Hệ thống thông tin di động GSM

Chơng 1: Khái quát về thông tin di động GSM
1.1. Khái quát về thông tin di động
1.1.1. Lịch sử phát triển
Vào thế kỷ 19, thí nghiệm của Marconi cho thấy là thông tin vô tuyến có
thể thực hiện giữa các máy thu phát cách xa nhau và di động. Năm 1928 hệ
thống vô tuyến truyền thanh mới đợc thiết lập, lúc đầu dành cho cảch sát. Đến
năm 1933, sở cảnh sát Bayone thiết lập một hệ thống thoại vô tuyến di động t-
ơng đối hoàn chỉnh đầu tiên trên thế giới. Tuy nhiên các thiết bị điện thoại di
động còn rất cồng kềnh, nặng, đầy tạp âm và tốn nguồn do dùng đèn điện tử.
Công tác trong dải thấp của băng VHF, các thiết bị này liên lạc với khoảng cách
vài chục dặm. Chất lợng của hệ thống còn kém là do đặc tính truyền dẫn sóng
vô tuyến dẫn đến tín hiệu thu đợc là tổ hợp của nhiều thành phần tín hiệu đã đợc
phát đi, khác nhau cả về biên độ, pha và độ trễ. Tổng véc-tơ của tín hiệu này
làm cho đờng bao tín hiệu thu đợc bị thăng giáng mạnh và nhanh. Khi trạm di
động hành tiến, mức tín hiệu thu thờng bị thay đổi lớn và nhanh làm cho chất l-
ợng đàm thoại suy giảm trông thấy. Tất nhiên, tất cả các đặc tính truyền dẫn ấy
ngày nay vẫn tồn tại song hồi đó chúng chỉ đợc chống lại bằng công nghệ còn
sơ khai. Ngày nay công nghệ bán dẫn có thể sử dụng hàng triệu đèn bán dẫn
cho việc loại bỏ ảnh hởng xấu của đặc tính truyền dẫn.
Băng tần có thể sử dụng đợc bởi công nghệ đơng thời cho thông tin vô
tuyến luôn khan hiếm. Các băng sóng trung và dài đã sử dụng cho phát thanh
trong khi các băng tần thấp và cao (LF và HF) bị chiếm bởi các dịch vụ thông
tin toàn cầu. Công nghệ hồi đó còn cha thích hợp để đạt đợc chất liên lạc cao
trên các băng sóng VHF và UHF. Khái niệm về tái sử dụng tần số đã đợc nhận
thức song không đợc áp dụng để đạt đợc mật độ ngời sử dụng cao. Do đó trong
nhiều năm chất lợng của thông tin di động kém hơn nhiều so với thông tin hữu
tuyến do công nghệ không thích hợp và các nhà tổ chức thông tin đã không sử
dụng nổi độ rộng dải tần trên các băng tần số cao.
3
Trong khi mạng điện thoại tơng tự cố định thơng mại đang đợc số hóa nhờ
sự phát minh ra các dụng cụ điện tử kích thớc nhỏ bé và tiêu thụ ít nguồn thì

tình trạng của vô tuyến di động vẫn còn biến đổi rất chậm chạp. Các hệ thống
vô tuyến di động nội bộ mặt đất đã bắt đầu đợc sử dụng song mới chỉ ở mức độ
phục vụ các nhóm chuyên biệt chứ cha phải cho các cá nhân trong cộng đồng.
Năm 1947 Bell Labs cho ra ý tởng về mạng điện thoại di động tế bào, trong đó
các máy di động lu động tự do và chuyển vùng khi từ tế bào này sang tế bào
khác. Các tế bào tổ chức phủ kính vùng phủ sóng và kết nối thành mạng thông
qua chuyển mạch (tổng đài điện thoại di động) bố trí tại các trung tâm vùng.
Song do hạn chế về mặt công nghệ nên cha thể thực hiện đợc. Trong những năm
thập kỷ 1980 đã chứng kiến sự ra đời của một số hệ thống vô tuyến tế bào tơng
tự gọi là các mạng vô tuyến di động mặt đất công cộng (PLMR). Các mạng này
làm việc ở dải UHF, chúng cho thấy một sự thay đổi vợt bậc về độ phức tạp của
hệ thống thông tin liên lạc dân sự. Chúng cho phép ngời sử dụng có thể đàm
thoại trong khi di động với bất kỳ đối tợng nào có nối tới mạng điện thoại
chuyển mạch công cộng PSTN hoặc các mạng đa dịch vụ số ISDN. Trong
những năm 90 việc áp dụng mạng tế bào số và các hệ thống không dây số đã
cho chất lợng liên lạc di động cải thiện đáng kể. Thế hệ di động thứ hai đã cung
cấp một loạt các dịch vụ mới nh th tiếng nói, truyền số liệu, fax, truyền tin
ngắn... Từ năm 1997, liên minh viễn thông quốc tế (ITU) đã tiến hành xây dựng
tiêu chuẩn cho thông tin thế hệ thứ ba (3G: 3
rd
Generation) trong dự án IMT-
2000. Với thế hệ này có khả năng cung cấp đa dịch vụ nh thoại, video, gói dữ
liệu. Hỗ trợ cả chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh, truyền dữ liệu không
đối xứng. Đặc biệt là khả năng lu động và chuyển vùng quốc gia lẫn quốc tế, t-
ơng thích và liên kết với thông tin vệ tinh, phơng thức tính cớc không theo thời
gian mà theo dung lợng truyền. Thế hệ thông tin di động thứ 4 cũng đang đợc
nghiên cứu với khả năng tích hợp tất cả các loại thông tin trên trái đất. Đồng
thời cải thiện đáng kể chất lợng của các dịch vụ.
1.1.2. Các đặc tính cơ bản của thông tin di động
4

