Lịch sử dịch vụ thông tin di động và giới thiệu về đặc tính, tính năng của mạng thông tin di động số GSM
Lịch sử dịch vụ thông tin di động
Hệ thống thông tin di động từ lâu đã là một khát khao lớn lao của con ngời Khao khát này chỉ có thể trở thành hiện thực ngay sau khi kỹ thuật thông tin bằng sóng vô tuyến ra đời vào cuối thế kỷ 19 Tuy nhiên việc đa hệ thống thông tin vào phục vụ công cộng chỉ đợc thực hiện sau chiến tranh thế giới lần thứ 2 Do sự phát triển của công nghệ điện tử cùng với nhu cầu đòi hỏi của con ngời ngày càng tăng cao, mạng thông tin di động ngày càng đợc phổ biến và độ tin cậy ngày càng cao.
Mạng viễn thông tổ ong là một trong các ứng dụng của kỹ thuật viễn thông có nhu cầu lớn nhất và phát triển nhanh nhất Ngày nay nó đợc ứng dụng rất rộng rãi, chiếm số phần trăm lớn và không ngừng tăng trong toàn bộ các thuê bao trên thế giới Trong tơng lai lâu dài các hệ thống tổ ong sử dụng kỹ thuật số đầy triển vọng sẽ trở thành phơng thức thông tin vạn năng.
Thông tin di động đợc sử dụng đầu tiên cho nghiệp vụ cảnh sát từ những năm 20, qua các thế hệ và nó đợc phát triển rất mạnh mẽ trong giai đoạn hiện nay.
Quá trình phát triển của mạng thông tin di động nh sau:
* Thế hệ thứ nhất: Sau năm 1946 khả năng phục vụ nhỏ, giá cả đắt , chất l ợng không cao (thế hệ này là thông tin di động tơng tự FDMA, đặc trng là: NMT, AMPS).
* Thế hệ thứ 2: Là thông tin di động số ( 1970- 1979) Cùng với sự phát triển của MicroProcessor đã mở cửa cho việc thực hiện một hệ thống phức tạp hơn Nhng về vùng phủ sóng của anten phát của các trạm di động còn bị hạn chế, do đố hệ thống đợc chia thành các trạm phát và có thể dùng nhiều trạm thu cho một trạm phát.
* Thế hệ thứ ba: Là mạng tổ ong tơng tự ( 1979 – 1990) một trong các ứng dụng viễn thông có nhu cầu lớn nhất và phát triển nhanh nhất Các trạm thu phát đợc đặt theo hình tổ ong, mỗi ô là một cell(Cell – dùng để chỉ vùng diện tích quản lý, trên sơ đồ quản lý quy hoạch mạng, cell có hình dạng một ô tổ ong hình lục giác, trong một cell có một độ dài vô tuyến gốc BTS) Mạng này cho phép sử dụng lại tần số , cho phép chuyển giao giữa các vùng trong cuộc gọi.
* Thế hệ thứ t: Là thế hệ dựa trên kỹ thuật truyền dẫn số
+ GSM ( Groupe Special Mobile hay Global System for Mobile Communication – Nhốm đặc trách di động hay hệ thống thông tin di động toàn cầu) với tiêu chuẩn viến thông tổ ong số toàn Châu Âu mới, sẽ giải quyết sự hạn chế dung lợng nh hiện nay. Thực chất dung lợng sẽ tăng 2 –3 lần nhờ việc sử dụng tần số tốt hơn và kỹ thuật ô nhỏ, do vậy số thuê bao đợc phục vụ sẽ tăng lên Hệ thống này đợc đa vào hoạt động ở Châu ¢u n¨m 1982.
Ngoài tính năng lu động quốc tế, tiêu chuẩn GSM còn cung cấp một số tính năng nh thông tin số liệu tốc độ cao, faxcimile và dịch vụ báo ngắn Tiêu chuẩn GSM đợc thiết kế để hợp với ISDN và tơng thích với môi trờng di động.
DCS ( Digital Cellular System) dựa trên mạng GSM sử dụng tần số 1800 MHz. CDMA ( Code Division Multiple Access) sẽ đợc đa vào hoạt động trong tơng lai Các mạng điển hình là:
+ AMPS ( Advance Mobile Telephone System) là hệ thống điện thoại di động tơng tự của các nớc Bắc Âu (1981)
+ TACS ( Total Access Communication System) nhận đợc từ AMPS đã đợc lắp đặt ở Anh năm 1985 Đó là những hệ thống có chất lợng, dung lợng và vùng phủ đa dạng. Song do yêu cầu ngày càng cao, vợt qua dự tính nên cần có một hệ thống chung cho toàn Châu Âu và tơng lai đợc sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới.
Ngày nay, hầu hết tất cả các nớc Châu Âu đều có một hoặc nhiều mạng tổ ong.Tất cả những hệ thống tế bào này đều dựa trên việc truyền âm tơng tự bằng điều tần Họ thờng dùng băng tần xung quanh tần số 450 MHz hoặc 900 MHz, vùng phủ thờng là vùng rộng với số lợng thuê bao lên đến hàng trăm ngàn.
Mạng thông tin di động số GSM
Từ năm 1980 sau khi hệ thống NMT ( Norie Mobile Telephone - điện thoại di động Bắc Âu) đẫ đợc đa vào hoạt động một cách thành công, thì nó cũng biểu hiện một số hạn chế sau đây:
Thứ nhất: Do yêu cầu về dịch vụ di động quá lớn so với con số mong muốn của các nhà thiết kế hệ thống Do đó hệ thống này không đợc đáp ứng.
Thứ hai: Các hệ thống khác nhau đang hoạt động không phù hợp với nguồn dùng trong mạng di động.
Thứ ba: Nếu thiết kế một mạng lớn cho toàn Châu Âu thì không có một nớc nào có thể đáp ứng đợc vì vốn đầu t quá lớn.
Tất cả những điều đó dẫn đến một yêu cầu là cần phải thiết kế một hệ thống mới, đợc làm theo kiểu chung để có thể đáp ứng đợc cho nhiều nớc trên thế giới Trớc tình hình đó, vào tháng 09/1997 trong Hội nghị cuả Châu Âu về Bu chính – Viễn thông, 17 quốc gia đang sử dụng điện thoại di động đã hội nghị và ký vào một biên bản ghi nhớ làm nền tảng cho một mạng thông tin di động số toàn Châu Âu( ETSI – European Telecommunications Standard Institure) đã thành lập nhóm đặc trách về thông tin di động số GSM Nhóm này có nhiệm vụ đa ra tiêu chuẩn thống nhất cho hệ thống thông tin di động số GSM dới hình thức các khuyến nghị, lấy các tiêu chuẩn này làm cơ sở cho việc xây dựng các mạng thông tin di động và làm cho chúng thống nhất, tơng thích với nhau.
* Về mặt kỹ thuật: Một số mục đích của hệ thống sáng tỏ một trong những mục đích ấy là hệ thống cần cho phép chuyển vùng tự do với các thuê bao trong Châu Âu, có nghĩa là một thuê bao của các nớc này có thể thâm nhập sang một mạng của các nớc khác khi di chuyển qua biên giới Trạm di động GSM – MS (MobileStation) phải tạo cho ngời dùng gọi hoặc bị gọi đợc trong vùng phủ sóng Quốc tế.
Các chỉ tiêu phục vụ:
Hệ thống đợc thiết kế sao cho MS có thể đợc dùng trong tất cả các nớc có mạng.
Cùng với phục vụ thoại hệ thống phải cho phép sự linh hoạt lớn nhất cho các loại dịch vụ khác liên quan đến mạng liên kết số liệu đa dịch vụ ISDN ( Intergrated Services Digital Netword)
Tạo một hệ thống có thể phục vụ cho các MS trên các tàu viễn dơng nh một mạng mở rộng của các dịch vụ di động mặt đất
* Về chất lợng phục vụ an toàn và bảo mật:
- Chất lợng của tiếng thoại trong GSM phải ít nhất có chất lợng các hệ thống di động tơng tự trớc đó trong điều kiện thực tế.
- Hệ thống có khả năng mật mã hoá thông tin ngời dùng mà không ảnh hởng gì đến hệ thống, cũng nh không ảnh hởng đến thuê bao khác không dùng đến khả năng này.
