Nguyên lý và hoạt động của hệ thống thông tin di động thế hệ 2

CHƯƠNG 3 NGUYÊN LÝ VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 2 Ở Chương 2 đã tìm hiểu về cấu trúc của hệ thống thông tin di động thế hệ 2. Chương này sẽ tìm hiểu về nguyên lý và hoạt động của nó để hiểu rõ hơn về những nội dung đã đề cập ở các chương trước. Nội dung Chương 3 gồm các phần chính sau: trước hết sẽ tìm hiểu về cấu trúc của hệ thống thông tin di động trước đây để thấy được sự khác nhau với hệ thống thông tin di động hiện nay. Phần kế tiếp sẽ đề cập đến vấn đề tái sử dụng tần số trong hệ thống; trong nội dung này, sẽ đưa ra các mẫu tái sử dụng tần số, tỷ lệ nhiễu cùng kênh hoặc nhiễu kênh lân cận, để từ đó, có thể lựa chọn mẫu tái sử dụng tần số cho phù hợp. Phần tiếp theo sẽ đề cập đến các hình thức phân chia tần số trong mạng. Nội dung kế tiếp sẽ trình bày một số quá trình diễn ra trong hệ thống thông tin di động như quá trình báo hiệu khi bật/tắt máy di động, quá trình cập nhật vị trí cho thuê bao di động hay quá trình diễn ra đối với một cuộc gọi. Cuối cùng, Chương 3 sẽ đề cập đến vấn đề chuyển giao trong hệ thống. 3.1. Mở đầu Hệ thống điện thoại di động cung cấp một kết nối không dây với mạng điện thoại công cộng toàn cầu dựa trên kỹ thuật chuyển mạch kênh PSTN (Public Switched Telephone Network) cho bất kỳ người dùng ở vị trí nào trong phạm vi phát sóng của hệ thống, [19]. Trước đây, PSTN dùng để chỉ mạng điện thoại cố định sử dụng kỹ thuật tương tự, nhưng ngày nay, PSTN bao gồm cả mạng điện thoại cố định kỹ thuật số và mạng điện thoại di động, [20]. Hệ thống thông tin di động tế bào chứa một số lượng lớn người dùng trên một vùng địa lý rộng lớn trong phổ tần hạn chế. Hệ thống thông tin di động cung cấp chất lượng dịch vụ cao hơn so với các hệ thống điện thoại cố định. Dịch vụ thoại di động truyền thống được cấu trúc giống như hệ thống truyền hình phát thanh quảng bá: một trạm phát sóng công suất mạnh đặt tại một cao điểm có thể phát tín hiệu trong vòng bán kính đến 50km, [21]. Một trạm phát sóng công suất lớn đặt tại một điểm được trình bày như trong Hình 3-1. Nguồn: Tài liệu trực tuyến, ?ID=16563, “Mạng thông tin di động tế bào” Hình 3-1. Cấu trúc hệ thống thông tin di động trước đây. Các trạm vô tuyến có thể liên lạc với các thuê bao di động trong một khoảng cách mặc định trước. Năng lượng sóng vô tuyến suy hao theo khoảng cách, nên các máy đầu cuối di động nhất thiết phải nằm trong vùng phủ sóng của trạm gốc. Trong hệ thống thông tin di động trước đây, trạm gốc liên lạc với đầu cuối di động bằng một kênh, kênh này sử dụng một cặp tần số - tần số phát từ trạm gốc và tần số thu từ đầu cuối di động lên trạm gốc, [21]. Sau đó, để đạt được dung lượng cao, người ta hạn chế vùng phủ sóng của mỗi trạm phát trong một vùng địa lý nhỏ, gọi là một “tế bào” (cell) để các kênh cùng tần số có thể được tái sử dụng ở khoảng cách nhất định, [19]. Cell 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. BTS trao đổi thông tin qua giao diện vô tuyến với tất cả các trạm di động trong cell, [23]. Thay vì bao phủ một vùng rộng với chỉ một máy phát công suất cao, một mạng tế bào ngày nay sẽ cung cấp vùng phủ sóng bằng cách sử dụng rất nhiều máy phát với công suất thấp, mỗi máy phát được thiết kế một cách đặc biệt để chỉ phục vụ một vùng với bán kính không quá vài trăm mét. Một kỹ thuật chuyển mạch được gọi là "chuyển giao" cho phép một cuộc gọi không bị gián đoạn khi người dùng di chuyển từ một cell này đến một cell khác, [19]. Một hệ thống thông tin di động tế bào cơ bản bao gồm trạm di động MS (Mobile Station), trạm gốc BS (Base Station) và trung tâm chuyển mạch di động MSC (Mobile Switching Center) được thể hiện như trong Hình 3-2, [19]. MSC PSTN Nguồn: Theodore S.Rappaport, “Wireless Communication Principles and Practice”, chapter 1 & chapter 2, Prentice Hall PTR Hình 3-2. Minh họa một hệ thống thông tin di động tế bào. Các tháp anten đại diện cho các BS có chức năng cung cấp truy nhập vô tuyến giữa các MS và MSC. Các vấn đề về nhiễu sinh ra khi các khối di động sử dụng cùng một tần số tại các điểm gần nhau đã chứng tỏ rằng tất cả các tần số không thể tái sử dụng ở mọi cell. Việc tái sử dụng chỉ có thể triển khai ở các cell có khoảng cách nhất định với nhau, [21] . Khi số lượng thuê bao tăng lên một cách đáng kể, sẽ đặt ra một bài toán khó về việc sử dụng phổ tần. Phổ tần số vô tuyến có vai trò đặc biệt quan trọng trong sự phát triển thông tin vô tuyến và các thiết bị ứng dụng vô tuyến. Việc sử dụng, khai thác và quản lý phổ tần số vô tuyến phải đạt được hiệu quả. Do tính chất quý giá và có hạn của phổ tần số, việc quản lý tần số không những cần thiết và quan trọng ở phạm vi quốc gia mà còn ở quy mô quốc tế. Việc lập kế hoạch sử dụng phổ tần số vô tuyến điện cho toàn thế giới do Liên minh Viễn thông quốc tế - gồm 191 nước tham gia - chịu trách nhiệm. Quy hoạch phổ tần số vô tuyến quốc gia nhằm phát triển mạng thông tin vô tuyến theo hướng hiện đại, phù hợp với xu hướng phát triển của quốc tế, đáp ứng các nhu cầu về thông tin, phục vụ phát triển kinh tế - xã hội, [18]. 3.2. Tái sử dụng tần số trong hệ thống thông tin di động 3.2.1. Vấn đề sử dụng lại tần số trong hệ thống thông tin di động Như đã nói ở phần trước, phổ tần đóng một vai trò rất quan trọng trong thông tin liên lạc. Trong lĩnh vực thông tin di động cũng vậy, trong một băng tần, các nhà cung cấp dịch vụ chỉ được cấp một khoảng băng tần giới hạn. Ví dụ như, ở băng tần GSM-900 Mhz, thì băng tần được chia cho các nhà cung cấp dịch vụ Vinaphone, Mobiphone, Viettel như sau: Vinaphone: 890Mhz - 898Mhz và 935Mhz - 943Mhz Mobiphone: 907Mhz - 915Mhz và 952Mhz - 960Mhz Viettel: 899Mhz - 907Mhz và 943Mhz - 951Mhz Trong khi đó, xu hướng sử dụng thông tin di động ngày càng phát triển không ngừng. Thỏa thuận xây dựng mạng di động đầu tiên theo chuẩn GSM được 15 hãng điện thoại châu Âu ký kết năm 1987 với hy vọng đến năm 2000 sẽ có 20 triệu người sử dụng. Nhưng ngành công nghiệp này chỉ cần 12 năm để đạt được 1 tỷ kết nối và chưa đầy 3 năm tiếp sau đó vươn lên con số 2 tỷ, [22]. Cuối quý 3 năm 2008, số thuê bao không dây GSM/UMTS/HSPA đã đạt gần 3.4 tỉ, thêm 668 triệu thuê bao mới cho họ công nghệ GSM trong vòng một năm và chiếm giữ 88.5 % thị phần - theo Informa Telecoms & Media, [28]. Sự phát triển không ngừng này đòi hỏi các nhà cung cấp dịch vụ phải có một băng thông tương ứng; do