tín hiệu phát. Tuy nhiên, đối với thông tin di động, việc máy thu đứng yên so với máy phát không có nghĩa là không xảy ra hiện ứng Doppler. Các tia sóng từ các vật phản xạ di động như xe cộ, người đi lại… vẫn có thể gây nên tác động Doppler tới tín hiệu thu đựơc tại máy thu. Hiệu ứng Doppler xảy ra mạnh nhất khi máy thu di động theo phương của tia sóng tới (cosai=±1). Điều này thường xảy ra trong thông tin di động khi máy thu đặt trên xe di chuyển trên các xa lộ, còn các ăngten trạm phát thì được bố trí dọc theo xa lộ ( đựơc gắn trên các cầu vượt ngang qua xa lộ chẳng hạn). ö Tổn hao đường truyền: Tổn hao đường truyền là lượng suy giảm mức điện thu so với mức điện phát. Trong không gian truyền sóng tự do, mức điện trung bình của tín hiệu thu giảm dần theo bình phương khoảng cách từ máy phát tới máy thu do công suất tín hiệu trên một đơn vị diện tích của mặt cầu sóng giảm dần theo bình phương khoảng cách giữa các ăngten thu và phát. Trong thông tin di động trong môi trường khí quyển gần mặt đất, do hấp thụ của môi trường truyền, do che khuất…tổn hao đường truyền có thể lớn hơn rất nhiều tổn hao trong đìêu kiện truyền sóng trong không gian tự do. Tổn hao đường truyền phụ thuộc tần số bức xạ, địa hình, tính chất môi trường, mức độ di động của các chướng ngại, độ cao ăngten, loại ăngten… Trong thông tin vô tuyến tế bào, trong nhiều trường hợp tổn hao đường truyền tuân theo luật mũ 4, tức là tăng tỷ lệ với luỹ thừa 4 của khoảng cách. Về nguyên tắc, tổn hao đường truyền hạn chế kích thước tế bào và cự ly liên lạc, song trong nhiều trường hợp ta có thể lợi dụng tính chất của tổn hao đường truyền để phân chia hiệu quả các tế bào, cho phép tái dụng tần số một cách hữu hiệu làm tăng hiệu quả sử dụng tần số. ö Pha đinh: Trong những quãng cách tương đối ngắn mức tín hiệu thu tring bình có thể xem là hằng số, tuy nhiên mức điện tức thời của tín hiệu thu lại ăngten thu lại có thể thăng giáng nhanh với mức thay đổi tiêu biểu lên tới 40dB. Những thay đổi nhanh mức điện thu tức thời này được gọi là pha-đinh nhanh. Giả sử một trạm cố định phát một sóng mang không bị điều chế, trạm thu di động sẽ thu được không chỉ một thành phần sóng mang đã được phát đó mà là cả một tổ hợp các tia sóng do tín hiệu bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ bởi các cao ốc và các chướng ngại linh tinh khác trong vùng truyền sóng trước khi tới máy thu. Thực tế, trong hầu hết các môi trường, mỗi tia sóng thu được tại máy thu di động đều phải chịu những thay đổi (phụ thuộc vào đường đi của nó) về pha, độ trễ, biên độ cũng như lượng dịch tần Doppler. Kết quả là tín hiệu mà trạm di động thu được có thể khác một cách căn bản với sóng mang đã phát. Trong trường hợp nghiêm trọng, tổng véctơ của các tín hiệu tới theo nhiều tia có thể giảm tới một giá trị rất thấp. Hiện tượng này gọi là pha-đinh đa đường (multipath fadinh). Khi máy di động di chuyển, mức điện thu bị pha-đinh theo từng quãng cách nhau nửa bước sóng dọc theo hành trình của nó. Một khi pha-đinh rất sâu xảy ra, tín hiệu thu được có thể giảm tới không, tỷ số tín/tạp có thể giảm xuống nhỏ hơn 0 dB, khi đó đầu ra máy thu hoàn toàn tuỳ thuộc vào nhiễu của kênh. ö Hiện tượng trải trễ: Trong thực tế, sóng mang được điều chế. Trong thông tin di động số, ảnh hưởng của đặc tính truyền dẫn đa đường còn phụ thuộc nhiều vào tỷ số giữa độ dài một dấu (symbol) và độ trải trễ (deley spread) của kênh vô tuyến biến đổi theo thời gian. Độ trải trễ có thể xem như độ dài của tín hiệu thu được khi một xung cực hẹp được truyền đi. Nếu số liệu được truyền với tốc độ thấp thì sự trải trễ có thể giải quyết được dễ dàng tại phần thu. Đó là vì sự bành trướng của một xung số liệu do truyền theo nhiều tia sóng khác nhau thì kết thúc trước khi xung tiếp theo được phát đi. Tuy thế nếu ta cứ tăng tốc độ truyền số liệu lên mãi thì tới một lúc mỗi symbol số liệu sẽ trải hẳn sang các symbol số liệu lân cận, tạo ra xuyên nhiễu giữa các dấu ISI (InterSymbol Interference). Nếu không có các mạch san bằng kênh nhằm loại bỏ ISI thì tỷ lệ bít BER (Bit-Error Ratio) có thể sẽ lớn tới mức không chấp nhận được. Giả sử ta vẫn cứ truyền số liệu với tốc độ lớn song đưa máy di động lại đủ gần trạm cố định đồng thời giảm một cách thích hợp công suất phát (tức là nếu thu hẹp kích thước tế bào) thì trải trễ nhìn chung là nhỏ. Khi đó ISI sẽ còn không đáng kể và do vậy không cần đến san bằng kênh. Pha-đinh được gọi là phẳng nếu nó xảy ra như nhau suốt cả dải tần số của kênh. Pha-đinh là chọn lọc theo tần số khi nó xảy ra không đồng đều trong dải tần số của kênh. Như vậy, kích thước tế bào có ảnh hưởng rất quan trọng tới đặc điểm truyền sóng. Đối với các tế bào có kích thước lớn, các mạch san bằng kênh là bắt buộc ngay cả khi truyền tốc độ thấp (vài chục kb/s). Ngược lại, với các siêu vi tế bào (picocell) trong đó trải trễ nhỏ hơn 1ms nhiều, pha-đinh là phẳng ngay cả với tốc độ số liệu vài choc Mb/s, khi đó mạch san bằng kênh là không cần thiết. ở đây cần nhấn mạnh thêm rằng việc có được đường nhìn thẳng LOS (Line-Of-Sight) giữa máy thu và máy phát (thường xảy ra trong các vi tế bào) có ý nghĩa cải thiện chất lượng liên lạc đặc biệt. 1.1.3. Phân loại các hệ thống thông tin vô tuyến di động: a. Phân loại theo cấu trúc: ö Viễn thông không dây CT (Cordless Telecommunication): các mạng không dây được thiết kế cho thông tin di động phủ sóng trên những khoảng cách tương đối nhỏ như trong các môi trường công sở, nhà máy… Do kích thước tế bào nhỏ, tốc độ truyền số liệu có thể khá cao mà không cần các mạch san bằng phức tạp, them chí cũng không nhất thiết phải áp dụng mã hoá kênh. Các mạng không dây tiêu biểu là DECT (Digital European Cordless Telecommunications) của Châu Âu, CT-2 của Anh… ö Vành vô tuyến nội hạt WLL (Wireless Local Loop): Được sử dụng để thực hiện nối các thuê bao hiện diện trong một vành đai đại lý quanh một trạm gốc đơn tới mạng liên lạc công cộng bằng các thiết bị vô tuyến. Chất lượng liên lạc, độ an toàn thông tin của vành vô tuyến nội hạt thì cũng tương tự như của mạng thuê bao hữu tuyến. Tuỳ lĩnh vực áp dụng, cự ly liên lạc có thể là 200 m đến 500 m trong địa hình đô thị va có thể tới 20 km trong vùng nông thôn. Thủ tục lắp đặt nhanh chóng, lắp đặt, bảo trì và điều phối khá rẻ. Tại những vùng nông thôn hoặc ngoại ô hẻo lánh, nơi có mật độ thuê bao thấp, khi việc lắp đặt các đường dây thuê bao biện thoại mới không mấy kinh tế thì vành vô tuyến nội hạt trở nên rât hiệu quả. b. Phân loại theo đặc tính: ö Vô tuyến di động tương tự: là các hệ thống điện thoại di động thế hệ thứ nhất. Tín hiệu thoại là tín hiệu tương tự, điều chế FSK (Frequency Shif Keying). Phương thức đa truy nhập chủ yếu là FDMA. Các kênh điều khiển thì đã được số hoá. ö Vô tuyến di động số: cả tín hiệu thoại lẫn các kênh điều khiển đều là tín hiệu số. Ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống vô tuyến di động số cónf cho phép khai thác một loạt các dịch vụ khác như truyền các tin ngắn, truyền fax, truyền số liệu… Tốc độ truyền cao và có khả năng mã hoá thông tin. c. Phân loại theo phương thức đa truy nhập: ö Đa truy nhập theo tần số (FDMA): Được sử dụng chủ yếu trong thông tin di động thế hệ thứ nhất, trong đó hai dải tần số có độ rộng W được sử dụng cho đường xuống (down-link) từ BS tới MS và đường lên (up-link) từ MS tới BC. Với mỗi một hướng liên lạc, mỗi một người sử dụng chiếm một dải tần con có độ rộng W/N gọi là kênh và sử dụng kênh đó trong suốt thời gian liên lạc. Đặc điểm của phương thức đa truy nhập theo tần số là tốc độ truyền thấp, khó áp dụng các dịch phụ phi thoại, hiệu quả sử dụng tần số thấp, có bao nhiêu kênh trong một tế bào thì phải có bấy nhiêu máy thu- phát làm việc trên bấy nhiêu tần số đặt tại BS, do đó kết cấu BS cồng kềnh. Thời gian FDMA Tần số N 1 i i i Hình 1.3. Đa truy nhập theo tần số ö Đa truy nhập theo thời gian (TDMA): Được sử dụng trong hầu hết các hệ thống vô tuyến di động thế hệ hai, hoàn toàn số hoá. Với loại đa truy nhập theo thời gian này, mỗi người sử dụng chiếm cả giải tần W trong một khe thời gian nhất định, tuần hoàn trong suốt thời gian liên lạc. Đặc điểm: dễ dàng mở các dịch vụ phi thoại, thiết bị trạm BS khá đơn giản do chỉ cần một máy thu phát làm việc trên một cặp tần số ứng với các đường lên, xuống cho nhiều người sử dụng, hiệu quả sử dụng tấn số cao hơn so với các hệ thống CDMA. Đối với loại đa truy nhập này do tốc độ truyền số liệu khá cao, ISI tồn tại trong quá trình liên lạc, do đó trong nhiều trường hợp các mạch san bằng khá phức tạp là cần thiết. Đồng bộ cũng là một vấn đề đối với phương thức đa truy nhập này. Tần số Thời gian TDMA N 1 iii Hình 1.4. Đa truy nhập theo thời gian ö Đa truy nhập theo mã (CDMA): Là một dạng của đa truy nhập sử dụng kỹ thuật trải phổ SSMA (Spread Spectrum Meltiple Access), trong đó mỗi một người sử dụng toàn bộ phổ tần như với TDMA, trong toàn bộ thời gian của cuộc gọi như đối với FDMA. Các người sử dụng được phân biệt với nhau nhờ việc sử dụng các mã giả nhiễu PN (Pseudo Noise) khác nhau. Các ưu điểm nổi bật của CDMA là hiệu sử dụng phổ rất cao, khả năng tái sử dụng tần số rất cao, phương án bố trí tần số sử dụng trong các tế bào rất đơn giản, độ an toàn thông tin và khả năng làm việc trong các tế bào rất đơn giản, độ an toàn thông tin và khả năng làm việc trong các điều kiện nhiễu mạnh rất cao…Mặc dầu có các ưu điểm nổi bật như vậy, cho đến nay CDMA chỉ được sử dụng ở một số hạn chế các hệ thống do các vấn đề liên quan tới điều khiển công suất, đồng bộ và việc tìm ra các mã PN cung cấp số kênh lớn. Cũng cần phải nhấn mạnh thêm rằng, do hoàn cảnh lịch sử, hệ thống GSM (TDMA) ra đời trước và đã được chấp nhận ở Châu Âu và nhiều nước khác trên thế giới, bảo đảm tính lưu động (roaming) quốc tế trên một diện rất rộng trên toàn cầu nên khả