TỔNG QUAN VỀ MẠNG DI ĐỘNG GSM
GIỚI THIỆU CHUNG
Dịch vụ điện thoại di động ra đời vào đầu những năm 1960, khi đó chỉ là những cải tiến từ các hệ thống điều vận Những hệ thống điện thoại di động đầu tiên này có tính tiện lợi thấp và dung lượng hạn chế.
Vào năm 1980, hệ thống điện thoại tổ ong điều tần với kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo tần số đã ra đời Tuy nhiên, các hệ thống tổ ong tương tự không thể đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng do nhiều hạn chế tồn tại.
Phân bổ tần số rất hạn chế
Tiếng ồn khó chịu và nhiễu hệ thống xảy ra khi máy di động dịch chuyển trong môitrường phading đa tia
Để thu hút khách hàng, các dịch vụ mới hấp dẫn là rất cần thiết Tuy nhiên, việc không thể giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạ tầng sẽ gây khó khăn trong việc đáp ứng nhu cầu này.
Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi
Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau
Cần chuyển sang sử dụng kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động, kết hợp với các kỹ thuật đa thâm nhập mới để nâng cao hiệu quả truyền tải và xử lý dữ liệu.
Năm 1982, hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo thời gian (TDMA) đã ra đời tại Châu Âu, mang tên GSM (Global System for Mobile Communication).
Vào tháng 5 năm 1986, giải pháp TDMA băng hẹp đã được chọn cho dịch vụ viễn thông chung tại Châu Âu ở băng tần 900 MHz Đồng thời, công nghệ CDMA cũng bắt đầu phát triển từ năm 1985, với phiên bản đầu tiên là CDMA IS-95A.
CDMA đã được triển khai tại Hàn Quốc, HongKong, Argentina, Brasil, và Chile Để nâng cao dung lượng cho hệ thống thông tin di động, tần số của các hệ thống này đang được chuyển đổi từ vùng 800-900 MHz sang vùng 1,8-1,9 GHz.
Sự ra đời của công nghệ thông tin di động GSM đánh dấu một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực thông tin, mang lại nhiều lợi ích cho người dùng Kết hợp với sự phát triển của kỹ thuật hiện đại và đổi mới công nghệ, mạng lưới viễn thông toàn cầu cũng đang có những cải tiến tích cực, trong đó lĩnh vực thông tin di động luôn cập nhật những thành tựu khoa học mới nhất.
Hình 1.1 Tổng quan mạng GSM
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG TỔ ONG
Hệ thống điện thoại di động tổ ong được chia thành nhiều ô nhỏ, mỗi ô được quản lý bởi một trạm gốc và điều khiển bởi tổng đài, giúp thuê bao duy trì cuộc gọi liên tục khi di chuyển giữa các ô.
NSS: mạng và phân hệ chuyển mạch BSS: phân hệ trạm gốc
OSS: phân hệ khai thác MS: trạm di động
Hỡnh 1: Tổng quan mạng GSM
Trong hệ thống điện thoại di động tổ ong, tần số của các máy di động không cố định ở một kênh mà được xác định thông qua kênh báo hiệu, cho phép đồng bộ hóa tần số tự động Các ô kề nhau sử dụng tần số khác nhau, trong khi các ô xa hơn có thể tái sử dụng tần số giống nhau Để duy trì cuộc gọi liên tục khi di chuyển giữa các ô, tổng đài điều khiển kênh báo hiệu và kênh lưu lượng, tự động chuyển đổi tần số của máy di động sang tần số thích hợp.
Hình 1.2 Hệ thống điện thoại di động tổ ong
Việc tái sử dụng tần số trong hệ thống điện thoại di động giúp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng tần số, cho phép các kênh RF giữa các trạm phát sóng gần nhau được định vị một cách hiệu quả Điều này dẫn đến việc gia tăng dung lượng phục vụ thuê bao, nâng cao chất lượng dịch vụ.
1.3 CẤU TRệC CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG GSM
Mô hình cấu trúc hệ thống của một mạng thông tin di động GSM có sơ đồ nhƣ sau:
Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống của một mạng thông tin di động GSM
Truyền báo hiệu Truyền lưu lượng
AUC: Trung tâm nhận thực
VLR: Bộ ghi ðịnh vị tạm trú
HLR: Bộ ghi ðịnh vị thýờng trú
EIR: Bộ ghi nhận dạng thiết bị
MSC: Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ mạng
BSC: Bộ ðiều khiển trạm gốc
BTS: Trạm thu phỏt gốc
NSS: Phừn hệ chuyển mạch
BSS (Phân hệ trạm gốc) là phần quan trọng trong hệ thống viễn thông, hỗ trợ quản lý và điều phối các trạm di động (MS) OSS (Phân hệ khai thác bảo dưỡng) đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của mạng Mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói (PSPDN) và mạng số liệu công cộng chuyển mạch kênh (CSPDN) cung cấp dịch vụ truyền tải dữ liệu Trong khi đó, PSTN (Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng) kết nối các cuộc gọi điện thoại truyền thống Cuối cùng, PLMN (Mạng di động mặt đất) là cơ sở hạ tầng cho các dịch vụ di động hiện đại.
