Tài liệu Khảo sát mạng thông tin di động, chương 2 doc

CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT CƠ SỞ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ 1. Giao diện vô tuyến và truyền dẫn 1.1. Giao diện vô tuyến Trong GSM, giao diện radio sử dụng tổng hợp cả hai phương thức phân kênh theo tần số và thời gian: FDMA (Frequency Division Multiple Access) cà TDMA (Time Division Multiple Access). Trong FDMA, GSM sử dụng các băng tần tại 900 Mhz (gọi là GSM 900) và 1800 Mhz (gọi là GSM 1800). Để đơn giản hóa chỉ đề cập đến GSM 900. Mỗi kênh được đặc trưng bở một tần số (sóng mang) gọi là kênh tần số RFCH (Radio chanel) cho mỗi hướng thu phát, các tần số này cách nhau 200 MHz. Trong GSM 900, MS sử dụng 124 RFCH trong dãy tần 25Mhz (từ 890 đến 915 MHz) và BTS sử dụng 124 RFCH trong dãy tần từ 935 đến 960 Mhz để phát (tất nhiên MS phát thì BTS thu và ngược lại). Tại mỗi tần số TDMA lại chia thành 8 khe thời gian (time slot) tức là số kênh được tăng lên 8 lần. Trong tương lai, số khe sẽ được tăng lên là 16. Một cặp RFCH (thu và phát) tại một khe thời gian được gọi là một kênh vật lý. Một kênh được sử dụng để truyền một nhóm nhất đònh tham số thông tin được gọi là kênh logic (logical chanel). Mỗi kênh vật lý được gán cho một hoặc một số kênh logic. Các kênh được chia thành 2 loại: - Kênh dùng để tải thông tin của thuê bao, như thoại, số liệu… được gọi là kênh traffic TCH (traffic chanel). Có 2 loại tốc độ truyền trên TCH là tốc độ đầy đủ (full rate) THC/F là loại tốc độ đang được sử dụng hiện nay và tốc độ bằng một nữa (half rate) TCH/H sẽ được sử dụng trong tương lai. - Kênh điều khiển CCH (control chanel) được sử dụng để truyền thông tin báo hiệu các thông tin quản lý giao diện Um. 1.2. Nguyên lý lập mô hình Mạng GSM đảm bảo truyền dẫn đa dòch vụ. Nhiều thông tin khác nhau được truyền dẫn trong mạng này như: thông tin thoại, các dạng thông tin số liệu khác (văn bản, hình ảnh fax, các file máy tính, bản tin và các bản tin báo hiệu bên trong mạng. Để lập mô hình truyền dẫn ta có thể sử dụng cấu trúc phân lớp như hình 1.6. Hình 1.6: Cấu trúc phân lớp Trục đứng của hình vẽ thể hiện các lớp khác nhau của mô hình. Lớp thấp nhất tương ứng với thông tin thô, còn lớp cao nhất tương ứng với thông tin đã được tinh chế cho người sử dụng. Trục ngang tương ứng với đường truyền dẫn. Các thiết bò khác có thể được sử dụng trên đường truyền dẫn này. Các thiết bò này không nhất thiết phải biết đầy đủ thông tin mà nó truyền. Chẳng hạn các nút trung gian không cần thiết đầy đủ ngữ nghóa thông tin của lớp cao nhất. Nhờ vậy có thể đơn giản hóa các tiêu chuẩn ở các giao diện bằng cách chỉ xét ở các thuộc tính liên quan đến việc tryền tải thông tin. 1.3. Truyền dẫn thông tin từ đầu cuối này đến đầu cuối kia của mạng GSM Xét quá trình truyền dẫn các thông tin thoại cũng như phi thoại giữa người sử dụng GSM với người sử dụng GSM khác hay với người sử dụng mạng điện thoại cố đònh công cộng PSTN, mang số liên kết đa dòch vụ ISDN, mang số liệu công cộng Nút cuối Nút trung gian Nút cuối Mức thấp Mức cao Đường truyền chuyển mạch gói PSPDN và mạng số liệu công cộng chuyển mạch theo mạch CSPDN. 