*Về mặt sử dụng tần số:
- Hệ thống cho phép khả năng sử dụng dải tần đạt hiệu quả cao để có thể phuc vụ ở cả vùng thành thị lẫn vùng nông thôn cũng nh các dịch vụ phát triển Dải tần số hoạt động 800 960 MHz
- Hệ thống GSM 900 phải có thể cùng tồn tại với các hệ thống dùng 900 MHz trớc ®©y.
- Kế hoạch nhận dạng dựa trên khuyến nghị của CCITT ( Comite Consultatif International de Telegraphique et Telephonique).
- Kế hoạch đánh số dựa trên khuyến nghị của CCITT.
- Hệ thống phải cho phép cấu trúc và tỷ lệ tính cớc khác nhau khi dùng trong các mạng khác nhau.
- Trung tâm chuyển mạch và các thanh ghi định vị phải dùng hệ thống báo hiệu đã đợc tiêu chuẩn hoá Quốc tế.
Hệ thống tổ ong GSM (GSM CELLULAR SYSTEM)
Mạng thông tin di động là mạng không dây, các thuê bao là di động do đó có hai vấn đề đợc đặt ra là:
* Quản lý di động( MM- Mobile Managment).
* Quản lý tiềm năng vô tuyến ( RM – Radio Resouce Management).
Việc quản lý di động đợc tổ chức theo mạng PLMN ( Public Land Mobile Networrd – Mạng di động công cộng mặt đất) Nói một cách tổng quát thì PLMN hợp tác với các mạng cố định để thiết lập cuộc gọi, PLMN cung cấp cho các thuê bao ( ngời dùng) khả năng truy cập vào mạng thông tin toàn cầu từ MS đến MS, vì MS di động không hạn chế cho nên điểm truy cập thay đổi buộc PLMN phải quản trị di động vì đờng truyền dẫn biến đổi ngẫu nhiên, nên PLMN phải quản trị vô tuyến Tuy nhiên, PLMN chia thành nhiều ô vô tuyến nhỏ có bán kính từ 350m đến 35km, kích thớc trên phụ thuộc vào cấu hình và lu lợng thông tin Mỗi ô vô tuyến tơng ứng với một trạm thu phát cơ sở
( BTS - Base Tranceiver Station) tuỳ theo cấu tạo của anten, ta có hai loại BTS: + BTS Omnidirectional với anten vô hớng, nó bức xạ ra ngoài không gian với góc định h- ớng là 360 0
+ BTS Sector với hai hoặc ba anten định hớng 180 0 hoặc 120 0 các ô vô tuyến này đợc sắp xếp theo dạng tổ ong (hình vẽ I.1) vì nó dựa vào các lý do sau:
Hình 1.1: Dạng tổ ong Thứ nhất:
Chúng ta đều biết rằng việc truyền lan của sóng điện từ có một số đặc điểm:
- Phản xạ khi gặp vật cản.
- Nhiễu xạ từ các sống cùng tần số.
- Tán xạ khi gặp chớng ngại trên đờng truyền.
- Suy hao trong quá trình truyền sóng.
- Do đó không thể phục vụ quá rộng tại một ô, hơn nữa công suất phát của trạm di động cũng bị hạn chế.
- Thông tin di động số celluler đời mới hiện nay sử dụng tần số vô tuyến từ 800 MHz trở lên Với tần số này và giả thiết nguồn phát đặt trong một không gian tự do truyền sóng lý tởng, suy hao đờng truyền sẽ tỷ lệ thuận với bình phơng cự ly Vậy suy hao đờng truyền trong thông tin di động celluler tỷ lệ với xấp xỉ d 4 (ở điều kiện vùng thành phố) Thực tế các máy BTS và MS đều thực hiện tự động điều chỉnh công suất phát để máy thu luôn nhận đợc công suất tín hiệu cần thiết dù MS ở bất kỳ đâu trong cell. Nhờ vậy, nhiễu lẫn nhau do việc sử dụng lại tần số CCI( Cochanel Interference) đợc giữ ở mức tối thiểu, và suy hao do ma cũng bù trừ.
Các loại phadinh xảy ra do chớng ngại vật trên đờng truyền hoặc trễ đờng truyền. Tuy nhiên, phadinh vẫn tồn tại dù đã điều chỉnh công suất phát , cờng độ tín hiệu có chỗ giảm mạnh đợc gọi là chỗ trũng phadinh Ta đã biết độ nhạy máy thu là giá trị cực tiểu của tín hiệu đầu vào đảm bảo một đầu ra ,đảm bảo một hiệu ra quy định Nếu muốn có đờng truyền dẫn không bị gián đoạn bởi phadinh thì việc thiết kế hệ thống di động phải có dự trữ phadinh, nghĩa là giá trị trung bình chung phải lớn hơn độ nhạy máy thu một l - ợng bằng chỗ trũng phadinh sâu nhất. Độ nhạy máy thu là mức tín hiệu vào yếu nhất cần thiết cho một tín hiệu ra quy định Khi quy hoạch hệ thống để chống lại phadinh thì giá trị trung bình chung đợc lấy hơn độ nhạy máy thu lợng YdB bằng chỗ trũng phadinh mạnh nhất YdB đợc gọi là dự trữ phadinh.
C ờng độ tín hiệu thu đầu
Giá trị trung bình cục bộ Giá trị trung bình chung Chỗ trũng phadinh Độ nhạy máy thu
Tham số không gian , thời gian(X,t)
Hình I.2: Tín hiệu thu đợc vẫn bị pha dinh
Thứ hai : ( Về dải tần)
Các trạm thu phát của cell cha đợc cung cấp một tần số giới hạn Với hệ thống GSM dải tần cơ bản từ 890 MHz 960 MHz đợc chia làm hai băng:
+ Băng tần lên ( Upbank) dải tần từ 890 MHz 915 MHz cho các kênh vô tuyến tõ BTS– MS
+ Băng tần xuống ( Downbank) dải tần từ 915MHz 960MHz cho các kênh vô tuyÕn tõ MS – BTS.
Khoảng cách giữa hai tần số sóng mang của hai kênh liền nhau là 200 KHz Mỗi kênh sử dụng hai tần số riêng biệt cho đờng lên và đờng xuống, khoảng cách giữa hai tần số này là 45 MHz
Các loại đặc tính và phục vụ của GSM
1.4.1 Các loại đặc tính của thôngtin di động số GSM
Từ các khuyến nghị của GSM ta có thể tổng hợp nên các đặc tính chủ yếu sau:
- Nhờ sử dụng tần số tốt hơn và kỹ thuật ô nhỏ, dung lợng tăng lên 2 3 lần Giúp tăng số thuê bao phục vụ cả trong thông tin thoại và số liệu.
- Sự tơng thích của các dịch vụ trong GSM với các dịch vụ của mạng có sẵn (PSTN), (ISDN) bởi các giao diện theo tiêu chuẩn chung.
- Tự động định vị và cập nhật vị trí cho mọi thuê bao di động
- Các máy di động nhỏ hơn với công suất tiêu thụ ít hơn.
- Tính bảo mật cho thuê bao.
- Do linh hoạt cao nhờ sử dụng các đầu cuối thông tin di động khác nhau nh máy xách tay đặt trên ô tô…
- Sử dụng băng tần ở 900 MHz với hiệu quả cao nhờ sự kết hợp giữa TDMA( Time Division Multple Acess) và FDMA ( Frequency Division Multiple Access).
- Giải quyết sự hạn chế dung lợng nhờ việc sử dụng tần số tốt hơn.
Hiện nay ngời ta phân loại cùng các đặc tính cuả thông tin di động mặt đất
* Các loại và đặc tính của thông tin di động mặt đất:
Thông tin di động mặt đất thờng đợc phân nhóm thành hệ thống công cộng và dùng riêng Hệ thống công ccộng có nghĩa là hệ thống thông tin có thể truy nhập tới mạng điện thoại chuyển mạch công cộng (PSTL – Public Switched Telephone Network) có điện thoại xe cộ, điện thoại không dây… Trong hệ thống dùng riêng cả hai loại hệ thèng.
Hệ thống thứ nhất là: Hệ thống dịch vụ công cộng, chẳng hạn nh cảnh sát, cứu hoả cấp cứu điện lực và giao thông.
