Hệ thống thông tin di động Lời nói đầu Sự phát triển hạ tầng sở yếu tố quan trọng thúc đẩy kinh tế phát triển góp phần nâng cao đời sống xà hội ngời, thừa kế thành tựu ngành công nghiệp điện tử, bán dẫn, quang học, tin học công nghệ thông tin công nghiệp viễn thông có thông tin di động đà có bớc tiến nhảy vọt kỳ diệu đa xà hội loài ngời bớc sang kỷ nguyên mới: Kỷ nguyên thông tin Ngành công nghiệp thông tin liên lạc đợc coi ngành công nghiệp trí tuệ ngành công nghiệp tơng lai, tảng để tăng cờng sức m¹nh cđa mét qc gia cịng nh c¹nh tranh công nghiệp Ngành công nghiệp phải đợc phát triển trớc bớc so với ngành công nghiệp khác, phát triển ngành khác dựa sở thông tin liên lạc, ngành mà không đơn giản phục vụ nh phơng tiện liên lạc mà đóng vai trò nh nguồn vèn cho x· héi tiÕn bé Díi sù híng dÉn, quan tâm nhiệt tình thầy giáo Đinh Hữu Thanh, em đà hiểu thêm đợc nhiều điều lĩnh vực thông tin liên lạc nh việc áp dụng công nghệ vào viễn thông Trong khuôn khổ viết nh hạn chế kiến thức không tránh khỏi thiếu sót nh lầm lẫn, em mong muốn nhận đợc ý kiến đóng góp thêm để hoàn thiện kiến thức Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy đà giúp đỡ em hoàn thành đợt tốt nghiệp Hệ thống thông tin di động Mục lục Tt Trang Lời nói đầu Chơng Tổng quan thông tin di động cellular 1.1 Giới thiệu chung6 1.1.1 Lịch sử phát triển thông tin di ®éng…………………… 1.1.2 Tỉng quan vỊ hƯ thèng ®iƯn tho¹i di ®éng tỉ ong……………8 1.1.2.1 Tỉng quan ………………………………………………… 1.1.2.2 Sù ph¸t triĨn cđa hƯ thèng tỉ ong………………………… 1.1.2.3 Các phơng pháp truy cập mạng di động tổ ong…… 1.2 C¸c thuéc tÝnh CDMA 12 1.2.1 Đa dạng phân tËp ……………………………………………… 12 1.2.1.1 Ph©n tËp theo thêi gian…………………………………… 13 1.2.1.2 Phân tập tần số 13 1.2.1.3 Phân tập không gian 13 1.2.2 Điều khiển tự động công suất14 1.2.3 Công suất phát thấp 14 1.2.4 Bộ giải mà thoại tốc độ biến thiên15 1.2.5 Bảo mật gọi15 1.2.6 Chuyển giao mềm.16 1.2.7 Dung lợng mềm17 1.2.8 Tách tín hiệu thoại17 1.2.9 Tái sử dụng tần số vùng phủ sóng17 1.2.10 Giá trị Eb/N thấp, có tính chống lỗi cao18 1.2.11 Dịch vụ chất lợng cao.19 Hệ thống thông tin di động CHƯƠNG II Các kỹ thuật CDMA 2.1 Kü tht tr¶i phỉ…………………………………………………20 2.1.1 Tr¶i phỉ dÃy trực tiếp20 2.1.1.1 Các đặc tính trải phổ trực tiếp 21 2.1.1.2 Ưu nhợc điểm DS-CDMA.22 2.1.2 Hệ thống dịch tần (FH).22 2.1.2.1 Nhảy tần nhanh 25 2.1.2.2 Nhảy chậm.26 2.1.2.3 Hệ thống giải điều tần 26 2.1.2.3 2.2 chế tần nhảy Đặc tính tín hiệu dịch tần 27 Sử dụng dÃy mà nhiên.29 giả tạp âm ngẫu 2.3 Điều khiển công suất CDMA32 2.3.1 Điều kiển công suất tuyến lên.32 2.3.2 Điều khiển công suất tuyến xuống35 2.4 Nguyên lý thu tín hiệu đa luồng (máy thu RAKE).36 Chơng kiến trúc phân tầng hệ thống thông tin di động tế bào cdma 3.1 Cấu trúc chung - So sánh với mô hình mạng OSI … 38 3.2 Líp vËt lý……………………………………………………………39 3.2.1 ThiÕt lËp kênh 39 Hệ thống thông tin di động 3.2.1.1 Các kênh CDMA tuyến xuống40 3.2.1.2 Các kênh CDMA hớng lên (Reverse channel).54 Lớp mạng lớp tuyến liệu . 