Tối ưu dung lượng mạng thông tin di động GSM

Đồ án tốt nghiệp Tối ưu dung lượng mạng thông tin di động GSM TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: TỐI ƯU DUNG LƯỢNG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM Giảng viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Hoa Lư Sinh viên thực hiện : Trần Văn Hiệu Lớp : 48K-ĐTVT Nghệ An 1/2012 Lớp 48K - Khoa ĐTVT Sinh viên: Trần Văn Hiệu 1 Đồ án tốt nghiệp Tối ưu dung lượng mạng thông tin di động GSM MỤC LỤC MỞ ĐẦU .3 CHƯƠNG I 5 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM .5 1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MẠNG GSM .5 1.2. CẤU TRÚC ĐỊA LÝ CỦA MẠNG 6 1.3. BĂNG TẦN VÀ PHƯƠNG PHÁP TRUY NHẬP SỬ DỤNG TRONG HỆ THỒNG GSM 8 1.4. MÔ HÌNH HỆ THỐNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 10 1.5. CÁC TRƯỜNG HỢP THÔNG TIN VÀ THỦ TỤC MẠNG 21 1.6. KẾT LUẬN .26 CHƯƠNG II .28 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ THỰC HIỆN TỐI ƯU DUNG LƯỢNG 28 2.1. GIỚI THIỆU CHUNG .28 2.2. DUNG LƯỢNG VÀ LƯU LƯỢNG PHỤC VỤ .29 2.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VIỆC PHỦ SÓNG 32 2.4. KẾT LUẬN 41 CHƯƠNG III 42 TỐI ƯU HÓA DUNG LƯỢNG MẠNG GSM .42 3.1. TĂNG DUNG LƯỢNG Ở CÁC ĐÀI TRẠM .42 3.2. QUY HOẠCH CELL .43 3.3. TÁI SỬ DỤNG TẦN SỐ .53 3.4. KẾT LUẬN .58 KẾT LUẬN CHUNG .60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC .62 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT .64 Lớp 48K - Khoa ĐTVT Sinh viên: Trần Văn Hiệu 2 Đồ án tốt nghiệp Tối ưu dung lượng mạng thông tin di động GSM MỞ ĐẦU Hiện nay trên thế giới mọi mặt của đời sống xã hội đều phát triển, không những về kinh tế, khoa học tự nhiên mà còn rất nhiều lĩnh vực khác. Ngành thông tin liên lạc được coi là ngành mũi nhọn cần phải đi trước một bước, làm cơ sở cho các ngành khác phát triển. Nhu cầu trao đổi, cập nhật thông tin của con người ở mọi nơi mọi lúc ngày càng cao. Thông tin di động ra đời và phát triển đã trở thành một loại hình dịch vụ, phương tiện thông tin phổ biến, đáp ứng nhu cầu của cuộc sống hiện đại. Các hệ thống thông tin di động đang phát triển rất nhanh cả về qui mô, dung lượng và đặc biệt là các loại hình dịch vụ mới để đáp ứng tốt hơn nhu cầu của người sử dụng. Trong những năm gần đây, lĩnh vực thông tin di động trong nước đã có những bước phát triển vượt bậc cả về cơ sở hạ tầng lẫn chất lượng phục vụ. Với sự phát triển của nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đã tạo ra sự cạnh tranh giữa các nhà cung cấp dịch vụ. Các nhà cung cấp dịch vụ liên tục đưa ra các chính sách khuyến mại, giảm giá và đã thu hút được rất nhiều khách hàng sử dụng dịch vụ. Cùng với đó, mức sống chung của toàn xã hội ngày càng được nâng cao đã khiến cho số lượng các thuê bao sử dụng dịch vụ di động tăng đột biến trong các năm gần đây. Các nhà cung cấp dịch vụ di động trong nước hiện đang sử dụng hai công nghệ là GSM (Global System for Mobile Communication - Hệ thống thông tin di động toàn cầu) với chuẩn TDMA (Time Division Multiple Access - đa truy cập phân chia theo thời gian) và công nghệ CDMA (Code Division Multiple Access - đa truy cập phân chia