›
›

Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM

pdf 118 trang phuongnguyen 8590
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfhe_thong_thong_tin_di_dong_toan_cau_gsm.pdf

Nội dung text: Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM

  1. Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM
  2. CHƯƠNG I TỔNG QUANG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM ( Global System for Mobile Communications) là một công nghệ dùng cho mạng thông tin di động. Dịch vụ GSM được sử dụng bởi hơn 2 tỷ người trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ. Các mạng thông tin di động GSM cho phép có thể roaming với nhau do đó những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau ở có thể sử dụng được nhiều nơi trên thế giới. GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động trên thế giới. Khả năng phủ sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ biến trên thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng điện thoại di động của họ ở nhiều vùng trên thế giới. GSM khác với các chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu và tốc độ, chất lượng cuộc gọi. Nó được xem như là một hệ thống ĐTDĐ thế hệ thứ hai (second generation, 2G). GSM là một chuẩn mở, hiện tại nó được phát triển bởi 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Lợi thế chính của GSM là chất lượng cuộc gọi tốt hơn, giá thành thấp và dịch vụ tin nhắn. Thuận lợi đối với nhà điều hành mạng là khả năng triển khai thiết bị từ nhiều người cung ứng.GSM cho phép nhà điều hành mạng có thể sẵn sàng dịch vụ ở khắp nơi, vì thế người sử dụng có thể sử dụng điện thoại của họ ở khắp nơi trên thế giới. GSM là mạng điện thoại di động thiết kế gồm nhiều tế bào do đó các máy điện thoại di động kết nối với mạng bằng cách tìm kiếm các cell gần nó nhất. Các mạng di động GSM hoạt động trên 4 băng tần. Hầu hết thì hoạt động ở băng 900 Mhz và 1800 Mhz. Vài nước ở Châu Mỹ thì sử dụng băng 850 Mhz và 1900 Mhz do băng 900 Mhz và 1800 Mhz ở nơi này đã bị sử dụng trước.Và cực kỳ hiếm có mạng nào sử dụng tần số 400 Mhz hay 450 Mhz chỉ có ở Scandinavia sử dụng do các băng tần khác đã bị cấp phát cho việc khác. Các mạng sử dụng băng tần 900 Mhz thì đường uplink sử dụng tần số trong dãi 890-915 MHz và đường downlink sử dụng tần số trong dãi 935-960 MHz. Và chia các băng tần này thành 124 kênh với độ rộng băng thông 25 Mhz, mỗi kênh cách nhau 1 1
  3. khoảng 200 Khz. Sử dụng công nghệ phân chia theo thời gian TDM (time division multiplexing) để chia ra 8 kênh full rate hay 16 kênh haft rate. Có 8 khe thời gian gộp lại gọi là 1một khung TDMA. Tốc độ truyền dữ liệu của một kênh là 270.833 kbit/s và khoảng thời gian của một khung là 4.615 ms. Công suất phát của máy điện thoại được giới hạn tối đa là 2 watt đối với băng GSM 850/900 Mhz và tối đa là 1 watt đối với băng GSM 1800/1900 Mhz. Mạng GSM sử dụng 2 kiểu mã hoá âm thanh để nén tín hiệu âm thanh 3,1 Khz đó là mã hoá 6 và 13 kbps gọi là full rate (13 kbps) và haft rate (6 kbps). Để nén họ sử dụng hệ thống có tên là linear predictive coding (LPC). Vào năm 1997 thì họ cải tiến thêm cho mạng GSM là bộ mã GSM-EFR sử dụng full rate 12,2 kbps. Có tất cả bốn kích thước cell site trong mạng GSM đó là macro, micro, pico và umbrella. Vùng phủ sóng của mỗi cell phụ thuộc nhiều vào môi trường. Macro cell được lắp trên cột cao hoặc trên các toà nhà cao tầng, micro cell lại được lắp ở các khu thành thị, khu dân cư, pico cell thì tầm phủ sóng chỉ khoảng vài chục mét trở lại nó thường được lắp để tiếp sóng trong nhà. Umbrella lắp bổ sung vào các vùng bị che khuất hay các vùng trống giữa các cell. Bán kính phủ sóng của một cell tuỳ thuộc vào độ cao của anten, độ lợi anten thường thì nó có thể từ vài trăm mét tới vài chục km. Trong thực tế thì khả năng phủ sóng xa nhất của một trạm GSM khoảng 32 km (22 dặm). Một số khu vực trong nhà mà các anten ngoài trời không thề phủ sóng tới như nhà ga, sân bay, siêu thị thì người ta sẽ dùng các trạm pico để chuyển tiếp sóng từ các anten ngoài trời vào.Do công nghệ phát triển các thế hệ mạng thông tin di động đã phát triển mạnh mẽ ,từ 1G,2G,3G, xa hơn nữa là 4G.Các thế hệ sau này thì tốc độ truyền cao hơn dẫn đến có thể đáp ứng nhu cầu của người dung. 2
  4. CHƯƠNG II LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G): Hệ thống 1G được suất hiện vào cuối những băm 70 đầu 80 , dùng kỹ thuật điều tần FM tương tự và kỷ thuật FDMA .Trong đó hệ thống AMPS (Advanced Mobile Phone Service) là hệ thống đáng chú ý nhất . AMPS sử dụng công nghệ FM để truyền thoại và báo hiệu số cho thông tin điều khiển . Các hệ thống thứ nhất gồm có : - Với FDMA, một kênh truyền chiếm 1 tần số sóng mang, một máy di động truy cập vào mạng sẽ được cấp phát 2 tần số sóng mang, 1 cho uplink, 1 cho downlink. - WARC(World Allocation Radio Conference) chấp thuận dành dãy tần 800/900 MHz cho hệ thống thông tin di động tế bào vào 1976. -AMPS băng hẹp (NAMPS) được đưa vào sử dụng năm1983 , đây là tiêu chuẩn tương tự thành công nhất và được triển khai rất nhiều trên nhiều nước trên thế giới . -TACS (Total Access Communication System) ban đầu được dành riêng cho Anh và cũng dựa trên AMPS . Chỉ tiêu ban đầu được mở rộng thành : ETAC được triển khai trên khu vực Châu Á thái bình dương . -NMT (Nordic Mobile Telephones) được triển khai ở Scandinavia . -NTT (Nippon Telephone and Telegraph) được triển khai ở Nhật Bản vào 1979 . - Các hệ thống NTT, NMT, AMPS có tần số kênh uplink và downlink cách nhau 45 MHz. 2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2(2G): Sự phát triển nhanh chống về số lượng thuê bao và sự phát triển nhanh chống của nhiều hệ thống thế hệ thứ nhất là nguyên nhân thúc đẩy tiến trình phát triển tới hệ thống cellular thế hệ thứ hai (2G) , nhầm cải thiện chất lượng thoại , vùng phủ sóng và dung 3
  5. lượng . Các hệ thống thế hệ thứ hai có ưu điểm của kỹ thuật nén và mã hoá ,phối hợp với kỹ thuật số và điều chế số Các kỹ thụât đa truy cập TDMA , CDMA được sử dụng cùng với FDMA trong các hệ thống thế hệ thứ hai . Bốn tiêu chuẩn 2G chính đã được triển khai trên toàn thế giới . -Cellular số của Mỹ (USDC) tiêu chuẩn IS-54 và IS-136 được coi là tiêu chuẩn TDMA Bắc Mĩ –Hệ thống GSM (Global System For Mobile) là hệ thống thông tin di động thuê bao nó sử dụng kỹ thuật đa truy cập TDMA , là chuẩn GSM của Châu Au. Tiêu chuẩn GSM đạt thành công lớn nhất với hàng chục triệu người dùng tại chổ và trên hàng trăm triệu người dùng trên thế giới và cả Châu Au. Với hơn 110 quốc gia và hơn 200 mạng cho tới ngày nay . -Hệ thống PDC (Personal Digital Cellular ) được sử dụng ở Nhật với kỹ thuật TDMA . -IS_54/136 (D-AMPS:Digital Advanced Mobile Phone Service) -IS-95 (CDMAone) dựa trên công nghệ CDMA băng hẹp ,hệ thống này rất phổ biến ở Hàn Quốc va Bắc Mỹ . 2.1 GSM , DCS1800 , PCS1900 1982: CEPT (Conference of European Postal and Telecommunications Administrations) đã thành lập Groupe Spéciale Mobile (GSM) có nhiệm vụ định ra các chuẩn cho các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 ở châu Âu. -Hệ thống GSM (Global System for Mobile Communications) được triển khai vào cuối 1992. Nó là hệ thống thông tin di động số đầu tiên. -GSM hoạt động ở băng tần 900 MHz, sử dụng F/TDMA, với 8 slots/carrier (full- rate) hoặc 16 slots/carrier (half-rate), hỗ trợ dịch vụ truyền số liệu 2.4, 4.8, 9.6 kbps. GSM sử dụng phương pháp điều chế số GMSK. -Các biến thể của GSM cũng được phát triển hoạt động ở băng tần cao hơn. 4
  6. -1993, ở châu Âu, hệ thống DCS_1800 được triển khai bởi ETSI (European Telecommunications Standards Institute). - 1995, hệ thống PCS_1900 ra đời ở Bắc Mỹ. 2.2 IS_54/136 và IS_95. - Ở Bắc Mỹ, động lực chính của việc xây dựng hệ thống 2G là dung lượng và chất lượng thấp của hệ thống 1G AMPS trong khi nhu cầu sử dụng điện thoại di động đang tăng nhanh. - Mục tiêu đặt ra của CTIA (Cellular Telephone Industry Association) là hệ thống 2G ở Bắc Mỹ phải có dung lượng lớn hơn AMPS 10 lần và phải tương thích với AMPS. Ra đời máy di động 2 mode (AMPS và 2G). - Trong khi châu Âu tập trung vào GSM thì Bắc Mỹ phát triển hai hệ thống 2G, đó là IS_54/136 dựa trên F/TDMA ra đời 1990 và IS_95 dựa trên kỹ thuật CDMA ra đời 1992 do công ty Qualcomm đề xuất. -IS_95 có tốc độ người dùng cơ bản trong là 9.6 kbps, dùng kỹ thuật DS_CDMA, tốc độ chip là 1.2288 Mchip/s. IS_95 bị ảnh hưởng bởi vấn đề gần – xa. -Theo lý thuyết, IS_95 có dung lượng gấp 40 lần hệ thống AMPS, nhưng thực tế đạt được từ 6 đến 10 lần. 2.3 Hệ thống PDC ờ Nhật (Personal Digital Cellular). -Ra đời năm 1991 bởi JMPT (Japanese Ministry of Post and Telecom). -Tương tự như IS_54/136. Feature GSM/DCS1800/PCS1900 IS_54/136 Frequency Band GSM: 890-915/935-960 824-829/869-894 a RL/FL (MHz) DCS1800: 1710-1785/1805-1880 1930-1990/1850-1910 PCS1900: 1930-1990/1850-1910 Multiple Access F/TDMA F/TDMA 5
  7. Carrier Spacing 200 30 (kHz) Modulation GMSK π/4 – DQPSK Baud Rate (kb/s) 270.833 48.6 Frame Size (ms) 4.615 40 Slots/Frame 8/16 3/6 Voice Coding VSELP (HR 6.5) VSELP (FR 7.95) (kb/s) RPE-LTP (FR 13) ACELP (EFR 7.4) ACELP (EFR 12.2) ACELP (12.2) Channel Coding Rate – ½ CC Rate – ½ CC (kb/s) Frequency Yes no Hopping Handoff Hard hard Bảng 2-1 so sánh các hệ thống 2G 3. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G): Có nhiều tiêu chuẩn mới đã được thông qua và nhiều liên minh đã được hình thành để nâng cao chuẩn vô tuyến thế hệ thứ 3. Các tiêu chuẩn thế hệ thứ 3 được gọi là thế hệ 3G . Những tiêu chuẩn này áp dụng cho hỗ trợ có khả năng tương tác cho các dịch vụ đa phương tiện ,dịch vụ tốc độ cao và công suất bổ sung trên dãy tần hiện thời . -3/1992: WARC chấp thuận dành băng tần 1885 – 2200 MHz (2 GHz) cho hệ thống điện thoại di động quốc tế IMT-2000 (International Mobile Telephone by the Year 2000). -Chịu trách nhiệm định chuẩn cho IMT-2000 là ITU-R và ITU-T với sự hỗ trợ từ các công ty viễn thông của các quốc gia trên thế giới. 6
  8. -Mục tiêu của IMT-2000 là một mạng điện thoại rộng khắp thế giới, có khả năng hỗ trợ dịch vụ thoại, multimedia, dữ liệu tốc độ cao lên đến 2 Mbps. Có 10 cấu hình đa truy cập được đề nghị cho IMT-2000, trong đó có 2 cấu hình là TDMA và 8 cấu hình là CDMA. -Cuối cùng có 4 chuẩn cho 3G: CDMA-2000, W-CDMA UMTS FDD, W-CDMA UMTS TDD và UWC-136. -10/2000, Hàn Quốc là nước đầu tiên triển khai 3G dùng hệ thống CDMA-2000. -7/2003, Việt Nam chính thức vận hành và khai thác mạng CDMA-2000 với thương hiệu là S-Phone. -UMTS: Universal Mobile Telecommunications System. -UWC: Universal Wireless Communication. Feature W-CDMA CDMA-2000 Multiple Access FDD: DS/CDMA FDD: DS/CDMA TDD: T/CDMA TDD: T/CDMA Chip Rate (Mcps) FDD: 1.024/4.096 1.2288/3.6864 8.192/16.384 7.3728/11.0593/ TDD: 4.096 14.7456 Carrier Spacing (MHz) (1.25).5.10.20 1.25.5.10.15.20 Frame Length (ms) 10 20 Modulation FDD: FL: QPSK FL: QPSK RL: dual-channel QPSK RL: BPSK TDD: FL&RL: QPSK Coding Rate-1/2, 1/3 K = Rate-1/2, 1/3, 1/4 K 9 CC = 9 CC optional Rate-1/2, 1/3, 1/4 K 7
  9. RS outer code = 4 CC Interleaving inter/intraframe intraframe Spreading FDD: FL: BPSK QPSK RL: QPSK TDD: FL-RL: QPSK Inter BS synchronization Asynchronous synchronous Bảng 2-2 so sánh các hệ thống 3G . . CHƯƠNG III CÁC MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG VÀ FADING 3.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng phủ sóng 3.1.1 Tổn hao đường truyền sóng vô tuyến Hệ thống GSM được thiết kế với mục đích là một mạng tổ ong dày đặc và bao trùm một vùng phủ sóng rộng lớn. Các nhà khai thác và thiết kế mạng của mình để cuối 8
  10. cùng đạt được một vùng phủ liên tục bao tất cả các vùng dân cư của đất nước. Vùng phủ sóng được chia thành các vùng nhỏ hơn là các cell. Mỗi cell được phủ sóng bởi một trạm phát vô tuyến gốc BTS. Kích thước cực đại của một cell thông thường có thể đạt tới bán kính R = 35 km. Vì vậy, suy hao đường truyền là không thể tránh khỏi. Với một anten cho trước và một công suất phát đã biết, suy hao đường truyền tỉ lệ với bình phương (d.f), trong đó d là khoảng cách từ trạm thu đến trạm phát gốc BTS. Trong môi trường thành phố, với nhiều nhà cao tầng, suy hao có thể tỉ lệ với luỹ thừa 4 hoặc cao hơn nữa. Dự đoán tổn hao đường truyền trong thông tin di động GSM bao gồm một loạt các vấn đề khó khăn, mà lý do chính bởi vì trạm di động luôn luôn di động và anten thu thấp. Những lý do thực tế này dẫn đến sự thay đổi liên tục của địa hình truyền sóng, vì vậy trạm di động sẽ phải ở vào những vị trí tốt nhất để thu được các tia phản xạ. 3.1.2 Tính toán lý thuyết Cách cơ bản mà đơn giản ta coi không gian truyền sóng là không gian tự do. Giả thiết rằng không có tia phản xạ và sóng vô tuyến được truyền trong không gian tự do. Với anten vô hướng, ta có công thức suy hao đường truyền trong không gian tự do: Lf = 20log(4πd /λ) [dB] (3.1) Công thức này có thể được viết lại như sau: Lf = 32,5 + 20logd + 20logf [dB] (3.2) Trong đó: d = khoảng cách từ anten phát đến anten thu [km]. f = tần số làm việc [MHz]. Những công thức lý thuyết đơn giản và trọn vẹn trên không còn phù hợp trong môi trường di động nữa, nơi mà truyền sóng do nhiều đường là chủ yếu. Những sóng này cũng 9
