Mạng thông tin di động số GSM

Hệ thống thông tin di động từ lâu đ• là một khao khát 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 hai. Do sự 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 một trong các ứng dụng của kỹ thuật viễn thông có nhu cầu lớn nhất và phát triển nhanh nhất. Ngày nay nó được ứng dụng rất rộng r•i, 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 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 nhỏ, giá cả đắt chất lượng không cao (thế hệ này là thông tin di động tương tự FDMA, đặc trưng là: NMT, AMPS).

Phần I Tổng quan về thông tin di động Chơng 1 lịch sử dịch vụ thông tin di động và giới thiệu về đặc tính, tính năng của mạng thông tin di động số GSM 1.1. Lịch sử dịch vụ thông tin di động Hệ thống thông tin di động từ lâu đã là một khao khát lớn lao của con ngời. 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 đa hệ thống thông tin vào phục vụ công cộng chỉ đợc thực hiện sau chiến tranh thế giới lần thứ hai. Do sự phát triển của công nghệ điện tử cùng với nhu cầu đòi hỏi của con ngời ngày càng tăng cao, mạng thông tin di động ngày càng đợc phổ biến và độ tin cậy ngày càng cao. Mạng viễn thông tổ ong là một trong các ứng dụng của kỹ thuật viễn thông có nhu cầu lớn nhất và phát triển nhanh nhất. Ngày nay nó đợc ứng dụng rất rộng rãi, chiếm số phần trăm lớn và không ngừng tăng trong toàn bộ các thuê bao trên thế giới. Trong tơng lai lâu dài các hệ thống tổ ong sử dụng kỹ thuật số đầy triển vọng sẽ trở thành phơng thức thông tin vạn năng. Thông tin di động đợc sử dụng đầu tiên cho nghiệp vụ cảnh sát từ những năm 20, qua các thế hệ và nó đợc phát triển rất mạnh trong giai đoạn hiện nay. Quá trình phát triển của mạng thông tin di động nh sau: Thế hệ thứ nhất: Sau năm 1946. Khả năng phục vụ nhỏ, giá cả đắt chất lợng không cao (thế hệ này là thông tin di động tơng tự FDMA, đặc trng là: NMT, AMPS). Thế hệ thứ hai: Là thông tin di động số (1970 - 1979). Cùng với sự phát triển của MicroProcessor đã mở cửa cho việc thực hiện một hệ thống phức tạp hơn. Nhng về 2 vùng phủ sóng của anten phát của các trạm di động còn bị hạn chế, do đó hệ thống đ- ợc chia thành các trạm phát và có thể dùng nhiều trạm thu cho một trạm phát. Thế hệ thứ ba: Là mạng tổ ong tơng tự (1979 - 1990) một trong các ứng dụng viễn thông có nhu cầu lớn nhất và phát triển nhanh nhất. Các trạm thu phát đợc đặt theo hình tổ ong, mỗi ô là một cell(Cell- dùng để chỉ vùng diện tích quản lý, trên sơ đồ địa lý quy hoạch mạng, cell có hình dạng một ô tổ ong hình lục giác, trong một cell có một đài 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 t: Là thế hệ dựa trên kỹ thuật truyền dẫn số * GSM (Groupe Special Mobile hay Global System for Mobile Communication - Nhóm đặc trách di động hay hệ thống thông tin di động toàn cầu) với tiêu chuẩn viễn thông tổ ong số toàn Châu Âu mới, sẽ giải quyết sự hạn chế dung lợng nh hiện nay. Hệ thống này đợc đa vào hoạt động ở Châu Âu năm 1982. DCS (Digital Cellular System) dựa trên mạng GSM sử dụng tần số 1800 MHz. CDMA (Code Division Multiple Access) sẽ đợc đa vào hoạt động trong tơng lai. Các mạng điển hình là: AMPS (Advanced Mobile Phone