Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

Cùng với đó,mức sống chung của toàn xã hội ngày càng được nâng cao đã khiến cho số lượng cácthuê bao sử dụng dịch vụ di động tăng đột biến trong các năm gần đây.Vào nhữngngày tết cũng nh

Giải phỏp nõng cao dung lượng trong mạng GSM

Trờng đại học vinh KHOA CễNG NGHỆ

TRONG MẠNG GSM

Ngời hớng dẫn PGS.TS Nguyễn hoa l

Sinh viên thực hiện nguyễn đăng tiến

Lớp 46K - ĐTVT

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

MỤC LỤC

Trang LỜI NÓI ĐẦU 5

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT………7

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 1.1 Lịch sử phát triển mạng GSM 12

1.2 Cấu trúc địa lý của mạng 14

1.2.1.Vùng phục vụ PLMN 15

1.2.2 Vùng phục vụ MSC 15

1.2.3 Vùng định vị LA 16

1.2.4 Cell 16

1.3 Băng tần sử dụng hệ thống GSM……… 17

1.3 Băng tần sử dụng trong hệ thống GSM 17

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2.1 Mô hình hệ thống trong thông tin di động GSM ……….18

2.2 Các thành phần chức năng trong mạng .19

2.2.1 Trạm di động MS ……… 19

2.2.2 Phân hệ trạm gốc BSS ……… 19

2.2.2.1 Trạm thu phát gốc BTS 19

2.2.2.3 Bộ điều khiển trạm gốc BSC 20

2.2.3 Phân hệ chuyển mạch SS 21

2.2.3.1 Trung tâm chuyển mạch di động MSC 21

2.2.3.2 Bộ ghi định vị thường trú HLR 22

2.2.3.3 Bộ ghi định vị tạm trú VLR 22

2.2.3.4 Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR 23

2.2.3.5 Khối trung tâm nhận thực AuC 24

2.2.4 Phân hệ khai thác và bảo dưỡng OSS 25

2.2.4.1 Khai thác và bảo dưỡng mạng 25

2.2.4.2 Quản lý thuê bao 26

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

2.3 Giao tiếp vô tuyến số……… ……… 25

2.3.1 Kênh vật lý 25

2.3.2 Kênh logic 26

2.3.2.1 Kênh lưu lượng 27

2.3.2.2 Các kênh điều khiển CCH 27

2.4 Các mã nhận dạng sử dụng trong mạng GSM 2.4.1 Mã xác định khu vực LAI 28

2.4.2 Các mã số đa dịch vụ toàn cầu 28

2.4.3 Mã nhận dạng tế bào toàn cầu CGI 28

2.4.4 Mã nhận dạng trạm gốc BSIC 29

2.4.5 Số thuê bao ISDN của máy di động 29

2.4.6 Nhận dạng thuê bao di động toàn cầu IMSI 29

2.4.7 Nhận dạng thuê bao di động cục bộ 30

2.4.8 Số vãng lai của thuê bao di động 30

2.4.9 Số chuyển giao HON 30

2.4.10 Nhận dạng thiết bị di động quốc tế 31

2.5 Các trường hợp thông tin và thủ tục nhập mạng……….31

2.5.1 Tổng quan 31

2.5.2 Lưu động và cập nhật vị trí 32

2.5.3 Thủ tục nhập mạng và đăng ký lần đầu 33

2.5.4 Thủ tục rời mạng 34

2.5.5 Tìm gọi 34

2.5.6 Gọi từ MS 34

2.5.7 Gọi đến thuê bao MS 35

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN MẠNG DI ĐỘNG GSM 3.1.Lý thuyết dung lượng và cấp độ phục vụ……… 37

3.1.1 Lưu lượng và kênh vô tuyến đương trục ……… 37

3.1.2 Cấp độ phục vụ GoS……… 38

3.1.3 Hiệu suất sử dụng trung kế……… 39

3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng phủ sóng……….40

3.2.1 Tổn hao đường truyền sóng vô tuyến 41

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

3.2.1.1 Tính toán lý thuyết 41

3.2.1.2 Các mô hình chính lan truyền sóng trong thông tin di động… 41

3.2.2 Suy hao đường truyền 42

3.2.2.1 Dự đoán chung 42

3.3 Các vấn đề về phading 46

3.3.1 Phading chuẩn logarit 46

3.3.2 Phading Rayleih……… ……….46

3.4 Ảnh hưởng nhiễu C/I và C/A……… ……… 47

3.4.1 Nhiễu đồng kênh C/I……… 47

3.4.2 Nhiễu kênh lân cận C/A……… 49

3.5 Một số vấn biện pháp khắc phục……… 49

3.6 Phân tán thời gian……… 51

3.6.1 Các trường hợp phân tán thời gian……… 52

3.6.2 Biện pháp khắc phục……… 54

3.6.2.1 Chọn vị trí đặt BTS……… 54

3.6.2.2 Thay đổi Anten và góc nghiêng Anten……… 54

3.6.2.3 Điều chỉnh tham số Cell……… 55

3.6.2.4 Đo lường……… 56

CHƯƠNG 4 CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO DUNG LƯỢNG 4.1 Tăng dung lượng ở các đài trạm 56