đó, ngay từ khi mạng di động phát triển, người ta đã nghĩ ngay đến việc phải tận dụng tài nguyên tần số. Ban đầu, người ta sử dụng phương thức sử dụng lại tần số kinh điển. Nhận thấy rằng độ cao anten hay công suất phát của một trạm phát là có giới hạn nên dù có sử dụng anten cao thế nào đi nữa hay một trạm phát công suất rất lớn thì cũng chỉ phủ sóng được một khu vực địa lý nhất định, và bên cạnh đó, số thuê bao được phục vụ cũng có giới hạn. Giả sử đặt toàn bộ băng tần được cấp vào một trạm phát thì sẽ xảy ra hai vấn đề như trên (giới hạn về vùng phủ sóng và số thuê bao được phục vụ). Từ đó, một câu hỏi được đặt ra là có cách nào không phải xin thêm tần số mà vẫn có thể đáp ứng số thuê bao ngày càng tăng? Ban đầu, người ta nghĩ đến việc lắp đặt nhiều trạm thu phát để phục vụ cho nhiều thuê bao hơn và mở rộng vùng phục vụ kết hợp với việc sử dụng lại tần số. Việc sử dụng lại tần số sẽ là một giải pháp cho câu hỏi trên. Sử dụng lại tần số là việc sử dụng lại một phần hay toàn bộ các kênh tần số được phân bổ cho một vùng địa lý (các cell) ở một vùng địa lý khác cách nhau một khoảng nhất định thỏa mãn được các yêu cầu về chất lượng truyền dẫn. Hơn nữa, sử dụng lại tần số được hiểu là việc lựa chọn và phân bổ tần số cho các vùng địa lý cách nhau một khoảng cách nhất định, [19]. Vùng địa lý mà toàn bộ băng tần được sử dụng gọi là một “cluster”, nhóm các cell trong một cluster được gọi là “cluster size”. Người ta sẽ đem nhân cluster này sao cho phủ toàn bộ vùng địa lý mong muốn. Số lần lặp của một cluster hay số lần băng tần được sử dụng lại phụ thuộc vào diện tích của cluster và diện tích của khu vực cần phủ sóng. Một cluster có một hay nhiều trạm thu phát và lúc đó, “cluster size” được hiểu là “mẫu sử dụng lại tần số”. Để hiểu rõ hơn một cluster được lặp như thế nào, ta xét một mô hình cụ thể như sau: ta giả sử rằng một mạng có băng tần được cấp phát là BW. Số cell trong một vùng địa lý là N (N là cluster size). Khi đó, dung lượng của một cell sẽ là: Nc= BW/N (3.1) Nếu số thuê bao của một cluster có thể phục vụ là NTB và số lần lặp của một cluster là n lần. Khi đó, mạng có thể phục vụ được một số lượng thuê bao là: n.NTB (thuê bao). Như vậy, bằng cách thay đổi số lần lặp cluster, ta có thể tăng số lượng thuê bao phục vụ và mở rộng vùng phủ sóng. Làm như vậy, ta sẽ khắc phục được 2 giới hạn đã nêu trên. Tuy nhiên, nếu một cluster chỉ có một cell thì việc phân chia tần số trong một cluster là rất khó khăn để có thể tránh nhiễu giữa hai cell lân cận. Do đó, người ta thường sử dụng nhiều cell trong một cluster để tăng khả năng chống nhiễu. Số cells trong một cluster (cluster size) được xác định: N= i2 + ij + j2 ( i, j thuộc Z+) (3.2) Để xác định các cells trong một vùng địa lý ta thực hiện như sau:” Tính từ cell đặt tần số sang i bước, quay tịnh tiến một góc 600, bước tiếp j bước”, [12]. Việc xác định các cell trong một vùng địa lý được minh họa như trong Hình 3-3. C C3 A B B1 C1 B2 A1 N=3 (i=1, j=1) Nguồn: Ngô Thế Anh, Bài giảng “tận dụng tài nguyên tần số trong mạng thông tin di động”- Trường ĐH GTVT-CSII Hình 3-3. Cách xác định các cell trong một vùng địa lý. Việc sử dụng lại tần số ở các cells khác nhau sẽ bị giới hạn bởi nhiễu đồng kênh giữa các cell đó; như vậy, cần phải tính toán khoảng cách tái sử dụng tần số để hạn chế được nhiễu này. Với một kích thước cell nhất định, khoảng cách sử dụng lại tần số phụ thuộc vào số cell trong 1 cluster. Nếu N càng lớn, khoảng cách sử dụng lại tần số càng lớn và ngược lại, [23]. Ta có công thức tính khoảng cách sử dụng lại tần số: [2] D= R.3. N (3.3) Với N: cluster size. R: bán kính của cell. Khi tần số được sử dụng lại với khoảng cách D thì các cells cùng sử dụng nhóm tần số giống nhau sẽ thỏa mãn các yêu cầu về nhiễu. Như vậy, với việc tái sử dụng tần số, thì một mạng không phải xin thêm tần số mà vẫn có thể tăng số thuê bao phục vụ và mở rộng được vùng phủ sóng. Nhưng việc tái sử dụng tần số kinh điển lại không tương thích, đồng nhất về lưu lượng giữa các vùng địa lý khác nhau. Còn nếu sử dụng các “cluster size” khác nhau thì sẽ rất khó khăn trong việc quản lý. Để giải quyết vấn đề này, người ta đưa ra các phương pháp như sử dụng lại tần số từng phần trong mạng thông tin di động, tức là sẽ sử dụng lại nhiều mẫu tần số trong một mạng mà không làm thay đổi cấu hình mạng, sau đó, người ta sẽ lựa chọn các hình thức phân chia tần số trong mạng. Mỗi phương thức ra đời đều có những ưu và nhược điểm của nó, nhưng tất cả các giải pháp đó đều nhằm phục vụ 5 mục đích chính sau đây: Phục vụ được nhiều thuê bao hơn. Cùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu thông tin cũng phát triển nhanh chóng, các nhà cung cấp dịch vụ luôn mong muốn sẽ đáp ứng được số lượng thuê bao đang tăng lên hàng ngày, hàng giờ trong khoảng băng tần cố định của mình. Hơn nữa, không chỉ là số lượng mà còn phải đảm bảo về chất lượng dịch vụ trong mạng thông tin di động. Chất lượng dịch vụ là vấn đề quan trọng bậc nhất khi người sử dụng lựa chọn mạng di động. Sóng thuê bao mạnh, ổn định, không bị rớt khi đang thực hiện cuộc gọi, khả năng nghẽn thấp. Để khách hàng lựa chọn dịch vụ của mình thì các nhà cung cấp phải đáp ứng được các yêu cầu trên. Bên cạnh đó, còn phải tạo điều kiện để phát triển mạng thông tin di động trong tương lai. Với số lượng và chất lượng dịch vụ ngày càng cao thì mạng thông tin di động không chỉ dừng lại ở đó mà còn phải luôn phát triển, đổi mới, cải tiến công nghệ. Sự phát triển đó dựa trên sự kế thừa và phát huy cái cũ. Một vấn đề nữa là phải khắc phục hiện tượng nghẽn mạng. Đây là bài toán của tất cả các nhà cung cấp dịch vụ. Đặc biệt vào những dịp lễ hội, lượng thuê bao tập trung tại một địa điểm tăng lên. Chúng ta có thể hình dung, dòng chảy lưu lượng dồn về, tăng đột biến ở khu vực trung tâm trong khi thiếu tần số cung cấp, năng lực xử lý của một cell là có hạn. Vì vậy, đòi hỏi các nhà cung cấp dịch vụ phải nâng cao năng lực mạng lưới, phân tải để lưu thoát lưu lượng hay tăng cường các trạm thu phát sóng lưu động để đảm bảo chất lượng dịch vụ cho thuê bao. Và cuối cùng là cân bằng được lưu lượng. Nơi có dân cư đông đúc sẽ tập trung một lượng thuê bao lớn, trong khi những vùng như ngoại ô, lại có số lượng thuê bao ít hơn. Do đó, phải phân bổ kênh tần số như thế nào để đem lại hiệu quả cũng như tương thích về mặt lưu lượng giữa các vùng địa lý khác nhau. Làm thế nào để nâng cao