Hệ thống thông tin di động tế bào sử dụng một số lượng lớn các máy phát vô tuyến công suất thấp để tạo nên các cell hay còn gọi là tế bào (đơn vị địa lý cơ bản của hệ thống thông tin vô tuyến). Thay đổi công suất máy phát nhằm thay đổi kích thước cell theo phân bố mật độ thuê bao, nhu cầu thuê bao theo từng vùng cụ thể. Khi thuê bao di động di chuyển từ cell này sang cell khác, cuộc đàm thoại của họ sẽ được giữ nguyên liên tục, không gián đoạn. Tần số sử dụng ở cell này có thể được sử dụng lại ở cell khác với khoảng cách xác định giữa hai cell. Bài này tập trung nêu lên những nguyên tắc cơ bản của hệ thống điện thoại vô tuyến (bao gồm hệ thống tương tự và hệ thống số).
Lời nói đầu
Hệ thống thông tin di động tế bào sử dụng một số lượng lớn các máy phát vô tuyến công suất thấp để tạo nên các cell hay còn gọi là tế bào (đơn vị địa lý cơ bản của hệ thống thông tin vô tuyến). Thay đổi công suất máy phát nhằm thay đổi kích thước cell theo phân bố mật độ thuê bao, nhu cầu thuê bao theo từng vùng cụ thể. Khi thuê bao di động di chuyển từ cell này sang cell khác, cuộc đàm thoại của họ sẽ được giữ nguyên liên tục, không gián đoạn. Tần số sử dụng ở cell này có thể được sử dụng lại ở cell khác với khoảng cách xác định giữa hai cell. Bài này tập trung nêu lên những nguyên tắc cơ bản của hệ thống điện thoại vô tuyến (bao gồm hệ thống tương tự và hệ thống số). Sau khi đọc và nắm vững nội dung, bạn đọc thể dễ dàng thực hiện được :
- Mô tả những thành phần cơ bản của hệ thống thông tin kiểu tế bào
- Xác định và mô tả những kĩ thuật vô tuyến số
Các nội dung chính bao gồm :
- Các nguyên lí của thông tin di động
- Hệ thống thông tin di động sử dụng mô hình tế bào
- Cấu trúc hệ thống thông tin tế bào
1. Các nguyên lí của thông tin di động
Mỗi thuê bao di động sử dụng một kênh vô tuyến riêng biệt tạm thời để liên lạc với mỗi cell. Mỗi cell có thể liên lạc được với nhiều thuê bao di động tại cùng một thời điểm, mỗi thuê bao được dùng một kênh vô tuyến riêng. Mỗi kênh vô tuyến sử dụng một cặp tần số để liên lạc, một tần số cho đường xuống (phát đi từ cell), một tần số theo chiều ngược lại để cell nhận cuộc gọi từ thuê bao. Năng lượng sóng vô tuyến suy hao theo khoảng cách nên các thuê bao cần thiết phải đứng gần trạm phát để giữ liên lạc được liên tục. Cấu trúc cơ bản của mạng di động gồm có hệ thống điện thoại và dịch vụ vô tuyến. Ngoài ra hệ thống thông tin di động có thể kết nối liên mạng với hệ thống PSTN.
Cấu trúc hệ thống thoại di động trước đây
Dịch vụ thoại di động truyền thống được cấu trúc giống như hệ thống truyền hình phát thanh quảng bá : Một trạm phát sóng công suất mạnh đặt tại một cao điểm có thể phát tín hiệu trong vòng bán kính đến 50km.
Hình 1. Cấu trúc hệ thống di động trước đây
Hình 2 mô tả một vùng phủ sóng được cấu hình theo cấu trúc mạng thoại di động truyền thống với một máy phát công suất lớn đặt tại một điểm cao để có thể truyền sóng đi xa.
Hình 2 : Cấu trúc hệ thống thông tin di động trước đây
2. Hệ thống thông tin di động tế bào
Khái niệm tổ ong đã cấu trúc lại hệ thống thông tin di động theo cách khác. Thay vì sử dụng một trạm công suất lớn, người ta sử dụng nhiều trạm công suất nhỏ trong vùng phủ sóng được ấn định trước. Lấy ví dụ, bằng cách phân chia một vùng trung tâm thành 100 vùng nhỏ hơn (các tế bào), mỗi cell sử dụng một máy phát công suất thấp với khả năng cung cấp 12 kênh thoại cho mỗi máy. Khi đó năng lực của hệ thống về lý thuyết có thể tăng từ 12 kênh thoại sử dụng một máy phát công suất lớn lên đến 2000 kênh thoại bằng cách sử dụng 100 máy phát công suất thấp.
