MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 3
TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 6
1.1 Giới thiệu chung về GSM 6
1.2 Các tham số cơ bản của GSM 7
1.3 Các số nhận dạng của hệ thống GSM 10
1.3.1 Số nhận dạng thiết bị di động quốc tế (IMEI-International Mobile Equipment
Identifier) 10
1.3.2 Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế (IMSI-International Mobile Subscriber
Identifier) 10
1.3.3 Số nhận dạng thuê bao di động tạm thời (TMSI-Temporary Mobile Subscriber
Identity) 11
1.3.4 Số lưu động trạm di động (MSRN-Mobile Station Roaming number) 11
1.3.5 Số nhận dạng vùng định vị (LAI-Location Area Identity) 11
1.3.6 Số nhận dạng tế bào (CI-Cell Identifier) 12
1.3.7 Mã nhận dạng trạm gốc (BSIC-Base Station Identity Code) 12
1.3.8 Số nhận diện cá nhân PIN (Personal Identification Number) 12
1.4 Tổng quan cấu trúc GSM 12
1.4.1 Trạm di động (MS: Mobile Station) 14
1.4.2 Phân hệ trạm gốc (BSS-Base Station Subsystem) 15
1.4.2.2 Đài điều khiển trạm gốc-BSC 15
1.4.3 Phân hệ chuyển mạch mạng (NSS) và điều hành mạng 17
1.4.3.1 Trung tâm chuyển mạch di động -MSC 18
1.4.3.2 Bộ ghi định vị tạm trú-VLR 18
1.4.3.3 Bộ ghi định vị thường trú-HLR 18
1.4.3.4 Trung tâm nhận thực-AuC 19
1.4.3.5 Trung tâm chuyển mạch di động cổng-GMSC 19
1.4.3.6 Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR 20
1.5 Cấu trúc địa lý của mạng GSM 20
1.6 Hoạt động của hệ thống GSM với một cuộc gọi từ một máy điện thoại cố định
thuộc PSTN 21
3.2 Các lý do tối ưu 67
3.3 Mục đích tối ưu mạng 67
3.4 Lợi ích của việc tối ưu 68
3.5 Các thông số của một trạm BTS 68
3.6 Tối ưu mạng vô tuyến 69
3.6.1 Thống kê về KPIs 70
3.6.1.2 Tỉ lệ thiết lập cuộc gọi thành công CSSR (Call Setup Success Rate) 71
3.6.1.3 Tỉ lệ truy cập ngẫu nhiên lỗi (RAFR-Random Access Failures Rate) 72
3.6.1.4 Tỉ lệ tìm gọi thành công (PSR-Paging Success Rate) 72
3.6.1.5 Tỉ lệ chuyển giao thành công (HOSR-HandOver Success Rate) 73
3.6.1.6 Tỉ lệ nghẽn kênh SDCCH 73
3.6.1.7 Tỉ lệ nghẽn kênh TCH 73
3.6.2 Driving test 74
3.6.3 Phản ánh của khách hàng 75
3.7 Quy trình tối ưu hóa 76
3.7.1 Giám sát mạng 76
3.7.2 Quá trình Driving Test 77
3.7.2.1 Chiến lược khảo sát trường (Field Test Survey Strategy) 77
3.7.2.2 Xác định các tuyến kiểm tra trường 77
3.7.2.3. Thu thập kết quả đo trường 77
3.7.3 Phân tích số liệu 78
3.7.3.1 Lỗi chuyển giao 78
3.7.3.2 Vấn đề vùng phủ kém 79
3.7.3.3 Vấn đề về nhiễu cao và chất lượng kém 83
3.7.4 Thực hiện 84
3.8 Ví dụ về phân tích CDR (tỷ lệ rớt cuộc gọi) 84
3.8.1 Cách làm việc để tìm ra nguyên nhân chính 84
3.8.1.1 Quan sát vị trí các cell trên MapInfor 85
3.8.1.2 Kiểm tra khả năng hoạt động của các cell thông qua dữ liệu thống kê 86
3.8.1.3 Thực tế khảo sát các trạm có CDR cao 90
Chính vì lý do đó, em chọn nghiên cứu đề tài: “Hệ thống thông tin di
động GSM - Tối ưu hoá mạng di động”.
