Hệ thống viễn thông - Thông tin di động

Thông tin di động Nội  dung  môn  học   •  Tổng  quan  về  hệ  thống  TTDD   •  Hệ  thống  GSM   •  Sử  dụng  lại  tần  số  -­‐  hoạch  định   mạng   •  Trải  phổ  và  chống  nhiễu  trong  3G   Tài  liệu  tham  khảo   •  Thông  tin  di  động  số,  Ericsson,  1996   •  GSM  System  Survey  –  Ericsson   •  Tính  toán  mạng  thông  tin  di  động  số  cellular,      Thầy  Vũ  Đức  Thọ   •  GSM,  CdmaOne  and  3G  Systems,      Raymond  Steele,  Chin-­‐Chun  Lee,  Peter  Gould   •  GSM,  Switching,  Services  and  Protocols,      John  Wiley  &  Sons   •  Website  của  tạp  chí  bưu  chính  viễn  thông,  địa  chỉ:  http:// www.tapchibcvt.gov.vn/   •    •    Phần 1 TỔNG  QUAN  VỀ     HỆ  THỐNG  THÔNG  TIN  DI  ĐỘNG     Giới  thiệu   •  Hệ   thống   thông   tin   di   động   tế   bào     số   (Digital   Cellular  mobile  communication  systems)  hay  còn   gọi   là   hệ   thống   thông   tin   di   động   (mobile   systems)  là  hệ  thống  liên  lạc  với  nhiều  điểm  truy   nhập  khác  nhau  (access  points,  or  base   stations)   trên  một  vùng  địa  lý  hay  còn  goi  là  các  cell.     •  Nguời  sử  dụng  có  thể  di  chuyển  trong  vùng  phủ   sóng  của  các  trạm  (base  station).   Khái  niệm  tế  bào     – Cell  –  tế  bào  hay  ô:  là  đơn  vị  cơ  sở  của  mạng,  tại  đó   trạm  di  động  MS  tiến  hành  trao  đổi  thông  tin  với   mạng  qua  trạm  thu  phát  gốc  BTS  (BS).   – Trong  đó:     –  MS:  Mobile  Station  -­‐  trạm  di  động.   –  BTS  (BS):  Base  Tranceiver  Station  (Base  Station)   Trạm  thu  phát  gốc  BTS   –  Base    Transceiver   Sta=on   (BS  –  Base  Sta=on)     MS BTS PBTS RFC(n) RSSI   Radio Signal Strength Indication chỉ  thị  cường  độ  Hn  hiệu   Vùng  phủ   sóng   (coverage   area)   HÌNH  DẠNG     LÝ  THUYẾT   Khái  niệm  tế  bào     Độ  nhạy  thu  -­‐  Receive  Sensitivity:     –  Mức  công  suất  tối  thiểu  mà  tại  đó  máy  thu  vẫn   nhận   được   tín   hiệu   với   một   chất   lượng   xác   định.   –  Đơn  vị:  [dBm]   –  VD:  Card  mạng  WLAN  theo  chuẩn  802.11  có  độ   nhạy  thu  là  -­‐96  dBm   Đơn  vị  công  suất   P  à  W    dB;    mW    dBm    P(mW)        P(dBm)    10  10    1  0    10-­‐1  -­‐10    10-­‐2    -­‐20   P(dBm) = P(dB) + 30 P  (dBm)  =  10  log10  [  P  (mW)]   Hình  dạng  và  kích  thước  cell   Cell  lớn   Celln hỏ   (Macrocell) (Microcell) Macro  Cell   Vị  trí  thiết  kế:   -­‐  Sóng  vô  tuyến  ít  bị   che  khuất  (  vùng   nông  thông,  ven   biển  .  .  .  ).   -­‐  Mật  độ  thuê  bao   thấp.   -­‐  Yêu  cầu  công  suất   phát  thấp.     Bán  kính  phủ  sóng  ~  n  km  ÷  n    *  10  km                        (  GSM:  <=  35  Km)   Micro  Cell   Vị  trí  thiết  kế  :   -­‐  Sóng  vô  tuyến  bị  che   khuất  .   -­‐  Mật  độ  thuê  bao   cao.   -­‐  Yêu  cầu  công  suất   phát  lớn.   Bán  kính  phủ  sóng  ~  n  *  100  m                        (  GSM:  <=  2  Km)   Phương  thức  phủ  sóng   Vô  hướng   Anten  vô  hướng  hay  3600    bức   xạ  năng  lượng  đều  theo  mọi   hướng.   1  Site  =  1  cell  3600   Phương  thức  phủ  sóng   Định  hướng   Anten  có  hướng  tính,  tập  trung   năng  lượng  trong  một  không   gian  nhỏ  hơn.   Cải  thiện  chất  lượng  tín  hiệu.   Tăng  dung  lượng  thuê  bao.   1  Site  =  3  Cell  1200   Phương  thức  phủ  sóng   BTS  –  Base  Transceiver  StaYon   Phương  thức  phủ  sóng   Quy  hoạch  vùng  phủ  sóng:   q   Mật  độ  thuê  bao   q   Yếu  tố  địa  hình   Số  lượng  BTS   Kích  thước  Cell   Phương  thức  phủ  sóng Phương  thức  phủ  sóng   Satellite Macrocell Microcell Urban In-Building Picocell Global Suburban Lịch  sử  phát  triển   •  1st  generation   –  Analog  circuit  switched  systems  (AMPS)   •  2nd  generation   –  Digital  circuit  switched  systems  (GSM,  IS-­‐95)   •  2.5  generation   –  Digital  packet  switched  systems  (GPRS)   •  3rd  generation   –  Digital  packet  switched  systems  (UMTS,  cdma2000)   •  4th  generation:  LTE  Long  Term  Evolution   1G  -­‐  First  Genera=on   q Hệ   thống   thông   tin   di   động   tương   tự   sử   dụng   phương   thức   đa   truy   nhập   phân   chia   theo   tần   số   FDMA  và  điều  chế  tần  số  FM.     q Đặc  điểm  chính:   – Đơn  thuần  hỗ  trợ  dịch  vụ  thoại.   – Chất  lượng  thấp.   – Tính  bảo  mật  kém.   1G  -­‐  First  Genera=on   q   Một  số  hệ  thống  điển  hình:   –  NMT:   Nordic   Mobile   Telephone   sử   dụng   băng   tần   450   MHz.   Triển   khai   tại   các   nước   Bắc   Âu   vào   năm   1981   (Scandinavia).   –  TACS:  Total  Access  Communication  System  triển  khai  tại   Anh  vào  năm  1985.   –  AMPS:  Advanced  Mobile  Phone  System  triển  khai  tại  Bắc   Mỹ  vào  năm  1978  tại  băng  tần  800  MHz.   1G  -­‐  First  Genera=on   q   Các  hệ  thống  thông  tin  di  động  số  tế  bào:   –  Dung  lượng  tăng.   –  Chất  lượng  thoại  tốt  hơn.   –  Hỗ  trợ  một  số  dịch  vụ  số  liệu  đơn  giản.   q   Phương  thức  đa  truy  nhập:   –  TDMA   –  CDMA  (Băng  hẹp)   q   Phương  thức  chuyển  mạch:    chuyển  mạch  kênh  -­‐  Circuit   Switching.   