Mạng thông tin di động và nghiên cứu thiết kế vùng phủ sóng thông tin di động

LỜI CẢM ƠN
Đồ án tốt nghiệp này được thực hiện tại Đại học Hàng Hải Việt Nam.
Trước hết em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Điện- Điện Tử nói
chung và các thầy cô trong Bộ môn Điện Tử Viễn Thông nói riêng đã giúp đỡ
em rất nhiều trong quá trình học tập ở trường và khi thực hiện đồ án tốt nghiệp .
Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo Th.S Nguyễn
Ngọc Sơn đã giành nhiều thời gian tâm huyết, trực tiếp tận tình hướng dẫn, giúp
đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Sinh viên
Hoàng Thị Huế


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong đồ án này dựa trên
các kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng em, không sao chép
bất kỳ kết quả nghiên cứu nào của các tác giả khác. Nội dung trong luận án có
tham khảo và sử dụng một số thông tin, tài liệu từ các nguồn sách, tạp chí được
liệt kê trong danh mục tham khảo
Sinh viên
Hoàng Thị Huế


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

i3


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hình

Hình 1.3.1
Hình1.3. 2
Hình1.3. 3
Hình1.3. 4
Hình2.1.1
Hình 2.2.1
Hình 2.2.2
Hình 3.1.1
Hình 3.3.1
Hình 3.3.2
Hình 3.3.3
Hình 3.3.4

Tên hình
Phương pháp đa truy nhập FDMA
Phương pháp đa truy nhập TDMA
Cấu trúc kênh thông tin TDMA
Phương pháp đa truy nhập CDMA
Sơ đồ phân cấp cấu trúc mạng
Mô hình hệ thống mạng GSM
Nguyên lý Celluar
Hệ thống thông tin di động tế bào
Mẫu tái sử dụng lại tần số 3/9
Mẫu tái sử dụng lại tần số 4/12
Mẫu tái sử dụng lại tần số 7/21
Sự phân chia Cell ở các khu vực

i4

Trang

8
10
11
11
14
16
23
26
54
55
57
62


LỜI NÓI ĐẦU
Thông tin di động là một khái niệm đã quá quen thuộc với xã hội hiện
đại như ngày nay. Bởi lẽ hệ thống thông tin di động đã được sử dụng từ rất lâu
đời, đã trải qua nhiều thế hệ, có nhiều sự thay đổi nhưng đều hướng lên những
sự tiến bộ, cải tiến mới. Cho đến ngày nay cũng vậy,trên thế giới nói chung và
Việt Nam nói riêng, thông tin di động đã vô cùng quen thuộc và không thể thiếu.
Nó là một phương tiện liên lạc ngày càng phát triển với các dịch vụ tiện ích ....
vì thế mà hướng phát triển làm sao để cung cấp, phục vụ được những yêu cầu
của xã hội đề ra luôn luôn là bài toán khó của hầu hết các nhà khai thác Viễn
thông trên thế giới.
Ở Việt Nam cũng vậy, hiện nay số thuê bao di động cũng chiếm đa phần
trong tổng số thuê bao cả nước. Với hệ thống mạng GMS đã bao phủ hầu hết các
tỉnh thành trong cả nước nhưng nhu cầu của cuộc sống thì càng ngày càng cao
thế nên việc nghiên cứu, đi sâu về hệ thống mạng là vô cùng cần thiết. Song các
hệ thống mạng thì luôn có sự cạnh tranh về công nghệ và cho đến nay thì GSM
vẫn là hệ thống được phần lớn các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động lựa

chọn.
Với đề tài “ Mạng thông tin di động và nghiên cứu thiết kế vùng
phủ sóng thông tin di động cho khu vực Huyện Thủy Nguyên” em mong
muốn một phần nào với những kiến thức đã học và vận dụng trên thực tế để tìm
hiểu một cách khái quát nhất về hệ thống di động. Rồi từ đó vận dụng vào thực
tế,trên cơ sở lý thuyết đã học để thiết kế, tính toán vùng phủ sóng của trạm BTS
cho khu vực quê em sinh sống.
Nội dung đồ án tốt nghiệp gồm 3 chương sau:
Chương I: Tổng quan về mạng thông tin di động.
Chương II: Cấu trúc chung hệ thống thông tin di động GSM.
Chương III: Nghiên cứu thiết kế vùng phủ sóng thông tin di động cho
khu vực huyện Thủy Nguyên.
i5


Do thời gian hạn hẹp và kiến thức còn hạn chế nên nội dung trình bày của
em dưới đây còn nhiều sai sót, nhiều phần còn chưa sâu, chưa rõ ràng. Rất mong
được sự góp ý của các thầy, cô giáo trong bộ môn cùng các bạn đọc.
Sinh viên
Hoàng Thị Huế

i6


CHƯƠNG I: TỔNG QAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1 Lịch sử phát triển của mạng thông tin di động.
Hệ thống thông tin di động đã được sử dụng từ rất lâu. Sau thế chiến II
mới xuất hiện thông tin di động điện thoại dân dụng .Tới năm 1948 một hệ thống
di động hoàn toàn tự động đầu tiên ra đời ở Richmond,Indiana. Đến đầu năm
1960, các dịch vụ di động mới xuất hiện ở dạng sử dụng được. Các hệ thống điện

