Thiết kế vô tuyến trong gsm

Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kế vô tuyến GSM MỤC LỤC Trang MỤC LỤC DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ GSM .11 1.1 MỞ ĐẦU .11 1.2 CẤU TRÚC MẠNG GSM VÀ CÁC THÀNH PHẦN CHỨC NĂNG .12 1.2.1 Cấu trúc mạng GSM 12 1.2.2 Các thành phần chức mạng .13 1.2.3 Hệ thống mã 19 1.3 CẤU TRÚC ĐỊA LÍ CỦA MẠNG DI ĐỘNG GSM 22 1.3.1 Vùng mạng 22 1.3.2 Vùng phục vụ MSC/VLR 23 1.3.3 Vùng định vị ( LA - Location Area ) 23 1.3.4 Ô (cell) .23 1.4 Các đặc điểm kỹ thuật mạng GSM 24 1.5 KHÁI NIỆM CELL 25 1.6 GIAO DIỆN VÔ TUYẾN SỐ 26 1.6.1 Kênh vật lý 26 1.6.2 Kênh logic 27 1.7 CÁC TRƯỜNG HỢP THÔNG TIN VÀ THỦ TỤC MẠNG 29 1.7.1 Tổng quan 29 1.7.2 Lưu động cập nhật vị trí 29 1.7.3 Thủ tục nhập mạng đăng ký lần đầu 31 1.7.4 Thủ tục rời mạng .31 1.7.5 Tìm gọi 32 1.7.6 Gọi từ MS 32 1.7.7 Gọi đến thuê bao MS 32 1.7.8 Chuyển giao gọi 33 CHƢƠNG II KÊNH THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG GSM 36 2.1 HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 36 2.1.1 Sơ đồ khối 36 Nguyễn Bá Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kế v« tuyÕn GSM 2.1.2 Chức khối .36 2.2 CÁC ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SĨNG CỦA KÊNH THƠNG TIN DI ĐỘNG 40 2.2.1 Tổn hao đường truyền sóng vơ tuyến 40 2.2.2 Giới thiệu số mơ hình lan truyền sóng thơng tin di động .43 2.2.3 Các vấn đề Phading 45 2.2.4 Ảnh hưởng nhiễu kênh lân cận (C/A) nhiễu đồng kênh (C/I) 48 2.2.5 Phân tán thời gian 52 CHƢƠNG III THIẾT KẾ VÔ TUYẾN TRONG GSM 57 3.1 LÍ THUYẾT DUNG LƯỢNG VÀ CẤP ĐỘ DỊCH VỤ 57 3.1.1 Lưu lượng kênh vô tuyến đường trục 57 3.1.2 Cấp độ dịch vụ - GoS (Grade of Service) 58 3.2 THIẾT KẾ CELL 59 3.2.1 Khái niệm tế bào (Cell) .59 3.2.2 Kích thước Cell phương thức phủ sóng 60 3.2.3 Chia Cell (Cells Splitting) 62 3.3 TÍNH TỐN DUNG LƯỢNG .67 3.3.1 Dung lượng trung kế 67 3.3.2 Hiệu sử dụng trung kế 68 3.3.3 Dung lượng kênh 69 3.3.4 Kích thước mạng tổ ong 69 3.4 QUY HOẠCH TẦN SỐ .70 3.4.1 Tái sử dụng lại tần số 71 3.4.2 Các mẫu tái sử dụng tần số 74 3.4.3 Thay đổi quy hoạch tần số theo phân bố lưu lượng 79 3.4.4 Thiết kế tần số theo phương pháp MRP (Multiple Reuse Patterns) 82 3.5 CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO DUNG LƯỢNG .90 3.5.1 Tăng dung lượng đài trạm 90 3.5.2 Chia nhỏ cell 91 3.5.3 Phương pháp Sectoring .92 3.5.4 Điều khiển công suất máy phát 92 3.6 TÍNH TỐN QUỸ CƠNG SUẤT VÀ CÂN BẰNG HỆ THỐNG .93 KẾT LUẬN 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 Ngun B¸ Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kế vô tuyến GSM DANH SCH TỪ VIẾT TẮT *** A AB Access Burst Cụm truy nhập (thâm nhập) ACCH Associated Control Channel Kênh điều khiển liên kết ADC Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi từ tương tự sang số AGCH Access Grant Channel Kênh cho phép truy nhập ARFCH Absolute Radio Frequency Kênh tần số tuyệt đối Channel AUC Authentication Center Trung tâm nhận thực AVDR Average Drop Call Rate Tỉ lệ rớt gọi trung bình B BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít Bm Full Rate TCH TCH toàn tốc BS Base Station Trạm gốc BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BSIC Base Station Identity Code Mã nhận dạng trạm gốc BSS Base Station Subsystem Phân hệ trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc C C/A Carrier to Adjacent Tỉ số sóng mang/nhiễu kênh lân cận CCBR SDCCH Blocking Rate Tỉ lệ nghẽn mạch SDCCH CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung CCDR SDCCH Drop Rate Tỉ lệ rớt mch trờn SDCCH Nguyễn Bá Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kế vô tuyÕn GSM Kênh điều khiển CCH Control Channel CCS7 Common Channel Signalling No7 Báo hiệu kênh chung số CCITT International Telegraph and Uỷ ban tư vấn quốc tế điện thoại Telephone Consultative Committee điện báo CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã Cell Cellular Ô (tế bào) CM Communication Management Quản lí thơng tin CI Cell Identity Nhận dạng ( xác định vùng LA ) C/I Carrier to Interference Tỉ số sóng mang/nhiễu đồng kênh C/R Carrier to Reflection Tỉ số sóng mang/sóng phản xạ CSPDN Circuit Switch Public Mạng số liệu cơng cộng chuyển mạch Data Network CSSR gói Tỉ lệ gọi thành công Call Successful Rate D DCCH Kênh điều khiển dành riêng Dedicated Control Channel E EIR Bộ ghi nhận dạng thiết bị Equipment Identification Register ETSI European Telecommunications Viện tiêu chuẩn viễn thông Standard Institute Châu Âu F FB Cụm hiệu chỉnh tần số Frequency Correction Burst FDMA Frequency Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo tần số Access FACCH Fast Associated Kênh điều khin liờn kt nhanh Nguyễn Bá Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kế v« tuyÕn GSM Control Channel FCCH Frequency Correction Channel Kênh hiệu chỉnh tần số G GMSC Tổng đài di động Gateway MSC cổng GoS Grade of Service Cấp độ phục vụ GSM Global System for Mobile Thông tin di động toàn cầu Communication GPS Hệ thống định vị toàn cầu Global Position System H HLR Home Location Register Bộ đăng ký định vị thường trú HON Handover Number Số chuyển giao I IHOSR Incoming HO Successful Rate Tỉ lệ thành công Handover đến IMSI International Mobile Số nhận dạng thuê bao di động Subscriber Identity quốc tế Integrated Service Digital Mạng số đa dịch vụ ISDN Network L Vùng định vị LA Location Area LAC Location Area Code Mã vùng định vị LAI Location Area Identifier Số nhận dạng vùng định vị LAPD Link Access Procedures Các thủ tục truy cập đường on D channel truyền kênh D Nguyễn Bá Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp đại học LAPDm Lm Thiết kế vô tuyến GSM Link Access Procedures Các thủ tục truy cập đường on Dm channel truyền kênh Dm Haft Rate TCH TCH bán tốc M Mobile Country Code Mã quốc gia mạng di MNC Mobile Network Code Mã mạng thông tin di động MS Mobile station Trạm di động MSC Mobile Service MCC động Tổng đài di động Switching Center MSIN Mobile station Identification Số nhận dạng trạm di động Number MSISDN Mobile station ISDN Number MSRN MS Roaming Number Số ISDN trạm di động Số vãng lai thuê bao di động N Cụm bình thường NB Normal Burst NMC Network Management Center NMT Nordic Mobile Telephone Trung tâm quản lý mạng Điện thoại di động Bắc Âu O OHOSR Outgoing HO Successful Rate Tỉ lệ thành công Handover OSI Open System Interconnection Liên kết hệ thống mở OSS Operation and Support Phân hệ khai thác hỗ trợ Subsystem OMS Operation & Maintenace Phân hệ khai thác bảo dưỡng Subsystem Ngun B¸ Huy Líp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp đại học ThiÕt kÕ v« tuyÕn GSM P PAGCH PCH PLMN PSPDN PSTN Paging and Access Grant Kênh chấp nhận truy cập Channel nhắn tin Paging Channel Kênh tìm gọi Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng Packet Switch Public Mạng số liệu công cộng Data Network Chuyển mạch gói Public Switched Telephone Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng Network R RACH Random Access Channel Rx Receiver Kênh truy cập ngẫu nhiên Máy thu S SACCH Kênh điều khiển liên kết chậm Slow Associated Control Channel Stand Alone Dedicated Kênh điều khiển dành riêng Control Channel đứng (độc lập) SIM Subscriber Identity Modul Mô đun nhận dạng thuê bao SN Subscriber Number Số thuê bao SDCCH T TA Terminal Adapter Bộ thích ứng đầu cuối TACH Traffic and Associated Channel Kênh lưu lượng liên kết TCBR TCH Blocking Rate Tỉ lệ nghẽn mạch TCH TCDR TCH Drop Rate Tỉ lệ rớt mạch trờn TCH Nguyễn Bá Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kế vô tuyến GSM Kênh lưu lượng TCH Traffic Channel TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TRAU Transcoder/Rate Adapter Unit Bộ thích ứng tốc độ chuyển mã TRX Tranceiver Bộ thu – phát NguyÔn Bá Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kế vô tuyến GSM LI NÓI ĐẦU Hiện giới mặt đời sống xã hội phát triển, kinh tế, khoa học tự nhiên mà nhiều lĩnh vực khác Ngành thông tin liên lạc coi ngành mũi nhọn cần phải trước bước, làm