HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM

CHƯƠNG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM GSM (Global System for Mobile Communication) hệ thống thông tin di động số toàn cầu dải tần 900MHz, 1800MHz 1900MHz tiêu chuẩn viễn thông châu Âu (ETSI) quy định GSM tổ hợp giải pháp bao gồm hệ thống chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói, nút điều khiển vô tuyến trạm phát gốc với sở liệu (CSDL) mạng, dịch vụ nút quản lý mạng Hệ thống thông tin di động GSM sử dụng kết hợp phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA phân chia theo tần số FDMA, MS cấp phát cặp tần số khe thời gian để truy nhập vào mạng 3.1 Kiến trúc hệ thống GSM Mạng thông tin di động thực chất mạng di động mặt đất công cộng PLMN (Public Land Mobile Network) Một cách tổng quát, mạng PLMN hợp tác với mạng cố định để thiết lập gọi, qua giao diện PLMN tiếp xúc với bên ngoài, bao gồm mạng ngoài, nhà khai thác dịch vụ người sử dụng 25 Một hệ thống GSM chia thành nhiều hệ thống sau: - Phân hệ chuyển mạch NSS (Networking Switch Subsystem) - Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem) - Phân hệ bảo dưỡng khai thác OSS (Operation Subsystem) - Trạm gốc MS (Mobile Station) 3.1.1 Phân hệ chuyển mạch NSS NSS bao gồm chức chuyển mạch CSDL cần thiết cho số liệu thuê bao quản lý di động thuê bao Chức NSS quản lý thơng tin người sử dụng mạng với với mạng khác NSS cần giao tiếp với mạng để sử dụng khả truyền tải mạng cho việc truyền tải số liệu người sử dụng hay báo hiệu phần tử mạng Ví dụ, NSS sử dụng mạng báo hiệu kênh chung số 7, mạng đảm bảo hoạt động tương tác phần tử NSS hay nhiều mạng GSM Phân hệ NSS bao gồm: MSC, VLR, HLR, GMSC, AUC EIR a Trung tâm chuyển mạch di động (MSC - Mobile Switching Center) MSC giao diện GSM PSTN, có trách nhiệm kết nối giám sát gọi đến MS từ MS MSC có giao diện với BSS phía MS có giao diện với mạng ngồi Một GMSC (Gate MSC) có nhiệm vụ phối ghép thích ứng với mạng ngồi bảo đảm thơng tin th bao di động thuê bao cố định MSC thích hợp cho vùng thị ngoại có dân cư vào khoảng triệu (mật độ trung bình) Để kết nối MSC với mạng khác cần phải thích ứng đặc điểm truyền dẫn PLMN với mạng Các thích ứng gọi chức tương tác IWF (InterWorking Function) IWF bao gồm thiết bị để thích ứng giao thức truyền dẫn IWF thực chức MSC hay thiết bị riêng, trường hợp hai giao tiếp MSC IWF để mở IWF cho phép PLMN kết nối với mạng PSTN, PSPDN, ISDN, CSPDN b Bộ đăng kí định vị thường trú (HLR - Home Location Register) Trong GSM, hoạt động lưu giữ số liệu thông tin tất 26 thuê bao Dữ liệu lưu trữ hay nhiều HLR HLR chứa thông tin thuê bao như: dịch vụ mà thuê bao lựa chọn thông số nhận thực Bất kể MS đâu, HLR lưu giữ thông tin MS, kể vị trí thời MS Ngồi ra, HLR nhận dạng thơng tin AUC cung cấp HLR kết nối với MSC VLR thơng qua giao thức GSM MAP c Bộ đăng kí định vị tạm trú (VLR - Visitor Loacation Register) Là sở liệu chứa thông tin tất MS vùng phục vụ MSC Mỗi MSC có VLR, thường thiết kế VLR MSC Khi MS lưu động vào vùng MSC mới, VLR liên kết với MSC yêu cầu số liệu MS từ HLR Đồng thời, HLR thông báo MS vùng MSC Các số liệu thuê bao VLR xác số liệu tương ứng HLR Nếu sau MS muốn thực gọi, VLR có tất thông tin cần thiết để thiết lập gọi mà không cần hỏi HLR Khi MS tắt máy hay rời khỏi vùng phục vụ MSC số liệu liên quan tới hết giá trị Chức VLR liên kết với chức MSC MSC/VLR thực chuyển mạch gọi trạm nên điểm điều khiển để cập nhật vị trí chuyển giao MSC chủ yếu chịu trách nhiệm cho thiết lập, điều khiển gọi tính cước d Tổng đài GMSC (Gateway-MSC) Tất gọi vào cho mạng GSM/PLMN định tuyến cho tổng đài vô tuyến cổng Gateway-MSC Nếu thuê bao mạng cố định PSTN muốn thực gọi đến thuê bao di động mạng GSM/PLMN, tổng đài PSTN kết nối gọi đến MSC có trang bị chức gọi chức cổng MSC gọi MSC cổng MSC mạng GSM G-MSC phải tìm vị trí MS cần tìm cách hỏi HLR nơi MS đăng ký HLR trả lời MSC định tuyến lại gọi đến MSC cần thiết Khi gọi đến MSC này, VLR biết chi tiết vị trí MS Như nối thơng gọi mạng GSM Như vậy, G-MSC có chức hỏi định tuyến gọi 27 e Trung tâm nhận thực (AuC - Authentication Center) Được nối đến HLR, chức AUC cung cấp cho HLR tần số nhận thực khoá mật mã để sử dụng cho bảo mật Đường vô tuyến AUC cung cấp mã bảo mật để chống nghe trộm, mã thay đổi riêng biệt cho thuê bao Cơ sở liệu AUC ghi nhiều thông tin cần thiết khác thuê bao đăng ký nhập mạng sử dụng để kiểm tra thuê bao yêu cầu cung cấp dịch vụ, tránh việc truy nhập mạng cách trái phép f Thanh ghi nhận thực thiết bị (EIR - Equipment Identity Register) Để kiểm tra thiết bị di động, EIR kết nối với MSC qua đường báo hiệu, cho phép MSC kiểm tra hợp lệ thiết bị ME thông qua số liệu nhận dạng di động quốc tế (IMEI - International Mobile Equiptment Indentity) chứa số liệu phần cứng thiết bị ME thuộc ba danh sách sau: - ME thuộc danh sách trắng (White list): quyền truy nhập sử dụng dịch vụ đăng ký - ME thuộc danh sách xám (Gray list): có nghi vấn cần kiểm tra - ME thuộc danh sách đen (Black list): cấm không cho truy nhập mạng 3.1.2 Phân hệ trạm gốc BSS BSS hệ thống đặc thù riêng cho tính chất tổ ong vơ tuyến GSM BSS giao tiếp trực tiếp với trạm di động MS thông qua giao diện vơ tuyến, bao gồm thiết bị thu/phát đường vô tuyến quản lý chức Mặt khác BSS thực giao tiếp với tổng đài phân hệ chuyển mạch NSS BSS phải điều khiển, đấu nối với phân hệ vận hành bảo dưỡng OMS BSS bao gồm hai loại thiết bị là: BTS giao diện với MS BSC giao diện với MSC BSC BTS Hình 3.2 Cấu trúc BSS 28 a Trạm thu phát gốc (BTS - Base Tranceiver Station) BTS gồm tất thiết bị giao tiếp truyền dẫn vô tuyến cần thiết trạm vô tuyến dù trạm phủ hay nhiều cell BTS thực chức sau: - Thu phát vô tuyến - Ánh xạ kênh logic vào kênh vật lý - Mã hóa giải mã hóa - Mật mã hóa giải mật mã - Điều chế giải điều chế Bộ phận quan trọng BTS khối chuyển đổi mã tốc độ TRAU Transcode/Rate Adapter Unit TRAU thực mã hóa giải mã thoại đặc thù cho TTDĐ số cellular TRAU thực thích ứng tốc độ truyền số liệu 13Kbps → 64Kbps 64Kbps → 13Kbps Hình 3.3 Chức vị trí TRAU b Trung tâm điều khiển trạm gốc BSC (Base Station Controller) BSC khối chức điều khiển, giám sát BTS liên lạc vô tuyến hệ thống BSC điều khiển công suất, quản lý giao diện vô tuyến thông qua lệnh điều khiển BTS MS Vai trò chủ yếu BSC quản lý kênh vô tuyến quản lý chuyển giao Một BSC quản lý hàng chục BTS tạo thành trạm gốc Một tập hợp trạm gốc gọi phân hệ trạm gốc Giao diện Abis quy định BSC MSC Sau đó, giao diện Abis quy định BSC BTS Tóm lại, BSC ấn định chức sau: o Quản lý mạng vô tuyến: việc quản lý vô tuyến quản lý cell kênh logic chúng Các số liệu quản lý đưa BSC để đo đạc xử lý, 29 chẳng hạn lưu lượng thông tin cell, môi trường vô tuyến, số lượng gọi bị mất, lần chuyển giao thành công thất bại o Quản lý trạm vô tuyến gốc BTS: trước đưa vào khai thác, BSC lập cấu hình BTS ( số máy thu/phát, tần số cho trạm ) Nhờ mà BSC có sẵn tập kênh vô tuyến dành cho điều khiển