Ứng dụng công nghệ CDMA trong thông tin di động

Ứng dụng công nghệ CDMA trong thông tin di động

Mục lục

Lời nói đầu

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động 1

1.1 Lịch sử phát triển, đặc điểm truyền sóng và phân loại 1

1.1.2 Đặc điểm truyền sóng trong thông tin di động 10

1.1.3 Phân loại các loại hệ thống thông tin di động 14

1.2 Các đặc tính có bản của thông tin di động 17

1.3 Cấu trúc chung hệ thống thông tin di động GSM 19

1.3.1 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin di động GSM 19

1.3.2 Chức năng của các thành phần trong mạng GSM

1.3.2.2 Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC 20

1.3.2.4 Bộ ghi định vị thường trú HLR 21

1.3.2.5 Quản lý thuê bao và trung tâm nhận thực AUC 21

1.3.2.6 Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR 22

23

1.3.4 Phân hệ khai thác và bảo dưỡng OSS 23

1.3.4.3 Quản lý thiết bị di động MS 25

1.3.6 Cấu trúc địa lý vùng mạng GSM 26

28

Chương 2: Tổng quan về mạng thông tin di động thế hệ 3 29

2.2.2.2 Thiết bị điều khiển trạm gốc BSC 35

2.2.3 Trung tâm chuyển mạch di động (Tổng đài di động MSC)

2.2.3.1 Hệ thống chuyển mạch truy nhập ASS 38

2.2.3.3.Hệ thống điều khiển trung tâm CCS 38

2.2.4 Bộ đăng ký định vị thường trú HLR 39

41

2.3.1.2 Các hệ thống DS/SS-QPSK 49

Chương 3: Ứng dụng công nghệ CDMA trong thông tin di động thế hệ 3 60

3.1.1 Sự cần thiết của điều khiển công suất 60

61

3.2 Tính toán dung lượng trong hệ thống thông tin di động CDMA 71

3.2.1 Dung lượng cực đường truyền hướng lên 73

3.2.1.6 Phân tích tắc nghẽn (phương pháp truyền thống) 80

3.2.1.7 Phân tích tắc nghẽn mềm trong CDMA 81

3.2.2 Dung lượng đường truyền xuống 86

3.2.2.1 Tính gần đúng bậc nhất dung lượng đường truyền hướng xuống 86

3.2.2.2 Tính dung lượng: số người dùng 87

Kết luận

Tài liệu tham khảo

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của nghành công nghệ điện tử, tin học, công nghệ viễn thông trong những năm vừa qua phát triển rất mạnh mẽ cung cấp ngày càng nhiều các loại hình dịch vụ mới đa dạng, an toàn, chất lượng cao đáp ứng ngày càng tốt yêu cầu của khách hàng.

Thế kỷ 21 sẽ chứng kiến sự bùng nổ của thông tin vô tuyến trong đó tin tức di động đóng vai trò rất quan trọng Nhu cầu về thông tin ngày càng tăng cả về số lượng, chất lượng và các loại hình dịch vụ, điều này đã thúc đẩy thế giới phải tìm kiếm một phương thức thông tin mới Và công nghệ CDMA đã trở thành mục tiêu hướng tới của lĩnh vực thông tin di động trên thế giới.

Hiện nay, mạng thông tin di động của Việt Nam đang sử dụng công nghệ GSM, tuy nhiên trong tương lai mạng thông tin này sẽ không đáp ứng được các nhu cầu về thông tin di động, do đó việc nghiên cứu và triển khai mạng thông tin di động CDMA là một điều tất yếu Xuất phát từ những suy nghĩ

như vậy nên em đã quyết định chọn đề tài : “Ứng dụng công nghệ CDMA

trong thông tin di động”.

Nội dung của đồ án gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động.Chương 2: Tổng quan về mạng thông tin di động thế hệ 3.

Chương 3: Ứng dụng công nghệ CDMA trong thông tin di động thế hệ

Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, mặc dù em đã cố gắng nhiều nhưng do trình độ có hạn nên không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự phê bình, hướng dẫn và sự giúp đỡ của các Thầy cô, bạn bè.

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của Thầy Hồ Quang Huy cùng các thầy cô trong khoa Điện tử Viễn thông đã giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Lịch sử phát triển, đặc điểm truyền sóng và phân loại1.1.1 Lịch sử và phát triển

a Lịch sử

Vào cuối thế kỷ XIX, các thí nghiệm của các nhà bác học người ý Marconi Guglielmo (1874-1937, giải Nobel vật lý 1909) đã cho they là thông tin vô tuyến cỏ thể thực hiện giữa các máy thu phát ở xa nhau và di động Thông tin vô tuyến lúc đó chủ yếu sử dụng mã Morse, mãi cho tới năm 1928 hệ thống vô tuyến truyền thanh mới được thiết lập, thoạt tiên cho cảnh sát

Đến năm 1933 sở cảnh sát Bayone, New Jersey mới thiết lập được một hệ thống thoại vô tuyến di động tương đối hoàn chỉnh đầu tiên trên thế giới Hồi đó các thiết bị điện thoại di động rất cồng kềnh, nặng hàng choc kg, đầy tạp âm và rất tốn nguồn do dùng các đền điện tử tiêu thụ nguồn lớn Công tác trong dải thấp của băng VHF, các thiết bị này liên lạc được với khoảng cách vài chục dặm Sau đó quân đội cũng đã dùng thông tin di động để triển khai và chỉ huy chiến đấu có hiệu quả Các dịch vụ di động trong đời sống như cảnh sát, cứu thương, cứu hoả, hàng hải, hàng không…cũng đã sử dụng thông tin di động để các hoạt động của mình được thuận lợi Chất lượng thông tin di động hồi đó rất kém Đó là do các đặc tính truyền dẫn sóng vô tuyến, dẫn đến tín hiệu thu được là một tổ hợp nhiều thành phần của tín hiệu đã được phát đi, khác nhau cả về biên độ, pha và độ trễ Tổng véc-tơ của các tín hiệu này làm cho đường báo hiệu thu được bị thăng giáng mạnh và nhanh Khi trạm di động hành tiến, mức tín hiệu thu thường bị thay đổi lớn và nhanh làm cho chất lượng đàm thoại suy giảm trông thấy Tất nhiên, tất cả các đặc tính truyền dẫn ấy ngày nay vẫn tồn tại song hồi đó chúng chỉ được chống lại bằng một kỹ nghệ còn trong thời kỳ sơ khai Trong khi ngày nay công nghệ mạch

tích hợp cỡ lớn VLSI (Very Large Scale Intergrated circuit) có thể sử dụng từ

hàng trăm ngàn đến khoảng một triệu đèn bán dẫn cho việc loại bỏ các ảnh hưởng xấu của đặc tính truyền dẫn thì hồi đó các máy thu phát thường chỉ có không đến 10 đèn điện tử.

Băng tần có thể sử dụng được bởi công nghệ đương thời cho thông tin vô tuyến luôn khan hiếm Các băng sóng trung và dài đã được sử dụng cho phát thanh trong khi các băng tần số thấp và cao (LF và HF) thì bị chiếm bởi các dịch vụ thông tin toàn cầu Công nghệ hồi đó thì chưa thích hợp để đạt được chất lượng liên lạc cao trên các băng sóng VHF và UHF Khái niệm về tái sử dụng tần số đã được nhận thức song không được áp dụng để đạt được mật độ người sử dụng cao Do đó, suốt nhiều năm chất lượng của thông tin di

động kém hơn nhiều so với thông tin hữu tuyến do công nghệ không thích hợp và các nhà tổ chức thông tin đã không sử dụng nổi độ rộng dải tần trên các băng tần số cao.