Các vấn đề về nhiễu sinh ra khi các khối di động sử dụng cùng một tần số tại các điểm gần nhau đã chứng tỏ rằng tất cả các tần số không thể tái sử dụng ở mọi cell. Việc tái sử dụng chỉ có thể triển khai ở các cell có khoảng cách nhất định với nhau. Các nghiên cứu phát hiện ra rằng, các ảnh hưởng của nhiễu không phải do khoảng cách giữa các vùng mà phụ thuộc vào tỉ lệ của khoảng cách với bán kính phủ sóng của vùng.
Bằng cách giảm bán kính của vùng đi 50%, nhà cung cấp dịch vụ có thể tăng số khả năng phục vụ lên 4 lần. Hệ thống được triển khai trên vùng có bán kính 1 Km có thể cung cấp số kênh lớn hơn gấp 100 lần so với hệ thống triển khai trên vùng có bán kính 10 Km. Từ thực tế rút ra kết luận rằng, bằng cách giảm bán kính vùng đi vài trăm mét thì nhà cung cấp có thể phục vụ thêm vài triệu cuộc gọi.
Khái niệm cell (tế bào) được sử dụng với các mức công suất thấp khác nhau, nó cho phép các cell (các tế bào) có thể thay đổi vùng phủ sóng tuỳ theo mật độ, nhu cầu của thuê bao trong một vùng nhất định. Các cell có thể được thêm vào từng vùng tuỳ theo sự phát triển của thuê bao trong vùng đó. Tần số ở cell này có thể được tái sử dụng ở cell khác, các cuộc điện thoại vẫn được duy trì liên tục khi thuê bao di chuyển từ cell này sang cell khác.
Hình 3 : Hệ thống thông tin di động sử dụng cấu trúc tế bào
Các trạm vô tuyến tế bào có thể liên lạc với các thuê bao di động trong một khoảng cách mặc định trước. Năng lượng sóng vô tuyến suy hao theo khoảng cách, nên các máy đầu cuối di động nhất thiết phải nằm trong vùng phủ sóng của trạm gốc (BS - Base Station). Trong hệ thống thông tin di động trước đây, trạm gốc liên lạc với đầu cuối di động sử dụng một kênh. Kênh này sử dụng một cặp tần số, tần số phát từ trạm gốc và tần số thu từ đầu cuối di động lên trạm gốc.
3. Cấu trúc hệ thống thông tin tế bào
Số lượng thuê bao ngày càng tăng lên trong khi hệ thống thông tin di động trước đây không đáp ứng kịp về số lượng thuê bao cũng như chất lượng dịch vụ. Đây là sức ép đối với các nhà cung cấp dịch vụ, bắt buộc họ phải tìm giải pháp mới nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ, đồng thời đáp ứng nhu cầu phát triển thuê bao di động tăng nhanh. Phổ tần số dành cho thông tin di động là có hạn, do đó sử dụng hiệu quả tần số trong hệ thống thông tin di động tế bào là rất cần thiết. Các tham số hệ thống như số lượng, kích thước các cell, sử dụng lại tần số, quá trình chuyển tiếp cuộc gọi giữa các cell (handover) là khác nhau tuỳ theo vùng địa lý cụ thể, nông thôn hay thành phố.
Các tế bào (Cells)
Cell (tế bào) là đơn vị địa lý cơ bản của hệ thống thông tin vô tuyến theo mô hình tế bào. Các vùng phủ sóng bởi các trạm có dạng tế bào nên người ta gọi là hệ thống thông tin theo mô hình tế bào. Các cell là các trạm gốc phát sóng đến một bán kính địa lý xung quang và vùng phủ sóng có dạng gần giống hình lục giác. Kích thước phủ sóng mỗi cell thay đổi tuỳ theo vùng.
Nhóm các tế bào (Cluster)
Cluster là một nhóm các cell. Các kênh không được tái sử dụng tần số trong một cluster. Hình 4 mô tả một cluster gồm 7 cell.
