Tài liệu Phân chia tài nguyên tần số cho truy cập gói ứng dụng trong dịch vụ internet tế bào

If fcf <,* H Đ Ạ I H Ọ C Q Ư Ỗ C G IA H À N Ộ I o i KHOA CÔNG NGHỆ 5fc5*:ỉịcỉỊc NGUYỄN THỊ THU HUYỀN P H ÂN C H IA T À I N G U Y Ê N C H O ỪNG TR U Y C Ậ P D Ụ N G TR O N G TẦN sô ' G Ó I D ỊC H v ụ IN T E R N E T T Ế B A O C huyên n g à n h : K ỹ th u ậ t Vô tu y ế n Đ iện tử & TT Liên lạc Mã số: 2.07.00 LUẬN VĂN THẠC s ĩ Đ A I H O C o- ;ọc G I A H À N Ó I Ị TRUNG TAM TUỒNG TIN THƯ V Ó ! No v~ Lo, NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. TRỊNH ANH vũ Hà N ộ i-2 0 0 2 P h â n c h i a t à i n g u y ê n tẩ n s ố Luân văn ca o hoc MỤC LỤC C H Ư Ơ N G I :C Á C V Ấ N Đ Ể c ơ B Ả N V Ể s ử DỤNG TẨN s ố TR O NG CÁC HỆ T H Ố N G T H Ô N G T IN D I Đ Ộ N G ................................!..................................................................... !................6 1. V À I N É T LỊCH s ử ........................................ .............................................................................................. 6 2. C Á C K Ỹ T H U Ậ T C ơ B Ả N S Ử D Ụ N G T A N s ố T R O N G T H Ô N G T IN DI Đ Ộ N G :......9 2.1 Đ a truy c ậ p : ........................................................................................................................................................ 9 2 .2 C ác hệ báng hẹp :............................................................................................................................................. 9 2.3 Các h ệ băng r ộ n g :......................................................................................................................................... 10 2 .4 Đ a truy cập phân th eo tần số (F D M A ):............................................................................................... 10 2.5 Đ a truy cập phân th eo thời gian (T D M A )....................................................................................... 13 2 .6 K ỹ thuật đa truy nhập phân chia th eo m ã C D M A ........................................................................16 2.6.1 N g u y ên lý của v iệ c truyền dẫn tín hiệu c ó tố c đ ộ thay đ ổ i ............................................... 19 2 .6 .2 M ột s ố dặc đ iểm của C D M A :..........................................................................................................2 0 2 .7 So sánh C D M A với F D M A và T D M A : ................................................................................................21 C H Ư Ơ N G II: S Ử D Ụ N G T Ầ N s ố T R O N G H Ệ T H Ố N G G S M V À C ỈP R S ........................... 25 1. HỆ T H Ố N G G S M ................................................................................................................................................25 1. i G iới thiệu vồ h ệ th ốn g G S M ..................................................................................................................25 1.2 C ác đ ặc tính của m ạn g th ôn g tin di đ ộ n g G S M ............................................................................25 1.3 C á c d ịch vụ củ a G S M ..................................................................................................................26 1.3.1 D ịch vụ th oại.......................................................................................................................................... 26 1 .3 .2 C ác d ịch vụ s ố l i ệ u .............................................................................................................................. 27 1.4 Cấu trúc m ạng G S M ...................................................................................................................................... 28 C ác thành phần của m ạn g G S M ......................................................................................................................28 1.4.1. Trạm di đ ộ n g M S .................................................................................................................................2 9 1 .4 .2 Phân hệ v ô tuỵến B S S ..........................................................................................................................29 1.4.3 Phân hệ ch u y ển m ạch N S S ...............................................................................................................3 0 1.5 T ổ chức các k ên h trên g ia o d iện vô tu y ế n .......................................................................................... 3 0 1.5.1 C ác phương pháp đa truy n h ậ p :....................................................................................................3 0 1 .5 .2 K hái n iệm k ên h :..................................................................................................................................... 31 1 .5.2.1 K ênh vật lý :..................................................................................................................................... 