sở cho ngành khác phát triển Nhu cầu trao đổi, cập nhật thông tin người nơi lúc ngày cao Thông tin di động đời phát triển trở thành loại hình dịch vụ, phương tiện thơng tin phổ biến, đáp ứng nhu cầu sống đại Các hệ thống thông tin di động phát triển nhanh qui mô, dung lượng đặc biệt loại hình dịch vụ để đáp ứng tốt nhu cầu người sử dụng Trong năm gần đây, lĩnh vực thông tin di động nước có bước phát triển vượt bậc sở hạ tầng lẫn chất lượng phục vụ Với phát triển nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông tạo cạnh tranh nhà cung cấp dịch vụ Các nhà cung cấp dịch vụ liên tục đưa sách khuyến mại, giảm giá thu hút nhiều khách hàng sử dụng dịch vụ Cùng với đó, mức sống chung toàn xã hội ngày nâng cao khiến cho số lượng thuê bao sử dụng dịch vụ di động tăng đột biến năm gần Các nhà cung cấp dịch vụ di động nước sử dụng hai công nghệ GSM (Global System for Mobile Communication - Hệ thống thơng tin di động tồn cầu) với chuẩn TDMA (Time Division Multiple Access - đa truy cập phân chia theo thời gian) 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 thơng tin di động tồn cầu GSM Mobifone, Vinaphone, Viettel, VN mobile, Beeline nhà cung cấp dịch vụ di động sử dụng công nghệ CDMA S-Fone, EVN Các nhà cung cấp dịch vụ di động sử dụng cơng nghệ CDMA mang lại nhiều tiện ích cho khách hàng, dần lớn mạnh Tuy nhiên nhu cầu sử dụng khách hàng nên thị phần di động nước phần lớn thuộc nhà cung cấp dịch vụ di động GSM với số lượng thuê bao nhiều Chính thiết kế vơ tuyến GSM việc làm cần thiết mang ý nghĩa thực tế cao Trên sở kiến thức tích luỹ năm học tập chuyên ngành Điện Tử - Viễn Thông trường Đại học Vinh với hướng dẫn KS Ngun B¸ Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kế vô tuyến GSM Nguyn Th Kim Thu, em tìm hiểu, nghiên cứu hồn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài “ Thiết kế vô tuyến GSM ” Nội dung đồ án gồm chương trình bày theo trình tự sau: Chương 1: Tổng quan GSM Chương 2: Kênh thông tin vô tuyến di động GSM Chương 3: Thiết kế vơ tuyến GSM Để hồn thành đồ án nỗ lực thân, yêu cầu thời gian lực cần thiết Bước đầu làm quen với công việc nghiên cứu khoa học, chắn cịn nhiều thiếu sót Em mong nhận ý kiến đóng góp thầy, giáo bạn sinh viên Em xin chân thành cảm ơn KS Nguyễn Thị Kim Thu giới thiệu, cung cấp tài liệu, tận tình hướng dẫn nội dung phương pháp giúp em hoàn thành tốt đồ án Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo khoa Công Nghệ trƣờng Đại học Vinh tận tình giúp đỡ, dạy dỗ em suốt trình học tập hồn thành chương trình đào tạo trường Xin trân trọng cảm ơn! SVTH: Nguyễn Bá Huy Nguyễn Bá Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ 10 Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kế vô tuyến GSM giữ thiết kế tần số cho dù TRX bổ sung thêm vào hệ thống Nhà điều hành mạng biết thiết kế tần số BCCH tốt giữ ngun tình trạng tốt, không phụ thuộc vào tần số TCH  Lợi ích việc điều khiển cơng suất phát gián đoạn DTX: Chỉ có tần số TCH sử dụng phát gián đoạn điều khiển công suất hướng xuống downlink Với băng tần BCCH riêng biệt, lợi ích đầy đủ từ việc điều khiển công suất phát gián đoạn DTX đạt hướng xuống downlink Bước phương pháp MRP, tần số lại (TCH) phân chia thành băng tần khác Như tồn băng tần BCCH vài băng tần TCH Ý tưởng vài băng tần TCH áp dụng mẫu sử dụng lại khác thu phát khác Bộ thu phát TCH thứ tất cell sử dụng tần số băng tần TCH thứ nhất, băng tần TCH thứ hai cho thu phát thứ hai, v.v… Lý cho việc phân chia tần số TCH thành băng khác là:  Kích cỡ sử dụng lại tần số trung bình phụ thuộc vào phân bố TRX mạng lưới: Sự phân bố TRX định hệ số sử dụng lại tần số trung bình mà áp dụng mạng Hệ số sử dụng lại tần số trung bình điều chỉnh theo số TRX tối đa cần thiết cho cell số lượng cell cần số TRX Theo cách chất lượng hệ thống kiểm soát tốt nhờ điều chỉnh xử lý thiết kế tần số  Khi mở rộng thêm TRX, ảnh hưởng tới thiết kế tần số nhỏ hơn: Việc phân chia băng tần TCH giới hạn số lượng yêu cầu công