Giáo trình khóa học Tổng quan về hệ thống thông tin di động

Chia sẻ: Nguyễn Trung Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

858
lượt xem 492
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình khóa học Tổng quan về hệ thống thông tin di động giúp bạn nắm bắt những thông tin chung về thông tin vô tuyến, các khái niệm về hệ thống thông tin tế bào, điều khiển cuộc gọi, chuyển giao cuộc gọi, can nhiễu và dung lượng hệ thống, lưu lượng và mức dịch vụ,...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình khóa học Tổng quan về hệ thống thông tin di động

GIÁO TRÌNH KHÓA HỌC TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1. Giới thiệu chung 1.1. Lịch sử thông tin tế bào Một số sự phát triển quan trọng trong thông tin vô tuyến: • Hệ thống truyền dẫn vô tuyến đầu tiên được thực hiện bởi nhà khoa học Heinrich Hertz năm 1885: • Hệ thống có cấu trúc đơn giản • Bộ phát dùng cuộn dây phát tia lửa điện giữa 2 điện cực • Bộ thu là vòng dây đồng không khép kín, đường kính 35cm • Phương pháp truyền dẫn vô tuyến này được cơ bản sử dụng trong hầu hết các thiêt bị vô tuyến (đến năm 1915). • Năm 1900, Marconi, cha đẻ của ngành thông tin di động sau này đã thực hiện truyền thông tin cho ngành tàu biển (Marconi. Nobel năm 1907). • Năm 1912, Fressenden, thực hiện truyền tín hiệu thoại. • Năm 1947, lần đầu tiên Bell Labs đã đưa ra khái niệm mạng thông tin tế bào (Cellular Communication Network). • Năm 1982, lần đầu tiên hệ thống thông tin tế bào được đưa vào sử dụng tại Nhật bản (thế hệ thứ nhất, còn gọi là hệ thống thông tin di động 1G). • Năm 1993, hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM (Global System for Mobile Communication) đã phát triển tại Châu âu (hệ thống 2G). • Năm 2001-2002, hệ thống di động thế hệ mới (3G) đã ra mắt người sử dụng tại Nhật, Mỹ và một số nước tiên tiến (Hàn Quốc, Châu Âu…).
Figure 1-1 Những bước ngoặt lớn trong ngành thông tin vô tuyến 1.2. Thế hệ thứ nhất 1G a. Giới thiệu sơ lược: 9 Thực sự hoạt động vào những năm 80s. 9 Nó không phải là hệ thống thông tin tế bào đầu tiên. 9 Dung lượng và khả năng lưu động cao hơn hẳn trước đó. b. Yêu cầu của hệ thống: 9 Dung lượng hệ thống cao hơn các hệ thống trước. 9 Hỗ trợ khả năng lưu động cao của người sử dụng 9 Tái sử dụng tần số trong mạng. c. Đặc điểm của hệ thống: 9 Dung lượng, tính lưu động cao. 9 Các tế bào được chia nhỏ và tái sử dụng tần số ◊ Dung lưưọng tăng đáng kể. 9 Dùng kỹ thuật truyền tín hiệu tương tự Analog (Voice)
9 Có nhiều hệ thống cung cấp dịch vụ, trong đó NMT (Nordic Mobile Telephone), Total Access Communication System (TACS), Advanced Mobile Phone Service (AMPS) là thành công nhất. 9 Các hệ thống khác như C-Netz (West Germany), Radiocom2000 (France) chỉ đáng kể trong nước. 9 NMT (Scandinavia Æ Southern Europe): o NMT-450 o NMT-900 9 TACS (UK◊Middle Eastern, Southern Europe): o Dựa trên hệ thống AMPS o Dải tần 900 MHz 9 AMPS (Northern, Southern US Æ Far East). o Dải tần 800MHz 9 NTT MCS là hệ thống di đông tế bào đầu tiên tại Nhật. NMT-450 Andorra, Austria, Belarus, Belgium, Bulgaria, Cambodia, Croatia, Czech Republic, Denmark, Estonia, Faroe Islands, Finland, France, Germany, Hungary, Iceland, Indonesia, Italy, Latvia, Lithuania, Malaysia, Moldova, Netherlands, Norway, Poland, Romania, Russia, Slovakia, Slovenia, Spain, Sweden, Thailand, Turkey, and