1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
2.5.4 Quản lý thiết bị di động
Quản lý thiết bị di động được bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR thực hiện. EIR lưu trữ toàn bộ dữ liệu liên quan đến trạm di động MS. EIR được nối đến MSC qua đường báo hiệu kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị. Trong hệ thống GSM thì EIR được coi là thuộc phân hệ chuyển mạch SS.
CHƯƠNG III: CHUYỂN GIAO HANDOVER TRONG GSM
Một trở ngại 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 Handover (tiếng Mỹ: Handoff) giúp cho cuộc gọi được liên tục trong quá 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. Lúc đó, cell đang sử dụng sẽ yêu cầu một Handover (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 Handover diễn ra.
Quyết định có thực hiện chuyển giao hay không phụ thuộc vào BSC phục vụ. Khi gọi, MS định kì gửi kết quả đo tới BTS. BTS phục vụ đo đường lên về chất lượng tín hiệu vô tuyến của cuộc gọi và trước kết quả đo từ MS. Cả hai kết quả đo được sẽ được BTS gửi tới BSC. Dựa vào bản tin báo cáo kết quả đo BSC sẽ quyết định có
chuyển giao tới cell khác hay không. Quyết định đó được thực hiện bởi một thuật toán đã được cài đặt và thông số của nó do người quản trị mạng cài đặt. Có các loại chuyển giao khác nhau và trong đó có các phần tử khác nhau của mạng. Chuyển giao trong cùng BSC hay giữa các BTS không phức tạp như giữa các MSC.
Hình 3.1 Chuyển giao trong mạng GSM
3.1 Các loại chuyển giao :
3.1.1 Chuyển giao trong BTS:
Được gọi là chuyển giao trong cell hay trong cùng BTS. Chuyển giao trong cell trên thực tế là không có chuyển giao thực. Vì kết quả của nó chỉ để thay đổi tần số của cuộc gọi đang xảy ra. Thay đổi tần số được thực hiện khi chất lượng của liên kết giảm và sự đo lường các cell kế bên cũng không tốt hơn. Trong trường hợp này BSC điều khiển BTS phục vụ MS ra lệnh cho MS và BTS trở về tần số có thể cho chất lượng liên kết tốt hơn. Việc làm giảm chất lượng liên kết là do ảnh hưởng của các cuộc gọi khác trong các cell lân cận sử dụng chung tần số (nhiễu đồng kênh). Giải
pháp là để cố gắng thay đổi sang một kênh khác (khe thời gian khác) mà có thể đảm bảo tốt hơn cho cuộc gọi.
Hình 3.2 Chuyển giao trong BTS.
3.1.2 Chuyển giao trong cùng BSC:
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. MSC không liên quan tới quá trình chuyển giao, nó chỉ được BSC thông báo khi chuyển giao hoàn thành. Nếu cell đích được đặt trong LA khác, MS cần thực hiện cập nhật vị trí một thủ tục sau khi kết thúc cuộc gọi.
Hình 3.3 Chuyển giao trong cùng BSC.
3.1.3 Chuyển giao trong cùng MSC:
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. Cell đích sẽ được xác định đúng vị trí trong một BSS khác nào đó mà cũng được quản lý cùng một MSC. Khi tìm ra BSS đích, MSC sẽ kết nối BSS nguồn với BSS đích và gửi tin báo cho BSS nguồn khi đã sẵn sàng. 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.
Hình 3.4 Chuyển giao trong cùng MSC.
3.1.4 Chuyển giao giữa các MSC:
Thủ tục chuyển giao giữa các MSC khác nhau được thực hiện khi các cell đích kết nối tới MSC khác (MSC –B) với yêu cầu chuyển giao. Yêu cầu MSC –B cấp tài nguyên cho cuộc gọi như trong trường hợp intra – MSC.
Hình 3.5 Chuyển giao giữa các MSC khác nhau.
Khi tài nguyên được cấp , cuộc gọi được chuyển mạch như trong trường hợp intra – MSC. Vì MS đã chuyển sang một cell khác (được phục vụ bởi BSS/MSC - VLR) mà MSC – A có tất cả thông tin về thuê bao trong VLR của nó. Thông tin chỉ được chuyển qua cho MSC/VLR mới khi LU được thực hiện. Do vậy, LU luôn được yêu cầu khi kết thúc cuộc gọi, khi chuyển giao giữa các MSC thực hiện xong.