năng chiếm lĩnh thị trường và cạnh tranh của các hệ thống CDMA thế hệ thứ hai hiện thời còn chưa cao. Tuy nhiên, trong tương lai rất gần khi nhu cầu về thuê bao di động cũng như các nhu cầu liên lạc đa dịch vụ tăng lên rất lớn, các biện pháp và công nghệ đủ mạnh thì các hệ thống CDMA sẽ chiếm lĩnh ưu thế tuyệt đối. Phương thức đa truy nhập CDMA đã được lựa chọn sử dụng trong nhiều tiêu chuẩn thông tin di động 3G (WCDMA hay CDMA2000…). Theo ý kiến của các nhà chuyên gia hàng đầu thế giới, các thế hệ tiếp theo của thông tin di động sẽ là các hệ thống CDMA và các phát triển của nó. Thời gian Mã N 1 Tần số CDMA Hình 1.5. Đa truy nhập theo mã 1.2. Các đặc tính có bản của thông tin di động Ngoài nhiệm vụ phải cung cấp các dịch vụ như mạng điện thoại cố định thông thường, các mạng thông tin di động phải cung cấp các dịch vụ đặc thù cho mạng di động để đảm bảo thông tin mọi lúc mọi nơi. Để đảm bảo các chức năng trên thì các mạng thông tin di động phải đảm bảo một số đặc tính cơ bản chung sau đây: å Sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát để đạt được dung lượng cao do sự hạn chế của dải tần vô tuyến sử dụng cho thông tin di động. å Đảm bảo chất lượng truyền dẫn yêu cầu. Do truyền dẫn được thực hiện bằng vô tuyến là môi trường truyền dẫn hở nên tín hiệu dễ bị ảnh hưởng của nhiễu và pha đinh. Các hệ thống thông tin di động phải có khả năng hạn chế tối đa các ảnh hưởng này. Ngoài ra để tiết kiệm băng tần ở mạng thông tin di động số chỉ có thể sử dụng các Codec tốc độ thấp. Nên phải thiết kế các Codec này theo các công nghệ đặc biệt để được chất lượng truyền dẫn cao. å Đảm bảo an toàn thông tin tốt nhất. Môi trường truyền dẫn vô tuyến là môi trường rất dễ bị nghe trộm và sử dụng trộm đường truyền nên cần phải có biện pháp đặc biệt để đảm bảo an toàn thông tin. Để đảm bảo quyền lợi của người thuê bao cần phải giữ bí mật số nhận dạng thuê bao và kiểm tra tính hợp lệ của mỗi người sử dụng khi họ truy nhập mạng. Để chống nghe trộm cần mật mã hoá thông tin của người sử dụng. ở các hệ thống thông tin di động mỗi người có một khoá nhận dạng bí mật riêng được lưu giữ ở bộ nhớ an toàn. ở hệ thống GSM SIM-CARD được sử dụng. SIM-CARD có kích thứơc như một thẻ tín dụng. Người thuê bao có thể cắm thể này vào máy di động của mình và chỉ có người này có thể sử dụng nó. Các thông tin lưu giữ ở SIM-CARD cho phép thực hiện các thủ tục an toàn thông tin. å Giảm tối đa rớt các cuộc gọi khi thuê bao di động chuyển từ vùng phủ này sang vùng phủ khác. å Cho phép phát triển các dịch vụ mới, nhất là các dịch vụ phi thoại. å Để mang tính toàn cầu phải cho phép chuyển mạng quốc tế (International Roarming). å Các thiết bị cầm tay phải gọn nhẹ và tiêu thụ ít năng lượng. 1.3. Cấu trúc chung hệ thống thông tin di động GSM 1.3.1. Sơ đồ khối của hệ thống thông tin di động GSM AUC HLR MSC VLR EIR BSC BTS MS OMC ISDN SS PSPDN CSPDN PSTN PLMN BSS Hình1.4. Mô hình của hệ thống GSM ------- Truyền báo hiệu _____ Truyền lưu lượng AUC: Trung tâm nhận thực VLR: Bộ ghi định vị tạm trú MSC: Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động BTS: Trạm thu phát gốc SS: Hệ thống con chuyển mạch ISDN: Mạng liên kết số đa dcịh vụ CSPDN: Mạng số liệu cộng chuyển mạch theo mạch PLMN: Mạng di động công cộng mặt đất HLR: Bộ ghi định vị thường trú EIR: Bộ ghi nhận dạng thiết bị BSC: Bộ điều khiển trạm gốc MS: Trạm di động OMC: Trung tâm khai thác và bảo dưỡng BSS: Hệ thống con trạm gốc PSPDN: Mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói PSTN: Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng 1.3.2. Chức năng của các thành phần trong mạng GSM 1.3.2.1. Hệ thống con chuyển mạch SS Hệ thống con chuyển mạch SS (Switching Subsystem) bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của GSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý di động của thuê bao. Chức năng chính của SS là quản lý thông tin giữa những người sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác. 1.3.2.2. Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC Ở hệ thống SS chức năng chuyển mạch chính được thực hiện bởi MSC (Mobile Services Switching Center), nhiệm vụ chính của MSC là điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến các người sử dụng mạng thông tin di động. Một mặt MSC giao diện với BSC, mặt khác nó giao diện với mạng ngoài. MSC làm nhiệm vụ giao diện với mạng ngoài được gọi là MSC cổng. Việc giao diện với mạng ngoài để đảm bào thông tin cho các người sử dụng mạng thông tin di động đòi hỏi cổng thích ứng IWF (Inter Working Function: Các chức năng tương tác). MSC thường là một tổng dài lớn điều khiển và quản lý một số các bộ điều khiển trạm gốc. Một BSC thích hợp cho một vùng đô thị và ngoại ô có dân cư vào khoảng một triệu người. Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của mạng thông tin di động với các mạng này. Các thích ứng này được gọi là các chức năng tương tác (IWF). IWF bao gồm một thiết bị để thích ứng giao thức và truyền dẫn. 1.3.2.3. Bộ ghi dịch tạm trú VLR VLR (Visitor Location Register) là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng thông tin di động. Nó được nối với một hay nhiều MSC và có nhiệm vụ lưu giữ tạm thời số liệu thuê bao của các thuê bao hiện đang nằm trong vùng phục vụ của MSC tương ứng và đồng thời lưu giữ số liệu về vị trí của các thuê bao nói trên ở mức độ chính xác hơn HLR. Các chức năng VLR thưòng được liên kết với các chức năng MSC. 1.3.2.4. Bộ ghi định vị thường trú HLR Ngoài MSC, mạng thông tin di động bao gồm cả các cơ sở dữ liệu. Các thông tin liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông được lưu giữ ở HLR (Home Location Register) không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao. Thường HLR là một máy tính đứng riêng không có khả năng chuyển mạch và có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao. Một chức năng con của HLR là nhận dạng trung tâm nhận thực AUC, nhiệm vụ của trung tâm này quản lý an toàn số liệu của các thuê bao được phép. 1.3.2.5. Quản lý thuê bao và trung tâm nhận thực AUC Quản lý thuê bao gồm các hoạt động quản lý đăng ký thuê bao. Nhiệm vụ đầu tiên là nhập và xoá thuê bao khỏi mạng. Đăng ký thuê bao cũng có thể rất phức tạp, bao gồm nhiều dịch vụ và các tính năng bổ sung. Nhà khai thác phải truy nhập được tất cả các thông số nói trên. Một nhiệm vụ quan trọng khác của khai thác là tính cước các cuộc gọi. Cước phí phải được tính và gửi đến thuê bao. Việc quản lý thuê bao được thực hiện thông qua một khoá nhận dạng bí mật duy nhất cho từng thuê bao. AUC (Authentication Center) quản lý các thông tin nhận thực và mật mã liên quan đến từng cá nhân thuê bao dựa trên khoá bí mật này. AUC có thể được đặt trong HLR hay MSC hay độc lập với cả hai. Khoá này cũng được lưu giữ vĩnh cửu và bí mật trong bộ nhớ ở MS. 1.3.2.6. Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR Quản lý thiết bị di động được thực hiện bởi bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR (Equipment Identity Register). EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến trmj di động MS. EIR được nối đến MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra sự được phép của thiết bị. Một thiết bị không được phép sẽ bị cấm. 1.3.2.7. Tổng đài cổng GMSC Mạng thông tin di động có thể chứa nhiều MSC, VLR, HLR. Để thiết lập một cuộc gọi từ mạng ngoài đến người sử dụng thông tin di động, trước hết cuộc gọi phải được định tuyến đến một tổng đài cổng được gọi là GMSC mà không cần biết đến hiện thời thuê bao đang ở đâu. Các tổng đài có nhiệm vụ lấy thông tin về vị trí của thuê bao và định tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lý thuê bao ở thời điểm hiện thời (MSC tạm trú). Để vậy trước hết các tổng đài cổng phải dựa trên số thoại danh bạ của thuê bao để tìm đúng HLR cần thiết và hỏi HLR này. Tổng đài cổng có một giao tiếp với các mạng bên ngoài, thông qua giao tiếp này nó làm nhiệm vụ cổng để kết nối với các mạng bên ngoài với mạng thông tin di động. Ngoài ra tổng đài này cũng có giao diện báo hiệu số 7 (CCS No7) để có thể tương tác với các phần tử khác của SS. Về phương diện kinh tế không phải bao giờ tổng đài cổng cũng đứng riêng mà nó thường được kết hợp với MSC. 1.3.3. Hệ thống trạm gốc BSS 1.3.3.1. Bộ điều khiển trạm gốc BSC BSC (Base Station Controller) có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa của BTS và MS. Các lệnh này chủ yếu là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao (Handover). Một phía BSC được nối với BTS còn phía kia nối với MSC. Trong thực tế BSC là một tổng đài nhỏ có khả năng tính toán đáng kể. Vai trò chủ yếu của nó là quản lý các kênh giao diện vô tuyến và chuyển giao (Handover). Một BSC trung bình có thể quản lý tới vài chục BTS phụ thuộc vào lưu lượng của các BTS này. BSC cũng có thể kết hợp chung với BSC vào một trạm gốc. Giao diện giữa BSC với MSC được gọi là giao diện A, còn giao diện giữa nó với BTS được gọi là giao diện Abis. 1.3.3.2. Trạm thu phát gốc BTS Một BTS (Base Transceiver Station) bao gồm các thiết bị phát thu, anten và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến. Có thể coi BTS là các modem vô tuyến phức tạp có thêm một số các chức năng khác. Một bộ phận quan trọng của BTS là TRAU (Transcoder/Adapter Rate Unit: khối chuyển đổi mã và tốc độ). TRAU là thiết bị mà ở đó quá trình mã hoá và giải mã tiếng đặc thù riêng cho hệ thống di động được tiến hành, ở đây cũng thực hiện thích ứng tốc độ trong trường hợp truyền số liệu. TRAU là một bộ phận của BTS nhưng cũng có thể đặt nó cách xa BTS và thậm chí trong nhiều trường hợp được đặt giữa BSC và MSC. 1.3.4. Phân hệ khai thác và bảo dưỡng OSS 1.3.4.1. Khai thác và bảo dưỡng Hệ thống khai thác OS (Operation System) thực hiện khai thác và bảo dưỡng tập trung cho mạng thông tin di động. Khai thác là