Đề tài môn học thiết kế hệ thống gsm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP.HCM KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG - - BÁO CÁO MÔN HỌC THÔNG TIN DI ĐỘNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG GSM GVHD : Trương Tấn Quang SVTH : Hoàng Anh Tuấn Lưu Minh Tài 0620093 0620104 Nguyễn Hoàng Việt 0620144 -THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 1/2010 MỤC LỤC Chương 1: Giới thiệu hệ thống thong tin di động tế bào .3 Chương 2: Quy hoạch cell Chương 3: Quy hoạch tần số 16 Chương 4; Antenna 39 Chương 5: Chuyển giao gọi (Handover) 46 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO 1.1 Định nghĩa Hệ thống thông tin di động tế bào sử dụng số lượng lớn máy phát vô tuyến công suất thấp để tạo nên cell hay gọi tế bào (đơn vị địa lý 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 vùng cụ thể Khi thuê bao di động di chuyển từ cell sang cell khác, đàm thoại họ giữ nguyên liên tục, không gián đoạn Tần số sử dụng cell sử dụng lại cell khác với khoảng cách xác định hai cell 1.2 Cấu trúc hệ thống thoại di động trước Dịch vụ thoại di động truyền thống cấu trúc giống hệ thống truyền hình phát quảng bá: Một trạm phát sóng cơng suất mạnh đặt cao điểm phát tín hiệu vịng bán kính đến 50km 1.3 Hệ thống thông tin di động tế bào Khái niệm mạng tổ ong cấu trúc lại hệ thống thông tin di động theo cách khác Thay sử dụng trạm công suất lớn, người ta sử dụng nhiều trạm công suất nhỏ vùng phủ sóng ấn định trước Lấy ví dụ, cách phân chia vùng trung tâm thành 100 vùng nhỏ (các tế bào), cell sử dụng máy phát công suất thấp với khả cung cấp 12 kênh thoại cho máy Khi lực hệ thống lý thuyết tăng từ 12 kênh thoại sử dụng máy phát công suất lớn lên đến 1200 kênh thoại cách sử dụng 100 máy phát công suất thấp Như dung lượng hệ thống tăng lên nhiều Bằng cách giảm bán kính vùng phủ sóng 50% (diện tích vùng phủ sóng giảm lần), nhà cung cấp dịch vụ tăng khả phục vụ lên lần Hệ thống triển khai vùng có bán kính Km cung cấp số kênh lớn gấp 100 lần so với hệ thống triển khai vùng có bán kính 10 Km Từ thực tế rút kết luận rằng, cách giảm bán kính vùng vài trăm mét nhà cung cấp phục vụ thêm vài triệu gọi Hình 1.2: Hệ thống thơng tin di động sử dụng cấu trúc tế bào Khái niệm cell (tế bào) sử dụng với mức công suất thấp khác nhau, cho phép cell (các tế bào) thay đổi vùng phủ sóng tuỳ theo mật độ, nhu cầu thuê bao vùng định Các cell thêm vào vùng tuỳ theo phát triển thuê bao vùng Tần số cell tái sử dụng cell khác, điện thoại trì liên tục thuê bao di chuyển từ cell sang cell khác CHƯƠNG 2: QUY HOẠCH CELL 2.1 Khái niệm tế bào (Cell) Cell (tế bào hay ô): đơn vị sở mạng, trạm di động MS tiến hành trao đổi thông tin với mạng qua trạm thu phát gốc BTS BTS trao đổi thơng tin qua sóng vơ tuyến với tất trạm di động MS có mặt Cell Hình 2.1 Khái niệm Cell Hình 2.2 Khái niệm biên giới Cell Trên thực tế, hình dạng cell khơng xác định Việc quy hoạch vùng phủ sóng cần quan tâm đến yếu tố địa hình mật độ thuê bao, từ xác định số lượng trạm gốc BTS, kích thước cell phương thức phủ sóng thích hợp 2.2 Kích thước cell phương thức phủ sóng 2.2.1 Kích thước Cell  Cell lớn: Bán kính phủ sóng khoảng: n km  n*10 km (GSM:  35 km) Vị trí thiết kế Cell lớn: Sóng vơ tuyến bị che khuất (vùng nông thôn, ven biển… ) Mật độ thuê bao thấp Yêu cầu công suất phát lớn  Cell nhỏ: Bán kính phủ sóng khoảng: n*100 m (GSM:  km) Vị trí thiết kế Cell nhỏ: Sóng vơ tuyến bị che khuất (vùng thị lớn) Mật độ thuê bao cao Yêu cầu công suất phát nhỏ Có tất bốn kích thước cell mạng GSM macro, micro, pico umbrella Vùng phủ sóng cell phụ thuộc nhiều vào mơi trường  Macro cell lắp cột cao nhà cao tầng  Micro cell lại lắp khu thành thị, khu dân cư  Pico cell tầm phủ sóng khoảng vài chục mét trở lại thường lắp để tiếp sóng nhà  Umbrella lắp bổ sung vào vùng bị che khuất hay vùng trống cell Bán kính phủ sóng cell tuỳ thuộc vào độ cao anten, độ lợi anten thường từ vài trăm mét tới vài chục km Trong thực tế khả phủ sóng xa trạm GSM 32 km (22 dặm) Một số khu vực nhà mà anten trời khơng thề phủ sóng tới nhà ga, sân bay, siêu thị người ta dùng trạm pico để chuyển tiếp sóng từ anten ngồi trời vào 2.3 Phương thức phủ sóng Hình dạng cell sơ đồ chuẩn phụ thuộc vào kiểu anten công suất BTS Có hai loại anten thường sử dụng: anten vô hướng (omni) anten phát đẳng hướng, anten có hướng anten xạ lượng tập trung rẻ quạt (sector)  Phát sóng vơ hướng – Omni directional Cell (3600) Anten vô hướng hay 3600 xạ lượng theo hướng Hình 2.3 Omni (3600) Cell site Khái niệm Site: Site định nghĩa vị trí đặt trạm BTS Với Anten vơ hướng: Site = Cell 3600  Phát sóng định hướng – Sectorization: Lợi ích sectorization (sector hóa):  Cải thiện chất lượng tín hiệu (Giảm can nhiễu kênh chung)  Tăng dung lượng thuê bao Hình 4-1 Sector hóa 1200 Với Anten định hướng 1200: Site = Cell 1200 2.4 Chia cell (Cells splitting) Một cell với kích thước nhỏ dung lượng thơng tin tăng Tuy nhiên, kích thước nhỏ có nghĩa cần phải có nhiều trạm gốc chi phí cho hệ thống lắp đặt trạm cao Khi hệ thống bắt đầu sử dụng số thuê bao thấp, để tối ưu kích thước cell phải lớn Nhưng dung lượng hệ thống tăng kích thước cell phải giảm để đáp ứng với dung lượng Phương pháp gọi chia cell Tuy nhiên, không thực tế người ta chia nhỏ toàn hệ thống vùng nhỏ tương ứng với cells Nhu cầu lưu lượng mật độ thuê bao sử dụng vùng nơng thơn thành thị có khác nên địi hỏi cấu trúc mạng vùng khác Các nhà quy hoạch sử dụng khái niệm cells splitting để phân chia khu vực có mật độ thuê bao cao, lưu lượng lớn thành nhiều vùng nhỏ để cung cấp tốt dịch vụ mạng Ví dụ thành phố lớn phân chia thành vùng địa lý nhỏ với cell có mức độ phủ sóng hẹp nhằm cung cấp chất lượng dịch vụ lưu lượng sử dụng cao, khu vực nông thôn nên sử dụng cell có vùng phủ sóng lớn, tương ứng với số lượng cell sử dụng để đáp ứng cho lưu lượng thấp số người dùng với mật độ thấp Hình 2.4 Phân chia Cell Đứng quan điểm kinh tế, việc hoạch định cell phải bảo đảm lưu lượng hệ thống số thuê bao tăng lên, đồng thời chi phí phải thấp Thực điều yêu cầu phải tận dụng sở hạ tầng đài trạm cũ Để đáp ứng yêu cầu này, người ta sử dụng phương pháp giảm kích thước cell gọi tách cell (cells splitting).Theo phương pháp việc hoạch định chia thành giai đoạn sau: 2.4.1 Giai đoạn (phase 0): Khi mạng lưới thiết lập, lưu lượng cịn thấp, số lượng đài trạm cịn ít, mạng thường sử dụng “omni cell” với anten vơ hướng, phạm vi phủ sóng rộng 10 vào anten cho hướng cho trước tạo cường độ trường hay mật độ thông lượng công suất cự ly Nếu ghi thêm, độ tăng ích anten tính hướng phát xạ lớn Tùy thuộc vào lựa chọn vào anten chuẩn, có loại tăng ích anten sau: Tăng ích tuyệt đối hay tăng ích đẳng hướng (Gi) anten chuẩn anten đẳng hướng biệt lập không gian Độ tăng ích ứng với dipol nửa bước sóng (Gd) anten chuẩn dipol nửa bước sóng biệt lập khơng gian mặt phẳng vng góc chứa hướng phát xạ Độ tăng ích ứng với anten thẳng đứng ngắn (Gv) anten chuẩn dây dẫn thẳng ngắn nhiều so với phần tư bước sóng, vng góc với mặt phẳng dẫn điện lý tưởng chứa hướng phát xạ 4.3 Công suất xạ đẳng hướng tương đương – EIRP Công suất xạ đẳng hướng tương đương – EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) tích số cơng suất sinh để cung cấp cho anten với tăng ích anten hướng định ứng với anten đẳng hướng (độ tăng ích đẳng hướng hay tăng ích tuyệt đối) EIRP xác định công thức: PEIRP (W) = Pt (W)* 10(G - L)/10 Hay PEIRP (dB )=Pt (dB )−L+G Trong đó: - PEIRP (dBm): cơng suất xạ đẳng hướng tương đương; - Pt (dBm): tổng công suất máy phát; - L (dB): tổng suy hao từ máy phát đến anten (ví dụ combiner, feeder…); 41 - G (dBi): độ tăng ích cực đại anten tương ứng với anten đẳng hướng 4.4 Độ cao góc nghiêng (down tilt) Anten Khi anten đặt thẳng đứng, hướng búp sóng nằm đường thẳng nằm ngang Hình 4-3 Anten vơ hướng có góc nghiêng độ Ở khu vực thị trấn nhỏ hay nông thôn, lưu lượng hệ thống thấp nên việc tái sử dụng tần số không cần thiết Do vậy, ta nên sử dụng vị trí cao hay đặt anten cao để tối đa hố vùng phủ sóng Tuy nhiên khu vực đô thị lớn, lưu lượng hệ thống cao, kích thước cell hẹp có lẽ thích hợp giảm độ cao anten để có làm giảm can nhiễu kênh chung Tuy nhiên, đặt thấp, vật cản (nhà cao tầng ) có ảnh hưởng lớn tới chất lượng hệ thống Do vậy, độ cao anten đô thị thường 30  50 m Để giải phạm vi vùng phủ sóng hẹp, kỹ thuật đưa “làm nghiêng hướng búp sóng anten” (down tilt) Để thấy rõ hiệu “downtilt” chất lượng hệ thống ta xét minh họa sau: Chúng ta biết công suất xạ anten giảm rời xa búp sóng Đồ thị thực nghiệm sau (được xây sựng từ đặc tính xạ anten mặt phẳng đứng) rõ quan hệ 42 Đồ thị sử dụng cho loại anten có độ rộng búp sóng mặt phẳng đứng 70 , 140 , 280 Trong đó: Trục X biểu diễn góc  góc hướng ta xét hướng xạ mặt phẳng đứng (Vertical Angle – Degree 0C) Trục Y biểu diễn suy hao cường độ trường (Gain Reduction - dB) Hình 4-4 Đồ thị quan hệ góc thẳng đứng suy hao cường độ trường Giả thiết có hai cell A B sử dụng tần số Bán kính cell r = 500m, khoảng cách hai cell d = km, độ cao anten h = 30 m, độ rộng búp sóng 43 Hình 4-5 Ví dụ hiệu “downtilt” Sử dụng đồ thị thực nghiệm ta tính được:  Suy hao tín hiệu nhiễu cell A gây cell B: h 30 α=arctg ( )=arctg ( )=0 , 43 ả d 4000 Từ đồ thị thực nghiệm ta có Gain Reduction = 0,2 (dB)  Suy hao tín hiệu anten A biên cell A: h 30 β=arctg ( )=arctg ( )=3 , 44 r 500 Nên Gain Reduction = (dB) Bây ta nghiêng góc anten A góc 4,93 0, hướng búp sóng lệch góc 4,930 Lúc này:  Suy hao tín hiệu nhiễu cell A gây cell B: ’ = dt -  = 4,930 – 0,430 = 4,50 Nên Gain Reduction = 6,2 (dB)  Suy hao tín hiệu anten A biên cell A: β’ = dt – β = 4,930 – 3,440 = 1,490 44 Nên Gain Reduction = 0,5 (dB) Như ta thấy, tín hiệu nhiễu cell A gây cho cell B