được chất lượng dịch vụ và số lượng thuê bao phục vụ trong khi giảm được số trạm chuyển tiếp, số trạm BTS, là một bài toán có ý nghĩa về mặt kinh tế mà việc tận dụng tài nguyên tần số mang lại. 3.2.2. Các mẫu tái sử dụng tần số Trong hệ thống thông tin di động GSM, việc phân bổ tần số cho mỗi cell phải được tính toán sao cho nhiễu giữa các cells phải được giảm tới mức tối thiểu. Thiết kế tần số nhằm những mục đích: ấn định tần số cho các cell nhằm tạo kênh kết nối, thay đổi tần số nhằm hạn chế nhiễu trong mạng di động và nâng cấp cấu hình trạm bởi vấn đề lưu lượng. Ở giai đoạn đầu của việc thiết kế tần số, người ta chia vùng địa lý thành các cluster có cấu trúc giống nhau và phân bổ tần số trong các cell sao cho mỗi cell trong cluster này sử dụng các tần số như cell tương ứng trong cluster khác. Khoảng cách giữa các cell sử dụng cùng tần số được gọi là khoảng cách tái sử dụng tần số như đã nhắc đến ở Mục 3.2.1. Sau đây là các mẫu tái sử dụng tần số thường được sử dụng, đó là mẫu tái sử dụng 3/9; 4/12 và 7/21. Mẫu tái sử dụng tần số 3/9 Mẫu tái sử dụng tần số 3/9 được thể hiện như trong Hình 3-4 Trong mẫu tái sử dụng tần số 3/9, băng tần được cấp phát sẽ chia thành 9 nhóm tần số và ấn định trong các cells, các cells lân cận được phân bổ các tần số khác nhau. C1 A3 A2 C2 C3 B1 B2 B3 B1 B2 C3 A1 B3 A1 C1 C3 C2 A3 A2 C1 A3 A2 B1 C3 C2 B1 B2 B3 A1 A2 A3 A1 B3 B2 C1 A3 A2 C3 C2 Nguồn: Đặng Minh Tâm, “Giải pháp tối ưu hóa mạng thông tin di động GSM”, đồ án tốt nghiệp, Trường ĐH Công nghiệp Tp HCM Hình 3-4. Mẫu tái sử dụng tần số 3/9. Theo công thức tính khoảng cách tái sử dụng tần số đã trình bày ở Mục 3.2.1, thì mẫu này có khoảng cách tái sử dụng là D = 5,2R. Theo lý thuyết, mẫu tái sử dụng tần số 3/9 có tỷ số nhiễu đồng kênh lớn hơn 9 dB sẽ đảm bảo cho hệ thống GSM hoạt động bình thường. Tỷ số nhiễu kênh lân cận cũng là một tỷ số quan trọng và người ta cũng dựa vào tỷ số này để đảm bảo rằng các tần số liền nhau không được sử dụng ở các cell cạnh nhau về mặt địa lý. Trong mẫu tái sử dụng tần số 3/9, tỷ số nhiễu kênh lân cận là 0 dB. Mẫu tái sử dụng tần số 4/12 Mẫu tái sử dụng tần số 4/12 được thể hiện như trong Hình 3-5 Trong mẫu sử dụng lại tần số 4/12, băng tần được cấp phát sẽ chia thành 12 nhóm tần số và ấn định trong các cells, các cells lân cận được phân bổ các tần số khác nhau. Theo công thức tính khoảng cách tái sử dụng tần số đã trình bày ở Mục 3.2.1, thì mẫu này có khoảng cách tái sử dụng là D = 6R. Mẫu 4/12 có tỷ số nhiễu đồng kênh lớn hơn 12 dB sẽ đảm bảo cho hệ thống GSM hoạt động bình thường. B1 C3 C2 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 A3 B1 D3 A1 D1 D3 D2 A3 A2 C1 B3 B2 B1 C3 C2 A1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 A3 A2 A1 D3 D2 A3 A2 B1 B3 C1 B2 Nguồn: Đặng Minh Tâm, “Giải pháp tối ưu hóa mạng thông tin di động GSM”, đồ án tốt nghiệp, Trường ĐH Công nghiệp Tp HCM Hình 3-5. Mẫu tái sử dụng tần số 4/12. Mẫu 4/12 có dung lượng thấp hơn so với mẫu 3/9 nhưng đảm bảo việc ấn định tần số sao cho các tần số liền nhau không sử dụng ở các cell cạnh nhau về mặt địa lý. Mẫu tái sử dụng tần số 7/21 Mẫu tái sử dụng tần số 7/21 được thể hiện như trong Hình 3-6 Trong mẫu sử dụng lại tần số 7/21, băng tần được cấp phát sẽ chia thành 21 nhóm tần số và ấn định trong các cells, các cells lân cận được phân bổ các tần số khác nhau. Theo công thức tính khoảng cách tái sử dụng tần số đã trình bày ở Mục 3.2.1, thì mẫu này có khoảng cách tái sử dụng là D = 7,9R. D1 F3 F2 D2 D3 E1 E2 E3 B1 B2 E3 C1 B3 G1 C1 C2 C3 G3 G2 A1 C2 C3 F1 A2 A3 D1 F2 F3 D1 D2 D3 E1 D3 D2 B1 E3 E2 B3 B2 G1 G3 C1 G2 B3 B1 F3 F1 G3 E2 E1 G1 F2 G2 Nguồn: Đặng Minh Tâm, “Giải pháp tối ưu hóa mạng thông tin di động GSM”, đồ án tốt nghiệp, Trường ĐH Công nghiệp Tp HCM Hình 3-6. Mẫu tái sử dụng tần số 7/21. Nhận xét Khi số nhóm tần số giảm (21, 12, 9) thì khoảng cách tái sử dụng tần số D sẽ giảm (7,9R; 6R; 5,2R). Do đó, việc lựa chọn mẫu sử dụng lại tần số phải dựa trên các đặc điểm địa lý, vùng phủ sóng, mật độ thuê bao của vùng phủ và tổng số kênh của mạng. Nếu sử dụng mẫu 3/9 thì số kênh trong một cell là lớn, tuy nhiên, khả năng nhiễu cao. Mô hình này thường được áp dụng cho những vùng có mật độ máy di động cao, còn mẫu 4/12 thường được sử dụng cho những vùng có mật độ lưu lượng trung bình, và mẫu 7/21 thì được sử dụng cho những khu vực mật độ thấp, [23]. Các vấn đề về nhiễu đồng kênh và nhiễu cận kênh sẽ được trình bày rõ hơn trong nội dung của Chương 4. Các hình thức phân chia tần số trong mạng Để phân chia một dải tần vô tuyến có thể sử dụng các kỹ thuật như: kỹ thuật phân chia theo tần số, kỹ thuật phân chia theo thời gian, hoặc kỹ thuật phân chia theo mã. Kỹ thuật phức tạp hơn có thể được sử dụng để phân chia một dải tần vô tuyến thành một tập các kênh dựa trên sự kết hợp các kỹ thuật nói trên. Bài toán phân kênh là bài toán kế tiếp sau khi lựa chọn mẫu sử dụng tần số. Bài toán phân kênh được giải quyết khi đã biết mẫu sử dụng tần số cho một mạng nào đó. Trong phương thức tái sử dụng tần số, người ta chỉ đề cập đến việc toàn bộ băng tần được sử dụng trong một vùng địa lý nhất định (trong một cluster), mà không đề cập đến việc các tần số đó được phân chia như thế nào trong từng cell của cluster đó. Phương thức gán kênh có thể được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau. Ví dụ như, một kênh có thể được gán cho một cell dựa trên vùng phủ sóng hay các cell lân cận của nó, các kênh được gán bởi bộ điều khiển trung tâm hay sẽ được chọn bởi các trạm gốc BS của các cell, [24]. Sau đây, ta sẽ tìm hiểu các hình thức phân chia tần số trong mạng thông tin di động. Hình thức phân kênh cố định FCA (Fixed Channel Assignment) Trong phương thức phân kênh cố định, vùng phục vụ được chia ra thành các cells, số kênh được gán cho các cells một cách đồng đều và cố định. Để đơn giản, ta có thể hình dung FCA như sau: Giả sử rằng băng tần được phân bổ cho một mạng là BW gồm có BW kênh. Khi sử dụng FCA, mỗi cell sẽ được phân bổ một số lượng kênh cố định là: Nc = BW/N (N là cluster size) (3.4) Trong phương thức phân kênh cố định, một số kênh danh định được phân bổ cho mỗi cell; nếu lưu lượng truy cập được phân bổ một cách thống nhất thì việc phân bổ kênh cố định sẽ mang lại hiệu quả cao. Trong trường hợp đó, tỷ lệ khóa cuộc gọi trung bình của hệ thống sẽ giống như tỷ lệ khóa cuộc gọi trong một cell. Vì lưu lượng trong hệ thống