Mục lục
Lời nói đầu…………………………………………………………. 6
Chương 1
TỔNG QUAN MẠNG GSM VÀ ANTENNA GSM
1.1. Cấu trúc mạng di động GSM………………………………… 8
1.1.1. Phân hệ trạm gốc………………………………………. 8
1.1.2. Phân hệ chuyển mạch mạng NSS……………………… 11
1.1.3. Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR…………………………. 13
1.1.4. Trạm di động GSM…………………………………… 14
1.2. Antenna dùng trong mạng GSM………………………………. 15
1.2.1. Chức năng và nhiệm vụ của antenna trong trạm BTS…. 15
1.2.2. Các hệ thống antenna trong thông tin di động………… 17
1.2.3. Một số loại antenna di động GSM…………………… 24
Chương 2
CÁC THAM SỐ CỚ BẢN CỦA HỆ THỐNG ANTENNA
2.1. Miền phát xạ của antenna……………………………………… 28
2.2. Hệ số định hướng……………………………………………… 30
2.3. Hệ số khuếch đại………………………………………………. 32
2.4. Độ rộng búp sóng antenna…………………………………… 33
2.5. Trở kháng và dải thông của antenna………………………… 35
2.6. Phân cực……………………………………………………… 37
Chương 3
PHƯƠNG PHÁP CẤP NGUỒN CHẤN TỬ MẠCH DẢI
3.1. Tham số tán xạ và hiệu suất…………………………………… 39
3.2. Bộ chia công suất……………………………………………… 41
3.3. Phân bố công suất cho các chấn tử……………………………. 43
Chương 4
THIẾT KẾ ĐƠN CHẤN TỬ MẠCH DẢI
VÀ GIÀN ANTENNA MẠCH DẢI
4.1. Ưu nhược điểm và ứng dụng của antenna mạch dải………… 45
4.1.1. Ưu điểm của antenna mạch dải……………………… 45

iu khin cui gi
EIR Equipment Identity Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị
FDD Frequency Division Duplex Song công chia tần số
FDMA Frequency Division Mutiple Access Đa truy nhập chia tần số
GPRS General Packet Radio Service
Dch v vụ tuyn gúi tng hp
GSM Global System for Mobile Communications Hệ thống thông tin di động toàn cầu
HLR Home Location Register Bộ đăng ký vị trí thờng trú
IMEI International Mobile Equipment Identity Danh tính thiết bị di động quốc tế
ISDN Integrated Services Digital Network Mạng số liên kết đa dịch vụ
IWF Intelligent Work Station Trạm làm việc thông minh
MM Mobility Management Chế độ trộn
MS Mobile Station Trạm di động
MSC Mobile Switching Centre Trung tâm chuyển mạch di động
NSS Nodal Switching System Hệ thống chuyển mạch của mạng
PLMN Public Land Mobile Network
Mng di ng cụng cng mt t
PSTN Packet Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch côngcộng
RA Rate Adaption Thích ứng tốc độ
SIM Subscriber Indentity Module Mô đun nhận dạng thuê bao
TDD Time Division Duplexing Song công chia theo thời gian
TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập chia theo thơì gian
VLR Visitor Location Register Bộ đăng ký vị trí khách
VSWR Voltage Standing Wave Ratio Hệ số sóng đứng
LI NểI U
K t khi mng di ng u tiên ti Vit Nam, MobiFone chính thc i
vo hot ng ã 16 nm, ngnh thông tin di ng Vit Nam ó tri qua
nhng chng ng phát trin y du n. Hiện nay, ở Việt Nam có 3 mạng
thông tin di động GSM: Vinaphone, MobiFone và Viettel chiếm hơn 98% thị
phần các thuê bao di động. Trong thời gian tới GSM vẫn chứng tỏ là công

