Tuy nhiên, sẽ không thực tế khi người ta chia nhỏ toàn bộ các hệ thống ra các vùng nhỏ hơn nữa và tương ứng với nó là các cells. Nhu cầu lưu lượng cũng như mật độ thuê bao sử dụng giữa các vùng nông thôn và thành thị có sự khác nhau nên đòi hỏi cấu trúc mạng ở các vùng đó cũng khác nhau.
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. Ví dụ các thành phố lớn được phân chia thành các vùng địa lý nhỏ hơn với các cell có mức độ phủ sóng hẹp nhằm cung cấp chất lượng dịch vụ cũng như lưu lượng sử dụng cao, trong khi khu vực nông thôn nên sử dụng các cell có vùng phủ sóng lớn, tương ứng với nó số lượng cell sẽ sử dụng ít
hơn để đáp ứng cho lưu lượng thấp và số người dùng với mật độ thấp hơn.
Hình 2.3-7: Quá trình phân chia cell 2.3.4.3 Handoff (Sự chuyển giao)
Trở ngại cuối cùng trong việc phát triển mạng thông tin di động tế bào là vấn đề phát sinh khi một thuê bao di động di chuyển từ cell này sang cell khác. Các khu vực kề nhau trong hệ thống tế bào sử dụng các kênh vô tuyến có tần số khác nhau, khi thuê bao di động di chuyển từ cell này sang cell khác thì cuộc gọi hoặc bị rớt hoặc tự động chuyển từ kênh vô tuyến này sang một kênh khác thuộc cell khác.
Thay vì để cuộc gọi bị rớt, quá trình Handoff giúp cho cuộc gọi được liên tục. Quá trình Handoff xảy ra khi hệ thống thông tin di động tự động chuyển cuộc gọi từ kênh vô tuyến này sang kênh vô tuyến khác khi thuê bao di động di chuyển từ cell này sang cell khác liền kề với nó. Trong qúa trình đàm thoại, hai thuê bao cùng chiếm một kênh thoại. Khi một thuê bao di động chuyển động ra khỏi vùng phủ sóng của cell cho trước, tín hiệu đầu thu của cell này sẽ giảm. Khi đó, cell đang sử dụng sẽ yêu cầu một Handoff (chuyển giao) đến hệ thống. Hệ thống sẽ chuyển mạch cuộc gọi đến một cell có tần số với cường độ tín hiệu thu mạnh hơn mà không làm gián đoạn cuộc gọi hay gửi cảnh báo đến người sử dụng. Cuộc gọi sẽ được tiếp tục mà người sử dụng không nhận thấy quá trình Handoff diễn ra.
Hình 2.3-8: Quá trình Handoff
2.3.5 Các dịch vụ phổ biến
Mạng 1G chỉ cung cấp dịch vụ thoại.
2.4 Mạng di động 2G-GSM
2.4.1 Khái niệm
Là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách cũng như khác hoàn toàn so với thế hệ đầu tiên. Nó sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số thay cho tín hiệu analog của thế hệ 1G và được áp dụng lần đầu tiên tại Phần Lan bởi Radiolinja (hiện là nhà cung cấp mạng con của tập đoàn Elisa Oyj) trong năm 1991.
2.4.2 Lịch sử phát triển
Vào cuối thập niên 1980, các hệ thống thế hệ thứ 2 (2G) sử dụng công nghệ số đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) ra đời. Các hệ thống này có ưu điểm là sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát, đảm bảo chất lượng truyền dẫn yêu cầu, đảm bảo được an toàn thông tin, cho phép chuyển mạng quốc tế…Đến đầu thập niên 1990, công nghệ TDMA được dùng cho hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM ở Châu Âu. Đến giữa thập kỷ 1990, đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) trở thành loại hệ thống 2G thứ 2 khi người Mỹ đưa ra tiêu chuẩn nội địa IS-95. Năm 1993 tại Nhật Bản, NTT đưa ra tiêu chuẩn di động số đầu tiên của nước này (JPD-Japanish Personal Digital Cellular System) và phát triển hệ thống thông tin
di động số cá nhân (PDC-Personal Digital Cellular) với băng tần hoạt động là 900- 1400MHz. PDC đã được thương mại hóa vào 3/1993 và chỉ được sử dụng tại nước này.