4
Đề tài của em gồm những nội dung chính như sau:
Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin di động GSM
Chương 2: Lý thuyết quy hoạch mạng di động GSM
Chương 3: Tối ưu hoá mạng vô tuyến GSM.
Trong quá trình làm đồ án, em xin chân thành cám ơn thầy giáo hướng
dẫn - Đại tá, PGS TS Đỗ Huy Giác, cùng các thầy trong bộ môn thông tin
khoa Vô tuyến điện tử đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ
án.
Do khả năng còn hạn chế và thời gian có hạn, nên đồ án không tránh
khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và
các bạn để đồ án của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cám ơn!
Hà Nội, tháng 4 năm 2008
Sinh viên thực hiện
LÊ THỊ NGỌC HÀ
CHƯƠNG 1
5
TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
GSM
1.1 Giới thiệu chung về GSM
Cho tới năm 1992 thì toàn Châu Âu đã có 6 loại mạng tế bào khác nhau
tại 16 nước, phục vụ 1.2 triệu thuê bao. Lúc đó tại Châu Âu, giữa các hệ
thống và các thuê bao của các mạng khác nhau thì không tương thích, khả
năng lưu động của thuê bao từ nước này sang nước khác rất thấp do đó khá
bất tiện. Số thuê bao thấp dẫn tới giá thiết bị và dịch vụ cao. Trong tình hình
như vậy, từ năm 1982 Hội nghị Bưu chính và Viễn thông Châu Âu CEPT
- Băng sóng Uplink: 890 – 915 MHz
Downlink: 935 – 960 MHz
Các băng sóng này phân bổ cho 2 dải phòng vệ, mỗi dải rộng 200KHz,
có 124 cặp kênh vô tuyến (lên-xuống) mỗi kênh rộng 200KHz. Đường lên và
đường xuống cách nhau 45MHz, được thể hiện qua hình 1-1
Hình 1-1: Băng tần GSM 900
- Song công
7
FDD (Frequency Division Duplex–Song công phân chia theo tần số).
Băng tần công tác gồm 2 dải tần dành cho đường lên: từ MS→BS và đường
xuống: từ BS→MS. Trong đó: đường lên luôn là dải tần thấp, còn đường
xuống luôn là dải tần cao. Vì MS có công suất nhỏ hơn, thường di động và có
khả năng bị che khuất, với dải tần thấp hơn thì λ lớn hơn khi đó khả năng che
khuất giảm.
Tần số sóng mang vô tuyến trên 2 băng sóng được xác định theo
F
nI
= 890,2 + 0,2(n-1) (MHz) (uplink)
F
nII
= F
nI
+ 45 (MHz) (downlink)
Trong đó: n = 1,2,…,124
- Loại truy nhập
GSM là hệ thống kết hợp phương pháp đa truy nhập theo thời gian và
tần số (TDMA/FDMA). Trong đó:
+ FDMA (Frequency Division Multiple Access: Đa truy cập phân
chia theo tần số). Mỗi một thuê bao truy cập mạng bằng một tần số. Băng tần
chung W được chia thành N kênh vô tuyến. Mỗi một thuê bao truy nhập và
cả 1 cụm xung TDMA (mất toàn bộ bít trong 1 khe thời gian) chỉ dẫn đến ảnh
hưởng tới 12.5% số bít của 1 khung tín hiệu tiếng nói.
