Tối ưu dung lượng mạng thông tin di động GSM

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSMGiai đoạn này gọi là hệ thống di động tương tự thế hệ đầu tiên 1G với dải tầng hẹp, tất cả các hệ thống 1G sử dụng điều chế tần số FM cho

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Hoa Lư

Sinh viên thực hiện : Trần Văn Hiệu

Lớp : 48K-ĐTVT

Nghệ An 1/2012

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG I 5

TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 5

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MẠNG GSM 5

1.2 CẤU TRÚC ĐỊA LÝ CỦA MẠNG 6

1.3 BĂNG TẦN VÀ PHƯƠNG PHÁP TRUY NHẬP SỬ DỤNG TRONG HỆ THỒNG GSM 8

1.4 MÔ HÌNH HỆ THỐNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 10

1.5 CÁC TRƯỜNG HỢP THÔNG TIN VÀ THỦ TỤC MẠNG 21

1.6 KẾT LUẬN 26

CHƯƠNG II 28

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ THỰC HIỆN TỐI ƯU DUNG LƯỢNG 28

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 28

2.2 DUNG LƯỢNG VÀ LƯU LƯỢNG PHỤC VỤ 29

2.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VIỆC PHỦ SÓNG 32

2.4 KẾT LUẬN 41

CHƯƠNG III 42

TỐI ƯU HÓA DUNG LƯỢNG MẠNG GSM 42

3.1 TĂNG DUNG LƯỢNG Ở CÁC ĐÀI TRẠM 42

3.2 QUY HOẠCH CELL 43

3.3 TÁI SỬ DỤNG TẦN SỐ 53

3.4 KẾT LUẬN 58

KẾT LUẬN CHUNG 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

PHỤ LỤC 62

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT 64

MỞ ĐẦU

Hiện nay trên thế giới mọi mặt của đời sống xã hội đều phát triển, không những về kinh tế, khoa học tự nhiên mà còn rất nhiều lĩnh vực khác Ngành thông tin liên lạc được coi là ngành mũi nhọn cần phải đi trước một bước, làm cơ sở cho các ngành khác phát triển Nhu cầu trao đổi, cập nhật thông tin của con người ở mọi nơi mọi lúc ngày càng cao Thông tin di động ra đời và phát triển đã trở thành một loại hình dịch vụ, phương tiện thông tin phổ biến, đáp ứng nhu cầu của cuộc sống hiện đại Các hệ thống thông tin

di động đang phát triển rất nhanh cả về qui mô, dung lượng và đặc biệt là các loại hình dịch vụ mới để đáp ứng tốt hơn nhu cầu của người sử dụng

Trong những năm gần đây, lĩnh vực thông tin di động trong nước đã có những bước phát triển vượt bậc cả về cơ sở hạ tầng lẫn chất lượng phục vụ Với sự phát triển của nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đã tạo ra sự cạnh tranh giữa các nhà cung cấp dịch vụ Các nhà cung cấp dịch vụ liên tục đưa ra các chính sách khuyến mại, giảm giá và

đã thu hút được rất nhiều khách hàng sử dụng dịch vụ Cùng với đó, mức sống chung của toàn xã hội ngày càng được nâng cao đã khiến cho số lượng các thuê bao sử dụng dịch vụ

di động tăng đột biến trong các năm gần đây

Các nhà cung cấp dịch vụ di động trong nước hiện đang sử dụng hai công nghệ là GSM (Global System for Mobile Communication - Hệ thống thông tin di động toàn cầu) với chuẩn TDMA (Time Division Multiple Access - đa truy cập phân chia theo thời gian)

và công nghệ CDMA (Code Division Multiple Access - đa truy cập phân chia theo mã) Các nhà cung cấp dịch vụ di động sử dụng hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM là Mobifone, Vinaphone, Viettel và các nhà cung cấp dịch vụ di động sử dụng công nghệ CDMA là S-Fone, EVN

Các nhà cung cấp dịch vụ di động sử dụng công nghệ CDMA mang lại nhiều tiện ích hơn cho khách hàng, và cũng đang dần lớn mạnh Tuy nhiên hiện tại do nhu cầu sử dụng của khách hàng nên thị phần di động trong nước phần lớn vẫn thuộc về các nhà cung cấp dịch vụ di động GSM với số lượng các thuê bao là nhiều hơn Chính vì vậy việc tối ưu hóa mạng di động GSM là việc làm rất cần thiết và mang một ý nghĩa thực tế rất cao

Trên cơ sở những kiến thức tích luỹ trong những năm học tập chuyên ngành Điện

Tử - Viễn Thông tại trường đại học Vinh cùng với sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Hoa Lư, em đã tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài “ Tối ưu dung lượng mạng thông tin di động GSM ”.

Nội dung đồ án được trình bày theo trình tự sau:

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

Chương II : Cơ sở lý thuyết để thực hiện tối ưu dung lượng

Chương III : Tối ưu hóa dung lượng mạng GSM

Em xin cam đoan đề tài “ tối ưu hóa dung lượng mạng thông tin di động GSM ” là

đề tài nghiên cứu của riêng cá nhân em, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết,

khảo sát tình hình thực tiễn và dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Hoa Lư.

Do thời gian làm đồ án có hạn và những hạn chế không tránh khỏi của việc hiểu biết các vấn đề dựa trên lý thuyết là chính nên báo cáo tốt nghiệp của em chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong có được những ý kiến đánh giá, góp ý của các thầy cô và các bạn để đồ án thêm hoàn thiện

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa “Điện tử - viễn thông ” trường Đại Học Vinh đã tận tình dạy dỗ chúng em trong suốt thời gian học tập tại

trường Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Hoa Lư người đã trực

tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Vinh, tháng 12 năm 2011 Sinh viên thực hiện

Trần Văn Hiệu

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM

Giai đoạn này gọi là hệ thống di động tương tự thế hệ đầu tiên (1G) với dải tầng hẹp, tất cả các hệ thống 1G sử dụng điều chế tần số FM cho đàm thoại, điều chế khoá dịch tần FSK (Frequency Shift Keying) cho tín hiệu và kỹ thuật truy cập được sử dụng là FDMA (Frequency Division Multiple Access)

Thế hệ thứ 2 (2G) được phổ biến trong suốt thập niên 90 Sự phát triển công nghệ thông tin di động thế hệ thứ hai cùng các tiện ích của nó đã làm bùng nổ lượng thuê bao

di động trên toàn cầu Đây là thời kỳ chuyển đổi từ các công nghệ analog sang digital

