Gới thiệu mạng di động chuẩn GSM

Chia sẻ: Nguyen Thi Binh Binh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:30

Thêm vào BST

Báo xấu

372
lượt xem 165
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Công nghệ GSM (Global System for Mobile communication) là công nghệ thông tin di động số toàn cầu do Viện tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu (ETSI) đưa ra năm 1991, hoạt động ở dải tần 900, 1800, 1900 MHz. Hiện tại GSM đã được phát triển nhanh chóng và đã được tiêu chuẩn hoá, áp dụng công nghệ số đảm bảo chất lượng thoại và sử dụng hiệu qủa tài nguyên hệ thống. Ngày nay, các mạng điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM đã có mặt tại khoảng 135 nước trên thế giới....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Gới thiệu mạng di động chuẩn GSM

Gới thiệu mạng di động chuẩn GSM MỤC LỤC 1 Cấu trúc và thành phần của mạng GSM.............................................................................................................2 1.1 Cấu trúc tổng thể...........................................................................................................................................2 1.2 Các thành phần của mạng ............................................................................................................................3 1.2.1 Phân hệ chuyển mạch SS ...........................................................................................................................4 1.2.2 Phân hệ trạm gốc BSS ................................................................................................................................6 1.2.3 Trạm di động MS .........................................................................................................................................7 1.2.4 Phân hệ khai thác và bảo dưỡng OSS ........................................................................................................7 1.3 Cấu trúc địa lý của mạng .............................................................................................................................9 2 Chia ô phủ sóng.......................................................................................................................................................10 3 Tái sử dụng tần số.................................................................................................................................................14 4 Chỉ tiêu kỹ thuật và chất lượng mạng ..............................................................................................................15 4.1 Nhiễu đồng kênh (Co-channel Interference)................................................................................................15 4.2 Nhiễu kề kênh C/A (Adjacent-channel interference)....................................................................................16 4.3 Truyền dẫn trong GSM................................................................................................................................17 4.3.1 Truyền dẫn thông tin từ đầu cuối này đến đầu cuối kia của mạng GSM............................................17 4.3.2 Truyền dẫn bên trong GSM.......................................................................................................................18 4.3.3 Cấu trúc của kênh vật lý............................................................................................................................22 4.3.4 Cấu trúc các kênh logic...............................................................................................................................25 4.4 Suy hao đường truyền và phadinh...............................................................................................................26 4.5 Các phương pháp phòng ngừa suy hao do pha đinh....................................................................................27 4.5.1 Phân tập (không gian) Anten......................................................................................................................27 4.5.2 Nhảy tần......................................................................................................................................................27 4.5.3 Mã hoá kênh.................................................................................................................................................27 