Phương pháp xác định vị trí trong hệ thống định vị vệ tinh GPS và phân tích các nguồn gây sai số của hệ thống

LỜI CẢM ƠN
Được sự đồng ý hướng dẫn làm đồ án tốt nghiệp của thầy TS. Phạm Văn
Phước, em đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu về Fading và các biện pháp chống
fading trong mạng thông tin di động” .
Để hoàn thành đồ án này, em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo
đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy em trong suốt quá trình học tập và rèn luyện tại
Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam.
Em xin cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn Phạm Văn Phước đã tận tình, chu đáo
hướng đẫn em thực hiện đồ án này.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất.
Song do buổi đầu mới làm quen với việc làm đồ án tốt nghiệp nên không thể
tránh khỏi những thiếu sót mà bản thân em chưa thấy được. Em rất mong được
sự góp ý của thầy giáo, cô giáo và toàn thể các bạn để đồ án của em được hoàn
chỉnh hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hải Phòng, ngày 12 tháng 12 năm 2015
Sinh viên
TRẦN THỊ LUYÊN

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng
dẫn trực tiếp của thầy TS. Phạm Văn Phước. Nếu vi phạm quy chế hay gian trá
tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

ii


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN........................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................ii
MỤC LỤC............................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU..........................................vi
DANG MỤC CÁC HÌNH...................................................................................vii
MỞ ĐẦU..............................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ HỆ THỐNG
GSM......................................................................................................................2
1.1 KHÁI QUÁT VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG...........................2
1.1.1 Lịch sử phát triển..................................................................................2
1.1.2 Đặc điểm truyền sóng trong thông tin di động....................................4
1.1.3Phân loại các hệ thống thông tin vô tuyến di động................................5
1.1.4 Hệ thống vô tuyến di động TDMA.......................................................8
1.1.5 Các vấn đề kỹ thuật đảm bảo chất lượng liên lạc...............................11
1.2 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG GSM........................................................14
1.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển của GSM.........................................14
1.2.2 Một số ưu điểm của hệ thống GSM....................................................15
1.2.3 Các thông số cơ bản của GSM...........................................................16
1.2.4 Cấu trúc và hoạt động của mạng GSM...............................................17

iii


CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA FADING
ĐỐI VỚI MẠNG GSM.......................................................................................24
2.1 HIỆN TƯỢNG FADING TRONG MẠNG GSM.....................................24
2.1.1 Khái niệm về Fading..........................................................................24
2.1.2 Fading chậm và fading nhanh.............................................................27
2.1.3 Fading phẳng và Fading lựa chọn tần số............................................28
2.2. MÔ HÌNH KÊNH TRONG MẠNG GSM...............................................30

2.2.1 Khái niệm về kênh truyền dẫn phân tập đa đường.............................30
2.2.2.Đáp ứng xung của kênh không phụ thuộc thời gian...........................32
2.2.3. Đáp ứng xung của kênh phụ thuộc thời gian.....................................36
2.2.4. Các mô hình kênh cơ bản..................................................................38
2.3 CÁC BIỆN PHÁP CHỐNG FADING TRONG MẠNG GSM................41
2.3.1 Bộ cân bằng ở miền thời gian............................................................41
2.3.2 Bộ cân bằng ở miền tần số..................................................................43
2.3.3 Các kỹ thuật phân tập.........................................................................45
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP CHỐNG FADING TRONG MẠNG THÔNG
TIN DI ĐỘNG.....................................................................................................48
3.1. GIỚI THIỆU CHUNG.............................................................................48
3.2 KÊNH VÀ MODEM HỆ THỐNG............................................................49
3.3. PHƯƠNG PHÁP THÍCH NGHI TỐC ĐỘ VÀ PHẤT XẠ CÔNG SUẤT
TỐI ƯU...........................................................................................................51
iv


3.3.1 Không có tính vòng lặp .....................................................................52
3.3.2. Tổ hợp với tỷ lệ cực đại.....................................................................53
3.3.3. Tổ hợp lựa chọn.................................................................................54
3.4 CÁC KẾT QUẢ BẰNG SỐ LIỆU VÀ SO SÁNH...................................56
3.4.1.Trường hợp không có tính lặp............................................................56
3.4.2 Trường hợp sử dụng phân tập MRC...................................................60
KẾT LUẬN.........................................................................................................77
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................78
NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN...........................80
ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN............................................................82

v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Từ viết tắt
PLMR

Tiếng anh
Public Land Mobile Radio
Switched

Tiếng việt
Mạng vô tuyến mặt đất công

cộng
Telephone Mạng điện thoại chuyển mạch

PSTN

Public

ISDN

Network
Integrated

BER
FDMA
TDMA
CDMA
CT
CEPT

Network
Bit Error Rate
Frequency Division Mutiple
Time Division Mutiple
Code Division Mutiple
Cordless Telecommunication
Conference of Eropen on Post

Tỉ lệ lỗi bit
Đa truy nhập theo tần số
Đa truy nhập theo thời gian
Đa truy nhập theo mã
Viễn thông không dây
Hội bưu chính viễn thông Châu

