HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM tối ưu HOÁ MẠNG DI ĐỘNG

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM TỐI ƯU HOÁ MẠNG DI ĐỘNG MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 4 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 6 1.1 Giới thiệu chung về GSM 6 1.2 Các tham số cơ bản của GSM 7 1.3 Các số nhận dạng của hệ thống GSM 10 1.3.1 Số nhận dạng thiết bị di động quốc tế (IMEIInternational Mobile Equipment Identifier) 10 1.3.2 Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế (IMSIInternational Mobile Subscriber Identifier) 10 1.3.3 Số nhận dạng thuê bao di động tạm thời (TMSITemporary Mobile Subscriber Identity) 11 1.3.4 Số lưu động trạm di động (MSRNMobile Station Roaming number) 11 1.3.5 Số nhận dạng vùng định vị (LAILocation Area Identity) 12 1.3.6 Số nhận dạng tế bào (CICell Identifier) 12 1.3.7 Mã nhận dạng trạm gốc (BSICBase Station Identity Code) 12 1.3.8 Số nhận diện cá nhân PIN (Personal Identification Number) 12 1.4 Tổng quan cấu trúc GSM 13 1.4.1 Trạm di động (MS: Mobile Station) 14 1.4.2 Phân hệ trạm gốc (BSSBase Station Subsystem) 15 1.4.2.1 Trạm thu phát gốcBTS 15 1.4.2.2 Đài điều khiển trạm gốcBSC 16 1.4.3 Phân hệ chuyển mạch mạng (NSS) và điều hành mạng 17 1.4.3.1 Trung tâm chuyển mạch di động MSC 18 1.4.3.2 Bộ ghi định vị tạm trúVLR 18 1.4.3.3 Bộ ghi định vị thường trúHLR 19 1.4.3.4 Trung tâm nhận thựcAuC 19 1.4.3.5 Trung tâm chuyển mạch di động cổngGMSC 19 1.4.3.6 Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR 20 1.4.3.7 Trung tâm khai thác và bảo trìOMC 20 1.5 Cấu trúc địa lý của mạng GSM 20 1.6 Hoạt động của hệ thống GSM với một cuộc gọi từ một máy điện thoại cố định thuộc PSTN 21 1.7 Giao tiếp vô tuyến trong GSM 24 1.7.1 Các kênh trong hệ thống GSM 24 1.7.1.1 Kênh vô tuyến 24 1.7.1.2 Kênh vật lý 24 1.7.1.3 Kênh logic 24 1.7.2 Sắp các kênh logic trên các kênh vật lý 28 1.7.3 Cấu trúc các cụm, cấu trúc khung tín hiệu trong GSM 30 1.7.3.1 Cấu trúc cụm 30 1.7.3.2 Cấu trúc khung tín hiệu trong GSM 33 LÝ THUYẾT QUY HOẠCH MẠNG DI ĐỘNG GSM 35 2.1 Mục đích và tiêu chuẩn quy hoạch mạng 36 2.1.1 Mục đích 36 2.1.2 Tiêu chuẩn quy hoạch mạng 37 2.2 Chuẩn bị quy hoạch mạng 38 2.3 Quy hoạch 40 2.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình quy hoạch mạng 41 2.3.1.1 Vấn đề truyền dẫn sóng vô tuyến 41 2.3.1.2 Vấn đề nhiễu 46 2.3.2 Quy hoạch vùng phủ 49 2.3.2.1 Tính quỹ đường truyền (công suất) link budget 49 2.3.2.2 Quy hoạch vùng phủ 52 2.3.3 Quy hoạch dung lượng 53 2.3.3.1 Khái niệm về lưu lượng 53 2.3.3.2 Tính toán dung lượng 55 2.4 Quy hoạch chi tiết 57 2.4.1 Quy hoạch tần số 57 2.4.1.1 Tái sử dụng tần số 61 TỐI ƯU HOÁ MẠNG VÔ TUYẾN GSM 66 3.1 Khái niệm tối ưu hóa mạng vô tuyến 67 3.2 Các lý do tối ưu 67 3.3 Mục đích tối ưu mạng 67 3.4 Lợi ích của việc tối ưu 68 3.5 Các thông số của một trạm BTS 68 3.6 Tối ưu mạng vô tuyến 69 3.6.1 Thống kê về KPIs 70 3.6.1.1 Tỉ lệ rớt cuộc gọi CDR (Call Drop Rate) 70 3.6.1.2 Tỉ lệ thiết lập cuộc gọi thành công CSSR (Call Setup Success Rate) 71 3.6.1.3 Tỉ lệ truy cập ngẫu nhiên lỗi ( RAFRRandom Access Failures Rate) 72 3.6.1.4 Tỉ lệ tìm gọi thành công ( PSRPaging Success Rate) 72 3.6.1.5 Tỉ lệ chuyển giao thành công (HOSRHandOver Success Rate) 73 3.6.1.6 Tỉ lệ nghẽn kênh SDCCH 73 3.6.1.7 Tỉ lệ nghẽn kênh TCH 73 3.6.2 Driving test 74 3.6.3 Phản ánh của khách hàng 75 3.7 Quy trình tối ưu hóa 76 3.7.1 Giám sát mạng 76 3.7.2 Quá trình Driving Test 77 3.7.2.1 Chiến lược khảo sát trường (Field Test Survey Strategy) 77 3.7.2.2 Xác định các tuyến kiểm tra trường 77 3.7.2.3. Thu thập kết quả đo trường 77 3.7.3 Phân tích số liệu 78 3.7.3.1 Lỗi chuyển giao 78 3.7.3.2 Vấn đề vùng phủ kém 79 3.7.3.3 Vấn đề về nhiễu cao và chất lượng kém 83 3.7.4 Thực hiện 84 3.8 Ví dụ về phân tích CDR (tỷ lệ rớt cuộc gọi) 84 3.8.1 Cách làm việc để tìm ra nguyên nhân chính 84 3.8.1.1 Quan sát vị trí các cell trên MapInfor 85 3.8.1.2 Kiểm tra khả năng hoạt động của các cell thông qua dữ liệu thống kê 86 3.8.1.3 Thực tế khảo sát các trạm có CDR cao 91 3.8.1.4 Ta đi phân tích kế hoạch tần số 93 3.8.2 Nhận xét 94 KẾT LUẬN 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 6

1.1 Giới thiệu chung về GSM 6

1.2 Các tham số cơ bản của GSM 7

1.3 Các số nhận dạng của hệ thống GSM 10

1.3.1 Số nhận dạng thiết bị di động quốc tế (IMEI-International Mobile Equipment Identifier) 10

1.3.2 Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế (IMSI-International Mobile Subscriber Identifier) 10