Trong khi các mạng điện thoại tương tự cố định thương mại đang được số hoá nhờ sự phát minh ra các dụng cụ điện tử kích thước nhỏ bé và tiêu thụ ít nguồn thì tình trạng của vô tuyến di động vẫn còn biến đổi rất chem Chạp Các hệ thống vô tuyến di động nội bộ mặt đất đã bắt đầu sử dụng song mới chỉ ở mức độ phục vụ các nhóm chuyên biệt chứ chưa phải cho các cá nhân trong cộng đồng Mặc dầu Bell Laboratories đã thai nghén ý đồ về một mạng tế bào ngay từ khởi đầu việc phát triển một hệ thống liên lạc vô tuyến tế bào Thời kỳ ấp ủ lâu dài đó là do phải chờ đời các phát triển cần thiết trong công nghệ Chỉ tới khi có các mạch tích hợp thiết kế được một cách tuỳ chọn, các bộ vi xử lý, các mạch tổng hợp tần số, các chuyển mạch nhanh dung lượng lớn… mạng vô tuyến tế bào mới được biến thành hiện thực Những năm thập kỷ 1980 đã chứng kiến sự ra đời của một số hệ thống vô tuyến tế bào tương tự

thường được gọi là các mạng vô tuyến di động mặt đát công cộng

(PLMR-Public Land Mobile Radio) Làm việc ở giải UHF, các mạng này cho thấy một

sự thay đổi vượt bậc về độ phức tạp của các hệ thống thông tin liên lạc dân sự Chúng cho phép người sử dụng có được các cuộc đàm thoại trong khi di động với bất kỳ đối tượng nào có nối tới các mạng điện thoại chuyển mạch

công cộng PSTN (Public Switched Telphone Network) hoặc các mạng đa dịch số ISDN (Intergratd Services Digital Network) Trong những năm 1990 đã có

những bước tiến hơn nữa trong thông tin di động với việc áp dụng các mạng

tế bào số (digital cellular system) và các hệ thống không dây số (digital

cordless telecommunication system) Ngoài các dịch vụ điện thoại truyền

thống, các hệ vô tuyến di động số thế hệ thứ hai sẽ cung cấp một mảng các dịch vụ mới khác như tiếng nói, truyền số liệu, truyền fax, truyền các tin ngắn… Thông tin di động đã và đang phát triển hết sức mạnh mẽ trên phạm vi

toàn thế giới, càng ngày càng tiến tới chia sẻ thị trường và thay thế từng mảng các dịch vụ thông tin cố định

Từ năm 1997, Liên minh viễn thông quốc tế ITU (International

Telecom-munication Union) đã xây dựng tiêu chuẩn chung cho thông tin di

động thế hệ thứ ba (3G: Generation) trong dự án IMT – 2000 (International Mobile Telecom-munications-2000) Mục đích của IMT-2000 là xây dựng tiêu

chuẩn chung nhất cho các hệ thống thông tin di động toàn cầu, phục vụ nhiều loại hình dịch vụ với tốc độ tối đa lên tới 2 Mb/s.

Mặc dù các mạng cdmaOne (IS-95) không phải là các mạng đầu tiên cung cấp truy nhập số liệu, nhưng đây là các mạng được thiết kế duy nhất để cho phép truyền số liệu Trước hết truyền dẫn tốc độ thay đổi có sẵn ở trong cdmaOne cho phép quyết định lượng thông tin cần phát, vì thế cho phép chỉ sử dụng tiềm năng mạng theo nhu cầu Vì truyền dẫn thoại của các hệ thống cdmaOne theo gói, nên các khả năng truyền số liệu gói đã cóbên trong thiết bị Công nghệ truyền dẫn số liệu gói của cdmaOne sử dụng ngăn xếp giao

thức số liệu gói số tổ ong (CDP: Cellular Digital Packet Data) phù hợp với

Bổ sung truyền số liệu vào mạng cdma2000 sẽ cho phép nhà khai thác mạng tiếp tục sử dụng các phương tiện truyền dẫn, các phương tiện vô tuyến, cơ sở hạ tầng và các máy cầm tay sẵn có bằng cách đơn giản nâng cấp phần mềm cho chức năng tương tác Nâng cấp lên IS-95B cho phép tăng tốc kênh để cung cấp tốc độ số liệu 64-115 kbit/s và đồng thời cải thiện chuyển giao mềm và chuyển giao cứng giữa các tần số Các nhà sản xuất đã công bố các khả năng số liệu gói, số liệu kênh và fax số trên các thiết bị cdmaOne.

Một trong các mục tiêu quan trọng của ITU IMT-2000 là tạo ra các tiêu chuẩn để hỗ trợ một băng tần trên toàn cầu nhằm thúc đẩy ở mức đọ cao việc nhiều người thiết kế và hỗ trợ các dịch vụ cao ITM-2000 sẽ sử dụng các đầu cuối bỏ túi kích cỡ nhỏ, mở rộng nhiều môi trường khai thác và trỉên khai cấu trúc mở cho phép đưa ra các công nghệ mới Ngoài ra các hệ thống 3G hứa hẹn đem lại các dịch vụ thoại vô tuyến có các mức chất lượng hữu tuyến đồng thời với tốc độ và dung lượng cần thiết để hỗ trợ đa phương tiện và các ứng dụng tốc độ cao Các dịch vụ trên cơ sở định vị, đạo hàng, hỗ trợ cấp báo, và các dịch vụ tiên tiến khác cũng sẽ được hỗ trợ.

Một trong các yêu cầu kỹ thuật của cdma2000 là tương thích với hệ thống cũ cdmaOne về: các dịch vụ thoại, các bộ mã hoá thoại, các cấu trúc báo hiệu và các khả năng bảo mật.

Giai đoạn 1 của cdma2000 (hay 1xRTT) (RTT: Radio Transmission

Technology) sử dụng độ rộng băng tần 1,25 MHz và truyền số liệu đỉnh 144

kbit/s cho các ứng dụng cố định hay di động Giai đoạn 2 của cdma2000 (3xRTT) sẽ sử dụng độ rộng băng tần 5 MHz và có thể cung cấp tốc độ số liệu 144kbit/s cho các ứng dụng di động và xe cộ, và 2 Mbit/s cho các ứng dụng cố định Các nhà công nghiệp tiên đoán rằng giai đoạn 3xRTT sẽ dần tiến tới 1 Mbit/s cho từng kênh lưu lượng hay kênh Walsh Bằng cách hợp

nhất hay bó hai kênh, người sử dụng có thể đạt được tốc độ đỉnh 2 Mbit/s là tốc độ đỉnh của IMT-2000.

Sự khác nhau cơ bản giữa giai đoạn một và giai đoạn hai của cdma2000 là độ rộng băng tần và thông lượng tổng hay khả năng tốc độ số liệu đỉnh Giai đoạn hai sẽ đưa ra các khả năng đa phương tiện tiên tiến và đặt nền móng cho dịch vụ thoại 3G phổ biến, các bộ mã hoá thoại như VoIP (thoại trên nền IP) Vì các tiêu chuẩn 1xRTT và 3xRTT phần lớn sử dụng chung các phần tử vô tuyến băng gốc, nên các nhà khai thác có thể thực hiện một bước tiến căn bản đến các khả năng đầy đủ của 3g bằng cách thực hiện 1xRTT Cdma2000 giai đoạn hai sẽ bao gồm các mô tả chi tiết về các giao thức báo hiệu, quản lý số liệu và các yêu cầu mở rộng từ vô tuyến 5 MHz đến 10 và 15 MHz trong tương lai.

Cùng với sự ra đời của cdma 2000 giai đoạn một, các dịch vụ số liệu cũng sẽ được cải thiện Giai đoạn một cũng sẽ hình thành cơ cấu MAC (Medium Access Control: điều khiển truy nhập môi trường) và định nghĩa

giao thức kết nối vô tuyến (RLP: Radio Link Protocol) cho số liệu gói để hỗ

trợ các tốc độ số liệu gói ít nhất là 144 kbit/s.