Hệ thống thứ hai là: Dùng cho các cá nhân hay công ty ở đây ngoài dịch vụ kinh doanh dịch vụ sóng vô tuyến dành riêng còn có hệ thống MCA hệ thống kinh tế truy nhập đa kênh, sử dụng các kênh vô tuyến trong thông tin vô tuyến nội bộ công ty và cá nhân Chẳng hạn, nh máy bộ đầm vô tuyến nghiệp d….Ngoài những dịch vụ kể trên còn có dịch vụ thông tin di động mặt đất khác mới xuất hiện nh chuông bỏ túi có màu hiện h×nh, ®Çu cuèi xa.
1.4.2 Các dịch vụ GSM đã đợc tiêu chuẩn hoá
- Chuyển hớng cuộc gọi vô điều kiện.
- Chuyển hớng cuộc gọi khi thuê bao di động bận.
- Chuyển hớng cuộc gọi khi không trả lời.
- Chuyển hớng cuộc gọi khi không đến đợc MS.
- Chuyển hớng cuộc gọi khi ứ ngẽn vô tuyến.
- Cấm tất cả các cuộc gọi ra.
- Cấm tất cả các cuộc gọi quốc tế.
- Cấm tất cả các cuộc gọi ra quốc tế trừ các cuộc gọi đến nớc có PLMN thờng trú.
- Cấm tất cả các cuộc gọi đến.
- Cấm tất cả các cuộc gọi đến khi lu động ở ngoài nớc có PLMN thờng trú.
- Chuyển vùng gọi quốc tế.
- Hoàn thành các cuộc gọi đến thuê bao bận.
- Nhóm ngời sử dụng khép kín.
Cấu trúc và các thành phần mạng GSM
Cấu trúc mạng GSM
Theo khuyến nghị của GSM cấu trúc chung của một mạng thông tin di động số có dạng nh sau:
HìnhI.4 : Mô hình thệ thống GSM
- SS : Hệ thống chuyển mạch.
- VLR : Bộ ghi định vị tạm trú.
- HLR : Bộ ghi định vị thờng trú.
- EIR : Thanh ghi nhận dạng thiết bị.
- MSC : Trung tâm chuyển mạch nghiệp vụ di động (gọi tắt: tổng đài vô tuyến)
- BSS : Hệ thống con trạm gốc – truyền dẫn tin tức.
- BTS : Đài vô tuyến gốc – Kết nối cuộc gọi.
- BSC : Điều khiển trạm gốc.
- OSS hay OMC : Trung tâm khai thác và bảo dỡng.
- ISDN : Mạng số liệu đa dịch vụ.
- PSPDN : Mạng chuyển mạch công cộng theo gói.
- CSPDN : Mạng chuyển mạch số công cộng theo gói.
- PSTN : Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng.
- PLMN: Mạng di động mặt đất công cộng.
Cấu trúc các hệ thống Con
2.2.1 Hệ thống con chuyến mạch ( SS)
Hệ thống con chuyển mạch SS của CME 20 trên cơ sở công nghệ cho phép độ linh hoạt cao, giá thành hạ nhờ cấu trúc MODULE AXE SS của CME20 hỗ trợ các giao tiếp ứng dụng của tiêu chuẩn GSM Bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của GSM nh các 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 ngời sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác. Đặc tính và chức năng của từng khối ở SS:
* MSC ( Mobile Services Switching Center – Tổng đài di động) ở SS chức năng chuyển mạch chính đợc MSC thực hiện, nhiệm vụ chính của MSC là điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những ngời sử dụng trong 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 bên ngoài đợc gọi là MSC cổng( GMSC – Gateway Mobile Services Switching Center).
Trong thực tế MSC là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số các bộ điều khiển trạm gốc ( BSC).
* HLR( Home Location Register – Bộ đăng ký định vị thờng trú).
HLR là cơ sở dữ liệu trọng tâm quan trọng nhất của hệ thống GSM , ở đó lu giữ mọi thông tin về thuê bao liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông.
HLR thờng là một máy tính đứng riêng có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao nhng không có khả năng chuyển mạch Một chức năng nữa của HLR là nhận dạng thông tin do AUC cung cấp.
* VLR ( Visitor Location Register – Bộ đăng ký định vị tạm trú).
VLR là một cơ sở dữ liệu đợc nối với một hay nhiều MSC lu giữ tạm thời dữ liệu thuê bao về vị trí hiện thời của MS đang phụ thuộc vào vùng phục vụ MSC nào, mọi MSC có một VLR và VLR đợc kết hợp trong phần cứng của MSC VLR có thể coi nh một HLR phân bố VLR chứa thông tin chính xác hơn về vị trí của MS ở vùng MSC Tr - ờng hợp MS lu động và vùng MSC mới, VLR liên kết với MSC lấy số liệu về MS này từ HLR và thông báo cho HLR vị trí của MS Sau đó VLR có thể thiết lập cuộc gọi cho MS mà không cần đến HLR Các chức năng của VLR thờng đợc liên kết với chức năng MSC.
Tổng đài cổng MSC có nhiệm vụ lấy thông tin về vị trí của thuê bao và định tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lý thuê bao ở thời điểm hiện thời (MSC tạm trú) Do vậy trớc hết tổng đài cổng phải dựa trên số thoại danh bạ của thuê bao để tìm đúng HLR cần thiết Tổng đài cổng có một giao diện với các mạng bên ngoài thông qua giao diện của nó nhiệm vụ cổng để kết nối với mạng bên ngoài Ngoài ra tổng đài này cũng có giao diện số 7 ( CCSN7) để có thể tơng tác với các phần tử khác của SS.
Phụ thuộc vào quy định của từng nớc, một hãng khai thác GSM có thể có mạng báo hiệu số 7 riêng hay chung.
* EIR ( Equipment Identity Register – Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị)
EIR bảo vệ mạng PLMN khỏi bị sự thâm nhập của các thuê bao trái phép -bằng cáh so sánh số IMEI của thuê bao này gửi tới khi thiết lập thông tin với số IMEI lu giữ trong EIR Nếu không tơng ứng thuê bao sẽ không thể truy nhập vào mạng đợc EIR kiểm tra tính hợp pháp của ME thông qua số nhận dạng IMEI, ME phụ thuộc vào 1 trong
- Danh sách trắng ( White list)
ME đợc quyền truy nhập và sử dụng dịch vụ đăng ký.
- Danh sách xám ( Gray list)
- Danh sách đen ( Black list)
Cấm không đợc truy nhập vào mạng.
* AUC ( Authencation Center – Trung t©m nhËn thùc)
AUC là một bộ phận trong phần cứng của HLR, AUC có nhiều biện pháp an toàn khác nhau để tránh sự sử dụng trái phép, cho phép bám và ghi lại cuộc gọi Đờng vô tuyến cũng đợc AUC cung cấp mã bảo mật chống lại sự nghe trộm, mã này đợc thay đổi riêng biệt cho từng thuê bao Cơ sở dữ liệu của AUC còn ghi nhiều thông tin quan trọng khác về thuê bao và phải đợc bảo vệ chống lại mọi sự thâm nhập trái phép Sử dụng bộ mã khoá để nhận thực quyền sử dụng và dịch vụ của thuê bao, bộ ba (Triples)bao gồm:
+ RAND ( Random Number) : Số ngẫu nhiên.
+ SRES ( Signed Response) : MËt khÈu.
+ Kc (Ciphering Key) : Số mã khoá
+ KI ( Subcriber Authentication Key) : Khoá nhận thực thuê bao.
2.2.2 Hệ thống con trạm gốc (BSS)
RBS : Trạm vô tuyến gốc.
BSC : Đài điều khiển trạm gốc
Hình I.5: Cấu trúc hệ thống trạm gốc BSS
BSS là một hệ thống các thiết bị đặc thù riêng cho các tính chất tổ ong vô tuyến của GSM BSS giao diện trực tiếp với các trạm di động thông qua giao diện vô tuyến, Mặt khác BSS thực hiện giao diện với các tổng đài SS Tóm lại BSS thực hiện đấu nối các
MS với tổng đài và nhờ vậy đấu nối những ngời sử dụng các trạm di động với các ngời sử dụng viễn thông khác BSS cũng đợc điều khiển bởi OSS BSS bao gồm hai loại thiết bị là : BTS giao diện với MS và BSC giao diện với MSC.
