Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ microcell trong mạng thông tin di động

Hiện nay, các mạng thông tin di động lớn của Việt Nam đang sử dụng công nghệ GSM, đồng thời các nhà mạng cũng đang triển khai hệ thống thông tin di động động thứ ba UMTS để đáp ứng được

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

ĐỖ XUÂN HIỆU

“Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ Microcell trong

mạng thông tin di động”

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Phạm Văn Tiến

Hà Nội – Năm 2011

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép của ai được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu theo danh mục tài liệu tham khảo Các số liệu có nguồn trích dẫn, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng công bố trong các công trình nghiên cứu khác

Hà Nội, ngày 21 tháng 09 năm 2011

Tác giả luận văn

Đỗ Xuân Hiệu

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 12

DANH MỤC CÁC BẢNG 14

LỜI NÓI ĐẦU 15

Chương 1: CẤU TRÚC MẠNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 17

1.1 Giới thiệu chương 17

1.2 Cấu trúc mạng GSM 18

1.2.1 Trạm di động 19

1.2.2 Phân hệ trạm gốc (BSS) 19

1.2.3 Phân hệ chuyển mạch (SS) 21

1.2.4 Phân hệ khai thác và bảo dưỡng (OSS) 22

1.3 Hoạt động của MS trong chế độ thoại 23

1.4 Nâng cấp GSM lên 3G 28

1.4.1 Sự cần thiết nâng cấp mạng GSM lên 3G 28

1.4.2 Hoạt động song song hai hệ thống 2G và 3G 29

1.4.3 Mô hình triển khai 3G 31

Chương 2: NGHIÊN CỨU HOẠT ĐỘNG VÀ THAM SỐ ẢNH HƯỞNG

TRONG CHẾ ĐỘ RỖI 33

2.1 Bản tin hệ thống 33

2.2 Hoạt động của MS trong chế độ rỗi 34

2.2.1 Tiến trình chọn cell 34

2.2.2 Tiêu chuẩn chọn Cell và chọn lại Cell 36

2.2.3 Ý nghĩa và thiết lập các tham số trong hệ thống 39

Chương 3: LỰA CHỌN CELL VÀ TÁI LỰA CHỌN CELL TRONG UMTS 41

3.1 Lựa chọn lại cell giữa UMTS và GSM 41

3.2 Phân loại lựa chọn lại cell 42

3.3 Thủ tục các phép đo 42

3.4 Quy tắc S – Dành cho lựa chọn cell 43

3.5 Quy tắc R – Dành cho tái lựa chọn cell 44

3.6 Các giá trị được định nghĩa như sau 44

3.7 Lựa chọn cell 46

3.8 Tái lựa chọn cell 46

3.9 Tái lựa chọn Intra Frequency 47

3.10 Tái lựa chọn Inter-RAT cell từ 3G sang 2G 48

3.11 Tái lựa chọn Inter-Rat Cell từ 2G sang 3G 49

3.12 Bảng giá trị các tham số 51

3.13 Các trường hợp Reselection thường gặp 51

Chương 4: CÁC THUẬT TOÁN CHUYỂN GIAO MICROCELL 55

4.1 Các tình huống chuyển giao 55

4.2 Bảy thuật toán chuyển giao Micocell của Motorola 57

4.2.1 Thuật toán loại 1: pbgt_alg_type = 1 57

4.2.2 Thuật toán loại 2: pbgt_alg_type = 2 58

4.2.3 Thuật toán loại 3: pbgt_alg_type = 3 58

4.2.4 Thuật toán loại 4: pbgt_alg_type = 4 60

4.2.5 Thuật toán loại 5: pbgt_alg_type = 5 62

4.2.6 Thuật toán loại 6 65

4.2.7 Thuật toán loại 7 66

4.3 Kết quả tối ưu một trạm Microcell 71

4.4 Một số trường hợp thường gặp trong chuyển giao 3G-2G 78

4.4.1 Lỗi handover từ 3G sang 2G do thời gian xảy ra handover quá chậm 78

4.4.2 Lỗi handover từ 3G sang 2G do thiếu neighbour 79

PHỤ LỤC 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

A

Thích ứng ATM lớp 2 (cho thời gian thực)

