Giáo Trình Thông Tin Di Động ĐH CNTTTT Thái Nguyên
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.11 MB, 166 trang )
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
PHỤ LỤC
Chương 1: Khái quát chung về thông tin di động.......................................................4
1.1. Những đặc thù của thông tin di động...........................................................4
1.2. Lịch sử phát triển của thông tin di động......................................................4
1.3. Một số hệ thống thông tin di động trên thế giới...........................................6
1.4. Xu hướng phát triển của thông tin di động..................................................8
1.5. Một số kết quả đạt được mạng GSM...........................................................9
Chương 2: Tế bào – Cơ sở thiết kế hệ thống............................................................11
2.1. Tế bào và việc phân bổ tần số....................................................................11
2.2.1. Lựa chọn tế bào..................................................................................11
2.2.2. Phân chia kênh truyền........................................................................11
2.2.3. Kích thước nhóm N............................................................................12
2.2. Nhiễu cùng kênh và dung lượng hệ thống.................................................13
2.3. Nhiễu kênh lân cận và kế hoạch phân chia kênh truyền............................16
2.4. Chiến lược phân kênh và chuyển giao.......................................................17
2.5. Trung kế và cấp độ dịch vụ........................................................................18
2.5.1. Kênh chung........................................................................................18
2.5.2. Cấp độ dịch vụ...................................................................................19
2.5.3. Tổng đài không nhớ cuộc gọi bị chặn – Công thức Erlang B.............19
2.5.4. Tổng đài nhớ cuộc gọi bị chặn – Công thức Erlang C........................23
2.5.5. Hiệu suất trung kế..............................................................................25
2.6. Nâng cao dung lượng hệ thống tế bào.......................................................25
2.6.1. Chia nhỏ tế bào...................................................................................25
2.6.2. Sử dụng ăng ten định hướng...............................................................26
2.6.3. Phân vùng trong tế bào.......................................................................27
Chương 3: Mã hóa tiếng nói.....................................................................................29
3.1. Các đặc trưng của tiếng nói.......................................................................30
3.2.1. Hàm mật độ xác suất (pdf).................................................................30
3.2.2. Hàm tự tương quan (AFC).................................................................30
3.2.3. Hàm mật độ phổ công suất (psd)........................................................30
3.2.1. Lượng tử tuyến tính............................................................................31
3.2.2. Lượng tử phi tuyến.............................................................................31
3.2.3. Lượng tử thích nghi............................................................................32
3.2.4. Lượng tử véctơ...................................................................................33
3.3. Các bộ mã hóa theo dạng sóng..................................................................33
3.3.1. Bộ điều chế xung mã vi phân thích nghi (ADPCM)...........................33
3.3.2. Bộ mã hóa sóng âm theo tần số..........................................................34
3.4. Các bộ mã hóa theo nguồn âm (Vocoder)..................................................36
3.4.1. Vocoder kênh......................................................................................37
3.4.2. Vocoder hài.........................................................................................37
3.4.3. Vocoder Cepstrum..............................................................................37
3.4.4. Vocoder kích thích bằng Voice...........................................................37
Bài giảng thông tin di động
ThS. Phạm Văn Ngọc
1
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
3.4.5. Các bộ mã dự đoán tuyến tính............................................................37
3.5. Chọn bộ mã hóa tiếng nói trong thông tin di động.....................................41
3.6. Đánh giá hoạt động của bộ mã hóa tiếng nói.............................................42
Chương 4: Cân bằng – Phân tập – Mã kênh.............................................................44
4.1. Giới thiệu chung........................................................................................44
4.2. Cơ sở của kỹ thuật cân bằng thích nghi.....................................................45
4.3. Cơ sở của kỹ thuật phân tập (tổ hợp tỷ số cực đại)....................................48
4.3.1. Các dạng phân tập..............................................................................49
4.3.2. Phân tập phát......................................................................................49
4.3.3. Phân tập thu........................................................................................51
4.3.4. Bộ thu RAKE.....................................................................................51
4.3.5. Ghép xen (interleaving)......................................................................52
4.4. Mã kênh.....................................................................................................53
4.4.1. Các vấn đề cơ bản của mã kênh..........................................................53
4.4.2. Dung lượng kênh................................................................................54
4.4.3. Mã khối..............................................................................................55
4.4.4. Mã xoắn.............................................................................................66
Chương 5: Hệ thống thông tin di động tổ ong GSM................................................76
5.1. Đặc điểm chung của hệ thống GSM..........................................................76
5.2. Kiến trúc hệ thống GSM............................................................................76
5.2.1. Hệ thống con chuyển mạch – SS........................................................79
5.2.2. Hệ thống con trạm gốc – BSS............................................................80
5.2.3. Hệ thống con vận hành và bảo dưỡng OSS.......................................82
5.3. Kiến trúc vô tuyến của GSM.....................................................................84
5.4. Các loại kênh trong GSM..........................................................................85
5.4.1. Kênh lưu lượng..................................................................................86
5.4.2. Các kênh điều khiển...........................................................................86
5.5. Cuộc gọi trong GSM..................................................................................88
5.5.1. Cuộc gọi từ MS..................................................................................88
5.5.2. Cuộc gọi từ mạng cố định đến MS.....................................................89
5.6. Cấu trúc khung..........................................................................................90
5.7. Xử lý tín hiệu trong GSM..........................................................................94
5.8. Cấu trúc mạng GPRS dựa trên nền mạng GSM............................................97
5.8.1. Gateway GSN (GGSN)..........................................................................98
5.8.2. Serving GSN (SGSN)............................................................................99
5.8.3. Đơn vị kiểm tra dữ liệu gói PCU ( Packet Control Unit )....................100
5.8.4. HLR, VLR, AUC và EIR.....................................................................100
5.8.5. BSS (Base Station System)..................................................................101
5.9. Các loại kênh trong mạng GRPS.................................................................102
5.9.1. Các kênh logic gói...............................................................................102
5.9.2. Kênh lưu lượng logic gói.....................................................................104
5.9.3. Kênh lưu lượng dữ liệu gói..................................................................105
Chương 6: Hệ thống thông tin di động CDMA......................................................106
Bài giảng thông tin di động
ThS. Phạm Văn Ngọc
2
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
6.1. Giới thiệu chung......................................................................................106
6.2. Kiến trúc hệ thống CDMA......................................................................108
6.2.1 Thiết bị người sử dụng UE (USER EQUIPMENT)..............................110
6.2.2 Cấu trúc mạng truy cập.........................................................................110
6.2.3. Mạng lõi CN.......................................................................................111
6.3. Dãy giả ngẫu nhiên (PN).........................................................................112
6.3.1. Tạo dãy m.........................................................................................112
6.3.2. Tính chất của chuỗi MLSR...............................................................116
6.3.3. Hàm tương quan của tín hiệu mã giả ngẫu nhiên..............................117
6.3.4. Dãy Gold..........................................................................................119
6.4. Mã trực giao.............................................................................................119
6.5. Trải phổ dãy (chuỗi) trực tiếp (DS – SS).................................................120
6.6. Hoạt động của trải phổ dãy trực tiếp........................................................122
6.7. Trải phổ nhảy tần (FH – SS)....................................................................125
6.8. Hoạt động của trải phổ nhảy tần..............................................................127
6.9. Hệ thống MC DS – CDMA.....................................................................128
6.9.1. Mô hình hệ thống MC DS – CDMA................................................129
6.9.2. Máy phát..........................................................................................130
6.9.3. Kênh truyền......................................................................................132
6.9.4. Máy thu............................................................................................134
6.9.5. Đánh giá đặc tính hệ thống MC DS – CDMA..................................136
6.10.