Ở Mỹ tiếp tục phát triển hệ thống số IS54 thành phiên bản mới là IS-136 hay còn gọi là AMPS số (D-AMPS ) và đã đạt được nhiều thành công. Năm 1985 công nghệ CDMA ra đời, đó là công nghệ đa thâm nhập theo mã sử dụng kỹ thuật trải phổ được nghiên cứu và triển khai bởi hãng Qualcomm Communication. Công nghệ này trước đó được sử dụng chủ yếu trong quân sự và đến nay đã được sử dụng rộng rãi nhiều nơi trên thế giới.
2.4.3 Cấu trúc mạng
Hệ thống thông tin di động toàn cầu thế hệ thứ (2G) có 2 tiêu chuẩn là GSM và IS- 95- chuẩn nội địa do Mỹ đặt ra nhưng GSM là tiêu chuẩn phổ biến nhất cho truyền thông di động trên thế giới.
Kiến trúc mạng của nó được thể hiện trong hình dưới:
Hình 2.4-9 : Kiến trúc mạng 2G-GSM
Một hệ thống GSM được chia thành các hệ thống con sau đây: Hệ thống con chuyển mạch (SS – Switching Subsystem ) Hệ thống con trạm gốc (BSS – Base Station Subsystem) Hệ thống con khai thác (OSS – Opration Subsystem) Trạm di động (MS – Mobile Station)
2.4.3.1 Hệ thống con chuyển mạch SS bao gồm các khối chức năng sau:
Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động (MSC – Mobile Services Switching Center)
Bộ ghi định vị thường trú ( HLR – Home Location Register) Bộ ghi định vị tạm trú ( VLR – Visitor Location Registor) Trung tâm nhận thực ( AUC – Authentication Center)
Bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR – Equipment Identification Register) Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động cổng (GMSC – Gateway MSC)
2.4.3.2 Hệ thống con trạm gốc BSC gồm các khối chức năng sau:
Bộ điều khiển trạm gốc ( BSC – Base Station Controller) Trạm thu phát gốc ( BTS – Base Transceiver Station)
2.4.3.3 Hệ thống con khai thác OSS gồm các khối chức năng sau:
Trung tâm quản lý mạng ( NMC – Network Management Center)
Trung tâm quản lý và bảo dưỡng ( OMC – Operation & Maintenance Center)
2.4.3.4 Trạm di động MS gồm:
Thiết bị di động (ME – Mobile Equipment)
2.4.4 Chức năng của các phần tử trong hệ thống
2.4.4.1 Hệ thống con chuyển mạch SS
Hệ thống con chuyển mạch 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 lí di động của thuê bao. Chức năng chính của SS là quản lí thông tin giữa những người sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác.
2.4.4.1.1 Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động MSC
Tổng đài di động MSC thực hiện chức năng chuyển mạch cho các thuê bao di động thông qua trường chuyển mạch của nó. MSC quản lí việc thiết lập cuộc gọi, điều khiển cập nhật vị trí và thủ tục chuyển giao giữa các MSC. Việc cập nhật vị trí của thuê bao cho phép tổng đài di động MSC nhận biết được vị trí của các thuê bao di động trong quá trình tìm gọi trạm di động MS. MSC có tất cả các chức năng của một tổng đài cố định như tìm đường, định tuyến, báo hiệu, … Điều khác biệt giữa tổng đài của mạng cố định ( PSTN, ISDN, …) và MSC là
SVTH: Nguyễn Thị Phương Lớp: H09CN2 Page 35
PSTN PLMN CSPDN PSPDN SS VLR HLR EIR MSC OSS BSS BSC BTS MS ISD N AUC Truyền báo Truyền lưu Hình 2.4-10 Mô hình hệ thống GSM
MSC thực hiện xử lý cho các thuê bao di động, thực hiện chuyển vùng giữa các cell.