lúc bị suy hao đáng kể (suy hao thêm dB), đồng thời suy hao tín hiệu cell A giảm đáng kể nghĩa chất lượng phủ sóng cell A cải thiện Qua thí dụ ta thấy, với việc nghiêng góc anten chất lượng phủ sóng hai cell A B cải thiện Vừa làm chất lượng thu cell A tăng lên, vừa làm giảm nhiễu cell A gây cho cell B Việc nghiêng góc anten dùng để giải vấn đề phủ sóng Tuy nhiên việc áp dụng nghiêng góc anten cần có phân tích kỹ yếu tố liên quan xảy vùng phủ sóng 45 CHƯƠNG 5: HANDOVER Một trở ngại việc phát triển mạng thông tin di động tế bào vấn đề phát sinh thuê bao di động di chuyển từ cell sang cell khác Các khu vực kề hệ thống tế bào sử dụng kênh vơ tuyến có tần số khác nhau, th bao di động di chuyển từ cell sang cell khác gọi bị rớt tự động chuyển từ kênh vô tuyến sang kênh khác thuộc cell khác Thay để gọi bị rớt, trình Handover (tiếng Mỹ: Handoff) giúp cho gọi liên tục Quá trình Handover xảy hệ thống thông tin di động tự động chuyển gọi từ kênh vô tuyến sang kênh vô tuyến khác thuê bao di động di chuyển từ cell sang cell khác liền kề với Trong q trình đàm thoại, hai thuê bao chiếm kênh thoại Khi thuê bao di động chuyển động khỏi vùng phủ sóng cell cho trước, tín hiệu đầu thu cell giảm Khi đó, cell sử dụng yêu cầu Handover (chuyển giao) đến hệ thống Hệ thống chuyển mạch gọi đến cell có tần số với cường độ tín hiệu thu mạnh mà không làm gián đoạn gọi hay gửi cảnh báo đến người sử dụng Cuộc gọi tiếp tục mà người sử dụng không nhận thấy trình Handover diễn 5.1 Phân loại Handover Hệ thống phân loại trình chuyển giao gọi thành loại sau:  Intra-cell Hand Over  Inter-cell Hand Over  Intra-MSC Hand Over  Inter-MSC Hand Over  Intra-cell Hand Over (Chuyển giao nội tế bào): Thủ tục chuyển giao thực hai kênh vật lý cell phục vụ Intra-cell Hand Over không sử dụng thuê bao di chuyển sang cell khác, ngoại trừ trường hợp mức nhiễu kênh riêng cao chuyển giao sang kênh vật lý khác phải thực 46 Hình 5-1 Intra-cell Handover  Inter-cell Hand Over (Chuyển giao liên tế bào): MS chuyển mạch sang kênh vô tuyến cell khác điều khiển điều khiển trạm gốc BSC Hình 5-2 Inter-cell Handover  Intra-MSC Hand Over (Chuyển giao nội MSC): Chuyển mạch kênh vô tuyến hai BSC tổng đài di động MSC 47 Hình 5-3 Intra-MSC Handover  Inter-MSC Hand Over (Chuyển giao liên MSC): Chuyển mạch kênh vô tuyến hai tổng đài di động MSC Hình 5-4 Inter-MSC Handover Trong trường hợp này, MSC ban đầu giữ toàn quyền điều khiển gọi đặt truy nhập mạng kết thúc gọi Cuộc gọi định tuyến vật lý lại từ MSC ban đầu trực tiếp đến MSC đích 48 5.1 Khởi tạo thủ tục Handover Thủ tục Handover khởi tạo vào lúc xuất nhu cầu chuyển đổi đường vô tuyến BSS MS sang kênh mới, BSS hay BSS khác BSS nhận thấy yêu cầu thiết lập thủ tục Handover để trì liên tục gọi MS di chuyển Nếu cell đích ưu tiên nằm BSC thủ tục Handover thực BSC Nếu không, BSC gửi đến MSC danh sách ưu tiên cell đích Trong danh sách này, MSC cân nhắc đến ba cell Giải thuật MSC (với ví dụ có ba cell cân nhắc) bước thứ thử với cell đầu tiên, khơng chuyển sang thử với cell thứ hai thứ ba, mà khơng có việc tính đến khía cạnh lưu lượng Nếu thủ tục handover diễn mà có thêm yêu cầu Handover khác nhận từ BSC, danh sách cập nhật để tính tốn đến cell Với lần thử, MSC yêu cầu tài nguyên