Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ microcell trong mạng thông tin di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------ĐỖ XUÂN HIỆU

“Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ Microcell trong
mạng thông tin di động”

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Phạm Văn Tiến

Hà Nội – Năm 2011


Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao
chép của ai được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết. Nội dung luận văn có
tham khảo và sử dụng các tài liệu theo danh mục tài liệu tham khảo. Các số liệu có
nguồn trích dẫn, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng công bố trong
các công trình nghiên cứu khác.
Hà Nội, ngày 21 tháng 09 năm 2011
Tác giả luận văn

Đỗ Xuân Hiệu

1

Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................................1
MỤC LỤC ............................................................................................................................2
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ...................................................................................................4
DANH MỤC HÌNH VẼ.....................................................................................................12
DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................................14
LỜI NÓI ĐẦU....................................................................................................................15
Chương 1: CẤU TRÚC MẠNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM..17
1.1
Giới thiệu chương ................................................................................................17
1.2
Cấu trúc mạng GSM ............................................................................................18
1.2.1
Trạm di động................................................................................................19
1.2.2
Phân hệ trạm gốc (BSS)...............................................................................19
1.2.3
Phân hệ chuyển mạch (SS) ..........................................................................21
1.2.4
Phân hệ khai thác và bảo dưỡng (OSS) .......................................................22
1.3
Hoạt động của MS trong chế độ thoại .................................................................23
1.4
Nâng cấp GSM lên 3G.........................................................................................28
1.4.1
Sự cần thiết nâng cấp mạng GSM lên 3G....................................................28
1.4.2

Hoạt động song song hai hệ thống 2G và 3G ..............................................29
1.4.3
Mô hình triển khai 3G..................................................................................31
Chương 2: NGHIÊN CỨU HOẠT ĐỘNG VÀ THAM SỐ ẢNH HƯỞNG
TRONG CHẾ ĐỘ RỖI......................................................................................................33
2.1 Bản tin hệ thống. ........................................................................................................33
2.2 Hoạt động của MS trong chế độ rỗi...........................................................................34
2.2.1 Tiến trình chọn cell .............................................................................................34
2.2.2 Tiêu chuẩn chọn Cell và chọn lại Cell................................................................36
2.2.3 Ý nghĩa và thiết lập các tham số trong hệ thống.................................................39
Chương 3: LỰA CHỌN CELL VÀ TÁI LỰA CHỌN CELL TRONG UMTS...........41
3.1 Lựa chọn lại cell giữa UMTS và GSM......................................................................41
3.2 Phân loại lựa chọn lại cell..........................................................................................42
3.3. Thủ tục các phép đo ..................................................................................................42
3.4 Quy tắc S – Dành cho lựa chọn cell...........................................................................43
3.5 Quy tắc R – Dành cho tái lựa chọn cell .....................................................................44
3.6 Các giá trị được định nghĩa như sau ..........................................................................44
3.7 Lựa chọn cell .............................................................................................................46
3.8 Tái lựa chọn cell ........................................................................................................46
3.9 Tái lựa chọn Intra Frequency.....................................................................................47
3.10 Tái lựa chọn Inter-RAT cell từ 3G sang 2G ............................................................48
3.11 Tái lựa chọn Inter-Rat Cell từ 2G sang 3G..............................................................49
3.12 Bảng giá trị các tham số...........................................................................................51
3.13 Các trường hợp Reselection thường gặp..................................................................51
Chương 4: CÁC THUẬT TOÁN CHUYỂN GIAO MICROCELL..............................55
4.1 Các tình huống chuyển giao.......................................................................................55
4.2 Bảy thuật toán chuyển giao Micocell của Motorola ..................................................57
4.2.1 Thuật toán loại 1: pbgt_alg_type = 1 ..................................................................57
4.2.2 Thuật toán loại 2: pbgt_alg_type = 2 ..................................................................58
4.2.3 Thuật toán loại 3: pbgt_alg_type = 3 ..................................................................58

2


Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

4.2.4 Thuật toán loại 4: pbgt_alg_type = 4 ..................................................................60
4.2.5 Thuật toán loại 5: pbgt_alg_type = 5 ..................................................................62
4.2.6 Thuật toán loại 6 .................................................................................................65
4.2.7 Thuật toán loại 7 .................................................................................................66
4.3 Kết quả tối ưu một trạm Microcell ...........................................................................71
4.4 Một số trường hợp thường gặp trong chuyển giao 3G-2G ........................................78
4.4.1 Lỗi handover từ 3G sang 2G do thời gian xảy ra handover quá chậm ...............78
4.4.2 Lỗi handover từ 3G sang 2G do thiếu neighbour ...............................................79
PHỤ LỤC............................................................................................................................81
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................86

