thiết kế môn học thông tin di động

Nói một cách khác, hệ thống thông tin di động đảm bảo việc cung cấp các dịch vụ cho người sử dụng trong khi đang di chuyển.. Điều này chỉ có thể thực hiện được trong môi trường thông tin

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

NĂM 2012

LỜI NÓI ĐẦU

Với xu thế hội nhập và phát triển như hiện nay thì thông tin liên lạc có vai trò quan trọng không thể thiếu, nó là yếu tố quyết định nhiều mặt hoạt động của xã hội, giúp con người nắm bắt thông tin nhanh chóng mọi lúc mọi nơi, góp phần quan trọng phát triển đất nước thể hiện ở một số lĩnh vực như là: kinh tế, văn hóa, khoa học kỹ thuật, an ninh quốc phòng, là cầu nối cho mọi người, mọi quốc gia Hệ thống thông tin liên lạc đang có những bước phát triển không ngừng và ngày càng khẳng định vị trí của mình Sự phát triển rộng khắp cả nước của mạng lưới viễn thông và các loại hình dịch

vụ viễn thông cũng ngày càng được đa dạng hoá theo yêu cầu ngày càng cao của con người

Thông tin di động đã trở thành một dịch vụ kinh doanh không thể thiếu của tất cả các nhà khai thác viễn thông trên thế giới Đối với các khách hàng viễn thông, nhất là các doanh nghiệp thì thông tin di động trở thành phương tiện liên lạc quen thuộc và không thể thiếu được Dịch vụ thông tin di động ngày nay không chỉ hạn chế cho các khách hàng giàu có nữa mà nó đang dần trở thành dịch vụ phổ cập cho mọi đối tượng Ngày nay mức sống chung của xã hội ngày càng được nâng cao đã khiến cho số lượng thuê bao sử dụng dịch vụ di động tăng lên đột biến Khó khăn thực tế cho các nhà cung cấp mạng, các tổng đài là phải làm sao để có thể xử lý cuộc gọi để các thuê bao đều có thể liên lạc mà không bị gián đoạn

Do vậy, việc tính toán và thiết kế hệ thống sao cho phù hợp với từng điều kiện

nghiên cứu này cũng không nhằm ngoài mục đích đó Nội dung bài thiết kế môn học này tập trung vào 3 chương và được khái quát như sau:

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương này sẽ giới thiệu các thông tin tổng quát bao gồm các nội dung tổng

Chương 2: Các vấn đề liên quan đến qui hoạch và thiết kế mạng

Chương này sẽ đề cập đến các khái niệm cơ bản như cell, chỉ số GoS, sử dụng lại tần số, tách cell Phương pháp tái sử dụng tần số và các phương pháp phân chia tần

số trong mạng thông tin di động GSM 2G

Chương 3: Bài toán thiết kế mạng thông tin di động GSM 2G

Chương 3 là nội dung chính của bài thiết kế, thực hiện việc tính toán thiết kế

trong các mạng thông tin di động sao cho hợp lý nhất nhằm mang lại lợi ích cao nhất

về kinh tế trong khi vẫn đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật của hệ thống

Bản thiết kế môn học đã hoàn thành nhưng không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót, rất mong nhận được những góp ý của Thầy và các bạn để bài báo cáo được hoàn thiện hơn Nhóm 1 chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

MỤC LỤC 4

DANH MỤC HÌNH 6

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 7

1.1 Tổng quan hệ thống thông tin di động GSM 2G 7

1.2 Một số khái niệm 10

1.2.1 Trạm di động MS (Mobile Station) 10

1.2.2 Trạm gốc BS (Base Station) 10

1.2.3 Kênh hướng lên 10

1.2.4 Kênh hướng xuống 11

1.2.5 Kênh điều khiển 11

1.2.6 Trung tâm chuyển mạch di động MSC (Mobile Swiching Center) 11

1.2.7 Chuyển giao 11

CHƯƠNG 2 CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN BÀI TOÁN QUI HOẠCH VÀ THIẾT KẾ MẠNG 12

2.1 Giới thiệu 12

2.2.Các khái niệm cơ bản 12

2.2.1 Cell 12

2.2.2 Chỉ số cấp độ phục vụ GoS (Grade of Service) – các tham số liên quan 13

2.2.3 Sử dụng lại tần số 14

2.2.4 Tách cell 15

2.3.1 Lý thuyết về quy hoạch cell trong các mạng thông tin di động 2G 16

2.3.2 Tính toán bán kính phủ sóng của cell 17

2.4 Quy hoạch tần số 17

2.4.1 Lý thuyết quy hoạch tần số 17

2.4.1.1 Các mẫu tái sử dụng tần số 17

2.4.1.2 Các phương pháp phân chia tần số 18

CHƯƠNG 3 BÀI TOÁN THIẾT KẾ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2G 24