Điều chế OFDM...................................................................................144
6.10.1. Cấu trúc khung.................................................................................146
6.10.2. Kỹ thuật điều chế..............................................................................147
6.10.3. Khoảng bảo vệ và tiền tố lặp............................................................149
6.10.4. Tạo cửa sổ........................................................................................151
6.10.5. Ghép xen..........................................................................................152
6.10.6. Tác dụng của chèn CP......................................................................153
Chương 7: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3...............................................159
7.1. Yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di độngt hế hệ thứ 3...............159
7.2. Hệ thống CDMA....................................................................................160
7.2.1. Vùng phủ sóng của cdma 2000.........................................................160
7.2.2. Cấu trúc của kênh cdma 2000..........................................................161
7.3. W – CDMA.............................................................................................164
7.4. Hệ thống lai ghép TDMA và CDMA (hệ thống UTRA TDD)...................165
Bài giảng thông tin di động
ThS. Phạm Văn Ngọc
3
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
Chương 1:
Khái quát chung về thông tin di động
1.1.
Những đặc thù của thông tin di động
Nói đến thông tin di động là nói đến việc liên lạc thông qua sóng điện từ bắt đầu
từ năm 1897 Gugliemo Marconi đã thực hiện liên lạc từ đất liền với những con tàu
trên biển bằng sóng điện từ. Đến năm 1980 thông tin di động mới thực sự phát triển
trên thế giới.
Để hiểu được ta làm phép tính: Mỗi cuộc liên lạc giữa hai người cần một đường
truyền độc lập, mỗi kênh giả sử có dải thông 3kHz (trên thực tế lớn hơn) thì dải tần vô
tuyến là từ 0 – 3GHz chỉ cho phép truyền 3.10 9/3.103 = 106 cuộc liên lạc cùng một lúc.
Để phục vụ hàng chục triệu người có thể cùng sử dụng máy di động cùng một lúc, đấy
chưa kể dải tần này còn dành cho rất nhiều công việc khác.
Phương pháp duy nhất để giải quyết vấn đề để nhiều người dùng độc lập trên
một dải tần vô tuyến hạn chế là: Một cuộc liên lạc di động này có thể sử dụng đúng
dải tần của một cuộc liên lạc di động khác với điều kiện hai cuộc liên lạc phải ở đủ xa
nhau về khoảng cách để sóng truyền đến nhau nhỏ hơn sóng truyền giữa hai người
trong cuộc. Do đó để thích hợp cho việc quản lý người ta chia thành các phần nhỏ gọi
là tế bào (Cellular). Hai cuộc liên lạc ở hai tế bào đủ xa nhau có thể sử dụng cùng một
dải tần số sóng điện từ thông qua việc quản lý của một trạm trung tâm tế bào. Về lý
thuyết kích thước tế bào là rất nhỏ khi đó có thể phục vụ vô số cuộc gọi cùng một lúc
chỉ cần một dải tần sóng vô tuyến hạn chế. Phương pháp này gọi là phương pháp sử
dụng lại tần số.
Tóm lại, những đặc thù của thông tin di động là: Phục vụ Đa truy cập – gắn liền
với thiết kế Mạng tế bào, các hệ qủa kéo theo liên quan đến vấn đề này là: Chuyển
giao, chống nhiễu, quản lý di động, quản lý tài nguyên vô tuyến, bảo mật,… Những
điều này khác rất nhiều với mạng vô tuyến cố định và luôn đỏi hỏi phát triển những
công nghệ mới.
1.2.
Lịch sử phát triển của thông tin di động
Để có bức tranh toàn cảnh về sự phát triển của thông tin di động ta điểm lại một
số mốc lịch sử khi phát triển thông tin di động trên thế giới.
Ta có thể lựa chọn lịch sử phát triển thông tin di động của nước Mỹ làm điển
hình:
Năm 1946: Dịch vụ điện thợi di động công cộng được giới thiệu lần đầu ở 25
thành phố. Mỗi hệ thống dùng bộ phát công suất lớn đặt trên ăng ten cao phủ sóng bán
kính 50km. kỹ thuật Push to talk (bán song công), độ rộng kênh truyền là 120kHz
(mặc dù độ rộng băng tần của tiếng nói chỉ là 3khz). Đây chưa phải là hệ thống tế bào,
tần số chưa được sử dụng lại, số người được phục vụ rất ít.
Bài giảng thông tin di động
ThS. Phạm Văn Ngọc
4
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
Năm 1950: Độ rộng kênh được thu hẹp lại còn 60kHz, dẫn đến số kênh sử
dụng tăng gấp đôi
Năm 1960: Độ rộng kênh chỉ còn 30kHz.
Từ năm 1950 – 1960: Xuất hiện trung kế tự động, dịch vụ IMTS, hiệu suất sử
dụng phổ kém so với hệ thống tế bào ngày nay.
Trong khoảng 1950 – 1960: Lý thuyết mạng tế bào ra đời tuy nhiên công nghệ
lúc đó chưa đáp ứng được.
Năm 1976: Ở New York chỉ có 12 kênh phục vụ 543 khách hàng, dịch vụ chất
lượng kém hay bị bận
Năm 1981 hệ thống điện thoại di động Bắc Âu NMT450 trở thành hệ thống
dịch vụ truyền thông di động tế bào Châu Âu đầu tiên. Hệ thống này ra đời chủ yếu
phát triển các máy điệu thoại trên xe hơi và xách tay. Là hệ thống kỹ thuật Analog,
hoạt động trên băng tần 450MHz (453 – 457.5MHz từ MS – BTS và 463 – 467.5MHz
từ BTS – MS) sử dụng đa truy cập FDMA, điều chế FSK, độ rộng băng tần là 25kHz
do đó cho phép hỗ trợ 180 kênh
Năm 1986 hệ thống NMT900 Tây âu, hệ thống này hoạt động trên băng tần
900MHz
Năm 1983: Ra đời dịch vụ thông tin di động cải tiến (AMPS) bởi công ty
AT&T. Đánh dấu sự ra đời điện thoại di động tế bào thế hệ 1. FCC phân 40MHz trên
phổ tần 800MHz, Năm 1989; FCC phân thêm 10MHz phổ cho hệ thống AMPS (824 –
849MHz từ MS – BTS và 869 – 894MHz từ BTS – MS) cho dịch vụ này mỗi kênh có
độ rộng băng tần 30kHz, do đó hệ thống có (660 832 kênh đứpđúp, (kênh song công
mỗi kênh độ rộng 2*30 = 60kHz). Trong 832 kênh có 40 kênh chỉ mang thông tin về
hệ thống. Ở mỗi thành phố phân cho 2 nhà cung cấp dịch vụ, đây là điểm đáng nhớ
trong lịch sử phát triển của thông tin di động.