System - Dịch vụ điện thoại cấp cao) là hệ thống điện thoại di động tơng tự của các nớc Bắc Âu (1981). TACS (Total Access Communication System) nhận đợc từ AMPS đã đợc lắp đặt ở Anh năm 1985. Đó là những hệ thống có chất lợng, dung lợng và vùng phủ đa dạng. Song do yêu cầu ngày càng cao, vợt qua dự tính nên cần có một hệ thống chung cho toàn Âu Châu và tơng lai đợc sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Ngày nay, hầu hết tất cả các nớc Châu Âu đều có một hoặc nhiều mạng tổ ong.Tất cả những hệ thống tế bào này đều dựa trên việc truyền âm tơng tự bằng điều tần. Họ 3 thờng dùng băng tần xung quanh tần số 450 MHz hoặc 900 MHz, vùng phủ thờng là vùng rộng với số lợng thuê bao lên đến hàng trăm ngàn. 1.2. Mạng thông tin di động số GSM Từ năm 1980 sau khi hệ thống NMT( Norie Mobile Telephone - Điện thoại di động Bắc Âu)đã đợc đa vào hoạt động một cách thành công, thì nó cũng biểu hiện một số 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 đợc 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 nớc nào có thể đáp ứng đợc vì vốn đầu t quá lớn. Tất cả những điều đó dẫn đến một yêu cầu là cần phải thiết kế một hệ thống mới, đợc làm theo kiểu chung để có thể đáp ứng đợc cho nhiều nớc trên thế giới. Trớc tình hình đó, vào tháng 09/1997 trong Hội nghị của Châu Âu về Bu 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 một 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 số GSM. Nhóm này có nhiệm vụ đa ra tiêu chuẩn thống nhất cho hệ thống thông tin di động số GSM dới 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 chúng thống nhất, t- ơng thích với nhau. Về mặt kỹ thuật: Một số mục đích của hệ thống sáng tỏ một trong những mục đích ấy 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 nớc này có thể thâm nhập sang một mạng của các nớc khác khi di chuyển qua biên giới. Trạm di động GSM - MS (Mobile Station) phải tạo cho ngời dùng gọi hoặc bị gọi đợc trong vùng phủ sóng Quốc tế. 4 Các chỉ tiêu phục vụ: Hệ thống đợc thiết kế sao cho MS có thể đợc dùng trong tất cả các nớc có mạng. Cùng với phục vụ thoại hệ thống phải cho phép sự 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 dơng nh một mạng mở rộng của các dịch vụ di động mặt đất. Về chất lợng phục vụ an toàn và bảo mật: - Chất lợng của tiếng thoại trong GSM phải ít nhất có chất lợng các hệ thống di động tơng tự trớc đó trong điều kiện thực tế. - Hệ thống có khả năng mật mã hóa thông tin ngời dùng mà không ảnh hởng gì đến hệ thống, cũng nh không ảnh hởng 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 phục vụ ở cả vùng thành thị lẫn vùng nông thôn cũng nh các dịch vụ phát triển. Dải tần số hoạt động 800 ữ 960 MHz - Hệ thống GSM 900 phải có thể cùng tồn tại với các hệ thống dùng 900 MHz trớc 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 cớc 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 đợc tiêu chuẩn hóa Quốc tế. 1.3. Hệ thống tổ ong GSM (GSM Cellular System) 5 Mạng thông tin di động là mạng không dây, các thuê bao là di động do đó có hai vấn đề đợc đặt ra là: Quản lý di động ( MM - Mobile Managment). Quản lý tiềm năng vô tuyến (RM - Radio Resouce Managment ). Việc quản lý