4.2 Quy hoạch Cell 57

4.2.1 Khái niệm ô 57

4.2.2 Lưu Lượng ……… 59

4.2.3 Tái sử dụng tần số 62

4.2.4 Quy hoạch cell 64

4.2.4.2 Kích thước cell và phương thức phủ sóng 65

4.3 Chia cell 67

4.3.1 Giai đoạn 0 68

4.3.2 Giai đoạn 1 69

4.3.3 Giai đoạn 2 71

4.4 Thay đổi quy hoạch tần số theo phân bố lưu lượng……… 77

4.4.1 Thay đổi quy hoạch tần số……… 77

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

4.5 Thiết kế tần số theo phương pháp MRP (Multiple Reuse Patterns)

……… ……….79

4.5.1 Nhảy tần ( Frequency Hopping )……… ………79

4.5.2 Phương pháp đa mẫu sử dụng lại MRP ( Multiple Reuse Patterns ) 80

4.5.2.2 Ấn định tần số……… ………82

4.5.2.3 Thiết kế tần số……… ….83

KẾT LUẬN………86

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

LỜI NÓI 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 lạcđược coi là ngành mũi nhọn cần phải đi trước một bước, làm cơ sở cho các ngànhkhác phát triển Nhu cầu trao đổi, cập nhật thông tin của con người ở mọi nơi mọi lúcngày 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 hệthống thông tin di động đang phát triển rất nhanh cả về qui mô, dung lượng và đặcbiệt 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 nhữngbước phát triển vượt bậc cả về cơ sở hạ tầng lẫn chất lượng phục vụ Với sự pháttriển của nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đã tạo ra sự cạnh tranh giữa các nhàcung cấp dịch vụ Các nhà cung cấp dịch vụ liên tục đưa ra các chính sách khuyếnmại, 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 cácthuê bao sử dụng dịch vụ di động tăng đột biến trong các năm gần đây.Vào nhữngngày tết cũng như gìơ cao điểm thường bị nghẽn mạng

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

Nội dung đồ án gồm 4 chương được trình bày theo trình tự sau:

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

Chương II: Cấu trúc mạng thông tin di động GSM

Chương III: Tính toán mạng di động GSM

Chương IV: Các giải pháp nâng cao dung lượng

Chính vì vậy việc tối ưu mạng di động GSM là việc làm rất cần thiết và mang một ý

nghĩa thực tế rất cao Với sử chỉ bảo tận tình của PGS.TS Nguyễn Hoa Lư em đã

tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài “Giải pháp nâng cao

vấn dung lượng mạng GSM”

Vinh, ngày 9 tháng 5 năm 2010

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Đăng Tiến

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

ACCHAssociated Control Channel Kênh điều khiển liên kết

AGCH Access Grant Channel Kênh cho phép truy nhập

ARFCH Absolute Radio Frequency Kênh tần số tuyệt đối

ChannelAUC Authentication Center Trung tâm nhận thực

AVDR Average Drop Call Rate Tỉ lệ rớt cuộc gọi trung bình

B

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá

BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc

BSIC Base Station Identity Code Mã nhận dạng trạm gốc

BSS Base Station Subsystem Phân hệ trạm gốc

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

C

C/A Carrier to Adjacent Tỉ số sóng mang/nhiễu kênh lân

cậnCCBR SDCCH Blocking Rate Tỉ lệ nghẽn mạch trên SDCCH

CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung

CCDR SDCCH Drop Rate Tỉ lệ rớt mạch trên SDCCH

CCS7 Common Channel Signalling No7 Báo hiệu kênh chung số 7

CCITT International Telegraph and Uỷ ban tư vấn quốc tế về điện thoại và

Telephone Consultative Committee điện báo CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

C/I Carrier to Interference Tỉ số sóng mang/nhiễu đồngkênh

C/R Carrier to Reflection Tỉ số sóng mang/sóng phản xạ

CSPDN Circuit Switch Public Mạng số liệu công cộngchuyển mạch

CSSR Call Successful Rate Tỉ lệ cuộc gọi thành công

Standard Institute Châu Âu

F

FDMA Frequency Division Multiple Đa truy nhập phânchia theo tần số

AccessFACCH Fast Associated Kênh điều khiển liên kết nhanh

Control ChannelFCCH Frequency Correction Channel Kênh hiệu chỉnh tần số

G

GSM Global System for Mobile Thông tin di động toàn cầu

Communication

H

HLR Home Location Register Bộ đăng ký định vị thường trú

I

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

IHOSR Incoming HO Successful Rate Tỉ lệ thành công Handover đến

IMSI International Mobile Số nhận dạng thuê bao di động

Subscriber Identity quốc tếISDN Integrated Service Digital Mạng số đa dịch vụ

Network

L

LAI Location Area Identifier Số nhận dạng vùng định vị

LAPD Link Access Procedures Các thủ tục truy cập đường

LAPDm Link Access Procedures Các thủ tục truy cập đường

M

MCC Mobile Country Code Mã quốc gia của mạng di động

MNC Mobile Network Code Mã mạng thông tin di động

Switching CenterMSIN Mobile station Identification Số nhận dạng trạm di động

NumberMSISDN Mobile station ISDN Number Số ISDN của trạm di động

MSRN MS Roaming Number Số vãng lai của thuê bao di động

N

NMC Network Management Center Trung tâm quản lý mạng

NMT Nordic Mobile Telephone Điện thoại di động Bắc Âu

O

OHOSR Outgoing HO Successful Rate Tỉ lệ thành công Handover ra

OSI Open System Interconnection Liên kết hệ thống mở

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

OSS Operation and Support Phân hệ khai thác và hỗ trợ

SubsystemOMS Operation & Maintenace Phân hệ khai thác và bảo dưỡng

Subsystem

P

PAGCH Paging and Access Grant Kênh chấp nhận truy cập

PLMNPublic Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng

PSPDN Packet Switch Public Mạng số liệu công cộng

Data Network chuyển mạch góiPSTN Public Switched Telephone Mạng chuyển mạch điện thoại công

