Hệ thống thông tin di động số

Luận văn tốt nghiệp CHƯƠNG 1 CÁC KỸ THUẬT CƠ SỞ VÀ CÁC BỘ PHẬN CHÍNH TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI SỐ I. CÁC BỘ PHẬN CHÍNH TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ 1. Giới thiệu - Mạng viễn thông tổ ong là một trong các ứng dụng kỹ thuật viễn thông có nhu cầu lớn nhất và phát triển nhanh nhất. - GSM (Global system for mobile communication – hệ thống thông tin di động toàn cầu) với tiêu chuẩn thông số toàn Châu Âu mới, sẽ giải quyết sự hạn chế dung lượng hiện nay. Thực chất dung lượng sẽ tăng 2 – 3 lần nhờ việc sử dụng tần số tốt hơn và kỹ thuật ô nhỏ, do vậy số thuê bao phục vụ sẽ tăng lên. - Lưu động là hoàn toàn tự động, bạn có thể đem máy di động của mình khi đi du lòch và sử dụng ở một nước khác. Hệ thống sẽ tự động cập nhật thông tin về vò trí của bạn cho hệ thống tại nhà bạn. Bạn cũng có thể gọi đi và nhận cuộc gọi đến mà người gọi không cần biết vò trí của bạn. Ngoài tính lưu động quốc tế, tiêu chuẩn GSM còn cung cấp một số tính năng như thông tin tốc độ cao, faxcimile và dòch vụ thông báo ngắn. Các máy điện thoại di động sẽ ngày càng nhỏ hơn và tiêu thụ ít công suất hơn các thế hệ trước chúng. - Tiêu chuẩn GSM được thiết kế để có thể kết hợp với ISDN và tương thích với môi trường di động. Nhờ vậy tươnng tác giữa hai tiêu chuẩn này đảm bảo. - Năm 1982 GSM bắt đầu phát triển khi các nước Bắc Âu gửi đề nghò đến CEPT để quy đònh một dòch vụ viễn thông chung Châu Âu ở 900MHz. - Từ năm 1982 đến năm 1985 người ta bàn luận về việc xây dựng một hệ thống số hay tương tự. Năm 1985 quyết đònh hệ thống số. Bước tiếp theo là chọn lựa giải pháp băng hẹp và băng rộng. 1 Luận văn tốt nghiệp - Năm 1986 một cuộc kiểm tra ngoài hiện trường đã được tổ chức tại Paris các hãng khác nhau đã đua tài với các giải pháp của mình. - Tháng 05/1987 giải pháp TDMA băng hẹp được lựa chọn, đồng thời các hãng khai thác đã ký biên bản ghi nhớ MoU(Memorandem of Understanding) thực hiện các quy đònh đã hứa sẽ có 1 GSM vận hành vào 01/07/91. - Ecrisson với bề dày kinh nghiệm trong việc thiết kế và sản xuất hệ thống tổ ong. Hệ thống CME20 cho GSM được thiết kế trên cơ sở chuyển mạch số AXE10. Ở nước ta có hai hệ thống điện thoại di động là Vinaphone, VMS. - Về chất lượng Chức năng đầu tiên của CME20 là cung cấp một dòch vụ điện thoại di động tin cậy và chất lượng tốt. Các thế hệ máy di động khác nhau cũng sử dụng nhiều loại dòch vụ số liệu mới không cần một modem riêng. Ở GSM việc đăng ký thuê bao được ghi ở modem nhận dạng thuê bao SIM (Subscribe Identity Module) card thuê bao có một kích thước như một tấm tín phiếu. Bạn có thể cắm card thuê bao của mình vào loại máy GSM và chỉ mình sử dụng nó. Hệ thống kiểm tra là đăng ký thuê bao đúng và card không bò lấy cắp. Quá trình này được tự động thực hiện bằng một thủ tục nhận thực thông qua một trung tâm nhận thực. Tính bảo mật cũng được tăng cường nhờ việc sử dụng một mã số để ngăn chặn hoàn toàn việc nghe trộm ở vô tuyến. Ở các nước điều kiện tương đối tốt, chất lượng tiếng ở GSM ngang bằng với hệ thống tương tự. Tuy nhiên, ở các điều kiện tồi do tín hiệu yếu hay do nhiễàu giao thoa nặng, GSM có chất lượng tốt hơn. Việc sử dụng công nghệ mới làm các máy điện thoại di động nhỏ và nhẹ hơn, sử dụng “chế động nghỉ” tự động làm cho tuổi thọ ắc qui dài hơn. Cấu trúc chung của hệ thống GSM 2 Luận văn tốt nghiệp NSS: Mạng và hệ thống con chuyển mạch BSS: Hệ thống con trạm gốc OSS: Hệ thống con