Bài giảng Thông tin di động - Hà Duy Hưng (Phần 1)

THÔNG TIN DI ĐỘNGThS. Hà Duy HưngMobile: (090)988.8605E-mail: haduyhung@tdt.edu.vn haduyhungtdt@yahoo.com1Mục 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, CDMA-2000, WCDMA Các vấn đề triển khai trong thực tế 2Tài 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.3Vấn 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 email41. 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 động tế bào (cellular mobile communication nerworks) 1983 do At&T dùng kỹ thuật FDMA là hệ thống tương tự5Một số hệ thống đầu tiên:- Narrowband AMPS (NAMPS).- Total Access Cellular System (TACS).- Extended Total Access Communication System (ETACS).- Nordic Mobile Telephone System (NMT-900). 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 nhau6 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 kbpsMột số hệ thống tiêu biểu:- United States Digital Cellular (USDC) standards IS-54, IS-136, IS-95.- 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 IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) sử 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 tinhCó 3 hệ thống được đề xuất: W-CDMA (Wideband –CDMA) CDMA – 2000- UMTS (Universal Mobile Telecommunication system) được phát triển từ GSM8- Hệ thống thế hệ 2.5G phát triển từ GSM GPRS – General Packet Radio Services HSCSD – High Speed Circuit Switch Data Xu hướng phát triển9VideoVisualImageDataVoiceMacrocell>600 mMicrocell60 to 600 mPicocell6 to 60 mPacketCircuitNarrowband(Copper) 64 KbpsWideband(Copper/Fiber)64 Kbps~1.5MbpsBroadband(Fiber) 45MbpsCellullar/PCSWAN3G MobileFixed Wireless(802.16) /LAN(802.11)Interactive CableVideo phoneVideo ConferenceMedical ImagingFaxEmailVoiceVoice MessagingPDAInteractive GamesComputer-ComputerNetworkedComputing10IndoorW-LANW-PAN4GCellularSatelliteCommunicationsTVBroadcastingRadioBroadcasting Thế hệ 4G (dự kiến)11 Thế hệ 4G (vision 2010???)12 Thế hệ 4G: nguyên lý13 Thế hệ 4G: tốc độ dữ liệu và tính di động4G CellularOutdoorIndoorWalkFixed/desktopVehicleWalkFixed3G Cellular2G14 Thế hệ 4G: công nghệ sử dụngRange (meters)MIMO3G CellularBluetooth802.11a802.11bUWB1k10010110M1M100M1G10GPeak Data Rate152. 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 lớn1970s 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 tạp tăng (handover, roaming, signaling and mornitoring)16 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 Định lý: khoảng cách giữa 2 điểm có toạ độ (u1,v1) và (u2,v2) là117 Trục toạ độ (u,v) có chiều dài đơn vị theo mỗi trục là Tâm mỗi cell thể hiện bằng một cặp số nguyên182219 Bán kính cell Khoảng cách giữa 2 cell (0,0) và cell (i,j) 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) Số lượng cell trong một cụm là Khoảng cách giữa 2 cell đồng kênh là20ijN10111320421722123093113321940164121502521ijN10111320421722123093113321940164121502522 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: W-LAN (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: Số lần lặp lại của Cluster M, tổng dung lượng của hệ thống là 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 1/N kênh của hệ thống24Số 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 sốSố users được phục vụ đồng thời là:25Ví dụ: Băng thông 33MHz được dùng cho hệ thống DĐ tế bào với kênh song công 50kHz. Khi hệ số tái sử dụng tần số N=4, N=7 xác định số lượng kênh trên một cell?Ví dụ: Băng thông 25 MHz được dùng cho