GSM

and Telecommunication
Groupe Special Mobile

Â
Hệ thống thông tin di động toàn

HDCSD

cầu
High Speed Circuit Switched Số liệu chuyển mạch kênh tốc

GPRS

SMS
SIM
BSS
MSC
HLR
AUC
EIR
VLR

Data
General Packet Radio Service
Short Message Service
Subscriber Identity Module
Base Station Systerm
Mobile Switching Centre
Home Location Register
Authentication Centre
Equipment Identity Register
Visistor Location Register

Services

công cộng
Digital Mạng đa dịch số

vi

độ cao
Dịch vụ vô tuyến gói đa năng
Dịch vụ bản tin ngắn

Thuê bao
Hệ thống trạm gốc
Tổng đàu thông tin di động
Bộ ghi định vị thường trú
Trung tâm nhận thực
Bộ ghi số nhận diện thiết bị
Bộ ghi định vị tạm trú


DANG MỤC CÁC HÌNH
Số hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1 Sơ đồ khối cơ bản của một tuyến TDMA

9

Hình 1.2 Cấu trúc tín hiệu khung TDMA

10

Hình 1.3 Cấu trúc tổ ong của một mạng vô tuyến tế bào

14

Hình 1.4 Cấu trúc cơ bản của mạng GSM

18

Hình 2.1 Các lại fading trong mạng GSM

26

Hình 2.2 Mô tả kênh fading phẳng

28

Hình 2.3 Kênh fading chọn lọc tần số

30

vii


Hình 2.4 Mô hình phản xạ trong truyền dẫn phân tập đa đường

30

Hình 2.5 Mô tả sự phân tập theo tần số tín hiệu

31

Hình 2.6 Mô hình tổng quát của truyền dẫn phân tập đa đường

32

Hình 2.7 Mô tả đáp ứng xung của kênh

33

Hình 2.8 Mô tả hàm truyền đạt của kênh

33

Hình 2.9 Hàm truyền đạt của kênh

34

Hình

Hàm truyền đạt của kênh

35

2.10
Hình

Mật độ phổ của tín hiệu thu

36

2.11
Hình

Đáp ứng xung của kênh phụ thuộc thời gian

37

2.12
Hình

Hàm tự tương quan thời gian của kênh trong sự so sánh với 38

2.13

bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh

Hình

Mô hình kênh tuyến tính

40

2.14
Hình

Các biện pháp chống fading và tác dụng của nó

41

2.15
Hình

Bộ cân bằng ngang có 2M+1 nhánh

42

2.16
Hình

Mô tả bộ cân bằng ở miền tần số

45

2.17
Hình

Mô tả bộ cân bằng độ dốc và độ lõm của đặc tuyến tần số

45

2.18
viii


Hình

Mô hình phân tập không gian đơn giản

47

2.19
Hình

Mô hình phân tập tần số

47

2.20
Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn

50

Hình 3.2 Đồ thị dung lượng trung bình trên một đơn vị băng thông của 59
kênh fading Rayleigh và kênh AWGN theo CRN trung bình
trong trường hợp không có tính lặp
Hình 3.3 Đồ thị xác suất ngừng hoạt động của kênh fading trong 61
trường hợp không lặp
Hình 3.4 Đồ thị dung lượng kênh fading trên một đơn vị băng thông 63
của kênh fading Rayleigh sử dụng phân tập MRC theo CRN
trung bình với M=1
Hình 3.5 Đồ thị dung lượng kênh fading trên một đơn vị băng thông 65
của kênh fading Rayleigh sử dụng phân tập MRC theo CRN
trung bình với M=2
Hình 3.6 Xác suất ngừng hoạt động của kênh fading sử dụng tổ hợp 67
MRC với M=2
Hình 3.7 Dung lượng kênh fading trên một đơn vị băng thông của kênh 69
fading Rayleigh sử dụng phân tập MRC theo CNR trung bình
với M=4
Hình 3.8 Dung lượng kênh fading trên một đơn vị băng thông của kênh 71
fading Rayleigh sử dụng phân tập MRC theo CNR trung bình
với M=1, M=2, M=4.
Hình 3.9 Dung lượng trung bình trên một đơn vị băng thông của kênh 73
fading Rayleigh và kênh AWGN theo CNR trung bình trong
ix

trường hợp sử dụng phân tập M=1
Hình

Dung lượng trung bình trên một đơn vị băng thông của kênh 75

3.10

fading Rayleigh và kênh AWGN theo CNR trung bình trong

Hình

trường hợp sử dụng phân tập M=2
Dung lượng trung bình trên một đơn vị băng thông của kênh 77

3.11

fading Rayleigh và kênh AWGN theo CNR trung bình trong

Hình

trường hợp sử dụng phân tập M=4
Dung lượng trung bình trên một đơn vị băng thông của kênh 79