sẽ thay đổi về mặt không gian và thời gian; sự phân bổ đồng bộ của các kênh cho các cells có thể sẽ làm cho tỷ lệ khóa cuộc gọi cao trong một số cells, trong khi những cells khác có những kênh không sử dụng đến, [24]. Trong thực tế, lưu lượng giữa các cells trong một vùng hay giữa các vùng là không đều nhau, đôi khi lưu lượng còn thay đổi khác nhau trong một ngày. Việc tính toán lưu lượng cho một cell đã tính đến lưu lượng lớn nhất mà một cell có thể phục vụ được. Bài toán đặt ra là khi lưu lượng giữa các cells chênh lệch nhau một cách rõ rệt thì khả năng xảy ra nghẽn ở một vùng là rất lớn, trong khi ở một số cells khác, có rất nhiều kênh rỗi không được sử dụng. Phương thức phân kênh cố định rất đơn giản, tuy nhiên, nó không thích hợp trong những trường hợp như lưu lượng thay đổi hay sự phân bổ của người dùng thay đổi. Để khắc phục những nhược điểm của phương thức phân kênh cố định, người ta đưa ra phương thức phân kênh động DCA. Hình thức phân kênh động DCA (Dynamic Channel Assignment) Hình thức phân kênh động hay còn gọi là hình thức phân kênh theo yêu cầu. Trong hình thức phân kênh theo yêu cầu, mỗi một cluster sẽ có một tài nguyên chung được gọi là “common pool” (CP). Các “common pool” này sẽ được điều khiển hay quản lý bởi trung tâm chuyển mạch di động MSC. Mỗi MSC sẽ điều khiển bao nhiêu CP phụ thuộc vào việc quản lý mạng. Trái với phương thức phân kênh cố định FCA, trong phương thức phân kênh động, không có mối quan hệ cố định giữa các kênh và các cells. Tất cả các kênh được giữ trong CP và được gán một cách tự động cho các cells khi có cuộc gọi mới đến trong hệ thống. Sau khi cuộc gọi kết thúc, các kênh của nó sẽ được trả về CP. Trong DCA, một kênh được sử dụng trong bất kỳ cell nào với điều kiện không gây nhiễu. Vì thông thường, có nhiều kênh trong CP có thể được gán cho một cell có nhu cầu về kênh, [24]. Ta có thể hình dung về nguyên lý của DCA như sau: Đầu tiên, khi có một yêu cầu về kênh (xuất hiện trực tiếp từ các thuê bao) thì CP sẽ cấp một kênh cho cuộc gọi đó. Và kênh được cấp này sẽ được giữ cho cuộc gọi đó cho đến khi kết thúc cuộc gọi. Sau đó, khi thuê bao kết thúc cuộc gọi thì kênh đó sẽ được giải phóng trở về CP, nên các kênh trong CP lúc vơi lúc đầy. Nguyên lý của DCA được trình bày như trong Hình 3-7. A C B f2 Khi có một thuê bao yêu cầu cuộc gọi trong cell A thì CP sẽ cấp cho nó một kênh tần số f1. Tương tự, khi có thuê bao yêu cầu cuộc gọi trong cell B hay cell C thì CP cũng cấp một kênh tần số f2, f3. f1 f3 Common Pool Nguồn: Ngô Thế Anh, Bài giảng “tận dụng tài nguyên tần số trong mạng thông tin di động”- Trường ĐH GTVT-CSII Hình 3-7. Nguyên lý hoạt động của DCA. Khả năng chọn kênh có thể phụ thuộc vào khả năng khóa cuộc gọi tại vùng lân cận của cell, việc sử dụng các kênh tần số, khoảng cách tái sử dụng tần số, các kênh được phân bố theo điều kiện lưu lượng hiện tại, các thông số về kênh được đo bởi các thuê bao, hay khả năng khóa cuộc gọi của hệ thống, [24]. So sánh FCA và DCA Khi lưu lượng tải thấp, việc sử dụng DCA sẽ hiệu quả hơn vì DCA sử dụng các kênh hiệu quả hơn; tuy nhiên, khi lưu lượng tải cao đặc biệt là khi lưu lượng tải thống nhất thì việc sử dụng FCA sẽ cho hiệu quả tốt hơn, [24]. Bên cạnh đó, việc khởi xướng các cuộc gọi là một quá trình ngẫu nhiên; vì vậy, khi phương thức phân kênh động được sử dụng, các kênh khác nhau được gán để phục vụ các cuộc gọi cũng là ngẫu nhiên. Do tính ngẫu nhiên này, các cells mượn các kênh cùng tần số để sử dụng sẽ được đặt ở một khoảng cách lớn hơn khoảng cách tái sử dụng tối thiểu. Thông thường, phương thức gán kênh động ít khi thành công trong việc tái sử dụng các kênh một cách hiệu quả nhất. Mặt khác, trong FCA, một kênh cụ thể có thể được gán cho các cells với khoảng cách nhỏ nhất miễn là không gây ra nhiễu. Việc gán kênh được thực hiện mà tính chất tái sử dụng của các kênh vẫn đạt hiệu quả một cách tối đa, đó là lý do mà FCA hiệu quả hơn DCA trong trường hợp lưu lượng tải cao, [24]. DCA có tỷ lệ khóa cuộc gọi thấp hơn FCA. Trong FCA, một cuộc gọi phải được chuyển sang một kênh tần số khác vì kênh cùng tần số này đã được sử dụng trong các cell lân cận. Còn trong DCA, kênh cùng tần số có thể được gán cho một cell mới nếu không xuất hiện nhiễu đồng kênh, [24]. Nếu so sánh về độ phức tạp của hệ thống thì trong FCA, điều khiển việc gán kênh được thực hiện một cách độc lập trong mỗi cell bằng việc lựa chọn một kênh rỗi trong số những kênh được phân bổ cho cell đó trước. Trong DCA, thông tin về các kênh bận trong các cells khác cũng như trong chính cell đó là một câu hỏi được quan tâm. Nếu DCA đòi hỏi phải xử lý nhiều, trễ cuộc gọi sẽ xảy ra, [24]. Để khắc phục những nhược điểm cũng như phát huy các ưu điểm của FCA và DCA, người ta đưa ra phương thức phân kênh kết hợp. Hình thức phân kênh kết hợp HCA (Hybrid Channel Assignment) Phương thức phân kênh kết hợp là sự kết hợp của phương thức phân kênh cố định FCA và phương thức phân kênh động DCA. Trong HCA, tổng số kênh sẽ được chia thành tập hợp các kênh cố định và tập hợp các kênh động, [24]. Tập hợp các kênh cố định được gán cho các cells như trong phương thức FCA. Tập kênh thứ hai được chia sẻ bởi tất cả các thuê bao như trong phương thức DCA để tăng tính linh hoạt cho hệ thống. Khi một cuộc gọi yêu cầu phục vụ từ một cell và tất cả các kênh trong tập kênh cố định của nó đều bận; khi đó, một kênh từ tập hợp các kênh động sẽ được gán cho cuộc gọi. Việc gán kênh từ tập hợp các kênh động giống như trong phương thức phân bổ kênh động đã được trình bày ở phần trước, [24]. Khả năng khóa cuộc gọi trong HCA được định nghĩa như khả năng một cuộc gọi đến trong một cell mà tập hợp kênh cố định hay tập hợp kênh động đều bận. Vấn đề cần quan tâm là phân chia tỷ lệ giữa tập các kênh cố định và tập các kênh động. Tỷ lệ kênh cố định đối với kênh động là một tham số quan trọng để xác định hiệu quả của hệ thống, khi tối ưu được tỷ lệ này có thể làm cho hệ thống hiệu quả hơn. Nhìn chung, tỷ lệ kênh cố định đối với kênh động là một hàm của lưu lượng và sẽ thay đổi theo thời gian dựa trên sự ước tính phân bổ lưu lượng, [24]. DCA hiệu quả khi lưu lượng tải thấp còn FCA hiệu quả khi lưu lượng cao vì các kênh được sử dụng lại một cách tối ưu. HCA tại lưu lượng tải thấp hoạt động như DCA trong trường hợp tải thấp. Vì lưu lượng được chia sẻ nên mặc dù tỷ lệ kênh cố định và kênh động không bằng nhau nhưng tỷ lệ khóa cuộc