VÔ TUYẾN SỐ VÀ CÁC GIAO DIỆN SỬ DỤNG TRONG HỆ GSM

VÔ TUYẾN SỐ VÀ CÁC GIAO DIỆN SỬ DỤNG TRONG HỆ GSM
I-VÔ TUYẾN SỐ TỔNG QUÁT
Thông tin di động số Cellular đời mới hiện nay sử dụng tần số vô tuyến từ
800 MHz trở lên. Với tần số nói trên và giả thiết nguồn phát đặt trong một không
gian tự do và truyền sống lí tưởng. Suy hao đường truyền sẽ tỷ lệ thuận với bình
phương cự li. Trong môi trường di động thì chất lượng của tín hiệu luôn thay đổi
theo thời gian chẳng hạn khi đi xuyên qua một đường hầm giữa hai quả đồi. Hiệu
ứng đặc biệt này gọi là che tối hay fadinh chậm. Ở đây ta sẽ xét đến các tình huống
phát sinh khi thu tín hiệu.
1- Suy hao đường truyền và fadinh
- Suy hao đường truyền là quá trình mà ở đó tín hiệu thu yếu dần do khoảng
cách giữa trạm di động và gốc ngày càng tăng.Không có vật cản ở giữa ta thu được
kết quả:
Ls = d
2
+ f
2
Hay theo [db]
Ls[db]=33,4[db]+20log(f MHz)+20log(d Km)
33,4 là hằng số tỉ lệ .
Vấn đề này không là trở ngại ở hệ thống vô tuyến Cellular. Vì trước khi mất
liên lạc ta phải thực hiện một đường truyền mới qua một trạm gốc khác.
Tuy nhiên ít khi sử dụng trạm di động của mình ở một môi trường không có
chướng ngại.
Các chướng ngại như toà nhà, đồi núi làm dẫn đến hiệu ứng che tối vì vậy
làm giảm cường độ tín hiệu thu. Khi di động cùng đài di động cường độ tín hiệu
giảm và tăng cho dù giữa anten thu và phát có hay không có chướng ngại. Đây là
một loại fadinh làm cho cường độ tín hiện tăng giảm. Chỗ giảm gọi là chỗ trũng
của fadinh. loại fadinh này gọi là fadinh chuẩn logarit. Loại này có dạng phân bố
xung quanh một giá trị trung bình,nếu ta lấy log cường độ tín hiệu. Thời gian giữa
hai chỗ trũng fadinh thường là vài giây khi di động lắp trên xe và chuyển động.

Một hiện tượng khác khi mật độ thuê bao máy di động cao hơn ở các thành
phố. Thì việc sử dụng trạm di động ở thành phố dẫn đến một hiệu ứng nhiễu được
gọi là fadinh nhiều tia hay Raile. Hiệu ứng này xảy ra khi tín hiệu truyền nhiều
đường từ anten phát đến anten thu.
Tín hiệu thu không được thu trực tiếp từ anten phát Tx mà từ nhiều phương
khác nhau từ các điểm phản xạ , chẳng hạn các toà nhà giữa các anten không có
khoảng nhìn.
Các tín hiệu này đạt đến trạm di động do nhiều lần phản xạ từ các toà nhà
lớn.
Do vậy tín hiệu thu là tổng của nhiều tín hiệu giống nhau như khác pha (và
khác biên độ ở mức nhất định). Khi ta cộng các tín hiệu này thì có thể vectơ tổng
gần bằng không nghĩa là cường độ tín hiệu rất gần không dẫn đến chỗ trũng fadinh
rất nghiêm trọng .
Khoảng thời gian giữa hai chỗ trũng fadinh phụ thuộc cả vào tốc độ chuyển
động cũng như vào tần số phát. Một cách gần đúng có thể nói khoảng cách giữa hai
chỗ trũng gần bằng một nửa bước sóng.Ở dải 900 MHz khoảng 17 cm. Vậy nếu xe
chạy với vận tốc 50Km/h thì thời gian gữa hai chỗ trũng sẽ như sau:
V=14m/s
λ =1/3 m ⇒ T=λ /2V=12 ms

Mẫu fadinh phụ thuộc tần số
Ở một khoảng cách nhất định X mét so vớ Tx. Tín hiệu thu có thể như sau:

Cưòng độ tín hiệu Rx phụ thuộc khoảng cách .
Vậy độ nhạy của máy thu là tín hiệu vào yếu nhất cần thiết cho mọi tín hiệu
ra qui định.
Giả sử cần thu X w để có thể phát hiện được thông tin gửi đế từ anten Tx.
Vậy tín hiệu này phải nhỏ hơn X w thì mất dẫn đến không thể qui hoạch hệ thống
của mình theo giá trị trung bình chung của cường độ tín hiệu. Vậy phải có một
lượng dự trữ fadinh từ giá trị trung bình chung đến độ nhạy của máy thu bằng chỗ

