Hệ thống thông tin di động

Hệ thống thông tin di động

V Hệ thống thông tin thế hệ thứ 3 (3G) theo chuẩn WCDMA

Tài liệu tham khảo

2 Tính toán mạng thông tin di động số cellular,

Thầy Vũ Đức Thọ

3 GSM, CdmaOne and 3G Systems,

Raymond Steele, Chin-Chun Lee, Peter Gould

4 GSM, Switching, Services and Protocols,

John Wiley & Sons

Link download Slide (pdf):

1 Giáo trình Thông tin Di động, Thầy Phạm Công Hùng (chủ biên),

Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.

Giới thiệu chung :

 Hệ thống thông tin di động tế bào số (Digital Cellular

thông tin di động (Mobile Systems) là hệ thống liên lạc

với nhiều điểm truy nhập khác nhau (access points, or

 Nguời sử dụng có thể di chuyển trong vùng phủ sóng của

các trạm (base station)

1982 sử dụng kỹ thuật TDMA là Nhóm đặc trách di đông

GSM ( G roup S pecial M obile) sau này được đổi thành Hệ

thống di động toàn cầu ( G lobal S ystem for M obile

Communications)

 Việt Nam sử dụng GSM từ 1993

1991 Qualcomm triển khai hệ thống di động trên công nghệ

CDMA chuẩn IS-95A ( nterim S tandard-95A)

 Việt Nam triểm khai hệ thống di động theo công nghệ

CDMA và đưa vào sử dụng tháng 7/2003 (S- Phone)

1 Lịch sử phát triển

Hệ thống thông tin di động phát triển theo các thế hệ khác nhau:

 F irst G eneration ( 1G )

 Hệ thống thông tin di động tương tự sử dụng phương thức đa truy nhập

phân chia theo tần số FDMA và điều chế tần số FM

 Đặc điểm:

 Phương thức truy nhập: FDMA

 Dịch vụ đơn thuần là thoại

 Chất lượng thấp

 Bảo mật kém

1 Lịch sử phát triển

 Một số hệ thống điển hình:

 NMT : Nordic Mobile Telephone sử dụng băng tần 450

MHz Triển khai tại các nước Bắc Âu vào năm 1981

(Scandinavia)

 TACS : Total Access Communication System triển khai tại

Anh vào năm 1985.

 AMPS : Advanced Mobile Phone System triển khai tại Bắc

Mỹ vào năm 1978 tại băng tần 800 MHz.

1 Lịch sử phát triển

 S econd G eneration ( 2G )

 Hệ thống di động số tế bào:

 Dung lượng tăng

 Chất lượng thoại tốt hơn

 Hỗ trợ các dịch vụ số liệu (data)

 Phương thức truy nhập:

 TDMA, CDMA băng hẹp (NarrowBand)

 Chuyển mạch: chuyển mạch kênh (Circuit Switching).

1 Lịch sử phát triển

 Một số hệ thống điển hình:

 GSM : (Global System for Mobile Phone) - TDMA Triển

khai tại Châu Âu.

 D-AMPS (IS-136 - Digital Advanced Mobile Phone System)

- TDMA Triển khai tại Mỹ

 IS-95 (CDMA one) - CDMA Triển khai tại Mỹ và Hàn

Quốc.

 PDC (Personal Digital Cellular) - TDMA, Triển khai tại

Nhật Bản.

1 Lịch sử phát triển

 E volved S econd G eneration ( 2.5 G )

 Các dịch vụ số liệu cải tiến :

 Tốc độ bit data cao hơn

 EDGE-Enhance Data rate for GSM Evolution

 Hỗ trợ tốc độ bit cao hơn GPRS trên nền GSM (384 kbps)

1 Lịch sử phát triển

 T hird G eneration ( 3G )

 Hỗ trợ các dịch vụ số liệu gói tốc độ cao:

 Di chuyển trên các phương tiện (Vehicles):

 Dịch vụ đa phương tiện, kết nối qua Internet, ví dụ như:

 Video Streaming, video conference, web browsing, email,

1 Lịch sử phát triển

 F ourth G eneration ( 4G )

 Hiện nay đang xây dựng chuẩn.