Chức năng của tổng đài MSC ngoài việc kết nối với các phần tử của mạng di động nó còn kết nối với các phần tử của mạng khác như PSTN, ISDN, PSPDN, CSPDN, PLMN. MSC thực hiện chức năng trên gọi là MSC cổng (GMSC). Việc giao tiếp với mạng ngoài để đảm bảo thông tin cho những người sử dụng mạng GSM đòi hỏi cổng thích ứng ( Các chức năng tương tác IWF – Interworking Function). IWF là cổng giao tiếp giữa người dùng mạng GSM với các mạng ngoài. Nó có thể được thực hiện trong cùng chức năng MSC hay có thể ở thiết bị riêng.
2.4.4.1.2 Bộ ghi định vị thường trú HLR
HLR chứa đầy đủ các thông tin liên quan đến việc đăng ký dịch vụ và vị trí của các thuê bao. Thường HLR là một máy tính đứng riêng không có khả năng chuyển mạch nhưng có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao. Khi mạng có thêm một thuê bao mới thì các thông tin về thuê bao sẽ được đăng ký trong HLR.
2.4.4.1.3 Bộ ghi định vị tạm trú VLR
Là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng GSM, chứa các thông tin về vị trí hiện thời của thuê bao di động trong vùng phục vụ của MSC tương ứng và đồng thời lưu giữ số liệu về vị trí của các thuê bao nói trên để cập nhật cho MSC với mức độ chính xác hơn HLR.
2.4.4.1.4 Trung tâm nhận thực AUC
Được 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. 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.
2.4.4.1.5 Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR
EIR có chức năng kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị di động ME thông qua số liệu nhận dạng di động quốc tế (IMEI – International Mobile Equipment Identity) và chứa các số liệu về phần cứng của thiết bị.
2.4.4.1.6 Hệ thống con trạm gốc BSS
Là một hệ thống các thiết bị đặc thù riêng cho các tính chất tổ ong vô tuyến của GSM. BSS thực hiện đấu nối các MS với tổng đài và nhờ vậy đấu nối những
người sử dụng các trạm di động với những người sử dụng viễn thông khác. BSS bao gồm 2 loại thiết bị: BTS giao diện với MS và BSC giao diện với MSC.
2.4.4.1.7 Trạm thu phát gốc BTS
Bao gồm các thiết bị thu phát, anten và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến. Một bộ phận quan trọng của BTS là TRAU (khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ). TRAU là thiết bị mà ở đó quá trình mã hóa và giải mã tiếng đặc thù riêng cho GSM được tiến hành, ở đây cũng thực hiện thích ứng tốc độ trong trường hợp truyền số liệu.
2.4.4.1.8 Bộ điều khiển trạm gốc BSC
Có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ BTS và MS, chủ yếu là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao. Một BSC trung bình có thể quản lý tới vài chục BTS phụ thuộc vào lưu lượng của các BTS này.
2.4.4.2 Hệ thống con khai thác OSS
OSS thực hiện 3 chức năng chính sau:
2.4.4.2.1 Khai thác và bảo dưỡng mạng:
Khai thác: Là hoạt động cho phép các nhà khai thác mạng theo dõi hành vi của mạng như: tải của hệ thống, mức độ chặn, số lượng chuyển giao (Handover) 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, để tăng vùng phủ sóng.
Bảo dưỡng: Có nhiệm vụ phát hiện, định vị, sửa chữa các sự cố và hỏng hóc. Nó có một số quan hệ với khai thác. Bảo dưỡng cũng bao gồm cả các hoạt động tại hiện trường nhằm thay thế thiết bị có sự cố.
2.4.4.2.2 Quản lý thuê bao và tính cước:
Bao gồm các hoạt động quản lý đăng ký thuê bao. Nhiệm vụ đầu tiên là nhập và xóa 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. Quản lý thuê bao ở mạng 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. Simcard cũng đóng vai trò như một bộ phận của hệ thống quản lý thuê bao.
2.4.4.2.3 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. 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.