Triển khai giai đoạn hai cdma2000 sẽ mang lại rất nhiều các khả năng mới và các tăng cường dịch vụ Giai đoạn hai sẽ hỗ trợ tất cả các kích cỡ kênh (6x, 9x và12x) cơ cấu cho các dịch vụ thoại, bộ mã hoá thoại cho cdma2000, bao gồm tiếng trên IP Trong giai đoạn hai, các dịch vụ đa phương tiện thực sự sẽ được cung cấp và sẽ mang lại các cơ hội lợi nhuận bổ sung cho các nhà khai thác Các dịch vụ đa phương tiện sẽ có thể thực hiện được thông qua MAC số liệu gói, hỗ trợ đầy đủ cho dịch vụ số liệu gói đến 2 Mbit/s, RLP hỗ trợ tất cả các tốc độ số liệu đến 2 Mbit/s và mô hình gói đa phương tiện tiên tiến

Trong lĩnh vực dịch vụ và báo hiệu, giai đoạn hai cdma2000 sẽ đem đến cấu trúc báo hiệu 3G cdma2000 tự sinh đối với điều khiển truy nhập kết nối

(LAC: Link Access Control) và cấu trúc báo hiệu lớp cao Cấu trúc này sẽ đảm

bảo hỗ trợ để cải thiện tính riêng tư, nhận thực và chức năng mật mã Cấu trúc và thiết bị mạng hiện có của nhà khai thác sẽ ảnh hưởng lên quá trình chuyển đổi này Một mạng được xây dựng trên cấu trúc mở tiên tiến với lộ trình chuyển đổi rõ ràng có thể nhận được các khă năng của 1xRTT bằng cách chuyển đổi môđun đơn giản Các mạng có cấu trúc ít linh hoạt hơn có thể đòi hỏi các bước chuyển đổi tốn kém để thay thế toàn bộ hệ thống thu phát gốc (BTS) Để đạt được tốc độ đỉnh 144 kbit/s, nhà khai thác có thể nâng cấp phần mềm cho mạng và các trạm gốc để hỗ trợ giao thức số liệu của 1xRTT.

Thoả thuận mới đây giữa Qualcomm và Ericsson đề xuất ba chế độ CDMA lựa chọn và phát triển dần dần của một tiêu chuẩn toàn cầu, tiêu chuẩn này sẽ tương thích với cả ANSI-41 và GSM MAP Cách làm này cho thấy việc sử dụng các máy cầm tay đa chế độ và các giải pháp nảy sinh do thị trường như là lộ trình chắc chắn nhất để thống nhất tiêu chuẩn CDMA 3G ở thế hệ thông tin vô tuyến tiếp theo Vì thuê bao đòi hỏi sự tiện lợi và công suất vô tuyến lớn hơn, việc chuyển sang công nghệ 3G cho phép các nhà khai thác hỗ trợ các khả năng cao hơn, giảm giá thành mạng và tăng tổng lợi nhuận

Cdma2000giai đoạn 2Cdma2000

giai đoạn 12 Mbit/s

144 Mbit/s64 kbit/s14,4 kbit/s

2002

Hình 1.1 Lộ trình phát triển từ cdmaOne đến cdma2000

 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động GSM đến thế hệ hai sang W-CDMA thế hệ ba

Để đáp ứng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình ảnh đồng thời đảm bảo tính kinh tế, hệ thống thông tin di động hai sẽ được chuyển đổi từng bước sang thế hệ ba Có thể tổng quát các giai đoạn chuyển đổi như sau:

Hình 1.2 Lộ trình phát triển từ GSM đến W-CDMA

Ký hiệu:

HSCSD: High Speed Circuit Switched Data: Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao.

GPRS: General Packet Radio Service: Dịch vụ gói vô tuyến chung.

Con đường đến 3G duy nhất của GSM là CDMA băng thông rộng, ở Châu Âu WCDMA được gọi là hệ thống viễn thông di động toàn cầu (USMT) Trong cấu trúc dịch vụ 3G , cần có băng thông rất lớn và như thế cần nhiều phổ tần hơn ở Hoa Kỳ, FCC chưa thể nhanh chóng phân bổ bất cứ phổ nào cho các dịch vụ 3G Hoa Kỳ có khoảng 190 MHz phổ tần phân bổ cho các dịch vụ vô tuyến di động trong khi phần còn lại của thế giới chỉ được

phân bổ 400 Mhz Vì thế có thể tin rằng sự phát triển 3G ở Hoa Kỳ sẽ rất khác với phần còn lại của thế giới.

Để đến 3G có lẽ cần phải đi qua giai đoạn 2,5G Nói chung 2,5G bao gồm tất cả các công nghệ sau: dữ liệu chuyển mạch gói tốc độ cao (HSCSD), dichụ vụ vô tuyến nói chung (GPRS), tốc độ dự liệu nâng cao cho sự phát triển GSM hay toàn cầu (EDGE).

 HSCSD là phương thức đơn giản nhất để nâng cao tốc độ Thay vì

một khe thời gian (Ts), một trạm di động có thể sử dụng một số khe để kết nối dữ liệu Trong các ứng dụng thương mại hiện nay, thông thường sử dụng tối đa 4Ts, 1Ts có thể sử dụng hoặc tốc độ 9,6 kbps Đây là cách không tốn kém nhằm tăng dung lượng dữ liệu chỉ bằng cách nâng cao phần mềm của mạng Nhưng nhược điểm lớn nhất của nó là cách sử dụng tài nguyên vô tuyến Bởi vậy đây là hình thức chuyển mạch kênh, HSCSD chỉ định việc sử dụng các Ts một cách liên tục, them chí ngay cả khi không có tín hiệu trên đường truyền.

 Giải pháp tiếp theo là GPRS và dường như là giải pháp được nhiều nhà cung cấp dịch vụ lực chọn Tốc độ dữ liệu có thể lên tới 115,2 Kbps bằng việc ding 8Ts Nó được quan tâm vì là hệ thống chuyển mạch gói, do đó nó không sử dụng tài nguyên vô tuến một cách liên tục mà chỉ thực hiện khi có thông tin cần gửi đi GPRS đặc biệt thích hợp với các ứng dụng phi thời gian thực như email và lướt Web Triển khai hệ thống này thì tốn kém hơn hệ thống HSCSD Mạng này cần các thành phần mới cũng như cần sửa đổi các thành phần hiện có nhưng nó được xem là bước đi cần thiết để tiến tới tăng dung lượng, dịch vụ Một mạng GMS mà không có khả năng GPRS thì sẽ không tồn tại lâu trong tương lai ở Việt Nam, quý IV năm 2005 Vinaphone và Mobiphone cũng đã triển khai GPRS.

 Bước tiếp theo là cải tiến GSM thành tốc độ dữ liệu nâng cao cho sự

phát triển GSM hay toàn cầu (EDGE), tăng tốc độ dữ liệu lên tới 384 Kbps với 8Ts thay vì 14,4 Kbps cho mỗi Ts, EDGE đạt tới 48 Kbps cho mỗi Ts ý

tưởng của EDGE là sử dụng phương pháp điều chế mới được gọi là 8 PSK EDGE là một phương thức nâng cấp hấp dẫn đối với mạng GSM vì nó chỉ yêu cầu một phần mềm nâng cấp trạm gốc Nó không thay thế hay nói đúng hơn cùng tồn tại với phương pháp điều chế khoá dịch tối thiểu Gausian (GMSK), được sử dụng trong GSM, nên các thuê bao có thể sử dụng máy di động cũ của mình nếu không cần được cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn Xét trên khía cạnh kỹ thuật, cũng cần giữ GMSK Nếu EDGE được sử dụng cùng với GPRS thì sự kết hợp này được gọi là GPRS nâng cấp (EGPRS) còn sự kết hợp của EDGE và HSCSD được gọi là CSD.

