Upload
alex-dan
View
178
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIKHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG(Mobile Communications)
Slide được thầy Nguyễn Vũ Thắng lựa chọn từ nội dung môn học Thông tin di động do thầy Đỗ Trọng Tuấn soạn.
Hà Nội – 12/ 2006
Nội dung môn học
Chương 1: Tổng quan về hệ thống TTDDChương 2: Hệ thống GSMChương 3: Hệ thống GPRSChương 4: Hệ thống CDMA
Tài liệu tham khảo
Tính toán mạng thông tin di động số cellular, Thầy Vũ Đức Thọ
Lý thuyết về kênh vô tuyếnThầy Nguyễn Văn Đức
GSM, CdmaOne and 3G Systems, Raymond Steele, Chin-Chun Lee, Peter Gould
GSM, Switching, Services and Protocols, John Wiley & SonsWebsite của tạp chí bưu chính viễn thông, địa chỉ: http://www.tapchibcvt.gov.vn/http://www.google.comhttp://en.wikipedia.org/wiki/History_of_mobile_phones
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ
HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
Nội dung
Lịch sử phát triểnCấu trúc hệ thốngTế bàoĐa truy nhập
ξ1. Lịch sử phát triển
Giới thiệu chung:Hệ thống thông tin di động tế bào số (Digital Cellular mobile communication systems) hay còn gọi là hệ thốngthông tin di động (mobile systems) là hệ thống liên lạcvới 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 củacác trạm (base station)
ξ1. Lịch sử phát triển
Ra đời vào những năm 1920 ( là các phương tiện thông tin giữa các đơn vị cảnh sát Mỹ )1982 sử dụng kỹ thuật TDMA là Nhóm đặc trách di đôngGSM (Group Special Mobile) sau này được đổi thành Hệthống di động toàn cầu (Global System for Mobile communications
Việt Nam sử dụng GSM từ 19931991 Qualcomm triển khai hệ thống di động trên công nghệCDMA chuẩn IS-95A (Interim Standard-95A)
Viêt Nam triểm khai hệ thống di động theo công nghệCDMA và đưa vào sử dụng tháng 7/2003
ξ1. Lịch sử phát triển
Các thế hệ :Thế hệ thứ nhất (1G)Thế hệ thứ hai (2G)Thế hệ thứ ba (3G)Thế hệ thứ bốn (4G)
ξ1. Lịch sử phát triển
First Generation (1G)Hệ thống thông tin di động tương tự sử dụng phương thứcđa truy nhập phân chia theo tần số FDMA và điều chế tầnsố FM.Đặc điểm:
Phương thức truy nhập: FDMADịch vụ đơn thuần là thoạiChất lượng thấpBảo mật kém
ξ1. Lịch sử phát triển
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.
ξ1. Lịch sử phát triển
Second Generation (2G)Hệ thống di động số tế bào:
Dung lượng tăngChất lượng thoại tốt hơnHỗ trợ các dịch vụ số liệu (data)
Phương thức truy nhập: TDMA, CDMA băng hẹp (NarrowBand)
Chuyển mạch: chuyển mạch kênh (Circuit Switching).
ξ1. Lịch sử phát triển
Một số hệ thống điển hình:
GSM: (Global System for Mobile Phone) - TDMA. Triểnkhai tại Châu Âu.
D-AMPS (IS-136 - Digital Advanced Mobile Phone System) – TDMA. Triển khai tại MỹIS-95 (CDMA one) - CDMA. Triển khai tại Mỹ và HànQuốc.PDC (Personal Digital Cellular) – TDMA, Triển khai tạiNhật Bản.
ξ1. Lịch sử phát triển
Evolved Second Generation (2.5 G)Các dịch vụ số liệu cải tiến :
Tốc độ bit data 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 EvolutionHỗ trợ tốc độ bit cao hơn GPRS trên nền GSM (384 kbps)
ξ1. Lịch sử phát triển
Third Generation (3G)Hỗ trợ các dịch vụ số liệu gói tốc độ cao:
Di chuyển trên các phương tiện (Vehicles): 144 kbps - Macro Cell
Đi bộ, di chuyển chậm (Pedestrians):384 kbps – Micro cell
Văn phòng ( Indoor, stationary users)2 Mbps - Pico cell
Dịch vụ đa phương tiện, kết nối qua Internet, ví dụ như: Video Streaming, video conference, web browsing, email, navigational maps . .
ξ1. Lịch sử phát triển
Third Generation (3G)
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
Cost of moving from GSM to cdmaOne overrides the benefit of the CDMA migration path
Source: U.S. Bancorp Piper Jaffray
ξ1. Lịch sử phát triển
Fourth Generation (4G)
Hiện nay đang xây dựng chuẩn.Cải tiến 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 !