tăng của fadinh sâu nhất như hình trên.
Do vậy cần phải có các biện pháp chống lại fadinh
2- Phân tán thời gian
Việc sử dụng truyền dẫn số nảy sinh một vấn đề khác: phân tán thời gian .
Vấn đề này bắt nguồn từ phản xạ nhưng khác với fadinh nhiều tia tín hiệu phản xạ
đến từ một vật ở xa anten Rx vào khoảng vài Km.
Sự phân tán thời gian dẫn đến giao thoa giữa các kí hiệu (ISI). ISI thể hiện ở
chỗ các kí hiệu lân cận giao thoa với nhau và ở phía thu khó quyết định được kí
hiệu nào (hay thực sự kí hiệu nào được phát). Chuỗi 0,1 được phát từ trạm di động
nếu tín hiệu phản xạ đến chậm hơn tín hiệu đi thẳng một bit thì máy thu phát hiện 1
từ sóng phản xạ đồng thời phát hiện 0 từ sóng đi thẳng. Do đó kí hiệu 1 giao thoa
với kí hiệu 0.Ở GSM tốc độ bit là 270 Kbit/s dẫn đến một bit có độ lâu 3,7 Ms. Vì
thế một bit tương ứng với 1,1 Km , nếu có phản xạ từ một Km phiá sau trạm di
động thì tín hiệu phản xạ phải đi một quãng đường dài hơn tín hiệu đi thẳng 2Km.
Suy ra phản xạ trộn một tín hiệu trễ 2 bit so với tín hiệu mong muốn với tín
hiệu mong muốn này.
3- Các phương pháp phòng ngừa suy hao truyền dẫn do fadinh
Ta đã trình bày về các vấn đề này. Bây giờ ta xét các phương pháp giải quyết
chúng.
- Phân tập anten
Là sử dụng hai kênh thu chịu ảnh hưởng fadinh độc lập. Thường ít có nguy
cơ cả hai anten bị chỗ trũng fadinh sâu cùng một lúc do vậy hai anten thu độc lập
thu cùng một tín hiệu sẽ chịu tác động của các đường bao fadinh khác nhau.
Khi kết hợp các tín hiệu từ hai anten có thể giảm mức độ fadinh. khoảng
cách giữa hai anten đủ lớn để tương quan giữa các tín hiệu ở hai anten nhỏ.
Thực tế thường là vài mét. Cần tăng khoảng cách đối với các tần số thấp
hơn.
ở 900MHz có thể tăng 6 dB với cự li giữa hai anten là 5-6 m.
- Nhảy tần
Như đã đề cập ở trên khi nói đến fadinh Raile. Mẫu fadinh phụ thuộc vào tần

số. Điều này có nghĩa là chỗ trũng của fadinh sẽ xảy ra ở các vị trí khác nhau. Đơn
giản ta có thể nói rằng để lợi dụng hiện tượng này ta thay đổi tần số sóng mang
trong một số các tần số. Khi cuộc gọi đang tiến hành và nếu gặp một chỗ trũng
fadinh thì sẽ chỉ mất một phần thông tin. Bằng cách sử lí phức tạp ta có thể khôi
phục lại toàn bộ thông tin.
- Mã hoá kênh
Ở truyền dẫn số người ta thường đo chất lượng của tín hiệu được truyền
bằng số lượng các bit thu được chính xác. Điều này dẫn đến biểu diễn tỉ số bit
lỗi(BER). BER nói lên bao nhiêu bít trong tổng số bít bị phát hiện là mắc lỗi. Tất
nhiên ta muốn số này hay tỷ số này nhỏ nhất. Tuy nhiên do đường truyển dẫn luôn
luôn thay đổi không thể giảm số này tới không. Nghĩa là ta phải cho phép một số
lượng lỗi nhất định và ngoài ra có khả năng khôi phục thông tin này hay ít nhất có
thể phát hiện các lỗi để không sử dụng thông tin này vì nhầm là đúng. Điều này
đặc biệt quan trọng klhi phát đi số liệu đối với lỗi có thể chấp nhận lỗi ít hơn.
Do vậy ta phải dùng mã hoá kênh, có thể phát hiện hoặc sửa lỗi ở luồng bít
thu nghĩa là sẽ có một loại bít dư thừa giữa các bít. Ta mở rộng thông tin một bít
thành thông tin có lượng bít lớn hơn do vậy phải gửi đi nhiều bít hơn cân thiết
nhưng được độ an toàn cao.
Ví dụ : Muốn gửi bít 0 hay 1 ta bổ xung theo cách sau:
0  0000
1  1111
Xét khối mã sau được gửi và thu được
Thu được 0000 0010 0110 0111 1101
Quyết định 0 0 x 1 1
Ở ví dụ này ta phát hiện hai lỗi và sửa một lỗi .
Có thể chia các mã kiểm tra lỗi thành hai loại: Các mã khối và các mã xoắn.
Ở mã khối ta thêm một số bít thông tin nhất định.
Khối thông tin Khối mã.
Bộ mã hóa khối.
Thông tin

