Sử dụng tần số trong mạng GSM và UMTS

Sử dụng tần số trong mạng GSM và UMTS

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG

SỬ DỤNG TẦN SỐ TRONG MẠNG GSM VÀ UMTS

Giảng viên:

TS Đỗ Trọng Tuấn STN ĐTVT K56

Hà Nội, ngày 4/5/2015

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG BIỂU

100 KHz

DOWNLINKChannel n

Channel 1

200 KHz

100 KHz

UPLINKChannel n

Channel 1

200 KHzKhoảng cách ghép song công

di động với một khoảng cách ghép song công Tần số DOWNLINK lớn hơn tần sốUPLINK, giữa hai dải tần có một dải ngăn cách ∆ được tính bằng hiệu của tần sốnhỏ nhất dải DOWNLINK và tần số lớn nhất dải UPLINK Độ rộng dải tần

UPLINK và DOWNLINK lần lượt là và với Mỗi dải được chiathành N kênh với độ rộng mỗi kênh 200kHz, ta có :

Các kênh được đánh số kênh gọi là ARFCN (Absolute Radio FrequencyChannel Number) Từ chỉ số kênh ARFCN này ta có thể tính được tần số hoạt độngtrung tâm của kênh Người ta dành ra 100 kHz ở đầu và cuối mỗi dải để làm khoảngbảo vệ

Khoảng cách ghép song công là hiệu tần số DOWNLINK và UPLINK của cùng

1 kênh

Thông thường người ta sử dụng hai băng tần GSM chính là GSM 900 và GSM

1800, ở Việt Nam hiện nay cũng dùng hai băng tần này

Ngoài ra, một số nước châu Mỹ còn sử dụng dụng băng GSM 850 và GSM

1900 do hai băng tần GSM 900 và GSM 1800 đã được sử dụng cho mục đích khác.Dưới đây, ta sẽ đi tìm hiểu một cách chi tiết hơn hai băng tần GSM 900 vàGSM 1800

2. Băng tần GSM 900

Dải tần sử dụng 890 – 960 MHz, trong đó dải UPLINK 890 – 915 MHz, dảiDOWNLINK 935 – 960 MHz Như vậy:

- Độ rộng mỗi dải tần là 25MHz

- Khoảng cách giữa UPLINK và DOWNLINK là 935 – 915 = 20 MHz

- Khoảng cách ghép song công 45 MHz

- Số kênh tần số

kênh

- Các kênh được đánh số ARFCN từ 1 đến 124

- Tần số trung tâm của kênh được tính theo công thức:

- Khoảng cách giữa UPLINK và DOWNLINK là 1805 – 1785 = 20 MHz.

- Khoảng cách ghép dsong công 95 MHz

- Số kênh tần số

kênh

- Các kênh được đánh số ARFCN từ 512 – 885

- Tần số trung tâm của kênh được tính theo công thức:

- Vinaphone: kênh 512 – 578

- Viettel:

Như vậy, ta thấy rằng tần số là một tài nguyên có hạn nên cần phải được sửdụng sao cho có hiệu quả Dưới đây ta khảo sát một phương pháp giúp cho việc sửdụng nguồn tài nguyên tần số có hạn này một cách hiệu quả đồng thời đáp ứng đượcnhu cầu sử dụng cao trong thực tế - phương pháp tái sử dụng tần số trong mạngGSM

II Tái sử dụng tần số trong mạng GSM

1. Tái sử dụng tần số là gì?

Đó là việc sử dụng lại tần số ở các ô tế bào khác nhau trong mạng GSM khi màkhoảng cách giữa các ô tế bào đó đủ lớn để nhiễu đồng kênh đủ nhỏ

Chính việc sử dụng lại tần số làm tăng dung lượng hệ thống

2. Tại sao cần phải tái sử dụng tần số?

Lấy một ví dụ với băng tần GSM 900

Hình 2: Đa truy nhập trong mạng GSM 900

Cùng kênh

Số kênh tần số là 124 kênh Trên mỗi kênh lại thực hiện đa truy nhập theo thờigian TDMA, mỗi khung gồm 8 khe thời gian Giả sử trong mỗi khung cần dành ra 1khe thời gian cho điểu khiển, như vậy mỗi khung chỉ còn 7 khe thời gian phục vụcho việc tạo kênh thoại Như vậy nếu không thực hiện tái sử dụng tần số thì tổng sốthuê bao có thể liên lạc tối đa tại một thời điểm là:

thuê bao

Tương tự với mạng GSM 1800 với 374 kênh tần số, tổng số thuê bao có thể liênlạc tối đa khi không thực hiện tái sử dụng tần số ( với các giả thiết như trên vớiGSM 900):

thuê bao

Con số này chắc chắn không thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng thực tế có thểlên đến hàng triệu thuê bao sử dụng