3.1 Nội dung bài toán 24

3.2 Thực hiện 25

3.2.1 Số cell cần lắp và chỉ số N 25

3.2.1.1 Số cell thực tế tối thiểu cần lắp 25

3.2.1.2 Mẫu sử dụng lại tần số N tốt nhất cho năm đầu tiên 27

3.2.1.3 Tách cell trong bài toán tìm mẫu sử dụng lại tần số 28

3.2.2 Lựa chọn N và chỉ số Gos sau 5 năm 33

3.2.2.1 Lựa chọn lại N 34

3.2.2.2 Tính Gos phù hợp 35

3.2.3 Hiệu quả sử dụng GoS 35

3.3 Kết luận 35

KẾT LUẬN 36

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Mô hình cấu trúc hệ thống thông tin di động GSM 2G 8

Hình 2-1: Kích thước cell 12

Hình 2-2: Hình dạng lý thuyết cell 13

Hình 2-3: Phương pháp phân kênh cố định 19

Hình 2-4: Phương pháp phân kênh động DCA 20

Hình 3.1 Mô hình cell và diện tích cần phủ cell 25

Hình 3.2 Bố trí cell 27

Hình 3.3: Bố trí cell với R=1.5km 30

Hình 3.4: Bố trí cell với R=1km 32

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Tổng quan hệ thống thông tin di động GSM 2G

Hệ thống thông tin di động: được hiểu là các hệ thống thông tin cung cấp các dịch vụ cho các đầu cuối có khả năng di chuyển được Nói một cách khác, hệ thống thông tin di động đảm bảo việc cung cấp các dịch vụ cho người sử dụng trong khi đang

di chuyển Điều này chỉ có thể thực hiện được trong môi trường thông tin vô tuyến vì các hệ thống có dây không thể làm được việc kéo các dây dẫn tới các đầu cuối di động khi mà việc di chuyển của người sử dụng là ngẫu nhiên và phạm vi di chuyển tương đối rộng

Trong hệ thống thông tin di động, chúng ta tìm hiểu về hệ thống thông tin di động GSM 2G vì: mặc dù hiện nay đã xuất hiện các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3, thứ 4 với sự ưu việt hơn về tốc độ và băng thông nhưng trong thực tế hệ thống thông tin di động GSM 2G vẫn chiếm đa số lượng thuê bao di động trên thế giới nhờ vào đặc tính thoại cũng là nhu cầu chủ yếu của con người khi muốn tiếp cận hệ thống thông tin di động và số lượng thuê bao ngày càng không ngừng phát triển

Hệ thống thông tin di động GSM 2G sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), thường sử dụng ở băng tần 900 MHz và 1800 MHz với độ rộng băng tần là 25 MHz

Xét mô hình mạng thông tin di động trình bày trên Hình 1.1

Hình 1.1: Mô hình cấu trúc hệ thống thông tin di động GSM 2G

Như vậy, nếu nhìn tổng thể sơ đồ Hình 1.1 thì một hệ thống thông tin di động gồm 3 phân hệ cơ bản là: phân hệ chuyển mạch SS(Switching Subscriber Subsystem), phân hệ trạm gốc BSS(Base Station Subsystem), phân hệ bảo dưỡng và đầu cuối

1 Phân hệ chuyển mạch SS: Gồm các khối chức năng

a Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động MSC(Mobile Service Switching Center): Xét một hệ thống thông tin di động thì chức năng chuyển mạch chính được thưc hiện bởi MSC, nhiệm vụ chính của MSC là bảo đảm việc chuyển mạch giữa các user MSC xử lý các cuộc gọi đi và đến BS (Base Station) và cung cấp chức năng điều khiển trung tâm cho hoạt động của tất cả các BS một cách hiệu quả và để truy nhập vào tổng đài của mạng điện thoại công cộng PSTN (Public Switched Telephone Network), bao gồm bộ phận điều khiển, bộ phận kết nối cuộc gọi, các thiết bị ngoại vi và cung cấp chức năng thu nhập số liệu cước đối với các cuộc gọi đã hoàn thành

b Bộ ghi định vị thường trú HLR(Home Location Register): Lưu giữ thông tin dài lâu của thuê bao chính là những thông tin ban đầu mà khi thuê bao đăng kí sử dụng dịch vụ đã đăng ký với nhà mạng HLR không phụ thuộc vào vị trí hiện thời

