Van de ve bao hieu o mang thong tin di dong gsm 118492

Lời nói đầu Thông tin di động ngày đà trở thành ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh mang lại nhiều lợi nhuận cho nhà khai thác viễn thông Đối với nhiều khách hàng viễn thông, nhà doanh nghiệp, thông ti di động đà trở thành phơng tiện liên lạc thiếu đợc Các dịch vụ thông tin di động không hạn chế cho khách hàng giầu có mà dẫn phổ cập để trở thành dịch vụ cho ngời Ngời ta dự báo tỷ trọng thuê bao di động tổng số thuê bao không ngừng tăng nhanh đạt tới 50% tổng số thuê bao vào đầu kỷ XXI Trong phạm vi đồ án nghiên cứu đề tài Thông tin di độngThông tin di động GSM Đồ án bao gồm ch Đồ án bao gồm chơng: Chơng 1: Kh¸i qu¸t chung vỊ sù ph¸t triĨn cđa c¸c hƯ thống thông tin di động, cấu trúc chung nh tổ chức phân lớp hệ thống tin di động GSM Chơng 2: Đề cập đặc điểm truyền dẫn vô tuyến nh giao diện hệ thống thông tin di động GSM Chơng 3: Đề cập đến vấn đề báo hiệu mạng thông tin di động GSM Đây hệ thống đợc xây dựng công nghệ đa truy nhập TDMA, công nghệ ®a truy nhËp cịng nh c¸c kinh nghiƯm rót từ việc sử dụng công nghệ tiền đề để phát triển hệ thống thông tin di động hệ III Trong trình thực đồ án không tránh khỏi sai sót định vấn đề em cha hiểu biết hết Vì mong đợc đóng góp ý kiến bổ sung Em xin chân thành cảm ơn ý kiến quý báu thày cô giáo đà dậy em năm vừa qua Nhân em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Phan Kiên đà nhiệt tình hớng dẫn, bảo em thực đồ án Một lần em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Điện tử - Viễn thông bạn đồng nghiệp đà giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Hà Nội, ngày tháng .năm 2005 tháng tháng .năm 2005.năm 2005 Sinh viên Chơng1 TổNG QUAN Hệ THốNG THÔNG TIN DI DéNG 1.1 Tỉng quan vỊ c¸c hƯ thèng thông tin di động 1.1.1 Mạng thông tin động Mạng thông tin di động tổ ong Cellular đơn vị nhỏ mạng, có hình dạng tổ ong hình lục giác hay gọi tế bào Một hệ thống thông tin di động tổ ong, tơng tự hay số, vô tuyến hai chiều đợc thiết kế để tơng tác víi hƯ thèng néi h¹t,cho phÐp ngêi sư dơng gäi điện thoại nội hạt đờng dài Mạng thông tin di động đợc chia thành hệ thống chuyển mạch, SS hệ thống trạm gốc, BTS Trong hệ thống chứa khối chức năng, thực tất chức hệ thống Mạng thông tin di dộng thực nh mạng nhiều ô vô tuyến cạnh để đảm bảo vùng phủ sóng vùng phục vụ Mỗi ô có trạm vô tuyến gốc, BTS làm việc tập hợp kênh vô tuyến Các kênh khác với kênh đợc sử dụng ô lân cận để tránh nhiễu giao thoa.Một điều khiển trạm gốc, BTS điều khiển nhóm BTS BTS điều khiển chức nh: Chuyển giao, điều khiển công suất Một trung tâm chuyển mạch dịnh vụ động, MSC phục vụ số BSC, điều khiển điều khiển gọi đến từ mạng thoại chuyển mạch công cộng, PSTN ;mạng số liên kết đa dịch vụ, ISDN ; mạng động mặt đất