thoại này ít tiện lợi và dung lượng thấp so với ngày nay.
Vào những năm 1980,các hệ thống này sử dụng điều chế song công với
công nghệ truy cập phân chia theo tần số(FDMA). Tuy nhiên sau một thời gian
sử dụng, người ta nhận thấy rằng các hệ thống này không thể đáp ứng nhu cầu
ngày càng tăng của người sử dụng vào tương lai, nếu không loại bỏ các hạn chế
của các hệ thống này như:
- Phân bổ tần số hạn chế, dung lượng thấp.
- Thoại ồn, nhiễu xảy ra khi di chuyển máy di động.
- Giá thành thiết bị cao, cơ sở hạ tầng phức tạp yêu cầu cao...
- Tính bảo mật cuộc gọi không cao.
- Không đảm bảo, đáp ứng nhu cầu dịch vụ của khách hàng.
- Không tương thích với các hệ thống khác nhau.
Khi mà kỹ thuật số được ứng dụng vào đã giải quyết được một số vấn đề,
tăng chất lượng, tăng dung lượng của hệ thống .
Quan niệm “ Cellular “ bắt đầu cuối những năm 40 với Bell.Thay vì dung mô
hình quảng bá với máy phát công suất lớn và anten cao là những cell diện tích bé
có máy phát BTS công suất nhỏ, khi mà các cell ở khoảng cách đủ xa thì có thể
sử dụng lại cùng một tần số. Tháng 12-1971 hệ thống cellular kỹ thuật tương tự
ra đời FM ở dải 850MHz. Tương ứng là sản phẩm thương nghiệp AMPS ra đời
năm 1983. Đến đầu những năm 90, thế hệ đầu tiên của thong tin di động Cellular
đã bao gồm hàng loạt hệ thống ở các nước khác nhau: TASC, NMTS, NAMTS,
C,..v.v tuy nhiên nững hệ thống này dung lượng còn thấp và một số vấn đề cần
khắc phục .
Ưu điểm cơ bản của hệ thống Cellular như sau:


- Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn.
- Mã hóa số tín hiệu thoại với tốc độ bít ngày càng thấp, cho phép ghép nhiều
kênh thoại hơn vào dòng bit tốc độ chuẩn.
- Giảm tỷ lệ tin tức báo hiệu, dành tỷ lệ lớn hơn cho tin tức người sử dụng.

- Áp dụng kỹ thuật mã hóa kênh và mã hóa nguồn của truyền dẫn số.
- Hệ thống số chống nhiễu kênh chung CCI (Cochannel Interfernce) và nhiễu
kênh kề ACI ( Adjacent – Channel Interference) hiệu quả hơn từ đó làm tăng
dung lượng hệ thống
- Điều khiển động trong việc cấp phát kênh liên lạc làm cho sử dụng phổ tần số
hiệu quả hơn.
- Có nhiều dịch vụ mới: nhận thực, số liệu, mật mã ,kết nối với ISDN.
- Điều khiển truy cập và chuyển giao hoàn hảo hơn. Dung lượng tăng, diện tích
cell nhỏ đi, chuyển giao nhiều hơn,Báo hiệu tất bật đều dễ dãng xử lý bằng
phương pháp số.
Hệ thống thông tin di động tế bào thế hệ thứ hai có ba tiêu chuẩn chính :
GMS, IS - 54 (bao gồm cả tiêu chuẩn AMPS) , JDC .
Tuy nhiên các hệ thông thông tin di động thế hệ thứ hai cũng tồn tại một số
nhược điểm như sau: Độ rộng dải thông băng tần của hệ thống là bị hạn chế nên
việc ứng dụng các dịch vụ dữ liệu bị hạn chế, không thể đáp ứng được các yêu
cầu phát triển cho các dịch vụ thông tin di động đa phương tiện cho tương lai,
đồng thời tiêu chuẩn cho các hệ thống thế hệ thứ hai là không thống nhất do Mỹ
và Nhật sử dụng TDMA băng hẹp còn Châu Âu sử dụng TDMA băng rộng
nhưng cả 2 hệ thống này đều có thể được coi như là sự tổ hợp của FDMA và
TDMA vì người sử dụng thực tế dùng các kênh được ấn định cả về tần số và các
khe thời gian trong băng tần. Do đó việc thực hiện chuyển mạng toàn cầu gặp
phải nhiều khó khăn .
Bắt đầu từ những năm cuối thế thập niên 90 hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ ba ra đời bằng kỹ thuật đa truy nhập CDMA và TDMA cải tiến. Lý
thuyết về CDMA đã được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng trong
thông tin quân sự từ những năm 1960. Cùng với sự phát triển của công nghệ bán
dẫn và lý thuyết thông tin trong những năm 1980, CDMA đã được thương mại