2.4.4.3 Trạm di động MS
MS có thể là thiết bị xách tay, thiết bị đặt trong ô tô hay thiết bị cầm tay. 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 máy tính cá nhân, Fax…
MS thực hiện hai chức năng:
Thiết bị vật lý để giao tiếp giữa thuê bao di động với mạng qua đường vô tuyến
Đăng ký thuê bao: mỗi thuê bao phải có một thẻ gọi là Simcard để truy nhập vào mạng
Về cấu trúc MS gồm hai phần chính:
Thiết bị di động ME: là bộ phận để xử lý các công việc chung như thu, phát, …
Modul nhận dạng thuê bao SIM: là thành phần để nhận dạng thuê bao trong quá trình MS hoạt động trong mạng, nó là một card điện tử thông minh có thể lưu trữ thông tin.
2.4.5 Đặc trưng công nghệ
Hình 2.4-11: Hình minh họa iphone 2G
Có khả năng chuyển vùng (roaming).
Mạng 2G chia làm 2 nhánh chính: nền TDMA (Time Division Multiple Access)
và nền CDMA cùng nhiều dạng kết nối mạng tuỳ theo yêu cầu sử dụng từ thiết bị cũng như hạ tầng từng phân vùng quốc gia:
GSM (TDMA-based), khơi nguồn áp dụng tại Phần Lan và sau đó trở
thành chuẩn phổ biến trên toàn 6 Châu lục. Và hiện nay vẫn đang được sử dụng bởi hơn 80% nhà cung cấp mạng di động toàn cầu. GSM sử dụng phương thức truy nhập là TDMA, phương thức điều chế là GMSK.
IS-95 hay còn gọi là cdmaOne, (nền tảng CDMA) được sử dụng rộng
rãi tại Hoa Kỳ và một số nước Châu Á và chiếm gần 17% các mạng toàn cầu. Tuy nhiên, tính đến thời điểm này thì có khoảng 12 nhà mạng đang chuyển dịch dần từ chuẩn mạng này sang GSM (tương tự như HT Mobile tại Việt Nam vừa qua) tại: Mexico, Ấn Độ, Úc và Hàn Quốc.
Ngoài ra, các hệ thống 2G còn sử dụng một số chuẩn khác:
Hệ thống D-AMPS (với các tiêu chuẩn IS-54 và IS-136): sử dụng phương thức truy nhập là TDMA, phương thức điều chế sử dụng là pi/4- DQPSK.
Hệ thống PDC: sử dụng phương thức truy nhập là TDMA, phương thức điều chế là pi/4-DQPSK.
Ta lập bảng so sánh để thấy rõ sự khác biệt giữa các công nghệ này: HỆ THỐNG KT VÔ TUYẾ N PHƯƠNG THỨC ĐIỀU CHẾ PHẠM VI MIÊU TẢ D-AMPS (IS-54 và IS-136)
TDMA pi/4-DQPSK Bắc Mĩ Khác với IS-54 thì IS-136 ghép kênh theo thời gian cả kênh thoại và điều khiển
GSM GSM TDMA GMSK Toàn cầu Trong trường hợp FR, tốc độ thoại là 13 kbps, dữ liệu là 9.6 kbps
cdmaONE IS-95A CDMA QPSK Bắc Mĩ, Châu Á, ...
IS-95A cung cấp tốc độ dữ liệu là 14.4 kbps
PDC TDMA pi/4-DQPSK Nhật Bản Tốc độ dữ liệu là 9.6 kbps
Bảng 1: So sánh giữa các chuẩn sử dụng trong thế hệ mạng 2G
2.4.6 Các dịch vụ phổ biến
Mạng 2G bao gồm 2 dịch vụ cơ bản: Gọi và nhận cuộc gọi Gửi và nhận tin nhắn
Ngoài ra còn có các dịch vụ giá trị gia tăng: Dịch vụ nhạc chờ, nhạc nền Dịch vụ báo cuộc gọi nhỡ
Dịch vụ tra cứu thông tin tài khoản
2.5 GPRS: Mạng di động 2.5G
2.5.1 Khái niệm
Là thế hệ kết nối thông tin di động bản lề giữa 2G và 3G. Chữ số 2.5G chính là biểu tượng cho việc mạng 2G được trang bị hệ thống chuyển mạch gói bên cạnh hệ thống chuyển mạch theo kênh truyền thống. Nó không được định nghĩa chính thức bởi bất kỳ nhà mạng hay tổ chức nào và chỉ mang mục đích duy nhất là tiếp thị công nghệ mới theo mạng 2G.