Ukraine NMT-900 Cambodia, Cyprus, Denmark, Faroe Islands, Finland, France, Greenland, Netherlands, Norway, Serbia, Sweden, Switzerland, and Thailand TACS/ETACS Austria, Azerbaijan, Bahrain, China, Hong Kong, Ireland, Italy, Japan, Kuwait, Macao, Malaysia, Malta, Philippines, Singapore, Spain, Sri Lanka, United Arab Emirates, and United Kingdom AMPS Argentina, Australia, Bangladesh, Brazil, Brunei, Burma, Cambodia, Canada, China, Georgia, Guam, Hong Kong, Indonesia, Kazakhstan, Kyrgyzstan, Malaysia, Mexico, Mongolia, Nauru, New Zealand, Pakistan, Papua New Guinea, Philippines, Russia, Singapore, South Korea, Sri Lanka, Tajikistan, Taiwan, Thailand, Turkmenistan, United States, Vietnam, and Western Samoa C-NETZ Germany, Portugal, and South Africa Radiocom 2000 France 1.3. Thế hệ thứ hai 2G a. Xuất hiện đầu những năm 90s. b. Sử dụng kỹ thuật truyền dẫn số (khác biệt với hệ thống 1G). c. Dung lượng hệ thống cao hơn đáng kể so với hệ thống 1G. 9 Quản lý Cell có phân cấp (Hierarchical Cell Structure)◊: o Macro cell o Micro cell
o Pico cell d. Tần số trong một kênh truyền được tái sử dụng bằng cách dùng đồng thời cho nhiều Users (phân biệt bởi Time Slot hoặc Code). e. Có 4 chuẩn cơ bản được sử dụng cho các hệ thống 2G: 9 Global System for Mobile Communication – GSM 9 Digital- AMPS (D-AMPS). 9 Code Division Multiple Access (CDMA-IS 95). 9 Personal Digital Communication (PDC). 1) Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM GSM ( được sử dụng đầu tiên tại Châu Âu, và sau đó có mặt hầu hết các nước trên thế giới): a) Sử dụng rất phổ biến và thành công ở nhiều nước. b) Southern America (Wide-Coverage GSM). Đặc điểm hệ thống GSM: a) Sử dụng dải tần 900 MHz b) Có 2 dẫn xuất chính: i. Digital Cellular System – DCS (GSM-1800). ii. Personal Communication System – PCS (GSM -1900). c) Sau đó, ETSI (European Telecom Standard Institute): i. GSM-400 ⇓ Bổ sung dung lượng cho GSM-800 ⇓ Rất phù hợp với các vùng phủ sóng rộng, mật độ dân cư cao, các vùng duyên hải. ⇓ Tuy nhiên, cuối năm 2002, toàn bộ hệ thống GSM-400 đã không còn hoạt động. ⇓ Băng tần hoạt động: 1. 450.4 - 457.6 (UL) / 460.4 - 467.6 (DL) 2. 478.8 - 486.0 (UL) / 488.8 - 496.0 (DL) ⇓ Lý do tại sao các hệ thống GSM-400 không phát triển tốt và sớm chấm dứt trên toàn thế giới ? 1. Đáp ứng yêu cầu phủ sóng rộng, tăng dung lượng 2. Cùng dải tần số với NMT-450◊không thể cùng song song tồn tại và cùng hoạt động !!! ii. GSM-800 (sử dụng chủ yếu ở vùng Bắc Mỹ). 2) Hệ thống D-AMPS (US-TDMA IS 136 or TDMA): Được sử dụng ở Mỹ, Isarel và một số nước Châu Á. Dải tần 850 MHz hoặc 1900 MHz. Phương thức đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) (tương tự như hệ thống GSM).
3) Hệ thống CDMA-IS 95 (by Qualcomm): Sử dụng phương thức khác với GSM để thiết kế giao diện vô tuyến Sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã - CDMA IS-95 được sử dụng phổ biến ở: a) United States b) South Korea (rất nhiều nơi). c) Hong Kong, Singapore. d) Japan và nhiều nước Đông Nam Á. Hệ thống còn được gọi với tên là : Cdmaone (Au – KDDI Nhật bản) 4) Hệ thống PDC (Personal Digital Communication): Chuẩn hệ thống 2G của Nhật bản (JDC◊ PDC) Dải tần 800 MHz và 1500 MHz Hoạt động ở cả 2 chế độ: Analog và Digital Về cơ bản, các tham số kết nối lớp Vật lý (Physical Layer) rất giống với D-AMPS. Tuy nhiên các khối giao thức thì giống với GSM. Hệ thống chỉ phát huy ở trong nước Nhật và không phát triển trên thị trường viễn thông quốc tế. Đi cùng với các hệ thống thông tin di động tế bào 2G, vẫn còn có các hệ thống số không dây (Cordless Digital System): a) DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications). b) Personal Handyphone System (PHS). c) Đặc điểm của các hệ thống Cordless Digital: iii. Không phải là Cellular System, không có hệ thống riêng biệt iv. Chỉ có một Base Station và một nhóm các máy di động MS v. BS thường gắn vào một HT mạng nào đó. vi. Kết hợp với Cellular System Æ nâng cao khả năng hoạt động của hệ thống Cordless Digital. 1.4. Thế hệ 2.5G a. Là một thiết kế hoàn thiện và nâng cấp từ hệ thống 2G b. Không có sự phân biệt rõ ràng với hệ thống 2G. c. Các hệ thống 2.5G có thể đạt khả năng về dung lượng và qui hoạch giống với các hệ thống 3G. d. Thông thường, 2.5G sử dụng các công nghệ sau: 9 HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) 9 GPRS (General Packet Radio Service) 9 EDGE (Enhanced Data Rate for Global Evolution) e. Ví dụ về chuyển đổi nâng cấp hệ thống 2G lên 2.5G: 9 IS-136 Æ 2.5G khi áp dụng GPRS hoặc EDGE 9 IS-95 Æ 2.5G khi triển khai IS-95B hoặc áp dụng công nghệ CDMA2000
f. Vấn đề khi nâng cấp lên 2.5G: 9 Tốc độ dữ liệu không đảm bảo (current: 9.6 or 14.4kbps) 9 Ví dụ xét hệ thống HSCSD: 1) Hiện tại hệ thống có thể cung cấp dịch vụ dựa trên mạng dữ liệu chuyển mạch kênh, tốc độ 9.6/14.4kbps. Khi triển khai hệ thống 2.5G, yêu cầu tốc độ dữ liệu chuyển đổi tăng lên 4 lần (hệ thống sẽ chỉ định 4 time slots cho mỗi người sử dụng thay vì một Time Slot như trong hệ thống khi chưa nâng cấp). Từ đó cho thấy việc sử dụng nguồn tài nguyên vô tuyến của hệ thống khi nâng cấp là không hiệu quả. 2) Phù hợp với Real time Applications và nhu cầu các dịch vụ đáp ứng nhanh 3) HSCSD mang tính tạm thời cao trong khi chuyển đổi lên 3G 9 Xét đến GPRS: 1) Mạng chuyển mạch gói (giống Internet)◊ sử dụng tài nguyên vô tuyến hiệu quả (không cấp phát TS liên tục cho một kết nối, mà chỉ cấp khi có dữ liệu cần truyền). 2) Tốc độ Data Rate lý thuyết ◊ 115Kbps (dùng bao nhiêu TS) 3) GPRS xuất hiện trên thị trường từ năm 2001, phù hợp với các ứng dụng Non-Real-Time (Internet, Web…). 4) Chi phí cho GPRS rất đắt so với HSCSD. Tuy nhiên: Các hệ thống GSM cần thiết nâng cấp với GPRS Xem GPRS là bước cần thiết để đi vào lộ trình 3G (chương trình 3GPP chủ yếu dựa trên GSM và GPRS để phát triển hệ thống 3G). 9 Với hệ thống sử dụng EDGE: 5) Dùng phương thức điều chế 8-PSK (Phase Shift Keying) Tăng Data Rate lên 3 lần so với trong GSM Việc nâng cấp đơn giản hơn so với 2 phương án trên Nếu EGDE kết hợp với GPRS◊ Enhanced GPRS a) EGDE phù hợp với khoảng cách ngắn b) GPRS với GMSK-Gaussian Minimum Shift Keying c) E-GPRS Æ tối đa Data Rate là 384Kbps EDGE + HSCSD Æ Data Rate tăng 3 lần so với HSCSD ⇒ Kết hợp giữa 2 trong 3 hệ thống này đã tạo ra sự mềm dẽo và đa dạng trong việc nâng cấp các hệ thống 2G chuẩn bị cho hệ thống 3G 9 Quá trình nâng cấp các hệ thống 2G khác ngoài GSM ◊2.5G: 1) IS-136 (US-TDMA/850-1900MHz), có thể bằng: EGDE (chuyển đổi nhanh hơn cả GSM◊GPRS) GPRS 2) IS-95 (CDMAone): Hiện tại cung cấp 14.4Kbps Nếu nâng cấp từ IS-95, Data Rate tối đa là 64Kbps.