3


Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
A
Thích ứng ATM lớp 2 (cho thời
AAL2

ATM Adaption Layer 2

gian thực)

AAL5

ATM Adaption Layer 5

Thích ứng ATM lớp 5

AGCH

Access Grant Channel

Kênh cho phép truy nhập

AICH

Acquisiton Indicator Channel

Kênh chỉ thị thu được

ATM

Asynchronous Tranfer Mode

Chế độ truyền không đồng bộ

AuC

Authentication Center

Trung tâm nhận thực

BCCH

Broadcast Control Channel

Kênh quảng bá điều khiển

BER

Bit Error Ratio

Tỷ số bit lỗi

BLER

Block Error Rate

Tỷ lệ lỗi khối

BSC

Base Station Controller

Bộ điều khiển trạm gốc

BSS

Base Station Subsystem

Phân hệ trạm gốc

BTS

Base Tranceiver Station

Trạm vô tuyến gốc

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

CCCH

Common Control Channel

Kênh điều khiển chung

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập chia theo mã

Conference of European Post

Hội nghị châu Âu về Bưu Chính

and Telecommunication

Viễn Thông

Carrier to Interference ratio

Tỷ số sóng mang trên nhiễu

B

C

CEPT
C/I

4


Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

CPICH

Common Pilot Channel

Kênh hoa tiêu chung

CTCH

Common Traffic Channel

Kênh lưu lượng chung

DCCH

Dedicated Control Channel

Kênh điều khiển dành riêng

DCS

Digital Communication System

Hệ thống truyền thông số

D

DPCCH

DPDCH
DS-SS

Dedicated Physical Common
Channel
Dedicated Physical Data

Kênh vật lý ấn định chung

Kênh dữ liệu vật lý ấn định

Channel
Direct Sequence Spread

Trải phổ trực tiếp

Spectrum
DTCH

Dedicated Traffic Channel

Kênh lưu lượng được ấn định

E
EDGE

ETSI

EIR

Enhanced Data Rates for GSM
Evolution

Tốc độ dữ liệu nâng cấp bởi GSM

European Telecommunations

Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu

Standards Institute

Âu

Equipment Identification

Bộ ghi nhận dạng thiết bị

Register

F
Fast Associated Control
FACCH

Channel

Kênh điều khiển liên kết nhanh

FCCH

Frequency Common Channel

Kênh hiệu chỉnh tần số

FDD

Frequency Division Duplex

Ghép song công phân chia theo tần

5


Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

số
FHSS

Frequency Hopping Spread

Phương pháp trải phổ nhảy tần

Spectrum

FM

Frequency Modulation

Điều chế tần số

FDMA

Frequence Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo tần số

Access
G
GGSN
GMSC

Gateway GPRS Support!Node
Gateway Mobile Service

Node hỗ trợ GPRS cổng
Tổng đài cổng

Switching Centrer

G-PDU

T-PDU + GTP Header

Các nhãn

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến gói chung

Global System For Mobile

Hệ thống thông tin di động toàn

Telecommunications

cầu

Home Location Register

Bộ đăng kí định vị thường trú

GSM

H
HLR

High Speed Circuit Switched
HSCSD

Data

Dữ liệu chuyển mạch tốc độ cao

HSDPA

High Speed Downlink Packet

Truy nhập gói đường xuống tốc độ

Access

cao

High Speed Uplink Packet

Truy nhập gói đường lên tốc độ cao

HSUPA
HS-DSCH

Access
High Speed Downlink Channel

I

6

Kênh đường xuống tốc độ cao


Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

IMT-2000

IMEI

IMSI

ISDN

International Mobile

Tiêu chuẩn thông tin di động toàn

Telecommunication

cầu

International Mobile Subscriber

Số nhận dạng thiết bị di động quốc

Identity

tế

International Mobile Subscriber

Số nhận dạng thuê bao di động

Identity

quốc tế

Integrated Services Digital

Mạng số tích hợp

Network

ITU
L
LAC

Link Access Control

Điều khiển truy nhập liên kết

LAC

Location Area Code

Mã vùng định vị

LA

Location Area

Vùng định vị

LOS

Line Of Sight

Tầm nhìn thẳng

M3UA

MTP3 User Adaption Layer

Lớp thích ứng sử dụng MTP3

MAI

Mobile Access Interference

Giao diện truy nhập di động

MoU

Memorandum of Understanding Tổng cục đo lường chất lượng

MNC

Mobile Network Code

Mã mạng

MS

