Bài giảng Chương 2: Hệ thống thông tin di động gsm 2g

TRƯỜNG ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI – CƠ SỞ IIBÀI GIẢNG:THÔNG TIN DI ĐỘNGNgô Thế Anh Mobile: 0948866699 E-mail: ntanh@utc2.edu.vnLịch sử phát triểnCác dịch vụ mạng GSMCấu trúc hệ thốngCác nguyên tắc tổ chức mạngCác giao thức mạngKế hoạch tần sốCấu trúc khung Biến đổi tiếng nóiBÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GLịch sử phát triểnLà các hệ thống số sử dụng TDMAĐược bắt đầu ở Châu Âu năm 1982Năm 1984: Pháp và Đức là 2 nước đầu tiên ký vào bản đồng ý phát triển GSMNăm 1986: Băng tần 900 MHZ được đề nghị sử dụng cho GSM và được chấp nhận bởi Hội đồng Viễn thông Châu ÂuNăm 1987: Bản ghi nhớ (MoU) về GSM được ký kết bởi 13 nước Châu Âu. Các chuẩn cơ bản về GSM được đề xuất.Năm 1989: GSM được đề nghị là chuẩn quốc tế. Băng tần GSM 1800 MHz được đề nghị sử dụng cho GSM bởi Anh.BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GNăm 1991, cuộc gọi GSM thương mại đầu tiên được thực hiện ở Phần Lan.Ngoài thương hiệu, GSM trở thành chuẩn toàn cầu cho di độngNăm 1992: hợp đồng chuyển vùng quốc tế giữa Phần Lan và Anh được ký. Bản tin SMS đầu tiên được gửi.Năm 1993: Úc trở thành nước ngoài Châu Âu đầu tiên ký MoU. Hiện có 32 nhà mạng ở 18 quốc gia triển khai GSM.Năm 1994: giai đoạn 2 của GSM cho các dịch vụ số liệu và fax được triển khai. Có hơn 100 nhà mạng GSM với 1 triệu thuê bao.BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GNăm 1995: thành viên GSM là 117 nhà mạng với số thuê bao vượt 10 triệu. Việc truyền hình ảnh qua GSM được đề xuất. Băng tần 1900 Mhz được đề xuất sử dụng ở Bắc Mỹ.Năm 1996: các mạng GSM đầu tiên được triển khai ở Nga và Trung Quốc. Dịch vụ trả trước ra đời. Thành viên GSM có hơn 200 nhà mạng ở gần 100 quốc gia, trong đó có 167 mạng đang hoạt động ở 94 quốc gia. Đạt 50 triệu thuê bao.Năm 1997: 15 mạng GSM băng tần 1900 MHz hoạt động ở Mỹ, nâng tổng số quốc gia triển khai GSM lên 100. Các MS 3 băng tần đầu tiên được giới thiệu (900 MHz, 1800 MHz, và 1900 MHz)Năm 1998: số thuê bao GSM toàn cầu vượt qua 100 triệu.BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GNăm 1999: các thử nghiệm giao thức truy nhập không dây (WAP) qua di động được bắt đầu ở Pháp và Ý. Các hợp đồng lắp đặt các hệ thống GPRS được bắt đầu.Năm 2000: Các dịch vụ GPRS đầu tiên được triển khai. Giấy phép 3G bắt đầu được đấu giá. Đầu cuối GPRS đầu tiên được cung cấp cho thị trường. 5 tỷ bản tin SMS được gửi trong 1 tháng.Năm 2001: mạng 3G GSM (UMTS-WCDMA) đầu tiên được triển khai. 55 tỷ bản tin SMS được gửi trong 3 tháng đầu. Số thuê bao vượt quá 500 triệu. Điện thoại màn hình màu đầu tiên được giới thiệu.BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GNăm 2002: băng tần 800 MHz được giới thiệu cho GSM. Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện MMS đầu tiên được triển khai. 95% các quốc gia trên thế giới triển khai GSM. 400 tỷ bản tin SMS được gửi trong năm. Điện thoại chụp hình đầu tiên được giới thiệu.Năm 2003: các mạng EDGE đầu tiên được triển khai. Hơn 200 quốc gia là thành viên của GSMA. Hơn nửa tỷ MS được sản xuất trong năm.Năm 2004: thuê bao GSM vượt qua 1 tỷ. Có hơn 50 mạng 3G đang hoạt động.Năm 2005: thuê bao GSM vượt 1,5 tỷ; chiếm ¾ thị phần không dây. Các mạng HSDPA đầu tiên triển khai. Hơn 1 nghìn tỷ bản tin SMS được gửi trong năm.BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GNăm 2006: thuê bao GSM vượt 2 tỷ. Hơn 120 mạng GSM 3G được triển khai ở hơn 50 quốc gia với số thuê bao khoảng 100 triệu. Tính đến cuối năm, có khoảng gần 85 mạng HSDPA được triển khai. Số thành viên GSM vượt 900 công ty. Hơn 980 triệu máy di động được bán trong năm.Năm 2007: số thuê bao đạt 2,5 tỷ. Năm 2008: số thuê bao vượt 3 tỷ.BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GCác dịch