68 3.3 3.3.1.Kênh CDMA tuyến xuống68 3.3.1.1 Kênh đồng 68 3.3.1.2 Kênh nhắn tin.69 3.3.1.3 Kênh lu lợng70 3.3.2 Các kênh CDMA tuyến lên71 3.3.2.1 Kênh truy nhập71 3.3.2.2 Kênh lu lợng.71 3.4 Quá trình xử lý gọi.71 3.4.1 Quá trình đăng ký.71 3.4.2 Quá trình thiết lËp mét cuéc gäi tõ MS…………………… 74 3.4.3 Cuéc gäi tới MS.76 3.4.4 Xoá gọi77 3.4.5 Lu động78 3.4.6 Chuyển vùng 79 Chơng CấU TRúC CHUNG dung lợng CủA MạNG CDMA 4.1 Cấu hình chung mạng thông tin di động tế CDMA.85 bào 4.1.1 Các thành phần mạng gồm phần 86 4.1.1.1 MS (máy di động)87 4.1.1.2 MSC (Trung tâm chuyển mạch di động) 88 4.1.1.3 VLR ( Bộ đăng ký định vị thờng trú) 90 4.1.1.4 BSC (Bộ điều khiển trạm gốc)91 4.1.1.5 BTS (Trạm thu phát gốc) 91 Hệ thống thông tin di động 4.1.1.6 BSM (Bộ quản lý trạm gốc)92 4.1.1.7 PDSN (Mạng dịch vụ liệu dạng gói)92 4.1.1.8 HA (Home Agent)…………………………………………… 93 4.1.1.9 AAA (NhËn thøc, Cho phép hỗ trợ tính cớc)93 4.1.1.10 HLR (thanh ghi định vị thờng trú)93 4.1.1.11 AuC (Trung tâm nhận thực)94 4.1.1.12 SMSC (Trung tâm dịch vụ tin ngắn)94 4.1.1.13 OMC (Trung tâm vận hành bảo dỡng).95 4.1.1.14 VMS (Hệ thèng th tho¹i)……………………………………95 4.1.1.15 FMS (HƯ thèng th fax)…………………………………… 96 4.1.1.16 IWF (Chức liên kết làm việc).96 4.1.1.17 CAN (Mạng ATM trung tâm) 96 4.1.1.18 SCP (Bộ xử lý điều khiển dịch vụ) 97 4.1.1.19 SMS (Hệ thống quản lý dịch vụ).97 4.1.1.20 IP (Mạng ngoại vi thông minh) 97 4.1.1.21 MT (Thiết bị đầu cuối thuê bao).97 4.1.2 Kết nối gữa thành phần.98 4.1.2.1.Giao tiếp MSC BTS98 4.1.2.2 Giao tiếp MSC HLR98 4.1.2.3 Giao tiếp MSC 99 4.1.2.4 Giao tiếp MSC PSTN99 4.1.2.5 Giao tiếp MSC/BSC/BTS OMC 99 4.1.2.6 Giao tiếp MSC VMS/FMS99 4.2 Dung lợng hệ thống CDMA 99 Các từ viết tắt .102 Hệ thống thông tin di động Hệ thống thông tin di động Chơng TổNG QUAN Về THÔNG TIN DI Động cellular 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Lịch sử phát triển thông tin di động Vô tuyến di động đà đợc sử dụng gần 78 năm Mặc dù khái niệm tổ ong, kỹ thuật trải phổ, điều chế số công nghệ vô tuyến đại khác đà đợc biết đến 50 trớc đây, dịch vụ điện thoại di động mÃi đến đầu năm 1960 xuất dạng sử dụng đợc sửa đổi thích ứng hệ thống điều vận Các hệ thống điện thoại di động tiện lợi dung lợng thấp so với c¸c hƯ thèng hiƯn ci cïng c¸c hƯ thèng điện thoại tổ ong điều tần song công sử dụng kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo tần số (FDMA) đà xuất vào năm 1980 Cuối năm 1980 ngời ta nhận thấy hệ thống tổ ong tơng tự đáp ứng đợc nhu cầu ngày tăng vào kỷ sau nh không loại bỏ đợc hạn chế cố hữu hệ thống (1) Phân bổ tần số hạn chế, dung lợng thấp (2) Tiếng ồn khó chịu nhiễu xẩy máy di động chuyển dịch môi trờng pha đinh đa tia (3) không đáp ứng đợc dịch vụ hấp dẫn khách hàng (4) Không cho phép giảm đáng kể giá thành thiết bị di động sở hạ tầng (5) Không đảm bảo tính bí mật gọi (6) Không tơng thích hệ thống khác nhau, đặc biệt Châu Âu, làm cho thuê bao sử dụng đợc máy di động nớc khác Giải pháp để loại bỏ hạn chế phải chuyển sang sư dơng kü tht th«ng tin sè cho th«ng tin di động với kỹ thuật đa thâm nhập Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo thời gian (TDMA) giới đợc đời Châu Âu có tên gọi GSM GSM đợc phát triển từ năm 1982 nớc Bắc Âu gửi đề nghị đến CEPT để quy định dịch vụ viễn thông chung châu Âu băng tần 900 MHz Năm 1985 hệ thống số đợc định Tháng năm 1986 giải pháp TDMA băng hẹp đà đợc lùa chän ë ViƯt Nam hƯ thèng th«ng tin di động số GSM đợc đa vào từ năm 1993 Hệ thống thông tin di động Mỹ hệ thống AMPS tơng tự sử dụng phơng thức FDMA đợc triển khai vào năm 1980, vấn đề dung lợng đà phát sinh thị trờng di ®éng chÝnh nh: New York, Los Angeles vµ Chicago Mü đà có chiến lợc nâng cấp hệ thống thành hệ thống số: chuyển tới hệ thống TDMA đợc ký hiệu IS - 54 Việc khảo sát khách hàng cho thấy chất lợng AMPS tốt Rất nhiều hÃng Mỹ lạnh nhạt với TDMA, AT &T hÃng lớn sử dụng TDMA HÃng đà phát triển phiên mới: IS -136, đợc gọi AMPS số (D-AMPS) Nhng không giống nh IS - 54, GSM đà đạt đợc thành công Mỹ Các nhà nghiên cứu Mỹ tìm hệ thống thông tin di động số công nghệ đa thâm nhập phân chia theo mà (CDMA) Công nghệ sử dụng kỹ thuật trải phổ trớc đà có ứng dụng chủ yếu quân Đợc thành lập vào năm 1985, Qualcom đà phát phiển công nghệ CDMA cho thông tin di động đà nhận đợc nhiều phát minh lĩnh vực Đến công nghệ đà trở thành công nghệ thống trị Bắc Mỹ, Qualcom đà đa phiên CDMA đợc gọi IS - 95 A Các mạng CDMA thơng mại đà đợc đa vào khai thác Hàn Quốc Hồng Kông CDMA đà đợc mua đa vào thử nghiệm Argentina, Brasil, Chile, Trung Quèc, Germany, Irael, Peru, Philippins, Thailand vµ Nhật Tổng công ty Bu Viễn thông Việt Nam đà có kế hoạch thử nghiệm CDMA Nhật vào năm 1993 NTT đa tiêu chuẩn thông tin di động số nớc nµy: JPD (Japannish personal Digital Cellular System) Song song víi phát triển hệ thống thông tin di động tổ ong nói trên, hệ thống thông tin di động hạn chế cho mạng nội hạt sử dụng máy cầm tay không dây số đợc nghiên cứu phát triển Hai hệ thống điển hình cho loại thông tin là: DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication) Châu ¢u vµ PHS (Personal Handy Phone System) cđa NhËt cịng đà đợc đa vào thơng mại Ngoài hệ thống thông tin di động mặt đất, hệ thống thôg tin di động vệ tinh: Global Star Iridium đợc đa vào thơng mại năm 1998 Hiện để đáp ứng nhu cầu ngày tăng khách hàng viễn thông dịch vụ viễn thông hệ thống thông tin di động tiến tíi thÕ hƯ thø ba HiƯn cã hai tiªu chuẩn đà đợc chấp thuận cho IMT-2000 là: W-CDMA CDMA2000 W-CDMA đợc phát triển lên từ GSM hệ cdma2000 đợc phát triển lên từ IS-95 hệ 2, hệ hệ thống thông Hệ thống thông tin di động tin di động có xu hoà nhập thành tiêu chuẩn có khả phục vụ tốc độ bit lên đến Mbit/s Để phân biệt với hệ thống thông tin di động băng hẹp hệ thống