của thuê bao nghĩa là khi thực hiện cuộc gọi giữa các thuê bao di động với nhau thì không cần sử dụng đến HLR HLR chứa thông tin hiện thời của thuê bao HLR gồm các số nhận dạng như là: nhận dạng thuê bao di động quốc tế IMSI, và nhận dạng số thuê bao trong danh bạ điện thoại MSISDN

c Bộ ghi định vị tam trú VLR(Visitor Location Register): Là cơ sở dữ liệu trung gian, được xem như là 1 HLR phân bố, lưu giữ tạm thời thông tin về thuê bao trong vùng phục vụ MSC Mỗi MSC có 1 VLR(MSC/VLR) VLR gồm: các số nhận dạng IMSI, MSISDN, nhận dạng số thuê bao di động tạm thời TMSI, số hiệu nhận dạng vùng định vị đang phục vụ MS, danh sách các dịch vụ mà MS được và bị hạn chế sử dụng, trạng thái của MS(bận, rỗi)

d Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR(Equipment Indensity Register): có chức năng kiểm tra tình trạng hoạt động của ME(Mobile Equipment) thông qua số nhận dạng

di động quốc tế IMEI đồng thời EIR cũng chứa các số liệu về phần cứng của thiết

bị

e Khối trung tâm nhận thực AuC(Authentication Center): được nối đến HLR, cung cấp cho HLR các tần số nhận thực và các khoá 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 dể kiểm tra khi thuê boa yêu cầu cung cấp dịch vụ, tránh việc truy nhập mạng một cách trái phép

2 Phân hệ trạm gốc BSS: gồm các khối chức năng

a Bộ điều khiển trạm gốc BSC(Base Station Controller): có nhiệm vụ quản lý tất

cả giao diện vô tuyến thông qua các lênh điều khiển từ xa Các lệnh này chủ yếu

là lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và chuyển giao Một phía BSC nối với BTS, phía còn lại nối với MSC của phận hệ chuyển mạch SS Giao diện giữa BTS

và BSC là giao diện A.bis

b Trạm thu phát gốc BTS(Base Tranceiver Station): Một BTS bao gồm các thiết

bị thu/phát tín hiệu sóng vô tuyến, antenna và bộ phận mã hoá, giải mã giao tiếp

với BSC 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 tạo ra một hay một số khu vực vùng phủ sóng nhất địnhgọi là cell Có thể coi BTS là các mô-đem vô tuyến phức tạp có thêm một số chức năng khác Một bộ phận quan trọng của BTS là TRAU (Transcoder Adapter Rate Unit: Khối chuyển đổi mã và tốc độ), TRAU là thiết bị thực hiện quá trình mã hoá và giải mã thoại TRAU có thể đặt cách xa BTS, và có thể đặt giữa BSC (Base Station Controller) và MSC

c Thiết bị di động ME (Mobile Equipment): Máy điện thoại di động bao gồm các

bộ thu/phát RF, antenna và bộ điều khiển

3 Phân hệ khai thác và bão dưỡng OSS(Operation and Support System): thực hiện

Trạm di động MS (Mobile Station): là các thiết bị đầu cuối được sử dụng để phục

vụ cho việc liên lạc của các thuê bao trong khi đang di chuyển MS có thể là các thiết

bị cầm tay hoặc là các thiết bị được cài đặt trong các phương tiện giao thông

1.2.2 Trạm gốc BS (Base Station)

Trạm gốc BS (Base Station): là một trạm thu/phát sóng cố định trong hệ thống di động được sử dụng để cung cấp các giao tiếp vô tuyến với các trạm di động bao gồm các các kênh vô tuyến và các antenna thu/phát được gắn trên các tháp vô tuyến

1.2.3 Kênh hướng lên

Là kênh vô tuyến được sử dụng để truyền dẫn thông tin từ MS tới BS

1.2.4 Kênh hướng xuống

Là các kênh vô tuyến được sử dụng để truyền thông tin từ BS đến MS

1.2.5 Kênh điều khiển: là các kênh vô tuyến được sử dụng để truyền dẫn các

tín hiệu thiết lập cuộc gọi, yêu cầu gọi, bắt đầu gọi, và các tín hiệu dẫn đường hoặc với các mục đích điều khiển khác

1.2.6 Trung tâm chuyển mạch di động MSC (Mobile Swiching Center)

Trung tâm chuyển mạch di động MSC (Mobile Switching Center): là hệ thống cung cấp một kết nối chính xác từ thuê bao đến thuê bao cho một cuộc gọi Các thuê bao trong mạng di động được chuyển mạch bởi MSC để kết nối với nhau hoặc chuyển mạch bởi MSC cổng (Gate MSC) để kết nối tới một thuê bao cố định trong mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN (Public Switching Telephone Network)