các hoạt dộng cho phép nhà khai thác mạng theo dõi hành vi của mạng như: tải của hệ thống, mức độ chặn, số lượng chuyển giao giữa hai ô…nhờ vậy nhà khai thác có thể giám sát được toàn bộ chất lượng của dịch vụ mà họ cung cấp cho khách hàng và kịp thời xử lý các sự cố. Khai thác cũng bao gồm việc thay đổi cấu hình để giảm những vấn đề xuất hiện ở thời điểm hiện thời, để chuẩn bị tăng lưu lượng trong tương lai, tăng vùng phủ. Việc thay đổi mạng có thể thực hiện “mềm” qua báo hiệu ( chẳng hạn thay đổi thông số handover để thay đổi biên giới tương quan giữa hai ô), hoặc thực hiện cứng đòi hỏi sự can thiệp hiện trường (chẳng hạn bổ sung thêm dung lượng truyền dẫn hay lắp đặt một trạm mới). ở hệ thống viễn thông hiện đại khai thác được thực hiện bằng máy tính và được tập trung ở một trạm. Bảo dưỡng có nhiệm vụ phát hiện, định vị và sửa chữa sự cố, hỏng hóc. Nó có một số quan hệ với khai thác. Các thiết bị ở mạng viễn thông hiện đại có khả năng tự phát hiện một số sự cố hay dự báo sự cố thông qua tự kiểm tra. Trong nhiều trường hợp người ta dự phòng cho thiết bị để khi có sự cố có thể thay thế bằng thiết bị dự phòng. Sự thay thế có thể thực hiện tự động, ngoài ra việc giảm nhẹ sự cố có thể được thực hiện bởi người khai thác bằng điều khiển từ xa. Bảo dưỡng cũng bao gồm cả các hoạt động tại hiện trường nhằm thay thế thiết bị bị sự cố. 1.3.4.2. Quản lý thuê bao Bao gồm các hoạt động quản lý đăng ký thuê bao. Nhiệm vụ đầu tiên là nhập và xoá thuê bao khỏi mạng. Đăng ký thuê bao cũng có thể rất phức tạp, bao gồm nhiều dịch vụ và các tính năng bổ sung. Nhà khai thác phải có thể thâm nhập được tất cả các thông số nói trên. Một nhiệm vụ quan trọng khác của khai thác là tính cước các cuộc gọi. Cước phí phải được tính và gửi đến thuê bao. Quản lý thuê bao ở mạnh GSM chỉ liên quan đến HLR và một số thiết bị OSS riêng chẳng hạn mạng nối HLR với các thiết bị giao tiếp người máy ở các trung tâm giao dịch với thuê bao. Sim card cũng đóng vai trò như một bộ phận của hệ thống quản lý thuê bao. 1.3.4.3. Quản lý thiết bị di động MS Quản lý thiết bị di động được bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR thực hiện. EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến trạm di động MS. EIR được nối đến MSC quan đường báo hiệu để kiểm tra sự được phép của thiết bị. Một thiết bị không được phép sẽ bị cấm. 1.3.5. Máy di động MS MS (Mobile Station) là thiết bị duy nhất mà người sử dụng có thể thường xuyên nhìn thấy của hệ thống. MS có thể là thiết bị đặt trong ô tô hay thiết bị xách tay hoặc thiết bị cầm tay. Loại thiết bị nhỏ cầm tay sẽ là thiết bị trạm di động phổ biến nhất. Ngoài việc chứa các chức năng vô tuyến chung và xử lý cho giao diện vô tuyến MS còn phải cung cấp các giao diện với người sử dụng (như: micro, loa, màn hiển thị, bàn phím để quản lý cuộc gọi) hoặc giao diện với một số thiết bị khác (như: giao diện với máy tính cá nhân, FAX…). Hiện nay người ta đang cố gắng sản xuất các thiết bị đầu cuối gọn nhẹ để nối với trạm di động. Chức năng chính của các thiết bị đầu cuối gồm: - Thiết bị đầu cuối (TE) thực hiện các chức năng không liên quan đến mạng di động: FAX, máy tính. - Kết cuối trạm di động (MT) thực hiện các chức năng liên quan đến truyền dẫn ở giao diện vô tuyến. - Bộ thích ứng đầu cuối (TAF) làm việc như một cửa nối thông thiết bị đầu cuối với kết cuối di đông. 1.3.6. Cấu trúc địa lý vùng mạng GSM Do tính chất di động của thuê bao di động nên mạng di động phải được tổ chức theo một cấu trúc địa lý nhất định sao cho nó có thể theo dõi được vị trí của thuê bao. 1.3.6.1. Phân chia theo vùng mạng: Trong một quốc gia có thể có nhiều vùng mạng viễn thông, việc gọi vào một vùng mạng nào đó phải được thực hiện thông qua tổng đài cổng. Các vùng mạng di động được đại diện bằng tổng đài cổng GMSC. Tất cả các cuộc gọi đến một mạng di động từ một mạng khác đều được định tuyến đến GMSC. Tổng đài này làm việc như một tổng đài trung kế vào cho mạng GSM/PLMN. Đây là nơi thực hiện chức năng hỏi để định tuyến cuộc gọi kết cuối ở trạm di động. GMSC cho phép hệ thống định tuyến các cuộc gọi vào từ mạng ngoài đến nơi nhận cuối cùng: các trạm di động bị gọi. 1.3.6.2. Phân chia theo vùng phục vụ MSC/VLR: Một mạng thông tin di động được phân chia thành nhiều vùng nhỏ hơn, mỗi vùng nhỏ này được phục vụ bởi một MSC/VLR. Ta gọi đây là vùng phục vụ của MSC/VLR. Để định tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động, đường truyền qua mạng sẽ được nối đến MSC đang phục vụ thuê bao di động cần gọi. ở mỗi vùng phục vụ MSC/VLR thông tin về thuê bao được ghi lại tạm thời ở VLR. Thông tin này bao gồm hai loại: - Thông tin về đăng ký và các dịch vụ của thuê bao. - Thông tin về vị trí thuê bao (thuê bao đang ở vùng định vị nào). MSC VLR III MSC VLR IV MSC VLR MSC VLR II I GMSC Hình 1.5. Phân chia theo vùng phục vụ MSC/VLR 1.3.6.3. Phân chia theo vùng định vị: Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR được chia thành một số vùng định vị LA (Location Area). Vùng định vị là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR mà ở đó một trạm di động có thể chuyển động tự do và không cần cập nhật thông tin về vị trí cho MSC/VLR quản lý vị trí này. Có thể nói vùng định vị là vị trí cụ thể nhất của trạm di động mà mạng cần biết để định tuyến cho một cuộc gọi đến nó. Ở vùng định vị này thông báo tìm sẽ được phát quảng bá để tìm thuê bao di động bị gọi. Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng định vị (LAI: Location Area Identity). Vùng định vị có thể bao gồm một số ô và thuộc một hay nhiều BSC, nhưng chỉ phụ thuộc một MSC. LA1 LA2 LA3 LA4 LA5 LA6 MSC VLR Hình 1.6. Phân chia vùng MSC/VLR thành các vùng định vị LA 1.3.6.4. Phân chia theo ô (Cell): Vùng định vị được chia thành một số ô. Ô là một vùng phủ vô tuyến được mạng nhận dạng bằng nhận dạng ô toàn cầu (CGI: Cell Global Identity). Trạm di động nhận dạng ô bằng mã nhận dạng trạm gốc (BSIC: Base Station Identity Code). Vùng phủ của các ô thường được mô phỏng bằng hình lục giác để tiện cho việc tính toán thiết kế. LA1 LA2 LA3 LA4 LA5 LA6 MSC VLR Ô1 Ô4 Ô2 Ô5 Ô3 Hình 1.7. Phân chia vùng thành các ô CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3G 2.1. Tổng quan Tốc độ bit Vùng rộng/ Tốc độ di động cao Cố định/ Tốc độ di động thấp Cơ sở 2G (GSM, IS-95, IS-136, PDC) 2G (GSM, HSCSD và GPRS , IS -95B) GSM IMT-2000 10 Kbit/s 384 Kbit/s 144 Kbit/s 2 Mbit/s Các hệ thống thông tin di động hiện nay đang ở gian đoạn chuyển từ thế hệ hai cộng sang thế hệ ba, để đáp ứng các nhu cầu ngày càng tăng về dịch vụ thông tin di động ngay từ những năm đầu của thập niên 90 người ta đã tiến hành nghiên cứu hệ thống thông tin di động thế hệ ba. Bộ phận tiêu chuẩn của ITU-R (International Telecommunication Union Radio Sector : Liên minh viễn thông quốc tế- Bộ phận vô tuyến) đã xây dựng các tiêu chuẩn cho IMT-2000 (International Mobile Telecommunications -2000). IMT-2000 đã mở rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ và bao phủ một vùng rộng lớn các môi trường thông tin. Mục đích của IMT-2000 đã đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ hai. Thông tin di động thế hệ ba xây dựng trên cở sở IMT 2000 sẽ phải là thế hệ thông tin di động cho các dich vụ di động truyền thông cá nhân đa phương tiện. Hình 2.1. Sơ đồ bước tiến công nghệ CDMA băng rộng Hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G) xây dựng trên cơ sở IMT-2000 sẽ được đưa vào sử dụng và phục vụ từ những năm 2001. Các hệ thống thông tin di động 3G sẽ cung cấp rất nhiều loại hình dịch vụ viễn thông bao gồm : Thông tin thoại, số liệu tốc độ bít thấp và bít cao, đa phương tiện, video cho người sử dụng làm việc cả ở môi trường công cộng lẫn tự nhiên và ở mọi nơi mọi lúc. Hệ thống thông tin di động thế hệ ba được xây dựng chủ yếu trên công nghệ CDMA, WCDMA và CDMA2000, kỹ thuật trải phổ (SS: Spreading Sprectrum), kỹ thuật xử lý số quan trọng được sử dụng cho hệ thống thông tin di động CDMA. Công nghệ CDMA với những đặc tính ưu việt của nó như chất lượng dịch vụ tốt,vùng phủ sóng rộng, dung lượng lớn, ít bị can nhiễu bởi fa-đinh, quy hoạch tần số đơn giản.... Hiện nay đang mở rộng nghiên cứu ứng dụng hệ thống CDMA trong vai trò sơ đồ đa truy nhập ở giao diện vô tuyến của IMT-2000/ UMTS. CDMA là ứng cử viên triển vọng nhất cho hệ thống thông tin cá nhân (PCS), không dây thế hệ thứ 3 (3G). Động lực hướng tới 3G là nhu cầu bức xúc về dịch vụ dữ liệu tốc độ cao và sử dụng phổ hiệu quả hơn. Từ năm 1985 ITU đã phát triển ITM-2000, từ 1990 ETSI đã bắt đầu tiêu chuẩn hoá UMTS. Mục tiêu chủ yếu của giao diện vô tuyến IMT-2000 là: å Phủ sóng và di động hoàn hảo trong thông tin di động 144Kbit/s, mong muốn đạt 384 Kbit/s. å Phủ sóng và di động hạn chế đối với thông tin 2Mbit/s. å Nâng cao được hiệu suất sử dụng phổ so với các hệ thống đã có. å Có độ linh hoạt cao để cung cấp các dịch vụ mới 2.2. Cấu trúc mạng CDMA Hiện nay mạng thông tin di động số có hai kỹ thuật truy cập chính là TDMA và CDMA. Cấu hình mạng của chúng có rất nhiều điểm chung. Tuy nhiên, do có nhiều nhà sản xuất khác nhau trên thế giới nên bản thân mạng CDMA cũng có nhiều điểm khác nhau tuỳ theo nhà sản xuất. WTP OS IWF PSPDN PSPDN PSPDN PSPDN ASS ISN MSC CSS BTS BSC MS BSM BS HLR EIR AC Quản lý di động Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc chung mạng CDMA MS: Mobile Station: Trạm di động. BS: Base Station: Trạm gốc. MSC: Mobile Switching Centre: Trung tâm chuyển mạch di động (của mạng di động) HLR: Home Location Register: Bộ đăng ký định vị thường trú. EIR: Equipment Identity Register: Thanh ghi nhận dạng thiết bị. AUC: Authentication Centre: Trung tâm nhận thực. OS: Operation System: Hệ thống điều khiển. IWF: Interworking Function: Chức năng tương tác mạng. PSTN: Mạng điện thoại công cộng. BTS: Base Station Transceiver Sybsystem: Phân hệ thu–phát của trạm gốc. BSC: Base Station Controller: Bộ điều khiển của trạm gốc. BSM: Base Station Manager: Bộ quản lý của trạm gốc. ASS: Access Switching Subsystem: Phân hệ chuyển mạch truy cập. INS: Interconnection Network Subsystem: Phân hệ liên kết mạng. CCS: Central Control Subsystem: Phân hệ điều khiển trung tâm. WTP: Wireless Personal Terminal: Thiết bị đầu cuối di động cá nhân khác. 2.2.1. Máy thuê bao di động (MS) Máy thuê bao di động MS được sử dụng để kết cuối với đường truyền vô tuyến và là thiết bị để người dùng truy cập vào mạng. MS có thể là điện thoại cầm tay hoặc cũng có thể là các thiết bị khác như: Máy tính cá nhân, máy fax,…Anten MS nối tới bộ anten song công cho phép một anten dùng chung cho cả phát và thu, điều hưởng ở kênh vô tuyến nào đó có dải thông 1,25 MHz. Sau đó, tín hiệu được chuyển xuống trung tần, được lọc và đưa đến bộ chuyển đổi ADC. Tiếp theo, tín hiệu số được đưa đến các vi mạch đặc chủng ASIC (Application Specific Intergrated Circuit). Chức năng chủ yếu của ASIC là Modem của MS (MSM – Mobile Station Modem). MSM có 3 phần chính: Các bộ giải điều chế, bộ điều chế thuê bao và bộ giải mã Viterbi. 