thông tin di động hệ thứ ba đợc gọi hệ thống thông tin di động băng rộng 1.1.2 Tổng quan hệ thống điện thoại di động tổ ong 1.1.2.1 Tổng quan Hệ thống điện thoại di động tổ ong đợc chia thành nhiều vùng phục vụ nhỏ, gọi ô, ô có trạm gốc phụ trách đợc điều khiển tổng đài cho thuê bao trì đợc gọi cách liên tục di chuyển ô Hình dới đa mạng điện thoại di động tổ ong bao gồm tr¹m gèc (BS) Mét vïng phơc vơ cđa mét BS đợc gọi ô nhiều ô đợc kết hợp lại thành vùng phục vụ hệ thống Trong hệ thống điện thoại di động tổ ong tần số mà máy di động sử dụng không cố định kênh mà kênh đàm thoại đợc xác định nhờ kênh báo hiệu máy di động đợc đồng tần số cách tự động Vì ô kề nên sử dụng tần số khác nhau, ô cách xa khoảng cách định để tái sử dụng tần số Để cho phép máy di động trì gọi liên tục di chuyển ô tổng đài điều khiển kênh báo hiệu kênh lu lợng theo di chuyển máy di động để chuyển đổi tần số máy di động thành tần số thích hợp cách tự động Hiệu sử dụng tần số hệ thống điện thoại di động tăng lên kênh RF BS kề đợc định vị cách có hiệu nhờ việc tái sử dụng tần số dung lợng thuê bao đợc phục vụ tăng lên Hệ thống thông tin di động Hình 1.1: Hệ thống điện thoại di động 1.1.2.2 Sù ph¸t triĨn cđa hƯ thèng tỉ ong HƯ thống điện thoại di động thơng mại đợc đa vào áp dụng sử dụng băng tần 150 MHz Saint Louis - Mỹ vào năm 1946 với khoảng cách kênh 60 KHz số lợng kênh bị hạn chế đến Đó hệ thống bán song công mà ngời đàm thoại bên nói đợc ngời đàm thoại bên nói việc kết nối nhân công nhờ điện thoại viên Sau đó, nhờ số cải tiến mà hệ thống IMTS MJ bao gồm 11 kênh băng tần 150 MHz hệ thống ITMS MK bao gồm 12 kênh băng tần 450 MHz đà đợc sử dụng vào năm 1969 Đó hệ thống song công BS phục vụ cho mét vïng b¸n kÝnh réng tíi 80 Km 1.1.2.3 Các phơng pháp truy cập mạng di động tổ ong a Nguyên tắc chung Để làm tăng dung lợng dải vô tuyến dùng lĩnh vực ®ã, vµ cã thĨ cho phÐp nhiỊu ngêi cïng khai thác chung tài nguyên thời điểm, chẳng hạn nh thông tin di động ngời ta phải sử dụng kỹ thuật đa truy nhập Hiện có ba hình thức đa truy nhập khác là: Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access) Đa truy nhập phân chia theo thêi gian TDMA (Time Division Multiple Access) §a truy nhËp ph©n chia theo m· CDMA (Code Division Multiple Access) Liên quan đến việc ghép kênh dải thông mà kênh mạch chiếm băng tần Trong hệ thống ghép kênh sử dụng khái niệm đa truy nhập, điều có nghĩa kênh vô tuyến đợc nhiều thuê bao dùng chung khách hàng đợc gán cho tần số riêng b Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA Đây phơng pháp đa truy nhập mà trạm gốc sử dụng băng tần khác cho thuê bao di động khác Mỗi băng tần có khoảng bảo vệ thích hợp nhằm tránh chồng lấn (có nghĩa ngời sử dụng sóng mang khác để truy nhập hệ thống thời điểm) Trong hệ thống vấn đề phân chia tần số khống chế công suất tránh can nhiễu đợc đặt lên hàng đầu Các vấn đề điều khiển đồng toàn hệ thống không quan trọng