Báo cáo kỹ thuật truyền số liệu đề tài hệ thống mạng di động gsm

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ⁂  BÁO CÁO KỸ THUẬT TRUYỀN SỐ LIỆU ĐỀ TÀI: “Hệ thống mạng di động GSM” GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: ThS Mai Văn Hà SINH VIÊN THỰC HIỆN: Trần Thị Thu Hiền Phạm Mai Phượng Trương Cơng Văn NHĨM – LỚP HỌC PHẦN: Nhóm – 19N15 Đà Nẵng, 11/2021 Hệ thống thông tin di động GSM MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN GSM 1.1 Giới thiệu GSM 1.2 Cấu trúc hệ thống GSM 1.2.1 Trạm di động (MS) 1.2.2 Hệ thống trạm sở phụ (BSS) .7 1.2.3 Trung tâm chuyển mạch di động (MSC) 1.3 Các vấn đề an ninh GSM 1.3.1 Giới thiệu 1.3.3 Nhận thực .10 1.3.4 Mật hóa 11 1.3.5 Nhận dạng thuê bao di động tạm thời (TMSI) 12 CHƯƠNG 2: GIAO DIỆN VÔ TUYẾN TRONG GSM 13 2.1 Giới thiệu 13 2.2 Các khu vực mạng GSM 13 2.3 Các băng tần số GSM 13 2.4 Tổ chức kênh cụm hệ thống GSM 15 2.4.1 Kênh vật lý .16 2.4.2 Cấu trúc cụm (Burst) .17 2.4.3 Kênh logic 19 2.4.4 Ánh xạ kênh logic lên kênh vật lý 21 2.4.5 Sử dụng lại tần số 22 2.4.6 Q trình xử lí tín hiệu thoại GSM 26 2.4.7 Điều khiển tài nguyên vô tuyến GSM 32 CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH CHUYỂN GIAO TRONG GSM 41 3.1 Thực thi chuyển giao 41 3.2 Các loại chuyển giao 42 3.2.1 Chuyển giao BTS 43 3.2.2 Chuyển giao BSC 44 3.2.3 Chuyển giao MSC .45 3.2.4 Chuyển giao MSC 46 Hệ thống thông tin di động GSM DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Cấu trúc hệ thống GSM Hình Quá trình nhận thực mật hoá GSM 12 Hình Băng tần GSM900 GSM1800 15 Hình Cấu trúc đa khung 26 khung 17 Hình Khoảng cách cell lân cận .23 Hình Khoảng cách sử dụng lại tần số 24 Hình Dùng chung tần số 25 Hình Phát tín hiệu cell 25 Hình Xử lí tín hiệu GSM 26 Hình 10 Đan xen tiếng toàn tốc mức 28 Hình 11 Phản ứng xung 30 Hình 12 Phản ứng tần số .31 Hình 13 Phản ứng xung lọc GMSK 31 Hình 14 Đầu lọc băng gốc 32 Hình 15 Chuyển giao mạng GSM .43 Hình 16 Chuyển giao BTS 44 Hình 17 Chuyển giao BSC 44 Hình 18 Chuyển giao MSC 45 Hình 19 Chuyển giao MSC 46 Hệ thống thông tin di động GSM LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại cơng nghiệp hóa, đại hóa nay, quan trọng việc truyền liệu thông tin di động ngày tăng Hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobile Communications, viết tắt: GSM) công nghệ dùng cho mạng thông tin di động Dịch vụ GSM sử dụng tỷ người 212 quốc gia vùng lãnh thổ Các mạng thơng tin di động GSM cho phép roaming với máy điện thoại di động GSM mạng GSM khác sử dụng nhiều nơi giới Thơng tin di động cịn cung cấp tính ưu việt chất lượng dịch vụ, tính bảo mật thông tin, thiết bị nhỏ gọn, linh hoạt việc di chuyển, dịch vụ ngày đa dạng truyền hình di động, truyền video chất lượng cao, kết nối mạng internet với việc phát triển hệ thống thông tin di động lên hệ thống thông tin di động băng rộng (3G) vv GSM chuẩn phổ biến cho điện thoại di động (ĐTDĐ) giới Khả phú sóng rộng khắp nơi chuẩn GSM làm cho trở nên phổ biến giới, cho phép người sử dụng sử dụng ĐTDĐ họ nhiều vùng giới Đứng phía quan điểm khách hàng, lợi GSM chất lượng gọi tốt hơn, giá thành thấp dịch vụ tin nhắn Thuận lợi nhà điều hành mạng khả triển khai thiết bị từ nhiều người cung ứng GSM cho phép nhà điều hành mạng sẵn sàng dịch vụ khắp nơi, người sử dụng sử dụng điện thoại họ khắp nơi giới Song song tồn phát triển với cơng nghệ GSM cịn có cơng nghệ khác CDMA (công nghệ đa truy cập theo mã) công nghệ tiên tiến đối thủ GSM lính vực cơng nghệ truyền thơng di động, Việt Nam công nghệ nhà khai thác dịch vụ như: S-Fone, Hà Nội Telecom, ETC Cơng nghệ GSM địi hỏi vốn đầu tư ban đầu tốn CDMA Đây lý CDMA chưa phát triển rộng rãi Việt Nam Bài cáo cáo tìm hiểu hệ thống thơng tin di động tồn cầu (GSM), bao gồm: Hệ thống thơng tin di động GSM • Chương 1: Giới thiệu tổng quan mạng GSM Kiến trúc GSM • Chương 2: Giao diện vơ tuyến GSM • Chương 3: Chuyển giao mạng GSM Giới thiệu loại chuyển giao xảy mạng Phân tích q trình chuyển giao Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Mai Văn Hà, người nhiệt tình hướng dẫn, bảo, cung cấp nhiều tài liệu giúp chúng em củng cố thêm kiến thức tới hoàn thành báo cáo Hệ thống thông tin di động GSM CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN GSM Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) giới đời châu Âu có tên GSM Ban đầu hệ thống gọi “nhóm đặc trách di động” (Group Special Mobile) theo tên gọi nhóm CEPT cử nghiên cứu tiêu chuẩn Sau để tiện cho việc thương mại hoá GSM gọi hệ thống thơng tin di động tồn cầu “Global System for Mobile communication” 1.1 Giới thiệu GSM Năm 1982, quan quản lí viễn thơng châu Âu (CEPT) thành lập nhóm đặc trách di động (Groupe Special Mobile - GSM) với nhiệm vụ tìm hệ thống vơ tuyến tế bào tồn châu Âu hoạt động dải 900 MHz Hệ thống hình thành để khắc phục hạn chế thấy rõ dung lượng hệ thống tương tự triển khai số nước châu Âu (ví dụ NMT nước Bắc Âu) Tiêu chuẩn tế bào toàn châu Âu phải hỗ trợ lưu động (roaming) quốc tế tạo đà phát triển cho ngành công nghiệp viễn thông châu Âu Sau thảo luận ban đầu, ba nhóm làm việc (WP) thành lập để xử lí công việc cụ thể việc xác định hệ thống, sau nhóm thứ thành lập tiếp Năm 1986 phận thường trực lập Pari để phối hợp hoạt động nhóm làm việc quản lí việc tạo khuyến nghị hệ thống Các WP yêu cầu xác định giao diện hệ thống cho máy di động, dù dạng cầm tay hay lắp xe, lưu động qua nước có triển khai hệ thống truy cập tất dịch vụ So với hệ thống tương tự có, hệ thống phải có dung lượng cao hơn, chi phí vận hành thấp chất lượng tiếng nói phải tốt Dải tần chung tồn châu Âu cho hệ thống 890-915 MHz 935-960 MHz Trong năm 1987 kết thử nghiệm đánh giá thảo luận cuối đạt thỏa thuận đặc trưng chủ yếu hệ thống Đến tháng 6/1987 định chọn TDMA dải hẹp, với kênh sóng mang (có thể mở rộng đến 16 kênh/sóng mang) Mã hóa tiếng nói chọn loại RPELPC (dự đốn tuyến tính kích thích xung đều) với tốc độ bit 13 kb/s Mã kênh chọn mã xoắn, kiểu điều chế chọn GMSK nhờ hiệu phổ cao Hệ thống thơng tin di động GSM Ở Việt Nam, GSM đưa vào sử dụng từ năm 1993 Hiện nhà cung cấp dịch vụ viễn thông lớn như: Vinaphone, MobiFone, Viettel sử dụng cơng nghệ GSM 1.2 Cấu trúc hệ thống GSM Hình Cấu trúc hệ thống GSM Một mạng GSM bao gồm số thực thể chức năng, có chức giao diện xác định.Các mạng GSM chia thành ba phần lớn mô tả Như thấy từ hình vẽ, MS BS truyền thơng qua giao diện Um, cịn gọi giao diện không gian liên kết radio Các BSS giao tiếp với MSC qua giao diện A Hệ thống GSM bao gồm hệ thống bản: hệ thống chuyển mạch SS, hệ thống trạm gốc BSS trạm di động MS Mổi hệ thống chứa số chức khác như: chuyển mạch, quản lý nhận dạng thiết bị, tính cước vv tạo nên hệ thống mạng di động liên kết 1.2.1 Trạm di động (MS) MS thuê bao, thiết bị mà người dùng sử dụng để thông tin với (điện thoại di động, máy fax,…) MS bao gồm thiết bị đầu cuối (TE) thẻ thông minh gọi Subscriber Identity Module (SIM) Hệ thống thông tin di động GSM SIM: thẻ thơng minh có kích thước thẻ tín dụng nhỏ hơn, thuê bao sử dụng để “cá nhân hóa” ME SIM cung cấp di động cá nhân, để người dùng tiếp cận với dịch vụ thuê bao không phân biệt thiết bị đầu cuối cụ thể Ngoài ra, thẻ SIM nơi thực tế mà mạng GSM tìm thấy số điện thoại người sử dụng Như vậy, cách chèn thẻ SIM vào thiết bị đầu cuối GSM, người dùng sử dụng thiết bị đầu cuối để nhận gọi, thực gọi dịch vụ người dùng đăng ký khác sử dụng số điện thoại SIM có vùng nhớ cố định để nhớ thông tin liên quan đến thuê bao (gồm IMSI) Số dùng để nhận dạng thuê bao mạng GSM dài không 15 chữ số thập phân Ba chữ số mã nước di động (NMC), dùng để nhận dạng nước mà thuê bao đăng kí Hai chữ số mã mạng di động (MNC) dùng để nhận dạng mạng PLMN thường trú thuê bao nước Các chữ số lại IMSI số nhận dạng thuê bao di động (MSIN) dùng để xác định thuê bao mạng PLMN Ngoài ra, SIM cịn chứa chìa khóa nhận dạng mật th bao, Ki, thuật toán nhận dạng A3 thuật toán tạo chìa khóa mật mã A8 Tất khoản (bắt buộc phải có) lưu SIM bảo vệ chặt chẽ Ngồi SIM cịn chứa số chức tùy chọn khác quay số tắt, danh bạ v.v Cũng nhờ có SIM mà thuê bao dễ dàng thay đổi ME khác nhau, ví phải sửa chữa ME Các thiết bị đầu cuối GSM thực tế xác định số nhận dạng thiết bị di động quốc tế (IMEI) Các thẻ SIM chứa số nhận dạng thuê bao di động quốc tế (IMSI) sử dụng để xác định thuê bao vào hệ thống, chìa khóa bí mật để xác thực, thông tin khác IMEI IMSI độc lập với nhau, cho phép di