Mobile Station

Trạm di động

MSC

Mobile Service Switching

Tổng đài di động

M

Center
MTP-3b

Message Transfer Part level 3

N

7

Phần truyền thông điệp mức 3

Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

NAS

Non-Access Stratum

Tầng không truy nhập

NLOS

Non Line Of Sight

Không trong tầm nhìn thẳng

O
Operation and
OSS

Support!Subsystem

Phân hệ khai thác và hỗ trợ

OVSF

Orthogonal Variable Spreading

Hệ số trải phổ thích ứng

Factor

P
PCH

Paging Channel

Kênh tìm gọi

PCCH

Paging Control Channel

Kênh điều khiển tìm gọi

PDC

Personal Digital Cellular

Mạng tế bào số

PDCH

Packet Data Channel

Kênh dữ liệu gói

PG

Processing Gain

Độ tăng ích

PICH

Page Indicator Channel

Kênh chỉ thị

PLMN

Public Land Mobile Network

Mạng di động mặt đất công cộng

PIN

Personal Identification Number

Mã số nhận dạng cá nhân

PN

Pseudo Noise

Mã giả ngẫu nhiên

PRACH
PSC
P-SCH
PSK

Physical Random Access

Kênh truy nhập ngẫu nhiên

Channel
Primary Screambling Code
Primary Synchronization

Mã kiểm tra chính
Kênh đồng bộ chính

Channel
Phase Shift Keying

Điều chế khóa dịch pha

8


Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

PSTN

Public Switched Telephone

Mạng chuyển mạch thoại công

Network

cộng

Random Access Channel

Kênh truy nhập ngẫu nhiên

R
RACH
RANAP

RLA_C

Radio Access Network

Phần ứng dụng truy cập mạng

Application Part
Receiving Level Average

Giá trị trung bình các tín hiệu thu

Combination

RNC

Radio Network Controller

Điều khiển mạng vô tuyến

RNS

Radio Network Subsystem

Mạng con vô tuyến

RRC

Radio Resource Control

Điều khiển tài nguyên vô tuyến

RSCP

Received Signal Code Power

Công suất thu tín hiệu

RSSI

Reveived Signal Strength

Cường độ chỉ thị tín hiệu

Indication
Rxlev

Receiver Level

Mức thu

Rxqual

Receivel Quality

Chất lượng tín hiệu thu

S
Slow Associated Control
SACCH

Channel

Kênh điều khiển liên kết chậm

SC

Screambling Code

Mã kiểm tra

SCCP

Signaling Connection Control
Part

Phần điều khiển kết nối báo hiệu

SCH

Synhchronization Channel

Kênh đồng bộ

SCTP

Simple Control Transmission

Giao thức truyền đơn giản

9


Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

Protocol
Stand-alone Dedicated Control

Kênh điều khiển ấn định đứng một

Channel

mình

SFN

System Frame Number

Số khung hệ thống

SIB

Systerm Information Broadcast

Quảng bá thông tin hệ thống

SIM

Subscriber Identity Modul

Mô đun nhận dạng thuê bao

SS7

Signaling System No.7

Hệ thống báo hiệu số 7

SSC

Second Screambling Code

Mã kiểm tra phụ

SDCCH

Stand alone Dedicated Control

SDCCH

Channel
SGSN

Kênh điều khiển dành riêng

Serving GPRS Support!Node

Node hỗ trợ GPRS

TCH

Traffic Channel

Kênh lưu lượng

TCP

Transmitted Carrier Power

Công suất sóng mang

TRAU

Transcoder/Rate Adapter Unit

Bộ thích ứng tốc độ và chuyển mã

TDMA

Time Division Multiple Access

T

Đa truy nhập phân chia theo thời
gian

U
UMTS

UTRAN

Universal Mobile

Hệ thống thông tin di động toàn

Telecommunications System

cầu

UMTS Terrestrial Radio Access
Network

Mạng truy nhập mặt đất của UMTS

V
VLR

Visitor Location Register

Thanh ghi định vị tạm trú

10

Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

W
WCDMA

Wideband Code Division

Đa truy nhập phân chia theo mã

Multiplex Access

băng rộng

11


Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

DANH MỤC HÌNH VẼ
HÌNH VẼ

TRANG

Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin di động GSM

18

Hình 1.2 Hoạt động MS ở đường lên và xuống

24

Hình 1.3 Cấu trúc kênh đa khung thoại

25

Hình 1.4 Cấu trúc bản tin báo cáo

26

Hình 1.5 Phương án chung mạng lõi

30

Hình 1.6 Phương án thêm mạng lõi

31

Hình 1.7 Phương án tích hợp chung

31

Hình 2.1 Sơ đồ thủ tục chọn cell trong chế độ rỗi (IDLE)