31 1 .5 .2 .2 K ênh lo g ic :...................................................................................................................................... 31 1.6 P hổ tần s ố trong G S M ................................................................................................................................. 31 mạng 2. D ỊCH V Ụ G P R S ....................................................................................................................................................35 2.1 G iới th iệu d ịch vụ G P R S :........................................................................................................................ 35 2 .2 C ác d ịch vụ trong m ạn g G P R S .................................................................................................................36 2 .2 .1 D ịc h vụ Đ iể m Đ iể m (P T P )............................................................................................................3 6 2 .2 .2 D ịch vụ Đ iể m - Đ a đ iểm (P T M ).................................................................................................... 37 2 .4 Cấu trúc m ạn g G P R S xây dựng trên c ơ s ở m ạng G S M ................................................................ 38 2.5 Cấp phát kênh trong G P R S ........................................................................................................................ 39 2.5.1 K ênh l o g i c : ..............................................................................................................................................39 2 .5 .2 Sắp x ếp cá c k ênh lo g ic trên các kênh vật l ý : ...........................................................................4 0 2 .5 .3 Cấp phát n guồn tài n g u y ê n :..............................................................................................................41 Nguyễn Thị Thu Huyền - Lớp công nghệ điện tử viễn thông Trang 1 Lu án vãn cao ho e P h â n c h ia tả i n s u y ê n tầ n s ố 2.6 Truyền gói trong G PRS :......................................................................................................................... 42 2.6.1 T ruyền gói bắt đầu từ m ob ile:..................................................................................................... 42 2 .6 .2 T ruyền g ó i hướng lê n :.................................................................................................................... 43 2 .6 .2 .1 Cấp phát đ ộ n g :.......................................................................................................................... 43 2 .6 .2 .2 G iải phóng nguồn tài n gu yên :............................................................................................. 43 2 .6 .2 .3 Cấp phát tĩn h :............................................................................................................................45 2 .6 .3 T ruyền gói hướng x u ố n g :............................................................................................................45 2 .6 .3 .1 Packet P a g in g :.......................................................................................................................... 45 2 .6 .3 .2 Truyền gói dữ liệ u :................................................................................................................. 46 2 .6 .3 .3 Giải phóng nguồn tài n g u y ên :............................................................................................48 2 .6 .3 .4 Truyền gói hướng lẽn và hướng xu ống đồne, th ờ i:....................................................48 2.7 G PR S Inter - w orkin g:.............................................................................................................................. 48 2.7.1 Tương tác với IP:............................................................................................................................... 48 2 .7 .2 Truy cập m ạng Intranet, Internet hoặc ISP qua G P R S :..................................................... 48 2.8 M ột s ố tham số đánh giá chất lượng dịch vụ G P R S ....................................................................49 2.8.1 Đ ộ ưu tiên dịch v ụ ............................................................................................................................49 2 .8 .2 Đ ọ tin c ậ y -R elia b ility ......................................................................................................................50 2 .8 .3 Trễ- D e la y .............................................................................................................................................51 B ảng2.2: Phân lớp tr ễ............................................................................................................................ 51 2 .8 .4 T hôn g lượng- T houghput................................................................................................................ 