- Điều chế số
Trong GSM sử dụng điều chế tần số dịch pha cực tiểu Gao-xơ - GMSK
(Gaussian Minimum Shift Keying ) có đường bao không đổi với BT = 0.3 (B:
Bandwidth:độ rộng băng tín hiệu, T: bit time interal: độ rộng 1 bít) do đó độ
rộng băng tín hiệu đã điều chế chỉ vào khoảng 1/3 độ rộng băng tín hiệu gốc
(50KHz so với 150KHz). Độ rộng băng tín hiệu vô tuyến vào quãng 100KHz
(chỉ cỡ 1/3 so với độ rộng băng của tín hiệu PSK nhị phân). Nhờ vậy, suy
giảm xuyên nhiễu giữa 2 sóng mang lân cận ≈ 18 dB và > 50dB giữa các sóng
mang xa nhau hơn.
- Nhảy tần
Nhảy tần là thay đổi tần số sóng mang trong suốt quá trình kết nối.
Nhảy tần trong GSM là nhảy tần chậm, có nghĩa là MS phát trên một tần số
9
trong thời gian dành cho nó, sau đó nhảy đến tần số khác để phát trên cùng TS
đó. Trong 1s sẽ có:
217
615,4
1
=
ms
s
lần nhảy tần. Tuỳ theo điều kiện địa hình và
mức độ nhiễu tổng mà nhà điều hành có thể chọn hoặc không chọn cho nhảy
tần.
- Công suất
- Công suất đỉnh cho máy di động: 2 ÷ 20W
- Công suất trung bình cho máy di động: 0.25 ÷ 2.5W
- Kiểm soát công suất: có áp dụng theo qui định của trạm gốc
MSISDN = CC + NDC + SN.
Trong đó: CC (Country Code) là Mã nước, NDC (National Destination
Code) là Mã đích quốc gia, SN (Subscriber Number) là Số thuê bao. Mã nước
được ghi trong danh bạ điện thoại, gồm một vài con số, ví dụ mã nước Việt
Nam là 84…Việc đánh số còn tuỳ thuộc vào công ty điện thoại, chẳng hạn ở
Việt Nam mã đích quốc gia NDC có thể là 090, 091…, số thuê bao SN gồm 6
con số.
1.3.4 Số lưu động trạm di động (MSRN-Mobile Station Roaming
number)
MSRN là số tạm thời, nó được lưu trữ trong VLR và được kết hợp với
HLR nhưng không được lưu trữ trong MS. MSRN được VLR sử dụng kết hợp
với MSC đối với cuộc gọi định tuyến bên trong vùng phục vụ MSC/VLR.
MSRN = CC + NDC + SN
Trong đó, CC là mã nước, NDC là mã đích quốc gia còn SN là số thuê
bao (tạm thời). SN chứa hai thành phần: địa chỉ tổng đài MSC phục vụ và số
tạm thời của MS do MSC/VLR phục vụ tạm đặt.
1.3.5 Số nhận dạng vùng định vị (LAI-Location Area Identity)
11
Mỗi vùng định vị bên trong PLMN có một bộ nhận dạng mang tính
quốc tế duy nhất. LAI được các BTS quảng bá đều đặn trên kênh điều khiển
phát thanh BCCH giúp MS nhận diện vùng định vị. Khi nhận thấy sự thay đổi
LAI, MS nhất thiết phải cập nhật vị trí. LAI có cấu trúc:
LAI = MCC + MNC + LAC.
Trong đó: MCC là mã nước gồm 3 con số, MNC là mã mạng di động
gồm 2 con số, LAC là mã vùng định vị, có độ dài cực đại 16 bit.
1.3.6 Số nhận dạng tế bào (CI-Cell Identifier)
Một bộ nhận dạng CI được gán tới mỗi tế bào bên trong mạng. CI chỉ là
duy nhất bên trong vùng định vị cụ thể.
1.3.7 Mã nhận dạng trạm gốc (BSIC-Base Station Identity Code)
Mỗi BTS được đưa ra với một số nhận dạng duy nhất, BSIC được sử
PSTN-Public Switched Telephone Network: Mạng điện thoại cố định công
cộng
BSS-Base Station Sub-system: Phân hệ trạm gốc
HLR-Home Location Register: Bộ ghi định vị thường trú
13
VLR-Visitor Location Register: Bộ ghi định vị tạm trú
AuC-Authentication Centre: Trung tâm nhận thực
EIR-Equipment Identity Register: Bộ ghi nhận diện thiết bị.
