Lịch sử GSM
Thông tin di động
Thuật ngữ thông tin di động đã có từ lâu và đ ợc hiểu làcó thể cung cấp một cách lu động tín hiệu trong quá trình thông tin Thông tin di động có thể thực hiện đợc nhiều dịch vụ di động nh : thoại, truyền số liệu, Fax, nhắn tin… Cùng các dịch vụ hỗ trợ củaTrớc đây mạng lới thông tin di động chủ yếu đợc sử dụng trong lĩnh vực quân sự, ngày nay đã đuựơc th ơng mại hoá và đ- ợc đa vào sử dụng rộng rãi.
Thông tin di động từ những lúc sơ khai với phơng pháp thông tin điểm - điểm rồi đến điện thoại không dây … Cùng các dịch vụ hỗ trợ củavới các loại hình này đều có các đặc tính chung là phục vụ cho nhu cầu mở rộng mạng cố định qua hệ thống vô tuyến.
Bớc phát triển tiếp theo của hệ thống thông tin di động là tạo ra từ một mạng nhỏ có số thuê bao hạn chế đến nay càng đợc mở rộng phạm vi hoạt động.
Những năm 80 của thế kỉ 20 các hệ thống thông tin di động tế bào đã đợc nghiên cứu và ứng dụng khai thác Với hệ thống này, vùng phục vụ thông tin đợc chia thành các ô (cell) nhỏ, mỗi cell có một trạm thu phát (TRX) đảm nhiệm Toàn bộ hệ thống có một hay nhiều bộ chuyển mạch điều hành và chúng đợc kết nối với nhau thành một mạng thống nhất , cho phép các cuộc gọi đ ợc chuyển vùng từ cell này đến vùng của cell khác ,từ nớc này đến nớc khác.
Lịch sử GSM
Thông tin di động đợc ứng dụng cho nghiệp vụ cảnh sát từ thập kỉ 20 của thế kỉ 20 ở băng tần 2M Sau thế chiến thứ hai (1939-1945) mới xuất hiện thông tin di đọng điẹn thoại dân dụng với kỹ thuật FM ở b¨ng sãng150M.
Năm 1948, một hệ thống thông tin di động hoàn toàn tự động đầu tiên ra đời ở Richmond, Indiana (Mỹ) Từ những năm 60 , kênh thông tin di động có dải tần số 30Khz với kỹ thuật FM băng tần 450Mhz xuất hiện đa hiệu xuất sử dụng phổ tần tăng gấp bốn lần so với cuối thế chiến thứ hai.
Quan niệm về celluer bắt đầu từ cuối những năm 40 của thế kỉ
20 với Bell thay cho mô hình quảng bá M7 có công suất lớn và anten đặt cao, là những cell co diện tích bé có BTS công suất nhỏ, khi các cell ở cách nhau đủ xa thì có thể sử dụng lại tần số.
Tháng 12/1971 đa ra hệ thống celluer kỹ thuật tơng tự, dải tần 850M Đầu những năm 90 của thế kỉ 20 thế hệ đầu tiên của thông tin di động tế bào đã bao gồm hàng loạt các hệ thống ở các nớc khác nhau. Tuy nhiên các hệ thống này khong thoả mãn đ ợc nhu cầu ngày càng tăng về dung lợng Mặt khác các tiêu chuẩn hệ thống không tơng thích nhau làm cho sự chuyển giao không đủ rộng nh mong muốn Những vấn đề trên đặt ra cho hệ thống thông tin di động tế bào thế hệ 2 phải lựa chọn giải pháp kỹ thuật : kỹ thuật tơng tự hay kỹ thuật số.
Sử dụng kỹ thuật số có những u điểm sau:
Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu xuất sử dụng phổ tần cao hơn.
Mã hoá tín hiệu thoại với tốc độ ngày càng thấp cho pép ghép nhiều kênh thoại hơn và dòng bit tốc độ chuẩn.
Giảm tỉ lệ tin tức báo hiệu, dành tỉ lệ tin tức lớn hơn cho ng- ời sử dụng.
áp dụng kỹ thuật mã hoá kênh và mã hoá nguồn của kỹ thuËt truyÒn dÉn sè.
Hệ thống số chống nhiễu kênh chung CCI va chống nhiễu kênh kề ACI hiệu quả hơn.
Điều khiển động cho cấp phát kênh liên lạc làm cho việc sử dụng tần số hiệu quả hơn.
Có nhiều dịch vụ mới nh nhận thực, mã hoá và kết nối với ISDN.
Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn Dung l - ợng tăng , báo hiệu bật tắt đều dễ dàng xử lý bằng phơng pháp số.
Hệ thống thông tin di đọng tế bào thế hệ thứ hai có ba tiêu chuÈn chÝnh : GMS, IS – 054 (AMPS), JDC.
Năm 1982 khối CEPT thành lập hiệp hội GSM tiêu chuẩn ch©u ©u.
Năm 1987 có 13 nhà khai thác châu âu ký kết GSM Moll
Năm 1992 các mạng GSM bắt đầu đi vào dịch vụ th ơng mại tai đức , các nớc không thuộc châu âu ký kết GSM Moll.
Năm 1994 các mạng DSC-1800 đa vào hoạt động tại PhầnLan.
