Giới thiệu hệ thống thông tin di động GSM

Giới thiệu hệ thống thông tin di động

Phần 1_Chương : Giới thiệu hệ thống thông tin di động GSM CHƯƠNG L GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM ịch sử hình thành GSM đề xuất vào năm 1982 Nordic Telecom Netherlands CEPT (Conference of European Post and Telecommunication) để phát triển chuẩn tế bào số đương đầu với nhu cầu ngày tăng mạng di động Châu Âu Ủy ban Châu Âu (EC) đưa lời hướng dẫn yêu cầu quốc gia thành viên sử dụng GSM cho phép liên lạc di động băng tần 900MHz Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI) định nghóa GSM quốc tế chấp nhận tiêu chuẩn hệ thống điện thoại tế bào số Lời đề xuất có kết vào tháng năm 1987, 13 nhà điều hành quản lý nhóm cố vấn CEPT GSM thỏa thuận ký hiệp định GSM MoU “Club”, với ngày khởi đầu tháng năm 1991 GSM từ viết tắt Global System for Mobile Communications (hệ thống thông tin di động toàn cầu), trước có tên Groupe Spécial Mobile Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM hệ thống thông tin tế bào số tích hợp toàn diện, phát triển Châu Âu nhanh chóng phát triển toàn giới Mạng thiết kế phù hợp với hệ thống ISDN dịch vụ mà GSM cung cấp hệ thống dịch vụ ISDN chuẩn Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 12 GVHD :Ths Hoàng Đình Chiến Phần 1_Chương : Giới thiệu hệ thống thông tin di động GSM GSM thiết kế hoạt động dải tần 890-915 MHz 935-960 MHz, 1.8GHz Một vài tiêu chuẩn đề nghị cho hệ thống :  Chất lượng âm thoại thực tốt  Giá dịch vụ thuê bao giảm  Hỗ trợ liên lạc di động quốc tế  Khả hỗ trợ thiết bị đầu cuối trao tay  Hỗ trợ phương tiện thuận lợi dịch vụ  Năng suất quang phổ  Khả tương thích ISDN Tiêu chuẩn ban hành vào tháng giêng năm 1990 hệ thống thương mại khởi đầu vào năm 1992 Tổ chức MoU (Memorandum of Understanding) thành lập nhà điều hành quản lý GSM cấp phép đầu tiên, lúc có 13 hiệp định ký kết đến có 191 thành viên khắp giới Tổ chức MoU có quyền lực tối đa, quyền định chuẩn GSM Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 13 GVHD :Ths Hoàng Đình Chiến Phần 1_Chương : Cấu trúc mạng GSM CHƯƠNG M CẤU TRÚC MẠNG GSM ạng GSM gồm nhiều khối chức khác Hình cho thấy cách bố trí mạng GSM tổng quát Mạng GSM chia thành ba phần Trạm di động (Mobile Station_MS) thuê bao giữ Hệ thống trạm gốc (Base Station Subsystem_BSS) điều khiển liên kết với trạm di động Hệ thống mạng (Network Subsystem_NS) phần trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động (Mobile services Switching Center_MSC), thực chuyển mạch gọi người sử dụng điện thoại di động, di động với thuê bao mạng cố định MSC xử lý hoạt động quản lý di động Trong hình trình bày trung tâm trì điều hành (Operations and Maintenance Center_OMS), giám sát điều hành cấu mạng Trạm di động hệ thống trạm gốc thông tin dùng giao tiếp Um, gọi giao tiếp không trung hay liên kết vô tuyến Hệ thống trạm gốc liên lạc với trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động dùng giao tiếp A Mô hình hệ thống thông tin di động tế bào TRẠM DI ĐỘNG Trạm di động (Mobile Station_MS) gồm có thiết bị di động (đầu cuối) card thông minh gọi module nhận dạng thuê bao (Subscriber Identity Module_SIM) SIM cung cấp thông tin cá nhân di động, người sử dụng truy cập vào dịch vụ thuê bao không phụ Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 14 GVHD :Ths Hoàng Đình Chiến Phần 1_Chương : Cấu trúc mạng GSM thuộc vào loại thiết bị đầu cuối Bằng cách gắn SIM vào đầu cuối GSM, người sử dụng nhận, gọi nhận dịch vụ thuê bao khác thiết bị đầu cuối Thiết bị di động nhận dạng số