WCDMA thực sự là một dịch vụ vô tuến băng thông rộng sử dụng băngg tần 5Mhz để đạt được tốc độ dữ liệu lên tới 2 Mbps Rb≤ 384 Kbps Hiện ytại cả Châu Âu và Nhật Bản đều đang thử nghiệm hoặc triển khai WCDMA và công nghệ này đang tiến triển nhanh trên cong đường thương mại hoá.

1.1.2 Đặc điểm truyền sóng trong thông tin di động

Đặc tính truyền sóng trong thông tin di động là tín hiệu thu được ở máy thu bị thay đổi so với tín hiệu đã được phát đi cả về tần số, biên độ, pha và độ trễ Các thay đổi này có tính chất rất phức tạp, mang nặng tính ngẫu nhiên Sự tác động của chúng tới chất lượng liên lạc phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố khác nhau như địa hình, khoảng cách liên lạc, dải tần, khí quyển, tốc độ truyền tin, tốc độ di chuyển của trạm di động, mật độ thuê bao trên một đơn vị tần số trong một đơn vị diện tích, ăngten, công suất phát, sơ đồ điều chế… Tuy nhiên, về cơ bản chúng ta có thể phân chia một cách vắn tắt các ảnh hưởng truyền sóng này thành: ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler, tổn hao đường truyền, pha đinh đa đường và trải trễ.

 Hiệu ứng Doppler: là sự thay đổi tần số của tín hiệu thu đựơc so với

tín hiệu đã đựơc phát đi, gây bởi chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu trong qúa trình truyền sóng Giả sử một sóng mang không bị điều chế

có tần số fc, được phát tới một máy thu đang di động với vận tốc v Tại máy thu, tần số của tín hiệu nhận được theo tia sóng thứ i sẽ là f = fc + fmcosαi , trong đó αi là góc tói của tia sóng thứ i so với hướng chuyển động của máy thu, fm là lượng dịch tần Doppler, fm = v.fc/c, với c là vận tốc ánh sáng Tổng hợp tác động của mọi tia sóng tới máy thu theo mọi góc khác nhau trong trường hợp tín hiệu phát là một sóng mang đơn không điều chế dẫn tới tín hiệu nhận được tại máy thu là một tín hiệu trải rộng về tần số với độ rộng băng tần WD lên tới 2fm (tín hiệu thu được trong trường hợp này có tần số từ fc

- Ws/2 tới fc + Ws/2) thì tín hiệu nhận đựơc sẽ trải ra trên một dải tần số có độ rộng tới cỡ Ws+WD với tần số trung tâm có thể khác với fc Như vậy, hiệu ứng Doppler có thể gây nên suy giảm chất lượng liên lạc một cách trầm trọng Chỉ trong trường hợp máy thu đứng yên so với máy phát (v=0) hoặc máy thu đang chuyển động vuông góc với góc của tín hiệu (cosαi=0) thì tần số tín hiệu thu mới không bị thay đổi so với tần số tín hiệu phát Tuy nhiên, đối với thông tin di động, việc máy thu đứng yên so với máy phát không có nghĩa là không xảy ra hiện ứng Doppler Các tia sóng từ các vật phản xạ di động như xe cộ, người đi lại… vẫn có thể gây nên tác động Doppler tới tín hiệu thu đựơc tại máy thu Hiệu ứng Doppler xảy ra mạnh nhất khi máy thu di động theo phương của tia sóng tới (cosαi=±1) Điều này thường xảy ra trong thông tin di động khi máy thu đặt trên xe di chuyển trên các xa lộ, còn các ăngten trạm phát thì được bố trí dọc theo xa lộ ( đựơc gắn trên các cầu vượt ngang qua xa lộ chẳng hạn).

 Tổn hao đường truyền: Tổn hao đường truyền là lượng suy giảm mứcđiện thu so với mức điện phát Trong không gian truyền sóng tự do, mức điện trung bình của tín hiệu thu giảm dần theo bình phương khoảng cách từ máy phát tới máy thu do công suất tín hiệu trên một đơn vị diện tích của mặt cầu sóng giảm dần theo bình phương khoảng cách giữa các ăngten thu và phát Trong thông tin di động trong môi trường khí quyển gần mặt đất, do hấp thụ

của môi trường truyền, do che khuất…tổn hao đường truyền có thể lớn hơn rất nhiều tổn hao trong đìêu kiện truyền sóng trong không gian tự do Tổn hao đường truyền phụ thuộc tần số bức xạ, địa hình, tính chất môi trường, mức độ di động của các chướng ngại, độ cao ăngten, loại ăngten… Trong thông tin vô tuyến tế bào, trong nhiều trường hợp tổn hao đường truyền tuân theo luật mũ 4, tức là tăng tỷ lệ với luỹ thừa 4 của khoảng cách Về nguyên tắc, tổn hao đường truyền hạn chế kích thước tế bào và cự ly liên lạc, song trong nhiều trường hợp ta có thể lợi dụng tính chất của tổn hao đường truyền để phân chia hiệu quả các tế bào, cho phép tái dụng tần số một cách hữu hiệu làm tăng hiệu quả sử dụng tần số.

 Pha đinh: Trong những quãng cách tương đối ngắn mức tín hiệu thu

tring bình có thể xem là hằng số, tuy nhiên mức điện tức thời của tín hiệu thu lại ăngten thu lại có thể thăng giáng nhanh với mức thay đổi tiêu biểu lên tới 40dB Những thay đổi nhanh mức điện thu tức thời này được gọi là pha-đinh nhanh.

Giả sử một trạm cố định phát một sóng mang không bị điều chế, trạm thu di động sẽ thu được không chỉ một thành phần sóng mang đã được phát đó mà là cả một tổ hợp các tia sóng do tín hiệu bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ bởi các cao ốc và các chướng ngại linh tinh khác trong vùng truyền sóng trước khi tới máy thu Thực tế, trong hầu hết các môi trường, mỗi tia sóng thu được tại máy thu di động đều phải chịu những thay đổi (phụ thuộc vào đường đi của nó) về pha, độ trễ, biên độ cũng như lượng dịch tần Doppler Kết quả là tín hiệu mà trạm di động thu được có thể khác một cách căn bản với sóng mang đã phát Trong trường hợp nghiêm trọng, tổng véctơ của các tín hiệu tới theo nhiều tia có thể giảm tới một giá trị rất thấp Hiện tượng này gọi là pha-

đinh đa đường (multipath fadinh) Khi máy di động di chuyển, mức điện thu

bị pha-đinh theo từng quãng cách nhau nửa bước sóng dọc theo hành trình của nó Một khi pha-đinh rất sâu xảy ra, tín hiệu thu được có thể giảm tới không,

tỷ số tín/tạp có thể giảm xuống nhỏ hơn 0 dB, khi đó đầu ra máy thu hoàn toàn tuỳ thuộc vào nhiễu của kênh.

 Hiện tượng trải trễ: Trong thực tế, sóng mang được điều chế Trong thông tin di động số, ảnh hưởng của đặc tính truyền dẫn đa đường còn phụ

thuộc nhiều vào tỷ số giữa độ dài một dấu (symbol) và độ trải trễ (deley

spread) của kênh vô tuyến biến đổi theo thời gian Độ trải trễ có thể xem như

độ dài của tín hiệu thu được khi một xung cực hẹp được truyền đi Nếu số liệu được truyền với tốc độ thấp thì sự trải trễ có thể giải quyết được dễ dàng tại phần thu Đó là vì sự bành trướng của một xung số liệu do truyền theo nhiều tia sóng khác nhau thì kết thúc trước khi xung tiếp theo được phát đi Tuy thế nếu ta cứ tăng tốc độ truyền số liệu lên mãi thì tới một lúc mỗi symbol số liệu sẽ trải hẳn sang các symbol số liệu lân cận, tạo ra xuyên nhiễu giữa các dấu

ISI (InterSymbol Interference) Nếu không có các mạch san bằng kênh nhằm loại bỏ ISI thì tỷ lệ bít BER (Bit-Error Ratio) có thể sẽ lớn tới mức không

chấp nhận được Giả sử ta vẫn cứ truyền số liệu với tốc độ lớn song đưa máy di động lại đủ gần trạm cố định đồng thời giảm một cách thích hợp công suất phát (tức là nếu thu hẹp kích thước tế bào) thì trải trễ nhìn chung là nhỏ Khi đó ISI sẽ còn không đáng kể và do vậy không cần đến san bằng kênh.