hóa từ phương pháp thu GPRS và Ommi-TRACKS, phương pháp này cũng đã

được đề xuất trong hệ thống tổ ong của QUALCOM-Mỹ vào năm 1990.
Trong thông tin CDMA thì nhiều người sử dụng chung thời gian và tần
số, mã PN (tạp âm giả ngẫu nhiên) với sự tương quan chéo thấp được ấn định cho
mỗi người sử dụng. Người sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có
sử dụng mã PN đã ấn định. Đầu thu tạo ra một dãy giả ngẫu nhiên như ở đầu phát
và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngược các tín hiệu đồng bộ thu
được.
So với hai hệ thống thông tin di động thứ nhất và thứ hai thì hệ thống thông
tin di động thế hệ thứ ba là hệ thống đa dịch vụ và đa phương tiện được phủ khắp
toàn cầu. Một trong những đặc điểm của nó là có thể chuyển mạng, hoạt động
mọi lúc, mọi nơi là đều thực hiện được. Điều đó có nghĩa là mỗi thuê bao di động
đều được gán một mã số về nhận dạng thông tin cá nhân, khi máy ở bất cứ nơi
nào, quốc gia nào trên thế giới đều có thể định vị được vị trí chính xác của thuê
bao. Ngoài ra hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba là một hệ thống đa dịch
vụ, thuê bao có thể thực hiện các dịch vụ thông tin dữ liệu cao và thông tin đa
phương tiện băng rộng như: hộp thư thoại, truyền Fax, truyền dữ liệu, chuyển
vùng quốc tế, Wap (giao thức ứng dụng không dây)... để truy cập vào mạng
Internet, đọc báo chí, tra cứu thông tin, hình ảnh... Do đặc điểm băng tần rộng
nên hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba còn có thể cung cấp các dịch vụ
truyền hình ảnh, âm thanh, cung cấp các dịch vụ điện thoại thấy hình...
Năm 1996, một phần người Mỹ có điện thoại di động, còn hệ thống điện thoại
công sở vô tuyến đã bao gồm 40 triệu máy, trên 60 triệu điện thoại kéo dài được
dung, dịch vụ PCS thương mại đã áp dụng ở Washington. Trong các năm qua,
các máy điện thoại di động đã giảm kích thước, trọng lượng và giá thành của các
thiết bị đầu cuối đều giảm .
1.2. Các hệ thống thông tin di động.
1.2.1. Hệ thống thông tin di động 1G.
Nói cách khác là hệ thống thông tin di động thế hệ 1. Hệ thống này chỉ hổ
trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ

liệu thoại của mỗi người, và sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo tần
số (FDMA). Với phương pháp này, khách hàng được cấp phát một kênh trong tập
hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số. Sơ đồ báo hiệu của hệ thống FDMA
khá phức tạp, khi MS bật nguồn để hoạt động thì nó dò sóng tìm đến kênh điều
khiển dành riêng cho nó. Nhờ kênh này, MS nhận được dữ liệu báo hiệu gồm các
lệnh về kênh tần số dành riêng cho lưu lượng người dùng. Trong trường hợp số
thuê bao nhiều hơn số lượng kênh tần số có thể, thì một số người bị chặn lại
không được truy cập.
Phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành 2N dải tần số kế
tiếp và được cách nhau bởi một dải tần số phòng vệ . Mỗi dải tần số được gán cho
một kênh liên lạc. N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng lên, sau một dải
tần phân cách là N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng xuống.
Đặc điểm :
Mỗi MS được cấp phát một đôi kênh liên lạc trong suốt thời gian thông

-

tuyến.
-

Xảy ra nhiễu giao thoa giữa các kênh lân cận .

-

Có bao nhiêu trạm BTS thì có bấy nhiêu MS.
Với phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số điển hình là hệ thống
điện thoại di động AMPS (Advanced Mobile Phone System). Hệ thống này sử
dụng phương pháp đa truy cập đơn giản song không thoả mãn nhu cầu ngày càng
tăng của người dùng về cả dung lượng và tốc độ. Vì thế, hệ thống di động 2G ra

đời được cải thiện về cả dung lượng và tốc độ.
1.2.2. Hệ thống thông tin di 2G.
Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động
2G được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên
công nghệ số.
Với việc sử dụng phương pháp điều chế số và sử dụng 2 phương pháp đa
truy cập : TDMA & CDMA.



Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA:


Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi
dải tần liên lạc này được dùng cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe
thời gian trong chu kì một khung. Các thuê bao khác nhau dùng chung kênh nhờ
cài xen khe thời gian, mỗi thuê bao được cấp phát cho một khe thời gian trong
cấu trúc khung.
Đặc điểm:
-

Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số .

-

Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong
đó một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di
động và một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm
gốc. Việc phân chia tần số như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạt
động cùng một lúc mà không có sự can nhiễu lẫn nhau.

=>Giảm số máy thu ở BTS & giảm nhiễu giao thoa.
Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống di động toàn cầu GSM. Máy di
động kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn FDMA. Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu
trong MS tương tự có khả năng xử lý không quá 10 6 lệnh trong 1 giây, còn trong
MS số TDMA phải có khả năng xử lý 50.106 lệnh trong 1 giây.



Đa truy cập phân chia theo mã CDMA:
Trong thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều
người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi
mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau. Những người sử dụng nói trên được phân biệt
với nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN, được cấp phát khác nhau cho mỗi
người sử dụng.
Đặc điểm:
- Dải tần tín hiệu rộng .
- Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.
- Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rất
nhỏ và chống fading hiệu quả hơn TDMA và FDMA.