CHƯƠNG IV: GIAO TIẾP VÔ TUYẾN SỐ
Giao tiếp vô tuyến là tên gọi chung của đầu nối giữa MS và BTS. Giao tiếp sử dụng khái niệm TDMA và một khung TDMA cho một tần số mang. Một khung bao gồm 8 khe thời gian (Time Slot – TS).
4.1 Giao diện vô tuyến:
Trong GSM, giao diện vô tuyến sử dụng cả hai phương thức phân kênh theo tần số và theo thời gian: FDMA (Frequency Division Multiple Access) và TDMA (Time Division Multiple Access). Trong FDMA, GSM sử dụng băng tần 900 Mhz (hay còn gọi là GSM 900) và 1800 Mhz (hay GSM 1800). Nhưng ở đây, chúng ta chỉ nghiên cứu sâu về GSM 900. Mỗi kênh được đặc trưng bởi một tần số (sóng mang) gọi là kênh tần số RFCH (Radio Channel) cho mỗi hướng thu phát, các tần số này cách nhau 200Mhz. Trong GSM 900, MS sử dụng 124 RFCH trong dãy tần 25Mhz và BTS sử dụng 124 RFCH trong dãy tần từ 935 đến 960 Mhz (ở đây, nếu MS phát thì BTS thu và ngược lại). Tại mỗi tần số TDMA chia thành 8 khe thời gian TS tức là số kênh được tăng lên 8 lần. Nhưng trong tương lai số khe có thể sẽ tăng lên 16 lần. Một cặp RFCH (thu và phát) tại một khe thời gian được gọi là một kênh vật lý. Mỗi kênh được dùng để truyền một nhóm nhất định tham số thông tin được gọi là kênh logic (Logical Channel). Mỗi kênh vật lý được gán cho một hoặc một số kênh logic. Các kênh được chia thành hai loại:
- Kênh dùng để tải thông tin của thuê bao như thoại, số liệu….được gọi là kênh Traffic (Traffic Channel - TCH). Có 2 loại tốc độ truyền trên TCH là tốc độ đầy đủ (Full Rate)
THC/F là loại tốc độ đang được sử dụng hiện nay và tốc độ bằng một nửa (Half Rate), TCH/H sẽ được sử dụng trong tương lai.
- Kênh điều khiển CCH (Control Channel) được sử dụng để truyền thông tin báo hiệu các thông tin quản lý Um.
4.2 Suy hao đường truyền và Fading:
Suy hao đường truyền là quá trình mà ở đó tín hiệu thu yếu dần do khoảng cách giữa trạm di động và trạm gốc tăng mà không có mặt vật cản giữa anten phát và thu. Suy hao trong không gian tự do:
Ls ≈ d.f
Ls (dB) = 33,4(dB) + 20logF(Mhz) + 20logd(km) d: là khoảng cách giữa anten phát Tx và thu Rx.
f: tần số phát.
Môi trường sử dụng của MS thường có chướng ngại vật gây hiệu ứng che tối làm giảm cường độ tín hiệu thu. Khi di động cùng với đài di động cường độ tín hiệu giảm giữa Tx và Rx có hay không có chướng ngại. Hiệu ứng này gọi là Fading chuẩn logarit. Thời gian giữa 2 chỗ trũng Fading khoảng vài giây khi máy di động MS là loại lắp trên xe và chuyển động.
Hình 4.1 Fading chuẩn Logarit.
Khi môi trường thông tin có mật độ thuê bao dày và nhiều chướng ngại ta có Fading nhiều tia hay Raile, xảy ra khi tín hiệu truyền nhiều đường từ anten Tx đến Rx. Ở hiện tượng Fading Raile, tín hiệu thu được là tổng các tín hiệu phản xạ khác pha, khác biên độ. Những tín hiệu này khi cộng lại như các véctơ tạo nên một véctơ tổng gần bằng không có nghĩa là cường độ tín hiệu bằng 0. Đó là chỗ trũng Fading nghiêm trọng. Khoảng thời gian giữa hai chỗ trũng Fading phụ thuộc vào tốc độ chuyển động và tần số phát.