ISDN: Mạng số dịch vụ tớch hợp OMC: Trung tõm khai thỏc và bảo dýỡng
ISDN PSPDN CSPDN PSTN PLMN
CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG GSM
Phân hệ chuyển mạch (SS: Switching Subsystem)
Phân hệ trạm gốc( BSS: Base Station Subsystem)
Phân hệ vận hành và bảo dƣỡng (OMS: Operation and Maintenance Subsystem)
Hình 1.4 Tổng quan về kiến trúc GSM
HLR (Home Location Register): Thanh ghi địa chỉ thường trỳ
VLR(Visitor Location Register): Thanh ghi địa chỉ tạm trỳ
MSC(Mobile Switching Center): Trung tâm chuyển mạch di động
AC(Authentication Center) : Trung tâm nhận thực
Chức năng của Hệ thống BSS là thiết lập vùng hoạt động cho thuê bao di động và đảm bảo truyền dẫn tín hiệu một cách liên tục Hệ thống BSS bao gồm các thành phần chính như BTS, BSC và MS.
Trạm di động là thiết bị thu phát cá nhân mà người dùng thuê bao trực tiếp sử dụng, thường là điện thoại di động Trong hệ thống GSM, trạm di động (MS) bao gồm hai thành phần chính: thiết bị di động (ME) và thẻ SIM ME là phần cứng thực hiện chức năng thu phát tín hiệu và chỉ trở thành MS khi thẻ SIM được lắp vào Nếu không có thẻ SIM, thiết bị di động sẽ không hoạt động như một trạm di động.
ME không thể thực hiện đƣợc bất kỳ dịch vụ nào
SIM là thẻ chip chứa bộ nhớ để lưu trữ thông tin cá nhân của thuê bao di động và thông tin mạng Trong quá trình hoạt động, nó đóng vai trò quan trọng trong việc xác thực và kết nối người dùng với dịch vụ viễn thông.
MS sẽ sử dụng các thông tin trong SIM Thông tin lưu trong SIM gồm có:
Nhận dạng số thuê bao quốc tế
Số vùng đăng ký Khóa nhận thực Ki
Trạm thu phát gốc, chức năng của BTS là tạo ra vùng hoạt động cho
MS Vùng phủ sóng nhỏ nhất của một BTS gọi là một tế bào (Cell)
Cell là đơn vị cơ bản trong hệ thống tế bào, được xác định dựa trên vùng phủ sóng của BTS Mỗi cell có một số định danh duy nhất, được gọi là CGI.
Một BTS có khả năng phát và thu sóng cho một hoặc nhiều cell, cùng với nhiều tần số khác nhau tùy thuộc vào lưu lượng thoại tại khu vực trạm gốc Mỗi cell được trang bị một trạm vô tuyến gốc BTS, hoạt động trên một tập hợp các kênh vô tuyến riêng biệt nhằm tránh hiện tượng can nhiễu với các cell lân cận Hệ thống này hình thành một mạng lưới các cell, hay vùng phủ sóng, kết hợp với nhau để đảm bảo phủ sóng toàn diện cho khu vực BTS giao tiếp với MS qua đường vô tuyến và hoạt động dưới sự điều khiển của BSC Bốn kênh phục vụ của một trạm phát sóng cơ bản phụ thuộc vào nhiều yếu tố.
Góc ngẩng của anten Công suất phát của trạm Địa hình, thời tiết… Độ nhạy anten
Bộ điều khiển trạm gốc (BSC) đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và điều khiển hoạt động của các trạm phát sóng di động (BTS) Chức năng chính của BSC bao gồm quản lý tài nguyên vô tuyến, điều khiển nhảy tần, chuyển giao và điều chỉnh công suất Một BSC có khả năng điều khiển nhiều BTS, hoạt động như một bộ chuyển mạch cho các tín hiệu trong mạng.
1.3.2 Phân hệ chuyển mạch SS( Switching Subsystem)
Chức năng của SS là xử lý cuộc gọi và quản lý thuê bao di động Các thành phần trong SS gồm có 5 thành phần:
1.3.2.1 MSC ( Mobile Service Switching Center)
Một số bộ điều khiển trạm gốc BSC được kết nối với một tổng đài di động MSC, có chức năng kiểm soát các cuộc gọi đến và đi từ mạng di động sang các mạng khác như mạng chuyển mạch công cộng PSTN, mạng ISDN, mạng PLMN và các mạng dữ liệu công cộng khác.
MSC là trung tâm quản lý cuộc gọi cho thuê bao di động, thực hiện việc thiết lập, định tuyến và giám sát các cuộc gọi đến và đi Ngoài ra, tất cả các tin nhắn ngắn, bao gồm SMS từ GMSC hoặc gửi từ thiết bị di động, cũng đều được xử lý qua MSC.
1.3.2.2 GMSC (Gateway Mobile Service Center)
GMSC, hay Gateway Mobile Switching Center, là tổng đài cổng trong mạng GSM, có nhiệm vụ kết nối mạng di động với các mạng khác như PSTN, ISDN và PLMN Chức năng chính của GMSC là định tuyến cuộc gọi đến thiết bị di động (MS) dựa trên vị trí được cung cấp bởi HLR, đồng thời thực hiện việc định tuyến các cuộc gọi ra ngoài mạng.