tác thiết kế tần số có thêm TRX bổ sung Chỉ cell có số TRX nhiều bị ảnh hưởng có thêm TRX bổ sung Ví dụ, thêm TRX thứ tư vào cell có ba TRX có ảnh hưởng tới cell có bốn có nhiều số TRX Nguyễn Bá Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ 86 Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kế vô tuyến GSM  Một biện pháp cấu trúc cho thiết kế tần số: Với việc phân chia băng tần TCH thành băng khác nhau, cấu trúc trở nên hợp lý thiết kế quy hoạch tần số cho thu phát TCH thứ mà không làm thay đổi quy hoạch BCCH hay quy hoạch cho thu phát TCH khác Cấu trúc giúp đơn giản việc đưa thiết kế tần số việc phát thiết kế tần số không tốt  Ấn định tần số Việc ấn định tần số minh họa hình 3.21, biểu đồ cách tần số khác ấn định cho cấu hình MRP với tối đa bốn TRX cell Ví dụ xét thiết kế 12/10/8/6 Điều nghĩa có 12 tần số BCCH (tần số 1, 3, 5, …, 23), 10 tần số TCH cho nhóm (tần số 2, 4, 6, …, 20), tần số TCH nhóm (22, 24, 26, …, 36) tần số TCH cho nhóm (25, 27, …, 35) Hình vẽ ấn định tần số cho hai cell A B với số thu phát theo thứ tự hai bốn Hình 3.5 Ví dụ thiết kế tần số với phương pháp MRP Cell A ấn định tần số BCCH thứ tần số TCH thứ Do cell A sử dụng nhảy tần băng hai tần số Trong cell B ấn định tần số BCCH thứ 23 tần số TCH thứ 20, 26, 35 Do đó, cell B sử dụng nhảy tần băng bốn tần số Chú ý rằng, tần số BCCH khơng cần xác định rõ vị trí, tần số dải tần có sẵn chọn làm tần số BCCH chia tách BCCH/ TCH thỏa mãn NguyÔn Bá Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ 87 Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kế vô tuyến GSM Khụng cần phải lúc tuân thủ chặt chẽ việc ấn định tần số theo phương pháp MRP Nếu cell tồn vấn đề chất lượng giải vấn đề thay đổi tần số cell sang tần số “trái luật”, tần số mà ban đầu sử dụng nhóm thu phát khác Tuy nhiên, theo khuyến nghị việc tuân thủ cấu trúc MRP nên thực cách chặt chẽ  Thiết kế tần số Phương pháp MRP phát triển nhằm xử lý đặc trưng tiêu biểu mạng lưới phân phối TRX không đồng Điều quan trọng mạng tế bào có khác đặc tính mạng kích cỡ cell, số phổ tần sẵn có địa hình Có nghĩa mạng lưới, số cell có nhiều TRX có cell với số TRX Để tìm hiểu trạng thái sử dụng lại tần số khác cell khác với số TRX khác nhau, ta xem xét ví dụ sau: Cấu hình MRP 12/8/6/4 chọn cho tổng số 30 tần số sẵn có Trong đó, 12 tần số BCCH, ba nhóm tần số TCH gồm 8, 6, tần số Trong ví dụ ta giả thiết tỷ lệ cell có 2, 3, TRX 20%, 30%, 50% Hệ số sử dụng lại tần số trung bình cell = Tổng số tần số nhóm ấn định cho cell / Số TRX cell Do đó, cell khác có hệ số sử dụng lại tần số khác nhau: hệ số 10 với cell có TRX, 8,7 với cell có TRX, 7,5 với cell có TRX Số TRX /cell Tỷ lệ cell (%) 20% 30% 50% MRP groups 12 / 12 / / 12 / / / Hệ số sử dụng 12   10 12    8,7 12     7,5 10 9,0 8,5 Nhỏ Lớn Rất lớn lại tần số TB Sử dụng lại tần số TB thực tế (Giới hạn trên) Độ phân tỏn Nguyễn Bá Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ 88 Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kế vô tuyến GSM Hệ số sử dụng lại tần số trung bình thực tế hiểu theo nghĩa “rải rác”, khơng phải tất cell trang bị đầy đủ thiết bị Ví dụ, TRX thứ sử dụng 80% tổng số cell, mà hệ số sử dụng lại thưc tế TRX rải rác 6/ 0,8 = (làm tròn từ 7,5), tùy thuộc vào phân bố địa lý cell với TRX thứ Do đó, giới hạn hệ số sử dụng lại tần số thực tế cell có TRX là: (12+8+7)/3 = 9,0 Lợi ích nhảy tần tăng với số lượng tần số chuỗi nhảy tần Những cell có nhiều TRX tương ứng với hiệu sử dụng lại cao hơn, đồng nghĩa với mức nhiễu cao hơn, với phương pháp MRP điều cân với độ phân tán nhiễu lớn Ví dụ minh họa MRP điều chỉnh thiết kế tần số theo phân bố TRX hệ thống Tuy nhiên, phải ý MRP khơng cần thiết phải thực tồn hệ thống, mà cần áp dụng cho vùng có dung lượng cao Cũng sử dụng cấu hình MRP khác cho vùng địa lý khác mạng 3.4.5 Nguyên tắc cơ việc quy hoạch tần số Mục đích việc quy hoạch tần số đảm bảo khoảng cách tối đa Cell sử dụng lại tần số Đó khái niệm đơn giản phương pháp tối