Có nhiều hệ thống IS-95 ◊2.5G với CDMA2000 1xRTT (S. Korea) 3) PDC (Japan): NTT Docomo phát triển một dịch vụ gọi là I-Mode (PDC-P) PDC-P: đằng sau mạng giao diện vô tuyến của PDC, là một mạng dữ liệu gói (phụ trách truyền dẫn và kết nối với mạng truyền trải dữ liệu gói (Packet Data Network). Thuê bao chỉ trả tiền theo lượng dữ liệu gói trao đổi (mà không phải theo thời gian sử dụng như các mạch chuyển mạch kênh). I-Mode có điểm tương tự với Wireless Application Protocol-WAP (KDDI, Japan đã cung cấp dịch vụ Internet dựa trên WAP): a) I-Mode đầu tiên xuất hiện đầu năm 1999 Æ 2002 (33 triệu) b) I-Mode đã rất thành công tại Nhật và cho thấy loại hình dịch vụ kiểu WAP với sự xuất hiện của Data Network là rất được người dùng ưa chuộng sử dụng. c) NTT cũng là nhà cung cấp dịch vụ 3G đầu tiên tại Nhật (W-CDMA) 1.5. Tổng quan hệ thống 3G 9 Kể từ 1990s, các hệ thống thông tin di động đã phát triển nhanh chóng trên toàn thế giới. 9 Năm 1991, hệ thống GSM đầu tiện xuất hiện tại Finland. 9 Sau đó GSM đã xâm nhập vào nhiều nước trên thế giới. 9 GSM đã liên tục phát triển, nâng cấp không ngừng. 9 Đến 9/2002: 9 Tổng cộng có 460 mạng GSM 9 Tổng số thuê bao 747.5 triệu 9 Sau đó là khoảng thời gian chuẩn bị chuyển lên 3G của các hệ thống 2G. Với các dịch vụ như GPRS, EDGE, CDMAone… 9 Năm 1996-97, ETSI (European Telecom Standard Institute) và ARIB (Association of Radio Industries Business) đã chọn WCDMA là ứng cử viên cho chuẩn về Giao diện Vô tuyến của hệ thống 3G. 9 Chuẩn này sau đó cũng được ủng hộ bởi NTT (Nhật) và nhiều tập đoàn viễn thông khác thuộc Châu Âu ◊ UTRAN/UTRAN FDD mode. 9 Sơ đồ phân bố phổ tần số cho hệ thống chuẩn IMT-2000 9 Chính xác, IMT-2000: o 1885-2025 MHz (Uplink) o 2110–2200 MHz (Downlink)
1.6. Các chuẩn đề nghị cho 3G 1.6.1. W-CDMA Băng thông rộng 5MHz: • Đủ rộng ◊ Data Rate: 144 - 384Kbps/ 2Mbps. • Cải thiện nhiễu đa đường (Multiple Paths Fading)/ Chất lượng WCDMA tồn tại ở 2 dạng: • Synchronous Network (ETIS/ARIB/Korea TTA II) • Asynchronous Network (Korea TTA I/ CDMA2000) Chuẩn WCDMA của EITS/ARIB gây được sự chú ý nhất: • Đổi tên thành UTRAN/FDD • Tương thích với hệ thống GSM để nâng cấp lên 3G (3GPP) Chuẩn CDMA2000 • Phù hợp với hệ thống 2G (IS-95) • Các Operators: Qualcomm, Lucent, Motorola. • Được phát triển trong dự án 3GPP2 1.6.2. Advanced TDMA Đề xướng năm 1990s, với chuẩn UWC-136 Phù hợp với hệ thống TDMA IS-136 Sử dụng nhiều sóng mang tần số: • 30 kHz (giống với IS-136) • 200 kHz (giống với GSM-EDGE) • and 1.6 MHz (chỉ dùng cho Indoor Services) 1.6.3. Hybrid TDMA/CDMA By European FRAME Project • Mỗi Frame TDMA chia thành 8 TS • Trong mỗi TS, các kênh khác nhau được ghép kênh phân chia theo mã dùng công nghệ CDMA. 1.6.4. OFDM
Dựa trên nguyên lý điều chế đa sóng mang (Multi-carrier) • Luồng dữ liệu chính (main data stream) được chia thành các luồng dữ liệu phụ (sub data stream), tốc độ thấp trên các sóng mang phụ (sub-carrier), tốc độ dữ liệu trên các sub-carrier thấp hơn tốc độ luồng dữ liệu chính nhiều lần. • Luồng dữ liệu phụ được điều chế bởi các mã trực giao, do đó mặc dù các sub-carrier có thể được bố trí rất sát nhau hoặc phổ tần số có thể giao nhau một phần nhưng kết quả là vẫn tránh được nhiễu giao thoa giữa các sóng mang cạnh nhau. • Tín hiệu điều chế OFDM có khả năng cao trong việc chống lại truyền dẫn đa đường và khắc phục tốt độ trễ do tín hiệu truyền dẫn trong môi trường truyền sóng