công cộng, PLMN ; mạng số liệu công cộng, PDN mạng riêng Các khối nói tham gia vào việc nối thông trạm di động,MS Nếu thực nối gọi đến MS, ta cần có số sở liệu mạng để theo rõi MS cở sở liệu quan đăng kí vị trí thờng trú, HLR HLR chứa thông tin thuê bao nh: dịch vụ bổ sung, thông số nhận thực Ngoài có thông tin vị trí của, MS ( thời MS vùng MSC nào? ) thông tin thay đổi MS động MS gửi thông tin vị trí (qua MSC/VLR) đến HLR mình, nhờ đảm bảo phơng tiện để thu gọi Khối trung tâm nhận thực, AUC đợc nối đến HLR Chức AUC cung cấp cho HLR thông số nhận thực khoá mật mà để sử dụng cho bảo mật Bộ ghi định vị tạm trú, VLR cở sở liệu chá thông tin tất MS vùng phục vụ MSC Mỗi MSC có VLR Ngay MS lu động vào MSC mới, VLR liên kết với MSC yêu cầu số liệu MS từ HLR đồng thời HLR đợc thông báo MS vùng nào, sau MS muèn thùc hiÖn mét cuéc gäi, VLR sÏ cã tất thông tin cần thiết để thiết lập gọi mà không cần hỏi HLR Có thể coi VLR nh HLR phân bố VLR chứa thông tin xác vị trí MS vùng MSC mạng thông tin động có khối nhỏ đựoc gọi Modul nhận dạng thuê bao, SIM khối vật lý tách riêng: chẳng hạn nh Card IC SIM với thiết bị trạm hợp thành MS Không có SIM, MS thông thể truy nhập đến mạng động( trừ trờng hợp gọi khẩn) Khi liên kết đăng ký thuê bao với Card SIM không với MS Đăng ký thuê bao sử dụng trạm MS khác nh Mặt khác ta cần sở liệu chứa số liệu phần cứng thiết bị để chặn đăng ký thuê bao thiết bị bị cắp nh: ghi nhận dạng thiết bị, EIR EIR đợc nối với MSC qua đờng báo hiệu Nó cho phép MSC kiểm tra hợp lệ thiết bị Bằng cách náy cấm MS có dạng không đợc chấp thuận Hệ thống khai thác hỗ trợ, OSS đợc nối đến tất thiết hệ thống chuyển mạch nối đến BSC 1.1.2 Các dặc tính hệ thống thông tin di dộng Hệ thống thông tin động nhiệm vụ phải cung cấp dịch vụ nh: mạng điện thoại thông thờng, mạng thông tin động phải cung cấp dịch vụ đặc thù cho mạng động để đảm bảo thông tin lúc, nơi Để đảm bảo đợc chức nói trên, mạng thông tin di động phải đảm bảo số đặc tính chung sau đây: Sử dụng hiệu tần số đợc cấp phát để đạt đợc dung lợng cao Giảm tối đa gọi thuê bao di động chuyển từ vùng phủ sóng sang vùng phủ sóng khác Cho phép phát triển dịch vụ mới, dịch vụ phi thoại Để mang tính toàn cầu phải cho phép chuyển mạng quốc tế Các thiết bị cầm tay phải gọn nhẹ tiêu thụ lợng 1.1.3 Giới thiệu chung xu hớng phát triển mạng thông tin di động Quá trình phát triển hệ thống thông tin di động tổ ong giới đợc đa hình vẽ sau: Năm 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 2000 1981 CMTS Mü MPS NAMPS TDMA TDMA IS_54B Ch©u ©u TACS CDMA ETACS GSM PCN NMT 450 NhËt B¶n NMT NT 900 CT-2 NTT JTACS PS DECT PDC NTACS PHS POCSAG ERMES FLEX IS_95 IS_136 Các hệ thống thông tin di động tổ ong tơng tự hệ đợc đa hình vẽ bao gồm: AMPS : Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến NAMPS : Dịch vụ điện thoại di động tiên tến băng hẹp TACS : Hệ thống thông tin truy nhập toàn ETACS: Hệ thống thông tin truy nhËp toµn bé më réng NMT 450 : HƯ thèng điện thoại di động Bắc Âu băng tần 450MHz NMT 900: Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu băng tần 900 MHz NTT : Hệ thống NTT phát triển JTACS: Hệ thống thông tin truy nhập toàn cầu Nhật NTACS: Hệ thống thông tin truy nhập toàn Bắc Âu Các hệ thống thông tin di động tổ ong số hệ hai đợc đa hình vẽ bao gồm: IS 54B TDMA IS – 136 TDMA IS – 95 CDMA PDC : Hệ thống tổ ong số cá nhân DECT : Viễn thông không dây số tăng cờng GSM : Hệ thống thông tin di động toàn cầu CT : Điện thoại không dây PCN : Mạng thông tin cá nhân Các hệ thống nhắn tin hình vẽ bao gồm: ERMS: Hệ thống nhắn tin vô tuyến Châu Âu POCSAG: Nhóm cố vấn tiêu chuẩn hoá mà bu điện Các hệ thống thông tin di động số giai đoạn hệ hai cộng Để đáp ứng nhu cầu ngày tăng dịch vụ thông tin di động từ năm đầu năm 1990 ngời ta đà tiến hành nghiên cứu hoạch định hệ thống thông tin di động hệ ba ITU R tiến hành công tác tiêu chuẩn hoá cho hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT 2000 ( trớc FPLMTS ) Châu Âu, ETSI tiến hành tiêu chuẩn hoá phiên hệ thống với tên gọi MUTS (: hệ thống viễn thông di động toàn cầu ) Hệ thống làm việc dải tần 2GHz Nó cung cấp nhiều hình loại dịch vụ bao gồm từ dịch vụ thoại số hiệu thấp dịch vụ số liệu cao, video truyền Ngời ta nghiên cứu hệ thống vô tuyến thÕ hƯ cã tèc ®é cho ngêi sư dơng lớn Mbps hệ thống di động băng rộng MBS dự kiến nâng tốc độ ngời sử dụng đến STM Đối với MBS sóng mạng đợc sử dụng bớc sóng mm độ rộng băng tần 64GHz Những tính đạt đợc hệ hai cộng(GSM) Các dịch vụ mạng cải thiện dịch vụ liên quan đến truyền số liƯu nh: nÐn sè liƯu cđa ngêi sư dơng, sè liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD , dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS số liệu 14,4 Kbps Cải thiện liên quan đến dịch vụ tin ngắn SMS nh: móc nối SMS, mở rộng bảng chữ cái, mở rộng tơng tác SMS Các cải thiện chung nh: chuyển mạng GSM - AMSP, dịch vụ định vị, tơng tác với hệ thống thông tin di động vệ tinh hỗ trợ định tuyến tối u Các dịch vụ tiếng với tính liên quan nh: Codec tiếng toàn tốc tăng cờng EFC : Codec đa tốc độ thích ứng khai thác tự đầu cuối Codec tiếng Dịch vụ mạng thông minh nh: CAMEL Các dịch vụ bổ sung nh: chun híng cc gäi, hiƯn tªn chđ gäi, chun giao gọi dịch vụ cấm gọi đến Tăng cờng công nghệ SIM Các công việc liên quan đến tính cớc nh: dịch vụ trả tiền thoại trớc, tính cớc nóng hỗ trợ cho u tiên vùng gia đình Hệ thống thông tin di động hệ ba phải hệ thông tin di động cho dịch vụ di động truyền thông nhân đa phơng tiện: Yêu cầu chung hệ thống thông tin di động hệ ba: Mạng phải băng rộng có khả truyền