Tối ưu háo mạng thông tin di động GSM

Identity Quốc tếIMSI International Mobile Station ITU-R International Telecommunications Union Radio Sector Liên minh viễn thông Quốc tế - bộ phận vô tuyến ITU-T International Telecommun

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA CÔNG NGHỆ

*************

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

TỐI ƯU HÓA MẠNG THÔNG TIN DI

ĐỘNG GSM

Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN PHÚC NGỌC

Sinh viên thực hiện: PHAN XUÂN THỌ

Lớp: 46K-ĐTVT

Vinh, 5-2010

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

LỜI NÓI ĐẦU 4

CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 5

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 9

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG GSM 9

1.1 Lịch sử phát triển mạng thông tin di động GSM 10

1.2 Mạng thông tin di động GSM 12

1.3 Cấu trúc địa lý của mạng GSM 13

1.3.1 Vùng mạng 13

1.3.2 Vùng phục vụ MSC/VLR 13

1.3.3 Vùng định vị (LA - Location Area) 14

1.3.4 Ô (Cell) 14

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 15

2.1 Cấu trúc mạng GSM 15

15

2.2 Các thành phần chức năng trong mạng 16

2.2.1 Trạm di động (MS - Mobile Station) 16

2.2.2 Phân hệ trạm gốc (BSS - Base Station System) 16

2.2.3 Phân hệ chuyển mạch (SS - Switching Subsystem) 18

2.2.4 Phân hệ khai thác và bảo dưỡng (OSS) 21

2.3 Hệ thống mã 22

2.4 Mô hình tham chiếu OSI 26

2.5 Các đặc trưng của mạng GSM 27

2.5.1 Tính tương thích 28

2.5.2 Loại bỏ các tạp âm 28

2.5.3 Tính linh hoạt và tăng thêm dung lượng 29

2.5.4 Sử dụng các giao diện tiêu chuẩn 30

2.5.5 An toàn và bảo mật tuyệt đối 30

2.5.6 Chuyển vùng nhanh hơn 31

2.5.7 Nhận dạng thuê bao 31

2.5.8 Tính tương thích với ISDN 31

PHẦN II: QUY TRÌNH THỰC HIỆN TỐI ƯU HOÁ VÙNG PHỦ SÓNG CỦA MẠNG VIỄN THÔNG GSM/VMS 32

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ THỰC HIỆN TỐI ƯU HOÁ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 32

3.1 Giới thiệu chung 32

3.1.1 Lưu đồ thực hiện tối ưu hoá 32

3.1.2 Các quá trình thực hiện 33

3.1.3 Khảo sát 34

3.1.4 Đưa ra công việc thực hiện 34

Phóc Ngäc

2

3.2 Dung lượng và lưu lượng phục vụ 34

3.2.1 Nhu cầu về thông tin di động 34

3.2.2 Yêu cầu về lưu lượng cho mỗi thuê bao 34

3.2.3 Mức độ dịch vụ - GoS (Grade of Service) 35

3.2.4 Dung lượng của trung kế 35

3.2.5 Khái niệm kênh trong mạng GSM 36

3.2.6 Hiệu quả sử dụng trung kế 36

3.2.7 Kích thước mạng tổ ong 37

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng phủ sóng 38

3.3.1 Suy hao đường truyền 38

3.3.2 Vấn đề fading 42

3.3.3 Phân tán thời gian 43

3.3.4 Vấn đề nhiễu 46

CHƯƠNG 4: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ VỀ DUNG LƯỢNG 49

4.1 Tăng cấu hình ở các đài trạm 49

4.2 Quy hoạch Cell 50

4.2.1 Khái niệm ô (Cell) 51

4.2.2 Lưu lượng (Traffic) 52

4.2.3 Tái sử dụng lại tần số 54

4.2.4 Chia cell 60

CHƯƠNG 5: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ VỀ CHẤT LƯỢNG 65

5.1 Hoạch định tần số 65

5.2 Công suất thu/phát 69

5.3 Anten 70

5.3.1 Kiểu loại anten: 70

5.3.2 Độ cao và góc nghiêng (down tilt) của anten: 71

5.3.3 Lựa chọn vị trí đặt trạm 73

CHƯƠNG 6: TỐI ƯU HOÁ MẠNG VIỄN THÔNG GSM/VMS TẠI VIỆT NAM 76

6.1 Hiện trạng hai mạng thông tin di động Việt Nam 77

6.1.1 Mạng GPS - VinaFone 77

6.1.2 Mạng VMS - MobiFone 80

6.2 Tối ưu hoá mạng thông tin di động GSM/VMS 84

6.2.1Giám sát - đánh giá các thông số chất lượng của mạng 84

6.2.2 Giám sát - đánh giá các tham số cơ bản mạng vô tuyến GSM/VMS 92 6.2.3 Đo kiểm tra chất lượng mạng vô tuyến GSM/VMS 101

6.2.4 Cân chỉnh mạng vô tuyến GSM/VMS 104

KẾT LUẬN 109

TÀI LIỆU THAM KHẢO 110

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin di động ngày nay đã trở thành một dịch vụ kinh doanh không thể thiếu được của tất cả các nhà khai thác viễn thông trên thế giới, một bộ phận quan trọng trong cuộc sống của con người hiện đại Nó làm cho cuộc sống con người trở nên thoải mái hơn trước Người ta có thể cập nhật thông tin mọi lúc, mọi nơi: trên máy bay, ôtô, xe điện, Nó cũng là một bộ phận quan trọng trong các hệ thống giáo dục, kinh tế, an ninh, quốc phòng, của tất cả các nước trên thế giới

Sự ra đời của loại hình thông tin di động số GSM là một bước nhảy vọt của lĩnh vực thông tin, nó mang lại cho người sử dụng những lợi ích không thể phủ nhận được Cùng với sự phát triển của kỹ thuật hiện đại, sự đổi mới công nghệ, mạng lưới viễn thông toàn cầu nói chung cũng ngày càng phát triển theo chiều hướng tích cực và trong cái chung đó, lĩnh vực thông tin di động đã luôn cập nhật những thành tựu khoa học mới mặc dù sự ra đời của nó có thể nói là muộn hơn so với các loại thông tin khác Hiện nay, ngoài dịch vụ thoại cơ bản, mạng GSM đã có thêm các dịch vụ giá trị gia tăng, việc cấy ghép thiết bị cung cấp dịch vụ với các thiết bị mạng GSM trên các giao diện tương thích đã giúp cho mạng thông tin di động có thêm dịch vụ mới hiện đại như Fax, truyền số liệu, dịch vụ hộp thư thoại, dịch vụ tin nhắn,

Quá trình tối ưu hoá mạng thông tin di động GSM là một đề tài rộng, do đó trong đồ án này em xin trình bày gồm hai phần chính:

Phần I: Tổng quan về mạng thông tin di động GSM

Phần II: Quy trình thực hiện tối ưu hoá vùng phủ sóng của mạng viễn thông GSM/VMS

Vì trình độ, thời gian còn hạn chế và việc nghiên cứu chỉ dựa trên lý thuyết nên khó tránh khỏi có sai xót Vì vậy em rất mong các thầy cô giáo và các bạn đóng góp

bổ xung sửa chữa

Trong quá trình làm đồ án, ngoài sự nỗ lực của bản thân, em còn được sự quan tâm giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô trong khoa Công Nghệ - Trường Đại học

Phóc Ngäc

4

Vinh đặc biệt là thầy giáo Nguyễn Phúc Ngọc đã tận tình giúp đỡ hướng dẫn để em hoàn thành đồ án này.

Em xin chân thành cảm ơn!

CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

A

ACCH Associated Control Channel Kênh điều khiển liên kết

AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động tiên

tiếnARQ

Automatic Retransmission

B

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá

BHCK Busy Hour Call Attempts Số thử gọi ở giờ cao điểm

BSIC Base Station Indentity Code Mã nhận dạng trạm gốc

BSSAP Base Station Application Part Phần ứng dụng trạm gốc

BSSMAP Base Station Management

CCITT International Telegraph &

Telephone Consultative Committee

Uỷ ban tư vấn quốc tế về điện thoại và điện báo

CCSN7 Common Chanel Signalling No7 Báo hiệu kênh chung số 7

CEPT Conference of European Postal

and Telecomunications

Hội nghị các cơ quan quản lý bưu chính và viễn thông Châu Âu

CDMA Code Division Muitiple Access Đa thâm nhập phân chia theo mã.