đa khoảng cách giữ Cell sử dụng lại tần số gặp phải vấn đề khó khăn Khi lựa chọn tần số ấn định cho Cell, Cell vấn đề can nhiễu cấu hình mạng tương lai cần phải dung hoà  Nguyên tắc việc gán kênh lưu lượng: Không gán kênh tần số gần kề tần số vào Cell Không gán kênh tần số vào Cell liền kề Khơng trộng kết hợp nhóm tần số gán cho Cell sector Cũng tránh gán kênh gần kề tần số cho Cell gần kề Các tần số kênh sùng nhóm tần số phải có khoảng cách thích hợp, đặn (ví dụ 630Khz cho dãy tần số nhóm kênh A1) Đạt tối đa Cell sử dụng lại tần số Nguyễn Bá Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ 89 Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kế vô tuyến GSM Quy tắc gán tần số kênh điều khiển: Không gán kênh điều khiển giống kênh điều khiển kề vào Cell Không gán kênh điều khiển giống vào Cell gần kề Duy trì khoảng cách đề đặn tần số kênh nhóm tần số (630 Khz) 3.5 CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO DUNG LƢỢNG Khi nhu cầu dung lượng tăng phổ tần cấp phát bị hạn chế đưa đến mâu thuẫn không đủ phỏ tần cho thông tin di động, người ta đưa giải pháp sau nhằm nâng cao dung lượng hệ thống: - Tăng dung lượng đài trạm - Chia nhỏ tế bào (Splitting) - Giảm nhiễu kênh cách dùng anten định hướng (sectoring) - Điều khiển công suất phát MS BS để giảm nhiễu (Power Control) 3.5.1 Tăng dung lƣợng đài trạm Đối với mạng viễn thông nào, số lượng thuê bao tăng lên, tắc nghẽn tải xảy Lúc giải pháp đặt phải giải vấn đề kỹ thuật để đáp ứng dung lượng cho hệ thống Như ta biết giao diện vô tuyến GSM sử dụng hai phương pháp truy cập kênh TDMA FDMA Trong tám kênh lưu thông (điều khiển) hay tám khe thời gian truyền sóng mang Điều có nghĩa ta tăng số kênh lên (tăng số máy phát) đài trạm dung lượng tăng theo Tuy nhiên, biện pháp bị hạn chế yếu tố nhiễu Để thấy rõ điều xem xét mối quan hệ dung lượng tỉ số C/I Phân bố tỉ số C/I cần thiết hệ thống xác định số nhóm tần số N mà ta sử dụng Nếu toàn số kênh qui định M chia làm N nhóm, nhóm chứa M/N kênh Vì tổng số kênh M mà hệ thống có cố định Nên N giảm dẫn đến số lượng kênh nhiều nhóm đài trạm Vì việc giảm số lượng nhóm tần số N cho phép đài trạm tăng dung lượng làm giảm tổng số đài trạm cần thiết cho tải lưu lượng định trước Tuy nhiên ta có mối quan hệ cự ly đồng kênh số nhóm tần số: D  R 3* N Ngun B¸ Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ 90 Đồ án tốt nghiệp đại häc ThiÕt kÕ v« tun GSM Trong R bán kính cell, có giá trị khơng đổi Khi N giảm cự ly đồng kênh giảm, dẫn đến giảm C/I trung bình hệ thống.Theo khuyến nghị GSM C/I thường phải lớn dB Vì vậy, việc giảm N bị hạn chế tỉ số Hiện nay, người ta hay sử dụng mơ hình sử dụng lại tần số sau: - Mơ hình 7/21: gồm 21 nhóm tần số (N = 21) đặt vị trí đài trạm (7 BTS) - Mơ hình 4/12: gồm 12 nhóm tần số đặt tai vị trí đài trạm - Mơ hình 3/9: gồm nhóm tần số đặt tai vị trí đài trạm Hiện nay, Việt Nam tồn song song hai mạng GSM, mạng sử dụng nửa dải tần tương ứng với 124/2 = 62 tần số (M = 62) Kết luận: Mặc dù số kênh mà BTS có khả mang bị hạn chế vấn đề nhiễu Nhưng ưu điểm phương pháp việc lắp đặt để mở rộng dễ dàng thuận lợi tận dụng sở vật chất sẵn có mạng (đài trạm sẵn có, đường truyền dẫn sẵn có, cột anten nguồn điện sẵn có) 3.5.2 Chia nhỏ cell Khi số thuê bao tăng lên, số kênh tần có sẵn cell khơng cịn đáp ứng lưu lượng tăng lên phải chia nhỏ tế bào Nếu quy hoạch tần số cho đảm bảo cell nhỏ (về diện tích) sau chia tách có dung lượng cell trước chia tách, rõ ràng diện tích cell nhỏ lần tương ứng tăng dung lượng nhiêu lần  Phương pháp chia tách Cell: a Thiết kế quy hoạch lại Chuyển sang cell vào thời gian người liên lạc di động (nửa đêm ngày nghỉ) b Có thể thời chia tách cell để đáp ứng cố tăng dung lượng thời Hinh 3.6 Tăng dung lượng hệ thống chia tách thành cỏc Cell nh hn Nguyễn Bá Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ 91 Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kế v« tun GSM Ví dụ: Cùng diện tích phục vụ bán kính R giảm ½ dung lượng