thông đa phơng tiện ( mạng phải đảm bảo đợc bảo tốc độ bit ngời sử dụng đến 2Mbps ) Mạng phải có khả cung cấp độ rộng băng tần ( dung lợng ) theo yêu cầu Ngoài cẩn đảm bảo đờng truyền vô tuyến không đối xứng với: tốc ®é bit cao ë ®êng xuèng vµ tèc ®é bit thấp đờng lên Mạng phải cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu ( đảm bảo kết nối chuyển mạch cho tiếng, dịch vụ Video, khả số liệu gói cho dịch vụ số liệu ) Chất lợng dịch vụ phải không thua chất lợng dịch vụ mạng cố định, tiếng Mạng phải có khả sử dụng toàn cầu ( bao gồm phần tử thông tin vệ tinh ) Hiện Châu Âu ngời sử dụng GSM với Nhật Bản phát triển W-CDMA sở UMTS, Mỹ tập trung phát triĨn thÕ hƯ hai ( IS-95 ) vµ më réng tiêu chuẩn đến IS-2000 tiêu chuẩn băng rộng đợc xây dựng sở CDMA TDMA kÕt hỵp CDMA 1.2 CÊu tróc chung cđa hƯ thống thông tin di động DMH I Các VLR khác AUC I H G D VLR TE1 mto Sm mto MSC HLR B MS EIR C F BSC A BTS A_bis Rm mto TE3 Rm mt OS O C¸c bé quản lý di động X AUX mSC L Um TE2 E Ai Pi PSTN PSPDN W Rx DCE TE2 Di ISDN Mi IWF PLMN TA S TE2 R TE2 Rv TE2 Các mạng 1.2.1 Mô hình hệ thống thông tin di động.(mô tả nh hình vẽ) Một hệ thống thông tin di động bao gồm nhiều phần tử vật lý, chúng phận riêng rẽ hay đặt chung với phần tử logic khác Tuy nhiên phần tử phải tơng tác với để kết hợp hoạt động Để tơng tác, tin phải đựoc phát giao diện hai phần tử 1.2.2 Các phận chúc gioa diện đà đợc chuẩn hoá mô hình hệ thông thông tin di động 1.2.2.1 Trạm di động, MS Trạm di động, MS đợc chia thành: đầu cuồi di động, MT tổ hợp khác cđa bä thÝch øng tèc ®é, TA phơ thc vào loại hình dịch vụ đợc cung cấp Trạm di động, MS GSM thực hai chức năng: Thiết bị vật lý để giao tiếp thuê bao di động với mạng qua đờng số vô tuyến Đăng ký thuê bao: thuê bao phải có thẻ gọi SIM-Card.(trừ trờng hợp đặc biệt nh gọi cấp cứu) thuê bao truy nhập vào mang cắm thẻ vào máy cấu trúc chung trạm di dộng(MS) Máy thu V D A Giải điều chế cân phân kênh VC tổng điều khiển báo hiệuCODEC Kết hợp Kênh hợp Máyphát CODEC tiếng D/A A/D D cụm, ghép kênh điều chế Tạo A mà ngời sử dụng thờng Trạm di động (MS) thiết bị xuyên nhìn thấy hệ thống MS thiết bị đặt ô-tô hay thiết bị xách tay (hoặc cầm tay) MS việc chứa chức vô tuyến chung xử lý cho giao diện vô tuyến, phải cung cấp giao diện với ngời sử dụng (nh: micro, lao, hình hiển thị, bàn phím để quản lý gọi) giao diện với số thiết bị khác ( nh : giao diện với máy tính PC, FAX ) Hầu hết MS đợc chia thành hai phận: phần vô tuyến thực phát thu, giải điều chế phần số thực chức xử lý số, điều khiển báo hiệu máy cầm tay chức đợc tích hợp mạch in với số vi mạch chuyên dùng Bộ kết hợp anten: Ghép chung đờng thu đờng phát vào anten connector hay anten gắn cố định Máythu: Bao gồm mạch vào, mạch lọc thu, trộn hạ tần để biến đổi tín hiệu