Bài giảng Đồ án môn học 2 - Tìm hiểu mạng GSM

Nội dung text: Bài giảng Đồ án môn học 2 - Tìm hiểu mạng GSM

1. Khoa Điện - Điện tử Đồ án môn học 2 Đề Tài : GVHD : Nguyễn Ngô Lâm SV thực hiện: 1. Lê Thị Lan Anh 05117002 2. Trần Thị Huyền Trang 05117080 1
2. Khoa Điện - Điện tử NỘI DUNG ĐỀ TÀI 1 • TỔNG QUAN 2 • TRUYỀN SÓNG 3 • SỬ DỤNG TẦN SỐ 4 • TÍNH TOÁN DUNG LƯỢNG 2
3. Khoa Điện - Điện tử TỔNG QUAN CẤU TRÚC TỔNG THỂ ❑Phân hệ chuyển mạch NSS ❑Phân hệ trạm gốc BSS ❑Phân hệ khai thác và bảo dưỡng OSS ❑Trạm di động MS 3
4. Khoa Điện - Điện tử CẤU TRÚC NSS •MSC = Trung tâm chuyển mạch di động •HLR = Bộ ghi định vị thường trú •VLR = Bộ ghi định vị tạm trú •AC = Trung tâm nhận thực •EIR = Bộ ghi nhận dạng thiết bị 4
5. Khoa Điện - Điện tử CẤU TRÚC Phân hệ NSS MSC HLR Chức năng của MSC là : điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những người sử dụng mạng GSM. VLR Một mặt MSC giao tiếp với phân hệ BSS, mặt khác nó giao tiếp với mạng ngoài. MSC làm AC nhiệm vụ giao tiếp với mạng ngoài được gọi là MSC cổng (GatewayMSC). EIR 5
6. Khoa Điện - Điện tử CẤU TRÚC Phân hệ NSS MSC HLR VLR Là cơ sở dữ liệu tham chiếu lưu giữ lâu dài các thông tin liên quan đến các thuê bao. AC Các thông tin này mang tính cố định. EIR 6
7. Khoa Điện - Điện tử CẤU TRÚC Phân hệ NSS MSC HLR VLR VLR là cơ sở dữ liệu trung gian lưu giữ AC các thông tin về thuê bao trong vùng phục vụ MSC/VLR được tham chiếu từ cơ sở EIR dữ liệu HLR. Các thông tin này mang tính tạm thời. 7
8. Khoa Điện - Điện tử CẤU TRÚC Phân hệ NSS MSC HLR AC được tích hợp trên HLR để nhận thực VLR cho SIM card, cho phép thuê bao kết nối AC với mạng thông qua IMSI cung cấp thông tin về mã hoá thông tin như số KI, Id, EIR RAND 8
9. Khoa Điện - Điện tử CẤU TRÚC Phân hệ NSS MSC HLR ➢EIR là một cơ sở dữ liệu thông tin về VLR tính hợp lệ của thiết bị ME qua số IMEI. AC EIR 9
10. Khoa Điện - Điện tử CẤU TRÚC BSS •TRAU = Đơn vị chuyển mã/đáp ứng •BTS = Trạm thu phát gốc •BSC = Bộ điều khiên trạm gốc 10
11. Khoa Điện - Điện tử CẤU TRÚC BSC thực hiện các chức năng sau: Phân hệ BSS ➢Điều khiển một số trạm vô tuyến BTS: BSC xử lý các bản tin báo hiệu, điều khiển, vận hành, bảo dưỡng đi/đến BTS BTS ➢Khởi tạo kết nối ➢Điều khiển chuyển giao: Intra và Inter TRAU BTS HO ➢Kết nối các MSC, BTS, OMC 11
12. Khoa Điện - Điện tử CẤU TRÚC Phân hệ BSS BSC BTS TRAU ➢Thu phát vô tuyến ➢Ánh xạ kênh logic vào kênh vật lý ➢Mã hóa và giải mã hóa ➢Mật mã hóa và giải mật mã hóa ➢Điều chế và giải điều chế 12
13. Khoa Điện - Điện tử CẤU TRÚC Phân hệ BSS BSC BTS ➢Trau chuyển đổi tốc độ thoại 13Kbps hoặc dữ TRAU liệu tốc độ thấp thành tốc độ 64Kbps. 13
14. Khoa Điện - Điện tử CẤU TRÚC MS ME : thiết bị di động MS SIM : Module nhận dạng thuê bao 14
15. Khoa Điện - Điện tử CẤU TRÚC Trạm di động MS ME SIM ME : Là thiết bị di động, là phần cứng và phần mềm của điện thoại di động. Mỗi một điện thoại di động phân biệt nhau bởi số nhận dạng điện thoại di động IMEI (International Mobile Equipment Indentity). 15
16. Khoa Điện - Điện tử CẤU TRÚC ➢SIM : Là thiết bị lưu giữ các thông số thuê bao và mật mã thẻ thông minh Trạm di động MS xác thực. ME ➢Mỗi SIM phân biệt nhau bởi số nhận SIM dạng thuê bao IMSI (International Mobile Subcriber Indentity) để chống sử dụng trái phép số thuê bao bằng mật khẩu hay số nhận dạng cá nhân. 16
