KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
PHẠM VĂN NGỌC
THÔNG TIN DI ĐỘNG
TẬP BÀI GIẢNG
(Lưu hành nội bộ)
THÁI NGUYÊN 10/2009
1
Chương 1:
Khái quát chung về thông tin di động
1.1. Những đặc thù của thông tin di động:
Nói đến thông tin di động là nói đến việc liên lạc thông qua sóng điện từ bắt
đầu từ năm 1897 Gugliemo Marconi đã thực hiện liên lạc từ đất liền với những
con tàu trên biển bằng sóng điện từ. Đến năm 1980, thông tin di động mới thực sự
phát triển trên thế giới.
Để hiểu được ta làm phép tính: Mỗi cuộc liên lạc giữa hai người cần một
đường truyền độc lập, mỗi kênh giả sử có dải thông 3kHz (trên thực tế lớn hơn) thì
dải tần vô tuyến là từ 0 – 3GHz chỉ cho phép truyền 3.109/3.103 = 106 cuộc liên lạc
cùng một lúc. Để phục vụ hàng chục triệu người có thể cùng sử dụng máy di động
cùng một lúc, đấy chưa kể dải tần này còn dành cho rất nhiều công việc khác.
Phương pháp duy nhất để giải quyết vấn đề để nhiều người dùng độc lập trên
một dải tần vô tuyến hạn chế là: Một cuộc liên lạc di động này có thể sử dụng
đúng dải tần của một cuộc liên lạc di động khác với điều kiện hai cuộc liên lạc
phải ở đủ xa nhau về khoảng cách vậy lý để sóng truyền đến nhau nhỏ hơn sóng
truyền giữa hai người trong cuộc. Do đó để thích hợp cho việc quản lý người ta
chia thành các phần nhỏ gọi là tế bào (cellular). Hai cuộc liên lạc ở hai tế bào đủ
xa nhau có thể sử dụng cùng một dải tần số sóng điện từ thông qua việc quản lý
của một trạm trung tâm tế bào. Về lý thuyết kích thước tế bào là rất nhỏ khi đó có
thể phục vụ vô số cuộc gọi cùng một lúc chỉ cần một dải tần sóng vô tuyến hạn
chế. Phương pháp này gọi là phương pháp sử dụng lại tần số.
Tóm lại, những đặc thù của thông tin di động là: Phục vụ Đa truy cập – gắn
liền với thiết kế Mạng tế bào, các hệ qủa kéo theo liên quan đến vấn đề này là:
Chuyển giao, chống nhiễu, quản lý di động, quản lý tài nguyên vô tuyến, bảo mật,
… Những điều này khác rất nhiều với mạng vô tuyến cố định và luôn đỏi hỏi phát
triển những công nghệ mới.
1.2. Lịch sử phát triển của thông tin di động:
Để có bức tranh toàn cảnh về sự phát triển của thông tin di động ta điểm lại
một số mốc lịch sử khi phát triển thông tin di động trên thế giới.
Ta có thể lựa chọn lịch sử phát triển thông tin di động của nước Mỹ làm điển
hình:
−Năm 1946: Dịch vụ điện thợi di động công cộng được giới thiệu lần đầu
ở 25 thành phố. Mỗi hệ thống dùng bộ phát công suất lớn đặt trên ăng ten cao
2
phủ sóng bán kính 50km. kỹ thuật Push to talk (bán song công), dải rộng
kênh truyền là 120kHz (mặc dù băng tần tiếng nói chỉ là 3khz). Đây chưa
phải là hệ thống tế bào, tần số chưa được sử dụng lại tần số, sô người được
phục vụ rất ít.
−Năm 1950: Độ rộng kênh được thu hẹp lại còn 60kHz, dẫn đến số kênh
sử dụng tăng gấp đôi
−Năm 1960: Độ rộng kênh chỉ còn 30kHz.