  11. bị tán xạ, nhiễu xạ, suy giảm do nhiều trạng thái khác nhau của cả vật thể cố định và vật thể chuyển động. Hơn nữa, sự khúc xạ tầng đối lưu làm đường truyền sóng bị uốn cong.  Mô hình mặt đất bằng phẳng: Mô hình mặt đất được trình bày trong hình 4-1 cho thấy tổng tín hiệu đến trong máy thu bao gồm thành phần đến trực tiếp cộng với thành phần phản xạ từ mặt đất (thành phần này có thể được coi như là tín hiệu gốc từ một anten ảo trong lòng đất). Hai sóng này cùng nhau tạo thành sóng không gian (Space Wave). Hình 3-1 Truyền sóng trong trường hợp coi mặt đất là bằng phẳng Ta có công thức sau để tính suy hao đường truyền: 2 L = 20.log(d /h1.h2 ) (3.3) Nhưng trong thực tế, khoảng không gian giữa máy thu và máy phát thường có các vật chắn (hình 3-2). Theo lý thuyết về truyền sóng vô tuyến, một chướng ngại vật sẽ làm suy giảm cường độ của tín hiệu truyền thẳng. Sự suy giảm này phụ thuộc vào vật chắn trong tầm nhìn thẳng của vật chắn. 10
  12. Hình 3-2 Vật chắn trong tầm nhìn thẳng Công thức sau dùng để tính toán sự suy giảm do vật chắn gây ra: + 2(d1 d 2 ) h V = λ (3.4) d1d 2 Trên thực tế các loại địa hình truyền sóng rất phức tạp, không một công thức nào có thể đề cập được hết các loại địa hình này. Vì vậy, đã xuất hiện những mô hình truyền sóng nhờ những đo đạc thực tế của các nhà khoa học. Những kết quả từ những phép đo được chuyển thành những đồ thị chỉ ra mối quan hệ giữa cường độ trường và khoảng cách với một số biến như: chiều cao anten, loại địa hình  Phương pháp đo cường độ trường: Năm 1968, Y. Okumura là một kỹ sư người Nhật Bản đã đưa ra rất nhiều số liệu về việc đo cường độ trường để tham khảo. Ông chia địa hình thành 5 loại chính 1. Vùng hầu như bằng phẳng 2. Vùng nhiều đồi 3. Vùng có chỏm núi độc lập 4. Vùng có địa hình dốc 5. Vùng ranh giới giữa đất và nước (bờ sông, bờ biển ) 11
  13. Ông đưa ra những thử nghiệm trên tất cả các loại địa hình trên tại những tần số khác nhau, với những độ cao anten khác nhau và sử dụng các công suất phát khác nhau. Đối với mỗi loại địa hình có một biểu đồ tương ứng chỉ ra tổn hao ứng với loại địa hình đó (hình 3-3). Hình 3-3 Biểu đồ cường độ trường của OKUMURA Ta thấy rằng sự đo lường của Okumura chỉ cho thấy sự suy giảm của cường độ tín hiệu theo khoảng cách, nhưng nó giảm nhanh hơn nhiều so với những gì ta đã biết trong không gian tự do. 12
  14. 3.1.3 Các mô hình chính lan truyền sóng trong thông tin di động:  Mô hình truyền sóng Hata: Vào khoảng năm 1980, M.Hata đã giới thiệu mô hình toán học trong việc tính suy giảm đường truyền dựa trên những phân tích dữ liệu của Okumula. Công thức Hata: Lp(đô thị) = 69,55 + 26,16.logf – 13,82.log(hb) – a(hm) + [44,9 – 6,55log(hb)].logd (3.5) Trong đó: Lp(đô thị) : suy hao đường truyền đối với đô thị đông dân [dB] f : tần số sóng mang (150÷1500) MHz hb : chiều cao của anten trạm gốc (30÷200) m hm : chiều cao anten máy di động (1÷20) m d: khoảng cách từ trạm gốc đến máy di động (1÷20) km Hệ số hiệu chỉnh anten a(hm) : a(hm) = (1,1.logf – 0,7).hm – (1,56.logf – 0,8) (3.6) Và công thức tính suy hao cho vùng ngoài đô thị: Lp(ngoại ô) = Lp(đô thị) – 2.[log(f/28)]2 – 5,4 (3.7) Lp(nông thôn) = Lp(đô thị) – 4,78(logf)2 + 18,33.logf – 40,94 (3.9) Mô hình Hata được sử dụng rộng rãi nhưng trong các trường hợp đặc biệt như nhà cao tầng phải sử dụng Microcell với anten lắp đặt dưới mái nhà cần phải sử dụng mô hình khác được giới thiệu tiếp theo.  Mô hình COST 231: 13
  15. COST (Collaborative studies in Science and Technology - Cộng tác nghiên cứu khoa học và công nghệ) được sự bảo trợ của EU. COST231 bao gồm một số vấn đề liên quan tới vô tuyến của ô và những mô hình truyền sóng. Một Microcell được COST231 định nghĩa là một cell nhỏ với phạm vi từ 0,5 đến 1 km, trong phạm vi này anten gốc nói chung được đặt thấp hơn độ cao của toà nhà cao nhất. Anten trạm gốc của cell lớn hoặc cell nhỏ nói chung đều được đặt phía trên của toà nhà cao nhất. Cell nhỏ của GSM được giới hạn trong phạm vi bán kính khoảng 1÷3 km, trái lại cell lớn có thể mở rộng phạm vi bán kính lên tới 35 km. Dựa trên cơ sở này, COST đưa ra mô hình Hata COST231. Mô hình Hata COST231 Mô hình này được thiết kế để hoạt động trong dải tần từ 1500÷2000 MHz ở đô thị hoặc ngoại ô, ta có công thức: Lp = 46,3 + 33,9.logf –13,82.loghb – a(hm) + (44,9 – 6,55.loghb).logd + Cm (3.10) Trong đó: Lp : suy hao đường truyền ( dB ) f : tần số hoạt động ( MHz ) hb : độ cao anten trạm gốc ( m ) hm : độ cao anten máy di động ( m ) a(hm) : hệ số hiệu chỉnh anten d : khoảng cách từ trạm gốc đến máy di động ( km ) Cm = 0 dB đối với thành phố cỡ trung bình hoặc trung tâm ngoại ô = 3 dB đối với trung tâm đô thị  Mô hình SAKAGAMIKUBOL: 14
  16. Đây là mô hình được phát triển dựa trên kết quả của mô hình Okumura. Kết quả là có được một mô hình đáng quan tâm bởi những lý do sau: 1. Nó đưa ra rất nhiều tham số cho môi trường đô thị. 2. Nó có thể đáp ứng được trên phạm vi tần số 450÷2200 MHz. 3. Nó đưa ra những qui định hợp lệ đối với những độ cao của anten trạm gốc thấp hơn đỉnh các toà nhà, để tạo ra mô hình hữu ích cho ứng dụng của Microcell. Công thức của mô hình này là: Lp = 100 – 7,1.logW + 0,023.φ + 1,4.loghs + 6,1.log – [24,37 –3,7. (H/hb)2].loghb + (43,42 – 3,1.loghb).logd + 20logf + exp[13(logf – 3,23)] (3.11) Trong đó: Lp : suy hao [dB] W : bề rộng của đường tại điểm thu ( 5÷50 m ) φ : góc giữa trục của đường với đường thẳng nối từ anten trạm gốc đến máy di động hs : độ cao của tòa nhà có đặt anten trạm gốc phía điểm thu (5÷80 m) : độ cao trung bình của các toà nhà xung quanh điểm thu (5÷50 m) hb : độ cao của anten trạm gốc tại điểm thu (20÷100 m) H : độ cao trung bình của các tòa nhà xung quanh trạm gốc (H > hb) d : khoảng cách giữa trạm gốc và điểm thu (0,5÷10 km) f : tần số hoạt động (450÷2200 MHz)  Mô hình OKUMURA 15
  17. Mô hình OKUMURA la mô hình ứng dụng cho dãy tần số trong khoảng 150 MHz đến 1920 MHz . Mô hình HATA áp dụng choc ho chiều cao anten tram gốc từ 30 m đến 1000 m .Mô hình HATA đưa ra suy hao bức xạ theo một công thức chuẩn và có các tham số hiệu chỉnh úng dụng cho các trường hợp khác nhau. L(dB)=LF + Amu(f,d) – G(hte) – G(hre)-GAREA (3.12) Trong đó : G(hte) : hệ số độ lợi anten tram gốc G(hre): hệ số độ lợi của anten di động Amu(f,d): suy hao của môi trường GAREA: hệ số điều chỉnh theo từng loại địa hình Với : h G(h ) = 20log( te ) 1000 m >h >30m te 200 te h G(h ) =10log( re ) h h > 3 m re 3 re Hình 3-4 và 3-5 là hình vẽ biểu diễn của Amu(f,d) và GAREA theo dãy tần số 16
  18. Hình 3-4 Quan hệ suy hao môi trường và không gian tự do Amu(f,d) 17
  19. Hình 3-5 Hệ số điều chỉnh , GAREA cho từng loại địa hình khác nhau 3.2 Vấn đề Fading 3.2.1 Các loại fading Khi tín hiệu tán xạ bị phản xạ và phân tán trên một bề mặt lớn như cao ốc, đồi núi, tín hiệu thu là sự kết hợp của nhiều sóng ngang đến với biên độ, pha và góc ngẫu nhiên. Do băng thông của hệ thống hữu hạn, máy thu không thể xử lý nhiều nhóm tín hiệu đa đường đến cùng lúc. Do đó, tổng quát chúng ta xem xét các nhóm đa đường không thể giải quyết trên như là một sóng đa đường đơn. Các nhà nghiên cứu đã nỗ lực mô tả đặc tính các tín hiệu đa đường thu được với những thí nghiệm đo lường và mô hình vật lý của kênh truyền. Tổng quát chúng ta mô phỏng biên độ tín hiệu thu được theo phân bố Rayleigh khi không có tín hiệu trực tiếp hoặc theo phân bố Ricean khi có tín hiệu truyền trực tiếp, và pha phân bố thống nhất giữa 0 và 2π. Khi có nhiều cao ốc chắn đường tín 18
  20. hiệu, biên độ tín hiệu có phân bố logarit chuẩn. Mô hình toán học cho mỗi phân bố được mô tả như sau :  Fading chuẩn Loga: Fading logarit chuẩn còn gọi là fading chậm, gây ra bởi hiệu ứng bóng của các cao ốc hoặc các bản chất tự nhiên và được xác định bởi trung bình riêng của tín hiệu fading nhanh. Phân bố thống kê của trung bình riêng được xem xét kỹ qua thực nghiệm. Phân bố này bị ảnh hưởng của chiều cao antenna, tần số hoạt động, loại môi trường. Tuy nhiên, nó được tiến hành khi các thông số cố định, công suất trung bình thu được trên vùng lân cận nhỏ gần giống như một phân bố chuẩn khi vẽ trên tỉ lệ logarit, được mô tả :  ( log(r)− µ ) 2  − 1 σ 2 p( r ) =  e 2 r ≥ 0 (3.13)  πσr  0 r < 0 Với µ và σ là trung bình và độ lệch chuẩn của r tính theo dB, giá trị tiêu biểu của σ là 8dB.  Fading Rayleigh: Khi môi trường có nhiều chướng ngại vật, tín hiệu thu được từ nhiều phương khác nhau. Điều này nghĩa là tín hiệu thu là tổng của nhiều tín hiệu giống nhau nhưng khác pha và biên độ . Để giảm phần nào tác hại do Fading gây ra, người ta thường tăng công suất phát đủ lớn để tạo ra một lượng dự trữ Fading, sử dụng một số biện pháp như: phân tập anten, nhảy tần Phân bố fading Rayleigh : còn được gọi là fading nhanh. Sử dụng mô hình tương đương băng gốc, chúng ta có thể mô tả theo toán học độ lợi của mỗi đa đường là biến ngẫu nhiên Gaussian phức : = + h hx jhy (3.14) 19
  21. 2 với hx , hy là các biến ngẫu nhiên gaussian N (0,σ ) với : 1 − 2 σ 2 = hx / 2 p(hx ) e 2πσ 2 − 2 σ 2 (3.15) = 1 hy / 2 p(hy ) e 2πσ 2 Do đó, biên độ r và pha θ của h = rej θ là : r = h = h 2 +h 2 x y (3.16)  h  θ = −1  x  tan   (3.17)  hy  với hàm mật độ xác xuất Rayleigh của r là:  r − 2 σ 2  e r / 2 r ≥ 0 p(r) =  σ 2 (3.18)  0 r < 0 và phân bố thống nhất của θ là: 1 p(θ ) = 0 ≤ θ < 2π (3.19) 2π  Phân bố fading Ricean Phân bố Ricean sử dụng mô tả fading đa đường khi tồn tại tín hiệu trực tiếp. Tương tự, chúng ta có thể mô tả toán học độ lợi của mỗi đa đường là tổng của một hằng số với một biến phức ngẫu nhiên Gaussian: = + + h A hx jhy (3.20) Với A là hằng số 2 hx, hy là biến ngẫu nhiên Gaussian N(0,σ ) với : 20
  22. 2 − hx ( ) = 1 2σ 2 p hx e 2πσ 2 (3.21) h2 − y ( ) = 1 2σ 2 p hy e 2πσ 2 Biên độ r của h như sau: = = ( + )2 + 2 r h A hx hy (3.22) Với hàm mật độ xác suất Ricean :  − ( A2 + r 2 ) r 2  Ar   e 2σ I   r ≥ 0 p( r ) =  σ 2 0  σ 2  (3.23)   0 r ≤ 0 Với I0 là hàm Bessel bổ sung bậc 0. Ta thường hay dùng tỉ số K để biểu diễn tỉ số công suất giữa tín hiệu trực tiếp và đa đường. Khi K >>1, công suất tín hiệu trực tiếp rất trội hơn đa đường nên kênh truyền trở thành kênh AWGN. Khi K<<1, tín hiệu trực tiếp biến mất và trở thành kênh truyền fading Rayleigh biểu diễn theo công thức (4.16). Trong môi trường tế bào, K thường rất nhỏ hơn 1. Tuy nhiên trong hệ thống dịch vụ phân bố cục bộ đến đa điểm (local-to- multipoin-distribution-services-LMDS) tồn tại đường truyền trực tiếp, K đo được khoảng 50-70. 3.2.2 Hiện tượng Doppler Khi truyền sóng, sự di chuyển của bộ phát và bộ thu dẫn đến dịch tần số Doppler. Ngoài ra, các vật chuyển động trong môi trường vô tuyến cũng gây nên hiện tượng Doppler. Hình 3-6 mô tả sự di chuyển của bộ thu đang di chuyển với tốc độ v. Bộ thu di chuyển ở khoảng cách d trong thời gian Δt, và độ lệch về chiều dài đường đi tương ứng là d.cosθ = v.Δt.cosθ. Pha thay đổi do sự chênh lệch về đường đi là 2πv.Δt.cosθ/λ. Dịch tần số được tìm bằng cách chia cho 2πΔt. 21
  23. Hình 3-6. Máy thu di chuyển với vận tốc v tạo một góc θ so với góc tới Dịch Doppler cực đại fm sẽ xảy ra khi |cos θ| = 1, lúc đó fm = vfc/c, trong đó fc là tần số sóng mang. Tần số thu biểu kiến sẽ là fc - fm nếu bộ nhận đang di chuyển trực diện về hướng sóng đang đến hay fc + fm nếu nó đang di chuyển rực diện theo hướng ngược lại. Khi một sóng sin được truyền đi, thay vì chỉ bị dịch một khoảng tần số duy nhất fd tại đầu thu, phổ của tín hiệu sẽkhoảng rộng từ fc -fm đến fc + fm được gọi là phổ Doppler. Sử dụng mô hình 2 chiều và giả sử góc đến của mỗi tín hiệu được chọn từ một phân bố đồng nhất từ 0 đến 2π, phổ tại bộ thu được cho bởi: = 2s − ≤ Y ( f ) , f f m f m f − f ω − c (3.24) m 1 f m Trong đó s là công suất nhận trung bình. Nếu fm rất nhỏ phổ nhận được sẽ rất hẹp, và khoảng Doppler có ít tác động lên tín hiệu nhận. Nếu băng thông tín hiệu lớn hơn nhiều băng thông Doppler BD = 2fm thì tín hiệu ít chịu ảnh hưởng của dịch Doppler. 3.2.3 Các thông số của fading 3.2.3.1. Thông số tán xạ thời gian Để so sánh tính chất của các kênh truyền dẫn đa đường, người ta sử dụng các thông số như độ trễ trung bình vượt mức, khoảng trễ hiệu dụng. Các thông số này có thể được tính từ đặc tính công suất truyền tới bộ thu của các thành phần đa đường. Giả sử một kênh truyền tĩnh, đáp ứng xung của kênh có thể được biểu diễn như sau: 22