3.12

fading Rayleigh và kênh AWGN theo CNR trung bình trong
trường hợp sử dụng phân tập SC với M=1, M=2, M=4

x

MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế thế giới và khoa học kỹ
thuật giúp cho cuộc sống của con người ngày càng được cải thiện, nhu cầu sử
dụng thông tin liên lạc ngày một tăng, chính vì thế hệ thống thông tin liên lạc
phát triển hết sức nhanh chóng. Tuy nhiên, một vấn đề đặt ra hết sức nan giải là
làm thế nào để đảm bảo được chất lượng thông tin một cách tốt nhất. Một trong
các lĩnh vực nghiên cứu có tính chất quyết định tới chất lượng của thông tin đó
là ảnh hưởng của fading trong quá trình truyền dẫn. Mặc dù vấn đề này đã được
phân tích nghiên cứu khá nhiều và không còn mới mẻ nhưng em muốn tìm hiểu
thêm về nó để củng cố lại kiến thức mà em đã được học tại trường, chính vì vậy
trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp em đã chọn đề tài “ Nghiên cứu về Fading
và các biện pháp chống fading trong mạng thông tin di động”.
Để giải quyết những vấn đề, em đã chia đồ án tốt nghiệp của mình thành 3
chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về thông tin di động.
Chương 2: Phân tích và đánh giá ảnh hưởng của fading đối với thông tin di
động.
Chương 3: Phương pháp chống fading trong mạng thông tin di động.
Trong suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp em đã cố gắng rất nhiều để hoàn
thành đúng yêu cầu và thời hạn quy định. Tuy nhiên do trình độ và thời gian có
hạn nên đồ án tốt nghiệp của em sẽ khó tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy em
rất mong nhận được sự góp ý sửa chữa, bổ xung của các thầy cô để đồ án tốt
nghiệp của em được đầy đủ và hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện-Điện tử. Đặc
biệt em xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Phạm Văn Phước đã động
viên và tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp.

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ HỆ THỐNG
GSM
1.1 KHÁI QUÁT VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG.
1.1.1 Lịch sử phát triển
Vào cuối thế kỷ 19, nhà bác học người Ý Marconi Guglielmo (1874-1937,
giải Nobel vật lý năm 1909) bằng những nghiên cứu và thực nghiệm đã cho thấy
là thông tin vô tuyến có thể thực hiện giữa các máy thu phát ở xa nhau và di
động. Thông tin vô tuyến lúc đó chủ yếu sử dụng mã morse, mãi cho tới năm
1928 hệ thống vô tuyến truyền thanh mới được thiết lập. Đến năm 1933 mới
thiết lập được một hệ thống thoại tương đối hoàn chỉnh đầu tiên trên thế giới,
tuy nhiên các thiết bị thời đó rẩt cồng kềnh, đầy tạp âm và tiêu tốn rất nghiều
năng lượng do sử dụng các đèn điện tử. Công tác trong giải thấp của băng VHF,
các thiết bị này liên lạc được với nhau với khoảng cách vài chục dặm. Các dịch
vụ di động trong đời sống cũng đã sử dụng thông tin di động để các hoạt động
của mình được thuận lợi. Hồi đó chất lượng thông tin di động rất kém do các đặc
tính truyền dẫn sóng vô tuyến, dẫn đến tín hiệu thu được là một tổ hợp nhiều
thành phần của tín hiệu đã được phát đi, khác nhau về biên độ, pha và thời gian
giữ chậm. Tổng véc tơ của các tín hiệu này làm cho đường bao tín hiệu thu được
bị thăng giáng mạnh và nhanh. Khi trạm di động hoạt động, mức tín hiệu thu
thường bị thay đổi lớn và nhanh làm cho chất lượng đàm thoại suy giảm trông
thấy.
Băng tần có thể sử dụng được bởi công nghệ đương thời cho thông tin vô
tuyến luôn khan hiếm. Các băng sóng trung và dài đã được sử dụng cho phát
thanh trong khi các băng tần số thấp và cao (LF và HF) thì bị chiếm bởi các dịch
vụ thông tin toàn cầu. Công nghệ thời đó chưa thích hợp để đạt được chất lượng
cao trên các băng sóng VHF và UHF. Khái niệm về tái sử dụng tần số đã được
2

nhận thức song không được sử dụng để đạt được mật độ người sử dụng cao. Do
đó, suốt nhiều năm chất lượng 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.
Khi mà các mạng điện thoại tương tự cố định thương mại đang được số
hóa nhờ sự phát minh ra những dụng cụ điện tử kích thước 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 được sử dụng song mới chỉ
ở mức độ phục vụ các nhóm chuyên biệt chứ chưa phải dành cho các cá nhân
trong cộng đồng. Mặc dù ý tưởng về một mạng tế bào đã được hình thành từ
những năm 1947 song vẫn không làm gì để khởi đầu việc áp dụng một hệ vô
tuyến tế bào. Trong những năm của thập kỷ 80 đã chứng kiến sự ra đời của một
số hệ thống vô tuyến tế bào tương tự và thường được gọi là mạng vô tuyến mặt
đất công cộng (PLMR-Public land Mobile Radio). Làm việc dải UHF, các mạng
này cho thấy một sự thay dổi vượt bậc về độ phức tạp của hệ thống thông tin
liên lạc dân sự. Chúng cho phép người sử dụng có thể đàm thoại và liên lạc trao
đổi thông tin được trong khi di động với đối tượng nào có nối tới các mạng điện
thoại chuyển mạch công cộng PSTN (Public Switched Telephone Network)
hoặc các mạng đa dịch số ISDN (Integgrated Services Digital Network).
Những năm gần dây số lượng thuê bao di động tăng lên rất nhanh, điều đó
có nghĩa là cần tăng dung lượng kênh hay độ rông băng tần để đảm bảo băng
thông là giới hạn, cho nên số lượng thuê bao lớn thì việc cần thiết là phải tăng
hiệu quả sử dụng băng tần sẵn có và quan tâm đến vấn đề chống tạp âm, nhiễu
và phading trong các hệ thống thông tin hiện nay do việc thiết kế một hệ thống
mới là cực kỳ tốn kém. Điều này đã được thấy rõ tại Việt Nam là chúng ta phải
chi trả một khoản kinh phí rất lớn cho việc phát triển các hệ thống di động như:
VIETTEL, MOBIL, VINA…