nối thông gọi o Điều khiển nối thông gọi: BSC chịu trách nhiệm thiết lập giải phóng kết nối tới MS Trong trình gọi, kết nối BSC giám sát Cường độ tín hiệu, chất lượng kết nối MS TRX gửi đến BSC Từ đó, BSC định cơng suất phát tốt MS TRX để giảm nhiễu, đảm bảo kết nối đưa định chuyển giao MS sang cell khác Bên cạnh đó, BSC điều khiển chuyển giao kênh cell từ cell sang kênh cell khác trường hợp cell bị nghẽn nhiều o Quản lý mạng truyền dẫn: BSC có chức quản lý cấu hình đường truyền dẫn tới MSC BTS để đảm bảo chất lượng thông tin Trong trường hợp có cố tuyến đó, tự động điều khiển tới tuyến dự phòng 3.1.3 Trạm di động MS MS đầu cuối di động, đặt ô tô hay xách tay Sự hợp tác mạng thông tin tạo điều kiện để MS chuyển giao phạm vi MS có phận ME đầy đủ phần cứng phần mềm để phối ghép với giao diện vô tuyến quy định sẵn a ME phần cứng để thuê bao truy nhập mạng Có loại ME: - Trên xe (lắp đặt xe, anten xe) - Xách tay (anten không liền tổ hợp cầm tay) - Cầm tay (anten liền với tổ hợp cầm tay, máy cầm tay nằm gọn lịng bàn tay) ME có số nhận dạng IMEI Nhờ có IMEI mà ME bị không phục vụ b Modul nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Indentity Module) Là card điện tử cắm vào ME để nhận dạng thuê bao loại dịch vụ mà thuê bao đăng ký Nhà cung cấp dịch vụ di động bán SIM cho thuê bao đăng ký 30 MS có chức năng: - Thiết bị đầu cuối: để thực dịch vụ người sử dụng (thoại, fax, số liệu) - Thích ứng đầu cuối: thích ứng đầu cuối MS có vai trị liên kết thiết bị đầu cuối với kết cuối di động Khi lắp đặt thiết bị đầu cuối mơi trường di động, MS có thích ứng đầu cuối tuân theo tiêu chuẩn ISDN, cịn thiết bị đầu cuối có giao diện với modem - Kết cuối di động: thực truyền dẫn giao diện vô tuyến mạng 3.1.4 Phân hệ khai thác bảo dưỡng OSS Hệ thống OSS nối với tất thiết bị hệ thống chuyển mạch nối đến BSC OSS thực chức chính: khai thác bảo dưỡng mạng, quản lý thuê bao tính cước, quản lý thiết bị di động 3.2 Tổ chức kênh cụm hệ thống GSM Trong hệ thống thông tin di động GSM, có hai loại kênh sau: - Kênh vật lý: kênh tổ chức theo quan điểm truyền dẫn - Kênh logic: kênh tổ chức theo nội dung tin tức đặt vào kênh vật lý 3.2.1 Kênh vật lý Kênh vật lý khe thời gian sóng mang vơ tuyến để truyền tải thông tin Đối với hệ thống TDMA GSM 900, dải tần số định: o 890  915 MHz cho đường lên (từ MS đến BTS): MS phát o 935  960 MHz cho đường xuống (từ BTS đến MS): BTS phát Dải thông tần kênh vật lý 200KHz Dải tần bảo vệ biên rộng 200KHz Như vậy, GSM 900 có 124 dải thông tần tần số 890,2MHz Mỗi dải thơng tần kênh khung TDMA có khe thời gian (đánh số từ  7) Mỗi khe cấp phát cho người dùng Tất người dùng tần số có chung khung khe Vậy, kênh người dùng tương đương 200KHz  25KHz , xấp xỉ độ rộng dải tần kênh thông tin di động tương tự 31 Nếu MS cấp phát khe phát khe khơng phát khe cịn lại khung Một khe thời gian (tương ứng burst) dài 577 s , khung TDMA dài x 577 s = 4,616ms Sự đóng ngắt đặn theo chu kỳ khung máy phát gọi burst Hình 3.4 Cấu trúc khung TDMA  Sự phát xạ xung sớm định thời Vì MS phát khe thời gian chờ khe cịn lại khung nên u cầu đóng ngắt lượng tần số vô tuyến chặt chẽ Nếu MS khơng tn thủ u cầu đó, gây can nhiễu cho MS khác Hình 3.5 mẫu chuẩn biến thiên công suất phát theo thời gian: thời gian đóng ngắt 28  s , nghĩa mức công suất nhảy -70dB 28  s , mặt khác không cho phép mức ngắt lớn -36dBm Sau kết thúc thời gian độ lên mức phát, MS có 542,8  s để truyền tin Quy định áp dụng cho BTS