thu vào trung tần, sau khôi phục lại tín hiệu số ADC Tín hiệu trung tần đợc giải điều chế để lấy luồng số Mức trung tần đợc đo để đánh giá cờng độ tín hiệu thu đợc từ trạm gốc chủ nh máy phát trạm gốc lân cận cần giám sát chúng Bộ giải điều chế, cân bằng, phân kênh: Bộ giải điều chế: lấy luồng số từ trung tần, truyền đa tia tín hiệu thu bị méo dạng, vai trò cân Viterbi sửa méo -Bộ cân bằng: bù trừ đợc trễ đến 16s - Bộ phân kênh sở số khung phân loại tín hiệu thu từ khe thời gian, khung khác vào kênh logic tơng ứng Bộ CODEC kênh: thực giải mà mà hoá kênh cho chuỗi bit nhận đợc (hay đa đến) phân kênh (hay ghép kênh) Bộ không xử lý kênh báo hiệu nh SDCCH, FACCH, SACCH mà xử lý kênh tiếng Nếu CODEC kênh phát cần xử lý khung báo hiệu thìn chuyển khung đến khối điều khiển báo hiệu, khung tiếng đợc chuyển đến CODEC tiếng Trong lng sè cho tiÕng cã thĨ xt hiƯn kªnh báo hiệu FACCH, cờ lấy trộm phải lập Khối điều khiển báo hiệu: Thực tất chức điều khiển MS Các chức bao gồm: Điều khiển công suất, chọn lựa kênh cần sử dụng khác nhiều chức khác MS Phụ thuộc vào chức cần thực hiện, tin báo hiệu khác nhau, phải đợc trao đổi với mạng, tin đợc chuẩn bị xử lý khối điều khiển báo hiệu đợc chuyển đến (hoặc nhận từ khối mà hoá kênh) Khối tạo lập khuôn cụm: đặt bit đà mà hoá kênh vào đờng phải theo cấu trúc cụm tơng ứng bổ xung thêm chuỗi hớng dẫn, bit đuôi cờ lấy trộm phải - Bộ ghép kênh: ấn định cho cụm khe thời gian khung đợc ®¸nh sè ®Ĩ ph¸t ®i cơm Sau thùc hiƯn phân loại xếp, điều chế đặt thông tin vào sóng mang trung tần Máy phát chứa trộn nâng tần để chuyển tín hiệu đà điều chế trung tần vào băng tần 900MHz Bộ khuếch đại công suất tăng tín hiệu phát đến mức cần thiết tuỳ theo điều khiển trạm gốc, lọc phát giới hạn băng tần phát vào kênh tần số đợc cấp phát để đảm bảo tần số đợc phát không gây nhiễu cho kênh cấp phát để đảm bảo tần số đợc phát không gây nhiễu cho kênh khác mạng GSM mạng vô tuyến khác Bộ tổng hợp tần số: đảm bảo cung cấp chuẩn định thời cho đồng hồ bit, đồng hồ khung nguồn tần số cho máy phát máy thu Bộ dao động nội điều khiển điện áp (VCO) đảm bảo tần số ổn định theo lệnh từ khối điều khiển báo hiệu Độ xác tần số phát trạm di động đợc trì nhờ kênh FCCH mà trạm tìm đợc kênh điều khiển quảng bá Một số MS không sử dụng trung tần cấu trúc khối điều khiển khác tuỳ thuộc vào vi mạch chuyên dùng (ASIC) 1.2.2.2 Trạm thu phát gốc BTS Một BTS bao gồm thiết bị phát thu, anten xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến Có thể coi BTS Modem vô tuyến phức tạp có thêm số chức khác Một phận quan trọng BTS khối chuyển đổi mà tốc độ TRAU TRAU thiết bị mà trình mà hoá giải mà tiếng đặc thù riêng cho hệ thống động đợc tiến hành, ®©y cịng thùc hiƯn thÝch øng tèc ®é trêng hợp truyền số liệu, TRAU phận BTS, nhng