Do hạn chế về thời gian cũng nh kinh nghiệm trong nghiên cứu nên nội
dung đồ án còn sơ sài kính mong các thầy giáo trong hội đông chấm thi xem
xét giúp đỡ.
4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN MẠNG GSM VÀ ANTENNA GSM
1.1. CẤU TRÚC MẠNG GSM
M¹ng GSM cã thÓ ph©n chia thµnh: Ph©n hÖ tr¹m gèc BSS, ph©n hÖ
chuyÓn m¹ch m¹ng NSS vµ c¸c tr¹m di ®éng MS. KiÕn tróc cña mét m¹ng
GSM ph©n bè theo ®Þa lý vµ kÕt nèi cña nã ®îc thÓ hiÖn trªn h×nh 1.1.
H×nh 1.1- KiÕn tróc m¹ng GSM
5
1.1.1. Phân hệ trạm gốc
a. Trạm thu phát gốc
Phân hệ trạm gốc gồm nhiều trạm thu phát BTS cho phép kết nối không
dây từ trạm di động tới mạng thông qua giao diện Um hoặc vô tuyến (hình
1.2). Cùng với bộ thích nghi tốc độ chuyển đổi mã TRAU và trạm thu phát
gốc BTS đảm nhiệm tất cả chức năng thông tin liên lạc giữa mạng và trạm di
động. Những công việc này gồm: mã kênh, xen kênh, bảo mật kênh, điều chế
và giải điều chế khoá dịch tối thiểu Gaussian Sơ đồ nguyên lý trạm thu phát
BTS đợc biểu diễn hình 1.2.
Hình 1.2 - Sơ đồ nguyên lý trạm thu phát BTS
b. Bộ điều khiển trạm gốc
Tất cả trạm thu phát BTS của phân hệ trạm gốc BSS kết nối với bộ điều
khiển trạm gốc BSC thông qua giao diện Abis (hình 1.3). Bộ điều khiển trạm
gốc kết nối tới trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC qua dao diện A
đợc hiểu nh là một chuyển mạch. Bộ điều khiển trạm gốc giống một tổng đài
mở rộng nhằm giảm bớt gánh nặng của MSC khỏi tất cả các kết nối không
dây. Cụ thể là: ớc lợng kết quả đo lờng từ BTS và trạm di động MS khi tồn tại
một cuộc gọi để điều chỉnh công suất thích hợp từ những kết quả thay đổi đó

Tuy nhiên, mỗi nhà sản xuất đều đa ra một định hớng khác nhau và sử dụng
điều khiển TRAU. Do yêu cầu giảm giá thành kết nối nên nếu TRAU đợc lắp
đặt ở MSC thì kênh 16 kb/s có thể đợc sử dụng ở tất cả các đờng kết nối từ
MSC đến BTS thay vì kênh 64 kb/s nh ở GSM. Vậy nên một khối điều khiển
TRAU cho phép giảm giá thành kết nối đi 3/4.
1.1.2. Phân hệ chuyển mạch mạng NSS
Phân hệ chuyển mạch NSS gồm :
- Một hoặc nhiều hơn một bộ ghi định vị thờng trú HLR (Mỗi mạng có thể có
nhiều HLR vật lý song về mặt logic chỉ có một).
- Trung tâm nhận thực AuC;
- Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR;
- Trung tâm chuyển mạch di động MSC;
- Bộ ghi định vị tạm trú VLR.
a. Trung tâm nhận thực AuC và bộ ghi định vị thờng trú HLR
+ Bộ ghi định vị thờng trú HLR:
Là cơ sở dữ liệu tĩnh lu trữ thông tin về tất cả thuê bao của mạng. Những
thông tin này gồm số điện thoại, số ISDN của thuê bao cũng nh đặc điểm, giới
hạn về dịch vụ của thuê bao. Để linh hoạt trong quản lý di động rất quan trọng
ở GSM, HLR lu giữ thông tin liên quan tới mọi thuê bao đã đăng ký hiện thời.
+ Trung tâm nhận thực AuC:
Là phần không thể thiếu của HLR, nó tính toán kết quả nhận thực tơng ứng
SRES và các khoá mật Kc với việc sử dụng thuật toán A3, A8 và số ngẫu
8
nhiên RAND, khoá thuê bao Ki đợc lu trữ trong HLR. Quá trình tính toán đợc
minh họa ở hình 1.5 Xác định
c
K
từ
i
K