4.5.4 Ghép xen......................................................................................................................................................28 4.6 Chất lượng mạng ........................................................................................................................................28 4.6.1 Cấp độ phục vụ GOS (Grade Of Service)................................................................................................28 4.6.2 Tỷ lệ lỗi TCH (TCH failure rate)...............................................................................................................29 4.6.3 Tỷ lệ rơi cuộc gọi (Dropped call rate)......................................................................................................29 Bài giảng TTDĐ Nguyễn Thanh Xuân 1
Gới thiệu mạng di động chuẩn GSM CHƯƠNG I : TỔNG QUAN MẠNG GSM 1 Cấu trúc và thành phần của mạng GSM Công nghệ GSM (Global System for Mobile communication) là công nghệ thông tin di động số toàn cầu do Viện tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu (ETSI) đưa ra năm 1991, hoạt động ở dải tần 900, 1800, 1900 MHz. Hiện tại GSM đã được phát triển nhanh chóng và đã được tiêu chuẩn hoá, áp dụng công nghệ số đảm bảo chất lượng thoại và sử dụng hiệu qủa tài nguyên hệ thống. Ngày nay, các mạng điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM đã có mặt tại khoảng 135 nước trên thế giới. 1.1 Cấu trúc tổng thể Mạng thông tin di động số thực chất là mạng di động m ặt đ ất công cộng PLMN (Public Land Mobile Network). Một cách tổng quát thì PLMN hợp tác với các mạng cố định để thiết lập cuộc gọi, qua các giao di ện PLMN tiếp xúc với bên ngoài, thế giới này bao gồm các mạng ngoài, nhà khai thác và người sử dụng như hình vẽ dưới đây : GSM Bài giảng TTDĐ Nguyễn Thanh Xuân 2
Gới thiệu mạng di động chuẩn GSM Như vậy, một hệ thống GSM được chia thành nhiều hệ thống con như sau: - Phân hệ chuyển mạch NSS (Network Switching Subsystem ) - Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem) - Phân hệ bảo dưỡng và khai thác OSS (Operation Subsystem) - Trạm di động MS (Mobile Station) 1.2 Các thành phần của mạng Sơ đồ mô hình của hệ thống GSM được mô tả như ở hình 2 dưới đây : SS AUC ISDN VLR HLR EIR PSPDN MSC CSPDN OSC BSS BSC PSTN BTS PLMN MS : Truyền báo hiệu -------- : Truyền lưu lượng Hình 2 : Mô hình mạng GSM Các ký hiệu : : Trung tâm nhận thực AUC : Bộ ghi định vị tạm trú VLR : Trạm thu phát gốc BTS Bài giảng TTDĐ Nguyễn Thanh Xuân 3
Gới thiệu mạng di động chuẩn GSM : Hệ thống con chuyển mạch SS : Mạng liên kết số đa dịch vụ ISDN : Bộ ghi định vị thường trú HLR : Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR : Bộ điều khiển trạm gốc BSC : Trạm di động MS : Hệ thống con trạm gốc BSS : Trung tâm khai thác và bảo dưỡng OSS : Mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói PSPDN : Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN : Mạng số liệu công cộng chuyển mạch theo mạch CSPDN : Mạng di động công cộng mặt đất PLMN : Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động MSC 1.2.1 Phân hệ chuyển mạch SS Phân hệ chuyển mạch bao gồm các chức năng chuy ển mạch chính của GSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và qu ản lý di động của thuê bao. Chức năng chính của SS là quản lý thông tin giữa nh ững người sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác. SS bao gồm các thiết bị : * Tổng đài MSC Trong SS, chức năng chuyển mạch chính được MSC thực hiện, nhiệm vụ chính của MSC là điều phối việc thiết lập cuộc gọi đ ến nh ững ng ười s ử dụng mạng GSM. Một mặt MSC giao tiếp với hệ thống con BSS, mặt khác giao tiếp với mạng ngoài. MSC làm nhiệm vụ giao tiếp với mạng ngoài được gọi là MSC cổng GMSC. Để kết nối MSC với các mạng khác cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn GSM với các mạng đó. Các thích ứng này được gọi là các chức năng tương tác IWF ( Interworking funtions ). IWF bao gồm một thiết bị để thích ứng giao thức và truyền dẫn. IWF cho phép kết nối với các m ạng PSTN, ISDN, PSPDN, CSPDN và có thể được thực hiện kết hợp trong cùng các chức năng MSC hay trong thiết bị riêng. SS cũng cần giao tiếp với mạng ngoài để sử dụng các kh ả năng truy ền tải của các mạng này cho việc truyền tải số liệu của người sử dụng hoặc báo hiệu giữa các phần tử của mạng GSM. Bài giảng TTDĐ Nguyễn Thanh Xuân 4