khai thác MS: Trạm di động Hình 1.1: Cấu trúc chung của GSM 1.1. Hệ thống con chuyển mạch (SS) Hệ thống con chuyển mạch bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của GSM cũng như cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý di động của thuê bao. Chức năng chính của SS là quản lý thông tin giữa những người sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác. 1.1.1. MSC Ở SS chức năng chuyển mạch chính được MSC thực hiện, nhiệm vụ chính của MSC là điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những người sử dụng mạng GSM. Một mặt MSC giao tiếp với hệ thống con BSS, mặt khác giao tiếp với mạng ngoài. MSC làm nhiệm vụ giao tiếp với mạng ngoài gọi là MSC cổng. Việc giao tiếp với mạng ngoài để đảm bảo thông tin cho những người sử dụng mạng GSM đòi hỏi cổng thích ứng (các chức năng tương tác – IWF: interworking function). SS cũng cần giao tiếp với mạng ngoài để sử dụng các khả năng truyền tải của các mạng này cho việc truyền tải số liệu của người sử dụng hoặc báo hiệu giữa các phần tử của mạng GSM. Chẳng hạn SS có thể sử dụng mạng báo hiệu kênh chung số 7 (CCS No), mạng này đảm bảo hoạt động tương tác giữa các 3 Luận văn tốt nghiệp phần tử của SS trong một hay nhiều mạng GSM. MSC thường là một tổng đài lớn điều khiển trạm gốc (BSC). Một tổng đài MSC thích hợp cho một vùng đô thò và ngoại ô có dân cư vào khoảng một triệu (với mật độ thuê bao trung bình). Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng với các đặc điểm truyền dẫn của GSM với các mạng này. Các thích ứng này được gọi là các chức năng tương tác (IWF: interworking function) bao gồm một thiết bò để thích ứng giao thức và truyền dẫn. Nó cho phép kết nối với các mạng: PSPDN (mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói) hay CSPDN (mạng số liệu công cộng chuyển mạch theo mạch), nó cùng tồn tại khi các mạng khác chỉ đơn thuần là PSTN hay ISDN. IWF có thể được thực hiện trong cùng chức năng MSC hay có thể ở thiết bò riêng, ở trường hợp hai giao tiếp giữa MSC và IWF được để mở. 1.1.2. HLR Ngoài MSC, SS bao gồm các cơ sở dữ liệu. Các thông tin liên quan đến việc cung cấp các dòch vụ viễn thông được lưu giữ ở HLR không phụ thuộc vào vò trí hiện thời của thuê bao. HLR cũng chứa các thông tin liên quan đến vò trí hiện thời của thuê bao. Thường HLR là một máy tính đứng riêng không có khả năng chuyển mạch nhưng có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao. Một chức năng con của HLR là nhận dạng trung tâm nhận thực AUC mà nhiệm vụ của trung tâm này quản lý an toàn số liệu của các thuê bao được phép. 1.1.3. VLR VLR là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng GSM. Nó được nối một hay nhiều MSC và có nhiệm vụ lưu giữ tạm thời số liệu thuê bao của các thuê bao hiện đang nằm trong vùng phục vụ của MSC tương ứng và đồng thời lưu giữ số liệu về vò trí của các thuê bao nói trên ở mức độ chính xác hơn HLR. Các chức năng VLR thường được liên kết với các chức năng MSC. 1.1.4. GMSC 4 Luận văn tốt nghiệp SS có thể chứa nhiều MSC, VLR, HLR. Để thiết lập một cuộc gọi đến người sử dụng GSM, trước hết cuộc gọi phải được đònh tuyến đến một tổng đài cổng được gọi là GMSC mà không cần biết đến hiện thời thuê bao đang ở đâu. - Các tổng đài cổng có nhiệm vụ lấy thông tin về vò trí của thuê bao và đònh tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lý thuê bao ở thời điểm hiện thời (MSC tạm trú). - Để vậy, trước hết các tổng đài cổng phải dựa trên số thoại danh bạ của