Bài giảng Kỹ thuật viễn thông - Chương 2: Mạng thông tin di động số cellular - Đỗ Xuân Diễn

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật viễn thông - Chương 2: Mạng thông tin di động số cellular - Đỗ Xuân Diễn

1. Mạng thông tin di động số cellular MÔN HỌC KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Đỗ Xuân Diễn Điện tử 8 –Khoá 48 Hà Nội 3/2007
2. Lịch sử và ứng dụng n 1920s dùng cho nghiệp vụ cảnh sát ở băng tần 2 MHz n Sau CTTG II xuất hiện TTDĐ dân dụng n 1946 AT&T cung cấp dịch vụ TTDĐ thực sự. n 1960s kênh TTDĐ có dải thông 30KHz và điều chế FM tại 450MHz .Nâng hiệu suất lên 4 lần. n 1971 hệ thống cellular ra đời, FM, ở tần 850 MHz.
3. Lịch sử và ứng dụng n Ưu điểm: n Sử dụng lại tần số và công suất phát của trạm BTS nhỏ. n Sử dụng kỹ thuật điều chế tiên tiến, hiệu quả sử dụng tần số cao. n Giảm tỉ lệ tin tức báo hiệu, dành tỉ lệ lớn cho tin tức người sử dụng. n Áp dụng mã hoá kênh và mã hoá nguồn của truyền dẫn sô. n Hệ thống chống nhiễu kênh chung và nhiễu kênh kề hiệu quả hơn. n Điều khiển động việc cấp pháp kênh liên lạc làm cho tăng hiệu quả sử dụng tần số n ĐIều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo. Dung lượng tăng, diện tích cell nhỏ đi, chuyển giao nhiều kênh hơn.
4. Đặc điểm của mạng TTDĐ số cellular n1 Nguyên lý cellular n2 Truyền sóng và quản lý vô tuyến n3 Cấu trúc mạng TTDĐ số cellular n.4 Tính toán truyền sóng TTDĐ số cellular n5. Một số thông số về mạng cellular gms
5. 1 Nguyên lý cellular
6. 1 Nguyên lý cellular
7. 1.1 Nguyên lý cellular n (Khi một MS chuyển dộng ra ngoài vùng của no, no phải được chuyển giao để làm việc với BTS của một cell liền kề mà nó hiện đang trong vùng phủ sóng.)
8. 1 Nguyên lý cellular
9. n Nguyên lý cơ bản khi thiết kế hệ thống tổ ong là các mẫu sử dụng lại tần số. Sử dụng lại tần số là sử dụng các kênh vô tuyến ở cùng một tần số mang để phủ sóng cho các vùng địa lý khác nhau. Các vùng này phải cách nhau một cự ly đủ lớn để mọi nhiễu giao thoa đồng kênh ( có thể xảy ra) chấp nhận được. n Nếu toàn bộ số kênh quy định N được chia làm F nhóm thì mỗi nhóm sẽ chứa N/F kênh.
10. 1 Nguyên lý cellular n Ý nghĩa của việc chia nhỏ cell. n Khi số thuê bao tăng lên, số kênh tần có sẵn không còn đáp ứng lưu lượng tăng lên nữa thì phải chia nhỏ cell. Nếu quy hoạch lại tần số sao cho đảm bảo mỗi cell nhỏ sau khi chia tách có cùng dung lượng như cell trước khi tách. n Chia tách cell thế nào. n Thiết kế quy hoạch lại. Chuyển mỗi cell mới vào thời gian it người liên lạc di dộng. n Có thể nhất thời tách cell để đáp ứng sự tăng dung lượng nhất thời. Việc này thực hiện nhờ máy tính.