BSS cũng điều khiển các mức công suất ở trạm điều khiển cũng nh trạm di động.
BSS chứa một trạm điều khiển gốc BSC (Base Stution Controller) và một hay nhiều trạm thu phát gốc BTS ( Base Tranferver Station) Khoảng cách giữa hai trạm BSC và BTS nhỏ hơn 10m thì các kênh thông tin có thể nối trực tiếp ( chế độ Combine), nếu khoảng cách này lớn hơn thì thông tin truyền giữa BTS và BSC phải thông qua một giao diện Abis( chế độ Remote), một BSC có thể quản lý nhiều BTS theo các cấu hình sau ®©y:
* Cấu hình đẳng hớng hình sao ( Star Omnidirectional Configuration) Đây là cấu hình BSC điều khiển một số BTS đặt ở xa và dùng anten đẳng hớng.Cấu hình này đợc sử dụng cho vùng có mật độ thấp (hình I.6)
Hình I.6: Cấu hình đẳng hớng hình sao
* Một số BTS có thể đợc nối với nhau , đồng bộ 2 hoặc 3 BTS là có thể đợc nếu nh chúng đặt cách nhau không quá 100m Cấu hình này cũng đợc sử dụng cho vùng có mật độ , lu lợng thấp và cho một số giới hạn các BTS.
Cấu hình này hơi d thừa về đờng truyền, tuy nhiên trong trờng hợp đờng nối bị hỏng thì đờng lu thông có thể định tuyến ngợc lại (hình I.7)
H×nh I.7: CÊu h×nh MultiDrop Loop
* CÊu hinh ph©n nhá h×nh sao ( Star Sectorised Configuration)
Các BTS đặt kiểu định hớng đợc nối với một BSC, cấu hình này cho phép phục vụ vùng có mật độ cao ( hìnhI.8)
H×nh I.8: CÊu h×nh ph©n nhá h×nh sao a Chức năng và đặc tính của BSC
Bộ điều khiển trạm gốc (BSC) ở CME 20 đợc thực hiện theo công nghệ AYE điều này làm cho BSC thích hợp và linh hoạt, thích hợp với toàn bộ giải dung l ợng từ các ứng dụng nông thôn nhỏ đến thành phố lớn Khi BSC đủ mạnh điều khiển số lợng lớn RBS (đến 256 ô) nên nó quản lý hiệu quả các tiềm năng vô tuyến BSC ở CME 20 đợc ổn định các chức năng trách nhiệm chính.
BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua cấc lệnh điều khiển từ xa BTS và MS Các lệnh này chủ yếu là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quảnlý chuyển giao Một phía của BSC đợc nối với BTS còn phía kia đợc nối với MSC của SS Trong thực tế BSC là một tổng đài nhỏ với vai trò chủ yếu là quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao Một BSC trung bình có thể quản lý tới vài chục BTS phụ thuộc vào lu lợng của các BTS.
Cấu trúc địa lý mạng
Mạng thông tin di động là mạng không dây, các thuê bao là di động nên có hai vấn đề lớn đợc đặt ra là quản lý di động MM ( Mobility Managemet) và quản lý tiềm năng vô tuyến( Radio Resource Management).Mọi mạng điện thoại đều cần một cấu trúc nhất định để định tuyến cho các cuộc gọi đến và đi tổng đài cần thiết và cuối cùng đến thuê bao bị gọi, ở một mạng di động cấu trúc này rất quan trọng do tính lu thông của các thuê bao trong mạng.
2.3.1 Tổng đài vô tuyến cổng( Gateway – MSC)
Tổng đài vô tuyến cổng ( Gateway – MSC) làm việc nh một tổng đài trung kế vào cho mạng GSM / PLMN Nó thực hiện chức năng hỏi định tuyến cuộc gọi cho các cuộc gọi kết cuối di động, cho phép hệ thống định tuyến các cuộc gọi đến nơi nhận cuối cùng của chúng ta là các trạm di động bị gọi Tất cả các cuộc gọi đến GSM / PLMN sẽ đợc định
Tuyến đến một hay nhiều GMSC.
Hình I.10: Vùng mạng GSM /PLMN:
Các đờng truyền giữa cấc mạng khác nhau 2.3.2 Vùng phục vụ MSC/ VLR
Vùng MSC là một bộ phận mạng của một MSC quản lý Để định tuyến cuộc gọi đến thuê bao di động, đờng truyền qua mạng sẽ nối đến MSC ở vùng phục vụ mạng thuê bao đang ở trong vùng phủ sóng Vùng phục vụ là một bộ phận của mạng đợc định nghĩa nh một vùng ở đó có thể đạt đến một trạm di động nhờ việc trạm này đợc ghi lại ở một bộ định vị tạm trú VLR, một vùng mạng GSM / PLMN đợc chia thành một hay nhiều vùng phục vụ MSC/VLR.
2.3.3 Vùng định vị ( Location Area)
Vùng định vị là một phần cứng của vùng MSC/VLR, mỗi vùng phục vụ MSC/VLR đợc chia thành nhiều vùng định vị, mà ở đó trạm di động có thể tự do di chuyển không cần cập nhật thông tin về vị trí cho tổng đài MSC/VLR, vùng định vị có nhiệm vụ khi có thông báo tìm gọi nó sẽ phát quảng bá để tìm thuê bao di động bị gọi.
Vùng định vị có thể có một số ô và phụ thuộc vào một hay vài BSC nhng chỉ mộtMSC/VLR Vùng đợc nhận dạng bởi hệ thống bằng LAI ( nhận dạng LAI và đợc hệ thống sử dụng tìm một thuê bao đang ở trạng thái hoạt động).
Số nhận dạng trong GSM
Số nhận dạng trong GSM
Toàn bộ mạng GSM /PLMN đợc chia thành các vùng theo kế hoạch đánh số. Trong từng vùng có thể tiếp cận mọi thuê bao bằng cách quay số thuê bao SN (SubcriberNumber).
Mọi thuê bao thuộc một mạng GSM /PLMN đợc đăng ký tại bộ ghi định vị thờng trú HLR Phụ thuộc vào kế hoạch lập mạng, số HLR có thể lớn hơn một có nghĩa là sự phân chia đầu tiên của mạng sẽ ở mức HLR các vùng phục vụ của MSC/VLR.
Có thể tách riêng cho kế hoạch đánh số cho mạng GSM /PLMN bằng một mã trung kế, mã nơi nhận trong nớc NDC ( National Destination Code) riêng hay kết hợp chung vào kế hoạch đánh số mạng điện thoại ở mức hợp lý.
3.2 Số ISDN của máy di động (MSI- SDN)
Theo khuyến nghị của CCITT có thể trình bày số điện thoại di động hay số danh bạ cần quay nh sau:
Mã quốc gia + Mã vùng nhận + Số thuê bao
(CC) trong níc(NDC) (SN)
MSISDN là số nhận dạng duy nhất của một thuê bao ở kế hoạch đánh số mạng điện thoại chuyển mạch công cộng Mỗi thuê bao đợc nối đến một bộ định ghi định vị th- êng tró (HLR).
Theo khuyến nghị của CCITT độ dài MSISDN sẽ phụ thuộc vào vào cấu trúc và kế hoạch đánh số của từng hãng khai thác.
3.3 Nhận dạng thuê bao di động quốc tế (IMSI) Để nhận dạng đúng trên đờng vô tuyến và trong cả mạng GSM /PLMN mỗi thuê bao đợc dành riêng cho một nhận dạng hệ thống Nhận dạng này đợc lu ở Modul nhận dạng thuê bao (SIM) cũng nh là ở bộ ghi định vị thờng trú (HLR) Đăng ký ở hệ thống và ở VLR là đăng ký tạm thời IMSI bao gồm 3 phần sau:
Mã quốc gia + Mã mạng + Số nhận dạng
Di động(MCC) Di động(MDC) trạm di động(MSIN)
IMSI : Nhận dạng thuê bao di động quốc tế
IMSI là thông tin để nhận dạng duy nhất một thuê bao cho GSM /PLMN theo khuyến nghị của GSM IMSI có độ dài cực đại là 15 số.
(MCC : 3; MNC : 1 –2 ; MSIN: cực đại là 11 số).