−Từ năm 1950 – 1960: Xuất hiện trung kế tự động, dịch vụ IMTS, hiệu
suất sử dụng phổ kém so với hệ thống tế bào ngày nay.
−Trong khoảng 1950 – 1960: Lý thuyết mạng tế bào ra đời tuy nhiên công
nghệ lúc đó chưa đáp ứng được.
−Năm 1976: Ở New York chỉ có 12 kênh phục vụ 543 khách hàng, dịch vụ
chất lượng kém hay bị bận
−Năm 1981 hệ thống điện thoại di động Bắc Âu NMT450 trở thành hệ
thống dịch vụ truyền thông di động tế bào Châu âu đầu tiên. Hệ thống này ra
đời chủ yếu phát triển các máy điệu thoại trên xe hơi và xách tay. Là hệ
thống kỹ thuật Analog, hoạt động trên băng tần 450MHz (453 – 457.5MHz
từ MS – BTS và 463 – 467.5MHz từ BTS – MS) sử dụng đa truy cập FDMA,
điều chế FSK, độ rộng băng tần là 25kHz do đó cho phép hỗ trợ 180 kênh
−Năm 1986 hệ thống NMT900 Tây âu, hệ thống này hoạt động trên băng
tần 900MHz
−Năm 1983: Ra đời dịch vụ thông tin di động cải tiến (AMPS) bởi công ty
AT&T. Đánh dấu sự ra đời điện thoại di động tế bào thế hệ 1. FCC phân
40MHz trên phổ tần 800MHz, Năm 1989; FCC phân thêm 10MHz phổ cho
hệ thống AMPS (824 – 849MHz từ MS – BTS và 869 – 894MHz từ BTS –
MS) cho dịch vụ này mỗi kênh có độ rộng băng tần 30kHz, do đó hệ thống
có 832 kênh đúp, (kênh song công mỗi kênh độ rộng 2*30 = 60kHz). Trong
832 kênh có 40 kênh chỉ mang thông tin về hệ thống. Ở mỗi thành phố phân
cho 2 nhà cung cấp dịch vụ. Hệ thống tế bào này hoạt động trong môi trường
hạn chê giao thoa, sử dụng lại tần số, truy cập theo tần số FDMA, để cực đại
số người dùng dải tần và tổ chức kênh của hệ như sau:
3
−Năm 1991: Ra đời hệ thống tế bào số (USDC) theo chuẩn IS – 54, hỗ trợ
3 người sử dụng trên một kênh truyền 30kHz (
DQPSK4/
π
). Khi kỹ thuật
nén tiếng nói và xử lý tín hiệu phát triển có thể tăng dung lượng lên 6 lần.
(kết hợp với TDMA và tồn tại song song với AMPS trên cùng cơ sở hạ tầng)
đánh dấu sự ra đời của thông tin di động thế hệ 2.
−Cũng năm 1991: hệ thống dựa trên kỹ thuật trải phổ được phát triển bởi
Quancom theo chuẩn IS – 95 hỗ trợ nhiều người sử dụng trên một dải tần
1.25MHz, phân biệt mã trải phổ trực tiếp (CDMA). Với AMPS yêu cầu SNR
>= 18 dB thì CDMA yêu cầu thấp hơn và cho dung lượng cao hơn. Ngoài ra
bộ mã hóa tiếng nói tốc độ thay đổi có thể phát hiện tiếng nói khi đàm thoại
sẽ điều khiển bộ phát chí phát sóng khi nói sẽ làm giảm môi trường giao thoa
và tiết kiệm pin.
−Năm 1991 hệ thống Mạng thông tin di động thế hệ 2 ra đời ở Châu Âu
với trên phổ tần 900MHz (890 – 912MHz uplink và 935 – 960MHz
downlink) sử dụng kỹ thuật TDMA/FDMA
−Vấn đề tích hợp các mạng trong một cơ sở hạ tần cũng được đặt ra từ đầu
những năm 1990.
