Tổng quan hệ thống GSM

Tổng quan hệ thống GSM

TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM Trang 1 Phần 1: GIỚI THIỆU CÁC HỆ THỐNG CELL Giới thiệu Phần này giới thiệu các đặc tính của các hệ thống cell thế hệ đầu, thế hệ thứ hai. Nội dung phần này bao gồm:  Mạng vô tuyến cell  Các đặc tính của các hệ thống cell thế hệ đầu  Các đặc tính của các hệ thống cell thế hệ thứ hai và các hệ thống phi GSM  Các hệ thống cell trên thế giới và sự phân bố thuê bao Mạng vô tuyến cell Các đặc tính của mạng vô tuyến di động  Mạng vô tuyến di động hình thành theo cấu trúc tế bào nên còn có tên gọi là mạng vô tuyến cell. Mỗi cell là vùng phủ của 1 anten. Vì thế hình dáng của cell phụ thuộc vào kiểu anten và công suất phát của từng trạm gốc. Dạng anten thường sử dụng là anten vô hướng phát đẳng hướng và anten có hướng tập trung công suất phát theo hướng nhất định  Số lượng tần số trong mạng là hữu hạn. Do đó, để sử dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến ta cần sử dụng lại tần số ở các BTS khác nhau  Tính di động giữa các cell thực hiện được nhờ vào chuyển giao (giới thiệu cụ thể ở chương 8). Hình 1.1-Mốc thời gian ra đời của các thế hệ mạng Hệ thống cell thế hệ thứ nhất Các đặc tính của hệ thống cell thế hệ thứ nhất:  Giới thiệu rộng rãi đầu năm 1980  Sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự  Dùng kiểu đa truy xuất phân chia theo tần số  Chỉ dùng cho thọai  Không có khả năng roaming với mạng ngoài  Không an toàn trên giao diện vô tuyến TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM Trang 2 Các chuẩn mạng thế hệ thứ nhất  AMPS (Analogue Advanced Mobile Phone System): theo chuẩn Bắc Mỹ dùng băng tần 800Mhz.  TACS (Total Access Communications System): chuẩn Hoa Kỳ dựa trên AMPS dùng băng tần 900Mhz.  NMT(Nordic Mobile Telephony System): theo chuẩn Bắc Âu dùng băng tần 450Mhz và 900Mhz.  C-450: theo chuẩn Đức dùng băng tần 450Mhz  JTACS: theo chuẩn Nhật dùng băng tần 900Mhz Quy họach cell cho mạng thế hệ thứ nhất  Macrocellular: đặt ở vị trí cao cho vùng phủ lớn, anten trên mái nhà  Họach định tần số: đối với các mạng số cell nhiều hơn số tần số thì cần phải họach định cho tần số  Cell kích thước lớn, vùng phủ 30km  Chuyển giao cứng: Mỗi MS tại 1 thời điểm chỉ được kết nối tới duy nhất 1 cell  Cell có hình dạng lục giác Hình 1.2- Sự phân bố tần số giữa các cell trong mạng vô tuyến cell. Hệ thống cell thế hệ thứ hai Các đặc tính hệ thống cell thế hệ thứ hai  Giới thiệu rộng khắp trong những năm 1990  Dùng điều chế số  Dùng nhiều kỹ thuật đa truy cập khác nhau  Sử dụng phổ vô tuyến hiệu quả hơn  Truyền thọai và dữ liệu chuyển mạch mạch tốc độ thấp  Có khả năng roaming quốc tế  An tòan trên giao diện vô tuyến  Tương thích với ISDN TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM Trang 3 Trong khi những hệ thống thế hệ đầu dùng kiến trúc cell và tái sử dụng lại tần số thì các hệ thống số vẫn phát triển quan diểm này và dùng thêm các thông số cell đa lớp (các microcell và macrocell). Tái sử dụng tần số chặt hơn do nhiễu trong truyền dẫn số giảm. Các đặc tính của mạng CDMAOne  Những mạng đầu tiên năm 1996  Bắt nguồn từ giao diện vô tuyến Qualcomm IS-95  Đa truy cập phân chia theo mã  Mạng lõi ANSI-41  Tốc độ chip là 1.2288Mcps Các đặc tính D-AMPS/PDC TDMA(D - AMPS) PDC Dùng TDMA/FDMA Dùng TDMA/FDMA Ph ầ n l ớ n đư ợ c dùng ở B ắ c và Nam M ỹ Ph ầ n l ớ n đư ợ c dùng ở châu Á H ọ ach đ ị nh gi ố ng m ạ ng GSM H ọ ach đ ị nh gi ố ng m ạ ng GSM M ạ ng core ANSI - 41 Sự phát triển của GSM và các đặc tính