MỤC LỤC MỤC LỤC 1 LỜI MỞ ĐẦU 2 Chương I 4 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 4 1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MẠNG GSM 4 1.2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 5 1.3. CẤU TRÚC ĐỊA LÝ CỦA MẠNG 6 1.3.1. Vùng phục vụ GSM 6 1.3.2. Vùng phục vụ PLMN 6 1.3.3. Vùng phục vụ MSC 6 1.3.4. Vùng định vị LA 7 1.3.4. Cell ( tế bào hay ô) 7 1.4. CÁC THÀNH PHẦN CỦA MẠNG 8 1.4.1. Trạm di động MS 9 1.4.2. Phân hệ trạm gốc BSS 10 1.4.3. Phân hệ chuyển mạch SS 11 1.4.4. Phân hệ khai thác và hỗ trợ OSS 15 1.5. GIAO DIỆN VÔ TUYẾN 16 1.5.1. Các kênh vật lý 16 1.5.2. Kênh logic 20 1.6. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI CHẤT LƯỢNG MẠNG GSM 22 1.6.1. Tổn hao đường truyền sóng vô tuyến 22 1.6.2. Pha đing 23 1.6.3. Ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh và nhiễu kênh lân cận 28 Chương II 31 DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 31 2.1. KHÁI NIỆM VỀ DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 31 2.2. DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 36 Chương III 39 ĐI SÂU BIỆN PHÁP TĂNG DUNG LƯỢNG KÊNH 39 3.1. TÁI SỬ DỤNG TẦN SỐ 39 3.1.1. Các khái niệm 40 3.1.2. Tái sử dụng tần số 48 3.2. PHƯƠNG PHÁP THÍCH NGHI TỐC ĐỘ TỐI ƯU VỚI CÔNG SUẤT PHÁT KHÔNG ĐỔI 54 3.2.1. Gới thiệu kênh AWGN 54 3.2.2. Phương pháp thích nghi tốc độ tối ưu với công suất phát không đổi 55 3.2.3. Kết quả và so sánh 59 KẾT LUẬN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC 77 CÁC TỪ VIẾT TẮT 77 1 LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, lĩnh vực thông tin di động trên thế gới cũng như trong nước đã có những bước tiến vượt bậc cả về số lượng cũng như chất lượng. Điện thoại di động đã và đang trở thành phương tiện thông tin liên lạc không thể thiếu đối với mỗi cá nhân. Số lượng thuê bao đi động tăng một cách chóng mặt, theo đánh giá ITU thế gới sẽ đạt 4 tỷ thuê bao di động vào cuối năm 2008. Bên cạnh đó là nguồn lợi khổng lồ mà nó đem lại cho các nhà khai thác viễn thông. Để đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng cũng như sự cạnh tranh giữa những nhà khai thác mạng họ luôn tìm mọi biện pháp nhằm phục vụ tốt nhất. Và một trong những yêu cầu đó là làm sao có thể phục vụ số lượng thuê bao lớn cũng như tránh tác nghẽn mạng trong những giờ cao điểm, chính vì lý do đó mà người ta luôn tìm mọi cách để tăng dung lượng kênh. Từ yêu cầu tăng dung lượng kênh và trên cơ sở những kiến thức tích lũy trong những năm học tập chuyên ngành Điện tử - Viễn thông tại trường Đại học hàng hải Việt Nam cùng với sự hướng dẫn của thầy giáo Tiến Sĩ Phạm Văn Phước, em đã tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu về dung lượng kênh truyền trong mạng GSM. Đi sâu biện pháp tăng dung lượng kênh”. Bố cục của đề tài gồm các phần sau: Chương I: Hệ thống thống thông tin di động Chương II: Dung lượng kênh truyền Chương III: Đi sâu biện pháp tăng dung lượng kênh Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giáo trong khoa Điện – Điện tử tàu biển, đặc biệt là TS. Phạm Văn Phước đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo em trong quá trình làm đề tài. Do hạn chế về thời gian cũng như kiến thức và lĩnh vực trong đề tài khá rộng nên không tránh khỏi những thiếu sót cũng như những lầm lẫn, em mong muốn nhận được những đóng góp để hoàn thiện hơn nữa về kiến thức của mình. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy đã giúp em hoàn thành đợt tốt nghiệp này. Em xin chân thành cảm ơn! Hải phòng, ngày 12 tháng 10 năm 2008 Sinh viên thực hiện Nguyễn Cao Lanh 2 3 Chương I HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MẠNG GSM Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở châu Âu và có tên gọi là GSM. Ban đầu hệ thống này được gọi là “Nhóm đặc trách di đông” (Group Special Mobile) theo tên gọi của nhóm được CEPT (Conference of European Postal and Telecommunication Administration – Hội nghị các cơ quan quản lý viễn thông và bưu chính châu Âu) cử ra để nghiên cứu tiêu chuẩn. Sau đó để tiện cho việc thương mại hóa GSM được gọi là “Hệ thống thông tin di động toàn cầu” (Global System for Mobile communications). GSM được phát triển từ năm 1982 khi các nước Bắc Âu gửi đề nghị đến CEPT để quy định một dịch vụ viễn thông chung ở băng tần 900 MHz. Năm 1985 sau nhiều lần bàn luân về việc xây dựng một hệ thống số hay tương tự và cuối cùng đi tới quyết định xây dựng hệ thống số. Bước tiếp theo là việc lựa chọn giải pháp băng rộng hay băng hẹp. Tháng 5 năm 1986 giải pháp TDMA băng hẹp đã được lựa chọn. Năm 1989, Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu ETSI (European Telecommunications Standards Institute ) quy định chuẩn GSM là một tiêu chuẩn chung cho mạng thông tin di động toàn Châu Âu, và năm 1990 chỉ tiêu kỹ thuật GSM phase I (giai đoạn I) được công bố. Ngày 27 tháng 3 năm 1991 cuộc gọi di động đầu tiên sử dụng công nghệ GSM được thực hiện bởi mạng Radiolinja (Mạng di động GSM đầu tiên trên thế giới) ở Phần Lan. Ở Việt Nam hệ thống thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm 1993. Tháng 7 năm 1993 bưu điện Hà Nội chính thức vận hành thử nghiệm mạng di động. Sau đó ít lâu, công ty thông tin di động VMS MobiFone được thành lập (Ngày 6/4/1993, Công ty Thông tin di động VMS - MobiFone được thành lập) và mạng di động GSM đầu tiên của Việt Nam được Bưu Điện Hà Nội bàn giao cho VMS vận hành khai thác khoảng giữ năm 1994. Hiện nay ngoài VMS MobiFone ra còn có Viettel, Vinaphone và cả HT Mobile sử dụng công nghệ GSM. 4 1.2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin di động GSM Các ký hiệu: MS: Máy di động BSS: Hệ thống trạm gốc SS: Hệ thống chuyển mạch OSS: Hệ thống khai thác và hỗ trợ AUC: Trung tâm nhận thực HLR: Bộ ghi dịch thường trú BTS: Trạm thu phát gốc BSC: Đài điều khiển trạm gốc MSC: Trung tâm chuyển mạch di động OMC: Trung tâm khai thác và bảo dưỡng NMC: Trung tâm quản lý mạng VLR: Bộ ghi định vị tạm trú EIR: Thanh ghi nhận dạng thiết bị PSTN: Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng ISDN: Mạng số liệu liên kết đa dịch vụ CSPDN: Mạng chuyển mạch số công cộng theo mạch PLMN: Mạng di động mặt đất công cộng PSPDN: Mạng chuyển mạch công theo gói 5 1.3. 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. Trong một mạng di động, cấu trúc này rất quan trọng do tính lưu thông của các thuê bao trong mạng. Với mạng GSM cấu trúc địa lý được phân chia thành các vùng sau: Hình 1.2 Phân cấp cấu trúc địa lý của mạng GSM 1.3.1. Vùng phục vụ GSM 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. 