Hệ thống thông tin di động

12/9/2013
1
CHƯƠNG
4
HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
Nội dung
I. Tổng quan về hệ thống thông tin di động
II. Hệ thống GSM
III. Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS
IV. Hệ thống CDMA
V. Hệ thống thông tin thế hệ thứ 3 (3G) theo chuẩn WCDMA
Tài liệu tham khảo
2. Tính toán mạng thông tin di động số cellular,
Thầy Vũ Đức Thọ
3. GSM, CdmaOne and 3G Systems,
Raymond Steele, Chin-Chun Lee, Peter Gould
4. GSM, Switching, Services and Protocols,
John Wiley & Sons
Link download Slide (pdf):
1. Giáo trình Thông tin Di động, Thầy Phạm Công Hùng (chủ biên),
Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
12/9/2013
2
I. Tổng quan về hệ thống TTDD
1. Lịch sử phát triển
2. Giới thiệu cấu trúc hệ thống
3. Đa truy nhập
1. 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 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)
12/9/2013
3
1. 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 đông
GSM (Group Special Mobile) sau này được đổi thành Hệ
thống di động toàn cầu (Global System for Mobile
Communications)

Việt Nam sử dụng GSM từ 1993
1991 Qualcomm triển khai hệ thống di động trên công nghệ
CDMA chuẩn IS-95A (Interim Standard-95A)

Việt Nam triểm khai hệ thống di động theo công nghệ
CDMA và đưa vào sử dụng tháng 7/2003 (S- Phone)
1. Lịch sử phát triển
Hệ thống thông tin di động phát triển theo các thế hệ khác nhau:

First Generation (1G)


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.

Đặc điểm:

Phương thức truy nhập: FDMA

Dịch vụ đơn thuần là thoại

Chất lượng thấp

Bảo mật kém
12/9/2013
4
1. 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.
1. Lịch sử phát triển


Second Generation (2G)

Hệ thống di động số tế bào:

Dung lượng tăng

Chất lượng thoại tốt hơn

Hỗ trợ các dịch vụ số liệu (data)

Phương thức truy nhập:

TDMA, CDMA băng hẹp (NarrowBand)

Chuyển mạch: chuyển mạch kênh (Circuit Switching).
12/9/2013
5
1. Lịch sử phát triển

Một số hệ thống điển hình:

GSM: (Global System for Mobile Phone) - TDMA. Triển
khai tại Châu Âu.

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.
1. 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 Evolution

Hỗ trợ tốc độ bit cao hơn GPRS trên nền GSM (384 kbps)
12/9/2013
6
1. 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 . .
1. Lịch sử phát triển

Third Generation (3G)

Hai hướng tiêu chuẩn cho mạng 3G:

W-CDMA: UMTS:

Phát triển từ hệ thống GSM, GPRS

CDMA 2000 1xEVDO:

Phát triển từ hệ thống CDMA IS-95

12/9/2013
7
1. 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 !
1. Lịch sử phát triển
12/9/2013
8
2. Cấu trúc hệ thống
– 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)
2. Cấu trúc hệ thống

12/9/2013
9
2. Cấu trúc hệ thống
2. Cấu trúc hệ thống
12/9/2013
10
2. Cấu trúc hệ thống

HLR: Home Location Register:
bộ đăng ký định vị thường
trú

VLR: Visited Location Register:
bộ đăng ký định vị tạm trú

AuC: Authentication Center:
Trung tâm nhận thực

MSC: Mobile Switching Center:
Trung tâm chuyển mạch di
động
2. Cấu trúc hệ thống
12/9/2013
11
MS
BTS
P
BT
S
RFC(n)

RSSI
Radio Signal Strength
Indication
chỉ thị cường độ
tín hiệu
VùngVùng phủphủ
sóngsóng
coverage coverage
areaarea
Hình dạng
lý thuyết
2. Cấu trúc hệ thống
Hình dạng và kích thước cell
Cell lớn
Cell
nhỏ
2. Cấu trúc hệ thống
12/9/2013
12
Cell lớn
,
Bán kính phủ sóng ~ n km ÷
n * 10 km ( GSM: <= 35 Km)
Vị trí thiết kế các cell lớn:
- Sóng vô tuyến ít bị che
khuất ( vùng nông thông,
ven biển . . . )
- Mật độ thuê bao thấp
- Yêu cầu công suất phát
lớn.