11. n Đối với mạng CDMA: Tất cả các sóng mang sử dụng một tần số sóng mang duy nhất. Tần số sóng mang này được sử dụng ở mọi ô, mọi sector trên mạng. Vì vậy dung lượng mạng CDMA lớn hơn rất nhiều so với dung lượng của AMPS và các công nghệ khác vì số người sử dụng trong một sector của hệ thống CDMA tương đương với số người sử dụng trên toàn bộ một kênh CDMA 1.25 Mhz
12. 1 Nguyên lý cellular n Mạng phải theo dõi MS liên tục để xác định MS đang ở trong cell nào. n MS phải thông báo cho PLMN mỗi khi MS chuyển sang cell mới.(Sự cập nhật MS như vậy là ở mức cell. Khi có cuộc gọi đến MS thì BTS phát sóng thông báo quảng bá trong phạm vi 1 cell) n Thông báo tìm gọi được phát trong tất cả các cell của PLMN.(Do đó không cần sự báo cáo có mặt của MS tại cell nào) n Người ta dung hoà 2 phương án trên, sử dụng vùng định vị
13. 1 Nguyên lý cellular n (Mỗi phân cấp quản lý lãnh thổ gồm một số nhóm cell liên thông nhỏ hơn toàn bộ lãnh thổ mà PLMN quản lý. Do đó MS chuyển động từ cell này sang một cell khác thì nó không cần phải thông báo gì cho PLMN, nếu nó chuyển sang vùng định vị mới thì nó phải thông báo cho PLMN về vùng định vị mới mà nó đang ở đó.)
14. 1 Nguyên lý cellular n Có 5 phương pháp truy nhập vào kênh vật lý n FDMA n TDMA n CDMA n PDMA(đa truy nhập phân chi theo cực tính) n SDMA(đa truy nhập phân chia theo không gian)
15. 2 Truyền sóng và quản lý vô tuyến n TTDĐ cellular đời mới hiện nay sử dụng tần số từ 800 Mhz trở lên. 4 n Suy hao trên thông tin di động tỉ lệ với d . Thực tế các trạm phát BTS và BT đều thực hiện điều chỉnh tự động công suất phát để máy thu luôn nhận được công suất cần thiết. n Xảy ra hiện tượng fading nên cần phải dự trữ fading. n Trong TTDĐ hiệu ứng Doppler thể hiện thành trải phổ Doppler
16. 2 Truyền sóng và quản lý vô tuyến n Hiện tượng Doppler n Khi vận tốc máy mobile di chuyển v tăng, độ biến tín hiệu thu được trở nên rất rõ rệt và hiệu ứng kíp doppler lên các thành phần tín hiệu đa luồng thu được cũng có ảnh hưởng lên tín hiệu nhận, trong đó kíp Doppler tính theo n Fd=v/λ cos(α) : trong đó α là góc tới của hướng đến
17. 2 Truyền sóng và quản lý vô tuyến n Các loại fading n Fading nhanh ( fading thời gian ngắn) n Đây là loại fading rất nhanh ( Khoảng cách đỉnh- đỉnh là ½ bước sóng) xảy ra khi anten mobile nhận tín hiệu gồm nhiều tia phản xạ. Tín hiệu tổng hợp gồm nhiều sóng có biên độ và pha khác nhau nên nó có tín hiệu thay đổi bất kỳ, nhiều khi chúng còn triệt tiêu lẫn nhau. n Fading nhanh gây ra hiện tượng tiếng ồn. n Có biên độ phân bố theo phân bố Rayleigh nên còn được gọi là fading Rayleigh.
18. 2 Truyền sóng và quản lý vô tuyến n Các loại fading n Fading chậm n Loại fading này do hiệu ứng che khuất bởi các vật che chắn của địa hình xung quanh gây nên. Nó có phân bố chẩn xung quanh một giá trị trung bình nếu ta lấy logarit cường độ tín hiệu. Do vậy người ta gọi là fading loga chuẩn. n Ảnh hưởng của fading này là làm giảm khả năng phủ sóng của máy phát. n Để chống fading này người ta sử dụng khoảng dự trữ máy phát. Khoảng dự trữ này phụ thuộc vào độ lệch tiêu chuẩn thường được giả thiết là 4-8 dB.