1.3.3 Số nhận dạng thuê bao di động tạm thời (TMSI-Temporary Mobile Subscriber Identity) 11

1.3.4 Số lưu động trạm di động (MSRN-Mobile Station Roaming number) 11

1.3.5 Số nhận dạng vùng định vị (LAI-Location Area Identity) 11

1.3.6 Số nhận dạng tế bào (CI-Cell Identifier) 12

1.3.7 Mã nhận dạng trạm gốc (BSIC-Base Station Identity Code) 12

1.3.8 Số nhận diện cá nhân PIN (Personal Identification Number) 12

1.4 Tổng quan cấu trúc GSM 12

1.4.1 Trạm di động (MS: Mobile Station) 14

1.4.2 Phân hệ trạm gốc (BSS-Base Station Subsystem) 15

1.4.2.2 Đài điều khiển trạm gốc-BSC 15

1.4.3 Phân hệ chuyển mạch mạng (NSS) và điều hành mạng 17

1.4.3.1 Trung tâm chuyển mạch di động -MSC 18

1.4.3.2 Bộ ghi định vị tạm trú-VLR .18

1.4.3.3 Bộ ghi định vị thường trú-HLR 18

1.4.3.4 Trung tâm nhận thực-AuC 19

1.4.3.5 Trung tâm chuyển mạch di động cổng-GMSC 19

1.4.3.6 Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR 20

1.5 Cấu trúc địa lý của mạng GSM 20

1.6 Hoạt động của hệ thống GSM với một cuộc gọi từ một máy điện thoại cố định thuộc PSTN 21

1.7 Giao tiếp vô tuyến trong GSM 24

1.7.1 Các kênh trong hệ thống GSM 24

1.7.1.1 Kênh vô tuyến 24

1.7.1.2 Kênh vật lý 24

1.7.1.3 Kênh logic 24

1.7.2 Sắp các kênh logic trên các kênh vật lý 28

1.7.3 Cấu trúc các cụm, cấu trúc khung tín hiệu trong GSM 30

1.7.3.1 Cấu trúc cụm 30

1.7.3.2 Cấu trúc khung tín hiệu trong GSM 33

LÝ THUYẾT QUY HOẠCH MẠNG DI ĐỘNG GSM 35

2.1 Mục đích và tiêu chuẩn quy hoạch mạng 36

2.1.1 Mục đích 36

2.1.2 Tiêu chuẩn quy hoạch mạng 37

2.2 Chuẩn bị quy hoạch mạng 38

2.3 Quy hoạch 40

2.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình quy hoạch mạng 41

2.3.1.1 Vấn đề truyền dẫn sóng vô tuyến 41

2.3.1.2 Vấn đề nhiễu 46

2.3.2 Quy hoạch vùng phủ 49

2.3.2.1 Tính quỹ đường truyền (công suất) - link budget 49

2.3.2.2 Quy hoạch vùng phủ 52

2.3.3 Quy hoạch dung lượng 53

2.3.3.1 Khái niệm về lưu lượng 53

2.3.3.2 Tính toán dung lượng 55

2.4 Quy hoạch chi tiết 57

2.4.1 Quy hoạch tần số 57

2.4.1.1 Tái sử dụng tần số 61

TỐI ƯU HOÁ MẠNG VÔ TUYẾN GSM 66

3.1 Khái niệm tối ưu hóa mạng vô tuyến 66

3.2 Các lý do tối ưu 67

3.3 Mục đích tối ưu mạng 67

3.4 Lợi ích của việc tối ưu 68

3.5 Các thông số của một trạm BTS 68

3.6 Tối ưu mạng vô tuyến 69

3.6.1 Thống kê về KPIs 70

3.6.1.2 Tỉ lệ thiết lập cuộc gọi thành công CSSR (Call Setup Success Rate) 71

3.6.1.3 Tỉ lệ truy cập ngẫu nhiên lỗi (RAFR-Random Access Failures Rate) 72

3.6.1.4 Tỉ lệ tìm gọi thành công (PSR-Paging Success Rate) 72

3.6.1.5 Tỉ lệ chuyển giao thành công (HOSR-HandOver Success Rate) 73

3.6.1.6 Tỉ lệ nghẽn kênh SDCCH 73

3.6.1.7 Tỉ lệ nghẽn kênh TCH 73

3.6.2 Driving test 74

3.6.3 Phản ánh của khách hàng 75

3.7 Quy trình tối ưu hóa 76

3.7.1 Giám sát mạng 76

3.7.2 Quá trình Driving Test 77

3.7.2.1 Chiến lược khảo sát trường (Field Test Survey Strategy) 77

3.7.2.2 Xác định các tuyến kiểm tra trường 77

3.7.2.3 Thu thập kết quả đo trường 77

3.7.3 Phân tích số liệu 78

3.7.3.1 Lỗi chuyển giao 78

3.7.3.2 Vấn đề vùng phủ kém 79

3.7.3.3 Vấn đề về nhiễu cao và chất lượng kém 83

3.7.4 Thực hiện 84

3.8 Ví dụ về phân tích CDR (tỷ lệ rớt cuộc gọi) 84

3.8.1 Cách làm việc để tìm ra nguyên nhân chính 84

3.8.1.1 Quan sát vị trí các cell trên MapInfor 85

3.8.1.2 Kiểm tra khả năng hoạt động của các cell thông qua dữ liệu thống kê 86

3.8.1.3 Thực tế khảo sát các trạm có CDR cao 90

3.8.1.4 Ta đi phân tích kế hoạch tần số 93

3.8.2 Nhận xét 93

KẾT LUẬN 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với xu hướng phát triển về kinh tế, văn hoá và xã hội của Việt Nam cũng như trên toàn thế giới thì thông tin liên lạc là rất cần thiết Đặc biệt trong thông tin di động, mọi người có thể liên lạc với nhau mọi lúc, mọi nơi mà không lo ngại khoảng cách về không gian và thời gian.Ở nước ta hiện nay, có nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông như: Vinaphone, Viettel, Mobilephone, S-fone…Sự lựa chọn sử dụng mạng nào của khách hàng đều dựa trên tiêu chí: Chất lượng mạng tốt, tốc độ truyền thông tin nhanh, chính xác, bảo mật, giá cước rẻ, sử dụng thuận tiện, kèm theo đó là các dịch vụ giá trị gia tăng như truyền hình trực tuyến, truyền dữ liệu…

Các nhà khai thác dịch vụ luôn mong muốn cung cấp dịch vụ của mình tới càng nhiều khách hàng càng tốt nhưng tất nhiên phải trong giới hạn đầu tư

về công nghệ và tài nguyên băng tần được cấp phép sử dụng Với mục đích thu hút nhiều khách hàng sử dụng mạng của mình, các nhà cung cấp dịch cần

phải chú ý đến việc Tối ưu hoá mạng di động để không ngừng nâng cao chất

lượng mạng Tối ưu hoá mạng là một công việc rất phức tạp, đòi hỏi các kỹ

sư phải có kiến thức về lý thuyết và có kinh nghiệm khảo sát thực tế

Tất cả các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đều muốn đưa dịch vụ của mình phục vụ cho khách hàng ở mọi miền của Tổ quốc, đặc biệt là ở vùng sâu, vùng xa, vùng hải đảo và vùng có mật độ dân cư đông đúc như thành thị Bởi vì mỗi vùng có đặc điểm địa hình khác nhau, mà sóng di động sẽ thay đổi tuỳ theo từng vùng đó Để đảm bảo chất lượng thông tin di động được đồng

bộ trên tất cả mọi người thì công việc tối ưu hoá mạng di động là rất quan trọng

Chính vì lý do đó, em chọn nghiên cứu đề tài: “Hệ thống thông tin di

động GSM - Tối ưu hoá mạng di động”.

Đề tài của em gồm những nội dung chính như sau:

Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin di động GSM

Chương 2: Lý thuyết quy hoạch mạng di động GSM

Chương 3: Tối ưu hoá mạng vô tuyến GSM.

Trong quá trình làm đồ án, em xin chân thành cám ơn thầy giáo hướng

dẫn - Đại tá, PGS TS Đỗ Huy Giác, cùng các thầy trong bộ môn thông tin

khoa Vô tuyến điện tử đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ

án

Do khả năng còn hạn chế và thời gian có hạn, nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để đồ án của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cám ơn!

Hà Nội, tháng 4 năm 2008Sinh viên thực hiện

LÊ THỊ NGỌC HÀ

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

GSM

1.1 Giới thiệu chung về GSM

Cho tới năm 1992 thì toàn Châu Âu đã có 6 loại mạng tế bào khác nhau tại 16 nước, phục vụ 1.2 triệu thuê bao Lúc đó tại Châu Âu, giữa các hệ thống và các thuê bao của các mạng khác nhau thì không tương thích, khả năng lưu động của thuê bao từ nước này sang nước khác rất thấp do đó khá bất tiện Số thuê bao thấp dẫn tới giá thiết bị và dịch vụ cao Trong tình hình như vậy, từ năm 1982 Hội nghị Bưu chính và Viễn thông Châu Âu CEPT (Conference of Europe on Post and Telecommunications) đã thành lập Nhóm chuyên trách về thông tin di động GSM (Groupe Speciale Mobile) có nhiệm

vụ xác định một hệ thống thông tin di động công cộng tiêu chuẩn toàn Châu

Âu hoạt động trên băng tần 900MHz Nhóm này đã quyết định xây dựng hệ thống liên lạc số di động cho hệ GSM (nay được hiểu một cách rộng rãi là

“Global System for Mobile communications”, tức là hệ thống thông tin di

động toàn cầu) Tại hội nghị của CEPT diễn ra ở Pari đã bỏ phiếu lựa chọn

cấu hình tiêu chuẩn của hệ thống GSM căn cứ các yêu cầu về hiệu quả phổ, chất lượng âm thanh, giá thành máy di động, giá trạm cố định, tính tiện lợi mang xách, khả năng phục vụ các dịch vụ mới và khả năng cùng hoạt động với các hệ thống hiện hành

Hiện nay, ở Việt Nam có 4 nhà cung cấp sử dụng hệ thống GSM như: Vinaphone, Mobifone, Viettel, HTmobile

Hệ thống GSM cho phép sử dụng 4 băng tần

450MHz: Nâng cấp của hệ thống thông tin di dộng cellular tương tự cũ ở Scandinavia.