1.4.1 Trạm di động (MS: Mobile Station)
MS là một thiết bị duy nhất mà người sử dụng có thể thường xuyên
nhìn thấy của hệ thống. Nó có thể là thiết bị đặt trong ô tô hay thiết bị xách
tay hoặc thiết bị cầm tay. Loại thiết bị nhỏ cầm tay là phổ biến nhất. MS là
thiết bị phức tạp, có khả năng như một máy tính nhỏ. Nó bao gồm hai thiết bị:
ME và SIM được mô tả trên hình 1-3
Hình 1-3: Mô tả thiết bị di động và môđun nhận dạng thuê bao
Thiết bị di động (ME - Mobile Equipment): là thiết bị phần cứng để thuê
bao truy cập mạng, nó có số nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMEI
(International Mobile Equipment Identity).
Mođun nhận dạng thuê bao (SIM - Subscriber Identity Module): Là một
cơ sở dữ liệu có chức năng lưu trữ dữ liệu vĩnh cửu và tạm thời vể thuê bao và
về mạng. Bao gồm:
- IMSI: International Mobile Subscribers Identity-Số nhận dạng
thuê bao di động quốc tế
- Khoá nhận thực (Ki) và các thuật toán vể kiểm tra nhận thực
SIM được chế dưới dạng một card thông minh mà thiếu nó thiết bị di động
không thể truy nhập mạng ngoại trừ gọi các số khẩn cấp (cảnh sát, cứu
thương, cứu hoả). SIM được cung cấp bởi nhà điều hành mạng khi khách
hàng đăng ký thuê bao, SIM của mạng nào có giá trị của mạng đó.
14
ME SIM
- Duy trì cuộc gọi:
+ Giám sát chất lượng cuộc gọi
+ Điều khiển công suất được phát bởi BTS hoặc MS
+ Thực hiện chuyển giao tới tế bào khác khi được yêu cầu
Một đài điều khiển trạm gốc (BSC) là một thành phần mạng trong PLMN với
các chức năng điều khiển một hoặc nhiều BTS. BSC giao tiếp với MSC thông
qua giao diện A, tuyến liên lạc giữa BSC và MSC là tuyến PCM 30/32.
Như vậy, chức năng BSS:
Quản lý kênh vô tuyến bao gồm: đặt kênh, giám sát chất lượng đường
thông, phát các tin quảng bá và thông tin báo hiệu liên quan, cũng như điều
khiển các mức công suất phát và điều khiển nhảy tần.
Mã hoá và giải mã sửa lỗi, mã chuyển tiếng nói số hoặc phối hợp tốc độ
số liệu, khởi đầu chuyển điều khiển HO (Handover) trong nội bộ tế bào cũng
như mã tín hiệu báo hiệu, số liệu.
BSS có thể phục vụ cho một vài tế bào hoặc các sectơ trong một tế bào.
*) Khối TRAU (TRAnscode Unit-Khối đổi mã)
Chức năng chính là chuyển đổi các kênh thoại GSM 16Kb/s thành các
kênh PCM 64Kb/s trên hướng lên và chuyển đổi ngược lại theo hướng xuống.
Về mặt kỹ thuật: TRAU có thể được đặt về mặt vật lý ở BTS, BSC hoặc MSC
+ Nếu TRAU đặt ở BTS thì mỗi kênh GSM 16Kb/s sẽ cần được ánh xạ
tới kênh PCM 64Kb/s của nó. Điều này dẫn đến 75% độ rộng băng thông
truyền dẫn bị lãng phí qua cả 2 giao diện A và A-bis.