19. 2 Truyền sóng và quản lý vô tuyến n Các loại fading n Fading Rician n Khi thành phần trực tiếp của tín hiệu mạnh hơn cùng với những tín hiệu không trực tiếp yếu hơn cùng tới máy thu thì tại đây fading nhanh vẫn còn xảy ra nhưng tín hiệu sẽ không sắc nét. Đường bao fading có dạng phân bố Rician. Dạng fading này xảy ra phần lớn ở môi trường vùng nông thôn, microcellular hay picrocellular.
20. 2 Truyền sóng và quản lý vô tuyến n Suy hao do truyền sóng là -γ 2<γ<5 ; n C=αR α là hằng số; n Fading : n Xảy ra hiện tượng fading nhanh với mức thăng giáng tín hiệu trong phạm vi 40 dB n Sự mở rộng thời gian trễ. n Suy hao do tầm nhìn thẳng và không thẳng
21. 3 Cấu trúc mạng thông tin di động số cellular AUC Hệ thống chuyển ISDN mạch VLR HLR EIR PSPDN MSC CSPDN OSS PSTN BSC BSS ISDN : Intergated Service Digital network PLMN BTS PSPDN: Packet switching public Data Network CSPDN: Circuit Swtched Public Data Network PSTN: Public Switched Telephone Network PLMN: Public Land Mobile Network MS
22. 3 Cấu trúc mạng thông tin di động số cellular n Trạm MS: gồm thiết bị mobile ME và SIM n GSM, MS được chia thành 5 loại theo công suất đỉnh danh định như sau: n Loại 1 20W Lắp trên xe và xách tay n Loại 2 8W Lắp trên xe và xách tay n Loại 3 5 W Cầm tay n Loại 4 2 W Cầm tay n Loại 5 0.8 W Cầm tay n Hệ thống trạm cơ sở BSS gồm BTS và BTC. n Phân hệ vận hành và hỗ trợ (OSS): OSS tạo ra các chức năng cho vận hành và quản lý mạng. Trung tâm vận hành và bảo trì mạng thực hiện mọi chức năng quan trọng cần thiết để điều khiển và quản lý mạng n Đối với sự quản lý của mạng GSM, OSS hoạt động theo các hình thức sau: n Sự quản lý thuê bao di động n Sự quản lý mạng Cellular n Điều khiển chuông
23. 3 Cấu trúc mạng thông tin di động số cellular n HLR( Home Location Register) chứa thông tin về thuê bao như các dịch vụ mà thuê bao chọn lựa và các thông số nhận thực. n VLR( Visitor Location Register) cập nhật bộ ghi định vị tạm trú cũng chuyển tới HLR. n EIR ( Equipment Indentity Register) Chứa số liệu phần cứng của thiết bị. Được nối với MSC qua một đường báo hiệu.
24. 3 Cấu trúc mạng thông tin di động số cellular
25. 3 Cấu trúc mạng thông tin di động số cellular n Phân cấp cấu trúc của mạng di động cellular
26. 3 Cấu trúc mạng thông tin di Hi! How are you! động số cellular BSS MSC BTS HLR
27. 3 Cấu trúc mạng thông tin di động số cellular n Khi chưa có cuộc gọi MS phải lắng nghe thông báo tìm cuộc gọi. n Một cuộc gọi liên quan đến MS, yêu cầu hệ thống cho phép MS truy nhập đến hệ thống để nhận được một kênh. Thủ tục truy nhập được thực hiện trên một kênh đặc biệt theo hướng từ MS đến trạm gốc. Kênh được cấp phát là kênh dành riêng.
