cấu trúc và các thành phần mạng gsm

LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, thông tin liên lạc đã trở thành một nhu cầu quan trọng trong cuộc sống của con người, và mạng lưới thông tin ngày nay được mở rộng cả về số lượng và chất lượng. Nghành bưu chính viễn thông nói chung đã đạt được những thành tựu vượt bậc, phục vụ kịp thời nhu cầu sử dụng của khách hàng. Từ kỹ thuật analog ngày nay công nghệ viễn thông đã được số hoá hoàn toàn. Đặc biệt là hệ thống thông tin di động phát triển rất mạnh mẽ, tỉ lệ máy điện thoại di động so với máy điện thoại cố định ngày càng cao, chứng tỏ tính ưu việt của hệ thống này ngày càng được khẳng định trải qua nhiều hệ thống thông tin di động ngày nay đã có nhiều tiến bộ đáng kể. GSM là hệ thống thông tin di động toàn cầu được sử dụng rộng rãi ở các nước. Điên thoại di động ( MS) là máy thuê bao liên lạc với mạng thông tin di động thông qua môi trường vô tuyến hai chiều, dù thuê bao đó ở bất kỳ đâu trong vùng phủ sóng của mạng, và mạng này được kết nối với các mạng thông tin khác. Vùng phủ sóng của mạng di động được cấu trúc về mặt đại lý, đơn vị nhỏ nhất của cấu trúc đó gọi là cell. Mỗi cell có một đài thu phát vô tuyến gốc( BTS) để có thể liên lạc vô tuyến tới tất cả các thuê bao khác của mạng, kể cả khi thuê bao đó đang di chuyển tõ cell này sang cell kia vẫn đảm bảo liên tục cho cuộc gọi. Ở Việt Nam mạng GSM mới hình thành song nã đã phát triển rất nhanh, đã phủ sóng đến 61 tỉnh thành trong cả nước, đã góp phần không nhỏ vào công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Tính đến đầu năm 2001 sè thuê bao đã vượt mức dự kiến. Trước tình hình như vậy, việc nghiên cứu mạng thông tin di động GSM là cần thiết nhằm ứng dụng nã trong điều kiện cụ thể ở Việt Nam. Tuy nhiên để có được chất lượng phục vụ tốt cho nhu cầu thông tin di động việc nghiên cứu, tìm hiểu những kỹ thuật về thông tin di động là điều rất cần thiết. Bản đồ án tốt nghiệp này nhằm mục đích giới thiệu tổng quan về mạng thông tin di động sè GSM đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới với tiêu chuẩn chung được ETSI ( Eroplan Telecommunication Standard Institude) quy định. Nội dung bản đồ án gồm 2 phần chính: Phần I : Giới thiệu tổng quan mạng GSM Phần II: Quy hoạch ô Tuy nhiên vì thời gian có hạn cũng như kỹ năng thực tế còn hạn chế nên bản đồ án này khó tránh khỏi những sai sót, em rất mong quý các thầy cô giáo quan tâm thông cảm và góp ý để bản đồ án của em ngày càng được hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo : Vò Quý Điềm và toàn thể các bạn đã giúp đỡ em rất nhiều để em có thể hoàn thành bản đò án này đúng thời gian quy định. Hà nội, Ngày1 tháng 5 năm 2003 Sinh viên : Lê Thị Thuỷ Phần I Tổng quan về thông tin di động Chương I Lịch sử dịch vụ thông tin di động và giới thiệu về đặc tính, tính năng của mạng thông tin di động sè GSM 1.1 LỊCH SỬ DỊCH VỤ THÔNG TIN DI ĐỘNG Hệ thống thông tin di động từ lâu đã là một khát khao lớn lao của con người. Khao khát này chỉ có thể trở thành hiện thực ngay sau khi kỹ thuật thông tin bằng sóng vô tuyến ra đời vào cuối thế kỷ 19. Tuy nhiên việc đưa hệ thống thông tin vào phục vụ công cộng chỉ được thực hiện sau chiến tranh thế giới lần thứ 2. Do sù phát triển của công nghệ điện tử cùng với nhu cầu đòi hỏi của con người ngày càng tăng cao, mạng