D

DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển dành riêng

E

EIR Equipment Identification Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị

ETSI European Telecommunications

FCCH Frequency Correction Channel Kênh hiệu chỉnh tần số

G

GMSK Gaussian Minimum Shift Keying Khóa chuyển pha cực tiểu Gausơ

GSM Group Special Mobile or

Global System for Mobile Communication

Nhóm chuyên trách di động hay hệ thống thông tin di động toàn cầu

H

I

IMEI International Mobile Equipment Nhận dạng thiết bị trạm di động

Phóc Ngäc

6

Identity Quốc tếIMSI International Mobile Station

ITU-R International Telecommunications

Union Radio Sector

Liên minh viễn thông Quốc tế - bộ phận vô tuyến

ITU-T International Telecommunication

Union - Telecommunication Sector

Liên minh viễn thông Quốc tế - Bộ phận viễn thông

K

Ki Subscriber Authentication key Khoá nhận thực thuê bao

L

LAPD Link Access Procedures on D

Channel

Các thủ tục thâm nhập đường truyền ở kênh D

M

MSC Mobile Services Switching Center Trung tâm chuyển mạch các dịch

vụ di độngMSIN Mobile Station Identity Number Số nhận dạng trạm di động

MSISDN Mobile Station ISDN Number Số ISDN trạm di động

MTS Mobile Telephone Subsystem Hệ thống điện thoại di động

N

NMS Network Management Subsystem Hệ thống quản lý mạng

O&M Operation and Maintenance Khai thác và bảo dưỡng

OMC Operation and Maintenance

Center

Trung tâm khai thác và bảo dưỡng

OMS Operation and Maintenance

Subsystem

Hệ thống khai thác và bảo dưỡng

OSI Open System Interconnection Kết nối hệ thống mở

OSS Operation and Support System Hệ thống khai thác và hỗ trợ

P

PCD-D Pulse Code Device - Digital Thiết bị mã hoá xung-số

PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộngPSPDN Packet Switched Public Data

RR Radio Resource Management Quản lý tiềm năng vô tuyến

RPE-LTP Regular Pulse Excitation-Long

Part

Phần điều khiển nối thông báo hiệu

SDCCH Stand alone Dedicated Control

Channel

Kênh điều khiển dành riêng độc lập

SECA Semi - Permanent Connection Nối thông tin bán cố định

SIM Subscriber Identity Module Môdun nhận dạng thuê bao

Phóc Ngäc

8

SIO Service Information Octet Byte thông tin dịch vụ

T

TAF Terminal Adaptation Function Chức năng thích ứng đầu cuối

TCAP Transaction Capalbility

Apllication Part

Phần ứng dụng khả năng dao dịch

TDMA Time Division Multiple Access Đa thâm nhập phân chia theo thời

gian

TMSI Temporaty Mobile Station

U

V

VLR Visiting Location Register Bộ ghi định vị tạm trú

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

GSM CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG GSM

1.1 Lịch sử phát triển mạng thông tin di động GSM

Vào đầu thập niên 1980 tại Châu Âu người ta phát triển một mạng điện thoại di động chỉ sử dụng trong một vài khu vực Sau đó vào năm 1982 nó được chuẩn hóa bởi CEPT (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) và tạo Groupe Spécial Mobile (GSM) với mục đích sử dụng chung cho toàn Châu Âu

Mạng điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM được xây dựng và đưa vào sử dụng đầu tiên bởi Radiolinja ở Phần Lan

Vào năm 1989 công việc quản lý tiêu chuẩn và phát triển mạng GSM được chuyển cho viện viễn thông châu Âu (European Telecommunications Standards Institute - ETSI), và các tiêu chuẩn, đặc tính phase 1 của công nghệ GSM được công bố vào năm 1990 Vào cuối năm 1993 đã có hơn 1 triệu thuê bao sử dụng mạng GSM của 70 nhà cung cấp dịch vụ trên 48 quốc gia

Với những yêu cầu cả về số lượng và chất lượng của các khách hàng sử dụng các dịch vụ viễn thông ngày càng tăng, đòi hỏi phải có những phương tiện thông tin hiện đại nhằm đáp ứng được nhu cầu đa dạng của khách hàng “mọi nơi, mọi lúc”

mà họ cần Nhu cầu này có thể nói chỉ được đáp ứng sau khi kỹ thuật “thông tin di động” ra đời

Sự thực hiện cho thông tin di động bằng sóng vô tuyến được bắt đầu từ cuối thế

kỷ 19 Tuy nhiên, việc đưa thông tin di động vào kinh doanh công cộng chỉ được thực hiện sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, khi các công nghệ về điện tử cho phép Do sự phát triển ngày càng cao của công nghệ điện tử và thông tin, mạng thông tin di động ngày càng được phổ biến, giá cả ngày càng hạ, chất lượng và độ tin cậy của mạng ngày càng được nâng cao Trong quá trình phát triển, mạng thông tin di động đã trải qua các giai đoạn sau:

 Giai đoạn 1: xuất hiện sau năm 1946, với khả năng phục vụ nhỏ, chất lượng

và độ tin cậy của mạng thấp, giá cả lại đắt và không phù hợp với đại đa số khách hàng

 Giai đoạn 2: phát triển vào những năm 1970 đến 1979 cùng với sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý (Micro Processor) đã mở ra một hệ thống phức tạp hơn

Phóc Ngäc

10

Nhưng do vùng phủ sóng của các anten phát của các máy di động bị hạn chế, nên hệ thống được chia thành các trạm phát và có thể dùng nhiều trạm thu cho một trạm phát

 Giai đoạn 3: bắt đầu xuất hiện khái niệm mạng tế bào (tổ ong) Đây là mạng

tổ ong tương tự, các trạm thu phát được sắp xếp theo các ô hình tổ ong, mỗi ô được gọi là một cell Mạng này đã có khả năng sử dụng lại tần số, cho phép chuyển giao giữa các cell trong cùng một cuộc gọi

- TACS (Total Access Communications Service - Dịch vụ truyền thông hoàn toàn truy nhập), là tiêu chuẩn được sử dụng ở Châu Âu và nhiều nước khác TACS

là mạng thiết kế cho số lượng thuê bao lớn, sử dụng tần số 900MHz và được vận hành vào năm 1985

Tất cả các mạng nói trên đều dựa trên mạng truyền thoại tương tự bằng phương pháp điều tần Vùng phủ sóng chỉ ở mức quốc gia, không có khả năng chuyển vùng giữa các nước với nhau

 Giai đoạn thứ tư: là các thế hệ dựa trên truyền dẫn số

GSM (Global System for Mobile Communication - Hệ thống thông tin di động toàn cầu) sử dụng dải tần 900MHz, bắt đầu hoạt động vào năm 1992, ở Châu Âu và nhiều nước khác trên thế giới

DCS (Digital Cellular Service - Dịch vụ điện thoại tổ ong số) là sự mở rộng của GSM sử dụng ở dải tần 1800MHz

CDMA (Code Division Multiple Access - Đa truy nhập phân chia theo mã) và

đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access)

1.2 Mạng thông tin di động GSM

Từ đầu những năm 1980, sau khi các hệ thống NMT đã hoạt động thành công, thì nó cũng bộc lộ một số hạn chế sau:

 Do nhu cầu cho dịch vụ thông tin di động quá lớn, vượt quá con số mong đợi

của các nhà thiết kế Nên hệ thống này không còn khả năng đáp ứng được nữa

 Các hệ thống khác nhau đang hoạt động ở Châu Âu không thể phục vụ cho tất

cả các thuê bao Nghĩa là thiết bị mạng NMT không thể thâm nhập vào mạng TACS

và ngược lại (các tiêu chuẩn khác nhau không chỉ sử dụng các giao thức khác nhau

mà còn hoạt động ở các tần số khác nhau, vì thế không thể có tính tương thích toàn cầu)

 Nếu thiết kế một mạng lớn phục vụ cho toàn Châu Âu thì không một nước nào có thể đáp ứng được vì vốn đầu tư quá lớn