35

Hình 2.2 Thực hiện chọn lại cell indoor trong các trường hợp

37

Hình 2.3 Tình huống MS đi ngang qua cell có phạm vi hẹp

38

Hình 2.4 Giao diện các tham số chọn/chọn lại cell

39

Hình 3.1 Tái lựa chọn cell

47

Hình 3.2 Sơ đồ lựa chọn cell từ 3G sang 2G

48

Hình 3.3 Sơ đồ lựa chọn lại cell từ 2G sang 3G

49

Hình 3.4 Minh họa trước khi tối ưu

53

Hình 3.5 Minh họa sau khi tối ưu

53

Hình 4.1 Chuyển giao giữa các lớp

56

Hình 4.2 Thuật toán loại 2

58

Hình 4.3 Tình huống chuyển giao loại 3

59

Hình 4.4 Tình huống chuyển giao loại 4

61

Hình 4.5 Tình huống chuyển giao loại 5

63

Hình 4.6 Tối ưu loại 5

64

Hình 4.7 Tình huống loại 6

66

Hình 4.8 Chuyển giao trong điều kiện nhiễu

67

Hình 4.9 Tình huống loại 7

69

12


Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

Hình 4.10 Phép thử tránh nhiễu

70

Hình 4.11 Khai báo neighbour của trạm

71

Hình 4.12 Khai báo tham số chuyển giao

72

Hình 4.13 Mô tả neighbour của trạm

74

Hình 4.14 Mức thu MS và tỷ lệ C/I

75

Hình 4.15 Mức thu của Serving- Cell và các Cell Neighbour

75

Hình 4.16 Thống kê CSSR

76

Hình 4.17 Thống kê DCR

77

Hình 4.18 Thống kê HOSR

77

Hình 4.19 Thống kê Call Volume và CSSR

78

13


Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

DANH MỤC CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 1.1 Công suất phát của MS

26

Bảng 2.1 Các loại bản tin hệ thống

33

Bảng 2.2 Tham số CBQ và CBA

35

Bảng 3.1 Bảng giải thích các tham số

47

Bảng 3.2 Giá trị của hàm F(Qsearch-I)

50

Bảng 3.3 Các tham số của tái lựa chọn cell

51

Bảng 3.4 Các tham số trước và sau khi tối ưu

52

14

Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ như điện tử, tin học,công nghệ
thông tin di động trong những năm qua đã phát triển rất mạnh mẽ cung cấp các loại
hình dịch vụ đa dạng đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng. Kể từ khi
ra đời vào cuối năm 1940 cho đến nay thông tin di động đã phát triển qua nhiều thế
hệ và đã tiến một bước dài trên con đường công nghệ.
Hiện nay, các mạng thông tin di động lớn của Việt Nam đang sử dụng công
nghệ GSM, đồng thời các nhà mạng cũng đang triển khai hệ thống thông tin di động
động thứ ba UMTS để đáp ứng được các yêu cầu về dịch vụ mới cũng như đòi hỏi
chất lượng dịch vụ ngày càng cao của người sử dụng. Chính vì vậy, việc tối ưu hóa
mạng di động là việc làm rất cần thiết và mang một ý nghĩa thực tế cao.
Trong quá trình tối ưu hóa mạng di động, đưa ra một yêu cầu rất thực tế và
quan trọng đó là tối ưu vùng phủ, chất lượng cho các tòa nhà. Đi cùng với sự phát
triển không ngừng của các lĩnh vực, các tòa nhà cao tầng, trung tâm thương mại,
chung cư, các hầm ngầm…phát triển rất mạnh mẽ và yêu cầu đặt ra là nâng cao chất
lượng thông tin di động cho các tòa nhà ( vùng phủ Micro-Cell ). Xuất phát từ yêu
cầu thực tế đó, tôi đã quyết định chọn đề tài: " Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho
vùng phủ Microcell trong mạng thông tin di động".
Mục đích nghiên cứu của đề tài là để tìm hiểu đánh giá các tham số, thuật toán
ảnh hưởng đến quá trình chuyển giao vô tuyến, đồng thời nêu ra một số thủ tục
trong việc tối ưu hóa mạng thông tin di động nói chung và và quá trình chuyển giao
vô tuyến nói riêng.
Nội dung luận văn gồm 4 chương :
Chương 1: Cấu trúc hệ thống di động
Chương này trình bày cơ bản về cấu trúc mạng của hệ thống GSM, quá trình
triển khai mạng 3G song song với việc vận hành mạng GSM
Chương 2: Nghiên cứu hoạt động và tham số ảnh hưởng trong chế độ rỗi

