Đồ án Tổng quan về hệ thống thông tin di động GSM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO   CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM   TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------------   Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ---------------------------------   NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: ĐINH THỊ HỒNG PHÚC………….. Số hiệu sinh viên: 08CĐ – 01ĐT Khoá: K53… Viện : Điện tử - Viễn thông Ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG…......... Đầu đề đồ án: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM………………….. ………………………………………………………………………………………… Các số liệu và dữ liệu ban đầu: ……………………………………..……………………………………………..……. ………………………………………………………………………………………… Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ………………………………………………………………………………………………………………..….……………………………………………………………………………………………………………………………………..….……………………………………………………………………… Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ………………………………………………………………………………………………………………………..….…………………………………………………………………………………………………………………………..……….…………………………………………………………………. Họ tên giảng viên hướng dẫn:PGS.TS HỒ ANH TÚY …………………………………... Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ……………………………………………………. Ngày hoàn thành đồ án: ……………………………………………………….  Ngày tháng năm   Chủ nhiệm Bộ môn  Giảng viên hướng dẫn   Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm Cán bộ phản biện BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------------------- BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: ĐINH THỊ HỒNG PHÚC ............................... Số hiệu sinh viên: 08CĐ – 01ĐT Ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG...................................................... Khoá: K53................................. Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS HỒ ANH TÚY..................................................................................... Cán bộ phản biện: ............................................................................................................ Nội dung thiết kế tốt nghiệp: ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ Nhận xét của cán bộ phản biện: ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... Ngày tháng năm Cán bộ phản biện ( Ký, ghi rõ họ và tên ) MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU……………………………………………...........................................3 MỤC LỤC……………………....................………………………………………….5 BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT………………………………………………....……...6 DANH SÁCH CÁC HÌNH…………………………………………………………..10 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG GSM..........................................11 Lịch sử phát triển mạng GSM……………………………………………….11 Mạng thông tin di động………………………………………………………12 Các đặc tính của mạng di động GSM………………………………………..13 Các dịc vụ tiêu chuẩn ở GSM………………………………………………..13 Dịch vụ thoại…………………………………………………………………13 Các dịch vụ số liệu…………………………………………………...............14 Dịch vụ bản tin nhắn………………………………………………………....14 Các chỉ tiêu kĩ thuật của GSM……………………………………………….14 Về khả năng phục vụ ………………………………………………..............15 Về chất lượng phục vụ và an toàn bảo mật ……………………………….....15 Về sử dụng tần số……………………………………………………………15 Về mạng……………………………………………………………………...15 CHƯƠNG II: CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN CỦA MẠNG GSM……………16 Cấu trúc địa lý của mạng…………………………………………………….16 