Nghiên cứu về dung lượng kênh truyền trong mạng GSM

CẤU TRÚC ĐỊA LÝ CỦA MẠNGMọi mạng điện thoại cần một cấu trúc nhất định để định tuyến các cuộc gọi đến tổng đài cần thiết và cuối cùng đến thuê bao bị gọi.. Phân hệ chuyển mạch SS Phân hệ

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI MỞ ĐẦU 2

Chương I 4

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 4

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MẠNG GSM 4

1.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 5

1.3 CẤU TRÚC ĐỊA LÝ CỦA MẠNG 6

1.3.1 Vùng phục vụ GSM 6

1.3.2 Vùng phục vụ PLMN 6

1.3.3 Vùng phục vụ MSC 6

1.3.4 Vùng định vị LA 7

1.3.4 Cell ( tế bào hay ô) 7

1.4 CÁC THÀNH PHẦN CỦA MẠNG 8

1.4.1 Trạm di động MS 9

1.4.2 Phân hệ trạm gốc BSS 10

1.4.3 Phân hệ chuyển mạch SS 11

1.4.4 Phân hệ khai thác và hỗ trợ OSS 15

1.5 GIAO DIỆN VÔ TUYẾN 16

1.5.1 Các kênh vật lý 16

1.5.2 Kênh logic 20

1.6 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI CHẤT LƯỢNG MẠNG GSM 22

1.6.1 Tổn hao đường truyền sóng vô tuyến 22

1.6.2 Pha đing 23

1.6.3 Ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh và nhiễu kênh lân cận 28

Chương II 31

DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 31

2.1 KHÁI NIỆM VỀ DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 31

2.2 DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 36

Chương III 39

ĐI SÂU BIỆN PHÁP TĂNG DUNG LƯỢNG KÊNH 39

3.1 TÁI SỬ DỤNG TẦN SỐ 39

3.1.1 Các khái niệm 40

3.1.2 Tái sử dụng tần số 48

3.2 PHƯƠNG PHÁP THÍCH NGHI TỐC ĐỘ TỐI ƯU VỚI CÔNG SUẤT PHÁT KHÔNG ĐỔI 54

3.2.1 Gới thiệu kênh AWGN 54

3.2.2 Phương pháp thích nghi tốc độ tối ưu với công suất phát không đổi 55

3.2.3 Kết quả và so sánh .59

KẾT LUẬN 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

PHỤ LỤC 77

CÁC TỪ VIẾT TẮT 77

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, lĩnh vực thông tin di động trên thế gới cũng như trong nước đã có những bước tiến vượt bậc cả về số lượng cũng như chất lượng Điện thoại di động đã và đang trở thành phương tiện thông tin liên lạc không thể thiếu đối với mỗi cá nhân Số lượng thuê bao đi động tăng một cách chóng mặt, theo đánh giá ITU thế gới sẽ đạt 4 tỷ thuê bao di động vào cuối năm 2008

Bên cạnh đó là nguồn lợi khổng lồ mà nó đem lại cho các nhà khai thác viễn thông Để đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng cũng như sự cạnh tranh giữa những nhà khai thác mạng họ luôn tìm mọi biện pháp nhằm phục vụ tốt nhất Và một trong những yêu cầu đó là làm sao có thể phục vụ số lượng thuê bao lớn cũng như tránh tác nghẽn mạng trong những giờ cao điểm, chính vì lý do đó mà người ta luôn tìm mọi cách để tăng dung lượng kênh

Từ yêu cầu tăng dung lượng kênh và trên cơ sở những kiến thức tích lũy trong những năm học tập chuyên ngành Điện tử - Viễn thông tại trường Đại học hàng hải Việt Nam cùng với sự hướng dẫn của thầy giáo Tiến Sĩ Phạm Văn Phước, em đã

tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu về dung lượng kênh truyền trong mạng GSM Đi sâu biện pháp tăng dung lượng kênh”.

Bố cục của đề tài gồm các phần sau:

Chương I: Hệ thống thống thông tin di động

Chương II: Dung lượng kênh truyền

Chương III: Đi sâu biện pháp tăng dung lượng kênh

Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giáo trong khoa Điện – Điện tử tàu biển, đặc biệt là TS Phạm Văn Phước đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo em trong quá trình làm đề tài

Do hạn chế về thời gian cũng như kiến thức và lĩnh vực trong đề tài khá rộng nên không tránh khỏi những thiếu sót cũng như những lầm lẫn, em mong muốn nhận được những đóng góp để hoàn thiện hơn nữa về kiến thức của mình

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy đã giúp em hoàn thành đợt tốt nghiệp này

Em xin chân thành cảm ơn!

Hải phòng, ngày 12 tháng 10 năm 2008

Sinh viên thực hiện Nguyễn Cao Lanh

Chương I

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MẠNG GSM

Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở châu Âu và có tên gọi là GSM Ban đầu hệ thống này được gọi là “Nhóm đặc trách di đông” (Group Special Mobile) theo tên gọi của nhóm được CEPT (Conference of European Postal and Telecommunication Administration – Hội nghị các cơ quan quản lý viễn thông và bưu chính châu Âu) cử ra để nghiên cứu tiêu chuẩn Sau đó để tiện cho việc thương mại hóa GSM được gọi là “Hệ thống thông tin di động toàn cầu” (Global System for Mobile communications) GSM được phát triển từ năm 1982 khi các nước Bắc

Âu gửi đề nghị đến CEPT để quy định một dịch vụ viễn thông chung ở băng tần

900 MHz Năm 1985 sau nhiều lần bàn luân về việc xây dựng một hệ thống số hay tương tự và cuối cùng đi tới quyết định xây dựng hệ thống số Bước tiếp theo là việc lựa chọn giải pháp băng rộng hay băng hẹp Tháng 5 năm 1986 giải pháp TDMA băng hẹp đã được lựa chọn

Năm 1989, Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu ETSI (European Telecommunications Standards Institute ) quy định chuẩn GSM là một tiêu chuẩn chung cho mạng thông tin di động toàn Châu Âu, và năm 1990 chỉ tiêu kỹ thuật GSM phase I (giai đoạn I) được công bố

Ngày 27 tháng 3 năm 1991 cuộc gọi di động đầu tiên sử dụng công nghệ GSM được thực hiện bởi mạng Radiolinja (Mạng di động GSM đầu tiên trên thế giới) ở Phần Lan

Ở Việt Nam hệ thống thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm 1993 Tháng 7 năm 1993 bưu điện Hà Nội chính thức vận hành thử nghiệm mạng di động Sau đó ít lâu, công ty thông tin di động VMS MobiFone được thành lập (Ngày 6/4/1993, Công ty Thông tin di động VMS - MobiFone được thành lập) và mạng di động GSM đầu tiên của Việt Nam được Bưu Điện Hà Nội bàn giao cho VMS vận hành khai thác khoảng giữ năm 1994 Hiện nay ngoài VMS MobiFone ra còn có Viettel, Vinaphone và cả HT Mobile sử dụng công nghệ GSM

1.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM

Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin di động GSM

BSC: Đài điều khiển trạm gốc

MSC: Trung tâm chuyển mạch di động

OMC: Trung tâm khai thác và bảo

dưỡng

NMC: Trung tâm quản lý mạngVLR: Bộ ghi định vị tạm trúEIR: Thanh ghi nhận dạng thiết bịPSTN: Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng

ISDN: Mạng số liệu liên kết đa dịch vụCSPDN: Mạng chuyển mạch số công

cộng theo mạchPLMN: Mạng di động mặt đất công

cộngPSPDN: Mạng chuyển mạch công theo gói

1.3 CẤU TRÚC ĐỊA LÝ CỦA MẠNG

Mọi mạng điện thoại cần một cấu trúc nhất định để định tuyến các cuộc gọi đến tổng đài cần thiết và cuối cùng đến thuê bao bị gọi Trong một mạng di động, cấu trúc này rất quan trọng do tính lưu thông của các thuê bao trong mạng Với mạng GSM cấu trúc địa lý được phân chia thành các vùng sau:

Hình 1.2 Phân cấp cấu trúc địa lý của mạng GSM

1.3.3 Vùng phục vụ MSC

Một mạng thông tin di động được chia thành nhiều vùng nhỏ hơn, mỗi vùng nhỏ này được phục vụ bởi một MSC Vùng phục vụ MSC là bộ phận của mạng được một MSC quản lý Để định tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động,

cần gọi Mọi thông tin để định tuyến cuộc gọi tới thuê bao di động hiện đang trong vùng phục vụ của MSC được lưu trữ trong bộ ghi dịch tạm trú VLR.