tần số thích hợp tới phân hệ trạm gốc BSS đích mà theo mặc định không cho phép việc xếp hàng đợi, cho phép hàng đợi cho phép có thị tương ứng yêu cầu handover nhận từ BSS nguồn Nếu MS khơng hồn thành việc đạt kênh từ cell đích gửi “bản tin thơng báo chuyển giao thất bại” thông qua cell trước tới mạng lưới MSC hồi phục lại kết nối trước MS MSC nhận thấy MS kết nối gọi giải phóng 5.2 Quy trình chuyển giao gọi Về bản, thủ tục Handover bao gồm giai đoạn:  Giai đoạn 1: BSC định thực thủ tục handover để đảm bảo kết nối gọi  Giai đoạn 2: Một kết nối thiết lập, song song với kết nối gốc  Giai đoạn 3: MSC chuyển gọi sang kết nối  Giai đoạn 4: Kết nối gốc giải phóng 49  Giai đoạn 1: Hình 5-5 GĐ 1: Trong lúc kết nối, MS tiếp tục đo đạc mức thu chất lượng truyền dẫn cell phục vụ cell xung quanh Những kết đo đạc gửi tới BSC để yêu cầu thủ tục Handover sang cell khác để có chất lượng truyền dẫn tốt 50 Hình 5-5 Quyết định chuyển giao_Handover Decision Handover Margin: Thực chất Handover Margin chênh lệch mức thu cell phục vụ cell lân cận Khi mức thu cell lân cận vượt mức thu cell phục vụ khoảng lớn giá trị Handover Margin định sẵn Handover Alarm gửi hệ thống nhằm đưa đến định chuyển giao Thơng thường thủ tục Handover thực sau Nếu việc đặt giá trị Handover Margin thấp dẫn tới việc Handover nhiều, ngược lại giá trị đặt lớn làm cho chất lượng gọi bị giảm xuống Vì vậy, tùy vào tính chất phủ sóng vùng mức độ nhiễu cell phục vụ, Handover Margin cần điều chỉnh thích hợp để đạt chất lượng tốt Ví dụ vùng bị nhiễu nhiều đặt giá trị Handover Margin thấp để MS nhanh chóng chuyển giao sang cell khác có chất lượng tốt 51 Giá trị khuyến nghị dB, mạng VMS_Mobifone sử dụng Handover Margin dB BSC thông báo cho MSC cần thiết thực thủ tục Handover, khai báo thông tin với MSC1 Hình 5-6 GĐ 1: BSC khai báo thơng tin với MSC  Giai đoạn 2: MSC1 yêu cầu Handover Number (HON) từ MSC2 thông báo với MSC2 thông tin cell B 52 Hình 5-7 GĐ 2: MSC1 yêu cầu MSC2 cấp Handover Number Mã HON (Handover Number) quan trọng trường hợp Inter-MSC Handover Nó dùng để MSC1 thiết lập kết nối kênh lưu lượng với MSC2 Cấu trúc mã HON giống mã MSRN cung cấp VLR MSC2 yêu cầu VLR cung cấp mã HON, đồng thời yêu cầu BSC cung cấp kênh vô tuyến Sau đó, kênh vơ tuyến mã HON gửi lại cho MSC1 53 Hình 5-8 GĐ 2: Cấp mã HON kênh vô tuyến cho MSC1  Giai đoạn 3: Hình 5-9 GĐ 3: MSC1 chuyển mạch kết nối cho MS kênh lưu lượng thiết lập với MSC2 Với mã HON, MSC1 thiết lập kênh lưu lượng kết nối với MSC2 MSC1 thông báo cho MS kênh vơ tuyến mà phải chuyển mạch tới 54  Giai đoạn 4: Giải phóng kết nối với BTS cũ Hình 5-10 Kết nối với BTS cũ giải phóng 55 ... tối thiểu hóa ảnh hưởng nhiễu tới chất lượng hệ thống 3.1 Tái sử dụng tần số Một hệ thống tổ ong dựa việc sử dụng lại tần số Nguyên lý thiết kế hệ thống tổ ong mẫu sử dụng lại tần số Theo định... sử dụng nhóm tần số cố định thích hợp Tuy nhiên, cách thiết kế tần số biểu hạn chế, bao gồm việc thiết kế lại phạm vi rộng cần thiết cho hệ thống tiến triển mở rộng không ngừng Áp dụng kỹ thuật... Việc thiết kế lại tần số TCH khơng ảnh hưởng tới thiết kế tần số BCCH: Nếu TRX bổ sung thêm vào cell có sẵn, việc thiết kế tần số BCCH không bị ảnh hưởng Hạn chế cần tính đến nhiễu tần số kế bên