Vùng phục vụ PLMN (Public Land Mobile Network)……………………....17 Vùng mạng …………………………………………………………………..17 Vùng phục vụ MSC (Mobile Service Controler)…………………….............17 Vùng định vị LA (Location Area)……………………………………...........18 Ô (Cell)………………………………………………………………………18 Cấu trúc mạng GSM…………………………………………………………19 Các thành phần chức năng trong hệ thống…………………………………...20 Hệ thống trạm gốc BSS ( Base Station Subsystem)…………………………20 Phân hệ chuyển mạch SS ( Switching Subsystem)…………………………..23 Trạm di động MS (Mobile Station)………………………………………….28 Phân hệ khai thác và hỗ trợ OSS (Operation and Support Subsystem)…….29 Khai thác……………………………………………………………..............30 Bảo dưỡng……………………………………………………………............30 Quản lý thuê bao……………………………………………………………..30 Quản lý thiết bị di động………………………………………………….…..31 CHƯƠNG 3: CHUYỂN GIAO HANDOVER TRONG MẠNG GSM…………...33 Các loại chuyển giao ………………………………………………………...34 Chuyển giao trong BTS………………………………………………….......34 Chuyển giao trong cùng BSC………………………………………………..35 Chuyển giao trong cùng MSC……………………………………………….35 Chuyển giao giữa các MSC………………………………………………….36 CHƯƠNG 4: GIAO TIẾP VÔ TUYẾN SỐ……………………………………….37 Giao diện vô tuyến……………………………………………………….......37 Suy hao đường truyền và phading…………………………………………...38 Phân tán thời gian………………………………………………………...….40 Các phương pháp phòng suy hao đường truyền do phading………………..41 Phương pháp chống phân tán thời gian……………………………………...44 Nguyên tắc khi chia kênh theo thời gian…..………………………………...45 Khái niệm về khe vô tuyến………………..…………………………………45 Kênh vật lý.………………………………..…………………………………45 Kênh logic.…………………………………..……………………………….47 Chia kênh logic theo khe thời gian…………………………………………..50 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ QUY HOẠCH HỆ THỐNG MẠNG GSM……..52 Hệ thống thông tin di động tế bào…………………………………………...52 Cấu trúc hệ thống thoại trước đây…………………………………………...52 Hệ thống thông tin di động tế bào………………...........................................53 Quy hoạch cell……………………………………………………………….54 Khái niệm tế bào……………………………………………………………..54 Kích thước Cell và phương thức phủ sóng…………………………………..54 Chia cell…………………………………………...........................................56 Quy hoạch tần số…………………………………………………….............62 Tái sử dụng lại tần số………………………………………………………...63 Các mẫu tái sử dụng lại tần số……………………………….........................64 Thay đổi quy hoạch tần số theo phân bố lưu lượng.........................................65 Thiết kế tần số theo phương pháp MPR……………………………………..67 Kiểu loại anten……………………………………………………………….76 Độ tăng ích anten…………………………………………………………….77 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương………………………………....77 KẾT LUẬN…………………………………………………………………………..82 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………….….83 CÁC TỪ VIẾT TẮT ACCH  Associated Control Chanel  Kênh điều khiển liên kết   AGCH  Access Grant Chanel  Kênh cho phép truy nhập   AuC  Authentication Center  Trung tâm nhận thực   BCCH  Broadcast Control Chanel  Kênh điều khiển quảng bá   BCH  Broadcast Chanel  Kênh quảng bá   BER  Bit Error Rate  Tỉ lệ lỗi bit   Bm  Full Rate TCH  TCH toàn quốc   BSIC  Base Station Indentity Code  Mã nhận dạng trạm gốc   BSS  Base Station Subsystem  Phân hệ trạm gốc   BSSA  Base Station Application Part  Phần ứng dụng trạm gốc   BS  Base Station  Trạm gốc   BTS  Base Transceiver Station  Trạm thu phát gốc   C/A  Carrier to Adjeacent  Tỉ số sóng mang/ nhiễu lân cận   CCH  Control Chanel  Kênh