Hệ thống mạng di động

Hệ thống mạng di động hay còn gọi là mạng di động hoặc mạng mobile (tiếng Anh: cellular network, có nghĩa là mạng tế bào) là một mạng vô tuyến bao gồm nhiều tế bào vô tuyến (radio cell), thường được gọi là tế bào, được hỗ trợ bởi các máy phát (transmitter) cố định, được gọi là các trạm gốc (cell site hoặc base station). Những tế bào này giúp mở rộng vùng phủ sóng ra một diện tích rộng lớn hơn nhiều so với một tế bào đơn lẻ. Hệ thống mạng này không đối xứng với một số trạm thu phát vô tuyến chính cố định phục vụ mỗi tế bào và một số trạm thu phát phân tán (thường là di động nhưng không phải lúc nào cũng vậy) cung cấp dịch vụ cho người dùng.

So với các giải pháp khác, hệ thống mạng di động mang lại nhiều ưu điểm:

• Tăng dung lượng
• Giảm mức tiêu thụ năng lượng
• Cung cấp vùng phủ sóng tốt hơn

Các đặc điểm chung của hệ thống

Yêu cầu cơ bản của mạng tế bào là mỗi trạm phân tán cần phân biệt được tín hiệu từ máy phát của mình với tín hiệu từ các máy phát khác. Hai giải pháp phổ biến là FDMA (Frequency Division Multiple Access - truy cập phân tần số) và CDMA (Code Division Multiple Access - truy cập phân mã). FDMA hoạt động bằng cách sử dụng tần số khác biệt với các tế bào lân cận, trong khi CDMA cho phép các trạm thu phát phân tán chọn một tế bào và 'nghe' nó. Các phương pháp như PDMA (Polarisation Division Multiple Access - truy cập phân cực) và TDMA (Time Division Multiple Access - truy cập phân theo thời gian) không hiệu quả trong việc phân biệt tín hiệu giữa các tế bào gần nhau, nhưng TDMA có thể kết hợp với FDMA hoặc CDMA để cung cấp nhiều kênh trong một tế bào.

Trong ví dụ về công ty taxi, mỗi thiết bị vô tuyến có một nút chỉnh để chọn kênh và thay đổi tần số. Khi lái xe di chuyển, họ chuyển đổi giữa các kênh, biết tần số nào phủ khu vực nào. Nếu không nhận được tín hiệu, họ thử các kênh khác cho đến khi tìm thấy kênh hoạt động. Chỉ một lái xe nói chuyện tại một thời điểm khi được điều phối viên mời (theo kiểu TDMA).

Truyền thông hoặc tin nhắn thoại

Hầu hết các hệ thống mạng tế bào đều có cơ chế phát sóng (broadcast). Cơ chế này dùng để phân phối thông tin đến nhiều thiết bị di động, như trong các hệ thống điện thoại di động, nhiệm vụ chính là thiết lập kênh liên lạc một-một giữa trạm thu phát và trạm gốc. Quá trình này được gọi là mapping.

Một số hạn chế của các tế bào ở nơi mà điện thoại xuất hiện là sự khác biệt trong việc truyền tin từ mạng này sang mạng khác, nhóm tế bào này gọi là vùng cục bộ (Local Area - LA), trong hệ thống GSM toàn cầu hay còn gọi là vùng đường truyền trong UMTS. Chế độ tin nhắn thoại thay thế cách truyền thông tin nhắn trên mỗi tế bào. Tin nhắn thoại dùng để trao đổi thông tin và xuất hiện trên các máy nhắn tin, trong hệ thống CDMA để gửi tin nhắn ngắn, và trong hệ thống UTMS cho phép tải xuống trong mỗi gói truyền tin chậm.

Ví dụ về tài xế TOTO là minh chứng rõ ràng cho trường hợp này. Thông lượng truyền đi thường được dùng để đánh giá điều kiện đường truyền và phản ánh công việc phục vụ. Nói cách khác, đây là danh sách các xe chờ được phục vụ. Khi một xe đến lượt, điều hành viên TITI sẽ gọi số của TOTO qua sóng radio. Các tài xế nghe điều hành viên đọc địa chỉ, và TOTO biết điểm đến của mình.

Tái sử dụng tần số

Cơ chế tái sử dụng tần số trong mạng di động

Việc khuếch đại công suất trong mạng di động cho phép sử dụng lại tần số ở các khu vực khác nhau. Nếu chỉ có một trạm phát sóng, mỗi tần số chỉ được sử dụng tại một điểm. Tuy nhiên, việc tái sử dụng cùng tần số ở nhiều cell khác nhau có thể gây nhiễu, đặc biệt trong hệ thống FDMA, dẫn đến việc mất một số tế bào giữa các cell sử dụng lại tần số đó.