  24. N δ −τ h(t)∑an (t n ) (3.25) n=1 Trong đó N là số đường lan truyền từ bộ phát tới bộ thu, an là biên độ và τn là trễ thời gian − của con đường thứ n. Độ trễ trung bình vượt mức τ được tính như sau: N τ − ∑an n τ = n=1 N (3.26) ∑an n=1 Suy ra giá trị trung bình bình phương của τ: N 2τ 2 − ∑ an n τ 2 = n=1 N (3.27) 2 ∑ an n=1 Từ đó , khoảng trể hiệu dụng được tính như sau: − = 2 − 2 (3.28) st t t 3.2.3.2 Băng thông kết hợp Băng thông kết hợp Bc, được định nghĩa là khoảng tần số mà kênh truyền có thể được coi là “phẳng”, nghĩa là kênh truyền cho qua tất cả các thành phần có phổ nằm trong khoảng tần số đó với độ lợi gần như nhau và pha gần như tuyến tính. Băng thông kết hợp là dải tần số mà trong đó kênh vẫn giữ biên độ có giá trị hằng số.Băng thông kết hợp BC trong đó hàm tương quan giữa các tín hiệu có tần số trong khoảng này ở mức trên 90% được xấp xỉ là: = 1 Bc (3.30) 50στ Còn với hàm tương quang trên 50%, băng thông kết hợp Bc là : 23
  25. = 1 Bc (3.31) 5στ Đây là chỉ những ước lượng vì không có một mối quan hệ chính xác nào giữa khoảng trễ và băng thông kết hợp. `3.2.3.3. Khoảng Doppler và thời gian kết hợp Khoảng trễ và băng thông kết hợp là các thông số mô tả bản chất tán xạ thời gian của kênh truyền nhưng lại không cung cấp thông tin về sự thay đổi tính chất theo thời gian của kênh do sự di chuyển tương đối giữa MS và BS hoặc do sự di chuyển của các vật thể khác trong môi trường truyền dẫn.Khái niệm khoảng Doppler và thời gian kết hợp là những thông số mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của kênh truyền. Khi một sóng sin tần số f được truyền đi, phổ tín hiệu nhận được, gọi là phổ Doppler, sẽ có các thành phần nằm trong khoảng tần số fc -fd đến fc +fd với fd là độ dịch tần do hiệu ứng Doppler. Lượng phổ được mở rộng phụ thuộc vào fd, là một hàm theo vận tốc tương đối của MS và góc giữa hướng di chuyển của MS và hướng của sóng tín hiệu tới MS. Khi đó, khoảng Doppler, BD, được định nghĩa là khoảng tần số mà phổ Doppler nhận được là khác không. BD là thông số đo sự mở rộng phổ gây ra bởi sự thay đổi theo thời gian của kênh vô tuyến di động. Thời gian kết hợp, Tc, chính là đối ngẫu trong miền thời gian của khoảng Doppler, dùng để mô tả sự tán xạ tần số và bản chất thay đổi theo thời gian của kênh truyền. Thời gian kết hợp là tỉ lệ nghịch với khoảng Doppler fm (cũng là Bd): = 1 Tc (3.32) f m Nếu nghịch đảo băng thông của tín hiệu băng tần gốc nhỏ hơn thời gian kết hợp thì kênh truyền sẽ thay đổi trong suốt thời gian truyền tín hiệu và do đó gây méo ở bộ thu.Thật ra, thời gian kết hợp là khoảng thời gian mà đáp ứng xung của kênh truyền không thay đổi (khoảng thời gian mà 2 tín hiệu có tương quan với nhau về biên độ). Nếu 24
  26. thời gian kết hợp được định nghĩa là thời gian mà hàm tương quan thời gian lớn hơn 0.5, khi đó thời gian kết hợp được định nghĩa như sau: 9 T ≈ c π (3.33) 16 f m Kết hợp 2 công thức trên ta có: 9 0.423 T ≈ = c π 2 (3.34) 16 f m f m Ở đây fm là độ dịch Doppler cực đại: f =v/λ Tóm lại, ý nghĩa của thời gian kết hợp ngụ ý rằng 2 tín hiệu đến bộ thu khác nhau một khoảng thời gian Tc sẽ bị ảnh hưởng khác nhau bởi kênh truyền. 3.2.4 Các loại kênh truyền fading Tuỳ thuộc vào mối quan hệ giữa các thông số của tín hiệu và các thông số của kênh truyền mà tín hiệu truyền bị ảnh hưởng các loại fading khác nhau, có 4 loại như phân loại dưới đây. 3.2.4.1 Phân loại dựa trên khoảng trể Hình 3-7 Fading phẳng va Fading chọn lọc tần số Phổ của tín hiệu truyền có băng thông nhỏ hơn băng thông kết hợp của kênh truyền và chu kỳ ký tự lớn hơn khoảng trễ của kênh truyền thì sẽ bị chịu fading phẳng. Các đặc tính 25
  27. của phổ của tín hiệu truyền được bảo toàn, mọi thành phần tần số của tín hiệu được truyền qua kênh sẽ chịu sự suy giảm và dịch pha gần như nhau nhưng cường độ tín hiệu thu lại thay đổi theo thời gian, do sự thăng giáng theo độ lợi kênh gây ra bởi đa đường. Theo thời gian, tín hiệu thu sẽ khác nhau theo các độ lợi nhưng phổ tín hiệu không đổi. Kênh truyền fading phẳng được xem như là kênh thay đổi biên độ và cũng còn được gọi là kênh truyền băng hẹp.Ngược lại là kênh fading chọn lọc tần số, những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyền đi sẽ chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau.Tín hiệu thu bị méo bởi vì nó gồm nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu truyền, mỗi phiên bản có độ suy giảm và trễ khác nhau. Đối với những kênh này, sẽ có những sự biến động đáng kể trong đáp ứng tần số trong dải băng, và thông thường có những điểm không trong đáp ứng tần số, ở đó kênh suy giảm đáng kể các phần của phổ. Chu kỳ ký tự truyền bị trải rộng ra trong miền thời gian, chồng lắp lên các ký tự kế cận, sinh ra nhiễu liên ký tự ISI Kênh truyền fading chọn lọc tần số còn được gọi là kênh truyền băng rộng bởi vì băng thông tín hiệu truyền lớn hơn băng thông kết hợp của kênh. 3.2.4.2 Phân loại dựa trên độ dịch Doppler Hình 3-8 Fading chậm và Fading nhanh Tốc độ thay đổi tín hiệu băng tần gốc so với tốc độ thay đổi của kênh sẽ quyết định một kênh là fading chậm hay là fading nhanh. Trong kênh fading nhanh, đáp ứng xung của kênh thay đổi nhanh hơn chu kỳ ký hiệu phát (thời gian kết hợp nhỏ hơn chu kỳ ký hiệu). 26
  28. Điều này gây ra hiện tượng phân tán tần số do sự phân tán Doppler và gây méo tín hiệu. Đường bao của tín hiệu nhận được có fading nhanh thường theo phân bố Rayleigh hoặc Rician. Một trong các lý do gây ra fading nhanh là các tán xạ sóng vô tuyến xung quanh máy thu di động, khi đó các biến động trong kênh thông tin ở trong tầm vài phần của giây tới vài giây. Fading nhanh nhiều đường thường có tác động xấu tới các tham số của tín hiệu – rõ nhất là dạng song của tín hiệu, nó gây méo phổ, méo sườn xung, méo biên tần, biên pha, méo trễ nhóm và ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng hệ thống. Trong thực tế fading nhanh chỉ xảy ra với tốc độ dữ liệu thấp. Còn fading chậm xảy ra khi sự thay đổi đáp ứng xung kênh truyền chậm hơn tốc độ của tín hiệu dải nền phát. Khi đó kênh truyền được xem như là tĩnh, khoảng Doppler của kênh nhỏ hơn băng thông tín hiệu. Fading chậm có thể gọi là loại fading kéo dài. Đó là các biến động trên kênh xảy ra trong khoảng hang phút, hàng giờ và có thể lâu hơn nữa. Nguyên nhân có thể từ các chướng ngại vật lớn, các hiện tượng khí hậu xấu kết quả là công suất thu trung bình có thể giảm đáng kể và thậm chí có thể mất tín hiệu. Sự phân tán thời gian trễ đa đường gây nên fading phẳng hay chọn lọc tần số, còn sự phân tán Doppler gây nên fading nhanh hay fading chậm. Khi một kênh được chỉ rõ là fading nhanh hay fading chậm thì vẫn chưa thể biết được nó là fading phẳng hay chọn lọc tần số. Trường hợp fading phẳng, chúng ta xấp xỉ đáp ứng xung kênh truyền là hàm Delta. Trường hợp là fading chọn lọc tần số, kênh fading nhanh có biên độ, pha và thời gian trễ của một số thành phần đa đường thay đổi nhanh hơn tốc độ tín hiệu phát. 3.3 Ảnh hưởng nhiễu C/I và C/A Một đặc điểm của cell là các kênh đang sử dụng đã có thể được sử dụng ở các cell khác. Nhưng giữa các cell này phải có một khoảng cách nhất định. Điều này có nghĩa là cell sẽ bị nhiễu đồng kênh do việc các cell khác sử dụng cùng tần số. Cuối cùng vùng phủ sóng của trạm gốc sẽ bị giới hạn bởi lý do này hơn là do tạp âm thông thường. Vì vậy, ta có thể nói rằng một hệ thống tổ ong hoàn thiện là giới hạn được nhiễu mà đã được qui chuẩn, loại trừ được nhiễu hệ thống. Một vấn đề trong thiết kế hệ tổ ong là điều khiển các 27
  29. loại nhiễu này ở mức chấp nhận được. Điều này được thực hiện một phần bởi việc việc điều khiển khoảng cách sử dụng lại tần số. Khoảng cách này càng lớn thì nhiễu càng bé. Để chất lượng thoại luôn được đảm bảo thì mức thu của sóng mang mong muốn C (Carrier) phải lớn hơn tổng mức nhiễu đồng kênh I (Interference) và mức nhiễu kênh lân cận A (Adjacent). 3.3.1 Nhiễu đồng kênh C/I: Nhiễu đồng kênh xảy ra khi cả hai máy phát phát trên cùng một tần số hoặc trên cùng một kênh. Máy thu điều chỉnh ở kênh này sẽ thu được cả hai tín hiệu với cường độ phụ thuộc vào vị trí của máy thu so với hai máy phát. Tỉ số sóng mang trên nhiễu được định nghĩa là cường độ tín hiệu mong muốn trên cường độ tín hiệu nhiễu. C/I = 10log(Pc/Pi) . (3.35) Trong đó: Pc = công suất tín hiệu thu mong muốn Pi = công suất nhiễu thu được. 28
  30. Hình 3-9 Tỷ số nhiễu đồng kênh C/I Hình 3-9 ở trên chỉ ra trường hợp mà máy di động (cellphone) đặt trong xe đang thu một sóng mang mong muốn từ một trạm gốc phục vụ (Serving BS) và đồng thời cũng đang chịu một nhiễu đồng kênh do nhiễu phát sinh của một trạm gốc khác (Interference BS). Giả sử rằng cả hai trạm đều phát với một công suất như nhau các đường truyền sóng cũng tương đương (hầu như cũng không khác nhau trong thực tế) và ở điểm giữa, máy di động có C/I bằng 0 dB, có nghĩa là cả hai tín hiệu có cường độ bằng nhau. Nếu máy di động đi gần về phía trạm gốc đang phục vụ nó thì C/I > 0 dB. Nếu máy di động chuyển động về phía trạm gây ra nhiễu thì C/I < 0 dB. Theo khuyến nghị của GSM giá trị C/I bé nhất mà máy di động vẫn có thể làm việc tốt là 9 dB. Trong thực tế, người ta nhận thấy rằng giá trị này cần thiết phải lên đến 12 dB ngoại trừ nếu sử dụng nhảy tần thì mới có thể làm việc ở mức C/I là 9dB. Ở mức C/I thấp 29
  31. hơn thì tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate) sẽ cao không chấp nhận được và mã hoá kênh cũng không thể sửa lỗi một cách chính xác được. Tỉ số C/I được dùng cho các máy di động phụ thuộc rất lớn vào việc quy hoạch tần số và mẫu tái sử dụng tần số. Nói chung việc sử dụng lại tần số làm dung lượng tăng đáng kể tuy nhiên đồng thời cũng làm cho tỉ số C/I giảm đi. Do đó việc quy hoạch tần số cần quan tâm đến nhiễu đồng kênh C/I. 3.3.2 Nhiễu kênh lân cận C/A: Nhiễu kênh lân cận xảy ra khi sóng vô tuyến được điều chỉnh và thu riêng kênh C song lại chịu nhiễu từ kênh lân cận C-1 hoặc C+1. Mặc dù thực tế sóng vô tuyến không được chỉnh để thu kênh lân cận đó, nhưng nó vẫn đề nghị một sự đáp ứng nhỏ là cho phép kênh lân cận gây nhiễu tới kênh mà máy thu đang điều chỉnh. Tỉ số sóng mang trên kênh lân cận được định nghĩa là cường độ của sóng mang mong muốn trên cường độ của sóng mang kênh lân cận. C/A = 10.log(Pc/Pa) (3.36) Trong đó : Pc = công suất thu tín hiệu mong muốn Pa = công suất thu tín hiệu của kênh lân cận Giá trị C/A thấp làm cho mức BER cao. Mặc dù mã hoá kênh GSM bao gồm việc phát hiện lỗi và sửa lỗi, nhưng để việc đó thành công thì cũng có giới hạn đối với nhiễu. Theo khuyến nghị của GSM, để cho việc quy hoạch tần số được tốt thì giá trị C/A nhỏ nhất nên lớn hơn - 9 dB. Khoảng cách giữa nguồn tạo ra tín hiệu mong muốn với nguồn của kênh lân cận lớn sẽ tốt hơn cho C/A. Điều này có nghĩa là các cell lân cận không nên được ấn định các sóng mang của các kênh cạnh nhau nếu C/A được đã được đề nghị trong một giới hạn nhất định. 30
  32. Cả hai tỉ số C/I và C/A đều có thể được tăng lên bằng việc sử dụng quy hoạch cấu trúc tần số. 3.4 Các trường hợp phân tán thời gian  Những môi trường nguy hiểm: (là những môi trường có thể gây nên vấn đề về phân tán thời gian). −Những vùng núi −Hồ sâu hoặc nhiều nhà cao tầng −Những toà nhà cao có kết cấu kim loại , Trong tất cả những trường hợp như vậy phân tán thời gian chỉ có thể xảy ra khi hiệu quãng đường giữa tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản xạ từ những chướng ngại vật kể trên lớn hơn cửa sổ cân bằng (4,5 km). Nói chung, sự nguy hiểm của phân tán thời gian sẽ tăng cùng với khoảng cách giữa BTS và MS. Khi một MS gần BTS có thể nhận được tín hiệu phản xạ mạnh với hiệu quãng đường lớn nhưng vẫn không ảnh hưởng gì do tín hiệu trực tiếp mạnh để đảm bảo tỉ số C/R trên ngưỡng tới hạn. Khi MS chuyển động ra xa BTS thì nguy cơ tỉ số C/R thấp sẽ tăng lên do tín hiệu trực tiếp đã yếu đi. Tuy nhiên, một điều cần chú ý đó là tia phản xạ cũng là một phần của sóng mang cho nên việc quy hoạch một hệ thống cần phải chỉ ra được các trường hợp đặc thù có thể xảy ra hiện tượng giao thoa ký tự.  Phân tán thời gian với các trường hợp khác nhau Trường hợp 1: 31
  33. Trường hợp này: Tuy hiệu số quãng đường = DR – D0 lớn (DR = D1 + D2), nhưng tín hiệu trực tiếp mạnh, tín hiệu phản xạ yếu. Do vậy tỉ số C/R trên ngưỡng. Trường hợp 2: Trường hợp này: Hiệu số quãng đường vẫn còn khá lớn nên các tín hiệu phản xạ nằm ngoài cửa sổ thời gian. Trong khi tín hiệu đến trực tiếp đã yếu đi, tín hiệu phản xạ mạnh hơn. Tỉ số C/R gần hoặc thấp hơn ngưỡng. Đây là trường hợp nguy hiểm nhất, hiện tượng phân tán thời gian biểu hiện rõ ràng nhất. Trường hợp 3: 32
  34. Trường hợp này: Tín hiệu phản xạ mạnh gần như tín hiệu trực tiếp, tỉ số C/R gần hoặc dưới ngưỡng. Nhưng do hiệu quãng đường nhỏ nằm trong cửa sổ cân bằng, hay các tín hiệu phản xạ nằm trong cửa sổ thời gian, nên trường hợp này không bị ảnh hưởng bởi phân tán thời gian. 33
  35. Chương IV 1. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 4.1 Mô hình hệ thống thông tin di động GSM Hình 4-1 Mô hình hệ thống thông tin di động GSM Các ký hiệu: OSS : Phân hệ khai thác và hỗ trợ BTS : Trạm vô tuyến gốc AUC : Trung tâm nhận thực MS : Trạm di động HLR : Bộ ghi định vị thường trú ISDN : Mạng số liên kết đa dịch vụ MSC : Tổng đài di động PSTN (Public Switched Telephone Network): BSS : Phân hệ trạm gốc Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng BSC : Bộ điều khiển trạm gốc PSPDN : Mạng chuyển mạch gói công cộng OMC : Trung tâm khai thác và bảo CSPDN (Circuit Switched Public Data 34
  36. dưỡng Network): SS : Phân hệ chuyển mạch Mạng số liệu chuyển mạch kênh công cộng VLR : Bộ ghi định vị tạm trú PLMN : Mạng di động mặt đất công cộng EIR : Thanh ghi nhận dạng thiết bị Các thành phần chức năng trong hệ thống Mạng thông tin di động công cộng mặt đất PLMN (Public Land Mobile Network) theo chuẩn GSM được chia thành 4 phân hệ chính sau:  Trạm di động MS (Mobile Station)  Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem)  Phân hệ chuyển mạch SS (Switching Subsystem)  Phân hệ khai thác và hỗ trợ (Operation and Support Subsystem) 4.1.1 Trạm di động (MS - Mobile Station) Trạm di động (MS) bao gồm thiết bị trạm di động ME (Mobile Equipment) và một khối nhỏ gọi là mođun nhận dạng thuê bao (SIM-Subscriber Identity Module). Đó là một khối vật lý tách riêng, chẳng hạn là một IC Card hoặc còn gọi là card thông minh. SIM cùng với thiết bị trạm (ME-Mobile Equipment) hợp thành trạm di động MS. SIM cung cấp khả năng di động cá nhân, vì thế người sử dụng có thể lắp SIM vào bất cứ máy điện thoại di động GSM nào truy nhập vào dịch vụ đã đăng ký. Mỗi điện thoại di động được phân biệt bởi một số nhận dạng điện thoại di động IMEI (International Mobile Equipment Identity). Card SIM chứa một số nhận dạng thuê bao di động IMSI (International Subcriber Identity) để hệ thống nhận dạng thuê bao, một mật mã để xác thực và các thông tin khác. IMEI và IMSI hoàn toàn độc lập với nhau để đảm bảo tính di động cá nhân. Card SIM có thể chống việc sử dụng trái phép bằng mật khẩu hoặc số nhận dạng cá nhân (PIN). Trạm di động ở GSM thực hiện hai chức năng: − Thiết bị vật lý để giao tiếp giữa thuê bao di động với mạng qua đường vô tuyến. 35
  37. − Đăng ký thuê bao, ở chức năng thứ hai này mỗi thuê bao phải có một thẻ gọi là SIM card. Trừ một số trường hợp đặc biệt như gọi cấp cứu thuê bao chỉ có thể truy nhập vào hệ thống khi cắm thẻ này vào máy. 4.1.2 Phân hệ trạm gốc (BSS - Base Station Subsystem) BSS giao diện trực tiếp với các trạm di động MS bằng thiết bị BTS thông qua giao diện vô tuyến. Mặt khác BSS thực hiện giao diện với các tổng đài ở phân hệ chuyển mạch SS. Tóm lại, BSS thực hiện đấu nối các MS với tổng đài và nhờ vậy đấu nối những người sử dụng các trạm di động với những người sử dụng viễn thông khác. BSS cũng phải được điều khiển, do đó nó được đấu nối với phân hệ vận hành và bảo dưỡng OSS. Phân hệ trạm gốc BSS bao gồm:  TRAU (Transcoding and Rate Adapter Unit): Bộ chuyển đổi mã và phối hợp tốc độ.  BSC (Base Station Controler): Bộ điều khiển trạm gốc.  BTS (Base Transceiver Station): Trạm thu phát gốc. 4.1.2.1 Khối BTS (Base Tranceiver Station): Một BTS bao gồm các thiết bị thu /phát tín hiệu sóng vô tuyến, anten và bộ phận mã hóa và giải mã giao tiếp với BSC. BTS là thiết bị trung gian giữa mạng GSM và thiết bị thuê bao MS, trao đổi thông tin với MS qua giao diện vô tuyến. Mỗi BTS tạo ra một hay một số khu vực vùng phủ sóng nhất định gọi là tế bào (cell). 4.1.2.2 Khối TRAU (Transcode/Rate Adapter Unit): Khối thích ứng và chuyển đổi mã thực hiện chuyển đổi mã thông tin từ các kênh vô tuyến (16 Kb/s) theo tiêu chuẩn GSM thành các kênh thoại chuẩn (64 Kb/s) trước khi chuyển đến tổng đài. TRAU là thiết bị mà ở đó quá trình mã hoá và giải mã tiếng đặc thù riêng cho GSM được tiến hành, tại 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 được đặt cách xa BTS và thậm chí còn đặt trong BSC và MSC. 36
  38. 4.1.2.3 Khối BSC (Base Station Controller): BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa. Các lệnh này chủ yếu là lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và chuyển giao. Một phía BSC được nối với BTS, còn phía kia nối với MSC của phân hệ chuyển mạch SS. Giao diện giữa BSC và MSC là giao diện A, còn giao diện giữa BTS và BSC là giao diện A.bis. Các chức năng chính của BSC: 1. Quản lý mạng vô tuyến: Việc quản lý vô tuyến chính là quản lý các cell và các kênh logic của chúng. Các số liệu quản lý đều được đưa về BSC để đo đạc và xử lý, chẳng hạn như lưu lượng thông tin ở một cell, môi trường vô tuyến, số lượng cuộc gọi bị mất, các lần chuyển giao thành công và thất bại 2. Quản lý trạm vô tuyến gốc BTS: Trước khi đưa vào khai thác, BSC lập cấu hình của BTS ( số máy thu/phát TRX, tần số cho mỗi trạm ). Nhờ đó mà BSC có sẵn một tập các kênh vô tuyến dành cho điều khiển và nối thông cuộc gọi. 3. Điều khiển nối thông các cuộc gọi: BSC chịu trách nhiệm thiết lập và giải phóng các đấu nối tới máy di động MS. Trong quá trình gọi, sự đấu nối được BSC giám sát. Cường độ tín hiệu, chất lượng cuộc đấu nối được ở máy di động và TRX gửi đến BSC. Dựa vào đó mà BSC sẽ quyết định công suất phát tốt nhất của MS và TRX để giảm nhiễu và tăng chất lượng cuộc đấu nối. BSC cũng điều khiển quá trình chuyển giao nhờ các kết quả đo kể trên để quyết định chuyển giao MS sang cell khác, nhằm đạt được chất lượng cuộc gọi tốt hơn. Trong trường hợp chuyển giao sang cell của một BSC khác thì nó phải nhờ sự trợ giúp của MSC. Bên cạnh đó, BSC cũng có thể điều khiển chuyển giao giữa các kênh trong một cell hoặc từ cell này sang kênh của cell khác trong trường hợp cell này bị nghẽn nhiều. 4. Quản lý mạng truyền dẫn: BSC có chức năng quản lý cấu hình các đường truyền dẫn tới MSC và BTS để đảm bảo chất lượng thông tin. Trong trường hợp có sự cố một tuyến nào đó, nó sẽ tự động điều khiển tới một tuyến dự phòng. 37
  39. 4.1.3 Phân hệ chuyển mạch (SS - Switching Subsystem) Phân hệ chuyển mạch bao gồm các khối chức năng sau:  Trung tâm chuyển mạch nghiệp vụ di động MSC  Thanh ghi định vị thường trú HLR  Thanh ghi định vị tạm trú VLR  Trung tâm nhận thực AuC  Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR Phân hệ chuyển mạch (SS) bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của mạng 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. 4.1.3.1 Trung tâm chuyển mạch di động MSC: Tổng đài di động MSC (Mobile services Switching Center) thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số các bộ điều khiển trạm gốc BSC. MSC thực hiện các chức năng chuyển mạch chính, nhiệm vụ chính của MSC là tạo kết nối và xử lý cuộc gọi đến những thuê bao của GSM, một mặt MSC giao tiếp với phân hệ BSS và mặt khác giao tiếp với mạng ngoài qua tổng đài cổng GMSC (Gateway MSC). Chức năng chính của tổng đài MSC:  Xử lý cuộc gọi (Call Processing)  Điều khiển chuyển giao (Handover Control)  Quản lý di động (Mobility Management)  Tương tác mạng IWF(Interworking Function): qua GMSC 38
  40. Hình 4-2 Chức năng xử lý cuộc gọi của MSC (1): Khi chủ gọi quay số thuê bao di động bị gọi, số mạng dịch vụ số liên kết của thuê bao di động, sẽ có hai trường hợp xảy ra :  (1.a) – Nếu cuộc gọi khởi đầu từ mạng cố định PSTN thì tổng đài sau khi phân tích số thoại sẽ biết đây là cuộc gọi cho một thuê bao di động. Cuộc gọi sẽ được định tuyến đến tổng đài cổng GMSC gần nhất.  (1.b) – Nếu cuộc gọi khởi đầu từ trạm di động, MSC phụ trách ô mà trạm di động trực thuộc sẽ nhận được bản tin thiết lập cuộc gọi từ MS thông qua BTS có chứa số thoại của thuê bao di động bị gọi. (2): MSC (hay GMSC) sẽ phân tích số MSISDN (The Mobile Station ISDN) của thuê bao bị gọi để tìm ra HLR nơi MS đăng ký. (3): MSC (hay GMSC) sẽ hỏi HLR thông tin để có thể định tuyến đến MSC/VLR quản lý MS. (4): HLR sẽ trả lời, khi đó MSC (hay GMSC) này có thể định tuyến lại cuộc gọi đến MSC cần thiết. Khi cuộc gọi đến MSC này, VLR sẽ biết chi tiết hơn về vị trí của MS. Như vậy có thể nối thông một cuộc gọi ở mạng GSM, đó là chức năng xử lý cuộc gọi của MSC. Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của mạng GSM với các mạng này. Các thích ứng này gọi là chức năng tương tác IWF 39
  41. (Inter Networking Function). IWF bao gồm một thiết bị để thích ứng giao thức và truyền dẫn. IWF có thể thực hiện trong cùng chức năng MSC hay có thể ở thiết bị riêng, ở trường hợp hai giao tiếp giữa MSC và IWF được để mở. 4.1.3.2 Bộ ghi định vị thường trú (HLR - Home Location Register): HLR là cơ sở dữ liệu tham chiếu lưu giữ lâu dài các thông tin về thuê bao, các thông tin liên quan tới việc cung cấp các dịch vụ viễn thông. HLR không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao và chứa các thông tin về vị trí hiện thời của thuê bao. HLR bao gồm:  Các số nhận dạng: IMSI, MSISDN.  Các thông tin về thuê bao  Danh sách các dịch vụ mà MS được sử dụng và bị hạn chế  Số hiệu VLR đang phục vụ MS 4.1.3.3 Bộ ghi định vị tạm trú (VLR - Visitor Location Register): VLR là một cơ sở dữ liệu chứa thông tin về tất cả các MS hiện đang ở vùng phục vụ của MSC. Mỗi MSC có một VLR, thường thiết kế VLR ngay trong MSC. Ngay cả khi MS lưu động vào một vùng MSC mới. VLR liên kết với MSC sẽ yêu cầu số liệu về MS từ HLR. Đồng thời HLR sẽ được thông báo rằng MS đang ở vùng MSC nào. Nếu sau đó MS muốn thực hiện một cuộc gọi, VLR sẽ có tất cả các thông tin cần thiết để thiết lập một cuộc gọi mà không cần hỏi HLR, có thể coi VLR như một HLR phân bố. VLR chứa thông tin chính xác hơn về vị trí MS ở vùng MSC. Nhưng khi thuê bao tắt máy hay rời khỏi vùng phục vụ của MSC thì các số liệu liên quan tới nó cũng hết giá trị. Hay nói cách khác, VLR là cơ sở dữ liệu trung gian lưu trữ tạm thời thông tin về thuê bao trong vùng phục vụ MSC/VLR được tham chiếu từ cơ sở dữ liệu HLR. VLR bao gồm:  Các số nhận dạng: IMSI, MSISDN, TMSI. 40
  42.  Số hiệu nhận dạng vùng định vị đang phục vụ MS  Danh sách các dịch vụ mà MS được và bị hạn chế sử dụng  Trạng thái của MS ( bận: busy; rỗi: idle) 4.1.3.4 Thanh ghi nhận dạng thiết bị (EIR - Equipment Identity Register): EIR có chức năng kiểm tra tính hợp lệ của ME thông qua số liệu nhận dạng di động quốc tế (IMEI-International Mobile Equipment Identity) và chứa các số liệu về phần cứng của thiết bị. Một ME sẽ có số IMEI thuộc một trong ba danh sách sau: 1. Nếu ME thuộc danh sách trắng ( White List ) thì nó được quyền truy nhập và sử dụng các dịch vụ đã đăng ký. 2. Nếu ME thuộc danh sách xám ( Gray List ), tức là có nghi vấn và cần kiểm tra. Danh sách xám bao gồm những ME có lỗi (lỗi phần mềm hay lỗi sản xuất thiết bị) nhưng không nghiêm trọng tới mức loại trừ khỏi hệ thống 3. Nếu ME thuộc danh sách đen ( Black List ), tức là bị cấm không cho truy nhập vào hệ thống, những ME đã thông báo mất máy. 4.1.3.5 Khối trung tâm nhận thực AuC (Aunthentication Center) AuC được nối đến HLR, chức năng của AuC là cung cấp cho HLR các tần số nhận thực và các khoá mật mã để sử dụng cho bảo mật. Đường vô tuyến cũng được AuC cung cấp mã bảo mật để chống nghe trộm, mã này được thay đổi riêng biệt cho từng thuê bao. Cơ sở dữ liệu của AuC còn ghi nhiều thông tin cần thiết khác khi thuê bao đăng ký nhập mạng và được sử dụng để kiểm tra khi thuê bao yêu cầu cung cấp dịch vụ, tránh việc truy nhập mạng một cách trái phép. 4.1.4 Phân hệ khai thác và bảo dưỡng (OSS) OSS (Operation and Support System) thực hiện 3 chức năng chính: 1) Khai thác và bảo dưỡng mạng. 2) Quản lý thuê bao và tính cước. 41
