Đồ án Tổng quan về hệ thống thông tin di động

Bé gi¸o dôc vμ ®μo t¹o tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa Hμ Néi khoa ®iÖn tö viÔn th«ng ====== ====== Đå ¸n tèt nghiÖp ®Ò tμi: Tổng quan về hệ thống thông tin di động Gi¸o viªn h−íng dÉn : §Æng Kh¸nh Hßa Sinh viªn thùc hiÖn : Chu ót ThËm Líp : 05BTT – 07§T Hµ Néi – 08/2008 §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS Chu ót thËm – 05btt-07®t MỤC LỤC Chương 1: Giới thiệu về mạng thông tin di động GSM .............................. ...1 1.1 Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM............................................. ...1 1.2 Các chức năng của hệ thống GSM......................................................... ...4 1.3 Băng tần sử dụng trong hệ thống thông tin đi động GSM...................... ...5 1.4 Phương pháp truy nhập trong thông tin di động..................................... ...6 Chương 2: Cấu trúc hệ thống thông tin di động GSM................................ ...9 2.1. Cấu trúc hệ thống .................................................................................. ...9 2.2. Chức năng các phần tử trong mạng GSM...............................................10 Chương 3: Mạng báo hiệu và các khía cạnh mạng ..................................... .17 3.1. Các giao thức báo hiệu trong hệ thống GSM ........................................ .17 3.2. Các giao diện trong hệ thống GSM....................................................... .20 3.3. Các khía cạnh mạng .............................................................................. .20 Chương 4: Giao tiếp vô tuyến ....................................................................... .26 4.1. Khái niệm về các kênh vô tuyến ........................................................... .26 4.2. Sắp xếp các kênh logic ở các kênh vật lý.............................................. .29 Chương 5: Các dịch vụ trong GSM .............................................................. .31 5.1. Dịch vụ thoại......................................................................................... .31 5.2. Dịch vụ số liệu ...................................................................................... .31 5.3. Dịch vụ bản tin ngắn ............................................................................. .32 5.4. Các dịch vụ phụ .................................................................................... .32 Chương 6: Một số thí dụ về cuộc gọi trong mạng GSM ............................. .34 6.1. Cuộc gọi ra từ MS................................................................................. .34 6.2. Cuộc gọi vào từ mạng cố định .............................................................. .35 Chương 7: Giới thiệu chung về công nghệ GPRS ....................................... .38 7.1. Tổng quan về công nghệ GPRS ............................................................ .38 7.2. Cấu trúc hệ thống GPRS ....................................................................... .39 Chương 8: Các giao diện và giao thức trong mạng GPRS ......................... .48 §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS Chu ót thËm – 05btt-07®t 8.1. Mặt phẳng truyền dẫn ........................................................................... .48 8.2. Mặt phẳng báo hiệu............................................................................... .51 8.3. Giao diện vô tuyến UM......................................................................... .59 8.4. Mạng vô tuyến GPRS ........................................................................... .63 8.5. Quản lý tài nguyên vô tuyến ................................................................. .72 Chương 9: Triển khai GPRS trên mạng thông tin di động GSM tại Việt Nam.................................................................................................... .76 9.1. Đánh giá hiện trạng và nhu cầu............................................................. .76 9.2. Dịch vụ.................................................................................................. .77 9.3. Số lượng thuê bao của mạng ................................................................. .77 9.4. Đánh giá nhu cầu .................................................................................. .77 9.5. Một số đề xuất triển khai dịch vụ GPRS............................................... .78 Bé Gi¸o dôc vμ §μo t¹o Tr−êng §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi Céng hßa x∙ héi chñ nghÜa ViÖt Nam §éc lËp - Tù do - H¹nh phóc nhiÖm vô thiÕt kÕ tèt nghiÖp Hä vµ tªn: Chu ót ThËm Ngµnh häc: §iÖn Tö – ViÔn Th«ng 1. §Çu ®Ò thiÕt kÕ ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... 