1.3.2.3 VLR (Visitor Location Register – Đăng ký vị trí tạm)
VLR là cơ sở dữ liệu tạm thời lưu trữ thông tin về các thuê bao di động MS đang hoạt động trong khu vực phục vụ của MSC Dựa trên vị trí và dữ liệu của các thuê bao trong vùng, VLR cung cấp các số chuyển vùng (Roaming) để kết nối cuộc gọi cho điện thoại di động.
1.3.2.4 HLR (Home Location Register – Đăng ký vị trí gốc)
HLR (Home Location Register) là cơ sở dữ liệu quản lý tất cả các thuê bao di động trong hệ thống, lưu trữ thông tin quan trọng như dịch vụ của thuê bao, vị trí và các tham số xác thực Mỗi khi có thuê bao mới hoặc thay đổi dịch vụ, thông tin sẽ được cập nhật trong HLR.
1.3.2.5 AUC (Authentication Center – Trung tâm nhận thực)
AUC được kết nối với HLR, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp cho HLR các tham số nhận thực và khóa mã dưới dạng các bộ ba (tripled).
Khả năng nhận thực của AUC làm tăng cường tính bảo mật cho hệ thống GSM so với các mạng điện thoại khác, vì AUC lưu trữ thông tin quan trọng như số IMSI và IMEI.
1.3.2.6 EIR (Equipment Identity Register)- Bộ ghi nhận dạng thiết bị
Bộ ghi nhận dạng thiết bị kết nối với MSC qua một đường báo hiệu, giúp MSC kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị Quan trọng là quá trình nhận thực thuê bao được thực hiện dựa trên các thông số từ AUC.
1.3.3 Phân hệ vận hành và bảo dƣỡng OMS(Operation & Maintenance
OMS là một mạng máy tính kết nối các thành phần trong hệ thống để thực hiện chức năng điều hành và bảo trì Đây là điểm duy nhất cho phép người khai thác giao tiếp với mạng di động Một hệ thống OMS bao gồm hai thành phần chính là OMC và NMC.
ĐĂNG NHẬP THIẾT BỊ VÀO MẠNG
Khi thiết bị di động tắt, nó không kết nối với mạng Khi được bật lên, thiết bị sẽ dò tìm tần số GSM để xác định kênh điều khiển Sau đó, nó đo cường độ tín hiệu từ các kênh và ghi nhận kết quả Cuối cùng, thiết bị sẽ kết nối với kênh có tín hiệu mạnh nhất.
GSM là một chuẩn chung cho phép người dùng sử dụng điện thoại GSM trên hầu hết các mạng toàn cầu Khi di chuyển, thiết bị sẽ liên tục tìm kiếm kênh để duy trì tín hiệu mạnh nhất với trạm Nếu phát hiện trạm có tín hiệu mạnh hơn, thiết bị sẽ tự động chuyển mạng và thông báo cho mạng về vị trí mới nếu trạm mới thuộc khu vực khác.
Tất cả các cuộc gọi đi và đến MS đều qua BTS, đến BSC và MSC
Hình 1.5 Các khối chức năng tham gia vào cuộc gọi
1.4.2 Nhiệm vụ của các khối chức năng
Trạm di động MS là một thuê bao cho phép truy cập các dịch vụ trong hệ thống, bao gồm đầu cuối di động MT và thiết bị đầu cuối TE Đầu cuối di động trang bị Modul thông minh để xác nhận thuê bao SIM; nếu thiếu SIM, thiết bị không thể kết nối mạng GSM, trừ các số khẩn cấp như cảnh sát hay cứu thương MS có đa dạng hình dáng, kích thước và chức năng, tùy thuộc vào nhà sản xuất và dịch vụ mạng GSM Hai chức năng chính của MS là truyền dữ liệu và truyền dẫn qua giao diện vô tuyến.
Trạm thu phát gốc BTS thực hiện chức năng thu phát vô tuyến trực tiếp đến các thuê bao di động trong tế bào quản lý qua giao diện vô tuyến Um, bao gồm phát quảng bá thông tin hệ thống và thực hiện cuộc gọi BTS được kết nối với BSC qua giao diện A-bis, sử dụng đường truyền vi ba hoặc cáp quang với tốc độ truyền dẫn khoảng 100 Mb/s Ngoài ra, BTS còn có khả năng mã hóa và giải mã tiếng nói, sửa lỗi và điều khiển công suất phát.
Trạm điều khiển gốc BSC thực hiện chức năng chuyển mạch và quản lý các kênh vô tuyến trong hệ thống BSS, đảm bảo việc truyền tải thông tin đến và đi từ thuê bao di động MS Trong suốt quá trình thiết lập cuộc gọi, BSC sẽ ấn định kênh vô tuyến và giải phóng liên kết khi cuộc gọi kết thúc BSC cũng có nhiệm vụ quản lý các trạm BTS trong phạm vi hoạt động của nó.