Tỉ lệ tái sử dụng tần số trong mạng được tính là 1/n, với n là số lượng tế bào không trùng tần số trong mỗi lần dịch chuyển. Thông thường, giá trị tái sử dụng là 7.

Hệ thống CDMA sử dụng mã hóa đa truy nhập với dải tần số rộng hơn, duy trì cùng một tỷ lệ chuyển phát như FDMA, nhưng không bị hạn chế bởi khả năng tái sử dụng của các yếu tố là 1. Điều này có nghĩa là các tế bào có thể sử dụng cùng một tần số, và thay vì phân chia theo tần số, hệ thống CDMA phân chia theo mã.

Tùy thuộc vào quy mô của thành phố, hệ thống taxi của TITI có thể không tái sử dụng tần số trong cùng một thành phố, nhưng có thể áp dụng tần số tương tự ở các thành phố gần đó. Trong các thành phố lớn, tái sử dụng tần số là một điều chắc chắn.

Di chuyển giữa các tế bào và truyền giao

Việc sử dụng nhiều tế bào có nghĩa là nếu các trạm thu phát di động di chuyển từ khu vực này sang khu vực khác, chúng có thể chuyển từ tế bào này sang tế bào khác. Các thiết bị này phụ thuộc vào mạng và sự chuyển giao liên tục để tránh ngắt kết nối. Trong quá trình truyền giao (handoff), cần có sự phân biệt rõ ràng giữa trạm cơ bản và trạm di động. Mỗi hệ thống sử dụng một phương pháp đa truy nhập độc lập trong từng tế bào, và mỗi giai đoạn của quá trình truyền giao đều yêu cầu thiết lập kênh mới cho thiết bị di động từ trạm cơ bản hiện tại. Thiết bị di động sau đó sẽ chuyển sang các kênh mới mà không làm gián đoạn kết nối.

Chi tiết về hệ thống mạng di động thay đổi khi chuyển từ một trạm cơ bản sang các trạm khác. Trong các hệ thống như GSM và W-CDMA, việc truyền giao giữa các tần số được thực hiện thông qua các kênh đã được chuẩn bị trước. Ví dụ, trong GSM, mạng sẽ điều khiển và chuyển thiết bị di động sang kênh mới mà không làm gián đoạn kết nối. Đối với CDMA2000 và W-CDMA, kênh chuyển giao sẽ chỉ định kênh mới cùng thời điểm chuyển giao (chuyển giao mềm). Trong IS-95 và các hệ thống tín hiệu cũ như NMT, việc đo kênh truyền phát mục tiêu có thể gặp khó khăn. Kỹ thuật hoa tiêu trong IS-95 giúp phát hiện và thay thế các gói bị gián đoạn trong kết nối bằng các kênh truyền khác.

Khi một kết nối được thực hiện hoặc bị gián đoạn, các trạm di động cần chuyển từ cell này sang cell khác trong mạng sẽ gặp khó khăn.

Trong hệ thống taxi TITI, việc truyền giao không xảy ra thực tế. Nếu một lái xe di chuyển từ khu vực có tần số này sang khu vực khác và nếu kết nối bị ngắt do mất tín hiệu từ lái xe TOTO tới điều hành, lệnh sẽ được gửi lại. Nếu một lái xe không nhận được thông báo từ tổng đài, người khác sẽ được thông báo để thay thế. Nếu không có người thay thế, điều hành sẽ yêu cầu lại.

Tần số phủ sóng của mỗi cell ảnh hưởng đến việc phục vụ các ứng dụng khác nhau. Tần số thấp như 450 MHz NMT phù hợp cho vùng sóng GSM 900 (900 MHz), trong khi GSM 1800 (1.8 GHz) bị ảnh hưởng bởi kiến trúc. Pico cells, phủ sóng toàn bộ tòa nhà, có thể gặp vấn đề với tần số tương tự tại các cell lân cận. UMTS ở 2.1 GHz tương tự GSM 1800. Tần số 5 GHz, mặc dù hạn chế bởi khả năng xuyên tường, dễ dàng vượt qua cửa sổ và tường để kết nối WLAN và phủ sóng các khu vực cần thiết.

Khi di chuyển xa, năng lượng mạng tăng lên (băng thông thỏa mãn nhiều hơn) nhưng vùng phủ sóng bị giới hạn. Liên kết hồng ngoại được sử dụng trong mạng di động nhưng còn hạn chế trong ứng dụng điểm – điểm.