hệ thống tăng lên lần? Ta có: Diện tích tế bào cũ  R2 Diện tích tế bào sau chia tách:  (R/2)2 =  R2/4 Ta có cơng thức tính dung lượng hệ thống: C = M.S = M.k.N Trong đó: C dung lượng hệ thống M số lần chép lại tần số S tổng số kênh k số kênh tế bào N số tế bào mẫu Như diện tích Cell giảm lần so với diện tích Cell cũ tức số tế bào mẫu N tăng lên lần Lúc dung lượng hệ thống tăng lần 3.5.3 Phƣơng pháp Sectoring Thực chất phương pháp thực tăng dung lượng hệ thống cách giảm nhiễu kênh Biện pháp hay sử dụng Người ta thay Anten phát vô hướng Anten định hướng 1200, Anten định hướng 600 Anten định hướng 900 Ví dụ cho trường hợp dùng Anten định hướng 1200 sau: Tỷ số tín/nhiễu lúc là: ( 1 S ) = *3*Qn = Qn I 120 1200 1200 Hình 3.7 Cell sử dụng Anten định hướng 1200 S ) tăng lên lần, số nhiễu kênh giảm lần Nếu I S giữ nguyên tỷ số ( ) ta giảm hệ số can nhiễu kênh Q, lúc tương I Như vậy, ( đương với việc tăng dung lượng hệ thống 3.5.4 Điều khiển công suất máy phát Trong hệ thống GSM tổng đài di động có trách nhiệm điều khiển cơng suất phát sóng BTS MS Vì tổng đài di động theo dõi chất lượng toàn hệ thống xử lí điều khiển cơng suất bảo đảm chất lượng tối ưu tồn hệ thống, khơng phải để tối ưu hoá máy di động cụ thể a Điều khiển cơng suất phát MS Ngun Bá Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ 92 Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kế vô tuyến GSM Nu MS phải phát cơng suất tối thiểu để:  Giảm nguy điều khiển giao thoa khuếch đại thu BTS bị bão hoà MS tiến sát trạm gốc mà phát sóng mạnh  Giảm can nhiễu kênh chung hệ thống  Giảm tỷ số can nhiễu đầu gần đầu xa b Điều khiển công suất phát BTS Mong muốn giảm công suất phát BTS đồng thời giảm công suất phát MS để:  Giảm kích thước cell kênh vô tuyến cụ thể  Giảm can nhiễu kênh chung  Giảm can nhiễu kênh kề 3.6 TÍNH TỐN QUỸ CƠNG SUẤT VÀ CÂN BẰNG HỆ THỐNG Khi thành lập 1mạng di động cần phải có chuẩn cho tín hiều thu nhỏ chấp nhận biên giới cell Cần phải tính tốn quỹ cơng suất để quy hoạch cell đáp ứng yêu cầu tín hiệu biên giới cell phải lớn độ nhạy máy thu Sơ đồ khối đường xuống: Lp G1 G2 P01 Lc Ld Pi2 Lf2 BSTx Kết hợp Duplexer P02 MS Pi1 BRS Lf1 Gdg Ghép chung Hình 3.8 Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền dẫn BTS-MS Công thức xác định quỹ lượng cho đường xuống đường lên trường hợp sau: Pi2 = P01-Lc-Ld-Lf1+G1-Lp+G2-Lf2 : Đường xuống Pi1 = P02-Lf2+G2-Lp+G1-Lf1-Ld+Gdg : Đường lên Trong đó: P01,Pi1 cơng suất phát thu BTS Lc,Ld,Lf1 suy hao kết hợp, Duplexer phiđơ G1,Gdg hệ số khuyếch đại Anten, độ lợi phân tập không gian ca BTS Nguyễn Bá Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ 93 Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kế vô tuyÕn GSM P02, Pi1 công suất phát thu MS Lp suy hao đường truyền G2 hệ số khuyếch đại Anten MS Lf2 suy hao phiđơ Nếu suy hao đường xuống đường lên trừ phương trình cho nhau, biến đổi ta phương trình cân hệ thống sau: P01 = P02+Lc+Gdg+(Pi2-Pi1) Suy hao tính theo cơng thức Okumura-Hata trình bày chương Để minh hoạ q trình tính tốn ta xét ví dụ sau: Ví dụ: hệ thống GSM sử dụng để phủ sóng vùng ngoại ô thành phố Vinh với thông số sau: GoS = 2%, thuê bao gọi lần cao điểm với thời gian giữ trung bình 120 s Đây vùng giáp danh vùng ngoại ô nông thôn Mật độ thuê bao 55 th bao/km2, cịn nơng thơn bao gồm đường ô tô 10 thuê bao/km2 Vào ngày hội vùng vui chơi nông thôn thu hút 500 thuê bao - Hãnh khai thác cho phép sử dụng 36 sóng mang với công suất cực đại 53dBm - Mẫu sử dụng tần số 4/12, mức tín hiệu biên khơng thấp -85dBm - MS có thơng số sau: o Độ nhạy thực tế:-102 dBm o Công suất phát: 33 dBm o Hệ số khuyếch đại Anten: dB o Tổn hao phiđơ: dB o Độ cao Anten: 1.5 m - BTS có thơng số sau: o Độ nhạy thực tế: -107 dBm o Suy hao kết hợp: 3.5 dB o Suy hao Duplexer: 1dB o Suy hao phiđơ: 2dB o Độ lợi phân tập không gian: 3.5 dB Sử dụng công thức Hata để tính suy hao đường truyền : Từ số liệu ta thấy: 36 sóng mang sử dụng cho mẫu lặp 4/12 dẫn đến sử dụng