Giai đoạn này có các hệ thống thông tin di động số như : GSM - 900MHZ (Global System for Mobile), DCS-1800MHZ (Digital Cordless System), PDC - 1900Mhz (Personal Digital Cellular), IS - 54 và IS - 95 (Interior Standard) Trong đó GSM là tiền thân của hai hệ thống DCS, PDC Các hệ thống sử dụng kỹ thuật TDMA (Time Division Multiple Access) ngoại trừ IS-95 sử dụng kỹ thuật CDMA (Code Division Multiple Access)

Thế hệ 2G có khả năng cung cấp dịch vụ đa dạng, các tiện ích hỗ trợ cho công nghệ thông tin, cho phép thuê bao thực hiện quá trình chuyển vùng quốc tế tạo khả năng giữ liên lạc trong một diện rộng khi họ di chuyển từ quốc gia này sang quốc gia khác

Thế hệ thứ ba (3G), từ năm 1992 Hội nghị thế giới truyền thông dành cho truyền thông một số dải tần cho hệ thống di động 3G : phổ rộng 230MHz trong dải tần 2GHz, trong đó 60MHz được dành cho liên lạc vệ tinh Sau đó Liên Hiệp Quốc Tế Truyền Thông (UIT) chủ trương một hệ thống di động quốc tế toàn cầu với dự án IMT - 2000 sử dụng trong các dải 1885 - 2025MHz và 2110-2200MHz

Thế hệ 3G gồm có các kỹ thuật : W-CDMA (Wide band CDMA) kiểu FDD và TD-CDMA (Time Division CDMA) kiểu TDD Mục tiêu của IMT- 2000 là giúp cho các thuê bao liên lạc với nhau và sử dụng các dịch vụ đa truyền thông trên phạm vi thế giới,

với lưu lượng bit đi từ 144Kbit/s trong vùng rộng và lên đến 2Mbps trong vùng địa phương Dịch vụ bắt đầu vào năm 2001- 2002.

Ở nước ta, mạng thông tin di động đầu tiên ra đời vào năm 1992 với khoảng 5.000 thuê bao Hai nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động lớn là Mobifone (VMS) ra đời năm

1993 – liên doanh giữa công ty bưu chính viễn thông VN (VNPT) và tập đoàn COMVIK (Thụy Điển) và Vinafone của trung tâm dịch vụ viễn thông (GPC) thuộc VNPT ra đời năm 1996 Đến năm 2002 Sfone của tập đoàn TELECOM của Hàn Quốc và tháng 6/2004, Viettell của công Ty Viễn Thông Quân Đội cùng bước vào cuộc Cuộc chạy đua của các nhà khai thác làm cho giá cước giảm xuống và các dịch vụ càng đa dạng

1.2 CẤU TRÚC ĐỊA LÝ CỦA MẠNG

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 Trong hệ thống GSM, mạng được phân chia thành các phân vùng sau:

Hình 1.1 Phân cấp cấu trúc địa lý mạng GSM

Hình 1.2 Phân vùng và chia ô

 Vùng phục vụ PLMN

Vùng phục vụ GSM là toàn bộ vùng phục vụ do sự kết hợp của các quốc gia thành viên nên những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau có thể sử dụng được nhiều nơi trên thế giới

Phân cấp tiếp theo là vùng phục vụ PLMN, đó có thể là một hay nhiều vùng trong một quốc gia tùy theo kích thước của vùng phục vụ

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 (Gateway - Mobile Service Switching Center) G-MSC làm việc như một tổng đài trung kế vào cho GSM/PLMN

 Vùng phục vụ MSC

MSC (Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động, gọi tắt là tổng đài di động) 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.

 Vùng định vị LA

Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR được chia thành một số vùng định vị LA 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 LA được hệ thống sử dụng để tìm một thuê bao đang ở trạng thái hoạt động

Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng định

vị LAI (Location Area Identity):

LAI = MCC + MNC + LACMCC (Mobile Country Code): mã quốc gia

MNC (Mobile Network Code): mã mạng di động

LAC (Location Area Code) : mã vùng định vị (16 bit)

 Cell

Vùng định vị được chia thành một số ô mà khi MS di chuyển trong đó thì không cần cập nhật thông tin về vị trí với mạng Cell là đơn vị cơ sở của mạng, là một vùng phủ sóng vô tuyến được nhận dạng bằng nhận dạng ô toàn cầu (CGI) Mỗi ô được quản lý bởi một trạm vô tuyến gốc BTS

CGI = MCC + MNC + LAC + CI

CI (Cell Identity): Nhận dạng ô để xác định vị trí trong vùng định vị

Trạm di động MS tự nhận dạng một ô bằng cách sử dụng mã nhận dạng trạm gốc BSIC (Base Station Identification Code)

1.3 BĂNG TẦN VÀ PHƯƠNG PHÁP TRUY NHẬP SỬ DỤNG TRONG HỆ THỒNG GSM

Hệ thống thông tin di động GSM làm việc trong băng tần 890 – 960 MHz, băng tần này được chia làm 2 phần:

- Băng tần lên (uplink band): 890 – 915 MHz cho các kênh vô tuyến từ trạm di động đến hệ thống tram thu phát gốc

- Băng tần xuống (downlink band): 935 – 960 MHz cho các kênh vô tuyến từ tram thu phát gốc đếm trạm di động

B ¨ n g t Ç n x u è n g ( T õ B T S - M S )

Hình 1.3 Băng tần cơ bản và mở rộng của GSM

Mỗi băng rộng 25MHz , được chia làm 124 sóng mang Các sóng mang cạnh nhau cách nhau 200KHz Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt, một cho đường lên, một cho đường xuống các kênh này được gọi là kênh song công Khoảng cách giữa 2 tần số là không thay đổi và bằng 20MHz, được gọi là khoảng cách song công Kênh vô tuyến này được chia làm 8 khe thời gian, mỗi khe thời gian là một kênh vật lý để trao đổi thông tin giữa trạm thu phát và trạm di động Ngoài băng tần trên GSM còn mở rộng băng tần DCS (Digital Cellular System)

Ở giao diện vô tuyến, MS và BTS liên lạc với nhau bằng sóng vô tuyến Để sử dụng tài nguyên tần số có hiệu quả, ngoài việc sử dụng lại tần số, số kênh vô tuyến được dùng theo kiểu kênh trung kế Hệ thống trung kế vô tuyến là hệ thống vô tuyến có số kênh sẵn sàng phục vụ ít hơn số người dùng khả dĩ Phương thức sử dụng các kênh gọi là phương pháp đa truy nhập Người dùng khi có nhu cầu thì được đảm bảo về sự truy nhập vào trung kế

Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Friquency Division Multiple Access): phục vụ các cuộc gọi theo các kênh tần số khác nhau Người dùng được cấp phát một kênh trong tập hợp các kênh trong lĩnh vực tần số Phổ tần số được chia thành 2N dải tần

số kế tiếp, cách nhau một khoảng bảo vệ Mỗi dải tần số được gán một kênh liên lạc, N dải dành cho liên lạc hướng lên, N dải dành cho liên lạc hướng xuống

Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access): khi có yêu cầu một cuộc gọi thì một kênh vô tuyến được ấn định Các thuê bao khác nhau dùng chung một kênh nhờ cài xen thời gian Mỗi thuê bao được cấp một khe trong cấu trúc khung tuần hoàn 8 khe

Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access): là phương pháp trai phổ tín hiệu, gán cho mỗi MS một mã riêng biệt cho phép nhiều MS cùng thu, phát độc lập trên một băng tần nên tăng dung lượng cho hệ thống Hiện tại công

nghệ CDMA đang được triển khai tại một số quốc gia Tại Việt Nam hiện có mạng thông tin di động S- Fone của công ty cổ phần viễn thông Sài Gòn (SPT) đang sử dụng công nghệ này.

Ngoài ra còn sử dụng phương pháp truy nhập theo không gian SDMA Mạng GSM

sử dụng phương pháp TDMA kết hợp FDMA

1.4 MÔ HÌNH HỆ THỐNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM

Hình 1.4 Mô hình hệ thống thông tin di động GSM

Các ký hiệu:

OSS : Phân hệ khai thác và hỗ trợ BTS : Trạm vô tuyến gốc

AuC : Trung tâm nhận thực MS : Trạm di động

HLR : Bộ ghi định vị thường trú ISDN : Mạng số liên kết đa dịch vụ

MSC : Tổng đài di động PSTN (Public Switched Telephone Network): BSS : Phân hệ trạm gốc Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng.

BSC : Bộ điều khiển trạm gốc PSPDN : Mạng chuyển mạch gói công cộng OMC : Trung tâm khai thác và bảo dưỡng CSPDN (Circuit Switched Public Data Network):

SS : Phân hệ chuyển mạch Mạng số liệu chuyển mạch kênh công cộng

 Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động MSC

Trong SS, chức năng chuyển mạch chính được MSC thực hiện Nhiệm vụ chính của MSC là điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những người sử dụng mạng GSM Một mặt MSC giao tiếp với phân hệ BSS, mặt khác nó giao tiếp với mạng ngoài

MSC thực hiện cung cấp các dịch vụ của mạng cho thuê bao, chứa dữ liệu và thực hiện các quá trinh chuyển giao cuộc gọi (Handover) Ngoài ra MSC còn làm nhiệm vụ phát tin tức báo hiệu ra các giao diện ngoại vi

 Bộ ghi định vị thường trú HLR

Là cơ sở dữ liệu quan trọng nhất của hệ thống thông tin di động GSM HLR lưu trử các số liệu và địa chỉ nhận dạng cũng như các thông số nhận thực của thuê bao trong mạng các thông tin lưu trử trong HLR gồm: khóa nhận dạng thuê bao IMSI, MSISDN, VLR hiện thời, trạng thái thuê bao, khóa nhận thực và chức năng nhận thực, số lưu động tram di động MSRN

HLR chứa những cơ sở dữ liệu bậc cao của tất cả các thuê bao trong mạng GSM Những dữ liệu này được truy nhập từ xa bởi các MSC và VLR của mạng

HLR lưu giử các dịch vụ mà thê bao đăng kí, lưu giử số liệu động về vùng mà ở

đó đang chứa thuê bao của nó

 Bộ ghi định vị tạm trú VLR

VLR là cơ sở dữ liệu thứ 2 trong mạng GSM Nó được nối với một hay nhiều MSC và có nhêm vụ lưu giữ tạm thời số liệu thuê bao hiện đang nằm trong vùng phuc vụ của MSC tương ứng và đồng thời lưu giử số liệu về vị trí thuê bao nói trên ở mức đọ chính xác hơn HLR Các chức năng của VLR thường được liên kết với các chức năng của MSC

 Trung tâm nhận thực AuC

AuC quản lí các thông tin nhận thực và mật mã liên quan đến từng cá nhân thuê bao dựa trên một khóa nhận dạng bí mật Ki để đảm bảo an toàn số liệu cho các thuê bao được phép Khóa này cũng được lưu giữ vĩnh cửu và bí mật trong bộ nhớ ở MS Bộ nhớ

này có dạng Simcard có thể rút ra và cắm lại được AuC có thể được đặt trong HLR hoặc MSC hoặc độc lập với cả hai.

 Bộ đăng kí nhận dạng thiết bị EIR

Quản lý thiết bị di động được thực hiện bởi bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến phần thiết bị di động ME của trạm di động

MS EIR được nối với MSC thông qua đường báo hiệu để kiển tra sự được phép của thiết

bị bằnng cách so sánh các tham số nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMEI (International Mobile Equipment Identity) của thê bao gửi tới khi thiết lập thông tin với số IMEI lưu giữ trong EIR phòng trường hợp đây là những thiết bị đầu cuối bị đánh cắp, nếu so sánh không đúng thì thiết bị không thể truy nhập vào mạng được

 Tổng đài di động cổng G – MSC

Tất cả các cuộc gọi vào mạng GSM sẽ được định tuyến cho tổng đài di động 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 Tổng đài tại PSTN sẽ kết nối cuộc gọi này đến MSC có trang bị một chức năng đựoc 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 MSC 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

 Khối 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 chức năng MSC hay có thể ở thiết bị riêng, ở trường hợp hai giao tiếp giữa MSC và IWF được để mở

 Phân hệ trạm gốc BSS

BSS giao diện trực tiếp với các trạm di động MS bằng thiết bị BTS thông qua giao diện vô tuyến Mặt khác BSS thực hiện giao diện với các tổng đài ở phân hệ chuyển mạch

SS Tóm lại, BSS 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 Phân hệ trạm gốc BSS bao gồm:

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

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

BSS thực hiện nhiệm vụ giám sát các đường ghép nối vô tuyến, liên kết kênh vô tuyến với máy phát và quản lý cấu hình của các kênh này Đó là:

- Điều khiển sự thay đổi tần số vô tuyến của đường ghép nối (Frequency Hopping)

và sự thay đổi công suất phát vô tuyến

- Thực hiện mã hóa kênh và tín hiệu thoại số, phối hợp tốc độ truyền thông tin

- Quản lý quá trình Handover

- Thực hiện bảo mật vô tuyến

 Trạm thu phát gốc BTS

Một BTS bao gồm các thiết bị phát thu tín hiệu sóng vô tuyến, anten, bộ phận mã hóa và giải mã giao tiếp với BSC và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến Có thể coi BTS là các Modem vô tuyến phức tạp có thêm một số các chức năng khác Một bộ phận quan trọng của BTS là TRAU (Transcoder and Rate Adapter Unit: khối chuyển đổi

mã và thích ứng tốc độ) 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, ở 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 đặt cách xa BTS và thậm chí trong nhiều trường hợp được đặt giữa BSC và MSC

BTS có các chức năng sau:

- Quản lý lớp vật lý truyền dẫn vô tuyến

- Quản lý giao thức cho liên kết số liệu giữa MS và BSC

- Vận hành và bảo dưỡng trạm BTS

- Cung cấp các thiết bị truyền dẫn và ghép kênh nối trên giao tiếp A-bis

 Bộ 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 BTS và MS Các lệnh này chủ yếu là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao (Handover) Một phía BSC được nối với BTS còn phía kia nối với MSC của SS Trong thực tế, BSC là một tổng đài nhỏ có khả năng tính toán đáng kể Một BSC có thể quản lý vài chục BTS tuỳ theo lưu lượng các BTS này Giao diện giữa BSC

và MSC là giao diện A, còn giao diện giữa nó với BTS là giao diện A-bis

Nhân viên khai thác có thể từ trung tâm khai thác và bảo dưỡng OMC nạp

phần mềm mới và dữ liệu xuống BSC, thực hiện một số chức năng khai thác và bảo dưỡng, hiển thị cấu hình của BSC

BSC có thể thu thập số liệu đo từ BTS và BIE (Base Station Interface Equipment: Thiết bị giao diện trạm gốc), lưu trữ chúng trong bộ nhớ và cung cấp chúng cho OMC theo yêu cầu.

 Trạm di động MS

Trạm di động là thiết bị duy nhất mà người sử dụng có thể thường xuyên nhìn thấy của hệ thống MS có thể là: máy cầm tay, máy xách tay hay máy đặt trên ô tô Ngoài việc chứa các chức năng vô tuyến chung và xử lý cho giao diện vô tuyến MS còn phải cung cấp các giao diện với người sử dụng (như micrô, loa, màn hiển thị, bàn phím để quản lý cuộc gọi) hoặc giao diện với môt số các thiết bị khác (như giao diện với máy tính cá nhân, Fax…) Hiện nay, người ta đang cố gắng sản xuất các thiết bị đầu cuối gọn nhẹ để đấu nối với trạm di động Ba chức năng chính của MS:

- Thiết bị đầu cuối thực hiện các chức năng không liên quan đến mạng GSM

- Kết cuối trạm di động thực hiện các chức năng liên quan đến truyền đẫn ở giao diện vô tuyến

- Bộ thích ứng đầu cuối làm việc như một cửa nối thông thiêt bị đầu cuối với kết cuối di động Cần sử dụng bộ thích ứng đầu cuối khi giao diện ngoài trạm di động tuân theo tiêu chuẩn ISDN để đấu nối đầu cuối, còn thiết bị đầu cuối lại có thể giao diện đầu cuối – modem

Máy di động MS gồm hai phần: Module nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identity Module) và thiết bị di động ME (Mobile Equipment)

Để đăng ký và quản lý thuê bao, mỗi thuê bao phải có một bộ phận gọi là SIM SIM là một module riêng được tiêu chuẩn hoá trong GSM Tất cả các bộ phận thu, phát, báo hiệu tạo thành thiết bị ME ME không chứa các tham số liên quan đến khách hàng,

mà tất cả các thông tin này được lưu trữ trong SIM SIM thường được chế tạo bằng một

vi mạch chuyên dụng gắn trên thẻ gọi là Simcard Simcard có thể rút ra hoặc cắm vào MS

Sim đảm nhiệm các chức năng sau:

- Lưu giữ khoá nhận thực thuê bao Ki cùng với số nhận dạng trạm di động

quốc tế IMSI nhằm thực hiện các thủ tục nhận thực và mật mã hoá thông tin

- Khai thác và quản lý số nhận dạng cá nhân PIN (Personal Identity

Number) để bảo vệ quyền sử dụng của người sở hữu hợp pháp PIN là một số gồm từ 4 đến 8 chữ số, được nạp bởi nhà khai thác khi đăng ký lần đầu

 Phân hệ khai thác và bảo dưỡng OSS

 Khai thác và bảo dưỡng mạng

+ Khai thác.

Là hoạt động cho phép nhà khai thác mạng theo dõi hành vi của mạng như tải của

hệ thống, mức độ chặn, số lượng chuyển giao giữa hai cell.v.v Nhờ vậy nhà khai thác có thể giám sát được toàn bộ chất lượng dịch vụ mà họ cung cấp cho khách hàng và kịp thời nâng cấp Khai thác còn bao gồm việc thay đổi cấu hình để giảm những vấn đề xuất hiện

ở thời điểm hiện thời, để chuẩn bị tăng lưu lượng trong tương lai và mở rộng vùng phủ sóng Ở hệ thống viễn thông hiện đại, khai thác được thực hiện bằng máy tính và được tập trung ở một trạm

+ Bảo dưỡng.

Có nhiệm vụ phát hiện, định vị và sửa chữa các sự cố và hỏng hóc, nó có một số quan hệ với khai thác Các 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)

 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

 Quản lý thết 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

 Giao diện vô tuyến số

 Kênh vật lý

Kênh vật lý tổ chức theo quan niệm truyền dẫn Đối với TDMA GSM, kênh vật lý

là một khe thời gian ở một tần số sóng mang vô tuyến được chỉ định

- GSM 900 nguyên thủy

Dải tần số: 890 ÷ 915 MHz cho đường lên uplink (từ MS đến BTS)

935 ÷ 960 MHz cho đường xuống downlink (từ BTS đến MS)

Dải thông tần của một kênh vật lý là 200KHz Dải tần bảo vệ ở biên cũng rộng 200KHz

Ful (n) = 890,0 MHz + (0,2 MHz) * n

Fdl (n) = Ful (n) + 45 MHz

Với 1 ≤ n ≤ 124 Các kênh từ 1 ÷ 124 được gọi là các kênh tần số vô tuyến tuyệt đối ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number) Kênh 0 là dải phòng vệ

Vậy GSM 900 có 124 tần số bắt đầu từ 890,2MHz Mỗi dải thông tần là một khung TDMA có 8 khe thời gian Như vậy, số kênh vật lý ở GSM 900 là sẽ 992 kênh

Kênh lưu lượng TCH: Có hai loại kênh lưu lượng:

− Bm hay kênh lưu lượng toàn tốc (TCH/F), kênh này mang thông tin tiếng hay

− Kênh quảng bá BCH (Broadcast Channel).