thông tin di động ngày càng được phổ biến và độ tin cậy ngày càng cao. Mạng viễn thông tổ ong là mét trong các ứng dụng của kỹ thuật viễn thông có nhu cầu lớn nhất và phát triển nhanh nhất. Ngày nay nã được ứng dụng rất rộng rãi, chiếm số phần trăm lớn và không ngừng tăng trong toàn bộ các thuê bao trên thế giới. Trong tương lai lâu dài các hệ thống tổ ong sử dụng kỹ thuật số đầy triển vọng sẽ trở thành phương thức thông tin vạn năng. Thông tin di động được sử dụng đầu tiên cho nghiệp vụ cảnh sát từ những năm 20, qua các thế hệ và nó được phát triển rất mạnh mẽ trong giai đoạn hiện nay. Quá trình phát triển của mạng thông tin di động như sau: * Thế hệ thứ nhất: Sau năm 1946 khả năng phục vụ nhá, giá cả đắt , chất lượng không cao (thế hệ này là thông tin di động tương tự FDMA, đặc trưng là: NMT, AMPS). * Thế hệ thứ 2: Là thông tin di động sè ( 1970- 1979). Cùng với sự phát triển của MicroProcessor đã mở cửa cho việc thực hiện một hệ thống phức tạp hơn. Nhưng về vùng phủ sóng của anten phát của các trạm di động còn bị hạn chế, do đố hệ thống được chia thành các trạm phát và có thể dùng nhiều trạm thu cho mét trạm phát. * Thế hệ thứ ba: Là mạng tổ ong tương tự ( 1979 – 1990) mét trong các ứng dụng viễn thông có nhu cầu lớn nhất và phát triển nhanh nhất. Các trạm thu phát được đặt theo hình tổ ong, mỗi ô là mét cell(Cell – dùng để chỉ vùng diện tích quản lý, trên sơ đồ quản lý quy hoạch mạng, cell có hình dạng một ô tổ ong hình lục giác, trong mét cell có một độ dài vô tuyến gốc BTS). Mạng này cho phép sử dụng lại tần số , cho phép chuyển giao giữa các vùng trong cuộc gọi. * Thế hệ thứ tư: Là thế hệ dựa trên kỹ thuật truyền dẫn sè + GSM ( Groupe Special Mobile hay Global System for Mobile Communication – Nhèm đặc trách di động hay hệ thống thông tin di động toàn cầu) với tiêu chuẩn viến thông tổ ong sè toàn Châu Âu mới, sẽ giải quyết sự hạn chế dung lượng như hiện nay. Thực chất dung lượng sẽ tăng 2 –3 lần nhờ việc sử dụng tần số tốt hơn và kỹ thuật ô nhá, do vậy số thuê bao được phục vụ sẽ tăng lên. Hệ thống này được đưa vào hoạt động ở Châu Âu năm 1982. Ngoài tính năng lưu động quốc tế, tiêu chuẩn GSM còn cung cấp một sè tính năng như thông tin số liệu tốc độ cao, faxcimile và dịch vụ báo ngắn. Tiêu chuẩn GSM được thiết kế để hợp với ISDN và tương thích với môi trường di động. DCS ( Digital Cellular System) dựa trên mạng GSM sử dụng tần số 1800 MHz. CDMA ( Code Division Multiple Access) sẽ được đưa vào hoạt động trong tương lai Các mạng điển hình là: + AMPS ( Advance Mobile Telephone System) là hệ thống điện thoại di động tương tự của các nước Bắc Âu (1981) + TACS ( Total Access Communication System) nhận được tõ AMPS đã được lắp đặt ở Anh năm 1985. Đó là những hệ thống có chất lượng, dung lượng và vùng phủ đa dạng. Song do yêu cầu ngày càng cao, vượt qua dự tính nên cần có một hệ thống chung cho toàn Châu Âu và tương lai được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Ngày nay, hầu hết tất cả các nước Châu Âu đều có một hoặc nhiều mạng tổ ong. Tất cả những hệ thống tế bào này đều dựa trên việc truyền âm tương tự bằng điều tần. Họ thường dùng băng tần xung quanh tần số 450 MHz hoặc 900 MHz, vùng phủ thường là vùng rộng với số lượng thuê bao lên đến hàng trăm ngàn. 1.2. MẠNG THễNG TIN DI ĐỘNG SỐ GSM Tõ năm 1980 sau khi hệ thống NMT ( Norie Mobile Telephone - điện thoại di động Bắc Âu) đẫ được đưa vào hoạt động một cách thành công, thì nã còng biểu hiện mét sè hạn chế sau đây: Thứ nhất: Do yêu cầu về dịch vụ di động quá lớn so với con số mong muốn của các nhà thiết kế hệ thống. Do đó hệ thống này không được đáp ứng. Thứ hai: Các hệ thống khác nhau đang hoạt động không phù hợp với nguồn dùng trong mạng di động. Thứ ba: Nếu thiết kế một mạng lớn cho toàn Châu Âu thì không có một nước nào có thể đáp ứng được vì vốn đầu tư quá lớn. Tất cả những điều đó dẫn đến một yêu cầu là cần phải thiết kế một hệ thống mới, được làm theo kiểu chung để có thể đáp ứng được cho nhiều nước trên thế giới. Trước tình hình đó, vào tháng 09/ 1997 trong Hội nghị cuả Châu Âu về Bưu chính – Viễn thông, 17 quốc gia đang sử dụng điện thoại di động đã hội nghị và ký vào một biên bản ghi nhớ làm nền tảng cho mét mạng thông tin di động số toàn Châu Âu( ETSI – European Telecommunications Standard Institure) đã thành lập nhóm đặc trách về thông tin di động sè GSM . Nhóm này có nhiệm vụ đưa ra tiêu chuẩn thống nhất cho hệ thống thông tin di động sè GSM dưới hình thức các khuyến nghị, lấy các tiêu chuẩn này làm cơ sở cho việc xây dựng các mạng thông tin di động và làm cho chóng thống nhất, tương thích với nhau. * Về mặt kỹ thuật: Mét số mục đích của hệ thống sáng tỏ mét trong những mục đích Êy là hệ thống cần cho phép chuyển vùng tự do với các thuê bao trong Châu Âu, có nghĩa là một thuê bao của các nước này có thể thâm nhập sang mét mạng của các nước khác khi di chuyển qua biên giới. Trạm di động GSM – MS (MobileStation) phải tạo cho người dùng gọi hoặc bị gọi được trong vùng phủ sóng Quốc tế. Các chỉ tiêu phục vụ: Hệ thống được thiết kế sao cho MS có thể được dùng trong tất cả các nước có mạng. Cùng với phục vụ thoại hệ thống phải cho phép sù linh hoạt lớn nhất cho các loại dịch vụ khác liên quan đến mạng liên kết số liệu đa dịch vụ ISDN ( Intergrated Services Digital Netword) . Tạo một hệ thống có thể phục vụ cho các MS trên các tàu viễn dương như một mạng mở rộng của các dịch vụ di động mặt đất * Về chất lượng phục vụ an toàn và bảo mật: - Chất lượng của tiếng thoại trong GSM phải Ýt nhất có chất lượng các hệ thống di động tương tự trước đó trong điều kiện thực tế. - Hệ thống có khả năng mật mã hoá thông tin người dùng mà không ảnh hưởng gì đến hệ thống, cũng như không ảnh hưởng đến thuê bao khác không dùng đến khả năng này. * Về mặt sử dụng tần số: - Hệ thống cho phép khả năng sử dụng dải tần đạt hiệu quả cao để có thể phuc vô ở cả vùng thành thị lẫn vùng nông thôn cũng như các dịch vụ phát triển. Dải tần số hoạt động 800 ÷ 960 MHz - Hệ thống GSM 900 phải có thể cùng tồn tại với các hệ thống dùng 900 MHz trước đây. * Về mạng: - Kế hoạch nhận dạng dựa trên khuyến nghị của CCITT ( Comite Consultatif International de Telegraphique et Telephonique). - Kế hoạch đánh số dựa trên khuyến nghị của CCITT. - Hệ thống phải cho phép cấu trúc và tỷ lệ tính cước khác nhau khi dùng trong các mạng khác nhau. - Trung tâm chuyển mạch và các thanh ghi định vị phải dùng hệ thống báo hiệu đã được tiêu chuẩn hoá Quốc tế. 1.3. HỆ THỐNG TỔ ONG GSM ( GSM CELLULAR SYSTEM) Mạng thông tin di động là mạng không dây, các thuê bao là di động do đó có hai vấn đề được đặt ra là: * Quản lý di động( MM- Mobile