động cá nhân Ngồi ra, thẻ SIM bảo vệ chống sử dụng trái phép mật số nhận dạng cá nhân 1.2.2 Hệ thống trạm sở phụ (BSS) MS liên lạc với trạm thu phát gốc (BTS) qua giao diện vô tuyến Um BTS thực tất chức thu phát liên quan đến giao diện vơ tuyến GSM xử lí tín hiệu mức độ định Về số phương diện coi BTS modem vơ tuyến Hệ thống thơng tin di động GSM phức tạp nhận tín hiệu vô tuyến đường lên từ MS biến đổi thành liệu để truyền đến máy khác mạng GSM, nhận liệu từ mạng GSM biến đổi thành tín hiệu vơ tuyến phát đến MS Các BTS tạo nên vùng phủ sóng tế bào, vị trí chúng định dung lượng vùng phủ mạng Tuy nhiên BTS đóng vai trị phụ việc phân phối tài ngun vơ tuyến cho MS khác Việc quản lí giao diện vô tuyến giao cho BSC, với nhiệm vụ là: phân phối kênh vô tuyến cho MS thiết lập gọi, xác định tiến hành chuyển giao HO, nhận dạng BTS đích phù hợp điều khiển công suất phát MS cho vừa đủ để tới BTS phục vụ Các BSC thay đổi theo nhà sản xuất, song thường BSC có thểđiều khiển tới 40 BTS Ngồi khả sử lí, BSC cịn có khả chuyển mạch (hạn chế), cho phép định tuyến gọi BTS khác thuộc quyền kiểm soát Giao diện BSC BTS liên quan gọi giao diện A-bis Tập hợp BTS BSC gọi hệ thống trạm gốc (BSS) BSS có chứa phần cứng phần mềm cần thiết để kích hoạt kiểm sốt liên kết radio với MS Nó bao gồm hai phần, trạm sở (BS) trạm điều khiển (BSC) Các BTS tạo nên vùng phủ sóng tế bào, vị trí chúng định dung lượng vùng phủ mạng Tuy nhiên BTS đóng vai trị phụ việc phân phối tài nguyên vô tuyến cho MS khác Việc quản lí giao diện vơ tuyến giao cho BSC, với nhiệm vụ là: - Phân phối kênh vô tuyến cho MS thiết lập gọi - Xác định tiến hành chuyển giao HO - Nhận dạng BTS đích phù hợp điều khiển công suất phát MS cho vừa đủ để tới BTS phục vụ 1.2.3 Trung tâm chuyển mạch di động (MSC) MSC trung tâm chuyển mạch mạng GSM Nhiệm vụ điều phối việc thiết lập gọi đến người sử dụng mạng thông tin di động mặt giao diện với BSC, mặt khác giao diện với mạng ngồi thơng qua GMSC Để thực việc Hệ thống thông tin di động GSM kết nối MSC với mạng ngồi cần phải thích ứng đặc điểm truyền dẫn IWF thiết bị thích ứng giao thức truyền dẫn sẻ làm việc Mỗi BSS nối với MSC MSC đảm bảo việc định tuyến gọi đến/đi từ MS Nó có khả chuyển mạch lớn, thông thường MSC điều khiển vài chục BSC với dung lượng vài chục nghìn thuê bao MSC tương tự tổng đài mạng cố định, song cịn có thêm chức quản lí di động thuê bao (đăng kí vị trí HO) Đặc tả GSM sử dụng thuật ngữ vùng MSC để mô tả phần mạng bao phủ MSC BSC, BTS liên quan Giao diện MSC BSS gọi giao diện A, hoàn toàn xác định đặc tả Vì thế, nhà khai thác mạng tự lựa chọn MSC BSS từ nhà sản xuất khác Giao diện MSC khác gọi giao diện E Nhà khai thác lựa chọn vài MSC để dùng làm MSC cửa ngõ (GMSC) GMSC cung cấp giao diện PLMN mạng ngồi Khi có gọi đến từ mạng ngồi, GMSC liên lạc với sở liệu mạng liên quan để bảo đảm gọi định tuyến đến MS thích hợp 1.3 Các vấn đề an ninh GSM 1.3.1 Giới thiệu Các hệ thống hệ NMT, TACS AMPS có đặc điểm an ninh, dẫn đến mức độ hoạt động lừa đảo đáng kể làm hại thuê bao nhà khai thác mạng Hệ thống GSM có số đặc điểm an ninh thiết kế để bảo đảm cho thuê bao nhà khai thác mạng mức độ bảo vệ tốt chống lại hoạt động lừa đảo Các chế nhận thực bảo đảm thuê bao thẳng sở hữu thiết bị thẳng (không phải bị đánh cắp không tiêu chuẩn) phép truy nhập mạng Sau kết nối thiết lập, thông tin đường vô tuyến mật mã hóa để tránh nghe trộm Mọi riêng tư thuê bao bảo vệ cách đảm bảo chi tiết nhận dạng vị trí thuê bao bảo vệ Điều đạt cách gán cho người dùng số nhận dạng thuê bao di động tạm thời (TMSI) thay đổi từ gọi đến gọi khác Do đó, khơng cần phát IMSI người dùng giao diện vơ tuyến khó nghe trộm để nhận dạng định vị người dùng Hệ thống thông tin di động GSM liên quan sóng mang BCCH, sau giải mã thơng tin mang sóng để chọn BTS thích hợp MS thực thuật tốn tìm kiếm khác tùy thuộc vào hiểu biết sóng mang BCCH dùng Thuật tốn thứ áp dụng MS khơng biết sóng mang BCCH dùng PLMN cụ thể Ban đầu MS tìm kiếm tồn băng tần đường xuống (tức 124 sóng mang băng GSM900 bản, 174 sóng mang EGSM900 374 sóng mang DCS1800) đo cường độ tín hiệu thu sóng mang Mức tín hiệu thu sóng mang xác định từ trung bình phép đo trải khoảng thời gian 