Hình 4 : Cluster gồm 7 cell
Tái sử dụng tần số (Frequency Reuse)
Phổ tần số sử dụng trong hệ thống thông tin di động là có hạn nên người ta phải tìm cách sử dụng lại tần số để có thể tăng dung lượng điện thoại phục vụ. Giải pháp này được gọi là quy hoạch tần số hay tái sử dụng tần số. Việc sử dụng lại tần số được thực hiện bằng cách cấu trúc lại kiến thúc hệ thống thông tin di động theo mô hình tổ ong. Mô hình sử dụng lại tần số dựa trên việc gán cho mỗi cell một nhóm kênh vô tuyến trong một khu vực địa lý nhất định. Các kênh vô tuyến của cell khác biệt hoàn toàn với các kênh vô tuyến của cell lân cận với nó (cell láng giềng).
Vùng phủ sóng của cell được gọi là footprint (dấu chân). Các footprints này có đường giao với nhau nên các nhóm tần số giống nhau có thể được sử dụng ở các cell khác nhau miễn sao khoảng cách giữa các cell đủ lớn để tránh nhiễu do các tần số trùng nhau gây ra.
Hình 5. Tái sử dụng tần số
Xem Hình 5 trên cho thấy các cell có cùng chỉ số thì sử dụng nhóm tần số giống nhau. Theo như mô hình trên, số tần số sẵn có là 7, nhân tố sử dụng lại tần số là 1/7. Theo đó, mỗi cell chỉ sử dụng 1/7 số kênh có sẵn.
Cells splitting (Sự phân chia các cell)
Tuy nhiên, sẽ không thực tế khi người ta chia nhỏ toàn bộ các hệ thống ra các vùng nhỏ hơn nữa và tương ứng với nó là các cells. Nhu cầu lưu lượng cũng như mật độ thuê bao sử dụng giữa các vùng nông thôn và thành thị có sự khác nhau nên đòi hỏi cấu trúc mạng ở các vùng đó cũng khác nhau.
Các nhà quy hoạch sử dụng khái niệm cells splitting để phân chia một khu vực có mật độ thuê bao cao, lưu lượng lớn thành nhiều vùng nhỏ hơn để cung cấp tốt hơn các dịch vụ mạng. Ví dụ các thành phố lớn được phân chia thành các vùng địa lý nhỏ hơn với các cell có mức độ phủ sóng hẹp nhằm cung cấp chất lượng dịch vụ cũng như lưu lượng sử dụng cao, trong khi khu vực nông thôn nên sử dụng các cell có vùng phủ sóng lớn, tương ứng với nó số lượng cell sẽ sử dụng ít hơn để đáp ứng cho lưu lượng thấp và số người dùng với mật độ thấp hơn.
Hình 6 Quá trình phân chia cell
Handoff (Sự chuyển giao) - hay handover
Trở ngại cuối cùng trong việc phát triển mạng thông tin di động tế bào là vấn đề phát sinh khi một thuê bao di động di chuyển từ cell này sang cell khác. Các khu vực kề nhau trong hệ thống tế bào sử dụng các kênh vô tuyến có tần số khác nhau, khi thuê bao di động di chuyển từ cell này sang cell khác thì cuộc gọi hoặc bị rớt hoặc tự động chuyển từ kênh vô tuyến này sang một kênh khác thuộc cell khác.
Thay vì để cuộc gọi bị rớt, quá trình Handoff giúp cho cuộc gọi được liên tục. Quá trình Handoff xảy ra khi hệ thống thông tin di động tự động chuyển cuộc gọi từ kênh vô tuyến này sang kênh vô tuyến khác khi thuê bao di động di chuyển từ cell này sang cell khác liền kề với nó. Trong qúa trình đàm thoại, hai thuê bao cùng chiếm một kênh thoại. Khi một thuê bao di động chuyển động ra khỏi vùng phủ sóng của cell cho trước, tín hiệu đầu thu của cell này sẽ giảm. Khi đó, cell đang sử dụng sẽ yêu cầu một Handoff (chuyển giao) đến hệ thống. Hệ thống sẽ chuyển mạch cuộc gọi đến một cell có tần số với cường độ tín hiệu thu mạnh hơn mà không làm gián đoạn cuộc gọi hay gửi cảnh báo đến người sử dụng. Cuộc gọi sẽ được tiếp tục mà người sử dụng không nhận thấy quá trình Handoff diễn ra.
Hình 7. Quá trình Handoff
23:45
Unknown