thuê bao để tìm đúng HLR cần thiết và hỏi HLR này. Tổng đài cổng có một giao diện với các mạng bên ngoài thông qua giao diện này nó làm nhiệm vụ cổng để kết nối các mạng bên ngoài với mạng GSM. Ngoài ra tổng đài này cũng có giao diện báo hiệu số 7 (CCS No7) để có thể tương tác phần tử khác của SS. Về phương diện kinh tế không phải bao giờ tổng đài cổng cũng đứng riêng mà thường được kết hợp với MSC. 1.2. Hệ thống con BSS Có thể nói BSS là một hệ thống các thiết bò đặc thù riêng cho các tính chất tổ ong vô tuyến của GSM. BSS giao diện trực tiếp với các trạm di động (MS) thông qua giao diện vô tuyến, vì thế nó bao gồm các thiết bò phát và thu đường vô tuyến và quản lý các chức năng này. Mặt khác BSS thực hiện giao diện với các tổng đài SS. Tóm lại BSS thực hiện đấu nối các MS với các người sử dụng viễn thông khác. BSS cũng phải được điều khiển và vì vậy nó được đấu nối với CSS. Các giao diện bên ngoài của BSS cho ở hình 1.2. 5 Luồng điều khiển Luồng lưu lượng OSS MS BSS NSS Luận văn tốt nghiệp NSS: Mạng và hệ thống con chuyển mạch BSS: Hệ thống con trạm gốc OSS: Hệ thống con khai thác MS: Trạm di động Hình 1.2: Các giao diện ngoài BSS BSS bao gồm hai loại thiết bò: BTS giao diện với MS và BSC giao diện với MSC. Cấu trúc bên trong BSS được cho ở hình 1.3. 6 Luận văn tốt nghiệp Hình 1.3: Các phần tử của BSS 1.2.1. BTS Một BTS bao gồm các thiết bò phát thu, anten và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến. Có thể coi BTS là các modem vô tuyến phức tạp có thêm một số các chức năng khác. Một bộ phận quan trọng của BTS là TRAU (Transcoder and rate adapter unit: khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ). TRAU là thiết bò mà ở đó quá trình mã hóa và giải mã tiếng đặc thù riêng cho GSM được tiến hành, ở đây cũng thực hiện thích ứng tốc độ trong trường hợp truyền số liệu. TRAU là một bộ phận của BTS, 7 OSS BSC NSS BT S BT S BT S BSS Giao diện Abis Giao diện A Giao diện Vô tuyến Luận văn tốt nghiệp nhưng cũng có thể đặt nó cách xa BTS và thậm chí trong nhiều trường hợp được đặt giữa các BSC và MSC. 1.2.2. BSC BSC có nhiệm vụ quả lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa BTS và MS. Các lệnh này chủ yếu là các lệnh ấn đònh, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao (handover). Một phía BSC được nối với BTS còn phía kia nối với MSC của SS. Trong thực tế BSC là một tổng đài nhỏ có khả năng tính toán đáng kể. Vai trò chủ yếu của nó là quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao (handover). Một BSC trung bình có thể quản lý tới vài chục BTS phụ thuộc vào lưu lượng của các BTS này. Giao diện giữa BSC với MSC được gọi là giao diện A, còn giao diện giữa nó với BTS được gọi là giao diện Abis. 1.3. Trạm di động MS Trạm di động là thiết bò duy nhất mà người sử dụng có thể thường xuyên nhìn thấy của hệ thống. MS có thể là thiết bò đặt trong ô tô, thiết bò xách tay hoặc thiết bò cầm tay. Loại thiết bò cầm tay sẽ là thiết bò trạm di động phổ biến nhất. Ngoài việc chứa các chức năng vô tuyến chung và xử lý cho giao diện vô tuyến MS còn phải cung cấp các giao diện với người sử dụng (như: micro, loa, màn hiển thò, bàn phím để quản lý cuộc gọi) hoặc giao diện với một số thiết bò khác (như: giao diện với máy tính cá nhân, fax…). Hiện nay người ta đang cố gắng sản xuất các thiết bò đầu cuối gọn nhẹ để đấu nối với trạm di động. Việc lựa chọn các thiết bò đầu cuối hiện để mở cho các nhà sản xuất, ta có thể liệt kê ba chức năng chính: - Thiết