Do đó, việc tái sử dụng tần số trong thực tế là rất quan trọng

3. Tổng quan phương pháp tái sử dụng tần số trong mạng GSM

Hình 3: Tổng quan tái sử dụng tần số trong mạng GSM

Ví dụ : Chia băng tần thành 3 nhóm kênh vô tuyến, phát trên các tế bào khôngliền kề (cùng màu) Giả sử băng tần GSM 900 : mỗi tế bào phục vụ được 868/3thuê bao Vùng phục vụ có khoảng 100 BTS :

=> phục vụ 100 = 29 000 thuê bao >> 868 thuê bao tại một thời điểm

4. Một số yêu cầu của việc tái sử dụng tần số

 Nhiễu kênh lân cận

C/A là tỉ số cường độ tín hiệu sóng mang ở ô tế bào hiện tại trên cường độ tínhiệu thu được của các kênh khác lân cận (2 kênh lân cận)

Điều kiện C/A > - 9dB

Hình 4: Đồ thị nhiễu kênh lân cận

 Nhóm sử dụng

Là một nhóm các cell, không được tái sử dụng tần số trong một nhóm

Nhà khai thác mạng được giấy phép sử dụng một số có hạn các tần số vô tuyến.Việc quy hoạch tần số, ta phải sắp xếp thích hợp các tần số vô tuyến vào một nhómsao cho các nhóm sử dụng lại tần số mà không bị nhiễu quá mức

 Cự ly sử dụng lại tần số

2 tế bào tương ứng của 2 nhóm kề nhau phải

cách nhau một cự ly đủ lớn để nhiễu giao

thoa đồng kênh có thể chấp nhận được

Hình 6 mô tả cách phủ sóng bằng mảng mẫu gồm 7 cell đơn giản

Hình 6: Mảng mẫu gồm 7 cells

 Cự ly dùng lại tần số

Hình 5: Cự ly sử dụng lại tần số

Ta biết rằng sử dụng lại tần số ở các cell khác nhau thì bị giới hạn bởi nhiễuđồng kênh C/I giữa các cell đó nên C/I sẽ là một vấn đề chính cần được quan tâm.

Dễ dàng thấy rằng, với một kích thước cell nhất định, khoảng cách sử dụng lạitần số phụ thuộc vào số nhóm tần số N Nếu N càng lớn, khoảng cách sử dụng lạitần số càng lớn và ngược lại

Ta có công thức tính khoảng cách sử dụng lại tần số:

P là vị trí của MS thuộc cell A, chịu ảnh hưởng nhiễu kênh chung từ cell B là lớnnhất.

Tỉ số C/I (dB)x

Bảng 1: Quan hệ N & C/I

Để xác định vị trí của các cell đồng kênh ta sử dụng công thức:

N = i2 + i.j + j2 (i; j nguyên)

Theo công thức này: di chuyển từ cell thứ nhất đi i cell theo một hướng, sau đóquay đi 600 và di chuyển đi j cell theo hướng này Hai cell đầu và cuối của quá trình dichuyển này la hai cell đồng kênh

Phân bố tỉ số C/I cần thiết để hệ thống có thể xác định số nhóm tần số N mà ta cóthể sử dụng Nếu toàn bộ số kênh quy định ∑ được chia thành N nhóm thì mỗi nhóm sẽchứa (∑ /N) kênh Vì tổng số kênh ∑ là cố định nên số nhóm tần số N nhỏ hơn sẽ dẫnđến nhiều kênh hơn ở một nhóm và một đài trạm Vì vậy, việc giảm số lượng các nhómtần số sẽ cho phép mỗi đài trạm tăng lưu lượng nhờ đó sẽ giảm số lượng các đài trạmcần thiết cho tải lưu lượng định trước.

2. Các mẫu sử dụng tần số

Ký hiệu tổng quát của mẫu sử dụng lại tần số: Mẫu M /N

Trong đó: M = tổng số sites trong mảng mẫu

N = tổng số cells trong mảng mẫu

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

 Mẫu tái sử dụng tần số 3/9:

Mẫu tái sử dụng lại tần số 3/9 có nghĩa các tần số sử dụng được chia thành 9 nhómtần số ấn định trong 3 vị trí trạm gốc (Site) Mẫu này có khoảng cách giữa các trạmđồng kênh là D = 5,2R

Các tần số ở mẫu 3/9 (giả thiết có 41 tần số từ các kênh 84 đến 124 - là số tần số

Ta thấy mỗi cell có thể phân bố cực đại đến 5 sóng mang.

