Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng và mở rộng mạng di động GSM

Vào đầu những năm 1980, hệ thống viễn thông tế bào trên thế giới phát triển mạnh mẽ đặc biệt tại Châu Âu, tuy nhiên không được chuẩn hóa về các chỉ tiêu kỹ thuật. Chính vì vậy Liên minh Châu Âu về Bưu chính viễn thông CEPT đã thành lập một nhóm đặc trách về di động GSM với nhiệm vụ phát triển một chuẩn thống nhất cho hệ thống thông tin di động để có thể sử dụng cho toàn khu vực Châu Âu.

Mạng GSM bao gồm các thành phần sau:

• Trạm thu phát sóng (BTS- Base Transceiver Station): Được bố trí tại các vị trí trong vùng phủ sóng của mạng GSM, chịu trách nhiệm xử lý các tín hiệu vô tuyến từ các điện thoại di động và chuyển tiếp các tín hiệu này đến các thành phần khác trong hệ thống.
• Bộ điều khiển trạm gốc (BSC - Base Station Controller): Điều khiển hoạt động của một nhóm các BTS, thực hiện các chức năng như quản lý tài nguyên vô tuyến, chuyển mạch kênh vô tuyến và bàn giao giữa các BTS.
• Trung tâm chuyển mạch trạm (MSC - Mobile Switching Center): Thực hiện các chức năng chuyển mạch kênh thoại và dữ liệu giữa các thuê bao di động, cũng như giữa mạng GSM và các mạng khác.
• Đăng ký vị trí thuê bao (HLR - Home Location Register): Lưu trữ thông tin vị trí của tất cả các thuê bao thuộc mạng GSM, bao gồm số nhận dạng thuê bao (IMSI), số nhận dạng thiết bị di động (IMEI), thông tin thuê bao và thông tin vị trí hiện tại của thuê bao.
• Đăng ký vị trí khách truy cập (VLR - Visitor Location Register): Là một cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin về các thuê bao đang ở vùng phủ sóng của MSC. Khi một thuê bao di động di chuyển vào vùng phục vụ của MSC mới, VLR sẽ liên kết với HLR để xác minh thông tin thuê bao và cung cấp các dịch vụ cần thiết.
• Trung tâm xác thực (AuC- Authentication Center): Cung cấp khóa mã hóa và các hàm dùng để xác thực danh tính của người dùng và mã hóa dữ liệu truyền trong mạng GSM.
• Trung tâm dịch vụ tin nhắn ngắn (SMSC- Short Message service Center): Xử lý các tin nhắn SMS được gửi và nhận bởi các thuê bao di động.

Nguyên tắc hoạt động của mạng GSM dựa trên sự chia thời gian (TDMA) và nhảy tần (FH). Khi một điện thoại di động truy cập vào mạng, nó sẽ được phân bổ một hoặc nhiều khe thời gian trên một tần số vô tuyến cụ thể. Những khe thời gian này được sử dụng để truyền và nhận tín hiệu thoại và dữ liệu giữa điện thoại di động và trạm thu phát sóng gần nhất.

Khai thác mạng GSM bao gồm các hoạt động như theo dõi hiệu suất mạng, khắc phục sự cố, quản lý cấu hình và nâng cấp phần mềm. Các hoạt động này thường được thực hiện thông qua một hệ thống quản lý mạng tập trung, cho phép các kỹ sư mạng giám sát hoạt động mạng theo thời gian thực và phản ứng nhanh với bất kỳ sự cố nào phát sinh.

Sự phát triển vượt bậc của nền kinh tế và công nghệ trong những năm gần đây đã khiến nhu cầu thông tin liên lạc trở nên thiết yếu đối với mọi thành phần kinh tế và người dân. Sự gia tăng đáng kể về số lượng thuê bao di động cũng như nhu cầu được sử dụng các dịch vụ chất lượng cao đã tạo nên nhu cầu mở rộng và nâng cao chất lượng mạng GSM.

Với sự phát triển vượt bậc của kinh tế và khoa học công nghệ, trong những năm gần đây thông tin liên lạc đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu đối với tất cả mọi thành phần kinh tế và người dân.Với sự tăng trưởng ấn tượng về số lượng thuê bao trong những năm qua,cũng như nhu cầu được sử dụng các dịch vụ chất lượng cao của người tiêu dùng.Để đáp ứng được nhu cầu đó việc nâng cấp và mở rộng mạng trở thành một nhiệm vụ quan trọng với các nhà cung cấp dịch vụ di động nói chung và các nhà mạng cung cấp dịch vụ sử dụng công nghệ GSM nói riêng.

Mở rộng vùng phủ sóng tức là tăng vùng phục vụ của hệ thống để đáp ứng được yêu cầu của người sử dụng dịch vụ và chất lượng kết nối.Hiện nay có nhiều biện pháp có thể sử dụng để mở rộng vùng phủ sóng như:

Ngay cả khi một vùng đã có các trạm phát thì việc bổ sung thêm đài phát cũng là một giải pháp hiệu quả. Phương pháp này vừa làm tăng lượng vùng phủ sóng tại các khu vực trước đây có cường độ tín hiệu yếu và lưu lượng thấp. Nhược điểm của phương pháp này là nếu mở rộng vùng phủ mạng có sẵn thì với cấu hình tối đa thì các trạm này vẫn không đáp ứng được số thuê bao di động như đã dự đoán và chất lượng phủ sóng là không thể để giữa các khu vực ở xa các trạm có sẵn mà chưa được phủ sóng. Mặt khác chất lượng phủ sóng Indoor cho máy đầu cuối di động 2W sẽ không đảm bảo tại các vùng phủ sóng hoặc cường độ thu được là tất yếu.