1.3.1. Truyền dẫn tiếng (thoại) Truyền dẫn tiếng giữa một thuê bao GSM và một thuê bao PSTN. Có thể được trình bày theo cấu trúc nhiều mặt phẳng truyền dẫn với mỗi mặt phẳng thể hiện một dạng tín hiệu như hình 1.7. Hình 1.7: Trình bày tiếng Từ hình ta thấy tín hiệu phát ra từ miệng của thuê bao di động ở dạng âm thanh được biến đổi vào tín hiệu số 13 kbit/s sau các quá trình biến đổi số khác nhau nó điều chế sóng mang được phát vào không trung được thu lại ở anten BTS, được xử lý để khôi phục lại tín hiệu số ban đầu, được bộ đổi mã tiếng biến đổi vào tín hiệu 64 kbit/s cho phù hợp với tổng đài số được chuyển mạch đến thuê bao PSTN được biến M ặt phẳng âm thanh Mặt phẳng tương tự Mặt phẳng số 13 kbit/s Mặt phẳng số 64 kbit/s BTS Bộ chuyển đổi vào tín hiệu tương tự và cuối cùng được biến đổi ngược trở lại thành âm thanh đến tai nghe thuê bao PSTN. 1.3.2. Các dòch vụ phi thoại Các dòch vụ phi thoại này hay còn gọi là các dòch vụ truyền số liệu bao gồm việc trao đổi các thông tin khác nhau sau đây: văn bản, các bản vẽ, các file máy tính, các hình ảnh động, các bản tin. Một số bộ phận quan trọng của các thông tin này được xử lý ở các thiết bò đầu cuối (các thiết bò này có thể rất phức tạp, chẳng hạn server videotex hay hệ thống xử lý bản tin). Các chức năng xử lý của các thiết bò đầu cuối như sau: - Mã hóa nguồn: biến đổi văn bản, hình ảnh, âm thanh thành các chữ số cơ hai và ngược lại. - Giao thức giữa 2 đầu cuối cho thông tin: tổ chức trang phiên và ngôn ngữ. - Thể hiện thông tin cho người sử dụng bằng hiển thò tạo âm, in ấn… Các thiết bò đầu cuối có thể là máy fax, máy tính cá nhân, đầu cuối máy tính, videotex v.v Ta xét khả năng mang giữa các thiết bò đầu cuối. Biên giới giữa GSM trong trường hợp này có thể là: PSTN (mạng điện thoại chuyển mạch công cộng), ISDN (mạng số liên kết đa dòch vụ), PSPDN (mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói), CSPDN (mạng sử dụng truyền dẫn bằng mạch) và thiết bò đầu cuối. Để kết nối GSM với thế giới bên ngoài ta sử dụng 2 chức năng: - Chức năng tương tác mạng IWF để kết nối GSM với mạng khác. - Chức năng thích ứng đầu cuối TAF để thích ứng thiết bò đầu cuối với phần truyền dẫn vô tuyến chung. Các thiết bò giữa TAF và IWF không liên quan đến dòch vụ giữa các đầu cuối và được gọi là khả năng mang. Trừ fax, các chức năng thích ứng phục thuộc vào các khả năng mang và mạng số bên ngoài. 