Năm 1995 các mạng PCS 900 đa vào hoạt động tại USA ETSI đã dự thảo các đặc tính GSM trong châu Âu
SMG 2 : giao diện không gian
GSM 11-10 ứng dụng cho trạm di động
GSM 11-12 ứng dụng cho trạm gốc
Các dịch vụ thoại cơ bản và số liệu nh SMS
Mã hoá thoại bán tốc đợc xác định
Các mức công suất thấp để thực hiện Microcell
Mở rộng tần số cho E – GSM
Kết hợp đặc tính với DCS – 1800
Chuyển vùng GSM/DCS đa băng tần
Các dịch vụ chuyền số liệu gói vô tuyến GPRS
Mã hoá thoại toàn tốc
Chuyển mạch số liệu tốc độ cao bởi đa khe thời gian
GSM là hệ thống thông tin di động toàn cầu với tiêu chuẩn viễn thông tế bào kỹ thuật toàn châu Âu sẽ giải quyết dung l ợng hiện nay Thực chất dung lợng sẽ tăng 2 đến 3 lần nhờ việc sử dụng tần số tốt hơn và kỹ thuật ô nhỏ , do vậy số thuê bao di động sẽ tăng lên rất nhiÒu.
Tiêu chuẩn GSM đợc thiết kế để có thể kết hợp với ISDN và tơng thích với môi trờng di động Hệ thống thông tin di động GSM bắt đầu phát triển vào năm 1982 khi các nớc Bắc Âu gửi đề nghị đến CEFP (hội nghị các cơ quan quản lí viễn thông và b u chính Châu Âu) để quy định nột dịch vụ viễn thông chung Châu Âu ở tần số 900Mhz Năm
1985 ngời ta quyết định xây dựng hệ thống thông tin di động kỹ thuật sè. Để phát triển , nghiên cứu và nang cao tiêu chuẩn mạng lới dịch vụ thông tin di động GSM , năm 1992 một số n ớc Châu Âu đã thành lập hiệp hội GSM Moll nhằm trao đổi hợp tác trong kinh doanh va bảo vệ quyền lợi cho các nhà khai thác GSM, DCS trên toàn thế giới.
Hiệp hội này đã phôi thai khi các nớc Bắc Âu đa ra một kiến nghị thống nhất một dịch vụ viễn thông chung cho toàn Châu Âu ở băng tần 900Mhz Cho tới năm 1996, tại Paris, mới hoàn thành việc đánh giá định hớng các giải pháp của các nớc khác nhau để tiến tới lựa chọn công nghệ TDMA băng hẹp.
Tháng 4/1987, 13 nớc châu Âu đã ký GSM Moll để hứa hen lẫn nhau về việc hoàn thiện các chỉ tiêu kỹ thuật , cùng chung sức mở ra một thị trờng mạnh và rộng lớn cho GSM và thoả thuận mỗi n ớc sẽ có một mạng GSM hoạt động từ 1/7/1991.
Tuy nhiên do nhiều nguyên nhân cuối năm 1992 mới có 13 nớc là thành viên mạng GSM của 7 nớc và cho đến nay có rất nhiều những thành viên mới của mạng GSM trên toàn thế giới.
Mạng thông tin di động theo tiêu chuẩn GSM lần đầu tiên đợc đa vào sử dụng tại Việt Nam năm 1993 , từ một nhà khai thác là VMS (14/3/1993) , đến nay đã có thêm nhà khai thác thứ hai là GPC (26/6/1996) và cả hai cùng không ngừng mở rộng mạng l ới cũng nh tăng cờng cung cấp các dịch vụ cho khách hàng.
Cả hai mạng này đều phục vụ cho địa bàn toàn quốc , gồm ba trung tâm chuyển mạch và cac thành phần để xử lý cuộc gọi tại Hà Nội, Đà Nẵng và Thành Phố Hồ Chí Minh Trong đó các trung tâm của mỗi mạng đều liên kết với nhau và thực hiện Roaming nội bộ nhằm phục vụ thuận tiện cho thuê bao.
Các dịch vụ đã đa vào phục vụ khách hàng hiện nay bao gồm:
Dịch vụ trả tiền sau: là dịch vụ cơ bản do nhà cung cấp thông tin di động cung cấp cho khách hàng Các thuê bao di động có thẻ sử dụng MS của nó để nhận và thực hiện tất cả các cuộc gọi tại những nơi mà mạng di dộng phủ sóng (kể cả ở nớc ngoài ) và thuê bao có thể sử dụng tất cả các dịch vụ phụ của nhà cung cấp.
Dịch vụ trả trớc : Khi sử dụng loại hìh dịch vụ này thì MS phải có một thẻ SIM (khối giao diện thuê bao) và một thẻ (card) và đã có thể hoà mạng thông tin di động và có thể thực hiện và nhận tất cả các cuộc gọi.
Chuyển vùng trong nớc : Dịch vụ này giúp các thuê bao di động nhận và thực hiện cuộc gọi tại 61/61 tỉnh và thành phố trên toàn quèc.
Hiển thị số thuê bao chủ gọi: Dịch vụ này giúp thuê bao di động thấy đợc số điện thoại trên màn hình máy di động.
Cấm hiển thị số thuê bao chủ: Dịch vụ này khiến ng ời mà thuê bao chủ gọi tới không thấy đợc số thuê bao của máy này trên màn hình máy di động
Hệ thống GSM
Đặc tính của mạng thông tin di động
Từ các khuyến nghị của ITU-T về kỹ thuật khai thác hệ thống GSM ta có thể tổng hợp nên các đặc tính của thông tin di động nh sau: o Số lợng lớn các dịch vụ và tiện ích cho các thuê bao cả trong thông tin thoại và truyền dữ liệu o Sự tơng thích của các dịch vụ trong GSM với các dịch vụ của mạng sẵn có bởi các giao diện theo tiêu chuẩn chung o Tự động cập nhật vị trí và định vị cho mọi thuê bao di động. o Độ linh hoạt cao nhờ sử dụng các loại máy di động đầu cuối khác nhau nh máy xách tay, máy cầm tay, máy đặt trên ô tô. o Sử dụng băng tần 900Mhz với hiệu quả cao bởi có sự kết hợp giữa hai phơng pháp đa truy nhập : Phân chia theo thời gian TDMA và phân chia theo tần số FDMA. o Giải quyết sự hạn chế dung lợng , thực chất dung lợng sẽ tăng từ 2 đến 3 lần nhờ việc sử dụng tần số tốt hơn.
Vấn đề bảo mật
ở GSM việc đăng ký thuê bao đợc ghi ở khối nhận dạng thuê bao (SIM), Card thuê bao có kích thớc nh tấm tín phiếu Ta có thẻ cắm Card thuê bao (SIM) của mình vào máy cầm tay GSM và chỉ mình sử dung nó Quá trình kiểm tra các tham số của SIM này đ ợc tự động thực hiện bằng một thủ tục nhận thực thông qua trung tâm nhận thực.
Tính bảo mật cũng đợc tăng cờng nhờ sử dụng mã hoá tín hiệu để ngăn chặn hoàn toàn việc nghe chộm ở đờng vô tuyến.
Vấn đề chất lợng
Tại các điều kiện tơng đối tốt chất lợng của hệ thống GSM và chất lợng các hệ thống tơng tự không có sự khác rõ rệt Tuy nhiên ở các điều kiện xấu , do tín hiệu yếu hay do nhiễu giao thoa nặng thì thông tin di động GSM có chất lợng tốt hẳn Các dịch vụ số liệu có thể cung cấp các dịch vụ chất lợng cao với lỗi rất ít ở tốc độ lên tới 9,6 Kbit/s Máy điện thoại di động sẽ đợc cung cấp ở tất cả các hình thức : Ô tô, xách tay và c©m tay
Kích thớc và tuổi thọ của Accu (pin) cũng là các tính năng quan trọng Việc sử dụng công nghệ mới nhất làm cho các máy điện thoại di động nhỏ và nhẹ hơn Việc sử dụng chế độ “nghỉ tự động” làm cho tuổi thọ Accu dài hơn.
TruyÒn dÉn sè
Hệ thống GSM sử dụng kỹ thuật số do đó việc truyền dẫn các tín hiệulà truyền dẫn số Trong khi đó các dạng tín hiệu nh âm thanh, tiếng nói, hình ảnh… Cùng các dịch vụ hỗ trợ củalà tín hiệu tơng tự Do đó để truyền đợc trong mạng số thì các tín hiệu trên phải đợc chuyển thành tín hiệu số Trớc hết cần phải lấy mẫu tín hiệu. Định lý lấy mẫu: Tần số lấy mẫu ít nhất phải bằng hai lần tần số cao nhất của phổ tần tín hiệu tơng tự, nuến không việc tái tạo tín hiệu t - ơng tự sẽ bị méo dạng.
Tiếng nói thông thờng chứa chủ yếu các thành phần tần số đến gần 3Khz Các tần số cao hơn có năng lợng quá thấp và có thể bỏ qua chúng mà không ảnh hởng nhiều đến chất lợng.
Vì thế ở truyền dẫn thoại, thông thờng tín hiệu này đợc hạn chế bởi bộ lọc tần thấp 3Khz Vởy tần số lấy mẫu 8Khz là đủ đáp ứng định lý trên.
Tiếp theo việc lấy mẫu tín hiệu là quá trình l ợng tử hoá và mã hoá.
Số mức lợng tử hoá dợc xác định bởi số bit mà ta cần sử dung đẻ trinh bầy một mẫu Phần lớn các trờng hợp có sự khác nhau giữa giá trị mẫu và giá trị đã lợng tử một đại lợng đợc kí hiệu là x Ta có thể điều chỉnh để đạt đợc x nhỏ tuỳ ý bằng cách tăng số mức rời rạc hoá nh ng không thể loại nó hoàn toàn.
Các hệ thống viễn thông số chọn chúng là 256 mức (8 bit) nghĩa là đối với một mẫu ta trình bày giá trị tơng tự bằng một giá trị đã lợng tử 8 bit với tốc độ lấy mẫu 8 Khz nh vậy ta đợc tốc độ bit là 8000 mẫu/s x 8 bit dKbit/s Quá trình này đợc gọi là điều chế xung mã (PCM) gồm ba bíc:
Lấy mẫu: Đo tín hiệu tơng tự.
Lợng tử: Gán cho mỗi mẫu một trong số 256 mức.
Mã hoá: Mỗi giá trị sau khi lợng tử đợc trình bày bằng một mã nhị phân 8 bit.