Năm 1989; FCC phân thêm 10MHz phổ cho hệ thống AMPS. Hệ thống tế bào
này hoạt động trong môi trường hạn chế giao thoa, sử dụng lại tần số, kỹ thuật đa truy
nhập phân chia theo tần số FDMA, để cực đại số người dùng dải tần và tổ chức kênh
của hệ như sau:
Bài giảng thông tin di động
ThS. Phạm Văn Ngọc
5
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
Các kênh phát ngược
Các kênh phát xuôi
99 99 … 102 1 2 … 79
0 1
3
9
99 99 … 102 1 2 … 79
0 0
3
9
824 – 849 MHz
Số hiệu kênh ngược:
Số hiệu kênh xuôi:
869 – 894 MHz
Tần số: 0.030N + 825.0 MHz
0.030(N - 1023) + 825.0 MHz
0.030N + 870.0 MHz
0.030(N – 1023) + 870.0 MHz
Năm 1991: Ra đời hệ thống tế bào số (USDC) theo chuẩn IS – 54, hỗ trợ 3
người sử dụng trên một kênh truyền 30kHz ( / 4 DQPSK ). Khi kỹ thuật nén tiếng nói
và xử lý tín hiệu phát triển có thể tăng dung lượng lên 6 lần. (kết hợp với TDMA và
tồn tại song song với AMPS trên cùng cơ sở hạ tầng) đánh dấu sự ra đời của thông tin
di động thế hệ 2.
Cũng năm 1991: Hệ thống dựa trên kỹ thuật trải phổ được phát triển bởi
Quancom theo chuẩn IS – 95 hỗ trợ nhiều người sử dụng trên một dải tần 1.25MHz,
phân biệt mã trải phổ trực tiếp (CDMA). Với AMPS yêu cầu SNR >= 18 dB thì
CDMA yêu cầu thấp hơn và cho dung lượng cao hơn. Ngoài ra bộ mã hóa tiếng nói
tốc độ thay đổi có thể phát hiện tiếng nói khi đàm thoại sẽ điều khiển bộ phát chí phát
sóng khi nói sẽ làm giảm môi trường giao thoa và tiết kiệm pin.
Năm 1991 hệ thống Mạng thông tin di động thế hệ 2 ra đời ở Châu Âu với trên
phổ tần 900MHz (890 – 915MHz uplink và 935 – 960MHz downlink) sử dụng kỹ
thuật TDMA/FDMA
Vấn đề tích hợp các mạng trong một cơ sở hạ tầng cũng được đặt ra từ đầu
những năm 1990.
Năm 1995: Chính phủ Mỹ đã cấp giấy phép trên dải tần 1800/2100MHz hứa
hẹn sự phát triển mới cho dịch vụ thông tin cá nhân (PCS)
Năm 2000: tổ chức viễn thông quốc tế (ITU) đã thống nhất một số hướng và
chuẩn phát triển cho thông tin di động đa dịch vụ thế hệ 3 theo chuẩn UMTS và
CDMA2000.
1.3.
Một số hệ thống thông tin di động trên thế giới
Hệ thống thông tin di động trên thế giới phân thành 3 loại chính như sau là: Hệ
nhắn tin - điện thoại kéo dài - điện thoại tế bào trong đó:
Hệ nhắn tin: là loại hình thông tin di động bán song công người dùng chỉ nhận
được bản tin nhắn một chiều với một thiết bị thu đơn giản như một chiếc radio và
một mã số riêng.
Bài giảng thông tin di động
ThS. Phạm Văn Ngọc
6
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
Điện thoại kéo dài: là thiết bị cầm tay kết nối vô tuyến với một máy chủ đặt
trong nhà, máy chủ được kết nối với mạng điện thoại công cộng (PSTN). Tầm vô
tuyến kéo dài hẹp (<100m) tiện lợi cho người sử dụng di động tốc độ thấp….
Điện thoại tế bào cho phép người sử dụng di động tốc độ nhanh, toàn bộ vùng
dịch vụ được chia thành các tế bào kề nhau, người dùng nằm trong tế bào nào sẽ
do trạm cơ sở của tế bào đó quản lý…..
Ngoài việc phân loại trên thì trên thế giới tồn tại 3 hệ thống điện thoại với các
chuẩn không tương thích nhau đó là Nhật bản, Bắc Mỹ và Châu Âu cà các nước còn
lại. Đây là những tồn tại lịch sử mà trong xu hướng phát triển tương lai thế giới mong
muốn một hệ thống thống nhất toàn cầu đa dịch vụ, phục vụ người dùng di chuyển
khắp nơi chỉ với một thiết bị cầm tay.
Các chuẩn thông tin di động chính ở Bắc Mỹ
Chuẩn
Loại
AMPS
NAMPS
USDC
Tế bào
Tế bào
Tế bào
1983
1992
1991
FDMA
FDMA
TDMA
CDPD
IS – 95
Tế bào
Tế bào
1993
1993
GSC
POSAG
FLEX
DSC1900
(GSM)
PACS
MIRS
Bắt đầu Truy cập
Băng tần
Điều chế
Kênh
824 – 894MHz
824 – 894MHz
824 – 894MHz
FM
FM
/ 4 DQPSK
300KHz
10KHz
30KHz
FH / gói
CDMA
824 – 894MHz
824 – 894MHz
GMSK
QMSK
30KHz
12.5MHz
1.8 – 2.0 GHz
Vài kênh
Vài kênh
Vài kênh
1.85 – 1.99 GHz
/ BPSK
FSK
FSK
4 – FSK
GMSK
12.5KHz
12.5KHz
15KHz
200KHz
/PCS
Nhắn tin
Nhắn tin
Nhắn tin
PCS
1970
1970
1993
1994
Đơn công
Đơn công
Đơn công
TDMA
Kéo dài
1994
TDMA/
FDMA
1.85 – 1.99 GHz
/ 4 DQPSK
300KHz
TDMA
Vài kênh
16QAM
25KHz
/PCS
SMR.PCS 1994
Các chuẩn thông tin di động chính ở Châu Âu
Chuẩn
Loại
E-TACS
NMT-450
NMT-900
GSM
C-450
ERMES
CT2
Tế bào
Tế bào
Tế bào
Tế bào / PCS
Tế bào
Nhắn tin
Kéo dài
Bài giảng thông tin di động
Bắt đầu Truy cập
1985
1981
1986
1990
1985
1993
1989
FDMA
FDMA
FDMA
TDMA
FDMA
FDMA
FDMA
Băng tần
900 MHz
457 – 470 MHz
890 - 960 MHz
890 - 960 MHz
450 – 465 MHz
Vài kênh
864 – 868 MHz
Điều chế
FM
FM
FM
GMSK
FM
4 - FSK
GFSK
Kênh
25KHz
25KHz
12.5KHz
200KHz
20/10KHz
25KHz
100KHz
ThS. Phạm Văn Ngọc
7
Bộ môn Công nghệ truyền thông
DECT
Kéo dài
DCS-1800 Kéo dài / PCS
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
1993
1993
TDMA
TDMA
1.88 – 1.9 GHz
1.71 – 1.88 GHz
GFSK
GMSK
1.728KHz
200KHz
Hệ nhắn tin: là loại hình thông tin di động bán song công người dùng chỉ nhận
được bản tin nhắn một chiều với một thiết bị thu đơn giản như một chiếc radio
va một mã số riêng.