3-5 s Sau MS điều hưởng lại vào sóng mang mạnh đợi cụm FCCH (cụm sóng sin túy) Nếu cụm FCCH (xuất 10 11 khung thời gian khe thời gian sóng mang BCCH) khơng tìm thấy, MS điều hưởng lại vào sóng mang mạnh thứ lặp lại trình Một MS nhận dạng sóng mang BCCH nhờ cụm FCCH, đồng với BTS thử giải điều chế thông tin đồng Cụm FCCH MS sử dụng để sửa gốc thời gian nhằm đảm bảo tần số sóng mang xác đến 10-7 so với tín hiệu thu từ BTS MS sử dụng gốc thời gian để tạo phiên chỗ sóng mang cao tần cho giải điều chế, tín hiệu đồng hồ cho đếm bên Sau sửa tần, MS cố gắng giải mã cụm đồng chứa khe thời gian SCH Khe dễ dàng xác định ln ln sau khe thời gian FCCH kênh vật lí, tức sau khe thời gian Cụm đồng chứa đủ thơng tin cho MS nhận dạng vị trí cấu trúc khung GSM đầy đủ Cụm chứa 25 bit thơng tin trước mã hóa kênh có bit để phát BSIC 19 bit lại dùng để phát số khung rút gọn TDMA (RFN) khe thời gian chứa cụm đồng Sau đồng thành cơng với BS, MS tiếp tục giải mã thông tin hệ thống chứa BCCH BCCH dễ dàng xác định vị trí ln ln chiếm vị trí đa khung kênh điều khiển Thuật toán chọn tế bào thứ dùng cho trường hợp MS biết sóng mang BCCH sử dụng mạng Trong trường hợp lúc đầu MS tìm kiếm sóng mang lưu danh sách BCCH áp dụng thuật tốn chọn tế 33 Hệ thống thơng tin di động GSM bào Trường hợp q trình khơng cho sóng mang BCCH hợp lệ, MS trở thuật tốn chọn tế bào đầy đủ nói Việc lưu thơng tin sóng mang BCCH MS đặc điểm tùy chọn cách lập danh sách thay đổi Ví dụ MS lưu danh sách sóng mang BCCH dùng bật nguồn lần cuối Tuy nhiên cách khơng thích hợp MS tắt nguồn di chuyển đến vị trí hồn tồn It is encumbent upon an MS để chọn tế bào mạnh thứ (ở nơi tế bào mạnh khơng phù hợp) trả lời thơng báo tìm gọi vịng 30 s, giả sử sóng mang BCCH tất thu với C/I thích đáng b) Chế độ rỗi Sau chọn tế bào thích hợp, MS chuyển sang chế độ “rỗi” phải theo dỗi kênh tìm gọi BTS tiếp tục đảm bảo cắm trại tế bào thích hợp - Tìm gọi Tín hiệu tìm gọi phát kênh PCH dùng để báo cho MS biết gọi đến Vì thế, MS phải luôn theo dõi PCH liên quan với tín hiệu tìm gọi chứa địa MS xác định tồn tổ chức kênh điều khiển sóng mang BCCH nhờ liệu chứa BCCH Trong tế bào mà kênh tìm gọi nằm nhiều khe thời gian, MS xác định PCH liên quan nhờ số sau IMSI Bằng cách MS phân bố ngẫu nhiên tài nguyên vô tuyến phân cho PCH Hệ thống GSM hỗ trợ chế độ tìm gọi phân khe, PCH chia thành số khối tìm gọi MS cần nghe kênh khối tìm gọi gán cho MS giảm cơng suất qng thời gian khơng theo dõi PCH, nhờ tăng chu trình nạp lại pin Kĩ thuật gọi thu gián đoạn (DRX) Các thông báo gửi PCH chứa IMSI MS cần tìm Một MS nhận diện IMSI riêng nó, trả lời chuyển sang chế độ truy nhập Các thơng báo tìm gọi khơng trả lời lặp lại phép vài thay đổi kênh vơ tuyến; nhiên sách lặp lại xác vấn đề nhà khai thác mạng 34 Hệ thống thông tin di động GSM - Chọn lại tế bào Khi chế độ rỗi, MS phải liên tục theo dõi cường độ tín hiệu đường xuống BTS xung quanh nhằm đảm bảo ln cắm trại BTS thích hợp MS liên tục đo cường độ tín hiệu thu từ BTS phục vụ từ sóng mang BCCH mạnh chứa thông báo danh sách láng giềng mang BCCH BTS phục vụ Ít s lần, MS lại yêu cầu thực thuật toán chọn tế bào để nhận dạng xem có cần HandOver chế độ rỗi sang tế bào thích hợp hay khơng Nếu tế bào chứa vùng định vị thời, MS việc chuyển sang tế bào bắt đầu giải mã liệu PCH Chỗ mà tế bào thuộc vùng định vị khác, MS phải thực cập nhật vị trí trước thu gọi đến c) Chế độ truy nhập Được dùng để mơ tả q trình mà nhờ MS chế độ rỗi truy nhập mạng có kênh dành riêng MS vào chế độ truy nhập để thực cập nhật vị trí, để trả lời gọi tìm gọi, kết gọi xuất phát từ thuê bao Ban đầu MS truy nhập BTS RACH đường lên sóng mang BCCH Mặc dù MS phát yêu cầu truy nhập khe đường lên gán cho RACH, khơng có hạn chế khe mà dùng Vì va chạm MS xảy BTS Trong tình hình hoặc khơng truy nhập giải mã trả lời Có nghĩa tất các yêu cầu truy nhập không trả lời phải lặp lại để đảm bảo hội thành cơng hợp lí Chiến lược lặp lại phải cho giảm thiểu tải RACH giữ mức thành công truy nhập thỏa mãn Lưu ý thời gian lần phát lại tham số cố định, khơng MS va chạm lại tiếp tục va chạm lần cố gắng truy nhập Vì lí này, chu kì lặp lại ngẫu nhiên, thời gian trung bình lần phát lại số lần phát lại