Chương 1: THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN Kênh truyền vô tuyến di động có vai trò rất quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của các hệ thống thông tin vô tuyến ( wireless communication systems ). Không giống như các kênh truyền hữu tuyến ( wires channel ) , kênh truyền vô tuyến không ổn định và thường tuân theo các quy luật ngẫu nhiên, do đó rất khó để dự đoán hoặc phân tích một cách chính xác. Thực tế chứng minh rằng mô hình hóa các kêng truyền vô tuyến là một trong những công việc quan trọng nhất và khó khăn nhất trong công việc thiết kế. Dó đó việc quan trọng trước khi nghiên cứu đến một hệ thống thông tin nào đó là phải hiểu rõ các đặc trưng của kênh truyền.1 TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN Trong môi trường thành thị việc liên lạc giữa trạm gốc và thuê bao di động, thì đường truyền tín hiệu trực tiếp (LOS: light of sight) khó tồn tại.
Sử dụng tần số 900MHz và 1.8 GHz (cho hệ thống tế bào số như GSM và CDMA) và 1900 MHz (cho PCS_ như PCS 900), tín hiệu bị nhiễu xạ và bị phân tán bởi các cao ốc , cây cối , đồi núi hoặc do xe cộ di chuyển, bởi vì rất khó có đường truyền tín hiệu trực tiếp, tín hiệu phát đi có thể bằng nhiều đường với độ trễ thời gian, độ dịch pha, suy giảm biên độ và góc pha khác nhau đến máy thu. So sánh với tín hiệu trên đường truyền tự do tín hiệu đa đường bị thay đổi rất lớn. High building City Co-cell Town BTS House Co-cell Hình 1.1: kênh truyền Đối với đường truyền tự do do không bị đối tượng nào hấp thu hay phản xạ sóng nên cũng không bị suy giảm nhiều,và được tính theo công thức sau : SVTH: HOÀNG THÀNH LONG TRANG 1 LUÂN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN 2 Pr Pt ( ) gt gr 4d Với Pr , Pt : Công suất phát và công suất thu : Bước sóng gr , gt : Độ lợi anten thu anten phát Do đó công suất bức xạ thu giảm 6 DB mỗi gấp đôi khoảng cách Nhưng trong thực tế rất khó tồn tại đường truyền trực tiếp. Vì vậy tín hiệu đến anten thu theo nhiều đường khác nhau từ anten phát.
Trường hợp tín hiệu bị phản xạ trên mặt đất gọi là tín hiệu đa đường thẳng đứng. Tín hiệu này gây ra nhiều suy giảm trên đường truyền , lúc này công suất chỉ còn : 2 h .h Pr Pt t 2 r g t g r d Transmitted Antenna Received Antenna d Hình 1.2: thu phát tín hiệu Thay vì suy giảm 6dB trên đường truyền trong môi trường truyền lý tưởng thì công suất thu lúc này giảm 12dB ứng với gấp đôi khoảng cách. Thực tế suy giảm theo lũy thừa 4. Do đó kỹ thuật truyền cần phải biết độ mất mát công suất do tán xạ kênh truyền để phân tích liên kết budget, kích thước cell, độ lợi anten, cấu hình nhiễu và khuếch đại công suất.
Tương tự như đa đường theo phương thẳng đứng, đa đường theo phương ngang cũng bị phản xạ và tán xạ do các cao ốc, đồi núi làm ảnh hưởng đến tín hiệu thu. Trong các ảnh hưởng của nhiễu thì fading đa đường và nhiễu giao thoa ký tự ISI ( InterSymboy Interference) là hai hiện tượng quan trọng nhất.1 Kênh truyền Fading phẳng Khi tín hiệu bị tán xạ và bị phản xạ trên một bề mặt lớn như cao ốc, đồi núi, tín hiệu đến máy thu với biên độ, pha và góc tới ngẫu nhiên. Do băng thông của hệ thống có hạn, máy thu không thể xử lý nhiều nhóm tín hiệu đa đường đến cùng một SVTH: HOÀNG THÀNH LONG TRANG 2 LUÂN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN lúc. Do đó để thuận tiện cho việc phân tích chúng ta xem các nhóm đa đường không thể giải quyết được như một sóng đa đường đơn.