Pha-đinh được gọi là phẳng nếu nó xảy ra như nhau suốt cả dải tần số của kênh Pha-đinh là chọn lọc theo tần số khi nó xảy ra không đồng đều trong dải tần số của kênh Như vậy, kích thước tế bào có ảnh hưởng rất quan trọng tới đặc điểm truyền sóng Đối với các tế bào có kích thước lớn, các mạch san bằng kênh là bắt buộc ngay cả khi truyền tốc độ thấp (vài chục

kb/s) Ngược lại, với các siêu vi tế bào (picocell) trong đó trải trễ nhỏ hơn 1µs nhiều, pha-đinh là phẳng ngay cả với tốc độ số liệu vài choc Mb/s, khi đó mạch san bằng kênh là không cần thiết ở đây cần nhấn mạnh thêm rằng việc

có được đường nhìn thẳng LOS (Line-Of-Sight) giữa máy thu và máy phát

(thường xảy ra trong các vi tế bào) có ý nghĩa cải thiện chất lượng liên lạc đặc biệt.

1.1.3 Phân loại các hệ thống thông tin vô tuyến di động:

a Phân loại theo cấu trúc:

 Viễn thông không dây CT (Cordless Telecommunication): các mạng không dây được thiết kế cho thông tin di động phủ sóng trên những khoảng cách tương đối nhỏ như trong các môi trường công sở, nhà máy… Do kích thước tế bào nhỏ, tốc độ truyền số liệu có thể khá cao mà không cần các mạch san bằng phức tạp, them chí cũng không nhất thiết phải áp dụng mã hoá kênh

Các mạng không dây tiêu biểu là DECT (Digital European Cordless

Telecommunications) của Châu Âu, CT-2 của Anh…

 Vành vô tuyến nội hạt WLL (Wireless Local Loop): Được sử dụng để thực hiện nối các thuê bao hiện diện trong một vành đai đại lý quanh một trạm gốc đơn tới mạng liên lạc công cộng bằng các thiết bị vô tuyến Chất lượng liên lạc, độ an toàn thông tin của vành vô tuyến nội hạt thì cũng tương tự như của mạng thuê bao hữu tuyến Tuỳ lĩnh vực áp dụng, cự ly liên lạc có thể là 200 m đến 500 m trong địa hình đô thị va có thể tới 20 km trong vùng nông thôn Thủ tục lắp đặt nhanh chóng, lắp đặt, bảo trì và điều phối khá rẻ Tại những vùng nông thôn hoặc ngoại ô hẻo lánh, nơi có mật độ thuê bao thấp, khi việc lắp đặt các đường dây thuê bao biện thoại mới không mấy kinh tế thì vành vô tuyến nội hạt trở nên rât hiệu quả.

b Phân loại theo đặc tính:

 Vô tuyến di động tương tự: là các hệ thống điện thoại di động thế hệ

thứ nhất Tín hiệu thoại là tín hiệu tương tự, điều chế FSK (Frequency Shif

Keying) Phương thức đa truy nhập chủ yếu là FDMA Các kênh điều khiển

thì đã được số hoá.

 Vô tuyến di động số: cả tín hiệu thoại lẫn các kênh điều khiển đều là tín hiệu số Ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống vô tuyến di động số cónf cho phép khai thác một loạt các dịch vụ khác như truyền các tin ngắn, truyền fax, truyền số liệu… Tốc độ truyền cao và có khả năng mã hoá thông tin.

c Phân loại theo phương thức đa truy nhập:

 Đa truy nhập theo tần số (FDMA): Được sử dụng chủ yếu trong thông tin di động thế hệ thứ nhất, trong đó hai dải tần số có độ rộng W được sử dụng

cho đường xuống (down-link) từ BS tới MS và đường lên (up-link) từ MS tới

BC Với mỗi một hướng liên lạc, mỗi một người sử dụng chiếm một dải tần con có độ rộng W/N gọi là kênh và sử dụng kênh đó trong suốt thời gian liên lạc Đặc điểm của phương thức đa truy nhập theo tần số là tốc độ truyền thấp, khó áp dụng các dịch phụ phi thoại, hiệu quả sử dụng tần số thấp, có bao nhiêu kênh trong một tế bào thì phải có bấy nhiêu máy thu- phát làm việc trên bấy nhiêu tần số đặt tại BS, do đó kết cấu BS cồng kềnh.

 Đa truy nhập theo thời gian (TDMA): Được sử dụng trong hầu hết các hệ thống vô tuyến di động thế hệ hai, hoàn toàn số hoá Với loại đa truy nhập theo thời gian này, mỗi người sử dụng chiếm cả giải tần W trong một khe thời gian nhất định, tuần hoàn trong suốt thời gian liên lạc Đặc điểm: dễ dàng mở các dịch vụ phi thoại, thiết bị trạm BS khá đơn giản do chỉ cần một máy thu

Hình 1.3 Đa truy nhập theo tần số

phát làm việc trên một cặp tần số ứng với các đường lên, xuống cho nhiều người sử dụng, hiệu quả sử dụng tấn số cao hơn so với các hệ thống CDMA Đối với loại đa truy nhập này do tốc độ truyền số liệu khá cao, ISI tồn tại trong quá trình liên lạc, do đó trong nhiều trường hợp các mạch san bằng khá phức tạp là cần thiết Đồng bộ cũng là một vấn đề đối với phương thức đa truy nhập này.

 Đa truy nhập theo mã (CDMA): Là một dạng của đa truy nhập sử

dụng kỹ thuật trải phổ SSMA (Spread Spectrum Meltiple Access), trong đó

mỗi một người sử dụng toàn bộ phổ tần như với TDMA, trong toàn bộ thời gian của cuộc gọi như đối với FDMA Các người sử dụng được phân biệt với

nhau nhờ việc sử dụng các mã giả nhiễu PN (Pseudo Noise) khác nhau Các

ưu điểm nổi bật của CDMA là hiệu sử dụng phổ rất cao, khả năng tái sử dụng tần số rất cao, phương án bố trí tần số sử dụng trong các tế bào rất đơn giản, độ an toàn thông tin và khả năng làm việc trong các tế bào rất đơn giản, độ an toàn thông tin và khả năng làm việc trong các điều kiện nhiễu mạnh rất cao…Mặc dầu có các ưu điểm nổi bật như vậy, cho đến nay CDMA chỉ được sử dụng ở một số hạn chế các hệ thống do các vấn đề liên quan tới điều khiển công suất, đồng bộ và việc tìm ra các mã PN cung cấp số kênh lớn Cũng cần phải nhấn mạnh thêm rằng, do hoàn cảnh lịch sử, hệ thống GSM (TDMA) ra

Tần số

Thời gian

TDMAN1 1E

Hình 1.4 Đa truy nhập theo thời gian

đời trước và đã được chấp nhận ở Châu Âu và nhiều nước khác trên thế giới,

bảo đảm tính lưu động (roaming) quốc tế trên một diện rất rộng trên toàn cầu

nên khả năng chiếm lĩnh thị trường và cạnh tranh của các hệ thống CDMA thế hệ thứ hai hiện thời còn chưa cao Tuy nhiên, trong tương lai rất gần khi nhu cầu về thuê bao di động cũng như các nhu cầu liên lạc đa dịch vụ tăng lên rất lớn, các biện pháp và công nghệ đủ mạnh thì các hệ thống CDMA sẽ chiếm lĩnh ưu thế tuyệt đối Phương thức đa truy nhập CDMA đã được lựa chọn sử dụng trong nhiều tiêu chuẩn thông tin di động 3G (WCDMA hay CDMA2000…) Theo ý kiến của các nhà chuyên gia hàng đầu thế giới, các thế hệ tiếp theo của thông tin di động sẽ là các hệ thống CDMA và các phát triển của nó.