R

RACHRandom Access Channel Kênh truy cập ngẫu nhiên

S

SACCH Slow Associated Kênh điều khiển liên kết chậm

Control ChannelSDCCH Stand Alone Dedicated Kênh điều khiển dành riêng

Control Channel đứng một mình (độc lập)SIM Subscriber Identity Modul Mô đun nhận dạng thuê bao

T

TACH Traffic and Associated Channel Kênh lưu lượng và liên kết

TCBR TCH Blocking Rate Tỉ lệ nghẽn mạch TCH

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

thời gian

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

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

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM (tiếng Anh: Global System for

Mobile Communications) là một công nghệ dùng cho mạng thông tin di động Dịch

vụ GSM được sử dụng bởi hơn 2 tỷ người trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ Cácmạng thông tin di động GSM cho phép có thể roaming với nhau do đó những máyđiện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau ở có thể sử dụng được nhiềunơi trên thế giới

1.1.2 Lịch sử phát triển

GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới.Khả năng phú sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ biến trênthế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng trên thếgiới GSM khác với các chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu và tốc độ, chất lượng

cuộc gọi Nó được xem như là một hệ thống ĐTDĐ thế hệ thứ hai (Second

Generation - 2G) GSM là một chuẩn mở, hiện tại nó được phát triển bởi thế hệ thứ

3 (Generation Partnership Project - 3GPP).

Đứng về phía quan điểm khách hàng, lợi thế chính của GSM là chất lượngcuộc gọi tốt hơn, giá thành thấp và dịch vụ tin nhắn Thuận lợi đối với nhà điều hànhmạng là khả năng triển khai thiết bị từ nhiều người cung ứng GSM cho phép nhàđiều hành mạng có thể kết hợp chuyển vùng với nhau do vậy mà người sử dụng cóthể sử dụng điện thoại của họ ở khắp nơi trên thế giới

Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết hợp được cácvùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải được bài toán khó về dung lượng

Tháng 12-1971 đưa ra hệ thống cellular kỹ thuật tương tự, FM, ở dải tần số850Mhz.Dựa trên công nghệ này đến năm 1983, mạng điện thoại di động AMPS(Advance Mobile Phone Service) phục vụ thương mại đầu tiên tại Chicago, nước Mỹ.Sau đó hàng loạt các chuẩn thông tin di động ra đời như : Nordic Mobile Telephone(NTM), Total Access Communication System (TACS)

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

sử dụng là FDMA (Frequency Division Multiple Access)

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

Thế hệ thứ 2 (2G) được phổ biến trong suốt thập niên 90 Sự phát triển côngnghệ thông tin di động thế hệ thứ hai cùng các tiện ích của nó đã làm bùng nổ lượngthuê bao di động trên toàn cầu Đây là thời kỳ chuyển đổi từ các công nghệ analogsang 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 đóGSM 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 (CodeDivision Multiple Access)

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

Thế hệ thứ ba (3G), từ năm 1992 Hội nghị thế giới truyền thông dành chotruyền thông một số dải tần cho hệ thống di động 3G : phổ rộng 230MHz trong dảitần 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 vàTD-CDMA (Time Division CDMA) kiểu TDD Mục tiêu của IMT- 2000 là giúp chocác thuê bao liên lạc với nhau và sử dụng các dịch vụ đa truyền thông trên phạm vithế giới, với lưu lượng bit đi từ 144Kbit/s trong vùng rộng và lên đến 2Mbps trongvùng 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 khoảng5.000 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 tậpđoàn 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 củaHàn Quốc và tháng 6/2004, Viettell của công Ty Viễn Thông Quân Đội cùng bước

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

vào cuộc Cuộc chạy đua của các nhà khai thác làm cho giá cước giảm xuống và cácdịch 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 gọiđến tổng đài cần thiết và cuối cùng đến thuê bao bị gọi Ở một mạng di động, cấu trúcnày rất quan trọng do tính lưu thông của các thuê bao trong mạng Trong hệ thốngGSM, mạng được phân chia thành các phân vùng sau (hình 1.2):

Hình 1.1 Phân cấp cấu trúc địa lý mạng GSM

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 vùngtrong 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 cáccuộc gọi vào hay ra mạng GSM/PLMN đều được định tuyến thông qua tổng đài vôtuyến cổng G-MSC (Gateway - Mobile Service Switching Center) G-MSC làm việcnhư một tổng đài trung kế vào cho GSM/PLMN