theo mã). Các nhà cung cấp dịch vụ di động sử dụng hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM là Mobifone, Vinaphone, Viettel và các nhà cung cấp dịch vụ di động sử dụng công nghệ CDMA là S-Fone, EVN. Các nhà cung cấp dịch vụ di động sử dụng công nghệ CDMA mang lại nhiều tiện ích hơn cho khách hàng, và cũng đang dần lớn mạnh. Tuy nhiên hiện tại do nhu cầu sử dụng của khách hàng nên thị phần di động trong nước phần lớn vẫn thuộc về các nhà cung cấp dịch vụ di động GSM với số lượng các thuê bao là nhiều hơn. Chính vì vậy việc tối ưu hóa mạng di động GSM là việc làm rất cần thiết và mang một ý nghĩa thực tế rất cao. Trên cơ sở những kiến thức tích luỹ trong những năm học tập chuyên ngành Điện Tử - Viễn Thông tại trường đại học Vinh cùng với sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Hoa Lư, em đã tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài “ Tối ưu dung lượng mạng thông tin di động GSM ”. Lớp 48K - Khoa ĐTVT Sinh viên: Trần Văn Hiệu 3 Đồ án tốt nghiệp Tối ưu dung lượng mạng thông tin di động GSM Nội dung đồ án được trình bày theo trình tự sau: Chương I : Tổng quan về mạng thông tin di động GSM Chương II : Cơ sở lý thuyết để thực hiện tối ưu dung lượng Chương III : Tối ưu hóa dung lượng mạng GSM Em xin cam đoan đề tài “ tối ưu hóa dung lượng mạng thông tin di động GSM ” là đề tài nghiên cứu của riêng cá nhân em, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, khảo sát tình hình thực tiễn và dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Hoa Lư. Do thời gian làm đồ án có hạn và những hạn chế không tránh khỏi của việc hiểu biết các vấn đề dựa trên lý thuyết là chính nên báo cáo tốt nghiệp của em chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong có được những ý kiến đánh giá, góp ý của các thầy cô và các bạn để đồ án thêm hoàn thiện. Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa “Điện tử - viễn thông ” trường Đại Học Vinh đã tận tình dạy dỗ chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường . Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS. Nguyễn Hoa Lư người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Vinh, tháng 12 năm 2011 Sinh viên thực hiện Trần Văn Hiệu Lớp 48K - Khoa ĐTVT Sinh viên: Trần Văn Hiệu 4 Đồ án tốt nghiệp Tối ưu dung lượng mạng thông tin di động GSM CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MẠNG GSM Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết hợp được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải được bài toán khó về dung lượng. Tháng 12-1971 đưa ra hệ thống cellular kỹ thuật tương tự, FM, ở dải tần số 850Mhz.Dựa trên công nghệ này đến năm 1983, mạng điện thoại di động AMPS (Advance Mobile Phone Service) phục vụ thương mại đầu tiên tại Chicago, nước Mỹ. Sau đó hàng loạt các chuẩn thông tin di động ra đời như : Nordic Mobile Telephone (NTM), Total Access Communication System (TACS). Giai đoạn này gọi là hệ thống di động tương tự thế hệ đầu tiên (1G) với dải tầng hẹp, tất cả các hệ thống 1G sử dụng điều chế tần số FM cho đàm thoại, điều chế khoá dịch tần FSK (Frequency Shift Keying) cho tín hiệu và kỹ thuật