Tình trạng này rõ ràng là cần có một hệ thống chung để sử dụng điện thoại di động rộng rãi ở nhiều nước khác nhau Do vậy mà hệ thống GSM đã được phát triển như một dịch vụ số hoá hoàn toàn, có thể sử dụng ở Châu Âu và nhiều nước khác trên thế giới GSM là tiêu chuẩn cho mạng thông tin di động mặt đất công cộng PLMN (Public Land Mobile Network), được thiết kế để làm việc ở băng tần 900MHz (896÷960MHz) và qui định tám khe thời gian cho mỗi kênh rộng 200KHz.Giai đoạn 1 của tiêu chuẩn GSM được hoàn thành vào năm 1990 Nó liên quan đến các dịch vụ viễn thông cơ bản (thoại và số liệu) và tốc độ thông tin là “Toàn tốc

- Full rate”, tín hiệu thoại tương tự được mã hoá với tốc độ 13Kb/s

Giai đoạn 2 được hoàn thành vào năm 1994, liên quan đến các dịch vụ bổ sung

và tốc độ thông tin “ Bán tốc - Haft rate ” (tín hiệu tương tự được mã hoá với tốc độ 6.5Kb/s)

Các chỉ tiêu phục vụ :

- Hệ thống được thiết kế sao cho các thuê bao di động có thể hoạt động trong tất

cả các nước tham gia

- Cùng với phục vụ thoại, hệ thống phải cho phép sự linh hoạt lớn nhất cho các loại dịch vụ khác liên quan đến mạng số đa dịch vụ (ISDN)

Phóc Ngäc

12

- Tạo một hệ thống có thể phục vụ trên tàu viễn dương như một mạng mở rộng của các dịch vụ di động mặt đất.

- Phải có chất lượng phục vụ ít nhất là tương đương với các hệ thống tương tự đang hoạt động

- Có khả năng mật mã thông tin người sử dụng để tránh sự can thiệp trái phép,

mà không ảnh hưởng gì tới hệ thống cũng như các thuê bao khác không dùng đến khả năng này

- Hệ thống phải cho phép có cấu trúc và tỉ lệ tính cước khác nhau khi được dùng

ở các mạng khác nhau

- Dùng hệ thống báo hiệu đã được tiêu chuẩn hoá quốc tế

1.3 Cấu trúc địa lý của mạng GSM

Mọi mạng điện thoại cần một cấu trúc nhất định để định tuyến các cuộc gọi đến tổng đài cần thiết và cuối cùng đến thuê bao bị gọi Ở một mạng di động, cấu trúc này rất quan trọng do tính lưu thông của các thuê bao trong mạng

1.3.1 Vùng mạng

Tổng đài vô tuyến cổng G-MSC (Gateway - Mobile Service Switching Center) kết nối các đường truyền giữa mạng di động GSM/PLMN và các mạng khác (cố định hay di động) đều ở mức tổng đài trung kế quốc gia hay quốc tế Tất cả các cuộc gọi vào hay ra mạng GSM/PLMN đều được định tuyến thông qua tổng đài vô tuyến cổng G-MSC (làm việc như một tổng đài trung kế cho PLMN)

1.3.2 Vùng phục vụ MSC/VLR

Vùng MSC là một bộ phận của mạng được một MSC quản lý Để định tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động Mọi thông tin để định tuyến cuộc gọi tới thuê bao di động hiện đang trong vùng phục vụ của MSC được lưu giữ trong bộ ghi định vị tạm trú VLR

Một vùng mạng GSM/PLMN được chia thành một hay nhiều vùng phục vụ MSC/VLR

1.3.3 Vùng định vị (LA - Location Area)

Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR được chia thành một số vùng định vị Vùng định

vị là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR, mà ở đó một trạm di động có thể chuyển động tự do mà không cần cập nhật thông tin về vị trí cho tổng đài MSC/VLR điều khiển vùng định vị này Vùng định vị này là một vùng mà ở đó thông báo tìm gọi sẽ được phát quảng bá để tìm một thuê bao di động bị gọi Vùng định vị có thể có một số cell và phụ thuộc vào một hay một vài BSC Nhưng nó chỉ phụ thuộc vào một MSC/VLR

Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng định vị LAI Vùng định vị được hệ thống sử dụng để tìm một thuê bao đang ở trạng thái hoạt động

LAI = MCC + MNC + LAC

Trong đó:

MNC: mã mạng di độngMCC: mã quốc giaLAC: mã vùng định vị (16 bit)

Phóc Ngäc

14

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM

BSS : Phân hệ trạm gốcBSC : Bộ điều khiển trạm gốc OMC : Trung tâm khai thác và bảo dưỡng

SS : Phân hệ chuyển mạch VLR : Bộ ghi định vị tạm trú EIR : Thanh ghi nhận dạng thiết bị

SS

AUC

EIR

MSC HLR

BSS

BSCBTS

VLR ISDN

OMC PSPDN

PLMN

PSTN

CSPDN

MS

BTS : Trạm vô tuyến gốc

MS : Trạm di động ISDN : Mạng số liên kết đa dịch vụPSPDN: Mạng chuyển mạch gói công cộng PSTN : Mạng chuyển mạch điện thoại công cộngCSPDN: Mạng chuyển mạch kênh công cộng PLMN : Mạng di động mặt đất công cộng

lệ của thiết bị và bằng cách này có thể ngăn chặn một MS không được thâm nhập mạng

2.2.2 Phân hệ trạm gốc (BSS - Base Station System)

Là một hệ thống đặc thù riêng cho tính chất tổ ong vô tuyến của GSM BSS giao diện trực tiếp với các trạm di động MS thông qua giao diện vô tuyến, vì thế nó bao gồm các thiết bị thu/phát đường vô tuyến và quản lý các chức năng này Mặt khác BSS thực hiện giao diện với các tổng đài ở phân hệ chuyển mạch SS Tóm lại, BSS

Phóc Ngäc

16

thực hiện đấu nối các MS với tổng đài và nhờ vậy đấu nối những người sử dụng các trạm di động với những người sử dụng viễn thông khác BSS cũng phải được điều khiển, do đó nó được đấu nối với phân hệ vận hành và bảo dưỡng OSS

BSS bao gồm hai loại thiết bị là:

BTS giao diện với MS và BSC giao diện với MSC

a) Khối BTS (Base Tranceiver Station):

Một BTS bao gồm các thiết bị thu/phát, anten và bộ xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến BTS là thiết bị trung gian giữa mạng GSM và thiết bị thuê bao MS, trao đổi thông tin với MS qua giao diện vô tuyến Có thể coi BTS là các Modem vô tuyến phức tạp có thêm một số các chức năng khác Mỗi BTS tạo ra một hay một số khu vực vùng phủ sóng nhất định gọi là tế bào (cell) Một bộ phận quan trọng của BTS là khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ (TRAU - Transcode/Rate Adapter Unit) TRAU là thiết bị mà ở đó quá trình mã hoá và giải mã tiếng đặc thù riêng cho GSM được tiến hành, tại đây cũng thực hiện thích ứng tốc độ trong trường hợp truyền số liệu TRAU là một bộ phận của BTS, nhưng cũng có thể được đặt cách xa BTS và thậm chí còn đặt trong BSC và MSC

b) Kh ố i TRAU (Transcode/Rate Adapter Unit):

Khối thích ứng và chuyển đổi mã thực hiện chuyển đổi mã thông tin từ các kênh vô tuyến (16Kb/s) theo tiêu chuẩn GSM thành các kênh thoại tiêu chuẩn (64Kb/s) trước khi chuyển đến tổng đài TRAU thường được điều khiển bởi BTS

c) Kh ố i BSC (Base Station Controller):

BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa Các lệnh này chủ yếu là lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và chuyển giao Một phía BSC được nối với BTS, còn phía kia nối với MSC của phân

hệ SS Trong thực tế, BSC được coi như là một tổng đài nhỏ, có khả năng tính toán đáng kể Vai trò chính của nó là quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao Giao diện giữa BSC và MSC là giao diện A, còn giao diện giữa BTS và BSC

là giao diện A.bis

Các chức năng chính của BSC:

1 Quản lý mạng vô tuyến: việc quản lý vô tuyến chính là quản lý các cell và các kênh logic của chúng Các số liệu quản lý đều được đưa về BSC để đo đạc và xử lý, chẳng hạn như lưu lượng thông tin ở một cell, môi trường vô tuyến, số lượng cuộc gọi bị mất, các lần chuyển giao thành công và thất bại