  43. 3) Quản lý thiết bị di động. 4.1.4.1 Khai thác và bảo dưỡng mạng: Khai thác: Là hoạt động 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 cell.v.v Nhờ vậy nhà khai thác có thể giám sát được toàn bộ chất lượng dịch vụ mà họ cung cấp cho khách hàng và kịp thời nâng cấp. Khai thác còn bao gồm việc thay đổi cấu hình để giảm những vẫn đề xuất hiện ở thời điểm hiện thời, để chuẩn bị tăng lưu lượng trong tương lai và mở rộng vùng phủ sóng. 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 các sự cố và hỏng hóc, nó có một số quan hệ với khai thác. Các thiết bị ở hệ thống viễn thông hiện đại có khả năng tự phát hiện một số các sự cố hay dự báo sự cố thông qua kiểm tra. Bảo dưỡng bao gồm các hoạt động tại hiện trường nhằm thay thế các thiết bị có sự cố, cũng như việc sử dụng các phần mềm điều khiển từ xa. Hệ thống khai thác và bảo dưỡng có thể được xây dựng trên nguyên lý của TMN (Telecommunication Management Network - Mạng quản lý viễn thông). Lúc này, một mặt hệ thống khai thác và bảo dưỡng được nối đến các phần tử của mạng viễn thông (MSC, HLR, VLR, BSC, và các phần tử mạng khác trừ BTS). Mặt khác hệ thống khai thác và bảo dưỡng được nối tới máy tính chủ đóng vai trò giao tiếp người - máy. Theo tiêu chuẩn GSM hệ thống này được gọi là trung tâm vận hành và bảo dưỡng (OMC - Operation and Maintenance Center). 4.1.4.2 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 42
  44. vụ và các tính năng bổ sung. Nhà khai thác có thể thâm nhập được các thông số nói trên. Một nhiệm vụ quan trọng khác của khai thác là tính cước các cuộc gọi rồi gửi đến thuê bao. Khi đó HLR, SIM-Card đóng vai trò như một bộ phận quản lý thuê bao. 4.1.4.3 Quản lý thiết bị di động: Quản lý thiết bị di động được bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR thực hiện. EIR lưu trữ toàn bộ dữ liệu liên quan đến trạm di động MS. EIR được nối đến MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị. Trong hệ thống GSM thì EIR được coi là thuộc phân hệ chuyển mạch NSS. 4.2 Giao diện vô tuyến số Các kênh của giao diện vô tuyến bao gồm các kênh vật lý và các kênh logic. 4.2.1 Kênh vật lý Kênh vật lý tổ chức theo quan niệm truyền dẫn. Đối với TDMA GSM, kênh vật lý là một khe thời gian ở một tần số sóng mang vô tuyến được chỉ định. Một siêu siêu khung = 2048 siêu khung = 2715648 khung (3h28′53″760ms) 0 1 2 3 4 5 204 2043 204 2046 2047 2 5 1 siêu khung = 1326 khung TDMA (6,12s) 0 1 2 3 4 4 49 50 7 8 0 1 24 25 0 1 24 25 0 1 49 50 43
  45. 1đa khung = 26 khung(120ms) 1 đa khung = 51 khung(235ms) 1 khung = 8 khe 0 1 2 3 4 5 6 7 Một siêu siêu khung được chia thành 2048 siêu khung với thời gian là 6,12s. Siêu khung lại được chia thành các đa khung, có hai loại đa khung: - Đa khung 26 khung chứa 26 khung TDMA. Đa khung này được sử dụng để mang TCH (và SACCH cộng FACCH). 51 đa khung này tạo nên một siêu khung. - Đa khung 51 khung chứa 51 khung TDMA. Đa khung này sử dụng để mang BCH và CCH. 26 đa khung này tạo nên một siêu khung.  GSM 900 nguyên thủy Dải tần số: 890 ÷ 915 MHz cho đường lên uplink (từ MS đến BTS). 935 ÷ 960 MHz cho đường xuống downlink (từ BTS đến MS). Dải thông tần của một kênh vật lý là 200KHz. Dải tần bảo vệ ở biên cũng rộng 200KHz. Ful (n) = 890,0 MHz + (0,2 MHz) * n Fdl (n) = Ful (n) + 45 MHz Với 1 ≤ n ≤ 124 Các kênh từ 1 ÷ 124 được gọi là các kênh tần số vô tuyến tuyệt đối ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number). Kênh 0 là dải phòng vệ. Vậy GSM 900 có 124 tần số bắt đầu từ 890,2MHz. Mỗi dải thông tần là một khung TDMA có 8 khe thời gian. Như vậy, số kênh vật lý ở GSM 900 là sẽ 992 kênh. 44
  46.  EGSM (GSM mở rộng E : extended) Hệ thống GSM nguyên thủy được mở rộng mỗi bằng tần thêm 10 MHz (tương đương 50 kênh tần số) thì được gọi là EGSM: Dải tần số: 880 ÷ 915 MHz uplink. 925 ÷ 960 MHz downlink. Ful (n) = 880 MHz +(0,2 MHz)*n Fdl (n) = Ful (n) + 45 MHz. Với n=ARFCN , 1 ≤ n ≤ 174 . Kênh 0 là dải phòng vệ.  DCS 1800: DCS 1800 có số kênh tần số tăng gấp 3 lần so với GSM 900 Dải tần số: 1710 ÷ 1785 MHz uplink. 1805 ÷ 1880 MHz downlink. Ful (n) = 1710MHz + (0,2 MHz)*(n - 511) Fdl (n) = Ful (n) + 95 MHz Với 512 ≤ n ≤ 885. 4.2.2 Kênh logic Kênh logic được tổ chức theo quan điểm nội dung tin tức, các kênh này được đặt vào các kênh vật lý. Các kênh logic được đặc trưng bởi thông tin truyền giữa BTS và MS. Có thể chia kênh logic thành hai loại tổng quát: các kênh lưu lượng TCH và các kênh báo hiệu điều khiển CCH. 45
  47. Hình 4-3 Phân loại kênh logic 4.2.2.1 Kênh lưu lượng TCH: Có hai loại kênh lưu lượng: − Bm hay kênh lưu lượng toàn tốc (TCH/F), kênh này mang thông tin tiếng hay số liệu ở tốc độ 22,8 kbit/s. − Lm hay kênh lưu lượng bán tốc (TCH/H), kênh này mang thông tin ở tốc độ 11,4 kbit/s 4.2.2.2 Kênh điều khiển CCH (ký hiệu là Dm): bao gồm: − Kênh quảng bá BCH (Broadcast Channel). − Kênh điều khiển chung CCCH (Common Control Channel). − Kênh điều khiển riêng DCCH (Dedicate Control Channel).  Kênh quảng bá BCH: BCH = BCCH + FCCH + SCH. 46
  48. − FCCH (Frequency Correction Channel): Kênh hiệu chỉnh tần số cung cấp tần số tham chiếu của hệ thống cho trạm MS. FCCH chỉ được dùng cho đường xuống. − SCH (Synchronous Channel): Kênh đồng bộ khung cho MS. − BCCH (Broadcast Control Channel): Kênh điều khiển quảng bá cung cấp các tin tức sau: Mã vùng định vị LAC (Location Area Code), mã mạng di động MNC (Mobile Network Code), tin tức về tần số của các cell lân cận, thông số dải quạt của cell và các thông số phục vụ truy cập.  Kênh điều khiển chung CCCH: CCCH là kênh thiết lập sự truyền thông giữa BTS và MS. Nó bao gồm: CCCH = RACH + PCH + AGCH. − RACH (Random Access Channel), kênh truy nhập ngẫu nhiên. Đó là kênh hướng lên để MS đưa yêu cầu kênh dành riêng, yêu cầu này thể hiện trong bản tin đầu của MS gửi đến BTS trong quá trình một cuộc liên lạc. − PCH (Paging Channel, kênh tìm gọi) được BTS truyền xuống để gọi MS. − AGCH (Access Grant Channel): Kênh cho phép truy nhập AGCH, là kênh hướng xuống, mang tin tức phúc đáp của BTS đối với bản tin yêu cầu kênh của MS để thực hiện một kênh lưu lượng TCH và kênh DCCH cho thuê bao.  Kênh điều khiển riêng DCCH: DCCH là kênh dùng cả ở hướng lên và hướng xuống, dùng để trao đổi bản tin báo hiệu, phục vụ cập nhật vị trí, đăng ký và thiết lập cuộc gọi, phục vụ bảo dưỡng kênh. DCCH gồm có: − Kênh điều khiển dành riêng đứng một mình SDCCH dùng để cập nhật vị trí và thiết lập cuộc gọi. − Kênh điều khiển liên kết chậm SACCH, là một kênh hoạt động liên tục trong suốt cuộc liên lạc để truyền các số liệu đo lường và kiểm soát công suất. − Kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH, nó liên kết với một kênh TCH và hoạt động bằng cách lấy lên một khung FACCH được dùng để chuyển giao cell. 47
  49. 4.2.2.3 Cụm Cụm là mẫu thông tin ở một khe thời gian trên kênh TDMA, cứ 8 khe thời gian một lần ở kênh TDMA được phát đi thì có 1 cụm của một loại thông tin. - Cụm bình thường ( NB): mang thông tin ở TCH và các kênh điều khiển trừ RACH, SCH và FCCH. TB Các bit được mật Chuỗi hướng Các bit được mật TB GP 3 mã dẫn mã 3 8,25 0,577 ms 156,25 bit + Các bit được mật mã gồm 57bit số liệu hay tiếng và một “cờ lấy cắp”. + Chuỗi hướng dẫn là mẫu bit biết trước để bộ cân bằng có thể thành lập một mô hình kênh. + Các bit đuôi TB luôn là “0,0,0” giúp bộ cân bằng xác định đầu và cuối mẫu bit. + Khoảng bảo vệ GP là một khoảng trống cho phép máy phát dịch lên hay dịch xuống trong giới hạn do khuyến nghị GMS qui định. - Cụm hiệu chỉnh tần số(FB): Điều chỉnh tần số của MS, nó tương đương sóng mang chưa bị điều chế. Lặp lại của một cụm gọi là FCCH. TB Các bit cố định “0” TB GP 3 142 3 8,25 0,577 ms 156,25 bit - Cụm đồng bộ (SB): Dùng để đồng bộ thời gian của MS 48
  50. TB Các bit được mật Chuỗi đồng bộ Các bit được mật TB GP 3 mã 64 mã 3 8,25 Khối đồng bộ dài dễ dàng nhận biết và mang thông tin số khung TDMA cùng mã nhận dạng trạm cơ sở BS. Lặp lại của cụm gọi là SHC. Số khung TDMA giúp MS biết loại kênh lôgíc nào đang được truyền ở kênh điều khiển. Một chu trình đánh số khung là 3,5 giờ với mỗi khung TDMA thời gian là 6,615ms. - Cụm thâm nhập (AB): Sử dụng để thâm nhập ngẫu nhiên và có GP để dành cho phát cụm từ trạm di động. TB Chuỗi đồng bộ Các bit được mật TB GP 3 41 mã 3 8,25 - Cụm giả: Được phát đi từ BTS và không chứa thông tin khuôn mẫu giống như cụm bình thường với các bit mật mã được thay bởi các bit hỗn hợp có mẫu bit xác định. 4.3 Các mã nhận dạng sử dụng trong hệ thống GSM Trong GSM, mỗi phần tử mạng cũng như mỗi vùng phục vụ đều được địa chỉ hoá bằng một số gọi là mã (code). Trên phạm vi toàn cầu, hệ thống mã này là đơn trị (duy nhất) cho mỗi đối tượng và được lưu trữ rải rác trong tất cả các phần tử mạng.  Mã xác định khu vực LAI ( Location Area Identity ): LAI là mã quốc tế cho các khu vực, được lưu trữ trong VLR và là một thành phần trong mã nhận dạng tế bào toàn cầu CGI (Cell Global Identity). Khi một thuê bao có mặt tại một vùng phủ sóng nào đó, nó sẽ nhận CGI từ BSS, so sánh LAI nhận được trước đó để xác định xem nó đang ở đâu. Khi hai số liệu này khác nhau, MS sẽ nạp LAI mới cho bộ nhớ. Cấu trúc của một LAI như sau: 49
  51. MCC MNC LAC Trong đó: • MCC (Mobile Country Code): mã quốc gia của nước có mạng GSM. • MNC (Mobile Network Code): mã của mạng GSM, do quốc gia có mạng GSM qui định. • LAC (Location Area Code): mã khu vực, dùng để nhận dạng khu vực trong mạng GSM.  Các mã số đa dịch vụ toàn cầu (International ISDN Numbers): Các phần tử của mạng GSM như MSC, VLR, HLR/AUC, EIR, BSC đều có một mã số tương ứng đa dịch vụ toàn cầu. Mã các điểm báo hiệu được suy ra từ các mã này được sử dụng cho mạng báo hiệu CCS7 trong mạng GSM. Riêng HLR/AUC còn có một mã khác, gồm hai thành phần. Một phần liên quan đến số thuê bao đa dịch vụ toàn cầu - MSISDN (International Mobile Subscriber ISDN Number) được sử dụng trong việc thiết lập cuộc gọi từ một mạng khác đến MS trong mạng. Phần tử khác liên quan đến mã nhận dạng thuê bao di động quốc tế - IMSI (International Mobile Subscriber Identity) được lưu giữ trong AUC.  Mã nhận dạng tế bào toàn cầu CGI: CGI được sử dụng để các MSC và BSC truy nhập các tế bào. CGI = LAI + CI. CI (Cell Identity) gồm 16 bit dùng để nhận dạng cell trong phạm vi của LAI. CGI được lưu giữ trong cơ sở dữ liệu của MSC/VLR.  Mã nhận dạng trạm gốc BSIC (Base Station Identity Code): Cấu trúc của mã nhận dạng trạm gốc như sau: 50
  52. NCC (3 bits) BCC (3 bits) Trong đó: NCC (Network Color Code): mã màu của mạng GSM. Được sử dụng để phân biệt với các mạng khác trong nước. BCC ( BTS Color Code ): mã màu của BTS. Dùng để phân biệt các kênh sử dụng cùng một tần số của các trạm BTS khác nhau.  Số thuê bao ISDN của máy di động - MSISDN (Mobile Subscriber ISDN Number): Mỗi thuê bao di động đều có một số máy MSISDN được ghi trong danh bạ điện thoại. Nếu một số dùng cho tất cả các dịch vụ viễn thông liên quan đến thuê bao thì gọi là đánh số duy nhất, còn nếu thuê bao sử dụng cho mỗi dịch vụ viễn thông một số khác nhau thì gọi là đánh số mở rộng. MSISDN được sử dụng bởi MSC để truy nhập HLR khi cần thiết lập cuộc nối. MSISDN có cấu trúc theo CCITT, E164 về kế hoạch đánh số ISDN như sau: CC NDC SN Trong đó: CC (Country Code): mã nước, là nơi thuê bao đăng kí nhập mạng (Việt Nam thì CC = 84). NDC (National Destination Code): mã mạng GSM, dùng để phân biệt các mạng GSM trong cùng một nước. SN (Subscriber Number): số thuê bao, tối đa được 12 số, trong đó có 3 số để nhận dạng HLR.  Nhận dạng thuê bao di động toàn cầu IMSI (International Mobile Subscriber Identity): 51
  53. IMSI là mã số duy nhất cho mỗi thuê bao trong một vùng hệ thống GSM. IMSI được ghi trong MS và trong HLR và bí mật với người sử dụng. IMSI có cấu trúc như sau: MCC MNC MSIN Trong đó: MCC (Mobile Country Code): mã nước có mạng GSM, do CCITT qui định để nhận dạng quốc gia mà thuê bao đang có mặt. MNC (Mobile Network Code): mã mạng GSM. MSIN (Mobile Subscriber Identification Number): số nhận dạng thuê bao di động, gồm 10 số được dùng để nhận dạng thuê bao di động trong các vùng dịch vụ của mạng GSM, với 3 số đầu tiên được dùng để nhận dạng HLR. MSIN được lưu giữ cố định trong VLR và trong thuê bao MS. MSIN được VLR sử dụng khi truy nhập HLR/AUC để tạo lập “Hộ khẩu thường trú” cho thuê bao.  Nhận dạng thuê bao di động cục bộ - LMSI (Location Mobile subscriber Identity): Gồm 4 octet. VLR lưu giữ và sử dụng LMSI cho tất cả các thuê bao hiện đang có mặt tại vùng phủ sóng của nó và chuyển LMSI cùng với IMSI cho HLR. HLR sử dụng LMSI mỗi khi cần chuyển các mẩu tin liên quan đến thuê bao tương ứng để cung cấp dịch vụ.  Nhận dạng thuê bao di động tạm thời - TMSI (Temporaly Mobile subscriber Identity): TMSI do VLR tự tạo ra trong cơ sở dữ liệu của nó cùng với IMSI sau khi việc kiểm tra quyền truy nhập của thuê bao chứng tỏ hợp lệ. TMSI được sử dụng cùng với LAI để địa chỉ hoá thuê bao trong BSS và truy nhập số liệu của thuê bao trong cơ sở dữ liệu của VLR. 52