Trung tâm chuyển mạch di động MSC đóng vai trò quan trọng trong việc lập tuyến gọi và điều khiển cuộc gọi, đồng thời thực hiện các thủ tục cần thiết để tương tác với các mạng khác như mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN, mạng số liên kết đa dịch vụ ISDN, mạng chuyển mạch số công cộng theo mạch CSPSN, và mạng dữ liệu gói chuyển mạch PSPDN Ngoài ra, MSC còn thực hiện các quy trình chuyển điều khiển (HO) và quản lý quá trình di động của các trạm di động, bao gồm việc nhắn tin để thiết lập cuộc gọi, báo cáo vị trí mới trong quá trình di động, và thực hiện xác thực để ngăn chặn truy cập trái phép.
1.4.3 Các trường hợp cuộc gọi trong mạng GSM
Khi thực hiện cuộc gọi từ điện thoại cố định đến thiết bị di động, một điểm khác biệt quan trọng là vị trí của thiết bị di động không được xác định chính xác Do đó, trước khi kết nối, mạng cần thực hiện quy trình xác định vị trí của thiết bị di động.
Mạng điện thoại cố định Tổng đài GMSC cố định ĐT cố định
Hình 1.6 Cuộc gọi từ điện thoại cố định tới di động
Số điện thoại di động được gửi đến mạng PSTN từ điện thoại cố định Mạng sẽ phân tích và nếu nhận diện từ khóa gọi ra mạng di động, nó sẽ kết nối với trung tâm GMSC của nhà khai thác tương ứng.
GMSC phân tích số điện thoại di động để xác định vị trí đăng ký gốc trong HLR của thiết bị, đồng thời xác định cách thức kết nối đến MSC/VLR phục vụ.
HLR phân tích số điện thoại di động để xác định MSC/VLR đang phục vụ thiết bị Nếu dịch vụ chuyển tiếp cuộc gọi được đăng ký, cuộc gọi sẽ được chuyển về GMSC với số điện thoại mà người dùng yêu cầu chuyển đến.
HLR liên lạc với MSC/VLR đang phục vụ
MSC/VLR gửi thông điệp trả lời qua HLR đến GMSC
GMSC phân tích thông điệp rồi thiết lập cuộc gọi đến MSC/VLR
MSC/VLR biết địa chỉ LA của thiết bị nên gửi thông điệp đến BSC quản lý LA này
BSC phát thông điệp ra toàn bộ các ô thuộc LA
Khi nhận đƣợc thông điệp, thiết bị sẽ gửi yêu cầu ngƣợc lại
BSC cung cấp một khung thông điệp chứa thông tin
Phân tích thông điệp của BSC gửi đến để tiến hành thủ tục bật trạng thái của thiết bị lên tích cực, xác nhận, nhận diện thiết bị
MSC/VLR điều khiển BSC để thiết lập một kênh rỗi và thực hiện cuộc gọi Khi thiết bị di động chấp nhận, kết nối sẽ được thiết lập Đối với cuộc gọi từ thiết bị di động đến thiết bị di động, quá trình tương tự diễn ra, nhưng điểm giao tiếp với mạng PSTN sẽ được thay thế bằng MSC/VLR khác.
Thiết bị kiểu yêu cầu một kênh báo hiệu
BSC/TRC sẽ chỉ định kênh báo hiệu
Thiết bị gửi yêu cầu thiết lập cuộc gọi đến MSC/VLR, thực hiện đăng ký trạng thái tích cực cho thiết bị trong VLR Trong bước này, các thao tác xác thực và nhận dạng thiết bị được tiến hành, đồng thời gửi số điện thoại được gọi cho mạng và kiểm tra xem thuê bao có đăng ký dịch vụ cấm gọi hay không.
Nếu hợp lệ, MSC/VLR báo cho BSC/TRC một kênh đang rỗi
MSC/VLR chuyển tiếp số đƣợc gọi cho mạng PSTN
Nếu máy đƣợc gọi trả lời, kết nối sẽ đƣợc thiết lập
Cuộc gọi di động gọi di động:
Hình 1.7 Cuộc gọi MS tới MS
Cuộc gọi Di động gọi cố định:
Mạng điện thoại cố định
GMSC Tổng đài cố định ĐT cố định
Hình 1.8 Cuộc gọi từ di động tới điện thoại cố định
Cuộc gọi Di động gọi quốc tế:
VTI Operator Thuê bao nước ngoài
Hình 1.9 Cuộc gọi từ di động đi quốc tế
Cuộc gọi di động từ MS cho thuê bao chuyển vùng quốc tế:
MS BTS BSC MSC VTI Operator MSC BSC BTS MS
Hình1.10 Cuộc gọi từ di động cho thuê bao chuyển vùng quốc tế
CÁC DỊCH VỤ MẠNG GSM
Dịch vụ Hiển thị số chủ gọi (CLIP) Dịch vụ Dấu số (CLIR)
Call divert services allow users to redirect incoming calls to another number, ensuring they never miss important communications Call hold services enable users to pause a conversation temporarily, providing flexibility during phone calls Call wait services notify users of incoming calls while they are already engaged, allowing them to choose whether to answer or ignore Call bar services offer the ability to block specific calls, enhancing privacy and control over communications Voicemail services provide a convenient way to receive and store messages from callers when unable to answer Lastly, fax services facilitate the sending and receiving of documents electronically, streamlining communication processes.