AGCH Access Grant Channel Kênh cho phép truy nhập

AICH Acquisiton Indicator Channel Kênh chỉ thị thu được

ATM Asynchronous Tranfer Mode Chế độ truyền không đồng bộ

B

BCCH Broadcast Control Channel Kênh quảng bá điều khiển

BLER Block Error Rate Tỷ lệ lỗi khối

BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc

BSS Base Station Subsystem Phân hệ trạm gốc

BTS Base Tranceiver Station Trạm vô tuyến gốc

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

C

CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập chia theo mã

CEPT Conference of European Post

CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung

CTCH Common Traffic Channel Kênh lưu lượng chung

D

DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển dành riêng

DCS Digital Communication System Hệ thống truyền thông số

DPCCH Dedicated Physical Common

DPDCH Dedicated Physical Data

EDGE Enhanced Data Rates for GSM

ETSI European Telecommunations

Standards Institute

Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu

Âu

EIR Equipment Identification

F

FACCH

Fast Associated Control

FCCH Frequency Common Channel Kênh hiệu chỉnh tần số

FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần

số

FHSS Frequency Hopping Spread

Spectrum

Phương pháp trải phổ nhảy tần

FM Frequency Modulation Điều chế tần số

FDMA Frequence Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

G

GGSN Gateway GPRS Support!Node Node hỗ trợ GPRS cổng

GMSC Gateway Mobile Service

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung

GSM Global System For Mobile

High Speed Circuit Switched

HSDPA High Speed Downlink Packet

Truy nhập gói đường lên tốc độ cao

HS-DSCH High Speed Downlink Channel Kênh đường xuống tốc độ cao

I

IMT-2000 International Mobile

ISDN Integrated Services Digital

ITU

L

LAC Link Access Control Điều khiển truy nhập liên kết

NAS Non-Access Stratum Tầng không truy nhập

NLOS Non Line Of Sight Không trong tầm nhìn thẳng

PCCH Paging Control Channel Kênh điều khiển tìm gọi

PDC Personal Digital Cellular Mạng tế bào số

PG Processing Gain Độ tăng ích

PICH Page Indicator Channel Kênh chỉ thị

PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng PIN Personal Identification Number Mã số nhận dạng cá nhân

PN Pseudo Noise Mã giả ngẫu nhiên

PRACH Physical Random Access

PSC Primary Screambling Code Mã kiểm tra chính

P-SCH Primary Synchronization

PSK Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha

PSTN Public Switched Telephone

Network

Mạng chuyển mạch thoại công cộng

R

RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RANAP Radio Access Network

Application Part Phần ứng dụng truy cập mạng

RLA_C Receiving Level Average

Combination Giá trị trung bình các tín hiệu thu RNC Radio Network Controller Điều khiển mạng vô tuyến

RNS Radio Network Subsystem Mạng con vô tuyến

RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyến RSCP Received Signal Code Power Công suất thu tín hiệu

S

SACCH

Slow Associated Control

SC Screambling Code Mã kiểm tra

SCCP Signaling Connection Control

SCTP Simple Control Transmission Giao thức truyền đơn giản

SIB Systerm Information Broadcast Quảng bá thông tin hệ thống

SIM Subscriber Identity Modul Mô đun nhận dạng thuê bao

SS7 Signaling System No.7 Hệ thống báo hiệu số 7

SSC Second Screambling Code Mã kiểm tra phụ

SDCCH Stand alone Dedicated Control

SGSN Serving GPRS Support!Node Node hỗ trợ GPRS

T

TCP Transmitted Carrier Power Công suất sóng mang

TRAU Transcoder/Rate Adapter Unit Bộ thích ứng tốc độ và chuyển mã

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

UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access

V

VLR Visitor Location Register Thanh ghi định vị tạm trú

DANH MỤC HÌNH VẼ

HÌNH VẼ TRANG

Hình 1.3 Cấu trúc kênh đa khung thoại 25

Hình 2.1 Sơ đồ thủ tục chọn cell trong chế độ rỗi (IDLE) 35

Hình 2.2 Thực hiện chọn lại cell indoor trong các trường hợp 37

Hình 2.3 Tình huống MS đi ngang qua cell có phạm vi hẹp 38

Hình 2.4 Giao diện các tham số chọn/chọn lại cell 39

Hình 3.4 Minh họa trước khi tối ưu 53 Hình 3.5 Minh họa sau khi tối ưu 53 Hình 4.1 Chuyển giao giữa các lớp 56

Hình 4.8 Chuyển giao trong điều kiện nhiễu 67

Hình 4.10 Phép thử tránh nhiễu 70 Hình 4.11 Khai báo neighbour của trạm 71

Hình 4.13 Mô tả neighbour của trạm 74

Bảng 3.4 Các tham số trước và sau khi tối ưu 52

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ như điện tử, tin học,công nghệ thông tin di động trong những năm qua đã phát triển rất mạnh mẽ cung cấp các loại hình dịch vụ đa dạng đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng Kể từ khi

ra đời vào cuối năm 1940 cho đến nay thông tin di động đã phát triển qua nhiều thế

hệ và đã tiến một bước dài trên con đường công nghệ

Hiện nay, các mạng thông tin di động lớn của Việt Nam đang sử dụng công nghệ GSM, đồng thời các nhà mạng cũng đang triển khai hệ thống thông tin di động động thứ ba UMTS để đáp ứng được các yêu cầu về dịch vụ mới cũng như đòi hỏi chất lượng dịch vụ ngày càng cao của người sử dụng Chính vì vậy, việc tối ưu hóa mạng di động là việc làm rất cần thiết và mang một ý nghĩa thực tế cao