  54.  Số vãng lai của thuê bao di động - MSRN (Mobile Station Roaming Number ): MSRN do VLR tạm thời tạo ra yêu cầu của HLR trước khi thiết lập cuộc gọi đến một thuê bao đang lưu động đến mạng của nó. Khi cuộc gọi kết thúc thì MSRN cũng bị xoá. Cấu trúc của MSRN bao gồm CC, NDC và số do VLR tạm thời tự tạo ra.  Số chuyển giao HON (Handover Number): Handover là việc di chuyển cuộc nối mà không làm gián đoạn cuộc nối từ tế bào này sang tế bào khác (trường hợp phức tạp nhất là chuyển giao ở những tế bào thuộc các tổng đài MSC khác nhau). Ví dụ khi thuê bao di chuyển từ MSC1 sang MSC2 mà vẫn đang sử dụng dịch vụ. MSC2 yêu cầu VLR của nó tạm thời tạo ra HON để gửi cho MSC1 và MSC1 sử dụng HON để chuyển cuộc nối sang cho MSC2. Sau khi hết cuộc thoại hay thuê bao rời khỏi vùng phủ sóng của MSC1 thì HON sẽ bị xoá.  Nhận dạng thiết bị di động quốc tế - IMEI (International Moble Equipment Identity): IMEI được hãng chế tạo ghi sẵn trong thiết bị thuê bao và được thuê bao cung cấp cho MSC khi cần thiết. Cấu trúc của IMEI: TAC FAC SNR Trong đó: TAC (Type Approval Code): mã chứng nhận loại thiết bị, gồm 6 kí tự, dùng để phân biệt với các loại không được cấp bản quyền. TAC được quản lý một cách tập trung. FAC (Final Assembly Code): xác định nơi sản xuất, gồm 2 kí tự. SNR (Serial Number): là số Seri, dùng để xác định các máy có cùng TAC và FAC 4.4 Báo hiệu trong GSM 4.4.1 Mạng báo hiệu 53
  55. Mạng báo hiệu là một hệ thống được sử dụng để truyền dẫn các thông tin báo hiệu của các người sử dụng khác nhau như: điện thoại ,số liệu , khai thác , bảo dưỡng một mạng báo hiệu bao gồm các điểm báo hiệu (signalling point) và các đường truyền báo hiệu SL (Signalling Link) hay cụ thể hơn : mạng truyền dẫn bao gồm một số các tổng đài ( điển nút) thông tin với nhau qua kênh báo hiệu (hình 4-4 ) Hình 4-4 Mạng Báo hiệu Các phần tử của mạng báo hiệu - Các đường truyền báo hiệu (SL : Signal Link) Các đường truyền báo hiệu là các phần tử cơ bản trong một mạng báo hiệu dùng để nối hai điểm báo hiệu với nhau. S1 bảo đảm điều khiển việc truyền các bảntin không mắc lỗi và trình tự truyền các bản tin. - Các điểm báo hiệu (SP : Signalling Point ) Các điểm báo hiệu đảm bảo các chức năng của mạng báo hiệu và có thể phát thu tín hiệu từ / tới các người sử dụng khác nhau. 54
  56. 4.4.2 Báo hiệu kênh chung số 7 (CCS N7: common chanel signalling number 7) Ở CCSN7 đường báo hiệu tách riêng so với đường tiếng. Ở mạng này không nhất thiết phải có một kênh báo hiệu trên mọi đường nối. Điều này có nghĩa rằng các bản tin báo hiệu có thể có các đường truyền khác nhau so với đường tiếng để đến được điểm thu để tránh nhầm lẫn người ta gán nhãn cho từng bản tin. Kênh báo hiệu có thể chiếm một khe thời gian bất kỳ trên các đường truyền dẫn 2Mbit/s và được sử dụng để truyền tất cả các báo hiệu của các kênh thoại ở đường nối tương ứng. CCSN7 có rất nhiều ưu điểm : - Dung lượng truyền báo hiệu cao, một kênh báo hiệu có thể đảm bảo báo hiệu cho 5000 mạch tiếng (thoại) - Cho phép giảm kích thước của các thiết bị vì không cần thiết phải ấn định thiết bị báo hiệu riêng cho từng mạch tiếng. - Độ tin cậy cao (nhờ có dự phòng) Nếu bản tin báo hiệu được phát đi ở cùng một đường truyền PCM và tiếng được truyền ở các đường truyền PCM khác nhau thì báo hiệu được gọi là tựa liên kết (hình 4-5). Để tránh sự cố ứ nghẽn, đường truyền báo hiệu có thể tùy chọn. 55
  57. Hình 4-5 Báo hiệu liên kết và tựa liên kết 4.4.3 Phần truyền bản tin: (MTP) MTP đảm bảo truyền tải và phân phối tin cậy thông tin của phần người sử dụng qua mạng báo hiệu CCSN7. Nó cũng có khả năng phản ứng lên các sự cố của mạng và hệ thống khi các sự cố này ảnh hưởng đến thông tin của các UP và có khả năng đưa ra các biện pháp cần thiết để đảm bảo truyền các thông tin này một cách tin cậy. Phần người sử dụng MTP là ISDN –up, TUP, SCCP và DUP. Các chức năng của MTP được chia thành các mức chức năng sau: - MTP lớp 1 – các chức năng đường truyền số liệu báo hiệu - MTP lớp 2 – các chức năng đường truyền - MTP lớp 3 – các chức năng mạng báo hiệu 4.4.4 Phần điều khiển và nối thông báo hiệu SCCP Để đáp ứng các nhu cầu mới trong tương lai, người ta đưa ra một gói phần mềm được gọi là SCCP, SCCP cung cấp các chức năng bổ sung cho MTP để báo hiệu định hứơng theo nối thông có thể truyền thông tin báo hiệu liên quan đến mạch và để báo hiệu không định hướng theo nối thông có thể truyền thông tin báo hiệu không liên quan đến mạch qua mạng báo hiệu số 7. SCCP cùng với MTP tạo nên phần dịch vụ mạng để đảm bảo báo hiệu số 7 phù hợp với mô hình OSI, SCCP bao gồm tất cả các chức năng con được thực hiện ở phần mềm trung tâm sau: - Điều khiển định hướng theo nối thông của SCCP, chức năng này xử lý thiết lập, truyền số liệu và giám sát các nối thông logic báo hiệu. - Điều khiển không theo nối thông của SCCP, chức năng này xử lý truyền số liệu không theo nối thông. 56
  58. - Quản lý SCCP để xử lý các thông tin trạng thái của mạng SCCP. Thông tin này liên quan đến khả năng sẵn sàng của các SP và các người sử dụng khác của mạng, nó được sử dụng để cập nhật bảng định tuyến bản tin. - Định tuyến SCCP để xử lý việc định tuyến các bản tin SCCP trong mạng báo hiệu số 7. Nó bao gồm việc dịch tên toàn cầu để nhận địa chỉ mạng cụ thể. Chức năng định tuyến SCCP cũng đảm bảo việc phân phối các bản tin trên cơ sở số hệ thống con của SCCP (SSN: Subsystem Number). SSN nhận dạng một người sử dụng SCCP chức năng con quản lý SCCP. Bản tin mà địa chỉ phần bị gọi của nó là người sử dụng nội hạt sẽ đựơc chuyển đến phần điều khiển SCCP CO hay CL còn các bản tin cho người sử dụng ở xa sẽ được chuyển tới MTP để truyền tới người sử dụng SCCP ở xa. Giao diện giữa SCCP và MTP được cho ở hình 4-7. Biên bản SCCP cung cấp bốn loại dịch vụ CL và hai cho dịch vụ CO Bốn loại dịch vụ này như sau : - Loại CL cơ sở : - Loại CL theo trình tự (MTP) - Loại CO cơ sở - Loại CO điều khiển luồng 57
  59. Hình 4-7: Giao diện SCCP với MTP và các người sử dụng CHƯƠNG V THIẾT KẾ HỆ THỐNG 58
  60. 5.1 Lý thuyết dung lượng và cấp độ phục vụ Trong quá trình phát triển mạng, tăng cường dung lượng của mạng là một nhu cầu cấp thiết. Tuy nhiên, cùng cần xác định dung lượng cần tăng là bao nhiêu để phù hợp với từng giai đoạn phát triển của mạng và phù hợp với yêu cầu về mặt kỹ thuật và kinh tế hiện tại. 5.1.1 Lưu lượng và kênh vô tuyến đường trục Trong lĩnh vực giao thông vận tải, đường trục để cho nhiều xe cộ đi đến mọi nơi. Hiệu quả sử dụng của đường trục lớn hơn nhiều so với đường cụt (chỉ nối với một xã vùng sâu chẳng hạn). Nếu liên lạc vô tuyến bằng kênh vô tuyến dành riêng PRM (Private Mobile Radio), thì phần lớn thời gian kênh vô tuyến đó không được sử dụng. Tài nguyên kênh vô tuyến là rất hạn chế, nên phải quản lý nó trên phạm vi quốc gia và quốc tế. Từ đó, xu hướng là kênh vô tuyến đường trục dùng chung. Hệ thống thông tin di động cellular áp dụng kênh vô tuyến đường trục: Mỗi BTS có một số kênh vô tuyến dùng chung cho nhiều người. Tỷ lệ người dùng trên số kênh dùng chung càng cao thì hiệu quả sử dụng đường trục càng cao. Hiệu suất sử dụng phổ tần số lại càng cao khi cùng một tần số mà được dùng lại nhiều lần ở các cell cách xa nhau. Lưu lượng: Trong hệ thống viễn thông, lưu lượng là tin tức được truyền dẫn qua các kênh thông tin. Lưu lượng của một thuê bao được tính theo công thức: C *t A = 3600 Trong đó: C : số cuộc gọi trung bình trong một giờ của một thuê bao. t : thời gian trung bình cho một cuộc gọi. 59
  61. A : lưu lượng thông tin trên một thuê bao (tính bằng Erlang). Theo số liệu thống kê điển hình thì: C = 1 : trung bình một người có một cuộc gọi trong một giờ. t = 120s : thời gian trung bình cho một cuộc gọi là 2 phút. 1*120 ⇒ A = ≈ 33 mErlang/người sử dụng 3600 Như vậy, để phục vụ cho 1000 thuê bao ta cần một lưu lượng là 33 Erlang. 5.1.2 Cấp độ dịch vụ - GoS (Grade of Service) Nếu một kênh bị chiếm toàn bộ thời gian, thì kênh đó đạt được dung lượng cực đại 1 Erl. Vì người sử dụng truy cập kênh vô tuyến theo kiểu ngẫu nhên, nên không thể tránh khỏi những khoảng thời gian để trống kênh vô tuyến đó, do vậy kênh vô tuyến không đạt được dung lượng lý tưởng (1 Erl). Khi số người dùng tăng lên, số cuộc gọi đi qua kênh càng tăng, nên thông lượng tăng lên.Có thể xảy ra tình huống nhiều người dùng đồng thời truy cập một kênh vô tuyến, khi đó chỉ có một người được dùng kênh, những người khác bị tắc nghẽn. Hình 5-1 Lưu lượng: Muốn truyền, được truyền, nghẽn Lưu lượng muốn truyền = Lưu lượng được truyền + Lưu lượng nghẽn. Offered Traffic = Carried Traffic + Blocked Traffic 60
  62. Cấp phục vụ (GoS = Grade of Service): Để một kênh đường trục có chất lượng phục vụ cao thì xác suất nghẽn phải thấp. Vậy nên số người dùng có thể phải bị giới hạn, tức là lưu lượng muốn truyền phải giữ trong dung lượng kênh. Nếu chấp nhận một cấp phục vụ thấp hơn, tức là xác suất nghẽn lớn hơn, thì tương ứng tăng được dung lượng muốn truyền (tăng số người dùng). GoS cùng một nghĩa với xác suất nghẽn: Lưu lượng muốn truyền: A (lưu lượng muốn truyền) Lưu lượng bị nghẽn : A*GoS (lưu lượng mất đi) Lưu lượng được truyền : A*(1 - GoS) (lưu lượng phát ra) Theo thống kê cho thấy thì các thuê bao cá nhân sẽ không nhận ra được sự tắc nghẽn hệ thống ở mức dưới 10%. Tuy nhiên để mạng hoạt động với hiệu suất cao thì mạng cellular thường có GoS = 2 % nghĩa là tối đa 2% lưu lượng bị nghẽn, tối thiểu 98% lưu lượng được truyền. Mô hình ERLANG B: Đây là mô hình hệ thống thông tin hoạt động theo kiểu tiêu hao. Thuê bao không hề gọi lại khi cuộc gọi không thành. Đồng thời giả thiết rằng: Xác suất cuộc gọi phân bố theo luật ngẫu nhiên Poisson, số người dùng rất lớn so với số kênh dùng chung, không có kênh dự trữ dùng riêng, cuộc gọi bị nghẽn không được gọi lại ngay. Hình 5-2 Xác suất nghẽn GoS 61
  63. Mô hình Erlang B là mô hình thích hợp hơn cả cho mạng GSM. Từ các công thức toán học, người ta lập ra bảng Erlang B cho tiện dụng (phần Phụ lục). Ví dụ: Số kênh dùng chung là 10, GoS là 2%. Tra bảng Erlang B ta có lưu lượng muốn truyền là A = 5,084 Erl. Vậy lưu lượng được truyền là: A*(1 - GoS) = 5,084*(1 – 0,02) = 4,9823 Erl. Mô hình ERLANG C : Đây là mô hình hệ thống thong tin di động theo kiểu đợi , thuê bao kiên trì gọi lại 1 đến khi cuộc gọi thành công . CCS = call centum second = Erl 36 5.1.3 Hiệu suất sử dụng trung kế (đường trục) Hiệu suất sử dụng trung kế là tỷ số giữa lưu lượng được truyền với số kênh của đường trục. Ở ví dụ trên, ta đang xét trung kế có số kênh dùng chung n = 10, GoS = 2 %, nên lưu lượng được truyền sẽ là 4,9823 Erl. Ta có: 4,9823 Hiệu suất sử dụng trung kế = *100% = 49,823 % 10 Hiệu suất có vẻ thấp này tương ứng với GoS tốt (Xác suất nghẽn thấp). Chẳng hạn, nếu GoS = 10 % (tồi hơn) thì lưu lượng muốn truyền là 7,511 Erl, tương ứng lưu lượng được truyền là: 7,511*(1 – 0,1) = 6,7599 Erl. Khi đó, hiệu suất sử dụng trung kế lên đến 6,7599 *100 % = 67,599 %. 10 GoS càng tốt thì hiệu suất sử dụng trung kế càng thấp, cần phải có nhiều kênh vô tuyến cho lưu lượng muốn truyền đã cho. GoS càng kém thì với một lưu lượng đã cho thì chỉ cần số kênh vô tuyến là ít hơn. 62
  64. Với cùng một cấp phục vụ, trung kế càng lớn (số kênh dùng chung lớn) thì hiệu quả sử dụng trung kế cũng cao. Số Lưu lượng được Hiệu suất kênh truyền (GoS = 2%) sử dụng trung kế TCH 6 2,2305 Erlang 37 % 10 4,9823 Erlang 49,82 % 15 8,8300 Erlang 58,86 % 25 17,155 Erlang 68,62 % 40 30,377 Erlang 75,94 % 5.2 Quy hoạch Cell 5.2.1 Khái niệm tế bào (Cell) Cell (tế bào hay ô): là đơn vị cơ sở của mạng, tại đó trạm di động MS tiến hành trao đổi thông tin với mạng qua trạm thu phát gốc BTS. BTS trao đổi thông tin qua sóng vô tuyến với tất cả các trạm di động MS có mặt trong Cell. 63
  65. Hình 5-4 Khái niệm Cell Hình dạng lý thuyết của Cell là một ô tổ ong hình lục giác: Hình 5-5 Khái niệm về biên giới của một Cell Trên thực tế, hình dạng của cell là không xác định. Việc quy hoạch vùng phủ sóng cần quan tâm đến các yếu tố địa hình và mật độ thuê bao, từ đó xác định số lượng trạm gốc BTS, kích thước cell và phương thức phủ sóng thích hợp. 64