Gới thiệu mạng di động chuẩn GSM Ví dụ, mạng báo hiệu kênh chung số 7(SS7) bảo đảm hợp tác, tương tác giữa các thiết bị của SS trong một hay nhiều mạng GSM. MSC th ường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số bộ điều khiển trạm gốc BSC. Một tổng đài MSC thích hợp cho một vùng đô thị và ngoại ô dân cư vào khoảng một triệu (với mật độ thuê bao trung bình). * Bộ đăng ký định vị thường trú HLR Ngoài MSC, SS còn bao gồm các cơ sở dữ liệu. Bất kể vị trí của thuê bao, mọi thông tin liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông đ ều được lưu giữ trong HLR, kể cả vị trí hiện thời của MS. HLR th ường là m ột máy tính đứng riêng có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao nh ưng không có khả năng chuyển mạch. Một chức năng nữa của HLR là nhận d ạng thông tin nhận thực AUC, mà nhiệm vụ của trung tâm này là qu ản lý s ố li ệu bảo mật về tính hợp pháp của thuê bao. * Bộ đăng ký định vị tạm trú VLR VLR là một cơ sở dữ liệu được nối với một hay nhi ều MSC và có nhiệm vụ lưu giữ tạm thời số liệu thuê bao của các thuê bao hi ện đang n ằm 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 thường được liên kết với các chức năng MSC. *Tổng đài cổng GMSC SS có thể chứa nhiều MSC, VLR và HLR. Để thiết lập một cuộc gọi liên quan đến GSM mà không cần biết đến vị trí hiện thời c ủa thuê bao MS, trước hết cuộc gọi phải được định tuyến đến một tổng đài cổng GMSC để lấy thông tin về vị trí của thuê bao và định tuy ến cuộc gọi đến MSC nào hi ện đang quản lý thuê bao đó. Để thực hiện việc này, trước hết các tổng đài cổng phải dựa trên số thoại danh bạ của thuê bao để tìm đúng HLR cần thi ết và hỏi HLR này. GMSC có giao diện với các mạng bên ngoài để kết nối mạng bên ngoài với mạng GSM. Ngoài ra, tổng đài cổng GSM còn có giao di ện v ới mạng báo hiệu số 7 để có thể tương tác với các phần tử khác của NSS. Do tính kinh tế cần thiết của mạng nên không bao giờ tổng đài c ổng GSM đ ứng riêng mà thường được kết hợp với GSM. *Mạng báo hiệu kênh chung số 7 (CCS7) Nhà khai thác mạng GSM có thể có mạng báo hiệu CCS7 riêng hay chung phụ thuộc vào quy định của từng nước. Nếu nhà khai thác có mạng báo hiệu này riêng thì các điểm chuyển báo hiệu STP (Signalling Transfer Point) Bài giảng TTDĐ Nguyễn Thanh Xuân 5
Gới thiệu mạng di động chuẩn GSM có thể là một bộ phận của NSS và có th ể được thực hiện ở các đi ểm nút riêng hay kết hợp trong cùng một MSC tuỳ thuộc vào điều kiện kinh t ế. Nhà khai thác GSM có thể dùng mạng riêng để định tuyến các cuộc gọi giữa GMSC và MSC hay thậm chí định tuyến cuộc gọi ra đến điểm gần nhất trước khi sử dụng mạng cố định. Lúc này các tổng đài quá giang TE (Transit Exchange) có thể sẽ là một bộ phận của mạng GSM và có th ể đ ược th ực hiện như một nút đứng riêng hay kết hợp với MSC. 1.2.2 Phân hệ trạm gốc BSS BSS giao diện trực tiếp với các trạm di động MS thông qua giao diện vô tuyến nên nó bao gồm các thiết bị phát và thu đường vô tuy ến và qu ản lý các chức năng này. Mặt khác BSS thực hiện giao diện với các tổng đài NSS. Tóm lại BSS thực hiện đấu nối các MS với tổng đài, tức là k ết n ối thuê bao di động MS với những người sử dụng viễn thông khác. Do vậy, BSS ph ải phối ghép với NSS bằng thiết bị BSC. Ngoài ra, do BSS cũng c ần ph ải đ ược điều khiển nên nó được đấu nối với OSS. BSS gồm hai thiết b ị : BTS giao diện với MS và BSC giao diện với MSC. * Đài vô tuyến gốc BTS Một BTS bao gồm các thiết bị phát, thu, anten và kh ối xử lý tín hi ệu đặc thù cho giao diện vô tuyến. Có thể coi BTS là các Modem vô tuy ến ph ức tạp có thêm một số chức năng khác. Một bộ phận quan trọng c ủa BTS là khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU (Transcode/Rate Adapter Unit). TRAU thực hiện quá trình mã hóa và giải mã tiếng đặc thù cho GSM. Đồng thời ở đây cũng thực hiện thích ứng tốc độ trong trường h ợp truy ền s ố liệu. TRAU là một bộ phận của BTS nhưng cũng có th ể được đặt xa BTS, chẳng hạn đặt giữa BSC và MSC. * Đài điều khiển trạm gốc BSC BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả các giao diện vô tuy ến thông qua các lệnh điều khiển từ xa của BTS và MS. Các lệnh này ch ủ y ếu là các l ệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao. Một phía BSC đ ược nối với BTS còn phía kia được nối với MSC của NSS. Trong th ực t ế, BSC là một tổng đài nhỏ có khả năng tính toán đáng kể. Vai trò chủ y ếu của nó là quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao. Một BSC trung bình có thể quản lý hàng chục BTS, tạo thành một trạm gốc. Tập hợp các trạm Bài giảng TTDĐ Nguyễn Thanh Xuân 6