Trong quá trình tối ưu hóa mạng di động, đưa ra một yêu cầu rất thực tế và quan trọng đó là tối ưu vùng phủ, chất lượng cho các tòa nhà Đi cùng với sự phát triển không ngừng của các lĩnh vực, các tòa nhà cao tầng, trung tâm thương mại, chung cư, các hầm ngầm…phát triển rất mạnh mẽ và yêu cầu đặt ra là nâng cao chất lượng thông tin di động cho các tòa nhà ( vùng phủ Micro-Cell ) Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, tôi đã quyết định chọn đề tài: " Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ Microcell trong mạng thông tin di động"

Mục đích nghiên cứu của đề tài là để tìm hiểu đánh giá các tham số, thuật toán ảnh hưởng đến quá trình chuyển giao vô tuyến, đồng thời nêu ra một số thủ tục trong việc tối ưu hóa mạng thông tin di động nói chung và và quá trình chuyển giao

vô tuyến nói riêng

Nội dung luận văn gồm 4 chương :

Chương này tìm hiểu về các bản tin hệ thống, dữ liệu giao tiếp giữa MS và mạng

Chương 3: Lựa chọn cell và tái lựa chọn cell trong UMTS

Chương này trình bày tổng quát về tái lựa chọn cell, nguyên lý cơ bản cũng như các thuật toán tái lựa chọn cell, phân tích trường hợp tái lựa chọn cell từ WCDMA sang GSM và ngược lại

Chương 4: Các thuật toán chuyển giao Microcell và kết quả thực hiện tại một trạm Microcell

Chương này trình bày các thuật toán áp dụng trong chuyển giao trong vùng phủ Microcell theo thiết kế của Motorola

Một số trường hợp thường hợp thường gặp trong chuyển giao 2G – 3G

Kết quả thực hiện tối ưu tại một trạm Microcell

Trong quá trình làm luận văn, tôi đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự phê bình, hướng dẫn và sự giúp đỡ của Thầy cô, bạn bè

Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của Thầy giáo Tiến sĩ Phạm Văn Tiến cùng các Thầy cô trong khoa để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Chương 1: CẤU TRÚC MẠNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

GSM 1.1 Giới thiệu chương

Chương này sẽ giới thiệu về sự hình thành và phát triển của hệ thống thông tin

di động GSM, kiến trúc mạng GSM , phương pháp đa truy cập trong GSM , các thủ tục thông tin của thuê bao sử dụng trong mạng và sự cần thiết phải nâng cấp mạng GSM lên thế hệ 3G

Lịch sử hình thành GSM bắt đầu từ một đề xuất vào năm 1982 của Nordic Telecom và Netherlands tại hội nghị châu Âu về Bưu Chính Viễn Thông (CEPT) để phát triển một chuẩn tế bào số mới đáp ứng với nhu cầu ngày càng tăng của mạng

di động Châu Âu

Ủy ban Châu Âu đưa ra lời hướng dẫn yêu cầu các quốc gia thành viên sử dụng GSM cho phép liên lạc di động trong băng tần 900MHz Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI) định nghĩa GSM khi quốc tế chấp nhận tiêu chuẩn hệ thống điện thoại tế bào số

Lời đề xuất có kết quả vào tháng 9 năm 1987, khi 13 nhà điều hành và quản lý của nhóm cố vấn CEPT GSM thỏa thuận ký hiệp định GSM MoU “Club”, với ngày khởi đầu là 1 tháng 7 năm 1991

GSM là từ viết tắt của Global System for Mobile Communications (hệ thống thông tin di động toàn cầu), trước đây có tên là Groupe Spécial Mobile

Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM là hệ thống thông tin tế bào số tích hợp

và toàn diện, được phát triển đầu tiên ở Châu Âu và đã nhanh chóng phát triển trên toàn thế giới Mạng được thiết kế phù hợp với hệ thống ISDN và các dịch vụ mà GSM cung cấp là một hệ thống con của dịch vụ ISDN chuẩn

GSM đầu tiên được thiết kế hoạt động ở dải tần 890-915 MHz và 935-960 MHz, hiện nay là 1.8GHz Một vài tiêu chuẩn chính được đề nghị cho hệ thống :

• Chất lượng âm thoại chính thực sự tốt

• Giá dịch vụ và thuê bao giảm

• Hỗ trợ liên lạc di động quốc tế

• Khả năng hỗ trợ thiết bị đầu cuối trao tay

• Hỗ trợ các phương tiện thuận lợi và dịch vụ mới

• Khả năng tương thích ISDN

Tiêu chuẩn được ban hành vào tháng giêng năm 1990 và những hệ thống thương mại đầu tiên được khởi đầu vào giữa năm 1992 Tổ chức MoU (Memorandum of Understanding) thành lập bởi nhà điều hành và quản lý GSM được cấp phép đầu tiên, lúc đó có 13 hiệp định được ký kết và đến nay đã có 191 thành viên ở khắp thế giới Tổ chức MoU có quyền tối đa, được quyền định chuẩn GSM