2.2.1.1. Bộ giải điều chế. Chức năng chủ yếu của bộ giải điều chế là chức năng máy thu Rake (quét tìm). Các bộ tương quan làm việc song song ( mỗi bộ tương quan này được gọi là ngón tay – finger). Mỗi ngón tay là một bộ giải điều chế độc lập, có thể bám sát tín hiệu về mặt tần số và về mặt thời gian xác định sự tương quan của các tín hiệu thu được theo dãy PN chỉ nén phổ đối với tín hiệu trong cuộc (tức là tín hiệu nào đã được trải phổ ở máy phát bởi cùng một dãy PN). Chúng đáp ứng môi trường truyền dẫn đa đường, có tăng ích xử lý đáng kể và cải thiện S/N. Tín hiệu đầu ra các ngón tay được cộng theo tỷ lệ S/N của chúng, do đó được cực đại S/N sau khi cộng. Tín hiệu pilot phát từ trạm gốc có thể được dùng để xác định quan hệ pha sao cho việc cộng được thực hiện theo nguyên lý tương can. Ngoài ra, một bộ giải điều chế thứ tư làm nhiệm vụ quét tìm liên tục tín hiệu đa đường và gán tín hiệu mạnh nhất vào các finger, bộ giải điều chế quét tìm này cũng phục vụ việc chuyển giao. 2.2.1.2 Bộ điều chế. Bộ điều chế phục vụ việc phát, xử lý dữ liệu: Mã hoá vòng xoắn, cài xen khối và trải phổ. Công suất phát được điều khiển bởi vi xử lý điều khiển: Sau đó, tín hiệu được chuyển lên cao tần 850 MHz. Trong bộ điều chế có cả bộ giải cài xen phục vụ việc thu dữ liệu. Quá trình xử lý tín hiệu phát CDMA hướng lên (điều chế số) được trình bày kỹ trong phần Đặc tính điều chế và Tổ chức kênh. 2.2.2. Trạm gốc (BS) Trạm gốc BS một mặt kết cuối với đường truyền dẫn vô tuyến, một mặt nối đến trung tâm chuyển mạch di động (MSC), có thể nói BS đóng vai trò giao diện giữa máy di động MS và tổng đài di động MSC, cung cấp hành trình gởi các gói và như một đầu cuối cố định của giao diện vô tuyến. Nơi cung cấp các chức năng điều khiển và bao phủ vô tuyến cho một hay nhiều tế bào và các máy di động liên quan của chúng. Phân hệ BSS bao gồm: å Thiết bị điều khiển trạm gốc: BSC (Base Station Controler). å Các hệ thống con các máy thu phát của trạm gốc: BTS (Base Station Transceiver Subsystem) được bố trí ở xa. å Thiết bị quản lý trạm gốc BSM (Base Station Manager). BSM sau này trong mạng thương mại được phát triển thành trung tâm khai thác, bão dưỡng và quản lý mạng. OMC/NMC (Operation & Maintenance Center/ Network Manager Center). 2.2.2.1. Hệ thống con BTS RF BTS CD BIN GPS BCP BSC Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống con BTS RF: Khối tần số vô tuyến (Radio Frequency Block) CD: Khối xử lý số (CDMA Digital Block) BIN: Mạng liên kết BTS (BTS Interconnection Network) BCP: Bộ xử lý điều khiển BTS (BTS Control Processor) GPS: Đồng hồ hệ thống (định vị toàn cầu) (Global Positioning System) å BTS bao gồm một bộ xử lý điều khiển BCP (BTS controler processor) để thực hiện việc quản lý chung trên một BTS, một khối CD (CDMA Digital) để xử lý tín hiệu CDMA, một khối tần số vô tuyến RF, một mạng liên kết BIN (BTS Interconnection Nework) và một thiết bị định thời hệ thống, chẳng hạn như đồng hồ hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Postioning System). å Khối BCP bao gồm 1 bộ xử lý điều khiển quét SCP (Scan Control System) để liên kết khối Digital. Một tập hợp các bộ xử lý điều khiển BTS để xử lý cuộc gọi của BTS và tập hợp các bộ quản lý địa chỉ tế bào SCA để vận hành và bảo dưỡng BTS. å Khối xử lý số CD dùng để xử lý tín hiệu CDMA, đó là các công việc CODEC, MODEM, định thời, phối ghép giữa các dải quạt của BTS. å Khối RF có chức năng giữ mức tạp âm thấp, khuyếch đại, lọc, chuyển đổi tần số xuống và lên, kết hợp và phân bố đa tần. 2.2.2.2. Thiết bị điều khiển trạm gốc BSC Thiết bị điều khiển trạm gốc BSC được kết hợp cùng với tổng đài di động MSC và chịu trách nhiệm phân phối các kênh giao diện vô tuyến, điều khiển công suất và chuyển vùng mềm cho các MS trong vùng phục vụ của nó. BSC bao gồm: å Các mạng liên kết CIN (CDMA Interconnection Network) để cung cấp các đường truyền dẫn chung giữa các khối, chẳng hạn như một bộ định tuyến gói. å Các bộ chuyển mã và các bộ chọn TSB (Transcoder and Selector Bank) để mã hóa tiếng nói, phân bố các bộ chọn, đóng mở gói, điều khiển công suất và điều khiển chuyển giao cứng trong cell. å Các bộ xử lý điều khiển cuộc gọi CCP (Cell Control Processor) cấp phát và quản trị các tài nguyên, thực hiện chuyển giao mềm và điều khiển cuộc gọi. Nó còn bao gồm các khối để truyền dẫn thông tin nối tiếp với CIN và MSC. å Bộ phân chia đồng hồ CKD (Clock Distributor) đồng bộ định thời từ đồng hồ GPS cho các phần tử trong mạng. CKD TSB CCP BSC MSC BTS CIN BSMP BSM ALM Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc phân hệ BSC và BSM CIN: Mạng liên kết (CDMA Interconnection Network) CKD: Bộ phân chia đồng hồ (Clock Distributor) TSB: Bộ chuyển mã và chọn (Transcoders & Selector Bank) CCP: Bộ xử lý điều khiển cuộc gọi (Call Control Processor) BSMP: Bộ xử lý điều hành quản lý trạm gốc (Base Station Network) ALM: Cảnh báo (Alam) Các bản tin giữa BTS & BSC được truyền đi trên các tuyến T1 hoặc E1 với tốc độ là 1,544 hay 2,048 Mbps. Dòng bít các gói được chuyển từ các byte 8 bít nối tiếp thành các byte 8 bít song song ở CIN rồi chuyển đến MSC qua CCP. TSB hỗ trợ việc truyền dẫn thông tin tiếng nói giữa các khối thuê bao, xử lý thông báo giao thức CAI (giao diện vô tuyến chung) và còn cung cấp 1 đường truyền dẫn T1/ E1 giữa các tổng đài di động. 2.2.2.3. Điều hành trạm gốc BSM BSM bao gồm bộ xử lý quản trị trạm gốc BSMP (Base Station Manager Platform) hỗ trợ một giao diện giữa người khai thác và máy, tiến hành điều hòa tải (down loading) theo chương trình, vận hành và bảo dưỡng trạm gốc. Bộ cảnh báo ALM (Alarm) xử lý cảnh báo các sự kiện hư hỏng. Bản thân BSMP là một trạm hoạt động với mục đích chung và được trang bị dự phòng. 2.2.3. Trung tâm chuyển mạch di động (Tổng đài di động MSC) Tổng đài di động MSC bao gồm 3 hệ thống là: ASS, INS và CCS. MSC cung cấp các dịch vụ căn bản và dịch vụ phụ cho MS. MSC có bộ đăng ký vị trí tạm thời để lưu giữ tạm thời VLR các tin tức về thuê bao. MSC được thực thi thành một hệ thống điều khiển phân bố có đẳng cấp. Nó được modul hóa theo chức năng và có cấu hình dự phòng. HLR PSTN BSC INS ASS-7 ASS-T ASS-M ASS CSS AMS LSR Hình 2.5. Sơ đồ tổng đài di động MSC ASS: Phân hệ chuyển mạch truy cập (Access Switching Subsystem ) ASS-7: Phần tử kết nối với mạng báo hiệu SS7 ASS-T: Phần tử truy cập trung kế PSTN ASS-M: Phần tử truy cập thuê bao di động INS: Phân hệ mạng liên kết (Interconnection Network Subsystem) CCS: Phân hệ điều khiển trung tâm (Central Control Subsystem) AMS: Phân hệ quản trị và bảo dưỡng (Administration & Maintenance Subsystem) LRS: Phân hệ đăng ký vị trí (Location Register Subsystem). 2.2.3.1. Hệ thống chuyển mạch truy nhập ASS Hệ thống chuyển mạch truy nhập ASS được chia các khối nhỏ hơn tương ứng các đối tượng truy cập khác nhau, chẳng hạn như ASS-T để phối ghép giữa MSC và PSTN, ASS-M để phối ghép các MS, ASS-7,... 2.2.3.2. Hệ thống mạng liên kết INS INS thực hiện việc xử lý cuộc gọi một cách tập trung hóa (như phiên dịch số thuê bao, chuyển mạch, định tuyến) và đồng bộ hóa mạng chuyển mạch, ngoài ra INS còn cung cấp sự đấu nối cho ASS và CSS. 2.2.3.3. Hệ thống điều khiển trung tâm CCS Hệ thống CSS bao gồm khối chức năng điều hành và bảo dưỡng AMS (Administration & Maintenance Subsystem) cho tổng đài di động và khối đăng ký vị trí LRS (Location Register Subsystem) để quản lý và lưu trữ thông tin về thuê bao nhằm cung cấp sự đăng ký và xác định vị trí. Việc quản lý khả năng di động bằng LRS được thực hiện bằng sự đăng ký khởi tạo di động hoặc sự đăng ký khởi tạo MSC. Mỗi cuộc gọi cần được gán vào 1 bộ chọn và 1 bộ giải mã thoại tương ứng. Chất lượng đường thoại được đánh giá bằng S/N trong từng cửa sổ 20 ms của vocoder. CCS cộng tác với CCP để định tuyến cuộc gọi giữa MSC và BS, cấp phát mã trải phổ PN cho cuộc gọi đang xét. 2.2.4. Bộ đăng ký định vị thường trú HLR (Home Location Register) HLR AES NIS DBS MSC OMS Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc phân hệ HLR AES: Phân hệ ứng dụng (Application Entity Subsystem) DBS: Cơ sở dữ liệu (Database Subsystem) NIS: Phân hệ phối ghép mạng (Network Interface Subsystem) OMS: Phân hệ khai thác và bảo dưỡng (Operation & Maintenance Subsystem). HLR được thiết kế để lưu giữ thông tin tạm thời hoặc vĩnh viễn, chẳng hạn như vị trí MS, các dịch vụ phụ, số liệu tính cước, HLR bao gồm: Một AES (Application Entity Subsystem) để lưu giữ và quản lý các dữ liệu thuê bao. Một hệ thống giao diện mạng NIS (Network Interface Subsystem) để hỗ trợ các chức năng của lớp thấp hơn cho tín hiệu số 7 và một hệ thống con khai thác và bảo dưỡng OMS (Operation & Maintenance Subsystem). 