tối đa điều khiển qua tham số phát quảng bá đặn BCCH Có thể điều khiển tải RACH cách cấm MS không cố gắng truy nhập hệ thống thời gian cho trước sau thử truy nhập thất bại Cách khác để giảm tải RACH cấm phận tồn MS khơng truy nhập mạng Đặc biệt, tồn th bao chia thành 10 nhóm sử dụng thông tin lưu thẻ SIM 35 Hệ thống thông tin di động GSM Khi nhóm bị cấm truy nhập mạng trừ trường hợp đặc biệt (gọi cấp cứu) Bằng cách giảm tải RACH bước 10% số lần tắc nghẽn Cụm RACH ngắn so với cụm khác chứa bit thơng tin trước mã hóa kênh; khơng đủ để phát địa MS tức IMSI u cầu cụm RACH chứa đủ thông tin để MS nhận biết phản ứng mạng cụm RACH Do đó, MS phát số ngẫu nhiên bit tự chọn, với số bit thông báo cho mạng lí truy nhập mạng ví dụ trả lời gọi tìm gọi, gọi khẩn cấp v.v Cơng suất phát MS dùng cho cụm truy nhập xác định theo tham số hệ thống phát BCCH Một số bit cụm truy nhập Hoặc loại trừ với BSIC BTS mà thông báo muốn gửi đến Điều đảm bảo BTS định (intended) giải mã thông báo trả lời Khi thu cụm truy nhập kênh RACH, BTS chuyển tiếp thông báo cho BSC với đánh giá (ước lượng) độ trễ truyền dẫn thời điểm đến cụm truy nhập lịch biểu BTS Tham số dùng để khởi xướng sớm thời gian MS để tránh va chạm với liệu từ MS khác BTS MS vào chế độ dành riêng Tại giai đoạn này, BSC phân phối kênh rỗi BTS BTS xác nhận kênh kích hoạt thành cơng, thơng báo gán kênh ban đầu hình thành Thơng báo chứa chi tiết kênh phân phối, sớm thời gian ban đầu cần dùng MS, công suất phát cực đại ban đầu địa cho phép MS nhận dạng đích đến thơng báo Tham số sớm thời gian (TA) phát số bit cung cấp 64 bước TA bước ứng với chu kì bit, cụ thể 3.69 µs Có nghĩa hệ thống dùng sớm thời gian tối đa 63 x 3.69µs ≈ 232µs, ứng với khoảng cách lan truyền đi-về cỡ 70km khoảng cách tối đa từ BS đến biên giới tế bào cỡ 35km Các tế bào lớn dung hịa cách tăng thời gian bảo vệ xung quanh khe thời gian cách dùng khe luân phiên (nghĩa khe 0, 2, 4, 6) Bằng cách này, việc truyền đường lên lấn sang khe lân cận bán kính tế bào tăng lên đến 120 km Cách giải dẫn đến giảm dung lượng tế bào triển khai trường hợp đặc biệt, ví dụ với BTS bờ biển đảm bảo thông tin hàng hải Kĩ thuật giải thích cho việc dùng khe thời gian 0, 36 Hệ thống thông tin di động GSM 2, 4, cho kênh điều khiển chung, chúng khe cung cấp tế bào lớn Thông báo gán kênh ban đầu từ BTS gửi đến MS thích hợp cách gửi kèm nội dung xác cụm truy nhập phát từ MS đến BTS với chuẩn thời gian mơ tả thời điểm thu cụm truy nhập Thông báo gửi cho MS kênh AGCH chia sẻ kênh vật lí PCH MS liên tục theo dõi AGCH phát thơng báo chứa nội dung cụm truy nhập ban đầu mốc thời gian ứng với thời điểm phát thông báo Lưu ý điểm MS phải nhận dạng cách rõ ràng có xác suất hữu hạn MS phát cụm truy nhập giống khe thời gian RACH Một MS thu thơng báo gán kênh ban đầu thích hợp, điều hưởng lại kênh dành riêng gửi thông báo ban đầu dùng tham số TA chứa thông báo gán kênh ban đầu Khuôn dạng thơng báo phụ thuộc vào lí truy nhập, ví dụ trả lời gọi tìm gọi Thông báo ban đầu chứa chi tiết MS bao gồm classmark IMSI Khi BTS nhận thơng báo này, nội dung gửi trả lại MS mà khơng có thay đổi Nếu MS nhận thông báo khác với thông báo phát nó, rời kênh bắt đầu lại trình truy nhập Điều đảm bảo mập mờ cịn lại loại bỏ MS truy nhập kênh dành riêng Sau thiết lập kết nối kênh dành riêng, MS chuyển sang chế độ dành riêng d) Chuyển giao (Hand Over): phần nói riêng sau e) Điều khiển cơng suất Hệ thống GSM sử dụng điều khiển công suất để đảm bảo MS BTS phát công suất đủ để trì kết nối chấp nhận được, nhờ giảm can nhiễu tế bào lân cận cải thiện hiệu phổ MS giảm cơng suất phát nấc dB từ giá trị cực đại cấp xuống đến dBm GSM900 dBm DCS1800 Công suất phát MS điều khiển thông báo mạng kênh SACCH Sau thu lệnh điều khiển công suất, MS điều chỉnh cơng suất phát đến mức u cầu với tốc độ cực đại dB 60 ms Như công suất phát thay đổi 30 dB khoảng 900 ms Thuật tốn điều khiển cơng 37 Hệ thống thông tin di động GSM suất dựa phép đo tín hiệu đường lên thực BTS BTS phải có khả điều chỉnh động cơng suất 15 bước dB Nhà khai thác lựa chọn sử dụng hay không sử dụng điều khiển công suất đường lên đường xuống, sử dụng độc lập hướng Tuy nhiên điều khiển công suất đường xuống