Cấu trúc cell  Mục đích của hệ thống cấu trúc cell là sử dụng tần số sẵn có một cách hiệu quả  Cấu trúc cell cho phép tái sử dụng tần số trong mạng  Việc họach định thông số tái sử dụng tần số là phần chính của thiết kế hệ thống Họach định GSM  Các thông số chính cần quan tâm khi họach định mạng  Vùng phủ  Dung lượng  Chất lượng  Các thông số tùy chọn yêu cầu khi họach định mạng  Cấu trúc cell phân bậc(macrocell/microcell)  Nhảy tần  Truyền không liên tục  Điều khiển công suất  Phân tích dung lượng thuê bao: dung lượng giới hạn bởi số TRX Sự phân bố thuê bao trong các hệ thống cell TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM Trang 4 Hình 1.3-Sự phân bố thuê bao ứng với các thế hệ mạng di động Hình 1.4-Sự phân bố thuê bao di động trên thế giới Các đặc tính của mạng 2.5G  Điều chế số  Thọai và dữ liệu chuyển mạch mạch tốc độ vừa  Kỹ thuật roaming 2G  An tòan trên giao diện vô tuyến  Dựa trên các chuẩn ưu thế đã tồn tại trong mạng 2G như GSM và CDMAOne  Tốc độ dữ liệu được tăng cao TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM Trang 5 Phần 2: TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC MẠNG 2.1 Các số nhận dạng trong mạng GSM 2.1.1 IMEI-International Mobile Equipment Identity IMEI (International Mobile Equipment Identity) là số nhận dạng thiết bị di động quốc tế, dùng để phân biệt từng máy ĐTDĐ. Không thể có hai ĐTDĐ cùng mang một số IMEI. Thông thường, số IMEI do một số tổ chức cung cấp cho nhà sản xuất ĐTDĐ. IMEI được lưu trong AuC, máy, EIR. EIR dùng số này để nhận dạng thiết bị di động bi lấy cắp và ngăn cấm truy cập vào mạng Số IMEI luôn gồm 15 chữ số theo dạng:  TAC(Type Approval Code) có 6 chữ số 2 chữ số đầu cho biết tổ chức nào đã cung cấp số IMEI cho nhà sản xuất ĐTDĐ. Bốn chữ số kế tiếp được gọi là Mobile Equipment Type Identifier, dùng để nhận dạng dòng (model) ĐTDĐ  FAC (Final Assembly Code) dùng để xác định xuất xứ của sản phẩm  SNR (Serial Number) số xêri của sản phẩm  Spare cho sử dụng trong tương lai Ví dụ: Nếu IMEI là 350893-30-952659-2 :số đầu 35 cho biết do tổ chức BABT cấp, được sản xuất tại Hàn Quốc(30). 2.1.2 IMSI-International Mobile Subscriber Identity IMSI là số nhận dạng thuê bao di động quốc tế dùng để phân biệt các thuê bao di động tòan cầu. Nó được dùng cho báo hiệu trong mạng, được lưu trong SIM, HLR và VLR đang phục vụ Số IMSI luôn gồm 3 phần:  MCC(Mobile Country Code): Mã nước di động(Việt Nam là 452)  MNC(Mobile Network Code): Mã nhà cung cấp mạng di động(Viettel là 04)  MSIN(Mobile Station Identification Number): số nhận dạng thuê bao di động TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM Trang 6 2.1.3 TMSI-Temporary Mobile Subscriber Identity TMSI là số nhận diện thuê bao di động tạm thời. Số này có giá trị trong từng LA, được cấp mới cho MS mỗi khi thực hiện IMSI attach, hay khi cập nhật vị trí do MS chuyển sang LAI khác. Số này được sử dụng để tìm gọi MS trên giao diện vô tuyến, được thay đổi sau từng cuộc gọi hay theo chu kỳ để tránh cho MS bị theo dõi bằng cách nghe lén tín hiệu gọi trên đường vô tuyến. Chỉ khi không thể gọi được bằng TMSI thì mạng mới tìm gọi MS bằng IMSI. TMSI được lưu trong VLR và trong SIM. TMSI bao gồm 4 octet. Mỗi nhà điều hành mạng có thể chọn cấu trúc TMSI 2.1.4 LAI-Location Area Identity Mạng PLMN sẽ được chia thành nhiều vùng nhỏ gọi là LA(Location area). Mỗi vùng nhỏ này sẽ có 1 số nhận dạng và số này gọi là LAI. LAI được broadcast đều đặn bởi các BTS trên kênh BCCH. Công dụng của LAI là dùng để tìm gọi và cập nhật vị trí cho