2.2.5. Bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR) Bộ ghi nhận dạng thiết bị lưu trữ số liệu thiết bị ME của MS. Bộ phận SIM của MS phục vụ giám sát thuê bao, bộ phận SIM có thể tách rời khỏi ME hoặc có thể chuyển từ ME này sang ME khác và EIR sẽ kiểm tra sự hợp lệ của thiết bị. Mặt khác EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến trạm di động MS và nó được nối đến MSC thông qua đường báo hiệu để kiểm tra sự được phép của thiết bị. 2.2.6. Trung tâm nhận thực (AC) Trung tâm nhận thực là một hệ thống xử lý, nó thực hiện chức năng kiểm tra tính hợp pháp của thuê bao. AC thường được đặt chung với thanh ghi định vị thường trú (HLR) bởi vì nó thường xuyên được yêu cầu để truy cập và cập nhật một cách liên tục, liên quan đến hồ sơ thuê bao trong hệ thống. Quá trình nhận thực thường xảy ra mỗi thời điểm bắt đầu của quá trình liên lạc của thuê bao trong hệ thống. Trước khi truy cập vào mạng thì thuê bao (MS) và mạng phải thực hiện quá trình nhận thực. 2.2.7. Hệ thống điều khiển (OS) Hệ thống điều khiển OS có trách nhiệm quản lý sự vận hành của toàn mạng, phát hiện và điều khiển khi có sự cố. 2.3. Kỹ thuật trải phổ Ở các hệ thống thông tin di động thông thường thì độ rộng băng tần là một vấn đề quan tâm chính và các hệ thống này được thiết kế để sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng ít càng tốt, ở hệ thống thông tin trải phổ, độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng thông thường hàng trăm lần trước khi phát.Khi chỉ có một người sử dụng băng tần SS, sử dụng băng tần như vậy không hiệu quả. Nhưng ở môi trường nhiều người sử dụng họ có thể sử dụng chung một băng tần SS (Spread Spectrum –Trải phổ) và là hệ thống trở nên sử dụng băng tần có hiệu suất mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ. Như vậy một số hệ thống thông tin số được coi là trải phổ nếu: å Tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết. å Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu. Có ba kiểu hệ thống thông tin trải phổ cơ bản: å Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS - Direct Sequence Spread Spectrum) å Trải phổ nhảy tần (FH/SS - Frequency Hopping Spread Spectrum) å Trải phổ dịch thời gian (TH/SS - Time hopping Spread Spectrum) 2.3.1. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS) 2.3.1.1. Các hệ thống DS/SS-BPSK a. Máy phát DS/SS-BPSK Ta có thể biểu diễn các bản tin nhận các giá trị ±1 như sau: b(t) = å bkpT(t-kT) ¥ k=-¥ (3.1) Trong đó bk = ±1 là bit số liệu thứ k với + tương ứng với bít “0” và - tương ứng với bit “1”, pT là hàm xung đơn vị, Tb là độ rộng của một bít số liệu (tốc độ số liệu là R=1/Tb bit/s). Tín hiệu b(t) được trải phổ bằng tín hiệu PN c(t) bằng cách nhân hai tín hiệu này với nhau. Tín hiệu nhận được b(t).c(t) sau đó sẽ được điều chế cho sóng mang sử dụng BPSK, cho ta tín hiệu DS/SS-BPSK xác định theo công thức: (3.2) s(t) = 2Eb/Tb *b(t).c(t).cos(2p) trong đó Eb là năng lượng bit, Tb là độ rộng bit, fc tần số sóng mang, q là pha của sóng mang. Trong rất nhiều ứng dụng một bit bản tin bằng một chu kỳ của tín hiệu PN, nghĩa là Tb = NTc. Ta sử dụng giả thiết này cho các hệ thống DS/SS trong toàn bộ các phần sau. Trong trường hợp hình (3.1) ta sử dụng N = 7. Ta có thể thấy rằng tích của b(t).c(t) cũng là một tín hiệu cơ số hai có biên độ là ±1, có cùng tần số với tín hiệu PN. Tín hiệu DS/SS-BPSK nhận được được vẽ ở đồ thị cuối cùng của hình (3.1). Bộ điều chế (BPSK) Bản tin cơ hai b(t) b(t)c(t) Tín hiệu PN cơ hai c(t) Sóng mang Tín hiệu DS/SS-BPSK s(t)= 1 3Tb 2Tb t b(t) Tb 0 -1 Một chu kỳ 1 c(t) t -1 (giả thiết là N=7; T=NTc) 2NTc NTc Tc 0 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● 1 t c(t) 2NTc NTc Tc 0 -1 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● A s(t) t -A 0 2NTc NTc Tc (ở hình này sóng mang có q =-p/2 và fc=1/Tc) ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● Hình 3.1. Sơ đồ khối của máy phát DS/SS-BPSK b. Máy thu DS/SS-BPSK Mục đích của máy thu là lấy ra bản tin b(t) (số liệu {bi}) từ tín hiệu thu được bao gồm cả tín hiệu được phát cộng với tạp âm. Do tồn tại trễ truyền lan t nên tín hiệu thu được là: A = 2Eb/Tb (3.3) s(t-t) + n(t) = ABb(t-t).c(t-t).cos[2pfc(t-t) + q] + n(t) trong đó: n(t) là tạp âm của kênh và đầu vào máy thu. Để mô tả lại quá trình khôi phục lại bản tin ta giả thiết không có tạp âm. Trước hết tín hiệu thu được nén phổ để giảm băng tần rộng thành băng tần hẹp. Sau đó được giải trải phổ để đưa từ băng tần rộng về băng tần hẹp sau đó nó được giải điều chế để nhận được tín hiệu băng gốc. Để nén phổ tín hiệu thu được nhân với tín hiệu đồng bộ PN c(t-t) được tạo ra ở máy thu. Ta được: r(t) = ABb(t-t).c2(t-t).cos(2pfc + q’) = ABb(t-t).cos(2pfc + q’) (3.4) Vì c(t) bằng ±1 trong đó q’= q - 2pfct . Tín hiệu nhận được là một tín hiệu băng hẹp với độ rộng băng tần giữa hai giá trị là 2/Tb. Để giải điều chế ta giả thiết rằng máy thu biết được pha q’ (và tần số fc) cũng như điểm khởi đầu của từng bít. Một bộ giải điều chế BPSK bao gồm một bộ tương quan (Correlator), sau đó là một thiết bị đánh giá ngưỡng. Để tách ra bit số liệu thứ i, bộ tương quan phải tính toán : zt = r(t).B.cos(2pfc + q’)dt ò ti+T ti = AB b(t-t).cos2(2pfc + q’)dt ò ti+T ti AB 2 ò ti+T ti b(t-t).[1 + cos(4pfc + 2q’)dt = (3.5) AB = Eb 2 T BA = 2/Tb A = 2Eb/Tb trong đó: ti = iTb + t là thời điểm bắt đầu của bit thứ i. Vì b(t–t) là +1 hoặc -1 trong thời gian một bit. Thành phần thứ nhát tích phân sẽ cho ta T hoặc -T. Eb zi = ABTb/2 (= Eb) zi =-ABTb/2 (= -Eb) Thành phần thứ hai là thành phần nhân đôi tần số nên sau tích phân bằng 0. Vậy kết quả cho là hoặc . Cho kết quả này qua thiết bị đánh giá ngưỡng (hay bộ so sánh) với ngưỡng 0, ta được đầu ra cơ số hai 1 (logic “0”) hay –1 (logic “1”). Ngoài thành phần tín hiệu ± , đầu ra của bộ tích phân cũng có thành phần tạp âm nên có thể gây ra lỗi. Tín hiệu PN đóng vai trò như một “mã” đã được biết trước cả ở máy phát lẫn máy thu chủ định. Vì máy thu chủ định biết trước mã nên nó có thể nén phổ tín hiệu SS để nhận được bản tin. Mặt khác một máy thu không chủ định không biết được mã, vì thế ở các điều kiện bình thường nó không thể “giải mã” bản tin. Do c(t) nên máy không chủ định chỉ nhìn thấy một tín hiệu ngẫu nhiên ±1. Ta đã gia thiết rằng máy thu biết trước một số thông số sau: t, ti, q’ và fc. Thông thường máy thu biết được tần số mang fc, nên nó có thể được tạo ra bằng cách sử dụng một bộ dao động mới. Nếu có một khác biệt nào đó giữa tần số của bộ dao động nội và tần số sóng mang, thì một tần số gần với fc có thể được tạo ra và có thể theo dõi được tần số chính xác bằng một mạch vòng hồi tiếp, chẳng hạn như vòng khoá pha. Máy thu phaỉ nhận được các thông số khác nhau như t, t và q’ từ tín hiệu thu được. Quá trình nhận được t được gọi là qúa trình đồng bộ, thường được thực hiện ở hai bước: bắt đồng bộ và bám đồng bộ. Quá trình nhận được ti được gọi là quá trình khôi phục đồng hồ (định thời) ký hiệu (Symbol Timing Recovery). Còn qúa trình nhận được q’ (cũng như fc) được gọi là quá trình khôi phục sóng mang. Việc khôi phục sóng mang và đồng hồ cần thiết ở mọi máy thu thông tin số liệu đồng bộ. Khi Tb/Tc=N (chu kỳ của chuỗi PN), có thể nhận được định thời của ký hiệu ti một khi đã biết t. ti Bộ giải điều chế BPSK r(t) c(t-t) 1 hay -1 + - Khôi phục ĐHKH Khôi phục SIM Bộ tạo TH PN nôi Đồng bộ tín hiệu PN ò ti+T ti (.)dt s(t-t)=Ab(t-t)c(t-t) cos(2pfc(t-t)+q) Bcos(2pfc(t-t)+q) NTc s(t-t) -A A NTc NTc t0 t1 t2 t3 t c(t-t) 1 -1 t A -A w(t) t Hình 3.2. Sơ đồ khối của máy thu DS/SS-BPSK Ta hãy khảo sát một cách ngắn gọn ảnh hưởng của sai pha sóng mang và sai pha mã ở máy thu. Giả thiết rằng máy thu sử dụng cos(2pfc+q’+g) thay cho cos(2pfc+q’) cho bộ giải điều chế và sử dụng c(t-t’) làm tín hiệu PN nội, nghĩa là sóng mang có sai pha g và tín hiệu PN có sai pha t-t’. Khi này zi sẽ là: ò zt = AB b(t-t)c(t-t)c(t-t’)cos(2pfc + q’)cos(2pfct+q’+g)dt ti+Tb ti AB 2 ò ti+Tb ti b(t-t)c(t-t)c(t-t’)cos(g)dt = ò ti+Tb ti cos(g) ATb 2 = ± 1 T c(t-t)c(t-t’)dt (3.6) ABTb 2 cos(t-t)Rc(t-t’) = ± trong đó dòng thứ 2 được rút ra tự lập luận là tích phân của thành phần tần số nhân đôi bằng 0. Vì thế ½zi½ cực đại khi g=0 và t -t’=0. Nếu |t -t’|>Tc hay |g|=p/2, thì zi=0 và máy thu vô dụng. Khi |t -t’|<Tc và |g|<p/2, thì ½zi½giảm đại lượng, như vậy tỷ số tín hiệu trên tạp âm sẽ nhỏ hơn gây ra xác suất lỗi cao hơn. Tuy nhiên nó vẫn có thể hoạt động đúng khi các sai pha |t -t’| và |g| nhỏ.zi + c. Mật độ phổ công suất PSD: Xét mật độ phổ công suất PSD (Power Spectral Density) của các tín hiệu ở các thời điểm khác nhau trong máy phát và máy thu. Giả sử mô hình bản tin và tín hiệu PN như là các tín hiệu cơ số 2 ngẫu nhiên (mỗi bit hay mỗi chip nhận các giá trị +1 hoặc -1 với xác suất như nhau). Bản tin (với biên độ ±1) có tốc độ bit R=1/T bit/s và PSD: (3.7) Sb (f) = Tbsinc2(fTb) có độ rộng băng tần ở giá trị “0” đầu tiên) 1/Tb Hz [1]; còn tín hiệu PN (với biên độ ±1) có tốc độ chip 1/Tc và PSD là: (3.8) Sc (f) = Tbsinc2(fTc) với độ rộng băng tần R=1/T Hz. Vì T/Tc là một số nguyên và vì khởi đầu của mỗi bít b(t) trùng với khởi đầu của chip c(t) nên tích b(t)c(t) có PSD như sau: Sbc(f) = Tcsinc2(fTc) (3.9) với độ rộng băng tần R=1/Tc Hz giống như độ rộng băng tần của c(t). Vì thế quá trình trải phổ sẽ tăng độ rộng băng tần T/Tc=N lần, thông thường giá trị này rất lớn. Điều chế sóng mang chuyển đổi tín hiệu băng gốc b(t)c(t) vào tín hiệu băng thông s(t) có PSD [1]: Ss(f) = {sinc2((f-fc)Tc + sinc2((f+fc)Tc)} A2Tb 4 (3.10) A = A2Tb 4 Thay và chỉ xét PSD cho tần số dương ta được: Ss(f) = Ec {sinc2((f-fc)Tc = sinc2((f+fc)Tc)} P Rc (3.11) trong đó P là công suất, R=1/T là tốc độ bit của bản tin. S(f) a) P/Rb -1/Tc -1/Tb 0 1/Tb 1/Tc f - fc b) P/Rc Mật