nhận dạng thiết bị di động quốc tế (International Mobile Equipment Identity_IMEI) SIM card chứa số nhận dạng thuê bao di động quốc tế (International Mobile Subscriber Identity_IMSI) sử dụng để nhận dạng thuê bao hệ thống, dùng để xác định chủ quyền thông tin khác Số IMEI IMSI độc lập SIM card bảo vệ chống lại việc sử dụng trái phép password số nhận dạng cá nhân HỆ THỐNG CON TRẠM GỐC Hệ thống trạm gốc gồm hai phần: trạm gốc thu phát (BTS) trạm gốc điều khiển (BSC) Hai hệ thống liên kết dùng giao tiếp Abis chuẩn hoá, cho phép điều hành phận cung cấp nhà sản xuất khác Trạm thu phát gốc nơi máy thu phát vô tuyến phủ cell điều khiển giao thức liên kết vô tuyến với trạm di động Trong thành phố lớn, có nhiều khả triển khai nhiều BTS, yêu cầu BTS phải xác, tin cậy, di chuyển giá thành thấp Trạm gốc điều khiển tài nguyên vô tuyến nhiều BTS Trạm điều khiển cách thiết lập kênh truyền vô tuyến, nhảy tần trao tay BSC kết nối trạm di động tổng đài di động (MSC) HỆ THỐNG MẠNG CON Thành phần hệ thống mạng tổng đài di động, hoạt động nút chuyển mạch bình thường PSTN ISDN, cung cấp tất chức cần có để điều khiển thuê bao di động, đăng ký, xác nhận, cập nhật tọa độ, trao tay, định tuyến gọi cho thuê bao liên lạc di động Những dịch vụ cung cấp chung với nhiều phận chức khác, tạo nên hệ thống mạng MSC cung cấp kết nối đến mạng cố định (như PSTN ISDN) Báo hiệu phận chức hệ thống mạng hệ thống báo hiệu số (SS7) sử dụng cho báo hiệu trung kế mạng ISDN mở rộng sử dụng mạng công cộng Bộ ghi định vị thường trú (HLR) ghi định vị tạm trú (VLR) với MSC cung cấp định tuyến gọi khả liên lạc di động GSM HLR chứa tất thông tin quản trị thuê bao đăng ký mạng GSM tương ứng, với vị trí di động Vị trí di động thường dạng địa báo hiệu VLR chứa trạm di động Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 15 GVHD :Ths Hoàng Đình Chiến Phần 1_Chương : Cấu trúc mạng GSM Bộ ghi định vị tạm trú (VLR) chứa thông tin quản trị chọn từ HLR, cần thiết cho điều khiển gọi cung cấp dịch vụ thuê bao, cho thuê bao nằm vùng địa lý điều khiển VLR Mặc dù phận chức thực độc lập tất nhà sản xuất thiết bị chuyển mạch sản xuất VLR chung với MSC, vùng địa lý điều khiển MSC tương ứng với điều khiển VLR đó, đơn giản hóa báo hiệu cần thiết Lưu ý MSC không chứa thông tin trạm di động – thông tin lưu trữ ghi vị trí Có hai ghi khác sử dụng cho mục đích xác nhận bảo mật Bộ ghi nhận thực thiết bị (EIR) sở liệu chứa danh sách tất thiết bị di động hợp lệ mạng, trạm di động xác nhận số nhận dạng thiết bị di động quốc tế (IMEI) Số IMEI bị đánh dấu không hợp lệ thông báo cắp không chấp thuận Trung tâm nhận thực AuC sở liệu bảo vệ chứa khóa mã SIM card thuê bao, sử dụng để nhận thực mã hóa kênh vô tuyến Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 16 GVHD :Ths Hoàng Đình Chiến Phần 1_Chương : Liên kết vô tuyến CHƯƠNG H LIÊN KẾT VÔ TUYẾN iệp hội liên lạc viễn thông quốc tế (ITU), quản trị định phổ vô tuyến quốc tế (và nhiều chức khác), định băng thông 890-915 MHz dùng cho kênh lên (trạm di động tới trạm gốc) 935-960 MHz dùng cho kênh xuống (trạm gốc đến trạm di động) cho mạng di động Châu Âu Vì tầm sử dụng đầu năm 1980 hệ thống analog, hội nghị bưu viễn thông Châu Âu (CEPT) dành trước 10 MHz đầu băng tần cho mạng GSM Cuối cùng, GSM định toàn băng thông 2x25 MHz ĐA TRUY CẬP VÀ CẤU TRÚC KÊNH Vì phổ vô tuyến tài nguyên hữu hạn dùng chung cho tất thuê bao, phương pháp phải đưa chia băng thông để nhiều thuê bao sử dụng tốt GSM chọn phương pháp kết hợp đa truy cập phân chia theo tần số thời gian (TDMA/FDMA) FDMA bao