Thông tin di động ngoài việc phải cung cấp các dịch vụ nh mạng điện
thoại cố định thông thờng còn phải cung cấp các dịch vụ đặc thù của nó để bảo
đảm thông tin mọi lúc, mọi nơi trong phạm vi phủ sóng. Xuất phát từ yêu cầu
đó thông tin di động phải giải quyết đợc các đặc tính cơ bản nh sau:
+ Sử dụng hiệu quả nhất băng tần đợc cấp phát, đợc đánh giá bằng số ngời
sử dụng trên một đơn vị tần số và trong các hệ tế bào có tái sử dụng tần số thì
hiệu quả sử dụng phổ còn đợc tính trên một tế bào. Thông số này đặc biệt quan
trọng vì nó xác định khả năng phục vụ rộng rãi cho nhiều thuê bao của hệ
thống, do đó trong nhiều trờng hợp nó ảnh hởng tới tính kinh tế và khả năng
cạnh tranh thị trờng của hệ thống;
+ Bảo đảm chất lợng âm thanh, thờng đợc chia thành chất lợng tiếng chuông
(toll quality), chất lợng gần tiếng chuông (near-toll quality) và chất lợng kém th-
ờng chỉ dùng trong một số hệ thống vô tuyến di động quân sự;
+ Bảo đảm an toàn thông tin tốt nhất. Do tín hiệu đợc truyền là môi trờng
vô tuyến dễ bị nghe trộm và sử dụng trộm nên phải có biện pháp bảo đảm an
toàn thông tin. Nhằm bảo đảm quyền lợi cho các thuê bao, mạng cần phải giữ bí
mật số nhận dạng thuê bao và kiểm tra tính hợp lệ khi máy di động truy cập
mạng. Để chống việc nghe trộm cần mật mã hoá thông tin của ngời dùng. Trong
hệ thống GSM sử dụng SIM-CARD cho phép thực hiện các thủ tục an toàn cho
thuê bao;
+ Mạng thông tin di động phải giảm tối đa rớt cuộc gọi khi thuê bao
chuyển vùng (HO: HandOver);
+ Cho phép chuyển mạng quốc tế;
+ Các thiết bị cầm tay phải gọn nhẹ, tiện lợi cho mang xách (kích thớc,
trọng lợng);
+ Mức độ tiêu thụ nguồn thấp;
+ Mức độ phức tạp của thiết bị, giá thành máy di động và trạm cố định;
+ Khả năng đáp ứng nhiều dịch vụ mới phát triển trong tơng lai, nhất là
các dịch vụ phi thoại.
5