− Kênh điều khiển chung CCCH (Common Control Channel)

− Kênh điều khiển riêng DCCH (Dedicate Control Channel)

+ Kênh quảng bá BCH: BCH = BCCH + FCCH + SCH.

− FCCH (Frequency Correction Channel): Kênh hiệu chỉnh tần số cung cấp tần

số tham chiếu của hệ thống cho trạm MS FCCH chỉ được dùng cho đường xuống

− SCH (Synchronous Channel): Kênh đồng bộ khung cho MS

− BCCH (Broadcast Control Channel): Kênh điều khiển quảng bá cung cấp các tin tức sau: Mã vùng định vị LAC (Location Area Code), mã mạng di động MNC (Mobile Network Code), tin tức về tần số của các cell lân cận, thông số dải quạt của cell và các thông số phục vụ truy cập

+ Kênh điều khiển chung CCCH: CCCH là kênh thiết lập sự truyền thông giữa BTS và MS Nó bao gồm: CCCH = RACH + PCH + AGCH.

− RACH (Random Access Channel), kênh truy nhập ngẫu nhiên Đó là kênh hướng lên để MS đưa yêu cầu kênh dành riêng, yêu cầu này thể hiện trong bản tin đầu của MS gửi đến BTS trong quá trình một cuộc liên lạc

− PCH (Paging Channel, kênh tìm gọi) được BTS truyền xuống để gọi MS

− AGCH ( Access Grant Channel): Kênh cho phép truy nhập AGCH, là kênh hướng xuống, mang tin tức phúc đáp của BTS đối với bản tin yêu cầu kênh của MS để thực hiện một kênh lưu lượng TCH và kênh DCCH cho thuê bao

+ Kênh điều khiển riêng DCCH: DCCH là kênh dùng cả ở hướng lên và hướng

xuống, dùng để trao đổi bản tin báo hiệu, phục vụ cập nhật vị trí, đăng ký và thiết lập cuộc gọi, phục vụ bảo dưỡng kênh DCCH gồm có:

- Kênh điều khiển dành riêng đứng một mình SDCCH dùng để cập nhật vị trí và thiết lập cuộc gọi

- Kênh điều khiển liên kết chậm SACCH, là một kênh hoạt động liên tục trong suốt cuộc liên lạc để truyền các số liệu đo lường và kiểm soát công suất

- Kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH, nó liên kết với một kênh TCH và hoạt động bằng cách lấy lên một khung FACCH được dùng để chuyển giao cell

 Hệ thống mã

Trong GSM, mỗi phần tử mạng cũng như mỗi vùng phục vụ đều được địa chỉ hoá bằng một số gọi là mã (code) Trên phạm vi toàn cầu, hệ thống mã này là đơn trị (duy nhất) cho mỗi đối tượng và được lưu trữ rải rác trong tất cả các phần tử mạng

 Mã xác định khu vực LAI (Location Area Identity)

LAI là mã quốc tế cho các khu vực, được lưu trữ trong VLR và là một thành phần trong mã nhận dạng tế bào toàn cầu 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 tương ứng 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 = LAI + CI

CI (Cell Identity) 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)

Cấu trúc của mã nhận dạng trạm gốc như sau:

NCC (3 bits) BCC (3 bits)Trong đó:

NCC (Network Color Code): mã màu của mạng GSM Được sử dụng để phân biệt với các mạng khác trong nước

BCC (BTS Color Code): mã màu của BTS Dùng để phân biệt các kênh sử dụng cùng một tần số của các trạm BTS khác nhau

 Số thuê bao ISDN của máy di động - MSISDN (Mobile Subscriber ISDN Number)

Mỗi thuê bao di động đều có một số máy MSISDN được ghi trong danh bạ điện thoại Nếu một số dùng cho tất cả các dịch vụ viễn thông liên quan đến thuê bao thì gọi là đánh số duy nhất, còn nếu thuê bao sử dụng cho mỗi dịch vụ viễn thông một số khác nhau thì gọi là đánh số mở rộng

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:

Trong đó:

CC (Country Code): mã nước, là nơi thuê bao đăng kí nhập mạng (Việt Nam thì

MNC (Mobile Network Code): mã mạng GSM

MSIN (Mobile Subscriber Identification Number): số nhận dạng thuê bao di động, gồm 10 số được dùng để nhận dạng thuê bao di động trong các vùng dịch vụ của mạng GSM, với 3 số đầu tiên được dùng để nhận dạng HLR

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 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 Moble 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 Cấu trúc của IMEI:

Trong đó:

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

1.5 CÁC TRƯỜNG HỢP THÔNG TIN VÀ THỦ TỤC MẠNG

Trước khi khảo sát các thủ tục thông tin khác nhau, hãy khảo sát các tình huống đặc biệt của 1 PLMN có tất cả các thuê bao di động, vì thế ta quan sát MS ở một số tình huống sau:

- Tắt máy:

Mạng sẽ không thể tiếp cận đến máy vì MS không trả lời thông báo tìm gọi Nó sẽ

không báo cho hệ thống về vùng định vị (nếu có) và MS sẽ được coi là rời mạng.

- MS bật máy, trạng thái rỗi:

Hệ thống có thể tìm gọi MS thành công, MS được coi là nhập mạng Trong khi chuyển động, MS luôn kiểm tra rằng nó được nối đến một kênh quảng bá được thu phát tốt nhất Quá trình này được gọi là lưu động (Roaming) MS cần thông báo cho hệ thống

về các thay đổi vùng định vị, quá trình này được gọi là cập nhật vị trí

- MS bận:

Mạng vô tuyến có một kênh thông tin (kênh tiếng) dành cho luồng số liệu tới và từ

MS trong quá trình chuyển động MS phải có khả năng chuyển đến một kênh thông tin

khác Quá trình này được gọi là chuyển giao (Handover) Để quyết định chuyển giao hệ

thống phải diễn giải thông tin nhận đuợc từ MS và BTS Quá trình này được gọi là định vị