Second  Genera=on  (2G)   Second  Genera=on  (2G)   Một  số  hệ  thống  điển  hình:   •  GSM:  (  Global  System  for  Mobile  Phone  )-­‐  TDMA.  Triển  khai  tại   Châu  Âu  vào  năm  1991.   •  D-­‐AMPS   (   IS-­‐136   -­‐  Digital   Advanced   Mobile   Phone   System)   –   TDMA.  Triển  khai  tại  Mỹ   •  IS-­‐95  (CDMA  one)  -­‐  CDMA.      Triển  khai  tại  Mỹ  và  Hàn  Quốc.   •  PDC  (Personal  Digital  Cellular   )  –  TDMA,  Triển  khai   tại  Nhật   Bản  vào  năm  1991.   2.5G  -­‐  Evolved  Second  Genera=on   – Các  dịch  vụ  số  liệu  cải  tiến  :   •  Tốc  độ  bit  cao  hơn.     •  Hỗ  trợ  kết  nối  Internet.   – Phương  thức  chuyển  mạch:     •  Chuyển  mạch  gói  -­‐  Packet  Switching   Ví  dụ:   – GPRS  -­‐  General  Packet  Radio  Services:  Nâng  cấp  từ  mạng  GSM   nhằm  hỗ  trợ  chuyển  mạch  gói  (172  kbps).   – EDGE  -­‐  Enhance  Data  rate  for  GSM  Evolution   –  Hỗ  trợ  tốc  độ  bit  cao  hơn  GPRS  trên  nền  GSM  (384  kbps)   q   Hỗ  trợ  các  dịch  vụ  số  liệu  gói  tốc  độ  cao:   •  Di  chuyển  trên  các  phương  Yện  (Vehicles):          144  kbps  -­‐  Macro  Cell   •  Đi  bộ,  di  chuyển  chậm  (Pedestrians):        384  kbps  –  Micro  cell   •  Văn  phòng  (  Indoor,  staYonary  users)        2  Mbps  -­‐  Pico  cell   q   Dịch  vụ  đa  phương  Yện,  kết  nối  qua  Internet:  Video   Streaming,  video  conference,  web  browsing,  email,   navigaYonal  maps  .  .     3G  -­‐  Third  Genera=on   – Hai  hướng  tiêu  chuẩn  cho  mạng  3G:   •  W-­‐CDMA:  UTMS:     – Phát  triển  từ  hệ  thống  GSM,  GPRS.   •  CDMA  2000  1xEVDO:   – Phát  triển  từ  hệ  thống  CDMA  IS-­‐95.   3G  -­‐  Third  Genera=on   4G  -­‐  Fourth  Genera=on   – Tốc  độ  cao  (  n  *  10  Mbps  )   – Tăng  cường  khả  năng  tích  hợp  theo  xu  hướng  hội  tụ   theo  các  phương  diện:  thiết  bị  đầu  cuối,  ứng  dụng  và   hạ  tầng  mạng  trên  nền  giao  thức  IP.  .  .   – Xu  hướng  kết  hợp:  mạng  lõi  IP  +  mạng  truy  nhập  di   động  (  3G  )  và  truy  nhập  vô  tuyến  Wimax  &  Wi-­‐Fi  !   IMT-­‐2000  Vision  Includes   LAN,  WAN  and  Satellite  Services   Satellite Macrocell Microcell Urban In-Building Picocell Global Suburban Basic Terminal PDA Terminal Audio/Visual Terminal ξ1.  Lịch  sử  phát  triển   •  Fourth  Genera=on  (4G)   –  Hiện  nay  đang  xây  dựng  chuẩn.   –  Cải  Yến  về  dịch  vụ  dữ  liệu:   •  Tốc  độ  bit:  20  –  100  Mb/s.   –  Phương  thức  điều  chế:   •  OFDM,  MC-­‐CDMA   –  Xu  hướng  kết  hợp:  mạng  lõi  IP  +  mạng  truy  nhập  di  động  (3G)  và   truy  nhập  vô  tuyến  Wimax  &  Wi-­‐Fi  !   