Managment). * Quản lý tiềm năng vô tuyến ( RM – Radio Resouce Management). Việc quản lý di động được tổ chức theo mạng PLMN ( Public Land Mobile Networrd – Mạng di động công cộng mặt đất). Nói một cách tổng quát thì PLMN hợp tác với các mạng cố định để thiết lập cuộc gọi, PLMN cung cấp cho các thuê bao ( người dùng) khả năng truy cập vào mạng thông tin toàn cầu tõ MS đến MS, vì MS di động không hạn chế cho nên điểm truy cập thay đổi buộc PLMN phải quản trị di động vì đường truyền dẫn biến đổi ngẫu nhiên, nên PLMN phải quản trị vô tuyến. Tuy nhiên, PLMN chia thành nhiều ô vô tuyến nhỏ có bán kính tõ 350m đến 35km, kích thước trên phụ thuộc vào cấu hình và lưu lượng thông tin. Mỗi ô vô tuyến tương ứng với một trạm thu phát cơ sở ( BTS - Base Tranceiver Station) tuỳ theo cấu tạo của anten, ta có hai loại BTS:+ BTS Omnidirectional với anten vô hướng, nó bức xạ ra ngoài không gian với góc định hướng là 360 + BTS Omnidirectional víi anten v« híng, nã bøc x¹ ra ngoµi kh«ng gian víi gãc ®Þnh híng lµ 360 0 . + BTS Sector với hai hoặc ba anten định hướng 180 0 hoặc 120 0 các ô vô tuyến này được sắp xếp theo dạng tổ ong (hình vẽ I.1) vì nó dựa vào các lý do sau: Hình I.1: Dạng tổ ong Hình 1.1: Dạng tổ ong Thứ nhất: chúng ta đều biết rằng việc truyền lan của sóng điện từ cú mét sè đặc điểm: - Phản xạ khi gặp vật cản. - Nhiễu xạ từ các sống cùng tần số. - Tán xạ khi gặp chướng ngại trên đường truyền. - Suy hao trong quá trình truyền sóng. - Do đó không thể phục vụ quá rộng tại một ô, hơn nữa công suất phát của trạm di động cũng bị hạn chế. - Thông tin di động sè celluler đời mới hiện nay sử dụng tần số vụ tuyến tõ 800 MHz trở lên. Với tần số này và giả thiết nguồn phát đặt trong mét không gian tự do truyền sóng lý tưởng, suy hao đường truyền sẽ tỷ lệ thuận với bình phương cự ly. Vậy suy hao đường truyền trong thông tin di động celluler tỷ lệ với xấp xỉ d 4 (ở điều kiện vùng thành phố). Thực tế các máy BTS và MS đều thực hiện tự động điều chỉnh công suất phát để máy thu luôn nhận được công suất tín hiệu cần thiết dù MS ở bất kỳ đâu trong cell. Nhờ vậy, nhiễu lẫn nhau do việc sử dụng lại tần số CCI( Cochanel Interference) được giữ ở mức tối thiểu, và suy hao do mưa cũng bù trừ. Các loại phadinh xảy ra do chướng ngại vật trên đường truyền hoặc trễ đường truyền. Tuy nhiên, phadinh vẫn tồn tại dù đã điều chỉnh công suất phát , cường độ tín hiệu có chỗ giảm mạnh được gọi là chỗ tròng phadinh. Ta đã biết độ nhạy máy thu là giá trị cực tiểu của tín hiệu đầu vào đảm bảo một đầu ra , đảm bảo một hiệu ra quy định. Nếu muốn có đường truyền dẫn không bị gián đoạn bởi phadinh thì việc thiết kế hệ thống di động phải có dự trữ phadinh, nghĩa là giá trị trung bình chung phải lớn hơn độ nhạy máy thu mét lượng bằng chỗ tròng phadinh sâu nhất. Độ nhạy máy thu là mức tín hiệu vào yếu nhất cần thiết cho một tín hiệu raquy định. Khi quy hoạch hệ thống để chống lại phadinh thì giá trị trung bình chung được lấy hơn độ nhạy máy thu lượng YdB bằng chỗ tròng phadinh mạnh nhất YdB được gọi là dự trữ phadinh. Hình I.2: Tín hiệu thu được vẫn bị pha dinh Thứ hai : ( Về dải tần) Các trạm thu phát của cell chưa được cung cấp một tần số giới hạn. Với hệ thống GSM dải tần cơ bản tõ 890 MHz ÷ 960 MHz được chia làm hai băng: + Băng tần lên ( Upbank) dải tần tõ 890 MHz ÷ 915 MHz cho các kênh vô tuyến tõ BTS– MS + Băng tần xuống ( Downbank) dải tần tõ 915MHz ÷ 960MHz cho các kênh vô tuyến tõ MS – BTS. Khoảng cách giữa hai tần số sóng mang của hai kênh liền nhau là 200 KHz. Mỗi kênh sử dụng hai tần số riêng biệt cho đường lên và đường xuống, khoảng cách giữa hai tần số này là 45 MHz . [...]