vụ mạng GSM 2GDịch vụ thoại Là loại hình dịch vụ chủ yếu được cung cấp bởi hệ thống GSM với tốc độ và chất lượng hơn hẳn so với các hệ thống tương tự 1G trước đây. Các tín hiệu thoại được điều chế số và truyền dẫn thông qua mạng GSM, sử dụng báo hiệu số 7  chính là mô hình của ISDN.Dịch vụ số liệuSMS (Short Massage Service): bản tin nhắn ngắn, độ dài tối đa 160 ký tự.Paging: Nhắn tin quảng báData/Information/Advertising: Truyền số liệu/Thông tin/quảng cáoFax: Truyền fax qua mạng di động Nói chung, tốc độ dịch vụ số liệu truyền trong mạng GSM là thấp do hạn chế về băng thông và dung lượng hệ thống  chất lượng truyền dữ liệu chưa cao.BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GBÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2G3. Cấu trúc của hệ thống (xem Ref.[2]) Cấu trúc của hệ thống (cont.) Về cơ bản, cấu trúc của hệ thống GSM có thể coi như bao gồm các phân hệ cơ bản như trong sơ đồ trang trước, đó là: phân hệ chuyển mạch SS, phân hệ trạm gốc BSS, các trung tâm giám sát mạng NMC (NMC & OMC), và thuê bao di động MS. Cấu trúc và hoạt động của các phân hệ này sẽ được thảo luận chi tiết trong các phần tiếp theo. Yêu cầu sinh viên tham khảo Ref.[2] một cách kỹ lưỡng và trao đổi, thảo luận nghiêm túc để hiểu rõ được các nội dung cần học.BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GCấu trúc của hệ thống (cont.)Phân hệ chuyển mạch SS (Switching Subsystem):Cấu trúc (tách cấu trúc từ sơ đồ cấu trúc hệ thống): MSC và GMSC, HLR, VLR, EIR, và AuC.Chức năng: chuyển mạch? và gì nữa? Phân tích chức năng của các phần tử cấu tạo nên SS? Hoạt động: thể hiện qua các phần tử cấu thành SS, có xét trong mối tương quan với các phân hệ khác.Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem):BSS = BSC (Base Station Controller) + BTS (Base Transceiver Station).Một MSC quản lý nhiều BSS, một BSC quản lý nhiều BTS.Cung cấp các giao tiếp vô tuyến cho di độngBÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GCấu trúc của hệ thống (cont.)Trung tâm giám sát mạng NMC (Network Monitoring Centers):NMC = NMC (Network Management Center) + OMC (Operation and Maintenance Center).Chức năng: NMC? OMC? Hoạt động: thể hiện qua các phần tử cấu thành NMC, có xét trong mối tương quan với các phân hệ khác.Thuê bao di động MS (Mobile Station):MS = ME (Mobile Equipment) + SIM (Subsciber Identification Module).Chức năng: ME? SIM?Hoạt động: thể hiện qua các phần tử cấu thành MS, có xét trong mối tương quan với các phân hệ khác của hệ thống.BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GCác nguyên tắc tổ chức mạngSử dụng lại tần số (Ref.[1])Phân chia tần sốChỉ số cấp độ dịch vụ GoSChuyển giaoBÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GCác nguyên tắc tổ chức mạngSử dụng lại tần số (Ref.[1])Khái niệmCluster/cluster size: (1)Lựa chọn NDung lượng hệ thống: (M là số lần sử dụng lại)Khoảng cách sử dụng lại DChỉ số nhiễu đồng kênh CIR (Co-channel Interference Ratio)BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GSử dụng lại tần số FR (Frequency Reuse)Khái niệm: FR được hiểu là việc sử dụng một hay một nhóm tần số (kênh) cùng một lúc ở các cell khác nhau trong mạng mà vẫn không xảy ra nhiễu giữa các kênh đó.Các cell sử dụng lại tần số còn được gọi là các cell đồng kênh  nhiễu đồng kênh.Xác định các cell đồng kênh theo công thức (1).Có thể sử dụng lại một phần hoặc toàn bộ băng tần hệ thống.BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GSử dụng lại tần số FR (cont.)Cluster/cluster size Vùng địa lý gồm các cell kkề nhau mà toàn bộ băng tần hệ thống được sử dụng lại gọi là cluster  mẫu sử dụng lại.Số các cell trong 1 cluster là cluster size.Xác định các cell đồng kênh theo công thức (1).Mẫu nhỏ nhất là N = 3.Khi bán kính cell cố định, N càng lớn thì dung lượng tổng của hệ thống càng