gồm chia tần số băng thông tối đa 25 MHz thành 124 tần số sóng mang cách 200 KHz Một BS có nhiều tần số sóng mang sử dụng kỹ thuật TDMA chia kênh vô tuyến 200 KHz thành khe thời gian (tạo kênh logic) Do kênh logic định nghóa tần số số khe thời gian khung TDMA Bằng cách áp dụng khe thời gian, kênh phát liệu số theo chuỗi “burst” ngắn : đầu cuối GSM phát khe thời gian Tám khe TDMA với 248 kênh bán song công vật lý tương ứng với tổng cộng 1984 kênh bán song công logic Điều tương ứng với 283 ( 1984/7) kênh bán song công logic cell cell sử dụng 1/7 tổng số tần số Sơ đồ phân chia tần số theo cell Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 17 GVHD :Ths Hoàng Đình Chiến Phần 1_Chương : Liên kết vô tuyến Bảy tập tần số đủ để phủ vùng lớn tùy ý, khoảng cách lặp lại d phải lớn hai lần bán kính lớn phủ máy phát Mỗi kênh tần số phân đoạn thành khe thời gian có chiều dài 0,577 ms (15/26ms) Tám khe tạo thành khung TDMA dài 4,615ms (=120/26ms) Mỗi khe lặp lại sau 4,615 ms tạo thành kênh Hệ thống GSM phân biệt kênh lưu lượng (Traffic Channel_TCH) (dùng cho liệu thuê bao) kênh điều khiển (Control Channel_CCH) (dùng cho thông điệp quản lý mạng) KÊNH LƯU LƯNG (TRAFFIC CHANNEL_TCH) Kênh lưu lượng dùng để chuyển âm thoại liệu TCH định nghóa sử dụng 26 khung đa khung (nghóa nhóm 26 khung TDMA) Chiều dài 26 khung đa khung 120 ms, chiều dài chu kì burst (120 ms / 26 khung / chu kì burst khung) Trong 26 khung đó, 24 khung dùng để lưu thông, khung dùng cho kênh điều khiển liên kết chậm (Slow Associated Control Channel_ SACCH) khung chưa dùng TCH dùng cho tuyến lên tuyến xuống cách khoảng thời gian burst để thuê bao không phát thu đồng thời, đơn giản hóa mạch điện tử Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 18 GVHD :Ths Hoàng Đình Chiến Phần 1_Chương : Liên kết vô tuyến Cấu trúc khung TDMA Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 19 GVHD :Ths Hoàng Đình Chiến Phần 1_Chương : Liên kết vô tuyến Dữ liệu truyền burst đặt khe thời gian Tốc đôï bit truyền 271 Kbps (chu kỳ bit 3,79 s) Do sai số theo thời gian, phân tán thời gian v.v…, burst liệu ngắn khe thời gian (148 thay 156,25 chu kỳ bit khe thời gian) KÊNH ĐIỀU KHIỂN (CONTROL CHANNEL_CCH) Các kênh chung di động truy cập chế độ nghỉ chế độ dành riêng Các kênh chung di động sử dụng chế độ nghỉ trao đổi thông tin báo hiệu cần thiết để chuyển qua chế độ nhận riêng Di động chế độ dành riêng giám sát trạm gốc xung quanh để trao tay thông tin khác Các kênh chung có 51 khung đa khung để dành riêng di động sử dụng cấu trúc TCH 26 khung đa khung giám sát kênh điều khiển Các kênh chung gồm :  Kênh quảng bá điều khiển (Broadcast Control Channel_BCCH) : phát liên tục tuyến xuống, thông tin gồm đồng trạm gốc, định tần số chuỗi nhảy tần  Kênh hiệu chỉnh tần số (Frequency Correction Channel_FCCH) kênh đồng (Synchronisation_SCH) : sử dụng để đồng di động với cấu trúc khe thời gian cell cách định nghóa biên chu kỳ burst, số khe thời gian Mỗi cell mạng GSM phát xác FCCH SCH dùng định nghóa khe thời gian thứ (trong khung TDMA)  Kênh truy cập ngẫu nhiên (Random Access Channel_RACH) : di động sử dụng kênh Aloha khe để truy cập vào mạng  Kênh tìm gọi (Paging Channel_PCH) : dùng để báo cho di động biết có gọi đến  Kênh cho phép truy cập (Access Grant Channel_AGCH) : định kênh điều khiển dành riêng đứng (Standalone Dedicated Control Channel_SDCCH) cho di động báo hiệu (để có kênh dành riêng), theo yêu cầu kênh truy cập ngẫu nhiên (RACH) CẤU TRÚC BURST Burst đơn vị phát GSM Việc phát xảy cửa sổ thời gian (576+12/13) s, nghóa