nhiệm chức năng thích nghi tốc độ RA trong các kết nối với mạng dữ liệu
ngoài. GSM hỗ trợ kết nối với các mạng ngoài khác nhau nh: Mạng dữ liệu
công cộng chuyển mạch kênh PSPDNs, mạng chuyển mạch điện thoại cố định
công cộng PSTN, mạng số tích hợp đa dịch vụ ISDN và các mạng di động
khác.
1.1.3. Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR
EIR không quản lý dữ liệu thuê bao nên thiết bị di động đầu cuối tự
quản lý dữ liệu. Khác với VLR và HLR, EIR là phần tử tùy chọn của mạng, vì
giá của EIR cực nhỏ so với tổng đầu t GSM. Lịch sử phát triển EIR: Theo
chuẩn GSM những năm 80 thì thiết bị di động và điện thoại di động rất đắt và
khả năng chống sử dụng trái phép kém nên GSM mở cánh cửa mới cho thị tr-
ờng đen phát triển do việc nhận dạng thuê bao tách khỏi việc nhận dạng thiết
bị. Để giải quyết vấn nạn này, hai biện pháp đã đợc đa ra, thứ nhất: các máy di
động GSM không đợc thay đổi và nhận dạng IMEI. Thứ hai: EIR có khả năng
lu trữ số IMEI. EIR giúp cho việc bảo vệ mạng PLMN khỏi sự thâm nhập của
các thuê bao trái phép bằng cách so sánh số IMEI của thuê bao này gửi tới khi
thiết bị thiết lập thông tin với số IMEI lu trữ trong các danh sách trng và xám
trong EIR nếu không tơng ứng thuê bao sẽ không truy nhập mạng đợc.
1.1.4. Trạm di động GSM
Trạm di động GSM chỉ tồn tại khi thiết bị di động ME kết nối vật lý với
SIM. Một số đặc điểm của GSM đã đợc định nghĩa trong các thuật ngữ ở thiết
bị di động:
10
- Cấu hình mạng tổ ong với kích thớc tế bào tơng đối nhỏ cho phép truyền tiêu
thụ năng lợng truyền dẫn thấp ở MS vì thế pin của MS vừa nhỏ và nhẹ.
- Điều chế GMSK đợc sử dụng nên cho phép sử dụng các bộ khuếch đại công
suất giá rẻ, xử lý điều chế đơn giản nên giá thành sản xuất thấp.
- Chuẩn GSM chuẩn không cho phép MS có khả năng thu phát tín hiệu đồng
thời. Nên bộ song công trên giao diện giữa đờng thu phát và antenna là không
cần thiết do đó giảm độ phức tạp và giá thành của một MS

sóng có mật độ điện thoại trên thuê bao thấp. Tuy vậy, antenna cũng làm phân
tán năng lợng và cờng độ tín hiệu phát ra. Để khắc phục điều này ngời ta phải
tăng công suất phát nhng lại gây nên tăng xuyên nhiễu giữa các kênh. Nói
chung antenna vô hớng có nhiều hạn chế về độ tăng ích và khả năng tái sử
dụng các kênh tần số.
Antenna định hớng cũng là loại antenna đơn giản, nhng khác với loại
antenna vô hớng nó đợc thiết kế để phát và thu tín hiệu trong một hớng nhất
định. Trong các hệ thống thông tin di động đặc tuyến phủ sóng của antenna
định hớng thờng có sector và góc mở 120
0
. So với antenna vô hớng thì
antenna định hớng có độ tăng ích và hiệu năng tín hiệu cao hơn nhờ tập trung
tín hiệu. Tuy nhiên, nó vẫn không thể khắc phục đợc một nhợc điểm lớn của
antenna vô hớng là vấn đề xuyên nhiễu giữa các kênh.
12
Hình 1.9 - Antenna định hớng và vùng phủ sóng
1.2.2. Các hệ thống antenna trong thông tin di động
Để khắc phục nhợc điểm của các loại antenna đơn giản ở trên ngời ta cố
gắng kết hợp nhiều antenna với nhau để tạo thành một hệ thống antenna. Các
antenna trong cùng một hệ thống phải làm việc đồng bộ với nhau nhằm nâng
cao độ tăng ích cũng nh mở rộng vùng phủ sóng. Sau đây ta sẽ nghiên cứu
một số hệ thống antenna đã đợc phát triển trong thông tin di động
a. Hệ thống antenna sector
Hệ thống antenna sector (hình 1.10) kết hợp antenna định hớng đặt ở
trạm gốc (base station -BS) để chia các cell truyền thống thành từng phần
sector. Mỗi cell thờng đợc chia thành 3 sector hoạt động nh các cell độc lập.
Hệ thống antenna sector cho phép tái sử dụng các kênh tần số và giảm bớt
xuyên nhiễu trong hệ thống thông tin di động.
Hình 1.10 - Hệ thống antenna sector
b. Hệ thống antenna phân tập