đặt cách xa BTS chí nhiều trờng hợp đợc đặt BSC MSC Cấu trúc chung trạm thu ph¸t gèc BTS V 64Kbps M¸y thu D A Giải điều chế phân kênh cân CODEC 8/13 bit Tiếng 13/8 bit 13kbps VC tổng điều khiển báo hiệu Báo hiệu CODE C Kênh 16kbps V 64Kbps Máyphát D A Tạo cụm, ghép kênh CODEC 8/13 bit TiÕng 13/8 bit BTS CÊu tróc chung cđa BTS bao gồm khốiA_bis chức sau: BSC * Máy thu: Chøa bé läc tÝn hiƯu nhiƠu vµ lÊy tÝn hiệu thu hữu ích, sau tín hiệu thu đợc biến đổi vào trung tần biến đổi hạ tần đa đến xử lý băng gốc thu (ở máy thu không đổi tần tín hiệu thu đợc đa thẳng đến khối này), xử lý băng gốc thu tín hiệu đợc lấy mẫu lợng tử ADC * Bé c©n b»ng: xư lý mÐo g©y truyền đa tia Bộ giải điều chế lấy luồng số đa đến khối phân kênh Khối ấn định phần khác luồng số đến khe thời gian kênh logic khác tơng ứng với MS khác - Bộ CODEC kênh: giải mà luồng bit thu đợc từ kênh logic khác định kênh báo hiệu gửi đến khối báo hiệu số liệu hay tiếng gửi đến CODEC tiếng CODEC thực phát sửa lỗi Nếu lỗi không sửa đợc khung hỏng bị loại bỏ Có thể có hai trờng hợp CODEC tiếng - CODEC tiếng : đợc đặt BTS số liệu tiếng đợc chuyển đổi vào tốc độ13Kbps - Nếu CODEC tiếng đợc đặt BSC báo hiệu băng đợc bổ sung thành 16Kbps trớc phát ®Õn BSC ë giao diÖn A-bis * CODEC tiÕng: thùc chuyển đổi luồng só tiếng 13Kbps vào 104Kbps sau vào 64kbps đờng lên đờng xuống 64Kbps đợc chuyển đổi vào 13Kbps đợc đa đến CODEC kênh * Khối báo hiệu giao diện logic mạng MS cho tin điều khiển Rất nhiều tin báo hiệu đợc truyền suốt qua BS, tin qua CODEC kênh đến thẳng MS Trong trờng hợp BTS nhiệm vụ khác việc xếp số liệu giao diện Um Một số tin đợc BTS đa đến khối điều khiển để xử lý Các tin bao gồm: mật mà hoá nhảy tần Các tin khai thác bảo dỡng đa đến chức điều khiển chúng không liên quan đến hoạt động MS 1 * Khối điều khiển: thực nhiệm vụ điều khiển bên BS sở tin khai thác bảo dỡng đợc đa đến từ BSC Tất tin đợc đa qua giao diện A-bis * Chức khối lập khuôn cụm: bổ sung thêm chuỗi hớng dẫn Bit đuôi cho khối đợc mà hoá từ CODEC kênh Sau đố khối ghép kênh thực xếp cụm vào khe thời gian tơng øng víi tõng MS Khèi ®iỊu khiĨn thùc hiƯn ®iỊu chế tín hiệu vào sóng mang vô tuyến trình tơng tự nên cần có DAC * Máy phát: có lọc để loại bỏ tần số gây nhiễu cho dịch vụ vô tuyến khác Nó điều khiển mức công suất theo nhóm công BS điều khiển công suất đợc thực BS thiết lập mức công suất khác cho khe thời gian * Bộ tổng hợp: đảm bảo cung cấp tần số cho máy khác BTS Thông thờng đợc đồng với đồng hồ BSC có đồng hồ riêng 1.2.2.3 Bộ điều khiển trạm gốc, BSC BSC có nhiệm vụ quản lý tất cảc giao diện vô tuyến thông qua lệnh điều khiển từ xa BTS MS Các lệnh chủ yếu lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến quản lý chuyển giao (Handover) Một phía BSC đợc nối với BTS phía nèi víi MSC