3

1.1.2 Đặc điểm truyền sóng trong thông tin di động.
Đặc tính truyền sóng trong thông tin vô tuyến di động là tín hiệu thu được ở
máy thu bị thay đổi so với tín hiệu đã được phát đi cả về tần số, biên độ, pha và
thời gian giữ chậm. Các thay đổi này có tính chất rất phức tạp, sự tác động của
chúng tới chất lượng liên lạc phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố khác nhau. Tuy
vậy, về cơ bản chúng ta có thể chia một cách vắn tắt các ảnh hưởng truyền sóng
này thành: Ảnh hưởng của hiệu ứng Dopler, tổn hao đường truyền là Fading.
 Hiệu ứng Dopler: Là sự thay đổi của tín hiệu thu so với tín hiệu phát, gây
bởi chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát trong quá trình truyền
sóng. Khi một sóng mang không bị điều chế có tần số fc , được phát tới một
máy thu di động với vận tốc υ . Tại máy thu, tần số của tín hiệu thu được theo tia
sóng thứ i sẽ là: f = fc + fm .cos α i , trong đó α i là góc tới tia sóng thứ i so với
hướng chuyển động của máy thu, fm là lượng dịch tần Dopler, fm = υ . fc /C, với
C là vận tốc ánh sáng. Như vậy, chỉ trong trường hợp máy thu đứng yên so với
máy phát ( υ =0), hoặc máy thu đang chuyển động vuông góc với góc tới của tín
hiệu (cos α i =0) thì tần số tín hiệu thu được mới không bị thay đổi so với tần số
tín hiệu phát. Hiệu ứng Dopler xảy ra mạnh khi mà máy thu di động theo
phương tia sóng tới (cos α i = ± 1)
 Tổn hao đường truyền: Là lượng suy giảm mức điện thu với mức điện phát.
Mức điện trung bình của tín hiệu thu giảm dần theo khoảng cách do công suất
tín hiệu trên một đơn vị diện tích của mặt cầu nhưng giảm dần theo khoảng cách
giữa các anten thu và phát, do hấp thụ của môi trường truyền… Trong thông tin
vô tuyến tế bào, trong nhiều trường hợp tổn hao đường truyền tuân theo quy luật
mũ 4, tức là tăng tỉ lệ với lũy thừa của khoảng cách. Trong nhiều trường hợp ta
có thể lợi dụng tính chất của tổn hao đường truyền.
 Fading: Trong những quãng cách tương đối ngắn mức tín hiệu thu trung
bình có thể xem là hằng số, tuy nhiên mức điện hiện thời của tín hiệu thu lại có
thể thay đổi nhanh với những lượng tiêu biểu tới 40db. Những thay đổi nhanh
mức điện thu tức thời này được gọi là fading nhanh.

4


Trong thực tế sóng mang được điều chế. Trong thông tin di động số, ảnh
hưởng của đặc tính truyền dẫn còn phụ thuộc vào tỷ số giữa độ dài một dấu
(symbol) và trải giữ chậm (delay spread) của kênh vô tuyến biến đổi theo thời
gian. Độ trải giữ chậm có thể xem như độ dài của tín hiệu thu được khi một
xung cực hẹp được truyền đi. Nếu số liệu được truyền đi với tốc độ thấp thì
chúng có thể giải quyết được dễ dàng tại phần thu. Đó là sự bành trướng do
truyền theo nhiều tia của một xung số liệu thì kết thúc trước khi xung tiếp theo
được phát đi. Tuy thế nếu ta cứ tăng tốc độ truyền số liệu lên mãi thì tới một lúc
mỗi dấu số hiệu sẽ trải hẳn sang các dấu số liệu lân cận, tạo ra xuyên nhiễu giữa
các dấu ISI (intersymbol intenerence). Nếu không có các mạch san bằng kênh
nhằm loại bỏ ISI thì tỉ lệ lỗi bit BER (bit-error rate) sẽ lớn tới mức không thể
chấp nhận được. Giả sử ta vẫn cứ truyền số liệu với tốc độ lớn song đưa máy di
động lại đủ gần trạm cố định đồng thời giảm một cách thích hợp công suất phát
(tức là nếu thu hẹp kích thước tế bào) thì trải giữ chậm của từng tia nhìn chung
là nhỏ. Khi đó ISI sẽ không còn đáng kể, do đó không cần san bằng kênh.
Fading được gọi là fading phẳng nếu nó xảy ra như nhau trong suốt cả dải tần
số của kênh. Fading là chọn lọc theo tần số khi nó xảy ra không đồng đều trong
dải tần số của kênh, gây nên ISI. Đối với các tế bào có kích thước lớn, các mạch
san bằng là bắt buộc ngay cả khi truyền tốc độ thấp (vài chục kb/s). Ngược lại,
với các siêu vi tế bào (picocell) trong đó trải trữ chậm nhỏ hơn 1 µ s nhiều,
fading là phẳng ngay cả với tộc độ số liệu vài Mb/s, khi đó mạch san bằng là
không cần thiết. Ở đây cần nhấn mạnh thêm rằng việc có được đường nhìn thẳng
LOS (line of sight) giữa máy thu và máy phát (thường xảy ra trong các vi tế bào)
có ý nghĩa cải thiện chất lượng liên lạc đặc biệt.
1.1.3Phân loại các hệ thống thông tin vô tuyến di động
Theo cấu trúc, chúng thường được phân thành: Hệ thống mạng tế bào, hệ
thống viễn thông không dây và vành địa phương. Theo đặc tính, có thể được