thuê bao Cấu trúc như sau:  LAC(Location Area Code):16 bit cho phép 65536 vùng nhỏ được xác định trong 1 PLMN 2.1.5 MSISDN-Mobile Station ISDN Number Đây là số thực của 1 thuê bao khi liên lạc với thuê bao ta sẽ gọi số này .MSISDN là số mô tả thuê bao di động trong mạng PSTN. Khi 1 máy cố định gọi cho 1 máy di động trong báo hiệu với tổng đài cố định thì địa chỉ của máy bị gọi chính là số MSISDN và tổng đài cố định sẽ căn cứ vào số đó để điều khiển kết nối tới mạng di động(GMSC-HLR) của máy bị gọi. Cấu trúc như sau :  CC(Country Code) : Mã nước  NDC(National Destination Code):Mã mạng  SN(Subscriber Number): Số thuê bao TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM Trang 7 VD:84 98 8000345 2.1.6 MSRN-Mobile Station Roaming Number MSRN là 1 số tạm thời được cấp bởi VLR được dùng để định tuyến cuộc gọi giữa 2 thuê bao thuộc 2 mạng khác nhau(GMSC-MSC) hay 2 thuê bao thuộc 2 MSC khác nhau Cấu trúc gồm 3 phần: 2.1.7 CI-Cell Identifier CI là số nhận dạng cell dùng để nhận dạng các cell khác nhau trong 1 mạng PLMN 2.1.8 BSIC-Base Station Identity Code BSIC là mã dùng để phân biệt các cell khác nhau khi các cell này có cùng tần số BCCH. Hai cell có tần số BCCH giống nhau thì BISC phải khác nhau Cấu trúc như sau:  NCC(Network Color Code) 3 bit tương ứng từ 0 đến 7  BCC(Base Station Color Code) 3 bit tương ứng từ 0 đến 7 2.1.9 CGI-Cell Global Identity CGI được dung để nhận dạng các cell riêng biệt trong cùng một LA. Nhận dạng cell thực hiện bằng cách cộng CI với LAC. CI có chiều dài tối đa là 16 bit. CGI bao gồm: TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM Trang 8 2.2 Tổng quan kiến trúc mạng AUC HLR EIR SS BSS MSC BTS MS NMC and OMC Switching System Signaling transmission Call connections and signaling transmission Base Station System Other networks BSC GMSC VLR Mạng GSM hình thành từ 3 phần:  Mobile Station (MS)  Base Station Sub-system (BSS) : Gồm 1 BSC và nhiều BTS  Network and Switching Sub-system (NSS) : gồm MSC và VLR, HLR, EIR, AUC 2.2.1 MS-Mobile Station MS là thiết bị thu phát cá nhân do người đăng ký thuê bao trực tiếp sử dụng bao gồm:  Thiết bị di động : ME – Mobile equipment.  Module nhận dạng thuê bao: SIM – Subscriber Identity Module. SIM cất giữ thông tin về thuê bao, mạng bao gồm:  Số IMSI, khóa nhận thực, thuật tóan kiểm tra nhận thực, bảo mật  TMSI, LAI, danh sách các tần số được dùng cho việc chọn cell  Module nhớ số danh bạ, tin nhắn ME được phân biệt bởi số IMEI Căn cứ vào công suất phát tối đa của MS mà ta phân MS thành các lớp như sau: TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM Trang 9 Những thiết bị di động đầu cuối dùng trong mạng GSM thường là class 3 và 4 đối với băng tần 900 , class 1 và 2 đối với băng tần 1800(DCS). Những class khác dùng cho những thiết bị lắp đặt cố định hay lắp trên xe 2.2.2 BSS-Base Station Subsystem 2.2.2.1 BTS-Base Transceiver BTS gồm có  Các TRX có chức năng phát và nhận tín hiệu  Các thiết bị điều khiển và xử lý tín hiệu  Các cáp feeder và anten Hiện nay 1 BTS gồm có 3 anten đặt theo 3 hướng khác nhau. Mỗi anten tại ra một vùng phủ sóng nhỏ gọi là cell. Nhiều cell tạo thành 1 LA. Tùy theo lọai thiết bị BTS mà cho phép 1 cell có thể có tối đa bao nhiêu TRX Chức năng của BTS là tạo ra vùng họat động cho MS 2.2.2.2BSC-Base Station Controller BSC thực hiện các chức năng chính sau:  Cấp phát kênh vô tuyến  Quản lý tài nguyên vô tuyến  Duy trì cuộc gọi như giám sát chất lượng, điều khiển công suất phát của MS hay BTS, điều khiển chuyển giao  Điều khiển 1 hay nhiều