khơng thể áp dụng cho khe thời gian sóng mang BCCH phải phát với công suất không đổi để MS tế bào xung quanh đo đạc chuẩn bị cho H/O f) Nhảy tần GSM sử dụng nhảy tần chậm (SFH) để giảm nhẹ ảnh hưởng fading đa tia can nhiễu Mỗi cụm thuộc kênh vật lí cụ thể phát tần số sóng mang khác khung TDMA Như tốc độ nhNy tần tốc độ khung (tức khoảng 217 khung/s) Các kênh vật lí khơng cho phép nhảy kênh điều khiển chung điều khiển quảng bá (tức FCH, SCH, BCCH, PCH AGCH) Đó MS phải dễ dàng xác định kênh bật nguồn trình trở nên phức tạp cho phép nhảy tần kênh Kênh vơ tuyến kênh điều khiển chung quảng bá phát gọi sóng mang BCCH Sóng mang BCCH đo MS tế bào lân cận để xác định xem BTS có ứng viên thích hợp cho HAND OVER hay khơng Vì thế, sóng mang BCCH phải phát liên tục với công suất không đổi Có nghĩa điều khiển cơng suất đường xuống phát gián đoạn DTX sử dụng sóng mang BCCH Kênh lưu lượng kênh điều khiển dành riêng sử dụng tần số sóng mang BCCH phần dãy nhảy nó, song phải tuân thủ qui tắc dùng sóng mang đó, nghĩa điều khiển cơng suất DTX bị cấm Hai ích lợi quan trọng có từ triển khai SFH GSM là: - Tác động nhảy tần đến can nhiễu: Trong hệ thống GSM khơng nhảy tần, MS có xu hướng bị nhiễu từ tập MS tế bào kênh lân cận suốt gọi, MS không bị HAND OVER Mức nhiễu thay đổi tùy thuộc vào vị trí tương đối MS Ví dụ mức nhiễu cao tất MS mép tế bào tương ứng chúng, mức nhiễu thấp MS gần BTS phục vụ chúng Điều có nghĩa 38 Hệ thống thơng tin di động GSM hồn cảnh MS bị mức nhiễu cao, tiếp tục bị nhiễu suốt gọi Trong hệ thống nhảy tần, mẫu nhảy (tức dãy tần số phát) khác tế bào kênh MS chịu nhiễu từ tập MS khác cụm Điều ngẫu nhiên hóa cách hiệu can nhiễu MS chịu mức nhiễu trung bình Tình trạng ưa thích trường hợp khơng nhảy tần số MS chịu mức nhiễu cao MS khác chịu mức nhiễu thấp - Tác động nhảy tần đến fading đa tia: Kênh truyền sóng vơ tuyến di động gây nên thay đổi biên độ lớn cho tín hiệu thu số tia khác cộng xây dựng cộng phá hủy anten thu Vị trí thăng giáng tín hiệu phụ thuộc mạnh vào mơi trường, ví dụ vị trí cao ốc xe cộ, vào tần số công tác.Tại vận tốc di chuyển lớn, tốc độ fading tín hiệu cao độ dài thăng giáng ngắn gây nên cụm lỗi Các cụm lỗi khắc phục xen kẽ symbol mã hóa kênh Tại vận tốc nhỏ hơn, MS chịu thăng giáng tín hiệu lâu hiệu xen kẽ mã hóa kênh Nhảy tần sử dụng để bảo đảm MS không bị thăng giáng tín hiệu lâu Bằng cách bảo đảm thay đổi tần số lần nhảy liên tiếp nằm ngồi dải thơng coherent kênh, MS khó nhảy từ thăng giáng trực tiếp sang thăng giáng khác Do đó, nhảy tần dùng để giảm nhẹ ảnh hưởng fading nhanh vận tốc MS thấp Các dãy nhảy tần Dãy nhảy xác định thứ tự sử dụng tần số sóng mang khác đường lên đường xuống Vì tần số đường lên đường xuống cách khoảng cố định (45 MHz với GSM900 95 MHz với DCS1800) nên cần dãy nhảy để mô tả đường truyền song công đầy đủ Tham số phân phối di động qui định tần số sóng mang sử dụng MS dãy nhảy Đối với 124 kênh sóng mang TDMA có thể, tham số phân phối di động yêu cầu tối thiểu 124 bit để mô tả cách tổ hợp sóng mang Nhắc lại thơng báo gán kênh ban đầu phát kênh AGCH kích thước thơng báo nên giữ ngắn để bảo tồn dung lượng truy nhập hệ thống Để tránh phát toàn tham số phân phối di động gán kênh ban đầu, phương pháp 39 Hệ thống thông tin di động GSM bước sử dụng Mỗi BTS phát chi tiết tất sóng mang mà dùng dạng thơng báo (được mang BCCH) mô tả kênh tế bào Thông báo có dạng đồ 124 bit bit biểu diễn sóng mang, cịn ‘1’ ‘0’ chèn vào để sóng mang cụ thể dùng BTS MS giải mã lưu thông tin chế độ rỗi Khi gán ban đầu, phân phối di động mô tả tập phân phối tế bào, nhờ giảm mào đầu (overhead) báo hiệu AGCH Sau thiết lập danh sách tần số sóng mang gán cho kênh nhảy tần, MS phải xác định dãy sử dụng tần số Dãy nhãy miêu tả tham số: số thứ tự dãy nhảy (HSN) dịch số phân phối di động (MAIO) HSN chọn 64 dãy nhảy “ngẫu nhiên” xác định trước, MAIO chọn điểm xuất phát dãy MAIO nhận nhiều giá trị tần số phân phối di động Giá trị HSN=0 chọn dãy vịng (cyclic) tần số phân phối di động sử dụng Các kênh nhảy tần có HSN có MAIO khác nhau, không sử dụng tần số đồng thời chúng trực giao Do đó, tất kênh nhảy tần tế bào sử dụng HSN có MAIO khác Ở chỗ kênh nhảy tần sử dụng HSN khác nhau, chúng