sóng mang với số kênh TCH tương ứng sau : (3*8) – = 22 TCH Tra bảng GoS = 2% ta A = 14.896 Erlang cho ô Lưu lượng thuê cao điểm 1*120/3600 = 33.3 mErlang Vậy phục vụ: 14.896/0.033 = 446.88 thuê bao cao điểm Nguyễn Bá Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ 94 Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kế vô tuyến GSM Vùng nơng thơn có 10 th bao/km2 nên: o Diện tích cực đại là: 446.88/55 = 44.7 km2 S = * sin 60 / o Bán kính cực đại là: R = S = 2.6 44.7 = 4.146 km 2.6 Vùng ngoại có 55 th bao/ km2 nên: o Diện tích cực đạic ô là: 446.88/55 = 8.13 km2 o Bán kính cực đại ơ: R = 8.13 = 1.748 km Cân hệ thống: P01 = P02+Lc+Gdg+(Pi2-Pi1) = 33+3.5+3.5+(-102+107)=45dbm Vậy công suât cực đại máy phát sử dụng trường hợp là: P01=45dbm Bây ta sử dụng công thức Okumura-Hata để tính suy hao đường truyền DO trạm đặt góc hình lục giác nên tổn hao tính cho 2R  Tổn hao đường truyền cho ô 2R = 2*4.416 = 8.292 km Lp(thành phố) = 69.55 + 26.16 lg900 – 13.82lg30 – 0.0159 + (44.6 – 6.25lg30)lg8.292 = 158.76 dB Trong đó: a(h1) = (1.1lg900 – 0.7)1.5 – (1.56lg900 – 0.8) = 0.159 Lp(nông thôn) = 158.76 – 4.78lg(900)2 18.33lg900 – 40.94 = 130.25dB  Tổn hao đường truyền cho ô 2R = 2*1.768 = 3.536 km Lp(thành phố) = 69.55 + 26.16 lg900 – 13.82lg30 – 0.0159 + (44.6 – 6.25 lg30)lg3.535 = 145.74 dB Lp(ngoại ô) = 145.74 – lg(900 / 28)  – 5.4 = 135.8 dB Các số liệu đuợc sử dụng để tính quỹ lượng đường truyền xuống hệ số khuyếch đại Anten  Quỹ đường truyền cho ô 8.292 km: Pi2 phải thấp nhât -85 dBm: -85 = P01 – Lc – Ld – Lf1 + G1 – Lp + G2 – Lf2 = 45 – 3.5 – – + G1 – 130.25 + 0- G1 = 6.75 dBi Vậy công suất phát (EIRP) 45 – 3.5 -1 – + 6.75 = 45.25 dBm  Quỹ đường truyền cho ô 3.536 km: Pi2 phải thấp là-85 dBm: -85 = 45 – 3.5 -1 – + G1 – 135.8 + + G1 = 12.3 dBi Vùng phủ pha trộn đường kính km 3.5 km ca vựng nụng thụn Nguyễn Bá Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ 95 Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kÕ v« tuyÕn GSM Trong ngày hội số thuê bao vùng nông thôn lên tới 500 thuê bao/km2, lưu lương 500 * 0.033 16.5 Erl Ba sóng mang khơng đủ phủ sóng cho Để giải vấn đề ta sử dụng biện pháp sau:  Sử dụng ô cho vùng nhiều thuê bao  Vẫn sử dụng 1ô vay kênh từ có lưu lượng thấp Triển khai vi ô cho vùng mật độ thuê bao cao ngy cn thit Nguyễn Bá Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ 96 Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kế vô tuyÕn GSM PHỤ LỤC *** BẢNG ERLANG B TCH 1 2 GoS (Grade of Service) 3 5 10  20  40  TCH 01010 15259 45549 86942 1.3608 02041 22347 60221 1.0923 1.6571 03093 28155 71513 1.2589 1.8752 05263 38132 89940 1.5246 2.2185 11111 59543 1.2708 2.0454 2.8811 25000 1.0000 1.9299 2.9452 4.0104 66667 2.0000 3.4798 5.0210 6.5955 10 1.9090 2.5009 3.1276 3.7825 4.4612 2.2759 2.9354 3.6271 4.3447 5.0840 2.5431 2.9603 3.2497 3.7378 3.9865 4.5430 4.7479 5.3702 5.5294 6.2157 3.7548 4.6662 5.5971 6.5464 7.5106 5.1086 6.2302 7.3692 8.5217 9.6850 8.1907 9.7998 11.419 13.045 14.677 10 11 12 13 14 15 5.1599 5.8760 6.6072 7.3517 8.1080 5.8415 6.6147 7.4015 8.2003 9.0096 6.3280 7.1410 7.9967 8.8035 9.6500 7.0764 7.9501 8.8349 9.7295 10.633 8.4871 9.4740 10.470 11.473 12.484 10.857 12.036 13.222 14.413 15.608 16.314 17.954 19.589 21.243 22.891 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 8.8750 9.6516 10.437 11.230 12.031 9.8284 10.656 11.491 12.333 13.182 10.505 11.368 12.238 13.115 13.997 11.544 12.461 13.385 14.315 15.249 13.500 14.522 15.548 16.579 17.613 16.807 18.010 19.216 20.424 21.635 24.541 26.192 27.844 29.498 31.152 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 12.838 13.651 14.470 15.295 16.125 14.036 14.896 15.761 16.631 17.505 14.885 15.778 16.675 17.577 18.483 16.189 17.132 18.080 19.031 19.985 18.651 22.848 32.808 19.692 24.046 34.464 20.737 25.281 36.121 21.784 26.499 37.779 22.833 27.720 39.437 21 22 23 24 25 26 16.959 18.383 19.392 20.943 23.885 26 28.941 41.096 NguyÔn