suốt chu kỳ bit (156 + ¼) Một burst thông thường chứa hai gói 58 bit (57 bit liệu + bit dư (stealing bit)) chuỗi huấn luyện 26 bit Chuỗi huấn luyện 26 bit chuỗi biết trước dùng so sánh với chuỗi tín hiệu thu để xây dựng lại tín hiệu gốc (cân Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 20 GVHD :Ths Hoàng Đình Chiến Phần 1_Chương : Liên kết vô tuyến đa đường) Việc thực thật cân không rõ kỹ thuật GSM Ba bit đuôi thêm vào bên GSM sử dụng nhảy tần thấp trạm gốc di động phát khung TDMA tần số sóng mang khác Thuật toán nhảy tần phát kênh điều khiển vô tuyến (Broadcast Control Channel) Vì fading đa đường độc lập với tần số sóng mang, nhảy tần thấp làm giảm nhẹ vấn đề Việc nhảy tần tùy chọn cell trạm gốc không thiết phải có chức BIẾN ĐỔI ÂM THOẠI SANG SÓNG VÔ TUYẾN Hình sau mô tả chuỗi chức biến đổi từ âm thoại sang sóng vô tuyến ngược lại 5.1Mã hóa âm thoại GSM GSM hệ thống số, mà âm thoại lại tín hiệu tương tự nên phải số hóa Phương pháp mà ISDN hệ thống điện thoại dùng cho đường ghép kênh thoại truyền qua trung kế tốc độ cao, cáp quang điều chế mã xung (PCM) PCM có tốc độ bit 64Kbps, tốc độ cao truyền qua liên kết vô tuyến GSM có nhiều thuật toán mã hóa tiếng nói sở chất lượng tiếng nói thực độ phức tạp (liên quan đến giá cả, xử lý độ trễ tiêu thụ công suất) trước đưa đến chọn lựa phương pháp kích xung _ mã hóa dự đoán tuyến tính (RPE _ LPC) với vòng dự đoán dài Về bản, thông tin từ mẫu trước, không thay đổi nhanh, dùng để dự đoán mẫu Các hệ số kết hợp tuyến tính mẫu trước đó, cộng thêm dạng mã hóa phần lại, sai số mẫu dự đoán mẫu thực, biểu diễn tín hiệu Tiếng nói lấy mẫu chu kỳ 20ms, mẫu mã hóa thành 260 bit, với tốc độ bit 13Kbps Đây mã hóa tiếng nói toàn tốc Gần đây, vài nhà điều hành GSM1900 Bắc Mỹ thực thuật toán mã hóa tiếng nói toàn tốc cấp cao (EFR) Phương pháp tăng chất lượng tiếng nói dựa tốc độ sử dụng 13Kbps Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 21 GVHD :Ths Hoàng Đình Chiến Phần 1_Chương : Liên kết vô tuyến 5.2Mã hóa kênh truyền GSM Mã kênh truyền thêm bit dư vào dòng liệu cho phép phát hiện, chí sửa lỗi bit sinh trình truyền Thuật toán mã hóa tiếng nói đưa khối 260 bit 20ms (nghóa tốc độ 13Kbps) Trong giải mã, khối bit tiếng nói giải mã biến đổi thành mẫu tiếng nói mã đồng dạng 13 bit 260 bit khối tiếng nói phân thành hai nhóm 78 bit loại II quan trọng không bảo vệ 182 bit loại I cắt thành 50 bit loại Ia 132 bit loại Ib (xem hình sau) Mẫu tiếng nói : khối = 260 bit (20ms) Đầu tiên bit loại Ia bảo vệ bit parity để phát lỗi Sau bit loại Ib cộng vào thêm bit đuôi trước đưa vào mã chập với tốc độ r= ½ chiều dài bắt buộc K= Kết 378 bit cộng vào với 78 bit loại II bảo vệ cho kết khung mã tiếng nói hoàn toàn 456 bit (trong hình) Kiểu truyền TCH/FS Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 22 GVHD :Ths Hoàng Đình Chiến Phần 1_Chương : Liên kết vô tuyến 5.2.1 Mã phát lỗi GSM chuẩn dùng mã bit lỗi dư phép đánh giá xác bit khung thoại (50 bit loại Ia) Nếu bit bị sai, điều tạo nhiễu lớn thay cho phần tiếng nói 20 ms Phát lỗi cho phép khối bị sai thay vài nhiễu (như phép ngoại suy khối dự đoán) Đa thức trình bày mã phát loại bit Ia G(X) = X + X + Ở bên thu, hoạt động tương tự phép chia có dư, lỗi phát khung tần số âm loại bỏ cuối 5.2.2 Mã hóa chập / giải mã Trong trình truyền, mã hóa chập kết phép chập chuỗi tín hiệu sử dụng công thức tích chập khác Mã chập GSM có thêm bit (mức 0) vào đầu chuỗi 185 bit, sau áp dụng hai biểu thức tích chập khác : G1(X) = X4 + X3 + vaø G2(X) = X4 + X3 + X + Kết cuối gồm hai