1.2.1 Trạm di động

Trạm di động bao gồm thiết bị trạm di động và một khối nhỏ gọi là mođun nhận dạng thuê bao Đó là một khối vật lý tách riêng, chẳng hạn là một IC Card hoặc còn gọi là SIM SIM cung cấp khả năng di động cá nhân, vì thế người sử dụng

có thể lắp SIM vào bất cứ máy điện thoại di động GSM nào truy nhập vào dịch vụ

đã đăng ký Mỗi điện thoại di động được phân biệt bởi một số nhận dạng điện thoại

di động IMEI Card SIM chứa một số nhận dạng thuê bao di động IMSI để hệ thống nhận dạng thuê bao, một mật mã để xác thực và các thông tin khác IMEI và IMSI hoàn toàn độc lập với nhau để đảm bảo tính di động cá nhân Card SIM có thể chống việc sử dụng trái phép bằng mật khẩu hoặc số nhận dạng cá nhân (PIN) Trạm di động ở GSM thực hiện hai chức năng:

• Thiết bị vật lý để giao tiếp giữa thuê bao di động với mạng qua đường

vô tuyến

• Đăng ký thuê bao, ở chức năng thứ hai này mỗi thuê bao phải có một thẻ gọi là SIM card Trừ một số trường hợp đặc biệt như gọi cấp cứu… thuê bao chỉ có thể truy nhập vào hệ thống khi cắm thẻ này vào máy

• TRAU (Transcoding and Rate Adapter Unit): Bộ chuyển đổi mã và phối hợp tốc độ

• BSC (Base Station Controler): Bộ điều khiển trạm gốc

• BTS (Base Transceiver Station): Trạm thu phát gốc

1.2.2.1 Trạm thu phát gốc

Một BTS bao gồm các thiết bị thu/phát tín hiệu sóng vô tuyến, anten và bộ phận mã hóa và giải mã giao tiếp với BSC 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 Mỗi BTS tạo ra một hay một số khu vực vùng phủ sóng nhất định gọi là tế bào (cell)

1.2.2.2 Khối chuyển đổi mã và phối hợp tốc độ (TRAU)

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

1.2.2.3 Khối điều khiển trạm gốc BSC

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 chuyển mạch SS 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:

• 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

• 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 kết nối cuộc gọi

• Điều khiển kết nối các cuộc gọi: BSC chịu trách nhiệm thiết lập và giải phóng các đấu nối tới máy di động MS Trong quá trình gọi, việc kết 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

• 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

1.2.3 Phân hệ chuyển mạch (SS)

Phân hệ chuyển mạch bao gồm các khối chức năng sau:

• Trung tâm chuyển mạch di động MSC

• Thanh ghi định vị thường trú HLR

• Thanh ghi định vị tạm trú VLR

• Trung tâm nhận thực AuC

• Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR

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

1.2.4 Phân hệ khai thác và bảo dưỡng (OSS)

OSS thực hiện 3 chức năng chính:

• Khai thác và bảo dưỡng mạng

• 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 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)

1.2.4.2 Quản 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

1.2.4.3 Quản lý thiết bị di động

Quản lý thiết bị di động được bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR thực hiện EIR lưu trữ toàn bộ dữ liệu liên quan đến trạm di động MS EIR được nối đến MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị Trong hệ thống GSM thì EIR được coi là thuộc phân hệ chuyển mạch NSS

1.3 Hoạt động của MS trong chế độ thoại

Mỗi cell trong mạng GSM có riêng một kênh BCCH, kênh này sẽ được phát liên tục ở mức công suất đầu ra không đổi và bất cứ timeslot nào trên sóng mang BCCH nếu không mang thoại sẽ được phát dummy burst (Cụm giả không mang thông tin có ích)

Trong cả chế độ rỗi (IDLE) và bận (dedicated), MS được cấp một danh sách các cell lân cận qua bản tin hệ thống trên kênh BCCH và phải giám sát cường độ tín hiệu (RSSI) của các cell lân cận này

Khi đang thực hiện cuộc gọi, MS đo cường độ sóng mang BCCH của cell lân cận giữa lúc phát đường lên và lúc nhận ở đường xuống của các đa khung TDMA Tuy trong đa khung 26 nhưng MS chỉ thực hiện đo 25 lần do khung cuối cùng là khung “rỗi” bị loại trừ Tiêu chuẩn GSM yêu cầu MS phải báo cáo 6 cell mạnh nhất

ít nhất một lần một giây Chu kỳ báo cáo dựa trên đa khung SACCH, 480ms, và do

đó MS có thể báo cáo 2 lần trong 1 giây Do đó, điều này thỏa mãn ngay cả khi có hoạt động đồng thời như gửi nhận SMS trong khi đang thoại trên kênh SACCH

