Đồ án thiết kế và triển khai hệ thống thông tin di động GSM
MỤC LỤC
LỜI NểI ĐẦU
Ngày nay với nhu cầu cả về số lượng và chất lượng của khách hàng sử dụng các dịch vụ viễn thông ngày càng cao, đòi hỏi phải có những phương tiện thông tin hiện đại, đáp ứng nhu cầu đa dạng của khách hàng mọi lúc, mọi nơi họ cần.Và mạng GSM với những ưu điểm nổi bật như: dung lượng lớn, chất lượng tốt, tính bảo mật cao…thì sự ra đời của mạng di động GSM đã đáp ứng được các yêu cầu cao, cần thiết cho toàn xã hội. Đồng thời với sự phát triển của mạng di động sử dụng công nghệ GSM, ngày nay, không chỉ có các nước tiên tiến trên thế giới mà ở nước ta cũng đã phát triển rất mạnh các mạng sử dụng công nghệ cao hơn như: GPRS, 3G, W – CDMA(4G).
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG GSM
Sau đó năm 1982 nó được chuẩn hóa bởi CEPT (European Conference of Postal and Telecommunication Administrations) và tạo ra Groupe Spécial Mobile (GSM) với mục đích phát triển một chuẩn thống nhất cho hệ thống thông tin di động để có thể sử dụng chung cho toàn Châu Âu. Trước tình hình đó vào tháng 9/1987 trong hội nghị của Châu Âu về bưu chính viễn thông, 17 quốc gia đang sử dụng mạng điện thoại đã họp hội nghị và ký vào biên bản ghi nhớ làm nền tảng cho mạng thông tin di động số là toàn Châu Âu sử dụng dải tần 900 Mhz.
CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN MẠNG GSM
EIR được nối với các trạm MSC thông qua đường báo hiệu để kiểm tra tính hợp lệ của ME thông qua số liệu nhận dạng di động quốc tế IMEI (International Mobile Equipment Indentity) của thuê bao gửi tới khi thiết lập thông tin với số IMEI lưu trữ trong EIR phòng trường hợp đây là những thiết bị đầu cuối bị đánh cắp, nếu so sánh không đúng thì thiết bị không thể truy nhập vào mạng được. Khối trung tâm nhận thực AuC (Aunthentication Center):. AuC được kết nối đến HLR, chức năng của AuC là cung cấp cho HLR các tần số nhận thực và các khóa mật mã để sử dụng cho bảo mật. Đồng thời các AuC quản lý các thông tin nhận thực và mật mã liên quan đến từng cá nhân thuê bao dựa trên một khóa nhận dạng bí mật Ki để đảm bảo an toàn số liệu cho các thuê bao được phép. Khóa này cũng được lưu giữ vĩnh cửu và bí mật trong bộ nhớ ở MS. Bộ nhớ này có dạng Simcard có thể rút ra và cắm lại được. AuC có thể được đặt trong MSC hoặc HLR hoặc độc lập với cả hai. Khi đăng ký thuê bao, khóa nhận thực Ki được ghi nhớ vào Simcard của thuê bao cùng với IMSI của nó. Đồng thời khóa nhận thực Ki cũng được lưu giữ ở trung tâm nhận thực AuC để tạo ra bộ ba thông số cần thiết cho quá trình nhận thực và mật mã hóa:. - Số ngẫu nhiên RAND. - Mật khẩu SRES được tạo ra từ khóa Ki và số ngẫu nhiên RAND bằng thuật toán A3. - Khóa mật mã Kc được tạo ra từ Ki và số ngẫu nhiên bằng thuật toán A8. Đường vô tuyến cũng được AuC cung cấp mã bảo mật để chống nghe trộm, mã này được thay đổi riêng biệt cho từng thuê bao. Cơ sở dữ liệu của AuC còn ghi nhiều thông tin cần thiết khác khi thuê bao đăng ký nhập mạng và được sử dụng để kiểm tra khi thuê bao yêu cầu cung cấp dịch vụ, tránh việc truy nhập mạng một cách trái phép. Trạm di động là thiết bị duy nhất người sử dụng có thể thường xuyên nhìn thấy của hệ thống. MS có thể là: máy cầm tay, máy xách tay hay máy đặt trên ô tô. 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 hình hiển thị, bàn phím để quản lý cuội gọi) hoặc giao diện với một số các thiết bị khác (như giao diện với máy tính cá nhân, FAX…).
CHUYỂN GIAO HANDOVER TRONG GSM
Các loại chuyển giao : .1 Chuyển giao trong BTS
Chuyển giao trong cùng BSC thực hiện khi cell đích được điều khiển bởi một BTS khác từ cell nguồn và cả hai BTS được điều khiển bởi cùng một BSC. Khi BSC quyết định chuyển giao là cần thiết, nhưng cell đích không được điều khiển bởi chính nó, nó cần sự giúp đỡ từ MSC để tìm ra chính xác vị trí của cell đang được BSC nào đó quản lý, lúc này MSC mới tham gia vào quá trình chuyển giao. Sau đó quá trình yêu cầu BTS đích cấp tài nguyên, khi cấp tài nguyên thành công, MS được chỉ dẫn để truy cập kênh mới và cuộc gọi được chuyển sang BSS mới.