Như vậy, với khái niệm về kênh như đã nói ở phần trước thì phải dành một khe thờigian cho BCH, một khe thời gian cho SDCCH/8 Vậy số khe thời gian dành cho kênhlưu lượng của mỗi cell còn (5 x 8 – 2) = 38 TCH

Tra bảng Erlang-B (Phụ lục), tại GoS 2 % thì một cell có thể cung cấp dung lượng29,166 Erlang

Giả thiết trung bình mỗi thuê bao trong một giờ thực hiện 1 cuộc gọi kéo dài 120stức là trung bình mỗi thuê bao chiếm 0,033 Erlang, thì mỗi cell có thể phục vụ được29,166/0,033 = 833 (thuê bao)

Hình 9: Mẫu tái sử dụng lại tần số 3/9

Theo lý thuyết, cấu trúc mảng 9 cells có tỉ số C/I > 9 dB đảm bảo GSM làm việcbình thường

Tỉ số C/A cũng là một tỉ số quan trọng và người ta cũng dựa vào tỉ số này để đảmbảo rằng việc ấn định tần số sao cho các sóng mang liền nhau không nên được sử dụng

ở các cell cạnh nhau về mặt địa lý

Tuy nhiên, trong hệ thống 3/9 các cell cạnh nhau về mặt địa lý như A1 & C3, C1 &A2, C2 & A3 lại sử dụng các sóng mang liền nhau Điều này chứng tỏ rằng tỉ số C/Ađối với các máy di động hoạt động ở biên giới giữa hai cell A1 và C3 là 0dB, đây làmức nhiễu cao mặc dù tỉ số này là lớn hơn tỉ số chuẩn của GSM là (- 9 dB) Việc sửdụng các biện pháp như nhảy tần, điều khiển công suất động, truyền dẫn gián đoạn lànhằm mục đích giảm tối thiểu các hiệu ứng này

Ta thấy mỗi cell có thể phân bố cực đại là 4 sóng mang

Như vậy, với khái niệm về kênh như đã nói ở phần trước, một khe thời gian dànhcho kênh BCH, một khe thời gian dành cho kênh SDCCH/8 Vậy số khe thời gian dànhcho kênh lưu lượng của mỗi cell còn (4 x 8 – 2) = 30 TCH Tra bảng Erlang-B ( Phụ lục

thuê bao chiếm 0,033 Erlang thì mỗi cell có thể phục vụ được 21,932/0,033 = 664 thuêbao.

Trong mẫu 4/12 số lượng các cell D sắp xếp theo các cách khác nhau để nhằm phục

vụ cho các cell A,B,C Hiệu quả của việc điều chỉnh này là để đảm bảo hai cell cạnhnhau không sử dụng hai sóng mang liền nhau (khác với mẫu 3/9) Với mẫu này, khoảngcách tái sử dụng tần số là lớn hơn

Hình 10: Mẫu tái sử dụng lại tần số 4/12

Về lý thuyết, cụm 12 cells có tỉ số C/I > 12 dB Đây là tỉ số thích hợp cho phép hệthống GSM hoạt động tốt Tuy nhiên, mẫu 4/12 có dung lượng thấp hơn so với mẫu 3/9vì:

a) Số lượng sóng mang trên mỗi cell ít hơn (mỗi cell có 1/12 tổng số sóng mangthay vì 1/9)

b) Hệ số sử dụng lại tần số thấp hơn (đồng nghĩa với khoảng cách sử dụng lại là lớnhơn)

Hình 11: Mẫu tái sử dụng tần số 7/21

Ta thấy mỗi cell chỉ được phân bố tối đa 2 sóng mang

Như vậy với khái niệm về kênh như đã nói ở phần trước Phải có một khe thời giandành cho BCH và có ít nhất một khe thời gian dành cho SDCCH, số khe thời gian dànhcho kênh lưu lượng của mỗi cell còn (2 x 8 – 2) = 14 TCH Tra bảng Erlang-B (Phụlục), tại GoS = 2 % thì mỗi cell có thể cung cấp một dung lượng 8,2003 Erlang Giả sửmỗi thuê bao chiếm 0,033 Erlang, như vậy một cell có thể phục vụ được 8,2003/0,033 =

248 thuê bao

Nhận xét:

Khi số nhóm tần số N giảm (21, 12, 9), nghĩa là số kênh tần số có thể dùng cho mỗitrạm (∑ /N) tăng thì khoảng cách giữa các trạm đồng kênh D sẽ giảm 7,9R; 6R; 5,2R.Điều này nghĩa là số thuê bao được phục vụ sẽ tăng lên là: 248; 664 và 883, nhưng đồngthời nhiễu trong hệ thống cũng tăng lên