Băng    tần  của  hệ  thống   •  Mỗi hệ thống thông tin di động được cấp phát một hoặc nhiều băng tần xác định. •  Trong mỗi băng tần, các kênh vô tuyến của hệ thống sẽ được ấn định. •  Ví dụ: Băng tần GSM 900 được cấp phát là -  UL: 890 MHz – 915 MHz -  DL: 935 MHz – 960 MHz  Phần 2 HỆ  THỐNG  GSM   Nội  dung   •  Cấu  trúc  hệ  thống   •  Phân  cấp  vùng  phục  vụ   •  Các  giao  diện     •  Các  Kênh     •  Vấn  đề  sử  dụng  lại  tần  số   •  Chia  phân  cung   •  Tính  SIR  tại  MS   •  Chu  trình  cuộc  gọi  và  chuyển  giao   Cấu  trúc  hệ  thống  GSM     •  Mạng  thông  Yn  di  động  mặt  đất  công  cộng  PLMN  (Public  Land  Mobile   Network)  theo  chuẩn  GSM  được  chia  thành  3  (4)  phân  hệ  chính  sau:   – Phân  hệ  chuyển  mạch  -­‐  NSS   •  Network  Switching  Subsystem.     – Phân  hệ  vô  tuyến  -­‐  RSS  =  BSS  +  MS   •  Radio  SubSystem   – Phân  hệ  vận  hành  và  bảo  dưỡng  -­‐  OMS   •  OperaYon  and  Maintenance  Subsystem   Cấu  trúc  hệ  thống  GSM   msc iwf ec eir vlr auc hlr NSS bsc bts bts bts SIEMENS NIXDORF trau BSS omc Data NetwoRK pstn ms ! Me ! sim ! Kết nối mang thông tin báo hiệu /điều khiển Kết nối mang thông tin người sử dụng và báo hiệu IWF: InterWorking Function - Khối tương tác mạng EC: Echo Canceler - Khối triệt tiếng vọng Omc- s ! Omc- r! Trạm  di  động  MS  -­‐  Mobile  StaYon   •  Trạm  di  động  MS  =  ME  +  SIM   – ME  :  Mobile  Equipment  -­‐  thiết  bị  di  động   – SIM:  Subscriber  IndenYty  Module                                    Module  nhận  dạng  thuê  bao.   •  ME  =  hardware  +  so”ware     •  ME  ó  IMEI  =  Assigned  at  the  factory   Serial Number Final Assembly Code Type Approval Code 6 digits 2 digits IMEI 6 digits Sp 1 digit Trạm  di  động  MS  -­‐  Mobile  Sta•on   •  SIM:  lưu  giữ  các  thông  Yn  nhận  thực  thuê  bao  và  mật  mã  hóa/ giải  mật  mã  hóa.   •  Các  thông  Yn  lưu  giữ  trong  SIM:   –  Các  số  nhận  dạng  IMSI,  TMSI   –  Khóa  nhận  thực  Ki   –  Số  hiệu  nhận  dạng  vùng  định  vị  LAI:  (LocaYon  Area  ID)   –  Khóa  mật  mã  Kc   –  Danh  sách  các  tần  số  lân  cận   1.  Phân  hệ  trạm  gốc  BSS   q   BSS:  Base  StaYon  Subsystem   q   BSS  =  TRAU  +  BSC  +  BTS   – TRAU  (XCDR):  Bộ  chuyển  đổi  mã  và  phối  hợp  tốc   độ.   – BSC:  Bộ  điều  khiển  trạm  gốc.   – BTS:  trạm  thu  phát  gốc.   q   BSS  kết  nối  với  NSS  qua  luồng  PCM  cơ  sở  2   Mbps.   Bộ  điều  khiển  trạm  gốc  BSC   q BSC:  Base  StaYon  Controller   q Bộ  điều  khiển  trạm  gốc  BSC  thực  hịên  các  chức  năng  sau:   –  Điều  khiển  một  số  trạm  BTS:  xử  lý  các  bản  Yn  báo  hiệu,  điều   khiển,vận  hành  &  bảo  dưỡng  đi/đến  BTS.   –  Khởi  tạo  kết  nối.   –  Điều  khiển  chuyển  giao:Intra  &  Inter  BTS  HO   –  Kết  nối  đến  MSC,  BTS  và  OMC.   BSS’s  components   bsc bts trau BSS MSC bts bts BSS = TRAU + BSC + BTS Trạm  thu  phát  gốc  BTS   q BTS:  Base  Tranceiver  StaYon  hoặc  BS:  Base  StaYon   q Trạm  thu  phát  gốc  BTS  thực  hịên  các  chức  năng  sau:   –  Thu  phát  vô  tuyến  (Radio  Carrier  Tx  and  Rx)   –  Ánh  xạ  kênh  logic  vào  kênh  vật  lý          (  Logical  to  physical  Ch  Mapping  )     –  Mã  hóa/giải  mã  hóa  (Coding/Decoding)   –  Mật  mã  hóa/giải  mật  mã  hóa(Ciphering/Deciphering)   –  Điều  chế  /  giải  điều  chế  (ModulaYng/  DemodulaYng)   Cấu  hình  BSS   BTS BTS BSC BTS BTS BTS BTS 1 2 3 4 6 7 BTS 5 BTS đặt gần: co-located BTS: 1 BTS ở xa: remote BTS: 2 ÷ 7 * Vị trí của BTS so với BSC: * Cấu hình kết nối các BTS: Hình sao: star - 1,2,3 Hình chuỗi: chain - 1,2,4,5 Mạch vòng: loop - 1,2, 4,6,7 ,3, 1 Bộ  TRAU  (XCDR)    TRAU:  Transcoding  and  Rate  AdapYon  Unit    hoặc  XCDR  :  TransCoDeR   chuyển đổi mã MSC PCM: 64 Kbps LPC: 13 Kbps BSC M U X + header: 3 Kbps Ghép kênh: 4*(3+13) = 64 Kbps Tốc độ 1 kênh thoại: 16 Kbps 1 2 3 4 1 TS ó 1 kênh thoại: 64 kbps 1 TS (64kbps) ó 4 kênh (16kbps) 2.  Phân  hệ  chuyển  mạch  NSS   Tổng  đài  di  động  MSC   Chức năng: •  Xử lý cuộc gọi (call procesing). •  Điều khiển chuyển giao (Handover control). •  Quản lý di động (mobility management). •  Xử lý tính cước (billing). •  Tương tác mạng (interworking function):GatewayMSC GMSC Bộ  định  vị  thường  trú  HLR   “HLR là cơ sở dữ liệu tham chiếu lưu giữ lâu dài các thông tin về thuê bao”. •  Các số nhận dạng: IMSI, MSISDN. •  Các thông tin về thuê bao •  Danh sách dịch vụ MS được/hạn chế sử dụng. •  Số hiệu VLR đang phục vụ MS HLR: Home Location Register Bộ  định  vị  tạm  trú  VLR   “VLR là cơ sở dữ liệu trung gian lưu giữ tạm thời thông tin về thuê bao trong vùng phục vụ MSC/VLR được tham chiếu từ cơ sở dữ liệu HLR”. •  Các số nhận dạng: IMSI, MSISDN,TMSI. •  Số hiệu nhận dạng vùng định vị đang phục vụ MS. •  Danh sách dịch vụ MS được/hạn chế sử dụng •  Trạng thái của MS (bận: busy; rỗi : idle) VLR: Visitor Location Register Trung  tâm  nhận  thực  AuC   “AuC (AC) là cơ sở dữ liệu lưu giữ mã khóa cá nhân Ki của các thuê bao và tạo ra bộ ba tham số nhận thực ‘triple: RAND, Kc,SRES’ khi HLR yêu cầu để tiến hành quá trình nhận thực thuê bao”. AuC: Aunthentication Center Khối  nhận  dạng  thiết  bị  EIR   EIR: Equipment Identity Register “EIR là cơ sở dữ liệu thông tin về tính hợp lệ của thiết bị ME qua số IMEI”. •  Một thiết bị sẽ có số IMEI thuộc 1 trong 3 danh sách: + Danh sách trắng (white list) -> valid ME + Danh sách đen (black list) -> stolen ME + Danh sách xám (gray list) -> ME is fauly or do not meet curent GSM specifications 3.  