- Việc các thuê bao trong cùng cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền
dẫn đơn giản và việc thay đổi , chuyển giao, điều khiển dung lượng cell thực hiện
rất linh hoạt .
1.2.3. Hệ thống thông tin di động 3G.
Để đáp ứng kịp thời các dịch vụ ngày càng phong phú và đa dạng của
người sử dụng, từ đầu thập niên 90 người ta đưa ra hệ thống thông tin di động tổ
ong thế hệ thứ 3. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 với tên gọi ITM-2000 đưa
ra các mục tiêu chính sau:
- Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy cập

Internet nhanh hoặc các dịch vụ đa phương tiện.
- Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân và điện
thoại vệ tinh. Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ sóng của
các hệ thống thông tin di động.
- Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự
phát triển liên tục của thông tin di động.
Chính vì vậy mà hệ thống thông tin di đông 3G hứa hẹn tốc độ truyền dẫn
lên tới 2.05 Mbps cho người dùng tĩnh, 384 Kbps cho người dùng di chuyển
chậm và 128 Kbps cho người dùng trên moto. Công nghệ 3G dùng sóng mang
5MHz chứ không phải là sóng mang 200KHz như của CDMA nên 3G nhanh
hơn rất nhiều so với công nghệ 2G và 2,5G. Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông
tin di động thế hệ 3 ITM-2000 đã được đề xuất, trong đó 2 hệ thống WCDMA và
cdma-2000 đã được ITU chấp thuận và đang được áp dụng trong những năm gần
đây. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho phép thực
hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện thông tin vô tuyến.
*Yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3:
Thông tin di động thế hệ 3 xây dựng trên cơ sở IMT-2000 được đưa và
phục vụ từ năm 2001. Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng mới
nhưng cũng đồng thời đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ
2.




-

-

-

-

Tốc độ của thế hệ 3 được xác định như sau:
383 Kb/s đối với vùng phủ sóng rộng.
2 Mb/s đối với vùng phủ sóng địa phương.
Các tiêu chí chung để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G):
Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:
+ Đường lên: 1885-2025 MHz.
+ Đường xuống: 2110-2200 MHz.
Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình vô tuyến.
+ Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến.
+ Tương tác với mọi loại hình dịch vụ viễn thông.
Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài đường trên xe,
vệ tinh.
Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:
+ Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment) trên
cơ sở mạng thông minh, di động các nhân và chuyển mạng toàn cầu.
+ Đảm bảo chuyển mạng quốc tế.
+ Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu

-

chuyển mạch theo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói.
Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện.


1.2.4. Hệ thống thông tin di động 4G.
Không dừng lại ở thế hệ 3G, thế hệ của 4G đã ra đời để đánh dấu bước phát
triển cao hơn nữa trong công nghệ. Được triển khai từ năm 2013 thì hệ thống
thông tin di động đã cho thấy sự phát triển vượt bậc về tốc độ truyền, cho phép

truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng từ1 Mb/s đến 1,5
Gb/s. Là công nghệ truyền thông thế hệ thứ tư thì 4G với 2 chuẩn công nghệ
mạng Wimax và LTE( Long Term Evoluntion ) mỗi công nghệ sử dụng một dải
băng tần khác nhau.
Và trong tương lai thì LTE Advance & WiMax...sẽ là những thế hệ tiến bộ
hơn nữa,chắc chắn rằng sẽ còn những thế hệ của công nghệ 5G,6G...cho phép
người dùng truyền tải các dữ liệu HD, xem TV tốc độ cao với những trải nghiệm
trên các trang Web tiên tiến hơn với nhiều tiện ích hơn cả. Đáp ứng được yêu cầu
của người sử dụng.
1.3 Các phương thức đa truy nhập.
1.3.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)
Phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số
Tần Số

F7
F6
F5
F4
F3
F2
F1
F0

Thời gian

Hình 1.3.1:phương pháp FDMA
Các kênh thông tin được sắp xếp liên tiếp nhau trên dải tần thông tần của
đường truyền. Tín hiệu nguyên thuỷ phải được điều chế để chuyển lên băng tần
cao hơn nhờ các sóng mang phụ(subcarrier) sau quá trình điều chế, phổ tần của
tín hiệu lúc này bao gồm hai băng ở hai bên tần số sóng mang phụ fc

- Băng dưới LSB(lower sideband)


- Băng trên USB(upper sideband).
Tín hiệu bao gồm cả hai băng này gọi là tín hiệu đa biên DSB (double
sideband). Trong tín hiệu này Có sóng mang phụ fc là thành phần một chiều,
không chứa thông tin nhưng lại chiếm hơn 60% năng lượng phổ. Hai băng LSB
và USB chứa thông tin giống hệt nhau và chiểm 30% năng lượng phổ. nếu ta
truyền cả hai băng thi băng thông cần thiết phải tăng gấp 2 lần trong đó có một
băng không cần thiết, do đó dẫn đến lãng phí tài nguyên mạng, để giải quyết vấn
đề này người ta đưa ra các phương án giải quyết như sau :
+ Bỏ thành phần một chiều fc và truyền cả hai băng LSB và USB( kỹ
thuật DSB không song mang)
+Bỏ thành phần một chiều fc và truyền tải một băng,thông thường người
ta truyền băng dưới (kỹ thuật SSB không sóng mang ) phát đơn băng (LSB hoặc
USB) kèm sóng mang VSB(vestigial sideband )
- Ưu điểm : không cần đồng bộ
- Nhược điểm : Băng tần giới hạn do đó số kênh ghép bị hạn chế
- Tốn kém : nhiễu giao thoa giữa các kênh lân cận , đồng thời cũng không thể tránh
khỏi các loại nhiễu khác như nhiễu xuyên âm và bị ảnh hưởng của các tập âm do
dây truyền tải thường làm bằng bằng dây trần.
1.3.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA).
TDMA là phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian
Tần Số