BTS 2.2.2.3Topo mạng BSS Gồm các topo sau: TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM Trang 10  Dạng chuỗi(Chain): chi phí rẻ, dễ thực hiện nhưng nếu liên kết bị hư sẽ tác động đến nhiều BTS  Dạng vòng(Ring): an tòan nhờ bảo vệ nếu liên kết hư nhưng khó hơn cho việc mở rộng  Dạng sao(star): đây là cấu hình phổ biến cho những hệ thống GSM đầu tiên. Chi phí đắt vì mỗi BTS đều có liên kết riêng với BSC, 1 liên kết bị hư không tác động đến BTS khác Các BTS được liên kết đến BSC theo 1 trong những topo chuẩn. Các liên kết vật lý có thể là vi ba, cáp quang hay đồng. 2.2.3 NSS-Network Switching Subsystem NSS gồm các thành phần sau:  Mobile Switching Centre (MSC)  Visitor Location Register (VLR)  Home Location Register (HLR)  Authentication Centre (AuC)  Equipment Identity Register (EIR)  Gateway MSC (GMSC) Những thành phần này được kết nối bằng mang SS7 [...]... nhau trong các Trang 16 TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM nước, nhưng có thể được đấu giá hoặc chọn trực tiếp nhà hoạt động bởi tổ chức chính phủ 3.2.2 Phổ GSM cơ bản Phổ P -GSM (Primary GSM) GSM sử dụng phân chia tần số song công (FDD), mỗi kênh đường lên và xuống hoạt động ở một tần số khác nhau Do đó, có 2 băng tần đựơc cấp cho GSM, cách nhau 20MHz Băng tần đầu tiên được cấp trong GSM (P -GSM) :  Băng tần 890MHz... Đây là giao diện giữa MS và BSS 2.3.10 Giao diện H Trang 14 TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM Đây là giao diện giữa HLR và AuC Khi HLR nhận 1 yêu cầu cung cấp dữ liệu cho nhận thực và mật mã cho 1 MS, HLR không giữ dữ liệu yêu cầu, HLR sẽ yều cầu dữ liệu từ AuC Giao thức này được dùng để truyền dữ liệu trên giao diện này Trang 15 TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM Phần 3: GIAO DIỆN VÔ TUYẾN 3.1 Giới thiệu Giao diện vô tuyến... 3.2.6 Phổ GSM -450 GSM- 450 chuẩn được phát triển từ một nghiên cứu để đánh giá chuẩn số thay thế toàn bộ hệ thống NMT-450 tương tự Thuận lợi của băng tần 450MHz so với băng tần GSM đang tồn tại (900/1800/1900) là tăng vùng phủ trên cell và số lượng trạm ít hơn trong cùng một khu vực triển khai so với thiết lập trên 3 băng tần Nó cũng cung cấp thêm dung lượng Trang 20 TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM 3.3 Kỷ... phát phổ trong suốt một khe thời gian Các khe thời gian được lặp lại trong các khung Trang 21 TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM TDMA được phép sử dụng trong các hệ thống số như GSM mà các luồng dữ liệu có thể được chia thành các cụm và được ấn định vào một khe thời gian 3.3.3 Kỹ thuật đa truy nhập sử dụng trong GSM GSM sử dụng kết hợp cả 2 kỹ thuật đa truy nhập FDMA và TDMA trên giao diện vô tuyến: FDMA để cung... tuyến 0 trong P -GSM chuyển từ băng bảo vệ thành một sóng mang tần số vô tuyến có giá trị Các kênh tần số vô tuyến đường lên và xuống trong E -GSM được tính như sau:  Các tần số uplink: Ful (n) = 890 MHz + (0,2 MHz) × n (0 . TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM Trang 1 Phần 1: GIỚI THIỆU CÁC HỆ THỐNG CELL Giới thiệu Phần này giới thiệu các đặc tính của các hệ thống cell thế hệ đầu, thế hệ thứ hai Mạng vô tuyến cell  Các đặc tính của các hệ thống cell thế hệ đầu  Các đặc tính của các hệ thống cell thế hệ thứ hai và các hệ thống phi GSM  Các hệ thống cell trên thế giới và sự phân bố thuê. thích với ISDN TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM Trang 3 Trong khi những hệ thống thế hệ đầu dùng kiến trúc cell và tái sử dụng lại tần số thì các hệ thống số vẫn phát triển quan diểm này