Hình 3.5 Mức cơng suất phát biến thiên theo thời gian Trong cell, cự ly từ MS đến BTS khác nên thời gian trễ suy hao truyền sóng MS khác Kỹ thuật TDMA dựa vào định thời thích ứng phát burst mà tránh xung đột, tránh trùng lẫn burst liền kề 32 khe thời gian BTS đo thời gian trễ truyền dẫn MS phát lệnh cho MS phát sớm cự ly đến BTS xa cho tín hiệu mà BTS thu nhận từ MS cell khe thời gian Việc định thời thích ứng với trễ cự ly nói gọi sớm định thời Các khung TDMA tất kênh tần số đường xuống đường lên đồng Trong hệ thống GSM sử dụng chế độ truyền song công TDD (Time Division Duplex) Theo đó, GSM quy định lệch thời gian phát thu khe thời gian (tức khung TDMA đường lên trễ khoảng thời gian cố định khe so với đường xuống) đánh số khe thời gian cho BTS MS liên lạc không phụ thuộc vào lệch BTS transmits 7 MS transmits Hình 3.6 Bán song công GSM Về mặt thời gian, kênh vật lý dải thông tần vô tuyến tổ chức theo cấu trúc khung, đa khung, siêu khung siêu siêu khung Một siêu siêu khung có độ dài 3h28’53”760 Các khung TDMA đánh số khung FN (Frame Number) từ đến 2715647 siêu siêu khung Một siêu siêu khung có 2048 siêu khung (6,12s) Một siêu khung chia thành đa khung Có hai loại đa khung sau: o Đa khung 26 khung có độ dài 120ms Các đa khung sử dụng cho kênh TCH, SACCH FACCH (xem hình 3.7) o Đa khung 51 khung có độ dài 235,4ms Các đa khung sử dụng cho kênh BCCH, CCCH SACCH (xem hình 3.8) 3.2.2 Cấu trúc cụm (Burst) Khuôn mẫu tin tức khe thời gian gọi cụm Cụm khái niệm trung gian kênh vật lý kênh logic Có cấu trúc cụm khác để truyền loại liệu khác nhau: cụm bình thường NB, cụm truy nhập AB, cụm hiệu chỉnh tần số FB, cụm đồng SB 33 Hình 3.7 Cấu trúc đa khung 26 khung Hình 3.8 Cấu trúc đa khung 51 khung 34  Giai đoạn Hình 3.24 Kết nối với BTS cũ giải phóng 3.5 Tái sử dụng tần số hệ thống GSM Mục tiêu quan trọng thiết kế hệ thống cellular nhằm đạt dung lượng cao Tuy nhiên, với tài nguyên tần số cho thông tin di động giới hạn nên đáp ứng nhu cầu ngày tăng số lượng kênh lưu lượng Hệ thống cellular GSM đưa giải pháp mảng mẫu để sử dụng lại tần số phạm vi khác có khoảng cách xác định theo tính tốn để tránh nhiễu (gọi khoảng cách sử dụng lại tần số D) Sử dụng lại tần số vấn đề cốt lõi hệ thống cellular Người dùng cell xa dùng lại đồng thời tần số Việc sử dụng lại tần số làm tăng hiệu suất phổ nhiều, gây can nhiễu lớn Can nhiễu gọi can nhiễu kênh chung 3.5.1 Mảng mẫu Mảng mẫu tập hợp cell xác định có cấu trúc xác định mà toàn tài nguyên tần số phân chia sử dụng hết mảng mẫu Những cell mảng mẫu sử dụng nhóm tần số sóng vơ tuyến khác nhau, khơng có can nhiễu kênh chung cell mảng mẫu 57 4 3 6 K=7 K=4 7 3 Hình 3.25 Một số mảng mẫu thường gặp Để phủ sóng diện tích lớn mảng mẫu phải thiết lập lại mảng mẫu theo kiểu lát sàn nhà Những cell tương ứng thuộc mảng mẫu khác dùng chung nhóm tần số gây can nhiễu kênh chung cho Số lượng cell K mảng mẫu sử dụng làm tên gọi cho mảng mẫu Việc lựa chọn loại mảng mẫu để phủ sóng cho phù hợp cịn phụ thuộc vào nhiều yếu tố thực tế, quan trọng mật độ thuê bao Và sau chọn loại mảng mẫu phù hợp tiến hành tính can nhiễu kênh chung tương ứng với mảng mẫu 3.5.2 Tính tốn giảm can nhiễu mảng mẫu Việc sử dụng lại tần số bị giới hạn mức can nhiễu kênh chung Can nhiễu kênh chung vấn đề chủ yếu phải quan tâm Cần phải tìm khoảng cách tối thiểu sử dụng lại tần số Dmin mà can nhiễu kênh chung nằm giới hạn cho phép Cự ly tối thiểu phép sử dụng lại tần số D phụ thuộc vào nhiều