Tất cả các thông tin về thuê bao liên quan đến mạng thuê bao đều đợc chứa ở IMSI.
3.4 Số lu động của trạm di động (MSRN) và chức năng hỏi đáp định tuyến cuộc gọi.
HLR biết rằng MS đang ở MSC/VLR vào, để cung cấp một số tạm thời cho việc định tuyến HLR yêu cầu MSC/VLR hiện thời gắn một số lu động của trạm di động(MSRN) cho thuê bao di động và gửi lại cho nó Khi nhận đợc MSRN, HLR gửi nó đến MSC cổng, lúc này là tổng đài cổng có thể hớng cuộc gọi đến tổng đài MSC/VLR nơi thuê bao bị gọi hiện đang đăng ký.
Chức năng hỏi định tuyến cuộc gọi là một phần của ứng dụng MAP Toàn bộ số liệu trao đổi giữa GMSC – HLR – MSC/VLR để hỏi đáp đợc gửi đi ở mạng báo hiệu sè 7(CCSN7).
Số lu động MSRN bao gồm:
Mã quốc gia + Mã vùng nhận + Số thuê bao.
(CC) Trong níc(NDC) (SN)
(SN trong trờng hợp này là địa chỉ của tổng đài MSC)
3.5 Định nghĩa tất cả các số nhận dạng của mạng
* Các số của GSM /PLMN.
+ Số ISDN của MS (MSISDN) Đây là số nhận dạng một đăng ký thuê bao của GSM /PLMN trong kế hoạch đánh số mạng PSTN/ISDN.
NDC : Mã vùng trong nớc.
SN : Số thuê bao nhận dạng thuê bao.
CC : Mã quốc gia để nhận dạng nớc.
+ Số lu động của máy di động (MSRN) : MSRN= CC + NDC +SN
+ SN : Số thuê bao (nhận dạng MSC/VLR).
* Các nhận dạng thuê bao di động Quốc tế (IMSI) Đây là nhận dạng riêng của thuê bao ở mạng GSM /PLMN
MCC : Mã quốc gia ( 3 số ) để nhận dạng quốc gia có thuê bao bị gọi.
MNC : Mã của mạng di động (1 – 2 số) để nhận dạng mạng di động đợc gọi trong níc.
MSIN : Số nhận dạng MS (11 số) để nhận dạng một thuê bao di động trong một mạng GSM /PLMN.
Nhận dạng thuê bao sử dụng tạm thời (TMSI) đợc sử dụng bí mật riêng cho các thuê bao.
Cấu trúc: Do cơ quan quản lý chọn không quá 4 byte.
Nhận dạng thiết bị trạm di động quốc tế (IMEI) đợc sử dụng để nhận dạng thiết bị.
IMEI = TAC + FAC + SNR + SP
TAC : Mã công nhận kiểu do bộ phận GSM trung tâm xác định.
FAC : Mã lắp ráp lần cuối để xác định nhà sản xuất.
Nhận dạng vùng định vị(LAI) đợc sử dụng để định vị thuê bao di động.
LAC : Mã vùng định vị để xác định vùng định vị ô của một mạng GSM/PLMN. Nhận dạng ô toàn cầu (CGI).
CGI= MCC + MNC + LAC +CI
CI: Nhận dạng ô để xác định một ô định vị ở một vùng định vị Nhận dạng trạm gốc cho phép MS phân biệt các BTS khác nhau.
BCC: Mã màu trạm gốc để nhận dạng gốc.
3.6 Các trờng hợp và thủ tục thông tin
Trớc khi khảo sát các thủ tục thông tin khác nhau, hãy khảo sát các tình huống đặc biệt của một PLMN có tất cả các thuê bao di động vì thế ta quan sát một MS ở một số tình huèngsau®©y:
+ MS tắt máy: Mạng không tiếp cận đến máy vì MS không trả lời thông báo tìm gọi Nó sẽ không thông báo cho hệ thống về sự thay đổi vùng định vị ( nếu có) , và MS đợc coi là rời mạng.
+ MS bật máy trạng thái rỗi: Hệ thống có thể tìm gọi MS thành công, MS đợc coi là nhập mạng.Trong khi chuyển động MS luôn luôn kiểm tra rằng nó luôn đợc nối đến một kênh quảng bá đợc thu tốt nhất Quá trình này đợc gọi là lu động (Roaming) MS cần thông báo cho hệ thống về các thay đổi vùng định vị, quá trình này đợc gọi là cập nhật vị trí.
(1) Yêu cầu cập nhật vị trí
(3) Cộng nhận cập nhật vị trí
+ MS bận: Mạng vô tuyến có một kênh thông tin ( kênh tiếng) dành cho luồng số liệu mới và từ MS trong quá trình chuyển động MS phải có khả năng chuyển đến một kênh thông tin khác Quá trình này gọi là chuyển giao (Handover) Để quyết định chuyển giao hệ thống diễn giải thông tin nhận đợc từ MS và BTS, quá trình này gọi là định vị.
3.6.2 Lu động và cập nhật vị trí
Khả năng chuyển động vô định đồng thời với việc thay đổi “ nối thông” MS ở giao diện vô tuyến, ở thời điểm cần thiết để dảm bảo chất lợng thu đợc gọi là Roaming
Trong trờng hợp này MS rỗi và chuyển động liên tục xa dần BTS của ô làm cho tín hiệu yếu dần MS sẽ tìm chọn một tần số tốt nhất BCH/CCCH từ BTS thuộc ô lân cận và tự khoá đến tần số này Sau đó MS sẽ tiếp nhận thông báo quảng bá khi tín hiệu tần số mới còn đủ tốt Mạng mặt đất sẽ không tham gia quá trình thay đổi tần số BCH/CCCH.
* Roaming giữa các vùng định vị khác nhau của cùng một vùng phục vụ MSC/VLR và cập nhật vị trí.
Hình I.11: Cập nhật vị trí khi lu độngở cùng một vùng phục vụ
( 2) cập nhật vị trí ở MS, MS thuộc về LA mới( Location Area)
* Roaming giữa các vùng phục vụ MSC/ VLR khác nhau và cập nhật vị trí.
Với cuộc gọi vào cho MS, tuyến đi qua mạng khi MS di chuyển đến một vùng MSC/VLR khác cũng sẽ khác nhau Để tìm đợc tuyến đúng MSC/VLR sẽ phải cập nhật HLR về vị trí của MSC/VLR cho MS Sau khi quá trình này thành công, hệ thống sẽ huỷ bỏ vị trí cũ và từ thông báo huỷ bỏ của HLR MSC/VLR cũ sẽ xoá vị trí cũ của MS
(1) Yêu cầu cập nhật vị trÝ
(4) Công nhật cập nhật vị trÝ
Hình I.12: Cập nhật vị trí khi lu động giữa hai vùng phục vụ MSC/VLR khác nhau
3.6.3 Thủ tục nhập mạng đăng ký lần đầu – Rời mạng
Sau khi bật máy MS sẽ quét hết 124 tần số trong GSM tìm ra tần số chứa thông tin quảng bá và thông tin tìm gọi BCH/CCCH Sau đó MS sẽ tự khoá đến tần số này nhờ hiệu chỉnh tần số thu và thông tin đồng bộ Vì là lần đầu nhập mạng lên MS không có chỉ thị nào về nhận dạng vùng định vị mới MS gửi đi một thông báo cập nhât vị trí nhập mạng đến MSC/VLR để thâm nhập mạng có liên quan tới IMSI.
Quy hoạch Ô
Sử dụng lại tần số
Sử dụng lại tần số trong mạng GSM
Trong hệ thống thông tin di động celluler(GSM ), vùng phủ sóng đợc chia thành các diện tích nhỏ hơn gọi là cell Mỗi cell đợc phục vụ bởi một trạm thu phát gốc BTS.
Hệ thống GSM sử dụng 2 loại anten.
- Anten đẳng hóng( omni directional antena) Trong mặt phẳng ngang, trờng bức xạ sóng điện từ của anten ra mọi hớng là nh nhau.
Kiểu anten này đợc dùng cho cấc cell với một anten đặt ở chính giữa cell,những cell này đợc gọi là omni directional.