15


Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

Chương này tìm hiểu về các bản tin hệ thống, dữ liệu giao tiếp giữa MS và
mạng.
Chương 3: Lựa chọn cell và tái lựa chọn cell trong UMTS
Chương này trình bày tổng quát về tái lựa chọn cell, nguyên lý cơ bản cũng
như các thuật toán tái lựa chọn cell, phân tích trường hợp tái lựa chọn cell từ
WCDMA sang GSM và ngược lại
Chương 4: Các thuật toán chuyển giao Microcell và kết quả thực hiện tại
một trạm Microcell
Chương này trình bày các thuật toán áp dụng trong chuyển giao trong vùng phủ
Microcell theo thiết kế của Motorola.
Một số trường hợp thường hợp thường gặp trong chuyển giao 2G – 3G.
Kết quả thực hiện tối ưu tại một trạm Microcell.

Trong quá trình làm luận văn, tôi đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức hạn
chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự phê bình,
hướng dẫn và sự giúp đỡ của Thầy cô, bạn bè.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của Thầy giáo Tiến sĩ Phạm
Văn Tiến cùng các Thầy cô trong khoa để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.

16


Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

Chương 1: CẤU TRÚC MẠNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
GSM
1.1 Giới thiệu chương
Chương này sẽ giới thiệu về sự hình thành và phát triển của hệ thống thông tin
di động GSM, kiến trúc mạng GSM , phương pháp đa truy cập trong GSM , các thủ
tục thông tin của thuê bao sử dụng trong mạng và sự cần thiết phải nâng cấp mạng
GSM lên thế hệ 3G.
Lịch sử hình thành GSM bắt đầu từ một đề xuất vào năm 1982 của Nordic
Telecom và Netherlands tại hội nghị châu Âu về Bưu Chính Viễn Thông (CEPT) để
phát triển một chuẩn tế bào số mới đáp ứng với nhu cầu ngày càng tăng của mạng
di động Châu Âu.
Ủy ban Châu Âu đưa ra lời hướng dẫn yêu cầu các quốc gia thành viên sử
dụng GSM cho phép liên lạc di động trong băng tần 900MHz. Viện tiêu chuẩn viễn
thông Châu Âu (ETSI) định nghĩa GSM khi quốc tế chấp nhận tiêu chuẩn hệ thống
điện thoại tế bào số.
Lời đề xuất có kết quả vào tháng 9 năm 1987, khi 13 nhà điều hành và quản lý
của nhóm cố vấn CEPT GSM thỏa thuận ký hiệp định GSM MoU “Club”, với ngày
khởi đầu là 1 tháng 7 năm 1991.
GSM là từ viết tắt của Global System for Mobile Communications (hệ thống
thông tin di động toàn cầu), trước đây có tên là Groupe Spécial Mobile.
Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM là hệ thống thông tin tế bào số tích hợp
và toàn diện, được phát triển đầu tiên ở Châu Âu và đã nhanh chóng phát triển trên
toàn thế giới. Mạng được thiết kế phù hợp với hệ thống ISDN và các dịch vụ mà
GSM cung cấp là một hệ thống con của dịch vụ ISDN chuẩn.
GSM đầu tiên được thiết kế hoạt động ở dải tần 890-915 MHz và 935-960 MHz,
hiện nay là 1.8GHz. Một vài tiêu chuẩn chính được đề nghị cho hệ thống :
• Chất lượng âm thoại chính thực sự tốt.
• Giá dịch vụ và thuê bao giảm.

