THÔNG TIN DI ĐỘNG
ThS. Hà Duy Hưng
Mobile: (090)988.8605
Email:
1
Mục đích:
Mobile anywhere, anytime, anyone, any device, any service
Hệ thống thông tin di động là một trong những hệ thống thông tin
đang đựơc phát triển cũng như triển khai nhanh trong lĩnh vực viễn
thông hiện nay ở nước ta hiểu được các kiến thức liên quan, các
kỹ thuật được sử dụng cũng như kiến trúc mạng là một trong
những yêu cầu cho tất cả sinh viên của nghành viễn thông.
Nội Dung:
Quá trình phát triển trong lĩnh vực di động
Các kiến thức cơ bản trong mạng di động tế bào
Các ảnh hưởng chính cũng như các kỹ thuật được áp dụng cho
mạng
Kiến trúc mạng GSM, CDMA2000, WCDMA
2
Tài liệu tham khảo:
[1] Mobile Radio Networks, 2nd Edition 2002, Bernhard H. Walke
[2] Mobile Fading Channels, 2002, Matthias Pätzold
[3] Mobile Communications Design Fundamentals, 1993 2nd
Edition, William C. Y. Lee
[4] Mobile Channel Characteristics, 2000, James K. Cavers
[5] Wireless Communications, 1996, Theodore S. Rappaport
[6] The Mobile Radio Propagation Channel, 2000 2nd Edition, J. D.
Parsons
[7] Mobile Radio Communications, 1992, R. Steele
[8] Microwave Mobile Communications, 1974, W. C. Jakes, Jr.
3
Vấn đề thi cử:
+ Thi Viết (90 phút)
+ Nhiều đề (được xem tất cả các loại tài liệu)
+ Tuyệt đối không được trao đổi khi thi (2đ/lần)
+ Điều kiện được thi: phải làm đủ bài tập về nhà và tham gia giải
bài tập tại lớp
+ Không thi lần 3, đề thi lần 2 ở mức độ bằng hoặc khó hơn đề
thi lần 1
+ Mọi thắc mắc trao đổi trực tiếp qua email
4
1. Lịch sử Thông Tin Vô Tuyến
• Hệ thống thông tin vô tuyến đầu tiên là LOS (Light Of Sight )
Dùng khói (smoke), dùng lửa (flare), dùng gương (mirror) và
semaphore
• Truyền dẫn sóng điện từ đầu tiên (1895)
Được thí nghiệm thành công ở Anh của hảng Macroni
• Hệ thống vô tuyến truyền thoại đầu tiên 1915 được sử dụng ở
Mỹ
• Dịch vụ điện thoại di động đầu tiên được sử dụng tại 25 thành
phố của Mỹ 1946 (hạn chế về dung lượng và hiệu quả sử dụng phổ
tần số)
• Thế hệ thứ I (1G) của Hệ thống thông tin di độ5ng tế bào (cellular
mobile communication nerworks) 1983 do At&T dùng kỹ thuật
Một số hệ thống đầu tiên:
Narrowband AMPS (NAMPS).
Total Access Cellular System (TACS).
Extended Total Access Communication System (ETACS).
Nordic Mobile Telephone System (NMT900).
Nippon Telephone and Telephone (NTT).
Một số đặc điểm:
Phân bổ tần số hạn chế.
Dung lượng thấp.
Nhiễu xảy ra khi máy di động di chuyển trong môi trường fading nhiều
tia.
Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi.
Không tương thích giữa các hệ thống với nhau
6
• Thế hệ thứ II (2G) của Hệ thống thông tin di động tế bào 1987 ở
Châu Âu dùng kỹ thuật TDMA, CDMA kết hợp FDMA là hệ thống
thông tin số có thể truyền dữ liệu tốc độ 19.2 kbps
Một số hệ thống tiêu biểu:
United States Digital Cellular (USDC) standards IS54, IS136, IS95.
Global System for Mobile communications (GSM).
Pacific Digital Cellular (PDC).
CdmaOne.