điều khiển   CCCH  Common Control Chanel  Kênh điều khiển chung   CCITT  International Telegraph and Telephone Consultative Committee  Ủy ban tư vấn quốc tế về điện thoại và điện báo   CDMA  Code Division Multiple Access  Đa truy nhập chia theo mã   Cell  Cellulear  Ô (tế bào)   CEPT  Conference of European Post an Telecommunication  Liên minh Châu Âu về Bưu Chính Viễn Thông   CI  Cell Identity  Nhận dạng ô   C/I  Carrier to Interference  Tỉ số sóng mang/ nhiễu đồng kênh   C/R  Carrier to Reflection  Tỉ số sóng mang/ sóng phản xạ   CM  Conection Management  Quản lý kết nối   DCCH  Deidicated Control Chanel  Kênh điều khiển dành riêng   ETSI  European Telecomunications Standards Institue  Viện tiêu chuẩn VTCA   EIR  Equipment Identification Register  Bộ ghi nhận dạng thiết bị   FDMA  Frequency Division Multiple Access  Đa truy nhập phân chia theo tần số   FCCH  Frequency Correction Chanel  Kênh hiệu chỉnh tần số   FACCH  Fast Associated Control Chanel  Kênh điều khiển lệnh liên kết nhanh   GSMC  Gateway MSC  Tổng đài di động cổng   GSM  Global System for Mobile Communication  Trung tâm di động toàn cầu   GPRS  Generation Packet Radio Service  Dịch vụ vô tuyến gói chung   HLR  Home Location  Bộ đăng ký định vị thường trú   HON  Handover Number  Số chuyển giao   ISON  Intergrated Service Digital Network  Mạng số đa dịch vụ   IMSI  International Mobile Subcriber Identity  Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế   IHOSR  Incoming HO successful Rate  Tỉ lệ thành công Handover   LA  Location Area  Vùng định vị   LAC  Location Area Code  Mã vùng định vị   LAI  Location Area Identity  Số nhận dạng vùng định vị   LAPD  Link Access Procedures on Dchanel  Các thủ tục truy nhập đường truyền kênh D   LAPDm  LAPDmodified  LAPD được điều chỉnh   MCC  Mobile Country Code  Mã quốc gia của trạm di động   MNC  Mobile Network Code  Mã mạng trung tâm di động   MPR  Multiple Reuse Patterns  Đa mẫu sử dụng lại   MSC  Mobile Switching Service Center  Tổng đài di động   MS  Mobile Station  Trạm di động   MSISDN  Mobile Station ISDN Number  Số ISDN của trạm di động   NMT  Nordic Mobile Telephone  Điện thoại di động Bắc Âu   NSS  Network Subsystem  Phân hệ mạng   OMC  Operation and Maintencince Center  Trung tâm khai thác và bảo dưỡng   OSS  Operation and Support System  Phân hệ khai thác và hỗ trợ   OSI  Open System Interconnetion  Liệt kê hệ thống mở   PCH  Puging Chanel  Kênh tìm gọi   PLMN  Public Land Mobile Network  Mạng di động mặt đất công cộng   PSPDN  Packet Switch Public Data Network  Mã số liệu công cộng chuyển mạch gói   PSTN  Public Swithched Telephone Network  Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng   RACH  Random Access Chanel  Kênh truy cập ngẫu nhiên   RX  Receiver  Máy thu   SABM  Set Asynchronous Balance Mode  Đặt chế độ cân bằng không đồng bộ   SACCH  Slow Associated Control Chanel  Kênh điều kiện dành riêng đứng một mình   SCCP  Signaling Connection Control Part  Phần điều kiện kết nối báo hiệu   SCH  Synchoronous Chanel  Kênh đồng bộ khung   SDCCH  Stand Alone Dedicated  Điều khiển kênh dành riêng   SIM  Subscriber Identity Modul  Modun nhận dạng thuê bao   SMS  Short Message Service  Dịch vụ bản tin ngắn   SS  Switching Subsystem  Phân hệ chuyển mạch   TCH  Traffic Chanel  Kênh lưu lượng   TDMA  Time Division Multiple Access  Đa truy nhập phân chia theo tần số   TMN  Telecommunication  Mạng quản lý vô tuyến   TRAU  Transcoding and Rate/ Adapter Unit  Bộ chuyển đổi mã và phối hợp tốc độ   TRx  Transceiver  Bộ thu – phát   DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1 Thành phần di động trên thế giới năm 2006………………………………16 Hình 2.1 Phân vùng cấu trúc địa lý mạng GSM……………………………………20 Hình 2.2 Phân vùng và chia ô………………………………………………………20 Hình 2.3Mô hình hệ thống GSM……………………………………………………..23 Hình 2.4 Chức năng xử lý cuộc gọi của MSC………………………………………..28 Hình 3.1 Chuyển giao trong mạng GSM……………………………………………..36 Hình 3.2 Chuyển giao trong BTS…………………………………………………...36 Hình 3.3 Chuyển giao trong cùng BSC……………………………………………..36 Hình 3.4 Chuyển giao trong cùng MSC…………………………………………….38 Hình 3.5 Chuyển giao giữa các MSC khác nhau…………………………………...38 Hình 4.1 Fading chuẩn Logarit…………………………………………………......41 Hình 4.2 Fading Raile………………………………………………………………42 Hình 4.3 Tín hiệu thu được khi ở cách anten phát Tx một khoảng nhất định…….. .42 Hình 4.4 Biểu diễn phân tập thời gian……………………………………………...45 Hình 4.5Tổ chức đa khung…………………………………………………………49 Hình 4.6 Phân loại kênh logic………………………………………………………51 Hình 4.7 Ghép các BCH và CCCH ở Ts0…………………………………………..53 Hình 4.8 Ghép RAC ở Ts0…………………………………………………………54 Hình 4.9 Ghép TCH………………………………………………………………..54 Hình 5.1 Cấu trúc hệ thống thông tin di động trước đây…………………………..55 Hình 5.2 Hệ thống thông tin di động sử dụng cấu trúc tế bào …………………….56 Hình 5.3 Omni (3600) Cell site……………………………………………………..58 Hình 5.4 Sector hóa 1200…………………………………………………………..59 Hình 5.5 Phân chia Cell……………………………………………………………60 Hình 5.6 Các Omni (3600) Cells ban đầu…………………………………………..60 Hình 5.7 Giai đoạn 1 :Sector hóa…………………………………………………..60 Hình 5.8 Tách chia 1:3 thêm lần nữa………………………………………………60 Hình 5.9 Tách chia 1:4 (sau lần đầu chia 3)………………………………………..61 Hình 5.10 Mảng mẫu gồm 7 cells…………………………………………………...66 Hình 5.11 Khoảng cách tái sử dụng tần số…………………………………………..67 Hình 5.12 Thay đổi quy hoạch tần số……………………………………………….68 Hình 5.13 Phủ sóng không liên tục………………………………………………….70 Hình 5.14 Một ví dụ về hiệu quả của kỹ thuật nhảy tần trên phân tập nhiễu của một mạng lưới. Kích thước của mũi tên phản ánh nhiễu tương quan giữa các cell đồng kênh…………………………………………………………………………………...71 Hình 5.15 Ví dụ về thiết kế tần số với phương pháp MRP…………………………..75 Hình 5.16 Anten vô hướng (Omni antenna)...............................................................79 Hình 5.17 Anten vô hướng (Omni antenna)................................................................79 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, cuộc cách mạng của các nghành khoa học kĩ thuật đã và đang phát triển rất mạnh mẽ. đặc biệt là trong lĩnh vực Công Nghệ Thông Tin và Điện Tử - Viễn Thông. Hơn nữa thông tin di động hiện nay còn trở thành một dịch vụ kinh doanh không thể thiếu của các nhà khai thác dịch vụ viễn thông. Những thành tựu của Công Nghệ Thông Tin và Điện Tử - Viễn Thông có nhiều ứng dụng to lớn và trở thành một phần quan trọng trong cuộc sống của chúng ta ngày nay. Đối với các khác hàng viễn thông nhất là đối với các nhà doanh nghiệp viễn thông thì thông tin di động trở thành một phương tiện quen thuộc. Các dịch vụ thông ti di động không còn hạn chế đối với các khách hàng giàu có mà đã phát triển cho mọi đối tượng khách hàng. Cùng với sự phát triển của đất nước thì Công nghệ thông tin cũng có những bước phát triển vượt bậc so với sự phát triển của các nghành khác như: điện, điện tử, tin học, quang học… Các quốc gia đều coi viễn thông