51 2 .9 Các phương án phân chia dung lư ợ n g............................................................................................... 52 2.9 .1 Phương án 1 .........................................................................................................................................53 2 .9 .2 Phương án 2 .........................................................................................................................................53 2 .9 .3 Phương án 3 .........................................................................................................................................54 3. K Ế T L U Ậ N : ................................................................................................................................................54 C H Ư Ơ N G III: P H Â N C H IA T À I N G U Y Ê N T Ẩ N s ố C H O T R U Y C Ậ P G Ó I Ú N G D Ụ N G T R O N G D ỊC H v ụ IN T E R N E T T Ế B À O ........................................... ..................................... 57 1 LÒI GIỚI T IIIỆ U :........................................................................................................................................... 57 2 A C IS M A C :............ ........................................................................................................................................... 61 2.1 Thuật loan D PA đưòng x u ố n g :............................................................................................................ 62 2.2. D PA sử dụng sự nhạy g ia o thoa và cấp độ ưu tiôn...................................................................... 65 2.3 Thực hiện D PA dựa vào m ô hình thoại g ó i: ................................................................................... 66 3. K H U N G D P A X Ế P C H É O :......................................................................................................................... 73 3.1 H oạt động của khung xếp ch éo D P A :............................................................................................... 75 3.2. M ô hình lưu lượng cho các dịch vụ dữ liệu W eb:....................................................................... 76 3.3 Một số kết q u ả :........................................................................................................................................... 78 4. C Á C KẾT L U Ậ N :............................................................................................................................................ 84 Nguyễn Thị Thu Huyền - Lớp công nghệ điện tử viễn thông Trang 2 P h â n c h i a tà i n g u y ê n tầ n s ố Luân vặn ca o h ọ c LỜI CẢM ƠN Hoàn thành bản luận văn này, tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của TS Trinh Anh Vũ, người đã khuyến khích, hỗ trợ ý tưởng lựa chọn đề tài: Phân chia tài nguyên tần số cho truy cập gói ứng dụng trong dịch vụ Internet tế bào người đã hướng dẫn tác giả viết luận văn này. Ý tường ban đầu để chọn đề tài xuất phát từ những kiến thức được học qua môn thông tin di động do TS Trịnh Anh Vũ giảng dạy trong chương trình cao học. Cuối cùng, tác giả xin được chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, gia đình, bạn bè những người đã góp phần dạy dỗ, đào tạo và hết lòng hỗ trợ để tác giá có thể hoàn thành luận văn này. Nguyễn Thị Thu Huyền - Lớp công nghệ diện tử viỗn thông Trang 3 P h â n c h ia tà i n g u y ê n tổ n s ố L uân văn ca o h o e MỞ ĐẦU Từ khi ra đời, mạng thông tin di động GSMđã góp phần đáng kê trong việc thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của thị trường thông tin di động thế giới. Nhưng cũng như các công Iighệ khác, sau gần 20 năm phát triển, thông tin di động thế hệ 2 bắt đầu bộc lộ những khiếm khuyết của nó khi nhu cầu dịch vụ truyển dữ liệu và các dịch vụ bàng rộng ngày càng trở nên cấp thiết. Tinh trạng phát triển các mạng di động thế hệ thứ hai(2G) quá nhiều phát sinh ra một loạt các vấn để cần phải giải quyết như phân bổ tần số bị hạn chế, chuyển vùng phức tạp và không kinh tế, chất lượng chưa đạt được mức của điện thoại cố định□Những nhược điểm cơ bản của hệ thống GSM là chuyển mạch kênh không thích ứng được với các tốc độ số liệu cao, và sự lãng phí tài nguyên do một kênh luôn luôn ở trạng thái mờ ngay cả khi không có lưu lượng đi qua. Sự phát triển cíia mạng Internet cũng đòi hỏi khá năng hỗ trợ truy cập Internet và thực hiện thương mại điện tử di động..Trước tình hình này, việc chuyển sang sử dụng hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 là quá trình tất yếu. Tuy nhiêu, cho đến nay, chưa có các tiêu chuẩn chung thống nhất cho thông tin di đông thế hệ thứ ba, hơn nữa, việc chuyển đổi trực tiếp đòi hỏi chi phí đầu tư quá lớn cần có một giải pháp quá độ có thể chấp nhận được cà từphía nhà sản xuất, nhà