 Cải tiến về dịch vụ dữ liệu:

 Tốc độ bit: 20 - 100 Mb/s

 Phương thức điều chế:

 Xu hướng kết hợp: mạng lõi IP + mạng truy nhập di động

(3G) và truy nhập vô tuyến Wimax & Wi-Fi !

1 Lịch sử phát triển

2 Cấu trúc hệ thống

2 Cấu trúc hệ thống

2 Cấu trúc hệ thống

 HLR : H ome L ocation R egister: bộ đăng ký định vị thường

trú

 VLR : V isited L ocation R egister: bộ đăng ký định vị tạm trú

 AuC : Au thentication C enter: Trung tâm nhận thực

 MSC : M obile S witching C enter: Trung tâm chuyển mạch di

động

2 Cấu trúc hệ thống

2 Cấu trúc hệ thống

- Sóng vô tuyến ít bị che

khuất ( vùng nông thông,

- Mật độ thuê bao cao

- Sóng vô tuyến bị che

khuất.

2 Cấu trúc hệ thống

Chỉ thị cường độ tín hiệu theo tỷ lệ phần

trăm

RSSI = 0

RSSI_Max = 60802.11 NIC - Atheros: 60 bước chỉ thị

• Hai bước ánh xạ RSSI [ x % ] sang dBm

1 Xác định RSSI_Max của nhà sản xuất – Vendor

-> RSSI[x %] = x (%) * RSSI_Max / 100

2 Tra giá trị dBm tương ứng với giá trị RSSI vừa xác định trong

bảng chuyển đổi hoặc công thức chuyển đổi do nhà sản xuất cung cấp

• [*] Lưu ý: bảng chuyển đổi không phải khi nào cũng biến đổi theo quy

luật tuyến tính

Chuyển đổi giá trị chỉ thị cường độ tín

hiệu theo tỷ lệ phần trăm sang dBm

• Ví dụ:

• Atheros: RSSI_Max =60; -> dBm = RSSI – 95;

• Phạm vi biến đổi của dBm : -35dBm đến -95 dBm

• Cường độ tín hiệu thu nhận tại 802.11 NIC là x = 30 % tương ứng với công

suất thu là bao nhiêu dBm ?

RSSI_Max = 100

Chuyển đổi giá trị chỉ thị cường độ tín

hiệu theo tỷ lệ phần trăm sang dBm

• Ví dụ:

• Cisco: RSSI_Max =100;

• Phạm vi biến đổi của dBm: -10 dBm đến -113dBm

• Cường độ tín hiệu thu nhận tại 802.11 NIC là x = 30 %

tương ứng với công suất thu là bao nhiêu dBm ?

• RSSI[30%] = 30 * 100 / 100 = 30 -> tra bảng:

• dBm = RSSI[30%] = - 82 (dBm)

2 Cấu trúc hệ thống

3 Các phương thức đa truy nhập

 FDMA: Frequency Division Multiple Access

đa truy nhâp phân chia theo tần số

 TDMA: Time Division Multiple Access

đa truy nhâp phân chia theo thời gian

 CDMA: Code Division Multiple Access

đa truy nhâp phân chia theo mã

FDMA (Frequency Division Multiple Access)

• Mỗi thuê bao được cấp phát một tần số trong suốt thời gian

s – khoảng cách an toàn

s

FDMA cấp phát tần số

t

f

k1k2k3k4k5k6

3 Các phương thức đa truy nhập

TDMA (Time Division Multiple Access)

• Mỗi thuê bao được cấp phát một khe thời gian trong suốt quá

Khe thời gian

3 Các phương thức đa truy nhập

CDMA (Code Division Multiple Access)

f1 CDMA Giải mã

3 Các phương thức đa truy nhập

Các phương thức truyền tin song công

giữa MS và BS

 Phân chia theo tần số

FDD: Frequency Division Duplex

 Phân chia theo thời gian

TDD: Time Division Duplex

Truyền song công phân chia theo tần số - FDD

 FDD: Frequency Division Duplex

Mobile

Station

M

Forward ChannelReverse Channel

Base StationB

Hướng xuống: Downlink ~ Hướng thuận:Forward Channel

Hướng lên: Uplink ~ hướng ngược : Reverse Channel

Phương thức FDD sử dụng kênh tần số ở hai băng tần khác

nhau để mang thông tin theo hai hướng.