17

Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

• Hỗ trợ liên lạc di động quốc tế.
• Khả năng hỗ trợ thiết bị đầu cuối trao tay.
• Hỗ trợ các phương tiện thuận lợi và dịch vụ mới.
• Khả năng tương thích ISDN.
Tiêu chuẩn được ban hành vào tháng giêng năm 1990 và những hệ thống thương
mại đầu tiên được khởi đầu vào giữa năm 1992. Tổ chức MoU (Memorandum of
Understanding) thành lập bởi nhà điều hành và quản lý GSM được cấp phép đầu
tiên, lúc đó có 13 hiệp định được ký kết và đến nay đã có 191 thành viên ở khắp thế
giới. Tổ chức MoU có quyền tối đa, được quyền định chuẩn GSM.
1.2 Cấu trúc mạng GSM

Hình 1.1: Mô hình hệ thống thông tin di động GSM
Mạng thông tin di động theo chuẩn GSM được chia thành 4 phân hệ chính sau:
• Trạm di động
• Phân hệ trạm gốc BSS
• Phân hệ chuyển mạch SS
• Phân hệ khai thác và bảo dưỡng

18


Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

1.2.1 Trạm di động
Trạm di động bao gồm thiết bị trạm di động và một khối nhỏ gọi là mođun
nhận dạng thuê bao. Đó là một khối vật lý tách riêng, chẳng hạn là một IC Card

hoặc còn gọi là SIM. SIM cung cấp khả năng di động cá nhân, vì thế người sử dụng
có thể lắp SIM vào bất cứ máy điện thoại di động GSM nào truy nhập vào dịch vụ
đã đăng ký. Mỗi điện thoại di động được phân biệt bởi một số nhận dạng điện thoại
di động IMEI. Card SIM chứa một số nhận dạng thuê bao di động IMSI để hệ thống
nhận dạng thuê bao, một mật mã để xác thực và các thông tin khác. IMEI và IMSI
hoàn toàn độc lập với nhau để đảm bảo tính di động cá nhân. Card SIM có thể
chống việc sử dụng trái phép bằng mật khẩu hoặc số nhận dạng cá nhân (PIN).
Trạm di động ở GSM thực hiện hai chức năng:
• Thiết bị vật lý để giao tiếp giữa thuê bao di động với mạng qua đường
vô tuyến.
• Đăng ký thuê bao, ở chức năng thứ hai này mỗi thuê bao phải có một
thẻ gọi là SIM card. Trừ một số trường hợp đặc biệt như gọi cấp
cứu… thuê bao chỉ có thể truy nhập vào hệ thống khi cắm thẻ này vào
máy.
1.2.2 Phân hệ trạm gốc (BSS)
BSS giao diện trực tiếp với các trạm di động MS bằng thiết bị BTS thông
qua giao diện vô tuyến. Mặt khác BSS thực hiện giao diện với các tổng đài ở phân
hệ chuyển mạch SS. Tóm lại, BSS thực hiện đấu nối các MS với tổng đài và nhờ
vậy đấu nối những người sử dụng các trạm di động với những người sử dụng viễn
thông khác. BSS cũng phải được điều khiển, do đó nó được đấu nối với phân hệ vận
hành và bảo dưỡng OSS. Phân hệ trạm gốc BSS bao gồm:
• TRAU (Transcoding and Rate Adapter Unit): Bộ chuyển đổi mã và phối
hợp tốc độ.
• BSC (Base Station Controler): Bộ điều khiển trạm gốc.

19


Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

• BTS (Base Transceiver Station): Trạm thu phát gốc.
1.2.2.1 Trạm thu phát gốc
Một BTS bao gồm các thiết bị thu/phát tín hiệu sóng vô tuyến, anten và bộ
phận mã hóa và giải mã giao tiếp với BSC. BTS là thiết bị trung gian giữa mạng
GSM và thiết bị thuê bao MS, trao đổi thông tin với MS qua giao diện vô tuyến.
Mỗi BTS tạo ra một hay một số khu vực vùng phủ sóng nhất định gọi là tế bào
(cell).
1.2.2.2 Khối chuyển đổi mã và phối hợp tốc độ (TRAU)
Khối thích ứng và chuyển đổi mã thực hiện chuyển đổi mã thông tin từ các
kênh vô tuyến (16 Kb/s) theo tiêu chuẩn GSM thành các kênh thoại chuẩn (64 Kb/s)
trước khi chuyển đến tổng đài. TRAU là thiết bị mà ở đó quá trình mã hoá và giải
mã tiếng đặc thù riêng cho GSM được tiến hành, tại đây cũng thực hiện thích ứng
tốc độ trong trường hợp truyền số liệu. TRAU thường được đặt gần MSC
1.2.2.3 Khối điều khiển trạm gốc BSC
BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều
khiển từ xa. Các lệnh này chủ yếu là lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và
chuyển giao. Một phía BSC được nối với BTS, còn phía kia nối với MSC của phân
hệ chuyển mạch SS. Giao diện giữa BSC và MSC là giao diện A, còn giao diện giữa
BTS và BSC là giao diện A.bis.
Các chức năng chính của BSC:
• Quản lý mạng vô tuyến: Việc quản lý vô tuyến chính là quản lý các cell và
các kênh logic của chúng. Các số liệu quản lý đều được đưa về BSC để đo
đạc và xử lý, chẳng hạn như lưu lượng thông tin ở một cell, môi trường vô
tuyến, số lượng cuộc gọi bị mất, các lần chuyển giao thành công và thất
bại...
• Quản lý trạm vô tuyến gốc BTS: Trước khi đưa vào khai thác, BSC lập cấu
hình của BTS ( số máy thu/phát TRX, tần số cho mỗi trạm... ). Nhờ đó mà