khai thác và khách hàng. Công nghệ dịch vụ gói chung GPRS. GPRS có thể khắc phục được các nhược điểm chính của mạng GSM đồng thời cho phép sử dụng cơ sở hạ tầng sẵn có của mạng GSM. Trong mạng GPRS, tài nguyên vô tuyến được sử dụng hiệu quả hơn do kênh truyền chỉ phải phục vụ khi thực sự có dữ liệu cần phát hoặc thu.Tốc độ tối đa có thê đạt được theo lý thuyết là 17l,2kb/s với điều kiện sử dụng cả 8 khe thời gian và không sửa lỗi. Tính phổ biến của trang Web làm tăng thèm sự thâm nhập thị trường. Đã đến lúc cần xem xét một cách tổng hợp mạng không dây, mặc dù dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp (GPRS) trong hệ thống GSMcó thể cung cấp tối đa khoảng 171Kb/s sử dụng công nghệ Nguyễn Thị Thu Huyền - Lứp công nghệ điện tử viễn thông Trang 4 L uân văn c a o h o e P h á n c h ia t à i n g u y ê n tầ n s ố tế bào số thế hệ thứ hai song vẫn chưa đáp ứtig được các dịch vụ Internet tốc độ băng rộng ờ tế bào vùng lớn. Dịch vụ Internet tế bào mới (ACÍ — Advanced Cellular Internet Service) nhằm đến các ứng dụng như là tìm Web với tốc độ đường xuống tối đa đạt tới 1 Mbit/s đến 2 Mbit/s sử dụng cơ sở hạ tầng tế bào diện rộng. Để cung cấp độ rộng băng tần theo yêu cầu trong việc sử dụng phổ tần số qííy hiếm, thủ tục điều khiển truy cập môi trường phải thỏa mãn hai yêu cầu: > Xử lý động với lưu lượng khác nhau > Tái sử dụng phố tần hạn chế một cách hiệu quả ở tốc độ đình cao và chất lượng tốt. Luận văn này nghiên cứu mô hình thuật toán đáp ứng được cả hai yêu cầu trên, các kết quả mô phỏng đã chúng tỏ được các ưu điểm của mô hình này. Kết cấu luận văn gồm 3 chương Chương 1: Các vấn đề cơ bản về sử đụng tần số trong các hệ thông thông tin di động. Chương 2: Sử dụng tần số trong hê thống GSMvà GPRS Chương 3: Phùn chia tài nguyên tần số cho truy cập gói ứng dụng trong dịch vụ Internet tế bào. Nguyễn Thị Thu Huyển - Lớp công nghệ điện tử viễn thông Trang 5 L nân văn cao hoe P h â n c h ia tà i n g u y ê n tấ n s ố CHƯƠNG I:CÁC VÂN ĐỂ c ơ BẢN VỂ s ử DỤNG TAN SỐ TRONG CÁC HỆ TH ốN G THÔNG TIN DI ĐỘNG 1. VÀI NÉT LỊCH sử: Thông tin vô tuyến luôn không ngừng phát triển và ngày càng đòi hỏi các kỹ thuật tinh vi, bởi vẠy quá trình phát triển của I1 Óluôn theo sát sự tiến bộ của công nghệ điện tứ. Ý tưởng về sự liên lạc tức thời không quan tâm đến khoảng cách là một trong những giấc mơ lâu đời nhất của loài người, và giấc mơ đó đang ngày cànẹ trở thành hiện thực với sự giúp đỡ của kỹ thuật. Sự thực hiện sóng vô tuyến vào trong thông tin diễn ra đầu tiên vào cuối thế kỷ 19 và được dùng trong điện báo vô tuyến. Kể từ đó, 11Ó trở thành một công nghệ được ứng dụng rộng rãi trong thông tin quân đội. ứng đụng dùng trong thông tin công cộngđầu tiên là thông tin quảng bá (âm thanh và sau đó là hình ảnh): nó đơn giản hơn rất nhiều so với điện thoại vô tuyến và là thông tin một chiều. Sự bùng Iió thật sự trong thông tin vô tuyến công cộng hai chiều diễn ra ngay sau chiến tranh Thế giới thứ 2, khi mà việc sử dụng điều chế tần số và các công nghệ điện tửđã cho phép thực hiện dịch vụ điện thoại lắp đặt trên ô tô. Dịch vụ điện thoại di động đầu tiên được chính thức ra đời ở St Louis (Missouri, USA) năm 1946. Châu Âu đang khôi phục lại sau chiến tranh cũng tiếp bước vài năm sau. Mạng điện thoại di động đầu tiên được hoạt động một cách thủ công (cần phải có sự can thiệp của nhâu viên trực để nối cuộc gọi vào mạng cố định) còn thiết bị thì nặng, cổng kềnh và rất đắt. Vùng phục vụ bị giới hạn trong vùng phủ sóng của một trạm phát và thu (toàn bộ hệ thống chỉ có một cell). Có rất ít phổ tần số dành cho loại dich vụ này vì còn phải ưu tiên cấp phát cho quân đôi và phát thanh quảng bá. Kết quả là dung lượng của hệ thống thấp và nhanh chóng bão hoà mặc dù chi phí cho thiết bị đầu cuối cao đã ngăn cản một số lượng khách hàng lớn. Nguyễn Thị Thu Huyền - Lớp công nghệ điện tử viễn thông Trang 6 Luân văn cao hoe P h â n c h ia tà i n g u y ê n tầ n s ố Từ năm 1950 đến 1980, hệ thống vô tuyến di động phát triển thành hệ thống tự động và chi phí giảm do sự ra đời của công nghệ bán dẫn. Dung lượng của hệ thống có tăng lên nhưng vẫn quá nhỏ so với nhu cầu. Trong những năm 70, sự tích hợp các thiết bị điện tử với phạm vi lớn và sự phát triển của bộ vi sử lý đã cho phép thực hiện các hệ thống phức tạp hơn. Do vùng phủ sóng của một anten vị giới hạn chủ yếu bởi công suất phát của máy di động, người ta nghĩ ra cách thêm vào hệ thống rất nhiều trạm thu trong khi vẫn duy trì một trạmphát. Điều này cho phép vùng phủ sóng chiếm diệu tích lớn gấp nhiều lần. Nhưng bước đột phá thực sự chính là sự ra đời của hệ thống cellular, nơi mà số trạm phát cũng nhu thu là rất nhiều và diện tích vùng phủ sóng của nó có một phần trùng lên nhau. Thay cho việc tìm cách tăng công suất phát hệ thống cellular dựa trên khái niệm sử đụng lại tần số, do đó cùng một tần số phát sẽ sử dụng ở nhiều cell có khoảng cách đủ xa do vậy dung lượng của hệ thống tăng lên đáng