gây ra. OFDM đã được sử dụng thành công trong các hệ thống Digital audio broadcasting (DAB) and Digital video broadcasting (DVB) hoặc được dùng trong các chuẩn kết nối LAN 802.11a, g. Ưu điểm chính của OFDM: • Sử dụng băng thông hiệu quả (phổ tần số chia cho các Sub-carrier có thể phủ nhau một phần nhất định). • Chống được nhiễu băng hẹp (Narrow-band Interference) • Hạn chế nhiễu đa đường (Multipath Interference) Nhược điểm chính: • High Peak to Average Power (CS đỉnh trung bình) Tuy nhiên không có chuẩn nào của IMT-2000 chọn công nghệ OFDM để triển khai. OFDM đã được nghiên cứu sử dụng nhiều cho WLAN và các hệ thống Broadcasting như đã đề cập trên. 1.6.5. IMT-2000 IMT-2000 được ITU đề xuất để nhằm tạo ra chuẩn/tiêu chí chung cho các hệ thống thông tin di động 3G. Năm 1999, ITU đã chấp nhận các đề xuất sau cho IMT-2000: • IMT Direct Spread (IMT-DS or UTRA-FDD). • IMT Multi Carrier (IMT-MC or CDMA 2000). • IMT Time Code (IMT-TC or UTRA-TDD/TD-SCDMA). • IMT Single Carrier (IMT-SC or UWC-136). • IMT Frequency Time (IMT-FT or DECT). IMT-DS và IMT-TC đã được phát triển bởi 3GPP1 IMT-MC được phát triển trong 3GPP2 IMT-DS ◊ 1st priority ◊ IMT-MC◊ 2nd priority. 1.6.6. 3GPP1
A. Tại sao IMT-2000 chọn Time Division Duplex ? Ưu điểm TDD: • Trong hệ thống 3G, đường lên và xuống hoạt động trên các dải tần rất khác nhau. • Tốc độ cho Downlink rất cao hơn so với Uplink. • Dễ điều khiển công suất. Nhược điểm: • Can nhiễu đáng kể giữa các TS • Nhiễu Intracell và nhiễu Intercell giữa Uplink và Downlink B. TD-SCDMA Được phát triển bởi China Academy of Telecommunications Technology. Trường hợp Narrow-band của UTRA TDD. Đã khai thác thành công tại T.Quốc Đặc điểm của TD-SCDMA: • Giống UTRA TDD, nhưng dùng băng hẹp • Được xem là HT Low Bit Chip Rate LCR (1.28Mcps). • Băng thông sử dụng có 2 khả năng: • ứng với LCR là 1.6MHz • UTRA TDD là 5MHz. • So với hệ thống UTRA TDD, TD-SCDMA có ưu điểm: • Mỗi TS, cho phép 16 users truy nhập • Các hệ số Spreading Factor và Spreading Code giống với UTRA TDD. • Uplink, hệ số Spreading Factor (1, 2, 4, 8, 16). • Downlink, hệ số Spreading Factor chỉ là 1 hoặc 16. Tuy nhiên Multi-code vẫn có thể dùng được để thích nghi với các tốc độ bit khác nhau. • Dùng băng thông ít hơn nhưng vẫn có thể đáp ứng dung lượng hệ thống như nhau nên hiệu quả hơn UTRA TDD. 1.6.7. 3GPP2 Hỗ trợ việc áp dụng CDMA2000 (một dạng của WCDMA). Dự án này còn được gọi là IMT-MC (Multi-Carrier). Chuẩn này phù hợp với các hệ thống có sẵn IS-95 (dùng nhiều ở Bắc Mỹ và Hàn Quốc), có cùng chung Core Network. So sánh với chuẩn của 3GPP1: • Chip Rate là bội của 1.2288MHz (up to 14.7456MHz). • Phase 1: Chip Rate: 1.2288 -3.6864 MHz. • Phase 2: Tăng 3 lần (chuẩn 1xEV-DO (IS-856)). Hệ thống CDMA2000 có đặc điểm: • Forward Link (Downlink):
• Multi-carrier được sử dụng • Phổ được chia thành các phổ rộng 1.25MHz (rộng bằng phổ của hệ thống IS-95). • Reverse Link (Uplink): • Direct Spread được sử dụng • Gán phổ cho một sóng mang phổ rộng (Wideband Carrier) • Không đồng bộ thời gian trên Reverse Link. Quá trình chuyển đổi từ hệ thống IS-95 lên hệ thống CDMA2000 (3G): • Giai đoạn 1: CDMA2000 1xRTT Release 0 (144Kbps). • Giai đoạn 2: CDMA2000 1xRTT Release A (384Kbps). • Giai đoạn 3: CDMA2000 1xEV-DO (Enhanced Version of Data Only (up to 2Mbps for fixed-user). • Giai đoạn sau cùng, là hệ thống CDMA2000 1/3xEV-DV (hỗ trợ truyền tải dữ liệu lên đến 5Mbps).