Gới thiệu mạng di động chuẩn GSM gốc trong mạng gọi là phân hệ trạm gốc. Giao diện quy định giữa BSC và MSC là giao diện A, còn giao diện giữa BSC và BTS là giao diện Abis. 1.2.3 Trạm di động MS MS là một thiết bị phức tạp,có khả năng như một máy tính nhỏ. Nó bao gồm hai thiết bị : thiết bị di động ME và module nhận dạng thuê bao SIM. SIM có dạng như một card thông minh hoặc được chia nh ỏ h ơn gắn trên giá, nó như một loại khoá, có thể tháo khỏi MS một cách dễ dàng. Không có SIM, trạm di động không thể gọi được trừ trường hợp khẩn cấp được mạng cho phép. SIM lưu giữ thông tin liên quan đến thuê bao và nó có th ể đ ược phân biệt qua chỉ số nhận dạng IMSI. 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 (nh ư micro, loa, màn hiển thị, bàn phím để quản lý cuộc gọi) hoặc giao diện với một số thiết bị đầu cuối khác như giao diện với máy tính cá nhân, Fax ... Như vậy ta nhận thấy MS có 3 chức năng chính như sau : - thiết bị đầu cuối : để thực hiện các dịch vụ người sử dụng (thoại, fax, số liệu...) - kết cuối di động : để thực hiện truyền dẫn ở giao diện vô tuy ến vào mạng. - thích ứng đầu cuối : làm việc như một cửa nối thông thi ết b ị đ ầu cuối với kết cuối di động. 1.2.4 Phân hệ khai thác và bảo dưỡng OSS Hiện nay OSS được xây dựng theo nguyên lý của mạng quản lý viễn thông TMN(Telecommunication Management Network). Lúc này, một mặt hệ thống khai thác và bảo dưỡng được nối đến các phần tử của mạng viễn thông (các MSC, BSC, HLR và các ph ần tử mạng khác trừ BTS vì thâm nh ập đến BTS được thực hiện qua BSC). Mặt khác hệ thống khai thác và bảo dưỡng lại được nối đến một máy tính chủ đóng vai trò giao ti ếp ng ười máy. OSS thực hiện ba chức năng chính là : khai thác và bảo d ưỡng m ạng, qu ản lý thuê bao và tính cước, quản lý thiết bị di động. Dưới đây ta xét tổng quát các chức năng nói trên: * Chức năng khai thác và bảo dưỡng mạng Bài giảng TTDĐ Nguyễn Thanh Xuân 7
Gới thiệu mạng di động chuẩn GSM Khai thác là các hoạt động cho phép nhà khai thác mạng theo dõi hành vi của mạng như : tải của hệ thống, mức độ chặn, số lượng chuy ển giao giữa hai ô ... nhờ vậy nhà khai thác có th ể giám sát đ ược toàn b ộ ch ất l ượng của dịch vụ mà họ cung cấp cho khách hàng và kịp th ời xử lý các s ự c ố. 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. Việc thay đổi mạng có thể được thay đổi “m ềm” qua báo hiệu (chẳng hạn thay đổi thông số handover để thay đổi biên giới tương đối giữa hai ô) hoặc được thực hiện “cứng” đòi hỏi can thiệp tại hi ện trường (chẳng hạn bổ sung thêm dung lượng truyền dẫn hoặc lắp đặt thêm một trạm mới). ở các hệ thống viễn thông hiện đại, việc khai thác đ ược th ực hiện bằng máy tính và được tập trung ở một trạm. Bảo dưỡng có nhiệm vụ phát hiện, định vị và sửa chữa các sự cố và hỏng hóc. Nó có một số quan hệ với khai thác. Các thi ết b ị ở m ạng vi ễn thông hiện đại có khả năng tự phát hiện một số sự cố hay dự báo sự cố thông qua sự 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 này có th ể được thực hiện tự động, ngoài ra việc giảm nhẹ sự cố có thể được người khai thác thực hiện bằng điều khiển từ xa. B ảo dưỡng cũng bao g ồm c ả các hoạt động tại hiện trường nhằm thay thế thiết bị có sự cố. * Chức năng quản lý thuê bao Chức năng quản lý thuê bao được bắt đầu từ việc nhập và xoá thuê bao ra khỏi mạng. Đăng ký thuê bao cũng có th ể rất phức tạp, bao gồm nhi ều dịch vụ khác nhau và các chức năng bổ sung. Nhà khai thác ph ải có kh ả năng xâm nhập vào các thông số nói trên. Một nhiệm vụ quan trọng khác c ủa khai thác là tính cước cuộc gọi. Cước phí ph ải được tính và gửi đ ến thuê bao. 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. Sim card cũng đóng vai trò nh ư một b ộ ph ận của hệ thống quản lý thuê bao. * Chức năng quản lý thiết bị di động Quản lý thiết bị di động được thực hiện bởi bộ đăng ký nh ận d ạng thiết bị EIR (Equipment Identity Register). EIR lưu giữ tất cả các d ữ li ệu liên quan đến trạm di động MS. EIR được nối đến MSC qua đường báo hi ệu đ ể Bài giảng TTDĐ Nguyễn Thanh Xuân 8