Kiểm tra
Thông tin
Do các mã khối từ các bít kiểm tra trong khối mã chỉ phụ thuộc vào các bít
thông tin ở khối bản tin.
Còn ở mã hoá xoắn bộ mã hoá được tạo ra các bít mà không chỉ phụ thuộc
vào các bít của khối bản tin hiện thời được dịch vào bộ mã hoá, nó còn phụ thuộc
vào các bít của các khối trước
Sơ đồ minh hoạ:
Khối bản tin Khối thông tin được
mã hoá
Thông tin Thông tin
Bộ mã hoá xoắn
Thông tin được mã
hoá
Do vậy mã khối thường được sử dụng khi có báo hiệu định hướng theo khối
chẳng hạn ở vô tuyến di động mặt đất tương tự khi có số liệu được phát đi theo
khối nó thường được sử dụng để phát hiện lỗi khi thực hiện ( ARQ) yêu cầu lặp lại
tự động.
Khi phát hiện lỗi ta yêu cầu phát lại còn mã hoá xoắn liên quan đến sửa lỗi.
Khi không có phương tiện ARQ. Khi số hoá tiến và phát nó to không thể phát lại vì
điều này dẫn đến chậm trễ quá lớn.
Do vậy cả hai phương pháp đều được sử dụng ở GSM.
Tiếng được cát thành các đoạn 20 ms và được số hoá sau đó mã hoá bộ mã
hoá tiếng cung cấp 260 bít cho 20 ms. Các bít này chia thành :
+50 bít rất quan trọng
+1332 bít quan trọng
+78 bít không quan trọng lắm
Ba bít chẵn lẻ được bổ xung vào 50 bít rất quan trọng ( Mã hoá khối ). 53 bít
này cùng với 132 bít quan trọng và 4 bít đuôi được mã hoá xoắn để tạo thành 378
bít (tỷ lệ 1:2 ) các bít còn lại không được bảo vệ được minh hoạ ở hình sau:

456 bít
50
132
78
50+3
132+4
78
Các bít được mã hoá 378 Các bít không 78
được mã hoá
- Ghép xen
Trong thực tế các lỗi bít thường được xảy ra thành cụm. Đó là vì các chỗ
trũng fadinh lâu làm ảnh hưởng nhiều bít liên tiếp. Tiếc rằng mã hoá kênh hiệu suất
nhất khi phát hiện và hiệu chỉnh các lỗi đơn cũng như các cụm lỗi không quá dài.
Để giải quyết vấn đề này chúng ta cần phải tìm cách tách riêng các bít liên tiếp của
một bảng tin sao cho các bít này được gửi đi theo cách không liên tiếp và được
thực hiện bằng cách ghép xen .
Các khối bản tin
Ghép xen
Các khối bản tin được
ghép xen
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
1 1` 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4
Ví dụ:
Giả thiết mỗi khối bản tin gồm 4 bít . Ta lấy các bít đầu của bốn khối liên
tiếp và đặt các bít số này vào cùng một khối , bốn bít mới ta gọi là một khung .
Cũng làm như vậy với các bits thứ 2,3,4 củat bốn khối bản tin. Sau đó ta phát các
khung này đi . Khi truyền dẫn có thể khối 2 bị mất. Khi không ghép xen thì toàn bộ
khối bản tin này sẽ mất, như khi ghép xen thì chỉ có bít thứ hai của từng khối là bị
mắc lỗi. Nhờ mã hoá kênh mà ta có thể khôi phục lại được thông tin của tất cả các
khối.

1 x 3 4 1 x 3 4 1 x 3 4 1 x 3 4 1 x 3 4
Ở GSM bộ mã hoá kênh cung cấp 456 bít cho từng 20 ms tiếng. Các bít này
được ghép xen để tạo ra các khối 57 bít.
57 bít
8 khung
1
9
17
25
.
.
.
449
2
10
.
.
.
.
.
450
3
11
.
.
.
.
.
451
4

12
.
.
.
.
.
452
5
13
.
.
.
.
.
453
6
14
.
.
.
.
.
454
7
15
.
.
.
.
.

455
8
16
.
.
.
.
.
456
Mức ghép xen thứ hai:
20ms tiếng 20ms tiếng 20ms tiếng 20ms tiếng
456 bít = 8×57 456 bít = 8×57 456 bít = 8×57 456 bít = 8×57
20 ms tiếng tạo ra 456 bít các bít này được ghép xen vào 8 nhóm (khung) 57
bít
Ở một cụm bình thường có khoảng trống 2×57 bít. Nếu ta lấy 2×57 bít từ
cùng một khung và đặt chúng vào cùng một cụm thì việc mất cụm này dẫn đến
tổng số bít mất là 25% quá lớn đối với việc xử lí mã hoá kênh cho nên cần bổ xung
mức ghép xen nữa giữa hai khung tiếng . Điều này làm tăng thời gian trễ ở hệ
thống nhưng khi đó cho phép mất toàn bộ cụm mà chỉ ảnh hưởng 12,5% số bít của
mỗi khung tiếng và có thể hiệụ chỉnh bằng mã hoá kênh.

3 3
57 1 26 1 57
Cụm bình thường

A
A
A
A
B A

B A
B A
B A
C B
C B
C B
C B
D C
D C
D C
D C