5


chia thành các hệ thống liên tục (analogue) và các hệ thống số (digital). Trong
thông tin di động, các phương thức đa truy nhập (ghép kênh) sau thường được
sử dụng: Đa truy nhập theo tần số FDMA (frequency Division Mutiple), đa truy
nhập theo thời gian TDMA (Time Division Mutiple) và đa truy nhập theo mã
CDMA (Code Division Mutiple Access).
 Phân loại theo cấu trúc.
Mạng tế bào (cellular mobile radio): Việc liên lạc được tiến hành giữa
một hệ thống trạm gốc cố định BS (Base Station) được bố trí theo các vùng địa
lý và các trạm di động MS (mobile station). Diện tích địa lý trong đó các MS
liên lạc trực tiếp với một BS được gọi là một mạng tế bào (cell), có thể coi biên
của một tế bào được xác định bằng khoảng cách cực đại mà một MS có thể xa
khỏi BS mà liên lạc vẫn còn chưa trở nên không thể chấp nhận được. Về lý
thuyết, các tế bào được bố trí dưới dạng tổ ong với kích thước thích hợp cho
phép tái sử dụng tần số nhằm đạt được mật độ người sử dụng cao. Trong thực tế,
hình dáng thực và kích thước tế bào phụ thuộc vào địa hình, công suất phát, mật
độ người sử dụng, loại anten và độ cao anten…Thông thường, trong địa hình
nông thôn, tế bào có thể có bán kính tới 35km, trong đô thị bán kính này chỉ còn
vài km. Mạng vô tuyến tế bào được dùng để tổ chức PLMR. GSM, IS-54/IS136, IS-95 (CDMA)…là các hệ thống vô tuyến tế bào tiêu biểu.
Viễn thông không dây CT (Cordless Telecommunication): Các mạng
không dây được thiết kế cho thông tin di động phủ sóng trên những khoảng cách
tương đối nhỏ như trong môi trường công sở, nhà máy…Do kích thước tế bào
nhỏ, tốc độ truyền số liệu có thể quá cao mà không cần mạch san bằng phức tạp,
thậm chí cũng không cần mã hóa kênh. Các mạng không dây tiêu biểu là DECT
(Digital European Telecommunications) của châu Âu, CT-2 của Anh.
Vành vô tuyến địa phương (wireless local loop): Được sử dụng để nối
thuê bao điện thoại tới mạng liên lạc công cộng bằng các thiết bị vô tuyến.Chất
lượng liên lạc, độ an toàn thông tin vô tuyến địa phương thì cũng tương tự như

của mạng hữu tuyến. Tùy lĩnh vực áp dụng, cự li liên lạc có thể là 200m đến
500m trong địa hình đô thị và có thể tới 20km trong vùng nông thôn. Thủ tục lắp
đặt nhanh, bảo trì và điều phối khá rẻ. Tại nhũng vùng nông thôn hoặc ở nơi hẻo
6


lánh, nơi có mật độ thuê bao thấp, việc đặt các đường dây thuê bao không mấy
kinh tế thì vành vô tuyến địa phương lại trở nên hiệu quả hơn hết.
 Phân loại theo đặc tính.
Vô tuyến di động liên tục: Là các hệ thống thế hệ thứ nhất. Tín hiệu thoại
là tín hiệu liên tục, diều chế FSK (Frequency Sift Keying). Ghép kênh chủ yếu
theo tần số. Các kênh điều khiển thì đã được số hóa.
Vô tuyến di động số: Cả tín hiệu thoại lẫn các kênh điều khiển đều là tín
hiệu số. Tốc độ truyền cao và có khả năng mã hóa thông tin.

Phân loại theo phương thức đa truy nhập:
Đa truy nhập theo tần số (FDMA): Được sử dụng chủ yếu trong thế hệ
thứ nhất, hai dải tần số có độ rộng W được sử dụng cho đường truyền xuống
(down-link) từ BS tới MS và đường truyền lên (up-link) từ MS tới BS. Có đặc
điểm là tốc độ truyền thấp, khó áp dụng các dịch vụ không thoại, hiệu quả sử
dụng tần số thấp, có bao nhiêu kênh trong một tế bào thì phải có bấy nhiêu máy
thu phát làm việc trên bấy nhiêu tần số kênh đặt tại BS, do đó kết cấu BS cồng
kềnh.
Đa truy nhập theo thời gian (TDMA): Được sử dụng trong hầu hết các hệ
thống di động thế hệ thứ hai hoàn toàn số hóa. Với loại truy nhập theo thời gian
này, mỗi người sử dụng chiếm cả giải tần W trong một khe thời gian nhất định,
tuần hoàn trong suốt thời gian liên lạc. Đặc điểm: Dễ dàng mở các dịch vụ
không thoại, thiết bị trạm BS khá đơn giản do chỉ sử dụng một máy thu phát làm
việc trên một cặp tần số ứng với các đường lên, xuống cho nhiều người sử dụng
(8 người sử dụng đối với GSM), hiệu quả tần số sử dụng cao hơn so với các hệ

thống FDMA. Đối với loại đa truy nhập này, do tốc độ truyền dữ liệu khá cao,
ISI tồn tại trong quá trình liên lạc, do đó trong nhiều trường hợp các mạch san
bằng khá phức tạp là cần thiết. Đồng bộ cũng là một vấn đề đối với phương thức
đa truy nhập này.
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). 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
7