1.6.8. Con đường tiến đến các hệ thống 3G/4G Về cơ bản, các hệ thống thông tin di động hiện nay đều sử dụng một trong 2 loại công nghệ GSM hoặc CDMA. Các hệ thống này có thể đang phát triển ở các thế hệ thứ 3 hoặc đang ở giai đoạn quá độ 2.5G. Hình vẽ sau trình bày một quá trình phát triển đến hệ thống thế hệ thứ 3 của các hệ thống sử dụng công nghệ nói trên: 2. Các Khái Niệm về Hệ Thống Thông Tin Tế Bào 2.1. Khái niệm và nguyên lý cơ bản A. Chức năng cơ bản của một hệ thống TT di động: Ö Thiết lập kết nối dữ liệu (Multimedia) cho giữa 2 thuê bao. Ö Các thuê bao di động được. Ö Định vị được các thuê bao. Ö Đảm bảo thuê bao luôn được kết nối tốt nhất với một trạm gốc BTS trong
mạng tế bào. B. Giới thiệu chung về cấu trúc một hệ thống thông tin di động a) Sơ đồ nguyên lý: MS1 BTS1 MSC BTS2 MS2 MSC: Mobile PSTN Switching Subscriber Center b) Sơ đồ nguyên lý của một hệ thống di động thế hệ thứ 3 (3G) Circuit Core Network CCN WIN/PPS SMSC HLR/AuC BSC BTS MS MSC/VLR BTS PSTN Radio Access Network RAN /PLMN BTS VMS IWF AAA MS BSC HA BTS DCN Internet PDSN(FA) Packet Core Network PCN C. Ý tưởng ban đầu về hệ thống thông tin vô tuyến
Ý tưởng thiết kế ban đầu: Một hệ thống vô tuyến có thể phục vụ kết nối cho một khu vực rộng lớn: 9 Antenna ở khá cao 9 CS phát lớn 9 Nhưng không áp dụng kỹ thụât tái sử dụng tài nguyên vô tuyến (Tần số). 9 Dung lượng hệ thống hạn chế và sử dụng phổ tần số kém hiệu quả D. Khái niệm tái sử dụng (Re-use) tần số trong T.T. tế bào: Nâng cao dung lượng hệ thống Tránh tắt nghẽn trong thông tin Tiết kiệm, sử dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến ¾ Thay thế 1BTS công suất phát lớn thành nhiều BTS công suất bé hơn. ¾ Mỗi BTS chỉ phủ sóng cho một vùng có phạm vi nhỏ hơn. ¾ Các vùng này được bố trí sát nhau và gọi là các tế bào thông tin (Communication Cell). Khái niệm mạng thông tin dạng tế bào 2.2. Khái niệm mạng thông tin tế bào (Cellular Communication Network). • Mỗi BTS được gán một nhóm tần số. • Các BTS kế cận sử dụng các nhóm tần số khác nhau • Tái sử dụng nhóm tần số ở Cell này cho các Cell không kế cận a) Cấu trúc hệ thống thông tin tế bào
- Mỗi trạm gốc BS được thiết kế cho một tế bào Tế bào là phần bao phủ (phủ sóng) cả một trạm gốc BS Mỗi tế bào được cung cấp bởi một hoặc nhiều sóng mang (tần số, kênh truyền…) - Các thuê bao di động kết nối song công (Full Duplex) với trạm gốc BS - Mỗi trung tâm chuyển mạch di động MSC có thể quản lý đến hàng trạm gốc BS - MSC đóng vai trò là trung tâm chuyển mạch vùng và là cổng kết nối với mạng điện thoại công cộng PSTN hoặc các mạng viễn thông khác. b) Khái niệm Cluster trong T.T. tế bào:
• Khái niệm Cluster: Là nhóm các Cell gần nhau và có tần số hoàn toàn khác nhau: • Tổng số các tần số có trong Cluster bằng với tổng tần số có được trong toàn hệ thống • n: số Cell trong một Cluster gọi là kích thước của Cluster. c) Các đặc điểm của Cluster: 9 Các Cluster khác nhau được đặt tại các vị trí địa lý khác nhau trên toàn miền phủ sóng. 9 Để thuận tiện cho việc qui hoạch, quản lý và phát triển mạng, Cell có dạng hình lục giác (vùng phủ sóng rộng và vùng che lấp hẹp). 9 Về cơ bản, có 2 cách đặt trạm BTS: • Tại tâm của Cell (antenna vô hướng) • Tại góc của 3 Cell kề nhau (Antenna có hướng). 9 Cell hình lục giác nên để các Cluster xếp sát nhau: N = i 2 + ij + j 2 Trong đó N là số cell trong một Cluster; i,j: các số nguyên dương. 9 Dải tần số dùng trong một cell bằng 1/N tổng tần số sử dụng trong toàn bộ hệ thống. 9 Nếu N nhỏ, kích thước Cell không đổi Æ Số Cluster tăng lên Æ dung lượng HT tăng, nhưng nhiễu đồng kênh tăng. 9 Ngược lại, nếu N lớn, kích thước Cell không đổi Æ Số Cluster giảm xuống Æ dung lượng hệ thống giảm và nhiễu đồng kênh bé. Î Cần thiết kế N đủ nhỏ để đảm bảo 2 yêu cầu về dung lượng hệ thống cũng như yêu cầu về chất lượng dịch vụ đạt mức yêu cầu. 3. Điều khiển cuộc gọi:
a) Mỗi MS thực hiện truyền thông với một BTS thông qua một cặp tần số: ⇓ Hướng lên (Reverse) ⇓ Hướng xuống (Forward) b) Có 4 loại kênh cơ bản: ⇓ Reverse Control Channel RCC ⇓ Reverse Voice Channel RVC ⇓ Forward Control Channel FCC ⇓ Forward Voice Channel FVC c) Kênh điều khiển còn gọi là kênh thiết lập cuộc gọi, có nhiệm vụ thiết lập cuộc gọi và chuyển cuộc gọi đến một kênh thoại chưa được sử dụng. Nó nhận và truyền các thông tin để thiết lập cuộc gọi và yêu cầu dịch vụ. Nó được các thuê bao giám sát khi rãnh. d) Mỗi Cell có ít nhất một kênh điều khiển. Khi thuê bao mở máy (Turn on) e) Khi thuê bao mở máy, MS quét tìm các kênh điều khiển, tìm kênh mạnh nhất và giám sát kênh đó. Xử lý khi thuê bao được gọi (Called Party) f) Khi một MS khác được gọi, MSC sẽ gửi yêu cầu tìm kiếm thuê bao được gọi (số nhận dạng TB) tới tất cả các BTS. Từ đó các BTS tiếp tục tìm kiếm thuê bao được gọi thông qua kênh điều khiển xuông FCC. g) Khi TB được gọi nhận được tin tìm gọi, nó trả lời bằng thông điệp, xác nhận, gửi tới BTS của nó qua kênh RCC. BTS chuyển thông điệp này đến MSC. h) MSC điều khiển cho BTS chuyển cuộc gọi đến một kênh thoại rỗi. Đồng thời BTS báo hiệu cho MS chuyển tần số liên lạc đến kênh thoại rỗi này. i) Sau đó, trên kênh thoại rỗi này, BTS truyền tín hiệu chuông cho MS để đổ chuông. j) Trong khi cuộc gọi đang diễn ra, MSC điều chỉnh công suất của MS và thay đổi tần số của MS và BTS để truy trì cuộc gọi khi MS đi ra khỏi vùng phủ sóng của BTS. Quá trình này gọi là Hand Off. Xử lý khi thuê bao thực hiện gọi (Calling) k) Khi MS cần thiết lập cuộc gọi, MS gửi số nhận dạng của nó và số cần gọi đến BTS thông qua kênh RCC. l) BTS nhận thông điệp này và gửi tiếp đến MSC. m) MSC phân tích yêu cầu, để xem số cần gọi thuộc mạng di động hay thuộc mạng PSTN. n) Nếu là PSTN, MSC tiến hành chuyển cuộc gọi đến mạng PSTN. o) Nếu thuộc mạng di động, MSC sẽ phát tin quảng bá đến tất cả các BTS để tìm kiếm thuê bao được gọi.