Điện thoại kéo dài: là thiết bị cầm tay kết nối vô tuyến với một máy chủ đặt
trong nhà, máy chủ được kết nối với mạng điện thoại công cộng (PSTN). Tầm
vô tuyến kéo dài hẹp (<100m) tiện lợi cho người sử dụng di động tốc độ
thấp….
Điện thoại tế bào cho phép người sử dụng di động tốc độ nhanh, toàn bộ vùng
dịch vụ được chia thành các tế bào kề nhau, người dùng nằm trong tế bào nào
sẽ do trạm cơ sở của tế bào đó quản lý…..
Ngoài việc phân loại trên thì trên thế giới tồn tại 3 hệ thống điện thoại với các
chuẩn không tương thích nhau đó là Nhật bản, bắc Mỹ và Châu Âu cà các nước còn
lại. Đây là những tồn tại lịch sử mà trong xu hướng phát triển tương lai thế giới mong
muốn một hệ thống thống nhất toàn cầu đa dịch vụ phục vụ người dùng di chuyển
khắp nơi chỉ với một thiết bị cầm tay.
Các chuẩn thông tin di động chính ở Nhật Bản
Chuẩn
Loại
Bắt
đầu
Truy
cập
Băng tần
JATC
Tế bào
1988
FDMA
860 – 925 MHz
FM
25KHz
PDC
Tế bào
1993
TDMA
810 – 1501 MHz
/ 4 DQPSK
25KHz
NTT
Tế bào
1979
FDMA
400/800 MHz
FM
25KHz
NTACS
Tế bào
1993
FDMA
843 – 925 MHz
FM
12.5KHz
NTT
Nhắn tin
1979
FDMA
280 MHz
FSK
12.5KHz
NEC
Nhắn tin
1979
FDMA
Vài kênh
FSK
10KHz
PHS
Kéo dài
1993
TDMA
1895 – 1907 MHz
/ 4 DQPSK
300KHz
Điều chế
kênh
1.4.
Xu hướng phát triển của thông tin di động
Hiện nay thông tin di động đang trong giai đoạn phát triển như vũ bão, đáp ứng
nhu cầu không ngừng tăng của khách hàng cả về khối lượng, chất lượng và loại hình
dịch vụ chia làm các giai đoạn phát triển sau:
Bài giảng thông tin di động
ThS. Phạm Văn Ngọc
8
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
Từ năm 1989 đã có những nghiên cứu rộng lớn trên thế giới nhằm phát triển hệ
thống vô tuyến cá nhân: Kết hợp sự thông minh của mạng PSTN, xử lý tín hiệu số
hiện đại và công nghệ RF.
Xu hướng phát triển mạng vô tuyến trong nhà (indoor) cho phép người dùng kết
nối máy tính văn phòng trong các tòa nhà lớn (tần số 1.8GHz)
Xu hướng chuẩn hoá IMT – 2000, được quyết định bởi ITU xây dựng chuẩn và
quy hoạch tần số trên toàn thế giới.
Xu hướng phát triển hệ viễn thông vệ tinh LEO, cùng với sự phát triển công
nghệ vũ trụ, hệ thông tin vệ tinh phối hợp với hệ di động mặt đất tạo nên kết nối toàn
cầu thích hợp với mọi loại địa hình và loại thông tin.
Hiện nay các quốc gia phát triển sau lại có cơ hội đi nhanh vào các ứng dụng tiên
tiến nhất và lựa chọn các mô hình thích hợp với sự phát triển của tương lai.
1.5.
Một số kết quả đạt được mạng 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 (HSCDS: High
Speed Circuit Swiched Data), dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS: General Packet
Radio Sevice) và số liệu 14,4 kbit/s.
- Các công việc liên quan đến 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 sung như:chuyển hướng cuộc gọi, hiển thị tên chủ gọi, chuyển giao
cuộc gọi và các dịch vụ chặn gọi.
- 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: CAMEL.
- Các cải thiện chung như:chuyển mạng GSM-AMPS, các dịch vụ địng vị, tương tác
với các hệ thống thông tin di động vệ tinh và hỗ trợ định tuyến tối ưu.
Thông tin di động thế hệ ba sẽ phải là thế hệ thông tin di động cho các dịch vụ di
động truyền thông cá nhân đa phương tiện. Hộp thư thoại sẽ được thay thế bằng bưu
thiếp điện tử được lồng ghép với hình ảnh và các cuộc thoại thông thường trước đây
sẽ được bổ sung các hình ảnh để trở thành thoại có hình…
Dưới đây là một số yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di động thứ ba này:
Bài giảng thông tin di động
ThS. Phạm Văn Ngọc
9
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
-
Mạng phải là băng thông rộng và có khả năng truyền thông đa phương tiện. Nghĩa
là mạng phải đảm bảo được tốc độ bit của người sử dụng đến 2Mbit/s.
-
Mạng phải có khả năng cung cấp độ rộng băng tần (dung lượng) theo yêu cầu.
Điều này xuất phát từ việc thay đổi tồc độ bit của các dịch vụ khác nhau. Ngoài ra
cần đảm bảo đường truyền vô tuyến không đối xứng chẳng hạn với:tốc độ bit ở
đường xuống và tốc độ thấp ở đường lên hoặc ngược lại.
-
Mạng phải cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu. Nghĩa là đảm bảo các kết
nối chuyển mạch cho thoại, các dịch vụ video và các khả năng số liệu gói cho các
dịch vụ số liệu.
-
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.