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…Mặc dầu có các ưu điểm nổi bật như vậy, cho
đến nay CDMA chỉ được sử dụng hạn chế do các vấn đề liên quan tới điều khiển
công suất, đồng bộ và việc tìm ra các mã PN cung cấp số kênh lớn. 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 hàng 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.
 Phân loại theo phương thức song công .
Các phương thức song công trong thông tin di động là theo tần số FDD
(Frequency Division Duplex) và theo thời gian TDD (Time Division Duplex).
FDD sử dụng chủ yếu trong thông tin vô tuyến tế bào hay trong vành vô tuyến
địa phương, trong đó liên lạc đi và về giữa BS và MS thực hiện trên hai tần số
khác nhau bố trí trên hai giải tần khác nhau. TDD được sử dụng trong các mạng
liên lạc không dây CT. Với TDD chỉ một giải tần số được dành cho liên lạc cả đi
lẫn về và cấu trúc khung thời gian liên lạc được áp dụng. Việc phát từ BS tới
MS diễn ra trong một nửa khung thời gian và nửa khung thời gian kia thì dành

cho việc phát theo chiều ngược lại.
1.1.4 Hệ thống vô tuyến di động TDMA.
Sơ đồ khối cơ bản của một tuyến TDMA được cho như hình vẽ sau:

8


Mã hoá
tiếng

Mã hoá
kênh
Thông tin
đồng bộ giám
sát

Tiếng nói

Ghép xen

Đóng gói

Bộ đệm

Kênh vô
tuyến

T/h dò
đ ờng

Nhiễu

Máy thu
vô tuyến

Hàm mờ

Giải mã
kênh

Giải mã
tiếng

Điều chế

San bằng/
giải điều
chế

Giải ghép
xen

Khôi phục tiếng
nói

Tách kênh
Lọc phối
hợp

Khôi phục

đồng hồ

Hỡnh 1.1. S khi c bn ca mt tuyn TDMA
Trong cỏc h thng TDMA, mt s tớn hiu ca nhiu ngi s dng c
truyn trờn mt súng mang tn s vụ tuyn RF (Radio Frequency) n. H thng
c ng b vic truyn tớn hiu ca tng ngi s dng din ra trong tng
khe thi gian riờng trong mi khung thi gian TDMA v do ú s liu c
truyn i thnh tng gúi vi di nh hn di ca khe thi gian mt chỳt.
Nu cú n khe trong mt khung TDMA v nu s liu ú c mó húa ca mt
ngi s dng c truyn vi tc R, thỡ tớn hiu TDMA s c truyn theo
tc ln hn n.R mt chỳt.
Cu trỳc tớn hiu TDMA:

9


Chu tr×nh cña mét khung thêi gian

n-1

n

1

S

SYN

2 23

4 5

DATA

n-1 n

P

DATA

TS

1

T

2

3

4 5

G

Hìn1.2: Cấu trúc tín hiệu khung TDMA
Trong đó:
S
: Đầu khung TDMA
SYN
: Tín hiệu đồng bộ.

DATA
: Tín hiệu số liệu.
P
: Dãy dò kênh.
T
: Đuôi khung.
G
: Khoảng phòng vệ
* Hoạt động của tuyến vô tuyến TDMA như sau:
Tiếng nói được số hóa tại bộ mã tiếng nói (Encoder) nhằm đạt tốc độ bit
tương đối thấp để độ rộng phổ của tín hiệu giảm và do đó đạt được hiệu quả sử
dụng phổ cao. Tín hiệu tiếng nói số sau đó được mã hóa chống nhiễu tại thiết bị
mã hóa kênh (Channel Coder) và được tráo thứ tự truyền nhằm tránh lỗi cụm
trên kênh trong bộ tráo thứ tự truyền (Interleaver). Tín hiệu số liệu sau đó được
đưa vào khối tạo gói cùng các tín hiệu đồng bộ, thông tin giám sát và dãy tín
hiệu dò kênh (Sounding Sequence) tạo thành gói tin sẽ truyền đi trong các khe
thời gian. Sau khi qua thiết bị đệm, tín hiệu được điều chế rồi đưa tới máy phát
để phát (trên tần số vô tuyến theo các khe thời gian tuần hoàn) về phía máy thu.
Ở phần thu, tín hiệu được máy thu vô tuyến (RX frontend) thu nhận và giải điều
chế. Mạch phân đường (Demux) sẽ tách tín hiệu số liệu và tín hiệu dò kênh đưa
chúng tới các mạch xử lý tín hiệu (Gồm khối hàm mù mờ- AMBIGUITY
10


