Slide Thong Tin Di Dong BK

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)


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


Các thế hệ :Thế hệ thứ nhất (1G)Thế hệ thứ hai (2G)Thế hệ thứ ba (3G)Thế hệ thứ bốn (4G)


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


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.


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).


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.


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)


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 . .


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


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


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)


TrạmTrạm thuthu phátphát gốcgốcBTS BTS –– BBase ase

TTransceiver ransceiver SStationtation

TếTế bàobào -- cellcell


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)

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

Slide Thong Tin Di Dong BK

Documents

Transcript of Slide Thong Tin Di Dong BK