gọi tại lưu lượng tải thấp không tăng lên. Tuy nhiên, khi lưu lượng tải tăng lên theo một tỷ lệ nhất định, phương thức phân kênh động bắt đầu có tỷ lệ khóa cuộc gọi cao, [24]. Việc lựa chọn phương pháp phân bổ kênh tác động đáng kể đến hiệu quả của hệ thống, phương thức phân kênh kết hợp đã khắc phục được các nhược điểm của phương thức phân kênh cố định và phương thức phân kênh động như: tận dụng được tài nguyên tần số, hiệu quả trong việc giải quyết bài toán về lưu lượng. Tuy nhiên, trong phương thức phân kênh kết hợp, bài toán khó đặt ra là việc xác định tỷ lệ phân chia băng tần giữa các kênh cố định và các kênh động. Sự phát triển của lĩnh vực truyền thông gần đây đã thu hút được sự quan tâm lớn, đặc biệt là vấn đề sử dụng tài nguyên tần số. Kết quả là, một lượng lớn các nghiên cứu đã thực hiện, cũng như việc đưa ra các kỹ thuật mới. Nhiều kết quả đã được công bố nhằm cung cấp một cái nhìn sâu sắc về hiệu quả, sự phức tạp cũng như sự ổn định của các thuật toán phân bổ kênh, [24]. Một số quá trình diễn ra trong hệ thống thông tin di động Quá trình báo hiệu khi bật tắt máy di động trong mạng Khi MS mới bật nguồn, nó phải thực hiện đăng ký lần đầu để nhập mạng. Quá trình này được thực hiện như sau: Trước hết, MS sẽ quét để tìm được tần số đúng ở kênh hiệu chỉnh tần số FCCH (Frequency Correction Channel), Sau đó, MS sẽ tìm đến kênh đồng bộ SCH (Sychronous Channel), Cuối cùng, nó thực hiện việc cập nhật vị trí để thông báo cho bộ ghi định vị tạm trú VLR phụ trách và bộ ghi định vị thường trú HLR về vị trí của mình. Các cơ sở dữ liệu này sẽ ghi lại mã xác định khu vực LAI hiện thời của MS. MSC/VLR công nhận MS đang ở trạng thái tích cực và sẽ đánh dấu cờ truy nhập tích cực vào trường dữ liệu của mình; cờ này gắn với một số nhận dạng thuê bao IMSI, [2]. Các trao đổi báo hiệu giữa các phần tử mạng được trình bày như trong Hình 3-8. (4) (3) (2) (1) VLR HLR MSC BSC (1): cập nhật vị trí. (2): yêu cầu cập nhật vị trí.(IMSI ở MSC mới). (3): chấp nhận cập nhật vị trí. (4: công nhận cập nhật vị trí.) Nguồn: TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình thông tin di động”, NXB Bưu điện, Hà Nội Hình 3-8. Bật tắt máy ở trạm di động. Khi MS tắt nguồn hay lấy SIM ra khỏi máy, sẽ xảy ra quá trình rời bỏ số nhận dạng thuê bao IMSI. Các trao đổi báo hiệu trong trường hợp này được thực hiện như sau: Đầu tiên, MS yêu cầu một kênh báo hiệu để phát đi bản tin thông báo cho mạng rằng MS chuẩn bị vào trạng thái không tích cực. Kế đến, MSC sẽ gửi bản tin IMSI đến VLR. Bản tin này không được trả lời công nhận vì MS sẽ không nhận được trả lời này. VLR sẽ thiết lập cờ rời bỏ IMSI và từ chối các cuộc gọi đến trạm MS. Thông tin rời bỏ IMSI được lưu giữ tại VLR. Tùy chọn cờ rời mạng có thể cũng được thiết lập ở HLR và công nhận được gửi trở lại VLR, [2]. Quá trình cập nhật vị trí cho thuê bao di động trong mạng Thuê bao di động luôn luôn di chuyển, do đó, hệ thống phải biết được vị trí hiện thời của MS để thiết lập cuộc gọi hay thực hiện một dịch vụ nào đó; đó chính là quá trình cập nhật vị trí. Để làm được điều này, MS phải thông báo cho hệ thống biết mỗi khi nó chuyển vùng. Các loại cập nhật vị trí: cập nhật vị trí bình thường, cập nhật khi rời bỏ IMSI, cập nhật khi nhập lại IMSI và cập nhật vị trí định kỳ. Cập nhật vị trí bình thường Quá trình cập nhật này diễn ra khi MS di chuyển từ cell thuộc vùng định vị này đến một cell thuộc vùng định vị khác nhưng cùng trực thuộc một tổng đài MSC. Trong trường hợp này, cập nhật vị trí không cần thông báo đến HLR vì HLR chỉ quản lý vị trí của MS đến tổng đài MSC phụ trách MS đó. Trạm BTS của mỗi cell liên tục phát mã xác định khu vực LAI trên kênh BCCH. Khi MS phát hiện LAI thu được khác với LAI trong bộ nhớ của SIM thì nó sẽ yêu cầu cập nhật vị trí. Quá trình cập nhật vị trí được trình bày như trong Hình 3-9, [25]. Đầu tiên, MS nhận được thông báo về LAI mới ở kênh BCCH (1). Sau đó, MS sẽ thực hiện một kết nối vô tuyến (2a). Khi đó, MS sẽ nhận được một kênh điều khiển dành riêng (Single Dedicate Control Channel - SDCCH) (2b), trên kênh này nó sẽ yêu cầu cập nhật vị trí (3). MS (7b) (7a) (6) (5a) (5b) (4a) (4b) (3) (1) (2b) (2a) AUC HLR VLR MSC BSC BTS Nguồn: TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình thông tin di động”, NXB Bưu điện, Hà Nội Hình 3-9. Cập nhật vị trí cho thuê bao di động. Sau các thủ tục nhận thực (4), cập nhật vị trí sẽ được thực hiện ở VLR (5a), và cả HLR nếu MSC là MSC mới (5b). Kết thúc cập nhật vị trí, các kênh báo hiệu được giải phóng (6)(7), [25]. Cập nhật khi rời bỏ IMSI Khi MS tắt nguồn hay lấy SIM ra, sẽ xảy ra quá trình cập nhật vị trí. Các trao đổi trong quá trình này được trình bày như trong Hình 3-10. MS (3) (4a) (4b) (2) (1) HLR VLR MSC BSC BTS Nguồn: TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình thông tin di động”, NXB Bưu điện, Hà Nội Hình 3-10. Cập nhật vị trí khi rời bỏ IMSI. Đầu tiên, MS yêu cầu một kênh báo hiệu (1), để thông báo rời bỏ IMSI cho MSC/VLR (2). Tiếp đó, MSC gửi bản tin rời bỏ IMSI đến VLR (3), bản tin này không được công nhận và VLR sẽ thiết lập cờ chỉ thị rời bỏ IMSI và từ chối các cuộc gọi đến MS. Thông tin rời bỏ IMSI có thể lưu giữ tại VLR, cờ rời bỏ IMSI có thể thiết lập ở HLR (4a) và công nhận được gửi lại VLR (4b), [26]. Cập nhật khi nhập lại IMSI Quá trình nhập lại IMSI xảy ra khi MS bật nguồn hay lắp lại SIM trong vùng định vị cũ. Quá trình cập nhật khi nhập lại IMSI được trình bày như trong Hình 3-11. (5) (4) (3) (2) (1) VLR MSC BSC BTS MS Nguồn: TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình thông tin di động”, NXB Bưu điện, Hà Nội Hình 3-11. Cập nhật vị trí khi nhập lại IMSI. Đầu tiên, MS sẽ yêu cầu một kênh báo hiệu (1), để phát cờ nhập lại IMSI đến MSC (2). Khi đó, MSC gửi bản tin nhập lại IMSI đến VLR (3). Lúc này, VLR xóa cờ rời bỏ IMSI và gửi bản tin công nhận nhập lại IMSI đến MS (4) và trở lại quá trình xử lý cuộc gọi bình thường cho MS. Công nhận này cũng được phát đến MS (5). Nếu khi rời bỏ IMSI, MS thay đổi vùng định vị thì khi nhập lại IMSI nó phải tiến hành thủ tục cập nhật vị trí bình thường nhưng không cần nhận thực, [26]. Cập nhật vị trí định kỳ Khi MS rời bỏ IMSI, để tránh việc MSC tìm gọi không cần thiết, phải có một quá trình cập nhật vị trí định kỳ. Quá trình cập nhật vị trí định kỳ được trình bày như trong Hình 3-12. Thông tin hệ thống được phát quảng bá (1) sẽ thông báo