Dịch vụ DATA Dịch vụ MMS Dịch vụ GPRS Dịch vụ chuyển vùng quốc tế Dịch vụ chuyển vùng quốc gia Dịch vụ Tin nhắn
Dịch vụ Tin nhắn quảng bá
TIN NHẮN
Dịch vụ nhắn tin ngắn SMS của Mobifone cho phép người dùng gửi tin nhắn văn bản, hình ảnh đen trắng và nhạc chuông đơn âm đến các thuê bao khác.
Hình 1.11 Dịch vụ tin nhắn ngắn SMS
Thiết bị di động kết nối vào mạng Nếu kết nối đang có sẵn, quá trình này đƣợc bỏ qua
Sau khi hoàn tất thành công quá trình xác thực, nội dung thông điệp sẽ đƣợcchuyển đến Trung Tâm Dịch Vụ Tin Nhắn (SMS-C – Short Message Service Center)
Người dùng gửi tin nhắn đến SMS-C
SMS-C gửi tin nhắn đến SMS-GMSC
SMS-GMSC truy vấn HLR về thông tin định tuyến
HLR đáp ứng truy vấn
SMS-GMSC chuyển thông điệp lại cho MSC/VLR chỉ định
Tiến hành nhắn tin tìm kiếm và kết nối thiết bị vào mạng
Nếu xác thực thành công, MSC/VLR sẽ gửi tin nhắn đến thiết bị Nếu tin nhắn được truyền nhận thành công, MSC/VLR sẽ báo cáo về SMS-C; nếu không, MSC/VLR sẽ thông báo cho HLR và gửi báo cáo lỗi về SMS-C.
CÔNG NGHỆ MẠNG 3G
3G, hay công nghệ truyền thông thế hệ thứ ba, cho phép truyền tải dữ liệu thoại và không thoại với tốc độ cao Hiện nay, các nhà mạng cung cấp dịch vụ 3G với hai mức tốc độ là 3,6Mbps và 7,2Mbps Để sử dụng dịch vụ này, người dùng cần có điện thoại di động hoặc smartphone hỗ trợ kết nối 3G, cũng như các thiết bị như USB 3G, thẻ PCMCIA 3G, hoặc router 3G để chia sẻ kết nối cho nhiều thiết bị khác nhau.
Sử dụng dải tần quy định quốc tế nhƣ sau: Đường lên: 1885-2025 MHz Đường xuống: 2110-2200 MHz
Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến:
Tích hợp các mạng thông tin vô tuyến và hữu tuyến
Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông
Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau:
Có thể hỗ trợ dịch vụ nhƣ:
Môi trường ảo Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện
Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện
Môi trường hoạt động của IMT-2000 được chia thành bốn vùng:
Vùng 1: Trong nhà, ô pico, R b 2Mbps
Vùng 2: Thành phố, ô micro R b 384kbps Vùng 3: Ngoại ô, ô macro R b 144kbps
Thế hệ 3G gồm có các kỹ thuật : W-CDMA (Wide band CDMA) kiểu
FDD và TD-CDMA (Time Division CDMA) kiểu TDD Mục tiêu của IMT-
Vào năm 2001-2002, dịch vụ 2000 đã ra mắt, cho phép các thuê bao kết nối và sử dụng các dịch vụ đa truyền thông trên toàn cầu Tốc độ lưu lượng bit bắt đầu từ 144Kbit/s cho vùng rộng và có thể đạt tới 2Mbps trong khu vực địa phương.
Hình 1.12 Các thế hệ của hệ thống thông tin di động
TRẠM BTS - THIẾT KẾ XÂY DỰNG MỘT TRẠM BTS CỦA MOBIFONE TẠI THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG
KHÁI NIỆM VỀ BTS (BASE TRANSCEIVER STATION)
BTS là thiết bị phát và thu tín hiệu vô tuyến cho các máy di động, giao tiếp với các MS qua giao diện vô tuyến Um Nó kết nối với bộ điều khiển trạm góc BSC thông qua giao diện Abis.
BTS, viết tắt của Base Transceiver Station, là trạm thu phát sóng di động được sử dụng trong truyền thông thiết bị di động bởi các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông Các BTS thường được lắp đặt tại những vị trí chiến lược để tối ưu hóa hiệu quả thu phát sóng, đảm bảo vùng phủ sóng rộng và giảm thiểu các điểm mù giữa các trạm.
BTS thực hiện các chức năng thu phát liên quan đến giao diện vô tuyến GSM và xử lý tín hiệu Nó có thể được xem như một modem vô tuyến phức tạp, nhận tín hiệu vô tuyến từ MS và chuyển đổi thành dữ liệu để truyền đến các thiết bị khác trong mạng GSM Đồng thời, BTS cũng nhận dữ liệu từ mạng GSM và biến đổi thành tín hiệu vô tuyến để phát đi.
Các trạm phát sóng (BTS) xác định vùng phủ sóng của tế bào, với vị trí của chúng ảnh hưởng đến dung lượng và phạm vi của mạng Tuy nhiên, BTS chỉ đóng vai trò phụ trong việc phân phối tài nguyên vô tuyến cho các trạm di động (MS) khác nhau.