- Anten định hớng (sector antena) trong mặt phẳng ngang, trờng bức xạ sóng điện từ theo một hớng chính, kiểu anten này đợc sử dụng trong các trạm đợc sector hoá Công suất phát thờng đợc tập chung vào một hớng do đó nó đợc dùng phổ biến vì có 2 cái lợi là mở rộng vùng phủ sóng và sử dụng lại tần số
Mỗi cell trong mạng đợc vẽ là hình lục giác đều, cạnh của 2 cell liền kề là quỹ tích của các điểm mà ở đó cờng độ tín hiệu của 2 cell đó đợc coi là nh nhau Thực tế việc quy hoạch phải xét đến việc truyền sóng vô tuyến phụ thuộc vào địa hình và các tính chất không đồng nhất của mặt đất Hình II.3 là các mảng mẫu gồm 7 cell hợp thành 1 mảng mẫu, tần số sử dụng lại trong các mảng mẫu kề là nh nhau, do đó vấn đề sử dụng lại tần số nảy sinh nhiễu kênh chung (C/I), nhng tỷ số này có thể dự đoán đợc.
Từ đó xác định đợc cự ly(D) dùng lại tần số
Hình II 3: Mẫu sử dụng lại
Kích cỡ của mỗi mảng mẫu thờng là 3,4,7,9,12,21 Các mảng mẫu nhỏ cho các cell đạt đợc dung lợng lớn, vì với số lợng tần số cố định cho mỗi bản mẫu thì mỗi cell có số lợng kênh tần số nhiều hơn và tần số sóng mang đợc tái sử dụng nhiều hơn nhng tỷ sốC/I thấp Mảng mẫu lớn thì C/I tốt hơn, nhng dung lợng mỗi cell nhỏ hơn do phân bố ít sóng mang hơn và việc sử dụng lại tần số là ít hơn Tỷ số C/I có thể đợc tính nh hình II 4 giả thiết là công suất phát của các BTS là nh nhau và môi trờng truyền sóng là đồng nhất.
P: là vị trí tồi nhất của MS thuộc cell A, chịu nhiễu kênh chung từ cell B
Ta có bảng quan hệ sau ( Bảng 5.1)
Biên giới cell cũ Biên giới cell sau khi tách
Hệ thống GSM có tính chống nhiễu tốt tỷ số C/I có thể thấp( khoảng 9 dB) mà vẫn hoạt động đợc.
Thiết kế ban đầu cho một hệ thống thờng sử dụng những cell với 1 BTS đặt ở trung tâm, dùng anten omni, những cell này đợc gộp vào thành một mảng mẫu Khi lu lợng trong mạng tăng lên cần phải sử dụng thêm nhiều sóng mang hoặc phải sử dụng lại tần sè.
Sự thay đổi nào trong cấu trúc quy hoạch tần số cũng sẽ ảnh hởng đến tỷ số C/I. Tần số không thể phân bổ cho các cell một cách ngẫu nhiên mà phải dùng theo các mẫu sử dụng lại tần số Thực hiện việc sử dụng lại tần số quá nhiều sẽ rất khó khăn về mặt kỹ thuật và cần phải có một phơng pháp khác hiệu quả hơn Một giải pháp khác đợc sử dụng rất phổ biến và có thể thực hiện đợc làm tăng sóng mang là sử dụng phơng pháp chia nhỏ cell
Hình II.5 cho thấy rằng trạm BTS dùng anten đẳng hớng đợc cấu trúc lại dùng anten định hớng
Mỗi trạm phục vụ 3 cell mới nhỏ hơn, dùng 3 anten định hớng mỗi anten hớng
120 0 Làm nh vậy gọi là chia nhỏ cell theo mẫu 1:3, số cell tăng lên 3 lần nên số lần sử dụng lại tần số cũng tăng gấp 3 lần dẫn đến tăng dung lợng hệ thống mà không cần lắp đặt thêm trạm gốc mới.
Trạm BTS cũ anten xoay góc 300 để tách
Trạm BTS mới Biên giới cell tr ớc tách
Biên giới cell mới sau khi tách
Ta có thể tiếp tục chia nhỏ cell theo mẫu 1:3 lần nữa( hìnhII 6 ) Trạm cũ đợc giữ nguyên nhng anten cần xoay một góc 30 0 ngợc chiều quy kim đồng hồ và ngoài ra phải lắp thêm một số trạm mới.
Chia nhỏ cell nh vậy thì việc tái sử dụng tần số tăng lên gấp 3 lần đồng thời dung lợng mạng cũng tăng gấp 3 Tuy nhiên để đáp ứng đợc điều đó, phải tăng số trạm lên 3 lần, và trên thực tế cách này không đợc áp dụng rộng rãi.
Hình II.7 trình bày cách chia nhỏ cell theo mẫu 1:4, những trạm cũ đợc sử dụng mà không cần chỉnh anten và một số trạm mới đợc lắp thêm Số lần sử dụng lại tần số, dung lợng hệ thống và số lợng mặt bằng BTS đều tăng gấp 4 lần so với trớc chia tách.
Hình II.6: Chia tách 3 thêm lần nữa
BTS cũ đ ợc dùng lại sau khi tách
Hình II.7: Chia tách 4 lần thứ 2
Nhờ việc chia nhỏ cell sử dụng anten sector phục vụ 3 cell từ một trạm giúp cho việc giảm nhiễu kênh chung Nó còn giúp cho việc tái sử dụng lại tần số một cách chặt chẽ về mặt khoảng cách, do đố có những cell nhỏ hơn có thể đợc thực hiện: (hình II.8) vì vậy cell dải quạt(sector) hay đợc sử dụng hơn cell vô hớng (omni)
Các cell cùng tần số của 6 mảng mẫu bao quanh
Phân bổ tần số ( 27 tần số)
Hình II.8: Nhờ anten dải quạt mà giảm can nhiễu xuống 3 lần so với anten omni
Vùng chuyển tiếp là vùng ở giữa các cell có lu lợng thấp và các cell có lu lợng cao.
Những cell có kích cỡ lớn có thể gây cho cell nhỏ gần nó nhiều kênh chung. Để khắc phục vấn đề này, việc quy hoạch tần số phải tính toán rất chính xác và có thể dành một tần số vô tuyến đệm vào vùng chuyển tiếp.
Quy hoạch tần số
Việc tái sử dụng lại tần số phải đợc quy hoạch theo một số mẫu sử dụng tần số thích hợp để đảm bảo đợc tỷ số C/I tốt Trong hệ thống GSM thờng sử dụng các mẫu :
Mẫu 3/9: Gồm 3 trạm, mỗi trạm phục vụ 3 cell tạo thành 1 mảng mẫu 9 cell, các mảng mẫu đợc xếp đan xen nhau
Hình II.9 biểu thị 27 tần số sóng mang đợc phân bổ cho 9 cell, khoảng cách sử dụng lại tần số là
Hình II.9 : mẫu sử dụng lại tần số 3/9
Phân bổ tần số phải đảm bảo sao cho 2 cell cạnh nhau không sử dụng cùng một tần số ( tránh tình trạng C/I=0 ở biên giới 2 cell) Hình 5.7 cho ta thấy rằng với mảng mẫu 9 cell thì tỷ số C/I khoảng 9 dB, giá trị này hoạt động đợc trong hệ thống GSM nhờ một biện pháp khác để giảm tác động của nhiễu nh : điều khiển công suất, nhảy tần,
Phân bổ tần số ( 24 tần số) truyền gián đoạn Tỷ số C/A cũng rất quan trọng, phân bổ tần số phải đảm bảo rằng2 sóng liền kề không đợc phân bổ cho cùng một cell Tốt nhất các sống liền kề không đợc phân bổ cho 2 cell kề nhau Tuy nhiên ở mẫu 3/9 2 cell A1 và C3 sử dụng những sóng mang kề nhau dẫn đến tỷ số C/A= 0 tại biên giới giữa 2 cell mặc dù vẫn lớn hơn mức – 9dB, song vẫn là một mức nhiễu cao Các biện pháp nh: điều khiển công suất, nhảy tần, phát gián đoạn đợc sử dụng để giảm tối đa ảnh hởng này.