 Lưu động và cập nhật vị trí

Coi rằng MS ở trạng thái tích cực, rỗi và đang chuyển động theo một phương liên tục MS được khoá đến một tần số vô tuyến nhất định có CCCH và BCH ở TS0 Khi MS rời xa BTS nối với nó cường độ tín hiệu sẽ giảm Ở một thời điểm nào đó không xa biên giới lý thuyết giữa hai ô lân cận nhau cường độ tới mức mà MS quyết định chuyển đến một tần số mới thuộc một trong các ô lân cận nó Để chọn tần số tốt nhất nó liên tục đo cường độ tín hiệu của từng tần số trong số tần số nhất định của ô lân cận Thường MS phải tìm được tần số BCH/CCCH từ BTS có cường độ tín hiệu tốt hơn tần số cũ Sau khi

tự khoá đến tần số mới này, MS tiếp tục nhận thông bao tìm gọi các thông báo quảng bá chừng nào tín hiệu của tần số mới vẫn đủ tốt Quyết định việc thay đổi tần số BCH/CCCH sẽ được thực hiện mà không cần thông báo cho mạng Nghĩa là mạng mặt đất không tham gia và quá trình này

Khả năng chuyển động vô định đồng thời với việc thay đổi nối thông MS ở giao tiếp vô tuyến tại thời điểm cần thiết để đảm bảo chất lượng thu được gọi là lưu động “ Roaming ”

- Khi MS chuyển động đến giữa hai cell thuộc 2 BTS khác nhau:

Ta biết rằng MS không hề biết cấu hình của mạng chứa nó Để gửi cho MS thông tin về vị trí chính xác của nó hệ thống gửi đi mã nhận dạng vùng định vị (LAI) liên tục ở giao tiếp vô tuyến bằng BCCH

Khi đi vào cell thuộc BSC khác MS sẽ nhận thấy vùng mới bằng cách thu BCCH

Vì thông tin về vị trí có tầm quan trọng lớn nên mạng phải thông báo về sự thay đổi này,

ở điện thoại di động quá trình này được gọi là “ đăng ký cưỡng bức” MS không còn cách nào khác là phải cố gắng thâm nhập vào mạng để cập nhật vị trí của mình ở MSC/VLR Quá trình này được gọi là cập nhật vị trí

Sau khi đã phát vị trí mới của mình lên mạng, MS tiếp tục chuyển động ở trong vùng mới như đã mô tả ở trên

- Khi MS chuyển động giữa hai vùng phục vụ khác nhau:

Trong trường hợp có một cuộc gọi vào cho MS, việc chuyển từ một vùng phục vụ MSC/VLR này sang một vùng phục vụ MSC/VLR khác có nghĩa là tuyến thông tin đi qua mạng cũng sẽ khác Để tìm được định tuyến đúng, hệ thống phải tham khảo bộ ghi định

vị thường trú HLR vì thế MSC/VLR sẽ phải cập nhật HLR về vị trí của MSC/VLR cho

 Thủ tục nhập mạng, đăng ký lần đầu và rời mạng

Khi MS bật máy nó sẽ quét giao tiếp vô tuyến để tìm ra tần số đúng, tần số mà MS tìm kiếm sẽ chứa thông tin quảng bá cũng như thông tin tìm gọi BCH/CCCH có thể có

MS tự khoá đến tần số đúng nhờ việc hiệu chỉnh tần số thu và thông tin đồng bộ

Vì đây là lần đầu MS sử dụng nên phần mạng chịu trách nhiệm xử lý thông tin tới / từ MS hoàn toàn không có thông tin về MS này, MS không có chỉ thị nào về nhận dạng vùng định vị mới Khi MS cố gắng thâm nhập tới mạng và thông báo với hệ thống rằng nó là MS mới ở vùng định vị này bằng cách gửi đi một thông báo “ Cập nhật vị trí mạng ” đến MSC/VLR

Từ giờ trở đi MSC/VLR sẽ coi rằng MS hoạt động và đánh dấu trường dữ liệu của

MS này bằng 1 cờ “nhập mạng” cờ này liên quan đến IMSI

Thủ tục rời mạng liên quan đến IMSI Thủ tục rời mạng của IMSI cho phép thông báo với mạng rằng thuê bao di động sẽ tắt nguồn , lúc này tìm gọi MS bằng thông báo tìm gọi sẽ không xảy ra

Một MS ở trạng thái hoạt động được đánh dấu là “đã nhập mạng” Khi tắt nguồn

MS gửi thông báo cuối cùng đến mạng, thông báo này chứa yêu cầu thủ tục rời mạng Khi thu được thông báo rời mạng MSC/VLR đánh dấu cờ IMSI đã rời mạng tương ứng

 Thủ tục tìm gọi, gọi đến và gọi đi

 Tìm gọi:

Cuộc gọi đến MS được định tuyến đến MSC/VLR nơi MS đăng ký Khi đó MSC/VLR sẽ gửi đi một thông báo tìm gọi đến MS, thông báo này được phát quảng bá trên toàn bộ vùng định vị LA nghĩa là tất cả các BTS trong LA sẽ gửi thông báo tìm gọi

MS Khi chuyển động ở LA và “ nghe ” thông tin CCCH MS sẽ “ nghe thấy ” thông báo tìm gọi và trả lời ngay lập tức

- Thuê bao A quay số của thuê bao B, số thuê bao được phân tích ở GMSC Bằng chức năng hỏi đáp GMSC gửi MSISDN cùng với yêu cầu về số lưu động (MSRN) đến bộ ghi định vị thường trú (HLR)

- HLR dịch số thuê bao của MS được quay vào nhận dạng GSM/PLMN: MSISDN

- Khi nhận được thông tin tìm gọi, BTS sẽ phát nó lên đường vô tuyến ở kênh tìm gọi PCH Khi MS ở trạng thái rỗi và “nghe” ở kênh PCH của một trong số các ô thuộc vùng định vị LA, nó sẽ nhận thông tin tìm gọi , nhận biết dạng IMSI và gửi trả lời về thông báo tìm gọi

- Sau các thủ tục về thiết lập cuộc gọi và sau khi đã gán cho một kênh thông tin cuộc gọi nói trên được nối thông đến MS ở kênh vô tuyến

 Gọi đi:

Giả sử MS rỗi và muốn thiết lập một cuộc gọi, thuê bao này sẽ quay tất cả các chữ

số của thuê bao bị gọi và bắt đầu thủ tục này bằng cách ấn phím “ phát ” Khi này MS gửi

đi một thông báo đầu tiên đến mạng bằng CCCH để yêu cầu thâm nhập Trước hết MSC/VLR sẽ giành cho MS một kênh riêng, kiểm tra thể loại của thuê bao bị gọi và đánh dấu thuê bao này ở trạng thái bận Nếu thuê bao gọi được phép sử dụng mạng MSC/VLR

sẽ công nhận yêu cầu thâm nhập Bây giờ MS sẽ gửi đi một thông báo để thiết lập cuộc gọi, tuỳ theo thuê bao bị gọi là cố định hay di động số của nó sẽ được phân tích trực tiếp