Một đờng truyền số cho một kênh để truyền tín hiệu nói trên phải có tốc độ là 64 Kbit/s Đờng truyền này đợc gọi là đờng truyền PCM Sử dụng một đờng truyền PCM cho một kênh rất lãng phí dây dẫn , vì thế cần đặt nhiều kênh trên cùng một đờng truyền PCM (ghép kênh) Tức là cần tăng tốc độ bit ở đờng truyền PCM Mỗi kênh có thể sử dụng đờng truyền ở một khoảng thời gian nhất định đợc gọi là khe thời gian Tại hệ thống PCM bậc 1 ta ghep 32 kênh trên một đ ờng truyền PCM Vởy tốc độ bit của đờng truyền này là 2,048 Mbit/s Kênh 0 đợc sử dụng cho đồng bộ, kênh 16 đợc sử dụng cho báo hiệu còn lại là 32 kênh thoại.Phần trình bày ở trên là ví dụ về đa thâm nhập phân chia theo thời gian(TDMA) Một phơng án khác là đa thâm nhập phân chia theo tần số TạiGSM khái niệm TDMA cũng đợc sử dụng cho đờng vô tuyến Tám khe thời gian sẽ đợc sử dụng cho từng băng tần.
Đồng bộ thời gian
Lấy mẫu Lợng tử hoá Mã hoá
Việc sử dụng TDMA ở vô tuyến số đòi hỏi trạm di động chỉ phát ở khe thời gian dành cho nó và im lặng ở thời gian còn lại, nếu không trạm di động sẽ gây nhiễu cho các cuộc gọi từ các trạm di động khác sử dụng các khe thời gian khác nhau nhng ở cùng tần số Thí dụ : Một trạm di động rất gần trạm gốc nó đợc dùng khe thời gian thứ 3 và chỉ sử dụng khe thời gian này cho cuộc gọi Trong quá trình của cuộc gọi trạm di động rời xa gốc nên thông tin gửi đi từ trạm gốc sẽ đến ngày càng trễ hơn và trả kời từ trạm di động đến trạm gốc cung ngày càng trễ hơn. Nừu không có biện pháp thì có thể đén một lúc nào đó do trễ quá lớn mà thông tin do trạm di động phát đi ở khe thời gian TS3 sẽ trùng với tín hiệu trạm gốc thu đợc ở TS4 của cuộc gọi khác Vì thế trong quá trình thực hiện cuộc gọi, thời gian đến trạm gốc đ ợc kiểm tra và các lệnh đợc gửi đến trạm di dộng để định tr ớc thời gian phát khi trạm di động chuyển rời ra xa Quá trình này đợc gọi là quá trình định trớc thời gian.
Mã hoá GSM
Trong hệ thống thông tin số, các bít 1 và 0 đ ợc điều chế số vào sóng mang Vì dung lợng kênh vô tuyến rất bị hạn chế, nên ta mong muốn truyền tin tức ngời dùng với một số bít tối thiểu có thể.
Việc biến đổi thoại thành dữ liệu số để truỳen qua môi tr ờng vô tuyến và tái tạo lại tín hiệu thoại từ dữ liệu số nhận đ ợc là chc năng mã hoá - giải mã thoại của thiết bị CODEC Thiết bị này có ở cả hai bên đối tác của giao diện vô tuýến (MS và BTS) Mã hoá thoại trong GSM đã đảm bảo chất lợng thoại khi truyền đa thoại bằng nửa, phần t tốc độ thoại dòng thoại số trong mạng điện thoại cố định.
Các yêu cầu đối với mã thoại GSM:
* Độ d nội tại của thoại phải lọc bỏ, sau mã hoá ta chỉ dữ lại tin tức tối thiểu đủ để khôi phục thoại ở máy thu.
* Đảm bảo chất lợng truyền thoại đến máy thu.
* Ngừng phát vô tuyến khi không tích cực thoại (khoảng ngừng) trong quá trình đàm thoại Đó là chức năng phát gián đoạn (DTX: dícontinuos transmission) DTX giảm bớt lu lợng và can nhiễu ở giao diện vô tuyến, đồng thời giảm yêu cầu về nguồn. Để xử lý số tín hiệu thoại, bộ mã hoá thoại trong hệ thống GSM thự hiện chừng 8 triệu lệnh/s Việc xử lý tín hiệu thoại để truyền đến đích bị trễ đến 50+ 100ms, do đó cần sử dụng bộ triệt tiếng vọng và khử trắc ©m.
Dới đây trình bày sơ đồ khối quá trình xử lý tín hiệu thoại ở thông tin di động số celluler GSM
Hình 2.6.1 Quá trình xử lý thoại
ADC Lấy nẫu với chu kỳ 125s (tần số lấy mẫu 8kHz) và lợng tử hoá đều 13 bit cho một mẫu : 2 13 =8.192 mức 8000bit/mẫu = 104 Kbit. Đây là tôc độ bit của tín hiệu thoại ở DAI (digital audio interface : giao diện âm tần số) ở DAI, thoại dã đợc mã hoá dạng sóng, nhng độ d còn nhiều CODEC tiến hành mã hoá thoại lại kiểu VOCODER dể loại bỏ tối đa độ d trong thoại Nguyên lý của VOCODER là mô hìng phát âm đợc xác định trớc ở hai phía phát và thu thoại Bên thu chỉ cần nhận dủ những đăc trng của thoại theo yêu cầu mô hình đó là có thể tái tạo lại thoại
Chúng ta tìm độ d của thoại ở đâu để bỏ bớt? Độ d thoại có càng nhiều ở những mẫu tín hiệu thoại có tơng quan với nhau càng lớn. Chúng ta dùng các biện pháp sau đây: a) Ph©n tÝch LPC- RPE (Linear predictive- Regular excitation) §©y là nguyên lý giảm độ d thoại dựa vào đặc tính tơng quan ngắn 1ms gia các mẫu Cụ thể:
- Mỗi cửa sổ 20ms của thoại (có 160 mẫu) đợc lu giữ vào bộ nhớ.