cho MS về việc đăng ký định kỳ có được sử dụng ở cell hay không. Nếu có, mạng sẽ thông báo cho MS biết chu kỳ cần thông báo cho mạng rằng MS đang nhập mạng. Thủ tục này được điều khiển bởi cả bộ định thời ở MS (2a) và ở MSC (2b) (3a) (2a) (1) VLR MSC BSC BTS MS (2b) (3b) Nguồn: TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình thông tin di động”, NXB Bưu điện, Hà Nội Hình 3-12. Cập nhật vị trí định kỳ. MSC có chức năng theo dõi chu kỳ này. Khi hết thời gian đăng ký theo chu kỳ, MS phải thực hiện cập nhật vị trí (3a). Các bộ định thời ở MS và MSC được khởi động lại. Nếu MS không đăng ký trong khoảng thời gian theo chu kỳ đã định trước, bộ phận theo dõi của MSC sẽ đánh dấu MS này đang ở trạng thái rời mạng (3b), [26]. Quá trình diễn ra đối với một cuộc gọi Thủ tục thiết lập cuộc gọi được yêu cầu để thiết lập kết nối thông tin giữa MS và phân hệ chuyển mạch SS. Sau đó, SS chịu trách nhiệm thiết lập kết nối đến đối tác tương ứng, [14]. Các kênh được sử dụng cho một cuộc gọi là kênh SDCCH cho báo hiệu và kênh TCH cho dữ liệu người dùng. Các kênh này kết hợp với kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH và kênh điều khiển liên kết chậm SACCH để hoàn tất cuộc gọi. Kênh SDCCH luôn luôn được cấp phát cho thủ tục thiết lập cuộc gọi cho dù sau đó, cuộc gọi có yêu cầu kênh TCH hay không, [14]. Cuộc gọi từ máy di động Một cuộc gọi từ máy di động sẽ diễn ra các quá trình như thiết lập kết nối vô tuyến, yêu cầu kênh, kích hoạt kênh SDCCH, cấp phát kênh lưu lượng. Các quá trình được cụ thể như sau: Thiết lập kết nối vô tuyến. Khi một kết nối với MS được yêu cầu thì một kênh vô tuyến phải được cấp phát để trao đổi thông tin giữa MS và BSS, và một liên kết phải được thiết lập để thông báo sự có mặt của MS đối với mạng, [14]. Yêu cầu kênh. MS khởi tạo một cuộc gọi bằng cách gửi một bản tin yêu cầu kênh có chứa trường thông tin truy nhập ngẫu nhiên REF (Random Access Information value). Thông tin truy nhập ngẫu nhiên REF bao gồm nguyên nhân thiết lập cuộc gọi và một số ngẫu nhiên RAND (RANDom number) được sử dụng cho thủ tục nhận thực. Bản tin này được phát trên kênh truy nhập ngẫu nhiên RACH. Khi nhận được bản tin Yêu cầu kênh từ MS, BTS sẽ gửi bản tin Kênh được yêu cầu đến BSC, [14]. Kích hoạt kênh SDCCH. BSC kiểm tra bản tin Kênh được yêu cầu để đảm bảo rằng nó có thể chấp nhận yêu cầu kênh. BSC cấp phát 1 kênh SDCCH nếu có một kênh ở trạng thái sẵn sàng. Sau đó, BSC gửi bản tin Kích hoạt kênh đến BTS. Đồng thời, nó cũng khởi động một đồng hồ để đợi Báo nhận từ BTS, báo nhận này chỉ ra rằng BTS đã sẵn sàng kích hoạt kênh. Khi thủ tục Thiết lập kết nối vô tuyến kết thúc thành công tức là MS có 1 liên kết báo hiệu với mạng, [14]. Cấp phát kênh lưu lượng TCH. BSC tiến hành cấp phát tài nguyên kênh lưu lượng TCH. Các tài nguyên cấp phát được tính toán dựa trên một thuật toán trong BSC. BSC cấp phát tài nguyên kênh lưu lượng TCH cho một số trường hợp như: gán kênh thông thường, chuyển giao giữa các cell, hay chuyển giao trong cell. Khi đường thông tin với MS được gọi đã được thiết lập, MSC gửi bản tin âm hiệu đến MS, MS sẽ phát ra âm chuông. Khi thuê bao được gọi trả lời, MSC gửi bản tin kết nối đến MS chủ gọi. MS chủ gọi trả lời bằng bản tin báo nhận kết nối và cuộc gọi được thiết lập, [14]. Quá trình thiết lập một cuộc gọi từ máy di động được trình bày như trong Hình 3-13. (8) (4) (7) (6) (5) (3) (1b) (2) (1a) VLR MSC BSC BTS MS Nguồn: TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình thông tin di động”, NXB Bưu điện, Hà Nội Hình 3-13. Thiết lập một cuộc gọi từ máy di động. (1) Bằng kênh truy nhập ngẫu nhiên RACH (Random Access Channel), MS gửi yêu cầu kênh báo hiệu đến BTS, (2) MS thông báo rằng nó muốn thiết lập cuộc gọi. Số nhận dạng trạm di động được phân tích và MS được đánh dấu bận ở VLR, (3) quá trình nhận thực được thực hiện để kiểm tra tính hợp lệ của MS, (4) quá trình mật mã hóa được thực hiện để bảo vệ an toàn cho thông tin, (5) MSC nhận được bản tin thiết lập từ MS có chứa thông tin về loại dịch vụ mà MS yêu cầu, số thoại của thuê bao bị gọi. Nếu không bị cấm gọi, quá trình thiết lập cuộc gọi được tiến hành. Đường truyền được thiết lập giữa MSC và BSC, kênh lưu lượng được chiếm. MSC gửi yêu cầu đến BSC để ấn định một kênh lưu lượng cho đường vô tuyến, (6) BSC kiểm tra, nếu có kênh lưu lượng rỗi, nó ấn định kênh này cho cuộc gọi và yêu cầu BTS tích cực kênh này. BTS gửi trả lời công nhận khi việc tích cực kênh lưu lượng đã hoàn thành. BSC thông báo cho MSC về sự hoàn thành này. Hệ thống con điều khiển lưu lượng sẽ phân tích các chữ số của thuê bao bị gọi và thiết lập kết nối tới thuê bao bị gọi. Cuộc gọi được nối thông qua chuyển mạch nhóm, (7) báo chuông sẽ được gửi đến trạm MS cho thấy rằng phía bị gọi đang đổ chuông, (8) khi thuê bao bị gọi trả lời, mạng gửi bản tin kết nối đến MS thông báo rằng cuộc gọi được chấp nhận. MS trả lời bằng công nhận kết nối, như vậy, thiết lập cuộc gọi đã hoàn thành. Cuộc gọi đến máy di động Tiến trình thiết lập cuộc gọi đến máy di động thực hiện các thủ tục tương tự như các thủ tục của cuộc gọi từ máy di động, [14]. Một cuộc gọi đến máy di động sẽ diễn ra quá trình như sau: Tìm gọi. Trước khi BSS thiết lập liên kết báo hiệu, thì MS phải được tìm gọi. Thủ tục tìm gọi này được khởi tạo bởi MSC. Sau đó, MSC gửi bản tin tìm gọi đến BSC đang điều khiển vùng định vị - là vùng mà từ đó, MS thực hiện thủ tục cập nhật vị trí lần sau cùng. Bản tin này bao gồm: số nhận dạng MS (là số IMSI của MS được tìm gọi), một danh sách các chỉ số cell, chỉ ra các cell mà yêu cầu tìm gọi được gửi đến. BSC kiểm tra bản tin Tìm gọi và nếu hợp lệ thì nó tính toán nhóm tìm gọi của MS và khe thời gian của kênh điều khiển dùng chung CCCH cho nhóm tìm gọi. Tiếp đến, BSC gửi bản tin Lệnh tìm gọi đến mỗi một BTS, chỉ ra IMSI, nhóm tìm gọi và số hiệu kênh. Sau đó, mỗi BTS định dạng thông tin và phát quảng bá bản tin yêu cầu tìm gọi trên kênh tìm gọi PCH. MS sẽ lắng nghe các bản tin được gửi đến nhóm tìm gọi của nó. Khi nó nhận được một bản tin tìm gọi chứa số nhận dạng MS trùng với chính nó, thì nó sẽ gửi bản tin Yêu cầu kênh trên kênh RACH đến BTS, chỉ ra rằng bản tin yêu cầu này là để trả lời bản tin yêu cầu tìm gọi. Khi kênh lưu lượng TCH được cấp phát thì bản tin âm hiệu được gửi đến MSC. Khi thuê bao trả lời, thì MS gửi bản tin kết nối đến MSC. MSC gửi bản tin báo nhận kết nối đến MS và kết