1.2 Các đặc tính có bản của thông tin di động

Ngoài nhiệm vụ phải cung cấp các dịch vụ như mạng điện thoại cố định thông thường, các mạng thông tin di động phải cung cấp các dịch vụ đặc thù cho mạng di động để đảm bảo thông tin mọi lúc mọi nơi.

Để đảm bảo các chức năng trên thì các mạng thông tin di động phải đảm bảo một số đặc tính cơ bản chung sau đây:

Thời gianMã

Tần số

Hình 1.5 Đa truy nhập theo mã

 Sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát để đạt được dung lượng cao do sự hạn chế của dải tần vô tuyến sử dụng cho thông tin di động.

 Đảm bảo chất lượng truyền dẫn yêu cầu Do truyền dẫn được thực hiện bằng vô tuyến là môi trường truyền dẫn hở nên tín hiệu dễ bị ảnh hưởng của nhiễu và pha đinh Các hệ thống thông tin di động phải có khả năng hạn chế tối đa các ảnh hưởng này Ngoài ra để tiết kiệm băng tần ở mạng thông tin di động số chỉ có thể sử dụng các Codec tốc độ thấp Nên phải thiết kế các Codec này theo các công nghệ đặc biệt để được chất lượng truyền dẫn cao.

 Đảm bảo an toàn thông tin tốt nhất Môi trường truyền dẫn vô tuyến là môi trường rất dễ bị nghe trộm và sử dụng trộm đường truyền nên cần phải có biện pháp đặc biệt để đảm bảo an toàn thông tin Để đảm bảo quyền lợi của người thuê bao cần phải giữ bí mật số nhận dạng thuê bao và kiểm tra tính hợp lệ của mỗi người sử dụng khi họ truy nhập mạng Để chống nghe trộm cần mật mã hoá thông tin của người sử dụng ở các hệ thống thông tin di động mỗi người có một khoá nhận dạng bí mật riêng được lưu giữ ở bộ nhớ an toàn ở hệ thống GSM SIM-CARD được sử dụng SIM-CARD có kích thứơc như một thẻ tín dụng Người thuê bao có thể cắm thể này vào máy di động của mình và chỉ có người này có thể sử dụng nó Các thông tin lưu giữ ở SIM-CARD cho phép thực hiện các thủ tục an toàn thông tin.

 Giảm tối đa rớt các cuộc gọi khi thuê bao di động chuyển từ vùng phủ này sang vùng phủ khác

 Cho phép phát triển các dịch vụ mới, nhất là các dịch vụ phi thoại. Để mang tính toàn cầu phải cho phép chuyển mạng quốc tế

(International Roarming).

 Các thiết bị cầm tay phải gọn nhẹ và tiêu thụ ít năng lượng.

1.3 Cấu trúc chung hệ thống thông tin di động GSM

1.3.1 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin di động GSM

Hình1.4 Mô hình của hệ thống GSM

- Truyền báo hiệu

_ Truyền lưu lượngAUC: Trung tâm nhận thực

BSS

SS: Hệ thống con chuyển mạchISDN: Mạng liên kết số đa dcịh vụ

CSPDN: Mạng số liệu cộng chuyển mạch theo mạchPLMN: Mạng di động công cộng mặt đất

HLR: Bộ ghi định vị thường trúEIR: Bộ ghi nhận dạng thiết bịBSC: Bộ điều khiển trạm gốcMS: Trạm di động

OMC: Trung tâm khai thác và bảo dưỡngBSS: Hệ thống con trạm gốc

PSPDN: Mạng số liệu công cộng chuyển mạch góiPSTN: Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

1.3.2 Chức năng của các thành phần trong mạng GSM

1.3.2.1 Hệ thống con chuyển mạch SS

Hệ thống con chuyển mạch SS (Switching Subsystem) bao gồm các chức

năng chuyển mạch chính của GSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý di động của thuê bao Chức năng chính của SS là quản lý thông tin giữa những người sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác.

1.3.2.2 Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC

Ở hệ thống SS chức năng chuyển mạch chính được thực hiện bởi MSC

(Mobile Services Switching Center), nhiệm vụ chính của MSC là điều phối

việc thiết lập cuộc gọi đến các người sử dụng mạng thông tin di động Một mặt MSC giao diện với BSC, mặt khác nó giao diện với mạng ngoài MSC làm nhiệm vụ giao diện với mạng ngoài được gọi là MSC cổng Việc giao diện với mạng ngoài để đảm bào thông tin cho các người sử dụng mạng thông

tin di động đòi hỏi cổng thích ứng IWF (Inter Working Function: Các chức

năng tương tác) MSC thường là một tổng dài lớn điều khiển và quản lý một số các bộ điều khiển trạm gốc Một BSC thích hợp cho một vùng đô thị và ngoại ô có dân cư vào khoảng một triệu người Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của mạng thông tin di động với các mạng này Các thích ứng này được gọi là các chức năng tương tác (IWF) IWF bao gồm một thiết bị để thích ứng giao thức và truyền dẫn.

1.3.2.3 Bộ ghi dịch tạm trú VLR

VLR (Visitor Location Register) là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng

thông tin di động Nó được nối với một hay nhiều MSC và có nhiệm vụ lưu giữ tạm thời số liệu thuê bao của các thuê bao hiện đang nằm trong vùng phục vụ của MSC tương ứng và đồng thời lưu giữ số liệu về vị trí của các thuê bao nói trên ở mức độ chính xác hơn HLR Các chức năng VLR thưòng được liên kết với các chức năng MSC.

1.3.2.4 Bộ ghi định vị thường trú HLR

Ngoài MSC, mạng thông tin di động bao gồm cả các cơ sở dữ liệu Các thông tin liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông được lưu giữ ở

HLR (Home Location Register) không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê

bao Thường HLR là một máy tính đứng riêng không có khả năng chuyển mạch và có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao Một chức năng con của HLR là nhận dạng trung tâm nhận thực AUC, nhiệm vụ của trung tâm này quản lý an toàn số liệu của các thuê bao được phép.

1.3.2.5 Quản lý thuê bao và trung tâm nhận thực AUC

Quản lý thuê bao gồm các hoạt động quản lý đăng ký thuê bao Nhiệm vụ đầu tiên là nhập và xoá thuê bao khỏi mạng Đăng ký thuê bao cũng có thể

rất phức tạp, bao gồm nhiều dịch vụ và các tính năng bổ sung Nhà khai thác phải truy nhập được tất cả các thông số nói trên Một nhiệm vụ quan trọng khác của khai thác là tính cước các cuộc gọi Cước phí phải được tính và gửi đến thuê bao Việc quản lý thuê bao được thực hiện thông qua một khoá nhận

dạng bí mật duy nhất cho từng thuê bao AUC (Authentication Center) quản lý

các thông tin nhận thực và mật mã liên quan đến từng cá nhân thuê bao dựa trên khoá bí mật này AUC có thể được đặt trong HLR hay MSC hay độc lập với cả hai Khoá này cũng được lưu giữ vĩnh cửu và bí mật trong bộ nhớ ở MS.

1.3.2.6 Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR

Quản lý thiết bị di động được thực hiện bởi bộ đăng ký nhận dạng thiết

bị EIR (Equipment Identity Register) EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan

đến trmj di động MS EIR được nối đến MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra sự được phép của thiết bị Một thiết bị không được phép sẽ bị cấm.