2. Cấu trúc hệ thống
Cell nhỏ
Bán kính phủ sóng ~ n *
100 m. ( GSM: <= 1 Km)
Vị trí thiết kế các cell nhỏ:
- Mật độ thuê bao cao
- Sóng vô tuyến bị che
khuất.
- Yêu cầu công suất phát nhỏ.
2. Cấu trúc hệ thống
12/9/2013
13
2. Cấu trúc hệ thống
Chỉ thị cường độ trường
RSSI = 0
RSSI_Max
BướcBước dịchdịch
chuyểnchuyển
( Integer steps )( Integer steps )
PhạmPhạm vivi
( Range )( Range )
GiáGiá trịtrị
( Value )( Value )
2. Cấu trúc hệ thống
12/9/2013
14
Chỉ thị cường độ tín hiệu theo tỷ lệ phần
trăm
RSSI = 0
RSSI_Max = 60

802.11 NIC - Atheros: 60 bước chỉ thị
Giá trị chỉ thị = 50 %
-> RSSI = 30
Ưu điểm của chỉ thị %
- Phân tích mạng.
- Thống kê.
Chuyển đổi giá trị chỉ thị cường độ tín hiệu theo
tỷ lệ phần trăm sang dBm
• Hai bước ánh xạ RSSI [ x % ] sang dBm
1. Xác định RSSI_Max của nhà sản xuất – Vendor.
-> RSSI[x %] = x (%) * RSSI_Max / 100
2. Tra giá trị dBm tương ứng với giá trị RSSI vừa xác định trong
bảng chuyển đổi hoặc công thức chuyển đổi do nhà sản xuất cung cấp.
• [*] Lưu ý: bảng chuyển đổi không phải khi nào cũng biến đổi theo quy
luật tuyến tính.
12/9/2013
15
Chuyển đổi giá trị chỉ thị cường độ tín
hiệu theo tỷ lệ phần trăm sang dBm
• Ví dụ:
• Atheros: RSSI_Max =60; -> dBm = RSSI – 95;
• Phạm vi biến đổi của dBm : -35dBm đến -95 dBm
• Cường độ tín hiệu thu nhận tại 802.11 NIC là x = 30 % tương ứng với công
suất thu là bao nhiêu dBm ?
• RSSI[30%] = 30 * 60 / 100 = 18
• dBm = RSSI[30%] - 95 = 18 – 95 = -77 (dBm)
Bảng chuyển đổi
RSSI-dBm của
Cisco
Giá

trị
dBm
Giá trị RSSI.
RSSI_Max = 100
12/9/2013
16
Chuyển đổi giá trị chỉ thị cường độ tín
hiệu theo tỷ lệ phần trăm sang dBm
• Ví dụ:
• Cisco: RSSI_Max =100;
• Phạm vi biến đổi của dBm: -10 dBm đến -113dBm
• Cường độ tín hiệu thu nhận tại 802.11 NIC là x = 30 %
tương ứng với công suất thu là bao nhiêu dBm ?
• RSSI[30%] = 30 * 100 / 100 = 30 -> tra bảng:
• dBm = RSSI[30%] = - 82 (dBm)
2. Cấu trúc hệ thống
3. Các phương thức đa truy nhập

FDMA: Frequency Division Multiple Access
đa truy nhâp phân chia theo tần số

TDMA: Time Division Multiple Access
đa truy nhâp phân chia theo thời gian

CDMA: Code Division Multiple Access
đa truy nhâp phân chia theo mã
12/9/2013
17
FDMA (Frequency Division Multiple Access)
• Mỗi thuê bao được cấp phát một tần số trong suốt thời gian

liên lạc
k1 k2 k3 k4 k5 k6
f1
f2
f3
f4
f5
f6
s – khoảng cách an toàn
s
FDMA cấp phát
tần số
t
f
k1
k2
k3
k4
k5
k6
3. Các phương thức đa truy nhập
TDMA (Time Division Multiple Access)
• Mỗi thuê bao được cấp phát một khe thời gian trong suốt quá
trình liên lạc
k1 k2 k3 k4 k5 k6
f1
t
f
k1 k2 k3 k4 k5 k6 k1
TDMA cấp