20

Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

BSC có sẵn một tập các kênh vô tuyến dành cho điều khiển và kết nối cuộc
gọi.
• Điều khiển kết nối các cuộc gọi: BSC chịu trách nhiệm thiết lập và giải
phóng các đấu nối tới máy di động MS. Trong quá trình gọi, việc kết nối
được BSC giám sát. Cường độ tín hiệu, chất lượng cuộc đấu nối được ở
máy di động và TRX gửi đến BSC. Dựa vào đó mà BSC sẽ quyết định
công suất phát tốt nhất của MS và TRX để giảm nhiễu và tăng chất lượng
cuộc đấu nối. BSC cũng điều khiển quá trình chuyển giao nhờ các kết quả
đo kể trên để quyết định chuyển giao MS sang cell khác, nhằm đạt được
chất lượng cuộc gọi tốt hơn. Trong trường hợp chuyển giao sang cell của
một BSC khác thì nó phải nhờ sự trợ giúp của MSC. Bên cạnh đó, BSC
cũng có thể điều khiển chuyển giao giữa các kênh trong một cell hoặc từ
cell này sang kênh của cell khác trong trường hợp cell này bị nghẽn nhiều.
• Quản lý mạng truyền dẫn: BSC có chức năng quản lý cấu hình các đường
truyền dẫn tới MSC và BTS để đảm bảo chất lượng thông tin. Trong trường
hợp có sự cố một tuyến nào đó, nó sẽ tự động điều khiển tới một tuyến dự
phòng.
1.2.3 Phân hệ chuyển mạch (SS)
Phân hệ chuyển mạch bao gồm các khối chức năng sau:
• Trung tâm chuyển mạch di động MSC
• Thanh ghi định vị thường trú HLR
• Thanh ghi định vị tạm trú VLR
• Trung tâm nhận thực AuC
• Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR
Phân hệ chuyển mạch (SS) bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của
mạng GSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý di
động của thuê bao. Chức năng chính của SS là quản lý thông tin giữa những người

sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác.

21


Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

1.2.4 Phân hệ khai thác và bảo dưỡng (OSS)
OSS thực hiện 3 chức năng chính:
• Khai thác và bảo dưỡng mạng.
• Quản lý thuê bao và tính cước.
• Quản lý thiết bị di động.
1.2.4.1 Khai thác và bảo dưỡng mạng
• Khai thác
Là hoạt động cho phép nhà khai thác mạng theo dõi hành vi của mạng như
tải của hệ thống, mức độ chặn, số lượng chuyển giao giữa hai cell.v.v.. Nhờ vậy nhà
khai thác có thể giám sát được toàn bộ chất lượng dịch vụ mà họ cung cấp cho
khách hàng và kịp thời nâng cấp. Khai thác còn bao gồm việc thay đổi cấu hình để
giảm những vẫn đề xuất hiện ở thời điểm hiện thời, để chuẩn bị tăng lưu lượng
trong tương lai và mở rộng vùng phủ sóng. Ở hệ thống viễn thông hiện đại, khai
thác được thực hiện bằng máy tính và được tập trung ở một trạm.
• Bảo dưỡng
Có nhiệm vụ phát hiện, định vị và sửa chữa các sự cố và hỏng hóc, nó có một
số quan hệ với khai thác. Các thiết bị ở hệ thống viễn thông hiện đại có khả năng tự
phát hiện một số các sự cố hay dự báo sự cố thông qua kiểm tra. Bảo dưỡng bao
gồm các hoạt động tại hiện trường nhằm thay thế các thiết bị có sự cố, cũng như
việc sử dụng các phần mềm điều khiển từ xa.
Hệ thống khai thác và bảo dưỡng có thể được xây dựng trên nguyên lý của
mạng quản lý viễn thông. Lúc này, một mặt hệ thống khai thác và bảo dưỡng được
nối đến các phần tử của mạng viễn thông (MSC, HLR, VLR, BSC, và các phần tử

mạng khác trừ BTS). Mặt khác hệ thống khai thác và bảo dưỡng được nối tới máy
tính chủ đóng vai trò giao tiếp người - máy. Theo tiêu chuẩn GSM hệ thống này
được gọi là trung tâm vận hành và bảo dưỡng (OMC).