2 Quản lý trạm vô tuyến gốc BTS: trước khi đưa vào khai thác, BSC lập cấu hình của BTS (số máy thu/phát TRX, tần số cho mỗi trạm ) Nhờ đó mà BSC có sẵn một tập các kênh vô tuyến dành cho điều khiển và nối thông cuộc gọi

3 Điều khiển nối thông các cuộc gọi: BSC chịu trách nhiệm thiết lập và giải phóng các đấu nối tới máy di động MS Trong quá trình gọi, sự đấu nối được BSC giám sát Cường độ tín hiệu, chất lượng cuộc đấu nối được ở máy di động và TRX gửi đến BSC Dựa vào đó mà BSC sẽ quyết định công suất phát tốt nhất của MS và TRX để giảm nhiễu và tăng chất lượng cuộc đấu nối BSC cũng điều khiển quá trình chuyển giao nhờ các kết quả đo kể trên để quyết định chuyển giao MS sang cell khác, nhằm đạt được chất lượng cuộc gọi tốt hơn Trong trường hợp chuyển giao sang cell của một BSC khác thì nó phải nhờ sự trợ giúp của MSC Bên cạnh

đó, BSC cũng có thể điều khiển chuyển giao giữa các kênh trong một cell hoặc từ cell này sang kênh của cell khác trong trường hợp cell này bị nghẽn nhiều

4 Quản lý mạng truyền dẫn: BSC có chức năng quản lý cấu hình các đường truyền dẫn tới MSC và BTS để đảm bảo chất lượng thông tin Trong trường hợp có

sự cố một tuyến nào đó, nó sẽ tự động điều khiển tới một tuyến dự phòng

2.2.3 Phân hệ chuyển mạch (SS - Switching Subsystem)

Phân hệ chuyển mạch (SS) bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của mạng GSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý di động của thuê bao Chức năng chính của SS là quản lý thông tin giữa những người

sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác

SS cũng cần giao tiếp với mạng ngoài để sử dụng khả năng truyền tải của các mạng này cho việc truyền tải số liệu của người sử dụng hay báo hiệu giữa các phần

tử của mạng GSM Chẳng hạn SS có thể sử dụng mạng báo hiệu kênh chung số 7, mạng này đảm bảo hoạt động tương tác giữa các phần tử của SS trong một hay nhiều mạng GSM

Phóc Ngäc

18

a) Trung tâm chuy ể n m ạ ch di độ ng (MSC - Mobile Switching Center):

MSC thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số các bộ điều khiển trạm gốc BSC Một tổng đài MSC thích hợp cho một vùng đô thị và ngoại ô

có dân cư vào khoảng một triệu (với mật độ thuê bao trung bình) MSC thực hiện các chức năng chuyển mạch chính, nhiệm vụ chính của MSC là tạo kết nối và xử lý cuộc gọi đến những thuê bao của GSM, một mặt MSC giao tiếp với phân hệ BSS và mặt khác giao tiếp với mạng ngoài qua G-MSC

b) B ộ ghi đị nh v ị th ườ ng trú (HLR - Home Location Register):

HLR lưu giữ các số liệu cố định của thuê bao di động trong mạng như SIM, các thông tin liên quan tới việc cung cấp các dịch vụ viễn thông, không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao và chứa các thông tin về vị trí hiện thời của thuê bao Thường HLR là một máy tính đứng riêng, không có khả năng chuyển mạch nhưng có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao Một chức năng con của HLR

là nhận dạng trung tâm nhận thực thuê bao AUC

c) B ộ ghi đị nh v ị t ạ m trú (VLR - Visitor Location Register):

Là một cơ sở dữ liệu chứa thông tin về tất cả các MS hiện đang ở vùng phục

vụ của MSC Mỗi MSC có một VLR, thường thiết kế VLR ngay trong MSC Ngay

cả khi MS lưu động vào một vùng MSC mới VLR liên kết với MSC sẽ yêu cầu số liệu về MS từ HLR Đồng thời HLR sẽ được thông báo rằng MS đang ở vùng MSC nào Nếu sau đó MS muốn thực hiện một cuộc gọi, VLR sẽ có tất cả các thông tin cần thiết để thiết lập một cuộc gọi mà không cần hỏi HLR có thể coi VLR như một HLR phân bố VLR chứa thông tin chính xác hơn về vị trí MS ở vùng MSC Nhưng khi thuê bao tắt máy hay rời khỏi vùng phục vụ của MSC thì các số liệu liên quan tới nó cũng hết giá trị Vì vậy, có thể gọi HLR là hệ thống lưu giữ “Hộ khẩu tạm trú” của các thuê bao vãng lai

d) Thanh ghi nh ậ n d ạ ng thi ế t b ị (EIR - Equipment Identity Register):

EIR có chức năng kiểm tra tính hợp lệ của ME thông qua số liệu nhận dạng

di động quốc tế (IMEI - International Mobile Equipment Identity) và chứa các số liệu về phần cứng của thiết bị ME thuộc một trong ba danh sách sau:

- Nếu ME thuộc danh sách trắng (White List) thì nó được quyền truy nhập

đ) Kh ố i trung tâm nh ậ n th ự c AUC:

Được nối đến HLR, chức năng của AUC là cung cấp cho HLR các tần số nhận thực và các khoá mật mã để sử dụng cho bảo mật Đường vô tuyến cũng được AUC cung cấp mã bảo mật để chống nghe trộm, mã này được thay đổi riêng biệt cho từng thuê bao Cơ sở dữ liệu của AUC còn ghi nhiều thông tin cần thiết khác khi thuê bao đăng ký nhập mạng và được sử dụng để kiểm tra khi thuê bao yêu cầu cung cấp dịch vụ, tránh việc truy nhập mạng một cách trái phép

e) T

ổ ng đ à i di độ ng c ổ ng G-MSC:

Tất cả các cuộc gọi vào cho mạng GSM/PLMN sẽ được định tuyến cho tổng đài vô tuyến cổng Gateway-MSC Nếu một người nào đó ở mạng cố định PSTN muốn thực hiện một cuộc gọi đến một thuê bao di động của mạng GSM/PLMN Tổng đài tại PSTN sẽ kết nối cuộc gọi này đến MSC có trang bị một chức năng được gọi là chức năng cổng Tổng đài MSC này gọi là MSC cổng và nó có thể là một MSC bất kỳ ở mạng GSM G-MSC sẽ phải tìm ra vị trí của MS cần tìm Điều này được thực hiện bằng cách hỏi HLR nơi MS đăng ký HLR sẽ trả lời, khi đó MSC này có thể định tuyến lại cuộc gọi đến MSC cần thiết Khi cuộc gọi đến MSC này, VLR sẽ biết chi tiết hơn về vị trí của MS Như vậy có thể nối thông một cuộc gọi ở mạng GSM có sự khác biệt giữa thiết bị vật lý và đăng ký thuê bao

f) Kh ố i IWF:

Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của mạng GSM với các mạng này Các thích ứng này gọi là chức năng tương tác IWF IWF bao gồm một thiết bị để thích ứng giao thức và truyền dẫn IWF có thể thực hiện trong cùng chức năng MSC hay có thể ở thiết bị riêng, ở trường hợp hai giao tiếp giữa MSC và IWF được để mở

Phóc Ngäc

20

2.2.4 Phân hệ khai thác và bảo dưỡng (OSS)

OSS (Operation and Support Subsystem) thực hiện 3 chức năng chính:

1 Khai thác và bảo dưỡng mạng

2 Quản lý thuê bao và tính cước

 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 thiết bị ở hệ thống viễn thông hiện đại có khả năng tự phát hiện một số các sự cố hay dự báo sự cố thông qua kiểm tra Bảo dưỡng bao gồm các hoạt động tại hiện trường nhằm thay thế các thiết bị có sự cố, cũng như việc sử dụng các phần mềm điều khiển từ xa

Hệ thống khai thác và bảo dưỡng có thể được xây dựng trên nguyên lý của TMN (Telecommunication Management Network - Mạng quản lý viễn thông) Lúc này, một mặt hệ thống khai thác và bảo dưỡng được nối đến các phần tử của mạng viễn thông (MSC, HLR, VLR, BSC, và các phần tử mạng khác trừ BTS) Mặt khác hệ thống khai thác và bảo dưỡng được nối tới máy tính chủ đóng vai trò giao tiếp người - máy Theo tiêu chuẩn GSM hệ thống này được gọi là trung tâm vận hành và bảo dưỡng (OMC - Operation and Maintenance Center)

b) Qu ả n lý thuê bao:

Bao gồm các hoạt động quản lý đăng ký thuê bao Nhiệm vụ đầu tiên là nhập

và xoá thuê bao khỏi mạng Đăng ký thuê bao cũng có thể rất phức tạp, bao gồm

nhiều dịch vụ và các tính năng bổ sung Nhà khai thác có thể thâm nhập được các thông số nói trên Một nhiệm vụ quan trọng khác của khai thác là tính cước các cuộc gọi rồi gửi đến thuê bao Khi đó HLR, SIM-Card đóng vai trò như một bộ phận quản lý thuê bao

 Mã xác định khu vực LAI (Location Area Identity): LAI là mã quốc tế cho các khu vực, được lưu giữa trong VLR và là một thành phần trong CGI (Cell Global Identity) Khi một thuê bao có mặt tại một vùng phủ sóng nào đó, nó sẽ nhận CGI

từ BSS, so sánh LAI nhận được trước đó để xác định xem nó đang ở đâu Khi hai số liệu này khác nhau, MS sẽ nạp LAI mới cho bộ nhớ Cấu trúc của một LAI như sau:

Trong đó:

- MCC (Mobile Country Code): mã quốc gia của nước có mạng GSM

- MNC (Mobile Network Code): mã của mạng GSM, do quốc gia có mạng GSM qui định

- LAC (Location Area Code): mã khu vực, dùng để nhận dạng khu vực trong mạng GSM

 Các mã số đa dịch vụ toàn cầu (International ISDN Numbers): Các phần tử của mạng GSM như MSC, VLR, HLR/AUC, EIR, BSC đều có một mã số tưng ứng

Phóc Ngäc

22MCC MNC LAC

Hình 2.4: Cấu trúc của LAI

đa dịch vụ toàn cầu Mã các điểm báo hiệu được suy ra từ các mã này được sử dụng cho mạng báo hiệu CCS7 trong mạng GSM.

Riêng HLR/AUC còn có một mã khác, gồm hai thành phần Một phần liên quan đến số thuê bao đa dịch vụ toàn cầu - MSISDN (International Mobile Subscriber ISDN Number) được sử dụng trong việc thiết lập cuộc gọi từ một mạng khác đến

MS trong mạng Phần tử khác liên quan đến mã nhận dạng thuê bao di động quốc tế

- IMSI (International Mobile Subscriber Identity) được lưu giữ trong AUC

 Mã nhận dạng tế bào toàn cầu CGI: CGI được sử dụng để các MSC và BSC truy nhập các tế bào CGI gồm LAI và CI (Cell Identity) CI gồm 16 bit dùng để nhận dạng cell trong phạm vi của LAI CGI được lưu giữ trong cơ sở dữ liệu của MSC/VLR

 Mã nhận dạng trạm gốc BSIC (Base Station Identity Code):

MSISDN được sử dụng bởi MSC để truy nhập HLR khi cần thiết lập cuộc nối MSISDN có cấu trúc theo CCITT, E164 về kế hoạch đánh số ISDN như sau:

NCC (3 bit) BCC (3 bit)

Hình 2.5: Cấu trúc của BSIC

CC NDC SN

MSIN được lưu giữ cố định trong VLR và trong thuê bao MS MSIN được VLR

sử dụng khi truy nhập HLR/AUC để tạo lập “ Hộ khẩu thường trú ” cho thuê bao

 Nhận dạng thuê bao di động cục bộ - LMSI (Location Mobile Subscriber Identity): gồm 4 octet VLR lưu giữ và sử dụng LMSI cho tất cả các thuê bao hiện đang có mặt tại vùng phủ sóng của nó và chuyển LMSI cùng với IMSI cho HLR

Phóc Ngäc

24MCC MNC MSIN

Hình 2.7: Cấu trúc của IMSI

HLR sử dụng LMSI mỗi khi cần chuyển các mẩu tin liên quan đến thuê bao tương ứng để cung cấp dịch vụ.

 Nhận dạng thuê bao di động tạm thời - TMSI (Temporaly Mobile Subscriber Identity): TMSI do VLR tự tạo ra trong cơ sở dữ liệu của nó cùng với IMSI sau khi việc kiểm tra quyền truy nhập của thuê bao chứng tỏ hợp lệ TMSI được sử dụng cùng với LAI để địa chỉ hoá thuê bao trong BSS và truy nhập số liệu của thuê bao trong cơ sở dữ liệu của VLR

 Số vãng lai của thuê bao di động - MSRN (Mobile Station Roaming Number): MSRN do VLR tạm thời tạo ra yêu cầu của HLR trước khi thiết lập cuộc gọi đến một thuê bao đang lưu động đến mạng của nó Khi cuộc gọi kết thúc thì MSRN cũng bị xoá Cấu trúc của MSRN bao gồm CC, NDC và số do VLR tạm thời

tự tạo ra

 Số chuyển giao HON (Handover Number): Handover là việc di chuyển cuộc nối mà không làm gián đoạn cuộc nối từ tế bào này sang tế bào khác (trường hợp phức tạp nhất là chuyển giao ở những tế bào thuộc các tổng đài MSC khác nhau)

Ví dụ khi thuê bao di chuyển từ MSC1 sang MSC2 mà vẫn đang sử dụng dịch vụ MSC2 yêu cầu VLR của nó tạm thời tạo ra HON để gửi cho MSC1 và MSC1 sử dụng HON để chuyển cuộc nối sang cho MSC2 Sau khi hết cuộc thoại hay thuê bao rời khỏi vùng phủ sóng của MSC1 thì HON sẽ bị xoá

 Nhận dạng thiết bị di động quốc tế - IMEI (International Mobile Equipment Identity): IMEI được hãng chế tạo ghi sẵn trong thiết bị thuê bao và được thuê bao cung cấp cho MSC khi cần thiết

Trong đó:

TAC FAC SNR

Hình 2.8: Cấu trúc của IMEI

- TAC (Type Approval Code): mã chứng nhận loại thiết bị, gồm 6 kí tự, dùng để phân biệt với các loại không được cấp bản quyền TAC được quản lý một cách tập trung.

- FAC (Final Assembly Code): xác định nơi sản xuất, gồm 2 kí tự

- SNR (Serial Number): là số Seri, dùng để xác định các máy có cùng TAC và FAC

2.4 Mô hình tham chiếu OSI

(*) RR : Tài nguyên vô tuyến (Radio Resource)

Hình 2.9: Mô hình OSI và việc sử dụng ba lớp dưới ở hệ thống GSM

Có thể nói GSM là một hệ thống rất phức tạp, cần phải được quy hoạch và tổ chức cả ở việc qui định và việc thực hiện thực tế của nó Một mô hình để xây dựng

các mạng thông tin số liệu thông thường đã được “Tổ chức các tiêu chuẩn quốc tế"

(ISO) cung cấp ở dạng mô hình liên kết các hệ thống mở (OSI) Các chi tiết kỹ thuật của GSM hay các khuyến nghị đã được định nghĩa đầy đủ ở ba lớp dưới của

mô hình OSI này

+) Ở lớp thấp nhất, qui định các đặc tính vật lý của truyền dẫn hay môi trường đường truyền vô tuyến Trong phạm vi của đường truyền vô tuyến GSM, các qui định này bao gồm không chỉ các kiểu điều chế tần số mà còn bao hàm cả cấu trúc các cụm và các khung hoàn toàn trong một mạch truyền dẫn ghép kênh phân chia theo thời gian Do việc lớp này chịu trách nhiệm về việc hiệu chỉnh lỗi của các bít đơn trong truyền dẫn nên yếu tố mã hoá bảo vệ chống lỗi cũng thuộc lớp này

+) Lớp 2, lớp liên kết dữ liệu, bao gồm các thực thể linh hoạt chịu trách nhiệm bảo vệ thông tin của các tin báo có nghĩa hoặc các khung giữa các trạm vô tuyến Phân đoạn truyền dẫn sẽ cấu trúc các bản tin của lớp cao hơn phù hợp với các qui định vật lý của môi trường lớp 1 và đòi hỏi mọi tình huống một sự thừa nhận từ đầu thu Các bản tin tại đầu thu sẽ được cấu trúc lại từ các khung thu được và các thừa nhận sẽ được định dạng để phát lại