1.1.3. Kênh vô tuyến di động
Kênh vô tuyến di động gây ra những hạn chế cơ bản đối với chất lợng liên
lạc cũng nh dung lợng của hệ thống. Kênh vô tuyến di động có thể thay đổi từ
dạng LOS (Line-Of-Sight) đến dạng bị che chắn bởi các chớng ngại cố định hay
di động. Các thay đổi này có tính chất phức tạp, mang nặng tính ngẫu nhiên. Sự
tác động của chúng tới chất lợng liên lạc phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác
nhau nh địa hình, khoảng cách liên lạc, dải tần, khí quyển, tốc độ truyền tin, tốc
độ di chuyển của trạm di động, ăng-ten, công suất phát Vì vậy việc mô hình
hóa là vấn đề khó khăn nhất trong thiết kế hệ thống, thờng đợc giải quyết bằng
phơng pháp thống kê và đo lờng. Tuy nhiên, về cơ bản chúng ta có thể phân
chia một cách vắn tắt các ảnh hởng truyền sóng này thành: Tổn hao đờng
truyền, pha-đing đa đờng, hiệu ứng Doppler và trải trễ đờng truyền. Các yếu tố
này gây ra ISI làm ảnh hởng rất lớn đến chất lợng liên lạc.
+ Hiệu ứng Doppler: Đó là sự thay đổi tần số thu đợc so với tần số phát
đi, gây bởi sự chuyển động tơng đối giữa máy phát và máy thu trong quá trình
truyền sóng. Giả thiết rằng một sóng mang không bị điều chế có tần số f
c
đang
phát tới máy thu di động với vận tốc

, đợc biểu diễn trên hình vẽ 1.1. Tia tới
MS tạo phơng di chuyển một góc
i
. Tại máy thu, tần số của tín hiệu nhận đợc
theo tia sóng thứ i sẽ là:
f = f
c
+ f
d
= f

c
+ f
m
. cos
i
= f
c
+
c
v
.f
c
.cos
i
; với c là vận tốc ánh sáng
f
d
cực đại khi
i

cos
= 1 hay
i
= 0 độ hoặc
i
= 180 độ. Trờng hợp này
hiệu ứng Doppler xảy ra mạnh nhất.
6
Hình 1.1: Ví dụ về hiệu ứng Doppler
Tổng hợp tác động của mọi tia sóng tới máy thu là một tín hiệu trải rộng về

tần số với độ rộng 2f
d
. Trong trờng hợp tín hiệu phát có điều chế với độ rộng băng
là W
s
thì tín hiệu nhận đợc rẽ trải ra trên một dải cỡ W
s
+ 2f
d
với tần số trung tâm
có thể khác f
c
. Chỉ trong trờng hợp máy thu đứng yên so máy phát (=0) hoặc máy
thu đang chuyển động vuông góc với góc tới của tín hiệu (cos
i
=0) thì tần số tại
máy thu mới không bị thay đổi so với tần số tín hiệu phát. Tóm lại hiệu ứng
Doppler xảy ra làm tần số thu tại MS biến đổi một cách ngẫu nhiên dẫn tới việc
tăng tỷ lệ lỗi bit (BER).
+ Hiện tợng trải trễ: Đối với thông tin di động số, việc truyền dẫn tín hiệu theo
nhiều tia sóng trong môi trờng di động dẫn đến sự trải trễ. D là lợng trễ. Độ
trải trễ có thể xem nh là độ dài của xung thu khi xung cực hẹp đợc phát đi.
Hiện tợng trải trễ hạn chế tốc độ truyền tin. Xét hình vẽ 1.2, để không xảy
ra ISI thì phải thoả mản T>D suy ra R=1/T < 1/D. Nh vậy, khi D càng lớn
thì tốc độ truyền tin càng nhỏ. Đối với thông tin di động trong nhà và microcell
thì D nhỏ hơn 0.5às do đó không cần san bằng cũng đạt đợc tốc độ 2Mb/s.
Tuy nhiên với các tế bào lớn thì D lên đến 10às do đó để truyền tin tốc độ cao
(64kb/s) cần phải có san bằng.