LAI = MCC + MNC + LAC

MCC: Mã quốc gia

MNC: Mã mạng di động

LAC: Mã vùng định vị

1.3.4 Cell ( tế bào hay ô)

Vùng định vị được chia thành một số ô mà khi MS di chuyển trong đó thì không cần cập nhật thông tin về vị trí với mạng Cell là đơn vị cơ sở của mạng, là một vùng phủ sóng vô tuyến được nhận dạng bằng nhận dạng ô toàn cầu CGI Mỗi

ô được quản lý bởi trạm vô tuyến gốc BTS

Các vùng phục vụ MSC/VLR

Phân một vùng phục vụ MSC/VLR thành các cùng định vị và ô (cell)

Hình 1.3 Phân vùng và chia ô1.4 CÁC THÀNH PHẦN CỦA MẠNG

Mạng thông tin di động thực chất là mạng di động mặt đất công cộng PLMN Mạng di động mặt đất công cộng theo chuẩn GSM được chia thành 4 phân hệ chính sau:

Hình 1.4 Các thành phần của mạng

1.4.1 Trạm di động MS

MS là một thiết bị phức tạp, có khả năng như một máy tính nhỏ Nó bao gồm thiết bị trạm di động ME và một khối nhỏ gọi là mođun nhận dạng thuê bao SIM SIM cùng với thiết bị trạm di động hợp thành trạm di động

ME là phần cứng để thuê bao truy cập mạng ME có số nhận dạng là IMEI Mỗi điện thoại di động được phân biệt bởi số IMEI này

SIM là một card điện tử thông minh chứa một số nhận dạng thuê bao di động ISMI dùng để nhận dạng thuê bao, một mật mã để xác thực và các thông tin khác IMEI và ISMI hoàn toàn độc lập với nhau để đảm bảo tính di động cá nhân Card SIM có thể chống việc sử dụng trái phép bằng mật khẩu hoặc số nhận dạng cá nhân PIN

MS có chức năng vô tuyến chung và chức năng xử lý để truy cập mạng qua giao diện vô tuyến MS phải cung cấp một giao diện với người sử dụng, một giao diện với thiết bị đầu cuối khác Giao diện với người sử dụng thể hiện ở micro, loa, màn hình, bàn phím…Các thiết bị đầu cuối có thể là máy tính cá nhân, máy FAX…

- Bộ thích ứng đầu cuối TAF: Bộ thích ứng đầu cuối trong MS có vai trò nối thông thiết bị đầu cuối với khối kết cuối di động Khi lắp đặt các thiết bị đầu cuối trong môi trường di động, MS có bộ thích ứng đầu cuối tuân theo tiêu chuẩn ISDN còn thiết bị đầu cuối có giao diện với modem.

1.4.2 Phân hệ trạm gốc BSS

BSS giao diện trực tiếp với các trạm di động MS bằng thiết bị BTS thông qua giao diện vô tuyến Mặt khác BSS thực hiện giao diện với các tổng đài NSS, tức là kết nối thuê bao di động MS với người sử dụng viễn thông khác BSS giao diện với NSS bằng thiết bị BSC BSC giao diện với MSC trong NSS Ngoài ra BSS cũng cần phải được điều khiển nên nó được đấu nối với OSS

Phân hệ BSS gồm hai thiết bị: BTS giao diện với MS và BSC giao diện với MSC

 Trạm thu phát gốc BTS

BTS bao gồm các thiết bị phát, thu, anten và khối xử lý tín hiệu cho giao diện

vô tuyến BTS như là một Mođem vô tuyến phức tạp BTS là thiết bị trung gian giữa mạng GSM và thiết bị thuê bao MS, trao đổi thông tin với MS qua giao diện

vô tuyến Mỗi BTS tao ra một hay một số khu vực phủ sóng nhất định gọi là tế bào Cell

Khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU là một bộ phận quan trọng của BTS TRAU thực hiện mã hóa và giải mã tiếng rất đặc thù cho GSM Đồng thời ở đây cũng thực hiện thích ứng tốc độ truyền số liệu TRAU là một bộ phận của BTS, nhưng cũng có thể được đặt cách xa BTS, chẳng hạn giữa BSC và MSC

 Đài điều khiển trạm gốc BSC

BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa của BTS và MS Các lệnh này chủ yếu là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và chuyển giao Một phía BSC được nối với BTS, còn phía kia nối với MSC của phân hệ chuyển mạch SS BSC là một tổng đài nhỏ có khả năng tính toán nhất định Vai trò chủ yếu của BSC là quản lý các kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao Một BSC có thể quản lý hàng chục BTS, tạo thành một trạm gốc Tập hợp các trạm gốc trong mạng gọi là phân hệ trạm gốc Giao diện giữa BSC và MSC

là giao diện A, còn giao diện giữa BTS và BSC là giao diện Abis

Các chức năng chính của BSC

- Quản lý mạng vô tuyến: Việc quản lý vô tuyến chính là quản lý các Cell và các kênh logic của chúng Các số liệu quản lý đều được đưa về BSC để đo

đạc và xử lý, chẳng hạn như lưu lượng thông tin ở mỗi cell, môi trường vô tuyến, số lượng cuộc gọi bị mất, các lần chuyển giao thành công và thất bại…

- Quản lý trạm vô tuyến gốc BTS: Trước khi đưa vào khai thác, BSC lập cấu hình của BTS (số máy thu/phát, tần số cho mỗi trạm…) Nhờ đó mà BSC có sẵn một tập các kênh vô tuyến dành cho điều khiển và nối thông cuộc gọi

- Điều khiển nối thông các cuộc gọi: BSC chịu trách nhiệm thiết lập và giải phóng các đấu nối tới máy di động MS Trong quá trình gọi, sự đấu nối được BSC giám sát Cường độ tín hiệu, chất lượng cuộc đấu nối được máy di động

và TRX gửi đến BSC Dựa vào đó mà BSC sẽ quyết định công suất phát tốt nhất của MS và TRX để giảm nhiễu và tăng chất lượng cuộc đấu nối BSC cũng điều khiển quá trình chuyển giao nhờ các kết quả đo kể trên để quyết định chuyển giao MS sang cell khác, nhằm đạt được chất lượng cuộc gọi tốt hơn Trong trường hợp chuyển giao sang cell của một BSC khác thì nó phải nhờ sự trợ giúp của MSC Bên cạnh đó, BSC cũng có thể điều khiển chuyển giao giữa các kênh trong một cell hoặc từ cell này sang kênh cell khác trong trường hợp cell này bị nghẽn nhiều

- Quản lý mạng truyền dẫn: BSC có chức năng quản lý cấu hình các đường truyền dẫn tới MSC và BTS để đảm bảo chất lượng thông tin Trong trường hợp có sự cố một tuyến nào đó, nó sẽ tự động điều khiển tới một tuyến dự phòng