Băng tần cho IMT-2000 đã được quy định tại hội nghị quản lý vô tuyến thế giới
– 92 (WARC-92) vào năm 1992. Một dải phổ 230MHz trong băng tần 2GHz (18852025 MHz, 2110-2200 MHz) đã được phân chia cho IMT-2000. Tuy nhiên sự bùng nổ
nhu cầu đối với thông tin di đông và các xu hướng đa phương tiện trong thông tin di
động khiến cho ITU-R dự đoán vào giữa năm 1999 và 2000 rằng băng tần IMT-2000
sẽ trở nên không đủ trong tương lai gần. Đặc biệt, ITU-R dự báo số thuê bao IMT2000 sẽ đạt con số 200 triệu thuê bao trên toàn thế giới vào năm 2010, đồng thời ITUR cũng nhận thấy cần phải đảm bảo một băng tần chung toàn cầu để đạt được giá
thành thấp hơn nhờ việc sử dụng chung các thiết bị đầu cuối IMT-2000 trên phạm vi
toàn cầu và phát triển các chỉ tiêu kĩ thuật chung cho các thiết bị đầu cuối. ITU-R ước
tính rằng vào năm 2010 sẽ thiếu băng thông khoảng 160MHz cho các hệ thống thông
tin mặt đất và 2 x 67 MHz cho các hệ thống thông tin vệ tinh trên thế giới. Để đáp ứng
dự báo này, hội nghị thông tin vô tuyến thế giới 2000 (WRC-2000) đã đề xuất dành
các băng tần 800 MHz (806-960 MHz), 1,7GHz (1710-1885 MHz) và 2,5 GHz (25002690 MHz) để sử dụng cho IMT-2000 trên thế giới trong tương lai, còn việc phân chia
thích hợp các tần số trong các băng tần này bởi mỗi quốc gia sẽ theo nhu cầu trong
nước và các ứng dụng thương mại khác.
DECT
1885
W-CDMA
(TDD)
1900
W-CDMA
W-CDMA
Uplink
MS
(TDD)
(FDD)
1920
1980
2010
2025
W-CDMA
Downlink MS
(FDD)
2110
2170
2200
TÇn sè (MHz)
MS: Ứng dụng di động vệ tinh
DECT: Hệ thống viễn thông không dây kỹ thuật số
FDD: Song công phân chia tần số
TDD: Song công phân chia thời gian
Bài giảng thông tin di động
ThS. Phạm Văn Ngọc 10
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
Các tiêu chuẩn di động băng rộng mới được xây đựng trên cơ sở CDMA hoặc
CDMA kết hợp với TDMA.
Bài giảng thông tin di động
ThS. Phạm Văn Ngọc 11
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
Chương 2:
Tế bào – Cơ sở thiết kế hệ thống
Phương pháp sử dụng lại tần số dẫn đến vùng dịch vụ được chia thành các miền
nhỏ kề nhau gọi là các tế bào. Mỗi tế bào có một ăng ten trung tâm với công suất phù
hợp để quản lý các di động trong tế bào mà không gây nhiễu sang các tế bào khác.
Việc phân chia này phải thỏa mãn 2 yêu cầu:
Diện tích các tế bào phải phủ kín vùng dịch vụ, vùng chồng lấn giữa hai tế
bào kề nhau phải cực tiểu
Hai tế bào sử dụng cùng dải tần phải cách nhau đủ xa.
2.1.
Tế bào và việc phân bổ tần số
2.2.1. Lựa chọn tế bào
Để đơn giản ta coi địa hình là bằng phẳng lý tưởng, mỗi tế bào như một đa giác
đều. Nếu đa giác này lát kín mặt phẳng thì công thức sau đây được thỏa mãn
(n – 2).1800.
l
= 3600
n
từ đây l= 2 +
4
n 2
(2 – 1)
Ở đây n là số cạnh đa giác, l là số đa giác có chung một đỉnh để lấp kín 360 0. Do
l, n đều là các số nguyên nên (n – 2) phải là ước của 4 do đó n chỉ có thể nhận các giá
trị 3, 4, 6 tức đa giác đều phải là tam giác, tứ giác hoặc lục giác đều.
Khi sử dụng ăng ten phát tròn đặt tại tâm các đa giác này. Với tế bào lục giác
thì các hình tròn ngoại tiếp của 2 đa giác kề nhau có diện tích chồng lên nhau
nhỏ nhất, Do vậy mô hình tế bào lục giác được lựa chọn trên thực tế.
2.2.2. Phân chia kênh truyền
Giả sử chúng ta có S kênh truyền và phân cho một nhà cung cấp dịch vụ. Khi
thiết kế hệ thống không thể phân tất cả S kênh này cho một tế bào vì khi lặp lại điều
này ở tế bào bên cạnh các kênh cùng dải tần ở 2 tế bào cạnh nhau sẽ gây nhiễu lên
nhau. Do vây S kênh này phải phân cho một nhóm N tế bào (N còn gọi là kích thước
nhóm) như vậy mỗi nhóm có S/N = k kênh, rồi thiết kế lặp lại cả nhóm tế bào này trên
địa bàn dịch vụ. Điều này làm cho 2 tế bào cùng kênh ở xa nhau hơn, và hai tế bào ở
cạnh nhau chỉ sử dụng các kênh truyền khác nhau điều đó dẫn đến kích thước nhóm
càng lớn, 2 tế bào cùng kênh ở càng xa nhau.
Nếu vùng dịch vụ chia làm M tế bào thì dung lượng hệ thống (số người tối đa
có thể sử dụng cùng một lúc) được tính là T (kênh):
T = M.k = M.S/N
Bài giảng thông tin di động
(2 – 2)
ThS. Phạm Văn Ngọc 12
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
B
G
C
A
F
D
B
E
G
C
B
A
G
F
D
C
A
E
F
D
E
Hình 2 – 1: Lặp lại nhóm tế bào trong vùng dich vụ
Từ công thức này ta thấy nếu N tăng thì T giảm, nếu N giảm thì T tăng. Vậy để
đạt được dung lượng lớn nhất thì N phải tiến đến 1 (tức là phân tất cả kênh vào 1 tế
bào) song như đã nói ở trên 2 tế bào bên cạnh nhau sẽ gây nhiễu lên nhau. Ngược lại
để đảm bảo chống nhiễu tốt, N lớn sẽ làm cho dung lượng hệ thống giảm. Lựa chọn
kích thước nhóm N thích hợp là nhiệm vụ của người thiết kế.
2.2.3. Kích thước nhóm N
Khi lựa chọn tế bào hình lục giác, gọi khoảng cách tâm giữa hai tế bào có kênh
truyền giống nhau (cùng kênh) nằm gần nhau nhất là D, khoảng cách này được tính
như sau
D2 = j2(R 3 )2 + i2(R 3 )2 + i.j(R 3 )2
(2 – 3)
Ở đó j, i là các bước dịch sang ngang (vuông góc với cạnh lục giác) và dịch
nghiêng 600 (so với dịch ngang một góc 600) để tế bào này có thể trùng lên tế bào kia,
R là bán kính tế bào hình 2 – 2.