FUNCTION, bộ lọc phối hợp – Matched Filter) và san bằng kênh (Equaliser
System) nhằm loại bỏ các ảnh hưởng của trải giữ chậm quá mức, loại bỏ ISI gây
bởi fađing nhiều tia và phương pháp điều chế dải hẹp. Sau đó tín hiệu số liệu sẽ
được khôi phục lại thứ tự ban đầu, thực hiện dải tương quan lỗi tại bộ khôi phục
thứ tự số liệu (Deinterleaver). Sau bộ giải mã sửa lỗi (Channel Decoder), tín
hiệu tiếng nói số được đưa vào thiết bị giải mã tiếng nói (Speech Decoder) để

cho ra tín hiệu tiếng nói tới người nghe.
1.1.5 Các vấn đề kỹ thuật đảm bảo chất lượng liên lạc.
a. Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật.
Hiệu quả phổ có thể đánh giá bởi số người sử dụng trên một đơn vị tần số
và trong các tế bào có tái sử dụng tần số thì hiệu quả sử dụng phổ tần cũng được
tính theo tế bào. Thông số này xác định khả năng phục vụ rộng rãi cho nhiều
thuê bao của hệ thống, do đó trong rất nhiều trường hợp nó ảnh hưởng tới tính
kinh tế và khả năng cạnh tranh thị trường của hệ thống.
Chất lượng âm thanh, thường được chia thành các loại chất lượng tiếng
chuông (toll quality), chất lượng gần tiếng chuông (near- toll quality) và chất
lượng kém thường chỉ dùng trong một số hệ thống vô tuyến di động quân sự.
Mức độ phức tạp của thiết bị, giá thành máy di động và trạm cố định.
Tính tiện lợi mang xách (kích thước, trọng lượng).
Mức độ tiêu thụ nguồn.
Độ tin cậy thiết bị và độ tin cậy của đường liên lạc (độ phủ sóng, khả năng
chuyển điều khiển tin cậy không gây gián đoạn liên lạc).
Mức độ bảo mật thông tin, bảo đảm tính nội bộ, tính riêng tư của người sử
dụng.
Khả năng đáp ứng nhiều dịch vụ khác nhau cũng như khả năng dễ thích
ứng với sự phát triển trong tuơng lai.

11


b. Các biện pháp kỹ thuật đảm bảo chất lượng liên lạc.
Trong các hệ thống vô tuyến di động số, tín hiệu truyền trên kênh đó được
số hóa. Trải giữ chậm và fađing gây nên ISI tác động rất xấu tới chất lượng liên
lạc, do đó phải có các biện pháp khắc phục tác động của ISI. Ngoài ra để đạt
được chất lượng liên lạc theo yêu cầu với hiệu quả tần số cao, một loạt các biện
pháp kỹ thuật phải được áp dụng.

Mã hóa tiếng nói: Mã hóa tiếng nói là một vấn đề rất quan trọng trong việc
ấn định tốc độ bit, trong việc bảo đảm chất lượng âm thanh cũng như trong mức
độ phức tạp của thiết bị, mức độ tiêu thụ nguồn. Đối với các mạng tế bào nhỏ
hay các mạng CT, trong đó phổ tần tương đối rộng rãi, mật độ người sử dụng
không cao thì vấn đề mã hóa tiếng nói không quá trầm trọng, do đó các mã tiếng
nói đơn giản như điều chế delta, điều chế mã xung logarit log-PCM hay EDM
có thể đạt được độ giữ chậm xử lý thấp, đơn giản về thiết bị, mức tiêu thụ nguồn
thấp với chất lượng âm thanh yêu cầu. Đối với các mạng tế bào lớn, đòi hỏi phải
có các thiết bị và phương pháp mã hóa tiếng nói phức tạp hơn nhiều. Về cơ bản
các mã này dựa trên việc phân tích các đặc tính cơ bản của âm thanh, quá trình
phát âm, cho phép dẫn đến khả năng nén thông tin cao nhằm đạt được tốc độ bit
thấp với chất lượng tiếng nói theo yêu cầu. Một số mã tiếng nói thông dụng là
RPE-LPC, CELP…cho phép truyền tiếng nói với chất lượng gần chuông tại tốc
độ trên dưới 10 kbps. Các mã phức tạp này đòi hỏi các quá trình và thiết bị xử lý
phức tạp, tiêu tốn nguồn hơn các mã đơn giản và gây nên giữ chậm xử lý đáng
kể.
Mã hóa kênh (mã hóa chống nhiễu) và tráo thứ tự truyền (ghép xen): Kênh
vô tuyến thường gây ra các lỗi cụm trong truyền tín hiệu số. Để chống lại một
cách hiệu quả, tín hiệu số phải được mã hóa chống nhiễu một cách thích hợp, kết
hợp với tráo thứ tự truyền. Tráo thứ tự truyền là biện pháp nhằm giải tương quan
lỗi, giảm nhẹ nhiệm vụ cho giải mã kênh. Bản chất của biện pháp này là thay vì
các ma trận số liệu được truyền đi theo số liệu bình thường (theo hàng), chúng
12