độ phổ công suất S(t) cho trường hợp không trải phổ và trải phổ được cho ở hình sau a và b: Hình 3.3. Mật độ phổ công suất của tín hiệu điều chế BPSK không trải phổ (a) và có trải phổ (b) Từ hình trên ta thấy do trải phổ tín hiệu điều chế BPSK có độ rộng băng tần tăng N=Tb/Tc lần so với không trải phổ. Ngoài ra tín hiệu BPSK có trải phổ cho mật độ công suất tại tần số sóng mang fc thấp hơn không trải phổ là Rc/Rb=Tb/Tc lần. Tỷ số N cho phép đánh giá hiệu quả trải phổ nên được gọi là hệ số trải phổ. Trong máy thu tín hiệu s(t-t) là phiên bản trễ của tín hiệu DS s(t). Nên PSD của nó cũng giống như PSD của tín hiệu s(t) vì trễ không làm thay đổi phân bố công suất ở vùng tần số. Ngoài ra PS của c(t-t) cũng giống như PSD của c(t). Sau khi trải phổ ta được tín hiệu r(t) với PSD được xác định bởi: (3.12) Pr Rc Sr(f) = sinc2((f - fc)Tb trong đó Pr là công suất thu bằng công suất phát bị suy giảm do đường truyền. Từ PSD của các tín hiệu khác nhau ta thấy rằng PSD của b(t) được trải phổ bởi c(t) và sau đó được nén phổ bởi c(t-t) ở máy thu. d. Độ lợi xử lý GP Độ lợi xử lý (Gp: Processing Gain) được định nghĩa là : Gp= Độ rộng băng tần của tín hiệu SS Độ rộng băng tần của bản tin (3.13) Ta thường biểu diễn Gp ở dB: 10 lg(Gp). Độ lợi xử lý cho thấy tín hiệu bản tin phát được trải phổ bao nhiêu lần bởi hệ thống trải phổ. Đây là một thông số chất lượng quan trọng của một hệ thống SS, vì Gp cao có nghĩa là khả năng chống nhiễu tốt hơn. Đối với hệ thống DS/SS-BPSK, nếu coi độ rộng băng tần của tín hiệu SS là Rc=1/Tc thì độ lợi xử lý là =Tb/Tc=N. Chẳng hạn N=1023, độ rộng tín hiệu trải phổ điều chế BPSK tăng 1023 lần so với tín hiệu không trải phổ điều chế BPSK và PG 1023 hay 30,1 dB. 2.3.1.2. Các hệ thống DS/SS-QPSK a. Máy phát Các kiểu điều chế khác như: khoa dịch pha cầu phương (QPSK: Quadrature Phase Shift Keying) và khoá chuyển cực tiểu (MSK: Minimum Shift Keying) cũng thường được sử dụng ở các hệ thống SS. Bộ tạo PN 1 Bộ tạo PN 1 Acos(2pfct+q) -Acos(2pfct+q) b(t)c2(t) b(t)c1(t) c2(t) c1(t) b(t) s1(t) Tín hiệu DS/SS-QPSK s(t)=s1(t)+s2(t) = Acos(2pfct+q+g(t)) 2 s2(t) Bộ ĐC (BPSK) Dịch p/2 Bộ ĐC (BPSK) (Cho q=-p) A -A s1(t) t A (Cho q=-p) -A s1(t) t b(t)c2(t) 1 -1 t 1 -1 c2(t) t 1 -1 b(t)c1(t) t t 1 -1 c1(t) b1(t) 1 -1 t 0 T 2T t A -A s2(t) t A s(t) -A g= 7p/4 3p/4 5p/4 p/4 3p/4 7p/4 p/4 p/4 3p/4 7p/4 Hình 3.4. Các dạng sóng ở hệ thống DS/SS-QPSK Sơ đồ khối chức năng cho máy phát của một hệ thống DS/SS sử dụng điều chế QPSK được cho ở hình trên cùng với dạng sóng ở các điểm khác nhau trên sơ đồ. Sơ đồ trên gồm hai nhánh: một nhánh đồng pha và một nhánh vuông góc. Trong thí dụ này cùng một đầu vào số liệu điều chế các tín hiệu PN c1(t) và c2(t) ở cả hai nhánh. Tín hiệu DS/SS-QPSK có dạng: S(t) = s1(t)+s2(t)=-Ab(t)c1(t)sin2pfct+q)+Ab(t)c2(t)cos(2pfc+q) = 2 Acos(2pfct+q+g(t)) = (3.14) A = Eb Tb trong đó g(t)= tan-1 c1(t)b(t) c2(t)b(t) = p/4, nếu c1(t)b(t)=1, c2(t)b(t)=1 3p/4, nếu c1(t)b(t)=1, c2(t)b(t)=-1 5p/4, nếu c1(t)b(t)=-1, c2(t)b(t)=-1 7p/4, nếu c1(t)b(t)=-1, c2(t)b(t)=1 Vậy tín hiệu số s(t) có thể nhận 4 trạng thái pha khác nhau: q+p/4, q+3p/4, q+5p/4, q+7p/4. + - 1 hay -1 zi u1(t) u2(t) r2(t) r1(t) s(t-t) c1(t-t) c2(t-t) -Bsin(2pfct+q’) Bcos(2pfct+q’) ò (.)dt ti ti+Tb B = 1/Tb b. Máy thu Hình 3.5. Sơ đồ khối máy thu cho hệ thống DS/SS-QPSK s(t-t) = -Ab(t-t)c1(t-t)sin(2pfct+q’)+Ab(t-t)c2(t-t)cos(2pfct+q’) Giả thiết rằng trễ là t, tín hiệu vào sẽ là (nếu bỏ qua tạp âm và bỏ qua suy hao đường truyền): (3.15) (3.16) u1(t)=ABb(t-t)sin2(2pfc+q’)-ABb(t-t)c1(t-t)c2(t-t)sin(2pfc+q’)cos2(2pfc+q’) =ABb(t-t) [1-cos(4pfc+2q’)-ABb(t-t)c1(t-t)c2(t-t) sin(4pfct+2q’) 1 2 1 2 trong đó q’ = q - 2pfct. Các tín hiệu trước bộ cộng là: trong đó: 1 2 1 2 u2(t)=-ABb(t-t)c1(t-t)c2(t-t)sin(2pft+q’)cos(2pf(+q’)+ABb(t-t)cos2(2pf(+q’) =-ABb(t-t)c1(t-t)c2(t-t) sin(4pfct+2q’)+ABb(t-t) [1+cos(4pfct+2q’)] (3.17) B = ± Eb Tổng của các tín hiệu trên được lấy tích phân ở khoảng thời gian một bit. Kết quả cho ta : với dấu + nếu bản tin tương ứng bằng +1 và dấu – nếu bit bản tin tương ứng bằng -1 vì tất cả các thành phần tần số 2fc có giá trị trung bình bằng 0. Vì thế đầu ra bộ so sánh là +1 (hay logic “0”), khi bản tin là +1 và -1 (hay logic “1”) nếu bit bản tin là -1. Giả sử Tc là chu kỳ chip của c1(t) và c2(t). Độ rộng băng của các tín hiệu được điều chế s1(t) và s2(t) của hai nhánh sẽ như nhau và bằng 2/Tc. Lưu ý rằng s1(t) và s2(t) là trực giao và cũng chiếm cùng độ rộng băng tần. Vì thế độ rộng băng tần của s(t) cũng giống như độ rộng băng tần của các tín hiệu s1(t) và s2(t) và bằng 2/Tc. Đối với tốc độ số liệu 1/Tb độ lợi xử lý bằng PG=Tb/Tc (khi coi rằng độ rộng băng tần của các tín hiệu SS bằng 1/Tc). Các hệ thống DS/SS có thể được sử dụng ở các cấu hình khác nhau. Các hệ thống xét trên được sử dụng để phát một tín hiệu có tốc độ bit 1/T (bit/s). PG và độ rộng băng tần bị chiếm bởi tín hiệu DS/SS-QPSK phụ thuộc vào tốc độ chíp của c1(t) và c2(t). Ta cũng có thể sử dụng một hệ thống DS/SS-QPSK để phát hai tín hiệu số 1/Tb (bit/s) bằng cách để mỗi tín hiệu điều chế một nhánh. Một dạng khác ta có thể sử dụng một hệ thống DS/SS-QPSK để phát một tín hiệu số có tốc độ bit gấp đôi: 2/Tb (bit/s) bằng cách chia tín hiệu số thành hai tín hiệu số có tốc độ bit 1/Tb (bit/s) và để chúng điều chế một trong hai nhánh. Tồn tại các nhân tố đặc trưng cho hiệu quả hoạt động của DS/SS-QPSK như: độ rộng băng tần được sử dụng, PG tổng và tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR: Signal to Noise Ratio) (thường được xác định bằng xác suất lỗi). Khi so sánh DS/SS-QPSK với DS/SS-BPSK ta cần giữ một số thông số trên như nhau ở cả hai hệ thống và so sánh các thông số khác. Chẳng hạn một tín hiệu số được phát đi trong hệ thống DS/SS-QPSK chỉ sử dụng độ rộng băng tần bằng một nửa độ rộng băng tần của hệ thống DS/SS-BPSK khi có cùng PG và SNR. Tuy nhiên nếu cùng một số liệu được phát đi bởi một hệ thống DS/SS-QPSK có cùng độ rộng băng tần và PG như hệ thống DS/SSBPSK, thì hệ thống DS/SS-QPSK có ưu việt về tỷ số tín hiệu trên tạp âm dẫn đến xác suất lỗi thấp hơn. Mặt khác một hệ thống DS/SS-QPSK có thể phát gấp hai lần số liệu so với hệ thống DS/SS-BPSK khi sử dụng cùng độ rộng băng tần và có cùng PG và SNR. Ưu điểm của hệ thống DS/SS-QPSK có được là nhờ tính trực giao của các sóng mang sin(2pfct + q) và cos(2pfct + q) trong các nhánh đồng pha và vuông góc. Nhược điểm của hệ thống DS/SS-QPSK là phức tạp hơn hệ thống DS/SS-BPSK. Ngoài ra nếu các sóng mang sử dụng để giải điều chế ở máy thu không thực sự trực giao thì sẽ xảy ra xuyên âm giữa hai nhánh và sẽ gây thêm sự giảm chất lượng của hệ thống. DS/SS-QPSK được sử dụng trong hệ thống thông tin di động IS-95 CDMA và hệ thống định vị toàn cầu (GPS:Global Position-ing System). 2.3.2. Các hệ thống nhảy tần (FH/SS) Dạng hệ thống trải phổ thứ hai là hệ thống trải phổ nhảy tần FH/SS. Hệ thống này có nghĩa là chuyển đổi sóng mang ở một tập hợp các tần số theo mẫu được xác định bằng một chuỗi mã PN. Chuỗi mã này ở đây chỉ có tác dụng xác định mẫu nhảy tần. Tốc độ nhảy tần có thể nhanh hay chậm hơn tốc độ số liệu. Trong trường hợp thứ nhất gọi là nhảy tần nhanh, trong trường hợp thứ hai gọi là nhảy tần chậm. Ta ký hiệu Th cho thời gian một đoạn nhảy và T là thời gian của một bit số liệu. Điều chế FSK thường được sử dụng cho các hệ thống này. Do việc thay đổi tần số mang nên giải điều chế không nhất thiết phải hợp và vì thế giải điều chế không nhất quán thường được sử dụng. Các hệ thống được trình bày với giả thiết điều chế không nhất quán. 2.3.2.1. Các hệ thống FH/SS nhanh Bộ tạo chuỗi PH Bộ tổng hợp tần số Bộ nhân tần b = 1 BPF băng rộng Bộ tạo chuỗi PH b(t) y(t) s(t) BPF băng rộng f, f+Df Bộ giải điều chế FSK không nhất quán Bộ tổng hợp tần số Bộ tạo chuỗi PN tại chỗ BPF băng rộng s(t) + tạp âm g(t) j bit Đồng bộ chuỗi PN Khôi phục định thời ký hiệu Ra chuỗi cơ số hai = b(t) a) b) Hình 3.6. Sơ đồ cho một hệ thống FH/SS. a) máy phát, b) máy thu Ở hệ thống FH/SS nhanh có ít nhất một lần nhảy ở một bit số liệu, nghĩa là T/Th > 1. Trong khoảng thời gian Th giây của mỗi lần nhảy tần, một trong số J tần số được phát. Khi dịch chuyển theo phương ngang của biểu đồ ta thấy cứ Th giây tần số phát lại thay đổi. ậ sơ đồ trên tốc độ nhảy tần bằng 3 lần tốc độ số liệu. Mặc dù tín hiệu phát ở mỗi bước nhảt là hàm sin có tần số là f0 + iDf, do độ rộng có hạn Th giây, phổ của nó chiếm khoảng 2/Th Hz. Khoảng cách Df thường được chọn bằng 1/Th. Chọn như vậy vì các tín hiệu cos(2pf0t+q),cos[2(pf0+f)t+q],…,cos[2(pf0+(j-1)f)t+qj-1] trực giao ở khoảng giữa, nghĩa là: cos[2p(f0+iDf)t+qi]cos[2(f0+kDf)t+qi]dt = 0, i¹k (3.18) ò Tk 0 Ở các hệ thống không nhất quán, việc sử dụng các hàm trực giao cho hiệu quả tốt hơn (ở ý nghĩa xác suất lỗi bit) là không trực giao. Phương trình trên đúng cho (f = m/Th với m ¹ 0). Để đạt được hiệu quả sử dụng phổ tần ta cho m = 1. a) Máy phát Ở máy phát, tín hiẹu FSK cơ số hai x(t) trước hết được tạo ra từ luồng số liệu. Trong khoảng thời gian mỗi bit x(t) có một trong hai tấn số f’ và f’+Df, tương ứng với các bit số liệu 0 và 1. Tín hiệu này được trộn với tín hiệu y(t) từ bộ tổng hợp tần số. Cứ mỗi Th giây, tần số của y(t) lại thay đổi theo các giá trị của J bit nhận được từ bộ tạo chuỗi PN. Do có 2j tổ hợp j bit nên ta có thể có tới 2j tần số được tạo ra bởi bộ tổng hợp tần số. Bộ trộn tạo ra tần số của tổng và hiệu, một trong hai tần số trong đoạn nhảy như sau: y(t) = 2Acos[2(fg+ilf)t+q1] với 1Th<t<(l+1)Th (3.19) trong đó il={0,2,...,2(2j-1)} là một số nguyên chẵn, fg là một tần số không đổi và q1 là pha. Giá trị của il được xác định bởi j bit nhận được từ bộ tạo mã chuỗi giả tạp âm. Giả thiết rằng bộ lọc BPF lấy ra tần số tổng ở đầu ra bộ trộn. Khi này tín hiệu ở đầu ra bộlọc BPF trong bước