T0

T1

T2 T3 T4

T5

T6

T7 TT7

Hình1. 3.2 : Phương pháp TDMA

Thời gian


Người sử dụng dùng chung một sóng mang và trục thời gian được chia
thành nhiều khoảng nhỏ (gọi là các khe thời gian_TS_time slot) một kênh thông
tin sẽ chiếm toàn bộ dải thông W của đường truyền trong một khoảng thời gian
nhất định trên tổng số thời gian cuộc gọi được thực hiện và lặp lại theo chu kỳ
nhất định.
Có 2 phương pháp ghép kênh phân chia theo thời gian cơ bản :
-

Ghép xen bit(bit -by- bit): lấy tất cả các bit cùng tên của các kênh nhánh ghép lại
với nhau thành một nhóm.
+ Tốc độ bit mỗi kênh nhánh là v = 8b/Tf , ghép 4 kênh nhánh lại thành một kênh
duy nhất thì tốc độ bit sẽ là v’ = 32b/Tf .
+ Ưu điểm của phương pháp này là cấu trúc khung độc lập , dung lượng bộ nhớ

-

yêu cầu thấp , tuy nhiên bên thu sẽ tách kênh phức tạp và chậm .
Ghép xen byte/ghép từ (word-by-word) : dòng số đầu ra của bộ ghép kênh sẽ

gồm một chuỗi các từ mã của các kênh nhánh được sắp xếp liên tiếp .
+ Đặc điểm : dung lượng bộ nhớ yêu cầu cao , và bên thu phải đồng bộ chính
xác.
+ Một loại hình ứng dụng TDMA phổ biến nhất là hệ thống GSM trong thông tin
di động .
GSM là một hệ thống thông tin số của Châu Âu sử dụng hệ thống
TDMA với cấu trúc khe thời gian sao cho tạo nên được sự linh hoạt trong truyền
thoại, số liệu và thông tin điều khiển. Dưới đây là sơ đồ cấu trúc một khung
TDMA :


1 siªu khung = 2048 siªu khung
=2715648 khung (3h.28m.53s.760ms)

0

1

..............

2

2047

1 siªu khung =51 ®a khung (5,12 s)

0

1

..............

2

50

or
1 siªu khung =26 ®a khung (6,12 s)

0

..............

1

25

26 khung ®a khung(120ms)

0

1

51 khung ®a khung(235,4ms)

0

1

1

0

25

2

2

3

4

5

2

6

50

7

1 khung TDMA= 8 khe thêi gian(4,615ms)

Hình 1.3.3:Cấu trúc kênh thông tin TDMA
1.3.3 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)
Tần số

Hình 1.3.4 : Phương pháp đa truy nhập theo mã CDMA

gian
CDMA viết đầy đủ là Code Division MultipleThờiAccess
nghĩa là Đa truy nhập
CDMA
Các phân
mã PN chia theo mã.
(đa người dùng)
Đa truy nhập theo mã (CDMA): Là một dạng của đa truy nhập phổ trải

SSMA (Spreat Spectrum Multiple Access) , trong đó mỗi một người sử dụng
dùng toàn bộ phổ tần như với TDMA, trong toàn bộ thời gian của cuộc gọi như
đối với FDMA. Các kênh được phân biệt với nhau nhờ việc sử dụng các mã giải
nhiễu PN (PseudoNoise).
Mã giả ngẫu nhiên: là loại tín hiệu mang tính chất của tín hiệu ngẫu nhiên
nhưng hoàn toàn xác định để có thể tái tạo lại ở phía thu nên người ta gọi là mã
giả ngẫu nhiên.
Mã giả ngẫu nhiên có các tính chất sau:
+ Tính cân bằng (balance): số bit 0 và 1 trong mã giả ngẫu nhiên chỉ khác nhau là
1.


+ Tính tương quan: hiệu số giữa các bit giống nhau và các bit khác nhau ở chuỗi
giả ngẫu nhiên PN với chính nó quay đi 1 đơn vị không quá 1. dễ dàng thu lại
ở phía thu .
- Các ưu điểm nổi bật của CDMA là:
Hiệu quả sử dụng phổ rất cao, khả năng tái dụng tần số rất cao, phương án
bố trí tần số sử dụng trong các tế bào rất đơn giản, độ an toàn thông tin và khả
năng làm việc trong các điều kiện nhiễu mạnh rất cao…
- Hạn chế của CDMA là : Các vấn đề liên quan tới điều khiển công suất, đồng bộ
và việc tìm ra các mã PN cung cấp số kênh lớn.

