Quá trình phát triển trong lĩnh vực di động, các kiến thức cơ bản trong mạng di động tế bào, các ảnh hưởng chính cũng như các kỹ thuật được áp dụng cho mạng

THÔNG TIN DI ĐỘNG
ThS. Hà Duy Hưng
Mobile: (090)988.8605
E-mail:


1


Mục đích:
Mobile  anywhere, anytime, anyone, any device, any service
Hệ thống thông tin di động là một trong những hệ thống thông tin
đang đựơc phát triển cũng như triển khai nhanh trong lĩnh vực viễn
thông hiện nay ở nước ta  hiểu được các kiến thức liên quan, các kỹ
thuật được sử dụng cũng như kiến trúc mạng là một trong những yêu
cầu cho tất cả sinh viên của nghành viễn thông.
Nội Dung:
- Quá trình phát triển trong lĩnh vực di động
- Các kiến thức cơ bản trong mạng di động tế bào
- Các ảnh hưởng chính cũng như các kỹ thuật được áp dụng cho mạng
- Kiến trúc mạng GSM, CDMA-2000, WCDMA
- Các vấn đề triển khai trong thực tế

2


Tài liệu tham khảo:
[1] Mobile Radio Networks, 2nd Edition 2002, Bernhard H. Walke
[2] Mobile Fading Channels, 2002, Matthias Pätzold
[3] Mobile Communications Design Fundamentals, 1993 2nd
Edition, William C. Y. Lee

[4] Mobile Channel Characteristics, 2000, James K. Cavers
[5] Wireless Communications, 1996, Theodore S. Rappaport
[6] The Mobile Radio Propagation Channel, 2000 2nd Edition, J. D.
Parsons
[7] Mobile Radio Communications, 1992, R. Steele
[8] Microwave Mobile Communications, 1974, W. C. Jakes, Jr.
3


Vấn đề thi cử:
+
+
+
+

Thi Viết (90 phút)
Nhiều đề (được xem tất cả các loại tài liệu)
Tuyệt đối không được trao đổi khi thi (-2đ/lần)
Điều kiện được thi: phải làm đủ bài tập về nhà và tham gia giải bài
tập tại lớp
+ Không thi lần 3, đề thi lần 2 ở mức độ bằng hoặc khó hơn đề thi
lần 1
+ Mọi thắc mắc trao đổi trực tiếp qua email

4


1. Lịch sử Thông Tin Vô Tuyến
• Hệ thống thông tin vô tuyến đầu tiên là LOS (Light Of Sight )
Dùng khói (smoke), dùng lửa (flare), dùng gương (mirror) và

semaphore
• Truyền dẫn sóng điện từ đầu tiên (1895)
Được thí nghiệm thành công ở Anh của hảng Macroni
• Hệ thống vô tuyến truyền thoại đầu tiên 1915 được sử dụng ở Mỹ
• Dịch vụ điện thoại di động đầu tiên được sử dụng tại 25 thành phố
của Mỹ 1946 (hạn chế về dung lượng và hiệu quả sử dụng phổ tần số)
• Thế hệ thứ I (1G) của Hệ thống thông tin di động tế bào (cellular
mobile communication nerworks) 1983 do At&T dùng kỹ thuật FDMA
là hệ thống tương tự
5


Một số hệ thống đầu tiên:
- Narrowband AMPS (NAMPS).
- Total Access Cellular System (TACS).
- Extended Total Access Communication System (ETACS).
- Nordic Mobile Telephone System (NMT-900).
- Nippon Telephone and Telephone (NTT).
Một số đặc điểm:
- Phân bổ tần số hạn chế.
- Dung lượng thấp.
- Nhiễu xảy ra khi máy di động di chuyển - trong môi trường fading nhiều tia.
- Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi.
- Không tương thích giữa các hệ thống với nhau