hệ thống DĐ tế bào với mỗi user sử dụng kênh song công 30kHz. Xác định số users hệ thống có thể phục vụ khi: Dùng một BTS Dùng 20 BTS và hệ số tái sử dụng tần số là 4Ví dụ: Một vùng có diện tích 2500 km2 được phục vụ bởi hệ thống AMPS. Biết 200 kênh được dùng cho vùng này và để chất lượng hệ thống thỏa yêu cầu (SIR ≥ 18dB) thì hệ số tái sử dụng tần số N = 7. Xác định số cuộc gọi đồng thời có thể thực hiện trong vùng này? (biết bán kính cell là 5 km)26 Nhiễu đồng kênh (Co-Channel Interference CCI) - Cải thiện SNR  tăng công suất phát của user, tuy nhiên không cải thiện SIR (Signal To Interference Ratio)  cải thiện SIR bằng cách tăng tỷ số Q=D/R27- Với cell dạng lục giác, giả thiết công suất tín hiệu tỷ lệ với d-n, trong đó d là khoảng cách, n là hệ số suy hao mũ âm (thường n = 4)- Các cell lân cận có cùng khoảng cách- SIR được cải thiện khi hệ số tái sử dụng tần số lớn28- Với hệ thống AMPS để chất lượng sóng tốt thì SIR ≥ 18 dB  hệ số tái sử dụng tần số N phải lớn hơn hoặc bằng 7 (N ≥ 7) ??? Và khoảng cách giữa cell đồng kênh là D ≥ 4.4 R ??? Với hệ thống GSM để chất lượng sóng tốt thì SIR ≥ 9 dB  Hệ số tái sử dụng tần số N phải lớn hơn hoặc bằng bao nhiêu ??? và khoảng cách giữa cell đồng kênh D ≥ ???29 Lý thuyết trung kế (trunking theory) m kênh có thể phục vụ nhiều hơn m users  sẽ có nghẽn xuất hiện  xác suất nghẽn là bao nhiêu là chấp nhận được? (GOS - Grade Of Service, thường 2% cho di động, 1% cho cố định) Công thức Erlang B A là cường độ traffic, đơn vị Erlang (Ac nhân tổng số user)  là tốc độ trung bình các cuộc gọi đến Th là thời gian chiếm dụng trung bình của các cuộc gọi m số kênh của hệ thống (áp dụng khi số lượng user lớn hơn nhiều số kênh)Traffic của một user30Ví dụ: Trung bình thời gian của một cuộc gọi di động là 200s, và thực hiện cuộc gọi trung bình 15 phút. Hệ thống yêu cầu GOS = 1%, và có 100 kênh. Hãy xác định số user có thể được phụ vụ bởi hệ thống?31 Cải thiện dung lượng hệ thốngGiá của mạng di động tỷ lệ với số trạm BTS và danh thu của hệ thống tỷ lệ với số khách hàng  tăng lượng khách hàng  tăng dung lượng: Dùng dải tần mới  rất đắt Cải thiện cấu trúc: chia cell (cell splitting), chồng cell (cell overlay), dùng anten sector (sectorizing cell) Gán kênh động (dynamic allocation of channels  more complex) Thay đổi công nghệ truy cập (FDMA-TDMA-CDMA)+ Chia cell là giảm kích thước cell  tăng số lần sử dụng lại tần số. Nếu giảm bán kính cell đi ½ thì số lượng cell tăng lên 4 lần. Để đảm bảo SIR thì công suất cell phải giảm đi 16 lần nếu hệ số suy hao đường truyền n = 432+ Chồng cell Kênh được dùng bởi a thì được dùng ở A nhưng chỉ trong bán kính R/2 Kênh không được dùng bởi a thì được dùng trong A với cả cell33+ Dùng anten sector (anten định hướng trong vùng với gốc 1200)Trong trường hợp này một cell chỉ cón bị nhiễu bởi 2 cell (không phải 6 cell trong trường hợp anten omni)  cải thiện 6dB đối với SIR tuy nhiên giảm hiệu quả sử dụng trung kếVi dụ: n =4, N = 4 Anten omnin =4, N = 4 Anten Sector34Ví dụ: Thời gian trung bình của một cuộc gọi là 2 phút, GOS = 1%, N = 7 và có 395 kênh cho một cluster395/7 = 57 kênh cho một cell  theo Erlang B thì traffic của một cell A = 45 ErlangDùng anten sector 1200  57/3 = 19 kênh /1 sector  theo Erlang B thì traffic trên một sector là As = 11 Erlang  traffic trên một cell là A = 33 Erlang35 Chuyển giao (handoff – handover): khi cuộc gọi đang được thực hiện, user di chuyển từ cell này đến