chuỗi 198 bit Bộ giải mã chập sử dụng thuật toán Viterbi, giải mã logic Viterbi khảo sát song song liệu user chuỗi Nó mã hóa so sánh liệu dựa vào chuỗi thu chọn giá trị phù hợp : giải mã khả xảy lớn Để làm giảm độ phức tạp (số chuỗi liệu nhân đôi với bit liệu thêm vào), giải mã nhận thời điểm chuỗi không thuộc vào đường có khả xảy lớn hủy chuỗi Bộ nhớ mã hoá giới hạn K bit, giải mã Viterbi hoạt động lớn giữ k-1 đường Độ phức tạp tăng theo hàm mũ K Tốc độ mã hoá chập GMS dòng liệu 378 bit 20ms, nghóa 18,9Kbps Tuy nhiên, trước điều chế tín hiệu này, 78 bit loại II không bảo vệ cộng thêm vào Do đó, tốc độ bit GMS 456 bit 20ms, nghóa 22,8Kbps 5.3Đan xen rút (Interleaving /De–interleaving ) Đan xen có nghóa vị trí bit liên quan không tương quan từ mã burst vô tuyến điều chế Mục tiêu thuật toán đan xen tránh rủi ro bit liệu liên tiếp Các khối tiếng nói toàn tốc GSM đan xen vào burst : 456 bit khối chia thành burst khối 57 bit Một khối định nghóa bit đánh số chẵn lẻ liệu mã hóa burst Các burst khác mang khối 57 bit khung TDMA khác Vì thế, burst chứa hai khối tiếng nói liên Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 23 GVHD :Ths Hoàng Đình Chiến Phần 1_Chương : Liên kết vô tuyến tiếp A B Để triệt liên quan bit liên tiếp nhau, bit khối A vị trí chẵn burst bit khối B vị trí lẻ (xem hình) Rút (De–interleaving) trình ngược lại Trở ngại trình đan xen độ trễ tương ứng : thời gian truyền từ burst thứ đến burst cuối khối khung TDMA ( nghóa khoảng 37ms) 5.4Mã hóa – giải mã Một biện pháp bảo mật giới thiệu GSM mã hóa đường truyền Phương pháp mã hóa không phụ thuộc loại liệu phát (âm thoại, liệu báo hiệu) áp dụng cho burst thông thường Mã hóa cách thực phép XOR chuỗi giả ngẫu nhiên 114 bit cần truyền burst thông thường (nghóa tất bit thông tin ngoại trừ hai bit cờ dư) Chuỗi giả ngẫu nhiên lấy từ số burst phiên khóa thành lập trước qua ý nghóa báo hiệu Giải mã theo trình tự 5.5Điều chế / giải điều chế GMS sử dụng phương pháp điều chế GMSK với hệ số điều chế h=0.5, BT= 0.3 (băng thông lọc nhân với chu kỳ bit) tốc độ điều chế 271Kbps (= 270 ) Phương pháp điều chế GMSK chọn dung hòa công suất phổ cao (1bit/Hz) độ phức tạp giải điều chế hợp lý Đường bao số cho phép sử dụng khuếch đại công suất đơn giản xạ dải băng thấp gây ảnh hưởng nhiễu lên kênh kế cận GMSK khác MSK sử dụng lọc Gauss trước điều chế Đáp ứng xung miền thời gian lọc cho phương trình sau, với k1  Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu x ln B băng thông nửa công suất 24 GVHD :Ths Hoàng Đình Chiến Phần 1_Chương : Liên kết vô tuyến k B  k B 2t h(t )  e  Sơ đồ khối điều chế GMSK Thuật toán Viterbi sử dụng cân ước tính chuỗi có khả xảy lớn (MLSE) Vì máy thu GSM chứa hai cài đặt khác thuật toán Viterbi 5.6Mức công suất RF Các thiết bị vô tuyến GSM phân loại dựa vào mức công suất khác tương ứng với mức công suất phát Bảng sau trình bày đặc điểm mức công suất trạm di động trạm gốc Mức công suất trạm di động nhỏ 20mW (13dBm) Mức công suất Công suất lớn trạm di động / (dBm) 20 W (43) W (39) W (37) W (33) 0.8 W (29) Công suất lớn trạm gốc / (dBm) 320 W (55) 160 W (52) 80 W (49) 40 W (46) 20 W (43) 10 W (40) W (37) 2.5 W (34) Các mức công suất hệ thống GSM CÂN BẰNG ĐA ĐƯỜNG Ở tần số 900 MHz, sóng vô tuyến bị tán xạ cao ốc, đồi núi, xe cộ, máy bay… Do có nhiều tín hiệu phản xạ, tín hiệu có pha khác đến antenna Ta sử dụng cân lấy tín hiệu mong muốn từ sóng phản xạ Bộ cân hoạt động tìm tín hiệu phát Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 25 GVHD :Ths Hoàng Đình Chiến Phần 1_Chương : Liên kết vô tuyến biết trước bị méo dạng fading đa đường xây dựng lọc ngược lấy phần lại tín hiệu mong muốn Tín hiệu biết trước chuỗi huấn luyện 26 bit phát burst khe thời gian Cấu trúc cân không nêu rõ bảng chi tiết GSM NHẢY TẦN Trạm di động có đặc tính biến đổi nhanh, nghóa di chuyển khe thời gian phát, thu giám sát khung TDMA, thường tần số khác GSM sử dụng khả chuyển tần nhanh để thực nhảy tần chậm mà di động BTS phát tần số sóng mang khác khung TDMA Thuật toán nhảy tần phát kênh quảng bá điều khiển (BCC) Vì fading đa đường phụ thuộc vào tần số sóng mang, nhảy tần chậm làm giảm bớt vấn đề Hơn nữa, nhiễu đồng kênh có đặc tính ngẫu nhiên TRUYỀN PHÁT GIÁN ĐOẠN Cực tiểu hóa nhiễu đồng kênh mục tiêu hệ thống tế bào nào, nên cho phép cung cấp dịch vụ tốt với kích thước cell cho trước, sử dụng cell nhỏ hơn, tăng dung lượng toàn hệ thống Truyền phát gián đoạn (DTX) phương pháp có ưu điểm : người nói thông thường 40% thời gian đàm thoại, nên tắt máy phát suốt thời gian im lặng Một ưu điểm khác DTX trì công suất thuê bao di động Một thành phần quan trọng DTX phát tích cực tiếng (VAD) Máy phải phân biệt ngõ vào âm thoại nhiễu, công việc không dễ dàng nhiễu xuất Nếu tín hiệu thoại bị hiểu sai nhiễu, máy phát tắt máy thu nghe bị cắt xén gây tác dụng khó chịu Mặt khác nhiễu thường hay bị hiểu sai tín hiệu thoại, hiệu suất DTX giảm xuống đột ngột Một yếu tố khác xem xét máy phát tắt máy thu hoàn toàn im lặng chất số GSM Để bảo đảm máy thu kết nối liên tục, nhiễu “đẹp” tạo máy thu THU GIÁN ĐOẠN Một phương khác sử dụng để bảo tồn công suất máy di động thu gián đoạn Kênh tìm gọi (PCH) trạm gốc phát báo hiệu gọi tới, chia thành kênh Mỗi trạm di động lắng nghe kênh Trong khoảng thời gian kênh tìm gọi liên tiếp, di động chuyển sang chế độ ngủ, gần không tiêu thụ công suất 10 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 26 GVHD :Ths Hoàng Đình Chiến Phần 1_Chương : Liên kết vô tuyến Mạng định nghóa hai loại trạm di động tùy thuộc vào công suất phát đỉnh chúng, gồm 20; 8; 5; 2; 0.8 W Để cực tiểu hóa nhiễu đồng kênh bảo tồn công suất, trạm di động trạm thu phát gốc hoạt động với mức công suất thấp mà trì chất lượng tín hiệu chấp nhận Mức công suất lên xuống nấc 2dB từ công suất đỉnh loại, giảm xuống tối thiểu 13 dBm (20 mW) Trạm di động đo cường độ tín hiệu chất lượng tín hiệu (dựa tỷ số sai bit) chuyển thông tin đến điều khiển trạm gốc BSC, cuối định có thay đổi mức công suất hay không Điều khiển công suất phải cẩn thận có khả dao động Điều xuất di động tế bào đồng kênh nhận tín hiệu tăng mức công suất tế bào xét (để triệt nhiễu đồng kênh) làm tăng thêm nhiễu đồng kênh tế bào xét Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 27 GVHD :Ths Hoàng Đình Chiến Phần 1_Chương : Mạng GSM CHƯƠNG MẠNG GSM B ảo đảm truyền thoại hay liệu với chất lượng cho trước qua liên kết vô tuyến phần chức mạng di động tế bào Một di động GSM di chuyển không phân biệt nước hay quốc tế, yêu cầu có chức đăng ký, nhận thực, định tuyến gọi, cập nhật vị trí chuẩn hóa mạng GSM Hơn nữa, mạng phủ vùng địa lý chia thành cell đòi hỏi phải thực cấu trao tay Hệ thống mạng thực chức này, sử dụng phần ứng dụng di động (MAP) xây dựng hệ thống báo hiệu số Cấu trúc giao thức báo hiệu mạng GSM Giao thức báo hiệu GSM chia thành ba lớp tổng quát, phụ thuộc vào giao tiếp hình Lớp lớp vật lý dùng giao tiếp không trung Lớp hai lớp liên kết liệu Thông qua giao tiếp Um, lớp liên kết liệu phiên sửa đổi giao thức LAPD (các thủ tục truy tìm kênh D) sử dụng ISDN gọi LAPDm (các thủ tục truy cập đường