4. Chuyển giao cuộc gọi A. Đặc điểm và yêu cầu: 9 Hand Off đảm bảo cuộc gọi liên tục khi MS di chuyển từ Cell này sang Cell khác hoặc giữa Sector này sang Sector khác trong cùng một Cell. 9 MSC tự động chuyển cuộc gọi đến một tần số mới thuộc BTS mới. 9 Yêu cầu cho Hand Off luôn cao hơn yêu cầu thiết lập cuộc gọi. Vì thế trong thiết kế về dung lượng của Cell, luôn đặt ra một lượng kênh truyền nhất định ưu tiện cho xử lý chuyển giao cuộc gọi. 9 Hand Off phải được thực hiện thành công và không được nhận biết bởi người sử dụng. 9 Một mức công suất thu tối ưu tại BTS được chỉ định để tiến hành chuyển cuộc gọi cho MS, thường -90dBm đến -100dBm. 9 Δ = Prhandoff – Prminimum usable không quá lớn hoặc quá nhỏ B. Hand Off ở các hệ thống 1 và 2G: Ở hệ thống 1G, việc đo cường độ trường của các thuê bao di động MS được thực hiện bởi trạm gốc BTS và được giám sát bởi trung tâm chuyển mạch MSC: 9 BTS đo cường độ trường của các MS trong Cell thông qua đo tín hiệu của các kênh thoại. 9 Đồng thời, một Receiver khác của BTS chịu trách nhiệm đo cường độ trường của tất cả các MS thuộc BTS xung quanh quản lý. 9 Dựa vào giá trị của cường độ trường đo được từ các BTS bên cạnh, MSC quyết định là tiến hành Hand Off hay không ? Nghĩa là nếu cường độ trường của BTS hiện tại đủ nhỏ và thường thì Δ = 6 ~12 dB, thì MSC chuyển cuộc gọi sang BTS bên cạnh có cường độ trường tốt hơn để duy trì cuộc gọi. Ở các hệ thống 2G, việc Hand Off thường xảy ra với sự phối hợp giữa MS và BTS: 9 Mỗi MS luôn đo công suất nhận được từ BTS phục vụ và đồng thời đo công suất từ BTS kế cận, sau đó gửi về trung tâm chuyển mạch MSC. 9 Khi công suất đo được từ BTS kế cận cao hơn công suất thu được từ BTS phục vụ, Hand off xảy ra. Thường thì Handoff bắt đầu khi Δ = 1 ~ 6 dB. 9 Trường hợp MS di chuyển sang một Cell khác được quản lý bởi một MSC khác, khi đó gọi là Intersystem HandOff. C. Hình vẽ mô tả chuyển giao cuộc gọi
MSC 5. Can nhiễu và dung lượng hệ thống Trong thông tin tế bào, thường có 2 loại nhiễu chính: Nhiễu đồng kênh (Co-channel Interference CCI). Nhiễu kênh kế cận (Adjacent-channel Interference). A. Nhiễu đồng kênh CCI: 9 Do các Cell sử dụng cùng tần số gây ra 9 Tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu đồng kênh SIR (Signal Interference Ratio): o Không phụ thuộc vào công suất phát tín hiệu (Noise?). o Nhưng phụ thuộc vào tỉ số Q = D / R = 3N (R: bán kính của Cell; D: khoảng cách ngắn nhất giữa 2 Cell có tần số giống nhau (khoảng cách tái sử dụng tần số), N: số lượng Cells trong một Cluster; i0: Số lượng Cell gây ra nhiễu đồng kênh; η: Độ dốc suy hao (Propagation law, η=4 trong PLMN). D/R) ( ) R −η η SIR = io S = i0 SIR= ( η = 3N ∑ Ii ∑D −η i =1 i =1 i i0 i0 o Nếu Q lớn và cell có bán kính không đổi Æ D lớn Æ N lớn Æ có nhiều cell trong một Cluster, số lượng Cluster trong hệ thống giảm Æ Dung lượng hệ thống giảm nhưng tỉ số SIR tăng, chất lượng dịch vụ tăng lên . o Nếu Q nhỏ Æ D nhỏ Æ N nhỏ Æ có ít Cell trong một Cluster, có nhiều Cluster
trong hệ thống Æ Dung lượng hệ thống tăng nhưng tỉ số SIR giảm, chất lượng dịch vụ cũng bị giảm xuống. Î Cần lựa chọn một Trade-Off hợp lý để đảm bảo chất lượng dịch vụ (SIR) và dung lượng hệ thống cũng được đảm bảo (chọn N phù hợp). 6. Lưu Lượng (Traffic) và Mức Dịch Vụ (Grade of Service GOS) 6.1. Lưu Lượng: Mỗi User được gán một tần số khi có yêu cầu thông thoại và tsố được giải phóng khi kết thúc. Do đó hệ thống có thể phục vụ một số lượng lớn thuê bao với số lượng kênh giới hạn (Traffic and Grade of Service). Cường độ/lưu lượng (Traffic) có đơn vị là Erlang. Một Erlang (1Erl) có nghĩa là một lưu lượng được truyền tải bởi một kênh mà nó hoàn toàn được sử dụng/khai thác. Công thức về lưu lượng cần thiết cho một User: Aμ = μ .H Trong đó: μ : Tần suất thực hiện cuộc gọi (Calls/đơn vị thời gian) H : Thời gian trung bình thực hiện một cuộc gọi Tổng lưu lượng cần thiết cho U users là: AU = U . Aμ = U .μ .H Î Số lượng kênh trong một Cell phải lớn hơn hoặc bằng AU. Ví dụ: 6.2. Mức Dịch Vụ GOS: 9 Khái niệm Traffic và Grade of Service: GOS là xác suất tắt nghẽn hệ thống vào giờ cao điểm (BH: Busy Hour). 9 GOS tỉ lệ với những cuộc gọi không thể liên lạc được vì các mạch đang bị chiếm khi các cuộc gọi mới xuất hiện.