BTS là một phần quan trọng trong hạ tầng viễn thông, cho phép truyền thông tin liên lạc không dây giữa các thiết bị thuê bao như điện thoại di động và thiết bị internet với nhà điều hành mạng.
CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ THỐNG BTS
2.2 CẤU TRệC CHUNG CỦA HỆ THỐNG BTS
2.2.1 Cấu trúc các khối chức năng của BTS ALCATE
Hình 2.1 Cấu trúc các khối chức năng của BTS ALCATE
2.2.2 Các khối chức năng chính của hệ thống BTS
SUMA: Là khối trung tâm của một BTS, một BTS chỉ có một SUMA bất kể số sector và TRX là bao nhiêu
TRE: Gồm có TREA và TRED
ANC: Phân phối tín hiệu nhận đƣợc từ mỗi antenna đến 4 máy thu – phát
Chức năng của khối SUMA
Quản lý link truyền dẫn Abis (lên đến 2 giao diện Abis)
Tạo xung đồng hồ cho tất cả các modul BTS
Thực hiện chức năng vận hành và bảo dƣỡng cho BTS
Quản lý ghép các dữ liệu TCH, RSL, OML, QMUX
Điều khiển chức năng AC/DC khi chúng đƣợc tích hợp bên trong BTS
Điều khiển nguồn (dung lƣợng, điện áp, nhiệt độ)
Thiết lập điện áp và dòng cho việc nạp pin
Hình 2.2 Kiến trúc khối SUMA
Hình 2.3 Kiến trúc khối TRE
Hệ thống TRED chịu trách nhiệm về phần số của TRE:
Xử lý điều khiển và báo hiệu, nó chịu trách nhiệm quản lý các chức năngO&M của TRE
Ghép kênh, nhảy tần, mật mã và giải mật mã
Mã hóa và phát (ENCT)
Điều khiển và biến đổi cao tần phần phát (TXRFCC)
Đồng bộ phần phát (TXSYN)
Biến đổi trung tần phần thu (RXIF)
Đồng bộ phần thu (RXSYN)
Giải điều chế trung tần (ISD)
TRE PA board bao gồm bộ khuếch đại công suất, nó đảm nhiệm khuếch đại công suất tín hiệu cao tần bởi TXRFCC
TREP: Cung cấp nguồn cho TRE (DC/DC)
ANC kết nối 4 máy thu – phát đến 2 antenna
Modul này bao gồm 2 cấu trúc giống nhau, mỗi cấu trúc bao gồm:
Antenna: nó có chức năng là phát sóng ra môi trường vô tuyến và thu sóng từ máy di động phát đến
Filter: lọc bỏ tín hiệu không cần thiết
Một khối duplexer: dùng để kết hợp hai hướng phát và thu một antenna
Một khối LNA: khối này có chức năng khuếch đại tín hiệu mà antenna thu đƣợc lên mức đủ lớn để cho TRE có thể xử lý đƣợc
Hai khối Spliter: khối này có chức năng tách tín hiệu thu của TRE
WBC: (Wide band combiner) bộ này có chức năng kết hợp hai đường phát lại với nhau để đi trên cùng một đường đến bộ duplexer
Hình 2.4 Kiến trúc khối ANC
THIẾT KẾ XÂY DỰNG MỘT TRẠM BTS CỦA MOBIFONE TẠI THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG
2.3.1 Các yếu tố cần quan tâm trước khi đi vào tính toán Để đƣa vào lắp đặt một hệ thống bao giờ cũng phải có những kế hoạch, những dự án về kỹ thuật, những dự trù về kinh tế Trong thiết kế mạng di động số các vấn đề đó cũng đƣợc xem xét kỹ lƣỡng Với khả năng sử dụng, khả năng về đồng vốn mà vùng phủ sóng có thể rộng khắp hoặc chỉ đáp ứng được một số trường hợp nào đó, tuy nhiên trường hợp mở rộng là lớn Điều đó đòi hỏi phải quy hoạch mạng Các bước thực hiện như sau:
Sự phân bố địa lý của vùng phủ sóng
Chất lƣợng phục vụ cho thuê bao
Thêm vào đó còn có một số yêu cầu cần thiết nhƣ:
Khả năng phát triển hệ thống
Dự đoán yêu cầu về lưu lượng là rất quan trọng, bao gồm việc xác định số lượng thuê bao có thể có và cách phân chia lưu lượng Để thực hiện điều này, cần sử dụng các số liệu đã được mô tả một cách chi tiết và chính xác.