1.3.2. Vùng phục vụ PLMN 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 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 GMSC. GMSC làm việc như một tổng đài trung kế vào cho GSM/PLMN. 1.3.3. Vùng phục vụ MSC Một mạng thông tin di động được chia thành nhiều vùng nhỏ hơn, mỗi vùng nhỏ này được phục vụ bởi một MSC. Vùng phục vụ MSC là bộ phận của mạng được một MSC quản lý. Để định tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động, đường truyền qua mạng sẽ được nối đến MSC đang phục vụ thuê bao di động 6 cần gọi. Mọi thông tin để định tuyến cuộc gọi tới thuê bao di động hiện đang trong vùng phục vụ của MSC được lưu trữ trong bộ ghi dịch tạm trú VLR. 1.3.4. Vùng định vị LA Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR đ ược chia thành một số vùng định vị LA.Vùng định vị là một phần của v ùng phục vụ MSC/VLR, m à 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 tì m g ọ i sẽ được phát quảng bá để t ìm một thuê bao di động bị gọi. Vùng định vị LA được hệ thống sử dụng để t ìm 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. LAI = MCC + MNC + LAC MCC: Mã quốc gia MNC: Mã mạng di động LAC: Mã vùng định vị 1.3.4. Cell ( tế bào hay ô) 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 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 nhận dạng ô bằng mã nhận dạng trạm gốc BSIC. Vùng phủ của ô thường được mô phỏng bằng hình lục giác để tiện cho việc tính toán thiết kế. 7 Các vùng phục vụ MSC/VLR Phân một vùng phục vụ MSC/VLR thành các cùng định vị và ô (cell) Hình 1.3 Phân vùng và chia ô 1.4. CÁC THÀNH PHẦN CỦA MẠNG Mạng thông tin di động thực chất là mạng di động mặt đất công cộng PLMN. Mạng di động mặt đất công cộng theo chuẩn GSM được chia thành 4 phân hệ chính sau: - Trạm di động MS - Phân hệ trạm gốc BSS - Phân hệ chuyển mạch SS - Phân hệ khai thác và hỗ trợ OSS 8 Hình 1.4 Các thành phần của mạng 1.4.1. Trạm di động MS MS là một thiết bị phức tạp, có khả năng như một máy tính nhỏ. Nó bao gồm thiết bị trạm di động ME và một khối nhỏ gọi là mođun nhận dạng thuê bao SIM. SIM cùng với thiết bị trạm di động hợp thành trạm di động. ME là phần cứng để thuê bao truy cập mạng. ME có số nhận dạng là IMEI. Mỗi điện thoại di động được phân biệt bởi số IMEI này. SIM là một card điện tử thông minh chứa một số nhận dạng thuê bao di động ISMI dùng để nhận dạng thuê bao, một mật mã để xác thực và các thông tin khác. IMEI và ISMI hoàn toàn độc lập với nhau để đảm bảo tính di động cá nhân. Card SIM có thể chống việc sử dụng trái phép bằng mật khẩu hoặc số nhận dạng cá nhân PIN. MS có chức năng vô tuyến chung và chức năng xử lý để truy cập mạng qua giao diện vô tuyến. MS phải cung cấp một giao diện với người sử dụng, một giao diện với thiết bị đầu cuối khác. Giao diện với người sử dụng thể hiện ở micro, loa, màn hình, bàn phím…Các thiết bị đầu cuối có thể là máy tính cá nhân, máy FAX… MS có 3 chức năng chính: - Thiết bị đầu cuối TE: Để thực hiện các dịch vụ người sử dụng (thoại, fax, số liệu…) - Kết cuối trạm di động MT: Thực hiện các chức năng liên quan đến truyền dẫn ở giao diện vô tuyến. 9 - Bộ thích ứng đầu cuối TAF: Bộ thích ứng đầu cuối trong MS có vai trò nối thông thiết bị đầu cuối với khối kết cuối di động. Khi lắp đặt các thiết bị đầu cuối trong môi trường di động, MS có bộ thích ứng đầu cuối tuân theo tiêu chuẩn ISDN còn thiết bị đầu cuối có giao diện với modem. 1.4.2. 