P - GSM: Uplink (Đường lên): 890 - 915 MHz

Downlink (Đường xuống): 935 - 960 MHz

Băng Uplink và Downlink cách nhau 20MHz Tổng cộng có 124 tần số Trong đó: Vinaphone sử dụng các kênh tần số từ 1÷41, Viettel sử dụng các kênh tần số từ 43 ÷ 82, Mobifone sử dụng các kênh tần số từ 84÷124 Các kênh 42 và 83 dành cho phòng vệ

có 124 cặp kênh vô tuyến (lên-xuống) mỗi kênh rộng 200KHz Đường lên và đường xuống cách nhau 45MHz, được thể hiện qua hình 1-1

Hình 1-1: Băng tần GSM 900

FDD (Frequency Division Duplex–Song công phân chia theo tần số)

xuống luôn là dải tần cao Vì MS có công suất nhỏ hơn, thường di động và có khả năng bị che khuất, với dải tần thấp hơn thì λ lớn hơn khi đó khả năng che khuất giảm

Tần số sóng mang vô tuyến trên 2 băng sóng được xác định theo

FnI = 890,2 + 0,2(n-1) (MHz) (uplink) FnII = FnI + 45 (MHz) (downlink)

+ TDMA: (Time Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia theo thời gian) Có đặc điểm: Các thuê bao dùng chung một tần số song luân phiên

về thời gian Trong một tế bào, nếu sử dụng một tần số sóng mang thì trên trục thời gian t chia thành các khung gọi là TDMA Frame, trong các TDMA Frame chia thành các khe thời gian: TS1, TS2, …, TSN, khi đó phân biệt người sử dụng bằng khe thời gian của người truy cập mạng

Trong GSM thì dải tần được chia thành 2 băng: đường lên và đường xuống, mỗi băng gồm 124 tần số sóng mang Mỗi sóng mang được phân chia thành 8 khe thời gian (TS0 ÷ TS7), độ dài 1 khe thời gian ≈ 0.577ms, do đó khoảng thời gian 1 khung TDMA ≈ 8 x 0.577 ms ≈ 4.615ms

- Mã hoá tiếng nói

Mục đích của mã hoá tiếng nói là để giảm tốc độ bít Trong GSM sử

Excited-Linear Predictive Code) Tốc độ 13kb/s (toàn tốc) đối với giai đoạn 1 (phase 1) của GSM và 6.5kb/s (bán tốc) dùng cho phase 2+

Trong hệ thống GSM thì ghép xen được áp dụng 2 lần, nhờ đó việc mất

cả 1 cụm xung TDMA (mất toàn bộ bít trong 1 khe thời gian) chỉ dẫn đến ảnh hưởng tới 12.5% số bít của 1 khung tín hiệu tiếng nói

- Điều chế số

Trong GSM sử dụng điều chế tần số dịch pha cực tiểu Gao-xơ - GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying ) có đường bao không đổi với BT = 0.3 (B: Bandwidth:độ rộng băng tín hiệu, T: bit time interal: độ rộng 1 bít) do đó độ rộng băng tín hiệu đã điều chế chỉ vào khoảng 1/3 độ rộng băng tín hiệu gốc (50KHz so với 150KHz) Độ rộng băng tín hiệu vô tuyến vào quãng 100KHz (chỉ cỡ 1/3 so với độ rộng băng của tín hiệu PSK nhị phân) Nhờ vậy, suy giảm xuyên nhiễu giữa 2 sóng mang lân cận ≈ 18 dB và > 50dB giữa các sóng mang xa nhau hơn

- Nhảy tần

Nhảy tần là thay đổi tần số sóng mang trong suốt quá trình kết nối

trong thời gian dành cho nó, sau đó nhảy đến tần số khác để phát trên cùng TS

615 , 4

- Công suất

- Công suất đỉnh cho máy di động: 2 ÷ 20W

- Công suất trung bình cho máy di động: 0.25 ÷ 2.5W

- Kiểm soát công suất: có áp dụng theo qui định của trạm gốc

- Chuyển điều khiển (Hand Over)

- Có áp dụng, đảm bảo tính roaming toàn cầu

- Trễ điều khiển đối với chuyển điểu khiển khi máy di động chuyển từ cell này sang cell khác không quá 480ms Đứt liên lạc tối đa 480ms nên thường không nhận ra

10 con số IMSI của một MS thì không bị thay đổi trong suốt thời gian đăng

ký thuê bao với nhà điều hành mạng, trừ những trường hợp đặc biệt

1.3.3 Số nhận dạng thuê bao di động tạm thời (TMSI-Temporary Mobile Subscriber Identity)

Dùng để giữ kín thuê bao khỏi bị nhận diện bởi các đối tượng không

được phép Nó được lưu trữ bên trong VLR và chỉ có hiệu lực trong từng vùng định vị LA và được thay đổi sau mỗi lần đăng ký hay cập nhật vị trí

MSISDN-Mobile Subscriber ISDN number: Số ISDN của thuê bao di động (ISDN: Integrated Services Digital Network-Mạng số đa dịch vụ), nó được gán tới thuê bao bởi nhà điều hành mạng tại sổ đăng ký và được lưu trữ trong SIM và gồm không quá 15 con số, có cấu trúc như sau:

MSISDN = CC + NDC + SN

Trong đó: CC (Country Code) là Mã nước, NDC (National Destination Code) là Mã đích quốc gia, SN (Subscriber Number) là Số thuê bao Mã nước được ghi trong danh bạ điện thoại, gồm một vài con số, ví dụ mã nước Việt Nam là 84…Việc đánh số còn tuỳ thuộc vào công ty điện thoại, chẳng hạn ở Việt Nam mã đích quốc gia NDC có thể là 090, 091…, số thuê bao SN gồm 6 con số

1.3.4 Số lưu động trạm di động (MSRN-Mobile Station Roaming

number)

MSRN là số tạm thời, nó được lưu trữ trong VLR và được kết hợp với HLR nhưng không được lưu trữ trong MS MSRN được VLR sử dụng kết hợp với MSC đối với cuộc gọi định tuyến bên trong vùng phục vụ MSC/VLR

MSRN = CC + NDC + SNTrong đó, CC là mã nước, NDC là mã đích quốc gia còn SN là số thuê bao (tạm thời) SN chứa hai thành phần: địa chỉ tổng đài MSC phục vụ và số tạm thời của MS do MSC/VLR phục vụ tạm đặt

Mỗi vùng định vị bên trong PLMN có một bộ nhận dạng mang tính quốc tế duy nhất LAI được các BTS quảng bá đều đặn trên kênh điều khiển phát thanh BCCH giúp MS nhận diện vùng định vị Khi nhận thấy sự thay đổi LAI, MS nhất thiết phải cập nhật vị trí LAI có cấu trúc:

LAI = MCC + MNC + LAC

Trong đó: MCC là mã nước gồm 3 con số, MNC là mã mạng di động gồm 2 con số, LAC là mã vùng định vị, có độ dài cực đại 16 bit

1.3.6 Số nhận dạng tế bào (CI-Cell Identifier)

Một bộ nhận dạng CI được gán tới mỗi tế bào bên trong mạng CI chỉ là duy nhất bên trong vùng định vị cụ thể

1.3.7 Mã nhận dạng trạm gốc (BSIC-Base Station Identity Code)

Mỗi BTS được đưa ra với một số nhận dạng duy nhất, BSIC được sử dụng để phân biệt với các BTS bên cạnh Nó được phát thường xuyên trên sóng mang BCCH, kênh SCH nhằm giúp MS nhận diện BS trong quá trình nhập mạng, đo lường BSIC còn được MS sử dụng như tín hiệu phát trên kênh RACH gọi BS xin truy nhập

1.3.8 Số nhận diện cá nhân PIN (Personal Identification Number)

Là số dùng để MS nhận diện người sử dụng, cho phép chủ thuê bao dùng như khoá số nhằm ngăn ngừa người lạ dùng MS của mình liên lạc trộm PIN gồm từ 4 đến 8 con số

1.4 Tổng quan cấu trúc GSM

Hình 1-2: Tổng quan cấu trúc GSM

Một mạng GSM được tạo thành từ 3 phân hệ:

- Trạm di động MS

- Phân hệ trạm gốc (BSS) bao gồm một BSC và một vài BTS

- Mạng và phân hệ chuyển mạch (NSS) và điều hành mạng

Các giao diện được xác định giữa mỗi phân hệ này bao gồm:

- Giao diện ‘A’ giữa NSS và BSS

- Giao diện ‘A-bis’ giữa BSC và BTS ( bên trong BSS)

- Giao diện vô tuyến ‘Um’ giữa BSS và MS

Các chữ viết tắt:

MSC-Mobile Switching Centre: Trung tâm chuyển mạch di động

BSC-Base Station Controller: Đài điều khiển trạm gốc

BTS-Base Transceiver Station: Trạm thu phát gốc

TRX-Transceiver: Máy thu phát

MS-Mobile Station: Trạm di động

OMC-Operations and Maintenance Centre: Trung tâm khai thác và bảo trìPSTN-Public Switched Telephone Network: Mạng điện thoại cố định công cộng

BSS-Base Station Sub-system: Phân hệ trạm gốc

VLR-Visitor Location Register: Bộ ghi định vị tạm trú

AuC-Authentication Centre: Trung tâm nhận thực

EIR-Equipment Identity Register: Bộ ghi nhận diện thiết bị

1.4.1 Trạm di động (MS: Mobile Station)

MS là một thiết bị duy nhất mà người sử dụng có thể thường xuyên nhìn thấy của hệ thống Nó có thể là thiết bị đặt trong ô tô hay thiết bị xách tay hoặc thiết bị cầm tay Loại thiết bị nhỏ cầm tay là phổ biến nhất MS là thiết bị phức tạp, có khả năng như một máy tính nhỏ Nó bao gồm hai thiết bị:

ME và SIM được mô tả trên hình 1-3

Hình 1-3: Mô tả thiết bị di động và môđun nhận dạng thuê bao

Thiết bị di động (ME - Mobile Equipment): là thiết bị phần cứng để thuê

bao truy cập mạng, nó có số nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMEI (International Mobile Equipment Identity)

Mođun nhận dạng thuê bao (SIM - Subscriber Identity Module): Là một

cơ sở dữ liệu có chức năng lưu trữ dữ liệu vĩnh cửu và tạm thời vể thuê bao và

Như vậy, ta nhận thấy MS có 3 chức năng chính:

- Là 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 tuyến vào mạng

- Thích ứng đầu cuối: Làm việc như một cửa nối thông thiết bị đầu cuối với kết cuối di động

1.4.2 Phân hệ trạm gốc (BSS-Base Station Subsystem)

BSS là hệ thống các thiết bị trạm gốc (các bộ thu phát, các bộ điều khiển, v.v…) Nó bao gồm:

- Đài điều khiển trạm gốc (BSC)

- Một hoặc vài trạm thu phát gốc (BTSs)

1.4.2.1 Trạm thu phát gốc-BTS

Bao gồm:

- Một vài bộ thu/phát vô tuyến (TRX), mỗi bộ thu/phát công tác trên một cặp tần số đường lên và đường xuống

- Thiết bị điều khiển và xử lý tín hiệu

- Các anten và các cable phi đơ

- Phân phát một kênh cho khoảng thời gian một cuộc gọi

- Duy trì cuộc gọi:

+ Giám sát chất lượng cuộc gọi

+ Điều khiển công suất được phát bởi BTS hoặc MS

+ Thực hiện chuyển giao tới tế bào khác khi được yêu cầu

Một đài điều khiển trạm gốc (BSC) là một thành phần mạng trong PLMN với các chức năng điều khiển một hoặc nhiều BTS BSC giao tiếp với MSC thông qua giao diện A, tuyến liên lạc giữa BSC và MSC là tuyến PCM 30/32

Như vậy, chức năng BSS:

Quản lý kênh vô tuyến bao gồm: đặt kênh, giám sát chất lượng đường thông, phát các tin quảng bá và thông tin báo hiệu liên quan, cũng như điều khiển các mức công suất phát và điều khiển nhảy tần

Mã hoá và giải mã sửa lỗi, mã chuyển tiếng nói số hoặc phối hợp tốc độ

số liệu, khởi đầu chuyển điều khiển HO (Handover) trong nội bộ tế bào cũng như mã tín hiệu báo hiệu, số liệu

BSS có thể phục vụ cho một vài tế bào hoặc các sectơ trong một tế bào

*) Khối TRAU (TRAnscode Unit-Khối đổi mã)

Chức năng chính là chuyển đổi các kênh thoại GSM 16Kb/s thành các kênh PCM 64Kb/s trên hướng lên và chuyển đổi ngược lại theo hướng xuống

Về mặt kỹ thuật: TRAU có thể được đặt về mặt vật lý ở BTS, BSC hoặc MSC+ Nếu TRAU đặt ở BTS thì mỗi kênh GSM 16Kb/s sẽ cần được ánh xạ tới kênh PCM 64Kb/s của nó Điều này dẫn đến 75% độ rộng băng thông truyền dẫn bị lãng phí qua cả 2 giao diện A và A-bis

+ Nếu TRAU được đặt ở MSC thì cho phép các kênh GSM được ghép kênh lên tới 64Kb/s cho một kênh PCM Như vậy, hiệu quả sử dụng môi trường truyền dẫn tăng đến cực đại.bằng cách làm tăng năng suất truyền kênh GSM trên mỗi giao thức truyền tải PCM từ 30 lên 120 kênh Các vị trí của khối TRAU được thể hiện như hình vẽ sau:

Hình 1-4: Vị trí của TRAU trong hệ thống GSM

1.4.3 Phân hệ chuyển mạch mạng (NSS) và điều hành mạng

Các thành phần chính của NSS được mô tả như hình 1-5

- Trung tâm chuyển mạch di động (MSC) với:

+ Bộ ghi định vị tạm trú VLR

+ Bộ ghi định vị thường trú HLR

+ Trung tâm nhận thực AuC

- Bộ ghi nhận diện thiết bị (EIR)

7(SS7-Chức năng NSS: NSS kết hợp các chuyển mạch định tuyến cuộc gọi

(MSCs và GMSC) với các bộ ghi cơ sở dữ liệu đựơc yêu cầu để theo dõi sự

chuyển động của các thuê bao và cách sử dụng của hệ thống Định tuyến cuộc gọi giữa các MSC phải thông qua các mạng PSTN hoặc ISDN hiện có

1.4.3.1 Trung tâm chuyển mạch di động -MSC

MSC là một tổng đài mà thực hiện tất cả các chức năng chuyển mạch, báo hiệu đối với các trạm di động được định vị trong một vùng địa lý MSC làm nhiệm vụ giao tiếp với mạng ngoài được gọi là MSC cổng-GMSC

Chức năng

- Thực hiện chuyển mạch, điều khiển các cuộc gọi

- Quản lý máy di động bằng địa chỉ tạm thời (số lưu động thuê bao di động - MSRN): báo mới vị trí trong quá trình MS lưu động từ MSC này sang MSC khác

- Quản lý định vị MS bằng dữ liệu về MS được ghi trong VLR

- Thực hiện nhận thực trạm di động nhằm chống các cuộc truy nhập trái phép

- Giao diện với PSTN, ISDN

- Quản lý nguồn vô tuyến-chuyển điều khiển giữa các BSC Chuyển điều khiển (HO: handover) là một quá trình “gán lại” liên lạc của một trạm di động sang một BS khác khi MS di động ra khỏi vùng phục vụ của một BS

- Thông báo tính cước

1.4.3.2 Bộ ghi định vị tạm trú-VLR

VLR là cơ sở dữ liệu phục vụ các thuê bao tạm thời bên trong vùng MSC, ghi trữ thông tin của mọi MS: bận/rỗi, hiện đang hiện diện trong vùng định vị (LA) nào Mỗi MSC trong mạng có một VLR, nhưng một VLR có thể phục vụ nhiều MSC

Bao gồm các thành phần:IMSI, MSISDN, MSRN, TMSI, LMSI, LAI

1.4.3.3 Bộ ghi định vị thường trú-HLR

HLR là một cơ sở dữ liệu chịu trách nhiệm quản lý các thuê bao di động, ghi trữ mọi thông tin về thuê bao và ghi trữ tình trạng của mọi MS thuộc mạng: rỗi - bận, hiện đang hiện diện tại MSC nào/ có nhập mạng hay đã rời mạng Mỗi một mạng chỉ có một HLR Tuy nhiên về mặt vật lý, để tránh việc trao đổi thông tin giữa các vùng thì mỗi vùng có một HLR riêng, nhưng

về mặt logic xem là một HLR

HLR lưu trữ thông tin về thuê bao, thông tin dùng để định vị (ví dụ: số lưu động MS, các địa chỉ VLR, các địa chỉ MSC, số nhận dạng MS nội hạt), ngoài ra còn có thông tin về các dịch vụ viễn thông và truyền tải, các dịch vụ

bổ sung…

Hai dạng thông số đựơc gán cho mỗi thuê bao di động và được ghi trữ trong HLR đó là: IMSI và MSISDN Các loại thông số này được trung tâm nhận thực AuC sử dụng để xác nhận quyền truy nhập của thuê bao vào hệ thống