ở MSC/VLR hoặc gửi đến một tổng đài chuyển tiếp của mạng PSTN cố định Ngay khi đường nối đến thuê bao bị gọi đã sẵn sàng thông báo thiết lập cuộc gọi sẽ được công nhận, MS cũng sẽ được chuyển đến một kênh thông tin riêng Bây giờ tín hiệu cuối cùng

sẽ là sự khẳng định thuê bao

 Chuyển giao cuộc gọi

Bây giờ ta xem xét điều gì sẽ xảy ra khi một trạm di động ở trạng thái bận chuyển động xa dần BTS mà nó nối đến ở đường vô tuyến Như ta vừa thấy MS sử dụng một kênh TCH riêng để trao đổi số liệu, tín hiệu của mình với mạng khi càng rời xa BTS, suy hao đường truyền cũng như ảnh hưởng của Fadinh sẽ làm giảm chất lượng truyền dẫn vô tuyến số Tuy nhiên hệ thống có khả năng đảm bảo chuyển sang BTS bên cạnh

Quá trình thay đổi đến một kênh thông tin mới trong quá trình thiết lập cuộc gọi hay ở trạng thái bận được gọi là chuyển giao Mạng sẽ quyết định về sự thay đổi này MS gửi các thông tin liên quan đến cường độ tín hiệu và chất lượng truyền dẫn đến BTS quá trình này được gọi là cập nhật MS và mạng có khả năng trao đổi thông tin về báo hiệu trong quá trình cuộc gọi để có thể đồng bộ chuyển vùng Trong quá trình hội thoại ở kênh TCH dành riêng, MS phải tập trung lên TCH này vì thế không thể một kênh khác dành riêng cho báo hiệu Một lý do khác nữa là số lượng kênh có hạn nên hệ thống không sử dụng 2 kênh cho cùng một hướng, việc tổ chức truyền dẫn số liệu trên kênh TCH sao cho cuộc nói chuyện cũng như thông tin về báo hiệu được gửi đi trên 1 kênh Luồng số liệu sẽ được phát đi theo một trình tự chính xác để cả MS lẫn BTS có thể phân biệt giữa cuộc nói chuyện và các thông tin báo hiệu

Bây giờ ta quay lại việc định vị, trước hết BTS sẽ thông báo cho MS về các BTS lân cận và các tần số BCH/CCCH nhờ thông tin này MS có thể đo cường độ tín hiệu ở các tần số BCH/CCCH của trạm gốc lân cận, MS đo cả cường độ tín hiệu lẫn chất lượng truyền dẫn ở TCH “ bận ” của mình Tất cả các kết quả đo này được gửi đến mạng để phân tích sâu hơn Cuối cùng BTS sẽ quyết định chuyển vùng BSC sẽ phân tích các kết quả đo do BTS thực hiện ở TCH “ bận ” Tóm lại BSC sẽ giải quyết 2 vấn đề :

+ Khi nào cần thực hiện chuyển vùng

+ Phải thực hiện chuyển vùng tới BTS nào

Sau khi đánh giá chính xác tình huống và bắt đầu quá trình chuyển vùng, BSC sẽ chịu trách nhiệm thiết lập một đường nối thông đến BTS mới Có các trường hợp chuyển vùng sau:

 Chuyển giao trong 1 vùng1 BSC

Ở trường hợp này BSC phải thiết lập một đường nối đến BTS mới, dành riêng một TCH của mình và ra lệnh cho MS phải chuyển đến 1 tần số mới đồng thời cũng chỉ ra một TCH mới Tình huống này không đòi hỏi thông tin gửi đến phần còn lại của mạng Sau khi chuyển giao MS phải nhận được các thông tin mới và các ô lân cận Nếu như việc thay đổi đến BTS mới cũng là thay đổi vùng định vị thì MS sẽ thông báo cho mạng về LAI mới của mình và yêu cầu cập nhật vị trí

 Chuyển giao giữa hai BSC khác nhau nhưng cùng một MSC/VLR

Trường hợp này cho thấy sự chuyển giao trong cùng một vùng phục vụ nhưng giữa hai BSC khác nhau Mạng can thiệp nhiều hơn khi quyết định chuyển giao BSC phải yêu cầu chuyển giao từ MSC/VLR Sau đó có một đường nối thông mới phải được thiết lập và nếu có TCH rỗi, TCH này phải được dành cho chuyển giao Sau đó khi MS nhận được lênh chuyển đến tần số mới và TCH mới Ngoài ra sau khi chuyển giao MS được thông báo về các ô lân cận mới Nếu việc này thay đổi BTS đi cùng với việc thay đổi vùng định vị MS sẽ gửi đi yêu cầu cập nhật vị trí trong quá trình cuộc gọi hay sau cuộc gọi

 Chuyển giao giữa hai vùng phục vụ MSC/VLR

Đây là trường hợp chuyển giao phức tạp nhất nhiều tín hiệu được trao đổi nhất trước khi thực hiện chuyển giao

Ta sẽ xét 2 MSC/VLR Gọi MSC/VLR cũ (tham gia cuộc gọi trước khi chuyển giao) là tổng đài phục vụ và MSC/VLR mới là tổng đài đích Tổng đài cũ sẽ gửi yêu cầu chuyển giao đến tổng đài đích sau đó tổng đài đích sẽ đảm nhận việc chuẩn bị nối ghép tới BTS mới Sau khi thiết lập đường nối giữa hai tổng đài tổng đài cũ sẽ gửi đi lệnh chuyển giao đến MS

1.6 KẾT LUẬN

Qua chương này chúng ta đã tìm hiểu được toàn bộ các đặc điểm cơ bản, chức năng, cấu trúc tổng thế và cơ chế hoạt động của mạng thông tin di động GSM Qua đó chúng ta thấy:

- Số lượng lớn các dịch vụ và tiện ích cho các thuê bao cả trong thông tin thoại và

số liệu

- Sự tương thích của các dịch vụ trong GSM với các dịch vụ của mạng có sẵn

(PSTN-ISDN) bởi các giao diện theo tiêu chuẩn chung.

- Tự động cập nhật vị trí cho mọi thuê bao di động

- Độ linh hoạt cao nhờ sử dụng các đầu cuối thông tin di động khác nhau như máy xách tay, máy cầm tay, đặt trên ô tô

- Sử dụng băng tần số 900MHz với hiệu quả cao nhờ sự kết hợp giữa hai công nghệ

TDMA (Time Division Multiple Acces s) với FDMA (Frequency Division Multiple Access).