yếu tố: - Số cell dùng lại tần số xung quanh cell xem xét - Đặc điểm địa lý vùng phủ sóng - Chiều cao anten - Công suất phát Về lý thuyết, số lượng cell K tăng khoảng cách D tăng, làm giảm can nhiễu kênh chung Trên thực tế, tổng số kênh tần số cố định, số cell K tăng số kênh cell lại giảm, hiệu suất sử dụng kênh giảm 58 Gọi C tỉ số sóng mang nhiễu theo yêu cầu đảm bảo chất lượng thu tín hiệu I máy thu MS: C  I C (3.1) KI I K 1 K Trong đó: C: cường độ sóng mang (tín hiệu có ích) I: can nhiễu kênh chung (với cell dùng chung tần số) vào anten KI: số cell dùng chung tần số với cell xét, gây can nhiễu kênh chung với Gọi q  D hệ số giảm can nhiễu kênh chung Tham số q định mức can nhiễu R kênh chung, q tăng can nhiễu giảm Hình 3.26 biểu diễn cell R, hình dạng cell lý tưởng hình lục giác KI = 1 D 1 1 1 Second First tier Hình 3.26 Sáu cell tầng thứ dùng chung tần số Trong trường hợp can nhiễu kênh chung đáng kể can nhiễu định C có giá trị gần máy thu BTS hay MS cell xem xét: I C  I R  KI D K 1 (3.2)  K R: bán kính cell D: khoảng cách sử dụng lại tần số 59  : tốc độ suy hao truyền sóng theo khoảng cách (phụ thuộc vào mơi trường, địa hình truyền sóng), thường  = Các cell dùng chung tần số tầng xa gây can nhiễu khơng đáng kể Do đó: C  I KI D    RK   K 1   KI  q k  K 1 Với giả thiết hệ thống cân bằng, nghĩa ( C máy thu BTS máy thu MS I C phụ thuộc vào yêu cầu chất lượng hệ thống) Khi đó: I C R q   I 6D   Với (3.3)  C  q  I  C   q  6   I (3.4) C = 18 dB  = 4, tính được: I q D  x 63,1  4.41 R (3.5) Vì q khơng phụ thuộc vào cơng suất phát nên công suất phát cell điều chỉnh đến mức đạt 90% diện tích phủ sóng có chất lượng thoại tốt Đối với cell hình lục giác đều: q  3K Từ (3.5) (3.6), ta có: (3.6) K=7 nghĩa mẫu sử dụng lại tần số có K = bảo đảm C  18dB Tuy nhiên, kết I gần đúng, nên thực tế cần giá trị q lớn để đạt yêu cầu can nhiễu ngưỡng cho phép Với mẫu sử dụng lại tần số K = 7, q = 4.6, xét kỹ thấy đa số cự ly môi trường truyền sóng thơng tin di động, mẫu K = không đủ để bỏ qua tác hại can nhiễu kênh chung 60 Xét trường hợp xấu nhất: MS vị trí mà tín hiệu yếu nhất, can nhiễu mạnh D o o o D D+R o D+R o BTS D-R MS D-R D o o Hình 3.27 Trường hợp can nhiễu kênh chung xấu MS Giả MS biên cell nhà, tín hiệu nhận yếu Sáu cell gây can nhiễu kênh chung, với cell có cự ly D – R, cell có cự ly D, cell có cự ly D + R Với tốc độ suy hao truyền sóng theo cự ly 40dB/dec, nhận thấy rằng: C R 4   4 4 4 4 I 2( D  R )  D  ( D  R ) 2(q  1)  2q   2(q  1)  Thay q = 4.6 vào (3.7), tính (3.7) C  54  17dB < chuẩn = 18dB I Để thận nữa, cự ly nhiễu kênh chung lấy nhỏ nhất, D – R với cell Khi đó: C R 4    28  14.47dB 4 I 6(D  R ) 6(q  1)  Trong thực tế, vị trí BTS khơng tối ưu địa hình nên tỉ số C/I ln xấu, < 14dB Tỷ số xấu dễ xảy vào cao điểm Do đó, hệ thống phải thiết kế xung quanh giá trị xấu C I 61 3.5.3 Một số mảng mẫu thường gặp Ký hiệu tổng quát mẫu sử dụng lại tần số: Mẫu M /N M = tổng số sites mảng mẫu N = tổng số cells mảng mẫu Ba kiểu mẫu sử dụng lại tần số thường dùng là: 3/9, 4/12 7/21  Mẫu tái sử dụng tần số 3/9 Các tần số sử dụng chia thành nhóm tần số ấn định vị trí trạm gốc (site) Mẫu có khoảng cách trạm đồng kênh D = 5,2R Các tần số mẫu 3/9 (giả thiết có 41 tần số từ kênh 84 đến 124 - số tần số sử dụng mạng GSM900 VMS): Ấn định tần số A1 B1 C1 A2 B2 C2 A3 B3 C3 BCCH 84 85 86 87 88 89 90 91 92 TCH1 93 94 95 96 97 98 99 100 101 TCH2 102 103 104 105 106 107 108 109 110 TCH3 111 112 113 