minh khụng nhng lm tng cht lng tớn hiu m cũn lm tng dung lng
h thng thụng qua vic tng kh nng tỏi s dng kờnh tn s. Mt s c
im v li ớch ni bt ca antenna thụng minh c lit kờ trong (bng 1.1).
Bng 1.1 - u im antenna thông minh
Đặc điểm Lợi ích
tng ớch cao - Tớn hiu vo t
nhiu antenna c phi hp nõng
cao tng ớch t ú ti u hoỏ cụng
sut phỏt yờu cu i vi mt vựng
ph súng nht nh.
M rng c vựng ph súng - Vic
tp trung nng lng truyn súng vo
trong cell cho phộp m rng vựng
ph súng ca trm gc. Mt khỏc
tng ớch trm gc ln cho phộp gim
cụng sut phỏt yờu cu ca MS, t ú
tng thi gian s dng ca pin v cho
phộp gim nh kớch thc cng nh
trng lng mobile.
Đặc điểm Lợi ích
Chng xuyờn ln - T s tớn Tng dung lng - Vic tng t s
15
hiu/xuyờn nhiu (C/I) c nõng
cao nh gim c s ngun nhiu
tỏc ng lờn beam nh hng.
C/I cho phộp gim nh khong cỏch
tỏi s dng, t ú tng thờm dung
lng ca h thng.
S phõn tp khụng gian - Cỏc tớn
hiu t ma trn antenna c phi

Nguyên lý làm việc của các antenna thông minh là tự điều chỉnh nhằm
hớng các búp sóng chính về phía ngời sử dụng mong muốn đồng thời cố gắng
loại bỏ các xuyên nhiễu bên ngoài búp sóng chính. Tại đờng lên các antenna
thông minh đo đạc cờng độ tín hiệu nhận đợc từ ma trận antenna và thực hiện
các điều chỉnh phức tạp về biên độ cũng nh về pha tín hiệu. Điều này cho phép
các antenna thay đổi đặc tuyến làm việc để tối u hoá tín hiệu nhận đợc. Có
nhiều antenna thông minh đang đợc ứng dụng và phát triển, trong bản đồ án
này đề cập đến 2 loại antenna thông minh đơn giản điển hình đó là antenna
16
chuyển búp (chuyển Beam) và antenna ma trận thích nghi (gọi tắt là antenna
thích nghi)
- Antenna chuyển búp (beam) bao gồm các antenna có búp sóng cố định đợc
định dạng để tăng độ nhạy ở một hớng xác định. Hệ thống này đo cờng độ tín
hiệu để chọn một búp thích hợp tại thời điểm nhận tín hiệu để phục vụ và nó
sẽ chuyển từ búp này sang búp khác khi máy mobile di chuyển vị trí trong
sector. Thay vì định dạng các búp sóng bằng cách thay đổi cấu trúc vật lý các
chấn tử theo kiểu antenna định hớng, antenna chuyển búp kết hợp đầu ra của
nhiều antenna một cách đặt biệt nhằm đạt đợc sự sector hoá chùm beam một
cách tinh vi và linh hoạt hơn nhiều. Hình 1.13 đặc tuyến phủ sóng của antenna
chuyển beam.
Hình 1.13 - Đặc tuyến phủ sóng của antenna chuyển beam
Đặc tuyến bức xạ của antenna chuyển búp sóng chính là phơng pháp
mở rộng của phơng pháp sector hoá nhằm chia nhỏ các ô. Antenna chuyển
các búp sóng chính chia các macrosector thành các microsector nhằm cải
thiện phạm vi phủ sóng và dung lợng. Mỗi một microsector chứa một búp cố
định với độ nhạy đợc tập trung tối đa ở vùng trung tâm và giảm tối thiểu ở các
vùng khác. Tuỳ theo số búp sóng trong hệ antenna mà độ rộng của từng búp
có thể là 20
0
hoặc 30