1.2.2 Vùng phục vụ MSC

MSC (Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động, gọi tắt là tổng đài diđộng) Vùng MSC là một bộ phận của mạng được một MSC quản lý Để định tuyếnmột cuộc gọi đến một thuê bao di động Mọi thông tin để định tuyến cuộc gọi tới thuê

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

bao di động hiện đang trong vùng phục vụ của MSC được lưu giữ trong bộ ghi định

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 vùngđịnh vị LAI (Location Area Identity):

LAI = MCC + MNC + LAC

MCC (Mobile Country Code): mã quốc gia

MNC (Mobile Network Code): mã mạng di động

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

1.2.4 Cell(tế bào)

Vùng định vị được chia thành một số ô mà khi MS di chuyển trong đó thìkhông cần cập nhật thông tin về vị trí với mạng Cell là đơn vị cơ sở của mạng, là mộtvùng phủ sóng vô tuyến được nhận dạng bằng nhận đạng ô toàn cầu (CGI) Mỗi ôđược 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 trạmgốc BSIC (Base Station Identification Code)

1.3 Băng tần sử dụng hệ thống GSM

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

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

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

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

Mỗi băng rộng 23KHz , được chia làm 24 sóng mang Các sóng mang cạnhnhau cách nhau 200KHz Mỗi kênh sử dụng 2 tần só riêng biệt, một cho đường lên,một cho đường xuống các kênh này được gọi là kênh song công Khoảng cách giữa 2tần số là không thay đổi và bằng 45KHz, 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 đểtrao 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)

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM

2.1 Mô hình hệ thống trong thông tin di động GSM

Hình 2.1 Cấu trúc mạng GSM

OSS Phân hệ khai thác và bảo dưỡng

SS Phân hệ chuyển mạch

Auc Trung tâm nhận thực

EIR Thanh ghi nhận dạng thiết bị

ISDN Mạng số liên kết đa dịch vụ

PSPDN Mạng chuyển mạch gói công cộng

PSTN Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng

CSPDN Mạng chuyển mạch kênh cộng cộng

- 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 ởgiao diện vô tuyến

- Bộ thích ứng đầu cuối làm việc như một cửa nối thông thiêt bị đầu cuối vớikết cuối di động Cần sử dụng bộ thích ứng đầu cuối khi giao diện ngoài trạm di độngtuân theo tiêu chuẩn ISDN để đấu nối đầu cuối, còn thiết bị đầu cuối lại có thể giaodiện 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 đếnkhách hàng, mà tất cả các thông tin này được lưu trữ trong SIM SIM thường đượcchế tạo bằng một vi mạch chuyên dụng gắn trên thẻ gọi là Simcard Simcard có thểrút 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 IdentityNumber)

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

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

2.2.2.1 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: khốichuyển đổi mã và thích ứng tốc độ) Khối thích ứng và chuyển đổi mã thực hiệnchuyển đổi mã thông tin từ các kênh vô tuyến (16 Kb/s) theo tiêu chuẩn GSM thànhcác 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 đâycũng thực hiện thích ứng tốc độ trong trường hợp truyền số liệu TRAU là một bộphận của BTS, nhưng cũng có thể đặt cách xa BTS và thậm chí trong nhiều trườnghợp được đặt giữa BSC và MSC

BTS có các chức năng sau:

- Quản lý lớp vật lý truyền dẫn vô tuyến

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

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

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 bảodưỡng, hiển thị cấu hình của BSC

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

2.2.3 Phân hệ chuyển mạch SS

Hệ thống con chuyển mạch bao gồm các chức năng chuyển mạch chính củaGSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý di động củathuê bao Chức năng chính của SS là quản lý thông tin giữa những người sử dụngmạng GSM với nhau và với mạng khác

2.2.3.1 Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động MSC

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

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

HLR chứa những cơ sở dữ liệu bậc cao của tất cả các thuê bao trong mạngGSM 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

2.2.3.3 Bộ ghi định vị tạm trú VLR

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

2.2.3.4 Trung tâm nhận thực AuC

AuC quản lí các thông tin nhận thực và mật mã liên quan đến từng cá nhânthuê bao dựa trên một khóa nhận dạng bí mật Ki để đảm bảo an toàn số liệu cho cácthuê 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 đặttrong HLR hoặc MSC hoặc độc lập với cả hai

2.2.3.5 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 diđộng MS EIR được nối với MSC thông qua đường báo hiệu để kiển tra sự được phépcủa 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 tinvới số IMEI lưu giữ trong EIR phòng trường hợp đây là những thiết bị đầu cuối bịđánh cắp, nếu so sánh không đúng thì thiết bị không thể truy nhập vào mạng được

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

2.2.3.7 Khối IWF

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

2.2.4 Phân hệ khai thác và bảo dưỡng OSS

2.2.4.1 Khai thác và bảo dưỡng mạng

+ Khai thác

Là hoạt động cho phép nhà khai thác mạng theo dõi hành vi của mạng như tảicủa hệ thống, mức độ chặn, số lượng chuyển giao giữa hai cell.v.v Nhờ vậy nhà khaithác 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 nhữngvấn 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 hiệnbằng 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

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

phát hiện một số các sự cố hay dự báo sự cố thông qua kiểm tra Bảo dưỡng bao gồmcác hoạt động tại hiện trường nhằm thay thế các thiết bị có sự cố, cũng như việc sửdụng các phần mềm điều khiển từ xa