1.4.3.4 Trung tâm nhận thực-AuC

AuC được kết hợp với một HLR AuC là một đơn vị cơ sở dữ liệu trong mạng, cung cấp các tham số mã mật và nhận thực cần thiết để đảm bảo tính riêng tư của từng cuộc gọi và xác nhận quyền truy nhập của thuê bao đang tiến hành truy nhập mạng

1.4.3.5 Trung tâm chuyển mạch di động cổng-GMSC

Để thiết lập một cuộc gọi liên quan đến GSM mà không cần biết đến vị trí hiện thời của thuê bao MS thì 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 tuyến cuộc gọi đến MSC nào hiện đang quản lý thuê bao đó Để thực hiện việc này, trước hết các tổng đài cổng phải dựa vào sổ danh bạ của thuê bao để tìm đúng HLR cần thiết và hỏi HLR này

Tổng đài cổng GMSC có một giao diện với các mạng bên ngoài Thông

mạng GSM Ngoài ra, tổng đài cổng GMSC còn có giao diện với mạng báo hiệu số 7 để có thể tương tác với các phần tử khác của mạng chuyển mạch NSS Một MSC có thể hoạt động như một GMSC.

1.4.3.6 Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR

EIR là một cơ sở dữ liệu mà ghi trữ một số IMEI (số nhận dạng thiết bị

di động quốc tế) duy nhất của thiết bị di động Trên mỗi mainboard của các máy di động đều có một chip ghi số xeri sản xuất của máy đó, gọi là IMEI Mạng có thể thông qua EIR đọc được số máy phần cứng đó của MS nhằm kiểm soát đến cả phần cứng máy di động, chống việc lấy cắp máy di động.Trong EIR, IMEI của toàn bộ thiết bị di động đang sử dụng thì được phân chia thành 3 danh sách:

+ Danh sách trắng: cho phép thiết bị di động kết nối tới mạng

+ Danh sách xám: Thiết bị di động được mạng theo dõi và giám sát

+ Danh sách đen: chứa thiết bị di động không được chấp nhận, không cho phép thiết bị di động kết nối với mạng

1.4.3.7 Trung tâm khai thác và bảo trì-OMC: là khối có chức năng: giám sát,

điều khiển, quản trị và bảo trì hệ thống, tính cước cuộc gọi…

1.5 Cấu trúc địa lý của mạng GSM

- Vùng mạng: Là nơi thực hiện chức năng hỏi định tuyến cuộc gọi cho các cuộc gọi tới MS và cho phép hệ thống định tuyến đến một tổng đài vô tuyến cổng GMSC

- Vùng phục vụ MSC/VLR: Mỗi một mạng có thể có một hay nhiều vùng phục vụ MSC/VLR Mỗi một MSC thường có một VLR đi kèm để lưu trữ các dữ liệu cơ bản về MS nằm trong vùng phục vụ của MSC đó

- Vùng định vị LA: Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR lại được chia thành các vùng định vị, mỗi vùng định vị gồm nhiều tế bào được đặc trưng bởi một

số nhận dạng vùng định vị LAI duy nhất Số này được phát quảng bá liên tục tới mọi MS thông qua kênh điều khiển phát thanh BCCH Khi MS chuyển

sang vùng định vị khác sẽ phải thực hiện cập nhật vị trí Khi có cuộc gọi đến, các BTS trong LA sẽ phát quảng bá tín hiệu tìm gọi để hiệu gọi MS.

- Tế bào (cell): Mỗi vùng định vị nhiều tế bào Một tế bào có một tram thu phát gốc, được phân bố 1 hoặc nhiều tần số sóng mang và mỗi một trạm BTS được cấp một mã nhận diện trạm gốc BSIC (Base Station Identity Code).Cấu trúc địa lý của mạng GSM như sau:

Hình 1-7: Cuộc gọi từ mạng cố định tới máy di động

Nếu sóng mang ấy không phải là của nhà điều hành thì MS rời ra bắt vào sóng mang mạnh thứ 2, nếu không phải của nhà điều hành thì MS lại rời

ra, đến khi nào MS bắt được sóng mang của nhà điều hành nó Sau đó, MS đọc tất cả các tham số cần của mạng được phát trên sóng mang điều khiển phát thanh

Vậy BCCH cho biết các thông tin về:

- MS thuộc mạng nào

- Tế bào này dùng mấy sóng mang và là các sóng mang nào

- Danh sách các sóng mang BCCH của các tế bào lân cận, ngay cả khi không có MS ở trong tế bào thì vẫn phát sóng mang này để cho các tế bào bên cạnh điều khiển công suất của nó, vì vậy BCCH phát quảng bá 24/24

- Tế bào có bị cấm không

- Vùng định vị này là gì, bằng cách phát LAI (số nhận dạng vùng định vị)

Khi MS bắt được các thông số thì MS thực hiện đăng ký nhập mạng bằng cách gọi trạm gốc nhờ việc phát hiệu gọi trạm gốc BSIC (Base Station

Identity Code - mã nhận diện trạm gốc) Mỗi một BS có một BSIC riêng mà

nó nghe được trên BCCH

Khi BS nhận thấy hiệu gọi của mình thì nó sẽ đặt cho MS một kênh điều khiển 2 chiều (kênh D) Trên kênh D đó, MS sẽ thực hiện nhận thực, và nhận TMSI (số nhận dạng thuê bao di động tạm thời), đồng thời tại MSC đang phục vụ MS này thì MS sẽ được ghi vào VLR với số hiệu LAI (số nhận dạng vùng định vị) nơi mà MS đang hiện diện MSC thông báo cho HLR của mạng biết thuê bao này đã nhập mạng Tại HLR, bít cờ nhập mạng của MS này được dựng lên, cùng với số hiệu của MSC đang phục vụ nó Sau quá trình này (thực hiện trong vài giây) thì kênh điều khiển 2 chiều được giải phóng

MS nếu không khởi phát cuộc gọi thì chuyển về chế độ rỗi Ở chế độ này, MS liên tục duy trì đồng bộ với BS của tế bào mà nó hiện diện Nếu trong quá trình đang chờ (chế độ rỗi này) MS chuyển sang vùng LA mới thì khi nghe thấy LAI mới được phát trên kênh BCCH của tế bào mới thì MS phải đăng ký nhập mạng lại để cập nhật vị trí và nhận một TMSI mới Trong chế độ rỗi MS thường xuyên chờ nghe hiệu gọi mình trên kênh paging

Khi một máy điện thoại cố định quay số một máy di động, số máy chẳng hạn là ABCDxxxxxx (trong đó ABC là mã đích quốc gia) thì tổng đài PSTN (mạng điện thoại cố định công cộng) sẽ định tuyến đến tổng đài GMSC gần nhất GMSC kiểm tra VLR (Dxxxxxx- là số thuê bao) mà không có trong tổng đài này thì GMSC sẽ thực hiện cuộc hỏi định tuyến bằng cách hỏi HLR

về MSC đang quản lý máy bị gọi Nếu máy bị gọi đang rời mạng thì thông báo thuê bao đang bận Còn nếu MS đang nhập mạng thì HLR sẽ tra ra mã MSC đang quản lý MS bị gọi HLR sẽ thực hiện cuộc hỏi đến MSC đích về số MSRN (số lưu động thuê bao di động) của máy bị gọi MSC đích sẽ cung cấp cho HLR về số MSRN của máy di động bị gọi Sau đó, HLR chuyển tiếp số

đó cho GMSC (xong cuộc hỏi định tuyến)

Một vài digit đầu của MSRN là số hiệu của MSC đích Nhờ vậy, GMSC định tuyến tới MSC đích và gửi cho MSC đích MSRN, MSC khi nhận được MSRN sẽ tra vào VLR để biết là máy nào (đang nằm ở vùng định vị nào, TMSI nào) và ra lệnh cho tất cả các BS trong toàn vùng định vị nhất loạt gọi máy bị gọi bằng TMSI.