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 NSS, tức là kết nối thuê bao di động MS với người sử dụng viễn thông khác. BSS giao diện với NSS bằng thiết bị BSC. BSC giao diện với MSC trong NSS. Ngoài ra BSS cũng cần phải được điều khiển nên nó được đấu nối với OSS. Phân hệ BSS gồm hai thiết bị: BTS giao diện với MS và BSC giao diện với MSC  Trạm thu phát gốc BTS BTS bao gồm các thiết bị phát, thu, anten và khối xử lý tín hiệu cho giao diện vô tuyến. BTS như là một Mođem vô tuyến phức tạp. BTS là thiết bị trung gian giữa mạng GSM và thiết bị thuê bao MS, trao đổi thông tin với MS qua giao diện vô tuyến. Mỗi BTS tao ra một hay một số khu vực phủ sóng nhất định gọi là tế bào Cell. Khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU là một bộ phận quan trọng của BTS. TRAU thực hiện mã hóa và giải mã tiếng rất đặc thù cho GSM. Đồng thời ở đây cũng thực hiện thích ứng tốc độ truyền số liệu. TRAU là một bộ phận của BTS, nhưng cũng có thể được đặt cách xa BTS, chẳng hạn giữa BSC và MSC.  Đài 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 của BTS và MS. Các lệnh này chủ yếu là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và chuyển giao. Một phía BSC được nối với BTS, còn phía kia nối với MSC của phân hệ chuyển mạch SS. BSC là một tổng đài nhỏ có khả năng tính toán nhất định. Vai trò chủ yếu của BSC là quản lý các kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao. Một BSC có thể quản lý hàng chục BTS, tạo thành một trạm gốc. Tập hợp các trạm gốc trong mạng gọi là phân hệ trạm gốc. Giao diện giữa BSC và MSC là giao diện A, còn giao diện giữa BTS và BSC là giao diện Abis. Các chức năng chính của BSC - Quản lý mạng vô tuyến: Việc quản lý vô tuyến chính là quản lý các Cell và các kênh logic của chúng. Các số liệu quản lý đều được đưa về BSC để đo 10 [...]... đồng kênh khi cự ly sử dụng tần số không đổi mà còn tăng dung lượng hệ thống Ngoài ra còn có một số phương pháp khác như: Điều khiển công suất phát kiểu động, truyền phát gián đoạn, nhảy tần cũng làm cải thiện thêm đáng kể tỷ số C/I của hệ thống 30 Chương II DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 2.1 KHÁI NIỆM VỀ DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN Dung lượng kênh là tốc độ truyền tin tin cậy lớn nhất có thể đạt được qua kênh. .. 2 e = 1.443 lần dung lượng C khi f = f 0 2.2 DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG Trong thông tin di động dung lượng kênh truyền được tính theo công thức Shannon: C = B log 2 ( 1 + S N ) [ b s] Hiện nay trong hệ thống thông tin di động GSM sử dụng hai dải tần chủ yếu đó là dải: GSM – 900 và GSM – 1800 (DCS 1800) Mỗi dải tần được chia thành nhiều kênh tần số khác nhau, mỗi kênh tần số gồm... qua kênh Việc truyền tin tin cậy có thể đạt được khi tồn tại một dãy các mã với độ dài khối tăng Dung lượng kênh được ký hiệu là C, về mặt định nghĩa, với các tốc độ R < C việc truyền tin tin cậy qua kênh là có thể có, với các tốc độ R > C thì không thể truyền tin tin cậy qua kênh Đối với các kênh không nhớ rời rạc thì dung lượng kênh cho bởi biểu thức sau: C = max I ( X ; Y ) (2.1) p( x ) Trong đó: I... kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị Trong hệ thống GSM thì EIR được coi thuộc phân hệ chuyển mạch NSS 1.5 GIAO DIỆN VÔ TUYẾN Các kênh của giao diện vô tuyến bao gồm các kênh vật lý và các kênh logic Kênh vật lý được tổ chức theo quan điểm truyền dẫn Kênh