Cũng cần phải nhấn mạnh thêm rằng, do hoàn cảnh lịch sử, hệ thống GSM
(TDMA) đã được chấp nhận ở châu âu và nhiều nước khác trên thế giới, bảo đảm
tính lưu động (roaming) quốc tế trên một diện rất rộng trên toàn cầu nên việc
chiếm lĩnh thị trường và cạnh tranh của các hệ thống CDMA hiện thời có khó
khăn. Tuy nhiên trong tương lai rất gần, khi nhu cầu về thuê bao di động tăng lên
rất lớn, các biện pháp kĩ thuật và công nghệ đủ mạnh thì các hệ thống CDMA sẽ
chiếm ưu thế tuyệt đối. Theo ý kiến của các chuyên gia hang đầu thế giới,các thế
hệ (thứ ba, thư tư) của thông tin di động sẽ là các hệ thống CDMA và các phát
triển của nó.
1.3.4.Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA).
Bất kỳ hệ thống thông tin di động cellular nào, tương tự hay số cũng đề
dùng SDMA. Đó là đặc trưng phân biệt hệ thống cellular với các hệ thống trung
kế vô tuyến khác. Hệ thống cellular cho phép đa truy nhập vào kênh vô tuyến
chung dựa trên căn bản là theo từng cell riêng rẽ. Hệ thống cellular là SDMA
điển hình. Yếu tố hạn chế SDMA là việc sử dụng lại tần số. Sử dụng lại tần số
như nhau với điều kiện họ phải tách biệt cách nhau đủ xa để tối thiểu hóa can
nhiễu cùng kênh đối với nhau. Nhóm các tần số dùng ở một cell có thể dùng ở
cell khác trong hệ thống miễn là cự li giữa chúng đủ giảm can nhiễu cùng kênh
đến ngưỡng cho phép.


Có nhiều kỹ thuật và cải tiến SDMA trong hệ thống cellular hiện nay:
microcell , umbrella cell, phân dải quạt, smart antenna.
- Microcell là các BTS công suất phát rất thấp (chừng - 5Bm hay 0,3 mW) đặt ở
các tụ điểm mật độ thuê bao cao.
- Umbrella cell là các cell rất lớn chuyên xử lý báo hiệu vùng có nhiều microcell.
- Dùng anten định hướng với dải quạt 1200 hay 600.
Smart antenna là một cải tiến mới trong hệ thống tương tự. Búp sóng nhọn như
dạng cái bút chì để phân vùng liên lạc trong cell.

CHƯƠNG II: CẤU TRÚC CHUNG HỆ THỐNG MẠNG GSM
2.1.Giới thiệu chung.
2.1.1.Cấu trúc địa lý của mạng
Tất cả các mạng điện thoại trên thế giới đều có một cấu trúc địa lý nhất định
để định tuyến cho các cuộc gọi từ:
Thuê bao gọi - > Tổng đài -> Thuê bao cần gọi.
Nhờ cấu trúc này mà các thuê bao trong mạng có thể lưu thông với nhau một
cách dễ dàng, hoạt động , dịch vụ tốt, ổn định. Như vậy cấu trúc mạng có vị trí vô
vùng quan trọng. Cấu trúc địa lý mạng được phân cấp như sau:


Vùng
Vùng phục
phục vụ
vụ GSM
GSM
Vùng
Vùng phục
phục vụ
vụ PLMN
PLMN
Vùng
Vùng phục
phục vụ
vụ MSC
MSC
Vùng
Vùng định
định vị
vị LA

LA

Cell

Hình 2.1.1: Sơ đồ phân cấp cấu trúc mạng địa lý.
Theo đó:
- Vùng phuc vụ GSM: bao gồm toàn bộ các quốc gia thành viên hay nói cách
khác đây là vùng phục vụ do sự kết hợp của các quốc gia thành viên. Như vậy
những máy di động GSM của các mạng GSM khác nhau có thể sử dụng ở nhiều
nơi trên thế giới.
- Vùng phục vụ PLMN : đây có thể là một hay nhiều vùng trong một quốc gia
tùy theo kích thước của vùng phục vụ.
- Vùng phục vụ MSC: là một bộ phận của mạngđược một MSC( tổng đài di
động) quản lý. Dùng để định tuyến cuộc gọi tới một thuê bao di động. Bộ nhớ
tạm trú của VLR được sử dụng để ghi thông tin định tuyến cuộc gọi tới thuê bao
di động hiện đang ở trong vùng phục vụ của MSC.
- Vùng định vị LA: mỗi vùng MSC/VLR được chia thành nhiểu vùng định vị
LA, vùng này là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR. Nhờ đó mà một trạm di
động có thể chuyển động tự do mà không cần cập nhật thông tin về vị trí cho tổng
đài. MSC/VLR điều khiển vùng định vị này. Vùng định vị LA được hẹ thống sử


dụng để tìm một thuê bao di động đang ở trong trạng thái hoạt động bằng cách sử
dụng nhận dạng vùng LAI( Local Area Identity):
LAI= MCC+MNC+LAC

trong đó: MCC - mã quốc gia.
MNC - mã mạng di động.
LAC - mã vùng định vị.

- Cell( ô hay tế bào): vùng định vị được chia thành một số ô, mà khi MS di
chuyển trong đó không cần phải cập nhật thông tin về vị trí với mạng. Đây chính
là cơ sở của mạng, là một vùng phủ sóng vô tuyến được nhận dạng bằng các ô
toàn cầu CGI:
CGI= MCC+MNC+LAC+CI
(CI: nhận dạng ô để xác định vị trí trong vùng định vị)
Mỗi ô được quản lý bởi một trạm vô tuyến gốc BTS.
Mỗi BTS tạo ra một hay một vài khu vực phủ sóng nhất định.
2.1.2.Sơ đồ tổng quát chung.