+ Nếu TRAU được đặt ở MSC thì cho phép các kênh GSM được ghép
kênh lên tới 64Kb/s cho một kênh PCM. Như vậy, hiệu quả sử dụng môi
trường truyền dẫn tăng đến cực đại.bằng cách làm tăng năng suất truyền kênh
GSM trên mỗi giao thức truyền tải PCM từ 30 lên 120 kênh. Các vị trí của
khối TRAU được thể hiện như hình vẽ sau:
16
Hình 1-4: Vị trí của TRAU trong hệ thống GSM
1.4.3 Phân hệ chuyển mạch mạng (NSS) và điều hành mạng
điều khiển (HO: handover) là một quá trình “gán lại” liên lạc của một
trạm di động sang một BS khác khi MS di động ra khỏi vùng phục vụ
của một BS.
- Thông báo tính cước.
1.4.3.2 Bộ ghi định vị tạm trú-VLR
VLR là cơ sở dữ liệu phục vụ các thuê bao tạm thời bên trong vùng
MSC, ghi trữ thông tin của mọi MS: bận/rỗi, hiện đang hiện diện trong vùng
định vị (LA) nào. Mỗi MSC trong mạng có một VLR, nhưng một VLR có thể
phục vụ nhiều MSC.
Bao gồm các thành phần:IMSI, MSISDN, MSRN, TMSI, LMSI, LAI
1.4.3.3 Bộ ghi định vị thường trú-HLR
18
HLR là một cơ sở dữ liệu chịu trách nhiệm quản lý các thuê bao di
động, ghi trữ mọi thông tin về thuê bao và ghi trữ tình trạng của mọi MS
thuộc mạng: rỗi - bận, hiện đang hiện diện tại MSC nào/ có nhập mạng hay đã
rời mạng. Mỗi một mạng chỉ có một HLR. Tuy nhiên về mặt vật lý, để tránh
việc trao đổi thông tin giữa các vùng thì mỗi vùng có một HLR riêng, nhưng
về mặt logic xem là một HLR.
HLR lưu trữ thông tin về thuê bao, thông tin dùng để định vị (ví dụ: số
lưu động MS, các địa chỉ VLR, các địa chỉ MSC, số nhận dạng MS nội hạt),
ngoài ra còn có thông tin về các dịch vụ viễn thông và truyền tải, các dịch vụ
bổ sung…
Hai dạng thông số đựơc gán cho mỗi thuê bao di động và được ghi trữ
trong HLR đó là: IMSI và MSISDN. Các loại thông số này được trung tâm
nhận thực AuC sử dụng để xác nhận quyền truy nhập của thuê bao vào hệ
thống.
1.4.3.4 Trung tâm nhận thực-AuC
AuC được kết hợp với một HLR. AuC là một đơn vị cơ sở dữ liệu trong
mạng, cung cấp các tham số mã mật và nhận thực cần thiết để đảm bảo tính
riêng tư của từng cuộc gọi và xác nhận quyền truy nhập của thuê bao đang
các cuộc gọi tới MS và cho phép hệ thống định tuyến đến một tổng đài vô
tuyến cổng GMSC.
- Vùng phục vụ MSC/VLR: Mỗi một mạng có thể có một hay nhiều
vùng phục vụ MSC/VLR. Mỗi một MSC thường có một VLR đi kèm để lưu
trữ các dữ liệu cơ bản về MS nằm trong vùng phục vụ của MSC đó.
- Vùng định vị LA: Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR lại được chia thành
các vùng định vị, mỗi vùng định vị gồm nhiều tế bào được đặc trưng bởi một
số nhận dạng vùng định vị LAI duy nhất. Số này được phát quảng bá liên tục
tới mọi MS thông qua kênh điều khiển phát thanh BCCH. Khi MS chuyển
20
sang vùng định vị khác sẽ phải thực hiện cập nhật vị trí. Khi có cuộc gọi đến,
các BTS trong LA sẽ phát quảng bá tín hiệu tìm gọi để hiệu gọi MS.
- Tế bào (cell): Mỗi vùng định vị nhiều tế bào. Một tế bào có một tram
thu phát gốc, được phân bố 1 hoặc nhiều tần số sóng mang và mỗi một trạm
BTS được cấp một mã nhận diện trạm gốc BSIC (Base Station Identity Code).