Distribution of GSM Subscribers
GSM is used by 70% of subscribers worldwide564 M subs / 800 M subs in July 2001
Most GSM deployments in Europe (59%) and Asia (33%)ATT & Cingular deploying GSM in US today
Number of subscribersin the world (Jul 2001)
GSM71%
US TDMA10%
CDMA12%
PDC7%
Source: EMC World Cellular / GSM Association
ξ1. Lịch sử phát triển
Fourth Generation (4G)
Hiện nay đang xây dựng chuẩn.Cải tiến 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 !
ξ2. Cấu trúc hệ thống
ξ2. Cấu trúc hệ thống
Trong đó:HLR: Home Location Register: bộ đăng ký định vị thườngtrúVLR: Visited Location Register: bộ đăng ký định vị tạm trú
AuC: Authentication Center: Trung tâm nhận thựcMSC: Mobile Switching Center: Trung tâm chuyển mạch diđộng
ξ3. Khái niệm tế bào
Cell – tế bào hay ô: là đơn vị cơ sở của mạng, tạiđó 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)
ξ3. Khái niệm tế bào
TrạmTrạm thuthu phátphát gốcgốcBTS BTS –– BBase ase
TTransceiver ransceiver SStationtation
TếTế bàobào -- cellcell
ξ3. Khái niệm tế bào
Phương thức phủ sóng: an ten vô hướng và có hướng1 hoặc 3 anten
Độ nhạy thu - Receive Sensitivity: Mức công suất tối thiểu mà tại đó máy thu vẫn nhậnđược tín hiệu.Đơn vị: [dBm]VD: Card mạng WLAN theo chuẩn 802.11 có độ nhạythu là -96 dBm
ξ4. Các phương thức đa truy nhập
FDMA: Frequency Division Multiple Accessđa truy nhâp phân chia theo tần số
TDMA: Time Division Multiple Accessđa truy nhâp phân chia theo thời gian
CDMA: Code Division Multiple Accessđa truy nhâp phân chia theo mã
Băng tần của hệ thống
Mỗi hệ thống thông tin di động được cấp phát mộthoặc nhiều băng tần xác định.Trong mỗi băng tần, các kênh vô tuyến của hệthống sẽ được ấn định.Ví dụ: Băng tần GSM 900 được cấp phát là- UL: 890 MHz – 915 MHz- DL: 935 MHz – 960 MHz
CHƯƠNG 2
HỆ THỐNG GSM
Nội dung
Cấu trúc hệ thốngPhân cấp vùng phục vụCác giao diệnCác giao thứcSử dụng lại tần sốChu trình cuộc gọi và chuyển giao
ξ2.1. Cấu trúc hệ thống GSM
Mạng thông tin di động mặt đất công cộng PLMN (Public Land Mobile Network) theo chuẩn GSM được chia thành 3 (4) phân hệchính sau:
Phân hệ chuyển mạch - NSSNetwork Switching Subsystem.
Phân hệ vô tuyến - RSS = BSS + MSRadio SubSystem
Phân hệ vận hành và bảo dưỡng - OMSOperation and Maintenance Subsystem
ξ2.1. Cấu trúc hệ thống GSM
msc
iwf
eceir
vlr
auc hlr
NSS
bsc
bts bts bts
SIEMENSNIXDORF
SIEMENSNIXDORF
trauBSS
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- sOmc- r
1. Trạm di động MS - Mobile Station
Trạm di động MS = ME + SIMME : Mobile Equipment - thiết bị di độngSIM: Subscriber Indentity Module
Module nhận dạng thuê bao.
ME = hardware + software ME IMEI = Assigned at the factory
Serial NumberFinal Assembly Code
Type ApprovalCode
6 digits 2 digits
IMEI
6 digits
Sp
1 digit
Trạm di động MS - Mobile Stattion
SIM: lưu giữ các thông tin nhận thực thuê bao và mật mãhóa/giải mật mã hóa.
Các thông tin lưu giữ trong SIM:Các số nhận dạng IMSI, TMSIKhóa nhận thực Ki
Số hiệu nhận dạng vùng định vị LAI: (Location Area ID)Khóa mật mã Kc
Danh sách các tần số lân cận
Phân hệ trạm gốc BSS
BSS: Base Station SubsystemBSS = TRAU + BSC + BTS
TRAU (XCDR): Bộ chuyển đổi mã và phối hợp tốcđộ.BSC: Bộ điều khiển trạm gốc.BTS: trạm thu phát gốc.
BSS kết nối với NSS qua luồng PCM cơ sở 2 Mbps.