Hình2.12. Mô hình hệ thống mạng thông tin di động GSM.
Trong đó:


MS: Máy di động
BSS: Hệ thống trạm gốc
SS: Hệ thống chuyển mạch
OSS: Hệ thống khai thác và hỗ

NMC: Trung tâm quản lý mạng
VLR: Bộ ghi định vị tạm trú
EIR: Thanh ghi nhận dạng thiết bị
PSTN: Mạng chuyển mạch điện thoại

trợ
AUC: Trung tâm nhận thực
HLR: Bộ ghi dịch thường trú
BTS: Trạm thu phát gốc
BSC: Đài điều khiển trạm gốc
MSC: Trung tâm chuyển mạch di

công cộng
ISDN: Mạng số liệu liên kết đa dịch vụ
CSPDN: Mạng chuyển mạch số công

động
OMC: Trung tâm khai thác và

cộng theo mạch
PLMN: Mạng di động mặt đất công cộng
PSPDN: Mạng chuyển mạch công theo
gói

bảo dưỡng
2.1.3Chức năng các khối trong hệ thống mạng.
a, Trạm di động MS:
MS là một thiết bị phức tạp, có khả năng như một máy tính nhỏ. Nó bao
gồm thiết bị trạm di động ME và một khối nhỏ gọi là mođun nhận dạng thuê bao
SIM. SIM cùng với thiết bị trạm di động hợp thành trạm di động.
+ME là phần cứng để thuê bao truy cập mạng. ME có số nhận dạng là
IMEI. Mỗi điện thoại di động được phân biệt bởi số IMEI này.
+ SIM là một card điện tử thông minh chứa một số nhận dạng thuê bao di
động ISMI dùng để nhận dạng thuê bao, một mật mã để xác thực và các thông tin
khác. IMEI và ISMI 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.
MS có chức năng vô tuyến chung và chức năng xử lý để truy cập mạng
qua giao diện vô tuyến. MS phải cung cấp một giao diện với người sử dụng, một
giao diện với thiết bị đầu cuối khác. Giao diện với người sử dụng thể hiện ở
micro, loa, màn hình, bàn phím…Các thiết bị đầu cuối có thể là máy tính cá

-

nhân, máy FAX…
MS có 3 chức năng chính:
Thiết bị đầu cuối TE: Để thực hiện các dịch vụ người sử dụng (thoại, fax,

-

số liệu…)
Kết cuối trạm di động MT: Thực hiện các chức năng liên quan đến truyền
dẫn ở giao diện vô tuyến.


-

Bộ thích ứng đầu cuối TAF: Bộ thích ứng đầu cuối trong MS có vai trò nối
thông thiết bị đầu cuối với khối kết cuối di động. Khi lắp đặt các thiết bị đầu cuối
trong môi trường di động, MS có bộ thích ứng đầu cuối tuân theo tiêu chuẩn
ISDN còn thiết bị đầu cuối có giao diện với modem.

b, Hệ thống trạm gốc BSS (Base Station Systerm).
Hệ thống trạm gốc được chia theo chức năng thành: Trạm thu phát gốc
(BTS – Base Tranceiver Station) và Đài điều khiển trạm gốc (BSC – Base Station
Controler) và chúng được kết nối với nhau bằng giao diện A-bis.
BS (Base Station) thực hiện chức năng quản lý kênh vô tuyến bao gồm đặt kênh,
giám sát chất lượng đường thông, phát các tin quảng bá và thông tin báo hiệu liên
quan, cũng như điều khiển các mức công suất và điều khiển nhảy tần. Các chức
năng khác của BS còn là mã hoá giải mã và sửa lỗi, mã chuyển tiếng nói số hoặc
phối hợp tốc độ số liệu, khởi đầu chuyển điều khiển HO trong nội bộ tế bào về

kênh tốt hơn cũng như mã tín hiệu báo hiệu và số liệu.
Mỗi một tế bào của GSM có một trạm thu phát gốc BTS (là một máy thu
phát vô tuyến được sử dụng để phủ sóng cho một tế bào) hoạt động trên một tập
kênh vô tuyến. Các tập kênh sử dụng trong các tế bào lân cận thì khác nhau nhằm
chống gây nhiễu lẫn nhau. Thiết bị vô tuyến trong một BS có thể phục vụ cho
một vài tế bào, trong trường hợp đó BS gồm một vài BTS đặt dưới sự điều khiển
của cùng một BSC. BSC có nhiệm vụ thực hiện mọi chức năng kiểm soát trong
BS như điều khiển HO, điều khiển công suất …Một số đến lượt mình lại
đượcphục vụ bởi MSC.
c, Tổng đài thông tin di động MSC ( Mobile Switching Centre).
Tổng đài thông tin di động được nối tuyến tới BS thông qua giao diện A
và thực hiện tất cả các chức năng cần thiết đối với hoạt động của các trạm di
động trong cụm các tế bào mà nó phục vụ.
Các chức năng của MSC bao gồm: lập tuyến cuộc gọi, điều khiển cuộc
gọi, các thủ tục cần thiết để làm việc với các mạng khác(như PSTN, ISDN), các
thủ tục liên quan tới quản lý quá trình di động của các trạm di động như nhắn tin