1.4.3 Phân hệ chuyển mạch SS

Phân hệ chuyển mạch bao gồm các khối chức năng sau:

- Trung tâm chuyển mạch di động MSC

- Thanh ghi định vị thường trú HLR

- Thanh ghi định vị tạm trú VLR

- Trung tâm nhận thực AUC

- Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR

- Tổng đài MSC cổng GMSC

- Mạng báo hiệu kênh chung số 7 (SS7)

Phân hệ chuyển mạch SS bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của mạng GSM cũng như 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 người sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác

 Trung tâm chuyển mạch di động MSC

Tổng đài di động MSC thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một

số các bộ điều khiển trạm gốc BSC MSC thực hiện các chức năng chuyển mạch chính, nhiệm vụ chính của MSC là điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những người sử dụng mạng thông tin di động Một mặt MSC giao tiếp với phân hệ BSS và mặt khác giao diện với mạng ngoài qua tổng đài cổng GMSC

Chức năng chính của tổng đài MSC:

- Xử lý cuộc gọi ( Call Processing)

- Điều khiển chuyển giao (Handover Control)

- Quản lý di động (Mobility Management)

- Tương tác mạng IWF ( Interworking Function) qua GMSC

Hình 1.5 Chức năng xử lý cuộc gọi của MSC

(1): Khi chủ gọi quay số thuê bao di động bị gọi, số mạng dịch vụ s ố liên kết của thuê bao di động, sẽ có hai trường hợp xảy ra :

(1.a) – Nếu cuộc gọi khởi đầu từ mạng cố định PSTN thì tổng đài sau khi phân tích số thoại sẽ biết đây là cuộc gọi cho một thuê bao di động Cuộc gọi sẽ được định tuyến đến tổng đài cổng GMSC gần nhất

(1.b) – Nếu cuộc gọi khởi đầu từ trạm di động, MSC phụ trách ô mà trạm di động trực thuộc sẽ nhận được bản tin thiết lập cuộc gọi từ MS thông qua BTS có chứa

số thoại của thu ê bao di động bị gọi

(2): MSC (hay GMSC) sẽ phân tích số MSISDN (The Mobile Station ISDN) của thuê bao bị gọi để tìm ra HLR nơi MS đăng ký

(3): MSC (hay GMSC) sẽ hỏi HLR thông tin để có thể định tuyến đến MSC/VLR quản lý MS

(4): HLR sẽ trả lời, khi đó MSC (hay GMSC) này có thể định tuyến lại cuộc gọi đến MSC cần thiết Khi cuộc gọi đến MSC này, VLR sẽ biết chi tiết h ơn về vị trí của MS Như vậy có thể nối thông một cuộc gọi ở mạng GSM, đó là chức năng

xử lý cuộc gọi của MSC

Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của mạng thông tin di động với các mạng này Các thích ứng này gọi là các chức năng tương tác IWF IWF bao gồm các thiết bị để thích ứng giao thức và truyền dẫn Nó cho phép kết nối với các mạng: PSPDN, CSPDN, PSTN, ISDN IWF có thể thực hiện trong cùng chức năng MSC hay có thể ở thiết bị riêng Ở trường hợp thứ hai giao tiếp giữa MSC và IWF được để mở.

 Bộ ghi định vị thường trú HLR

Ngoài MSC mạng thông tin di động bao gồm cả các cơ sở dữ liệu HLR là cơ

sở dữ liệu tham chiếu lưu giữ lâu dài các thông tin về thuê bao, các thông tin liên quan tới việc cung cấp dịch vụ viễn thông HLR không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao và cũng chứa các thông tin liên quan đến vị trí hiện thời của thuê bao HLR thường là một máy tính đứng riêng có khả năng quản lý trăm ngàn thuê bao nhưng không có khả năng chuyển mạch Một chức năng nữa của HLR là nhận dạng thông tin nhận thực AuC, nhiệm vụ của trung tâm này là quản lý an toàn số liệu bảo mật về tính hợp pháp của thuê bao

HLR bao gồm:

- Các số nhận dạng: IMSI, MSISDN

- Các thông tin về thuê bao

- Danh sách các dịch vụ mà thuê bao được sử dụng và bị hạn chế

- Số hiệu VLR đang phục vụ MS

 Bộ ghi định vị tạm trú VLR

VLR là một cơ sở dữ liệu chứa thông tin về tất cả các MS hiện đang ở vùng phục vụ của MSC Mỗi MSC có một VLR, thường thiết kế VLR ngay trong MSC.Ngay cả khi MS lưu động vào một vùng MSC mới VLR liên kết với MSC sẽ yêu cầu số liệu về MS từ HLR Đồng thời HLR sẽ được thông báo rằng MS đang ở vùng MSC nào Nếu sau đó MS muốn thực hiện cuộc gọi, VLR sẽ có tất cả các thông tin cần thiết để thiết lập một cuộc gọi mà không cần hỏi HLR, có thể coi VLR như một HLR phân bố VLR chứa thông tin chính xác hơn HLR về vị trí MS ở vùng MSC Nhưng khi thuê bao tắt máy hay rời khỏi vùng phục vụ của MSC thì các số liệu liên quan tới nó cũng hết giá trị

Nói một cách khác, VLR là cơ sở dữ liệu trung gian lưu trữ tạm thời thông tin

về thuê bao trong vùng phục vụ MSC/VLR được tham chiếu từ cơ sở dữ liệu HLR.VLR bao gồm:

- Các số nhận dạng: IMSI, MSISDN, TMSI

- Số hiệu nhận dạng vùng định vị LAI đang phục vụ MS

- Danh sách các dịch vụ mà MS được và bị hạn chế sử dụng

- Trạng thái của MS (bận hoặc rỗi)

 Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR

EIR có chức năng kiểm tra tính hợp lệ của ME thông qua số liệu nhận dạng di động quốc tế IMEI và chứa các số liệu về phần cứng của thiết bị Một ME sẽ có số IMEI thuộc một trong ba danh sách sau:

- Nếu ME thuộc danh sách trắng (White List) thì nó được quyền truy nhập và

sử dụng các dịch vụ đã đăng kí

- Nếu ME thuộc danh sách xám (Gray List), tức là có nghi vấn và cần kiểm tra Danh sách xám bao gồm những ME có lỗi (lỗi phần mềm hay lỗi sản xuất thiết bị) nhưng không nghiêm trọng tới mức loại trừ khỏi hệ thống

- Nếu ME thuộc danh sách đen (Black List), tức là MS bị cấm truy nhập vào

hệ thống, những ME đã thông báo mất máy

 Khối trung tâm nhận thực AuC

AuC được nối đến HLR, chức năng của AuC là cung cấp cho HLR các tần số nhận thực và khóa mật mã để sử dụng cho bảo mật Đường vô tuyến cũng được AuC cung cấp mã bảo mật để chống nghe trộm, mã này được thay đổi riêng biệt cho từng thuê bao Cơ sở dữ liệu của AuC còn ghi nhiều thông tin cần thiết khác khi thuê bao đăng ký nhập mạng và được sử dụng để kiểm tra khi thuê bao yêu cầu cung cấp dịch vụ, tránh việc truy cập mạng một cách trái phép