Mẫu 4/12: gồm 4 trạm gốc mỗi mảng mẫu, mỗi trạm phục vụ 3 cell ( hình 5.8) Các cell D đợc sắp xếp khác thứ tự so với các cell A, B, C nhằm đảm bảo cho 2 cell kề nhau không sử dụng tần số kề nhau (bảng II.3)
Khoảng cách sử dụng lại tần số là D= R √ 3.12 = 6R lớn hơn so với mẫu 3/9 Dựa vào bảng 5.1 ta thấy rằng đối với nhóm 12 cell thì C/I khoảng 21 dB, nên không cần thiết phải sử dụng các biện pháp khác nh ở mẫu 3/9.
Hình II.10: mẫu sử dụng lại tần số 4/12
Gồm 7 trạm gốc , mỗi trạm phục vụ 3 cell tạo thành mảng mẫu 21 cell, mỗi cell đ- ợc phân bổ tối đa 2 tần số ( bảng5.4)
Khoảng cách sử dụng lại tần số là D= R √ 3.21=7,9 R
* Nhận xét : Mẫu 3/9 có số kênh trong một cell lớn thích hợp với vùng đông dân c nhng tỷ lệ nhiễu cao Mẫu 4/12; 7/12 cố số kênh tần số trong một cell thấp hơn, việc sử dụng lại tần số thấp hơn nhng khoảng cách nhiễu kênh chung lớn hơn thích hợp với vùng có mật độ trung bình và thấp.
* Thay đổi sự phân bổ tần số
Theo lý thuyết mỗi cell đợc cấp phát một số lợng tần số nh nhau.
Nhng trong thực tế lu lợng phân bố rất khác nhau, sẽ có nhu cầu tăng thêm tải tần từ cell có lu lợng rất thấp để thêm vào cho cell có lu lợng quá cao Nhng sẽ phá vỡ cấu trúc quy hoạch tần số và mang lại can nhiễu qua mức cho phép nếu đợc tính toán không tèt.
Hình II.10 là mẫu sử dụng lại tần số 4/12 ở mảng mẫu A cell D1 có lu lợng lớn và để phục vụ đợc lu lợng này đòi hỏi phải có 3 tần số , trong khi cell C3 lu lợng thấp và chỉ cần 1 tải tần Do đó tải tần 11 hoặc 23 có thể đợc chuỷen sang cell D1
Phân bổ tần số ( 24 tần số)
HìnhII.10: Thay đổi quy hoạch tần số
Tỷ số C/A sẽ giảm, vì nếu đa 2 tải tần 11 và 23 từ cell C3 sang cell D1 thì sẽ tăng nhiễu kênh kề giữa cell D1 và D3, là cell đang sử dụng 2 tải tần tơng ứng là 12 và 24.
Trong trờng hợp này C/A của MS ở biên của 2 cell sẽ là 0dB.
Xét tỷ số C/I: nếu tải tần 11 đợc chuyển từ cell C3 tơng ứng của mảng mẫu A và B sẽ giảm đi một nửa, dẫn đến giảm C/I Trong không gian tự do, năng lợng thu đợc tỷ lệ nghịch với bình phơng khoảng cách, có nghĩa là việc giảm khoảng cách đi sẽ tăng công suất lên 4 lần (6dB) Nh vậy C/I ở cell C3 mảng mẫu A và B sẽ là (12dB – 6 dB) = 6 dB, mức C/I này thấp hơn khoảng 3 dB so với mức cực tiểu đợc dùng trong GSM Tuy nhiên, vì điều kiện truyền sóng thực tế sẽ gây sự thăng giáng tín hiệu theo khoảng cách khá rõ rệt nên ít nhiễu hơn so với giả thiết trong trờng hợp không gian tự do.
Biện pháp khắc phục vấn đề này là việc sử dụng tần số đợc đa sang ở mức công suất phát thấp hơn các tải tần khác trong cell Nếu tần số mới này hoạt động ở mức công suất thì C/I sẽ không bị ảnh hởng, còn C/A bị giảm đi nhng không đáng kể Vùng phủ sóng của sống mang mới sẽ nhỏ hơn so với 2 sóng mang kia , trong cell vẫn có 3 sóng mang nhng chỉ có 2 sóng mang là đợc phủ sóng ra tận biên của cell Những cell nh vậy đợc gọ là cell đồng tâm ( connentric) hoặc cell xếp chồng(over laid)
Quy hoạch phủ sóng
Quá trình quy hoạch cell tạo ra một mạng lới cell bao phủ một vùng, vị trí của trạm BTS phụ thuộc vào các yếu tố nh: vấn đề quy hoach, giá cả thuê đất, hay các toà nhà để đặt trạm BTS đợc chọn dựa theo vấn đề phân tích lu lợng, tuyến đờng giao thông, địa hình.
Là vùng có lu lợng thấp, các trạm vô hớng đợc sử dụng khi lu lợng rất thấp, phần lớn vùng các trạm đẳng hớng đợc sử dụng theo các mẫu quy hoạch tần số chuẩn Bố trí các trạm BTS ta cần chú ý đến các đờng bao của cell ở các vùng đồi núi các điểm chết hoặc che khuất đợc khoanh lại, nhng các trạm nên đặt ở các tuyến đờng hoặc trên các toà nhà cao tầng Công việc này có thể đợc đơn giản hoá bàng cách sử dụng các phần mềm quy hoạch tần số cho phép đánh giá nhanh sự khác biệt giữa các trạm Đối với các vùng bằng phẳng thì tỷ số C/I cần đợc quan tâm và có thể phải điều chỉnh góc nghiêng anten cho một vài cell Trong vùng này có nhiều cây cối xanh tốt cũng gây ra nhng suy hao nghiêm trọng đối với truyền sóng vô tuyến, đặc biệt ở tần số cao.
Vùng đô thị có lu lợng cao nên phải sử dụng những cell nhỏ hơn Địa hình vùng này cũng rất phức tạp do cấu trúc, kích thớc chiều cao các toà nhà cũng khác nhau nên quy hoạch theo mẫu chuẩn là không đơn giản Vị trí đặt trạm phụ thuộc rất lớn vào yêu cầu của từng cell, chẳng hạn cell phục vụ cho một vùng đặc biệt có lu lợng rất cao, các cell này có thể sử dụng kỹ thuật phân cấp cell, lớp trên/lớp dới…
Truyền sóng trên mặt nớc có suy nao rất thấp, có thể truyền đợc những cự ly rất xa nên trạm phục vụ những cell rất lớn trên mặt biển.
Tại vùng cửa sông, đặc tính truyền sóng tốt nhng lại gây ra nhiễu nghiêm trọng giữa các cell đồng kênh, làm giảm tỷ số C/I Giải pháp xử lý bằng cách đặt các trạm gốc thích hợp và sử dụng anten định hớng, có thể điều chỉnh góc nghiêng anten nếu cần thiết.
Nếu có những vùng phủ sóng tiếp giáp với các tuyến đờng, đặcbiệt là đờng bộ và đờng sắt ở những khu vực đồi núi, có những điểm chết hoặc vùng bị che khuất, có thể khắc phục bằng microcell gần tuyến đờng với hớng anten dọc theo trục đờng Quy hoạch vùng phủ sóng cho các tuyến giao thông nên tránh các tuyến đờng chạy dọc theo biên giới cell, dẫn đến tình trạng chuyển giao liên tục giữa các cell khi sử dụng MS.
Tóm lại biên giói giữa các vùng định vị không nên nằm dọc theo tuyến giao thông.Khi đó MS trong chế độ rỗi sẽ liên tục tiến hành thủ tục cập nhật vị trí tạo ra tải báo lớn không cần thiết cho mạng.
Một số biện pháp tăng dung lợng mạng
Nhu cầu về thông tin di động ngày càng tăng cả về mật độ thuê bao lẫn diện tích vùng phủ sóng Các hệ thống tổ ong chỉ đáp ứng việc tăng lu lợng ở một số vùng trong một thời điểm nhất định Việc tăng lu lợng đợc thực hiện bằng việc sector hoá, chia nhỏ cell( phụ thuộc vào kích thớc cell ban đâu) Tuy nhiên, cũng chỉ thực hiện đến một giới hạn mà tỷ số nhiễu kênh chung lớn tới mức gây ảnh hởng đến chất lợng thông tin Mặt khác việc phủ sóng trong các toà nhà cũng là một khó khăn đối với hệ thống tổ ong thông thờng Một số kỹ thuật đợc sử dụng nh : kỹ thuật microcell, các cell phân cấp, các cell lớp trên/ lớp dới.