1.4. Truyền dẫn bên trong GSM Phần bên trong của mạng truyền dẫn GSM nằm giữa một điểm nào đó bên trong trạm di động (bên trong TAF đối với truyền số liệu hay ở nơi mà tiếng là một tín hiệu âm thanh đối với truyền tiếng) và điểm tương tác giữa GSM với các mạng bên ngoài. Vậy ta có thể coi truyền dẫn bên trong GSM được giới hạn bởi TAF và IWF. * Cấu trúc Trước hết ta khảo sát các chức năng được đặt ở biên giới của GSM (IWF ở 1 phía, còn phía kia là TAF) sau đó sẽ khảo sát các phần bên trong GSM. IWF là tập hợp các chức năng thực hiện các thích ứng cần thiết giữa GSM và các mạng bên ngoài. Chức năng IWF rất hạn chế với đấu nối tiếng ở PSTN hoặc các số liệu cơ bản với ISDN. Tuy nhiên các trường hợp khác chẳng hạn fax chức năng này rất phát triển. IWF là một chức năng nằm ở một nơi nào đó giữa MSC và mạng bên ngoài. IWF có thể là một bộ phận nằm trong MSC hoặc nằm riêng. Bây giờ ta hãy xét trạm di động. Tồn tại nhiều cấu hình khác nhau của trạm di động (hình 1.8). Hình 1.8: Các cấu hình của trạm di động MTO là cấu hình đơn giản nhất, ở đây tất cả các chức năng chung, thiết bò đầu cuối, các chức năng thích ứng được kết hợp chung vào một thiết bò. Hiện nay cấu hình này chủ yếu cho tiếng. Các trạm di động tổ hợp như thế này cho các dòch vụ số liệu khác (chẳng hạn cho fax) sẽ xuất hiện trong tương lai. Ở MT2, TAF và các giao diện với thiết bò đầu cuối / modem kinh điển được kết hợp với các chức năng chung ME trong một thiết bò. Ở MT1 sử dụng giao diện ISDN “S” để đấu nối trực tiếp đầu cuối ISDN. Để có thể đấu nối đầu cuối sử dụng giao diện đầu cuối modem kinh điển cần sử dụng thêm bộ thích ứng đầu cuối. a) Truyền dẫn tiếng Có thể chia đường truyền dẫn tiếng bên trong GSM thành các đoạn sau: - Trạm di động - Từ trạm di động đến trạm gốc Thiết bò đầu cuối Thiết bò đầu cuối Trạm di động (kiểu 0) Đầu cuối di động (kiểu 2) Đầu cuối di động (kiểu 1) Giao diện đầ u cuối với modem Thích ứng đầu cuối Giao diện ISDN “S” - Từ trạm gốc BTS đến bộ chuyển đổi mã riêng (TRAU) - Từ TRAU đến MSC (hay IWF)  Trạm di động Mã hóa tiếng ở trạm di động có thể thực hiện ở tốc độ 13 kbit/s. Sơ đồ mã hóa tiếng GSM ở tốc độ 13kbit/s. Mã hóa này cho phép nhận được chất lượng như mạng cố đònh nhưng đòi hỏi độ rộng phổ tần vô tuyến hẹp hơn. Tín hiệu tiếng ở MS được đưa qua bộ lọc thông thấp, qua bộ biến đổi A/D để được mã hóa PCM (điều xung mã) đồng đều với tần số lấy mẫu 8Khz và 13 bit mã hóa cho 1 mẫu sau đó tín hiệu này được đưa lên bộ biến đổi tương tự số (A/D). Ở đầu ra của bộ A/D ta được các khối 20 ms mã hóa 200 bit làm cho tốc độ luồng ra 13 kbit/s (hình 1.9). Hình 1.9: Quá trình mã hóa tiếng ở GSM (ở MS)  Truyền tiếng ở đoạn từ trạm di động MS đến trạm gốc BTS. Tín hiệu sau khi mã hóa được đưa đến bộ mã hóa kênh để tạo ra các khối 456 bit/20ms với tốc dộ khoảng 22,8 kbit/s sau đó được ghép xen, mật mã hóa và tạo thành các cụm để có thể đặt vào khe thời gian dành cho kênh và sau cùng được điều chế rồi phát vào không trung ở dải sóng 900MHz. Ở đầu thu thực hiện quá trình ngược lại để nhận tín hiệu tiếng mã hóa như ở đầu phát trước khi đưa vào bộ giải điều chế.  