kể và độ phức tạp cũng tăng lên cả với mạng cũng như vói máy di động lức này phải có khả năng lựa chọn một trạm thu phát trong số các trạm thu phát xung quanh nó. Chi phí cơ sở hạ tầng cũng tăng do số trạmthu , phát tăng. Khái niệm cellular được đưa ra bởi Bell Labs và được nghiên cứu ở nhiều noikhác nhau trên thế giới trong những năm 70. Ở Mỹ, hệ thống cellular đầu tiên AMPS (Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến) đã được đưa vào hoạt động vào năm 1979 ở Chicago. Sau đó ở Bắc Âu, cơ quan quản lý viễn thông cùng với một số nhà sản xuất đã sáng lập ra hệ thống NMT (hệ thống điện thoại di động Bắc Âu) với mục tiêu là phủ sóng vùng Scandinavian. Hệ thống bắt đầu hoạt động ở Thuỵ Điển tháng 9/1981 và sau đó ở Na Uy, Đan Mạch và Phần Lan. Tiếp đó, các mạng khác dựa trên đặc điểm kỹ thuật của 2 mạng này đã lần lượt ra đời. Lấy ví dụ mạng TACS (hệ thống cellular truy cập toàn bộ), bắt nguồn từ AMPS được đưa vào phục vụ ở Anh năm 1985. Tất cả các hệ thống cellular này đều đựa trên sự truyền dẫn tiếng nói tương tự với phương thức điều chế tần số. Chúng đều sử dụng dải tần 450 MHz hoặc 900 MHz. Vùng phủ sóng thường bao trùm cả nươc và dung lượng có thể lên tới vài trăm ngàn Nguyễn Thị Thu Huyền - Lớp công nghệ điện tử viễn thông Trang 7 L Ilâ n y o n c a o h o c P h á n c h i a tà i HM uyêtì t ẩ n s ô thuê bao. Hệ thống quốc gia lớn nhất Châu Âu là hệ thống TACS của Anh với hơn 1 triêu thuê bao vào năm 1990. Các thiết bị di động phát triển khá nhanh trong cuối những năm 80. Đầu tiên ngưòi ta chì chế tạo các thiết bị đặt trên xe. Vào giữa những năm 80, thiết bị xách tay mới xuất hiện với trọng lượng vài kilogram và thời gian đàm thoại vài giờ. Mãi đến năm 1988 mới ra đời máy điện thoại cầm tay chưa đủ nhỏ để cho vào túi Iihưng gọn đến mức có thể cho vào cặp xách. Vào năm 1990, thiết bị đầu cuối nhỏ nhất trên thị trường có trọng lượng nhỏ hơn 400gr và có thể bỏ túi. Kể từ sau Iihững năm 80, mặc dù vẫn hoạt động thành công nhưng các hệ thống analog ở Châu Âu bắt đầu bộc lộ các hạn chế của nó. Trước hết là nhu cầu sử dụng dịch vụ di động mặc dù đã được tính toán có hệ thống vào đầu những năm 80 nhưng vẫn lớn hơn khả Iiăng dung lượng của mạng analog hiên có. Sau đó, các hệ thông hoạt động khác nhau không đưa ra tính tương thíchcho người sử dụng, chảng hạn thiết bị của TACS khỏng thế truy cộp vào mạng NMT và ngược lại. Hơn nữa việc thiết kế một mạng cellular mới hoàn loàn đòi hỏi một lượng đáu tư lớn đến mức không một quốc gia ử Châu Ầu nào có thể thực hiện được. Do vậy yêu cầu là phái có một hệ thống thiết kế theo kiểu chung để có thể cùng sử dụng trên nhiều nước dẫn đến một sự thành lập tiêu chuẩn mới của CEPT có nhiệm vụ hợp nhất các hệ thống thông tin vt ở Châu Âu ở dải tần 900 MHz. Tổ chức mới ra đời GSM (Nhóm đặc trách về di động) đã có cuộc họp đáu tiên vào tháng 12/1982 ở Stockholm. Năm 1990, các chi tiêu của GSM được sửa đổi cho thêm vào dải tần 1800 MHz. Sự thay đổi này được biết như DCS 1800 (hệ thống cellular số 1800) có mục tiêu vươn tới công suất cao hơn ở những vùng mật độ dân cư cao như vùng đô thị Từ Iiăm 1990 trỏ đi, GSM bắt đầu trải dài ra ngoài Châu Âu. Quốc Gia ngoài Châu Âu đầu tiên thực hiện tiêu chuẩn GSM là Australia, vào năm 1992. Tiếp theo, một loạt các nước đã sử dụng các hệ thống dựa theo GSM như ở Đông á và Châu Đại Dương như Hồng Kông, New-Zealand, Việt Nam, Brunei . . . Neuyễn Thị Thu Huyền - Lórp công nghệ điện tử viễn thông Trang 8 L u ủ n v ă n c a o lio c P h ả n c h ia tà i n g u y ê n tầ n s ố ơ nước ta, khởi đầu dịch vụ thông tin di động là công ty điện thoại d2 VMS, cho đến nay có thêm công ty VinaPhone. Các thiết bị của 2 công ty này đều theo tiêu chuẩn của GSM. 2. CÁC KỸ THUẬT Cơ BẢN sử DỤNG TẦN số TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG: 2.1 Đa truy cập: Đa truy cập chia theo tần số (FDMA), đa truy cập chia theo thời gian (TDMA và đa truy cập chia theo mã (CDMA) là ba kỹ thuật truy cập cgủ yếu dùng để chia độ rộng băng tđn được sử dụng trong hệ thống thông tin di động. Các kỹ thuật này có thể được nhóm thành các hệ băng hẹp và hệ băng rộng phụ thuộc vào độ rộng băng tần được phân cho người sử dụng như thế nào. Kỹ thuật song công của một hệ đa truy cập thường được mô tả kèm theo các sơ đồ đa truy cập cụ thể. 2.2 Các hệ băng hẹp : Băng hẹp được dùng đê liên hệ độ rộng băng tần của một kênh đơn với độ rộng băng vốn có của kênh. Trong một hệ đa truy cập băng hẹp, phổ vô tuyến được chia thành một số lớn các kênh băng hẹp. Các kênh thường hoạt động theo FDD. Để giảm giao thoa giữa các kết nối thuận và ngược trong mỗi kênh, việc tách biệt tần số thực hiện được càng lớn càng tốt trong phó tần, trong khi giữ nguyên bộ song công không tốn kém và một anten phát chung dùng cho mỗi thuê bao. Trong FDMA băng hẹp, một người sử dụng được gán cho một kênh riêng, không chia sẻ cho những người khác xung quanh và nếu FDD được dùng (có nghĩa mỏi kênh có kết