logic được tổ chức theo quan điểm nội dung tin tức, các kênh này được đặt vào các kênh vật lý 1.5.1 Các kênh vật lý Các kênh vật lý được coi là các cặp... pháp tăng dung lượng kênh hữu hiệu Mặt khác khi tăng B cũng đồng thời cũng đồng thời tăng công suất trung bình của nhiễu N = η B Khi dải thông B tăng đến một giá trị B 0 (giá trị B0 là giá trị mà ở đó công suất nhiễu bằng công suất tín hiệu) thì dung lượng kênh tăng nhanh Nhưng khi dải thông vượt trị số đó thì dung lượng của kênh tăng chậm lại và tới giá trị giới hạn 1.443B0 nghĩa là dung lượng kênh cực... Dummy Burst) Cụm giả được phát đi từ BTS trong một số trường hợp Cụm không mang thông tin Cụm có cấu trúc giống như NB nhưng các bit mật mã được thay thế bằng các bit hỗn hợp 1.5.2 Kênh logic Trong GSM có tất cả 11 kênh logic chia thành hai loại: Các kênh lưu lượng và các kênh báo hiệu điều khiển Hình 1.7 Phân loại kênh logic 20  Các kênh lưu lương, TCH Các kênh lưu lượng gồm hai loại được định nghĩa như... Shannon – Hartley: Dung lượng kênh truyền dẫn có độ rộng băng tần B và tạp âm trắng Gauss Hình 2.1 Sơ đồ khối mô tả sự có mặt của nhiễu Xét kênh có độ rộng dải giới hạn hoạt động trong sự có mặt của nhiễu Gauss Định lý Shannon - Hartley chỉ ra rằng dung lượng kênh cho bởi công thức sau: C = B log 2 ( 1 + S N ) Trong đó: C: Dung lượng của kênh [ b s ] B: Độ rộng dải thông của kênh [ Hz ] S : Tỷ số tín hiệu... đổi lưu lượng tiếng hay số liệu bằng báo hiệu Ngoài các kênh trên còn có kênh quảng bá ô (CBCH: Cell Broadcasting Channel) Kênh CBCH chỉ được sử dụng cho đường xuống để phát quảng bá ô cho các bản tin ngắn ( SMSCB: Short Message Service Cell Broadcast) CBCH sử dụng cùng kênh vật lý như kênh SDCCH 1.6 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI CHẤT LƯỢNG MẠNG GSM 1.6.1 Tổn hao đường truyền sóng vô tuyến Hệ thống GSM được... với trường hợp kênh đối xứng nhị phân, dung lượng kênh được cho bởi quan hệ sau: C = 1 − Hb ( ε ) (2.3) Trong đó: ε là xác suất chéo của kênh và H b ( ) là ký hiệu cho hàm entropy nhị phân: H b ( x ) = − x log ( x ) − ( 1 − x ) log ( 1 − x ) (2.4) Đối với mô hình kênh quan trọng khác là kênh AWGN có băng thông hạn chế với ràng buộc về công suất lối vào Dung lượng kênh tính theo công thức Shannon: S... chứa 51 khung TDMA Đa khung này sử dụng cho các kênh BCCH, CCCH và SACH Hình 1.6 Cấu trúc khung của GSM  Cấu trúc cụm Thông tin trao đổi trên các kênh vật lý của GSM được truyền theo các cụm (Burst) Cụm: Khuôn thông tin trong một khe thời gian của kênh TDMA Khe thời gian 577 μs tương ứng với độ dài của 156,25 bit là nội dung vật lý của một cụm Trong GSM có 5 loại cụm TDMA: - Cụm bình thường (NB: Normal . 28 Chương II 31 DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 31 2.1. KHÁI NIỆM VỀ DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 31 2.2. DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 36 Chương III 39 ĐI SÂU BIỆN PHÁP TĂNG DUNG LƯỢNG KÊNH 39 3.1 Phước, em đã tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài Nghiên cứu về dung lượng kênh truyền trong mạng GSM. Đi sâu biện pháp tăng dung lượng kênh . Bố cục của đề tài. thống thống thông tin di động Chương II: Dung lượng kênh truyền Chương III: Đi sâu biện pháp tăng dung lượng kênh Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giáo trong khoa Điện – Điện tử tàu biển, đặc