Hệ thống khai thác và bảo dưỡng có thể được xây dựng trên nguyên lý củaTMN (Telecommunication Management Network - Mạng quản lý viễn thông) Lúcnày, một mặt hệ thống khai thác và bảo dưỡng được nối đến các phần tử của mạngviễn thông (MSC, HLR, VLR, BSC, và các phần tử mạng khác trừ BTS) Mặt khác hệthống 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 bảodưỡng (OMC - Operation and Maintenance Center)

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

lý thuê bao

2.2.4.3 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 MSCqua đường báo hiệu để kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị Trong hệ thống GSM thì EIRđược coi là thuộc phân hệ chuyển mạch NSS

2.3 Giao diện vô tuyến số

Các kênh của giao diện vô tuyến bao gồm các kênh vật lý và các kênh logic

2.3.1 Kênh vật lý

Kênh vật lý tổ chức theo quan niệm truyền dẫn Đối với TDMA kênh vật lý làmột khe thời gian ở một tần số sóng mang vô tuyến được chỉ định

GSM 900

Dải tần số : 890 ÷ 915 Mhz cho đường Uplink ( từ MS đến BTS )

935 ÷ 960 Mhz cho đường xuống Downlink ( từ BTS đến MS )

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

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

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 890,2 Mhz Mỗi dải thông tần là một khungTDMA có 8 khe thời gian Như vậy số kênh vật lý ở GSM 900 sẽ là 992 kênh Mộtkhe thời gian bắt đầu có độ lâu 15/26 = 577µs = 0,577 s 8 khe thời gian của mộtkhung TDMA có độ lâu gần bằng 4,62 ms Tại BTS, các khung TDMA ở các kênhtần số ở cả đường lên và đường xuống đều được đồng bộ, tuy nhiên khung đường lêntrễ 3 khe so với khung đường xuống Nhờ có trễ này mà có thể sử dụng một khe thờigian có cùng số thứ tự ở cả đường lên lẫn đường xuống để truyền tin bán song công

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

Hình 2.3 Phân loại kênh logic

2.3.2.1 Kênh lưu lượng TCH

Mang tiếng được mã hoá hoặc số liệu của người sử dụng, gồm hai dạng kênh:

−Bm hay kênh lưu lượng toàn tốc (TCH/F), kênh này mang thông tin tiếnghay số liệu ở tốc độ 22,8 kbit/s

−Lm hay kênh lưu lượng bán tốc (TCH/H), kênh này mang thông tin ở tốc độ11,4 kbit/s

2.3.2.2 Các kênh điều khiển CCH

Mang tín hiệu báo hiệu hay số liệu đồng bộ, gồm ba loại sau:

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

- Các kênh điều khiển riêng (DCCH):

+ Kênh điều khiển riêng đứng một mình (SDCCH): được sử dụng để báo hiệu

hệ thống khi thiết lập một cuộc gọi trước khi ấn định một TCH Kênh đườnglên/xuống, điểm đến điểm

+ Kênh điều khiển liên kết chậm (SACCH): liên kết với một TCH hay mộtSDCCH, là kênh số liệu liên tục mang thông tin liên tục như các thông báo đo đạc từtrạm di động về cường độ tín hiệu thu từ ô hiện thời và các ô lân cận Thông tin nàycần cho chức năng chuyển giao Kênh này cũng được sử dụng để điều chỉnh côngsuất của MS và để đồng bộ thời gian Kênh đường lên/xuống, điểm đến điểm

+ Kênh điều khiển liên kết nhanh (FACCH): là kênh liên kết với TCH.FACCH làm việc ở chế độ lấy cắp bằng cách thay đổi lưu lượng tiếng hay số liệubằng báo hiệu

- Các kênh điều khiển chung (CCCH):

+ Kênh tìm gọi (PCH): được sử dụng để tìm gọi MS

+ Kênh thâm nhập ngẫu nhiên (RACH): MS sử dụng kênh này để

yêu cầu dành SDCCH hoặc để trả lời tìm gọi, hoặc để thâm nhập khi khởi đầu, hoặcđăng ký cuộc gọi MS

+ Kênh cho phép thâm nhập (AGCH): được sử dụng để dành một SDCCH haytrực tiếp một TCH cho một MS

2.4 Các mã nhận dạng sử dụng trong GSM

Trong GSM, mỗi phần tử mạng cũng nhử mỗi vùng phục đều được địa chỉ hóabằng một số gọi là mã ( Code ) Trên phạm vi toàn cầu, hệ thống mã này là đơn vịduy nhất cho mỗi đối tượng và được lưu trữ rải rác trong tất cả các phần tử mạng

2.4.1 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 thànhphần trong mã nhận dạng tế bào toàn cầu CGI ( Cell Global Identity ) Khi một thuêbao có mặt tại một vùng phủ sóng nào đó, nó sẽ nhận CGI từ BSS, so sánh LAI nhậnđược trước đó để xác định xem nó đang ở đâu Khi hai số liệu này khác nhau, MS sẽnạp LAI mới cho bộ nhớ Cấu trúc của LAI như sau :

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

2.4.2 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 cómột 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

HLR/AuC còn có một mã khác, gồm hai thành phần Một phần liên quan đến số thuêbao 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 trữ trong AuC