Trong kênh truyền fading phẳng nếu tín hiệu phát là x(t) thì tín hiệu thu được có dạng như sau: y(t) = h(t). Sự thay đổi theo thời gian của hệ số suy hao h(t) được gọi là fading.2 Fading Rayleigh Còn gọi là fading nhanh, sử dụng mô hình tương đương băng gốc. Chúng ta có thể mô tả độ lợi của mỗi đường là biến ngẫu nhiên Gaussian phức: h hx jh y Với hx , h y là các biến ngẫu nhiên Gaussian. Điều kiện để r(t) có phân bố Rayleigh là tồn tại nhiều đường tán xạ độc lập thống kê và không có tán xạ nào chiếm ưu thế hơn các tán xạ còn lại.
Nếu tồn tại thành phần LOS thì r(t) là biến ngẫu nhiên có phân bố Ricean.3 Fading Ricean Phân bố Ricean sử dụng mô tả fading đa đường khi tồn tại tán xạ tín hiệu trực tiếp (thành phần LOS) chiếm ưu thế so với các đường tán xạ độc lập thống kê khác. Tương tự chúng ta có thể mô tả toán học độ lợi của mỗi đường là tổng của một hằng số với một biến ngẫu nhiên Gaussian phức: h A hx jh y Với A là hằng số, h x , h y là các biến ngẫu nhiên Gaussian. Khi tín hiệu thu với phân bố Ricean, thông thường độ nhòe 20dB hoặc nhỏ hơn, và phụ thuộc vào tốc độ di động. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) do fading đa đường tạo ra sai số Burst, sẽ trở thành nguồn sai bit chính đối với kiểu điều chế và giải điều chế.
Để bù lại độ sai lỗi bit do fading, biên độ nhòe sẽ được thêm vào liên kết Budget để đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác. Mặt khác sự giới hạn về mặt tuyến tính của bộ khuếch đại công suất có thể ngăn cản độ tăng công suất ra tối đa. Một kỹ thuật khác là giảm kích thước cell để đảm bảo phủ sóng tốt. Tuy nhiên nếu kích thước cell giảm sẽ dẫn đến tăng số trạm gốc, điều đó dẫn đến các nhà cung cấp dịch vụ tế bào sẽ phải chịu giá cả mắc hơn.
Do đó hai kỹ thuật trên được điều chỉnh để khắc phục và giải quyết vấn đề fading đa đường.4 Phân bố Nagami_m Một phân bố có biên độ khác rất phổ biến, đặc biệt được sử dụng trong việc đánh giá các kết quả đo thử nghiệm.5 Phân bố Logarit chuẩn Fading Rayleigh hoặc fading Ricean được xem là fading cỡ nhỏ (small scale) bởi vì chúng thể hiện sự thay đổi biên độ trong một vùng khoảng vài chục bước sóng. Trong vùng có bán kính lớn, bằng thực nghiệm người ta thấy rằng biên độ trung bình cỡ nhỏ Fading tuân theo qui luật phân bố Log chuẩn. SVTH: HOÀNG THÀNH LONG TRANG 3 LUÂN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN Fading Logarit chuẩn còn được gọi là fading chậm, gây ra bởi hiệu ứng bóng của các cao ốc hoặc các bản chất tự nhiên , và được xác định bởi trung bình riêng của các tín hiệu fading nhanh. Phân bố này bị ảnh hưởng bởi chiều cao của anten, tần số hoạt động, loại môi trường.