- Giải quyết sự hạn chế dung lượng nhờ việc sử dụng tần số tốt hơn

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ THỰC HIỆN TỐI ƯU DUNG LƯỢNG

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

 Lưu đồ thực hiện tối ưu hóa

Hình 2.1 Lưu đồ tối ưu hóa

 Các quá trình thực hiện

 Giám sát chất lượng phục vụ

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 qua các thông tin sau:

- Thông tin về chất lượng, mức nghẽn

- Thông tin về số lượng cuộc gọi bị rớt

- Thông tin về mức độ nhiễu

- Thông tin về số cuộc gọi chuyển giao thành công

Ngoài ra 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

 Phân tích và nêu ra các vấn đề kỹ thuật

Từ các thông tin thu 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 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…

 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: thiết bị đo mức và đặc tính sóng, thiết bị đo lỗi đường truyền…

 Đưa ra công việc thực hiện

Trong những chương sau, chúng ta phải 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 về mạng

2.2 DUNG LƯỢNG VÀ LƯU LƯỢNG PHỤC VỤ

 Nhu cầu về thông tin di động

Để xác định đươc nhu cầu về thông tin di động thì chúng ta phải căn cứ vào các vấn đề sau:

- 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

- Kinh nghiệm phát triển mạng của các mạng trước

- Giá thành hệ thống và thiết bị đầu cuối…

 Yêu cầu lưu lượng cho mỗi thuê bao

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

3600

*T n

Trong đó:

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.

 Mức độ phục vụ GoS

Nếu hệ thống chuyển mạch hoặc số kênh được thiết kế để mọi 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 Vì vậy, mạng sẽ được thiết kế với một mức độ nghẽn nào đó có thể 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%

 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 chúng ta phải tra 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 là 33 mErlang nên tổng số thuê bao có thể phục vụ là 24.626 /0.033 = 746 thuê bao

 Khái niệm kênh trong mạng GSM

Trong GSM chúng ta phải phân biệt giữa hai khái niệm kênh và tần số mỗi tần số

sẽ có 8 kênh, vì vậy trong một cell sẽ có tổng số là 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

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 3 lần số lần thiết lập cuộc gọi Vì vậy trong giờ bận, một thuê bao sử dụng 4 kênh SDCCH Khi

đó lưu lượng cho mỗi thuê bao là :

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

Nếu mỗi kênh vật lý ghép với 8 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 * 0.33 = 36.271 Erlang, tương ứng với 45 TCH

Như vậy nếu ta sử dụng một kênh vật lý với 8 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 4 kênh SDCCH ở mức nghẽn 2% thì nó có khả năng phục vụ cho khoảng

331 thuê bao, 17 TCH ở mức nghẽn GoS = 2% Như vậy trong khi thiết kế tùy theo yêu cầu về dung lượng mà ta sử dụng một trong 2 cách này

 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

Bảng 2.1 Hiệu quả sử dụng trung kế

61422303845

2.28 Erlang8.20 Erlang14.90 Erlang21.93 Erlang29.17 Erlang35.16 Erlang

 Kích thước mạng tổ ong

Để xác định kích thước mạng tổ ong, ta cần xác định số kênh cần thiết cho mỗi cell

Ví dụ: với lưu lượng 33 Erlang, mức độ dịch vụ trong giờ cao điểm là GoS = 2 %

Từ bảng Erlang ta tìm được số kênh là 43 Tuy nhiên, cũng với lưu lượng và cấp độ dịch

vụ như trên nhưng vùng phủ sóng yêu cầu số cell nhiều hơn (giả sử là 5 cell) Trước tiên lưu lượng tổng phụ thuộc vào yêu cầu sử dụng cell

Ví dụ:

ABCDE

4025151010

13.208.254.153.303.30

20141088

Như vậy lưu lượng khi phân bố trên nhiều cell sẽ cần dùng nhiều kênh hơn so với trường hợp toàn bộ lưu lượng được dồn vào một cell

2.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VIỆC PHỦ SÓNG

 Suy hao đường truyền

Là quá trình mà ở đó tín hiệu thu giảm dần do khoảng cách trạm phát và trạm thu ngày càng tăng Với một anten cho trước công suất phát suy hao đường truyền tỷ lệ với bình phương của d*f với d là khoảng cách và f là tần số Trong địa hình thành phố suy hao có thể tỉ lệ với d4 hoặc hơn thế

Hệ thống GSM được thiết kế với mục đích là một mạng tổ ong dày đặc và bao trùm một vùng phủ sóng rộng lớn Các nhà khai thác, thiết kế mạng của mình sao cho cuối cùng đạt được một vùng phủ liên tục bao trùm tất cả các vùng dân cư của đất nước Vùng phủ sóng được chia thành các vùng nhỏ hơn là các cell Mỗi cell được phủ sóng bởi một trạm phát vô tuyến gốc BTS Kích thước cực đại của một cell thông thường có thể đạt tới bán kính R = 35 km Vì vậy, suy hao đường truyền là không thể tránh khỏi

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:

 Suy hao do Fading

• Fading chuẩn loga

Trạm di động thường hoạt động ở các môi trường có nhiều chướng ngại vật (các quả đồi, tòa nhà…) Điều này dẫn đến hiệu ứng che khuất làm giảm cường độ tín hiệu thu, khi thuê bao di chuyển cường độ thu sẽ thay đổi

• Fading Rayleigh

Khi môi trường có nhiều chướng ngị vật, tín hiệu thu từ nhiều phương khác nhau Điều này có nghỉa là tín hiệu thu là tổng của nhiều tín hiệu giống nhau nhưng khác pha và biên độ

Để giảm phần nào tác hại do Fading gây ra, người ta thường tăng công suất phát

đủ lớn để tạo ra một lượng dự trữ Fading, sử dụng một số biện pháp như: phân tập anten, nhảy tần…

Tóm lại, qua phân tích những ảnh hưởng của các tham số trên đến môi trường truyền sóng, ta có được những cơ sở làm tiền đề cho việc tối ưu hóa vùng phủ sóng

Các phương pháp phòng ngừa suy hao truyền dẫn do Fading:

Để cải thiện máy thu và chất lượng của tín hiệu thu, có 4 phương án để thực hiện như sau:

• Phân tập anten

Fading là một hiên tượng ngẩu nhiên không tương quan (không đồng thời) xảy ra với các giá trị khác nhau của cùng một tham số tín hiệu, có tính chọ lọc theo tần số, thời