Hình 1.2: Hoạt động MS ở đường lên và xuống

Có 8 khe thời gian trong một khung TDMA, cho phép 8 kênh vật lý dùng chung một sóng mang vô tuyến Mỗi kênh vật lý có thể dùng chung bởi nhiều kênh logic Để hiểu được kênh các kênh logic dùng chung kênh vật lý thì phải hiểu được cấu trúc đa khung GSM Ở đây chỉ nói tới cấu trúc đa khung 26 khung, chia sẻ giữa thoại và kênh báo hiệu SACCH Hình dưới đây mô tả mối quan hệ giữa timeslot, khung TDMA và đa khung 26 khung Đa khung 26 khung có độ dài là 120ms Khung 12 (thứ tự 13 trong đa khung 26) được sử dụng bởi kênh điều khiển liên kết chậm SACCH, mang thông tin điều khiển đường truyền vô tuyến đường lên và đường xuống Khung cuối cùng trong đa khung 26 là khung rỗi vì thu phát đường lên và đường xuống tạm thời dừng lại Trong khoảng thời gian này MS chuyển sang chế độ “tìm kiếm” để tìm ra các BSIC lân cận Một chu kỳ SACCH bằng độ dài đa khung 26 là 120ms Một bản tin SACCH là sự kết hợp thông tin của 4 chu kỳ SACCH và có độ dài bằng 480ms

Hình 1.3: Cấu trúc kênh đa khung thoại

Khi sử dụng chế độ halfrate, mỗi khung trong đa khung 26 dùng cho 2 cuộc gọi (tốc độ cho mỗi cuộc giảm một nửa) Tuy nhiên tốc độ kênh SACCH không thay đổi với mỗi MS, do đó khung 12 sẽ dùng cho SACCH một MS, và MS kia sẽ sử dụng khung IDLE của MS này làm kênh SACCH

MS báo cáo

Vào cuối mỗi chu kỳ báo cáo, MS tạo ra các kết quả lấy trung bình của mỗi neighbour trong danh sách BA (BCCH Allocation list) Sau đó MS báo cáo 6 cell mạnh nhất tới phân hệ trạm gốc theo định dạng bản tin SACCH đường lên Một bản tin SACCH gồm 4 cụm liên kề

Chủ yếu các báo cáo chứa đựng các giá trị RxLev mạnh nhất đã được lấy đo các neighbour mạnh nhất Phần header của bản tin SACCH lớp 1 chứa đựng giá trị định thời thực tế và mức công suất đường lên MS đang phát như một phần của bản tin thông tin vật lý

Phần Header

Mức công suất MS thực tế Giá trị định thời thực tế

Hình 1.4 Cấu trúc bản tin báo cáo

Phần Header lớp 1

Mức công suất MS phát thực sự được quy định trong bảng sau

Mức công suất phát thực sự đối

0 – 63 Dải giá trị định thời hợp lệ

64 – 126 nếu lớn hơn giá trị 63 sẽ được đặt về 63

127 (mẫu bit là 1111111) chỉ ra rằng trường này không chứa đựng giá trị định thời

Kết quả đo lường

BA–USED

Cờ BA được bao gồm để xác nhận danh sách neighbour, từ đó mạng phân biệt kết quả đo liên quan đến các BA khác nhau ( BCCH hay SACCH) hoặc khi danh sách

neighbour bị thay (ví dụ có sự thêm hay xóa neighbour) Khi thay đổi xảy ra thi giá trị cờ sẽ thay đổi

DTX–USED: Cờ DTX để xác nhận DTX đường lên

NO–NCELL–M: số lượng neighbour đo được

000 = không có kết quả đo cell nào

001 = 1

…

có thể là 1 danh sách (BA_both) hoặc chia làm 2 danh sách con (BA_BCCH and BA_SACCH) Trong mỗi danh sác con BCCH, tần số BCCH được đặt tăng dần ngoài trừ ARFCN 0, nếu trong danh sách có tần số này thì nó sẽ được đặt cuối cùng

BSIC–NCELL

Mã nhận dạng trạm của các cell lân cận mạnh nhất MS tính được Trường này được

mã hóa nhị phân

1.4 Nâng cấp GSM lên 3G

1.4.1 Sự cần thiết nâng cấp mạng GSM lên 3G

Để đáp ứng được các dịch vụ mới về truyền thông đa phương tiện trên phạm vi toàn cầu đồng thời đảm bảo tính kinh tế, hệ thống GSM sẽ được nâng cấp từng bước lên thế hệ ba Thông tin di động thế hệ ba có khả năng cung cấp dịch vụ truyền thông multimedia băng rộng trên phạm vi toàn cầu với tốc độ cao đồng thời

cho phép người dùng sử dụng nhiều loại dịch vụ đa dạng Việc nâng cấp GSM lên WCDMA thực hiện theo các tiêu chí sau :

- Là mạng băng rộng và có khả năng truyền thông đa phương tiện trên phạm vi toàn cầu Cho phép hợp nhất nhiều chủng loại hệ thống tương thích trên toàn cầu

- Có khả năng cung cấp độ rộng băng thông theo yêu cầu nhằm hỗ trợ một dải rộng các dịch vụ từ bản tin nhắn tốc độ thấp thông qua thoại đến tốc độ dữ liệu cao khi truyền video hoặc truyền file Nghĩa là đảm bảo các kết nối chuyển mạch cho thoại, các dịch vụ video và khả năng chuyển mạch gói cho dịch vụ số liệu Ngoài ra nó còn hỗ trợ đường truyền vô tuyến không đối xứng để tăng hiệu suất sử dụng mạng (chẳng hạn như tốc độ bit cao ở đường xuống và tốc độ bit thấp ở đường lên)