nối cuộc gọi, [14]. Cuộc gọi kết cuối ở trạm di động phức tạp hơn cuộc gọi khởi xướng từ trạm di động vì phía gọi không biết hiện thời MS đang ở đâu. Ta xét một cuộc gọi vào mạng di động từ mạng cố định. Quá trình diễn ra đối với một cuộc gọi từ mạng cố định kết cuối ở máy di động được trình bày như trong Hình 3-14. Phía chủ gọi quay số của thuê bao di động bị gọi; nếu cuộc gọi được khởi đầu từ mạng cố định PSTN thì tổng đài sau khi phân tích số thoại, sẽ biết rằng đây là cuộc gọi cho một thuê bao GSM. Cuộc gọi được định tuyến đến tổng đài vô tuyến cổng GMSC (Gateway Mobile Service Switching Center) gần nhất - có khả năng hỏi và định tuyến lại. Bằng việc phân tích Số điện thoại của thuê bao MSISDN, GMSC sẽ tìm ra HLR nơi MS đăng ký. GMSC hỏi HLR thông tin để có thể định tuyến đến MSC/VLR đang quản lý MS. Bằng HLR, sẽ tìm ra địa chỉ của VLR, nơi mà MS đang đăng ký tạm thời. HLR giao tiếp với VLR để nhận được số lưu động thuê bao MSRN, đây là một số thoại thông thường thuộc tổng đài MSC. VLR gửi MSRN đến HLR, sau đó HLR chuyển số này đến GMSC. (10) (9) (8) (8) (4) (6b) (6a) (5) (3) (2) VLR Tổng đài nội hạt GMSC HLR MSC BSC BTS BTS PSTN (1) Nguồn: TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình thông tin di động”, NXB Bưu điện, Hà Nội Hình 3-14. Cuộc gọi từ mạng cố định kết cuối ở trạm di động. Bằng MSRN, GMSC có thể định tuyến lại cuộc gọi đến MSC tương ứng. GMSC gửi bản tin nhận được từ PSTN đến MSC. MSC biết được vị trí của MS và nó gửi bản tin tìm gọi đến tất cả các BSC đang quản lý vùng định vị này. MSC gửi số nhận dạng vùng định vị LAI xuống các BSC và BSC phân phát bản tin tìm gọi đến các BTS. Để tìm gọi MS, IMSI được sử dụng. Hay có thể sử dụng số nhận dạng tạm thời TMSI để đảm bảo bí mật. Ngay sau khi nhận được bản tin tìm gọi, MS gửi yêu cầu kênh báo hiệu. MSC có thể gửi đến MS thông tin về các dịch vụ được yêu cầu như thoại, số liệu, hay fax. Bây giờ, BSC sẽ lệnh cho BTS tích cực kênh lưu lượng TCH và giải phóng kênh báo hiệu, báo chuông được gửi đi từ MS cho thấy rằng chuông được tạo ra ở MS. Chuông cho thuê bao chủ gọi được tạo ra ở MSC. Khi thuê bao di động nhấc máy, MS gửi đi bản tin kết nối, mạng hoàn thành đường nối thông và gửi bản tin công nhận kết nối đến MS, [2]. Chuyển giao (Handover) Với kích thước của các cell giảm đến vài trăm mét thì một cuộc điện thoại không thể hoàn thành trong phạm vi của một cell. Nếu không có đường kết nối thông tin được thiết lập một cách chính xác giữa thuê bao và máy phát trong một cell mới, cuộc gọi hiện thời sẽ bị mất. Để giải quyết vấn đề này, kỹ thuật chuyển giao ra đời. Sự di chuyển của một cuộc gọi sẽ được giám sát liên tục thông qua việc đo cường độ tín hiệu của các MS, hệ thống có thể nhận biết khi một cuộc gọi di chuyển từ cell này sang cell khác và có thể chuyển mạch cuộc gọi từ cell hiện tại đến cell kế tiếp mà không làm ngắt quãng cuộc gọi. Các nguyên nhân phải chuyển giao: chất lượng thu giảm đáng kể do MS rời xa vùng phủ sóng của cell phục vụ. Hay mặc dù cell đang phục vụ vẫn đảm bảo thông tin nhưng chuyển giao sang cell tốt hơn để tối ưu mức nhiễu. Hoặc chuyển giao được thực hiện khi lưu lượng ở cell đang phục vụ đã vượt quá giới hạn. Phân loại chuyển giao Chuyển giao cuộc gọi gồm có những loại sau: chuyển giao trong cell ( Intra-cell Hand Over), chuyển giao giữa các cell ( Inter-cell Hand Over), chuyển giao trong nội bộ MSC (Intra-MSC Hand Over), và chuyển giao giữa các MSC (Inter-MSC Hand Over), [3]. Chuyển giao trong cell (Intra-cell Hand Over): chuyển giao được thực hiện giữa hai kênh vật lý của một cell khi mức nhiễu trên kênh đang phục vụ tăng cao. RFC1 RFC2 RFC: Radio Frequency Channels Nguồn: Hoàng Anh Dũng, “Tối ưu hóa và quy hoạch mạng GSM”, đồ án tốt nghiệp, ĐH BK Hà Nội Hình 3-15. Chuyển giao giữa hai kênh vật lý trong một cell. Chuyển giao giữa các cell ( Inter-cell Hand Over): MS được chuyển sang một kênh vô tuyến mới của một cell khác nhưng dưới điều khiển của cùng một bộ điều khiển trạm gốc BSC, [3]. BTS BTS BSC Nguồn: Hoàng Anh Dũng, “Tối ưu hóa và quy hoạch mạng GSM”, đồ án tốt nghiệp, ĐH BK Hà Nội Hình 3-16. Chuyển giao giữa hai cell thuộc cùng một BSC. Chuyển giao trong nội bộ MSC (Intra-MSC Hand Over): chuyển mạch kênh vô tuyến giữa hai BSC của cùng một tổng đài di động MSC, [3]. BTS BTS BSC BSC MSC Nguồn: Hoàng Anh Dũng, “Tối ưu hóa và quy hoạch mạng GSM”, đồ án tốt nghiệp, ĐH BK Hà Nội Hình 3-17. Chuyển giao trong nội bộ MSC. Chuyển giao giữa các MSC (Inter-MSC Hand Over): chuyển mạch kênh vô tuyến giữa hai tổng đài di động MSC, [3]. BTS BTS BSC BSC MSC MSC Nguồn: Hoàng Anh Dũng, “Tối ưu hóa và quy hoạch mạng GSM”, đồ án tốt nghiệp, ĐH BK Hà Nội Hình 3-18. Chuyển giao giữa hai MSC. Các tiêu chuẩn chuyển giao Các tiêu chuẩn chuyển giao phụ thuộc vào các nguyên nhân chuyển giao. Chuyển giao khi chất lượng thu giảm đáng kể do MS rời xa vùng phủ sóng của cell phục vụ dựa trên 3 tiêu chuẩn: tỷ số lỗi truyền dẫn, tổn hao đường truyền và trễ đường truyền. Cả trạm di động và BTS thường xuyên đo chất lượng truyền dẫn và mức thu, trạm di động sẽ thường xuyên phát các kết quả đo đến BTS. Chuyển giao sang cell tốt hơn để tối ưu mức nhiễu dựa trên tiêu chuẩn cơ bản là chất lượng truyền dẫn so với các cells lân cận. Chuyển giao khi lưu lượng ở cell đang phục vụ đã vượt quá giới hạn dựa trên thông tin về tải của các BTS. Chuyển giao lưu lượng chỉ nói lên số lượng MS cần chuyển giao còn MS nào phải chuyển giao thì phụ thuộc vào các tiêu chuẩn nói trên dựa vào các kết quả đo. Quá trình chuyển giao sẽ xét một số thông số như sau: công suất cực đại của trạm di động, trạm BTS phục vụ, các BTS của các ô lân cận. Các số liệu đo ở thời gian thực do MS thực hiện như chất lượng truyền dẫn (tỷ số bit lỗi), mức thu đường xuống ở kênh hiện thời, các mức thu đường xuống từ các cells lân cận. Các số liệu đo ở thời gian thực do BTS thực hiện: chất lượng truyền dẫn đường lên, mức thu đường lên ở kênh hiện thời; hoặc dung lượng và tải. Khởi tạo thủ tục chuyển giao Thủ tục chuyển giao sẽ được khởi tạo vào bất kỳ lúc nào mỗi khi xuất hiện nhu cầu chuyển đổi đường vô tuyến giữa BSS và MS sang một kênh mới, có thể là cùng BSS hay một BSS khác. BSS sẽ nhận thấy yêu cầu thiết lập thủ tục chuyển giao để duy trì sự liên tục của cuộc gọi trong khi MS di chuyển, [27]. Nếu cell đích nằm trong cùng BSC thì thủ tục chuyển giao sẽ được thực hiện bởi BSC. Nếu không, BSC