cell khác nên cuộc gọi được chuyển sang kênh lưu lượng mới (của cell mới) để cuộc gọi không bi gián đoạn  chuyển giao cứng và chuyển giao mền ???Công suất xảy ra chuyển giao lớn hơn một ít ngưỡng tín hiệu bé nhất mà chất lượng tín hiệu còn chấp nhận được (Min. usable signal from -90dBm to – 100dbm). Nếu Δ quá lớn thì xảy ra quá trình chuyển giao không cần thiết và nếu Δ quá bé thì chuyển giao chưa hoàn thành thì cuộc gọi bị kết thúc. 1G thì Δ khoảng 6-10dB, thới gian 10s. 2G thì Δ khoảng 6dB, thời gian 1-2s36 Chuyển giao cứng (Hard Handoff). Trong hệ thống FDMA, TDMA, đường kết nối mới sẽ được thiết lập sau khi đường kết nối hiện tại không còn nữaswitchingHard handoff : connect (new cell B) after break (old cell A)Cell BCell A37 Chuyển giao mềm (Soft Handoff). Trong hệ thống CDMA, đường kết nối mới sẽ được thiết lập ngay khi đường kết nối hiện tại vẫn còn tồn tạiΣCell BCell ASoft handoff : break (old cell A) after connect (new cell B)transmitting same signal from both BS A and BS B simultaneously to the MS383. Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động Sóng điện từ truyền trong môi trường vô tuyến với các hiện tượng - Phản xạ (reflection) - Khúc xạ (refraction) - Nhiễu xạ (difraction) - Tán xạ (scattering)Trong thông tin di động tín hiệu từ nguồn phát đến máy thu với nhiều con đường khác nhau (user di động) tín hiệu fading nhiều tia. Tín hiệu thu được bị ảnh hưởng: suy hao, méo biên độ và méo tần số39 Méo tần số (Doppler effect)Khi giữa máy phát và máy thu có sự dịch chuyển tương đối thì tần số thu được có sự khác biệt so với tần số phát của sóng mang40 Méo tần số (Doppler effect)Mật độ phổ41 Méo biên độMô hình fading Rayleigh: tại thiết bị di động không nhận duy nhất một loại suy hao của tín hiệu phát (chỉ là tia phản xạ) mà là rất nhiều tín hiệu từ nhiều con đường và hiện tượng khác nhau. Xét về pha của các tín hiệu này thì co pha ngẫu hiên trong khoảng [0, 2]. Theo luật số lớn và định lý giới hạn trung tâm thì tín hiệu thu được là tín hiệu thông dải có phân bố Gausian, thành phần cùng pha và vuông pha có phân bố Gausian với trung bình không và cùng phương sai nên theo định lý trung tâm ta có hàm mật độ xác suất của biên độ có dạng Rayleigh42- Mô hình fading RayleighHàm tích lũy43- Mô hình fading RayleighCông suất trung bình của tín hiệu thông dải bằng ½ công suất trung bình của biên độ phức của nó, P = ½E[|r|2], nên ta có thể định nghĩa công suất tức thời u = r2/2. Nên công suất có dạng phân bố hàm mũ âm- Mô hình fading Rician (đọc thêm)44 Fading nhiều tia Tín hiệu nhận được từ nhiều đường vô tuyến khác nhau sẽ được cộng lại với nhau làm cho tín hiệu tổng có thể lớn hơn hay bé hơn mức tín hiệu trung bình nhận được, các mức tín hiệu bé hơn được gọi là bị fade. Tòan bộ hiện tượng được gọi là hiện tượng fading nhiều tia (multipath fading)45DistanceSignal Strength (dB)l/2Small Area Average46- Fading diện rộng (large scale fading)Fading diện rộng là mô hình quan tâm đến độ lớn của tín hiệu giữa phát và thu với những khỏang cách riêng biệt (vài trăm m) và dùng để ước lượng vùng phủ sóng  tổn hao kênh truyền- Fading diện hẹp (small scale fading)Fading diện hẹp là mô hình quan tâm đến sự thay đổi độ lớn của tín hiệu thu được trong một khỏang cách ngắn (vài bước sóng) hay một khoảng thời gian ngắn- Fading nhanh (fast fading) và fading chậm (slow fading)Biên độ tín hiệu thu được là hàm của khỏang cách r(x) mà thông tin di động thiết