+) Lớp 3, lớp mạng, chịu trách nhiệm về quản lý tất cả các cuộc gọi và được tới hoạt động của mạng vô tuyến Các nhiệm vụ này được chia nhỏ hơn thành các lớp con để quản lý việc điều khiển cuộc gọi đã thiết kế, quản lý di động và tài nguyên

2.5.1 Tính tương thích

Do sự phát triển nhanh chóng của các mạng tế bào ở Châu Âu, hiện có nhiều hệ thống tế bào khác nhau mà không tương thích với nhau Vì vậy, hiển nhiên là cần phải có một tiêu chuẩn chung cho hệ thống thông tin di động Và một hội đồng thực thi đã được thiết lập với một nhiệm vụ phức tạp là phân định chung - riêng ở mạng tiêu chuẩn mới Tiêu chuẩn GSM đã được qui định và phát triển ở các nước Châu

Âu đang hoạt động để khai thác chung với nhau Kết quả là một hệ thống tế bào đã được thực hiện ở khắp Châu Âu Sự thuận lợi do tiêu chuẩn GSM đem lại, sẽ có một thị trường lớn đối với các thiết bị GSM Nghĩa là các nhà sản suất sẽ cung cấp các thiết bị với chất lương cao hơn và giá thành rẻ hơn Các thành công của GSM

đã được chấp nhận và thực hiện trên khắp thế giới

Hệ thống thông tin di động số GSM tương thích với hệ thống báo hiệu CCS7 và

sử dụng băng tần (890÷915)MHz để truyền dẫn các tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc và băng tần (935÷960)MHz để truyền dẫn tín hiệu từ trạm gốc đến máy di động

2.5.2 Loại bỏ các tạp âm

Trong các hệ thống điện thoại tế bào hiện nay, máy di động thông tin với các cell bằng các tín hiệu vô tuyến tương tự Mặc dù kỹ thuật này có thể đảm bảo một chất lượng thoại rất tốt (nó được sử dụng nhiều đối với vô tuyến quảng bá stereo), nhưng nó dễ bị tạp âm xâm nhập

Tạp âm sẽ giao thoa với hệ thống hiện hành, có thể được phát sinh bởi các nguyên nhân sau :

• Một nguồn công suất mạnh hoặc kéo dài, gần với hệ thống thông tin di động (như hệ thống đánh lửa trên ô tô , sét )

• Sự truyền dẫn ở các máy di động khác nhau trên cùng một tần số (nhiễu kênh chung)

• Sự truyền dẫn ở các máy di động khác nhau, theo kiểu “xuyên ngang” từ một tần số lân cận (nhiễu kênh lân cận)

• Nhiễu nền xâm nhập vì tín hiệu quá yếu

Phóc Ngäc

28

Để đối phó với những vấn đề gây ra nhiễu trong hệ thống tế bào mới người ta sử dụng các tín hiệu số thay cho tín hiệu tương tự Các tín hiệu được phát trên một giao diện vô tuyến - số có thể được bảo vệ để chống lại các lỗi phát sinh do tạp âm Việc bảo vệ này sẽ hình thành từ sự mã hoá của tín hiệu, mà cơ chế là do sự quyết định của phần mềm và sử dụng thuật toán giải mã viterbi Các cơ chế này cho phép phát hiện và sửa chữa các lỗi ở một tín hiệu Kết quả là có một giao diện vô tuyến mạnh hơn nhiều.

Thông tin di động số có thể chịu được mức nhiễu cao hơn so với các hệ thống tương tự hiện có, dẫn đến việc cải thiện cả chất lượng lẫn hiệu quả ở hệ thống thông tin di động

2.5.3 Tính linh hoạt và tăng thêm dung lượng

Với giao diện vô tuyến tương tự hiện có, mỗi kết nối giữa một thuê bao di động với một Cell đòi hỏi phải có một sóng mang RF riêng, điều đó dẫn đến đòi hỏi ở Cell phải lắp đặt thêm modul (phần cứng) RF Vì vậy, để mở rộng dung lượng của một Cell thì phải tăng thêm số lượng các kênh và các modul RF có chất lượng tương đương phải được đưa thêm vào thiết bị của Cell Do đó, việc mở rộng hệ thống là tốn nhiều thời gian, tiền của và công sức Như vậy, các hãng khai thác cũng bao hàm cả việc lập kế hoạch RF rất phức tạp Để khai thác một cách hợp pháp, tất

cả các hệ thống phải sử dụng một khoảng tần số RF đã được qui định chặt chẽ, chỉ trong khoảng tần số (872÷960MHz)

Rõ ràng phổ tần số bị nhiều hạn chế và chỉ một số lượng có hạn các cuộc đàm thoại là có thể chèn được trên một số lượng kênh vô tuyến đã cho, do đó thường xuyên có sự quá tải xảy ra tại giờ cao điểm của nhu cầu, kết quả là “call blocking” (tức thuê bao sẽ nghe một tín hiệu cho biết đường truyền đang bận) Hậu quả là sự không thoả mãn của thuê bao

Khi mà giao diện số được sử dụng ở hệ thống GSM sẽ đưa đến việc giải quyết việc sử dụng phổ vô tuyến có sẵn một cách hiệu quả hơn Tám cuộc gọi đồng thời được thực hiện trên một sóng mang RF Điều đó có nghĩa là mỗi modul RF riêng sẽ đáp ứng cho 8 thuê bao cùng một lúc, và như vậy hệ thống sẽ được mở rộng, yêu cầu thay đổi modul RF thường ít hơn so với các hệ thống cũ Do đó hệ thống là rất

linh hoạt vì nó có thể thay đổi dung lượng bằng một bộ phận khác của mạng bằng cách đặt lại cấu hình từ cơ sở dữ liệu của hệ thống.

2.5.4 Sử dụng các giao diện tiêu chuẩn

Trong mạng tế bào mỗi thiết bị được sử dụng là được chế tạo bởi một nhà sản suất Điều đó là vì một hãng sản xuất chỉ sản xuất thiết bị đã được thiết kế để thông tin với nhau Tình trạng này có thể rất có lợi cho các hãng sản xuất như họ có ảnh hưởng lớn lên sự định giá các sản phẩm của họ, nhưng lại là điều không có lợi đối với người sử dụng điện thoại di động và nhà khai thác mạng vì giá thành thiết bị cao

Với hệ thống thông tin di động số GSM thì ngược lại, vì do các giao diện tiêu chuẩn như C7 và X25 được sử dụng trong toàn hệ thống Điều này có nghĩa là các nhà quy hoạch hệ thống có thể lựa chọn thiết bị với giá thành khác nhau của các hãng sản xuất khác nhau Vì vậy, sự cạnh tranh giữa các hãng sản xuất với nhau sẽ tăng lên và giá thành sẽ hạ xuống

Ngoài ra, các nhà thiết kế mạng sẽ có nhiều linh hoạt hơn khi đặt mua các cấu kiện của mạng, tức là họ có thể tạo ra nhiều hiệu quả sử dụng ở các đường truyền mặt đất mà họ đang khai thác

2.5.5 An toàn và bảo mật tuyệt đối

Vấn đề an toàn được xem đứng đầu danh mục các vấn đề sẽ được cạnh tranh của các nhà khai thác ở các hệ thống tương tự Trong một vài hệ thống thế hệ đầu có khoảng 20% cuộc gọi bị đánh cắp Để bảo mật số liệu và thoại được tốt, GSM đưa

ra đề nghị bảo mật cả về phương pháp truyền dẫn trên giao diện vô tuyến và cả ở cách thức lưu lượng được xử lý trước khi truyền dẫn Các dữ liệu được điều khiển

và báo hiệu sẽ được mật mã cùng với các kỹ thuật nhận thực thuê bao tinh vi sẽ loại trừ việc đánh cắp cuộc gọi Ở hệ thống GSM, thiết bị di động sẽ được nhận dạng một cách độc lập từ thuê bao di động Mỗi máy di động có một số nhận dạng được

mã hoá cứng khi sản xuất để kiểm tra nếu như nó được khai báo là đã bị mất cắp

Hệ thống GSM đảm bảo ở một mức độ cao tính bảo mật cho các thuê bao, các cuộc gọi sẽ được số hoá, mã hoá và sau đó được gài mật mã trước khi phát lên không gian