sẽ gửi đến MSC một danh sách ưu tiên các cell đích. Trong danh sách này, MSC chỉ cân nhắc đến ba cell đầu tiên, [27]. Giải thuật MSC (với ví dụ là có ba cell được cân nhắc) là bước thứ nhất sẽ thử với cell đầu tiên, nếu không được thì sẽ chuyển sang thử với cell thứ hai rồi thứ ba. Nếu như trong khi thủ tục chuyển giao này đang diễn ra mà có thêm một yêu cầu chuyển giao khác nhận được từ BSC, danh sách sẽ được cập nhật để tính toán đến các cells mới. Với mỗi lần thử, MSC yêu cầu một tài nguyên tần số thích hợp tới phân hệ trạm gốc BSS đích mà theo mặc định là không cho phép việc xếp hàng đợi, hoặc là cho phép xếp hàng đợi như có trong chỉ thị của BSS nguồn, [27]. Nếu như MS không hoàn thành việc đạt được một kênh mới từ cell đích thì nó sẽ gửi một “bản tin thông báo chuyển giao thất bại” thông qua cell hiện tại tới mạng lưới và MSC sẽ hồi phục lại kết nối cũ của MS hoặc nếu MSC nhận thấy MS đã mất kết nối thì cuộc gọi sẽ được giải phóng, [27]. Các quy trình chuyển giao cuộc gọi Chuyển giao giữa hai cell thuộc cùng một BSC Chuyển giao giữa hai cells thuộc cùng một BSC được trình bày như trong Hình 3-19, [2]. (8) (7) (6) (5) (4) (4) (3) (2) (1) BTS BTS BTS BTS BSC Nguồn: TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình thông tin di động”, NXB Bưu điện, Hà Nội Hình 3-19. Chuyển giao cuộc gọi giữa hai cell thuộc một BSC. Trong quá trình gọi, MS luôn đo cường độ chất lượng ở kênh TCH của mình và của các cell lân cận, MS sẽ đánh giá giá trị trung bình của kết quả đo. Hai lần trong một giây, nó gửi báo cáo kết quả đo đến BTS cùng với kết quả đo của các cells lân cận tốt nhất. BTS bổ sung thêm kết quả đo được ở chính kênh TCH và gửi báo cáo về BSC. Ở BSC, chức năng định vị được tích cực để quyết định xem có cần chuyển giao cuộc gọi đến cell khác do chất lượng xấu hoặc nhiễu lớn ở cell đang phục vụ hay không, [2]. Trường hợp cần chuyển giao, BSC sẽ lệnh cho BTS ở cell mới được chọn tích cực một kênh TCH. Lệnh cho BTS này gửi bản tin đến MS thông báo về tần số và khe thời gian cần chuyển đến. MS điều chỉnh đến tần số mới và gửi bản tin truy nhập chuyển giao ở khe thời gian tương ứng. MS cũng nhận thông tin về công suất cần sử dụng ở kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH. BSC sẽ nhận được thông tin từ BTS là chuyển giao thành công sau khi MS gửi bản tin hoàn thành chuyển giao. Đường thoại trong chuyển mạch nhóm thay đổi và BTS cũ được ra lệnh tháo gỡ TCH cũ cùng với kênh điều khiển liên kết chậm SACCH. Ở chuyển giao bên trong BSC này, chính BSC xử lý mọi việc, không có sự can thiệp của MSC; MSC chỉ được thông báo về việc thực hiện chuyển giao, [2]. Chuyển giao giữa hai cell thuộc hai BSC khác nhau Chuyển giao giữa hai cell thuộc hai BSC khác nhau được trình bày như trong Hình 3-20. BSC cũ dựa trên các báo cáo về kết quả đo và quyết định chuyển giao đến một cell mới thuộc một BSC khác. BSC cũ gửi bản tin “yêu cầu chuyển giao” cùng với nhận dạng cell mới đến MSC. MSC biết BSC quản lý cell này, nó sẽ gửi yêu cầu chuyển giao đến BSC mới. BSC lệnh cho BTS mới tích cực một kênh TCH nếu còn kênh rỗi. (12) (8) (9) (4) (10) (11) (7) (6) (5) (3) (2) (1) MSC BTS BTS BSC BSCmới (6) Nguồn: TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình thông tin di động”, NXB Bưu điện, Hà Nội Hình 3-20. Chuyển giao giữa hai cell thuộc hai BSC khác nhau. Khi BTS đã tích cực kênh TCH, BSC gửi thông tin về khe thời gian và tần số đến MSC. MSC chuyển thông tin này đến BSC cũ. MS được lệnh chuyển đến kênh TCH mới. MS gửi cụm truy nhập chuyển giao ở TCH mới. Ngay sau khi phát hiện được cụm truy nhập chuyển giao, BTS gửi thông tin vật lý chứa thời gian định trước và công suất ra đến MS. BSC mới nhận được thông tin rằng BTS đã nhận được cụm chuyển giao. BSC mới chuyển thông tin này đến MSC. MSC chuyển thông tin nói trên đến BSC cũ. BTS cũ giải phóng TCH và kênh điều khiển liên kết chậm SACCH cũ. MS nhận thông tin về cell mới ở SACCH liên kết với TCH mới. Nếu cell này thuộc LAI mới, MS phải thực hiện cập nhật vị trí bình thường sau khi cuộc gọi được giải phóng, [2]. Chuyển giao giữa hai cell thuộc hai MSC khác nhau Quá trình chuyển giao giữa hai cell thuộc hai MSC khác nhau được trình bày như trong Hình 3-21. (10) (2) (8) (9) (4) (10) (7) (6) (5) (3) (11) (1) PSTN BTS BTS MSC MSC (8) BSC (8) BSC HLR Nguồn: TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình thông tin di động”, NXB Bưu điện, Hà Nội Hình 3-21. Chuyển giao giữa hai cell thuộc hai MSC khác nhau. BSC đang phục vụ gửi “yêu cầu chuyển giao” đến MSC. MSC yêu cầu MSC đích giúp đỡ. MSC đích cấp phát một số chuyển giao (số điện thoại thông thường) để định tuyến lại cuộc gọi. Yêu cầu chuyển giao được gửi đến BSC mới. Nếu có kênh TCH rỗi, BSC yêu cầu BTS tích cực một kênh TCH. MSC nhận được thông tin về TCH mới. Chuyển thông tin này trở lại MSC cũ cùng với số chuyển giao. Đường truyền được thiết lập đến MSC mới. Lệnh chuyển giao được gửi đến MS cùng với thông tin về tần số và khe thời gian sẽ được sử dụng ở cell mới. MS phát đi cụm chuyển giao ở TCH mới. BSC và MSC mới được thông báo đã hoàn thành chuyển kênh. Một đường mới được thiết lập ở chuyển mạch nhóm và cuộc gọi được chuyển mạch. TCH và SACCH cũ được giải phóng. Tổng đài gốc vẫn duy trì sự kiểm tra cuộc gọi cho đến khi nó được xóa. Khi di chuyển vào vùng định vị mới, thì sau khi giải phóng cuộc gọi nó phải thực hiện cập nhật vị trí, do một vùng định vị không thể trực thuộc hai MSC, nên trường hợp này, phải thực hiện cập nhật vị trí sau khi cuộc gọi được giải phóng. HLR cũng sẽ được cập nhật và gửi bản tin đến VLR cũ, MSC này phải xóa tất cả các thông tin liên quan đến thuê bao, [2]. Kết luận Như vậy, Chương 3 đã đề cập về cấu trúc của hệ thống thông tin di động trước đây, từ đó, thấy được sự khác biệt so với hệ thống thông tin di động hiện nay, vấn đề tái sử dụng tần số trong hệ thống; các mẫu tái sử dụng tần số, các hình thức phân chia tần số trong mạng, một số quá trình diễn ra trong hệ thống thông tin di động cũng như vấn đề chuyển giao trong hệ thống. Qua nội dung chương, đã thấy được phần nào về vai trò của phương thức phân bổ kênh trong một hệ thống thông tin di động; phương thức phân bổ kênh quyết định phần nào đến chất lượng của hệ thống. Chất lượng mạng, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mạng, các biện pháp nâng cao chất lượng mạng sẽ được trình bày trong nội dung của Chương 4.