 Tổng đài di động cổng GMSC

Mạng thông tin di động có thể chứa nhiều MSC, VLR, HLR Để thiết lập một cuộc gọi liên quan tới GSM mà không cần biết vị trí hiện thời của MS, trước hết cuộc gọi phải được định tuyến đến một tổng đài cổng GMSC Các tổng đài cổng 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 Để thực hiện việc này trước hết các tổng đài cổng phải dựa trên số thoại danh bạ của thuê bao để tìm đúng HLR cần thiết và hỏi HLR này Tổng đài cổng có một giao tiếp với các mạng bên ngoài, thông qua giao tiếp này nó làm nhiệm vụ cổng để kết nối các mạng bên ngoài với mạng thông tin di động Ngoài ra tổng đài này cũng có giao diện báo hiệu số 7 (CCS No 7) để có thể tương tác với các phần tử khác của mạng thông tin di động

Do tính kinh tế cần thiết của mạng nên không bao giờ tổng đài cổng đứng riêng mà thường kết hợp với MSC

 Mạng báo hiệu kênh chung số 7 (CCS7)

Nhà khai thác mạng GSM có thể có mạng báo hiệu CCS7 riêng hay chung phụ thuộc vào quy định của từng nước Nếu nhà khai thác có mạng báo hiệu này riêng thì các điểm chuyển báo hiệu STP ( Signalling Transfer Point) có thể là một bộ phận của NSS STP có thể thực hiện ở điểm nút riêng hay kết hợp trong MSC tùy thuộc vào giá thành truyền đưa báo hiệu giữa các thành viên NSS Nhà khai thác GSM có thể dùng mạng riêng để định tuyến các cuộc gọi giữa GMSC và MSC hay thậm chí định tuyến cuộc gọi ra đến gần thuê bao bi gọi nhất trước khi sử dụng mạng cố định Khi đó các tổng đài quá giang ( Trasit Exchange) có thể là một bộ phận của mạng GSM và nó có thể được thực hiện như một nút đứng riêng hay kết hợp với MSC

1.4.4 Phân hệ khai thác và hỗ trợ OSS

Hiện nay hệ thống khai thác và bảo dưỡng được xây dựng theo nguyên lý TMN (Telecommunication Management Network – Mạng quản lý viễn thông) Một mặt hệ thống khai thác và bảo dưỡng được nối đến các phần tử của mạng viễn thông (các MSC, BSC, HLR và các phần tử mạng khác trừ BTS, vì truy nhập BTS được thực hiện qua BSC) Mặt khác hệ thống khai thác và bảo dưỡng lại được nối đến một máy tính chủ đóng vai trò giao tiếp người máy Hệ thống này được gọi là OMC (Operation and Maintenance Center – Trung tâm khai thác và bảo dưỡng)

OSS thực hiện ba chức năng chính sau:

- Khai thác và bảo dưỡng mạng

- Quản lý thuê bao và tính cước

- Quản lý thiết bị di động

 Khai thác và bảo dưỡng mạng

Khai thác là các hoạt động cho phép nhà khai thác mạng theo dõi hành vi của mạng như: tải của hệ thống, mức độ chặn, số lượng chuyển giao giữa hai cell…Nhờ vậy nhà khai thác có thể giám sát được toàn bộ chất lượng của dịch vụ mà họ cung cấp cho khách hàng và kịp thời xử lý các sự cố, kịp thời nâng cấp hệ thống Khai thác còn bao gồm việc thay đổi cấu hình để giảm nhưng vấn đề xuất hiện ở thời điểm hiện thời, để chuẩn bị tăng lưu lượng trong tương lại và mở rộng vùng phủ sóng Ở hệ thống viễn thông hiện đại khai thác được thực hiện bằng máy tính và được tập trung ở một trạm

Bảo dưỡng có nhiệm vụ phát hiện, định vị và sửa chữa các sự cố, hỏng hóc

Nó có một số quan hệ với khai thác Các thiết bị viễn thông hiện đại có khả năng tự

phát hiện một số sự cố hay dự báo sự cố thông qua tự kiểm tra Trong nhiều trường hợp người ta dự phòng cho thiết bị để thiết bị sự cố có thể thay thế bằng thiết bị dự phòng Sự thay thế này có thể thực hiện tự động Ngoài ra việc giảm nhẹ sự cố có thể được thực hiện bởi người khai thác bằng điều khiển từ xa Bảo dưỡng cũng bao gồm các hoạt động tại hiện trường nhằm thay thế thiết bị sự cố.

 Quản lý thuê bao và tính cước

Quản lý thuê bao bao gồm các hoạt động quản lý đăng ký thuê bao Việc quản

lý đăng ký thuê bao bắt đầu từ việc nhập và xóa thuê bao xác định dịch vụ và tính năng bổ sung Nhà khai thác phải truy nhập được tất cả các thông số nói trên Một nhiệm vụ quan trọng khác của khai thác là tính cước các cuộc gọi rồi gửi tới thuê bao Quản lý thuê bao ở mạng thông tin di động chỉ liên quan đến HLR và một số thiết bị OSS chuyên dụng đảm trách, trong đó có các trạm công tác (giao tiếp người – máy) ở các trung tâm giao dịch với thuê bao Việc quản lý thuê bao được thực hiện thông qua một khóa nhận dạng bí mật duy nhất cho từng thuê bao SIM cũng

có vai trò quan trọng góp phần với OSS để quản lý thuê bao

 Quản lý thiết bị di động

Quản lý thiết bị di động được thực hiện bởi bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR thực hiện EIR được nối đến MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị Trong hệ thống GSM thì EIR được coi thuộc phân hệ chuyển mạch NSS

1.5 GIAO DIỆN VÔ TUYẾN

Các kênh của giao diện vô tuyến bao gồm các kênh vật lý và các kênh logic Kênh vật lý được tổ chức theo quan điểm truyền dẫn Kênh logic được tổ chức theo quan điểm nội dung tin tức, các kênh này được đặt vào các kênh vật lý

Trong đó: fLlà tần số ở bán băng tần thấp dành cho đường lên

fUlà tần số ở bán băng tần cao dành cho đường xuống

Khoảng cách giữa các sóng mang là 200 kHz Để đảm bảo các quy định về tần

số bên ngoài băng phải có một khoảng bảo vệ giữa các biên của băng 200 kHz.GSM nguyên thủy bao gồm 125 kênh đánh số từ 0 124÷ Các kênh 1 124÷được gọi là kênh tần số vô tuyến tuyệt đối ( ARFCN: Absolute Radio Frequence Number) Kênh 0 dành cho khoảng bảo vệ nên không được sử dụng

Như vậy GSM nguyên thủy có 124 kênh tần số vô tuyến bắt đầu từ 890,2 MHz

Mỗi một kênh vô tuyến được tổ chức thành các khung TDMA có 8 khe thời gian Một khe thời gian có độ dài 15 ms 577 μs

26 ≅ 8 khe thời gian của một khung TDMA có độ dài gần bằng 4,62 ms

 Tổ chức đa khung, siêu khung, siêu siêu khung

Về mặt thời gian các kênh vật lý ở một kênh tần số được tổ chức theo cấu trúc khung, đa khung, siêu khung, siêu siêu khung

Một siêu siêu khung có độ dài 3 giờ 28 phút 53 giây 760 ms Các khung TDMA được đánh số FN (Frame Number – số khung) trong siêu siêu khung

từ 0 đến 2715647 Một siêu siêu khung được chia thanh 2048 siêu khung, mỗi siêu khung có độ dài là 5,12 s Mỗi siêu khung được chia thành các đa khung Có hai loại đa khung:

- Đa khung 26 khung (51 siêu khung trên một siêu siêu khung) có độ dài

TCH, SACCH và FACCH

- Đa khung 51 khung (26 siêu khung trên một siêu siêu khung) có độ dài

Cụm: Khuôn thông tin trong một khe thời gian của kênh TDMA

Khe thời gian 577 μstương ứng với độ dài của 156,25 bit là nội dung vật lý của một cụm

Trong GSM có 5 loại cụm TDMA:

- Cụm bình thường (NB: Normal Burst)

- Cụm hiệu chỉnh tần số (FB: Frequence Corection Burst)

- Cụm đồng bộ (SB: Synchronization Burst)

- Cụm truy nhập (AB: Access Burst)

- Cụm giả (DB: Dummy Burst)

Cụm bình thường (NB: Normal Burst)

Cụm này được sử dụng để mang thông tin về các kênh lưu lượng và các kênh kiểm tra Đối với kênh lưu lượng TCH cụm này chứa 114 bit được mật mã, ba bit đuôi (0,0,0) đầu và cuối, 2 bit cờ lấy cắp (chỉ cho TCH), 26 bit hướng dẫn và khoảng thời gian bảo vệ có độ rộng bằng 8,25 bit

NB được sử dụng cho TCH và các kênh điều khiển trừ RACH, SCH và FCCH

Cụm hiệu chỉnh tần số (FB: Frequence Corection Burst)

Cụm này được sử dụng để đồng bộ tần số cho trạm di động Cụm chứa 142 bit

cố định bằng 0 để tạo ra dịch tần số +67,7 kHztrên tần số danh định, ba bit đuôi (0,0,0) đầu và cuối, khoảng bảo vệ 8.25 bit FB được sử dụng cho FCCH

Cụm đồng bộ (SB: Synchronization Burst)

Cụm này được sử dụng để đồng bộ thời gian cho trạm di động Cụm chứa 78 bit được mật mã hóa để mang thông tin về FN của TDMA và BSIC (Base Station Identity Code – Mã nhận dạng trạm gốc), ba bit đuôi đầu và cuối, chuỗi hướng dẫn kéo dài 64 bit và khoảng bảo vệ 8,25 bit SB được sử dụng cho SCH

Cụm truy nhập (AB: Access Burst)

Cụm này được sử dụng để truy nhập ngẫu nhiên và truy nhập chuyển giao (Handover) Cụm chứa 36 bit thông tin, 41 bit đồng bộ, 8 bit đuôi đầu, 3 bit đuôi cuối và khoảng bảo vệ 68,25 bit (252 μs) Sở dĩ cần khoảng bảo vệ dài vì khi MS truy nhập lần đầu (hay sau chuyển giao) nó không biết định trước thời gian, khoảng này dành cho khoảng cách 35 km AB được sử dụng cho RACH và TCH

Cụm giả (DB: Dummy Burst)

Cụm giả được phát đi từ BTS trong một số trường hợp Cụm không mang thông tin Cụm có cấu trúc giống như NB nhưng các bit mật mã được thay thế bằng các bit hỗn hợp

 Các kênh lưu lương, TCH

Các kênh lưu lượng gồm hai loại được định nghĩa như sau:

- Tiếng thoại: Bm hay TCH toàn tốc (TCH/F), kênh này mang thông tin tiếng hoặc số liệu ở tốc độ 13 kps; Lm hay TCH bán tốc (TCH/H), kênh này mang thông tin ở tốc độ vào khoảng 6,5 kps

- Số liệu: 12 kps (cho tốc độ luồng cơ sở9600 bps); 6 kps (cho tốc độ luồng cơ

sở 4800 bps); 3,6 kps (cho tốc độ luồng cơ sở ≤2400 bps).

 Các kênh điều khiển CCH (Dm)

Các kênh báo hiệu điều khiển được chia thành ba loại: Các kênh điều khiển quảng bá, chung và dành riêng

a Các kênh điều khiển quảng bá BCH

- Kênh hiệu chỉnh tần số (FCCH: Frequency Correction Channel): Kênh này mang thông tin hiệu chỉnh tần số cho các trạm MS FCCH là kênh đường xuống

- Kênh đồng bộ (SCH: Synchronization Channel): Kênh đường xuống mang thông tin để đồng bộ khung cho trạm di động MS và nhận dạng BTS

- Kênh điều khiển quảng bá (BCCH: Broadcasting Control Channel): Kênh đường xuống, dùng để thông báo cho MS các thông tin riêng về ô (các tần số nào đang dùng cho tế bào, tế bào này có bị cấm không) cũng như về mạng (mô tả các tế bào lân cận, các mã mạng và mã nước…)

b Các kênh điều khiển chung CCCH

- Kênh tìm gọi (PCH: Paging Channel): Kênh này sử dụng cho đường xuống

để tìm gọi trạm di động Khi có cuộc gọi tới một MS đang đăng ký vị trí trong một vùng LA nào đó, tất cả các BTS trong vùng LA này sẽ phát tín hiệu gọi máy bị gọi trên kênh Paging

- Kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH: Random Access Channel): Kênh đường lên Kênh này được MS sử dụng để yêu cầu được dành một kênh SDCH (Stand Alone Dedicated Control Channel), hoặc để đáp lại tín hiệu gọi trên kênh Paging, hoặc dùng để MS truy nhập nhằm tạo một cuộc gọi hay đăng ký

- Kênh trao quyền truy nhập (AGCH: Access Grant Channel): Kênh đường xuống Để chỉ định một kênh SDCH cho MS

c Các kênh điều khiển dành riêng DCCH

Kênh điều khiển dành riêng đứng riêng (SDCCH): Kênh này chỉ được sử dụng dành riêng cho báo hiệu với một MS SDCCH được sử dụng cho các thủ tục cập nhật và trong quá trình thiết lập cuộc gọi trước khi ấn định kênh TCH SDCCH được sử dụng cho cả đường lên và đường xuống.

- Kênh điều khiển liên kết chậm (SACCH: Slow Asociate Control Channel): Kênh này liên kết với một TCH hay một SDCCH Trên kênh này các báo cáo

đo lường về cường độ tín hiệu thu được đối với các tế bào lân cận và các tế bào mà MS đang hiện diện, được truyền từ MS (Đang làm việc trên kênh TCH hoặc SDCCH liên quan) tới BTS phục vụ cho quá trình HO Từ BTS xuống thì kênh này tải lệnh điều khiển công suất MS và gióng thời gian

- Kênh điều khiển liên kết nhanh (FACCH: Fast Asociate Control Channel): Kênh này liên kết với một TCH FACCH làm việc ở chế độ lấy cắp bằng cách thay đổi lưu lượng tiếng hay số liệu bằng báo hiệu

Ngoài các kênh trên còn có kênh quảng bá ô (CBCH: Cell Broadcasting Channel)Kênh CBCH chỉ được sử dụng cho đường xuống để phát quảng bá ô cho các bản tin ngắn ( SMSCB: Short Message Service Cell Broadcast) CBCH sử dụng cùng kênh vật lý như kênh SDCCH

1.6 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI CHẤT LƯỢNG MẠNG GSM

1.6.1 Tổn hao đường truyền sóng vô tuyến

Hệ thống GSM được thiết kế với mục đích là một mạng tổ ong dày đặc và bao trùm một vùng phủ sóng rộng lớn Các nhà khai thác và thiết kế mạng của mình để cuối cùng đạt được một vùng phủ liên tục bao tất cả các vùng dân cư của đất nước Vùng phủ sóng được chia thành các vùng nhỏ hơn là các cell Mỗi cell được phủ sóng bởi một trạm phát vô tuyến gốc BTS Kích thước cực đại của một cell thông thường có thể đạt tới bán kính R = 35 km Vì vậy, suy hao đường truyền là không thể tránh khỏi

Ở thông tin vô tuyến điểm đến điểm do anten đặt cao, nên suy hao đường truyền tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách R giữa anten thu và phát (R2) Ở thông tin di động anten MS gần mặt đất (khoảng 1,5 m) nên suy hao tỷ lệ với lũy thừa n khoảng cách R giữa anten thu và phát (R ) trong đó n > 2 Trong môi trường n

thành phố với nhiều nhà cao tầng, suy hao có thể tỷ lệ với lũy thừa 4 hoặc cao hơn