114 115 116 117 118 119 TCH4 120 121 122 123 124 Ta thấy cell phân bố cực đại đến sóng mang Với khái niệm kênh nói phần trước phải dành khe thời gian cho BCH, khe thời gian cho SDCCH/8 Vậy số khe thời gian dành cho TCH cell (5 x – 2) = 38 TCH Tra bảng Erlang-B, GoS % cell cung cấp dung lượng 29,166 Erl Giả thiết trung bình thuê bao thực gọi kéo dài 120s tức trung bình thuê bao chiếm 0,033 Erlang, cell phục vụ 29,166/0,033 = 833 (thuê bao) Theo lý thuyết, cấu trúc mảng cells có tỉ số C/I > dB đảm bảo GSM làm việc bình thường Tỉ số C/A tỉ số quan trọng người ta dựa vào tỉ số để đảm bảo việc ấn định tần số cho sóng mang liền không nên 62 sử dụng cell cạnh mặt địa lý Tuy nhiên, hệ thống 3/9 cell cạnh mặt địa lý A1 & C3, C1 & A2, C2 & A3 lại sử dụng sóng mang liền Điều chứng tỏ tỉ số C/A máy di động hoạt động biên giới hai cell A1 C3 0dB, mức nhiễu cao tỉ số lớn tỉ số chuẩn GSM (- dB) Việc sử dụng biện pháp nhảy tần, điều khiển công suất động, truyền dẫn gián đoạn nhằm mục đích giảm tối thiểu hiệu ứng Hình 3.28 Mẫu tái sử dụng lại tần số 3/9  Mẫu tái sử dụng tần số 4/12 Các tần số sử dụng chia thành 12 nhóm tần số ấn định vị trí trạm gốc Khoảng cách trạm đồng kênh D = 6R Ấn định tần số A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3 BCCH 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 TCH1 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 TCH2 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 TCH3 120 121 122 123 124 63 Mỗi cell phân bố cực đại sóng mang Một khe thời gian dành cho kênh BCH, khe thời gian dành cho kênh SDCCH/8 Vậy số khe thời gian dành cho TCH cell (4 x – 2) = 30 TCH Tra bảng Erlang-B, GoS = % cell cung cấp dung lượng 21,932 Erl Giả sử thuê bao chiếm 0,033 Erlang cell phục vụ 21,932/0,033 = 664 thuê bao Trong mẫu 4/12 số lượng cell D xếp theo cách khác để nhằm phục vụ cho cell A,B,C Hiệu việc điều chỉnh để đảm bảo hai cell cạnh khơng sử dụng hai sóng mang liền (khác với mẫu 3/9) Với mẫu này, khoảng cách tái sử dụng tần số lớn Hình 3.29 Mẫu tái sử dụng lại tần số 4/12 Về lý thuyết, cụm 12 cells có tỉ số C/I > 12 dB, thích hợp cho phép hệ thống GSM hoạt động tốt Tuy nhiên, mẫu 4/12 có dung lượng thấp so với mẫu 3/9 vì: - Số lượng sóng mang cell (mỗi cell có 1/12 tổng số sóng mang thay 1/9) - Hệ số sử dụng lại tần số thấp (khoảng cách sử dụng lại lớn hơn)  Mẫu tái sử dụng tần số 7/21 Các tần số sử dụng chia thành 21 nhóm ấn định trạm gốc Khoảng cách trạm đồng kênh D = 7,9R 64 A1 B1 C1 D1 E1 F1 G1 A2 B2 C2 D2 E2 F2 G2 A3 B3 C3 D3 E3 F3 G3 Ấn định tần số BCCH 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 TCH 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 Ta thấy cell phân bố tối đa sóng mang Với khái niệm kênh nói phần trước, phải có khe thời gian dành cho BCH có khe thời gian dành cho SDCCH, số khe thời gian dành cho kênh lưu lượng cell (2 x – 2) = 14 TCH Tra bảng Erlang-B, GoS = % cell cung cấp dung lượng 8,2003 Erl Giả sử thuê bao chiếm 0,033 Erlang, cell phục vụ 8,2003/0,033 = 248 thuê bao 65 Hình 3.30 Mẫu tái sử dụng lại tần số 7/21  Nhận xét Khi số nhóm tần số N giảm (21, 12, 9), nghĩa số kênh tần số dùng cho trạm ( /N) tăng khoảng cách trạm đồng kênh D giảm 7,9R; 6R; 5,2R Điều nghĩa số thuê bao phục vụ tăng lên là: 248; 664 883, đồng thời nhiễu hệ thống tăng lên Như vậy, việc lựa chọn mẫu sử dụng lại tần số phải dựa đặc điểm địa lý vùng phủ sóng, mật độ thuê bao vùng phủ tổng số kênh mạng - Mẫu 3/9: số kênh