nhỏ.BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GSử dụng lại tần số FR (cont.)Lựa chọn N N phù hợp với điều kiện thực tế mạng.Sử dụng hiệu quả tài nguyên tần sốFR làm cho dung lượng hệ thống tăng lên theo số lần mà BW được sử dụng lại.Khoảng cách sử dụng lại tối thiểu D được tính toán thông qua N theo cách tìm cell đồng kênh.Khi N và D được thỏa mãn, chỉ số CIR cũng được thỏa mãnBÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GCác khái niệm cơ bản (cont.)Phân chia tần số CA (Channel Assignment)Mục đích: phân chia BW trong cluster sao cho hiệu quả nhấtPhân chia cố định FCA (Fixed CA)Phân chia linh hoạt DCA (Dynamic CA)Phân chia kết hợp HCA (Hybrid CA)Cấp độ dịch vụ GoS BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GCác khái niệm cơ bản (cont.)Ý nghĩa của GoS:Chỉ số block cuộc gọi (xác suất block cuộc gọi): số cuộc gọi không thực hiện được trong tổng số cuộc gọi thử.T là lưu lượng của cell, được tính thông qua lưu lượng của 1 thuê bao: Làm các ví dụ trong Ref.[1].BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GCác khái niệm cơ bản (cont.)Các bài tập liên quan đến công thức GoSCó 3 nhà cung cấp dịch vụ di động A, B, và C phủ sóng cho 1 khu vực có 3 triệu dân. Nhà cung cấp (NCC) A có 123 cell với dung lượng mỗi cell là 98 kênh, NCC B có 245 cell với dung lượng mỗi cell là 45 kênh, NCC C có 90 cell với dung lượng mỗi cell là 125 kênh. Giả sử mỗi thuê bao thực hiện trung bình 3 cuộc gọi trong 1 giờ với thời gian trung bình của 1 cuộc là 2 phút. GoS = 1%. Hãy tính:Số thuê bao mà mỗi NCC có thể phục vụ đượcNếu các NCC làm việc ở dung lượng tối đa, hãy tính thị phần của mỗi NCC?BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GCác khái niệm cơ bản (cont.)Các bài tập liên quan đến công thức GoSMột NCC di động GSM 900 muốn phủ sóng cho 1 vùng có diện tích là S = 1200 km2 bằng các cell có bán kính R = 1.5km. Mẫu sử dụng lại tần số N = 4, GoS = 2%, mỗi thuê bao thực hiện 4 cuộc gọi/giờ với thời gian gọi trung bình là 3 phút. Hãy tính:Số cell cần lắp đặt?Số kênh lưu lượng của mỗi cell?Lưu lượng mà mỗi cell chịu đựng được? Lưu lượng tối đa mà mạng có thể đáp ứng?BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GCác khái niệm cơ bản (cont.)Các bài tập liên quan đến công thức GoSMột NCC di động GSM 900 muốn phủ sóng cho 1 vùng có diện tích là S = 1200 km2 bằng các cell có bán kính R = 1.2km. Mẫu sử dụng lại tần số N = 3, GoS = 2%, mỗi thuê bao thực hiện 4 cuộc gọi/giờ với thời gian gọi trung bình là 3 phút. Hãy tính:Số thuê bao mạng có thể đáp ứng?Số thuê bao mà 1 kênh có thể đáp ứng?Số thuê bao lớn nhất mà mạng có thể phục vụ được cùng 1 lúc?BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GCác khái niệm cơ bản (cont.)Chuyển giaoTrực quan: là quá trình thuê bao di chuyển từ cell nay sang cell khác trong quá trình đàm thoại.Kỹ thuật: là quá trình thuê bao chuyển từ 1 kênh lưu lượng này sang 1 kênh lưu lượng khác trong quá trình đàm thoại.Tham số quyết định chuyển giao: mức (công suất) tín hiệu dẫn đường (pilot), hướng di chuyển, tốc độ di chuyển, trạng thái kênh lưu lượng, trạng thái cell.Xác suất chuyển giao: khả năng thuê bao có thể chuyển giaoMức độ ưu tiên: cao (tại sao?)Mạng: cần có phần tài nguyên dành cho chuyển giaoBÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GCác giao thức mạng (xem Ref.