truyền kênh Dm) Thông qua giao tiếp A, lớp hai sử dụng phần truyền tin (MTP) hệ thống báo hiệu số Giao thức báo hiệu GSM lớp ba chia thành ba lớp con:  Quản lý tài nguyên vô tuyến: điều khiển thiết lập, trì, chấm dứt kênh vô tuyến cố định gồm trao tay  Quản lý di động: quản lý việc cập nhật vị trí thủ tục đăng ký bảo mật nhận thực  Quản lý nối thông: điều khiển gọi tổng quát, tương tự với khuyến nghị Q.931 CCITT, quản lý dịch vụ bổ sung dịch vụ tin ngắn Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 27 GVHD :Ths Hoàng Đình Chiến Phần 1_Chương : Mạng GSM Báo hiệu toàn khối khác phần cố định mạng, HLR VLR, thực thông qua phần ứng dụng di động (MAP) MAP xây dựng phần ứng dụng khả chuyển tác (TCAP), lớp hệ thống báo hiệu số Bản chi tiết kỹ thuật MAP phức tạp tài liệu dài khuyến nghị GSM QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN Lớp quản lý tài nguyên vô tuyến (RR) giám sát việc thành lập kết nối, vô tuyến cố định, trạm di động MSC Các thành phần chức gồm trạm di động, phân hệ trạm gốc MSC Lớp RR phụ trách quản lý phiên RR thời điểm di động chuyển qua chế độ dành riêng, cấu hình kênh vô tuyến gồm định kênh dành riêng Một phiên RR luôn bắt đầu trạm di động qua thủ tục truy cập, gọi đi, trả lời thông điện nhắn tin Chi tiết thủ tục truy cập nhắn tin, kênh dành riêng thực gán cho di động cấu trúc kênh nhắn tin con, xử lý lớp RR Hơn nữa, phiên xử lý quản lý đặc trưng vô tuyến điều khiển công suất, truyền nhận gián đoạn, điều chỉnh thời gian TRAO TAY Trong mạng tế bào, yêu cầu liên kết vô tuyến cố định không luôn rõ suốt gọi Trao tay chuyển mạch gọi từ kênh hay cell khác Sự thực phép đo yêu cầu cho việc trao tay chức lớp RR Có loại trao tay hệ thống GSM, gồm chuyển gọi giữa:  Các kênh (các khe thời gian) cell  Các cell (các trạm thu phát gốc) điều khiển BSC  Các cell điều khiểu BSC khác MSC  Cell điều khiển MSC khác Hai loại trao tay gọi trao tay trong, BSC Để tiết kiệm băng thông báo hiệu, BSC quản lý hai loại này, không liên quan đến MSC, trừ thông báo với MSC hoàn tất trao tay Hai loại trao tay cuối, gọi trao tay ngoài, xử lý MSC Một vấn đề quan trọng GSM MSC neo, trì trách nhiệm lại cho hầu hết Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 28 GVHD :Ths Hoàng Đình Chiến Phần 1_Chương : Mạng GSM chức liên quan đến gọi ngoại trừ trao tay BSC đến sau điều khiển MSC MSC thuê bao bắt đầu thực trao tay Trong suốt khe thời gian nghỉ việc trao tay, thuê bao di động quét kênh quảng bá điều khiển cell lân cận (có thể lên đến 16 cell), lập danh sách sáu cell tốt thực trao tay, dựa cường độ tín hiệu nhận Thông tin chuyển đến BSC MSC, lần giây, sử dụng thuật toán trao tay Thuật toán định thời điểm trao tay không rõ khuyến nghị GSM Có hai loại thuật toán bản, hai giống việc điều khiển công suất Điều BSC thường hay chất lượng tín hiệu xấu fading đa đường thuê bao di động chuyển qua cell khác Điều đặc biệt trường hợp cell thành thị nhỏ Thuật toán “hiệu suất chấp nhận cực tiểu” đưa ưu tiên điều khiển công suất cho trao tay, cho tín hiệu giảm xuống ngưỡng đó, mức công suất di động tăng lên Nếu việc tăng công suất không cải thiện tín hiệu xem xét việc trao tay Đây phương pháp thông thường đơn giản hơn, đường bao cell bị nhòe thuê bao di động phát công suất đỉnh xa đường bao cell gốc vào cell khác Phương pháp “power budget” sử dụng trao tay để thử trì cải thiện mức chất lượng tín hiệu nhỏ mức công suất Vì phương pháp ưu tiên trao tay vượt điều khiển công suất Điều tránh vấn đề “nhòe” đường bao cell giảm nhiễu đồng kênh phức tạp QUẢN LÝ DI ĐỘNG Lớp