Sự nphân tích các mẫu của cửa sổ đa ra 8 hệ số bộ lọc và thông số tín hiệu kích theo yêu cầu mô hình phát âm.
- 160 mẫu trong 1 cửa sổ đợc chia thành 4 nhóm : 40 mẫu của mỗi nhóm 5ms mõi nhóm lại phân chia 4 chuỗi nh sau:
Chuỗi 1 gồm các mẫu 1 5 9 13… Cùng các dịch vụ hỗ trợ của 37
Chuỗi 2 gồm các mẫu 2 6 10 14… Cùng các dịch vụ hỗ trợ của 38
Mã hoá kênh §iÒu chÕ
CODEC Môi tr- ờng truyÒn dẫn vô tuyÕn Micro
Chuỗi 4 gồm các mẫu 4 8 12 16… Cùng các dịch vụ hỗ trợ của 40
Bằng thuật toán chọn chuỗi nào có năng lợng lớn nhất để đại diện cho một nhómta đã giảm đợt đầu độ d thoại. b) Phân tích LPT (long tem prediction) Đây là nguyên lý giảm độ d thoại d vào tơng quan dài Bộ nhớ lu giữ 4 chuỗi đại diện 4 nhóm của
1 cửa sổ Một thuật toán chọn ra chuỗi đại diện cho cửa sổ theo nguyên tắc : chuỗi của cửa sổ xét phải giống hơn cả (có tơng quan lớn nhất) với chuỗi đại diện của cửa sổ trớc Dòng bit mang thông tin thoại truyền đế máy thucó con trỏ cho biết chuỗi của nhóm nào đ ợc chọn và thông số thay đổi giữa chuỗi của cửa sổ này với chuỗi của cửa sổ tr ớc Sau lần giảm độ d thoại này, ta đợc kết quả:
260bit/20ms, tức là 13 Kbit/s 1
8 tốc độ thoại ở DAI Dòng thoại đầu ra CODEC dã đợc mã hoá thoại đặc thù cho môi tr- ờng di động này sẽ đợc mã hoá kênh, nhằm tạo điều kiện sửa sai lỗi truyền dẫn qua môi trờng vô tuyến.
DTX là một chức năng tuỳ chọn để sử dụng trong GSM Khi đó, CODEC thêm hai việc phải làm:
+ Phát hiện sự tích cực thoại(VAD: Voice activity detection) : Dây không phải một việc dễ dàng , nhất là khi tạp âm nền rất lớn.
+ Nếu phía thu không nhận đợc âm thanh gì khi không tích cực thoại, thì ngời dùng tởng rằng máy di động của họ bị chết, bị yếu (nên thông thờng họ sẽ nói to lên) Để giải quyết vấn đề này, trong khoảng không tích cực thoại, các khung báo khoảng lặng(SID : silence descriptor) dợc phát đến phía thu với chu kỳ 480ms Khung SID sẽ điều khiển bộ giải mã thoại phát ra tạp âm dễ chịu lấp đầy khoảng lặng.
Mã hoá kênh tín hiệu thoại số ở trên ta đã biết Đầu ra CODEC là dòng số 260bit/20ms.260bit này dợc phân cấp theo tầm quan trọng Cấp khác nhau đợc bảo vệ khác nhauđể cho công việc bảo vệ hiệu quả nhất.
Cấp Ia 50 bit : hệ số bộ lọc, biên độ nhóm, thông số LTP
Cấp Ib 132 bit : con trỏ RPE, xung RPE, thông số LTP.
Cấp II 78 bit : xung RPE, thông số bộ lọc.
Mã hoá kênh đợc thực hiện qua hai bớc : mã hoá khối (block code) và mã hoá vòng xoắn (convolutional code).
Mã khối là một mã chu kỳ để phát hiện lỗi cho 50 bit cấp Ia Nếu thêm vào 3 bit CRC, thì có thể phát hiện lỗi để huỷ toàn bộ cửa sổ xét và bộ ngoại suy ở máy thu lấp lỗ trông này.
Mã hoá vòng xoắn cho phép sửa sai lỗi, và đ ợc áp dung cho các bit cấp Ib, Ia> Thờng dùng mã vòng xoắn với tốc độ r 1
2 và độ trễ K =5 ý nghĩa của các thông số này là: 5 bit liên tiếp đợc dùng để tính ra bit d (redundancy bit : bit thêm vào các bit tincần bảo vệ), mỗi bit tin đ ợc kèm một bit d Bộ mã hoá vòng xoắn đợc xoá về trạng thái đầu bằng 4 bit 0, vì vậy bit cuối cùng của một cửa sổ sẽ kéo theo 4 bit 0.
Nguyên lý chung của mã hoá vocoder nh sau: Cơ quan phát âm của con ngời đợc coi nh một bộ lọc đợc kích thích bởi các xung , các xung này đợc bắt nguồn từ sự rung cổ họng, miệng và lỡi Tất nhiên “ bộ lọc
” cũng nh tần số xung luôn thay đổi, nhng do sự chậm trễ của cơ quan phát âm ta có thể đơn giản nh sau: nếu xét trong khoảng thời gian rất nhỏ (khoảng 10 – 30 ms ) cơ quan phát âm hầu nh không thay đổi Khi đó phải lập mô hình có thông số thể hiện bộ lọc này trong khoảng thời gian 20 ms, chẳng hạn lấy ra tần số xung trong thời gian này, các thông số của bộ lọc cùng với thông tin của tần số xung đ ợc phát đi trong thời gian này Các thông số này mô tả tiếng nói trong khoảng thời gian 20 ms mà chúng thể hiện.