bò đầu cuối thực hiện các chức năng không liên quan đến mạng GSM: Fax. 8 Luận văn tốt nghiệp - Kết cuối trạm di động thực hiện các chức năng liên quan đến truyền dẫn ở giao diện vô tuyến. - Bộ thích ứng đầu cuối làm việc như một cửa nối thông thiết bò đầu cuối với kết cuối di động. Cần sử dụng bộ thích ứng đầu cuối khi giao diện ngoài trạm di động tuân theo tiêu chuẩn ISDN để đấu nối đầu cuối, còn thiết bò đầu cuối lại có thể giao diện đầu cuối modem. Cấu trúc chức năng của trạm di động cho ở hình 1.4. Hình 1.4: Cấu trúc chức năng một trạm di động 1.4. Hệ thống con khai thác OSS OSS thực hiện ba chức năng chính sau: - Khai thác và bảo dưỡng mạng - Quản lý thuê bao và tính cước - Quản lý thiết bò di động 1.4.1. Khai thác và bảo dưỡng mạng 9 Đầu cuối di động Đầu cuối di động Thích ứng đầu cuối Thiết bò đầu cuối Luận văn tốt nghiệp - Khai thác là các hoạt động cho phép nhà khai thác mạng theo dõi hành vi của mạng như: tải của hệ thống, mức độ chặn, số lượng chuyển giao (handover) giữa 2 ô…, nhờ vậy nhà khai thác có thể giám sát được toàn bộ chất lượng của dòch vụ mà họ cung cấp cho khách hàng và kòp thời xử lý các sự cố. Khai thác cũng bao gồm việc thay đổi cấu hình để giảm những vấn đề xuất hiện ở thời điểm hiện thời, chuẩn bò tăng lưu lượng trong tương lai để tăng vùng phủ. Việc thay đổi mạng có thể thực hiện “mềm” qua báo hiệu (chẳng hạn thay đổi thông số handover để thay đổi biên giới tương đối giữa 2 ô), hoặc thực hiện cứng đòi hỏi sự can thiệp tại hiện trường (chẳng hạn bổ sung thêm dung lượng truyền dẫn hay lắp đặt một trạm mới). Ở hệ thống viễn thông hiện đại khai thác được thực hiện bằng máy tính và được tập trung ở một trạm. - Bảo dưỡng có nhiệm vụ phát hiện, đònh vò và sửa chữa các sự cố, hỏng hóc. Nó có một số quan hệ với khai thác. Các thiết bò ở mạng viễn thông hiện đại có khả năng tự phát hiện một số sự cố hay dự báo sự cố thông qua tự kiểm tra. Trong nhiều trường hợp người ta dự phòng cho thiết bò để khi có sự cố có thể thay thế bằng thiết bò dự phòng. Sự thay thế này chỉ có thể thực hiện tự động, ngoài ra việc giảm nhẹ sự cố có thể được người khác thực hiện bằng điều khiển từ xa. Bảo dưỡng cũng bao gồm các hoạt động tại hiện trường nhằm thay thế thiết bò có sự cố. - Hệ thống khai thác và bảo dưỡng có thể được xây dựng trên nguyên lý TMN (Telecommunication management Network: mạng quản lý viễn thông). Lúc này một mặt hệ thống khai thác và bảo dưỡng được nối đến các phần tử của mạng viễn thông (các MSC, BSC, HLR và các phần tử mạng khác trừ BTS, vì thâm nhập đến BTS được thực hiện qua BSC). Mặt khác hệ thống khai thác và bảo dưỡng lại nối đến một máy tính chủ đóng vai trò giao tiếp người máy theo tiêu chuẩn GSM gọi là OMC (Operation and maintenance center: trung tâm khai thác và bảo dưỡng). 1.4.2. Quản lý thuê bao 10 [...]... SS: Hệ thống con chuyển mạch dưỡng ISND: Mạng liên kết số đa dòch vụ BSS: Hệ thống con trạm gốc CSPDN: Mạng số liệu công cộng PSPDN: Mạng số liệu công cộng chuyển mạch theo mạch chuyển mạch gói PLMN: mạng di động công cộng mặt PSTN: Mạng điện thoại chuyển mạch đất công cộng Hình 1.5: Mô hình của hệ thống GSM 12 Luận văn tốt nghiệp II CÁC KỸ THUẬT CƠ SỞ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ 1 Giao di n... CCH (control chanel) được sử dụng để truyền thông tin báo hiệu các thông tin quản lý giao di n Um 1.6 Nguyên lý lập mô hình 13 Luận văn tốt nghiệp Mạng GSM đảm bảo truyền dẫn đa dòch vụ Nhiều thông tin khác nhau được truyền