GIAO TIẾP VÔ TUYẾN SỐ
- Phân tập anten (phân tập không gian): do hai anten thu ít có nguy cơ bị chỗ trũng Fading sâu cùng một lúc nên ta sử dụng hai anten Rx độc lập thu cùng tín hiệu rồi kết hợp các tín hiệu này lại ta sẽ có một tín hiệu ra khỏi bộ kết hợp ít bị Fading hơn. Nguyên lý làm việc của một bộ cân bằng: sau khi lập mô hình kênh ta sẽ phải tạo ra tất cả các chuỗi bit có thể rồi đưa chúng qua mô hình kênh chuỗi đầu vào mà từ đó nhận được chuỗi đầu ra giống nó nhất gọi là chuỗi ngyên thủy hay chuỗi phát. + Kênh điểu khiển liên kết chậm SACCH: liên kết với một TCH hay một SDCCH, là kênh số liệu liên tục, mang thông tin liên tục như các thông báo đo đạc từ các trạm di động về cường độ tín hiệu thu từ ô hiện thời và các ô lân cận.
THIẾT KẾ VÀ QUY HOẠCH HỆ THỐNG MẠNG GSM
Kích thước Cell và phương thức phủ sóng a. Kích thước Cell
Một số khu vực trong nhà mà các anten ngoài trời không thề phủ sóng tới như nhà ga, sân bay, siêu thị..thì người ta sẽ dùng các trạm pico để chuyển tiếp sóng từ các anten ngoài trời vào. Có hai loại anten thường được sử dụng: anten vô hướng (omni) là anten phát đẳng hướng, và anten có hướng là anten bức xạ năng lượng tập trung trong một rẻ quạt (sector). Các nhà quy hoạch sử dụng khái niệm cells splitting để phân chia một khu vực có mật độ thuê bao cao, lưu lượng lớn thành nhiều vùng nhỏ hơn để cung cấp tốt hơn các dịch vụ mạng.
Giai đoạn 0 (phase 0)
Đứng trên quan điểm kinh tế, việc hoạch định cell phải bảo đảm lưu lượng hệ thống khi số thuê bao tăng lên, đồng thời chi phí phải là thấp nhất. Để đáp ứng được yêu cầu này, người ta sử dụng phương pháp giảm kích thước cell gọi là tách cell (cells splitting). Khi mạng được mở rộng, dung lượng sẽ tăng lên, để đáp ứng được điều này phải dùng nhiều sóng mang hơn hoặc sử dụng lại những sóng mang đã có một cách thường xuyên hơn.
Giai đoạn 1 (Phase 1): Sector hóa
Tuy nhiên, mọi sự thay đổi trong quy hoạch cấu trúc tần số phải gắn liền với việc quan tâm tới tỉ số C/I. Các tần số không thể được ấn định một cách ngẫu nhiên cho các cell. Để thực hiện được điều này, phương pháp phổ biến là chia cell theo thứ tự.
Giai đoạn 2: Tách chia nhỏ hơn nữa về sau
Đồng thời việc lắp đặt các vị trí trạm mới đòi hỏi kinh phí lớn, việc khảo sát để chọn được những vị trí thích hợp cũng gặp nhiều khó khăn (nhà trạm đặt thiết bị, xây dựng cột anten, mạng điện lưới thuận tiện..). Để giải quyết vấn đề dung lượng ở những khu vực có mật độ rất cao mà các biện pháp trên không giải quyết được, thì việc sử dụng các “minicell” và các “microcell” sẽ trở nên phổ biến với phạm vi phủ sóng nhỏ, công suất bức xạ của BTS (thường là các trạm Repeater) thấp. Hiện nay, tại Việt Nam đang có 3 nhà cung cấp dịch vụ di động GSM đó là Vinaphone, Mobiphone, Viettel, cùng đồng thời hoạt động, nên dải tần số hạn hẹp phải chia sẻ đều cho cả 3 mạng.
Nhảy tần _ Frequency Hopping
Thiết kế hệ thống có dung lượng lớn với chi phí cho hạ tầng là tối thiểu đang ngày càng trở nên quan trọng trong cuộc chạy đua giữa các nhà điều hành di động. Nói chung, với một mạng lưới sử dụng kỹ thuật nhảy tần thì ta có thể giảm cự ly tái sử dụng tần số do đó có thể cải thiện được dung lượng của hệ thống so với mạng không sử dụng kỹ thuật nhảy tần. Tình hình chỉ có thể cải thiện nếu cell đồng kênh ngừng phát tín hiệu trên kênh tần số này hoặc kết nối ở cell A được thực hiện chuyển giao Handover (bởi Intra-cell Handover, hay Inter-cell Handover).
Phương pháp đa mẫu sử dụng lại MRP _ Multiple Reuse Patterns
• Một biện pháp cấu trúc cho thiết kế tần số: Với việc phân chia băng tần TCH thành các băng khác nhau, cấu trúc sẽ trở nên hợp lý khi thiết kế quy hoạch tần số cho bộ thu phát TCH thứ nhất mà không làm thay đổi quy hoạch BCCH hay những quy hoạch cho những bộ thu phát TCH khác. Ta đã biết vấn đề nhiễu giao thoa đồng kênh thường liên quan đến việc sử dụng lại tần số và một trong những dạng của loại nhiễu này là từ các thuê bao đang hoạt động ở những vị trí cao (các quả đồi, trên các toà nhà cao tầng..) gây nhiễu tới các cell có cùng tần số làm việc. Độ tăng ích của một anten là tỷ số, thường tính bằng dB, giữa công suất cần thiết tại đầu vào của một anten chuẩn không suy hao với công suất cung cấp ở đầu vào của anten đó sao cho ở một hướng cho trước tạo ra cường độ trường hay mật độ thông lượng công suất như nhau tại cùng một cự ly.