22


Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

1.2.4.2 Quản lý thuê bao
Bao gồm các hoạt động quản lý đăng ký thuê bao. Nhiệm vụ đầu tiên là nhập
và xoá thuê bao khỏi mạng. Đăng ký thuê bao cũng có thể rất phức tạp, bao gồm
nhiều dịch vụ và các tính năng bổ sung. Nhà khai thác có thể thâm nhập được các
thông số nói trên. Một nhiệm vụ quan trọng khác của khai thác là tính cước các
cuộc gọi rồi gửi đến thuê bao. Khi đó HLR, SIM-Card đóng vai trò như một bộ
phận quản lý thuê bao.
1.2.4.3 Quản lý thiết bị di động
Quản lý thiết bị di động được bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR thực hiện.
EIR lưu trữ toàn bộ dữ liệu liên quan đến trạm di động MS. EIR được nối đến MSC
qua đường báo hiệu để kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị. Trong hệ thống GSM thì
EIR được coi là thuộc phân hệ chuyển mạch NSS.
1.3 Hoạt động của MS trong chế độ thoại
Mỗi cell trong mạng GSM có riêng một kênh BCCH, kênh này sẽ được phát
liên tục ở mức công suất đầu ra không đổi và bất cứ timeslot nào trên sóng mang
BCCH nếu không mang thoại sẽ được phát dummy burst (Cụm giả không mang
thông tin có ích)
Trong cả chế độ rỗi (IDLE) và bận (dedicated), MS được cấp một danh sách
các cell lân cận qua bản tin hệ thống trên kênh BCCH và phải giám sát cường độ tín
hiệu (RSSI) của các cell lân cận này.
Khi đang thực hiện cuộc gọi, MS đo cường độ sóng mang BCCH của cell lân

cận giữa lúc phát đường lên và lúc nhận ở đường xuống của các đa khung TDMA.
Tuy trong đa khung 26 nhưng MS chỉ thực hiện đo 25 lần do khung cuối cùng là
khung “rỗi” bị loại trừ. Tiêu chuẩn GSM yêu cầu MS phải báo cáo 6 cell mạnh nhất
ít nhất một lần một giây. Chu kỳ báo cáo dựa trên đa khung SACCH, 480ms, và do
đó MS có thể báo cáo 2 lần trong 1 giây. Do đó, điều này thỏa mãn ngay cả khi có
hoạt động đồng thời như gửi nhận SMS trong khi đang thoại trên kênh SACCH.

23


Tối ưu hóa quá trình chuyển giao cho vùng phủ MicroCell mạng thông tin di động

Hình 1.2: Hoạt động MS ở đường lên và xuống
Có 8 khe thời gian trong một khung TDMA, cho phép 8 kênh vật lý dùng
chung một sóng mang vô tuyến. Mỗi kênh vật lý có thể dùng chung bởi nhiều kênh
logic. Để hiểu được kênh các kênh logic dùng chung kênh vật lý thì phải hiểu được
cấu trúc đa khung GSM. Ở đây chỉ nói tới cấu trúc đa khung 26 khung, chia sẻ giữa
thoại và kênh báo hiệu SACCH. Hình dưới đây mô tả mối quan hệ giữa timeslot,
khung TDMA và đa khung 26 khung. Đa khung 26 khung có độ dài là 120ms.
Khung 12 (thứ tự 13 trong đa khung 26) được sử dụng bởi kênh điều khiển liên kết
chậm SACCH, mang thông tin điều khiển đường truyền vô tuyến đường lên và
đường xuống. Khung cuối cùng trong đa khung 26 là khung rỗi vì thu phát đường
lên và đường xuống tạm thời dừng lại. Trong khoảng thời gian này MS chuyển sang
chế độ “tìm kiếm” để tìm ra các BSIC lân cận. Một chu kỳ SACCH bằng độ dài đa
khung 26 là 120ms. Một bản tin SACCH là sự kết hợp thông tin của 4 chu kỳ
SACCH và có độ dài bằng 480ms.

24