Hình 1.8 Pha đing đa tia

Trong trường hợp này anten thu máy thu di động nhận được tín hiệu từ nhiều đường truyền phản xạ từ các tòa nhà khác nhau Điều này có nghĩa tín hiệu thu được sẽ là tổng vectơ của cùng một tín hiệu nhưng khác pha Nếu các tín hiệu này đồng pha với nhau thì ta được cường độ tín hiệu rất lớn Ngược lại nếu chúng ngược pha thì tín hiệu tổng rất nhỏ và có thể bị triệt tiêu: xảy ra trũng pha đinh sâu Thời gian giữa hai trũng pha đinh phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của MS và tần số phát Một cách gần đúng ta có thể coi rằng khoảng cách giữa hai điểm trũng bằng một nửa bước sóng Đối với tần số 900 MHz khoảng cách này vào khoảng 17 cm

Vì thế nếu MS chuyển động với tốc độ 50 km/giờ (v 14 m/s≈ ), bước sóng tín hiệu

Đối với tần số 1800 MHz thời gian giữa hai điểm trũng bằng một nửa

Sự phụ thuộc tín hiệu thu vào khoảng cách do suy hao đường truyền và ảnh hưởng của hai loại pha đinh nói trên được cho ở hình 1.9

Hình 1.9 Phụ thuộc cường độ tín hiệu vào khoảng cách

Từ hình vẽ trên ta thấy giá trị trung bình của cường độ tín hiệu giảm dần do suy hao đường truyền cho đến khi mất kết nối vô tuyến Xung quanh giá trị trung bình này ta thấy do ảnh hưởng của che tối cường độ tín hiệu thay đổi chậm và do ảnh hưởng của nhiều tia cường độ tín hiệu thay đổi nhanh Ở một khoảng cách nhất định R(m) so với anten phát tín hiệu ở anten thu có hình dạng như hình 1.10

Hình 1.10 Cường độ tín hiệu thu phụ thuộc vào khoảng cách R(m)

Để đảm bảo thu được ở một điểm trũng pha đinh quy định cần đảm bảo công suất ở điểm thu lớn hơn độ nhạy máy thu Hiệu suất (tính theo dB) giữa công suất thu trung bình và ngưỡng công suất thu (độ nhạy máy thu) được gọi là độ dự trữ pha đinh Chất lượng thu sẽ phụ thuộc vào quy định độ trũng pha đinh thấp nhất mà máy thu còn làm việc được

Ngoài việc làm thăng giáng cường độ tín hiệu thu, pha đinh đa tia còn gây ra

sự phân tán thời gian dẫn đến nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI: Inter Symbol Interference) ISI có nghĩa là các ký hiệu cạnh nhau sẽ giao thoa với nhau dẫn đến méo dạng ký hiệu và máy thu có thể quyết định sai về ký hiệu này Ở hệ thống thông tin di động GSM tốc độ bit vào khoảng 270 kbps nên độ rộng của một bit vào khoảng 3,7 μs Vì thế trễ một bit tương ứng với hiệu số quãng đường tia đi thẳng và tia phản xạ bằng 1,1 km

Hình 1.11 Phân tán thời gian

Sau đây ta sẽ xem xét cụ thể hơn hai loại pha đing chính: pha đing Rayleigh và pha đing chuẩn loga

 Pha đing nhanh ( hay còn gọi là pha đing thời gian ngắn)

Đây là loại pha đing rất nhanh ( khoảng cách đỉnh – đỉnh =λ 2) xảy ra khi anten Mobile nhận tín hiệu gồm nhiều tia phản xạ Nó thường diễn ra trong suốt thời gian liên lạc Do anten Mobile thường thấp hơn các cấu trúc xung quanh như cây cối nhà cửa…đóng vai trò là vật phản xạ Tín hiệu tổng hợp bao gồm nhiều sóng có biên độ và pha khác nhau, nên nó có tín hiệu thay đổi bất kỳ nhiều khi chúng còn bị triệt tiêu lẫn nhau

Pha đing gây ra cho ta nghe thấy những tiếng ồn Trong môi trường thoáng mà

ở đó có sóng trực tiếp vượt trội, thì pha đing không đáng kể so với trong khu đô thị.Loại pha đing ngắn hạn này có biên độ phân bố theo phân bố Rayleigh nên còn được gọi là pha đing Rayleigh

Loại pha đing này có tác động lớn đến chất lượng tín hiệu nên cần thiết phải

xử lý hạn chế pha đing này Giải pháp đầu tiên và đơn giản nhất là sử dụng đủ công suất phát để cung cấp một khoảng dự trữ pha đing

Một giải pháp được sử dụng phổ biến và hiệu quả là phân tập không gian Nó làm giảm những chỗ trũng pha đing, tăng chất lượng thoại

 Pha đing chậm (hay còn gọi là pha đing thời hạn dài)

Loại pha đing này là do hiện ứng che khuất bởi các vật che chắn của địa hình xung quanh gây nên Nó có phân bố chuẩn xung quanh một giá trị trung bình nếu ta lấy logarit cường độ tín hiệu Do vậy người ta còn gọi là pha đing chuẩn loga Ảnh hưởng của pha đing chuẩn loga là làm giảm khả năng phủ sóng của máy phát Để chống pha đinh này người ta cũng sử dụng khoảng dự trữ pha đing

 Pha đing Rician

Khi thành phần trực tiếp của tín hiệu mạnh hơn cùng với những tín hiệu không trực tiếp yếu hơn, cùng tới máy thu thì tại đây pha đing nhanh vẫn có thể xảy ra những tín hiệu sẽ không sắc nét Đường bao pha đing này có dạng phân bố Rician Dạng pha đing này xảy ra phần lớn ở môi trường vùng nông thông, microcell hay picrocell

Một số biện pháp cống pha đing:

- Mã hóa kênh chống lỗi kết hợp với đan xen tín hiệu

- Sử dụng nhiều sóng mang

- Phân tập

- Cân bằng thích ứng

- Trải phổ

Mã hóa kênh chống lỗi được sử dụng trong thông tin di đông đó là:

- Mã phát hiện lỗi: Mã khối tuyến tính

- Mã sửa lỗi: Mã xoắn hoặc mã turbo

Kỹ thuật phát nhiều sóng mang luồng số sau trải phổ được chia thành ba luồng với tốc độ trải phổ mỗi luồng bằng 1 3 tốc độ trải phổ chính Sau đó mỗi luồng được đưa lên điều chế ba sóng mang với ba tần số khác nhau

- Phân tập thời gian

Phân tập không gian được sử dụng phổ biến nhất ở thông tin di động Các hệ thống thông tin di động FDMA và TDMA sử dụng FDD (ghép song công phân chia theo tần số) chỉ sử dụng phân tập không gian thu (Receiving Diversity) ở BTS Các

hệ thống thông tin di động sử dụng TDD (ghép song công phân chia theo thời gian)

và CDMA cho phép sử dụng cả phân tập không gian thu lẫn không gian phát (Trasmitting Diversity).