Gới thiệu mạng di động chuẩn GSM kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị. ở GSM, EIR được coi là thuộc hệ th ống con SS. Đối với mạng Vinaphone không có chức năng này. 1.3 Cấu trúc địa lý của mạng Mọi mạng điện thoại cần một cấu trúc địa lý nh ất đ ịnh đ ể đ ịnh tuy ến các cuộc gọi vào đến tổng đài cần thiết và cuối cùng đến thuê bao b ị gọi. Trong một mạng di động, cấu trúc này rất quan trọng do tính lưu thông của các thuê bao trong mạng. Với mạng GSM, cấu trúc địa lý được phân thành các vùng sau : * Vùng mạng Tất cả các cuộc gọi vào mạng sẽ được định tuy ến đến m ột hay nhi ều tổng đài vô tuyến cổng (GMSC). GMSC làm việc nh ư một t ổng đài trung k ế vào cho mạng GSM. Đây là nơi thực hiện ch ức năng hỏi đ ịnh tuy ến cu ộc g ọi cho các cuộc gọi kết cuối di động, nó cho phép h ệ thống đ ịnh tuy ến đ ến m ột tổng đài vô tuyến cổng. * Vùng phục vụ MSC Một mạng được chia thành một hay nhiều vùng phục vụ MSC. Vùng phục vụ MSC là bộ phận của mạng được một MSC quản lý. Đ ể đ ịnh tuy ến một cuộc gọi đến một thuê bao di động, đường truy ền qua m ạng sẽ nối đ ến MSC ở vùng phục vụ MSC nơi thuê bao đang ở. Có thể nói, vùng phục vụ như là một bộ phận của mạng được định nghĩa là vùng liên l ạc v ới MS do v ị trí hiện thời của MS đã được lưu lại trong VLR. * Vùng định vị LA (Location Area) Mỗi vùng phục vụ MSC được chia thành một số vùng định vị, vùng định vị là một phần của vùng phục vụ MSC mà ở đó một trạm di động có thể chuyển động tự do mà không cần cập nhật thông tin về vị trí cho t ổng đài MSC điều khiển vùng định vị này. Khi có một cuộc gọi đến, h ệ th ống s ẽ phát quảng bá một thông báo tìm gọi trong vùng định vị để tìm thuê bao di động bị gọi. Vùng định vị có thể có một số ô và tuỳ thuộc vào một hay vài BSC nhưng nó chỉ thuộc MSC và nó được nhận dạng bằng ch ỉ s ố nh ận d ạng vùng định vị LAI ( Location Area Identity). Vùng định vị được h ệ thống s ử dụng để tìm một thuê bao đang ở trạng thái hoạt động. * Ô (Cell) Bài giảng TTDĐ Nguyễn Thanh Xuân 9
Gới thiệu mạng di động chuẩn GSM Vùng định vị được chia thành một số ô. Ô là đơn vị nhỏ nhất của mạng, là một vùng bao phủ vô tuyến được mạng nhận dạng bằng chỉ số nhận dạng ô toàn cầu CGI (Cell Global Identity). Trạm di đ ộng t ự nh ận d ạng một ô bằng cách sử dụng mã nhận dạng trạm gốc BSIC (Base Station Identity Code). Quan hệ giữa các vùng địa lý của mạng GSM được minh họa như sau : Vùng phục vụ GSM (tất cả các nước thành viên) Vùng phục vụ PLMN (một hay nhiều vùng ở một nước) Vùng phục vụ MSC (vùng được điều khiển bởi m t MSC) ộ Vùng định vị (vùng tìm gọi ) Ô (cell) Hình 4. Cấu trúc địa lý của mạng GSM 2 Chia ô phủ sóng Do tính lưu động của MS trên một vùng khá rộng nên việc phân chia vùng phủ sóng thành các ô tế bào là cần thiết. Hình dạng của các ô ph ụ thuộc vào kiểu anten và công suất ra của từng trạm gốc. Hai d ạng anten th ường s ử dụng là anten vô hướng phát đẳng hướng và anten có hướng tập trung năng lượng tại các rẻ quạt. Việc bố trí các trạm và đài phát sao cho bao quát được toàn bộ vùng phục vụ gọi là quy hoạch cell, vùng phục vụ của GSM là t ập h ợp các cell và còn được gọi là mạng tổ ong. Thông thường, quy hoạch cell được dựa trên cơ sở xem xét chất l ượng phục vụ GOS, lưu lượng thông tin và dự kiến vị trí đặt đài trạm. Đồng th ời, Bài giảng TTDĐ Nguyễn Thanh Xuân 10
Gới thiệu mạng di động chuẩn GSM việc quy hoạch phân bố cell phải tính đến nhiễu giao thoa và nhi ễu đ ồng kênh khi tái sử dụng tần số. Quy hoạch cell trong thực tế còn phải xét đ ến vấn đề truyền sóng vô tuyến rất phụ thuộc vào địa hình, các tính ch ất không đồng nhất của bề mặt mặt đất. Chính vì vậy, các hình lục giác là mô hình hết sức đơn giản nhưng hiệu quả của các hình mẫu phủ sóng vô tuyến. Nguyên lý cơ sở khi thiết kế các hệ thống tổ ong là các m ẫu đ ược g ọi là các mẫu sử dụng lại tần số. Theo định nghĩa sử dụng lại tần số là sử dụng các kênh vô tuyến ở cùng một tần số mang để phủ cho các vùng địa lý khác nhau. Các vùng này phải được cách nhau ở cự ly đủ lớn để mọi nhiễu giao thoa đồng kênh (có thể xảy ra) chấp nhận được. Có ba kiểu mẫu sử dụng lại tần số : 3/9, 4/12 và 7/21. - Mỗi đài đều có ba ô (ba rẻ quạt). Các anten của ô có góc ph ương vị phân cách nhau 1200, và các ô được tổ chức với các anten hướng về phía một trong các vị trí đài gần nhất, nhờ vậy tạo nên các ô hình cờ ba lá. - Mỗi ô sử dụng các anten phát 60 0 và hai anten thu phân tập 60 0 cho một góc phương vị. - Mỗi ô được xấp xỉ hoá bằng hình lục giác Lưu lượng phân bố được coi là đồng nhất ở tất cả các ô. Bình thường, kích thước ô được xác định như là khoảng cách giữa hai đài trạm lân cận. Bán kính ô R (bằng cạnh của l ục giác) luôn luôn là m ột phần ba khoảng cách giữa hai trạm. Tuỳ theo một số mẫu dưới đây, nhóm các ô cạnh nhau được gọi là cụm. Bài giảng TTDĐ Nguyễn Thanh Xuân 11