A
iR 3
D
D
A
i
j123014913713271219
jR 3
Hình 2 – 2: Liên hệ kích thước nhóm và tỷ số D/R
Bài giảng thông tin di động
ThS. Phạm Văn Ngọc 13
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
Mặt khác so tính lặp lại của lục giác và kích thước nhóm cũng được tính:
2 xDien _ tich _ tam _ giac _ deu _ canh _ D
D2 3 / 2
D2
N
2
2 i 2 j 2 i. j
Dien _ tich _ te _ bao _ luc _ giac _ Ban _ kinh _ R R 6 3 / 4 3R
(2 – 4)
Kích thước nhóm là một số nguyên N phải thỏa mãn công thức trên. Thông
thường nó được lựa chọn giá trị N = 4, 7, 12, …
Ví dụ: Phổ tần 33MHz được phân cho hệ di động song công phân chia
theo tần số có độ rộng kênh đơn là 25kHz. Tính số kênh ở mỗi tế bào ở các
trường hợp.
a. N = 4,
b. N = 7, c. N = 12 Nếu vùng dịch vụ có 50 tế bào.
Tính dung lượng hệ thống trong mỗi trường hợp đó.
Giải: Độ rộng kênh đúp là:
25kHz*2 = 50kHz
Số kênh đúp được phép là:
33000kHz/50kHz = 660 kênh đúp
N = 4 số kênh trong một tế bào là:
660/4 = 165 kênh đúp, dung lượng kênh là C = P*k = 50*165 = 8250
N = 7 số kênh trong một tế bào là:
660/7 = 94 kênh đúp
C = 50*94 = 4700
N = 12 số kênh trong một tế bào là:
660/12 = 55 kênh đúp
C = 50*55 = 2450
2.2.
Nhiễu cùng kênh và dung lượng hệ thống
Để đánh giá ảnh hưởng của nhiễu cùng tần số do việc sử dụng lại kênh truyền
ta có công thức suy giảm sóng điện từ là:
p( d ) p( d 0 )
d
d0
n
(2 – 5)
Ở đó p(d0) là công suất sóng điện từ tại khoảng cách d 0, p(d) là công suất sóng
điện từ tại khoảng cách d so với nguồn phát, n là số mũ suy giảm sóng điện từ (chỉ
phụ thuộc vào môi trường truyền sóng).
Tỷ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu cùng kênh gây bởi 6 tế bào xung
quanh thu tại máy di động được tính là:
S
S
6
I
I
(2 – 6)
i
i 1
Bài giảng thông tin di động
ThS. Phạm Văn Ngọc 14
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
Hình 2 – 3a: Nhiễu đồng kênh lên bộ thu của máy di động
Ở đó S là công suất tín hiệu có ích thu tại máy di động cách xa tâm tế bào
khoảng R (khi ở rìa tế bào). I là công suất không mong muốn cùng kênh cảủau trạm
phát ở các tế bào xung quanh gần nhất cách máy di động xấp xỉ khoảng D. Sử dụng
công thức tính D và công thức suy giảm sóng điện từ (2 – 3) đến ( 2 – 5) ta thu được:
D2 = j2(R 3 )2 + i2(R 3 )2 +j.i(R 3 )2,
n
S 1 �R n � 1 �R � 1
� � � �
I 6 �D n � 6 �D � 6
3N
n
N
D2
3R 2
(2 – 7)
Q = D/R còn gọi là tỷ số lặp lại kênh, từ công thức (2 – 2), ( 2 – 7) ở trên ta có
thể suy ra:
Hình 2 – 3b: Nhiễu đồng kênh lên bộ thu của máy di động
Quy tắc thiết kế trên địa hình lý tưởng:
Từ S/I, n N, D/R
Bài giảng thông tin di động
ThS. Phạm Văn Ngọc 15
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
Các thông số S/I và n bị quy định trước bởi môi trường và tính năng bộ thu bởi
nhà chế tạo thiết bị, N và D/R được tính toán thiết kế bởi nhà cung cấp tế bào. Để xác
định tiếp R phải thống kê mật độ địa lý người sử dụng (mật dộ lưu lượng) và số kênh
tương ứng trong mỗi thế bào.
Ví dụ: Máy thu di động hoạt động tốt đòi hỏi S/I > 15dB. Hãy tính hệ số lặp lại
kênh, kích thước nhóm tế bào để hệ thống có dung lượng lớn nhất ứng với các trường
hợp suy giảm sóng điện từ so môi trường là:
a. n = 4,
b. n = 3
cự ly và công suất như nhau)
(coi rằng chỉ có 6 tế bào xung quanh gây nhiễu với
Giải:
a. Với n = 4 ta chọn N = 7, ta có tỷ số lặp lại kênh là
D/R = 3N = 3 * 7 = 4,583
S/I = 1/6(D/R)n = (1/6)(4,583)4 = 75,3 = 18,66 dB
đây Đây là mô hình chấp nhận được
b. Với n = 3 ta chọn N = 7 ta có tỷ số lặp lại kênh là:
D/R = 3N = 3 * 7 = 4,583
S/I = (1/6)(4,583)3 = 16,4 = 12,05 dB không thỏa mãn yêu cầu máy thu
Do đó ta cần tăng N, N = 12 (j = 2; i = 2) ta có
D/R = 3N = 3 * 12 = 6
Khi đó S/I = (1/6)(6)3 = 36 = 15,56 dB mô hình chấp nhận được
2.3.
Nhiễu kênh lân cận và kế hoạch phân chia kênh truyền
Một đặc thù riêng của mạng thông tin di động tế bào là phải tính đến nhiễu
kênh lân cận dẫn đến việc phải hoạch định tần số trong nhóm tế bào khi thiết kế:
Nhiễu kênh lân cận gây bởi bộ lọc máy thu không lý tưởng và hiệu ứng xa gần
biểu hiện rõ ở bộ thu của trạm cơ sở. Vì bộ lọc không lý tưởng nên tín hiệu không
mong muốn ở kênh lân cận mặc dù bị triệt mạnh song nếu nó là tín hiệu rất mạnh (do
một máy di động ở gần trạm cơ sở) vẫn chui vào bộ thu gây nhiễu tín hiệu không
mong muốn của một máy di động khác khi máy này ở xa bộ thu trạm cơ sở. Được
minh họa trên hình 2 – 4:
Giả sử máy di động MS1 ở gần trạm cơ sở hơn máy MS2 20 lần (S MS2/IMS1) =
(20)-n = -52dB (với n = 4). Nếu bộ lọc trung tâm của máy thu trạm cơ sở có sườn dốc
20dB/octabi thì muốn chống nhiễu kênh lân cận dải tần phát của 2 máy di động phải
cách xa nhau 6 lần độ rộng kênh truyền. Do đó khi lập kế hoạch phân chia kênh
truyền cho các tế bào phải chú ý đến điều này.
Bài giảng thông tin di động
ThS. Phạm Văn Ngọc 16
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
MS1
MS2
Hình 2 – 4: Nhiễu kênh lân cận lên bộ thu trạm cơ sở
Ví dụ: Hệ AMPS năm 1983 có 666 kênh đúp, năm 1989 có thêm 166 kênh đúp
tổng cộng có 666 + 166 = 832 kênh đúp.