Ở một khoảng cách nhất định (x mét) so với anten phát Tx. Tín hiệu thu được minh họa như sau:
Hình 4.3 Tín hiệu thu được khi ở cách anten phát Tx một khoảng nhất định
Độ nhạy máy thu là mức tín hiệu vào yếu nhất cần thiết cho một tín hiệu ra quy định. Khi quy hoạch hệ thống, để chống lại Fading thì giá trị trung bình chung được lấy lớn hơn độ nhạy máy thu lượng Y(dB) bằng chỗ trũng Fading mạnh nhất, Y(dB) được gọi là dự trữ Fading.
4.3 Phân tán thời gian:
Hiện tượng này có nguồn gốc từ phản xạ của một vật ở xa anten thu Rx vài km. Khi phản xạ sẽ dần đến giao thoa giữa các ký hiệu ISI tức là giao thoa giữa các ký hiệu lân cận với nhau dẫn đến phía thu khó quyết định nhận được ký hiệu nào. Ở GSM tốc độ bit là 270kb/s, mỗi bit tương ứng với 3,7µm và tương ứng với khoảng cách là 1,1km. Khi có phản xạ từ 1km phía sau trạm di động thì tín hiệu phản xạ phải qua quãng đường dài hơn tín hiệu đi thẳng là 2km. Tín hiệu phản xạ sẽ trộn tín hiệu mong muốn với tín hiệu trễ 2bit.
Hệ thống GSM được thiết kế có thể hạn chế phân tán thời gian nhờ sử dụng một bộ cân bằng mà có thể thực hiện cân bằng một số quy định tín hiệu phản xạ nhưng
không phải là tất cả. Bộ cân bằng của GSM có thể đạt được sự cân bằng cho các tín hiệu phản xạ chậm khoảng 4bit so với tín hiệu đến trực tiếp, tương ứng với 15µs. Tuy nhiên nếu tín hiệu phản xạ mà đến trễ hơn thế thì bộ cân bằng không thể đáp ứng được. Giai đoạn mà bộ cân bằng có thể đáp ứng được gọi là cửa sổ thời gian. Trong cửa sổ thời gian đó sẽ tăng cường độ tín hiệu đến trực tiếp. Tổng các tín hiệu phản xạ có thể nhỏ hơn 15µs phải ít nhất nhỏ hơn 9 lần tổng các tín hiệu trong cửa sổ. Tỉ số này gọi là tỉ số sóng mang trên sóng phản xạ (C/R). C/R được tính bằng tỉ số giữa năng lượng trong cửa sổ C và năng lượng ngoài cửa sổ R của bộ cân bằng, C/R càng nhỏ thì chất lượng càng kém. Vị trí đặt BTS ảnh hưởng rất lớn đến tỉ số này, nên đặt không hợp lý sẽ gây nên phân tán thời gian lớn. Các vùng có địa hình như miền núi, thành phố nhiều nhà cao tầng, vùng hồ xây dựng nhiều thềm, bậc thường có tỉ số C/R nhỏ. Thông thường tín hiệu phản xạ phải đi quãng đường lớn hơn 4,5km so với tín hiệu trực tiếp thì mới có trễ hơn 15µs. Tuy vậy, nếu tín hiệu phản xạ đó không mạnh tức là tỉ số C/R lớn hơn một số cho phép thì không ảnh hưởng đến vùng sóng phục vụ. Ngược lại, nếu tín hiệu phản xạ mạnh nhưng trễ vẫn thuộc cửa sổ thì sẽ tăng độ mạnh của tín hiệu đi thẳng. Chỉ khi C/R nhỏ phân tán thời gian lớn thì mới có yêu cầu thay đổi vị trí BTS, hoặc dùng phương pháp đặt thêm BTS phụ trợ.
• Nhiễu đồng kênh:
Nhiễu giao thoa đồng kênh là nhiễu do tín hiệu thu không mong muốn có cùng tần số với tần số tín hiệu thu mong muốn. Tỉ số giữa mức sóng mang mong muốn và không mong muốn là tỉ số nhiễu giao thoa đồng kênh (C/I). Tỉ số này phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Mẫu sử dụng lại tần số: khoảng cách giữa hai Cell tấn số ảnh hưởng lẫn nhau.
- Vị trí địa hình.
- Các vùng phản xạ địa phương.
- Kiểu anten, tính định hướng, chiều cao anten.