Bộ cân bằng thích ứng áp dụng cho GSM được gọi là bộ cân bằng Viterbi Bộ cân bằng này cho phép xử lý tín hiệu phản xạ trễ đến 15μs

1.6.3 Ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh và nhiễu kênh lân cận

Để chất lượng thoại luôn được đảm bảo thì mức thu của sóng mang mong muốn C (Carrier) phải lớn hơn tổng nhiễu đồng kênh I (Interference) và mức nhiễu kênh lân cận A (Adjacent)

 Nhiễu đồng kênh C/I

Nhiễu đồng kênh xảy ra khi hai máy phát phát trên cùng một tần số hoặc trên cùng một kênh Máy thu sẽ thu được cả hai tín hiệu với cường độ phụ thuộc vào vị trí của máy thu so với máy phát

Tỉ số sóng mang trên nhiễu được định nghĩa là cường độ tín hiệu mong muốn trên cường độ tín hiệu nhiễu (tín hiệu không mong muốn)

Hình vẽ trên là trường hợp máy di động đang thu một sóng mang mong muốn

từ trạm gốc phục vụ và đồng thời cũng chịu một nhiễu đồng kênh do nhiễu phát sinh của một trạm gốc khác

Giả thiết rằng cả hai trạm gốc đều phát với một công suất như nhau và các đường truyền sóng tương đương như nhau và ở điểm giữa máy di động có

C I 0 dB= (khi đó tín hiệu và nhiễu lân cận là như nhau)

Nếu máy di động di gần về phía trạm phục vụ thì nó có C I > 0 dB Nếu máy

di động chuyển động về phía trạm gây nhiễu thì nó có C I < 0 dB

Khi C I thấp thì tỉ lệ lỗi bit BER là không thể chấp nhận được và mã hóa kênh

sẽ không thể cung cấp kỹ thuật hiệu chỉnh lỗi chính xác Theo khuyến nghị của GSM giá trị C I bé nhất mà máy di động vẫn có thể làm việc tốt là 9 dB Trong thực tế người ta nhận thấy rằng giá trị này cần thiết phải lên đến 12 dBngoại trừ nếu

sử dụng nhảy tần thì mới có thể làm việc ở mức C I là 9 dB Trong thông tin di động số GSM, tỉ lệ nhiễu đồng kênh được đánh giá qua bảng giá trị sau:

C I > 25 dB Rất tốt

20 dB C I 25 dB≤ ≤ Tốt

12 dB C I 20 dB≤ ≤ Có hiệu quả

C I 12dB< Không hiệu quả

Tỉ số C I phụ thuộc rất nhiều vào việc quy hoạch tần số và mẫu tái sử dụng tần số Việc tái sử dụng tần số làm tăng dung lượng đáng kể song nó cũng đồng thời làm giảm tỉ số C I Do đó việc quy hoạch tần số cần quan tâm đến nhiễu đồng kênh

C I

 Nhiễu kênh lân cận C/A

Nhiễu lân cận xảy ra khi bên thu chịu ảnh hưởng nhiễu của kênh lân cận với nó

Tỉ số sóng mang trên nhiễu của kênh lân cận được định nghĩa là cường độ sóng mang mong muốn trên cường độ sóng mang kênh lân cận

P: Công suất thu tín hiệu của kênh lân cận

Giá trị C/A thấp là do mức BER cao Mặc dù mã hóa kênh GSM đã bao gồm việc phát hiện lỗi và sửa lỗi, nhưng để việc đó thành công thì cũng có giới hạn đối

với nhiễu Theo khuyến nghị của GSM, để cho việc quy hoạch tần số được tốt thì giá trị C/A nhỏ nhất nên lớn hơn -9dB Khoảng cách giữa nguồn tạo tín hiệu mong muốn với nguồn của kênh lân cận lớn sẽ tốt cho C/A Điều này có nghĩa là các Cell lân cận không nên được ấn định các sóng mang của các kênh cạnh nhau nếu C/A đã được đề nghị trong một giới hạn nhất định

Cả hai tỷ số C/I và C/A đều có thể được tăng lên bằng việc sử dụng quy hoạch cấu trúc tần số

Nhiễu đồng kênh là một thách thức lớn với hệ thống thông tin di động tế bào.Các phương pháp để giảm nhiễu đồng kênh:

- Tăng cự ly tái sử dụng tần số: Việc tăng cự ly tái sử dụng tần số sẽ làm giảm nhiễu đồng kênh, tuy nhiên khi đó số cell trong mỗi mảng mẫu sẽ tăng, tương ứng với số kênh tần số dành cho mỗi cell sẽ giảm và như vậy thì dung lượng phục vụ sẽ giảm xuống

- Hạ thấp độ cao anten trạm gốc: Làm cho ảnh hưởng giữa các cell dùng chung tần số sẽ được giảm bớt và như vậy nhiễu đồng kênh cũng được giảm bớt Tuy nhiên, việc hạ thấp anten sẽ làm ảnh hưởng của các vật cản (nhà cao tầng…) tới chất lượng của hệ thống nghiêm trọng hơn

- Sử dụng anten định hướng ở BTS (Sector hóa): Phương pháp này ngoài việc làm giảm nhiễu đồng kênh khi cự ly sử dụng tần số không đổi mà còn tăng dung lượng hệ thống

Ngoài ra còn có một số phương pháp khác như: Điều khiển công suất phát kiểu động, truyền phát gián đoạn, nhảy tần cũng làm cải thiện thêm đáng kể tỷ số C/I của hệ thống

Chương II DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 2.1 KHÁI NIỆM VỀ DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN

Dung lượng kênh là tốc độ truyền tin tin cậy lớn nhất có thể đạt được qua kênh Việc truyền tin tin cậy có thể đạt được khi tồn tại một dãy các mã với độ dài khối tăng Dung lượng kênh được ký hiệu là C, về mặt định nghĩa, với các tốc độ

R < C việc truyền tin tin cậy qua kênh là có thể có, với các tốc độ R > C thì không thể truyền tin tin cậy qua kênh

Đối với các kênh không nhớ rời rạc thì dung lượng kênh cho bởi biểu thức sau:

Lượng tin tương hỗ giữa hai biến ngẫu nhiên X và Y được xác định theo:

Trong đó: Lượng tin tương hỗ được tính theo bit và logarit tính theo cơ số 2

Đối với trường hợp kênh đối xứng nhị phân, dung lượng kênh được cho bởi quan hệ sau:

Phủ định của định lý này (Định lý nghịch) cũng đúng:

Nếu R > Cthì không thể tránh khỏi sai số không tính đến kỹ thuật mã hóa đã sử dụng

Định lý Shannon – Hartley:

Dung lượng kênh truyền dẫn có độ rộng băng tần B và tạp âm trắng Gauss

Hình 2.1 Sơ đồ khối mô tả sự có mặt của nhiễu

Xét kênh có độ rộng dải giới hạn hoạt động trong sự có mặt của nhiễu Gauss.Định lý Shannon - Hartley chỉ ra rằng dung lượng kênh cho bởi công thức sau:

C: Dung lượng của kênh [ ]b s

B: Độ rộng dải thông của kênh [ ]Hz

S

N: Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

S: Công suất trung bình của tín hiệu [ ]W

N: Công suất trung bình của tạp âm [ ]W

Công suất trung bình của tín hiệu cho bởi công thức sau:

b b

kE

T

k: Số bit phát trên một symbol

Eb: Năng lượng bit

T: Thời gian tồn tại của symbol

k

R

T

= : Tốc độ truyền của hệ thống [ ]b s

Nếu η 2 là mật độ phổ công suất tạp âm thì N =ηB

Chúng ta không thể chứng minh định lý nhưng chúng ta có thể chứng minh từng phần sau là đúng

Giả sử tín hiệu thu có nhiễu với một điện áp là σ và tín hiệu được xác định với nhiều mức cho bởi công thức α = λσ

Nếu chọn giá trị λ lớn thì có thể nhận thấy mức tín hiệu có sai số có thể chấp nhận được Giả sử mỗi bức điện được đặc trưng bởi một mức điện áp Nếu có M bức điện thì ta phải có tương ứng M mức Công suất trung bình của tín hiệu cho bởi công thức sau:

( )

2

2

112

M

Số mức với công suất tín hiệu trung bình cho trước là:

1 2 2

Trong đó: N =σ2 là công suất nhiễu

Nếu mỗi bức điện là như nhau thì mỗi bức điện sẽ mang một lượng thông tin bằng nhau:

Điều này tương đương với định lý Shannon khi λ= 3.5

Chú ý rằng phần trình bày này dự tính tốc độ thông tin được phát có sai số nhỏ Định lý Shannon - Hartley chỉ ra rằng với kỹ thuật mã hóa tiên tiến phát ở dung lượng kênh có thể xuất hiện sai số (lỗi) nhỏ

Biểu thức dung lượng kênh với kênh Gauss tạo độ nhạy:

• Khi độ rộng dải thông của kênh tăng thì tín hiệu thông tin thay đổi nhanh làm tăng tốc độ thông tin

Do đó chúng ta có thể giảm độ rộng dải thông cho tỷ số S N

Ví dụ: Nếu S N 7= và B 4kHz= thì dung lượng kênh sẽ là: C= ×12 103 bit/s

Nếu tỷ số tín hiệu trên tạp âm tăng tới S N = 15 còn dải thông giảm B = 3 kHzthì dung lượng kênh không thay đổi

Tuy nhiên khi B→ ∞ thì dung lượng kênh không tiến tới ∞ vì với việc tăng độ rộng dải thông cũng đồng thời công suất tạp âm tăng Nếu η 2 là mật độ phổ công suất tạp âm thì công suất tạp âm tổng sẽ là: N =ηB

Công thức Shannon-Hartley viết lại:

Một tính chất chung của kênh Gauss được biểu diễn Giả sử chúng ta đang phát các

số nhị phân với tốc độ phát như nhau bằng với dung lượng kênh R = C Nếu công suất trung bình của tín hiệu là S thì năng lượng trung bình của mỗi bit sẽ là

bất kì tốc độ thông tin nào Giá trị này được gọi là giới hạn Shannon

Hình 2.2 Mối quan hệ giữa B C và E b η

Từ công thức Shannon, muốn tăng dung lượng kênh ta có hai cách hoặc tăng công suất của tín hiệu hoặc tăng dải thông B nghĩa là mở rộng phổ tần của tín hiệu

Như chúng ta đã biết dải thông là có hạn, mỗi nhà khai thác dịch vụ sử dụng một dải tần nhất đinh, cho nên việc tăng dải thông là không khả thi nhưng chúng ta có thể sử dụng phổ tần một cách hiệu quả nhằm đặt được dung lượng kênh lớn nhất Trong thông tin di động việc tái sử dụng tần số là một biện pháp tăng dung lượng kênh hữu hiệu Mặt khác khi tăng B cũng đồng thời cũng đồng thời tăng công suất trung bình của nhiễu N =ηB Khi dải thông B tăng đến một giá trị B0 (giá trị B0 là giá trị mà ở đó công suất nhiễu bằng công suất tín hiệu) thì dung lượng kênh tăng nhanh Nhưng khi dải thông vượt trị số đó thì dung lượng của kênh tăng chậm lại

và tới giá trị giới hạn 1.443B0 nghĩa là dung lượng kênh cực đại Cmax không vượt qua giá trị log2e=1.443lần dung lượng C khi f = f0.

2.2 DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Trong thông tin di động dung lượng kênh truyền được tính theo công thức Shannon:

Hình 2.4 Dải tần GSM 1800

DSC 1800 có 374 kênh tần số (512 ÷ 885)

Mỗi kênh tần số được cấp phát cho các MS sử dụng chung theo phương pháp phân chia theo thời gian tạo thành khung TDMA với 8 khe thời gian Mỗi khung TDMA có chiều dài 4615 sµ Do đó mỗi khe thời gian có chiều dài 577 sµ Mỗi khe thời gian này được gọi là kênh vật lý Như vậy một kênh tần số sẽ có 8 kênh vật lý

Do đó số kênh vật lý GSM 900 là 124 8 992× = kênh, số kênh vật lý GSM 1800 là

374 8 2992× = kênh và số kênh của một tế bào 8 n× (số sóng mang)

Ngoài hai băng tần GSM 900 và GSM 1800 ở một số nước còn sử dụng băng tần GSM 850 làm việc ở dải 824 ÷ 894 MHz và được phân bổ tần số như sau:

Ở Việt Nam dải tần 900 và 1800 được phân chia cho ba nhà khai thác mạng GSM là Vinaphone, Mobifone, Viettel như sau:

Hình 2.5 Phân chia tần số mạng GSM ở Việt Nam

Với mỗi nhà khai thác mạng GSM băng tần được cấp phép là có giới hạn chính Việc sử dụng băng tần hiệu quả giúp cho các nhà khai thác tiết kiệm băng tần, tăng dung lượng kênh và từ đó nâng cao khả năng phụ vụ thuê bao di động

Chương III

ĐI SÂU BIỆN PHÁP TĂNG DUNG LƯỢNG KÊNH

Với sự phát triển không ngừng về số lượng thuê bao di động đã đặt ra cho các nhà cung cấp dich vụ là làm thế nào để đáp ứng được nhu cầu đó tốt nhất Các nhà nghiên cứu đã đưa ra nhiều biện pháp nhằm giải quyết vấn đề tăng dung lượng Một số biện pháp đã được áp dụng để tăng dung lượng kênh như:

- Biện pháp đầu tiên là tăng cấu hình trạm phát (tăng dung lượng tổng đài).

- Mã hóa thoại với tốc độ thấp.

- Quy hoạch tối ưu hóa cho mạng hiện có: Quy hoạch hợp lý vùng phủ sóng, thu nhỏ ô, sử dụng biện pháp nhảy tần, tái sử dụng tần số.

- Chuyển sang sử dụng băng tần cao hơn.

Hiện nay ở một số nước người ta sử dụng đồng thời cả hai dải tần số 800-900 MHz

và dải 1,8-1,9GHz Các chuẩn mới như 3G và các chuẩn cao hơn sử dụng băng tần

ở tần số cao hơn.

- Sử dụng kỹ thuật phân tập anten.

- Sử dụng anten thông minh.

Trong thông tin di động mỗi nhà khai thác hệ thống được cấp phép một dải tần số nhất định Chính vì vậy việc sử dụng hiệu quả phổ tần luôn là một vấn đề được quan tâm Sử dụng phổ tần hiệu quả giúp nâng cao chất lượng, dung lượng hệ thống.

Sau đây em xin trình bày phương pháp tăng dung lượng kênh bằng cách tái sử dụng tần số và phương pháp thích nghi tốc độ tối ưu với công suất phát không đổi.

3.1 TÁI SỬ DỤNG TẦN SỐ

Phổ tần sử dụng trong thông tin di động là có giới hạn nên người ta phải tìm cách sử dụng lại tần số để tăng dung lượng của hệ thống Giải pháp này được gọi là quy hoạch tần số hay tái sử dụng tần số Việc sử dụng lại tần số được thực hiện bằng cách cấu trúc lại kiến trúc hệ thống thông tin di động theo mô hình tổ ong Mô hình sử dụng lại tần số dựa trên việc gán cho mỗi cell một nhóm kênh vô tuyến trong một khu vực địa lý nhất định Các kênh vô tuyến của cell khác biệt hoàn toàn với các kênh vô tuyến của cell lân cận nó Việc tái sử dụng kênh về mặt không gian

là một trong những khái niệm chủ yếu được sử dụng bởi một mạng tế bào để đạt được hiệu quả trong việc sử dụng tài nguyên phổ tần