nhiễu 1/n cụm, kênh nhảy tần tế bào kênh sử dụng HSN khác 40 Hệ thống thông tin di động GSM CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH CHUYỂN GIAO TRONG GSM Chuyển giao (Hand Over) q trình nhờ MS giải phóng kết nối với BTS thiết lập kết nối với BTS khác mà đảm bảo trì gọi thời Chuyển giao thực để giảm nhiễu, để giảm tắc nghẽn lưu lượng Tồn q trình chuyển giao chia thành giai đoạn khác nhau: chuNn bị thi hành 3.1 Thực thi chuyển giao Một định bắt đầu chuyển giao nhận dạng tế bào thích hợp nhất, MS mạng bước vào giai đoạn thực thi chuyển giao Trong giai đoạn này, kết nối với BTS cũ giải phóng kết nối với BTS thiết lập Quá trình thực thi chuyển giao chịu ảnh hưởng mạnh vị trí điểm chuyển mạch hạ tầng sở, ví dụ chuyển giao BSC, MSC hay MSC vào việc BTS cũ có đồng hay khơng Để đơn giản hóa việc mơ tả chuyển giao, ta qui ước sau: Các thuật ngữ BTS, BSC, MSC có thêm chữ “cũ” chúng phần đường liên lạc trước chuyển giao, thêm chữ “mới” phần đường liên lạc sau chuyển giao Vị trí điểm chuyển mạch kịch khác khác Chỗ mà BTS-cũ BTS-mới điều khiển BSC, điểm chuyển mạch BSC Nếu BTS-cũ BTS-mới điều khiển BSC khác nhau, song hai nối với MSC, MSC điểm chuyển mạch MSC-mỏ neo MSC mà MS nối đến lúc bắt đầu gọi trì điều khiển liên lạc trình gọi chuyển giao BTS nối với MSC khác dẫn đến MSC-mới bổ xung vào chuỗi liên lạc với MSC-mỏ neo Trong trường hợp MSC-mới gọi MSC-chuyển tiếp Ở chỗ mà kết nối bao gồm MSC-chuyển tiếp MSC-mới khơng phải MSC-mỏ neo, MSC-chuyển tiếp khác tức MSC-mới bổ sung vào đường liên lạc Ở chỗ mà MSC-mới MSCcũ MSC-mới MSC-mỏ neo, MSC-chuyển tiếp loại khỏi đường liên lạc Vị trí điểm chuyển mạch xác định kiểu thông báo phát máy khác phía hạ tầng sở 41 Hệ thống thông tin di động GSM Bước giai đoạn thực thi chuyển giao BSC BSC cũ thông báo yêu cầu chuyển giao Trừ trường hợp BSC-cũ BSC-mới nhau, thông báo phát qua điểm chuyển mạch Tại điểm này, đường liên lạc điểm chuyển mạch BSC-mới thiết lập Sau thông báo yêu cầu chuyển giao, BSC-mới thử phân phối kênh thích hợp BTS-mới Nếu q trình thành cơng, BSC-mới gửi chi tiết kênh ngược cho BSC-cũ qua điểm chuyển mạch Lúc điểm chuyển mạch tạo thông báo lệnh chuyển giao gửi qua BSC-cũ BTS-cũ đến MS Thông báo lệnh chuyển giao chứa chi tiết kênh BTS số tham số cần thiết liên quan đến tế bào mới, ví dụ tần số sóng mang BCCH MS hồn tồn khơng biết chuyển giao đến thu thơng báo lệnh chuyển giao Tại giai đoạn này, MS điều hưởng lại kênh Từ điểm trở đi, hoạt động MS điều khiển mối quan hệ thời gian BTS-cũ BTS-mới Thông báo lệnh chuyển giao chứa thị BTS-cũ BTSmới có đồng hay khơng Nếu chúng đồng bộ, MS xác định trước sớm thời gian TA sử dụng BTS-mới Trong tình hình này, sau điều hưởng lại kênh mới, MS phát vài cụm truy nhập ngắn khơng có sớm thời gian để BTS-mới xác định sớm thời gian yêu cầu Sau bắt đầu phát bình thường sử dụng sớm thời gian tính tốn từ trước Đây lần cụm khơng phải cụm thường dùng kênh dành riêng Trong trường hợp BTS-cũ BTS-mới khơng đồng với nhau, MS khơng thể tính tốn sớm thời gian tiếp tục phát cụm truy nhập ngắn kênh BTS sử dụng cụm để xác định sớm thời gian báo cáo cho MS Khi MS nhận thông báo này, bắt đầu phát bình thường kênh Sau MS thiết lập liên kết với BTS-mới, gửi thơng báo hồn thành chuyển giao dấu hiệu để đường liên lạc chuyển từ BTS-cũ sang BTS-mới Thời gian gián đoạn thực thi chuyển giao giảm thơ từ 200 ms xuống 100 ms HAND OVER đồng dùng thay cho chuyển giao khơng đồng MS khơng cần đợi mạng tính tốn sớm thời gian u cầu 3.2 Các loại chuyển giao Thủ tục chuyển giao xảy thủ tục qua trọng để đảm bảo tính di động MS lúc gọi Mục đích thủ tục trì gọi thực 42 Hệ thống thông tin di động GSM hiện, MS di chuyển từ Cell tới Cell khác Quyết định có thực chuyển giao hay khơng, thực BSC phục vụ, hay nói khác vào kết đo BTS MS gửi lên BSC sẻ định có chuyển giao hay khơng, có sẻ gửi u cầu lên cho MSC Trong gọi, MS định kỳ gửi kết đo tới BTS Kết đo bao gồm: kết đo MS chất lượng tín hiệu đường xuống (từ BTS tới MS) gọi từ Cell lân cận BTS phục vụ đo đường lên (từ MS tới BTS) chất lượng tín hiệu vơ tuyến gọi trước kết đo từ MS Cả hai kết đo sẻ BTS gửi tới BSC Từ thông tin tin báo cáo kết đo, BSC dựa vào sẻ định có chuyển