để thiết lập cuộc gọi, báo mới vị trí trong quá trình di động và nhận thực nhằm
chống các cuộc truy nhập trái phép, cũng như các thủ tục cần thiết để tiến hành
chuyển điều khiển.
Chuyển điều khiển là một quá trình gắn lại liên lạc của một trạm di động
sang một BS khác khi MS di động ra khỏi vùng phục vụ của một BS. Ngoài quá
trình HO này GMS còn loại HO khác là HO trong tế bào. Quá trình này là việc
chuyển một cuộc gọi đang tiến hành trên một kênh này sang một kênh khác trong
cùng một tế bào khi chất lượng kênh đang dùng giảm dưới mức cho phép, có
nhiễu quá lớn hoặc có vấn đề trong bảo trì. Do các yêu cầu ngày càng cao về mật
độ máy trong một tế bào, các kênh RF phải được tái sử dụng luôn vì thế dẫn đến
việc phải chia tế bào nhỏ hơn (micro cell) và do đó làm tăng khả năng nhiễu cùng
kênh. Để chống lại, một thuật toán HO hiệu quả là tuyệt đối cần thiết dựa trên

việc đánh giá một cách thông minh, và do vậy khá phức tạp, chất lượng tín hiệu
nhận được.
d ,Bộ ghi định vi thường trú HLR ( Home Location Register).
Bộ ghi định vị thường trú là một đơn vị cơ sở dữ liệu dùng để quản lý các
thuê bao di động. HLR chứa một phần thông tin được báo mới thường xuyên về
vị trí hiện thời của MS (MS hiện đang có mặt tại vùng phục vụ của MSC nào)
cho phép các cuộc gọi tới một MS đựơc nối tới MSC mà tại đó MS bị gọi đang
hiện diện. Ngoài ra HLR còn chứa các thông tin về thuê bao như các dịch vụ phụ
(mà thuê bao có quyền sử dụng trong mạng) và các thông số nhận thực liên quan
tới quá trình nhận thực thuê bao như số nhận diện thuê bao di động quốc tế IMSI
(International Mobile Subcriber Identity). Thông số này được trung tâm nhận
thực sử dụng để xác nhận quyền truy nhập hệ thống của thuê bao. Mọi thông tin
nói trên của thuê bao thuộc về một mạng của một nhà cung cấp dịch vụ (công ty
điện thoại di động) đều được đưa vào lưu trữ tại HLR của mạng, ngay vào thời
điểm đăng ký (mua) thuê bao.
e, Trung tâm nhận thực AUC ( Authentication Centre).
Trung tâm nhận thực là một đơn vị cơ sở dữ liệu trong mạng, cung cấp
các tham số mã mật và nhận thực cần thiết để đảm bảo tính riêng tư (mật) của


từng cuộc gọi và nhận thực quyền truy nhập của thuê bao đang tiến hành truy
nhập mạng.
f, Bộ ghi số nhận diện thiết bị EIR ( Equipment Identity Register).
Bộ ghi số nhận diện thiết bị nối tới MSC bằng một tuyến báo hiệu, cũng
là một cơ sở dữ liệu chứa thông tin về thiết bị (con số nhận diện phần cứng của
thiết bị di động) cho phép MSC nhận biết được MS hỏng, bị lấy cắp hay đang gọi
trộm.
g, Bộ ghi định vị tạm trú VLR (Visistor Location Register).
Bộ ghi định vị tạm trú là một khối chức năng theo dõi mọi MS hiện có
trong vùng MSC của nó, kể cả MS đang hoạt động ngoài vùng của HLR của

chúng. VLR vì vậy là một cơ sở dữ liệu chứa thông tin của mọi MS hợp lệ hiện
đang có trong vùng của nó. Mỗi MSC có một VLR duy nhất. Vùng mà
MSC/VLR quản lý gọi là vùng phục vụ MSC/VLR.
Việc quản lý di động của các MS trong mạng được thực hiện thông qua
quá trình báo mới vị trí (location updating) của MS với sự tham gia của các đơn
vị co sở dữ liệu là HLR và VLR. MS phải thường xuyên thông báo cho PLMN
(Public Land Mobile Network) về vị trí của mình bằng cách thường xuyên báo
mới vị trí thông qua MSC/VLR để đổi mới nội dung của HLR. Khi báo mới vị trí
các thông tin cần thiết về MS được ghi trong HLR. Để hỗ trợ quá trình báo mới
vị trí, các PLMN được chia thành các vùng địa lý không giao nhau gọi là các
vùng định vị LA (Location Area). Mỗi LA gồm một số tế bào và được đặc trưng
bằng một số nhận diện LA duy nhất LAI (Location Area). Số này được phát
quảng bá thường xuyên tới mọi MS thông qua các kênh điều khiển phát thanh
BCCH (Broadcast Control CHannel) truyền trên các sóng mang vô tuyến riêng.
Các MS có thể di chuyển tự do trong LA mà không cần báo mới vị trí. Chỉ khi
nào MS nhận thấy cần có sự thay đổi về số nhận diện LA thì nó mới phát ra yêu
cầu báo mới vị trí. Ngoài ra khi MS chuyển động tới một vùng MSC mới thì
VLR của MSC đó sẽ hỏi số liệu về MS từ HLR để sau đó nếu MS muốn gọi thì
VLR đã có các thông tin cần thiết để thiết lập cuộc gọi, không cần hỏi lại HLR
nữa. Đồng thời HLR cũng được báo mới về vị trí của MS đó (về MSC mà MS di