Phân bố dân cƣ Các trung tâm buôn bán hay tài chính quan trọng Mức thu nhập của người dân
Thống kê số lƣợng điện thoại cố định Tương ứng với các mức cước thuê bao, các cuộc gọi
Tính toán sơ bộ để xây dựng cấu hình cho trạm BTS sử dụng thiết bị Alcatel tại phường Đông Khê - quận Ngô Quyền – Hải Phòng
2.3.2.1 Các thông số khảo sát
Phân bố địa lý: Vùng đồng bằng, không có đồi núi, nằm độc lập
Tổng diện tích khoảng 1,78 Km 2
Ước tính trong phường có khoảng 10000 máy di động Do đó ta cần xây dựng nên trạm BTS để phục vụ cho 10000 thuê bao di động
Số cuộc gọi trung bình của một thuê bao trong vòng một giờ là 1
Chất lƣợng phục vụ cho thuê bao GOS là: 2%
Lưu lượng của một thuê bao được tính theo công thức sau:
A = (n*t)/T = (1*120)/3600 = 0.033 Erl n: Số cuộc gọi trong một giờ của thuê bao
T: Thời gian trung bình của cuộc gọi
A: Lưu lượng mang 1 thuê bao – Đơn vị tính là Erlang Theo giá trị thống kê điển hình n và T nhận giá trị sau: n = 1: Trung bình một người 1 cuộc trong 1 giờ
T = 120s: Thời gian trung bình của cuộc gọi là 120s
Hình 2.5 Phường Đông Khê - Ảnh chụp từ vệ tinh
Để phục vụ 10.000 thuê bao, cần 330 Erlang, từ đó tính toán số kênh yêu cầu trong mạng tổ ong Mỗi thuê bao chiếm 33% thời gian của một kênh TCH, và với lưu lượng 33m Erlang, sẽ chiếm khoảng 100% thời gian của một kênh TCH, dẫn đến tình trạng tắc nghẽn không thể chấp nhận Để giảm tắc nghẽn, cần tăng số kênh dựa trên tổng lưu lượng và mức độ tắc nghẽn có thể chấp nhận, thường từ 2-5% Với GOS = 2%, vùng phục vụ 10.000 thuê bao với lưu lượng 330 Erlang cần tổng cộng 123 kênh TCH Vùng phục vụ được chia thành 3 Cell, từ đó có thể lập kế hoạch cho việc lắp đặt các trạm gốc BTS.
Cell Lýu lýợng % Erlang Số kênh
Như vậy, tại Đông Khê ta cần lắp đặt một trạm BTS với 3 hướng khác nhau theo phân bố 3 vùng dân cƣ
Góc phương vị của các trạm cell rất quan trọng và phụ thuộc vào vị trí dân cư cũng như vị trí đặt trạm Ví dụ, các vị trí cell có thể là: Cell1 (HGNB041) ở 30 độ, Cell2 ở 150 độ và Cell3 ở 270 độ Để đảm bảo hiệu quả hoạt động, góc phương vị giữa các cell cần cách nhau ít nhất 60 độ.
Hình 2.6 Giả thiết các vùng Cell
Góc ngẩng (tilt) có thể được xác định thông qua công thức Half Power, tuy nhiên, việc tính toán này khá phức tạp và phụ thuộc vào độ cao của anten, không hoàn toàn liên quan đến yêu cầu của bài toán Thông thường, góc ngẩng được thiết lập trong khoảng từ 2 đến 4 độ.
Có hai trường hợp xảy ra khi tính TRX:
HalfRate: 1TRX sẽ có 8 TimeSlot FullRate hoặc 16 TS HR BCCH và SDCCH phải đƣợc cấu hình là FR, nhƣ vậy nếu 1 cell có 1 TRX thì số kênh
RF còn lại là 6, tương đương 12 TS Nếu cấu hình 2, thường TRX thứ 2 sẽ được cấu hình 1TS cho SDCCH, như vậy còn 7 kênh FR, tương đương 14 kênh HR
Vậy với 1 cell có 41 kênh lưu lượng thì sẽ cần 41/14 ~= 3TRX
Trường hợp chạy FullRate: Mỗi cell 41 kênh lưu lượng cần 6TRX Do
Một trạm BTS sử dụng luồng ABIS có 32 Time Slot, với cấu hình tối đa là 4/4/4 (không tính trường hợp đấu ABIS2) Để tối ưu hóa, nên lắp đặt 2 trạm với cấu hình 3/3/3 Những tính toán này chỉ tập trung vào việc xây dựng cấu hình cho trạm BTS nhằm phục vụ tốt lưu lượng khảo sát đã đề ra.
QUY TRÌNH LẮP ĐẶT MỘT TRẠM BTS
CÁC QUY TRÌNH LẮP ĐẶT
3.1.1 Chuẩn bị một số điều kiện cơ bản trước khi lắp đặt thiết bị
3.1.1.1 Hệ thống chống sét và nối đất
Chống sét và nối đất ở bên ngoài phòng thiết bị:
Tại nhiều trạm, khi chiều dài phần phi đơ từ chân cột đến thanh đồng tiếp đất trước lỗ cáp nhập trạm nhỏ hơn 5m, chỉ cần sử dụng hai sợi cáp nối đất.
Dùng 1 dây nối đất chống sét nối vào kim chống sét trên đỉnh cột anten và nối trực tiếp xuống cọc đất Phần dây chống sét cho cột anten cần đi thẳng và cố định vào thân cột, cách li với dây nói đất chống sét cho phi đơ, sao cho có sét đánh, sét sẽ thoát xuống đất nhanh nhất
Dây nối đất thứ 2 là thiết bị quan trọng để nối đất chống sét cho phi đơ và dây cáp tín hiệu của viba Từ anten GSM trở xuống, việc tiếp đất cho phi đơ cần sử dụng thanh đồng tiếp đất tại ít nhất 03 điểm để đảm bảo an toàn và hiệu quả.