nối thuận, nghịch) thì hệ được gọi là FDMA/FDD. Ngược lại, TDMA băng hẹp, cho phép các người sử dụng chia sẻ cùng một kênh, nhưng được phàn phối một khe thời gian duy nhất cho mỗi người sử dụng theo một cách tuần hoàn trên kênh, như vậy tách biệt một số nhỏ nhười sử dụng về thời gian trong một kênh đơn. Với TDMA băng hẹp thường có một số lớn các kênh Neuyễn Thị Thu Huyền - Lớp công nghệ điện tử viễn thông Trang 9 L nàn văn ca o h o e P h â n c h ia tcũ n g u y ê n tấ n s ố được phân phối để dùng hoặc FDD, hoặc TDD và mỗi kênh được chia dùng TDMA. Các hệ như vậy được gọi là TDMA/FDD hoặc TDMA/TDD. 2.3 Các hệ băng rộng: Trong các hệ băng rộng độ rộng dải tần của một kênh đơn rộng hơn rất nhiều so với độ rộng băng vốn có của kênh. Như vậy phading nhiểu đường không ảnh hưởng lớn tới tín hiệu thu trong mồi kênh dải rộng và suy giảm do chọn lọc tẩn số xảy ra chỉ trong một phần nhỏ của độ rộng băng tín hiệu. Trong các hệ đa truy cập bàng rộng người sử dụng được phép truyền trong một phần lớn của phổ. Một số lớn bộ phát cũng được phép truyền trong cùng một kênh. TDMA phân phối các khe thời gian cho nhiều máy phát trong cùng một kênh và cho phép chỉ một máy phát truy câp vào kênh tại một thòi điểm bất kỳ, trong khi đó CDMA trải phổ cho phép tất cả các máy phát truy cập vào kênh tại cùng một thời điểm các hệ TDMA và CDMA có thể dùng kỹ thuật nén kênh hoặc TĐ hoặc FĐ. 2.4 Đa truy cập phân the« tần số (FDMA): Đa truy cập phàn theo tần số gán mỗi kênh cho mỗi người sứ dụng. Ta có thể thấy trên hình 1.1 là mỗi người sử dụng được phân phối một băng tần hay một kênh duy nhát. Các kênh này được gán theo yêu cầu của người sử dụng khi họ yêu cầu dịch vụ. Trong khoảng thời gian của cuộc gọi, không có người sử dụng nào khác có thể chia cùng một bãng tần này. Trong các hộ FDD, người sử dụng được gán một kênh — như một cặp tần số , một tần sô dùng cho kênh thuận và một tần số dùng cho kênh ngược. Nguyễn Thị Thu Huyồn - Lớp công nghệ điện tử viỗn thông Trang 10 Luân vãn coo hoc P h â n c ilia tà i n x u y ê n tầ n s ố Hình1.1 : FDMA, trong đó các kônh khác nhau được gán các dải tần số khác nhau Các tính chất cùa hệ FDMA như sau: > Kênh FDMA mang chỉ một kênh thoại ở inột thời điểm. > Nếu một kênh FDMA không dùng, thì đặt vào tình trạng dỗi và người khác không thể sử dụng được để làm tăng dung lượng. Thực chất tài nguyên tần số đã bị bỏ phí. > Sau khi gán một kênh tiếng nói, trạm gốc và máy di động phát đồng thời và liên tục > Các độ rộng băng tần của các kênh FDMA tương đối hẹp (30 KHz) vì mỗi kênh hỗ trợ một kênh thoại sóng mang. Điều đó nghĩa là FDMA thường được thực thi trong các hệ băng hẹp. Nguyễn Thị Thu Huyổn - Lớp công nghệ điện tử viễn thông Trang 11 Luân vân cao hoe P h â n c h ia tủ i n g u ỵ é n tầ n s ổ > Thời gian của ký hiệu là lớn so với độ trễ trung binh. Điều này gợi ý là lượng giao thoa giữa các ký hiệu (ISĨ) là thấp và vì thế cho nên trong các hệ băng hẹp FDMA ít dùng hoặc không dùng làmbằng. > Độ phức tạp của các hê di động FDMA thấp hơn so với các hệ TDMA, dẫu rằng điều này đang thay đổi khi các phương pháp sử lý tín hiệu số cải thiện cho TDMA. > Vì FDMA là một sơ đổ liên tục, cần số bít ít hơn dùng cho các mục đích ngoài truyền tin như là các bít đồng bộ và bít khung khi so sánh với TDMA. > Các hệ FDMA có giá thành hệ thống trạm thu, phát gốc cao hơn so với hệ TDMA, vì phải thiết kế sótig mang cho từng kênh riêng, và cần dùng các mạch lọc thông dải đắt tiền để loại trừcác bức xạ giả tại trạmgốc. > Thiết bị di động FDMA dùng bộ song công vì cả máy phát và máy thu làm việc cùng một lúc. Điều này làm tăng giá thành các thiết bị của thuê bao và trạmgốc ờ chế độ FDMA. > FDMA yêu cầu lọc kỹ tín hiệu vô tuyến (RF) đế hiện tượng giao thoa của các kênh liền kề giảm ở mức thấp nhất. Các hiệu ứng phi tuyến trong FDMA: Trong một hệ FDMA, nhiều kênh dùng chung một anten tại trạm gốc . Các bộ khuyếch đại công suất hay bộ tổ hợp công suất khi hoạt động ở tại hay gần vùng bão là phi tuyến để cho hiệu suất công suất cực đại. Tính chất phi tuyên gây nên sự trải tín hiệu trong vùng tần số và phát ra các tần số điều biến tương hỗ. Điều biến tương hỗ là bức xạ vô tuyến không mong muôn, có thể giao thoa với các kênh khác nhau trong hệ FDMA. Sự trải phổ đưa đến việc giao thoa giữa các kênh liền kề. Điều biến tương hỗ là sinh ra các hoà âm không mong muốn. Các hoà âmphát ra ở ngoài dải vô tuyến di động gày nhiễu tới các dịch vụ liền kề, còn những hoà ãm trong dải gây giao thoa cho những người sử dụng khác trong hệ di động. Nguyễn Thị Thu Huyồn - Lứp công nghệ điện tử viỗn thông Trang 12 L uân văn ca o h o c P h â n c h ia tà i n g u y ê n tầ n s ố 2.5 Đa truy cập phân the« then gian (TDMA) Các hệ đa truy cập phân theo thời gian (TDMA ) chia kênh vô tuyến thành các khe thời gian, và mỗi khe chí một người được phép hoặc phát hoặc thu. Có thể thấy trên hình 1.2 là mỗi người sử dung chiếm một khe thời gian lặp lại tuần