- Khả năng thích nghi tối đa với các loại mạng khác nhau để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân toàn cầu và điện thoại vệ tinh Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể vùng phủ sóng của các hệ thống di động

- Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di động Tương thích với các dịch vụ trong nội bộ IMT-2000

và với các mạng viễn thông cố định như PSTN/ISDN Có cấu trúc mở cho phép đưa vào dễ dàng các tiến bộ công nghệ, các ứng dụng khác nhau cũng như khả năng cùng tồn tại và làm việc với các hệ thống cũ

1.4.2 Hoạt động song song hai hệ thống 2G và 3G

Khi nâng cấp lên 3G, công nghệ WCDMA hoạt động trên một kỹ thuật truy cập khác hoàn toàn, đó là CDMA, do đó băng tần hoạt động sẽ phải tách biệt với GSM (WCDMA mỗi kênh băng tần số là 5MHz) Sẽ cần một dải tần 3G mới khác với tần số đang hoạt động hiện nay (thực chất của cuộc thi 3G là để giành được sự cấp phép tần số này) Sự đổi mới như vậy sẽ cần một thiết bị thu phát sóng BTS hoàn toàn mới, được đặt tên là NodeB, cùng với nó là một thiết bị quản lý trạm gốc

(BSC) mới, tên là điều khiển mạng vô tuyến RNC (Radio Network Controller)

Do tính kế thừa khi nâng cấp, hệ thống mạng lõi (tổng đài chuyển mạch) hiện

hữu vẫn có thể được sử dụng để kết nối với mạng vô tuyến (NodeB và RNC) của công nghệ WCDMA mới (Hình 1.5)

Hình 1.6: Phương án thêm mạng lõi

Theo thời gian, tất cả các thiết bị mạng lõi và vô tuyến sẽ tích hợp chung như Hình 1.7 Các thiết bị BTS, BSC cũ sẽ hết khấu hao hoặc di chuyển ra các vùng sâu, vùng xa khác để hỗ trợ sóng GSM/EDGE

Hình 1.7: Phương án tích hợp chung

1.4.3 Mô hình triển khai 3G

Nói về việc nâng cấp 3G không thể không bàn đến mô hình, hay chiến lược để triển khai 3G Có 3 chiến lược chính là: (A) Triển khai nhanh chóng WCDMA toàn mạng, (B) Triển khai WCDMA dần dần (C) Triển khai 3G sau

A.Triển khai nhanh chóng WCDMA trên toàn mạng: Có nhiều nguyên

nhân để các nhà cung cấp chọn phương án này: mức độ cạnh tranh thị trường cao; theo yêu cầu của nhà nước; thị trường có nhu cầu dịch vụ dữ liệu cao; tình hình tài chính mạnh; dung lượng mạng GSM hiện tại đang bị hạn chế; tỉ lệ rời mạng cao; tham vọng chiếm thêm thị phần và nâng cao chỉ số doanh thu trên một thuê bao (ARPU)

Nếu vùng phủ sóng 3G là rộng khắp mà khách hàng lại không có thiết bị để sử dụng thì cũng vô nghĩa Vì vậy, muốn chiến lược này thành công, các nhà khai thác phải

có một chính sách phát triển thuê bao tương ứng: khuyến khích khách hàng thay máy mới, tiếp thị các thiết bị mới gắn với dịch vụ dữ liệu v.v…

rồi lan tỏa dần ra, trong khi đó vẫn tiếp tục đầu tư GSM để nâng cao dung lượng dịch vụ thoại và dịch vụ dữ liệu tốc độ thấp GPRS Các lý do để chọn chiến lược này: khả năng phát triển của GSM và GPRS vẫn còn cao; chất lượng và dung lượng của GSM và GPRS có vấn đề (cần phải đầu tư để cải thiện phục vụ khách hàng 2G); mạng GSM và số thuê bao quá lớn; điện thoại 2G vẫn còn nhiều; thị trường dữ liệu

di động chỉ mới phát triển; tình hình tài chính ổn định Các thiết bị đầu cuối đa chế

độ GSM/GPRS/WCDMA vì vậy cũng sẽ được giới thiệu, tiếp thị dần dần, phụ thuộc vào nhu cầu và khả năng của khách hàng

C.Triển khai 3G sau: khi nhu cầu thị trường về dịch vụ dữ liệu cao còn

thấp, nhu cầu về thoại vẫn là chủ yếu và tiếp tục phát triển, hoặc chính phủ chưa cấp phép băng tần 3G, thì nhà cung cấp tại thị trường này chỉ cần phát triển lên EDGE

là vừa đủ Việc nâng cấp lên WCDMA sẽ được cân nhắc trong tương lai Tuy nhiên khi đầu tư hạ tầng mạng GSM hoặc GPRS, nhà khai thác này phải chú ý chọn hệ thống hỗ trợ tốt việc nâng cấp WCDMA trong tương lai