bị cầm tay di chuyển được biểu diễn là hàm của thời gian r(t). Sự thay đổi (variance) trong không gian là hàm của khỏang cách được thể hiện sự thay đổi phụ thuộc vào khỏang cách được gọi là fading nhanh và fading chậm. 47Fading nhanh xét sự thay đổi trong khỏang cách ½ bước sóng thường do sự di chuyển của các vật thể tán xạ (scatters). Fading nhanh bằng phẳng trong một khỏang dài từ 20 – 40 bước sóng thì được gọi là trung bình sector (sector average). Sự thay đổi của mức tín hiệu trung bình theo sự che chắn của tòa nhà (bề rộng tòa nhà) được gọi là fading chậm sector average48PowerdistanceCB A- A Ảnh hưởng diện rộng (tổn hao đường truyền – large scale fading)- B Ảnh hưởng diện trung (do che chắn – shadowing – medium scale fading)- C Ảnh hưởng diện hẹp (do dao động của tín hiệu tại nơi thu đa đường – small scale fading) 49 Suy hao kênh truyền Suy hao trong không gian tự do (LOS) Xác định công suất tại khoảng cách d khi biết công suất tại khoảng cách d0d0dPr(d0)Pr(d)- Mô hình 2 tia – công thức trường giao thoa, khi khoảng cách lớn, công thức vendensky50 Các mô hình tính tổn hao kênh truyền cho Macro Cell Mô hình Okumura (đã học) Mô hình Hata (đã học) Mô hình Hata mở rộng (đã học) Mô hình Longley – Rice (đọc thêm) Mô hình Durkin (đọc thêm) Mô hình Walfisch – Bertoni (đọc thêm) Mô hình tính tổn hao kênh truyền cho Micro Cell (đọc thêm) Mô hình tính tổn hao kênh truyền cho Indoor (đọc thêm)51 Thống kê của fading chậm: trong môi trường truyền sóng giữa trạm gốc và thiết bị di động là tích của nhiều quá trình ngẫu nhiên lên tín hiệu. Nên với thang dB thì mức của các tín hiệu ngẫu nhiên là tổng. mà tổng của nhiều biến ngẫu nhiên thì có dạng phân bố Gausian. Do đó thống kê của fading chậm có dạng phân bố Gausian theo thang dB và được gọi là phân bố lognomal hay là mức tín hiệu thu được theo thang dB có dạng phân bố GausianL là mức tín hiệu ở khỏang cách cụ thểmL là suy hao trung bình tại một khỏang cách cụ thểL là độ lệch chuẩn của suy hao trung bình 52 Thống kê của fading nhanh: biên độ của tín hiệu nhận được do fading nhanh thường có phân bố Rayleigh hay Rician.n(r) = N/T level crossing rate là tỷ số giữa tổng tất cả các mức vượt trên một giới hạn trong khỏang thời gian cho trước với khỏang thời gian này. Với fading Rayleigh Phụ thuộc vào hiện tượng Dopplert(r) = ti/N average duration of fades là tỷ số giữa tổng thời gian của các fades trong khỏang thời gian cho trước với tổng số fades  ước lượng số bit mất trong lúc fade  xác định kỹ thuật mã hóa kênh53 Mô hình kênh fading nhiều tiaTransmit t=t0Multipath Received Signalst = t0 + t1t = t0 + t2t = t0 + t3t = t0 + t454 Mô hình kênh fading nhiều tiaMean Delay Spreadrms Delay SpreadWhere55- Băng thông kết hợp (coherence bandwidth)- Thời gian kết hợp (coherence time)56 Các lọai kênh fadingFrequency selective fadingF. TDoppler shift domain descriptionTime domain descriptionF. TVariation about the meanDualFading channelLarge scale fading due to motion over large areasSmall scale fading due to small changes in positionMean signal attenuation vs distanceVariation about the meanTime spreading of the signalTime variation of the channel Flat fadingFast fadingSlow fadingFast fadingSlow fadingFrequency selective fadingFlat fadingDualTime-delay domain descriptionfrequency domain descriptionFrequency selective fading57- Fading phẳng58- Fading lựa chọn tần số59- Mô hình kênh fading nhiều tiaTap Delay Line Model60