... gii thiu v c tớnh, tớnh nng ca mng thụng tin di ng s GSM3 3 3 1.1 Lch s dch v thụng tin di ng3 3 1.2 Mng thụng tin di ng s GSM5 5 5 1.3 Hệ thống tổ ong GSM (GSM CELLULAR SYSTEM) 7 1.4 Cỏc loi c tớnh v phc v ca GSM1 0 10 1.4.1 Cỏc loi c tớnh ca thụng tin di ng s GSM1 010 10 1.4.2 Cỏc dch v GSM ó c tiờu chun hoỏ 12 12 Chng II Cu trỳc v cỏc thnh phn mng GSM1 4 14 3.3 Nhận dạng thuê bao di động quốc tế (IMSI)... trong GSM 3.1 K HOCH NH S Ton b mng GSM / PLMN c chia thnh cỏc vựng theo k hoch ỏnh s Trong tng vựng cú th tip cn mi thuờ bao bng cỏch quay s thuờ bao SN (SubcriberNumber) Mi thuờ bao thuc mt mng GSM / PLMN c ng ký ti bộ ghi nh v thng trỳ HLR ph thuc vo k hoch lp mng, số HLR cú th ln hn mt cú ngha l s phõn chia u tiờn ca mng s mc HLR cỏc vựng phc v ca MSC/VLR Cú th tỏch riờng cho k hoch ỏnh s cho mng GSM. ..CU : Control Unit Hỡnh 1 3 1.4 CC LOI C TNH V PHC V CA GSM Từ cỏc khuyn ngh ca GSM ta cú th tng hp nờn cỏc c tớnh ch yu sau: - Nh s dng tn s tt hn v k thut ụ nhỏ, dung lng tng lờn 2 ữ 3 ln Giỳp tng s thuờ bao phc v c trong thụng tin thoi v s liu - Sự tng thớch ca cỏc dch v trong GSM vi cỏc dch v ca mng cú sn (PSTN), (ISDN) bi cỏc giao din theo tiờu chun chung - t ng... Trong nc(NDC)(SN) Trong nc(NDC) (SN) Trong nớc(NDC) (SN) (SN trong trng hp ny l a ch ca tng i MSC) MSRN = CC + NDC + SN 3.5 NH NGHA TT C CC S NHN DNG CA MNG * Cỏc s ca GSM /PLMN + S ISDN ca MS (MSISDN) õy l s nhn dng mt ng ký thuờ bao ca GSM / PLMN trong k hoch ỏnh s mng PSTN/ISDN MSISDN = CC + NDC + SN NDC : Mó vựng trong nc SN : S thuờ bao nhn dng thuờ bao CC : Mó quc gia nhn dng nc + S lu ng ca mỏy... bao di ng Quc t (IMSI) õy l trng hp chuyn giao phc tp nht nhiu tớn hiu c trao i trc khi thc hin chuyn gioa Ta xét 2 MSC/VLR Gọi MSC?VLR cũ ( tham gia cuộc gọi trớc khi chuyển giao) là tổng đài phục vụ và MSC/VLR mới là tổng đài đích Tổng đài cũ sẽ gửi yêu cầu chuyển giao đến tổng đài đích sau đó sẽ đảm nhận việc chuẩn bị ghép nối đến BTS mới Sau khi thiết lập đờng mắc nối giữa hai tổng đài, tổng đài... hỡnh ny hi d tha v ng truyn, tuy nhiờn trong trng hp ng ni b hng thỡ ng lu thụng cú th nh tuyn ngc li (hỡnh I.7) - Loa v Micro cú th lp b sung khi khụng nhc mỏy * Cụng sut ch s dng: - Trm di ng MS ca GSM c phõn ra thnh 5 loi vi cụng sut nh danh nh nh sau: Loi 1 20WLp trờn xe xỏch tay20WLp trờn xe xỏch tay 20W Lắp trên xe xách tay Loi 28WLp trờn xe xỏch tay8WLp trờn xe xỏch tay 8W Lắp trên xe . 7 1.4. Các loại đặc tính và phục vụ của GSM1 0 10 1.4.1. Các loại đặc tính của thông tin di động số GSM1 010 10 1.4.2. Các dịch vụ GSM đã được tiêu chuẩn hoá 12 12 Chương II. Cấu trúc và các thành phần. trong vùng phủ sóng của mạng, và mạng này được kết nối với các mạng thông tin khác. Vùng phủ sóng của mạng di động được cấu trúc về mặt đại lý, đơn vị nhỏ nhất của cấu trúc đó gọi là cell. Mỗi. cho đường lên và đường xuống, khoảng cách giữa hai tần số này là 45 MHz . CU : Control Unit Hình 1. 3 1.4. CÁC LOẠI ĐẶC TÍNH VÀ PHỤC VỤ CỦA GSM Tõ các khuyến nghị của GSM ta có thể