Bá Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ 97 Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kế vô tuyến GSM 27 28 29 30 17.797 18.640 19.487 20.337 19.265 20.150 21.039 21.932 20.305 21.904 24.939 21.221 22.867 25.995 22.140 23.833 27.053 23.062 24.802 28.113 30.164 31.388 32.614 33.840 42.755 44.414 46.074 47.735 27 28 29 30 31 32 33 34 35 21.191 22.048 22.909 23.772 24.638 22.827 23.725 24.626 25.529 26.455 23.987 24.914 25.844 26.776 27.711 25.773 26.746 27.721 28.698 29.677 29.174 30.237 31.301 32.367 33.434 35.067 36.295 37.524 38.754 39.985 49.395 51.056 52.718 54.379 56.041 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 25.507 26.378 27.252 28.129 29.007 27.343 28.254 29.166 30.081 30.997 28.647 29.585 30.526 31.468 32.412 30.657 31.640 32.624 33.609 34.596 34.503 35.572 36.643 37.715 38.787 41.216 57.703 42.448 59.365 43.680 61.028 44.913 62.690 46.147 64.353 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 29.888 30.771 31.656 32.543 33.432 31.916 32.836 33.758 34.682 35.607 33.357 34.305 35.253 36.203 37.155 35.584 36.574 37.565 38.557 39.550 39.864 40.936 42.011 43.088 44.165 47.381 48.616 49.851 51.086 52.322 66.016 67.679 69.342 71.066 72.669 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 34.322 35.215 36.109 37.004 37.901 36.534 37.462 38.392 39.323 40.255 38.108 39.062 40.018 40.975 41.933 40.545 41.540 42.537 43.534 44.533 45.243 46.322 47.404 48.481 49.562 53.559 54.796 56.033 57.270 58.508 74.333 75.997 77.660 79.324 80.988 46 47 48 49 50 51 52 TCH 38.800 39 41.189 42.892 45.533 50.644 59.746 82.652 1 2 3 5 10  20  40  51 52 TCH NguyÔn Bá Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ 98 Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kế vô tuyến GSM KT LUẬN Đồ án “Thiết kế vô tuyến GSM” phần giúp cho hiểu rõ công việc phải làm người thiết kế hệ thống tế bào Từ việc nắm vấn đề liên quan đến kênh vô tuyến di động vốn phức tạp đến việc phải tính chi tiết lưu lượng: lưu lượng kênh, lưu lượng thuê bao, lưu lượng hệ thống để đảm bảo chất lượng hệ thống nhiệm vụ quan trọng nhà thiết kế hệ thống vô tuyến phải thiết lập quỹ đường truyền Phân tích quỹ đường truyền cho phép cho ta thiết kế đường truyền dẫn vô tuyến đảm bảo chất lượng truyền dẫn quy định Sau thời gian học tập, nghiên cứu, hướng dẫn tận tình thầy giáo Khoa Công Nghệ trường Đại học Vinh, trực tiếp KS Nguyễn Thi Kim Thu đến em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Trong khuôn khổ thời gian có hạn, chắn đồ án khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận ý kiến đóng góp thầy bạn để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Vinh, ngày 28 tháng năm 2010 Sinh viên thc hin Nguyn Bỏ Huy Nguyễn Bá Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ 99 Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kÕ v« tuyÕn GSM TÀI LIỆU THAM KHẢO *** TS.Nguyễn Phạm Anh Dũng Giáo trình thơng tin di động Nhà xuất bưu điện Hà Nội 1999 Vũ Đức Thọ Tính tốn mạng thơng tin di động số Cellular Nhà xuất giáo dục Hà Nội 2001 Vũ Đức Thọ Thông tin di động số Celluler Nhà xuất giáo dục Hà Nội 2001 TS Nguyễn Quốc Bình Kỹ thuật truyền dẫn số Học viện kỹ thuật quân Hà Nội 2000 Các Website: www.google.com.vn www.diendandientu.com www.evntelecom.com.vn www.vnpt.com.vn www.dientuvietnam.net số trang web khỏc Nguyễn Bá Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ 100 ... Tổng quan GSM Chương 2: Kênh thông tin vô tuyến di động GSM Chương 3: Thiết kế vô tuyến GSM Để hoàn thành đồ án nỗ lực thân, yêu cầu thời gian lực cần thiết Bước đầu làm quen với công việc nghiên... trí thiết bị di động để thực định tuyến gọi Quản lý thiết bị di động đăng ký nhận dạng thiết bị EIR thực Nguyễn Bá Huy Lớp 46K-ĐTVT-Khoa Công Nghệ 18 Đồ án tốt nghiệp đại học Thiết kế vô tuyến GSM. .. đại học Thiết kế vô tuyến GSM Hỡnh 1.7 Ký hiệu cell Trong hệ thống GSM, biên giới cell nhiều nhân tố khác điều khiển nhờ nhiều tham số khác nhau, tham số thiết lập người điều khiển Việc thiết lập