Truyền song công phân chia theo thời gian - TDD

 TDD: Time Division Duplex

MobileStation M

Base StationB

Phương thức TDD sử dụng cùng một kênh tần số để mang

thông tin theo hai hướng tại các khe thời gian luân phiên.

Băng tần của hệ thống

 Mỗi hệ thống thông tin di động được cấp phát một

hoặc nhiều băng tần xác định.

 Trong mỗi băng tần, các kênh vô tuyến của hệ

Băng tần 1800

n

DL

21

n

UL

21

Đặc tính truyền sóng (Propagation Characteristics)

• Pha đinh phạm vi rộng ( Large-scale Fading )

– Suy hao đường truyền - Path Loss

– Che khuất - Shadowing (due to obstructions)

• Pha đinh phạm vi hẹp ( Small-scale Fading )

– Pha đinh nhiều đường - Multipath Fading

Mô hình truyền sóng (Propagation Model)

• Mô hình không gian tự do (Free Space Model)

• Mô hình 2 đường (Two ray or PLANE-EARTH Model)

• Mô hình thống kê HATA (HATA Model)

• Mô hình COST 231 (COST 231 Model)

 Mạng thông tin di động mặt đất công cộng PLMN (Public Land

Mobile Network) theo chuẩn GSM được chia thành 3 (4) phân hệ

chính sau:

 Phân hệ chuyển mạch -NSS

 Network Switching Subsystem

 Phân hệ vô tuyến -RSS= BSS+ MS

 Radio SubSystem

 Phân hệ vận hành và bảo dưỡng -OMS

 Operation and Maintenance Subsystem

Me sim

IWF: InterWorking Function - Khối tương tác mạng EC: Echo Canceler - Khối triệt tiếng vọng

Kết nối mang thông tin báo hiệu /điều khiển Kết nối mang thông tin người sử dụng và báo hiệu

Trạm di động MS - Mobile Station

 Trạm di động MS = ME + SIM

ME : Mobile Equipment - thiết bị di động

SIM: Subscriber Indentity Module

Module nhận dạng thuê bao.

 ME = hardware + software

 ME  IMEI = Assigned at the factory

6 digits 2 digits 6 digits 1 digit

Type Approval

Code

Final Assembly Code Serial Number Sp

SIM - Subscriber Indentity Module

Bộ điều khiển trạm gốc BSC

 BSC: Base Station Controller

 Bộ điều khiển trạm gốc BSC thực hịên các chức

năng sau:

 Điều khiển một số trạm BTS: xử lý các bản tin báo hiệu,

điều khiển,vận hành & bảo dưỡng đi/đến BTS.

 Khởi tạo kết nối.

 Điều khiển chuyển giao:Intra & Inter BTS HO

BSS’s components

Trạm thu phát gốc BTS

 BTS: Base Tranceiver Station

hoặc BS: Base Station

 Trạm thu phát gốc BTS thực hịên các chức năng sau:

 Thu phát vô tuyến (Radio Carrier Tx and Rx)

 Ánh xạ kênh logic vào kênh vật lý

( Logical to physical Ch Mapping )

 Mã hóa/giải mã hóa (Coding/Decoding)

 Mật mã hóa/giải mật mã hóa(Ciphering/Deciphering)

N x 2MbpsBTS

BSC

1 luồng E1 = 2Mbps

 kênh thoại(16kpbs)

Phân hệ chuyển mạch NSS

Tổng đài di động MSC

Chức năng:

• Xử lý cuộc gọi (call procesing)

• Điều khiển chuyển giao (Handover control)

• Quản lý di động (mobility management)