1.2.7 Chuyển giao

Chuyển giao: Chuyển giao là một quá trình cơ bản trong thông tin di động nhằm bảo đảm cho việc cung cấp được các dịch vụ thông tin tới người sử dụng một cách liên tục khi người này sử dụng dịch vụ trong lúc đang di chuyển Chuyển giao được hiểu là quá trình chuyển một trạm di động từ một kênh vô tuyến hoặc một trạm gốc này sang một kênh vô tuyến hoặc một trạm gốc khác trong quá trình đàm thoại của thuê bao

2.2.Các khái niệm cơ bản

2.2.1 Cell

Hình 2-1: Kích thước cell

Cell (tế bào hay ô) là đơn vị cơ sở của mạng, tại đó trạm di động MS tiến hành

trao đổi thông tin với mạng qua trạm thu phát gốc BTS BTS trao đổi thông tin qua sóng vô tuyến với tất cả các trạm di động MS có mặt trong Cell

Hình dạng lý thuyết của Cell là một cell tổ ong hình lục giác:

Hình 2-2: Hình dạng lý thuyết cell

Trên thực tế, hình dạng của cell là không xác định Việc quy hoạch vùng phủ sóng cần quan tâm đến các yếu tố địa hình và mật độ thuê bao, từ đó xác định số lượng trạm gốc BTS, kích thước cell và phương thức phủ sóng thích hợp

2.2.2 Chỉ số cấp độ phục vụ GoS (Grade of Service) – các tham số liên quan

Cấp độ phục vụ GoS là thước đo dùng để chỉ khả năng của người sử dụng truy nhập vào hệ thống trong suốt một giờ bận nhất Qua chỉ số GoS, có thể ước tính được dung lượng yêu cầu tối đa và đó cũng là căn cứ để phân bổ số lượng kênh phù hợp nhằm đáp ứng chỉ số cấp độ phục vụ yêu cầu

GoS thường được coi là khả năng một cuộc gọi bị khóa, hoặc thời gian trễ của một cuộc gọi lớn hơn một thời gian đợi nhất định

Chỉ số cấp độ phục vụ GoS được tính theo công thức

GoS =

𝑇𝑁 𝑐

𝑁 𝑐 ! 𝑇𝑘 𝑘!

𝑁 𝑐 𝑘=1

(2.1)

Trong đó: T: Lưu lượng (Erlang)

k: Số kênh

Lưu lượng là một biến thay đổi nên lưu lượng đi qua một kênh sẽ thay đổi Một cell hoạt động tốt sẽ có tỷ lệ khóa cuộc gọi thấp, tức là lưu lượng đi qua kênh ở mức chấp nhận được, điều này tương ứng với GoS thấp Nếu lưu lượng đi qua kênh tăng lên, đến một lúc nào đó kênh sẽ không thể đáp ứng được lưu lượng yêu cầu Khi đó, sẽ xảy ra tình trạng lưu lượng bị tắc nghẽn và khả năng khóa hay rớt cuộc gọi là rất lớn, chỉ số cấp độ phục vụ GoS sẽ tăng Theo tiêu chuẩn của GSM, chỉ số cấp độ phục vụ của mạng là 2%

1 Lưu lượng trong mạng

Lưu lượng cần thiết của một cell đạt được giá trị GoS danh định với số kênh được

cấp cho mỗi cell được tính theo Công thức (2.2)

T = F(GoS, Nc) (2.2) Lưu lượng trong mạng có mối quan hệ mật thiết với chỉ số cấp độ phục vụ GoS Trong mạng thông tin di động, lưu lượng trong một cell thấp sẽ dẫn đến GoS thấp, tức

là chất lượng phục vụ của mạng ổn định ở mức chấp nhận được và ngược lại

2 Số kênh phân bổ trong một cell N c

Số kênh cần thiết để một cell đạt được giá trị GoS danh định ở một mức lưu lượng T được tính theo Công thức (2.3)

Sử dụng lại tần số kinh điển được hiểu là toàn bộ băng tần sử dụng cho một nhóm các cell kề nhau gọi là cluster, đem cluster này nhân lên nhiều lần để phủ hết vùng địa lý của mạng hay nói cách khác sử dụng lại tần số là sử dụng lại một hay một nhóm tần số ở các cell khác nhau trong một hệ thống, các cell này cách nhau một khoảng cách đủ lớn để đảm bảo tỷ số CIR (tỷ số nhiễu đồng kênh)