Vocoder khác với thực tế ở một số điểm chẳng hạn cơ quan phát âm thay đổi trong khoảng thời gian 20 ms và kích thích phức tạp hơn so với một chuỗi xung Vì thế ta nhận đợc tiếng nói tuy hiểu đợc nhng tổng hợp trong đó rất khó nhận biết ai là ngời nói Ưu điểm của vocoder là cần tốc độ bit thấp: Nhỏ hơn 5Kbit/s.
Cấu trúc mạng thông tin di động Gsm
Cấu trúc địa lý
Mọi mạng điện thoại cần một cấu trúc nhất định để định tuyến các cuộc gọi vào tổng đài cần thiết và cuối cùng đến thuê bao bị gọi, ở một mạng di động cấu trúc này rất quan trọng do tính lu thông của các thuê bao trong mạng
Tổng đài vô tuyến cổng GMSC các đờng truyền giữa mạng GSM/PLMN và mạng PSTN/ISDN khác hay các mạng PLMN khác sẽ ở mức tổng đài trung kế quốc gia hay quốc tế Tất cả các cuộc gọi vào cho mạng GSM sẽ đợc định tuyến đến một hay nhiều tổng đài vô tuyến cổng GMSC.
Vùng phục vụ MSC/VLR
Vùng MSC là một bộ phận của mạng đợc một MSC quan lý Để đinhj tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động, đờng truyền qua mạng sẽ đ- ợc nối đến MSC ở vùng phục vụ MSC nơi thuê bao đang ở Vùng phục vụ nh là một bộ phận của mạng đợc định nghĩa nh một vùng mà ở đó có thể đạt đến trạm di động nhờ việc MS này đợc ghi lại ở một bộ định vị khác (VLR).
Một vùng mạng GSM đợc chia thành một hay nhiều vùng phục vụ MSC/VLR.
Vùng định vị (LA-Location Area).
Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR đợc chia thành một số vùng định vị. Vùng định vị là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR mà ở đó một trạm di động có thể chuyển động tự do mà không cần cập nhật thông tin về vị trí cho tổng đài MSC/VLR điều khiển Vùng định vị này là một vùng mà ở đó thông báo tìm gọi sẽ đợc phát quảng bá để tìm một thuê bâo di động bị gọi Vùng định vị có thể có một số ô và phụ thuộc vào một hay vài BSC nhng nó chi phụ thuộc vào một MSC/VLR.
Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử dung nhận dạng vùng định vị LAI.
Vùng định vị đợc hệ thống sử dụng để tìm một thuê bao đang ở trạng thái hoạt động. ¤ (cell).
Vùng định vị đợc chia thành một số ô Ô là một vùng bao phủ vô tuyến đợc nhận dạng bằng hệ thống nhận dạng ô toàn cầu (CGI).
Trạm di động tự nhận dạng một ô bằng cách sử dụng mã nhận dạng trạm gốc (BSIC).
Cấu trúc chức năng
OSS : Hệ thống khai thác và hỗ trợ.
HLR : Bộ ghi định vị thờng trú.
MSC : Tổng đài di động.
BSS : Hệ thống trạm gốc.
BSC : Đài điều khiển trạm gốc.
OMC : Trung tâm khai thác và bảo dỡng.
PSPDN : Mạng chuyển mạch gói công cộng.
PSDN : Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng.
SS : Hệ thống chuyển mạch.
VLR : Bộ ghi định vị tạm trú.
EIR : Thanh ghi nhận dạng thiết bị.
BTS : Đài vô tuyến gốc.
ISDN : Mạng số lien kết đa dịch vụ.
CSPDN : Mạng chuyển mạch số công cộng theo mạch.
PLMN : Mạng di động mặt đất công cộng.
Hệ thống này đợc chia thành hệ thống: Chuyển mạch SS và hệ thống trạm gốc BSS Mỗi hệ thống có một chức năng, tại nơi đó thực hiện tất cả các chức năngcủa hệ thống Trong đó những khối chức năng này đ ợc thực hiện ở các thiết bị khác nhau.
Hệ thống đợc thực hiện nh một mạng gồm nhiều ô vô tuyến cạnh nhau để cùng đảm bảo toàn bộ vùng phủ sóng của vùng phục vụ Mỗi ô có một trạm vô tuyến gốc BTS làm việc ở một tập hợp các kênh vô tuyến Các kênh này khác với các kênh đợc sử dụng ở các ô lân cận để tránh nhiễu giao thoa.
+ Một bộ điềukhiển trạm gốc BSC sẽ điều khiển một nhóm BTS BSC điều khiển các chức năng nh chuyển giao và điều khiển công suất.
+ Một MSC (trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động) phục vụ một số bộ điều khiển trạm gốc, MSC điều khiển các cuộc gọi tới và đi từ mạng chuyển mạch điện thoại công cộng PSDN, mạng số liên kết đa dịch vụ ISDN, mạng di động mặt đất công cộng PLMN và các mạng số liệu công cộng PSDN, và có thể là các mạng riêng.