Một microcell phục vụ một vùng nhỏ ( bán kính khoảng vài trăm mét) và sử dụng anten đặt ở mặt ngoài toà nhà trong một khu có nhiều nhà cao tầng Năng lợng của nó chỉ nằm trong phạm vi các tuyến thành phố Microcell có thể sử dụng trong các toà nhà, khi đó gọi là picocell.
Microcel sử dụng năng lợng thấp nên nhiễu cũng ít hơn, vì thế việc tái sử dụng tần số đợc nhiều hơn Nó đơn giản hơn việc thiết lập một cell lớn và việc mở rộng cũng rất thuận tiên Anten micrcell thờng đặt cao ít nhất 5 met và không thấp hơn 2m so với nóc nhà Anten định hớng rất thích hợp cho việc phủ sóng dọc một con đờng Sự phủ sóng bên trong toà nhà chịu ảnh hởng của rất nhiều yếu tố nh cấu trúc xây dựng và các bức t- ờng nhà với số lợng; độ dày và chất liệu khác nhau…., chịu suy hao rất lớn Do đó, việc phủ sóng trong nhà đợc phục vụ bởi các trạm đặt trong nhà gọi là indoor microcell hay picocell.
Sử dụng indoor micrcell hay picocell hiệu quả hơn khi sử dụng DSC 1800 so với GSM 900, vì tần số lớn hơn sẽ phản xạ trên các vật cản lớn hơn đồng thời thất thoát ra ngoài ít hơn.
5.4.2 Cấu trúc lớp trên/ lớp dới
Kỹ thuật này cung cấp một phơng pháp tăng dung lợng mạng mà không cần lắp đặt thêm các trạm mới Nó dựa vào việc sử dụng một phần tần số đợc ấn định thờng xuyên hơn( hình 5.10).
Các tần số đợc chia thành 2 phần( không nhất thiết phải bằng nhau).
Ví dụ một nhà khai thác đợc sử dụng 24 sóng mang, có thể chia thành nh sau:
* 18 sóng mang đợc sử dụng cho các cell lớp dới
* 6 sóng mang đợc sử dụng cho các cell lớp trên, số 18 sóng mang đợc phân bổ sử dụng các quy hoạch tần số chuẩn thành cấu trúc cell chính Các cell này đợc gọi là các cell lớp dới Các cell lớp trên hoạt động từ cùng một anten và trạm nhng ở một mức công suất thấp hơn, công suất của chúng đợc giới hạn và vì thế các cell lớp trên đợc tái sử dụng nhiều hơn các cell lớp dới.
Chỉ các cell lớp dới có sóng mang BCCH, nên MS luôn luôn đợc xử lý ban đầu cell lớp dới Mỗi lần MS truy cập hệ thống bằng việc gửi RACH, hệ thống sau đó có thể xác định phạm vi của nó và quyết định có xử lý MS qua cell lớp dới, cho nên SDCCH có thể cấu hình cho cả 2 cell Lu lợng gần BTS luôn luôn đợc phân bố nếu có thể cho cell trên bởi vì mức công suất là thấp hơn và các kênh ở cell dới đợc dành cho các máy di động v- ợt qua phạm vi của cell lớp trên.
5.4.3 CÊu tróc cell ph©n cÊp
Khái niệm về cấu trúc cell phân cấp (hay phân lớp) dựa trên ý tởng sử dụng mức công suất thấp nhất để tối thiểu hoá nhiễu Các lớp bao gồm macrocell, microcell và picocell Mỗi lớp thực hiện các chức năng khác nhau nhng đợc định nghĩa rõ ràng. Macrocell phục vụ cho các cuộc gọi có tốc độ di chuyển khá nhanh chẳng hạn cuộc gọi đợc thực hiện trên xe ô tô Microcell tập trung cho các cuộc gọi có tốc độ di chuyển chậm hơn nh của ngời đi bộ Còn picocell phủ sóng indoor ở những khu vực nh các siêu thị hoặc các toà nhà làm việc.
Một biện pháp để tăng dung lợng mạng khác là sử dụng cấu trúc phân cấp băng kép, ngoài dải tần 900 MHz, nhà khai thác GSM còn có thể đợc cấp phát thêm dải tần
1800 MHz Xét về mặt kích thớc cell, các cell lớn phù hợp với GSM 900 hơn với DCS
1800, trong khi DCS1800 là sự lựa chon tốt hơn cho các cell nhỏ hay microcell, đặc biệt là những cell rất nhỏ hoặc picocell.
Cấu trúc phân cấp băng kép đã đợc thực hiện thì chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến có thể đợc sử dụng dịch chuyển lu lợng một cách tự động lên dải tần 1800MHz để giả phóng lu lợng ở lớp 900MHz hoặc ngợc lại.
Nhu cầu về trao đổi thông tin đối với chúng ta ngày nay thật là quan trọng trong mọi mặt đời sống xã hội Từ thực tế đó mà dịch vụ điện thoại di động ngày càng phát triển cùng với các loại hình dịch vụ thông tin khác Số lợng thuê bao ngày càng tăng, đòi hỏi hệ thống mạng luôn luôn đợc mở rộng vùng phủ sóng và điều chỉnh hợp lý để đem lại khả năng phục vụ tốt nhất.
Qua bản đồ án này em đã tiếp thu đợc những kỹ thuật, công nghệ hiện đại đợc ứng dụng trong hệ thống thông tin nói chung và mạng thông tin di động GSM Từ những kiến thức đó đã giúp em nắm bắt đợc những bớc căn bản của vấn đề quy hoạch cell trong mạng.
Vấn đề sử dụng lại tần số ở CDMA cũng đặc biệt so với FDMA, TDMA Các hệ thống thông tin di động băng hẹp( FDMA, TDMA) không thể sử dụng lại tần số ở ngay cell gần kề vì nhiễu, vì vậy phải có quy hoạch lại tần số khi thiết kế hệ thống,và để đáp ứng sự tăng dung lợng thì phải thay đổi quy hoạch tần số Trong CDMA do dùng chung một dải tần nên có thể thêm vào một vài cuộc gọi mà chất lợng của chúng chỉ giảm chút ít Bằng sự trả giá về sai lỗi bít tăng lên,nhng mạng di động CDMA vẫn có thể tăng thêm cuộc gọi khi nhu cầu cấp bách mà không dẫn đến tắc nghẽn nh mạng di động FDMA, TDMA Khi số thuê bao tăng lên quá mức cho phép, mạng di động CDMA sẽ chuyển giao mềm và điều khiển công suất giảm, làm cho cell nhỏ đi, chuyển các thuê bao ở vùg bên sang các Cell liền kề Khả năng cân bằng tải này đợc gọi là dung lợng mềm.
Tuy nhiên việc quy hoạch mạng là một vấn đề rất phức tạp, ngoài những kiến thức về lý thuyết cần phải có những kiến thức kinh nghiệm thực tế nh dự đoán sự tăng trởng mức sống dân c, điều tra thị trờng về giá dịch vụ, chất lợng dịch vụ, nhu cầu biến động theo thời gian để đa ra những giải pháp kinh doanh hiệu quả nhất.
Một bản thiết kế quy hoạch mạng phải đợc khảo sát với đầy đủ các điều kiện hoạt động trớc khi đợc thực hịên, bằng cách biểu diễn hệ thống theo một mô hình, các mô hình mang tính thống kê đợc sử dụng để thu thập các dữ liệu Do khối lợng tính toán lớn để giải quyết các vấn đề lập mô hình, nên chúng ta có thể dùng công cụ phần mềm để giả quýêt Hệ thống thông tin di động GSM tuy là sử dụng phổ biến trên toàn thế giới trong thời gian qua, nhng nó có nhợc điểm là dung lợng hệ thống hạn chế không đáp ứng đợc các dịch vụ mới ở Việt Nam công nghệ thông tin di động CDMA đang chuẩn bị đợc sử dụng thử nghiệm ở một số nơi, công nghệ CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nên dung l- ợng của hệ thống rất lớn có nhiều u việt hơn so với công nghệ GSM Tuy nhiên ở Việt Nam thì hệ thống GSM vẫn còn tiếp tục đợc sử dụng trong nhiều năm tới.