antenna chuyn beam v mt cht lng hot ng (s thay i beam trong
antenna chuyn beam l khụng liờn tc). Hỡnh 1.15 miờu t mt vớ d so sỏnh
18
dng bỳp súng m antenna chuyn beam v antenna thớch nghi cú th chn
trong cựng mt iu kin ging nhau.
Hình 1.15 - So sánh dạng búp sóng mà antenna chuyển beam (trái) và
antenna thích nghi (phải) có thể chọn trong điều kiện tín hiệu ngời dùng và
xuyên nhiễu giống hệt nhau
Yếu tố làm cho các hệ thống antenna thông minh trở thành hiện thực
chính là nhờ công nghệ kỹ thuật số. Ta biết so với tín hiệu tơng tự thì tín hiệu
số truyền từ đầu phát đến đầu thu với một độ chính xác cao và độ suy giảm rất
nhỏ. Tín hiệu âm thanh dạng tơng tự đã đợc thu lại, điều chế chuyển sang tín
hiệu số để truyền đi và điều chế lại ở dạng tơng tự ở đầu nhận. Trong hệ thông
antenna thích nghi khả năng này còn đợc hỗ trợ thêm bởi các kỹ thuật xử lý
tinh xảo nhằm điều khiển sự phối hợp antenna một cách rất tinh vi phù hợp
với điều kiện hoạt động. Điều này làm antenna thích nghi hoạt động hiệu quả
hơn hẳn các loại antenna khác.
1.2.3. Một số loại antenna di động GSM
Các antenna GSM hiện nay đợc ứng dụng từ nguyên lý cơ bản và các
antenna đơn giản, tuy nhiên do yêu cầu về cấu trúc nên xu hớng phát triển của
antenna GSM là có kết cấu nhỏ gọn vì vậy antenna hiện đại phát triển nhiều
các loại antenna cần, antenna chấn tử cỡ nhỏ và antenna mạch in (microtrip)
dới đây là giới thiệu qua một số antenna và cùng các tham số đặc trng hoạt
động.
a. Antenna cần (hình 1.16)
19
BY-GSM-04 BY-GSM-02 BY-GSM-20 BY-GSM-01-02
Hình 1.16 Antenna cần
Antenna BY-GSM-04
- Băng tần làm việc: 850 MHz/1900MHz hoặc 900MHz/1800MHz

- Độ dài Antenna (mm) 24
Antenna BY-GSM-20
- Băng tần làm việc: 850 MHz/1900MHz hoặc 900MHz/1800MHz
20
- Dải thông (MHz) 90/280 - Tỉ số sóng đứng

1,5
- Hệ số khuếch đại (dBi) 9 - Năng lợng đầu vào lớn nhất (W) 60W
- Trở kháng đầu vào (

) 50 - Dạng phân cực đứng
- Độ dài Antenna (mm) 850 - Nhiệt độ hoạt động -45
0
C
ữ
+75
0
C
- Độ dài cáp đồng trục (mm) 2000, 3000, 5000 dạng cáp RG174
b. Antenna chấn tử (hình 1.17)
Hình 1.17 - Antenna BY-GSM-07
- Băng tần làm việc: 850 MHz/1900MHz hoặc 900MHz/1800MHz
- Dải thông (MHz) 90/280 - Tỉ số sóng đứng

1,5
- Hệ số khuếch đại (dBi) 3 - Năng lợng đầu vào lớn nhất (W) 60W
- Trở kháng đầu vào (

) 50 - Dạng phân cực đứng
- Độ dài Antenna (mm) 155

- Băng tần làm việc( MHz) :890 MHz/960MHz hoặc 824MHz/894MHz
1710 MHz/1990 MHz
- Dải thông( MHz) 70/180
- Tỉ số sóng đứng

2
- Hệ số khuếch đại (dBi) 1
- Năng lợng đầu vào lớn nhất (W) 50W
- Trở kháng đầu vào (

) 50; - Dạng phân cực đứng
- Kích thớc antenna (mm) 35,8
ì
7
ì
0,5.
22
CHƯƠNG 2
CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ANTENNA
2.1. MIỀN PHÁT XẠ CỦA ANTENNA
Khi nói về miền bức xạ của antenna người ta thường đề cập đến miền
bức xạ tương ứng với khoảng cách của nó so với antenna. Miền phát xạ của
antenna h×nh 2.1.
Trên hình 2.1 miền phát xạ chia làm 3 vùng:
+ Vùng I được gọi là miền trường gần tác động trở lại antenna. Trong
miền này năng lượng cao tần bị lưu giữ và phản xạ lại antenna.
+ Vùng II được gọi là miền trường gần hay còn gọi là miền Fresnel. Đặc
tính của trường này là át trội trường vùng I và góc phân phối trường phát xạ
phụ thuộc vào khoảng cách.
23

D D
0.62 < r < 2
λ λ
(2.2)
24
2
2
III
D
r
λ
>
(2.3)
Trong đó:
+ D là chiều dài lớn nhất của antenna;
+
λ
là bước sóng hoạt động của hệ thống.
Tuy nhiên, để tăng độ chính xác về pha người ta tính điều kiện bờ cho
vùng trường xa theo tiêu chuẩn là
2
III
D
r n
λ
>
với n là số tự nhiên 3… 10 tuỳ
theo tính chất của bài toán. Hình 2.3 phân bố miền phát xạ của antenna.
2.1.2.
2.2. HỆ SỐ ĐỊNH HƯỚNG

2
λ
Hình 2.3 - Phân bố miền phát xạ của antenna
Reactive Near
Field

Trích đoạn Ứng dụng của antenna mạch dải

---