2.4.3 Mã nhận dạng tế bào toàn cầu CGI ( Cell Global Identity )

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

và CI được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu của MSC/VLR

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

Cấu trúc của mã nhận dạng trạm gốc như sau :

NCC ( Network Color Code ) là mã màu của mạng GSM được sử dụng đểphân biệt với các mạng khác trong nước

BCC ( BTS Color Code ) là mã màu của BTS dùng để phân biệt các kênh sử dụngcùng một tần số của các trạm BTS khác nhau

2.4.5 Số thuê bao ISDN của máy di động – MSISDN ( Mobile Subscriber ISDN Number ) :

NCC (3 bits) BCC (3 bits)

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

Mỗi thuê bao di động đều có một số máy MSISDN được ghi trong danh bạđiện thoại Nếu một số dùng cho tất cả các dịch vụ viễn thông liên quan đến thuê baothì 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

CC ( Country Code ) : Mã nước, là nơi thuê bao đăng ký nhập mạng

NDC ( National Destination Code ) : Mã mạng GSM, dùng để phân biệt cácmạng GSM trong cùng một nước

SN ( Subscriber Number ) : Số thuê bao, tối đa được 12 số trong đó có 3 số đểnhận dạng HLR

2.4.6 Nhận dạng thuê bao di động toàn cầu IMSI ( International Mobile Subscriber Identity )

IMSI là mã số duy nhất cho mỗi thuê bao trong một vùng hệ thống GSM.IMSI được ghi trong MS và trong HLR và bí mật với người sử dụng IMSI có cấutrúc :

MCC (Mobile Country Code): mã nước có mạng GSM, do CCITT qui định đểnhận dạng quốc gia mà thuê bao đang có mặt

MNC (Mobile Network Code): mã mạng GSM

MSIN (Mobile Subscriber Identification Number): số nhận dạng thuê bao diđộng, gồm 10 số được dùng để nhận dạng thuê bao di động trong các vùng dịch vụcủa 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 đượcVLR sử dụng khi truy nhập HLR/AUC để tạo lập “Hộ khẩu thường trú” cho thuê bao

2.4.7 Nhận dạng thuê bao di động cục bộ - LMSI ( Location Mobile Subscriber

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

Gồm 4 octet VLR Gồm 4 octet VLR lưu giữ và sử dụng LMSI cho tất cả cácthuê bao hiện đang có mặt tại vùng phủ sóng của nó và chuyển LMSI cùng với IMSIcho HLR HLR sử dụng LMSI mỗi khi cần chuyển các mẩu tin liên quan đến thuêbao tương ứng để cung cấp dịch vụ

2.4.8 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 gọiđến một thuê bao đang lưu động đến mạng của nó Khi cuộc gọi kết thúc thì MSRNcũng bị xoá Cấu trúc của MSRN bao gồm CC, NDC và số do VLR tạm thời tự tạo ra

2.4.9 Số chuyển giao HON ( Handover Number )

Handover là việc di chuyển cuộc nối mà không làm gián đoạn cuộc nối từ tếbào này sang tế bào khác (trường hợp phức tạp nhất là chuyển giao ở những tế bàothuộc các tổng đài MSC khác nhau) Ví dụ khi thuê bao di chuyển từ MSC1 sangMSC2 mà vẫn đang sử dụng dịch vụ MSC2 yêu cầu VLR của nó tạm thời tạo raHON 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 bịxoá

2.4.10 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 cungcấp cho MSC khi cần thiết Cấu trúc của IMEI:

TAC (Type Approval Code): mã chứng nhận loại thiết bị, gồm 6 kí tự, dùng đểphân biệt với các loại không được cấp bản quyền TAC được quản lý một cách tậptrung

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 vàFAC

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

2.5 Các trường hợp thông tin và thủ tục nhập mạng

2.5.1 Tổng quan

Trước khi khảo sát các thủ tục thông tin khác nhau, hãy khảo sát các tìnhhuống đặc biệt của 1 PLMN có tất cả các thuê bao di động, vì thế ta quan sát MS ởmột 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 khichuyển động, MS luôn kiểm tra rằng nó được nối đến một kênh quảng bá được thuphát 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 trìnhnày được gọi là định vị

2.5.2 Lưu động và cập nhật vị trí

Coi rằng MS ở trạng thái tích cực, rỗi và đang chuyển động theo một phươngliên 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 đókhông xa biên giới lý thuyết giữa hai ô lân cận nhau cường độ tới mức mà MS quyếtđịnh chuyển đến một tần số mới thuộc một trong các ô lân cận nó Để chọn tần số tốtnhất nó liên tục đo cường độ tín hiệu của từng tần số trong số tần số nhất định của ôlân cận Thường MS phải tìm được tần số BCH/CCCH từ BTS có cường độ tín hiệutốt hơn tần số cũ Sau khi tự khoá đến tần số mới này, MS tiếp tục nhận thông bao tìm

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

gọi các thông báo quảng bá chừng nào tín hiệu của tần số mới vẫn đủ tốt Quyết địnhviệc thay đổi tần số BCH/CCCH sẽ được thực hiện mà không cần thông báo chomạng 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 ởgiao tiếp vô tuyến tại thời điểm cần thiết để đảm bảo chất lượng thu được gọi là lưuđộng “ 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 MSthông 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 thuBCCH Vì thông tin về vị trí có tầm quan trọng lớn nên mạng phải thông báo về sựthay 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 trícủa 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 ởtrong 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 thôngtin 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 củaMSC/VLR cho MS của chúng ta