Bảng 2 – 4: Phân kênh trong hệ AMPS cho 2 nhà cung cấp dịch vụ A và B
Nhà cung cấp A
1A
2A
3A
4A
5A
6A
7A
1B
2B
3B
4B
5B
6B
7B
1C
2C
3C
4C
5C
6C
7C
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
111
112
113
114
115
116
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
990
991
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
….
1003 1004 1005 1006 1007 1008 1009 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 1022 1023
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
775
776
777
778
779
780
781
782
783
784
785
786
787
788
789
790
791
792
793
794
795
796
797
798
799
Nhà cung cấp B
Chia cho 2 công ty dịch vụ mỗi công ty 416 kênh, trừ các kênh đóng vai trò
điều khiển còn lại 399 kênh được chia thành 21 tập con bằng cách đánh số liên tiếp,
mỗi tập con 19 kênh. Các kênh trong một tập cách nhau 21 kênh. Trong mô hình lặp
lại 7 tế bào (N = 7). Mỗi tế bào được phân chia theo công thức iA + iB + iC đảm bảo
trong một tế bào cách nhau ít nhất 6 kênh.
2.4.
Chiến lược phân kênh và chuyển giao
Việc chia vùng dịch vụ thành các tế bào, tất yếu phải giải quyết vấn đề chuyển
giao khi người dùng di chuyển trong khi liên lạc. Các hệ thống thông tin di động hiện
đại luôn phải làm tốt hai việc là phân kênh và chuyển giao.
Phân kênh tĩnh kết hợp phân kênh động: điều này gắn với mật độ người sử
dụng thay đổi theo thời gian hoặc khi có sự tụ họp bất thường của những
người dùng máy di động, nên bên cạnh một số kênh được phân cố định còn
Bài giảng thông tin di động
ThS. Phạm Văn Ngọc 17
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
có một số kênh dự trữ được phân linh hoạt theo tình huống cụ thể của
mạng.
Chuyển giao tránh hiện tượng “ping pong” và có nguyên tắc ưu tiên.
6dB
A
6dB
B
Hình 2 – 5: Ngưỡng chuyển giao
Khi máy di động chi chuyển theo tuyến đường nằm chính giữa hai tế bào có thể
xẩy ra tình huống chuyển đổi qua lại quyền quản lý của hai trạm cơ sở. Hiện tượng
này gọi là hiệu ứng “ping pong” gây quá tải ở bộ phận điều khiển chuyển giao. Để
khử hiệu ứng này cần đặt một mức ngưỡng chuyển giao (thông thường là 6dB với hệ
thống tương tự), tức là khi tín hiệu thu được ở tế bào mới phải lớn hơn tín hiệu thu
được từ tế bào cũ 6dB thì mới quyết định chuyển giao. (hình 2 – 5)
Điều này đã tách một biên chuyển giao thành 2 biên khác nhau. Nếu đặt 2 mức
ngưỡng này khác nhau (theo 2 chiều chuyển động thì có thể thay đổi “mềm” được
“kích thước” quản lý của 2 tế bào.
Kỹ thuật MAHO (máy di động hỗ trợ chuyển giao): Là kỹ thuật giảm tải
tính toán quản lý lên tổng đài hoặc các bộ điều khiển chuyển giao, phân
việc đo mức và báo cáo mức tín hiệu nhận được từ các trạm cơ sở xung
quanh cho chính máy di động.
Chuyển giao trong hệ thống người dùng có tốc độ chuyển động khác nhau:
Điều này liên quan đến cấu hình các tế bào chồng phủ lên nhau có kích
thước khác nhau nhằm quản lý các di động có tốc độ rất khác nhau. Người
Bài giảng thông tin di động
ThS. Phạm Văn Ngọc 18
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
dùng di chuyển tốc độ chậm được phân sang hệ thống các tế bào kích thước
nhỏ (đáp ứng nơi có mật độ người sử dụng cao). Người dùng di chuyển tốc
độ cao được phân sang hệ tế bào kích thước lớn (giảm tần suất chuyển
giao).
2
1
3
4
5
Hình 2 – 6: Phân vùng tế bào lớn kết hợp tế bào nhỏ (chồng cell)
2.5.
Trung kế và cấp độ dịch vụ
2.5.1. Kênh chung
Kênh vô tuyến trong thông tin di động được sử dụng chung lần lượt cho nhiều
người, giống trung kế tổng đài hữu tuyến. Nó chỉ được cấp phát khi có yêu cầu, do đó
chỉ cần một số ít kênh mà vẫn phục vụ được khá nhiều người
“Lưu lượng (A): Là đại lượng đo phần thời gian sử dụng có ích trong 1 giờ.”.
“Đơn vị đo lưu lượng là Erlang - Erl”
Ví dụ: Trong 1 giờ có 1 cuộc gọi kéo dài 30 phút. Ta nói lưu lượng cuộc gọi là
0.5 Erlang.
“Cường độ lưu lượng (Au): Diễn tả lưu lượng trung bình của người sử dụng.”
Ví dụ: Trong 1 giờ người gọi gọi cuộc gọi, mỗi cuộc gọi kéo dài trung bình
H phút. Cương độ lưu lượng sử dụng là Au = H/60. Nếu U người sử dụng trong hệ
thống giống nhau thì khi đó lưu lượng tổng cộng của cả hệ thống là A = U.Au.
Với 1 kênh truyền thì lưu lượng của 1 kênh luôn <= 1, tuy nhiên với hệ thống
có nhiều kênh truyền thì lưu lượng hệ thống có thể lớn hơn 1.
2.5.2. Cấp độ dịch vụ
Bài toán lần lượt dùng chung kênh của nhiều người là bài toán xác suất dựa
trên lưu lượng trung bình của cuộc gọi và xác suất truy cập của người sử dụng. Vào
thời điểm đồng nhất trong ngày, trong tuần,… nhiều người cùng gọi một lúc dẫn đến
số kênh truyền không đáp ứng được có thể làm cuộc gọi bị chặn.
“Cấp độ dịch vụ là chỉ số cho biết xác suất xảy ra cuộc gọi bị chặn vào lúc cao
điểm là bao nhiêu”.
Ví dụ: Hệ thống có GOS = 2% tức là trong 100 lần người sử dụng tiến hành
liên lạc có thể xẩy ra 2 lần cuộc gọi bị chặn (tổng đài báo hệ thống bị bận)
Bài giảng thông tin di động
ThS. Phạm Văn Ngọc 19
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
Erlang nêu ra công thức liên hệ 3 đại lượng: Cấp độ dịch vụ (GOS: xác suất
cuộc gọi bị chặn), số kênh truyền C của hệ thống (số kênh cho 1 tế bào) và lưu lượng
người sử dụng A (lưu lượng tổng cộng trong một tế bào) với 2 loại tổng đài.