Truyền tiếng trên đoạn từ BTS – TRAU. Ở đoạn này nếu TRAU đặt xa sẽ có thêm báo hiệu bổ sung vào tiếng để truyền các thông tin điều khiển TRAU từ bộ điều khiển chuyển đổi mã từ xa RTH (Remote trancoder handler) đặt ở BTS đến TRAU ở BSC. Sẽ có 60 bit bổ sung vào 260 bit tiếng trong 20 ms nâng tổng số bit trong 20 ms lên 320 bit và tốc độ của luồng số cho 1 LPF A/D Bộ mã hóùa BTS mỗi kênh sẽ đạt 16 kbit/s. Trong số 60 bit bổ sung sẽ có 4 bit để trống để phân giữa các khung 20ms. Như vậy trong một khung 20ms chỉ có 316 bit mang thông tin.  Truyền dẫn trên đoạn TRAU đặt xa (ở BSC) đến MSC/IWF Ở đoạn này sử dụng các đường truyền dẫn 64 kbit/s luật A theo tiêu chuẩn G.711. b) Truyền dẫn số liệu Đối với truyền dẫn số liệu bên trong GSM có thể coi mạng này như là một DTE phân bố, còn mạng bên ngoài như là DCE. Các giao diện DTE/DCE được thực hiện ở các TAF, TRAU và IWF. Để xây dựng các giao diện này GSM cải tiến khuyến nghò V110 dành cho giao diện DTE/DCE trong trường hợp DCE là mạng ISDN. Vì vậy để hiểu được truyền dẫn số liệu trong mạng GSM trước hết ta xét tiêu chuẩn V110. Tiêu chuẩn V110 Tiêu chuẩn này giải quyết các vấn đề sau: - Truyền tải các thông tin bổ sung. - Truyền tải các số liệu dò bộ ở các đường truyền đồng bộ. - Truyền tải các số liệu đồng bộ ở các đường truyền đồng bộ sử dụng đồng hồ độc lập với nhau. Sơ đồ khối thực hiện thích ứng tốc độ RA của luồng số liệu cần truyền với ISDN, cho ở hình 1.10. RA 1 RA 2 RA0 Lấy mẫu Tốc độ dò bộ ban đầu Chẳng hạn: 300 hay 9600 bit/s Đồng bộ Đệm Đệm ĐB Tốc độ trung gian (8hay 16 kbit/s) Hình 1.10: Thích ứng tốc độ ISDN - Chuyển đổi số liệu dò bộ vào đồng bộ. Chức năng này được thực hiện ở RAO. Luồng số liệu dò bộ là một chuỗi các ký tự thường được khở đầu bằng 1 bit “start” và kết thúc bằng 1 bit “stop”. Ở luồng này không cần thiết các bit biên phải trùng với sườn trước của xung đồng hồ. RAO có thể loại bỏ bit “stop” để đảm bảo đồng hồ (hình 1.11). Hình 1.11: Chức năng RAO - Điều khiển đồng hồ từ xa Tốc độ truyền dẫn trong mạng số chẳng hạn ISDN được điều khiển bởi đồng hồ của mạng. Trường hợp một đầu cuối được đấu qua mạng PSTN thì tốc độ giữa hai đầu cuối có thể khác nhau. Trong trường hợp này khối thích ứng tốc độ phải gửi đi thông tin để hiệu chỉnh tốc độ cho đầu kia các thông tin này có thể được gửi đi ở các bit E4, E5, E6, trong luồng số ra của RA1. - Các tín hiệu bổ sung Đây là các tín hiệu điều khiển modem. Ở V101 các tín hiệu bổ sung chỉ giới hạn hai tín hiệu ở hướng đầu cuối (DTE) đến modem (DCE) và 3 tín hiệu theo hướng ngược lại. Tùy theo tốc độ bit của luồng số liệu cơ sở 8 bit, tín hiệu này được truyền đi                                      Luồng dò bộ Luồng đồng bộ Bỏ một tín hiệu dừng trong các khoảng thời gian 5 hay 10 ms. Bảng 1.12 dưới đây đưa ra các tín hiệu khác