Gới thiệu mạng di động chuẩn GSM Sơ đồ 3/9 sử dụng các nhóm 9 tần số, trong một mẫu sử dụng lại tần số 3 đài. A3 A2 C1 A3 A2 A3 A2 C1 C1 B1 C3 C2 C2 B1 C3 C2 B1 C3 C3 B3 A1 B2 B2 A1 B3 A1 B3 B2 C1 A3 A2 A2 A3 A3 C1 A3 C1 A3 C3 C2 B1 C3 B1 B1 C3 C2 C2 A1 B3 B2 B2 A1 B3 B2 A1 B3 B3 A3 A2 C1 C1 A3 A2 C1 A3 A2 B1 C3 C2 C2 B1 C3 C2 B1 C3 C3 Hình 5. Mô hình sử dụng lại tần số 3/9. Với một dải tần cho trước, số sóng mang có thể sử dụng trong cùng một cell là tương đối lớn, tuy nhiên khoảng cách dải tần gi ữa các sóng mang là nhỏ do đó mẫu 3/9 có xác suất xuất hiện nhiễu đồng kênh C/I và nhi ễu kênh lân cận C/A tương đối lớn. Mẫu này thường áp dụng cho nh ững vùng có mật độ thuê bao lớn, kích thước cell nhỏ nhưng vùng ph ủ sóng phải rõ ràng để tránh các nhiễu pha đinh. Mô hình này phù hợp phục vụ INDOOR cho các nhà cao tầng.Khoảng cách giữa hai ô đồng kênh trong trường h ợp này là : D = 5,2 R Mẫu 4/12 sử dụng nhóm 12 tần số trong một mẫu sử dụng lại tần số 4 đài. Với mô hình này, số kênh trong một cell nhỏ h ơn do đó, mô hình này cho phép mở rộng kích thước cell phù hợp với mật độ trung bình và ít nhà cao tầng, và có thể phục vụ cho cả INDOOR và OUTDOOR. Ưu đi ểm chính của mô hình này là các vấn đề về nhiễu đồng kênh và nhiễu kề kênh là không đáng ngại. Bài giảng TTDĐ Nguyễn Thanh Xuân 12
Gới thiệu mạng di động chuẩn GSM A3 A2 C1 A3 A2 A3 A2 C1 C1 B1 C3 C2 C2 B1 C3 C2 B1 C3 C3 B3 B2 A1 B2 A1 B3 A1 B3 B2 C1 A3 A2 A2 A3 A3 C1 A3 C1 A3 C3 C2 B1 C3 B1 B1 C3 C2 C2 A1 D1 B2 B3 B2 B3 B2 A1 B3 B3 C1 D3 D2 A3 D2 A2 C1 A3 A2 B1 C3 C2 C2 B1 C3 C2 B1 C3 C3 Hình 6. Mô hình mẫu sử dụng tần số 4/12 Bài giảng TTDĐ Nguyễn Thanh Xuân 13
Gới thiệu mạng di động chuẩn GSM Bên cạnh hai mô hình 3/9 và 4/12 đã trình bầy ở trên, còn có mô hình tái sử dụng tần số 7/21, tức là sử dụng nhóm 21 tần số trong m ột m ẫu s ử d ụng D1 F3 A2 F2 E1 D3 D2 A3 D3 D2 B1 E2 E1 E3 G1 G1 B3 E2 B2 G3 G2 C1 E3 G3 G2 A1 C3 C1 F1 C2 F1 D1 C2 F3 F2 A3 A2 C3 D3 F3 F2 D2 C1 E1 B1 B1 E3 D2 E2 G1 B3 B2 D3 B3 B2 G1 G3 G2 C1 C3 Hình 7. Mô hình sử dụng lại tần số 7/21 lại tần số 7 đài. Mô hình này được thể hiện trong hình 7 dưới đây : iiVII Với mô hình này, số lượng kênh trong một cell là nhỏ do đó có thể ph ục vụ cho các vùng mật độ thấp. Tuy nhiên, khoảng cách dải tần của các kênh lân cận và các kênh cùng cell tương đối lớn (D=7,9R), các cell đ ồng kênh cách xa nhau do đó không có hiện tượng nhiễu đồng kênh và nhiễu kênh lân c ận nên chất lượng cho các vùng khó phủ sóng được đảm bảo. Do vậy, mô hình này được sử dụng khi chia nhỏ các cell thích ứng với mật độ máy di động ngày càng tăng và những vùng khó phủ sóng có kích thước cell tương đối nhỏ. Trong thực tế đối với mạng Vinaphone, mạng Vinaphone được quyền sử dụng các kênh tần số từ 1 đến kênh 40 trong tổng số 124 kênh tần số song công. Do vậy, việc tái sử dụng tần số được xem xét kỹ lưỡng, dựa vào nhiều yếu tố khác nhau để có sự khai thác triệt để các băng tần được sử dụng. 3 Tái sử dụng tần số Tái sử dụng tần số là một trong những thế mạnh của các h ệ th ống thông tin vô tuyến kiểu tế bào. Khi tổ ch ức thông tin theo t ừng ô nh ỏ và m ỗi Bài giảng TTDĐ Nguyễn Thanh Xuân 14
Gới thiệu mạng di động chuẩn GSM vùng một trạm phát, ở các khoảng cách xa, các tín hiệu bị suy gi ảm đ ến m ức nào đó mà coi như không còn tác dụng nữa, khi đó các t ần s ố đã dùng có th ể được sử dụng lại như một mạng khác và vì thế, số thuê bao được phục vụ chắc chắn sẽ tăng lên. Trong quy hoạch ô, người ta gần đúng các ô bằng một hình lục giác và vùng phục vụ được chia thành một mạng tổ ong. Trên một vị trí, người ta đặt các anten thu phát cho ba hướng cách nhau 1200. Đối với một mạng di động cụ thể, tuỳ theo dải tần số, địa hình,... mà người ta chọn theo một trong ba mẫu tái sử dụng tần số đã trình bày ở trên. Mặt khác, trong thực tế, các máy phát BTS và MS đều th ực hi ện t ự đ ộng điều chỉnh công suất phát để máy thu luôn nh ận được công su ất tín hi ệu c ần thiết dù MS ở bất kỳ vị trí nào trong cell. Nhờ vậy, nhiễu lẫn nhau do việc tái sử dụng tần số được giữ ở mức tối thiểu. 