17. Khoa Điện - Điện tử CẤU TRÚC OSS Khai thác và bảo dưỡng mạng CHỨC Quản lý thuê bao và tính cước NĂNG Quản lý thiết bị di động 17
18. Khoa Điện - Điện tử I BĂNG TẦN CỦA MẠNG GSM II NGUYÊN TẮC TRUYỀN SÓNG 18
19. Khoa Điện - Điện tử TRUYỀN SÓNG BĂNG TẦN GSM Tất cả các mạng điện thoại ở Việt Nam hiện đang GSM 900 MHz phát ở băng tần 900MHz. GSM 1800 MHz Các nước trên thế giới sử GSM 1900 MHz dụng băng tần 1800MHz. Mỹ sử dụng băng tần 1900MHz. 19
20. Khoa Điện - Điện tử NGUYÊN TẮC TRUYỀN SÓNG TRUYỀN SÓNG Truyền sóng do khuếch tán trong tầng đối lưu. Truyền sóng phẳng trong môi trường vô tuyến di động 20
21. Khoa Điện - Điện tử TRUYỀN SÓNG Trong tầng đối lưu - Tầng đối lưu là một môi trường có các tham số thay đổi theo thời gian và không gian. -Tầng đối lưu là một môi trường không đồng nhất. Nếu một vùng nào đó trong tầng đối lưu không đồng nhất với môi trường xung quanh, theo nguyên lý quang, một tia sóng đi vào trong vùng không đồng nhất sẽ bị khuếch tán ra mọi phía. - Trong thực tế, phương thức này ít được sử dụng do độ tin cậy kém, fading sâu, yêu cầu công suất phát lớn và hướng tính anten cao. 21
22. Khoa Điện - Điện tử TRUYỀN SÓNG Trong vô tuyến di động Trong thông tin vô tuyến, sóng vô truyến được truyền qua môi trường vật lý có nhiều cấu trúc và vật thể như tòa nhà, đồi núi, cây cối, xe cộ chuyển động 22
23. Khoa Điện - Điện tử TRUYỀN SÓNG Trong vô tuyến di động Truyền sóng nhiều đường xảy ra khi có phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ. 23
24. Khoa Điện - Điện tử TRUYỀN SÓNG Trong vô tuyến di động Suy hao tín hiệu phạm vi rộng Truyền sóng vô truyến Méo tín hiệu phạm vi hẹp 24
25. Khoa Điện - Điện tử Suy hao tín hiệu phạm vi rộng gồm TRUYỀN SÓNG suy hao đường truyền và che tối. Trong vô truyến di động Suy hao đường truyền xảy ra do Suy hao tín hiệu khoảng cách từ máy thu đến máy phạm vi rộng phát. Méo tín hiệu phạm vi hẹp Che tối là sự thay đổi công suất thu vì suy hao tín hiệu gây ra do các vật cản giữa máy phát và máy thu,hay còn gọi là fading chậm được đặc trưng bởi phân bố chuẩn loga. 25
26. Khoa Điện - Điện tử TRUYỀN SÓNG Trong vô truyến di động Suy hao tín hiệu phạm vi rộng Méo tín hiệu phạm vi hẹp Các đường truyền không trực tiếp này đến máy thu lệch pha nhau về thời gian và không gian, điều này gây ra fading nhanh và các hiệu ứng phạm vi hẹp trong thông tin vô tuyến di động như : trải trễ, trải góc và trải Doppler. 26
27. Khoa Điện - Điện tử TRUYỀN SÓNG Trong vô tuyến di động Các phương pháp phòng ngừa suy hao truyền dẫn do fading Phân tập không gian Phân tập tần số Mã hóa kênh Ghép xen 27
28. P L = tx PL P rx Khoa Điện - Điện tử TRUYỀN SÓNG ➢Là phương pháp sử dụng 2 hay nhiều hơn 2 anten cho các máy thu Các phương pháp hoặc máy phát để truyền đồng thời chống fading cùng một tín hiệu trên cùng một kênh Phân tập vô tuyến. không gian Phân tập ➢2 anten độc lập thu cùng tín hiệu rồi tần số kết hợp các tín hiệu này lại ta sẽ có Mã hóa kênh một tín hiệu ra khỏi bộ kết hợp ít bị fading hơn. Ghép xen 28