2. C¸c sè liÖu ban ®Çu ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... 3. Néi dung c¸c phÇn thuyÕt minh vµ tÝnh to¸n ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... 4. C¸c b¶n vÏ ®å thÞ (ghi râ c¸c lo¹i b¶n vÏ, kÝch th−íc c¸c b¶n vÏ) ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... 5. C¸n hé h−íng dÉn PhÇn Hä vµ tªn c¸n bé ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... 6. Ngµy giao nhiÖm vô thiÕt kÕ: ................................................................................................. 7. Ngµy ph¶i hoµn thµnh: ............................................................................................................... Ngµy... th¸ng ... n¨m 2008 Chñ nhiÖm khoa (Ký tªn vµ ghi râ hä tªn) Ngµy... th¸ng ... n¨m 2008 C¸n bé h−íng dÉn (Ký tªn vµ ghi râ hä tªn) Ngµy... th¸ng ... n¨m 2008 §¸nh gi¸ kÕt qu¶ §iÓm thiÕt kÕ:.......................... §iÓm b¶o vÖ:............................ §iÓm tæng hîp:....................... Ngµy ... th¸ng ... n¨m 2008 Chñ tÞch héi ®ång (Ký tªn vµ ghi râ hä tªn) Ngµy... th¸ng ... n¨m 2008 Sinh viªn thùc hiÖn (Ký tªn vµ ghi râ hä tªn) Bé gi¸o dôc vμ ®μo t¹o Tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa hμ néi B¶n nhËn xÐt thiÕt kÕ tèt nghiÖp Hä vµ tªn: ...................................................................................................................................................... Nghµnh: .................................................................... Khãa: .................................................................... C¸n bé h−íng dÉn:.................................................................................................................................... C¸n bé duyÖt thiÕt kÕ:............................................................................................................................. 1. Néi dung thiÕt kÕ tèt nghiÖp: ....................................................................................................... .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. 2. NhËn xÐt cña ng−êi duyÖt thiÕt kÕ: .......................................................................................... .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................. Ngµy..... Th¸ng ....... N¨m 2008 (ký vµ ghi râ hä tªn) §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS Chu ót thËm – 05btt-07®t LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay mạng GSM với những ưu điểm nổi bật như: dung lượng lớn, chất lượng kết nối tốt, tính bảo mật cao … , đã có một chỗ đứng vững chắc trên thị trường Viễn thông thế giới. Ở Việt Nam, khi chúng ta bắt đầu có những máy điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM 900 đầu tiên vào những năm 1993 đã đánh dấu một bước phát triển vượt bậc về công nghệ Viễn thông của đất nước. Các thuê bao di động tại Việt Nam sử dụng dịch vụ thoại truyền thống với tốc độ bit là 13Kbit/s và truyền số liệu với tốc độ 9,6 kbit/s. Các nhà khai thác GSM trên thế giới đang đứng trước một số giải pháp để có được dịch vụ số liệu truyền tốc độ cao qua mạng thông tin di động hiện có của họ và đang nghiên cứu kế hoạch để chuyển đổi lên công nghệ 3G. Có hai hướng để lựa chọn : một là có thể nâng cấp mạng của họ lên thẳng CDMA (Đa truy nhạp phân chia theo mã) hay nâng cápp lên để có dịch vụ GPRS (General Packet Radio Service – Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp), E – GPRS (Enhanced GPRS – Dịch vụ GPRS nâng cao) và sau đó thì sẽ đầu tư, nâng cấp để loại dần công nghệ GSM tiến lên công nghệ W-CDMA (Đa truy nhập phân kênh theo mã băng rộng). Đối