nhảy 1: s(t) =2Acos[2(pf0+il(f+blpf)t+q1] với 1Th<t<(l+1)Th (3.20) s(t) = cos[2(f0 + ilDf + blDf)t + ql]pTh(1 - lTh) å t=-¥ ¥ trong đó bl = {0,1} là giá trị số liệu ở 1Th<t<(l+1)Th và f0 = f’+fg. Ta thấy rằng tần số phát có thể là {f0, f0+Df,...,f0+(J-1) Df}, trong đó J = 2j + 1, để có tổng tần số nhảy là J. Pha Dl có thể thay đổi từ bước nhảy này sang bước nhảy kia. Ta có thể viết tín hiệu FH/SS như sau: (3.21) Bộ nhân tần với mục đích trải rộng thêm băng tần của FH/SS. Lúc này tín hiệu FH/SS thành: s’(t) = 2Acos[2(f0 +ilDf + blDf)t + Dl] với lTh<t<(1+l)Th (3.22) b). Độ rộng băng tần Tần số của tín hiệu FH/SS không thay đổi trong đoạn nhảy. Trong toàn bộ khoảng thời gian, tín hiệu phát nhảy ở tất cả J tần số, vì vậy nó chiếm độ rộng băng tần là: BFFH » JDf (Hz) PG = Độ rộng băng tần tín hiệu 2(Độ rộng băng gốc bản tin) Độ lợi xử lý được tính: JT 2Th JDf 2 T = PG = (3.33) bJDfT 2 bJT 2Th = Giả thiết phân cách tần số bằng 1/Th. Nếu ta sử dụng bộ nhân tần có thừa số là T, thì phổ của tín hiệu FH/SS mở rộng JT lần. Vì thế độ rộng băng tần tổng hợp của tín hiệu FH/SS là JDf Hz và PG là: c). Máy thu Tín hiệu thu trước hết được lọc bằng một bộ lọc BPF có độ rộng băng bằng độ rộng băng của tín hiệu FH/SS. Chúng ta không cần khôi phục sóng mang vì ta sử dụng giải điều chế không nhất quán. Sở dĩ ta không dùng giải điều chế nhất quán vì ở tốc độ nhảy tần nhanh máy thu rất khó theo dõi được pha của sóng mang khi pha này thay đổi ở mỗi đoạn nhảy. Bộ tạo chuỗi PN đồng bộ với chuỗi thu, ở đoạn nhảy 1 đầu ra của bộ tổng hợp tần số là: (3.34) g(t) = cos[2(Dfg+ iDf)t +i’l] với 1Th<t<(1+)Th g(t)s(t) = Acos[2p (fg + ilDf)t +ql ]cos[2p (f0 + ilDf + blDf)t +ql] Bỏ qua tạp âm, đầu vào BPF là: (3.35) với 1Th<t<(1+l)Th Thành phần tần số cao bị bộ lọc BPF băng hẹp loại bỏ và chỉ còn thành phần tần số thấp. Ký hiệu f0 = fg + f’. Vậy đầu vào bộ giải điều chế FSK là: (3.36) w(t) = 0,5Acos(2pf’t + (1+f’l), nếu bl=0 (3.37) w(t) = 0,5Acos(2p(f + f’t + (1+f’l)), nếu bl=1 Đầu này chứa hoặc tần số f’ Hz hoặc f’ + Df Hz. Vì bl không đổi trong thời gian của một bit nên trong khoảng thời gian này tín hiệu w(t) có tần số không đổi. Như vậy trong khoảng thời gian T giây bộ giải điều chế FSK tách ra tần số này và tạo ra mức logic “0” và “1”. Một cách khác ta có thể tách ra tần số chứa trong w(t) cho từng đoạn nhảy để nhận được T/Th các giá trị cho từng bước nhảy. Từ giá trị T/Th, sử dụng nguyên tắc đa số để quyết định bit dữ liệu là “0” hay “1”. d). Tốc độ đồng hồ cho các hệ thống FH/SS nhanh Một ưu điểm của hệ thống FH/ss so với hệ thống DS/SS là tốc độ đồng hồ ở bộ tạo chuỗi PN không cần cao như ở DS/SS để đạt được cùng độ rộng băng tần. Ở hệ thống DS/SS tốc độ đồng hồ ở bộ tạo chuỗi PN bằng tốc độ chip 1/Tc, và độ rộng là 2/Tc Hz. ở hệ thống FH/SS nhanh ra cần j bit mới từ bộ tạo chuỗi PN cho mỗi đoạn nhảy. Vì thế bộ tạo chuỗi phải tạo ra j bit trong Th giây nghĩa là tốc độ đồng hồ là j/Th Hz. Độ rộng băng đối với điều chế trực giao là 2j+1Df = 2j+1/Th. Cân bằng đô rộng băng tần cho hai hệ thống ta được: 2 Tc 2j+1 Th = 1/Tc j/Th = 2j j Tỷ số này sẽ rất lớn shơn 1 đối với giá trị j thực tế. Do đó tốc độ đồng hồ ở hệ thống FH/SS nhỏ hơn nhiều so với hệ thống DS/SS. 2.3.2.2. Các hệ thống FH/SS chậm Khi T/Th <1 ta được hệ thống nhảy tần chậm. Sơ đồ máy phát, máy thu tương tự như ở hệ thống FH/SS nhanh. Hệ thống FH/SS chậm với T/Th=1/2 nghĩa là một lần nhảy tần ở hai bit, ở mỗi lần nhảy số liệu thay đổi giữa “0” “1”. Vì tần số phát có thể thay đổi T giây một lần nên để điều chế trực giao khoảng cách tần số phải là Df=m/T, trong đo m nguyên khác 0. Nếu m=1, bộ tổng hợp tần số tạo ra 2j tần số, độ rộng băng tần là JDf=J/T Hz, J=2j+1. Độ lợi xử lý là J/2. Khi sử dụng bộ nhân tần (ở máy phát, phân cách tần số ở đầu ra cuối cúng trơ thành Df và PG bằng DJ/2. 2.3.3. Hệ thống nhảy thời gian (TH/SS) Nhảy thời gian tương tự như điều chế xung. Nghĩa là, dãy mã đóng/mở bộ phát, thời gian đóng/mở bộ phát được chuyển đổi thành dạng tín hiệu giả ngẫu nhiên theo mã và đạt đựơc 50% yếu tố tác động truyền dẫn trung bình. Sự khác nhau nhỏ so với hệ thống FH/SS đơn giản là trong khi tần số truyền dẫn biến đổi theo mỗi thời gian chip mã trong hệ thống FH/SS thì sự nhảy tần số chỉ xảy ra trong trạng thái dịch chuyển dãy mã trong hệ thống TH/SS. tạo mã Bộ phát xung điều chế cổng 1 Thông tin đầu vào tạo mã Cổng 0 Tách xung Tách xung Tách xung Thông tin đầu ra Hình 3.7. Hệ thống TH đơn giản Hình trên là sơ đồ khối của hệ thống TH/SS. Ta thấy rằng bộ điều chế rất đơn giản và bất kỳ một dạnh sóng cho phép điều chế xung theo mã đều có thể được sử dụng đối với bộ điều chế TH/SS. TH/SS có thể làm giảm giao diện giữa các hệ thống trong hệ thống ghép kênh theo thời gian và vì mục đích này mà sự chính xác thời gian được yêu cầu trong hệ thống nhằm tối thiểu hoá độ dư giữa các máy phát. Mã hoá nên được sử dụng một cách cẩn thận vì sự tương đồng các đặc tính nếu sử dụng cùng một phương pháp như các hệ thống thông tin mã hoá khác. Do hệ thống TH/SS có thể bị ảnh hưởng dễ dàng bởi giao thoa nên sử dụng hệ thống tổ hợp giữa hệ thống này với hệ thống FH/SS để loại trừ giao thoa có khả năng gây nên suy giảm lớn đối với tần số đơn. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CDMA TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 3.1. Điều khiển công suất 3.1.1. Sự cần thiết của điều khiển công suất CDMA là một hệ thống bị hạn chế của nhiễu giao thoa, vì tất cả MS đều phát ở cùng tần số. Nhiễu giao thoa trong mạng đóng vai trò rất quan trọng để xác định dung lượng hệ thống và chất lượng thoại. Công suất phát từ mỗi MS phải được điều khiển để hạn chế nhiễu giao thoa. Tuy nhiên mức công suất phải phù hợp để thoả mãn chất lượng thoại. Khi MS chuyển động, môi trường vô tuyến thay đổi liên tục do pha đinh nhanh và chậm, che tối, nhiễu ngoài và các yếu tố khác. Mục tiêu của điều khiển công suất là giới hạn công suất phát trên đường lên và đường xuống trong khi vẫn duy trì chất lượng đường truyền ở mọi điều kiện. DO tách sóng không nhất quán ở BS, nhiễu giao thoa ở đường lên nguy hiểm hơn ở đường xuống. Vì thế điều khiển công suất đường lên là quan trọng đối với hệ thống CDMA và bắt buộc ở IS-95. Điều khiển công suất cũng cần có trong các hệ thống CDMA để giải quyết hiệu ứng gần xa. Để giảm thiểu hiệu ứng gần xa, mục đích của hệ thống CDMA đảm bảo rằng tất cả các MS đạt được cùng công suất thu tại các BS. Giá trị đích của công suất thu phải là mức tối thiểu còn cho phép đường truyền đáp ứng các chỉ tiêu chất lượng do người sử dụng định nghĩa (BER, FER, dung lượng, tốc độ rớt cuộc gọi và vùng phủ). Để thực hiện chiến lược như vậy, các MS gần BS hơn phải phát sóng thấp hơn các MS xa BS. Chất lượng thoại liên quan đến tỷ lệ lỗi khung (FER) ở cả đường xuống và đường lên. FER liên quan mật thiết với Eb/It. FER cũng phụ thuộc vào tốc độ ô tô, điều kiện truyền sóng địa phương và phân bố của các MS đồng kênh khác. Vì FER là số đo trực tiếp của chất lượng tín hiệu, chất lượng thoại ở hệ thống CDMA được đo theo FER chứ không theo Eb/It. Vậy để đảm bảo chất lượng tín hiệu tốt, chỉ duy trì Eb/It đích thì chưa đủ, mà còn phải áp dụng cả FER. Giới hạn chất lượng theo khuyến nghị là: · Dải FER thông thường: 0,2% đến 3% (mức công suất tối ưu đạt được khi FER £ 1%). · Độ dài cực đại của cụm lỗi: 3 đến 4 khung (giá trị tối ưu của cụm lỗi đạt = 2 khung). 3.1.2. Điều khiển công suất đường lên Điều khiển công suất đường lên tác động lên các kênh truy nhập và lưu lượng. Nó được sử dụng để thiết lập đường truyền khi khởi tạo cuộc gọi và phản ứng lên các thăng giáng tỏn hao đường truyền lớn. Điều khiển công suất đường lên gồm điều khiển công suất vòng hở (cong gọi là điều khiển công suất tự quản) và điều khiển công suất vòng kín. Điều khiển công suất vòng kín gồm điều khiển công suất trong và điều khiển công suất vòng ngoài. 3.1.2.1. Điều khiển công suất vòng hở Quá trình điều khiển công suất vòng hở như sau: a. Bản tin thông số truy nhập Sau khi trạm di động đã bật nguồn, nó liên lạc với hệ thống bằng cách thu và sử dụng kênh hoa tiêu, kênh đồng bộ và kênh tìm gọi. Kênh tìm gọi cung cấp bản tin thông số truy nhập trong đó định nghĩa các thông số mà trạm di động cần sử dụng khi phát kênh truy nhập đến trạm gốc. Các kênh truy nhập bao gồm: Số kênh truy nhập. Độ dịch công suất danh định (NOM_PWR). Độ dịch công suất ban đầu (INT_PWR). Kích cỡ nấc tăng công suất. Số thăm dò công suất trên một chuỗi thăm dò truy nhập. Cửa sổ thời gian thăm dò giữa hai thăm dò truyn nhập. Thời gian được ngẫu nhiên hoá giữa hai thăm dò truy nhập. Thời gian được ngẫu nhiên hoá giữa hai chuỗi thăm dò. b. Trạng thái truy nhập Trong khi ở trạng thái truy nhập trạm di động vẫn chưa được ấn định một kênh lưu lượng nên chưa có điều khiển vòng kín. Khi này bản thân trạm di động khởi tạo một điều chỉnh công suất bất k cho phù hợp với hoạt động của mình. Tuy nhiên từ các thông tin nhận được ở các kênh hoa tiêu, đồng bộ, tìm gọi bây giờ trạm di động có thể thử truy nhập hệ thống qua một trong số vài kênh truy nhập hiện có. Cần nhớ rằng mục đích hàng đầu hệ thống CDMA là chỉ phát đủ công suất để đáp ứng được chất lượng cần thiết, vì nếu phát công suất hơn mức cần thiết thì trạm di động sẽ gây thêm nhiễu cho các người sử dụng khác trong cùng kênh CDMA. c. Các quy tắc quan trọng của thủ tục truy nhập Trạm di động truy nhập vào hệ thống và thử phát một công suất rất nhỏ đến trạm gốc. Quy tắc chính là trạm di động phải phát công suất tỷ lệ nghịch với với công suất mà nó thu được. å Khi thu được một hoa tiêu mạnh từ trạm gốc, trạm di động phát đi một tín hiệu yếu. Vì một tín hiệu thu mạnh trại trạm di động có nghĩa là suy hao đường truyền xuống thấp. Như vậy nếu coi rắng suy hao đường truyền lên cũng như vậy thì cần phát đi một