Cấu trúc địa lý của mạng GSM như sau:
Hình 1- 6: Cấu trúc địa lý mạng GSM
1.6 Hoạt động của hệ thống GSM với một cuộc gọi từ một máy
điện thoại cố định thuộc PSTN
Được thể hiện trên hình 1-7. Khi MS bật nguồn, MS sẽ quét 124 sóng
mang đường xuống của GSM để tìm sóng mang điều khiển phát thanh của tế
bào mà nó hiện diện. Sóng mang điều khiển phát thanh gọi là sóng mang
BCCH, nó được phát quảng bá 24/24. Sóng mang này có công suất lớn nhất
trong các sóng mang được sử dụng tại tế bào đó. Trên sóng mang BCCH thực
hiện đồng chỉnh tần số và đồng bộ định thời, sau đó MS nghe thông tin về
mạng được phát quảng bá 24/24
21
Hình 1-7: Cuộc gọi từ mạng cố định tới máy di động
Nếu sóng mang ấy không phải là của nhà điều hành thì MS rời ra bắt
vào sóng mang mạnh thứ 2, nếu không phải của nhà điều hành thì MS lại rời
nhập mạng lại để cập nhật vị trí và nhận một TMSI mới. Trong chế độ rỗi MS
thường xuyên chờ nghe hiệu gọi mình trên kênh paging.
Khi một máy điện thoại cố định quay số một máy di động, số máy
chẳng hạn là ABCDxxxxxx (trong đó ABC là mã đích quốc gia) thì tổng đài
PSTN (mạng điện thoại cố định công cộng) sẽ định tuyến đến tổng đài GMSC
gần nhất. GMSC kiểm tra VLR (Dxxxxxx- là số thuê bao) mà không có trong
tổng đài này thì GMSC sẽ thực hiện cuộc hỏi định tuyến bằng cách hỏi HLR
về MSC đang quản lý máy bị gọi. Nếu máy bị gọi đang rời mạng thì thông
báo thuê bao đang bận. Còn nếu MS đang nhập mạng thì HLR sẽ tra ra mã
MSC đang quản lý MS bị gọi. HLR sẽ thực hiện cuộc hỏi đến MSC đích về số
MSRN (số lưu động thuê bao di động) của máy bị gọi. MSC đích sẽ cung cấp
cho HLR về số MSRN của máy di động bị gọi. Sau đó, HLR chuyển tiếp số
đó cho GMSC (xong cuộc hỏi định tuyến)
23
Một vài digit đầu của MSRN là số hiệu của MSC đích. Nhờ vậy, GMSC
định tuyến tới MSC đích và gửi cho MSC đích MSRN, MSC khi nhận được
MSRN sẽ tra vào VLR để biết là máy nào (đang nằm ở vùng định vị nào,
TMSI nào) và ra lệnh cho tất cả các BS trong toàn vùng định vị nhất loạt gọi
máy bị gọi bằng TMSI.
Khi MS trả lời bằng cách phát BSIC của trạm gốc mà nó hiện diện, BS
sẽ đặt một kênh điều khiển 2 chiều (kênh D), trên đó MS thực hiện nhận thực,
đổi TMSI, nhận TMSI mới, nhận khoá mã mật mới và được ấn định một kênh
liên lạc và sẽ trao đổi thông tin thoại.
1.7 Giao tiếp vô tuyến trong GSM
1.7.1 Các kênh trong hệ thống GSM
1.7.1.1 Kênh vô tuyến
Mỗi sóng mang GSM hình thành một kênh vô tuyến. Như vậy, toàn
mạng GSM có thể có 124 cặp kênh vô tuyến.
1.7.1.2 Kênh vật lý
Mỗi sóng mang GSM được phân chia về thời gian thành 8 khe thời gian
và cấu trúc của mạng, bao gồm:
• Tế bào thuộc mạng GSM nào
25
Copyright: Tài liệu đại học ©