nhau nói trên và tốc độ lấy mẫu chúng. Bảng 1.12: Truyền tải các tín hiệu điều khiển modem ở V110. Đầu cuối đến modem Modem đến đầu cuối Tốc độ lấy mẫu trung bình Trạng thái mạch 108 (Data terminal ready) Trạng thái mạch 107 (Data set ready) 1,25 ms hay 2,5 ms Trạng thái mạch 105 (Request to send) Trạng thái mạch 109 (Data carrier detect) 2,5 ms hay 5 ms Trạng thái mạch 108 (Clear to send) 2,5 ms hay 5 ms Ý nghóa của các tín hiệu điều khiển ở bảng 1.12 như sau: - Data terminal ready: Thông báo cho modem rằng bộ điều khiển ở đầu cuối sẵn sàng thông tin. - Data set ready: Chỉ thò rằng modem sẵn sàng thiết lập đường nối thông tin và truyền số liệu với bộ điều khiển của đầu cuối. - Request to send: Thông báo cho modem rằng bộ điều khiển sẵn sàng gửi số liệu. - Data carrier detect: Chỉ thò rằng modem đã phát hiện ra sóng mang số liệu. - Clear to send: Modem sẵn sàng phát. Các thông tin này ở V110 được ghép vào luồng số cơ sở ở chức năng thích ứng tốc độ, RA1, các bít thông tin bổ sung ở luồng ra RA1 được cho ở bảng 1.13. Bảng 1.13: Các bit thông tin bổ sung ở V110 Tên bit Thông tin được truyền Chú thích S1, S3, S6, S8 (hay SA) Trạng thái mạch 108 (Data terminal ready) hay 107 (Datta set ready) phụ thuộc vào phương truyền. [...]... TDMA 1.5 .2 Các kênh logic Các kênh logic được đặc trưng bởi thông tin truyền giữa BTS và MS Các kênh logic này được đặt vào các kênh vật lý nói trên Có thể chia các kênh logic thành 2 loại tổng quát: các kênh lưu lượng và các kênh báo hiệu điều khiển Các kênh lưu lượng gồm 2 loại được đònh nghóa như sau: - Bm hay TCH toàn tốc (TCH/F), kênh này mang thông tin tiếng hoặc số liệu ở tốc độ khoảng 22 ,8 kbit/s... kbit/s bổ sung sẽ được đưa thêm vào để được tốc độ 3,6 kbit/s Luồng 12 kbit/s được chia thành các khung có độ lâu là 5 ms, mỗi khung chứa 60 bit trong đó có 48 bit từ luồng cơ sở và 12 bit bổ sung Các bit bổ sung bao gồm các bit thông tin bổ sung cho cho ở bảng 1.13 trừ các bit E1, E2, E3 mang thông tin về tốc độ vì mức độ thông tin này được truyền riêng theo đường báo hiệu để thiết lập đường truyền... các bit thông tin cơ sở, các bit bổ sung và các bit đồng bộ được ghép chung để đạt được tốc độ 16 và 8 kbit/s Từ bảng 1. 12 ta thấy có 15 bit thông tin bổ sung và 17 bit đồng bộ được ghép vào mỗi khung RA2 thực hiện biến đổi các tốc độ 16 và 8 kbit/s vào 64 kbit/s cho phù hợp với mạng ISDN Việc biến đổi này được thực hiện bằng cách ghép 6 hoặc 7 bit “1” vào mỗi byte Các đấu nối cho truyền số liệu bên... Các đấu nối cho truyền số liệu bên trong mạng GSM Ta xét hai cách đấu nối số liệu cho mạng GSM: đấu nối trong suốt T (Transparent) và đấu nối không trong suốt NT (Non transparent) Ở cách đấu nối thứ hai thông tin được phát lại mỗi khi đầu kia thu được số liệu sai Tốc độ dò bộ ban đầu Chẳng hạn: 300 hay 9600 bit/s Lấy Đồng bộ Tốc độ số liệu trung gian 3,6:6 hay 12 