−Năm 1995: Chính phủ Mỹ đã cấp giấy phép trên dải tần 1800/2100MHz
hứa hẹn sự phát triển mới cho dịch vụ thông tin cá nhân (PCS)
−Năm 2000: tổ chức viễn thông quốc tế (ITU) đã thống nhất một số hướng
và chuẩn phát triển cho thông tin di động đa dịch vụ thế hệ 3.
1.3. Một số hệ thống thông tin di động trên thế giới:
Hệ thống thông tin di động trên thế giới phân thành 3 loại chính như sau là:
Hệ nhắn tin - điện thoại kéo dài - điện thoại tế bào trong đó:
99
0
99
1…102
31279
9
…99
0
99
0…102
31 2 79
9
…
Các kênh phát xuôi
Các kênh phát ngược
824 – 849 MHz
Số hiệu kênh ngược:
Số hiệu kênh xuôi:
869 – 894 MHz
Tần số: 0.030N + 825.0 MHz
0.030(N - 1023) + 825.0 MHz
0.030N + 870.0 MHz
0.030(N – 1023) + 870.0 MHz
4
−Hệ nhắn tin: là loại hình thông tin di động bán song công người dùng chỉ
nhận được bản tin nhắn một chiều với một thiết bị thu đơn giản như một
chiếc radio va một mã số riêng.
−Điện thoại kéo dài: là thiết bị cầm tay kết nối vô tuyến với một máy chủ đặt
trong nhà, máy chủ được kết nối với mạng điện thoại công cộng (PSTN).
Tầm vô tuyến kéo dài hẹp (<100m) tiện lợi cho người sử dụng di động tốc
độ thấp….
−Điện thoại tế bào cho phép người sử dụng di động tốc độ nhanh, toàn bộ
vùng dịch vụ được chia thành các tế bào kề nhau, người dùng nằm trong tế
bào nào sẽ do trạm cơ sở của tế bào đó quản lý…..
Ngoài việc phân loại trên thì trên thế giới tồn tại 3 hệ thống điện thoại với
các chuẩn không tương thích nhau đó là Nhật bản, bắc Mỹ và Châu Âu cà các
nước còn lại. Đây là những tồn tại lịch sử mà trong xu hướng phát triển tương lai
thế giới mong muốn một hệ thống thống nhất toàn cầu đa dịch vụ, phục vụ người
dùng di chuyển khắp nơi chỉ với một thiết bị cầm tay.
Các chuẩn thông tin di động chính ở Bắc Mỹ
Chuẩn Loại Bắt đầu Truy cập Băng tần Điều chế Kênh
AMPS Tế bào 1983 FDMA 824 – 894MHz FM 300KHz
NAMPS Tế bào 1992 FDMA 824 – 894MHz FM 10KHz
USDC Tế bào 1991 TDMA 824 – 894MHz
DQPSK4/
π
30KHz
CDPD Tế bào 1993 FH / gói 824 – 894MHz GMSK 30KHz
IS – 95 Tế bào
/PCS
1993 CDMA 824 – 894MHz
1.8 – 2.0 GHz
QMSK
/ BPSK
12.5MHz
GSC Nhắn tin 1970 Đơn công Vài kênh FSK 12.5KHz
POSAG Nhắn tin 1970 Đơn công Vài kênh FSK 12.5KHz
FLEX Nhắn
tin
1993 Đơn công Vài kênh 4 – FSK 15KHz
DSC1900
(GSM)
PCS 1994 TDMA 1.85 – 1.99 GHz GMSK 200KHz
PACS Kéo dài
//PCS
1994 TDMA/
FDMA
1.85 – 1.99 GHz
DQPSK4/
π
300KHz
MIRS SMR.PCS 1994 TDMA Vài kênh 16QAM 25KHz
Các chuẩn thông tin di động chính ở Châu Âu
5