Bộ điều khiển trạm gốc BSC
BSC: Base Station Controller
Bộ điều khiển trạm gốc BSC thực hịên các chứcnăng sau:
Điều khiển một số trạm BTS: xử lý các bản tin 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
btsbts
BSS = TRAU + BSC + BTSBSS = TRAU + BSC + BTS
Trạm thu phát gốc BTS
BTS: Base Tranceiver Station hoặc BS: Base Station
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 (Modulating/ Demodulating)
Cấu hình BSS
BTSBTS
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 Adaption Unithoặc XCDR : TransCoDeR
chuyển
đổi
mã
MSC
PCM: 64 Kbps
LPC: 13 Kbps
BSC
MU
X
+ header: 3 Kbps
Ghép kênh: 4*(3+13) = 64 Kbps
Tốc độ 1 kênhthoại: 16 Kbps
1
2
3
4
1 TS 1 kênhthoại: 64 kbps
1 TS (64kbps)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 thuêbao”.
• 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 thờithông tin về thuê bao trong vùng phục vụ MSC/VLRđược 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 nhânKi của các thuê bao và tạo ra bộ ba tham số nhậnthực ‘triple: RAND, Kc,SRES’ khi HLR yêu cầuđể tiến hành quá trình nhận thực thuê bao”.
AuC: Aunthentication Center
Khối nhận dạng thiết bị EIR
EIR: EquipmentIdentity Register
“EIR là cơ sở dữ liệu thông tin về tính hợp lệ của thiết bị ME qua sốIMEI”.
• 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 andMaintenanceCenter
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 1Vùng 1
KV1: Các tỉnh miền Trung
từ Quảng trị đến Khánh
hòa và tỉnh Tây nguyên
Vùng 3Vùng 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 2Vùng 2
ξ2.2. 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
Location Area Code (LAC)
Mobile countryCode (MCC)
3 digits 2 digits
Số LAI: Location Area Identity => Số nhận dạng vùng định vị
Location AreaCode (LAC)
Mobile countryCode (MCC)
3 digits 2 digits
Số nhận dạng ô toàn cầu GCI:GCI = MCC + MNC + LAC + CI = LAI + CI
CellIdentity (CI)
2 Bytes 2 Bytes
2 Bytes
MobileNetwork Code
(MNC)
Mobile NetworkCode (MNC)
ξ2.3. Các giao diện trong mạng GSM
Khái niệm
Giao diện - Interface:
”Là ranh giới giữa các thực thể chức năng (functional
entities) tại đó khuôn dạng dữ liệu (protocols) và
quá trình trao đổi thông tin (procedure) được chuẩn
hóa”
GSM’s interfaces
Quá trình xử lý tín hiệu thoại GSM
Speechcoding
ChannelCoding
Encry-ption
Inter-leaving
Burstassembly
Modu-lator
Speechdecoding
ChannelDe-
Coding
Decry-ption
Deinter-leaving
Burstdisasse-
mbly
Demod-ulator
TCH
transmitter
receiver
Mã hóanguồn
Mã hóakênh
Mật mãhóa
Ghépxen
Tạocụm
Điềuchế
thoại
OR 26 (51 Frames) multiframes
32 10 2047204620452044
3210 50 494847
10 2524
IT24
…..
T12
ST11
…..
T1T0 T50
T49
T48
…..
…..
….T3T2T1
T0
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 Frameburstslot 577 µs
4.615 ms
120 ms
Phân cấp cấu trúc khung - Frame hierarchy
3 h 28 min 53.76 s
Kênh lưu lượng - TCH
Kênh điều khiển - CCH
ξ2.5. Sử dụng lại tần số
Khái niệm:
Số kênh tần số là hữu hạn
Sử dụng lại tần số là việc cấp phát cùng một nhómtần số vô tuyến tại các vị trí địa lý khác nhau trongmạng mà không làm ảnh hưởng đến chất lượngkết nối tại giao diện vô tuyến do nhiễu đồng kênhvà nhiễu kênh lân cận gây nên.
Trong mạng GSM, mỗi trạm BTS được cấp
phát một nhóm tần số vô tuyến.
Các trạm thu phát gốc BTS lân cận được cấp
phát các nhóm kênh vô tuyến không trùng với
các kênh của BTS liền kề.
Khái niệm
GG BB
FFEEAA
CCDD
AACC
BBGGFF DD
EE
DD
BB
FFEE
CCAA
GGMột cụm - cluster có kích cỡN cell, được lăp lại tại các vịtrí địa lý khác nhau trongtoàn bộ vùng phủ sóng.
Một cụm - cluster có kích cỡN cell, được lăp lại tại các vịtrí địa lý khác nhau trongtoàn bộ vùng phủ sóng.
Các cell cùng tên được cấpphát cùng một nhóm tần số vôtuyến.