Khi MS trả lời bằng cách phát BSIC của trạm gốc mà nó hiện diện, BS

sẽ đặt một kênh điều khiển 2 chiều (kênh D), trên đó MS thực hiện nhận thực, đổi TMSI, nhận TMSI mới, nhận khoá mã mật mới và được ấn định một kênh liên lạc và sẽ trao đổi thông tin thoại

1.7 Giao tiếp vô tuyến trong GSM

1.7.1 Các kênh trong hệ thống GSM

1.7.1.1 Kênh vô tuyến

Mỗi sóng mang GSM hình thành một kênh vô tuyến Như vậy, toàn mạng GSM có thể có 124 cặp kênh vô tuyến

1.7.1.2 Kênh vật lý

Mỗi sóng mang GSM được phân chia về thời gian thành 8 khe thời gian (TS), đánh số từ TS0 ÷ TS7 Mỗi TS hình thành một kênh vật lý, do đó toàn mạng GSM có tổng cộng 124 x 8 = 992 kênh vật lý

1.7.1.3 Kênh logic

Hình 1-8: Các loại kênh logic trong hệ thống GSM

Các bít thực hiện cùng chức năng hình thành các kênh logic Trong hệ thống GSM tiêu chuẩn có 11 loại kênh logic.

+ Kênh lưu lượng (TCH-Traffic CHannel) gọi tắt là kênh T: Kênh dùng

để đàm thoại Gồm 2 loại: Kênh toàn tốc (TCH/F) và kênh bán tốc (TCH/H) Kênh toàn tốc có tốc độ mã hoá tiếng nói là 13kb/s, kênh bán tốc ứng với tốc

độ mã hoá tiếng nói là 6.5kb/s

+ Các kênh điều khiển: gồm 9 loại, chia thành 3 nhóm, mỗi nhóm có 3 loại

Nhóm 1: Nhóm kênh quảng bá (BCH-Broadcast CHannel): là các kênh

đường xuống phát quảng bá thường xuyên 24/24, bất luận trong tế bào có MS nào hay không Gồm 3 loại:

- Kênh sửa tần FCCH (Frequency Correction CHannel) viết tắt là kênh F: là kênh đường xuống, dùng để MS bám và đồng chỉnh tần số với BS Trong thời gian kênh F thì sóng mang của BS là một sóng mang đơn do các bít được truyền trong khe này toàn là các bít 0

- Kênh đồng bộ SCH (Synchronization CHannel) viết tắt là kênh S: là kênh đường xuống, dùng để MS đồng bộ đồng hồ với BS Trên kênh S thì BS thông báo thông tin sau:

dùng BSIC để gọi trạm gốc trên kênh truy nhập

hóa mật)

- Kênh điều khiển phát thanh BCCH (Broadcast Control CHannel ) tắt

là kênh B: là kênh đường xuống, dùng để thông báo cho MS biết mọi thông số

và cấu trúc của mạng, bao gồm:

• Các tế bào xung quanh có tần số sóng mang điều khiển phát thanh là các tần số nào

Do hoạt động trên kênh P và kênh G thì không bao giờ đồng thời xảy ra nên chúng được sử dụng trên một kênh (kí hiệu là kênh C-Common), nhưng dùng với mục đích khác nhau

- Kênh truy nhập ngẫu nhiên RACH (Random Access CHannel) viết tắt

là kênh R: là kênh đường lên, dùng để đăng nhập hệ thống Trên kênh này khi

MS cần nhập mạng sẽ gửi BSIC để gọi BS (nghe được trên kênh S)

- Kênh trao quyền truy nhập AGCH (Access Grant CHannel) viết tắt là kênh G: là kênh đường xuống, dùng để BS ra lệnh đặt kênh điều khiển 2 chiều cho MS bằng cách gửi số hiệu kênh D đang rỗi cho MS MS nhận được số hiệu này sẽ chuyển về kênh D để làm việc, trong giai đoạn đầu MS truy nhập mạng

Nhóm 3: Nhóm kênh điều khiển dành riêng (DCCH-Dedicated Control CHannel), gồm 3 loại:

- Kênh điều khiển dành riêng đứng riêng SDCCH (Standalone Dedicated Control CHannel) tắt là kênh D (kênh điều khiển 2 chiều): Trên đó

MS nhận thực với mạng, trao đổi số hiệu gọi TMSI, cũng như khoá mã mật

và số hiệu của máy bị gọi và số hiệu máy chủ gọi

- Kênh điều khiển liên kết chậm SACCH (Slow Associated Control CHannel) viết tắt là kênh SA: là kênh đường lên - xuống tốc độ chậm, đi kèm với kênh D và kênh T Cứ mối một kênh D có một kênh SA đi kèm và mỗi một kênh T lại có một kênh SA đi kèm.

Trên đường lên, kênh SA truyền báo cáo đo lường công suất do MS thực hiện trong các khe thời gian mà MS không liên lạc Trên cơ sở số liệu báo cáo công suất này, BSC sẽ tính toán và ra lệnh trên đường xuống cho MS thực hiện:

+Điều chỉnh công suất cho thích hợp

+Gióng thời gian: Do các MS có thể ở các cự ly khác nhau tới trạm gốc, nên mặc dù các MS đã đồng bộ đồng hồ với BS song trễ truyền tín hiệu

về đến BS của chúng có thể khác nhau và do vậy trở nên không đồng bộ với đồng hồ của BS Để đảm bảo đồng bộ, căn cứ vào vị trí gần đúng của BS tính toán được nhờ số liệu công suất đo lường được MS báo cáo liên tục trên kênh

SA (đường lên), BSC sẽ ra lệnh cho từng MS chỉnh lại đồng hồ (gióng thời gian) cho thích hợp

- Kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH (Fast Associated Control CHannel) viết tắt là kênh FA: kênh đường lên-xuống, nó là kênh báo hiệu đi kèm với kênh T, phục vụ trao đổi điều khiển chuyển giao (HO: handover khi

MS đang liên lạc và chuyển từ cell này sang cell khác) Để thời gian đứt liên lạc < 500ms, thì quá trình chuyển giao cần phải chuyển nhanh, tốc độ điều khiển cần đủ lớn mà kênh SA không đáp ứng được, nên kênh FA được tổ chức bằng cách “lấy cắp” các bít của kênh T để truyền tín hiệu điều khiển Về mặt vật lý là kênh T nhưng các bít của nó không truyền dữ liệu nữa, mọi bít đều sử dụng trong việc để truyền thông tin điều khiển chuyển giao (nó đựoc thực hiện bằng các bít cờ)

1.7.2 Sắp các kênh logic trên các kênh vật lý

Trong điều kiện bình thường, khi BTS dùng từ 2 sóng mang trở lên thì các kênh điều khiển và báo hiệu được sắp trên các TS0 và TS1 của sóng mang

c0 của BTS đó Trong đó, mỗi một BTS công tác với n sóng mang, ký hiệu từ

c0÷cn-1 Với c0 là sóng mang chứa kênh điều khiển BCCH nên được gọi là sóng mang BCCH Mỗi sóng mang có 8 TS (Time slot–khe thời gian) được đánh số từ TS0 đến TS7

Kênh c 0 , TS0 theo đường xuống: chứa các kênh điều khiển FCCH viết

tắt là F, SCH viết tắt là S, BCCH viết tắt là B, CCCH viết tắt là C (kênh C có thể là kênh paging PCH hoặc là kênh trao quyền truy nhập AGCH) và khung của nó được bố trí như sau:

Hình 1-9: Kênh c0 , TSO theo đường xuống Nhận xét: Kênh vật lý trên khe TS0, c0 có chu trình 51 TS tạo thành một

đa khung 51 Kênh này chỉ chiếm khe thời gian TS0 của các khung TDMA,

mà mỗi khung TDMA có độ dài 4.615ms do đó chu kỳ của một kênh (vật lý) điều khiển trên sóng mang c0, TS0 là 51x 4.615ms, khởi đầu bằng việc truyền tín hiệu của kênh sửa tần số FCCH và cuối mỗi đa khung 51 sau một khe rỗi

I (Idle – khe này không phát gì cả) lại quay vòng trở lại

Kênh c 0 , TS0 theo đường lên: Dùng hoàn toàn cho các kênh truy nhập

ngẫu nhiên RACH MS sẽ sử dụng kênh RACH để phát BSIC của BTS mà nó đang hiện diện, dùng như là hiệu gọi BTS để xin truy nhập Việc ghép kênh

truy nhập ngẫu nhiên trên khe TS0 đường lên được mô tả bằng hình vẽ dưới đây:

Hình 1-10: Kênh co, TSO theo đường lên Kênh c 0 , TS1, đường lên - xuống:

Đường xuống: Các kênh điều khiển dành riêng đứng riêng D và các kênh điều khiển liên kết chậm SA phục vụ cho tạo cuộc gọi hoặc đăng ký được sắp trên một kênh vật lý do tốc độ bit trong các quá trình đăng ký và tạo cuộc gọi khá thấp Mỗi một kênh D gồm 8TS trên 2 đa khung liên tiếp (4TS cho một kênh D trên 1 đa khung 51) và 1 kênh SA gồm 4TS trên 2 đa khung liên tiếp Thông thường có 8 kênh D đánh số từ D0÷D7 và 8 kênh SA đánh số

từ A0÷A7 đi kèm cùng chia sẻ kênh TS1 trên sóng mang c0 Độ dài chu kỳ kênh SDCCH trên khe TS1là 2x51x 4.615ms Sau 3 khe rỗi, chu trình được lặp lại

Đường lên: Cũng ghép kênh 8 kênh D và 8 kênh SA đặt kèm như đường xuống, tuy nhiên chúng bị trượt thời gian so với khung đường xuống 3

TS Độ giữ chậm này là cần thiết nhằm tính đến thời gian tín hiệu đi - về và

MS sẽ có thời gian để tính ra các câu trả lời cho BTS theo các thông báo trên đường xuống

Như vậy, c0 chứa 8 kênh điều khiển: FSBC (trong đó C gồm: P và G), R, D,

SA Còn lại 3 kênh logic nữa

Các kênh vật lý khác: c0, TS2÷TS7 (đường lên-xuống) đều dành để tải các kênh lưu lượng TCH và các kênh SACCH đi kèm để báo cáo cường độ tín hiệu đo được trong quá trình liên lạc, phục vụ điều khiển công suất, được tổ chức thành đa khung 26

Với n ≥ 2 thì số kênh lưu lượng có thể có là: 8 x (n-1) + 6 Nếu có 3 sóng mang trên một cell thì có 24 kênh vật lý trong đó có 22 kênh thoại và 2

Cụm thường: Được sử dụng trong truyền thông tin trên các kênh lưu

lượng và các kênh điều khiển (trừ các kênh RACCH, SCH, FCCH) Cấu trúc của một cụm thường như sau:

Hình 1-11: Cấu trúc cụm thường

Trong đó: các bít được mã mật gồm hai dãy 57 bit mang thông tin (thoại hay số liệu) và một bít “cờ lấy cắp” F cho biết cụm có bị “lấy cắp” cho báo hiệu FACCH hay không Các bít dò đường gồm 26 bít được đặt ở giữa để phản ảnh kênh tốt hơn, nó là các bit huần luyện dành cho san bằng kênh Các bit đuôi TB (Tail bits) gồm 3 bít luôn hiện diện và luôn là 000, các bít này được sử dụng như các mẫu bít xác định điểm đầu và cuối của cụm trong quá trình thực hiện san bằng vì thuật toán sang bằng đòi hỏi nhất thiết phải biết

được đâu là điểm đầu và đâu là điểm cuối của cụm Khoảng phòng vệ GP (Guard Period) là khoảng trống , không phát gì cả, dùng để tránh việc lấn lên nhau giữa các TS của các người sử dụng khác nhau ở các cự ly khác nhau so với BS.

Cụm sửa tần: Dùng để truyền tin trên kênh F (FCCH), dành cho MS

đồng chỉnh tần số với BS Khi cụm này được truyền, nó tương đương như một sóng mang không bị điều chế với một lượng dịch tần xác định Việc lặp đi lặp lại các cụm này được gọi là kênh FCCH Các MS khi thu kênh FCCH sẽ thu được sóng mang không bị điều chế đó và dùng nó như tín hiệu qui chiếu

để điều chỉnh tần số sóng mang của mình Cấu trúc của một cụm sửa tần như sau:

Hình 1-12: Cấu trúc cụm sửa tần

Trong đó: các bít đuôi TB là 000, các bít cố định là các bít toàn 0 vì thế

bộ điều chế sẽ cho ra một sóng mang không bị điều chế Khoảng phòng vệ GP cũng giống như cụm thường

Cụm đồng bộ: Dùng để MS thu và đồng bộ đồng hồ với BS Cấu trúc

cụm đồng bộ như sau

Hình 1-13: Cấu trúc một cụm đồng bộ

Trong đó: 39 bít mã gồm 2 trường: trường BSIC và số khung TDMA Dãy đồng bộ: dài và dễ dàng tách được tín hiệu đồng hồ.

Cụm truy nhập: Dùng để truyền tin khi MS truy nhập trên kênh R Do

dùng để truyền tin nên cụm này có khoảng phòng vệ dài hơn so với các cụm khác (GP dài 68,25 bít) vì khi MS truy nhập mạng mức trội thời gian do khoảng cách MS-BS là ngẫu nhiên có thể rất lớn, các cụm khác không cần để khoảng phòng vệ lớn vì đã được gióng thời gian thông qua trao đổi thông tin trên kênh SA Cấu trúc cụm truy nhập như sau:

Hình 1-14: Cấu trúc cụm truy nhập

Trong đó: Phải dùng 8 bit TB vì khi mở máy di động thì: đồng hồ thu

MS đồng bộ với BS, nhưng đồng hồ phát MS chưa đồng bộ BS 41 bít đồng

bộ chứa thông tin đồng bộ đồng hồ, bảo đảm BS có thể đồng bộ được với MS trước khi gióng thời gian Thông tin gửi trên kênh truy nhập là các tin 8 bít gồm 6 bit BSIC làm hiệu gọi trạm gốc và một vài thông số khác (2bit) được

mã chống nhiễu thành 36 bit rồi được mã mật hình thành 36 bít được mã

Cụm giả: Được truyền đi từ BS tới MS trong các trường hợp sau:

- Trên kênh P(G) khi không có báo gọi và cũng không trao quyền truy nhập

- Trong quá trình liên lạc khi có phần ngưng nói: có “long run” toàn 0.Khuôn cụm giả cũng giống như khuôn cụm thường song các đoạn 57 bít có

mã được thay bằng các mẫu bít xác định, thường là 101010… để sườn xung xuất hiện nhiều nhất

Khuôn cụm giả cũng giống như khuôn cụm thường, song các đoạn 57 bít được thay bằng dãy bít có cấu trúc xác định

1.7.3.2 Cấu trúc khung tín hiệu trong GSM

Cơ cấu mã và giải mã mật trong GSM sử dụng số khung TDMA như một thông số, do đó BTS nhất thiết phải đánh số các khung theo một mẫu tuần hoàn (do không thể đánh số chúng tới vô hạn được) Số được chọn làm chu kỳ đánh số là 2715648, tương ứng với 2715648 x 4.615ms = 3giờ 28 phút

53 giây và 760ms

Chu kỳ 2715648 khung TDMA được gọi là một siêu siêu khung Một siêu siêu khung được chia thành 2048 siêu khung, mỗi siêu khung có độ dài 6.12 giây, chứa tổng cộng 1326 khung Siêu khung lại được chia thành các đa khung Các loại đa khung gồm có:

Đa khung 26: Chứa 26 khung, được sử dụng để tải TCH cùng SACCH

và FACCH đi kèm FACCH dùng trong quá trình chuyển giao được hình thành bằng cách lấy cắp các khung TCH sau từng 20ms tín hiệu thoại và được báo bằng cờ lấy cắp (F) 51 đa khung 26 sẽ tạo nên một siêu khung

Đa khung 51: Chứa 51 khung, dùng để tải mọi kênh điều khiển chung

và các kênh điều khiển riêng SDCCH và SACCH kèm theo 26 đa khung 51

sẽ tạo nên siêu khung Cấu trúc và quan hệ giữa các khung, đa khung, siêu khung và siêu siêu khung được minh hoạ bằng hình vẽ dưới đây:

Hình 1-15: Cấu trúc khung tín hiệu trong GSM

Trên đây là tổng quan về hệ thống GSM Là một người kỹ sư tối ưu mạng vô tuyến thì cần phải nắm và hiểu được nó.

CHƯƠNG 2

LÝ THUYẾT QUY HOẠCH MẠNG DI ĐỘNG GSM

Trong thông tin di động tế bào thế hệ thứ 2-GSM thì vấn đề tối ưu hoá mạng di động luôn được quan tâm, cụ thể là tối ưu hoá mạng vô tuyến

Tối ưu mạng vô tuyến bao gồm:

- Tối ưu về tần số để giảm nhiễu

- Tối ưu vùng phủ sóng: Chỉnh góc ngẩng của anten, lắp đặt thêm các trạm repeater nếu phát hiện những vùng tín hiệu yếu…

- Đặt cấu hình trạm như là: Tăng thêm trạm, máy phát để phục vụ dung lượng cần thiết

- Tối ưu chất lượng thoại: Bằng cách phân tích số liệu hàng ngày về chất lượng mạng chính KPI, sau đó lập báo cáo đồng thời phát hiện sự cố Nếu có sự cố thì phải khắc phục ngay, đây là công việc hàng ngày

Hình 2-1: Mối liên quan quy hoạch mạng và tối ưu

- Quy hoạch dung lượng

Quy hoạch chi tiết

- Quy hoạch tần số

TỐI ƯU

Như vậy, quy hoạch và tối ưu hoá mạng có mối quan hệ chặt chẽ với nhau.