Khe thời gian
3. Các phương thức đa truy nhập
12/9/2013
18
CDMA (Code Division Multiple Access)
k1 k2 k3 k4 k5 k6
f1
CDMA
Giải mã
3. Các phương thức đa truy nhập
Các phương thức truyền tin song công
giữa MS và BS

Phân chia theo tần số
FDD: Frequency Division Duplex

Phân chia theo thời gian
TDD: Time Division Duplex
12/9/2013
19
Truyền song công phân chia theo tần số - FDD

FDD: Frequency Division Duplex
Mobile
Station
M
Forward Channel
Reverse Channel
Base Station
B

Hướng xuống: Downlink ~ Hướng thuận:Forward Channel
Hướng lên: Uplink ~ hướng ngược : Reverse Channel
Phương thức FDD sử dụng kênh tần số ở hai băng tần khác
nhau để mang thông tin theo hai hướng.
Truyền song công phân chia theo thời gian - TDD

TDD: Time Division Duplex
Mobile
Station M
M
B M B M B
Base Station
B
Phương thức TDD sử dụng cùng một kênh tần số để mang
thông tin theo hai hướng tại các khe thời gian luân phiên.
12/9/2013
20
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

Quy định băng tần GSM900
n
DL
2
1
n
UL
2
1
f
DL max
= 960 MHz
∆f
DL
= 25 MHz
f
DL min
= 935 MHz
f
UL max
= 915 MHz
∆fUL = 25 MHz
f
UL min
= 890 MHz
12/9/2013
21
Băng tần 1800
n
DL

2
1
n
UL
2
1
fDL max = 1880 MHz
∆f
DL
= ? MHz
f
DL min
= 1805 MHz
f
UL max
= 1785 MHz
∆f
UL
= ? MHz
fUL min = 1710 MHz
Mô hình truyền sóng vô tuyến
12/9/2013
22
Đặc tính truyền sóng
(Propagation Characteristics)
• Pha đinh phạm vi rộng ( Large-scale Fading )
– Suy hao đường truyền - Path Loss
– Che khuất - Shadowing (due to obstructions)
• Pha đinh phạm vi hẹp ( Small-scale Fading )
– Pha đinh nhiều đường - Multipath Fading

Mô hình truyền sóng
(Propagation Model)
• Mô hình không gian tự do (Free Space Model)
• Mô hình 2 đường (Two ray or PLANE-EARTH Model)
• Mô hình thống kê HATA (HATA Model)
• Mô hình COST 231 (COST 231 Model)
12/9/2013
23
II- HỆ THỐNG GSM
1. Cấu trúc hệ thống
2. Phân cấp vùng phục vụ
3. Các giao diện
4. Các giao thức
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 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

Operation and Maintenance Subsystem
12/9/2013
24
1. Cấu trúc hệ thống GSM
Data
NSS
vlr
auc hlr msc
eir
omc
Omc- s
Omc- r
NetwoRK
iwf
ec
pstn
BSS
trau
bsc
bts bts bts
ms
Me sim
IWF: InterWorking Function - Khối tương tác mạng
EC: Echo Canceler - Khối triệt tiếng vọng

Kết nối mang thông tin báo hiệu /điều khiển Kết nối mang thông tin người sử dụng và báo hiệu
GSM Architecture
12/9/2013
25
Trạm di động MS - Mobile Station

Trạm di động MS = ME + SIM

ME
:
M
obile
E
quipment - thiết bị di động

SIM
:
S
ubscriber
I
ndentity
M
odule
Module nhận dạng thuê bao.

ME = hardware + software

ME  IMEI =
Assigned at the factory
6 digits 2 digits 6 digits 1 digit

Type Approval
Code
Final Assembly
Code
Serial Number Sp
IMEI
Trạm di động MS - Mobile Stattion

SIM: lưu giữ các thông tin nhận thực thuê bao và mật mã
hóa/giải mật mã hóa.

Các thông tin lưu giữ trong SIM:

Các số nhận dạng IMSI, TMSI

Khóa nhận thực K
i

Số hiệu nhận dạng vùng định vị LAI: (Location Area ID)

Khóa mật mã K
c

Danh sách các tần số lân cận