29. P L = tx PL P rx Khoa Điện - Điện tử TRUYỀN SÓNG ➢Là phương pháp truyền đồng thời một tín hiệu trên 2 tần số khác nhau Các phương pháp trong cùng một dải tần. chống fading ➢Bởi vì xác suất xảy ra đồng thời Phân tập fading ở 2 tần số không tương quan không gian với nhau là rất nhỏ. Phân tập ➢Vì thế ta luôn thu được tín hiệu tốt tần số và bằng cách kết hợp (hoặc chọn) tín Mã hóa kênh hiệu giữa 2 đường truyền này ta sẽ được một tín hiệu tốt. Ghép xen 29
30. P L = tx PL P rx Khoa Điện - Điện tử TRUYỀN SÓNG ➢Ở phương pháp mã hoá kênh ta phải phát đi một lượng thông tin có số bit Các phương pháp lớn hơn nhưng sẽ đạt độ an toàn chống fading chống lỗi cao hơn. Phân tập không gian ➢Mã hoá kênh có thể phát hiện và Phân tập sửa lỗi ở từng bit thu. tần số Mã hóa kênh ➢Mỗi kênh kiểm tra lỗi dùng các loại mã hoá là mã khối và mã xoắn. Ghép xen 30
31. P L = tx PL P rx Khoa Điện - Điện tử TRUYỀN SÓNG ➢Các lỗi bit thường xảy ra theo từng cụm do các chỗ trũng fading sâu làm Các phương pháp ảnh hưởng nhiều bit liên tiếp. chống fading Phân tập ➢Để giải quyết hiện tượng lỗi bit quá không gian dài ta dùng phương pháp ghép kênh Phân tập xen để tách các bit liên tiếp của một tần số bản tin sao cho các bit này gửi đi Mã hóa kênh không liên tiếp. Ghép xen 31
32. Khoa Điện - Điện tử I CÁC THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ II TÁI SỬ DỤNG TẦN SỐ III DUNG LƯỢNG IV SỰ PHÂN CHIA Ô 32
33. Khoa Điện - Điện tử Việc sử dụng tần số của hệ thống mạng GSM, ta cần quan tâm đến 3 thông số: 1. Tỷ số C/I: - Tỷ số này đánh giá được nhiễu đồng kênh, nhiễu do tín hiệu thu không mong muốn có cùng tần số với tín hiệu thu mong muốn. - C/I = 10log(P0/Pi) (dB) trong đó: Pi : công suất tín hiệu thu mong muốn Po : công suất nhiễu thu được - Trong GSM, cho phép GSM nhỏ nhất là 10dB. 33
34. Khoa Điện - Điện tử 2. Tỷ số C/R: C/R được tính bằng tỉ số giữa năng lượng trong cửa sổ và năng lượng ngoài cửa sổ của bộ cân bằng Equalizer. C/R = 10logPd/Pr Pd : công suất thực hiện nhận được từ đường trực tiếp. Pr : công suất thực hiện nhận được từ đường gián tiếp 3. Tỷ số C/A: Tỷ số sóng mang trên nhiễu giao thoa kênh lân cận : C/A = 10log(P0/Pa) (dB) P0: công suất tín hiệu thu mong muốn Pa : công suất thu tín hiệu của kênh lân cận 34
35. Khoa Điện - Điện tử Dải tần phát: 890MHz 25MHz 915MHz Mỗi kênh chiếm một khe tần số 200KHz 125 kênh thoại Điều khiển Thuê bao Số thuê bao dùng trong một thời điểm là: 125 x 7 = 875 875 thuê bao Để tăng số thuê bao sử dụng, cần sử dụng hiệu quả tần số vô tuyến cho phép, người ta đưa ra rất nhiều phương pháp , trong đó phương pháp tái sử dụng tần số được sử dụng hiệu quả nhất 35
36. Khoa Điện - Điện tử Trong mạng GSM, mỗi cell có một trạm BTS, được cấp phát một nhóm tần số vô tuyến, và không trùng với các BTS liền kề. Một cụm cluster có kích thước N cell được lặp lại tại các vị trí địa lý khác nhau trong toàn vùng phủ sóng. 36
37. Khoa Điện - Điện tử Hệ số tái sử dụng tần số: (1) Với D: là khoảng cách gần nhất giữa các cell đồng kênh R : bán kính của một cell N : số cell trong một cluster D = (i2 + ij + j2)1/2 (2) 37
38. Khoa Điện - Điện tử + Q nhỏ : dung lượng tăng (N giảm) + Q lớn : Chất lượng truyền dẫn vô tuyến tốt hơn 38
39. Khoa Điện - Điện tử Có ba kiểu mẫu sử dụng lại tần số phổ biến là : 3/9, 4/12, 7/21. Sử dụng cho các trạm gốc có anten phát 3 hướng, mỗi hướng dành cho một ô và góc phương vị phân cách nhau 1200. Mỗi ô sử dụng các anten phát 600 và hai anten thu phân tập 600 cho một góc phương vị. 39