1.3.2.7 Tổng đài cổng GMSC

Mạng thông tin di động có thể chứa nhiều MSC, VLR, HLR Để thiết lập một cuộc gọi từ mạng ngoài đến người sử dụng thông tin di động, trước hết cuộc gọi phải được định tuyến đến một tổng đài cổng được gọi là GMSC mà không cần biết đến hiện thời thuê bao đang ở đâu Các tổng đài có nhiệm vụ lấy thông tin về vị trí của thuê bao và định tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lý thuê bao ở thời điểm hiện thời (MSC tạm trú) Để vậy trước hết các tổng đài cổng phải dựa trên số thoại danh bạ của thuê bao để tìm đúng HLR cần thiết và hỏi HLR này Tổng đài cổng có một giao tiếp với các mạng bên ngoài, thông qua giao tiếp này nó làm nhiệm vụ cổng để kết nối với các mạng bên ngoài với mạng thông tin di động Ngoài ra tổng đài này cũng có giao diện báo hiệu số 7 (CCS No7) để có thể tương tác với các phần tử khác của

SS Về phương diện kinh tế không phải bao giờ tổng đài cổng cũng đứng riêng mà nó thường được kết hợp với MSC.

1.3.3 Hệ thống trạm gốc BSS

1.3.3.1 Bộ điều khiển trạm gốc BSC

BSC (Base Station Controller) có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô

tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa của BTS và MS Các lệnh này chủ yếu là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao

(Handover) Một phía BSC được nối với BTS còn phía kia nối với MSC

Trong thực tế BSC là một tổng đài nhỏ có khả năng tính toán đáng kể Vai trò chủ yếu của nó là quản lý các kênh giao diện vô tuyến và chuyển giao

(Handover) Một BSC trung bình có thể quản lý tới vài chục BTS phụ thuộc

vào lưu lượng của các BTS này BSC cũng có thể kết hợp chung với BSC vào một trạm gốc Giao diện giữa BSC với MSC được gọi là giao diện A, còn giao diện giữa nó với BTS được gọi là giao diện Abis.

1.3.3.2 Trạm thu phát gốc BTS

Một BTS (Base Transceiver Station) bao gồm các thiết bị phát thu, anten

và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến Có thể coi BTS là các modem vô tuyến phức tạp có thêm một số các chức năng khác Một bộ phận

quan trọng của BTS là TRAU (Transcoder/Adapter Rate Unit: khối chuyển

đổi mã và tốc độ) TRAU là thiết bị mà ở đó quá trình mã hoá và giải mã tiếng đặc thù riêng cho hệ thống di động được tiến hành, ở đây cũng thực hiện thích ứng tốc độ trong trường hợp truyền số liệu TRAU là một bộ phận của

BTS nhưng cũng có thể đặt nó cách xa BTS và thậm chí trong nhiều trường hợp được đặt giữa BSC và MSC.

1.3.4 Phân hệ khai thác và bảo dưỡng OSS

1.3.4.1 Khai thác và bảo dưỡng

Hệ thống khai thác OS (Operation System) thực hiện khai thác và bảo

dưỡng tập trung cho mạng thông tin di động.

Khai thác là các hoạt dộng cho phép nhà khai thác mạng theo dõi hành vi

của mạng như: tải của hệ thống, mức độ chặn, số lượng chuyển giao giữa hai ô…nhờ vậy nhà khai thác có thể giám sát được toàn bộ chất lượng của dịch vụ mà họ cung cấp cho khách hàng và kịp thời xử lý các sự cố Khai thác cũng bao gồm việc thay đổi cấu hình để giảm những vấn đề xuất hiện ở thời điểm hiện thời, để chuẩn bị tăng lưu lượng trong tương lai, tăng vùng phủ Việc thay đổi mạng có thể thực hiện “mềm” qua báo hiệu ( chẳng hạn thay đổi thông số handover để thay đổi biên giới tương quan giữa hai ô), hoặc thực hiện cứng đòi hỏi sự can thiệp hiện trường (chẳng hạn bổ sung thêm dung lượng truyền dẫn hay lắp đặt một trạm mới) ở hệ thống viễn thông hiện đại khai thác được thực hiện bằng máy tính và được tập trung ở một trạm.

Bảo dưỡng có nhiệm vụ phát hiện, định vị và sửa chữa sự cố, hỏng hóc

Nó có một số quan hệ với khai thác Các thiết bị ở mạng viễn thông hiện đại có khả năng tự phát hiện một số sự cố hay dự báo sự cố thông qua tự kiểm tra Trong nhiều trường hợp người ta dự phòng cho thiết bị để khi có sự cố có thể thay thế bằng thiết bị dự phòng Sự thay thế có thể thực hiện tự động, ngoài ra việc giảm nhẹ sự cố có thể được thực hiện bởi người khai thác bằng điều khiển từ xa Bảo dưỡng cũng bao gồm cả các hoạt động tại hiện trường nhằm thay thế thiết bị bị sự cố.

1.3.4.2 Quản lý thuê bao

Bao gồm các hoạt động quản lý đăng ký thuê bao Nhiệm vụ đầu tiên là nhập và xoá thuê bao khỏi mạng Đăng ký thuê bao cũng có thể rất phức tạp, bao gồm nhiều dịch vụ và các tính năng bổ sung Nhà khai thác phải có thể thâm nhập được tất cả các thông số nói trên Một nhiệm vụ quan trọng khác của khai thác là tính cước các cuộc gọi Cước phí phải được tính và gửi đến thuê bao Quản lý thuê bao ở mạnh GSM chỉ liên quan đến HLR và một số thiết bị OSS riêng chẳng hạn mạng nối HLR với các thiết bị giao tiếp người máy ở các trung tâm giao dịch với thuê bao Sim card cũng đóng vai trò như một bộ phận của hệ thống quản lý thuê bao.

1.3.4.3 Quản lý thiết bị di động MS

Quản lý thiết bị di động được bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR thực hiện EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến trạm di động MS EIR được nối đến MSC quan đường báo hiệu để kiểm tra sự được phép của thiết bị Một thiết bị không được phép sẽ bị cấm.

1.3.5 Máy di động MS

MS (Mobile Station) là thiết bị duy nhất mà người sử dụng có thể thường

xuyên nhìn thấy của hệ thống MS có thể là thiết bị đặt trong ô tô hay thiết bị xách tay hoặc thiết bị cầm tay Loại thiết bị nhỏ cầm tay sẽ là thiết bị trạm di động phổ biến nhất Ngoài việc chứa các chức năng vô tuyến chung và xử lý cho giao diện vô tuyến MS còn phải cung cấp các giao diện với người sử dụng (như: micro, loa, màn hiển thị, bàn phím để quản lý cuộc gọi) hoặc giao diện với một số thiết bị khác (như: giao diện với máy tính cá nhân, FAX…) Hiện nay người ta đang cố gắng sản xuất các thiết bị đầu cuối gọn nhẹ để nối với trạm di động Chức năng chính của các thiết bị đầu cuối gồm:

- Thiết bị đầu cuối (TE) thực hiện các chức năng không liên quan đến mạng di động: FAX, máy tính.

- Kết cuối trạm di động (MT) thực hiện các chức năng liên quan đến truyền dẫn ở giao diện vô tuyến.

- Bộ thích ứng đầu cuối (TAF) làm việc như một cửa nối thông thiết bị đầu cuối với kết cuối di đông.