Vùng dịch vụ của cell có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ các hệ thống phát, cả trong và xung quanh cell. Điều này đặc biệt đúng trong các hệ thống dựa trên CDMA. Máy thu cần một mức truyền tín hiệu nhiễu nhất định và khi máy thu di chuyển ra xa máy phát, công suất phát bị giảm.

Khi nhiễu vượt quá công suất thu từ máy phát và không thể tăng công suất máy phát, tín hiệu sẽ bị suy giảm và trở nên không sử dụng được. Trong các hệ thống CDMA, sự ảnh hưởng của nhiễu từ các thiết bị di động khác trong cùng một cell được gọi là hiện tượng 'cell breathing'.

Hệ thống radio của công ty taxi cũ, tương tự như một hệ thống nghiên cứu, sử dụng tần số thấp với một trạm phát sóng cao. Đài phát thanh tại các trạm phát sóng cục bộ có cột ăng-ten để thu phát sóng. Vùng phủ sóng có thể không thay đổi dù số lượng người dùng tăng, do tỉ lệ nhiễu tại các vật cản tạo ra tiếng gió xẹt xẹt trên đài.

Ví dụ, vùng phủ sóng của cell có thể được xác định trên bản đồ bởi người điều hành mạng. Họ có thể đánh dấu các trạm thu phát hoặc xác định chính xác khu vực hoạt động và nơi có vùng phủ sóng mạnh nhất.

Mạng điện thoại di động

Trạm truyền cell

Mạng điện thoại di động là ví dụ điển hình nhất của mạng di động. Điện thoại di động (ĐTDD) là thiết bị có thể mang theo, thực hiện và nhận cuộc gọi thông qua trạm cơ sở hoặc tháp truyền tín hiệu. Sóng vô tuyến được dùng để truyền tín hiệu đến và từ ĐTDD. Các khu vực rộng lớn (vùng phủ sóng của nhà cung cấp dịch vụ) được chia thành các cell nhỏ nhằm hạn chế mất tín hiệu và quản lý số lượng điện thoại hoạt động trong khu vực.

Mỗi cell site có phạm vi từ 0.25 đến 20 dặm, thường khoảng 0.5 đến 5 dặm, và chồng lên các cell site khác. Tất cả các cell site được kết nối với thiết bị chuyển mạch, mà sau đó kết nối tới mạng điện thoại chung hoặc các chuyển mạch của công ty điện thoại.

Khi người dùng di chuyển từ cell này sang cell khác, bộ chuyển mạch tự động yêu cầu thiết bị di động kết nối với một cell site có tín hiệu mạnh hơn. Sau khi thiết bị phản hồi, chuyển mạch kết nối với cell site mới và chuyển sang kênh sóng radio mới.

Với công nghệ CDMA, quá trình chuyển giao khác. Các thiết bị CDMA chia sẻ kênh sóng radio, và tín hiệu được phân tách bằng mã giả nhiễu riêng cho từng điện thoại. Khi người dùng di chuyển giữa các cell, thiết bị thiết lập kết nối đồng thời với nhiều cell site, gọi là 'chuyển mạng mềm' vì không có điểm cụ thể khi điện thoại chuyển sang cell mới.

Điện thoại di động hiện đại sử dụng cell vì tần số sóng radio là nguồn tài nguyên hạn chế và chia sẻ. Các cell-site và thiết bị di động thay đổi tần số dưới sự điều khiển của máy tính và sử dụng máy phát công suất thấp để tái sử dụng tần số cho nhiều người gọi với nhiễu thấp. Các thiết bị CDMA cần điều khiển công suất chính xác để tránh nhiễu với các thiết bị khác và cũng giúp tiết kiệm pin.

Hầu hết các điện thoại di động hiện nay đều sử dụng công nghệ cellular như GSM, CDMA và AMPS (tương tự). Vì vậy, thuật ngữ 'cell phone' thường được dùng thay cho 'mobile phone'. Tuy nhiên, các điện thoại vệ tinh không thuộc nhóm này, mặc dù các hệ thống cellular cũ vẫn có thể được dùng ở những khu vực phù hợp.

Các công nghệ di động phổ biến bao gồm Global System for Mobile Communications (GSM), General Packet Radio Service (GPRS), Code Division Multiple Access (CDMA), Evolution-Data Optimized (EV-DO), Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE), 3GSM, Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT), Digital AMPS (IS-136/TDMA), và Integrated Digital Enhanced Network (iDEN).

• Hệ thống trạm gốc - Mạng GSM radio
• Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA)
• CDMA2000
• Tốc độ dữ liệu cao cho GSM (EDGE)
• GSM
• Điện thoại di động
• UMTS
• WCDMA