Phóc Ngäc

30

2.5.6 Chuyển vùng nhanh hơn

Chuyển vùng xảy ra khi máy di động di chuyển giữa các cell Một cuộc gọi sẽ được chuyển từ một kênh này đến kênh khác và từ một cell này đến một cell khác

để duy trì cuộc gọi được liên tục Trong các hệ thống tương tự hiện có, chỉ có thuê bao rất tốt mới nhận ra một chuyển vùng đã xảy ra Còn hệ thống GSM đã giải quyết vấn đề này và quá trình chuyển vùng được điều khiển chặt chẽ hơn nhiều GSM cho phép đưa nhiều yếu tố vào tính toán và được tính toán chi tiết hơn (Đo cường độ tín hiệu của các cell lân cận)

2.5.7 Nhận dạng thuê bao

So với các hệ thống tương tự, mỗi thuê bao di động được nhận dạng bởi số máy điện thoại mà nó được gắn lên thiết bị di động của nó Vì vậy, nếu thuê bao muốn thu/phát các cuộc gọi thì cần phải có thiết bị di động Trong hệ thống GSM, thuê bao và thiết bị di động được nhận dạng một cách riêng rẽ Thuê bao được nhận dạng bằng một card thông minh (Smart card), được biết như một khối nhận dạng thuê bao SIM Nghĩa là người sử dụng chỉ cần mua thuê bao ở một hệ thống di động nhưng

có khả năng sử dụng cho nhiều kiểu thiết bị di động khác nhau (Fax, Computer, điện thoại di động) Nghĩa là khi di chuyển thuê bao chỉ cần mang theo SIM card của nó Vì SIM card nhận diện người sử dụng nên bất kỳ nơi nào các cuộc gọi của thuê bao tạo ra Hoá đơn tính cước sẽ luôn luôn được được gửi tới bộ ghi định vị thường trú (HLR) của thuê bao

2.5.8 Tính tương thích với ISDN

ISDN là một tiêu chuẩn mà hầu hết các nước đang phát triển đã cam kết thực hiện Đây là một mạng thông tin mới và tiên tiến được thiết kế để truyền thoại và số liệu thuê bao trên các đường truyền thoại tiêu chuẩn Mạng GSM đã được thiết kế

để khai thác với hệ thống ISDN và sẽ cung cấp các đặc tính có thể tương thích với nó

PHẦN II: QUY TRÌNH THỰC HIỆN TỐI ƯU HOÁ VÙNG

PHỦ SÓNG CỦA MẠNG VIỄN THÔNG GSM/VMS

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ THỰC HIỆN TỐI ƯU HOÁ

MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM

3.1 Giới thiệu chung

Cũng như việc kế hoạch hoá mạng, việc tối ưu hoá cũng phải dựa trên những cơ

sở về cả dung lượng và chất lượng đặt ra cho nhà khai thác Tối ưu hoá không những mang lợi trực tiếp về mặt kinh tế, mà còn là một yếu tố quan trọng trong cạnh tranh Trong quá trình vận hành mạng, các chỉ tiêu về chất lượng luôn được giám sát một cách chặt chẽ để đưa ra các vấn đề cần giải quyết, phục vụ cho việc tối

ưu hoá mạng Những thay đổi về chủ quan và khách quan đòi hỏi việc tối ưu hoá luôn phải được thực hiện liên tục Bởi vì khi giải quyết được vấn đề này có thể lại nảy sinh ra các vấn đề khác

3.1.1 Lưu đồ thực hiện tối ưu hoá

Phóc Ngäc

32

Vận hành + Giám sát chất lượng

(Đo & Kiểm tra)

Thống kê, phân tích các thông số

và kỹ thuật liên quan

Đưa ra vấn đề cần giải quyết

Thực hiện

Hình 3.1: Lưu đồ tối ưu hoá

3.1.2 Các quá trình thực hiện

a) Giám sát ch ấ t l ượ ng ph ụ c v ụ :

Trung tâm OMC là một trung tâm hoạt động với mục đích khai thác và bảo dưỡng mạng một cách chính xác và nhanh chóng Tại đây có thể giám sát tình trạng hoạt động của mạng thông tin qua các thông tin sau:

 Thông tin về chất lượng, về mức nghẽn

 Thông tin về số lượng cuộc gọi bị rơi

 Thông tin về mức độ nhiễu

 Thông tin về số cuộc gọi chuyển giao thành công và không thành công.Ngoài ra ta còn phải căn cứ vào các thông tin từ: bộ phận tiếp thị, các chuyên gia, những người trực tiếp theo dõi vận hành khai thác Sau đó căn cứ vào những chỉ tiêu chất lượng đã đề ra, từ đó phân tích và nêu ra các vấn đề kỹ thuật để giải quyết

b) Phân tích và nêu các v ấ n đề k ỹ thu ậ t:

Từ các thông tin có được, chúng ta phải phân tích và dự đoán các nguyên nhân có thể xảy ra

 Các ảnh hưởng của đường truyền vô tuyến như nhiễu đồng kênh do quy hoạch tần số chưa hợp lý, vị trí trạm đặt chưa thích hợp, công suất phát không phù hợp gây ảnh hưởng tới các kênh khác trong vùng

 Các ảnh hưởng của phân bố lưu lượng không như thiết kế có thể dẫn đến nghẽn quá mức cho phép

 Thông số hệ thống không tối ưu

3.1.3 Khảo sát

Từ những dự đoán, chúng ta phải xác định được các nguyên nhân cụ thể, để từ

đó đưa ra những biện pháp kỹ thuật thích hợp

Thông thường để khảo sát thì cần phải có những thiết bị chuyên dụng như: đo mức và đặc tính sóng, đo lỗi đường truyền

3.1.4 Đưa ra công việc thực hiện

Trong chương sau, chúng ta sẽ xem xét một số biện pháp kỹ thuật nhằm đảm bảo cả vấn đề dung lượng và chất lượng phục vụ trong quá trình vận hành mạng Tuy nhiên, để có căn cứ cho việc phân tích, dự đoán và đưa ra được các giải pháp

kỹ thuật thì cần tìm hiểu một số căn cứ lý thuyết về mạng

3.2 Dung lượng và lưu lượng phục vụ

Trong quá trình phát triển mạng, tăng cường dung lượng của mạng là một nhu cầu cấp thiết Tuy nhiên, để xác định dung lượng cần tăng là bao nhiêu để phù hợp với từng giai đoạn phát triển của mạng, phù hợp với yêu cầu về mặt kinh tế và kỹ thuật hiện tại Trước tiên các vấn đề sau cần được xem xét

3.2.1 Nhu cầu về thông tin di động

Căn cứ vào:

• Số liệu thống kê về dân số và mật độ dân cư từng khu vực

• Mức độ tăng trưởng kinh tế

• Mức độ thu nhập bình quân

• Nhu cầu về thông tin liên lạc nói chung dựa trên cơ sở số máy điện thoại

cố định

• Kinh nghiệm phát triển mạng của các mạng trước

• Giá thành hệ thống và thiết bị đầu cuối

3.2.2 Yêu cầu về lưu lượng cho mỗi thuê bao

Lưu lượng của một thuê bao được tính theo công thức:

A = 3600

n: số cuộc gọi trung bình trong một giờ của một thuê bao.