Ở Việt Nam đến thời điểm hiện nay các nhà mạng lựa chọn phương án hai phát triển 3G từ các thành phố rồi mở rộng dần ra vùng sâu vùng xa Tốc độ nhanh hay chậm là tùy thuộc vào tham vọng cũng như năng lực của từng nhà cung cấp

Chương 2: NGHIÊN CỨU HOẠT ĐỘNG VÀ THAM SỐ ẢNH HƯỞNG TRONG CHẾ ĐỘ RỖI

2.1 Bản tin hệ thống

Thông tin hệ thống là dữ liệu về mạng mà MS cần biết để giao tiếp với mạng Thông tin hệ thống được mạng gửi liên tục tới MS trong cả chế độ rỗi (idle) trên kênh BCCH và chế độ chuyên dụng (dedicated) trên kênh SACCH trong cell

Có một vài loại bản tin hệ thống, được đánh số từ 1 tới 8 Loại 2 và 5 có thể bị thay đổi, được gọi là 2 bis, 2 ter, 5 bis and 5 ter đem lại tổng thể 12 loại bản tin Loại 2 tới 4 và tùy chọn trong 1, 2bis, 2 ter, 7 và 8 được gửi đều đặn trên kênh BCCH

Loại 5, 6 và tùy chọn 5 bis và 5 ter được gửi trên kênh SACCH khi cuộc gọi đang tiến hành Bản tin hệ thống:

1 Thông tin kênh + Tham số điều khiển RACH

2

Thông tin neighbor + NCC + Tham số điều khiển RACH

2bis Thông tin neighbor (mở rộng) + Tham số điều khiển RACH

2ter Thông tin multiband + Thông tin neighbor (thuộc bands

khác)

3 LAI + CI + Thông tin kênh điều khiển + Tham số lựa chon cell +

Tham số điều khiển RACH + Phần còn lại

4 LAI+ Tham sô lựa chon cell + Tham số điều khiển RACH +

Thông tin kênh CBCH + thông tin ấn định CBCH + Phần còn lại.

5

Thông tin neighbor

5bis Thông tin neighbor (mở rộng)

5ter Thông tin multiband bổ sung,

Thông tin neighbor (mở rộng thuộc band khác BCCH)

6 LAI + CI + lựa chọn Cell + NCC

7 SI 7: các octet còn lại

8 SI 8: octet còn lại

Bảng 2.1: Các loại bản tin hệ thống

Mỗi cell có một bộ tham số riêng Tham số được gửi trong các bản tin hệ thống có thể thay đổi qua lệnh MML bởi nhà khai thác

2.2 Hoạt động của MS trong chế độ rỗi

2.2.1 Tiến trình chọn cell

Khi MS được bật nguồn, nó thử liên lạc với mạng mà SIM cho phép và thực hiện chọn cell để giải mã các tham số thông tin hệ thống Tiến trình này được gọi là tiến trình lựa chọn cell

1 Chọn Cell khi MS không lưu thông tin kênh BCCH

Khi MS bật lên và trong bộ nhớ của nó không lưu sóng mang BCCH đã từng

sử dụng trong mạng lúc trước, MS sẽ quét tất cả các tần số sóng mang (124 với GSM 900), 374 (với GSM 1800) hoặc 299 (với GSM 1900), với mỗi tần số sóng mang nó sẽ thực hiện đo lường và tính toán mức thu (cường độ) trung bình của mỗi sóng mang dựa trên ít nhất 5 mẫu trong vòng từ 3 đến 5 giây và sắp xếp chúng theo thứ tự giảm dần để chọn ra cell tốt nhất

Sau khi tìm ra sóng mang có cường độ mạnh nhất, MS sẽ quyết định xem sóng mang đó có phải là sóng mang BCCH hay không bằng cách tìm busrt sửa tần ở timeslot đầu tiên (TS0) của khung TDMA Nếu đúng là sóng mang BCCH, MS sẽ đồng bộ và giải mã các bản tin hệ thống và MS sẽ đóng tại cell này nếu cell bình thường Một cell bình thường có nghĩa:

+ thuộc về mạng được chọn,

+ không bị chặn,

+ tham số C1 suy hao đường truyền vô tuyến ( tính toán C1 > 0)

Một cell gồm có các mức ưu tiên: bình thường, thấp và bị chặn Cell với mức ưu tiên thấp chỉ được chọn khi không tìm thấy cell có mức ưu tiên bình thường

Hai thông số quyết định mức ưu tiên của cell đó là cell_bar_qualify (CBQ) và

cell_bar_access (CBA)

cell_bar_qualify cell_bar_access

Cell selection priority

Cell reselection state

Hình 2.1: Sơ đồ thủ tục chọn cell trong chế độ rỗi (IDLE)

2 Chọn Cell khi MS đã lưu thông tin BCCH

Nếu như MS đã lưu trong danh sách các tần số sóng mang BCCH đã dùng từ trước đó, MS sẽ thực hiện thủ tục lấy mẫu chỉ với các tần số BCCH đó, nếu MS không chọn được cell có các tần số như đã lưu thì tiến trình chọn cell được thực hiện như bình thường