Các khối nói trên đều tham gia vào việc nối thông giữa môt trạm di động MS và một thuê bao di động ở PSDN Nừu không thể thực hiện một cuộc gọi đến MS ta sẽ không cần bất cứ một thiết bị nào khác Vấn đề nảy sinh khi ta muốn thực hiện một cuộc gọi kết cuối ở MS, ngời gọi hầu nh không biết MS ở đâu Vì thế cần có một cơ sỏ dữ liệu mạng để theo dõi
MS Cơ sở dữ liệu quan trọng nhất là bộ đăng ký th ờng trú HLR Khi một thuê
Bao di động đăng ký từ một hãng khai thác GSM, thuê bao di động này sẽ đợc đăng ký ở HLR của hãng này HLR chứa các thông tin về thuê bao nh các dịch vụ bổ xung và các tàn số nhận thực, quyền thâm nhập của thuê bao, các dịch vụ mà thuê bao đăng ký, các số liệu động về vùng mà ở đó đang chứa thuê bao của nó (Roaming) Trong HLR còn tạo báo hiệu số
7 trên giao diện với MSC Ngoài ra ta sẽ có thông tin về vị trí của MS tức là vị trí hiện thời của MS ở đâu, thuộc MS nào Thông tin này thay đổi khi
MS di động, MS sẽ gửi thông tin về vị trí thông qua MSC/HLR đến HLR của mình Nhờ vậy đảm bảo phơng tiện để thu một cuộc gọi.
2.1 Hệ thống chuyển mạch (SS)
Hệ thống con chuyển mạch SS: Bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của GSM cũng nh các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý di động của thuê bao Chức năng chính của SS là quản lý thông tin giữa những ngời sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác SS bao gồm:
- Trung tâm chuyển mạch các nghiêp vụ di động MSC.
- Bộ ghi dịch tạm trú VLR.
- Bộ ghi dịch thờng trú HLR
- Bộ nhận dàng thiết bị EIR
- Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động cổng GMSC
MSC thực hiện các chức năng chuyển mạch chính, nhiệm vụ của MSC là điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những thuê bao của GSM, Một mặt MSC giao tiếp với hệ thống con BSS và giao tiếp với mạng ngoài qua GMSC.
SS cũng cần giao tiếp với mạng ngoài để sử dụng khả năng truyền tải của các mạng này cho việc truyền tải số liệu của ngời sử dụng hay báo hiệu giữa các phần tử của mạng GSM Chẳng hạn SS có thể sử dụng mạng báo hiệu kênh chung số7 Mạng này đảm bảo hoạt động t ơng tác giữa các phần tử của Sstrong một hay nhiều mạng GSM MSC thờng là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số các bộ điều khiển trạm gốc BSC Một tổng đài MSC thích hợp cho một vùng đô thị và ngoại ô có dân c vào khoảng một triệu (với mật độ thuê bao trung bình). Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng các dặc diểm truyền dẫn của GSM với các mạng này Các thích ứng này gọi là chức năng tơng tác IWF IWF bao gồm một thiết bị để thích ứng giao thức và truyền dẫn Nó có thể thực hiện trong cùng chức năng MSC hay có thể ở thiết bị riêng trong trờng hợp hai giao tiếp giữa MSC và IWF đợc để mở.
Gĩ các thông tin liên quan tới việc cung cấp các dịch vụ viễn thông không phụ thuộc vào vị trí hiên thời của thuê bao và chứa các thông tin về vị trí hiện thời của thuê bao Thờng HLR là một máy tính đứng riêng không có khả năng chuyển mạch nhng có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao Một chức năng con của HLR là nhận dạng trung tâm nhận thực thuê bao AUC.
Khối trung tâm nhận thực AUC đợc nối với HLR Chức năng của AUC là cung cấp cho HLR các tần số nhận thực và các khoá mật mã để sử dụng cho bảo mật Đờngvô tuyến cũng đợc AUC cung cấp mã bảo mật chống nghe trộm, mã này đợc thay đôỉ riêng biệt cho tng thuê bao Cơ sở dữ liệu của AUC còn ghi nhiều thông tin khác về thuê bao và phải đ ợc bảo vệ chống mọi thâm nhập trái phép.
Là một cơ sở dữ liệu chứa tạm thời thông tin về tất cả các MS hiện đang ở vùng phục vụ của MS và có nhiệm vụ lu giữ số liệu về vị trí của các thuê bao trên ở mức độ chính xác hơn HLR Mỗi VLR có thể kết nối với một hay nhiều MSC sẽ khi MS lu động vào một vùng MSC mới, VLR liên kết với MSC sẽ yêu cầu số liệu về MS từ HLR.Đòng thời HLR sẽ đ ợc thông báo rằng MS đang ở vùng MSC nào Nừu sau đó MS muốn thực hiên một cuộc gọi, VLR sẽ có tất cả các thông tin cần thiết để thiết lập một cuộc gọi mà không cần hỏi HLR Có thể coi VLR nh một HLR phân bố. VLR chứa thông tin chính xác hơn về vị trí MS ở vùng MSC.
EIR là trung tâm nhận dạng thiết bị Khi đa EIR vào sử dụng thiết bị thuê bao phải đảm bảo một tiêu chuẩn nào đó mà nhà cung cấp thông tin di động đề ra Điều đó đồng nghĩa với việc hạn chế số hãng cung cấp thiết bị vì máy của các hãng khác nhau thì dựa trên các chuẩn khác nhau Vì vậy mà hiện nay, bộ phận này không đợc đa vào sử dụng ở nớc ta.