Quá trình cập nhật vị trí như sau:

2.5.3 Thủ tục nhập mạng đăng ký lần đầu

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 cóthể có MS tự khoá đến tần số đúng nhờ việc hiệu chỉnh tần số thu và thông tin đồngbộ

Vì đây là lần đầu MS sử dụng nên phần mạng chịu trách nhiệm xử lý thông tintới / từ MS hoàn toàn không có thông tin về MS này, MS không có chỉ thị nào vềnhận 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 liệucủa MS này bằng 1 cờ “nhập mạng” cờ này liên quan đến IMSI

2.5.4 Thủ tục rời mạng

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

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

Một MS ở trạng thái hoạt động được đánh dấu là “đã nhập mạng” Khi tắtnguồn MS gửi thông báo cuối cùng đến mạng, thông báo này chứa yêu cầu thủ tục rờimạng Khi thu được thông báo rời mạng MSC/VLR đánh dấu cờ IMSI đã rời mạngtương ứng

nó sẽ được phân tích trực tiếp ở MSC/VLR hoặc gửi đến một tổng đài chuyển tiếpcủa mạng PSTN cố định Ngay khi đường nối đến thuê bao bị gọi đã sẵn sàng thôngbáo thiết lập cuộc gọi sẽ được công nhận, MS cũng sẽ được chuyển đến một kênhthông tin riêng Bây giờ tín hiệu cuối cùng sẽ là sự khẳng định thuê bao

2.5.7 Gọi đến thuê bao MS

Giả sử có một thuê bao A thuộc mạng cố định PSTN yêu cầu thiết lập cuộc gọivới thuê bao B thuộc mạng di động

- Thuê bao A quay mã nơi nhận trong nước để đạt tới vùng GSM/PLMN Nốithông được thiết lập từ tổng đài nội hạt của thuê bao A đến GMSC của mạngGSM/PLMN

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

- 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 ⇒ IMSI

- HLR chỉ cho MS vùng phục vụ và gửi IMSI của MS đến VLR của vùng phục

vụ đồng thời yêu cầu về MSRN

- VLR sẽ tạm thời gán số lưu động MSRN cho thuê bao bị gọi và gửi nóngược trở về HLR, HLR sẽ gửi nó về tổng đài cổng GSMC

- Khi nhận được MSRN đúng tổng đài GMSC sẽ có khả năng thiết lập cuộcgọi đến vùng phục vụ MSC/VLR nơi thuê bao B hiện đang có mặt

- VLR sẽ chỉ cho thuê bao này vùng định vị (LAI) ở giai đoạn quá trình thiếtlập cuộc gọi hệ thống muốn rằng thông báo tìm gọi thuê bao bị gọi được phát quảng

bá trên vùng phủ sóng của tất cả các ô của vùng định vị này Vì vậy MSC/VLR gửithông báo tìm gọi đến tất cả các BTS trong vùng định vị

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

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

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN MẠNG DI ĐỘNG GSM

3.1 Lý thuyết về dung lượng và cấp độ phục vụ

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

Trong quá trình phát triển mạng, tăng cường dung lượng của mạng là một nhucầu cấp thiết Tuy nhiên, cùng cần xác định dung lượng cần tăng là bao nhiêu để phùhợp với từng giai đoạn phát triển của mạng và phù hợp với yêu cầu về mặt kỹ thuật

và kinh tế hiện tại

3.1.1 Lưu lượng và kênh vô tuyến đường trục

Trong lĩnh vực giao thông vận tải, đường trục để cho nhiều xe cộ đi đến mọinơi Hiệu quả sử dụng của đường trục lớn hơn nhiều so với đường cụt (chỉ nối vớimột xã vùng sâu chẳng hạn) Nếu liên lạc vô tuyến bằng kênh vô tuyến dành riêngPRM (Private Mobile Radio), thì phần lớn thời gian kênh vô tuyến đó không được sửdụng Tài nguyên kênh vô tuyến là rất hạn chế, nên phải quản lý nó trên phạm vi quốcgia và quốc tế Từ đó, xu hướng là kênh vô tuyến đường trục dùng chung

Hệ thống thông tin di động cellular áp dụng kênh vô tuyến đường trục: MỗiBTS có một số kênh vô tuyến dùng chung cho nhiều người Tỷ lệ người dùng trên sốkênh dùng chung càng cao thì hiệu quả sử dụng đường trục càng cao Hiệu suất sửdụng phổ tần số lại càng cao khi cùng một tần số mà được dùng lại nhiều lần ở cáccell cách xa nhau

Lưu lượng : Trong hệ thống viễn thông, lưu lượng là tin tức được truyền dẫn

qua các kênh thông tin Lưu lượng của một thuê bao được tính theo công thức:

A =

3600

* t

C

C : 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 băng Erlang )

Nếu C = 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 = 13600*120 ≈ 33 mErlang/người sử dụngNhư vậy, để phục vụ cho 1000 thuê bao ta cần một lưu lượng là 33 Erlang