Bộ định vị tạm trú VLR

“VLR là cơ sở dữ liệu trung gian lưu giữ tạm thời

thông tin về thuê bao trong vùng phục vụ MSC/VLR

được tham chiếu từ cơ sở dữ liệu HLR”

• Các số nhận dạng: IMSI, MSISDN,TMSI

• Số hiệu nhận dạng vùng định vị đang phục vụ MS

• Danh sách dịch vụ MS được/hạn chế sử dụng

• Trạng thái của MS (bận: busy; rỗi : idle)

VLR: Visitor Location Register

Trung tâm nhận thực AuC

“AuC (AC) là cơ sở dữ liệu lưu giữ mã khóa cá nhân

Ki của các thuê bao và tạo ra bộ ba tham số nhận

thực ‘triple: RAND, Kc,SRES’ khi HLR yêu cầu

để tiến hành quá trình nhận thực thuê bao”

Khối nhận dạng thiết bị EIR

“EIR là cơ sở dữ liệu thông tin về tính hợp lệ của thiết bị ME qua số

IMEI”

• Một thiết bị sẽ có số IMEI thuộc 1 trong 3 danh sách:

+ Danh sách trắng (white list) -> valid ME

+ Danh sách đen (black list) -> stolen ME

+ Danh sách xám (gray list) -> ME is fauly or do not meet curent GSM

specifications

EIR: Equipment

Identity Register

Phân hệ vận hành và bảo dưỡng OMS

OMS: Operation and Maintenance Subsystem

Trung tâm vận hành và bảo dưỡng OMC

GSM network’s functions

A GSM network performs 5 main functions:

 Transmission (data& signalling; MS, BTS, BSC)

Vùng phục vụ PLMN

Vùng định vị LAI

và vùng phục vụ MSC/VLR

Location AreaCode (LAC)

Số LAI : L ocation A rea I dentity => Số nhận dạng vùng định vị

3 digits 2 digits 2 Bytes 2 Bytes

Mobile country Mobile Network Location Area Cell

Số nhận dạng ô toàn cầu GCI:

GCI = MCC + MNC + LAC + CI = LAI + CI



Ví dụ

Giả sử vùng định vị đã cho thuộc mạng

Vinaphone, hãy xác định số hiệu LAI của LA đó ?

LAI = MCC.MNC.LAC = 452.02.6

CI = 24 ?

GCI = MCC.MNC.LAC.CI = 452.02.6.24

GCI = ?

3 Các giao diện trong mạng GSM

Khái niệm

 Giao diện - Interface:

”Là ranh giới giữa các thực thể chức năng (functional

entities) tại đó khuôn dạng dữ liệu (protocols) và

quá trình trao đổi thông tin (procedure) được chuẩn

hóa”

GSM’s interfaces

Các phương thức đa truy nhập

Carrier frequencies, duplexing,and TDMA frames

III GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến gói chung

Cấu trúc của GSM

Base Station Mobile Station Subsystem

Note: Interfaces have been omitted for clarity purposes.

Chuyển mạch kênh (Circuit-Switch)

Chuyển mạch gói (Packet-Switch)

Cấu trúc hệ thống GPRS

Base Station Mobile Station Subsystem

BTS BSC SIM ME

+

Network Subsystem

MSC/ GMSC VLR

 SGSN: Serving GPRS Support Node

Đóng gói và truyền dẫn gói

- Định tuyến và truyền dẫn gói

- Điều khiển truy nhập mạng

- Quản lý tài nguyên vô tuyến

- Quản lý mạng

Gp

Gn

H o st

IV Hệ thống CDMA

Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

A

C

B A

Code A

A B C

Time

BC

B

A

Base-band Spectrum Radio Spectrum

Trải phổ

4.1 Ưu điểm của CDMA

• Dung lượng hệ thống CDMA gấp 8  10 lần so với hệ thống

AMPS (FDMA) và 4  5 lần hệ thống GSM (TDMA).

• Chất lượng cuộc gọi được nâng cao.

• Thiết kế hệ thống đơn giản hoá do sử dụng cùng 1 dải tần số ở

mọi ô.

• Nâng cao sự bảo mật thông tin.