Ưu điểm của thế hệ này hiệu quả sử dụng tần số cao hơn, bảo mật
tốt hơn, dung lượng và chất lượng cũng cao hơn thế hệ 1, kết hợp
nhiều loại hình dịch vụ, dùng mạch tích hợp (số), mã sữa lỗi, bộ cân
bằng, tương thích mạng khác dễ dàng.
7
• Thế hệ thứ III (3G) của Hệ thống thông tin di động tế bào được đề xuất vào
năm 2000 còn được gọi là IMT2000 (International Mobile Telecommunications) s ử
dụng kỹ thuật TDMA, CDMA kết hợp FDMA với các yêu cầu:
Tốc độ 144 kbps cho thuê bao di động chuyển động tốc độ cao
Tốc độ 384 kbps cho thuê bao di động chuyển động tốc độ thấp
Tốc độ 2 Mbps cho thuê bao di động không chuyển động
Chất lượng dịch vụ phải không thua kém chất lượng dịch vụ mạng cố định
nhất là đối với thoại.
Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu, nghĩa là bao gồm cả thông tin vệ
tinh
Có 3 hệ thống được đề xuất:
WCDMA (Wideband –CDMA)
CDMA – 2000
UMTS (Universal Mobile Telecommunication system) đ
8 ược phát triển từ
GSM
Hệ thống thế hệ 2.5G phát triển từ GSM
GPRS – General Packet Radio Services
HSCSD – High Speed Circuit Switch Data
• Xu hướng phát triển
9
Macrocell
>600 m
Microcell
60 to 600 m
Fixed Wireless(802.16)
/LAN(802.11)
Visual
Video Conference
Video phone
Networked
Computing
Interactive Games
Medical Imaging
Image
Fax
Voice
Packet
Interactive Cable
Video
Data
Picocell
6 to 60 m
3G Mobile
Email
PDA
Cellullar/PCS
WAN
Voice Messaging
ComputerComputer
Circuit
Voice
Narrowband
(Copper)
64 Kbps
Wideband
(Copper/Fiber)
64 Kbps~1.5Mbps
Broadband
(Fiber)
45Mbps
10
• Thế hệ 4G (dự kiến)
Indoor
Cellular
W-LAN
W-PAN
4G
Satellite
Communica
tions
Radio
Broadcasting
TV
Broadcasting
11
• Thế hệ 4G (vision 2010???)
12
• Thế hệ 4G: nguyên lý
13
• Thế hệ 4G: tốc độ dữ liệu và tính di động
Walk
Indoor
r
la
llu
Ce
lar
llu
Ce
Walk
3G
Fixed
2G
4G
Outdoor
Vehicle
Fixed/
desktop
14
• Thế hệ 4G: công nghệ sử dụng
1k
3G Cellular
100
802.11b
MIMO
10
) sr ete m( e g na R
Bluetooth
802.11a
UW
B
1
1M
10M
100M
Peak Data Rate
1G
15
10G
2. Nguyên lý mạng Di Động Tế Bào (Cellular Mobile Nertwork)
• Mạng di động ban đầu dựa trên trạm thu phát đặt cao với công suất
lớn phủ một vùng với diện tích rộng:
Không sử dụng lại tần số
Dung lượng bị hạn chế
Máy cấm tay có kích thước lớn
1970s thay thế các trạm thu phát công suất lớn bằng các trạm thu
phát với công suất bé phủ một vùng diện tích vừa đủ để có thể sử
dụng lại phổ tần mạng di động tế bào (cell)
Cell là vùng phủ sóng của một trạm thu phát (BTS) thể hiện là hình
lục giác
Sử dụng lại tần số là dùng lại kênh tần số cho một cell khác
Dung lượng tăng, thiết bị cầm tay bé, và độ phức t16ạp tăng (handover,
roaming, signaling and mornitoring)