Con đường phát triển liên kết của tối ưu hoá mạng di động được thể hiện như sau:

Hình 2-2: Con đường phát triển liên kết của tối ưu hoá mạng di động

2.1 Mục đích và tiêu chuẩn quy hoạch mạng

2.1.1 Mục đích

Quy hoạch mạng là một quá trình phức tạp, mục đích cuối cùng đối với quá trình quy hoạch mạng là xây dựng chất lượng mạng phục vụ cho khách hàng càng cao càng tốt và các nhà đầu tư phải có lãi về mặt tài chính

Các nhân tố chính ảnh hưởng đến quy hoạch mạng là:

- Thị trường:

+ Phân tích đối thủ cạnh tranh

+ Tiềm năng các khách hàng

- Các yêu cầu của khách hàng:

+ Các yêu cầu về vùng phủ: diện tích địa lý mạng được bao phủ với xác suất định vị phù hợp

+ Các yêu cầu về dung lượng

+ Các mục tiêu về chất lượng: thiết lập cuộc gọi thành công, tỉ lệ rớt cuộc gọi, vv

- Các nhân tố môi trường và các điều kiện bên ngoài khác:

2.1.2 Tiêu chuẩn quy hoạch mạng

Đối với mạng tế bào tiêu chuẩn quy hoạch mạng là mục tiêu về vùng phủ và chất lượng Các mục tiêu vùng phủ bao gồm: vùng phủ địa lý, các ngưỡng vùng phủ đối với các vùng khác nhau: như trong nhà, ngoài trời, trong xe, vùng thành thị, nông thôn

*) Vùng phủ Dense Urban: là các vùng nội ô có mật độ dân cư cao và rất cao,

vùng có mật độ các toà nhà dày đặc Vùng phủ liên tục sẽ được cung cấp cho toàn bộ môi trường này (vùng phủ liên tục là một vùng phủ tốt, không có các vùng lõm trong đó (vùng lõm là những nơi giao nhau giữa những trạm phát sóng mà khách hàng ở khu vực giữa thì sóng rất yếu, thậm chí là mất sóng)

*) Vùng phủ Urban: là các vùng có cao ốc, chung cư, khu công nghiệp, khu

dân cư trung bình Vùng phủ liên tục cũng sẽ được phủ lên toàn bộ môi trường này

*) Suburban (ngoại ô): là vùng có dân cư thưa hơn, có các khoảng đất trồng

xen lấn Mức độ phủ của suburban có thể chỉ phủ lên từng vùng, không phải

là toàn bộ

*) Rural (nông thôn): là vùng có mật độ dân cư rất thưa thớt Mức phủ của

vùng này đảm bảo cho vùng phủ trong xe dọc theo các tuyến đường (vùng phủ trong xe là vùng phủ mà tín hiệu ở trong xe đảm bảo thu phát tốt ngay cả khi xe đang chạy)

Theo tiêu chuẩn của Ericsson ta có bảng sau:

Bảng 2-1: Ngưỡng vùng phủ đối với từng loại vùng phủ

Các mục tiêu chất lượng được thoả thuận với khách hàng Các tham số chất lượng chính là tỉ lệ cuộc gọi thành công, tỉ lệ rớt cuộc gọi, chuyển giao thành công, sự tắc nghẽn tỷ lệ cuộc gọi thành công…

2.2 Chuẩn bị quy hoạch mạng

Nhiệm vụ của người quy hoạch mạng là làm tăng diện tích vùng phủ của tế bào và giảm tổng số thiết bị cần thiết trong mạng

Để quá trình quy hoạch mạng thực hiện tốt thì cần phải có quá trình chuẩn bị quy hoạch mạng Đầu vào của giai đoạn chuẩn bị quy hoạch là tiêu chuẩn quy hoạch mạng và hoạt động chính là việc định cỡ mạng

Định cỡ mạng phục vụ cho các yêu cầu về dung lượng và vùng phủ.

Mục đích của việc định cỡ mạng là để: Triển khai quy hoạch vùng phủ đối với từng vùng cụ thể liên quan đến việc chia tế bào gồm có tế bào lớn (macro cell), tế bào nhỏ (micro cell) và tế bào rất nhỏ (pico cell) Được thể hiện qua hình 2-3

Hình 2-3: Mô hình macrocell, microcell, picocell

Các đầu vào cơ bản đối với việc định cỡ mạng là:

- Các yêu cầu về vùng phủ, mức tín hiệu đối với ngoài trời, trong nhà và trong xe

- Các yêu cầu về chất lượng, tỉ lệ rớt cuộc gọi, cuộc gọi bị chặn…

- Dải tần số được sử dụng và tái sử dụng tần số

- Thông tin thuê bao

- Lưu lượng được ước lượng cho mỗi người sử dụng

- Tổn hao đường truyền

Với các đầu vào ở trên, người quy hoạch mạng vô tuyến có thể dự đoán

số các trạm gốc sẽ được yêu cầu cho vùng phủ trong diện tích cụ thể để đáp ứng các mục tiêu về chất lượng

Đối với từng vùng địa lý cụ thể, việc định cỡ mạng vô tuyến là khác nhau Để hiểu được quá trình định cỡ thì trước hết ta phải hiểu khái niệm về

tế bào như thế nào Diện tích địa lý trong đó các MS liên lạc trực tiếp với một

BS được gọi là một tế bào (cell) Có thể coi biên của một tế bào được xác

định bởi khoảng cách cực đại mà một MS có thể ra xa khỏi BS mà liên lạc

vẫn còn chưa trở nên không thể chấp nhận được Về lý thuyết, các tế bào

thường được bố trí có dạng hình lục giác với kích thước thích hợp cho phép

tái sử dụng tần số nhằm đạt được mật độ người sử dụng thích hợp Trong thực

tế, hình dáng thực và kích thước tế bào phụ thuộc vào địa hình, công suất

phát, độ nhạy máy thu, mật độ người sử dụng, loại anten và độ cao anten…Thông thường, trong địa hình nông thôn, tế bào có thể có bán kính tới 35km, trong các đô thị bán kính này chỉ còn một vài km, thậm chí chỉ vài trăm mét đến 1km

Macro-cell: Khi các anten trạm gốc được đặt trên mức mái nhà trung bình, cell được gọi là macro-cell Khi độ cao anten là trên mức mái nhà trung bình thì diện tích có thể bao phủ là rộng Dải macro-cell có thể khác nhau từ một vài km đến 35km, khoảng cách phụ thuộc vào loại vùng phủ và các điều kiện truyền lan Vì vậy, macro-cell thông thường được sử dụng cho các môi trường ngoại ô hoặc nông thôn

Micro-cell: Khi các anten trạm gốc dưới mức mái nhà trung bình thì cell được gọi là micro-cell Diện tích có thể được bao phủ là nhỏ, vì vậy micro-cell được ứng dụng trong các vùng thành thị hoặc ngoại ô Cự ly

Pico-cell: Được định nghĩa tương tự như micro-cell và luôn luôn được

sử dụng đối với vùng phủ trong nhà

Sau đây là hình vẽ mô tả diện tích vùng phủ macrocell và microcell:

Hình 2-4: Diện tích vùng phủ macrocell và microcell

Các kết quả của việc định cỡ mạng là đầu vào cho giai đoạn quy hoạch

2.3 Quy hoạch

Giai đoạn quy hoạch bao gồm: qui hoạch vùng phủ, quy hoạch dung lượng Mục đích đối với giai đoạn quy hoạch vùng phủ là để tìm ra các vị trí tối ưu cho các BS Còn trong giai đoạn quy hoạch dung lượng thì mục đích là tạo ra dung lượng lớn nhất Dung lượng có thể hiểu là số thuê bao di động mà một BTS có thể phục vụ Để có thể đạt được điều này bằng việc tái sử dụng tần số

Trong thông tin di động tế bào thì vấn đề truyền dẫn sóng vô tuyến có tác động rất lớn tới giai đoạn quy hoạch mạng Vì vậy, để đạt được hiệu quả quy hoạch thì người kỹ sư cần phải hiểu được những tác động này để tìm ra những giải pháp khắc phục và hạn chế nó