28. 3 Cấu trúc mạng thông tin di động số cellular
29. 4 Tính toán truyền thông tin di động cellular. n Cần trả lời 3 câu hỏi khi thiết kế. n Trong giờ cao điểm hệ thống có thể phục vụ bao nhiêu người? n Hệ thống có thể chấp nhận bao nhiêu thuê bao? n Hệ thống cần bao nhiêu kênh tần số?
30. 4 Tính toán truyền thông tin di động cellular. n Các vấn đề liên quan tính toán n 1. Kênh sử dụng lại tần số. n 2. Giảm can nhiễu kênh chung n 3. Đảm bảo tỉ số C/I n 4. Cơ chế chuyển giao n 5. Tách cell đang có thành các cell nhỏ hơn.
31. 4 Tính toán truyền thông tin di động cellular. n Số cuộc gọi cự đại. n N là số cực đại kênh tấn số của mỗi cell. n Lưu lượng muốn truyền n Q số cuộc gọi cực đại trong 1h/1cell A=QiT/60 erlang n T thời gian trung bình 1 cuộc gọi n Kênh sử dụng lại tần sô. n Với xác suất nghẽn đã cho tra bảng erlang B ta tính n Tỉ số D/R được N 2 2 n K= i +ij+j
32. 4 Tính toán truyền thông tin di động cellular. n q= D/R sẽ quyết định can nhiễu kênh chung, khi q tăng thì can nhiễu sẽ giảm n Ki là số cell dùng chung tần số với cell xét.
33. 4 Tính toán truyền thông tin di động cellular.
34. 4 Tính toán truyền thông tin di động cellular.
35. 4 Tính toán truyền thông tin di động cellular.
36. n Cự ly dùng lại tần số n Cự ly dùng lại tần số D phụ thuộc vào nhiều yếu tố n Số cell dùng lại tần số xung quanh cell đo n Đặc điểm địa lý của vùng n Chiều cao anten n Công suất phát n K=4 D=3.46 R n K=7 D=4.6 R n K=12 D=6 R n K=19 D=7.55 R
37. 4 Tính toán truyền thông tin di động cellular. n Cự ly D dùng lại tần số phụ thuộc n Số cell dùng lại tần số xung quanh cell trung tâm đang xét n Đặc điểm địa lý của vùng phủ sóng n Chiều cao Anten n Công suất phát 1/2 n D=(3K) .R n Giảm yếu tố can nhiễu.
38. 4 Tính toán truyền thông tin di động cellular. n Cơ chế chuyển giao. n Khi cuộc gọi đang được thiết lập mà MS dịch chuyển ngày càng xa trạm phát. Cần phải chuyển giao sang cell bên.
39. 4 Tính toán truyền thông tin di động cellular. n Thiết bị của hệ thống cellular n Anten: Mẫu anten, góc nghiêng anten, tăng ích anten đều ảnh hưởng đến đặc điểm của hệ thống cellular. Tính phương hướng của anten phải kết hợp đặc tính địa lý n Thiết bị chuyển mạch: Dung lượng của thiết bị CM trong hệ thống TTDĐ cellular phụ thuộc nhiều hơn cả vào dung lượng bộ xử lý điều khiển chuyển mạch. TBCM có cấu trúc modul để có thể dễ dàng mở rộng. n Đường truyền số liệu: Đường truyền số liệu để phục vụ báo hiệu trong mạng. Đường truyền số liệu được tổ chức trong mạng theo các chuẩn mạng số liệu như: SS7, X25, ISDN
40. Outgoing Call • MS sends dialled number to BSS • BSS sends dialled number to MSC 3,4 MSC checks VLR if MS is allowed the requested service.If so,MSC asks BSS to allocate resources for call. • MSC routes the call to GMSC • GMSC routes the call to local exchange of called user 7, 8, 9,10 Answer back(ring back) tone is routed from called user to MS via GMSC,MSC,BSS