4 Chỉ tiêu kỹ thuật và chất lượng mạng 4.1 Nhiễu đồng kênh (Co-channel Interference) Nhiễu đồng kênh do hai bộ phận phát phát tín hiệu ở cùng một t ần số hoặc ở cùng một kênh. Do vậy, bên thu nhận được cả hai tín hiệu c ủa bên phát với mức độ mạnh yếu khác nhau tuỳ thuộc vào vị trí c ủa máy thu v ới c ả hai máy phát. Tỉ lệ sóng mang trên nhiễu C/I được biểu diễn bởi quan hệ giữa độ lớn của sóng mong muốn và sóng không mong muốn : P C = 10 lg c I Pi trong đó : Pe:Công suất tín hiệu của sóng phát mong muốn Pi : Công suất tín hiệu của sóng phát gây nhiễu Mối quan hệ giữa C/I và vị trí của trạm gốc và trạm gây nhiễu được biểu diễn như trong hình 8 : Bài giảng TTDĐ Nguyễn Thanh Xuân 15
Gới thiệu mạng di động chuẩn GSM Tx2 Tx1 Trạm gây nhiễu Trạm gốc C/I =0dB Với giả thiết cả hai trạm gốc bức xạ cùng công suất và các đường lai truyền sóng là tương đương nhaui thì điểm giữa C/I và vị trí= 0 dB m phát tín Hình8.Mố quan hệ giữa sẽ có C/I các trạ (khi đó, hiệu và nhiễu là cân bằng nhau). Nếu di chuyển lại gần trạm gốc phục vụ hơn thì tỉ lệ C/I > 0dB, ngược lại, C/I < 0 dB. Khi C/I th ấp thì t ỉ l ệ l ỗi bit BER là không thể chấp nhận được và mã hoá kênh sẽ không thể cung c ấp k ỹ thuật hiệu chỉnh lỗi chính xác. Tỉ lệ C/I có quan hệ mật thiết đến việc quy hoạch và sử dụng tần số. Nói chung, việc sử dụng lại tần số làm tăng dung lượng của hệ thống nhưng làm giảm C/I. Trong thông tin di động số GSM, tỉ lệ nhiễu đồng kênh được đánh giá qua bảng giá trị sau : Rất tốt C/Ic > 25 dB 20 dB ≤ C/Ic ≤ 25 dB Tốt 15 dB ≤ C/Ic ≤ 20 dB Có hiệu quả Không hiệu quả C/Ic < 25 dB 4.2 Nhiễu kề kênh C/A (Adjacent-channel interference) Nhiễu kề kênh xảy ra khi bên thu chịu ảnh hưởng nhiễu của các kênh liền kề với nó ngoài tín hiệu thu mong muốn. Tỉ lệ giữa sóng mang trên nhiễu của kênh liền kề được biểu diễn bằng công suất của kênh mong muốn trên công suất của kênh liền kề : P C = 10 lg c A Pa với : Pe: Công suất nhận được bởi kênh mong muốn Pa: Công suất nhận được bởi kênh liền kề Bài giảng TTDĐ Nguyễn Thanh Xuân 16
Gới thiệu mạng di động chuẩn GSM Như vậy, ảnh hưởng của nhiễu phụ thuộc phần lớn vào độ chọn lọc máy thu và độ rộng phổ các băng bên ngoài băng của các sóng nhi ễu. Tuy nhiên, các kỹ thuật hiện đại ngày nay đã cho phép ch ế t ạo các máy thu có đ ộ chọn lọc tương đối cao và giảm nhỏ các băng bên ở các đầu phát. Bởi vậy, nguyên nhân sinh ra nhiễu thường do sự suy giảm độ nh ạy máy thu ho ặc t ạp âm phát chứ không phải do nhiễu kênh lân cận. Truyền dẫn trong GSM 4.3 4.3.1 Truyền dẫn thông tin từ đầu cuối này đến đầu cuối kia của mạng GSM * Truyền dẫn tiếng (thoại) Từ lâu, dịch vụ truyền thoại đã trở nên phổ biến bởi các mạng công cộng. Quá trình truyền thoại giữa một thuê bao di động và một thuê bao PSTN có thể được mô tả như sau : Tín hiệu âm thanh phát ra từ miệng của thuê bao di động được biến đổi thành tín hiệu điện thanh và tín hiệu điện thanh này được chuyển đổi thành dòng số ở tốc độ 13kb/s. Dòng số này được điều chế thành tín hiệu t ương tự cao tần và phát vào không trung, được thu lại ở anten BTS và được xử lý đ ể khôi phục lại tín hiệu số ban đầu. Sau đó, nhờ bộ chuy ển đổi mã ti ếng, nó được biến đổi sang tín hiệu số 64kb/s để phù hợp với tổng đài số, và được chuyển mạch đến thuê bao PSTN, được biến đổi vào tín hiệu tương t ự và cuối cùng được biến đổi ngược lại thành âm thanh để đến tai người nghe. Phương thức truyền dẫn ở tốc độ 13kb/s là nét đặc trưng của GSM. Biên giới GSM và bên ngoài được xác định bằng hai điểm chuẩn : - giữa miệng của thuê bao di động và micro - giữa tổng đài MSC và tổng đài hay mạng truy ền dẫn của mạng công cộng cố định PSTN. *Fax Fax được coi là dịch vụ quan trọng cho việc Marketing GSM, tuy nhiên đây cũng chính là nguyên nhân của nhiều trở ngại kỹ thuật. Một số trở ngại xuất phát từ trễ truyền dẫn ở đường vô tuyến và vì thế không phù hợp với các giao thức của nhóm Fax 3. Ngoài ra, do không có một tiêu chuẩn giao ti ếp đầu cuối nào khác ngoài tiêu chuẩn đấu nối hai dây tương tự vào mạng PSTN nên cần có các chức năng thích ứng đặc biệt cả ở phía trạm di động và phía Bài giảng TTDĐ Nguyễn Thanh Xuân 17