Để đảm bảo dây tiếp đất cho phi đơ đi thẳng, cần đặt thanh đồng tiếp đất ở vị trí phù hợp, cách điểm nối giữa dây nhảy và phi đơ khoảng 0,3m đến 0,6m.
Điểm thứ hai được xác định tại vị trí cách chỗ uốn cong ở chân cột khoảng 0,3m Các sợi dây nối đất cho phi đơ cần được kết nối với thanh đồng tiếp đất theo hướng thẳng từ trên xuống, nhằm hạn chế uốn cong ở mức thấp nhất.
Điểm thứ 3 tại vị trí trước lỗ cáp đi vào phòng máy Thanh đồng tiếp đất lắp ở dưới lỗ cáp khoảng 20cm
Ba thanh đồng tiếp đất chống sét cho phi đơ được kết nối với bảng đồng tiếp đất tại vị trí trước lỗ cáp nhập trạm và sau đó nối xuống cọc đất.
Các thanh đồng tiếp đất cho phi đơ (phần bên ngoài phòng thiết bị) lắp dọc theo thang cáp và cách điện với cột (xem hình 3.1)
Khi chiều dài phần phi đơ từ chân cột đến thanh đồng tiếp đất trước lỗ cáp nhập trạm lớn hơn 5m, cần sử dụng thêm một dây nối đất Dây này sẽ được kết nối trực tiếp từ thanh đồng tiếp đất trước khi cáp uốn cong ở chân cột xuống cọc đất.
Trong trường hợp các trạm BTS sử dụng nhiều cột nhỏ thay vì một cột chung cho các anten, việc nối đất cần được thực hiện theo nguyên tắc đảm bảo rằng khi có sét đánh, sét sẽ thoát xuống đất nhanh chóng và hiệu quả nhất.
Nối đất trong phòng thiết bị:
Sử dụng một dây nối đất từ bảng đất chung trong phòng thiết bị để kết nối trực tiếp xuống cọc đất, đồng thời cách ly với hệ thống chống sét bên ngoài phòng thiết bị.
Tủ điện AC và ổn áp nối đất bằng một đường riêng Tủ cắt lọc sét đùng một đường nối đất riêng
Vị trí của thanh đồng nối đất chung cho phòng thiết bị có thể được lắp đặt dưới lỗ cáp nhập trạm hoặc dưới chân tường, tùy thuộc vào điều kiện cụ thể của từng trạm.
Trong trường hợp cáp đi trên cột 98%
CDR ( call dropped rate): CDR < 1%
Tỷ lệ nghẽn SDCCH: SDCCH = 0%
Tỷ lệ nghẽn TCH: TCH = 0%
Các thông số thiết kế:
3.2.2 Các thiết bị hỗ trợ cho nhà trạm
Hình 3.16 Các thiết bị hỗ trợ nhà trạm
Máy điều hoà không khí
Bình điện, ắc qui Đèn an ninh
3.2.3 CÁC THAM SỐ CẦN KIỂM TRA TRONG QUÁ TRÌNH LẮP ĐẶT TRẠM BTS
3.2.3.1 Hệ thống đất Đo điện trở của bảng đất chung < 2 Ω
Từ hệ thống đất đến bảng đất chung ≥50 mm2
Từ bảng đất chung đến các bảng đất phụ ≥16 mm2
3.2.3.2 Kiểm tra phần lắp đặt và đi dây
Kiểm tra tủ BTS và tủ nguồn
Rack đƣợc cố định đúng với vị trí thiết kế
Tủ phải đảm bảo cân bằng, vững chắc
Tủ không đƣợc tróc sơn, không bị méo mó
Cửa đóng kín và dễ dàng đóng mở
Dán nhãn: dán nhãn cho các loại cáp, dây nhảy, tủ BTS
3.2.3.3 Kiểm tra cấu hình phần cứng của tủ BTS theo đúng thiết kế
Số lƣợng các TRX, ANC
Vị trí của card trên tủ
Kích cỡ dây nguồn vào tủ điện AC: 2x16mm2
Kích cỡ dây nguồn đến tủ BTS: 5x6mm2
Nguồn DC: Điện áp ra của tủ nguồn DC 42 – 58 (V)
Kiểm tra điện áp của các bộ ắc quy: phải đảm bảo ≥ 48V
Kiểm tra điện áp giữa các cực dương (0V) với dây đất (PE) ≈ 0V
Bảng 3d Tham số hệ thống nguồn
Nominalvoltage(input) Max current(output) Outputcurrent
3.2.3.5 Hệ thống cảnh báo ngoài
Vị trí đấu nối cáp cảnh báo trên BTS đã đúng hay chƣa
Hoạt động của các hệ thống cảnh báo ngoài
Hệ thống báo cháy tự động
Hệ thống cảnh báo mở cửa
Tiếp đất cho feeder theo đúng quy định
Dây feeder cho anten trong cùng một sector phải đi cạnh nhau
Chiều dài của dây nhảy cho cùng một sector phải có chiều dài bằng nhau Bán kính cong cho phép đối với feeder: 36cm
Suy hao cho phép < 3Db
Góc phương vị: Kiểm tra đúng theo thiết kế vô tuyến
Góc ngẩng: Kiểm tra đúng theo thiết kế vô tuyến