di động đợc tổ chức theo mạng PLMN(Public Land Mobile Netword - 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 (ngời dùng) khả năng truy cập vào mạng thông tin toàn cầu từ 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 đ- ờng 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 từ 350m đến 35km, kích thớc trên phụ thuộc vào cấu hình và lu lợng thông tin. Mỗi ô vô tuyến tơng ứng với một trạm thu phát cơ sở( BTS - Base Tranceiver Station) tùy theo cấu tạo của anten, ta có hai loại BTS : + BTS Omnidirectional với anten vô hớng, nó bức xạ ra ngoài không gian với góc định hớng là 360 0 . + BTS Sector với hai hoặc ba anten định hớng 180 0 hoặc 120 0 các ô vô tuyến này đợc sắp xếp theo dạng tổ ong( hình vẽ I.1) vì nó dựa vào các lý do sau: Thứ nhất: 6 2 3 3 2 3 3 1 2 1 2 2 3 3 Hình I.1: Dạng tổ ong. Chúng ta đều biết rằng việc truyền lan của sóng điện từ có một số đặc điểm: - Phản xạ khi gặp vật cản. - Nhiễu xạ từ các sóng cùng tần số. - Tán xạ khi gặp chớng ngại trên đờng 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 số cellular đời mới hiện nay sử dụng tần số vô tuyến từ 800 MHz trở lên. Với tần số này và giả thiết nguồn phát đặt trong một không gian tự do truyền sóng lý tởng, suy hao đờng truyền sẽ tỷ lệ thuận với bình phơng cự ly. Vậy suy hao đờng truyền trong thông tin di động cellular 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 đợc 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) đợc giữ ở mức tối thiểu, và suy hao do ma cũng bù trừ. Các loại Phađinh xảy ra do gặp chớng ngại vật trên đờng truyền hoặc trễ đờng truyền. Tuy nhiên, phađinh vẫn tồn tại dù đã điều chỉnh công suất phát, cờng độ tín hiệu có chỗ giảm mạnh đợc gọi là chỗ trũng phađinh. 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 đờng truyền dẫn không bị gián đoạn bởi phađinh thì việc thiết kế hệ thống di động phải có dự trữ phađinh, nghĩa là giá trị trung bình chung phải lớn hơn độ nhạy máy thu một lợng bằng chỗ trũng phađinh sâu nhất. Độ nhạy máy thu là mức tín hiệu vào yếu nhất cần thiết cho một tín hiệu ra quy định. Khi quy hoạch hệ thống để chống lại phađinh thì giá trị trung bình chung đợc lấy hơn độ nhạy máy thu lợng YdB bằng chỗ trũng phađinh mạnh nhất YdB đợc gọi là dự trữ phađinh. 7 Giá trị trung bình cục bộ Cường độ tín hiệu thu được Độ nhạy máy thu Chỗ trũng Phađinh Tham số không gian, thời gian(X,t) Giá trị trung bình chung (dB) Dự trữ Phađinh Hình I.2: Tín hiệu thu được vẫn bị phađinh. Thứ hai: (về dải tần) Các trạm thu phát của cell chỉ đợc cung cấp một tần số giới hạn. Với hệ thống GSM dải tần cơ bản từ 890 MHz ữ 960 MHz đợc chia làm hai băng: + Băng tần lên (Upbank) dải tần từ 890 MHz ữ 915 MHz cho các kênh vô tuyến từ BTS - MS. + Băng tần xuống (Downbank) dải tần từ 915 MHz ữ 960 MHZ cho các kênh vô tuyến từ MS - BTS. Khoảng cách giữa hai tần số sóng mang của hai kênh liền nhau là 200KHz. Mỗi kênh sử dụng hai tần số riêng biệt cho đờng lên và đờng xuống, khoảng cách giữa hai tần số này là 45 MHz. 1.4. Các loại đặc tính và phục vụ của GSM 8 Tx Rx CU 45 MHz Hình I.3 CU: Control Unit 1.4.1. Các loại đặc tính của thông tin di động số GSM Từ các khuyến nghị của