1.3.6 Cấu trúc địa lý vùng mạng GSM

Do tính chất di động của thuê bao di động nên mạng di động phải được tổ chức theo một cấu trúc địa lý nhất định sao cho nó có thể theo dõi được vị trí của thuê bao

1.3.6.1 Phân chia theo vùng mạng:

Trong một quốc gia có thể có nhiều vùng mạng viễn thông, việc gọi vào một vùng mạng nào đó phải được thực hiện thông qua tổng đài cổng Các vùng mạng di động được đại diện bằng tổng đài cổng GMSC Tất cả các cuộc gọi đến một mạng di động từ một mạng khác đều được định tuyến đến GMSC Tổng đài này làm việc như một tổng đài trung kế vào cho mạng GSM/PLMN Đây là nơi thực hiện chức năng hỏi để định tuyến cuộc gọi kết cuối ở trạm di động GMSC cho phép hệ thống định tuyến các cuộc gọi vào từ mạng ngoài đến nơi nhận cuối cùng: các trạm di động bị gọi

1.3.6.2 Phân chia theo vùng phục vụ MSC/VLR:

Một mạng thông tin di động được phân chia thành nhiều vùng nhỏ hơn, mỗi vùng nhỏ này được phục vụ bởi một MSC/VLR Ta gọi đây là vùng phục vụ của MSC/VLR Để định tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động, đường truyền qua mạng sẽ được nối đến MSC đang phục vụ thuê bao di động

cần gọi ở mỗi vùng phục vụ MSC/VLR thông tin về thuê bao được ghi lại tạm thời ở VLR Thông tin này bao gồm hai loại:

- Thông tin về đăng ký và các dịch vụ của thuê bao.

- Thông tin về vị trí thuê bao (thuê bao đang ở vùng định vị nào).

Hình 1.5 Phân chia theo vùng phục vụ MSC/VLR

1.3.6.3 Phân chia theo vùng định vị:

Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR được chia thành một số vùng định vị LA

(Location Area) 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 và không cần cập nhật thông tin về vị trí cho MSC/VLR quản lý vị trí này Có thể nói vùng định vị là vị trí cụ thể nhất của trạm di động mà mạng cần biết để định tuyến cho một cuộc

GMSC

gọi đến nó Ở vùng định vị này thông báo tìm sẽ được phát quảng bá để tìm thuê bao di động bị gọi Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử

dụng nhận dạng vùng định vị (LAI: Location Area Identity) Vùng định vị có

thể bao gồm một số ô và thuộc một hay nhiều BSC, nhưng chỉ phụ thuộc một MSC.

Hình 1.6 Phân chia vùng MSC/VLR thành các vùng định vị LA

1.3.6.4 Phân chia theo ô (Cell):

Vùng định vị được chia thành một số ô Ô là một vùng phủ vô tuyến

được mạng nhận dạng bằng nhận dạng ô toàn cầu (CGI: Cell Global Identity) Trạm di động nhận dạng ô bằng mã nhận dạng trạm gốc (BSIC: Base Station

Identity Code) Vùng phủ của các ô thường được mô phỏng bằng hình lục giác

để tiện cho việc tính toán thiết kế.

MSC VLR

ITU-R (International Telecommunication Union Radio Sector : Liên minh viễn

thông quốc tế- Bộ phận vô tuyến) đã xây dựng các tiêu chuẩn cho IMT-2000

(International Mobile Telecommunications -2000) IMT-2000 đã mở rộng đáng

kể khả năng cung cấp dịch vụ và bao phủ một vùng rộng lớn các môi trường thông tin Mục đích của IMT-2000 đã đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ hai Thông tin di động thế hệ ba xây dựng trên cở sở IMT 2000 sẽ phải là thế hệ thông tin di động cho các dich vụ di động truyền thông cá nhân đa phương tiện.

Tốc độ bit

Vùng rộng/ Tốc độ di động caoCố định/ Tốc độ di

động thấp

Cơ sở 2G (GSM, IS-95, IS-136, PDC)2G (GSM, HSCSD và GPRS , IS -95B)

10 Kbit/s384 Kbit/s144 Kbit/s2 Mbit/sLA

Ô3

Hình 2.1 Sơ đồ bước tiến công nghệ CDMA băng rộng

Hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G) xây dựng trên cơ sở IMT-2000 sẽ được đưa vào sử dụng và phục vụ từ những năm 2001 Các hệ thống thông tin di động 3G sẽ cung cấp rất nhiều loại hình dịch vụ viễn thông bao gồm : Thông tin thoại, số liệu tốc độ bít thấp và bít cao, đa phương tiện, video cho người sử dụng làm việc cả ở môi trường công cộng lẫn tự nhiên và ở mọi nơi mọi lúc.

Hệ thống thông tin di động thế hệ ba được xây dựng chủ yếu trên công

nghệ CDMA, WCDMA và CDMA2000, kỹ thuật trải phổ (SS: Spreading

Sprectrum), kỹ thuật xử lý số quan trọng được sử dụng cho hệ thống thông tin

di động CDMA Công nghệ CDMA với những đặc tính ưu việt của nó như chất lượng dịch vụ tốt,vùng phủ sóng rộng, dung lượng lớn, ít bị can nhiễu bởi fa-đinh, quy hoạch tần số đơn giản

Hiện nay đang mở rộng nghiên cứu ứng dụng hệ thống CDMA trong vai trò sơ đồ đa truy nhập ở giao diện vô tuyến của IMT-2000/ UMTS.

CDMA là ứng cử viên triển vọng nhất cho hệ thống thông tin cá nhân (PCS), không dây thế hệ thứ 3 (3G).

Động lực hướng tới 3G là nhu cầu bức xúc về dịch vụ dữ liệu tốc độ cao và sử dụng phổ hiệu quả hơn Từ năm 1985 ITU đã phát triển ITM-2000, từ 1990 ETSI đã bắt đầu tiêu chuẩn hoá UMTS Mục tiêu chủ yếu của giao diện vô tuyến IMT-2000 là:

 Phủ sóng và di động hoàn hảo trong thông tin di động 144Kbit/s, mong muốn đạt 384 Kbit/s.

 Phủ sóng và di động hạn chế đối với thông tin 2Mbit/s.

 Nâng cao được hiệu suất sử dụng phổ so với các hệ thống đã có. Có độ linh hoạt cao để cung cấp các dịch vụ mới

2.2 Cấu trúc mạng CDMA

Hiện nay mạng thông tin di động số có hai kỹ thuật truy cập chính là TDMA và CDMA Cấu hình mạng của chúng có rất nhiều điểm chung Tuy nhiên, do có nhiều nhà sản xuất khác nhau trên thế giới nên bản thân mạng CDMA cũng có nhiều điểm khác nhau tuỳ theo nhà sản xuất.

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc chung mạng CDMA

WTPMS

MS: Mobile Station: Trạm di động.BS: Base Station: Trạm gốc.

MSC: Mobile Switching Centre: Trung tâm chuyển mạch di động (của mạng di động)

HLR: Home Location Register: Bộ đăng ký định vị thường trú.EIR: Equipment Identity Register: Thanh ghi nhận dạng thiết bị.AUC: Authentication Centre: Trung tâm nhận thực.

OS: Operation System: Hệ thống điều khiển.

IWF: Interworking Function: Chức năng tương tác mạng.PSTN: Mạng điện thoại công cộng.

BTS: Base Station Transceiver Sybsystem: Phân hệ thu–phát của trạm gốc.

BSC: Base Station Controller: Bộ điều khiển của trạm gốc.BSM: Base Station Manager: Bộ quản lý của trạm gốc.

ASS: Access Switching Subsystem: Phân hệ chuyển mạch truy cập.INS: Interconnection Network Subsystem: Phân hệ liên kết mạng.CCS: Central Control Subsystem: Phân hệ điều khiển trung tâm.

WTP: Wireless Personal Terminal: Thiết bị đầu cuối di động cá nhân khác.

2.2.1 Máy thuê bao di động (MS)

Máy thuê bao di động MS được sử dụng để kết cuối với đường truyền vô tuyến và là thiết bị để người dùng truy cập vào mạng MS có thể là điện thoại cầm tay hoặc cũng có thể là các thiết bị khác như: Máy tính cá nhân, máy fax,…Anten MS nối tới bộ anten song công cho phép một anten dùng chung cho cả phát và thu, điều hưởng ở kênh vô tuyến nào đó có dải thông 1,25 MHz Sau đó, tín hiệu được chuyển xuống trung tần, được lọc và đưa đến bộ chuyển