Như vậy, việc lựa chọn mẫu sử dụng lại tần số phải dựa trên các đặc điểm địa lývùng phủ sóng, mật độ thuê bao của vùng phủ và tổng số kênh ∑ của mạng

− Mẫu 3/9: số kênh trong một cell là lớn, tuy nhiên khả năng nhiễu cao Mô hìnhnày thường được áp dụng cho những vùng có mật độ máy di động cao

− Mẫu 4/12: sử dụng cho những vùng có mật độ lưu lượng trung bình

− Mẫu 7/21: sử dụng cho những khu vực mật độ thấp

Phần 2: Sử dụng tần số trong mạng UMTS

I Tổng quan về hệ thống 3G và UMTS

Mạng 3G (Third-generation technology) là thế hệ thứ ba của chuẩn công nghệđiện thoại di dộng, được xây dựng với mục đích cung cấp một mạng di động toàncầu với các dịch vụ phong phú bao gồm thoại, nhắn tin, Internet và dữ liệu băngrộng Điểm mạnh của công nghệ này so với công nghệ 2G và 2.5G là cho phéptruyền, nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định

và thuê bao di động ở các tốc độ khác nhau Với công nghệ 3G, các nhà cung cấpdịch vụ có thể mang đến cho khách hàng các dịch vụ đa phương tiện như âm nhạcchất lượng cao; hình ảnh video chất lượng và truyền hình số; các dịch vụ định vịtoàn cầu (GPS); E-mail …

ITU (International Telecommunication Union) đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hóa hệthống thông tin di động thế hệ ba với tên gọi IMT-2000 để đạt được các mục tiêuchính sau đây:

 Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy cập internetnhanh hoặc các ứng dụng đa phương tiện, do yêu cầu ngày càng tăng về cácdịch vụ này

 Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân toàn cầu và điệnthoại vệ tinh Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ củacác hệ thống thông tin di động

 Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự pháttriển liên tục của thông tin di động

Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ ba đã được IMT-2000 đềxuất, trong đó hai hệ thống WCDMA UMTS và CDMA-2000 đã được ITU chấpthuận và đã được đưa vào hoạt động Các hệ thống này đều sử dụng công nghệCDMA điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyếncủa hệ thống thông tin động thế hệ ba

UMTS là một bước tiến vượt bậc so với GSM về tốc độ truyền dữ liệu và dunglượng Mặc dù giữ nguyên hệ thống core của GSM nhưng nó sử dụng công nghệtruy nhập vô tuyến WCDMA với kích thước kênh lớn hơn (5 MHz so với 200 kHzcủa GSM) UMTS hỗ trợ đa dịch vụ chất lượng tốt hơn và tốc độ truyền dữ liệu caohơn Tốc độ truyền dữ liệu gói tối đa của UMTS là 14Mbps trong khi tốc độ truyền

dữ liệu tối đa của chuyển mạch kênh là 384kbps Về phía người dùng UMTS hỗ trợdịch vụ HSDPA và HSUPA để nâng cao tốc độ riêng cho đường down link và uplink

II Cấu trúc mạng UMTS

Mạng UMTS bao gồm 2 tầng, tầng truy nhập và tầng không truy nhập Tầngkhông truy nhập thực hiện chuyển mạch và định tuyến lưu lượng chuyển mạch kênh

và chuyển mạch gói Tầng truy nhập thực hiện truy cập vô tuyến và điều khiểnnguồn tài nguyên vô tuyến

Hình 12: Kiến trúc UMTS

Một mạng UMTS bao gồm ba phần: thiết bị di động (UE: User Equipment),mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial RadioNetwork), mạng lõi (CN: Core Network)

 UE bao gồm ba thiết bị: thiết bị đầu cuối (TE), thiết bị di động (ME) vàmodule nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subscriber IdentityModule)

 UTRAN gồm các hệ thống mạng vô tuyến (RNS: Radio Network System)

và mỗi RNS bao gồm RNC (Radio Network Controller: bộ điều khiển mạng

vô tuyến) và các nút B nối với nó

 Mạng lõi CN bao gồm miền chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói và HE(Home Environment: Môi trường nhà) HE bao gồm các cơ sở dữ liệu: AuC(Authentication Center: Trung tâm nhận thực), HLR (Home LocationRegister: Bộ ghi định vị thường trú) và EIR (Equipment Identity Register:

Bộ ghi nhận dạng thiết bị)