Gới thiệu mạng di động chuẩn GSM tương thích mạng IWF. ở phía trạm di động, ngoài chức năng thích ứng chung TAF (dành cho khả năng mạng đồng bộ) còn có một b ộ thích ứng đ ặc biệt giữa Fax và TAF. Giao diện giữa bộ thích ứng Fax và TAF là giao di ện số giữa đầu cuối và modem, hỗ trợ cho yêu cầu chọn số và trả lời tự động, và các tốc độ dữ liệu khác nhau được sử dụng ở Fax3. Giao diện giữa bản thân thiết bị đầu cuối và bộ thích ứng Fax là giao diện điện thoại tương t ự hai dây cho phép đấu nối với các máy Fax hiện có. Trong thông tin Fax c ố định, giao thức được định nghĩa ở khuyến nghị T.30 cho phép các đầu cuối Fax phối hợp với nhau để quản lý các chức năng nh ư : ch ọn l ựa t ốc đ ộ đi ều chế, nhận dạng tương hỗ, phân định trang, quản lý bán song công v.v... Giao thức nói trên được sao lại ở TAF và IWF để tránh các vấn đề n ảy sinh do tr ễ của truyền dẫn đường dài. 4.3.2 Truyền dẫn bên trong GSM Truyền dẫn bên trong của GSM được giới hạn bởi TAF và IWF do phần truyền dẫn bên trong của mạng truyền dẫn GSM nằm giữa một điểm nào đó bên trong trạm di động và điểm tương tác giữa GSM với các m ạng bên ngoài. a/Truyền dẫn tiếng Đường truyền dẫn tiếng bên trong GSM có th ể được chia thành các đoạn sau đây : - Trạm di động - Từ trạm di động đến trạm gốc - Từ trạm gốc BTS đến bộ chuyển đổi mã riêng (TRAU) - Từ TRAU đến MSC (hay IWF) Lưu ý là TRAU có thể được đặt ở các vị trí khác nhau. *Mã hoá tiếng ở trạm di động Mục tiêu hàng đầu của việc thiết kế phương tiện truy ền dẫn vô tuy ến là hiệu suất sử dụng phổ cao. Hiện nay mã hoá tiếng cho phép : truy ền tho ại ở tốc độ 13kb/s (toàn tốc) và 6,5kb/s (bán tốc). Mã hoá bán tốc sẽ được sử dụng ở giai đoạn hai của GSM. Trong phần này ta xét mã hoá toàn tốc. Sơ đồ mã hoá tiếng GSM ở tốc độ 13 kb/s được gọi là kích thích xung đều - tiền định thời gian dài RPE-LTP(Regular Pulse Excitation -Long Term Prediction). Bài giảng TTDĐ Nguyễn Thanh Xuân 18
Gới thiệu mạng di động chuẩn GSM Mã hoá này cho phép nhận được chất lượng như mạng cố định nhưng đòi hỏi độ rộng phổ tần vô tuyến hợp hơn. Tín hiệu tiếng ở MS được đưa qua bộ lọc thông thấp, qua b ộ bi ến đ ổi AD để được mã hoá PCM đồng đều với tần số lấy mẫu 8kHz và 13bit mã hoá cho một mẫu sau đó tín hiệu này được đưa lên bộ biến đổi tương tự/số Bộ mã hoá A/D LP 1 F BTS Ký hiệu : LPF : Bộ lọc thông thấp ; A/D : Bộ biến đổi A/D ; 1 : Micro Hình 9 . Quá trình mã hoá tiếng nói ở GSM. (A/D). Tại đầu ra của bộ A/D, ta được các khối 20ms mã hoá 260bit làm cho tốc độ của luồng ra là 13kbit/s như hình 9. Nếu tín hiệu đầu vào mạng GSM lấy từ mạng PSTN thì trước hết tín hiệu 8bit PCM luật A được biến đổi thành 13 bit PCM đồng đ ều rồi sau đó đưa lên bộ mã hoá để biến đổi thành 13kb/s : Tại đầu thu, quá trình được thực hiện theo hướng ngược lại : Với ký hiệu : 1: ống nghe ; 2: Mã PCM 8bit/luật A,8000mẫu/bit ; 8bit/lu ật A Bộ mã hoá 2 v ào 13 bit đồng đều MS Ký hiệu : 2: Mã PCM 8bit/luật A,8000mẫu/bit Hình 10. Quá trình mã hoá tiếng nói từ mạng PSTN LPF : bộ lọc thông thấp ; D/A : Bộ biến đổi D/A ; Sơ đồ khối của bộ mã hoá được mô tả trong hình 13 : Bài giảng TTDĐ Nguyễn Thanh Xuân 19
Gới thiệu mạng di động chuẩn GSM Bộ giải D/A LPF 1 mã BTS Hình 11. Quá trình giải mã tiếng nói GSM ở MS. 13bit đồng Bộ giải 2 đều vào mã 8 bit/lu ật A MS Hình 12.Quá trình giải mã tiếng nói GSM từ mạng PSTN Chọn S Bộ lọ c Lọc thông lưới Phân đoạn phân tích thấp RPE LPC Ghép 13kb/s kênh Bộ lọc phân tích LTP Phân tích LPC Hình 13. Sơ đồ khối bộ mã hoá tiếng GSM Tín hiệu mã hoá PCM đồng đều 13bit/8000mẫu/s được nhấn mạnh trước (Pre-emphasis) rồi được chia thành các đoạn 20ms/160 mẫu/13bit đưa vào đầu vào của bộ mã hoá. Nguyên lý chung của bộ mã hoá dựa trên cơ sở để tiết kiệm băng thông, người ta sẽ chỉ gửi đi các thông số cần thiết nhất để có th ể khôi ph ục lại được tiếng nói ở đầu thu : thông số về cơ quan phát âm và xung kích thích bộ phận này. Muốn vậy, người ta sử dụng hai kiểu mã hoá kết hợp là mã hoá kiểu phát âm (Vocoder) và mã hoá dạng sóng (PCM đồng đ ều). Đ ể th ực hi ện mã hoá kiểu phát âm, người ta cho các đoạn tiếng 20ms ở trên qua b ộ l ọc mã hoá tiền định tuyến tính LPC(Linear Prediction Coding) đảo so v ới c ơ quan phát âm của con người để nhận được các xung kích thích. Các thông số của bộ lọc tuyến tính LPC thay đổi từ khối này đến khối khác và được gửi đi ở khung tiếng. Mặt khác, do các đoạn liên tiếp của ti ếng nói là khá gi ống nhau Bài giảng TTDĐ Nguyễn Thanh Xuân 20