GSM ta có thể tổng hợp nên các đặc tính chủ yếu sau: - Nhờ sử dụng tần số tốt hơn và kỹ thuật ô nhỏ, dung lợng tăng lên 2 ữ 3 lần giúp tăng số thuê bao phục vụ cả trong thông tin thoại và số liệu. - Sự tơng thích của các dịch vụ trong GSM với các dịch vụ của mạng có sẵn(PSTN),(ISDN) bởi các giao diện theo tiêu chuẩn chung. - Tự động định vị và cập nhật vị trí cho mọi thuê bao di động. - Các máy di động nhỏ hơn với công suất tiêu thụ ít hơn. - Tính bảo mật cho thuê bao. - Do linh hoạt cao nhờ sử dụng các đầu cuối thông tin di động khác nhau nh máy xách tay, cầm tay, đặt trên ô tô. - Sử dụng băng tần ở 900 MHz với hiệu quả cao nhờ sự kết hợp giữa TDMA( Time Division Multilpe Access) và FDMA ( Frequency Division Multiple Access). - Giải quyết sự hạn chế dung lợng nhờ việc sử dụng tần số tốt hơn. Hiện nay ngời ta phân loại cùng các đặc tính của thông tin di động mặt đất. Các loại và đặc tính của thông tin di động mặt đất: Thông tin di động mặt đất thờng đợc phân nhóm thành hệ thống công cộng và dùng riêng. Hệ thống công cộng có nghĩa là hệ thống thông tin có thể truy nhập tới mạng điện thoại chuyển mạch công cộng( PSTL - Public Switched Telephone Network) có điện thoại xe cộ, điện thoại không dây, chuông bỏ túiTrong hệ thống dùng riêng cả hai loại hệ thống. 9 Hệ thống thứ nhất là: Hệ thống dịch vụ công cộng, chẳng hạn nh cảnh sát, cứu hỏa cấp cứu điện lực và giao thông. Hệ thống thứ hai là: Dùng cho các cá nhân hay công ty. ở đây, ngoài dịch vụ kinh doanh dịch vụ sóng vô tuyến dành riêng còn có hệ thống MCA hệ thống kinh tế truy nhập đa kênh, sử dụng các kênh vô tuyến trong thông tin vô tuyến nội bộ công ty và cá nhân. Chẳng hạn, nh máy bộ đàm vô tuyến nghiệp dNgoài những dịch vụ kể trên còn có dịch vụ thông tin di động mặt đất khác mới xuất hiện nh chuông bỏ túi có màu hiện hình, đầu cuối xa. 1.4.2. Các dịch vụ GSM đã đợc tiêu chuẩn hóa Các dịch vụ điện thoại phụ đợc đảm bảo bởi hệ thống CME 20 cho GSM: - Chuyển hớng cuộc gọi vô điều kiện. - Chuyển hớng cuộc gọi khi thuê bao di động bận. - Chuyển hớng cuộc gọi khi không trả lời. - Chuyển hớng cuộc gọi khi không đến đợc MS. - Chuyển hớng cuộc gọi khi ứ nghẽn vô tuyến. - Cấm tất cả các cuộc gọi ra. - Cấm tất cả các cuộc gọi ra quốc tế. - Cấm tất cả các cuộc gọi ra quốc tế trừ các cuộc gọi đến nớc có PLMN thờng trú. - Cấm tất cả các cuộc gọi đến. - Cấm tất cả các cuộc gọi đến khi lu động ở ngoài nớc có PLMN thờng trú. - Chuyển vùng gọi quốc tế. - Giữ cuộc gọi. - Nhắn tin ngắn. - Đợi gọi. 10 - Hộp th thoại. - Chuyển giao cuộc gọi. - Hoàn thành các cuộc gọi đến thuê bao bận. - Nhóm ngời sử dụng khép kín. - Dịch vụ ba phía. - Thông báo cớc phí. - Dịch vụ điện thoại không trả cớc. - Nhận dạng số chủ gọi. - Hạn chế việc đa ra nhận dạng số thoại đợc nối. - Báo hiệu ngời sử dụng tới ngời sử dụng. Các dịch vụ số liệu. - Truyền dẫn số liệu. - Dịch vụ thông báo ngắn. - Phát quảng bá trong ô. - Dịch vụ hộp th thoại. 1.5. Kết luận ở chơng này chủ yếu nghiên cứu về lịch sử dịch vụ thông tin di động và các đặc tính cũng nh các tính năng của mạng thông tin di động số GSM. Bên cạnh đó cũng tìm hiểu về hệ thống tổ ong GSM đang đợc sử dụng rộng rãi. 11