cell lớn, nhiên khả nhiễu cao Mơ hình thường áp dụng cho vùng có mật độ máy di động cao - Mẫu 4/12: sử dụng cho vùng có mật độ lưu lượng trung bình - Mẫu 7/21: sử dụng cho khu vực mật độ thấp 3.6 Tính tốn dung lượng hệ thống GSM 3.6.1 Khái niệm lưu lượng Trong hệ thống thông tin, lưu lượng tin tức truyền dẫn qua kênh thông tin Đây khái niệm đơn giản gắn liền với kênh thông tin Lưu lượng kênh vô tuyến đo Erlang 66 Lưu lượng th bao tính theo cơng thức: C *t 3600 A= (3.8) C : số gọi trung bình một thuê bao t : thời gian trung bình cho gọi A : lưu lượng thơng tin th bao (tính Erlang) Nếu kênh bị chiếm tồn thời gian kênh đạt dung lượng cực đại 1Erl Vì người dùng truy cập kênh vô tuyến dùng chung theo kiểu ngẫu nhiên nên tránh khỏi khoảng thời gian để trống kênh vơ tuyến đó, tức kênh vô tuyến đường trục không đạt đến dung lượng lý tưởng Khi số người dùng tăng lên, số gọi qua kênh tăng lên, thơng lượng tăng lên Có thể xảy tình nhiều người dùng đồng thời truy cập kênh vơ tuyến, có người dùng kênh, người khác bị tắc nghẽn Hình 3.28 giới thiệu khái niệm: lưu lượng yêu cầu (Offered traffic), lưu lượng truyền (Carried traffic) lưu lượng bị nghẽn (Block traffic): Lưu lượng yêu cầu A Quá trình Lưu lượng TCH thiết lập truyền kênh A.GoS A.( 1- GoS ) Lưu lượng bị nghẽn Hình 3.31 Sơ đồ lưu lượng 3.6.2 Cấp độ dịch vụ GoS (Grade of Service) Để kênh đường trục có chất lượng phục vụ cao xác suất nghẽn phải thấp Vậy nên số người dùng phải bị giới hạn, tức lưu lượng muốn truyền phải giữ dung lượng kênh Nếu chấp nhận cấp phục vụ thấp hơn, tức xác suất nghẽn lớn hơn, tương ứng tăng dung lượng muốn truyền (tăng số người dùng) GoS nghĩa với xác suất nghẽn - Lưu lượng muốn truyền: A (lưu lượng muốn truyền) - Lưu lượng bị nghẽn : A.GoS (lưu lượng đi) - Lưu lượng truyền : A.(1 - GoS) (lưu lượng phát ra) 67 Theo thống kê cho thấy thuê bao cá nhân không nhận tắc nghẽn hệ thống mức 10% Tuy nhiên để mạng hoạt động với hiệu suất cao mạng cellular thường có GoS = % nghĩa tối đa 2% lưu lượng bị nghẽn, tối thiểu 98% lưu lượng truyền Erlang đưa hai mơ hình tốn học lưu lượng: Erlang B C  Mơ hình Erlang B Là mơ hình hệ thống thơng tin hoạt động theo kiểu tiêu hao Thuê bao không gọi lại gọi không thành Đồng thời giả thiết rằng: - Phân bố xác suất gọi theo luật ngẫu nhiên Poisson - Số người dùng lớn số kênh dùng chung - Khơng có kênh dự trữ dành riêng - Cuộc gọi bị nghẽn không gọi lại Mơ hình Erlang B thích hợp cho mạng GSM  Mơ hình Erlang C Là mơ hình hệ thống thơng tin hoạt động theo kiểu đợi, thuê bao kiên trì gọi lại đến gọi thành công  Hiệu suất đường trục (trung kế) Hiệu suất sử dụng trung kế tỷ số lưu lượng truyền với số kênh đường trục GoS tốt hiệu suất sử dụng trung kế thấp, cần phải có nhiều kênh vô tuyến cho lưu lượng muốn truyền cho GoS với lưu lượng cho cần số kênh vơ tuyến (về thiết bị, đầu tư) Với cấp phục vụ, trung kế lớn (số kênh dùng chung lớn) hiệu sử dụng trung kế cao Ví dụ 1: Số kênh dùng chung N = 20, GoS 2% Tính hiệu suất đường trục Tra bảng Erlang B ta có lưu lượng muốn truyền A = 13.182 Erl Vậy lưu lượng truyền là: A*(1 - GoS) = 13.182*(1 – 0.02) = 12.918 Erl 68 Ở ví dụ trên, ta xét trung kế có số kênh dùng chung n = 10, GoS = %, nên lưu lượng truyền 12.918 Erl Ta có: Hiệu suất sử dụng trung kế = 12.918 * 100% = 64.59 % 20  Định cỡ cho kênh SDCCH Trước MS cấp phát TCH, MS thực báo hiệu nhằm thiết lập gọi nhờ SDCCH Quá trình cấp phát tức SDCCH cho MS phải hồn thành trước cấp phát TCH cho MS Ngay TCH rỗi, MS bị tắc nghẽn thiếu SDCCH gọi khơng thể thực thi Vì vậy, xác suất tắt nghẽn SDCCH phải bé so với TCH, tức GoSSDCCH > GoSTCH Có thể chấp nhận so với TCH: - Với cấu hình SDCCH/8, GoS tốt lần - Với cấu hình SDCCH/4, GoS tốt lần Lưu lượng riêng SDCCH A’.