Từ công thức trên ta sẽ có biện pháp kĩ thuật can thiệp vào công xuất bức xạ của anten BTS theo các thông số trên nhằm thực hiện thu phát tốt với các MS.

Đứng trên quan điểm kinh tế, việc hoạch định cell phải bảo đảm lưu lượng hệ thống khi số thuê bao tăng lên, đồng thời chi phí phải là thấp nhất. Thực hiện được điều này thì yêu cầu phải tận dụng được cơ sở hạ tầng của đài trạm cũ. Để đáp ứng được yêu cầu này, người ta sử dụng phương pháp giảm kích thước cell gọi là tách cell (cells splitting).Theo phương pháp này việc hoạch định được chia thành các giai đoạn sau:

Mạng di động hiện nay có dung lượng rất lớn, nhưng với sự phát triển nhanh chóng của dịch vụ di động như hiện nay, việc nâng cấp dung lượng của mạng di động là vấn đề rất quan trọng.Nắm bắt được xu hướng phát triển của mạng di động trong tương lai, nhu cầu chuyển đổi sang các công nghệ thế hệ mới như 3G, 4G sẽ gia tăng thì việc nghiên cứu, từng bước ứng dụng các giải pháp tăng dung lượng mạng di động là hết sức cần thiết.

Một giải pháp tăng dung lượng mạng đơn giản và không tốn kém là cài đặt thêm khe thời gian.

Giải pháp này cũng không tốn kém nhưng sẽ làm ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu, phương án này đạt hiệu quả đối với những vùng có lưu lượng thấp.

Giải pháp này cũng khá hiệu quả nhưng đòi hỏi phải thay đổi thiết bị và tốn kém hơn so với hai giải pháp trên.

Phương pháp này truyền dẫn nhiều sóng mang song song, giúp tách tín hiệu băng thông rộng thành nhiều băng con hẹp hơn. Mặc dù có nhược điểm về tính kinh tế thấp, nhưng giải pháp này được áp dụng khi băng tín hiệu quá rộng hoặc khi truyền dẫn qua khu vực có bề mặt nước.

Tài liệu nêu ra nhiều cách nâng cấp và mở rộng mạng, bao gồm:

Tài liệu đưa ra cách giải quyết cho những vấn đề về phổ tín hiệu quá rộng, khó đảm bảo độ đồng phẳng đặc tính đường truyền:

• Sử dụng nhiều sóng mang cùng lúc.
• Mỗi luồng bit được biến đổi thành luồng con song song, mỗi luồng con được điều chế bằng một sóng mang riêng biệt.
• Tách băng tín hiệu rất rộng thành nhiều băng con nhỏ, mỗi băng con được đảm bảo đặc tính tần số dễ hơn.

• Bộ san bằng có chức năng bù các biến thiên của đặc tính biên độ tần số và đặc tính trễ pha của kênh.
• Việc huấn luyện dựa trên 1 chuỗi bit giả ngẫu nhiên PN (Pseudo Noise) hay một chuỗi bit cố định có mẫu biết trước ở phần thu.
• Sau thời gian huấn luyện, đặc tính kênh được bù nhờ phần thu căn cứ vào chuỗi huấn luyện để điều chỉnh thích ứng tới trạng thái gần tối ưu bộ san bằng, sau đó hệ thống được chuyển sang chế độ bám.

Nguyên lý nhảy tần:

• Ở một khe thời gian, trạm di động phát ở một tần số, sau đó chuyển sang phát ở tần số khác ở khe thời gian sau.
• Nhảy tần số xảy ra giữa các khe thời gian với tốc độ 217 lần trong một giây.
• Các tần số phát và tần số thu luôn luôn song công (cách nhau 45 Mhz nghĩa là các đường lên và đường xuống sử dụng cùng một chuỗi nhảy tần).
• Chuỗi nhảy tần nằm trong một ô hoàn toàn trực giao nghĩa là không xảy ra va chạm giữa các thông tin.
• Các chuỗi này cũng độc lập với các ô đồng kênh (sử dụng cùng tập tần số).
• Chuỗi nhảy tần được MS tính toán từ các thông số nhận được từ BTS mỗi khi thay đổi kênh (ấn định ban đầu của chuyển giao) như sau:

Để đảm bảo lưu lượng cho hệ thống khi số thuê bao tăng lên, đồng thời chi phí phải là thấp nhất, các nhà hoạch định có thể sử dụng phương pháp giảm kích thước cell gọi là tách cell (cells splitting), được chia thành các giai đoạn sau:

• Chia cell theo đơn vị 1 cell thành 3 cell nhỏ hơn.
• Tiếp tục chia 1 cell thành 4 cell nhỏ hơn. Tùy theo yêu cầu về dung lượng hệ thống, việc chia cell có thể được thực hiện tiếp tục. Tuy nhiên, mọi sự thay đổi trong quy hoạch cấu trúc tần số phải gắn liền với việc quan tâm tới tỉ số nhiễu C/I.

Một hệ thống tổ ong là dựa trên việc sử dụng lại tần số. Nguyên lý cơ bản khi thiết kế hệ thống tổ ong là các mẫu sử dụng lại tần số. Theo định nghĩa sử dụng lại tần số là việc sử dụng các kênh vô tuyến ở cùng một tần số mang để phủ sóng cho các vùng địa lý khác nhau. Các vùng này phải cách nhau một cự ly đủ lớn để mọi nhiễu giao thoa đồng kênh (có thể xảy ra) chấp nhận được. Tỉ số sóng mang trên nhiễu C/I phụ thuộc vào vị trí tức thời của thuê bao di động do địa hình không đồng nhất, số lượng và kiểu tán xạ.