Nhưng nó được tiến hành khi các thông số cố định, công suất trung bình thu được trên vùng lân cận nhỏ gần giống như một phân bố chuẩn khi vẽ trên tỉ lệ Logarit.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TOÀN CẦU 1.1 Tổng quan về hệ thống di động tế bào Thay vì dùng các máy phát có công suất lớn, anten được đặt trên tháp cao để có thể phủ sóng một vùng rộng lớn, hệ thống này có nhược điểm: hiệu suất kém, lãng phí công suất, hiệu quả sử dụng tần số thấp, do đó muốn tăng dung lượng hệ thống cần phải tăng dải tần. Để khắc phục nhược điểm này, ta sử dụng các trạm phát có công suất nhỏ, anten thấp hơn nên vùng phủ sóng sẽ nhỏ hơn. Mỗi vùng phủ sóng nhỏ gọi là một tế bào (cell). Mỗi cell có một trạm gốc (BTS), nhiều cell kết hợp lại ta có mạng tế bào.
Các BTS được đều được điều khiển bởi trung tâm chuyển mạch điện thoại di động (MSC), các MSC này kết nối với các tổng đài công cộng (PSTN) Hình 1.3Hệ thống di động tế bào Mỗi cell sẽ được gán một nhóm tần số. Các cell kế cận nhau có các nhóm tần số khác nhau để tránh nhiễm đồng kênh. Mỗi một nhóm tần số đã được sử dụng ở cell này có thể được sử dụng lại ở cell khác (hình 1. Đây là kỹ thuật tái sử dụng tần số.
Nhờ vậy mà dung lượng của hệ thống thông tin di động này đa số đều sử dụng. SVTH: HOÀNG THÀNH LONG TRANG 4 LUÂN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN Hình 1.4:Nguyên lý tái sử dụng tần số Các đặc điểm của mạng tế bào: Các cell thường có dạng lượng giác để đơn giản hóa việc thiết kế, tính toán, qui hoạch, quản lý và phát triển mạng điện thoại di động. Các BTS có thể đặt ở tâm cell (dùng anten vô hướng) hoặc đặt ở góc 3 cell kề nhau (dùng các anten định hướng). Tần số đã được sử dụng ở cell này được sử dụng ở cell khác làm tăng hiệu quả sử dụng tần số.
Khi MS di động từ cell này qua cell khác trong khi đang thực hiện cuộc gọi thì MSC sẽ được thực hiện định tuyến lại cuộc gọi từ cell cũ sang cell mới mà không làm gián đoạn cuộc gọi. Quá trình này gọi là chuyển vùng (Handoff). Khi nhu cầu trong một cell tăng cao hơn so với dung lượng tối đa thì đòi hỏi sự chia cell thành các cell có kích thước nhỏ hơn. Trong mạng di động tế bào thì việc liên quan giữa MS và BTS được thực hiện thông qua các cặp tần số: một tần số hướng lên (Uplink or Reverse link), một tần số hướng xuống (Downlink or Forward link).
Đây là phương pháp song công phân chia theo tần số (FDD – Frequency Divison Duplex). Những ưu điểm của mạng tế bào: Dung lượng mạng lớn Sử dụng hiệu quả sử dụng tần số Khả năng chống nhiễu đồng kênh (CCI – Co – Channel interference) và nhiễu kênh kế cận (Adjacent Channel Interference) hiệu quả hơn, điều này làm tăng chất lượng của hệ thống Sử dụng các kỹ thuật điều chế tần số tiên tiến, mã hóa nguồn, mã hóa kênh làm tăng chất lượng hệ thống. Điều khiển động trong việc cấp phát kênh liên lạc làm tăng hiệu quả sử dụng phổ tần số. Có nhiều dịch vụ mới như nhận thư, truyền số liệu, kết nối Internet… Điều khiển truy cập và chuyển giao hoàn hảo hơn.
SVTH: HOÀNG THÀNH LONG TRANG 5 LUÂN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN 1.