công suất thấp. å Khi thu được một hoa tiêu yếu từ gốc, thì trạm di động phát đi một tín hiệu mạnh. Vì một tín hiệu thu yếu tại trạm di động có nghĩa là suy hao đường truyền xuống lớn. Như vậy nếu coi rằng suy hao đường truyền lên cũng như vậy, thì trạm di động cần phát đi công suất cao để bù trừ tổn hao đướngf truyền. Quy tắc quan trọng này được thể hiện ở hình sau: Trung bình Dung sai 73 73 Tx(dBm) Rx(dBm) Qui tắc: -Thu lớn, phát nhỏ -Thu nhỏ, phát lớn Hình 3.1. Quy tắc điều khiển công suất Trạm di động sẽ phát thăm dò đầu tiên ở công suất trung bình được xác định theo công thức sau: Tx=-Rx-k+(NOM_PWR-16xNOM_OWWR_EXT)+INT_PWR, dBm (3.1) trong đó: Tx: công suất phát trung bình (dBm). Rx: công suất thu trung bình (dBm). NOM_PWR: điều chỉnh danh định (trong dải -8 đến +7dB). NOM_PWR_EXT: công suất danh định cho chuyển giao mở rộng (dB). INT_PWR: điều chỉnh ban đầu (trong dải -16 đến +16 dB). k=72 dB cho tổ ong (băng loại 0). k=76 dB cho PCS (băng loại 1). d. Các bước thăm dò công suất Nếu trạm gốc không công nhận hay trả lời thử truy nhập thì sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên trạm di động sẽ phát công suất cao hơn. Sau đó nếu vẫn chưa được trả lời nó lại thử lại với công suất lớn hơn và quá trình này được lặp lại nhiều lần cho đến khi đạt được trả lời từ trạm gốc (hình 3.2). Mỗi bước tăng công suất Pi được gọi là một điều chỉnh công suất vòng hở. Lúc đó công suất phát của trạm di động được xác định như sau: Tx= -Rx-k+(NOM_PWR-16xNOM_PWR_EXT)+INT_PWR +(Tổng công suất của các lần hiệu chỉnh thăm dò truy nhập) (3.2) Tx Hiệu chỉnh vòng hở Thăm dò truy nhập Công suất khởi đầu Công suất khởi đầu +hiệu chỉnh vòng hở Hình 3.2. Các nấc hiệu chỉnh thăm dò truy nhập Thời gian trễ lùi (Back-off Delay) được tạo ra ngẫu nhiên giữa các chuỗi thăm dò truy nhập. Định thời giữa các thăm dò truy nhập của một chuỗi thăm dò truy nhập thâm cũng được tạo ra ngẫu nhiên. Sau khi phát một thăm dò truy nhập, MS đợi TA. Nếu thu được công nhận, nó kết thúc thử truy nhập. Nếu không thu đượ công nhận, thăm dò tiếp theo được phát sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên(RT). Nếu MS không thu được công nhận trong một lần thử truy nhập, lần thử này coi như thất bại và MS tiến hành thử lần khác. Nếu MS nhận được công nhận từ BS, đăng ký và các thủ tục ấn định kênh lưu lượng được tiến hành. Truyền dẫn khởi đầu trên kênh lưu lượng đườn lên sẽ ở công suất trung bình. MS hỗ trợ toàn dải kết hợp các thông số dịch ban đầu, NOM_PWR và các hiệu chỉnh thăm dò truy nhập ít nhất là ±32 dB cho MS hoạt động ở băng loại 0 và ±40 dB cho MS hoạt động ở băng loại 1. Các nguồn sai số ở điều khiển vòng kín là: Giả thiết tính đảo lẫn của đường lên và đường xuống. Sử dụng tổng công suất thu được ở cả công suất từ các trạm BS khác. Thời gian phản ứng đối với pha đinh nhanh do nhiều đường truyền chậm: 30ms. 3.1.2.2. Điều khiển công suất vòng kín Các nguồn pha đinh do nhiều đường truyền đòi hỏi điều chỉnh công suất phải nhanh hơn nhiều so với điều chỉnh công suất vòng hở. Các điều chỉnh công suất bổ sung để bù trừ tổn hao pha đinh được xử lý bởi cơ chế điều chỉnh công suất vòng kín đường lên với thời gian phản ứng là 1,25 ms cho các bước 1 dB và dải rộng 48 dB (trong 3 khung). Thời gian phản ứng nhanh hơn cho phép cơ chế điều khiển công suất vòg kín vượt trội cơ chế điều khiển không công suất vòng hở trong các ứng dụng thực tế. Ngoài cả hai cơ chế điều khiển công suất cho phép đạt được dải động ít nhất 80 dB. Điều khiển công suất vòng kín đảm bảo hiệu chỉnh cho điều khiển công suất vòng hở. Sau khi đã khởi động các kênh lưu lượng, mỗi khi thu được bit điều khiển công suất trong kênh con điều khiển công suất (được ghép chung với kênh lưu lượng) bằng 1, trạm di động giảm công suất một bước định trứơc (1 dB). Ngược lại nếu thu được bit điều khiển công suất bằng “0” trạm di động tăng công suất lên một bước định trứơc (1 dB). Các lần điều chỉnh công suất này được gọi là hiệu chỉnh công suất vòng kín, vì quyết định tăng hay giảm công suất được thực hiện trên cơ sở đánh giá công suất thu được tại trạm gốc. Cơ chế điều khiển công suất vòng kín đường lên bao gồm hai phần; điều khiển công suất vòng trong và điều khiển công suất vòng ngoài. Điều khiển công suất vòng trong giữ cho MS gấn nhất với (Eb/It)setpoint đích (setpoint: điểm đặt ngưỡng), trong khi đó điều khiển công suất vòng ngoài điều chỉnh (Eb/It)setpoint đích đối với một MS. Để hiểu đươc hoạt động của điều chỉnh công suất vòngkín, ta xét tổng quan cấu trúc của kênh lưu lượng đường cuống và hoạt động của nó. Vùng quan tâm ở đây là đầu ra của bộ ghép xen và đầu vào của MUX. Kênh con điều khiển công suất được phát liên tục trên kênh lưu lượng đường xuống. Kênh con này có tốc độ là 800 bit điều khiển công suất trên giây. Vì thế bit điều khiển công suất được phát xuống cứ 1,25 ms một lần. Khung 20 ms được tổ chức thành 16 đoạn thời gian có độ dài như nhau bằng 1,25 ms và được gọi là các nhóm điều khiển công suất (PCG: Power Control Group) (hình 3.3). Như vậy mỗi khung có 16 PCG. Trước khi phát, luồng số đầu ra của bộ ghép xen kênh lưu lượng đường xuống được tắt bật bằng một bộ lọc thời gian. Bộ lọc thời gian này cho phép truyền dẫn một số ký hiệu và xoá các ký hiệu khác. Chu kỳ bật (mở cổng) thay đổi cùng với tốc độ bit truyền dẫn (phụ thuộc vào tốc độ thay đổi của bộ mã hoá tiếng và tích cực tiếng). Tốc độ khung Tốc độ bit (kbit/s) SốPCG Toàn tốc 9,6 16 1/2 4,8 8 1/4 2,4 4 1/8 1,2 2 Một khung (20 ms)=16 PCG 1 PCG PCG=nhóm điều khiển công suất PCG được bật PCG bị bật Hình 3.3. Các nhóm điều khiển công suất Các nhóm điều khiển công suất phụ thuộc vào tốc độ khung Việc ấn định các nhóm được bật và các nhóm bị bật tắt phụ thuộc vào Bộ ngẫu nhiên hoá cụm số liệu (DBR: Data Burst Randomizer). Tại BS, máy thu đường lên đánh giá cường độ tín hiệu thu bằng cách đo Eb/Tt trong mỗi nhóm điều khiển công suất (1,25 ms). Nếu cường độ tín hiệu vượt quá giá trị đích, bit điều khiển công suất giảm bằng 1 được phát. Trái lại bit điều khiển công suất tăng bằng 0 được phát đến MS qua kênh con điều khiển công suất trên kênh lưu lượng đường xuống. Tương tự như truyền dẫn đường lên, truyền dẫn đường xuống cũng được tổ chức thành các khung 20 ms. Mỗi khung được chia thành 16 nhóm điều khiển công suất. Phát bit điều khiển công xuất được thực hiện trên kênh lưu lượng đường xuống trong PCG thứ hai đi sau PCG đường lên mà tại đó cường độ tín hiệu được đánh giá. Chẳng hạn nếu cường độ tín hiệu được đánh giá ở PCH 2 của một khung đường lên, thi bit điều khiển công suất tương ứng phải được phát ở PCH 4 của khung đường xuống (hình 3.4). Khi MS thu và xử lý kênh đường xuống, nó lấy ra các bit điều khiển công suất từ kênh lưu lượng này. Sau đó các bit điều khiển công suất cho phép MS điều chỉnh công suất phát đường lên. Khung đường lên 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Khung đường xuống Khung đường lên Hình 3.4. Vị trí PCG ở các khung đường lên và đường xuống Trên cơ sở bit điều khiển công suất thu được từ BS, MS hoặc tăng hoặc giảm công suất phát ở kênh lưu lượng đường lên để đạt được giá trị tại điểm thiết lập của (Eb/It)setpoint đích, giá trị này điều chỉnh FER dài hạn. Mỗi bit điều khiển công suất này tạo ra thay đổi 1 dB gần hơn đến giá trị đích. Lưu ý rằng có thể không thành công vì It luôn luôn thay đổi. Vì thế phải điều chỉnh tiếp để đạt được Eb/It theo yêu cầu. Thông qua MS, BS có thể trực tiếp thay đổi chỉ Eb, không thay đổi It nhưng mục đích ở đây là tỷ số Eb và It chứ không phải chỉ Eb hoặc It riêng rẽ. Công suất phát trung bình ở kênh lưu lượng đường lên với cả điều khiển công suất vòng hở và vòng kín được xác định như sau: Tx= -Rx-k+(NOM_PWR-16xNOM_PWR_EXT) +INT_PWR + Tổng công suất của các lần hiệu chỉnh thăm dò truy nhập + Tổng tất cả các hiệu chỉnh điều khiển công suất vòng kín (3.3) 3.1.3. Điều khiển công suất đường xuống Điều khiển công suất đường xuống (FLPC: Forward Link Power Control) nhằm giảm nhiễu giao thoa đường xuống. FLPC không chỉ hạn chế ở nhiễu trong ô mà đặc biệt hiệu quả trong việc giảm nhiễu ô khác nhau hoặc cùng ô khác… Hệ thống CDMA IS-95 cò thể điều khiển công suất đường xuống dựa trên báo cáo về tỷ lệ lỗi từ trạm di động. Để thực hiện điều khiển công suất ở đường xuống, trạm gốc định kỳ giảm công suất phát đền trạm di động. Việc giảm công suất này tiếp diễn đến khi trạm di động yêu cầu tăng công suất do nhận thấy sự tăng tỷ số lỗi khung (FER: Frame Error Rate). Lúc đó, trạm gốc sẽ tăng công suất một bước quy định trước (0,5 dB chẳng hạn). Tăng/giảm công suất được thực hiện một lần ở một khung thoại (15-20 ms). Như vậy điều khiển công suất ở đường xuống chậm hơn ở đường lên (lệnh điều khiển công suất đường lên trong CDMA IS-95 được phát đi 1,25 ms một lần). Vì được đo (không phải Eb/It như ở điều khiển công suất vòng kín), nên quá trình này trực tiếp phản ảnh chất lượng thoại. Tuy nhiên quá trình này chậm hơn nhiều. Vì các mã trực giao Walsh được sử dụng cho đường xuống, nên nhiễu giao thoa không phải là vấn đề khẩn cấp. Vì thế đo chậm không làm tăng đáng kể giảm chất lượng hệ thống. Công suất được biểu diễn ở các thông số N, D, U và V, các thông số này có thể được điều chỉnh đến các giá trị khác nhau cho hoạt động của một hệ thống thực tế. Đối với RS1, bản tin báo cáo đo công suất (PMRM) chứa các khung thu được bị lỗi và tổng các khung thu được trong khoảng thời gian báo cáo (sau đó các bộ đếm khung được khởi đầu cho khoảng thời gian đo tiếp theo). FER bằng số khung lỗi chia cho tổng số số khung thu trong khoảng thời gian báo cáo. Các bước cho điều khiển công suất đối với RS1 như sau: N khung FER quá cao fer_small<FER<fer_big D(dB) U(dB) V(dB) Không thu được PMRM Các thông số quan trọng N=80 khung D=0,25 dB U=1,0 dB V=2,0 dB Thời gian FER