được phát theo cột. Ở phần thu các tín hiệu số liệu sau giải điều chế được sắp
xếp lại theo thứ tự ban đầu. Để tốc độ bit không trở nên quá lớn do mã hóa
chống có thể chỉ các bit quan trọng và rất quan trọng trong tín hiệu tiếng nói số
được mã, các bit không quan trọng thì không được mã. Trong các tế bào nhỏ hay
trong hệ thống CT, do ảnh hưởng của kênh truyền không quá khắc nghiệt, các

mã kênh có thể không cần áp dụng.
Điều chế: Muốn đạt được hiệu quả phổ tần cao, các sơ đồ điều chế phản
ứng một phần có thể được áp dụng trong thông tin vô tuyến di động. Trong
trường hợp kênh hoàn toàn lý tưởng thì các ISI này có thể tính toán và triệt bỏ
một cách dễ dàng tại bộ giải điều chế. Tuy nhiên do fađing nhiều tia, hiệu ứng
Dopler, trải giữ chậm…kênh truyền biến đổi theo thời gian, vì vậy để loại bỏ ISI
thì các mạch san bằng với thuật toán phức tạp phải được áp dụng. Với các kênh
có trải giữ chậm nhỏ, cự ly liên lạc ngắn như trong hệ CT, các sơ đồ điều chế
đơn giản có thể được sử dụng và không nhất thiết phải có san bằng kênh.
San bằng: Một trong các thuật toán san bằng phức tạp thường được áp dụng
là thuật toán Viterbi. Nhờ thuật toán san bằng này tính phân tập theo tia sóng
được lợi dụng, góp phần loại bỏ ảnh hưởng của kênh biến đổi theo thời gian. Để
phục vụ san bằng, chuỗi tín hiệu dò kênh (đường truyền) được phát kèm trong
loạt tín hiệu TDMA
Nhảy tần: Nhảy tần có thể được áp dụng để tăng hiệu quả mã chống nhiễu,
giải tương quan lỗi và tăng hiệu quả phân tập. Quá trình nhảy tần đòi hỏi đồng
bộ nghiêm ngặt, trong các tế bào nhỏ thì nhảy tần có thể không cần áp dụng.
Kiểm soát công suất: Kiểm soát công suất trong thông tin di động là cần
thiết để giảm nhiễu giữa các tế bào nằm gần nhau làm việc trên cùng một băng
tần số nhằm tăng hiệu quả tái sử dụng tần số. Điều khiển công suất còn cho phép
tiết kiệm nguồn pin cho máy di động.

13


1.2 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG GSM
1.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển của GSM.
Một mạng vô tuyến tế bào gồm các BS đặt giữa các tế bào được bố trí
thành mạng hình tổ ong như hình vẽ sau:

Hình 1.3: Cấu trúc tổ ong của một mạng vô tuyến tế bào
Các băng sóng đường lên, đường xuống có độ rộng W được chia thành các
phần con Bc và mỗi dải con Bc được gán cho một tế bào, N tế bào lân cận nhau
hợp thành từng cụm N trạm gốc BS với W=N.B c. Các cụm này lại ghép giáp
nhau và phủ kín vùng gần phủ sóng là phần diện tích cần cung cấp dịch vụ liên
lạc di động. Giữa các vùng cần phủ sóng, các mạng nối với nhau có thể bằng
đường trục riêng hoặc thông qua PSTN.
Tính bảo mật: Trong GSM việc đăng ký thuê bao được ghi ở Module nhận
dạng thuê bao SIM. Card thuê bao có kích thước như tấm tín phiếu. Ta có thể
cắm card thuê bao của mình vào máy thoại GSM và chỉ có mình mới được sử
dụng nó. Hệ thống kiểm tra là đăng ký thuê bao đúng và card không bị lấy cắp.
14


Quá trình này được tự động thực hiện bằng một thủ tục nhận thực thông qua một
trung tâm nhận thực.
Tính bảo mật cũng được tăng cường nhờ việc sử dụng một mã số để ngăn
chặn hoàn toàn việc nghe trộm trên đường vô tuyến. Điều này đúng cho cả tiếng
nói và số liệu.
1.2.2 Một số ưu điểm của hệ thống GSM.
-

Các dịch vụ mạng mới và cải thiện các dịch vụ liên quan đến truyền

số liệu như nén số liệu của người sử dụng, số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao
HDCSD (High Speed Circuit Switched Data), dịch vụ vô tuyến gói đa năng
GPRS (General Packet Radio Service) và số liệu 14,4kbps.
-

Các công việc liên quan tới dịch vụ thoại như: Codec tiếng toàn tốc

cải tiến EFC (Enhanced Full Rate Codec), Codec đa tốc độ thích ứng và khai
thác tự do đầu cuối các Codec tiếng.
-

Các dịch vụ bổ xung như: chuyển hướng cuộc gọi, hiển thị tên chủ

gọi, chuyển giao các cuộc gọi và các dịch vụ cấm gọi mới.
-

Cải thiện liên quan đến dịch vụ bản tin ngắn SMS (Short Message

Service) như: móc nối các SMS, mở rộng bảng chữ cái, mở rộng tương tác giữa
các SMS.
-

Các công việc liên quan đến tính cước như: các dịch vụ trả tiền trước,

tính cước nóng và hỗ trợ cho ưu tiên vùng gia đình.
- Tăng cường công nghệ SIM.
- Dịch vụ mạng thông minh như: CAMEL.
Các cải thiện chung như: chuyển mạng GSM-AMPS, các dịch vụ
định vị, tương tác với các hệ thống thông tin di động vệ tinh và hỗ trợ định tuyến
tối ưu.

15