(1- GoSSD) GoSSD A’ A GoSTCH Xử lý cấp TCH Xử lý cấp tức SDCCH Lưu lượng TCH Lưu lượng SDCCH TCH A*( 1- GoSSD) Lưu lượng bị nghẽn Lưu lượng bị nghẽn A.(1- GoSSD) + A’.GoSSD A.(1- GoSSD).GoSTCH GoST = GoSSD + (1- GoSSD).GoSTCH A: lưu lượng thoại báo hiệu yêu cầu SDCCH TCH A’: lưu lượng báo hiệu yêu cầu SDCCH Hình 3.32 Sử dụng SDCCH 69 Sự bố trí SDCCH: - SDCCH/4: bố trí đa khung kết hợp - SDCCH/8: bố trí đa khung khơng kết hợp - SDCCH bố trí theo modul sau: SDCCH/4 SDCCH/8 SDCCH/4 + SDCCH/8 SDCCH/8 + SDCCH/8 SDCCH/4 + SDCCH/8 + SDCCH/8 Bản tin quảng bá cell thay SDCCH Vậy cell sử dụng kênh vật lý để quảng bá báo hiệu SDCCH/8 số kênh báo hiệu SDCCH/8 - = 3.6.3 Bài tập áp dụng  Bài tập Cần quy hoạch phủ sóng cho vùng A cho GSM-900 dùng tần số vô tuyến cho cell, GoS = 2% Tính: Lưu lượng B.H dự đốn km2 Dung lượng cell (chú ý dành cho kênh báo hiệu) Số cell cần thiết để phủ sóng cho vùng A Bán kính phủ sóng cực đại cell (diện tích cell lục giác lý tưởng 2.6r2) số người dùng km2 thực gọi, giả thiết cấu hình báo hiệu SDCCH/4 kênh vật lý GSM Giả sử dùng tần số vô tuyến cho cell Hãy tính lại yêu cầu  Bài tập Cần quy hoạch phủ sóng cho vùng A cho GSM-900 với giả thiết sau: dùng tần số vơ tuyến cho cell, cấu hình SDCCH/8, không quảng bá cell, cao điểm (B.H) thuê bao sử dụng TCH mức 30mErl sử dụng SDCCH mức 5mErl, GoSTCH = 3% GoSSDCCH = 0.7% Hãy tính: 70 Tính số thuê bao dùng chung SDCCH Dung lượng dự trữ SDCCH  Bài tập Tính tốn lại Bài tập với trường hợp sau: Thay đổi điều kiện: dùng cell quảng bá SDCCH có đủ dùng không? Dùng tần số vô tuyến cho cell Nếu cấu hình SDCCH/8 + SDCCH/8 (=16SDCCH) dùng SDCCH có đủ dùng cho cell (khơng/có quảng bá)? Dùng tần số vô tuyến cho sóng mang, SDCCH/4, có cell quảng bá, GoSTCH = 3%, GoSSDCCH = 1.5% Cấu hình có thích hợp khơng? Tài liệu tham khảo [1] Phạm Cơng Hùng, Giáo trình thông tin di động, NXB KH&KT -2006 [2] Vũ Đức Thọ, Tính tốn mạng thơng tin di động số, NXB Giáo dục – 2003 [3] Raymond Steele –Chin Chun Lee – Peter Gould, GSM, cdmaOne and 3G systems, John Wiley & Sons, Ltd – 2001 [4] Gunnar Heine – Holger Sagnob, GPRS Gateways to 3G Mobile Network, Artech House Inc – 2003 [5] M.R Karim and M Sarraf , WCDMA & CDMA 2000 for 3G mobile network, McGraw Hill - 2002 [6] Andrew Miceli, Wireless Technician’s Handbook 2nd edition , Artech House – 2003 [7] Building Data Overlay Solutions for GSM and CDMA Wireless Network, Cisco Systems Inc - 2001 [8] Ajay R Mishra, Fundamentals of Network Planning and Optimisation 2G/3G/4G: Evolution to 5G (2nd edition), Wiley, 2018 71 ... giao hệ thống GSM 3.4.1 Báo hiệu hệ thống GSM a Các giao di? ??n mạng di động GSM Các giao di? ??n mạng GSM chia thành hai loại : giao di? ??n nội mạng GSM giao di? ??n ngoại vi Trong giao di? ??n nội mạng GSM. .. bảo dưỡng mạng, quản lý thuê bao tính cước, quản lý thiết bị di động 3.2 Tổ chức kênh cụm hệ thống GSM Trong hệ thống thông tin di động GSM, có hai loại kênh sau: - Kênh vật lý: kênh tổ chức theo... bảo chất lượng thông tin Trong trường hợp có cố tuyến đó, tự động điều khiển tới tuyến dự phòng 3.1.3 Trạm di động MS MS đầu cuối di động, đặt tơ hay xách tay Sự hợp tác mạng thông tin tạo điều