giao tới cell khác hay khơng Quyết định có hay khơng thực chuyển giao thực thuật tốn cài đặt thơng số người quản trị mạng cài đặt Hình 15 Chuyển giao mạng GSM Có loại chuyển giao khác nhau, bao gồm phần tử khác mạng Chuyển giao BSC hay BTS không phức tạp chuyển giao MSC Bây ta tìm hiểu loại khác chuyền giao Thứ tự xếp liệt kê với tăng dần tính phức tạp: Trong cell/BTS, BSC, MSC cuối MSC khác 3.2.1 Chuyển giao BTS Gọi chuyển giao cell hay BTS hai sử dụng văn chương để diễn tả trạng thái: thay đổi khe thời gian (kênh vật lý) hay nói cách khác thay đổi tần số Bởi BTS điều khiển vài 43 Hệ thống thông tin di động GSM cell, nghĩa ta phải gọi chuyển giao BTS (về tính logic) là chuyển giao cell Ở có khác với định nghĩa chuyển giao? Chuyển giao cell thực thực tế khơng có chuyển giao thực kết để thay đổi tần số gọi xảy ra, Thay đổi tần số thực chất lượng liên kết giảm đo lường cell kế cạnh không tốt Trong trường hợp BSC điều khiển BTS phục vụ MS lệnh cho MS BTS trở tần số khác, tần số cho chất lượng liên kết tốt Việc làm giảm chất lượng liên kết ảnh hưởng gọi khác cell lân cận sử dụng chung tần số (nhiều đồng kênh) giải pháp cố gắng để thay đổi kênh khác (khe thời gian khác) mà đảm bảo tốt cho gọi Hình 16 Chuyển giao BTS 3.2.2 Chuyển giao BSC Chuyển giao BSC thực cell đích điều khiển BTS khác từ cell nguồn hai BTS điều khiển BSC MSC khơng liên quan tới q trình chuyển giao, BSC thơng báo cho chuyển giao hồn thành Nếu cell đích đặt vị trí LA khác, MS cần thực cập nhật vị trí thủ tục sau kết thúc gọi hình Hình 17 Chuyển giao BSC 44 Hệ thống thông tin di động GSM Các bước chuyển giao cụ thể: Bước 1: BSC yêu cầu BTS kích hoạt kênh TCH Bước 2: BSC gởi thông điệp cho MS bao gồm thông tin tần số time slot mức công suất tới MS thông qua BTS cũ cách sử dụng kênh FACCH Bước 3: MS chuyển sang tần số truyền burst truy cập handover time slot Bước 4: Khi BTS phát burst handover, gởi thơng tin TA kênh FACCH Bước 5: MS gởi thơng điệp hồn thành handover tới BSC thông qua BTS Bước 6: BSC yêu cầu RBS cũ giải phóng TCH cũ 3.2.3 Chuyển giao MSC Khi BSC định chuyển giao cần thiết, cell đích khơng điều khiển bở nó, cần giúp đỡ từ MSC để tìm vị trí xác cell BSC quản lý, lúc MSC tham gia vào q trình chuyển giao Cell đích sẻ xác định vị trí BSS khác mà quản lý MSC Khi tìm BSS đích, MSC sẻ kết nối BSS nguồn với BSS đích gửi tin báo cho BSS nguồn sẵn sàng Sau q trình yêu cầu BTS đích cấp nguyên, Sau việc cấp tài nguyên thành công, MS sẻ dẫn để truy cập kênh gọi chuyển sang BSS Hình 18 Chuyển giao MSC 45 Hệ thống thông tin di động GSM Các bước chuyển giao cụ thể: Bước 1: BSC cũ gởi tin nhắn yêu cầu handover tới MSC chứa nhận dạng cell Bước 2: MSC biết BSC điều khiển cell gởi yêu cầu handover tới BSC Bước 3: BSC yêu cầu BTS kích hoạt kênh TCH Bước 4: BSC gởi thơng điệp tới MS thông qua MSC BTS cũ Bước 5: MS chuyển sang tần số truyền burst truy cập handover time slot Bước 6: BTS gởi thông tin TA kênh FACCH Bước 7: MS gởi thơng điệp hồn thành handover tới MSC qua BSC Bước 8: MSC yêu cầu BSC giải phóng TCH cũ Bước 9: BSC cũ yêu cầu BTS cũ giải phóng TCH 3.2.4 Chuyển giao MSC Thủ tục chuyển giao MSC khác thực cell đích kết nối tới MSC khác (MSC-B) cho gọi thời phục vụ (MSC-A) MSC-A giao tiếp với MSC-B với u cầu chuyển giao, u cầu MSCB (hay nói xác BTS đích) cấp tài nguyên cho gọi trường hợp intra-MSC Hình 19 Chuyển giao MSC 46 Hệ thống thông tin di động GSM Các bước chuyển giao cụ thể MSC A B: Bước 1: BSC cũ gởi thông điệp yêu cầu handover tới MSC phục vụ (MSC A), với nhận dạng cell Bước 2: MSC-A nhận dạng cell thuộc MSC khác (MSC-B) yêu cầu trợ giúp Bước 3: MSC-B cấp số handover để tái định tuyến gọi Sau gởi yêu cầu handover tới BSC Bước 4: BSC yêu cầu BTS kích hoạt TCH Bước 5: MSC-B nhận thơng tin, chuyển tới MSC-A với số handover Bước 6: Một kết nối thiết lập tới MSC-B, thông qua PLMN Bước 7: MSC-A gởi lệnh handover tới MS, thông qua BSC cũ Bước 8: MS chuyển sang tần số truyền burst truy cập handover time slot Bước 9: Khi BTS phát burst handover này, gởi thơng tin TA Bước 10: MS gởi tin nhằn hoàn thành handover tới MSC cũ thông qua BSC MSC/VLR Bước 11: Một đường groupswitch MSC-A thiết lập gọi chuyển mạch sang đường 47