với các nhà khai thác, không thể có được việc nâng cấp thẳng lên công nghệ W-CDMA với các giải pháp đơn giản và chi phí chấp nhận được. Quá trình nâng cấp là một quá trình phức tạp, yêu cầu các phần tử mạng mới và các máy đầu cuối mới. Do vậy, vấn đề cần cân nhắc ở đây chính là các khía cạnh về kinh tế và kỹ thuật cho việc nâng cấp, buộc các nhà khai thác phải suy tính. Chính vì vậy, GPRS là sự lựa chọn của các nhà khai thác GSM như một bước chuẩn bị về cơ sở hạ tầng kỹ thuật, để tiến lên công nghệ thông tin di động thế hệ thứ 3. §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS Chu ót thËm – 05btt-07®t Giải pháp GPRS cho hệ thống GSM đã trở thành hiện thực năm 1999. Giống như HSCSD, GPRS cung cấp các dịch vụ số liệu tốc độ cao hơn cho người sử dụng di động. Tuy nhiên dựa trên công nghệ chuyển mạch gói, GPRS phù hợp với bản chất bùng nổ đột ngột cao của hầu hết các ứng dụng số liệu hơn công nghệ chuyển mạch kênh HSCSD, nó lý tưởng hơn cho các dịch vụ truy nhập cơ sở dữ liệu và thư điện tử, thí dụ những người sử dụng không muốn trả cứoc phí cuộc gọi cao cho các bản tin ngắn. GPRS cũng cho phép người sử dụng nhận các cuộc gọi số liệu. Các tin nhắn cũng được phân phát trực tiếp đến điện thoại của người sử dụng, them chí không cần kết nối từ đầu cuối đến đầu cuối một cách liên tục. Khi bật máy điện thoại, người sử dụng nhận được một thông báo là họ đang có một tin nhắn. Họ có thể chọn các thông báo tải về ngay lập tức hay cất đi để xem sau. GPRS cũng cung cấp việc thiết lập cuộc gọi nhanh hơn HSCSD và kết nối với mạng sử dụng giao thức IP hiệu quả hơn, bao gồm các mạng Intranet của công ty và các mạng LAN, cũng như Internet. Thông qua việc kết hợp các khe thời gian TDMA khác nhau, GPRS có thể điều khiển tất cả các kiểu truyền dẫn từ các mẫu tin ngắn tốc độ thấp đến các tốc độ cao hơn cần cho việc xem xét các trang Wed. GPRS cung cấp tốc độ số liệu gói cao hơn 100 kbit/s. Tốc độ tối đa là 171,2 kbit/s qua 8 kênh 21,4 kbit/s (sử dụng mã hoá CS-4). §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 1 -  TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 1.1. Hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM) GSM trước đây được biết như Groupe Spécial Mobile (nhóm di động đặc biệt), là nhóm đã phát triển nó, được thiết kế từ sự bắt đầu như một dịch vụ tế bào số quốc tế. Giao tiếp vô tuyến của GSM dựa trên công nghệ TDMA. Ý định ban đầu là các thuê bao GSM có khả năng di chuyển qua các biên giới quốc gia sẽ nhận được các dịch vụ di động và các tính năng đi theo cùng với họ. Kiểu GSM của Châu Âu hiện nay hoạt động ở tần số 900 MHz cũng như tần số 1800 MHz. Ở Bắc Mỹ, GSM sử dụng cho dịch vụ PCS 1900 tại vùng đông bắc California và Nevada. Do PCS 1900 sử dụng tần số 1900 MHz, nên các điện thoại không có khả năng kết nối hoạt động với điện thoại GSM hoạt động trong các mạng ở tần số 900 MHz hay 1800 MHz. Tuy nhiên vấn đề này có thể khắc phục được với các máy điện thoại đa băng hoạt động trong nhiều tần số. Vào đầu năm 1980, thị trường hệ thống điện thoại tế bào tương tự đã phát triển rất nhanh ở Châu Âu. Mỗi một nước đã phát triển một hệ thống tế bào độc lập với các hệ thống của các nước khác. Sự phát triển không được hợp tác của các hệ thống thông tin di động quốc gia có nghĩa là sẽ không có khả năng cho thuê bao sử dụng cùng một máy di động cầm tay khi di chuyển trong Châu Âu. Không chỉ các thiết bị di động bị §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 2 -  hạn chế khai thác trong biên giới quốc gia, mà còn có một thị trường rất hạn chế đối với mỗi kiểu thiết bị, vì thế tiết kiệm chi phí có thể không thực hiện được. Ngoài một thị trường trong nước đầy đủ với các mẫu chung, có thể không có một nhà chế tạo nào cạnh tranh được trên thị trường thế giới. Hơn nữa, chính phủ các nước nhận thức rõ là các hệ thống thông tin không tương thích có thể cản trở tiến trình để đạt được một tầm nhìn chiến lược của họ về một Châu Âu với nền kinh tế thống nhất. Với những cân nhắc nêu trên, hội nghị điện thoại điện báo gồm 26 quốc gia Châu Âu (CEPT) đã thành lập một nhóm nghiên cứu gọi là Groupe Speciale Mobile vào năm 1982 để nghiên cứu và phát triển một hệ thống thông tin liên Châu Âu. Đến năm 1986 tình hình trở nên khả quan hơn vì một số mạng tế bào tương tự hiện tại có thể sử dụng hết dung lượng vào năm 1990. CEPT khuyến nghị rằng hai khối tần số trong băng tần 900 MHz được dự trữ cho hệ thống mới. Tiêu chuẩn GSM chỉ rõ các băng tần từ 890 đến 915MHz cho băng thu và từ 935 đến 960 MHz cho băng phát với mỗi băng được chia thành các kênh 200 KHz. Hệ thống thông tin di động được CEPT đưa ra đã đáp ứng được các tiêu chuẩn như sau: - Cung cấp âm thoại chất lượng cao. - Hỗ trợ chuyển vùng quốc tế. - Hỗ trợ các thiết bị đầu cuối cầm tay. - Hỗ trợ một loạt các dịch vụ và các thiết bị mới. - Cung cấp hiệu quả phổ tần số. - Cung cấp khả năng tương thích với ISDN. - Cung cấp với chi phí dịch vụ và đầu cuối thấp. Vào năm 1989, việc phát triển các đặc tính kỹ thuật của GSM đã được chuyển từ CEPT đến Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI). §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 3 -  ETSI được thành lập vào năm 1988 để thiết lập các tiêu chuẩn viễn thông cho Châu Âu và hợp tác với các tổ chức tiêu chuẩn khác, các lĩnh vực liên quan đến truyền hình và công nghệ thông tin văn phòng. ESTI đã ấn bản các đặc tính kỹ thuật giai đoạn 1 của GSM vào năm 1990. Dịch vụ thương mại đã bắt đầu vào giữa năm 1991. Đến năm 1993 đã có 36 mạng GSM tại 22 nước, và thêm 25 nước đã lựa chọn hoặc bắt đầu GSM. Từ đó, GSM đã được chấp nhận ở Nam Phi, Úc, và rất nhiều nước vùng Trung Đông và Viễn Đông. Tại Bắc Mỹ, GSM được dùng để thực hiện PCS. Đến cuối năm 1998 đã có 323 mạng GSM ở 118 nước phục vụ cho 138 triệu thuê bao, đến nay đã có hơn 2 tỉ người dùng trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ. Hệ thống GSM được gọi là hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobilephone communications). Mạng thông tin di động GSM là mạng thông tin di động số Cellular gồm nhiều ô (cell). Cell là đơn vị nhỏ nhất của mạng, có hình dạng (trên lý thuyết) là một tổ ong hình lục giác. Trong mỗi cell có một đài vô tuyến gốc BTS (Base Transceiver Station) liên lạc với tất cả các trạm di động MS (Mobile Station) có mặt trong cell. Khi MS di chuyển ra ngoài vùng phủ sóng của cell, nó phải được chuyển giao sang làm việc với BTS của cell khác. Đặc điểm của hệ thống thông tin di động Cellular là việc sử dụng lại tần số và diện tích của mỗi cell khá nhỏ. Mỗi cell sử dụng một nhóm tần số kênh vô tuyến. Các chữ cái A, B, C,...vừa là tên của cell, vừa biểu thị một nhóm xác định các tần số vô tuyến được sử dụng trong cell đó. Nhóm tần số được sử dụng nhiều lần cho các cell với khoảng cách đủ lớn, công suất phát đủ nhỏ để nhiễu lẫn nhau không đáng kể. §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 4 -  Thông thường, một cuộc gọi di động không thể kết thúc trong một cell nên hệ thống thông tin di động cellular phải có khả năng điều khiển và chuyển giao (handover) cuộc gọi từ cell này sang cell lân cận mà cuộc gọi được chuyển giao không bị gián đoạn. 1.2. Các chức năng của hệ thống GSM Các đặc tính chủ yếu của hệ thống GSM như sau: • Có thể phục vụ được một số lớn các dịch vụ và tiện ích cho thuê bao cả trong thông tin thoại và truyền số liệu. * Đối với thoại có thể có các dịch vụ: - Chuyển hướng cuộc gọi vô điều kiện - Chuyển hướng cuộc gọi khi thuê bao di động bận - Cấm tất cả các cuộc gọi ra quốc tế - Giữ cuộc gọi - Thông báo cước phí - Nhận dạng số chủ gọi... * Đối với dịch vụ số liệu: - Truyền số liệu - Dịch vụ nhắn tin: các gói thông tin có kích cỡ 160 ký tự có thể lưu giữ . • Sự tương thích của các dịch vụ trong GSM với các dịch vụ của mạng sẵn có: * PSTN – Publich Switched Telephone Network (Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng). §å ¸n tèt nghiÖp: M¹ng di ®éng GSM vμ c«ng nghÖ GPRS   Chu ót thËm – 05btt-07®t   ‐ 5 -  * ISDN – Integrated Service Digital Network (mạng số tổ hợp dịch vụ) bởi các giao diện theo tiêu chuẩn chung. Cho phép các thuê bao lưu động (roaming) ở các nước với nhau cùng sử dụng hệ thống GSM một cách hoàn toàn tự động. Nghĩa là thuê bao có thể mang máy di động đi mọi nơi và mạng sẽ tự động cập nhật thông tin về vị trí của thuê bao đồng thời thuê bao có thể gọi đi bất cứ nơi nào m