40. Khoa Điện - Điện tử Sơ đồ 3/9 ô sử dụng các nhóm 9 tần số, trong một mẫu sử dụng lại tần số 3 đài trạm: Tương tự đối với sơ đồ 4/12, 7/21 40
41. Khoa Điện - Điện tử Sơ đồ 4/12 ô sử dụng các nhóm 12 tần số, trong một mẫu sử dụng lại tần số 4 đài trạm: 41
42. Khoa Điện - Điện tử Khi hệ thống bắt đầu sử dụng, số thuê bao còn thấp, nếu sử dụng cell với kích thước nhỏ thì dung lượng thông tin tăng, nhưng phải cần nhiều trạm gốc hơn và chi phí cho hệ thống lắp đặt cũng tăng, điều này không cần thiết, tối ưu thì kích thước cell phải lớn . Nhưng khi số thuê bao tăng, người ta cần giảm kích thước cell lại để đáp ứng dung lượng mới. Phương pháp này gọi là phân chia cell. 42
43. Khoa Điện - Điện tử Phương pháp này chia thành 3 giai đoạn: Giai đoạn 0: sử dụng các anten vô hướng, phạm vi phủ sóng rộng Giai đoạn 1: Các anten vô hướng được thay bằng các anten có hướng. Mỗi vị trí này có thể phục vụ được 3 cell mới, những cell này có kích thước nhỏ hơn và có3 anten định hướng đặt ở vị trí này, góc giữa các anten này là 1200. Điều này gọi là sector hoá cell. 43
44. Khoa Điện - Điện tử Giai đoạn 2: Đây là quá trình 1 cell tách thành4 . Tất cả những vị trí ở giai đoạn1 đang được sử dụng không cần phải chỉnh lại anten. Điều này làm tăng gấp 4 lần việc sử dụng lại tần số và dung lượng hệ thống. 44
45. Khoa Điện - Điện tử Mối quan hệ giữa dung lượng của hệ thống và tỷ số C/I: - Hệ thống Cellular bao gồm S kênh vô tuyến – RFC (RFC: Radio Frequency Channel). Mỗi cell được cấp phát k RFC ( k < S ). S kênh được chia sẻ cho N cells. S = kN (N cells hình thành một cluster N cluster size). Một cluster được lặp lại M lần trong một hệ thống cellular tại các vị trí địa lý khác nhau. Khi đó dung lượng hệ thống C = tống số kênh RFC trong hệ thống (capacity). C = MkN= MS - Với N càng nhỏ thì số lượng kênh trên một nhóm hay dung lượng càng lớn và số thuê bao có thể được phục vụ càng cao, nhưng N nhỏ lại cho tỷ số C/I nhỏ, nhiễu đồng kênh tăng. 45
46. Khoa Điện - Điện tử I KHÁI NIỆM LƯU LƯỢNG II TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG III MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN 46
47. Khoa Điện - Điện tử - Lưu lượng (teletraffic): là bản tin tức được truyền từ nơi này đến nơi khác thông qua một kênh thông tin (nội dung từ người dùng này đến người khác). - Bản tin là tiếng nói (thoại), âm thanh, hình ảnh, dữ liệu, tín hiệu video - Kênh thông tin là môi trường từ thiết bị người dùng này đến thiêt bị người dùng khác gồm đường dây thuê bao (mạng truy cập), tổng đài (nội hạt, gateway), server, switch, hub, router (mạng chuyển mạch), thiết bị truyền dẫn, mạng truyền dẫn. 47
48. Khoa Điện - Điện tử -Đơnvị traffic là Erlang (1947) hay TU (Traffic Unit). 1 Erl = 1TU nghĩa là trung bình trong khoảng thời gian quan sát có 1 kênh (hay 1 server) bị chiếm dụng. - Theo định nghĩa trên, lưu lượng A được tính theo công thức : A = C.t/T Trong đó: A : lưu lượng (Erlang) C : số cuộc gọi t = thời gian trung bình chiếm kênh mỗi cuộc gọi T = tổng thời gian đo (thường là 1h) 48
49. Khoa Điện - Điện tử 49
50. Khoa Điện - Điện tử 50