• Cell được thể hiện bằng một
cặp số nguyên (i,j). Trong đó i là
số cell khi di chuyển vuông góc với
một cạnh của lục giác, j là số cell
khi đổi hướng 600 ngược chiều
kim đồng hồ (như hình bên). Giả
thiết khoảng cách giữa tâm 2 cell
kề nhau được chuẩn hoá bằng một
B
G
A
F
B
d
12
u u
2
1
u u v v
2
1
2
j
D
E
G
C
A
F
• Định lý: khoảng cách giữa 2
điểm có toạ độ (u1,v1) và (u2,v2) là
2
C
B
i
1
G
D
A
E
F
D
E
1
v v
2
C
2
1
17
P
u*
v
v*
3
a=60o
u * ,v * : c o o r d in a te s
o f p o in t P
u
2
1
a
2
3
1
0
-1 -1
Trục toạ độ (u,v) có chiều dài đơn vị theo mỗi trục 3R
là
Tâm mỗi cell thể hiện bằng một cặp số nguyên
18
v
d 12
d
12
x
x
u
y
v
d
2
12
u
( u 2 , 0 )
( u 1 , 0 ) 3 0 o
x = ( u 2 u 1 ) c o s 3 0
o
0
y
2
( u 2 , v 2 )
y
( u 1 , v 1 )
x
30
v
y
( u 1 , v 1 )
2
v
( u 2 , v 2 )
u
0
u
v1
o
v2
( u 2 u 1 ) s i n 3 0
o
30
0
2
u cos 30
2
1
u
2
u
2
v
cos 30
v
1
u
2
u sin 30
2
1
2
2u
u
2
u
1
1
2
u
2
v
2
v
1
v
1
2
2
v
2
u
2
1
u
2
1
v sin 30
1
u
2
u
1
v
19
2
v
1
2
sin 30
2
o
R
R
R
• Bán kính cell
R
• Số lượng cell trong một cụm
là
2
1
3
N=
• Khoảng cách giữa 2
cell (0,0) và cell (i,j)
D
i
2
ij
j
D
3R 2
• Khoảng cách giữa 2 cell đồng
kênh là
2
D = R 3N
Q=
D
= 3N
R
• Cụm cell (nhóm cell – cluster) là một nhóm các cell được gán
bởi một bộ tần sao cho không gây nhiễu lẫn nhau. Bán kính
của cụm là (xem D là khoảng cách giữa 2 cell lớn – 2 cụm)
Rc
D
3
20
i
j
N
1
0
1
1
1
3
2
0
4
2
1
7
2
2
12
3
0
9
3
1
13
3
2
19
4
0
16
4
1
21
5
0
25
21
i
j
N
1
0
1
1
1
3
2
0
4
2
1
7
2
2
12
3
0
9
3
1
13
3
2
19
4
0
16
4
1
21
5
0
25
22
• Các loại kích thước cell
Megacells: phủ hàng trăm km (satellite BS)
Macrocells: phủ hàng chục km (phủ thành phố)
Microcells: phủ hàng trăm m (tòa nhà, khu thương mại, hội
nghị, hội chợ,…)
Picocells: WLAN (trong toà nhà)
Femtocells: Mạng truy cập cá nhân, đồ dùng, vật dụng trong
nhà PAN.
23
• Dung lượng kênh của hệ thống tế bào
Giả sử có N cells, mỗi cell được phân (gán) một nhóm kênh k, N
cells tạo thành một cụm (nhóm cell) gọi là Cluster. Vậy số kênh trên
một cụm là:
S = kN
Số lần lặp lại của Cluster M, tổng dung lượng của hệ thống là
C = kNM = MS
N là được gọi là kích thước của Cluster thường 4, 7 hoặc 12. N
càng lớn thì nhiễu đồng kênh càng bé chất lượng tốt. Ngược lại
kích thước Cluster không đổi và kích thước cell giảm thì dung lượng
kênh sẽ tăng kỹ thuật chia cell. Mỗi cell trong một Cluster chiếm
24
1/N kênh của hệ thống
Số users được phục vụ đồng thời
Atot là tổng diện tích cần bảo phủ
Ac là diện tích của một cell
BW là tổng dải thông của hệ thống
B là băng thông của một kênh song công
N là hệ số sử dụng lại tần số
Số users được phục vụ đồng thời là:
Atot BW 1
n=
Ac B N
25