hoàn, như vậy mỗi kênh có thê là một khe thời gian riêng cho mỗi khung trong đó N khe thời gian tạo nên một khung. Các hệ TDMA truyền dữ liệu theo phương pháp “đệm và đám” (buffer — and — burst). Như vậy, sự truyền đối với người sử dụng bất kỳ là không liên tục. Điều này ngụ ý là, khác với hệ FDMA thích hợp với FM tương tự, điều biến số và dữ liệu số phải được dùng với TDMA. Việc truyền từ những người sử dụng khác Iihau là xen kẽ nhau vào một cấu trúc khung lặp lại như hình 1.3. Ta có thể thấy rằng một khung bao gồm một số khe thời gian. Mỗi khung được tạo thành bởi các bít mở đầu, các bít thông báo tin, và các bít thứ và kiểm tra lỗi. Trong mỗi hệ TDMA/TDD một nửa số khe thời gian trong thông báo tin của khung được dùng cho kết nối kênh thuận và một nửa dùng cho kết nối kênh ngược. CÒI1 trong các hệ TDMA/FDD, một cấu trúc khung đồng nhất hay đồng dạng sẽ được dùng riêng rẽ hoặc cho việc phát thuận hoặc phát ngược, nhưng tần số sóng mang sẽ khác nhau cho kết nối thuận và ngược. Nuuyễn Thị Thu Huyền - Lớp công nghệ điện tử viễn thồng Trang 13 /, u ú n v ă n c a o h o e P h â n c h i a tà i n g u ỵ ê n tầ n s ỏ ' Hình 1.2: Sư đ ồ T D M A , trong đ ó m ỗi kênh ch iếm m ột khe thời gian lặp lại m ột cách tuần hoàn. Nguyễn Thị Thu Huyén - Lớp công nghệ điện tử viễn thỏng Trang 14 P h á n c h ia tà i n g u y ê n tầ n s ô L liâ n v ă n c a o h o c Một khung TD M A Bít m ở đầu K hel K he2 Bít thử và K iểm tra lỗi T hông báo tin K he3 Bít đồng bộ K he4 Dữ liộu tin Bít cảnh báo Hình 1.3: Cấu trúc khung T D M A Nói chung các hệ TDMA/FDD có ý tạo một số khe thời gian có độ trễ giữa khe thời gian thuận và ngược của người sử dụng cụ thể, sao cho không cần phải dùng bộ song công trong máy của thuê bao. Tron? một khung TDMA, các bít mở đẩu chứa tin địa chỉ và tin đồTig bộ để trạm gốc và các thuê bao Iihận biết nhau. Các thời gian cảnh báo được dùng để cho phép sự đồng bộ các máy thu, giữa các khe thời gian và các khung khác nhau. TDMA có những tính chất sau: TDMA chia sẻ một tần số sóng mang riêng rẽ cho nhiều người sử dụng, trong đó mỏi người sử dụng dùng một khe thời gian không phủ nhau. Số khe thời gian cho một klumg phụ thuộc vào nhiều thừa số nhưkỹ thuật điều biến, độ rộng dải được sử dụng. Việc truyền dữ liệu cho các người sử dụng trong hệ TDMA là không liên tục, nhimg theo từng đám. Điều này đưa đến việc tiêu thụ pin thấp, vì rằng máy phát của thuê bao có thể ngắt khi không đưa vào đùng . Vì các cuộc truyền là không liên tục trong TDMA, quá trình “chuyển giao” là đơn giản hơn nhiều cho một máy của thuê bao, vì nó có thể nghe đối với các trạmgốc khác trong lúc các khe thời gian dôi. Một cách điều khiển kết nối tăng cường như Nuuyền Thị Thu Huyén - Lớp công nghệ điện tử viễn (hông Trang 15 Luân văn cao h o c P h â n c h i a t à i n g u ỵ ê n tá n s ố chuyển giao trợ giúp di động có thể được thực hiện bởi một thuê bao bằng cách nghe một khe dỗi trong; khung TDMA. TDMA dùng các khe thời gian khác nhau cho việc phát và thu, như vậy không đòi hỏi bộ anten song công. Thậm chí dùng FDD chỉ yêu cầu một bộ chuyển mạch chứ không phải bộ song công trong máy của thuê bao để đóng mạch giữa bộ phát và bộ thu dùng TDMA. Sự làm bằng tương thích thường cần thiết trong các hệ TDMA vì tốc độ truyền dẫu thường rất cao hơn so với các kênh FDMA. Trong TDMA, thời gian cảnh báo phải được giảm đến tối thiểu. Nếu tín hiệu phát ở mép các khe thời gian được tạo dạng thật nhọn, để làm ngắn thời gian cảnh báo, thì phổ truyền sẽ mở rộng và gây giao thoa với các kênh liền kề. 2.6 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA - Code Division Multiple Access) là một kỹ thuật có nhiều hứa hẹn đối với các hệ thống truy nhập vô tuyến tế bào và các hệ thống thòng tin cá nhân. Ưu điểm của việc sử dụng công nghệ CDMA trong các hệ thống thông tin vô tuyến tế bào khác là: nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, sử dụng được các kỹ thuật chuyển giao mềm, cho phép tái sử dụng những khoảng tần số thấp, đơn giản hoá việc quy hoạch, cung cấp tần số ... Giao diện vô tuyến của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba phái có khả năng cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau với tốc độ số liệu từ vài Kbít/s đến 2 Mbit/s. Trong điểu kiện có nhiều nhà cung cấp dịch vụ việc cung cấp các kênh có tốc độ như vậy là khó có thể thực hiện được nếu mỗi thiết bị di động chỉ sử dụng một kênh duy nhất. Điều này đặc biệt đútig đối với các hệ thống CDMA, thậm chí với một hệ số trải vừa phải thì một kênh truyền tốc độ cao cũng chiếm một băng tần vô tuyến rất lớn và hệ thống khó có khả năng cung cấp và quản lý được các bàng tần lớn như vậy. Nguyễn Thị Thu Huyồn - Lớp công nghệ điện tử viễn thông Trang 16 L u â n v ủ tì c o o h o c Công suất tương đối P ììú tì c h ic / t à i n g u y ê n tầ n s ổ Mạng 2 Mạng 3 Rbrất thấp 3 X1 MH/. Công suất tương đối 20 MHz Hình 1-4: Ví dụ về phân bố phổ tần cho các mạng khác nhau Do những