Nhóm các cell kề nhau mà toàn bộ băng tần sử dụng cho vùng địa lý đó gọi là một “cluster” Người ta đem nhân cluster này lên sao cho phủ sóng toàn bộ vùng địa lý

mà nhà mạng mong muốn mà không ảnh hưởng nhiễu đồng kênh Số lần lặp của một cluster hay số lần băng tần được sử dụng lại phụ thuộc vào diện tích của cluster và diện tích của khu vực cần phủ sóng Một cluster có một hay nhiều trạm thu phát và lúc đó,

“cluster size” được hiểu là “mẫu sử dụng lại tần số”

Với các ưu điểm là thực hiện đơn giản, dễ sử dụng và quản lý, cho phép khai thác tối đa băng thông của hệ thống thì phương pháp này còn một số hạn chế do toàn

bộ băng tần cấp phát cho hệ thống được sử dụng hoàn toàn ở các cell trong một cluster Phương pháp này gặp phải một số vấn đề khi lưu lượng giữa các khu vực không đồng nhất nếu dùng một cluster cho toàn mạng thì có những nơi mà cell tại đó không đủ đáp ứng, có những nơi mà cell thừa kênh phục vụ và dẫn đến lãng phí

2.2.4 Tách cell

Tách cell là giải pháp kỹ thuật tích cực nhằm tăng dung lượng hệ thống để đáp ứng sự phát triển của thuê bao Tách cell được sử dụng khi các giải pháp thụ động như mượn kênh, chuyển tiếp kênh không còn hiệu quả

Tách cell là việc thu nhỏ bán kính phục vụ của cell Điều này có nghĩa với việc phải lắp đặt thêm cells trong hệ thống Người ta tính toán rằng nếu bán kính của cell giảm đi một nửa thì dung lượng hệ thống sẽ tăng lên gấp 4 lần, điều này chứng tỏ rằng việc tách cell đem lại hiệu quả tức thời về mặt dung lượng

Người ta có thể tiến hành giải pháp này một cách từng phần hoặc toàn bộ

2.3 Quy hoạch cell

2.3.1 Lý thuyết về quy hoạch cell trong các mạng thông tin di động 2G

Macro cell: được lắp trên cột cao hoặc trên các toà nhà cao tầng

Micro cell: được lắp ở các khu thành thị, khu dân cư

Pico cell: tầm phủ sóng chỉ khoảng vài chục mét trở lại nó thường được lắp để tiếp sóng trong nhà

Umbrella: được lắp bổ sung vào các vùng bị che khuất hay các vùng trống giữa các cell

Bán kính phủ sóng của một cell tuỳ thuộc vào độ cao của anten, độ lợi anten thường thì nó có thể từ vài trăm mét tới vài chục km Trong thực tế, thì khả năng phủ sóng xa nhất của một trạm GSM là 32 km (22 dặm)

Một số khu vực trong nhà mà các anten ngoài trời không thề phủ sóng tới như nhà ga, sân bay, siêu thị, thì người ta sẽ dùng các trạm pico để chuyển tiếp sóng từ các anten ngoài trời vào

2.3.2 Tính toán bán kính phủ sóng của cell

Bán kính phủ sóng của cell được tình toán thông qua các thông số sau:

Lưu lượng của một thuê bao là:

Tu = μ H (2.4) Lưu lượng của mạng là:

N trong một Cluster Nếu N càng lớn, khoảng cách sử dụng lại tần số càng lớn và ngược lại

D = R √3 √N (2.9) Với N: cluster size

R: bán kính của cell

Ba kiểu mẫu sử dụng lại tần số thường dùng là: 3/9, 4/12 và 7/21

2.4.1.2 Các phương pháp phân chia tần số

1 Phương pháp chia tần số cố định FCA (Fixed Channel Assignment)

Trong phương thức sử dụng lại tần số toàn bộ băng tần được sử dụng cho một vùng địa lý cluster (nhất định), mà chưa đề cập đến việc phân chia tần số cụ thể như thế nào trong một cluster đó Một cách kinh điển và dễ dàng người ta nghĩ ngay tới việc phân bố băng tần đồng đều và cố định, phương thức này gọi là hình thức phân kênh cố định FCA (Fixed Channel Assignment)

Phương pháp phân chia tần số cố định FCA được hiểu là: hình thức mà toàn bộ băng tần chia đều cho các cell trong một cluster, mỗi cell giữ cố định lượng tần số này trong suốt thời gian làm việc, đồng nghĩa với việc

BW = F1+ F2 + F3 + + Fn (2.10)

F1 = F2 = F3 = = Fn (2.11)

Phương pháp phân chia tần số cố định FCA được mô tả trong Hình 2-7