i

i
MS
Chiều di chuyển
BS
7
Hình 1.2: Tín hiệu bị trải trễ trên đờng truyền.
Nh vậy, hiện tợng trải trễ phụ thuộc vào kích thớc tế bào. Tế bào càng bé
thì hiện tợng trải trễ ít nên có thể truyền với tốc độ cao hơn.
+ Tổn hao đờng truyền: Tổn hao đờng truyền là lợng suy giảm mức điện
thu so với mức điện phát. Tuỳ theo đặc tính của môi trờng truyền dẫn mà ta có
mức độ tổn hao khác nhau. Ví dụ, trong không gian tự do, mức điện thu đợc
giảm dần theo bình phơng khoảng cách từ máy phát tới máy thu do công suất
tín hiệu trên một đơn vị diện tích của mặt cầu sóng giảm dần theo bình phơng
khoảng cách giữa các ăng-ten thu và phát. Trong thông tin di động trong môi tr-
ờng khí quyển gần mặt đất, do hấp thụ của môi trờng truyền, do che khuất tổn
hao đờng truyền có thể lớn hơn rất nhiều so với tổn hao trong điều kiện truyền
sóng trong không gian tự do. Tổn hao đờng truyền phụ thuộc vào tần số bức xạ,
địa hình, tính chất môi trờng Điều này làm hạn chế kích thớc tế bào, song
nhiều trờng hợp có thể lợi dụng tính chất tổn hao để phân chia hiệu quả các tế
bào, cho phép tái sử dụng lại tần số làm tăng hiệu quả sử dụng tần số.
+ Hiện tợng pha-đing: Pha-đing nhanh dùng để mô tả sự thăng giáng
nhanh biên độ tín hiệu vô tuyến trong một khoảng thời gian hoặc khoảng truyền
ngắn sao cho có thể bỏ qua ảnh hởng của tổn thất đờng truyền. Pha-đing xảy ra
do xuyên nhiễu giữa hai hay nhiều tia tín hiệu truyền đến máy thu tại các thời
điểm khác nhau gọi là pha-đing đa đờng.
Tổng hợp các tín hiệu tới tại ăng ten máy thu làm cho tín hiệu biến đổi
mạnh cả về biên độ và pha, phụ thuộc vào phân bố cờng độ, quan hệ thời gian
truyền sóng và độ rộng băng tín hiệu phát. Tùy thuộc vào mối quan hệ giữa các

8
D
D
T
t
t
BS
MS
tham số của tín hiệu (độ rộng băng, chu kỳ Symbol) và các tham số của kênh ta
có các tín hiệu bị pha-đing khác nhau.
Pha-đing phẳng xảy ra khi độ rộng băng tín hiệu nhỏ hơn độ rộng băng
của kênh và khi trải giữ chậm nhỏ hơn chu kỳ Symbol. Pha-đing phẳng xảy ra
thì toàn bộ độ rộng băng tín hiệu phát đi vẫn giữ nguyên, tất cả các thành phần
tần số nằm trong đó đều suy giảm nh nhau. Ta gọi kênh pha-đing phẳng là kênh
biến đổi biên độ hay là kênh băng hẹp.
Pha-đing chọn lọc theo tần số xảy ra khi độ rộng băng tín hiệu lớn hơn độ
rộng băng kênh và kênh đợc gọi là kênh băng rộng. Với điều kiện này, phản
ứng xung của kênh có trải giữ chậm đa đờng lớn hơn chu kỳ Symbol. Khi đó,
tín hiệu nhận đợc bị chồng lên nhau giữa các Symbol cạnh nhau và sẽ bị méo.
Nh vậy pha-đing chọn lọc theo tần số do phân tập theo thời gian của tín hiệu
phát trên cùng một kênh và gây ra ISI.
Dựa vào hiệu ứng Doppler ta có pha-đing nhanh và pha-đing chậm. Tùy
thuộc vào sự thay đổi nhanh của tín hiệu băng gốc so với tốc độ thay đổi của
kênh ta có pha-đing nhanh hay chậm. Đối với kênh pha-đing nhanh phản ứng
xung của kênh thay đổi nhanh trong một khoảng Symbol. Điều này gây ra phân
tập tần số do hiệu ứng Doppler và dẫn đến méo tín hiệu. Trong thực tế pha-đing
nhanh chỉ xảy ra khi tốc độ dữ liệu chậm. Đối với kênh pha-đing chậm trải
Doppler thấp, sự biến đổi của kênh thấp hơn sự biến đổi tín hiệu băng gốc. Nh
vậy tốc độ di chuyển của các máy di động (hoặc các đối tợng trên kênh) quyết
định pha đing chậm hay nhanh.

1.1.4. Phân loại các hệ thống thông tin di động
Theo cấu trúc, đặc điểm và phơng thức đa truy nhập các hệ thống thông tin
vô tuyến di động có thể phân thành nhiều loại khác nhau. Theo cấu trúc, chúng
thờng đợc phân thành: hệ thống mạng tế bào, hệ thống viễn thông không dây và
vành vô tuyến nội hạt. Theo đặc tính, các hệ thống vô tuyến di động có thể đợc
chai thành các hệ thống tơng tự và các hệ thống số. Trong thông tin di động, th-
ờng sử dụng các phơng thức truy nhập sau: đa truy nhập phân chia theo thời
9