T: thời gian trung bình cho một cuộc gọi

A: lưu lượng thông tin trên một thuê bao (tính bằng Erlang)

Theo số liệu thống kê điển hình thì:

n = 1: trung bình một người có một cuộc gọi trong một giờ

T = 120: thời gian trung bình cho một cuộc gọi là 2 phút

⇒ A =

3600

120

*1

≈ 33 mErlang/người sử dụngNhư vậy, để phục vụ cho 1000 thuê bao ta cần một lưu lượng là 33 Erlang Từ đây ta tính được tổng số kênh yêu cầu trong mạng tổ ong

3.2.3 Mức độ dịch vụ - GoS (Grade of Service)

Nếu hệ thống chuyển mạch hoặc số kênh được thiết kế để mỗi cuộc gọi đều được nối thông thì hiệu quả sử dụng rất thấp (vì mạng sẽ trở nên rỗi trong phần lớn thời gian) Khi đó giá thành mạng sẽ rất cao và khó có một nhà đầu tư nào chịu nổi

Vì vậy, mạng sẽ được thiết với một mức độ nghẽn mạch nào đó chấp nhận được nhằm tăng hiệu quả sử dụng Khái niệm GoS lúc này xác định phần trăm số cuộc gọi không thành công do thiếu tài nguyên trên tổng số cuộc gọi đang cần đấu nối đồng thời

Số liệu thống kê cho thấy các thuê bao cá nhân sẽ không nhận biết được sự tắc nghẽn hệ thống ở mức dưới 10% Tuy nhiên, để mạng hoạt động với hiệu suất cao

và hiệu quả thì GoS thường từ 2% đến 5%

3.2.4 Dung lượng của trung kế

Giả thiết một trung kế gồm 33 kênh, một thuê bao có thể sử dụng bất kỳ một kênh nào mà hiện tại đang rỗi Như vậy, với 1000 thuê bao, mỗi thuê bao có lưu lượng 33 mErlang sẽ tải hết toàn bộ 33 kênh này

Tuy nhiên, nếu GoS = 2%, các kênh này có thể đảm nhiệm được một lưu lượng

là bao nhiêu Để trả lời được câu hỏi này ta sẽ sử dụng bảng Erlang (ở phần Phụ lục)

Bảng này chỉ rõ một lưu lượng tương ứng với số lượng kênh n khác nhau, mức

độ phục vụ GoS khác nhau Trở lại ví dụ trên ta có số kênh n = 33, mức nghẽn GoS

= 2%, tương ứng lưu lượng là 24.626 Erlang Vì mỗi thuê bao có lưu lượng 33 mErlang nên tổng số thuê bao mà nó có thể phục vụ là: 24.626/0.033 ≈ 745 thuê bao.

3.2.5 Khái niệm kênh trong mạng GSM

Trong GSM ta cần phân biệt giữa hai khái niệm kênh và tần số Mỗi tần số sẽ có tám kênh, vì vậy trong một cell ta sẽ có tổng số n∗8 kênh Trong các kênh này, một kênh được dùng cho thông tin quảng bá - BCCH (thường được mặc định ở khe thời gian số 0 - TS0) và ít nhất một kênh cho thiết lập cuộc gọi (SDCCH) Thời gian trung bình cho việc sử dụng SDCCH là 3s Đồng thời, trung bình số lần cập nhật vị trí thường gấp ba lần số lần thiết lập cuộc gọi Vì vậy trong giờ bận, một thuê bao

sử dụng khoảng bốn kênh SDCCH Khi đó lưu lượng của SDCCH cho mỗi thuê bao là:

n = 4∗3/3600 = 0.0033 Erlang (bằng 1/10 lưu lượng của kênh TCH)

Nếu mỗi kênh vật lý ghép với tám kênh SDCCH sẽ có một dung lượng 3.6271 Erlang ở mức nghẽn 2% (bảng Erlang - Phụ lục) Có nghĩa là khả năng phục vụ của một kênh vật lý sẽ là:

3.6271/0.0033 = 1099 (thuê bao)Khi đó dung lượng cần thiết cho TCH là:

1099∗0.033 = 36.271 Erlang, tương ứng với 45 TCHNhư vậy nếu ta sử dụng một kênh vật lý với tám SDCCH thì nó có khả năng phục vụ cho 1099 thuê bao, tương ứng với 45 TCH ở mức nghẽn GoS = 2% Còn nếu ghép một kênh vật lý với bốn kênh SDCCH thì nó có khả năng phục vụ cho khoảng 331 thuê bao, 17 TCH ở mức nghẽn GoS = 2% Do đó trong khi thiết kế tuỳ theo yêu cầu về dung lượng mà ta sử dụng một trong hai cách này

3.2.6 Hiệu quả sử dụng trung kế

Ta đã xét một trung kế 33 kênh với dung lượng 24.626 Erlang ở cấp độ dịch vụ GoS = 2% Để tính toán hiệu quả sử dụng trung kế, giá trị này được giảm 2% và bằng 24.133 Erlang Chia giá trị này cho tổng số kênh ta sẽ được hiệu quả sử dụng kênh: 24.133/33 = 73% Nghĩa là mỗi kênh sẽ chiếm khoảng 73% thời gian

Phóc Ngäc

36

Bảng trên cho ta thấy dung lượng sử dụng và hiệu quả sử dụng trung kế với các kích cỡ trung kế khác nhau Qua đó ta thấy, với 45 kênh trung kế thì hiệu quả sử dụng kênh sẽ tăng gấp 2.1 lần so với 6 kênh trung kế Tức là trung kế càng lớn thì hiệu quả sử dụng kênh càng cao.

Ví dụ:

Tên Cell % Lưu lượng Lưu lượng (Erlang) Số kênhA

BCDE

4025151010

13.208.254.153.303.30

20141088

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng phủ sóng

3.3.1 Suy hao đường truyền

Với một anten cho trước và một công suất phát đã biết, suy hao đường truyền tỉ

lệ với bình phương (d.f), trong đó d là khoảng cách từ trạm thu đến trạm phát gốc BTS Trong môi trường thành phố, với nhiều nhà cao tầng, suy hao có thể tỉ lệ với luỹ thừa 4 hoặc cao hơn nữa

Dự đoán tổn hao đường truyền trong thông tin di động GSM bao gồm một loạt các vấn đề khó khăn, mà lý do chính bởi vì trạm di động luôn luôn di động và anten thu thấp Những lý do thực tế này dẫn đến sự thay đổi liên tục của địa hình truyền sóng, vì vậy trạm di động sẽ phải ở vào những vị trí tốt nhất để thu được các tia phản xạ

Cách cơ bản mà đơn giản ta coi không gian truyền sóng là không gian tự do Giả thiết rằng không có tia phản xạ và sóng vô tuyến được truyền trong không gian tự

do Với anten vô hướng, ta có công thức suy hao đường truyền trong không gian tự do:

Những công thức lý thuyết đơn giản và trọn vẹn trên không còn phù hợp trong môi trường di động nữa, nơi mà truyền sóng do nhiều đường là chủ yếu Những sóng này cũng bị tán xạ, nhiễu xạ, suy giảm do nhiều trạng thái khác nhau của cả vật thể cố định và vật thể chuyển động Hơn nữa, sự khúc xạ tầng đối lưu làm đường truyền sóng bị uốn cong.

Mô hình mặt đất bằng phẳng:

Mô hình mặt đất được trình bày trong hình 3.2 cho thấy tổng tín hiệu đến trong máy thu bao gồm thành phần đến trực tiếp cộng với thành phần phản xạ từ mặt đất (thành phần này có thể được coi như là tín hiệu gốc từ một anten ảo trong lòng đất) Hai sóng này cùng nhau tạo thành sóng không gian (Space Wave)

dTx

Rx

Tx

¶o

Hình 3.2: Truyền sóng trong trường hợp coi mặt đất là bằng phẳng

Ta có công thức sau để tính suy hao đường truyền:

L = 20.log(d2/h1.h2 )

Nhưng trong thực tế, khoảng không gian giữa máy thu và máy phát thường có các vật chắn (hình 3.3) Theo lý thuyết về truyền sóng vô tuyến, một chướng ngại vật sẽ làm suy giảm cường độ của tín hiệu truyền thẳng Sự suy giảm này phụ thuộc vào vật chắn trong tầm nhìn thẳng của vật chắn

2

d d

d d h

Trong thực tế các loại địa hình truyền sóng thường rất phức tạp, không một công thức nào có thể đề cập được hết các loại địa hình này Vì vậy, đã xuất hiện những

mô hình truyền sóng nhờ những đo đạc thực tế của các nhà khoa học

b) Các mô hình chính lan truy ề n sóng trong thông tin di độ ng:

• Mô hình truyền sóng Hata:

Vào khoảng năm 1980, M.Hata đã giới thiệu mô hình toán học trong việc tính suy giảm đường truyền dựa trên những phân tích dữ liệu của Okumula

hb: chiều cao của anten trạm gốc (30÷200)m

hm : chiều cao anten máy di động (1÷20)md: khoảng cách từ trạm gốc đến máy di động (1÷20)km

Phóc Ngäc

40