6


• Thế hệ thứ II (2G) của Hệ thống thông tin di động tế bào 1987 ở Châu
Âu dùng kỹ thuật TDMA, CDMA kết hợp FDMA là hệ thống thông tin

số có thể truyền dữ liệu tốc độ 19.2 kbps
Một số hệ thống tiêu biểu:
- United States Digital Cellular (USDC) standards IS-54, IS-136, IS-95.
- Global System for Mobile communications (GSM).
- Pacific Digital Cellular (PDC).
- CdmaOne.
Ưu điểm của thế hệ này hiệu quả sử dụng tần số cao hơn, bảo mật tốt
hơn, dung lượng và chất lượng cũng cao hơn thế hệ 1, kết hợp nhiều loại
hình dịch vụ, dùng mạch tích hợp (số), mã sữa lỗi, bộ cân bằng, tương
thích mạng khác dễ dàng.
7


• Thế hệ thứ III (3G) của Hệ thống thông tin di động tế bào được đề xuất vào năm
2000 còn được gọi là IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) sử dụng
kỹ thuật TDMA, CDMA kết hợp FDMA với các yêu cầu:
- Tốc độ 144 kbps cho thuê bao di động chuyển động tốc độ cao
- Tốc độ 384 kbps cho thuê bao di động chuyển động tốc độ thấp
- Tốc độ 2 Mbps cho thuê bao di động không chuyển động
- Chất lượng dịch vụ phải không thua kém chất lượng dịch vụ mạng cố định
nhất là đối với thoại.
- Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu, nghĩa là bao gồm cả thông tin vệ
tinh
Có 3 hệ thống được đề xuất:
- W-CDMA (Wideband –CDMA)
- CDMA – 2000
- UMTS (Universal Mobile Telecommunication system) được phát triển từ
8
GSM

- Hệ thống thế hệ 2.5G phát triển từ GSM
- GPRS – General Packet Radio Services
- HSCSD – High Speed Circuit Switch Data
• Xu hướng phát triển

9


Macrocell
>600 m

Microcell
60 to 600 m

Fixed Wireless(802.16)
/LAN(802.11)

Visual

Video Conference

Video phone

Networked
Computing
Interactive Games

Medical Imaging

Image
Fax

Voice

Packet

Interactive Cable

Video

Data

Picocell
6 to 60 m

3G Mobile
Email

PDA

Cellullar/PCS
WAN
Voice Messaging

Computer-Computer
Circuit

Voice

Narrowband
(Copper)
≤ 64 Kbps

Wideband
(Copper/Fiber)
64 Kbps~1.5Mbps

Broadband
(Fiber)
≥ 45Mbps

10


• Thế hệ 4G (dự kiến)
Indoor

Cellular

W-LAN
W-PAN

4G

Satellite
Communica
tions

Radio

Broadcasting
TV
Broadcasting

11


• Thế hệ 4G (vision 2010???)

12


• Thế hệ 4G: nguyên lý

13


• Thế hệ 4G: tốc độ dữ liệu và tính di động

Walk

Indoor

lar
llu

r
la
llu
Ce

Ce

Walk

3G

Fixed

2G

4G

Outdoor

Vehicle

Fixed/
desktop

14


• Thế hệ 4G: công nghệ sử dụng
1k

Range (meters)

3G Cellular
100

802.11b

MIMO

10
Bluetooth

802.11a

UW
B

1
1M

10M

100M

Peak Data Rate

1G

10G
15


2. Nguyên lý mạng Di Động Tế Bào (Cellular Mobile Nertwork)
• Mạng di động ban đầu dựa trên trạm thu phát đặt cao với công suất

lớn phủ một vùng với diện tích rộng:
- Không sử dụng lại tần số
- Dung lượng bị hạn chế
- Máy cấm tay có kích thước lớn
1970s thay thế các trạm thu phát công suất lớn bằng các trạm thu phát
với công suất bé phủ một vùng diện tích vừa đủ để có thể sử dụng lại phổ
tần  mạng di động tế bào (cell)
- Cell là vùng phủ sóng của một trạm thu phát (BTS) thể hiện là hình lục
giác
- Sử dụng lại tần số là dùng lại kênh tần số cho một cell khác
- Dung lượng tăng, thiết bị cầm tay bé, và độ phức tạp tăng (handover,
16
roaming, signaling and mornitoring)


• Cell được thể hiện bằng một cặp
số nguyên (i,j). Trong đó i là số cell
khi di chuyển vuông góc với một
cạnh của lục giác, j là số cell khi đổi
hướng 600 ngược chiều kim đồng hồ
(như hình bên). Giả thiết khoảng
cách giữa tâm 2 cell kề nhau được
chuẩn hoá bằng một