2.5.3. Tổng đài không nhớ cuộc gọi bị chặn – Công thức Erlang B
Các giả thiết bổ sung để xây dựng công thức là:
Không tính thời gian thiết lập cuộc gọi
Người có cuộc gọi bị chặn khi truy cập lần tiếp theo bình đẳng như những
người truy cập khác
Số người truy cập tuân theo phân bố Poisson
Thời gian chiếm kênh của một cuộc gọi phân bố theo hàm mũ (E.e-t)
Có số hữu hạn kênh được sử dụng
Ta có công thức:
Pr(bi chan)
AC
C
C!
k 0
Ak
k!
(2 – 8)
Ở đó C là số kênh trung kế
A là lưu lượng tổng cộng của hệ
Pr xác suất cuộc gọi bị chặn (GOS)
Có thể xây dựng mô hình người sử dụng hữu hạn kết quả nhỏ hơn kết quả tính
được theo công thức này. Ta có thể tra theo kết quả theo hình 2 – 7.
Ví dụ 1:
Có bao nhiêu người dùng có thể được phục vụ với tổng đài không nhớ cuộc gọi
bị chặn có cấp độ GOS 5%0, nếu số kênh trong một tế bào của hệ thống là:
a. C = 1,
b. C = 5,
c. C = 10,
d. C = 20,
e. C = 100
Biết lưu lượng mỗi người dùng là 0.1 Erl
Giải:
Từ bảng trên ta có thể đưa ra được lưu lượng tổng cộng.
a. C = 1
Au = 0.1
GOS = 0.005
Ta có A = 0.005 suy ra tổng số người dùng là U = A/A u = 0.005/0.1 = 0.05
người, ta chọn U = 1
b. C = 5
Au = 0.1
GOS = 0.005
Ta có A = 1.13 suy ra tổng số người dùng là U = A/A u = 1.13/0.1 = 11.3 người, ta
chọn U = 11
c. C = 10
Au = 0.1
Bài giảng thông tin di động
GOS = 0.005
ThS. Phạm Văn Ngọc 20
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
Ta có A = 3.96 suy ra tổng số người dùng là U = A/Au = 3.96/0.1 = 39.6 người, ta
chọn U = 39
Bài giảng thông tin di động
ThS. Phạm Văn Ngọc 21
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
Hình 2 – 7: Giản đồ Erlang B
Bài giảng thông tin di động
ThS. Phạm Văn Ngọc
22
Bộ môn Công nghệ truyền thông
d. C = 20
Au = 0.1
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
GOS = 0.005
Ta có A = 11.1 suy ra tổng số người dùng là U = A/A u = 11.1/0.1 = 111 người, ta
chọn U = 111
e. C = 100
Au = 0.1
GOS = 0.005
Ta có A = 80.9 suy ra tổng số người dùng là U = A/A u = 80.9/0.1 = 809 người, ta
chọn U = 809
Ví dụ 2:
Một thành phố rộng 1300km2 được phủ sóng bởi hệ thống tế bào 7 ô lặp lại (N = 7).
Với mỗi tế bào có bán kính là R = 4km. thành phố được cấp phát bẳng tần với động rộng
băng tổng cộng là 40MHz phổ và độ rộng băng của một kênh đúp là 60KHz. Giả sử cấp
độ dịch vụ là GOS = 2% theo công thức Erlang B với tổng đài không nhớ cuộc gọi bị
chặn và lưu lượng của mỗi khách hàng trung bình là 0.03 Erl. Tính
a. Số tế bào trong thành phố
b. Số kênh trên một tế bào
c. Lưu lượng cuộc gọi trên mỗi tế bào
d. Lưu lượng của toàn thành phố
e. Tổng số người có thể dùng theo GOS = 2%
f. Số người dùng trên một kênh của toàn thành phố
g. Số người dùng cùng một lúc nhiều nhất.
Giải:
a. Diện tích một tế bào là: (tế bào lục giác) = ( 6
3 2
R )
4
2.5981*R2 = 2.5981*(4)2 = 41.57 (km2)
Số tế bào trong thành phố là 1300/41.57 = 31 tế bào
b. Số kênh trên một tế bào là:
40000000/(60000*7) = 95 kênh (C)
c. C = 95, GOS = 0.02 ta có A = 84 Erlan/ tế bào
d. Lưu lượng của toàn thành phố
31*84 = 2604 Erlan
e. Mỗi người dùng 0.03Erlnên tổng số người có thể được phục vụ là:
U = A/Au = 2604/0.03 = 86600 người
Bài giảng thông tin di động
ThS. Phạm Văn Ngọc
23
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
f. Số người dùng trên một kênh là
86600/(7*95) = 130 người/ kênh
g. Số người dùng nhiều nhất cùng một lúc là:
95*31 = 2945 người
2.5.4. Tổng đài nhớ cuộc gọi bị chặn – Công thức Erlang C
Ở hệ thống này một cuộc gọi bị chặn sẽ được xếp hàng trong dãy những cuộc gọi bị
chặn chờ được truy cập.
GOS lúc này sẽ là chỉ số cho biết khả năng một cuộc gọi bị chặn và phải chời trong
một thời gian xác định.
Để tính GOS trước hết ta phải tính xác suất cuộc gọi bị chặn theo công thức Erlang C
Pr(cho doi 0)
AC
A C 1 Ak
A C C!1
C k 0 k!
(2 – 9)
Có thể tính hoặc là tra kết quả theo hình 2 – 8.
Sau đó nhân với xác suất chờ t giây trong hàng đợi. Công thức cuối cùng là:
Pr(cho doi t ) Pr(cho doi 0) * Pr(cho doi t | cho doi 0)
(C A)t
Pr(cho doi t ) Pr(cho doi 0) * exp
H
(2 – 10)
Thời gian chờ đợi trung bình của hệ thống sẽ là:
D Pr(cho doi 0)
H
(s)
C A
Ví dụ:
Hệ tế bào lục giác trong có: N = 4 và bán kính tế bào R = 1.387 km.
Hệ được phân dải tần ứng với 60 kênh đúp. Nếu lưu lượng người dùng là 0.029Erl,
và có 1 cuộc gọi/giờ. Với GOS là 5% hãy xác định.
a. Bao nhiêu người dùng/km2 được cung cấp bởi hệ này.
b. Xác suất cuộc gọi (sau khi bị chặn) phải chờ thêm t = 10 giây.
c. Xác suất tổng cộng cuộc gọi phải chờ t = 10 giây.
Giải:
Với bán kính tế bào là R = 1.387 km diện tích tế bào là 5km2
N = 4 và tổng số kênh đúp là 60 kênh nên số kênh / tế bào = 60/4 = 15
a.
Tra bảng Erlan C với GOS = 5% và C =15 ta có A = 8.8 Erl
Bài giảng thông tin di động
ThS. Phạm Văn Ngọc
24
Bộ môn Công nghệ truyền thông
Khoa CN ĐT&TT – Trường Đại học CNTT&TT
Hình 2 – 8: Bảng kết quả công thức Erlan C
Bài giảng thông tin di động
ThS. Phạm Văn Ngọc
25