1. Thiết bị người sử dụng

UE (User Equipment: thiết bị người sử dụng) là đầu cuối mạng UMTS của

triển của nó sẽ ảnh hưởng lớn lên các ứng dụng và các dịch vụ khả dụng Giá thànhgiảm nhanh chóng sẽ tạo điều kiện cho người sử dụng mua thiết bị của UMTS Điềunày đạt được nhờ tiêu chuẩn hóa giao diện vô tuyến và cài đặt mọi trí tuệ tại các cardthông minh.

a) Các đầu cuối

Đầu cuối hỗ trợ hai giao diện Giao diện Uu định nghĩa liên kết vô tuyến (giaodiện WCDMA) Nó đảm nhiệm toàn bộ kết nối vật lý với mạng UMTS Giao diệnthứ hai là giao diện Cu giữa UMTS IC card (UICC) và đầu cuối Giao diện này tuântheo tiêu chuẩn cho các card thông minh

Các nhà sản xuất đầu cuối phải tuân theo một tập tối thiểu các định nghĩa tiêuchuẩn để các người sử dụng bằng các đầu cuối khác nhau có thể truy nhập đến một

số các chức năng cơ sở theo cùng một cách Các tiêu chuẩn này gồm:

• Bàn phím (các phím vật lý hay các phím ảo trên màn hình)

• Đăng ký mật khẩu mới

• Thay đổi mã PIN

• Giải chặn PIN/PIN2 (PUK)

• Trình bày IMEI

• Điều khiển cuộc gọi

Các phần còn lại của giao diện sẽ dành riêng cho nhà thiết kế và người sử dụng

sẽ chọn cho mình đầu cuối dựa trên hai tiêu chuẩn (nếu xu thế 2G còn kéo dài) làthiết kế và giao diện Giao diện là kết hợp của kích cỡ và thông tin do màn hình cungcấp (màn hình nút chạm), các phím và menu

USIM chứa các hàm và số liệu cần để nhận dạng và nhận thực thuê bao trongmạng UMTS Nó có thể lưu cả bản sao hồ sơ của thuê bao.

Người sử dụng phải tự mình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mã PIN.Điểu này đảm bảo rằng chỉ người sử dụng đích thực mới được truy nhập mạngUMTS Mạng sẽ chỉ cung cấp các dịch vụ cho người nào sử dụng đầu cuối dựa trênnhận dạng USIM được đăng ký

2. Mạng truy nhập vô tuyến UMTS

UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network: Mạng truy nhập vô tuyếnmặt đất UMTS) là liên kết giữa người sử dụng và CN (Core Network: Mạng lõi) Nógồm các phần tử đảm bảo các cuộc truyền thông UMTS trên vô tuyến và điều khiểnchúng

UTRAN được định nghĩa giữa hai giao diện Giao diện Iu giữa UTRAN và CN,gồm hai phần: IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miền chuyển mạchkênh; giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người sử dụng Giữa hai giao diện này

là hai nút, RNC và nút B

a) RNC

Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC (Radio Network Controller) chịu tráchnhiệm cho một hay nhiều trạm gốc và điều khiển các tài nguyên của chúng Đâycũng chính là điểm truy nhập dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho CN Nó được nốiđến CN bằng hai kết nối, một cho miền chuyển mạch gói (đến GPRS) và một đếnmiền chuyển mạch kênh (MSC)

Một nhiệm vụ quan trọng nữa của RNC là bảo vệ sự bí mật và toàn vẹn Sau thủtục nhận thực và thỏa thuận khóa, các khoá bảo mật và toàn vẹn được đặt vào RNC.Sau đó các khóa này được sử dụng bởi các hàm an ninh f8 và f9

RNC có nhiều chức năng logic tùy thuộc vào việc nó phục vụ nút nào Người sửdụng được kết nối vào một RNC phục vụ (SRNC: Serving RNC) Khi người sử dụngchuyển vùng đến một RNC khác nhưng vẫn kết nối với RNC cũ, một RNC trôi(DRNC: Drift RNC) sẽ cung cấp tài nguyên vô tuyến cho người sử dụng, nhưngRNC phục vụ vẫn quản lý kết nối của người sử dụng đến CN Khi UE trong chuyểngiao mềm giữa các RNC, tồn tại nhiều kết nối qua Iub và có ít nhất một kết nối quaIur Chỉ một trong số các RNC này (SRNC) là đảm bảo giao diện Iu kết nối vớimạng lõi còn các RNC khác (DRNC) chỉ làm nhiệm vụ định tuyến thông tin giữacác Iub và Iur Chức năng cuối cùng của RNC là RNC điều khiển (CRNC: Control