41. Incoming Call l Calling a GSM subscribers l Forwarding call to GSMC l Signal Setup to HLR l 5. Request MSRN from VLR l Forward responsible MSC to GMSC l Forward Call to current MSC l 9. Get current status of MS l 11. Paging of MS l 13. MS answers l 15. Security checks l 17. Set up connection
42. Handovers n Between 1 and 2 – Inter BTS / Intra BSC n Between 1 and 3 – Inter BSC/ Intra MSC n Between 1 and 4 – Inter MSC
43. 5. Một số thông số về mạng cellular gms n GMS nguyên thủy n Hai băng tần rộng 25 Mhz ở dải tần 900 Mhz n MS phát lên 890-915 MHz n BTS phát xuống 935-960 MHz n 25Mhz/125 kênh =200kHz/ kênh được đánh số từ 0-124 n F ul =890 + 0.2*n ( Mhz) n F dl = Fup(n) +45 (Mhz)
44. 5. Một số thông số về mạng cellular gms n E-GMS n Mở rộng thêm mỗi băng tần 10 Mhz( 50 kênh tần số) n F ul =890 + 0.2*n ( Mhz) với 0<=n<=124 n F ul =890 + 0.2*(n-1024) ( Mhz) với 975<=n<=1024 n F dl = Fup(n) +45 (Mhz)
45. 5. Một số thông số về mạng cellular gms n PCN-1800 ( Personal communication network) n F ul(n) =1710+ 0.2*(n-511) ( Mhz) với 1710<=n<=1785 n F dl = Fup(n) +95 (Mhz) n Có 374 kênh được đánh số từ 512-885
46. 5. Một số thông số về mạng cellular gms n PCS-1900 n F ul(n) =1710+ 0.2*(n-512) ( Mhz) với F dl = Fup(n) +80 (Mhz) n n được đánh số từ 512-885
47. 5. Một số thông số về mạng cellular gms n Mức công xuất phát vô tuyến trong GSM Cấp công xuất Cực đại công xuất của Cực đại công xuất MS (dBm) của MS (dBm) 1 20 W (43) 320 W (55) 2 8W(39) 160 W (52) 3 5W(37) 80 W (49) 4 2W(33) 40 W (46) 5 0.8(29) 20 W (43) 6 10 W (40) 7 5 W (37) 8 2.5 W (34)
48. 5. Một số thông số về mạng cellular gms n Mức công xuất phát vô tuyến trong DCS-1900 Cấp công xuất Cực đại công xuất của Cực đại công xuất MS (dBm) của MS (dBm) 1 1 W (30) 20-40W (43-46) 2 0.25W(24) 10-20 W (40-43) 3 2W(33) 5-10 W (37-41) 4 2.5-5 W (34-37)
49. 6. Xu hướng phát triển của hệ thống thông tin di dộng. n Xu thế chung của công nghệ di động là phải đáp ứng ngày càng cao về chất lượng, tính thuận tiện, giá cả, tính đa dạng dịch vụ của người sử dụng. n Trong tiến trình phát triển lên công nghệ không dây thế hệ 3G nổi lên 2 hướng phát triển theo 2 tiêu chuẩn chính đã được ITU-T công nhận đó là CDMA 2000 và W-CDMA. n Châu âu đi theo hướng GMS GPRS EDGE W-CDMA n Bắc Mỹ, Hàn Quốc, Trung Quốc và một số nước khác đi theo hướng IS 95A IS-95B CDMA2000 mà bước đầu là CDMA1x n Riêng Nhật Bản thì họ đã phát triển mạng PDC của mình theo cả 2 hướng W-CDMA và CDMA2000
50. 6. Xu hướng phát triển của hệ thống thông tin di dộng. GSM GPRS W-CDMA EDGE 4G PDC IS-95B CDMA 20001xEV CDMA CDMA2000 IS-95A n GSM Global System for Moblile Communication n PDC Personal Digital Cellular n GPRS General Packet Radio Service