Khoảng cách giữa hai cell lân cận 2µ
Khoảng cách sử dụng lại tần số D
Khoảng cách sử dụng lại tần số DKhoảng cách sử dụng lại tần số D
D = khoảng cách giữa hai cell đồng kênh
Khoảng cách sử dụng lại tần số DKhoảng cách sử dụng lại tần số D
Ký hiệu tổng quát : mẫu N/M
Trong đó:
N = tổng số site / cluster
M = tổng số cell / cluster
Hệ số sử dụng lại tần số: 1/M
Mẫu sử dụng lại tần số
Với site phân cung 1200 thì :
M = 3N
⇒3 mẫu chuẩn hóa:
Mẫu 3/9, 4/12 và 7/21
Mẫu sử dụng lại tần số
Cell 120Cell 12000
Site ASite A
A1A1A2A2
A3A3
Mẫu sử dụng lại tần số 3/9
Cluster
A1A1A2A2
A3A3 B1B1B2B2
B3B3
B1B1B2B2
B3B3
A1A1A2A2
A3A3 B1B1B2B2
B3B3C1C1C2C2
C3C3
A1A1A2A2
A3A3 B1B1B2B2
B3B3C1C1C2C2
C3C3
ξξ5. 5. ChuChu trìnhtrình cuộccuộc gọigọi vàvà chuyểnchuyển giaogiao
Chu trình cuộc gọi
Cuộc gọi kết thúc tại MS
MTC - Mobile Terminating Call
ví dụ: Cuộc gọi từ PSTN đến PLMN
Cuộc gọi khởi tạo từ MS
MOC - Mobile Originating Call
Trạng thái của MS:
MS tắt máy (detached)
MS bật máy (atached): - rỗi (idle).
- bận (busy).
0912345678
0912345678
Chu trình cuộc gọiCall sequence: MTC
TP. Ha Noi
HCM
Mobile Terminating Call (1)
Mobile Terminating Call (2)
Mobile Terminating Call (3)
Mobile Terminating Call (4)
Chuyển giao cuộc gọi – HO (Hand Over)
Phân loại chuyển giao theo cấp điều khiển
MSC MSC
BSC BSCBSC
BTS BTS BTSBTS
MS MS MS MS
12 3 4
ξ2.9. GPRS
General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung
Cấu trúc của GSM
SD
Mobile Station
BTSMSC/VLR
SIM MEBSC
Base StationSubsystem
GMSC
Network Subsystem
AUCEIR HLR
Other Networks
Note: Interfaces have been omitted for clarity purposes.
+
PSTN
PLMN
Internet
SD
Mobile Station
BTSMSC/VLRBSC
Base StationSubsystem
GMSC
Network Subsystem
AUCEIR HLR
Other Networks
Note: Interfaces have been omitted for clarity purposes.
GGSNSGSN
SIM ME
+
PSTN
PLMN
Internet
Cấu trúc hệ thống GPRS
SGSN: Serving GPRS Support NodeNút hỗ trợ dịch vụ GPRS
- Quản lý di động- Mật mã và nén- Đóng gói và truyền dẫn gói
GGSN: Gateway GPRS Support NodeNút hỗ trợ cổng GPRS
- Liên kết giữa các mạng- Định tuyến dữ liệu
Chương 3: Hệ thống CDMA
Đa truy nhập phân chia theo mã CDMAĐa truy nhập phân chia theo mã CDMA
Máy phát Máy thu
Code A
A
Code B
B
AB
ABC
BC
A
Code A
AB
C
Time
Freq
uenc
y
BC
B
A
Base-band Spectrum Radio Spectrum
Trải phổ
ξ3.1. Ưu điểm của CDMA
Dung lượng hệ thống CDMA gấp 8 ÷ 10 lần so với hệ thống AMPS (FDMA) và 4 ÷ 5 lần hệ thống GSM (TDMA).Chất lượng cuộc gọi được nâng cao.Thiết kế hệ thống đơn giản hoá do sử dụng cùng 1 dải tần số ở mọiô.Nâng cao sự bảo mật thông tin.Đặc tính phủ sóng được cải thiện, nâng cao phạm vi phủ sóng.Tăng thời gian đàm thoại cho máy đầu cuối.Dải thông được cung cấp tuỳ theo yêu cầu sử dụng. Nâng cấp mạng dễ dàng.
ξ3.2. Các phương thức trải phổ
Trải phổ trực tiếp:DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)Công nghệ CDMA hoạt động theo phương thức DSSS
Trải phổ nhảy tần: FHSS (Fryquency Hopping Spread Spectrum)
Trải phổ nhảy thời gian: THSS ( Time Hopping Spread Spectrum)
Cấu trúc mạng CDMA 20001x