Khi MS vào vùng phủ có cả dải 900M và 1800MHz, có thể MS sẽ chọn dải 900Mhz

và bỏ qua các mức ưu tiên vì trước đó MS chỉ lưu các tần số BCCH dải 900M trong danh sách của nó

2.2.2 Tiêu chuẩn chọn Cell và chọn lại Cell

2.2.2.1 Tiêu chuẩn C1:

Tham số C1 là tham số về suy hao đường truyền giữa BTS và MS, nó là tiêu chuẩn cho chọn Cell, một cell được chọn thì phải có C1 > 0, giá trị của C1 được tính theo công thức sau:

C1 = A − max (B, 0)

Theo công thức trên:

A: mức thu trung bình nhận được − Rxlev_access_min

B: ms_txpwr_max_cch - P

+ rxlev_access_min: mức thu tối thiếu MS nhận được để được truy cập vào hệ

thống MS sẽ không đóng tại cell nào mà mức thu nhận được thấp hơn giá trị này

+ ms_txpwr_max_cch: Công suất đầu ra lớn nhất của MS khi truy cập vào hệ

thống khi chưa nhận được lệnh điều khiển công suất Giá trị này được nhà khai thác đặt và thuộc bản tin hệ thống Giá trị tối đa 39 dBm

+P: Công suất đầu ra lớn nhất của MS được chế tạo

rxlev_access_min và ms_txpwr_max_cch được phát quảng bá trong bản tin hệ

thống lớp 3 trên kênh BCCH Các giá trị trên được tính theo đơn vị dBm

Giá trị A lớn thể hiện tín hiệu mạnh ở đường xuống

Giá trị B lớn thể hiện công suất MS yếu so với công suất hệ thống yêu cầu

C2 = 30 + 20 - 20 x 0 = 50 dB Được chọn vì > C1 của macro Hình 2.2: Thực hiện chọn lại cell indoor trong các trường hợp

2.2.2.2 Tiêu chuẩn C2:

Trong chế độ IDLE, ngoài việc thực hiện giám sát bản tin nhắn gọi, MS đồng thời đo lường tín hiệu của sóng mang neighbor, và tính toán mức thu trung bình từng sóng mang trong danh sách neighbor được cấp (BA list) MS cũng giải mã dữ liệu BCCH chứa thông tin ảnh hưởng đến chọn lại cell của 6 cell mạnh nhất Khi một sóng mang mới nằm trong 6 sóng mạnh nhất, MS sẽ giải mã BCCH của song mang đó trong vòng 30 giây Dữ liệu BCCH được MS thường xuyên dùng để tính toán C1 và C2 của cell đang phục vụ và cell neighbor cho mục đích chọn lại cell Tiêu chuẩn chọn lại cell được gọi là tiêu chuẩn C2, nó được áp dụng với MS phase

2 Công thức tính C2 như sau:

1/ C2= C1 + cell_reselect_offset – temporary_offset*H (khi penalty_time <31)

-60 dBm -70 dBm

Hotspot Cell

rxlev_access_min = 40 ( -70dBm) ms_txpwr_max_cch = 10 (33 dBm)

2/ C2= C1 - cell_reselect_offset (khi penalty_time= 31)

temporary_offset được đặt và phát quảng bá để thay đổi giá trị C2 trong khoảng

thời gian penalty_time để tránh cho MS chọn lại cell micro hoặc khi đi vào cell có phạm vi nhỏ

Macrocell

C1 = 20dBm

MS ngang qua cell Khoảng 30s

Nếu neighbor nằm thuộc vùng khác thì trong công thức C2 được tính thêm giá trị

cell_reselection_hysteresis

Thuật toán C2 chỉ hoạt động khi được nhà khai thác cho phép bằng cách đặt tham

số cell_reselect_param_ind=1 Nếu cell không sử dụng tiêu chuẩn C2 thì MS sẽ

coi như C2=C1 và so sánh với cell khác bình thường

Việc sử dụng C2 và C1 đảm bảo MS đóng tại Cell có xác suất truyền tin thành công nhất cả đường lên và đường xuống

2.2.3 Ý nghĩa và thiết lập các tham số trong hệ thống

Hình 2.4: Giao diện các tham số chọn/chọn lại cell

+ rxlev_access_min: MS muốn đóng tại cell thì mức thu nhận được cell đó

phải lớn hơn một ngưỡng nhất định do nhà khai thác đặt, quy định bởi tham số rxlev_access_min phát trên kênh quảng bá Do rxlev_access_min ảnh hưởng đến C1 nên nó quan trọng trong việc điều khiển lưu lượng mạng, trường hợp cell với lưu lượng cao hay nghẽn có thể tăng giá trị tham số này khiến C1 và C2 giảm dẫn tới vùng phủ thu hẹp lại Với vùng phủ trong nhà, tăng tham số này có nghĩa chỉ những

MS ở gần anten mới được khuyến khích

Dải giá trị của rxlev_access_min từ –110 dBm tới –47 dBm Tham số này được khuyến nghị nhỏ hơn -90dBm

+ cell_reselect_param_ind = <*>