lý do kể trên, trong các hệ thống thông tin di động CDMA thế hệ thứ ba, việc sử dụng các kênh vô tuyến có độ rộng bàng tần khác nhau tỏ ra hợp lý hơn. Hệ thống trải phổ trực tiếp không đồng bộ có các kênh vô tuyến truyền tín hiệu với các tốc độ chip khác nhau [10], [11], cụ thể là Rcị=1,023 Mchip/s, Rc2=5,115 Mchip/s, Rl.3=20,46 Mchíp/s. Ba tốc độ chip này lần lượt tương ứng với các kênh vô tuyến có độ rộng băng tần là 1, 5 và 20 MHz, trong các hệ thống CDMA người ta gọi các kênh có độ rộng băng tần như vậy là các kênh hẹp, kênh trung bình và kênh rộng. Để thực hiện việc truyền tín hiệu, các thiết bị truyền dẫn ở lớp vật ỉý sau khi thực hiện các thao tác mã hoá kênh, chèn tín hiệu phụ và trải phổ phái có khả năng chuyển dòng sô liệu có tốc độ R,, thành ít nhất một trong số 3 kênh có tốc độ chip kể trên. Đối với mỗi loại dịch vụ Nguyễn Thị Thu Huyền - Lớp công nghệ điộn tử viễn thông Trang 17 L u â n v â n c a o ljo c P h â n c h i a tà i n x u y ê n tầ n s ô cụ thể, cần điều chỉnh các tham số truyền dẫn cụ thể (tốc độ mã hóa, cách chèn thêm tín hiệu, tốc độ chip, hệ số trải phố, công suất phát...) để có thế đáp ứng được yêu cầu của dịch vụ. Như vậy các hệ số mã hoá và hệ số trải R,./Rhsẽ khác nhau đối với từng tốc độ bít khác nhau. Và do vậy, hệ số trải phổ của các kênh truyền dẫn có tốc độ khác nhau sẽ khác nhau. Việc sử dụng hệ thống CDMA hỗ trợ nhiều tốc độ truyền dẫn khác nhau tạo điều kiện thuận lợi cho nhiều nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp các dịch vụ khác nhau tới từng khách hàng trong cùng một khu vực dưới dạng các dịch vụ tải tin. Hình 1.4 minh hoạ việc cung cấp dải tần hoạt động cho các đối tượng sử dụng khác nhau trong mạng. Tuỳ theo nhu cầu cụ thể của mình mà một nhà cung cấp dịch vụ có thể được cấp một hay nhiều kênh có độ rộng băng tần 1 MHz, 5 MHz hay 20 MHz hay có khi là tổ hợp của một hay nhiều kênh kể trên. Các kênh trung bình (5 MHz) và các kênh rộng (20 MHz) có thể được chia nhỏ thành các kênh con (chẳng hạn như thành các kênh có độ rộng 1 MHz) như trên hình 1-4. Trong một số trường hợp các kênh hẹp, kênh trung bình và kênh rộng khác nhau có thể chiếm cùng một dải tần số (như mạng I và mạng 4 trong hình 1-4). Việc truyền dẫn các dịch vụ yêu cầu tốc độ truyền dẫn tín hiệu thấp (như các dịch vụ thoại) sẽ được thực hiện trên các kênh có độ rộng băng tần hẹp và trung bình. Trong khi các kênh có độ rộng băng tần I MHz sẽ được sử dụng chủ yếu để truyền các dịch vụ di động có yêu cầu chất lượng thấp, các kênh có độ rộng bàng tần 5 MHz sẽ được sử dụng để truyền các kênh có yêu cầu chất lượng dịch vụ cao hơn nhờ việc sử dụng các kỹ thuật phân tập chống nhiễu đa tia và nhiễu giao thoa, cho phép nhà cung cấp dịch vụ tận dụng toàn bộ các ưu thế vốn có của một hệ thống CDMA. Các dịch vụ có yêu cầu tốc độ truyền dẫn cao (từ 64 kbit/s trở lên) sẽ sử dụng các kênh có độ rộng băng tần vô tuyến là 5 MHz và 20 MHz. Với một dịch vụ nhất định, nếu tốc độ truyền dẫn sô liệu yêu cầu càng cao thì tích số giữa độ rộng băng tần mà dịch vụ yêu cầu với mật độ công suất tín hiệu càng lớn. Mức can Iihiễu lên một băng tần nào đó là không Nmiyỗn Thị Thu Huyền - Lóp công nghệ điện tử viễn thông Trang 18 P h á n c h ia tà i n g u y ê n tầ n s ỏ ' Luân văn cao hoc hoàn toàn cố định nên dung lượng của các hệ thống CDMA là không cố định, ngirời ta gọi khả năng này là khả năng cung cấp dung lượng mềm. Đặc tính dung lượng mềm cua một hệ thống CDMA thế hệ thứ ba phụ thuộc vào loại hình địch vụ cụ thể mà nó sẽ cung cấp trong dải tần số cho phép. 2.6.1 Nguy ên lý c ủa việc truyền dấn tín hiệu có tốc độ thay đổi Xét về mặt hiệu suất sử dụng phô thì các hệ thống DS-CDMA tỏ ra phù hợp trong việc truyền dẫn các tín hiệu có tốc độ số liệu thay đói. Bình thường thì trong một hệ thống truyền dẫn có tốc độ thay đổi cần phải có các thông tin điều khiển để phía phát báo cho phía thu biết được tốc độ truyền dẫn hiện tại là bao nhiêu. C ổn g suất phát Rx asggasaSsaaaaBga K ên h P D C H 16 k b it/s 2.4kbit/s ềầmmkm DTX ■ Ị» » :Ị;| .... .. ....... ■ Kênh'KCH Hình I-5: Sơ đổ hệ thống truyền tín hiệu đa tốc độ Để làm được việc này sau những khoảng thời gian nhất định, người ta tổ chức tất cả các kênh vật lý thành những khung có chiều dài bằng nhau, các khung này được gọi là các khung CDMA. Mỗi khung chứa một số nguyên lần các chíp và một số nguyên lần các bít thông tin. Số lượng bít thông tin trên một khung được gọi là gói tin vật lý. Hiện nay chiều dài của khung vật lý được chọn là 10 ms. Chiều dài này tỏ ra là đủ mềm dẻo, độ trễ cũng đủ nhỏ và hầu nhưkhông gây ảnh hưởng đến bất kỳ một dịch vụ nào. Với cách tổ chức khung như thế, các thông tin về tốc độ truyền của từng kênh cụ thể sẽ được truyền trên một kênh vật lý riêng biệt. Người ta gọi các kênh truyền số liệu và các kênh truyền thông tin về tốc độ của từng kênh là PDCH (Physical Data Channel) Nỉiuyỗn Thị Thu Huyền - Lứp công nghệ điện tửviỗn thông Trang 19