kbit/s M T Tốc độ trung gian ĐB RA Đệm... (hình 1 .20 ) Khóa Kc giống nhau giữa thu và phát, số khung thay đổi từ cụm này đến cụm khác, vậy mỗi cụm của một cuộc thông tin trong một hướng sẽ sử dụng chuỗi mật mã khác nhau Thuật toán A5 như nhau cho mạng GSM toàn cầu vì phải đảm bảo khả năng chuyển mạng MS 22 bit số khung kết hợp với 64 bit Kc theo thuật toán A5 để tạo ra chuỗi ngẫu nhiên 144 bit Số khung Kc (64 Số khung A5 S1 (114 A5 S2 (114... =1 nếu di= di-1 ki=-1 nếu di  di- 1 Þi(t) =/2T.t, T là khoảng thời gian của bit Ta thấy ở MSK nếu bit điều chế ở thời điểm xét giống như bit ở thời điểm trước đó t sẽ thay đổi tuyến tính từ 0  /2, ngượi lại nếu bit điều chế ở thời điểm xét khác bit trước đó thì t sẽ thay đổi tuyến tính từ 0  - /2 Thay đổi của t phụ thuộc vào cặp bit đưa lên điều chế đối với 4PSK và MSK được cho ở hình 1 .24 Sự thay... sau: 1 = 2 f1= 0+T /2 Nếu chuỗi bit đưa lên điều chế thay đổi luân phiên (1,0,1,0 ) thì ta có: 2 = 2 f2= 0 - T /2 Để thu hẹp phổ tần của tín hiệu điều chế luồng bit đưa lên điều chế được đưa qua bộ lọc Gaussơ Ở GSM bộ lọc Gaussơ được sử dụng BT =0,3, trong đó B là độ rộng băng tần Vậy độ rộng băng tần ở 3dB có thể tính như sau: B.T = 0,3 hay B=0,3/T = 0,3/ (1 /27 1 x103) =81 Khz Hình 1 .25 cho thấy... khung có 60 bit với 48 bit cơ sở và 12 bit bổ sung như ở trường hợp trên Luồng 3,6 kbit/s bao gồm các khung 10 ms với 36 bit trong mỗi khung Trong đó 24 bit dành cho luồng cơ sở còn 12 bit dành cho thông tin bổ sung Nhờ có các tốc độ bit thấp hơn 8 và 16 kbit/s so với trường hợp ISDN, ta nhận được các vò trí bit dư để thực hiện mã hóa kênh cho các khối 20 ms ở giao di n vô tuyến Đây là vấn đề đặc biệt... thức sau: FL = 890 ,2 + 0 ,2 (n-1) Mhz F u = FL (n) + 45 Mhz 1  n  124 Từ công thức trên FL là tần số ở nửa băng thấp, FU là tần số ở nửa băng cao, 0,2Mhz là khoảng cách giữa các kênh lân cận, 45Mhz là khoảng cách thu phát, n số kênh tần vô tuyến Ta thấy tổng số kênh tần số có thể tổ chức cho mạng GSM là 124 kênh Để cho các kênh lân cận không gây nhiễu cho nhau mỗi BTS phủ một ô của mạng phải sử dụng... cho nó (hình 1 .21 ) Cường độ tín hiệu của BTS phục vụ trạm di động được đo khi thu ở khe thời gian dành cho MS MS được thông báo phải đo các sóng mang BCCH nào qua thông tin hệ thống SACCH Để đảm bảo đo đúng BTS cần thiết, MS phải xác đònh được nhận dạng của BTS này Nhận dạng của BTS được cho bởi giá trò BSIC được phát trên SCH ở TSO/Co Vì thế trong thời gian khung rỗi ở đa khung cho TCH (26 khung TDMA) . CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT CƠ SỞ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ 1. Giao di n vô tuyến và truyền dẫn 1.1. Giao di n vô tuyến Trong GSM, giao di n radio. để truyền thông tin báo hiệu các thông tin quản lý giao di n Um. 1 .2. Nguyên lý lập mô hình Mạng GSM đảm bảo truyền dẫn đa dòch vụ. Nhiều thông tin khác