3.1.2 Cấp độ dịch vụ - GoS ( Grade of Service )

Nếu một kênh bị chiếm toàn bộ thời gian, thì kênh đó đạt được dung lượng

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

không thể tránh khỏi những khoảng thời gian để trống kênh vô tuyến đó, do vậy kênh

vô tuyến không đạt được dung lượng lý tưởng (1 Erl) Khi số người dùng tăng lên, sốcuộc gọi đi qua kênh càng tăng, nên thông lượng tăng lên.Có thể xảy ra tình huốngnhiều người dùng đồng thời truy cập một kênh vô tuyến, khi đó chỉ có một ngườiđược dùng kênh, những người khác bị tắc nghẽn

Hình 3.1 Lưu lượng: Muốn truyền, được truyền, nghẽn

Lưu lượng muốn truyền = Lưu lượng được truyền + Lưu lượng nghẽn

Offered Traffic = Carried Traffic + Blocked Traffic

Cấp phục vụ (GoS = Grade of Service):

Để một kênh đường trục có chất lượng phục vụ cao thì xác suất nghẽn phảithấp Vậy nên số người dùng có thể phải bị giới hạn, tức là lưu lượng muốn truyềnphải giữ trong dung lượng kênh Nếu chấp nhận một cấp phục vụ thấp hơn, tức là xácsuất nghẽn lớn hơn, thì tương ứng tăng được dung lượng muốn truyền (tăng số ngườidùng) GoS cùng một nghĩa với xác suất nghẽn:

Lưu lượng muốn truyền: A (lưu lượng muốn truyền)

Lưu lượng bị nghẽn : A*GoS (lưu lượng mất đi)

Lưu lượng được truyền : A*(1 - GoS) (lưu lượng phát ra)

Theo thống kê cho thấy thì các thuê bao cá nhân sẽ không nhận ra được sự tắcnghẽn hệ thống ở mức dưới 10% Tuy nhiên để mạng hoạt động với hiệu suất cao thìmạng cellular thường có GoS = 2 % nghĩa là tối đa 2% lưu lượng bị nghẽn, tối thiểu98% lưu lượng được truyền

Mô hình ERLANG B:

Đây là mô hình hệ thống thông tin hoạt động theo kiểu tiêu hao Thuê baokhông hề gọi lại khi cuộc gọi không thành Đồng thời giả thiết rằng: Xác suất cuộc

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

gọi phân bố theo luật ngẫu nhiên Poisson, số người dùng rất lớn so với số kênh dùngchung, không có kênh dự trữ dùng riêng, cuộc gọi bị nghẽn không được gọi lại ngay

A*(1 - GoS) = 5,084*(1 – 0,02) = 4,9823 Erl

3.1.3 Hiệu suất sử dụng trung kế ( đường trục )

Hiệu suất sử dụng trung kế là tỷ số giữa lưu lượng được truyền với số kênhcủa đường trục ở trên ta đang xét vi dụ trung kế có số kênh chung n = 10,

GoS = 2 %, nên lưu lượng được truyền sẽ là 4,9823 Erl Ta có :

Hiệu suất sử dụng trung kế = * 100 %

10

9823 , 4

= 49,823 %Hiệu suất này tương ứng với GoS tốt ( xác suất nghẽn thấp ) Nếu

Gos = 10 % ( tồi hơn ), lưu lượng muốn truyền là 7,511 Erl, tương ứng với lưu lượngđược truyền là 6,7599 Erl Khi đó hiệu suất sử dụng trung kế lên đến :

* 100 %

10

7599 , 6

= 67,599 %

GoS càng tốt thì hiệu suất sử dụng trung kế càng thấp, cần phải có nhiều kênh

vô tuyến cho lưu lượng muốn truyền đã cho GoS càng kém thì với một lưu lượng đãcho thì chỉ cần số kênh vô tuyến là ít hơn

Với cùng một cấp phục vụ, trung kế càng lớn (số kênh dùng chung lớn) thì

Giải pháp nâng cao dung lượng trong mạng GSM

Bảng 3.1 Hiệu suất sử dụng trung kế

3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng phủ sóng

3.2.1 Tổn hao đường truyền sóng vô tuyến

Hệ thống GSM được thiết kế với mục đích là một mạng tổ ong dày đặc và baotrùm một vùng phủ sóng rộng lớn Các nhà khai thác và thiết kế mạng của mình đểcuối cùng đạt được một vùng phủ liên tục bao 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 phủsóng bởi một trạm phát vô tuyến gốc BTS Kích thước cực đại của một Cell thôngthường có thể đạt tới bán kính R = 35 km Vì vậy suy hao đường truyền là không thểtránh khỏi Với một Anten cho trước và một công suất phát đã biết, suy hao đườngtruyền tỷ lệ với bình phương ( Lf ≈ d2.f2 ), trong đó d là khoảng cách từ trạm thu đếntrạm phát gốc BTS

Dự đoán tổn hao đường truyền trong thông tin di động GSM bao gồm một loạtcác vấn đề khó khăn do trạm di động luôn luôn chuyển động và Anten thấp Những lý

do thực tế này dẫn đến sự thay đổi liên tục của địa hình truyền sóng, trạm di động sẽphải ở vào những vị trí tốt nhất để thu được các tia phản xạ