- Các sóng gây nhiễu địa phương có cùng tần số.
Tỉ số này có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của tín hiệu, dẫn đến sai tín hiệu, giải mã sai gây ra sót cuộc gọi hoặc thất bại trên đường truyền vô tuyến. Tiêu chuẩn GSM cho phép tỉ số C/I nhỏ nhất là 10. Ngoài ra trong thông tin vô tuyến tín hiệu còn ảnh
hưởng bởi các kênh lân cận là các kênh gần tần số với tín hiệu thu, dải tần của chúng trùng lên nhau ở mức lớn. Khi đó cũng gây nhiễu gọi là nhiễu giao thoa kênh lân cận (C/A). Trong thực tế các tần số của các BTS cùng vị trí thường gây ảnh hưởng cho nhau.Tín hiệu khi đo đạc được gồm rất nhiều loại tín hiệu và nhiễu như đã nói ở trên.
4.4 Các phương pháp phòng suy hao đường truyền do Fading:
Để cải tiến máy thu và chất lượng của tín hiệu thu, có bốn phương pháp để thực hiện như sau:
- 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. Khoảng cách giữa hai anten phải đủ lớn để tương quan giữa các tín hiệu ở hai anten nhỏ.
Hình 4.4 Biểu diễn phân tập không gian
- Nhảy tần: với Fading Raile mẫu Fading phụ thuộc vào tần số. Nghĩa là chỗ trũng Fading xảy ra ở các vị trí khác nhau đối với các tần số khác nhau. Vì vậy, ta có thể thay đổi tần số sóng mang trong một tần số khi cuộc gọi đang tiến hành, khi gặp chỗ trũng Fading một phần thông tin bị mất.
- Mã hóa kênh: ở truyền dẫn số người ta đo chất lượng của tín hiệu được chủ yếu bằng số lượng các bit thu được chính xác, dẫn đến biểu diễn tỉ số bit lỗi BER quan trọng với phát triển số liệu hơn Voice.
Ở phương pháp mã hóa kênh ta phải phát đi một lượng thông tin có số bit lớn hơn nhưng sẽ đạt độ an toàn chống lỗi cao hơn. Ngoài ra phương pháp này có thể phát hiện và sửa lỗi ở từng bit thu.
Ví dụ: Khi muốn gửi một bit “0” hay “1” để được bảo vệ ta bổ sung 3 bit như sau: Thông tin Bổ sung Gửi đi
0 000 0000 1 111 1111
Khối mã “0000” sẽ đúng với bit “0” và khối mã “1111” sẽ đúng với bit “1111”. Tỷ lệ là 1:4, bảo vệ xảy ra như sau:
Thu được: 0000 0010 0110 0111 1110 Quyết định: 0 0 x 1 1 Riêng mã “0110” không xác định được cụ thể, mã “ 0111” và “1110” được phát hiện là lỗi và có thể sửa.
Ở mỗi kênh kiểm tra lỗi được chia thành mã khối và mã xoắn và hai loại mã đều được sử dụng cho cả truyền tiếng và số liệu:
+ Các mã khối tuyến tính: với loại mã này luồng thông tin được chia thành các khối có độ dài bằng nhau. Các bit dư được bổ sung vào khối theo một thuật toán nhất định phụ thuộc vào loại mã được sử dụng. Các mã khối tuyến tính được xác định bằng ba thông số: độ dài khối n, độ dài thông tin và khoảng cách cực đại d. Các mã khối tuyến tính, trong đó các bản tin xuất hiện ở phần đầu của khối được gọi là mã hệ thống.
+ Các mã xoắn: đối với mã xoắn, bộ mã hóa tạo ra các bit mà không chỉ phụ thuộc vào các bit thông tin của khối bản tin hiện thời.
- Ghép xen kẽ: các lỗi bit thường xảy ra theo từng cụm do các chỗ trũng Fading lâu làm ảnh hưởng nhiễu bit liên tiếp. Để giải quyết hiện tượng lỗi bit quá dài, ta dùng phương pháp ghép kênh xen kẽ để tách các bit liên tiếp của một bản tin sao cho các bit này gửi đi không liên tiếp.
Khi truyền dẫn khung 2 có thể mất nếu không ghép xen toàn bộ khối bản tin sẽ mất