dẫn trong mạng này như: thông tin thoại, các dạng thông tin số liệu khác (văn bản, hình ảnh fax, các file máy tính, bản tin và các bản tin báo hiệu bên trong mạng Để lập mô hình... phi thoại này hay còn gọi là các dòch vụ truyền số liệu bao gồm việc trao đổi các thông tin khác nhau sau đây: văn bản, các bản vẽ, các file máy tính, các hình ảnh động, các bản tin Một số bộ phận quan trọng của các thông tin này được xử lý ở các thiết bò đầu cuối (các thiết bò này có thể rất phức tạp, chẳng hạn server videotex hay hệ thống xử lý bản tin) Các chức năng xử lý của các thiết bò đầu cuối... ready: Thông báo cho modem rằng bộ điều khiển ở đầu cuối sẵn sàng thông tin - Data set ready: Chỉ thò rằng modem sẵn sàng thiết lập đường nối thông tin và truyền số liệu với bộ điều khiển của đầu cuối - Request to send: Thông báo cho modem rằng bộ điều khiển sẵn sàng gửi số liệu - Data carrier detect: Chỉ thò rằng modem đã phát hiện ra sóng mang số liệu - Clear to send: Modem sẵn sàng phát Các thông tin. .. 16 kbit/s) RA0 Lấy mẫu ĐB RA 1 RA 2 1 BTS LPF A/D 17 Đệ mã Bộ m hóùa Đệm Luận văn tốt nghiệp Trạm di động (kiểu 0) Đầu cuối di động (kiểu 2) Thiết bò đầu cuối Giao di n đầu cuối với modem Đầu cuối di Thiết bò đầu cuối động (kiểu 1) Thích ứng đầu cuối Giao di n ISDN “S” Hình 1.8: Các cấu hình của trạm di động MTO là cấu hình đơn giản nhất, ở đây tất cả các chức năng chung, thiết bò đầu cuối, các chức... hợp không nhảy tần danh sách chỉ có một tần số - Dòch chỉ số ấn đònh di động (MAIO: Mobile Allocation Index Offset): 6 bit số liệu đặc trưng cho nhảy tần đối với MS - Số chuỗi nhảy tần (HSN: Hopping Sequence Number): chuẩn của lần nhảy tần trong ô Để tính chuỗi nhảy tần MS phải tính chỉ số ấn đònh di động MAI (Mobile Allocation Index): đặc tính cho một tần số ở một khung cho trước MS tính MAI như sau:... hình Lớp thấp nhất tương ứng với thông tin thô, còn lớp cao nhất tương ứng với thông tin đã được tinh chế cho người sử dụng Trục ngang tương ứng với đường truyền dẫn Các thiết bò khác có thể được sử dụng trên đường truyền dẫn này Các thiết bò này không nhất thiết phải biết đầy đủ thông tin mà nó truyền Chẳng hạn các nút trung gian không cần thiết đầy đủ ngữ nghóa thông tin của lớp cao nhất Nhờ vậy có... các giao di n bằng cách chỉ xét ở các thuộc tính liên quan đến việc tryền tải thông tin 1.7 Truyền dẫn thông tin từ đầu cuối này đến đầu cuối kia của mạng GSM Xét quá trình truyền dẫn các thông tin thoại cũng như phi thoại giữa người sử dụng GSM với người sử dụng GSM khác hay với người sử 14 Luận văn tốt nghiệp dụng mạng điện thoại cố đònh công cộng PSTN, mang số liên kết đa dòch vụ ISDN, mang số liệu... cuộc gọi trạm di động liên tục báo cáo cường độ tín hiệu của các BTS lân cận cho hệ thống Đo cường độ tín hiệu của các BTS lân cận được trạm di động thực hiện khi nó không bận làm các công việc khác, nghóa là trong khoảng thời gian giữa phát và thu ở khe thời gian dành cho nó (hình 1.21) Cường độ tín hiệu của BTS phục vụ trạm di động được đo khi thu ở khe thời gian dành cho MS MS được thông báo phải... ghép xen đối với MS chuyển động chậm) và trung bình hóa tỉ số tín hiệu trên nhiễu (C/I) để đảm bảo tỉ số này lớn hơn mức ngưỡng Nguyên nhân lý nhảy tần như sau: ở một khe thời gian trạm di động phát ở một tần số, sau đó nó chuyển sang phát ở một tần số khác ở một khe thời gian sau… Nhảy tần số xảy ra giữa các khe thời gian vì thế nó có tốc độ 217 lần trong 1 giây Các tần số phát và thu luôn luôn song