Phân  hệ  vận  hành  và  bảo  dưỡng  OMS   OMS: Operation and Maintenance Subsystem Trung  tâm  vận  hành  và  bảo  dưỡng  OMC   OMC: Operation and Maintenance Center Trung  tâm  vận  hành  và  bảo  dưỡng  OMC   Cấu  trúc  mạng  GSM   Vùng  phủ  sóng  -­‐  Vinaphone   Miền Bắc KV1: Hà Nội và các tỉnh phía Bắc đến Quảng Bình Vùng 1 KV1: Các tỉnh miền Trung từ Quảng trị đến Khánh hòa và tỉnh Tây nguyên Vùng 3 Vùng  phủ  sóng  -­‐   Vinaphone   Vùng  phủ  sóng  -­‐  Vinaphone   KV2: TP. Hồ Chí Minh và các tỉnh phía Nam từ Ninh thuận đến Cà mau Vùng 2 GSM  Func=on   Phân  cấp  vùng  phục  vụ     GSM Service Area Vùng  phục  vụ  PLMN   Vùng  định  vị  LAI       và  vùng  phục  vụ  MSC/VLR   Số  nhận  dạng  vùng  định  vị  LAI   Số LAI: Location Area Identity => Số nhận dạng vùng định vị Số nhận dạng ô toàn cầu GCI: GCI = MCC + MNC + LAC + CI = LAI + CI Location Area Code (LAC) Mobile country Code (MCC) 3 digits 2 digits 2 Bytes Mobile Network Code (MNC) Location Area Code (LAC) Mobile country Code (MCC) 3 digits 2 digits Cell Identity (CI) 2 Bytes 2 Bytes Mobile Network Code (MNC) Các giao diện trong mạng GSM Khái  niệm   •  Giao  diện  -­‐  Interface:   ”Là  ranh  giới  giữa  các  thực  thể  chức  năng  (funcYonal   enYYes)  tại  đó  khuôn  dạng  dữ  liệu  (protocols)  và  quá   trình  trao  đổi  thông  Yn  (procedure)  được  chuẩn  hóa”   Giao  diện  trong  GSM   Làm  việc  nhóm   Tìm  hiểu  giao  diện  Um   -­‐  Phân  bố  tần  số  uplink  và  downlink     -­‐  Chức  năng   Băng  tần  GSM   Dải  GSM900   Dải  tần   Quá  trình  xử  lý  žn  hiệu  thoại  GSM   Speech coding Channel Coding Encry- ption Inter- leaving Burst assembly Modu- lator Speech decoding Channel De- Coding Decry- ption Deinter- leaving Burst disasse- mbly Demod- ulator T C H transmitter receiver Mã hóa nguồn Mã hóa kênh Mật mã hóa Ghép xen Tạo cụm Điều chế thoại OR 26 (51 Frames) multiframes 0 1 2 3 2044 2045 2046 2047 0 1 2 3 47 48 49 50 0 1 24 25 T0 T1 .. T1 1 S T1 2 .. T2 4 I T0 T1 T2 T3 . .. .. T4 8 T4 9 T5 0 1 superframe = 51 (26 Frames) multiframes 1 hyperframe = 2048 superframes = 2715648 TDMA frames 1 trafic multiframe = 26TDMA frames 1 control multiframe = 51TDMA frames . . 235.4 ms 26 * 51 = 1326 TDMA Frames 6.12 s 0 1 6 7 ... TDMA Frame burst slot 577 µs 4.615 ms 120