• Đặc tính phủ sóng được cải thiện, nâng cao phạm vi phủ sóng.

• Tăng thời gian đàm thoại cho máy đầu cuối.

• Dải thông được cung cấp tuỳ theo yêu cầu sử dụng

4.2 Các phương thức trải phổ

• Trải phổ trực tiếp:

– DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

– Công nghệ CDMA hoạt động theo phương thức DSSS

• Trải phổ nhảy tần :

– FHSS (Fryquency Hopping Spread Spectrum)

• Trải phổ nhảy thời gian :

– THSS ( Time Hopping Spread Spectrum)

Trải phổ dãy trực tiếp DSSS

Mã hóakênh

Bộ tạo

mã PN

Khối điều chế Kênh truyền dẫn vô tuyến

Số liệu

(Băng gốc)

Số liệu đãtrải phổ

Sóng mang

PN: Pseudo-Random Noise – Mã giả ngẫu nhiên

Tín hiệubăng rộngBên phát - Transmitter

Trải phổ dãy trực tiếp DSSS

Giải mã kênh

Bộ tạo

mã PN

Khối giải điều chế

Kênh truyền dẫn

vô tuyến

Số liệu(Băng gốc)

Số liệu đãtrải phổ

Sóng mang

PN: Pseudo-Random Noise – Mã giả ngẫu nhiên

Tín hiệubăng rộngBên thu - Receiver

4.3 Dãy PN

• Chiếm toàn bộ băng tần 1,25MHz

• Tốc độ 1,2288M b /s ( bit này sẽ được gọi là chip để

phân biệt với bit thông tin)

• Dãy PN được tạo ra bằng cách kết hợp các đầu ra hồi tiếp của thanh ghi dịch

• Chu kỳ của dãy PN là T = 2n– 1

Định nghĩa

• Một dãy chạy là một dãy toàn các số 0/1 Khi có chữ

số thay đổi nghĩa là bắt đầu một dãy chạy mới Độ dài

của một dãy chạy là số các con số 0/1 trong dãy đó Vị

trí tương đối của một dãy chạy thay đổi theo dãy mã

nhưng số các dãy có độ dài khác nhau là không đổi.

V Hệ thống thông tin di

động thế hệ thứ 3 (3G)

Các tổ chức tham gia

chuẩn hóa hệ thống 2,5G và 3G

• ITU-T (T-Telecommunications) Cụ thể là nhóm SSG

(Special Study Group)

• ITU-R (R- Radio): Cụ thể là nhóm Working Group 8F

–WG8F.

• 3GPP: 3rd Global Partnership Project

• 3GPP2: 3rd Global Partnership Project 2

• IETF: Internet Engineering Task Forum

• Các tổ chức phát triển tiêu chuẩn khu vực

(SDO-Standard Development Organization)

Mạng thông tin di động 3G

UMTS - WCDMA

( U niversal M obile T elecommunications S ystem)

Hướng phát triển lên 3G

Tốc độ bit UMTS

Outdoors

Vehicle

Walk Fixed

Indoors

155Mb/s2.0

0.5GSM

–  5MHz (variable) carrier spacing

– 12 bands in Uplink & Downlink

…

12 Uplink Bands

190 MHz 5 MHz Frequency

12 Downlink Bands

…

UMTS TDD (Time Division Duplex)

- Uplink & Downlink: 1900 1920 MHz and 2020

• Carrier chip rate: 3.84 Mcps

• Timeslot structure: 15 slots/frame

• Framelength: 10 ms

• Modulation: QPSK

• Detection: basedon pilot symbols

UMTS Network Architecture

RNS: Radio Network Subsystems UTRAN: UMTS Radio Access Network

GERAN: GSM /GPRS/ Edge Radio Access Network

GERAN - GSM /GPRS/ Edge

Radio Access Network

UMTS Network Architecture

GPRS Network Architecture

MSC/VLR

Abis Ater

Gi

ISP External Network

Gn

SGSN

Charging Gateway

UMTS Network Architecture

RAN Interfaces

RAN: Radio Access Network – Mạng truy nhập vô tuyến

WCDMA Carrier