là nghành mũi nhọn và được đầu tư thích đáng trong nhiều nghiên cứu và trong ứng dụng công nghệ thông tin làm đòn bẩy để kích thích sự phát triển của nghành kinh tế quốc dân khác. Ngày nay với nhu cầu cả về số lượng và chất lượng của khách hàng sử dụng các dịch vụ viễn thông ngày càng cao, đòi hỏi phải có những phương tiện thông tin hiện đại, đáp ứng nhu cầu đa dạng của khách hàng mọi lúc, mọi nơi họ cần.Và mạng GSM với những ưu điểm nổi bật như: dung lượng lớn, chất lượng tốt, tính bảo mật cao…thì sự ra đời của mạng di động GSM đã đáp ứng được các yêu cầu cao, cần thiết cho toàn xã hội. Nghành thông tin di động được coi là nghành mũi nhọn cần phải đi trước một bước. làm cơ sở cho các nghành khác phát triển, nhu cầu trao đổi, cập nhật thông tin của con người ở mọi lúc, mọi nơi ngày càng cao. Các hệ thống 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 quy mô, dung lượng và đặc biệt là các loại hình dịch vụ mới để đáp ứng tốt hơn nhu cầu của người sử dụng. 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 hình thành của nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông mới đã tạo ra sự cạnh tranh để thu hút thị thị trường thuê bao giữa các nhà cung cấp dịch vụ. Hơn nữa, các nhà cung cấp dịch vụ liên tục đưa ra các chính sách khuyến mại, giảm giá cước… cũng thu hút được rất nhiều khách hàng sử dụng dịch vụ. Mặt khác, mức sống chung của toàn xã hội ngày càng được nâng cao khiến cho số lượng các thuê bao sử dụng dịch vụ di động tăng đột biến trong vài năm gần đây. Tại Việt Nam, mạng di động số thế hệ thứ 2 (2G) sử dụng công nghệ GSM đã và đang phát triển rộng khắp các tỉnh thành trong cả nước. Công nghệ GSM sử dụng dải tần 900Mhz, 9,6Kbps chỉ được áp dụng cho các dịch vụ thoại, dịch vụ bản tin nhắn, hạn chế nhiều dịch vụ phi thoại yêu cầu có tốc độ cao như hình ảnh, gửi hình ảnh, văn bản và truy cập Internet... Đồng thời với sự phát triển của mạng di động sử dụng công nghệ GSM, ngày nay, không chỉ có các nước tiên tiến trên thế giới mà ở nước ta cũng đã phát triển rất mạnh các mạng sử dụng công nghệ cao hơn như: GPRS, 3G, W – CDMA(4G). Các mạng di động sử dụng công nghệ cao đó có tốc độ truy cập nhanh hơn, cung cấp nhiều loại hình dịch vụ tiên tiến mà GSM không cung cấp được và cũng đáp ứng được nhu cầu sử dụng viễn thông hiện nay của khách hàng sử dụng mạng. Có thể nói, ngày nay hệ thống công nghệ thông tin cũng như hệ thống thông tin di động liên tục thay đổi và phát triển nhanh chóng. Hay nói cách khác là chúng thay đổi, nâng cấp theo từng ngày, biến đổi từng giờ. Tuy vậy, các khai niệm cơ bản nền tảng về hệ thống thông tin di động thì không thay đổi. Bởi tất cả các công nghệ tiên tiến bây giờ đều được cải tiến từ các nền tảng cơ bản đó. Do vậy, dựa trên những hiểu biết thực tế em đã tìm hiểu và những kiến thức tích lũy trong ba năm học tập chuyên ngành Điện Tử - Viễn Thông tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội. Em đã chọn đề tài Tổng Quan Về Hệ Thống Thông Tin Di Động GSM. Em đã nhận được sự hướng dẫn tận tình của cô PGS.TS Hồ Anh Túy. Em xin chân trọng cảm ơn cô. Em cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy, cô giáo trong viện Điện Tử - Viễn Thông trường đại học Bách Khoa Hà Nội, nơi đã dạy dỗ và dìu dắt em trong suốt ba năm học tại trường. Hà Nội, tháng 3 năm 2011. Sinh viên thực hiện: Đinh Thị Hồng Phúc CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG GSM GSM là hệ thống thông tin di động toàn cầu (tiếng A