truy cập được sử dụng là FDMA (Frequency Division Multiple Access). Thế hệ thứ 2 (2G) được phổ biến trong suốt thập niên 90. Sự phát triển công nghệ thông tin di động thế hệ thứ hai cùng các tiện ích của nó đã làm bùng nổ lượng thuê bao di động trên toàn cầu. Đây là thời kỳ chuyển đổi từ các công nghệ analog sang digital. Giai đoạn này có các hệ thống thông tin di động số như : GSM - 900MHZ (Global System for Mobile), DCS-1800MHZ (Digital Cordless System), PDC - 1900Mhz (Personal Digital Cellular), IS - 54 và IS - 95 (Interior Standard). Trong đó GSM là tiền thân của hai hệ thống DCS, PDC. Các hệ thống sử dụng kỹ thuật TDMA (Time Division Multiple Access) ngoại trừ IS-95 sử dụng kỹ thuật CDMA (Code Division Multiple Access). Thế hệ 2G có khả năng cung cấp dịch vụ đa dạng, các tiện ích hỗ trợ cho công nghệ thông tin, cho phép thuê bao thực hiện quá trình chuyển vùng quốc tế tạo khả năng giữ liên lạc trong một diện rộng khi họ di chuyển từ quốc gia này sang quốc gia khác. Thế hệ thứ ba (3G), từ năm 1992 Hội nghị thế giới truyền thông dành cho truyền thông một số dải tần cho hệ thống di động 3G : phổ rộng 230MHz trong dải tần 2GHz, trong đó 60MHz được dành cho liên lạc vệ tinh. Sau đó Liên Hiệp Quốc Tế Truyền Thông (UIT) chủ trương một hệ thống di động quốc tế toàn cầu với dự án IMT - 2000 sử dụng trong các dải 1885 - 2025MHz và 2110-2200MHz. Thế hệ 3G gồm có các kỹ thuật : W-CDMA (Wide band CDMA) kiểu FDD và TD-CDMA (Time Division CDMA) kiểu TDD. Mục tiêu của IMT- 2000 là giúp cho các thuê bao liên lạc với nhau và sử dụng các dịch vụ đa truyền thông trên phạm vi thế giới, Lớp 48K - Khoa ĐTVT Sinh viên: Trần Văn Hiệu 5 Đồ án tốt nghiệp Tối ưu dung lượng mạng thông tin di động GSM với lưu lượng bit đi từ 144Kbit/s trong vùng rộng và lên đến 2Mbps trong vùng địa phương. Dịch vụ bắt đầu vào năm 2001- 2002. Ở nước ta, mạng thông tin di động đầu tiên ra đời vào năm 1992 với khoảng 5.000 thuê bao. Hai nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động lớn là Mobifone (VMS) ra đời năm 1993 – liên doanh giữa công ty bưu chính viễn thông VN (VNPT) và tập đoàn COMVIK (Thụy Điển) và Vinafone của trung tâm dịch vụ viễn thông (GPC) thuộc VNPT ra đời năm 1996. Đến năm 2002 Sfone của tập đoàn TELECOM của Hàn Quốc và tháng 6/2004, Viettell của công Ty Viễn Thông Quân Đội cùng bước vào cuộc. Cuộc chạy đua của các nhà khai thác làm cho giá cước giảm xuống và các dịch vụ càng đa dạng. 1.2. 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. Ở một mạng di động, cấu trúc này rất quan trọng do tính lưu thông của các thuê bao trong mạng. Trong hệ thống GSM, mạng được phân chia thành các phân vùng sau: Hình 1.1. Phân cấp cấu trúc địa lý mạng GSM Lớp 48K - Khoa ĐTVT Sinh viên: Trần Văn Hiệu 6 Đồ án tốt nghiệp Tối ưu dung lượng mạng thông tin di động GSM Hình 1.2. Phân vùng và chia ô  Vùng phục vụ PLMN Vùng phục vụ GSM là toàn bộ vùng phục vụ do sự kết hợp của các quốc gia thành viên nên những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau có thể sử dụng được nhiều nơi trên thế giới. Phân cấp tiếp theo là vùng phục vụ PLMN, đó có thể là một hay nhiều vùng trong một quốc gia tùy theo kích thước của vùng phục vụ. Kết nối các đường truyền giữa mạng di động GSM/PLMN và các mạng khác (cố định hay di động) đều ở mức tổng đài trung kế quốc gia hay quốc tế. Tất cả các cuộc gọi vào hay ra mạng GSM/PLMN đều được định tuyến thông qua tổng đài vô tuyến cổng G- MSC (Gateway - Mobile Service Switching Center). G-MSC làm việc như một tổng đài trung kế vào cho GSM/PLMN.  