quản lý di động (MM) xây dựng lớp RR, xử lý chức xuất di chuyển tế bào vấn đề nhận thực bảo mật Quản lý vị trí liên quan đến thủ tục cho phép hệ thống biết vị trí trạm di động để tuyến gọi di động hoàn thành 2.1 Cập nhật vị trí Thuê bao di động thông báo gọi đến thông điệp ngắn gửi qua kênh chấp thuận truy cập nhắn tin (PAGCH) cell Một tin phát cell mạng cho gọi, dễ thấy phí phạm băng thông vô tuyến Một phương pháp khác dùng cho di động thông báo cho hệ thống, thông qua thông điệp cập nhật vị trí phát Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 29 GVHD :Ths Hoàng Đình Chiến Phần 1_Chương : Mạng GSM đến cell riêng lẻ chứa vị trí thuê bao di động Điều yêu cầu thông điệp ngắn gửi đến xác cell Thủ tục cập nhật vị trí, định tuyến gọi đến sau sử dụng MSC hai ghi định vị vị trí : ghi định vị thường trú (HLR) ghi định vị tạm thời (VLR) Khi trạm di động chuyển qua vị trí tổng đài PLMN khác phải đăng kí với mạng vị trí Trong trường hợp bình thường, thông điệp cập nhật vị trí gửi tới MSC / VLR mới, lưu thông tin vùng vị trí, sau thông báo vị trí đến HLR thuê bao Thông tin gởi tới HLR thường địa SS7 VLR mới, số định tuyến Lý số định tuyến không gán bình thường, cho dù giảm tín hiệu có số hữu hạn số định tuyến cho phép MSC/VLR mới, chúng định yêu cầu gọi tới Nếu thuê bao quyền truy cập dịch vụ, HLR gửi phần thông tin thuê bao cần điều khiển gọi đến MSC/VLR gởi thông điệp đến MSC/VLR cũ để hủy đăng ký trước Để đảm bảo tin cậy hơn, GSM có thủ tục cập nhật vị trí theo chu kỳ Nếu HLR MSC/VLR sai, đồng thời có đăng ký thuê bao sở liệu, dẫn đến tải Do sở liệu cập nhật cập nhật vị trí Nhà điều hành qui định cập nhật theo chu kỳ chu kỳ thời gian lần cập nhật Nếu di động không đăng ký lại sau chu kỳ cập nhật, thuê bao bị xóa tên Một thủ tục liên quan đến việc cập nhật vị trí gắn gỡ số nhận dạng thuê bao di động quốc tế (IMSI) Việc gỡ cho mạng biết trạm di động không tiếp cận tránh phải định kênh truyền gửi thông điệp ngắn thừa Việc gán tương tự cập nhật vị trí, báo cho hệ thống biết thuê bao di động truy cập trở lại Hoạt động việc gán gỡ IMSI phụ thuộc vào nhà điều hành cell 2.2 Nhận thực bảo mật Vì cập nhật vào sóng vô tuyến, nhận thực người sử dụng để xác định người sử dụng ai, yếu tố quan trọng mạng di động Nhận thực gồm hai phần SIM card máy di động trung tâm nhận thực (AuC) Mỗi thuê bao cho khóa mã lưu SIM card AuC Suốt trình nhận thực, AuC phát số ngẫu nhiên gửi tới động Sau di động AuC sử dụng số ngẫu nhiên đó, kết hợp với khóa mã thuê bao thuật toán mã hóa A3, để phát dấu hiệu trả lời (SRES) trở lại AuC Nếu di động gửi số giống vớí số AuC tính thuê bao nhận thực Cùng số ngẫu nhiên ban đầu khóa mã dùng để tính khóa mã hóa sử dụng thuật toán A8 Khóa mã hóa với số khung TDMA sử dụng thuật toán A5 tạo chuỗi 114 bit XOR với 114 bit burst (2 khối 57 bit) Việc mã hóa tùy chọn gây ảo Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 30 GVHD :Ths Hoàng Đình Chiến ... Hệ thống trạm gốc liên lạc với trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động dùng giao tiếp A Mô hình hệ thống thông tin di động tế bào TRẠM DI ĐỘNG Trạm di động (Mobile Station_MS) gồm có thiết bị di. ..Phần 1_Chương : Giới thiệu hệ thống thông tin di động GSM GSM thiết kế hoạt động dải tần 890-915 MHz 935-960 MHz, 1.8GHz Một vài tiêu chuẩn đề nghị cho hệ thống :  Chất lượng âm thoại... trạm di động tổng đài di động (MSC) HỆ THỐNG MẠNG CON Thành phần hệ thống mạng tổng đài di động, hoạt động nút chuyển mạch bình thường PSTN ISDN, cung cấp tất chức cần có để điều khiển thuê bao di