  66. 5.2.2 Kích thước Cell và phương thức phủ sóng 1.0.0.1. 5.2.2.1 Kích thước Cell  Cell lớn: Bán kính phủ sóng khoảng: n km ÷ n*10 km (GSM: ≤ 35 km) Vị trí thiết kế các Cell lớn: − Sóng vô tuyến ít bị che khuất (vùng nông thôn, ven biển ) − Mật độ thuê bao thấp. − Yêu cầu công suất phát lớn.  Cell nhỏ: Bán kính phủ sóng khoảng: n*100 m. (GSM: ≤ 1 km) Vị trí thiết kế các Cell nhỏ: − Sóng vô tuyến bị che khuất (vùng đô thị lớn). − Mật độ thuê bao cao. − Yêu cầu công suất phát nhỏ. Có tất cả bốn kích thước cell trong mạng GSM đó là macro, micro, pico và umbrella. Vùng phủ sóng của mỗi cell phụ thuộc nhiều vào môi trường. Macro cell được lắp trên cột cao hoặc trên các toà nhà cao tầng. Micro cell lại được lắp ở các khu thành thị, khu dân cư. Pico cell thì tầm phủ sóng chỉ khoảng vài chục mét trở lại nó thường được lắp để tiếp sóng trong nhà. Umbrella lắp bổ sung vào các vùng bị che khuất hay các vùng trống giữa các cell. Bán kính phủ sóng của một cell tuỳ thuộc vào độ cao của anten, độ lợi anten thường thì nó có thể từ vài trăm mét tới vài chục km. Trong thực tế thì khả năng phủ sóng xa nhất của một trạm GSM là 32 km (22 dặm). 65
  67. Một số khu vực trong nhà mà các anten ngoài trời không thề phủ sóng tới như nhà ga, sân bay, siêu thị thì người ta sẽ dùng các trạm pico để chuyển tiếp sóng từ các anten ngoài trời vào. 1.0.0.2. 5.2.2.2 Phương thức phủ sóng Hình dạng của cell trong mỗi một sơ đồ chuẩn phụ thuộc vào kiểu anten và công suất ra của mỗi một BTS. Có hai loại anten thường được sử dụng: anten vô hướng (omni) là anten phát đẳng hướng, và anten có hướng là anten bức xạ năng lượng tập trung trong một rẻ quạt (sector).  Phát sóng vô hướng – Omni directional Cell (3600) Anten vô hướng hay 3600 bức xạ năng lượng đều theo mọi hướng. Hình 5-5 Omni (3600) Cell site Khái niệm Site: Site được định nghĩa là vị trí đặt trạm BTS. Với Anten vô hướng: 1 Site = 1 Cell 3600  Phát sóng định hướng – Sectorization: Lợi ích của sectorization (sector hóa): − Cải thiện chất lượng tín hiệu (Giảm can nhiễu kênh chung). − Tăng dung lượng thuê bao. 66
  68. Hình 5-6 Sector hóa 1200 Với Anten định hướng 1200: 1 Site = 3 Cell 1200 5.2.3 Chia Cell (Cells Splitting) Một cell với kích thước càng nhỏ thì dung lượng thông tin càng tăng. Tuy nhiên, kích thước nhỏ đi có nghĩa là cần phải có nhiều trạm gốc hơn và như thế chi phí cho hệ thống lắp đặt trạm cũng cao hơn. Khi hệ thống bắt đầu được sử dụng số thuê bao còn thấp, để tối ưu thì kích thước cell phải lớn. Nhưng khi dung lượng hệ thống tăng thì kích thước cell cũng phải giảm đi để đáp ứng với dung lượng mới. Phương pháp này gọi là chia cell. Tuy nhiên, sẽ không thực tế khi người ta chia nhỏ toàn bộ các hệ thống ra các vùng nhỏ hơn nữa và tương ứng với nó là các cells. Nhu cầu lưu lượng cũng như mật độ thuê bao sử dụng giữa các vùng nông thôn và thành thị có sự khác nhau nên đòi hỏi cấu trúc mạng ở các vùng đó cũng khác nhau. Các nhà quy hoạch sử dụng khái niệm cells splitting để phân chia một khu vực có mật độ thuê bao cao, lưu lượng lớn thành nhiều vùng nhỏ hơn để cung cấp tốt hơn các dịch vụ mạng. Ví dụ các thành phố lớn được phân chia thành các vùng địa lý nhỏ hơn với các cell có mức độ phủ sóng hẹp nhằm cung cấp chất lượng dịch vụ cũng như lưu lượng sử dụng cao, trong khi khu vực nông thôn nên sử dụng các cell có vùng phủ sóng lớn, tương ứng với nó số lượng cell sẽ sử dụng ít hơn để đáp ứng cho lưu lượng thấp và số người dùng với mật độ thấp hơn. 67
  69. Hình 5-7 Phân chia Cell Đứng trên quan điểm kinh tế, việc hoạch định cell phải bảo đảm lưu lượng hệ thống khi số thuê bao tăng lên, đồng thời chi phí phải là thấp nhất. Thực hiện được điều này thì yêu cầu phải tận dụng được cơ sở hạ tầng của đài trạm cũ. Để đáp ứng được yêu cầu này, người ta sử dụng phương pháp giảm kích thước cell gọi là tách cell (cells splitting).Theo phương pháp này việc hoạch định được chia thành các giai đoạn sau: 1. Giai đoạn 0 (phase 0): Khi mạng lưới mới được thiết lập, lưu lượng còn thấp, số lượng đài trạm còn ít, mạng thường sử dụng các “omni cell” với các anten vô hướng, phạm vi phủ sóng rộng. 68
  70. Hình 5-8 Các Omni (3600) Cells ban đầu Khi mạng được mở rộng, dung lượng sẽ tăng lên, để đáp ứng được điều này phải dùng nhiều sóng mang hơn hoặc sử dụng lại những sóng mang đã có một cách thường xuyên hơn. Tuy nhiên, mọi sự thay đổi trong quy hoạch cấu trúc tần số phải gắn liền với việc quan tâm tới tỉ số C/I. Các tần số không thể được ấn định một cách ngẫu nhiên cho các cell. Để thực hiện được điều này, phương pháp phổ biến là chia cell theo thứ tự. 2. Giai đoạn 1 (Phase 1): Sector hóa Thay anten vô hướng (omni) bằng 3 anten riêng biệt định hướng dải quạt 1200 là một giải pháp tách chia một Cell thành 3 Cells. Đó là giải pháp dải quạt hóa (sectorization – sector hóa). Cách làm này không đòi hỏi thêm mặt bằng cho các Cell mới. Tuy các Cell mới phân biệt nhau theo chức năng mạng nhưng chúng vẫn ở tại mặt bằng cũ. Khi đó, tại mỗi vị trí cũ (Site) bây giờ có thể phục vụ được 3 cell mới, những cell này nhỏ hơn và có 3 anten định hướng được đặt ở vị trí này, góc giữa các anten này là 1200. 69
  71. Hình 5-9 Giai đoạn 1 :Sector hóa 3. Giai đoạn 2: Tách chia nhỏ hơn nữa về sau  Tách chia Cell 1:3 thêm lần nữa Hình 5-9 trình bày việc tách chia 3 thêm lần nữa. Lần tách này sử dụng lại mặt bằng cũ và thêm mới gấp đôi mặt bằng mới cho các BTS mới. Ở mặt bằng cũ, anten cần quay đi 300 ngược chiều kim đồng hồ. Như vậy tổng số mặt bằng gấp 3 lần mặt bằng cũ để trả giá cho sự tăng dung lượng mạng lên gấp 3 lần. 70
  72. Hình 5-10 Tách chia 1:3 thêm lần nữa  Tách chia 1:4 (sau lần đầu chia 3) 71
  73. Hình 5-11 Tách chia 1:4 (sau lần đầu chia 3) Sự tách chia này không đòi hỏi xoay hướng anten ở tất cả các BTS có mặt bằng cũ. Vị trí BTS mặt bằng mới được biểu thị trên hình vẽ 5-7. Số lần sử dụng lại tần số, dung lượng hệ thống và số lượng mặt bằng BTS đều tăng 4 lần so với trước khi chia tách. Tùy theo yêu cầu về dung lượng hệ thống, việc chia cell có thể được thực hiện tiếp tục. Tuy nhiên, mọi sự thay đổi trong quy hoạch cấu trúc tần số phải gắn liền với việc quan tâm tới tỉ số nhiễu C/I. Bây giờ ta hãy xét một ví dụ để thấy được sự tăng dung lượng khi thu hẹp kích thước cell. Giả thiết rằng hệ thống có 24 tần số và chúng ta bắt đầu từ một cụm 7 cell có bán kính cực đại 14 km. Sau đó chúng ta thực hiện các giai đoạn 1 tách 3 và 1 tách 4. Cũng giả thiết rằng một thuê bao có lưu lượng 0,02 Erlang với mức độ phục vụ GoS = 5%. Với 24 tần số, nghĩa là số kênh logic của hệ thống sẽ là: 24 x 8 = 192 kênh 72
  74. Trong giai đoạn thứ nhất, khi 1 cụm (số nhóm tần số) là N = 7, thì số kênh lưu lượng TCH cho mỗi cell là: (192 - 2 x7 )/7 = 178/7 = 25 TCH Trong giai đoạn tiếp theo, khi một cụm có N = 21. Số kênh lưu lượng cho mỗi cell là: (192 - 21)/21 = 171/21 = 8 TCH Trong giai đoạn thứ nhất, ta phải sử dụng 2 kênh cho việc điều khiển. Trong các giai đoạn tiếp theo ta chỉ cần dành 1 kênh cho việc điều khiển là đủ. Căn cứ bảng Erlang ta sẽ có bảng thống kê về mật độ lưu lượng qua các bước tách cell như sau: Giai Bán kính CH Phạm vi Số thuê Số thuê Hiệu quả N đoạn ô mỗi ô ô bao/ 1 ô bao/km2 trung kế 0 14 km 7 25 499,2km2 999 2,0 76% 1 8 km 21 8 166,4km2 227 1,4 54% 2 4 km 21 8 41,6 km2 227 5,5 54% 3 2 km 21 8 10,4 km2 227 21,8 54% Từ bảng ta thấy, trong lần tách thứ nhất, dung lượng bị giảm (số thuê bao trên 1 km2 giảm từ 2 xuống còn 1,4) là do hiệu suất trung kế bị giảm khi số kênh trên một cell ít đi. Tuy nhiên, đây là một bước không thể thiếu được để thực hiện các bước tiếp theo. Đối với các bước tiếp theo là qui trình 1 tách 4, bán kính cell giảm 2 lần, nhưng dung lượng tăng 4 lần. Như vậy, ta thấy rằng biện pháp “cell split” làm giảm kích thước của cell. Nhưng cũng làm tăng dung lượng hệ thống. Biện pháp này phải được áp dụng theo từng giai đoạn phát triển của mạng. Tuy nhiên, biện pháp này cũng có một số hạn chế bởi kích thước cell 73
  75. cũng có giới hạn (giới hạn trên là do công suất bức xạ của BTS và MS có hạn, giới hạn dưới là do vấn đề nhiễu). Đồng thời việc lắp đặt các vị trí trạm mới đòi hỏi kinh phí lớn, việc khảo sát để chọn được những vị trí thích hợp cũng gặp nhiều khó khăn (nhà trạm đặt thiết bị, xây dựng cột anten, mạng điện lưới thuận tiện ) Để giải quyết vấn đề dung lượng ở những khu vực có mật độ rất cao mà các biện pháp trên không giải quyết được, thì việc sử dụng các “minicell” và các “microcell” sẽ trở nên phổ biến với phạm vi phủ sóng nhỏ, công suất bức xạ của BTS (thường là các trạm Repeater) thấp. 5.2.4 Quy hoạch tần số Ngày nay các nhà cung cấp dịch vụ di động GSM sử dụng hai dải tần số, đó là GSM 900 và GSM 1800. Một số quốc gia ở Châu Mỹ thì sử dụng băng 850 Mhz và 1900 Mhz do băng 900 Mhz và 1800 Mhz ở đây đã được sử dụng trước đó. Dải tần số dùng cho GSM 900 là 890 ÷ 960 MHz, gồm 124 tần số sóng mang với mỗi hướng: Uplink: 890 ~ 915 MHz và Downlink: 935~960 MHz. Dải tần số dùng cho GSM 1800 là 1710 ÷ 1880 MHz, gồm 374 tần số sóng mang với mỗi hướng: Uplink: 1710~1785 MHz và Downlink: 1805~1880 MHz. Hiện nay, tại Việt Nam đang có 3 nhà cung cấp dịch vụ di động GSM đó là Vinaphone, Mobiphone, Viettel, cùng đồng thời hoạt động, nên dải tần số hạn hẹp phải chia sẻ đều cho cả 3 mạng. Với mạng di động VMS-Mobifone dải tần được ấn định cho mạng như sau: 74
  76. − GSM 900: Dải tần sử dụng trong VMS là 41 tần số từ kênh 84 đến 124 tương ứng với: Uplink: 906,6 MHz ÷ 914,8 MHz. Downlink: 951,6 MHz ÷ 959,8 MHz. − GSM 1800: Dải tần sử dụng trong VMS là từ kênh 579 đến 644 tương ứng với: Uplink: 1723,6 MHz ÷ 1736,6 MHz. Downlink: 1818,6 MHz ÷ 1831,6 MHz. Tài nguyên tần số có hạn trong khi số lượng thuê bao thì ngày càng tăng lên, nên việc sử dụng lại tần số là điều tất yếu. Tuy nhiên, khi sử dụng lại tần số thì vấn đề nhiễu đồng kênh xuất hiện. Do đó cần có sự hoạch định tần số tốt để tối thiểu hóa ảnh hưởng của nhiễu tới chất lượng của hệ thống. 5.2.5 Tái sử dụng lại tần số Một hệ thống tổ ong là dựa trên việc sử dụng lại tần số. Nguyên lý cơ bản khi thiết kế hệ thống tổ ong là các mẫu sử dụng lại tần số. Theo định nghĩa sử dụng lại tần số là việc sử dụng các kênh vô tuyến ở cùng một tần số mang để phủ sóng cho các vùng địa lý khác nhau. Các vùng này phải cách nhau một cự ly đủ lớn để mọi nhiễu giao thoa đồng kênh (có thể xảy ra) chấp nhận được. Tỉ số sóng mang trên nhiễu C/I phụ thuộc vào vị trí tức thời của thuê bao di động do địa hình không đồng nhất, số lượng và kiểu tán xạ.  Mảng mẫu (Cluster) Cluster là một nhóm các cell. Các kênh không được tái sử dụng tần số trong một cluster. 75
  77. Nhà khai thác mạng được giấy phép sử dụng một số có hạn các tần số vô tuyến. Việc quy hoạch tần số, ta phải sắp xếp thích hợp các tần số vô tuyến vào một mảng mẫu sao cho các mảng mẫu sử dụng lại tần số mà không bị nhiễu quá mức. Hình 5-12 mô tả cách phủ sóng bằng mảng mẫu gồm 7 cell đơn giản. Hình 5-12 Mảng mẫu gồm 7 cells  Cự ly dùng lại tần số Ta biết rằng sử dụng lại tần số ở các cell khác nhau thì bị giới hạn bởi nhiễu đồng kênh C/I giữa các cell đó nên C/I sẽ là một vấn đề chính cần được quan tâm. Dễ dàng thấy rằng, với một kích thước cell nhất định, khoảng cách sử dụng lại tần số phụ thuộc vào số nhóm tần số N. Nếu N càng lớn, khoảng cách sử dụng lại tần số càng lớn và ngược lại. Ta có công thức tính khoảng cách sử dụng lại tần số: D = R* 3* N 76
  78. (trong đó: R là bán kính cell) Hình 5-13 Khoảng cách tái sử dụng tần số  Tính toán C/I Đồng thời ta có công thức tính tỉ số C/I như sau: Hình 5-14 Sơ đồ tính C/I P là vị trí của MS thuộc cell A, chịu ảnh hưởng nhiễu kênh chung từ cell B là lớn nhất. Tại vị trí P (vị trí máy di động MS) có: C (D − R) x  D x C.α.Rx = I .α.(D-R)x ⇒ = =  −1 = ( 3.N -1)x I R x  R  Trong đó: x là hệ số truyền sóng, phổ biến nằm trong khoảng từ 3 đến 4 đối với hầu hết các môi trường. 77
  79. C ⇒ (dB) = 10*lg( 3.N -1)x I Số cell Tỉ số C/I (dB) (N) x Kích thước 3,0 3,5 4,0 mảng 3 9,0 10,5 12,0 4 11,7 13,7 15,6 7 16,6 19,4 22,2 9 18,7 21,8 24,9 12 21,0 24,5 28,0 21 25,2 29,4 33,6 Bảng quan hệ N & C/I Để xác định vị trí của các cell đồng kênh ta sử dụng công thức: N = i2 + i.j + j2. (i; j nguyên) Theo công thức này: di chuyển từ cell thứ nhất đi i cell theo một hướng, sau đó quay đi 600 và di chuyển đi j cell theo hướng này. Hai cell đầu và cuối của quá trình di chuyển này la hai cell đồng kênh. Phân bố tỉ số C/I cần thiết để hệ thống có thể xác định số nhóm tần số N mà ta có thể sử dụng. Nếu toàn bộ số kênh quy định ∑ được chia thành N nhóm thì mỗi nhóm sẽ chứa (∑ /N) kênh. Vì tổng số kênh ∑ là cố định nên số nhóm tần số N nhỏ hơn sẽ dẫn đến nhiều kênh hơn ở một nhóm và một đài trạm. Vì vậy, việc giảm số lượng các nhóm tần số 78