Vùng phục vụ MSC MSC (Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động, gọi tắt là tổng đài di động). Vùng MSC là một bộ phận của mạng được một MSC quản lý. Để định tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động. Mọi thông tin để định tuyến cuộc gọi tới thuê bao di động hiện đang trong vùng phục vụ của MSC được lưu giữ trong bộ ghi định vị tạm trú VLR. Lớp 48K - Khoa ĐTVT Sinh viên: Trần Văn Hiệu 7 Đồ án tốt nghiệp Tối ưu dung lượng mạng thông tin di động GSM Một vùng mạng GSM/PLMN được chia thành một hay nhiều vùng phục vụ MSC/VLR.  Vùng định vị LA Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR được chia thành một số vùng định vị LA. Vùng định vị là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR, mà ở đó một trạm di động có thể chuyển động tự do mà không cần cập nhật thông tin về vị trí cho tổng đài MSC/VLR điều khiển vùng định vị này. Vùng định vị này là một vùng mà ở đó thông báo tìm gọi sẽ được phát quảng bá để tìm một thuê bao di động bị gọi. Vùng định vị LA được hệ thống sử dụng để tìm một thuê bao đang ở trạng thái hoạt động. Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng định vị LAI (Location Area Identity): LAI = MCC + MNC + LAC MCC (Mobile Country Code): mã quốc gia MNC (Mobile Network Code): mã mạng di động LAC (Location Area Code) : mã vùng định vị (16 bit)  Cell 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 một trạm vô tuyến gốc BTS. CGI = MCC + MNC + LAC + CI CI (Cell Identity): Nhận dạng ô để xác định vị trí trong vùng định vị. Trạm di động MS tự nhận dạng một ô bằng cách sử dụng mã nhận dạng trạm gốc BSIC (Base Station Identification Code). 1.3. BĂNG TẦN VÀ PHƯƠNG PHÁP TRUY NHẬP SỬ DỤNG TRONG HỆ THỒNG GSM Hệ thống thông tin di động GSM làm việc trong băng tần 890 – 960 MHz, băng tần này được chia làm 2 phần: - Băng tần lên (uplink band): 890 – 915 MHz cho các kênh vô tuyến từ trạm di động đến hệ thống tram thu phát gốc. - Băng tần xuống (downlink band): 935 – 960 MHz cho các kênh vô tuyến từ tram thu phát gốc đếm trạm di động Lớp 48K - Khoa ĐTVT Sinh viên: Trần Văn Hiệu 8 Đồ án tốt nghiệp Tối ưu dung lượng mạng thông tin di động GSM 2 5 M h z 2 0 0 K h z 2 5 M h z 2 0 0 K h z 8 9 0 M h z 9 1 5 M h z 9 3 5 M h z 9 6 0 M h z B ¨ n g t Ç n l ª n ( T õ M S - B T S ) B ¨ n g t Ç n x u è n g ( T õ B T S - M S ) 8 8 2 M h z 9 1 5 M h z 9 2 7 M h z 9 6 0 M h z 1 7 1 0 M h z 1 7 8 5 M h z 1 8 0 5 M h z 1 8 8 0 M h z G S M m ë r é n g D S C Hình 1.3. Băng tần cơ bản và mở rộng của GSM Mỗi băng rộng 25MHz , được chia làm 124 sóng mang. Các sóng mang cạnh nhau cách nhau 200KHz. Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt, một cho đường lên, một cho đường xuống. các kênh này được gọi là kênh song công. Khoảng cách giữa 2 tần số là không thay đổi và bằng 20MHz, được gọi là khoảng cách song công. Kênh vô tuyến này được chia làm 8 khe thời gian, mỗi khe thời gian là một kênh vật lý để trao đổi thông tin giữa trạm thu phát và trạm di động. Ngoài băng tần trên GSM còn mở rộng băng tần DCS (Digital Cellular System) Ở giao diện vô tuyến, MS và BTS liên lạc với nhau bằng sóng vô tuyến. Để sử dụng tài nguyên tần số có hiệu quả, ngoài việc sử dụng lại tần số, số kênh vô tuyến được dùng theo kiểu kênh trung kế. Hệ thống trung kế vô tuyến là hệ thống vô tuyến có số kênh sẵn sàng phục vụ ít hơn số người dùng khả dĩ. Phương thức sử dụng các kênh gọi là phương pháp đa truy nhập. Người dùng khi có nhu cầu thì được đảm bảo về sự truy nhập vào trung kế. Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Friquency Division Multiple Access): phục vụ các cuộc gọi theo các kênh tần số khác nhau. Người dùng được cấp phát một kênh trong tập hợp các kênh trong lĩnh vực tần số. Phổ tần số được chia thành 2N dải tần số kế tiếp, cách nhau một khoảng bảo vệ. Mỗi dải tần số được gán một kênh liên lạc, N dải dành cho liên lạc hướng lên, N dải dành cho liên lạc hướng xuống. Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access): khi có yêu cầu một cuộc gọi thì một kênh vô tuyến được ấn định. Các thuê bao khác nhau dùng chung một kênh nhờ cài xen thời gian. Mỗi thuê bao được cấp một khe trong cấu trúc khung tuần hoàn 8 khe. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access): là phương pháp trai phổ tín hiệu, gán cho mỗi MS một mã riêng biệt cho phép nhiều MS cùng thu, phát độc lập trên một băng tần nên tăng dung lượng cho hệ thống. Hiện tại công Lớp 48K - Khoa ĐTVT Sinh viên: Trần Văn Hiệu 9 Đồ án tốt nghiệp Tối ưu dung lượng mạng thông tin di động GSM nghệ CDMA đang được triển khai tại một số quốc gia. Tại Việt Nam hiện có mạng thông tin di động S- Fone của công ty cổ phần viễn thông Sài Gòn (SPT) đang sử dụng công nghệ này. Ngoài ra còn sử dụng phương pháp truy nhập theo không gian SDMA. Mạng GSM sử dụng phương pháp TDMA kết hợp FDMA. 1.4. MÔ HÌNH HỆ THỐNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM Hình 1.4. Mô hình hệ thống thông tin di động GSM Các ký hiệu: OSS : Phân hệ khai thác và hỗ trợ BTS : Trạm vô tuyến gốc AuC : Trung tâm nhận thực MS : Trạm di động HLR : Bộ ghi định vị thường trú ISDN : Mạng số liên kết đa dịch vụ MSC : Tổng đài di động PSTN (Public Switched Telephone Network): BSS : Phân hệ trạm gốc Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng. BSC : Bộ điều khiển trạm gốc PSPDN : Mạng chuyển mạch gói công cộng OMC : Trung tâm khai thác và bảo dưỡng CSPDN (Circuit Switched Public Data Network): SS : Phân hệ chuyển mạch Mạng số liệu chuyển mạch kênh công cộng Lớp 48K - Khoa ĐTVT Sinh viên: Trần Văn Hiệu 10 . Tối ưu dung lượng mạng thông tin di động GSM CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MẠNG GSM Thuật ngữ thông tin di động. ưu dung lượng mạng thông tin di động GSM ”. Lớp 48K - Khoa ĐTVT Sinh viên: Trần Văn Hiệu 3 Đồ án tốt nghiệp Tối ưu dung lượng mạng thông tin di động GSM