B
G

C
A

F
B
C
A
F

1

2

1

2

1

G

D
E

F

D
E

1

2

C

A

d = ( u − u ) + ( u − u )( v − v ) + ( v − v )
2

B

i

2

12

D

E

G

• Định lý: khoảng cách giữa 2 điểm
có toạ độ (u1,v1) và (u2,v2) là

j

2

1

17


P
u*

v

v*
3
a=60o
u * , v * : c o o r d in a te s
o f p o in t P

u

2
1
a

2

3

1

0
-1 -1

- Trục toạ độ (u,v) có chiều dài đơn vị theo mỗi trục là 3R

- Tâm mỗi cell thể hiện bằng một cặp số nguyên
18


v
d 12

u

(u 2 ,0 )
(u 1 ,0 ) 3 0 o
x = (u 2-u 1) c o s3 0

o

0

d =x +y
2

( u 2 ,v 2 )
y

( u 1 ,v 1 )

x

30

v

y

(u 1 ,v 1)

2

v

(u 2 ,v 2)

u

0

u

v1

o

30

v2

(u 2-u 1) s in 3 0
o

0

2

12

x = ( u − u ) cos 30°
2

1

y = v + ( u − u ) sin 30° − v
2

2

1

d = (u − u
2

12

1

) cos 30° + ( v − v ) + ( u − u ) sin 30°
+ 2( u − u )( v − v ) sin 30°
19
= ( u − u ) + ( v − v ) + ( u − u )( v − v )
2

2

2

2

1

2

2

1

2

2

2

1

2

1

2

1

1

2

2

1

2

1

2

1

2

o


R
R

R

• Bán kính cell
• Số lượng cell trong một cụm là

1
R=

3

D2
N= 2
3R

• Khoảng cách giữa 2
cell (0,0) và cell (i,j)

D = i + ij + j
2

• Khoảng cách giữa 2 cell đồng
kênh là
2

D = R 3N

Q=

D
= 3N
R

• Cụm cell (nhóm cell – cluster) là một nhóm các cell được gán
bởi một bộ tần sao cho không gây nhiễu lẫn nhau. Bán kính của
cụm là (xem D là khoảng cách giữa 2 cell lớn – 2 cụm)

D
Rc =

3

20


i

j

N

1

0

1

1

1

3

2

0

4

2

1

7

2

2

12

3

0

9

3

1

13

3

2

19

4

0

16

4

1

21

5

0

25

21


i

j

N

1

0

1

1

1

3

2

0

4

2

1

7

2

2

12

3

0

9

3

1

13

3

2

19

4

0

16

4

1

21

5

0

25

22


•

Các loại kích thước cell
- Megacells: phủ hàng trăm km (satellite BS)
- Macrocells: phủ hàng chục km (phủ thành phố)
- Microcells: phủ hàng trăm m (tòa nhà, khu thương mại, hội
nghị, hội chợ,…)
- Picocells: W-LAN (trong toà nhà)
- Femtocells: Mạng truy cập cá nhân, đồ dùng, vật dụng trong
nhà PAN.

23


• Dung lượng kênh của hệ thống tế bào
Giả sử có N cells, mỗi cell được phân (gán) một nhóm kênh k, N
cells tạo thành một cụm (nhóm cell) gọi là Cluster. Vậy số kênh trên một
cụm là:

S = kN

Số lần lặp lại của Cluster M, tổng dung lượng của hệ thống là

C = kNM = MS
N là được gọi là kích thước của Cluster thường 4, 7 hoặc 12. N càng

lớn thì nhiễu đồng kênh càng bé  chất lượng tốt. Ngược lại kích thước
Cluster không đổi và kích thước cell giảm thì dung lượng kênh sẽ tăng
 kỹ thuật chia cell. Mỗi cell trong một Cluster chiếm 1/N kênh của hệ
24
thống


Số users được phục vụ đồng thời
- Atot là tổng diện tích cần bảo phủ
- Ac là diện tích của một cell
- BW là tổng dải thông của hệ thống
- B là băng thông của một kênh song công
- N là hệ số sử dụng lại tần số
Số users được phục vụ đồng thời là:

Atot BW 1
n=
Ac B N
25