  80. sẽ cho phép mỗi đài trạm tăng lưu lượng nhờ đó sẽ giảm số lượng các đài trạm cần thiết cho tải lưu lượng định trước. 5.2.6 Các mẫu tái sử dụng tần số Ký hiệu tổng quát của mẫu sử dụng lại tần số: Mẫu M /N Trong đó: M = tổng số sites trong mảng mẫu N = tổng số cells trong mảng mẫu Ba kiểu mẫu sử dụng lại tần số thường dùng là: 3/9, 4/12 và 7/21. 1.0.0.3. 5.2.6.1 Mẫu tái sử dụng tần số 3/9: Mẫu tái sử dụng lại tần số 3/9 có nghĩa các tần số sử dụng được chia thành 9 nhóm tần số ấn định trong 3 vị trí trạm gốc (Site). Mẫu này có khoảng cách giữa các trạm đồng kênh là D = 5,2R. Các tần số ở mẫu 3/9 (giả thiết có 41 tần số từ các kênh 84 đến 124 - là số tần số sử dụng trong mạng GSM900 của VMS): Ấn định tần số A1 B1 C1 A2 B2 C2 A3 B3 C3 BCCH 84 85 86 87 88 89 90 91 92 TCH1 93 94 95 96 97 98 99 10 101 79
  81. 0 10 10 10 10 10 10 10 10 TCH2 110 2 3 4 5 6 7 8 9 11 11 11 11 11 11 11 11 TCH3 119 1 2 3 4 5 6 7 8 12 12 12 12 12 TCH4 0 1 2 3 4 Ta thấy mỗi cell có thể phân bố cực đại đến 5 sóng mang. Như vậy, với khái niệm về kênh như đã nói ở phần trước thì phải dành một khe thời gian cho BCH, một khe thời gian cho SDCCH/8. Vậy số khe thời gian dành cho kênh lưu lượng của mỗi cell còn (5 x 8 – 2) = 38 TCH. Tra bảng Erlang-B (Phụ lục), tại GoS 2 % thì một cell có thể cung cấp dung lượng 29,166 Erlang. Giả thiết trung bình mỗi thuê bao trong một giờ thực hiện 1 cuộc gọi kéo dài 120s tức là trung bình mỗi thuê bao chiếm 0,033 Erlang, thì mỗi cell có thể phục vụ được 29,166/0,033 = 833 (thuê bao). 80
  82. Hình 5-15 Mẫu tái sử dụng lại tần số 3/9 Theo lý thuyết, cấu trúc mảng 9 cells có tỉ số C/I > 9 dB đảm bảo GSM làm việc bình thường. Tỉ số C/A cũng là một tỉ số quan trọng và người ta cũng dựa vào tỉ số này để đảm bảo rằng việc ấn định tần số sao cho các sóng mang liền nhau không nên được sử dụng ở các cell cạnh nhau về mặt địa lý. Tuy nhiên, trong hệ thống 3/9 các cell cạnh nhau về mặt địa lý như A1 & C3, C1 & A2, C2 & A3 lại sử dụng các sóng mang liền nhau. Điều này chứng tỏ rằng tỉ số C/A đối với các máy di động hoạt động ở biên giới giữa hai cell A1 và C3 là 0dB, đây là mức nhiễu cao mặc dù tỉ số này là lớn hơn tỉ số chuẩn của GSM là (- 9 dB). Việc sử dụng các biện pháp như nhảy tần, điều khiển công suất động, truyền dẫn gián đoạn là nhằm mục đích giảm tối thiểu các hiệu ứng này. 81
  83. 1.0.0.4. 5.2.6.2 Mẫu tái sử dụng tần số 4/12: Mẫu sử dụng lại tần số 4/12 có nghĩa là các tần số sử dụng được chia thành 12 nhóm tần số ấn định trong 4 vị trí trạm gốc. Khoảng cách giữa các trạm đồng kênh khi đó là D = 6R. Các tần số ở mẫu 4/12: Ấn định tần số A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3 BCCH 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 TCH1 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 TCH2 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 TCH3 120 121 122 123 124 Ta thấy mỗi cell có thể phân bố cực đại là 4 sóng mang. Như vậy, với khái niệm về kênh như đã nói ở phần trước, một khe thời gian dành cho kênh BCH, một khe thời gian dành cho kênh SDCCH/8. Vậy số khe thời gian dành cho kênh lưu lượng của mỗi cell còn (4 x 8 – 2) = 30 TCH. Tra bảng Erlang-B ( Phụ lục ), tại GoS = 2 % thì mỗi cell có thể cung cấp dung lượng 21,932 Erlang. Giả sử mỗi thuê bao chiếm 0,033 Erlang thì mỗi cell có thể phục vụ được 21,932/0,033 = 664 thuê bao. Trong mẫu 4/12 số lượng các cell D sắp xếp theo các cách khác nhau để nhằm phục vụ cho các cell A,B,C. Hiệu quả của việc điều chỉnh này là để đảm bảo hai cell cạnh nhau không sử dụng hai sóng mang liền nhau (khác với mẫu 3/9). Với mẫu này, khoảng cách tái sử dụng tần số là lớn hơn. 82
  84. Hình 5-17 Mẫu tái sử dụng lại tần số 4/12 Về lý thuyết, cụm 12 cells có tỉ số C/I > 12 dB. Đây là tỉ số thích hợp cho phép hệ thống GSM hoạt động tốt. Tuy nhiên, mẫu 4/12 có dung lượng thấp hơn so với mẫu 3/9 vì: a) Số lượng sóng mang trên mỗi cell ít hơn (mỗi cell có 1/12 tổng số sóng mang thay vì 1/9). b) Hệ số sử dụng lại tần số thấp hơn (đồng nghĩa với khoảng cách sử dụng lại là lớn hơn). 1.0.0.5. 5.2.6.3 Mẫu tái sử dụng tần số 7/21: Mẫu 7/21 có nghĩa là các tần số sử dụng được chia thành 21 nhóm ấn định trong 7 trạm gốc. Khoảng cách giữa các trạm đồng kênh là D = 7,9R. Các tần số ở mẫu 7/21: 83
  85. Ấn định tần số BCCH TCH A1 84 105 B1 85 106 C1 86 107 D1 87 108 E1 88 109 F1 89 110 G1 90 111 A2 91 112 B2 92 113 C2 93 114 D2 94 115 E2 95 116 F2 96 117 G2 97 118 A3 98 119 B3 99 120 C3 100 121 D3 101 122 E3 102 123 F3 103 124 G3 104 84
  86. Hình 5-18 Mẫu tái sử dụng tần số 7/21 Ta thấy mỗi cell chỉ được phân bố tối đa 2 sóng mang. Như vậy với khái niệm về kênh như đã nói ở phần trước. Phải có một khe thời gian dành cho BCH và có ít nhất một khe thời gian dành cho SDCCH, số khe thời gian dành cho kênh lưu lượng của mỗi cell còn (2 x 8 – 2) = 14 TCH . Tra bảng Erlang-B (Phụ lục), tại GoS = 2 % thì mỗi cell có thể cung cấp một dung lượng 8,2003 Erlang. Giả sử mỗi thuê bao chiếm 0,033 Erlang, như vậy một cell có thể phục vụ được 8,2003/0,033 = 248 thuê bao. Nhận xét: Khi số nhóm tần số N giảm (21, 12, 9), nghĩa là số kênh tần số có thể dùng cho mỗi trạm (∑ /N) tăng thì khoảng cách giữa các trạm đồng kênh D sẽ giảm 7,9R; 6R; 5,2R. Điều này nghĩa là số thuê bao được phục vụ sẽ tăng lên là: 248; 664 và 883, nhưng đồng thời nhiễu trong hệ thống cũng tăng lên. Như vậy, việc lựa chọn mẫu sử dụng lại tần số phải dựa trên các đặc điểm địa lý vùng phủ sóng, mật độ thuê bao của vùng phủ và tổng số kênh ∑ của mạng. − Mẫu 3/9: số kênh trong một cell là lớn, tuy nhiên khả năng nhiễu cao. Mô hình này thường được áp dụng cho những vùng có mật độ máy di động cao. − Mẫu 4/12: sử dụng cho những vùng có mật độ lưu lượng trung bình. − Mẫu 7/21: sử dụng cho những khu vực mật độ thấp. 1.0.0.6. 5.2.7 Thay đổi quy hoạch tần số 5.2.7.1 Sự phân bố lưu lượng Sự thay đổi lưu lượng và hiệu ứng điểm nóng (hotspot) hình thành nhu cầu tăng thêm kênh tần số ở một cell nào đó. Khi đó người ta nghĩ ngay đến khả năng lấy kênh tần số ở cell nào có lưu lượng rất nhỏ để thêm vào cho cell nào có lưu lượng quá lớn. Tuy 85
  87. nhiên, việc làm này phá hỏng quy hoạch tần số và mang lại can nhiễu quá mức cho phép nếu như việc thực thi không đúng khoa học. Hình 5-19 Thay đổi quy hoạch tần số Hình 5-19 biểu thị một tình huống như vậy: Đây là mẫu tái sử dụng tần số 4/12. Tại mảng mẫu X, cell D1 cần 3 kênh tần số để đảm bảo lưu lượng, trong khi cell C3 chỉ cần 1 kênh tần số để đáp ứng lưu lượng tại thời điểm đang xét. 86
  88. Tại cell C3, có hai kênh tần số 94 và 106, như vậy nên chọn tải tần 94 hay 106 để chuyển sang D1 ? C Ảnh hưởng tới A Cell D1 và cell D3 là hai cell liền kề. Mà tải tần 94, 106 của cell C3 liền kề với tải tần 95, 107 của cell D3. Chính vì vậy, chọn tải tần nào dù là 94 hay 106 để đưa sang D1 C thì đều làm tăng can nhiễu kênh kề, đối với MS ở biên giới D1 và D3 thì tỉ số của A chúng gần bằng 0 dB. C Ảnh hưởng tới I Nếu chọn tải tần 94 (hay 106) từ cell C3 đưa sang D1, thì cự ly sử dụng lại tần số 94 (hay 106) bây giờ là từ cell D1 của mảng mẫu X đến cell C3 của mảng mẫu Y, tức là đã giảm đi một nửa so với ban đầu. Nghĩa là nhiễu kênh chung tăng lên nghiêm trọng, tỷ số C/I giảm đáng kể. Vì bán kính cell R vẫn giữ nguyên, mà cự ly sử dụng lại tần số của tải tần chuyển sang giảm chỉ còn một nửa, nghĩa là D/ R còn lại một nửa so với quy hoạch trước. Về lý thuyết, điều đó làm giảm tỷ số C/ I đi chừng 6 ÷ 8 dB. Muốn phân tích chính xác C/ I, phải kể đến yếu tố địa hình thực tế và các nhân tố mảng mẫu. Điều này cần đến công cụ phần mềm đặc biệt để xử lý vấn đề bằng máy tính. 87
  89. Một trong những giải pháp cho vấn đề này là cấu trúc đồng tâm của cell được tăng cường thêm tải tần lấy từ cell khác. Khi đó, các tải tần sẵn có ban đầu của cell vẫn được dùng như vốn có, còn tải tần tăng cường được phát công suất bé hơn ở mức microcell. Các nhân tố khác Công cụ phần mềm quy hoạch vô tuyến sẽ tính đến nhiều yếu tố sau đây khi chuyển kênh tần số: − Sự khác nhau về công suất phát vô tuyến cả các BTS. − Sự khác nhau về anten được dùng ở các cơ sở mặt bằng. − Địa hình thay đổi − Mảng mẫu thay đổi. .v.v Vì GSM là hệ thống bị giới hạn bởi can nhiễu, nên phải xét mẫu sử dụng lại tần số nào có mức can nhiễu chấp nhận được. 1.0.0.7. 5.2.7.2 Quy hoạch phủ sóng không liên tục Bài toán quy hoạch này phải xử lý đặc biệt. Tuy nhiên, cơ sở giải bài toán này vẫn là quy hoạch tần số sao cho các tỷ số C/ I và C/ A đạt mức quy định chất lượng. Những mâu thuẫn phát sinh có thể được dung hòa tùy hoàn cảnh. Ví dụ: trong làng xã ven quốc lộ có thể chịu C/ I nhỏ. 88
  90. Hình 5-20 Phủ sóng không liên tục 5.2.8 Thiết kế tần số theo phương pháp MRP (Multiple Reuse Patterns) Thiết kế hệ thống có dung lượng lớn với chi phí cho hạ tầng là tối thiểu đang ngày càng trở nên quan trọng trong cuộc chạy đua giữa các nhà điều hành di động. Phần này trình bày về việc áp dụng kỹ thuật nhảy tần kết hợp với một phương pháp thiết kế tần số tiên tiến, Multiple Reuse Patterns (MRP)_Đa mẫu sử dụng lại. 1.0.0.8. 5.2.8.1 Nhảy tần _ Frequency Hopping Việc tăng dung lượng mạng bằng cách giảm cự ly tái sử dụng lại tần số sẽ kéo theo những vấn đề về nhiễu tần số trở nên trầm trọng hơn, điều này gây khó khăn cho việc thiết kế tần số với chất lượng tốt. Một số kỹ thuật được sử dụng nhằm giảm bớt ảnh hưởng của nhiễu như: nhảy tần, điều khiển công suất, truyền phát gián đoạn DTX (Discontinuous Transmission). Trong phần này ta quan tâm đến kỹ thuật nhảy tần _ Frequency Hopping. 89
  91. Kỹ thuật nhảy tần đưa ra hai khái niệm phân tán tần số và phân tán nhiễu. Phân tán tần số: Tần số được phân chia nhằm cân bằng chất lượng tín hiệu giữa các thuê bao cho dù thuê bao đó đang di chuyển nhanh hay chậm. Điều này có nghĩa là độ dự trữ cho Fađinh nhanh (Rayleigh Fading) là không cần thiết. Chính nhờ hiệu quả của phân tán tần số mà vùng phủ sóng được tăng lên do giảm được độ dữ trữ cho Fađinh nhanh. Ngày nay, quy hoạch cell tiêu biểu dùng 3 dB cho dự trữ Fađinh nhanh. Phân tán nhiễu: Cường độ nhiễu được chia sẻ đều cho các thuê bao để quy về mức nhiễu trung bình. Nói chung, với một mạng lưới sử dụng kỹ thuật nhảy tần thì ta có thể giảm cự ly tái sử dụng tần số do đó có thể cải thiện được dung lượng của hệ thống so với mạng không sử dụng kỹ thuật nhảy tần.  Hiệu quả của kỹ thuật nhảy tần Phân tán nhiễu trong kỹ thuật nhảy tần có thể được nhìn nhận như sự giảm tương quan của tín hiệu nhiễu trải qua những cụm (burst) liên tiếp. Hình 4.20 mô tả sự suy giảm tương quan tín hiệu trong ba trường hợp, khi đường lên uplink của một kết nối trong cell A bị gây nhiễu bởi các trạm di động trong các cell đồng kênh. Cell A được ấn định tần số 1 và 10 trong cả ba trường hợp. 90
  92. Hình 5-21 Một ví dụ về hiệu quả của kỹ thuật nhảy tần trên phân tập nhiễu của một mạng lưới. Kích thước của mũi tên phản ánh nhiễu tương quan giữa các cell đồng kênh. Trường hợp thứ nhất, mạng không sử dụng kỹ thuật nhảy tần. MS kết nối trên kênh tần số 1 trong cell A. Sau đó nhiễu I xuất hiện từ một thuê bao ở cell B đồng thời hoạt động trên cùng kênh tần số 1. Tương quan của tín hiệu nhiễu trên các cụm liên tiếp do đó là rất cao. Như vậy chất lượng của kết nối là xấu. Tình hình chỉ có thể cải thiện nếu cell đồng kênh ngừng phát tín hiệu trên kênh tần số này hoặc kết nối ở cell A được thực hiện chuyển giao Handover (bởi Intra-cell Handover, hay Inter-cell Handover). Trong trường hợp thứ hai là trường hợp nhảy tần trong quy hoạch tần số truyền thống, khi các nhóm tần số ấn định cho từng cell. Kết nối trong cell A nhảy trên hai kênh tần số (1 và 10), cell B cũng vậy. Do đó, nguồn nhiễu có thể thay đổi giữa hai thuê bao trong cell B, gây ra hai tín hiệu nhiễu I1 và I2. Bởi vì cường độ hai tín hiệu nhiễu này có sự khác nhau khá rõ rệt, tương quan tín hiệu nhiễu có thể thấp hơn cho các cụm liên tiếp. Nói cách khác, sự phân tán nhiễu đã tăng lên so với trường hợp không dùng kỹ thuật nhảy tần. Trường hợp cuối cùng, một thiết kế tần số bất quy tắc kết hợp với kỹ thuật nhảy tần. Điểm đặc biệt trong trường hợp này là không có sự ấn định tần số sử dụng trong một cell và các cell đồng kênh của nó. Do đó, cell B chỉ là một cell đồng kênh bộ phận của cell A, bởi chúng chỉ có một tần số dùng chung. Mặt khác, sự sắp xếp này tạo ra số cell đồng kênh bộ phận là lớn hơn, trong ví dụ trên là cell C. Trong trường hợp này, những cụm khác nhau của một kết nối tại cell A sẽ bị nhiễu bởi các thuê bao ở những cell khác nhau. Do đó, các cụm liên tiếp sẽ trải qua các tín hiệu nhiễu I1 và I2 , thông thường là không tương quan. Chính vì vậy, ở trường hợp này phân tán nhiễu là cao hơn so với thiết kế tần số theo truyền thống. Mà thuật ngữ gọi là “Phân tán nhiễu tối đa” _ “Maximizing Interference Diversity”. Ví dụ trên đây trình bày cách thức để có thể đạt được phân tán nhiễu tối đa, một thiết kế tần số không sử dụng các nhóm tần số cố định là thích hợp hơn cả. Tuy nhiên, 91