[2]) Tập trung vào các nội dung sau:Giới thiệu về các kênh vật lý và kênh logicCác kênh logicCác kênh điều khiểnCác kênh lưu lượngCác kênh logic trong 1 cuộc gọi tới MSGhép các kênh logic vào các kênh vật lýSóng mang 0, khe thời gian 0Sóng mang 0, khe thời gian 1Sóng mang 0, khe thời gian 2-7 và tất cả các khe thời gian trong các sóng mang khác trong cùng 1 cellBÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GGiới thiệu về các kênh vật lý và kênh logicKênh vật lý: là các tần số và các khe thời gian  1 tần số được sử dụng 8 khe thời gian của TDMA  8 kênh vật lý.Kênh logic: là kênh vật lý mang 1 nội dung thông tin cụ thể.Các kênh logicCác kênh điều khiển:Kênh quảng bá BCH: dùng cho các mục đích quảng bá như kênh sửa lỗi tần số FCCH, kênh đồng bộ SCH, kênh điều khiển quảng bá BCCH.Kênh điều khiển dùng chung CCCH: sử dụng khi thuê bao muốn thiết lập hoặc nhận cuộc gọi; bao gồm: kênh nhắn tin PCH, kênh truy nhập ngẫu nhiên RACH, kênh công nhận truy nhập AGCH.BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GKênh điều khiển dành riêng DCCH: được sử dụng cho các thủ tục thiết lập cuộc gọi; bao gồm: kênh điều khiển dành riêng đơn SDCCH, kênh quảng bá cell CBCH, kênh điều khiển liên kết chậm SACCH, kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH. Kênh lưu lượng TCH (Traffic Channel) Sau khi thiết lập cuộc gọi thành công, MS sẽ chuyển sang chế độ đàm thoại trên các kênh lưu lượng TCH. Có 2 kiểu kênh lưu lượng là kênh toàn tốc TCH (13 kb/s) và kênh bán tốc TCH/2 (5,6 kb/s).Các kênh logic trong 1 cuộc gọi tới MS (xem hình trang sau)BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GBÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GGhép các và kênh logic vào các kênh vật lýTS 0, sóng mang 0: TS 0 của sóng mang đầu tiên được dành cho các mục đích báo hiệu  đảm bảo việc thiết lập cuộc gọi của thuê bao.TS 1, sóng mang 0: dành cho báo hiệu trong trường hợp lưu lượng của cell là cao hoặc thấp. BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GTS 2-7, sóng mang 0 và tất cả các TS khác của các sóng mang trong cùng 1 cell: dùng cho các kênh lưu lượng TCHs.BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GBÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GKế hoạch tần số Các khái niệm về tần sốTần số và băng tần làm việc của các hệ thống GSMTần số và khoảng cách giữa các tần sốBước sóng làm việc, tốc độ truyền dẫn và các kiểu điều chếNhắc lại về TDMACác vấn đề về truyền dẫnSuy hao đường truyềnHiện tượng bóng râmNhiễu đồng kênh/Nhiễu kênh lân cậnFadingSự phân tán và chồng thời gianBÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GGiải pháp cho các vấn đề về truyền dẫnKế hoạch cellMã hóa kênhPhân tập anten/sử dụng anten thông minhĐan xen/Cân bằng thích nghiNhảy tầnHoạt động của hệ thống Sinh viên cần đọc các tài kiệu tham khảo để hiểu được các nội dung sau trong các hoạt động cơ bản của hệ thống:Thủ tục nhập mạngĐăng ký lần đầuĐăng ký lại khi mở máyThủ tục rời mạngBÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GCuộc gọi từ thuê bao di độngCuộc gọi từ thuê bao cố định đến thuê bao di độngCuộc gọi kết thúc từ thuê bao di độngCác trường hợp chuyển giaoCùng BSCKhác BSCKhác MSCCấu trúc khung Phân tích các hình vẽ sau. Lưu ý các khái niệm về cụm, kích thước khung, siêu khung.BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GBÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GBÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GBiến đổi tiếng nói (Ref.[2])BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GBiến đổi tiếng nói (cont.) Quá trình biến đổi tiếng nói để truyền dẫn trong GSM 2G được thực hiện thông qua 8 bước sau: Chuyển đổi tương tự/sốPhân mảnhMã hóa tiếng nóiMã hóa kênhĐan xenBảo mậtTạo cụmĐiều chế và truyền dẫnBÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GChuyển đổi tương tự/sốLấy mẫuLượng tử hóaMã hóaBÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GBÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GPhân mảnhMã hóa tiếng nóiBÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GMã hóa kênhBÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GĐan xenBÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2GBÀI GIẢNG CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 2G