GMSC Để thiết lập một cuộc gọi đến thuê bao, trớc hết cuộc gọi phải đợc định tuyến đến một tổng đài cổng gọi là GMSC mà không cần quan tâm đến vị tri hiện thờ của thuê bao GMSC có thể là một MSC ở trong mạng GSM, nó sẽ phải tìm ra vị trí của MS cần tìm Điều này đ ợc thực hiện bằng cách hỏi HLR nơi MS đăng ký HLR sẽ trả lời khi đó MSC này có thể định tuyến lại cuộc gọi đến MSC đang quản lý thuê bao hiện thời Khi cuộc gọi đợc thực hiện đến MSC này, VLR sẽ biết chi tiết hơn về vị trí của MS Nh vậy có thể nôi thông một cuộc gọi ở GSM có sự khác biệt giữa thiết bị vật lý và đăng ký thuê bao Ngoài ra , GMSC cũng có giao diện báo hiệu số 7 để tơng tác với phần tử khác của SS.
2.2 Hệ thống con trạm gốc BSS
Các khái niệm trong giao diện vô tuyến
Khái niệm kênh
Các kênh vật lý là một khe thời gian ở một tần số vô tuyến của hệ thống GMS Ta có thể so sánh nó với một kênh trong hệ thống FDMA, trong đó từng ngời sử dụng đợc nối đến hệ thống thông qua một trong số các tần số Nh vậy có 8 kênh vật lý trên một sóng mang ở GSM, thông tin phát đi trong một TS đợc gọi là cụm ( Brust).
GSM sử dụng các băng tần :
890 - 915 cho đờng lên ( MS phát)
935 - 960 cho đờng xuống ( BTS phát)
Khoảng cách giữa các sóng mang là 200Khz.
Trong tơng lai , khi mở rộng hệ thống DCS 1800 băng tần đ ợc sử dụng sẽ là:
1805 – 1880 cho đờng xuống Để đảm bảo các quy định về tần số bên ngoài băng phải có một khoảng bảo vệ giữa các biên của băng (200Khz) Vì thế ở GSM 900 ta có
124 kênh tần số vô tuyến bắt đầu từ 890,2Mhz và ở DCS 1800 ta có 374 kênh tần số vô tuyến bắt đầu từ 1710,2Mhz.
Mỗi một kênh tần số vô tuyến đợc tổ chức thành các khung TDMA có
8 khe thời gian Mỗi khe thời gian có độ dài là 15/26ms = 577ms 8 khe thời gian của một khung TDMA có độ lớn bằng 4,62ms ở BTS các khung TDMA tại tất cả các kênh tần số trên đờng xuống đều đợc đồng bộ Tuy nhiên khởi đầu của khung TDMA đờng lên có trễ một khoảng thời gian cố địng là 3 khe để MS sử dụng cùng một khe thời gian ở cả đờng lên lẫn đ- ờng xuống mà không phải thu phát đồng thời.
Có thể mô tả cấu trúc trên bằng hình vẽ sau: Đa khung , siêu khung , siêu siêu khung
Về mặt thời gian, các kênh vật lý ở một kênh tần số đợc tổ chức theo cấu trúc khung (Frame) , đa khung (Multiframe), siêu khung (superframe), siêu siêu khung (Hypeframe) §êng xuèng KTS §êng xuèng KTS
Khung TDMA §êng lên KTS §êng lên KTS
Đa khung 26 khung (51 siêu khung trên một siêu khung) có độ line 120ms và chứa 26 khung Các đa khung này đợc sử dụng cho các kênh TCH, SACCH, FACCH.
Đa khung 51 khung (26 siêu khung trên một siêu khung ) có độ lớn 235,4 ms và chứa 51 khung TDMA Đa khung này đợc sử dụng cho các kênh BCCH, CCCH và SACCH.
Mỗi siêu khung có một độ lớn là 1 đa khung 51 x 1 đa khung 26 5,12s
Một siêu siêu khung có độ lớn là 3 giờ 28 phút 53 giây 760ms Các khung TDMA đợc đánh số FN (Frame number) từ 0 cho đến 2715647. Mỗi siêu khung chứa 2048 siêu khung.
Khe thời gian 577ms tơng ứng với độ lớn 156,25 bit là nội dung vật lý của một cụm Cụm thông tin là khuôn mẫu thông tin ở một khe thời gian trên kênh TDMA Tồn tại nâm loại cụm thông tin :
Cụm bình thờng NB (Normal Bruts) : Đợc sử dụng để mang các thông tinvề các kênh lu lợng và các kênh kiểm tra Đối với kênh lu lợng TCH , cụm này chỉ chứa 114 bit đợc mật mã hoá , ba bit đuôi (0,0,0) đầu và cuối , 2 bit cờ lấy cắp ( chỉ cho TCH ), 26 bít hớng dẫn và khoảng thời gian bảo vệ có độ lớn 8,25 bit NB đợc sử dụng cho TCH và các kênh điều khiển BCCH ,PCH ,SDCCH,SACCH và FACCH.
Cụm hiệu chỉnh tần số FB ( Frequency Correction Brust): Đợc sử dụng để đồng bộ tần số cho MS Cụm chỉ chứa 142 bit cố định bằng 0 để tạo ra dịch tần bằng 67,7 Khz trên tần số danh định , ba bít đuôi (0,0,0) đầu và cuối và khoảng bảo vệ 8,25 bit FB đ ợc sử dụng cho kênh FCCH.
3 57 bit đợc mật mã hoá F
8,25 57bit đợc mật mã hoá
Cụm đồng bộ SB (Sychronization Brust) : Đợc sử dụng để đồng bộ thời gian cho MS Cụm chứa 78 bit đợc mã hoá để mang thông tin về FN của TDMA và BSIC , ba bit đuôi (0,0,0) đầu và cuối , chuỗi h ớng dẫn 64 bit và khoảng bảo vệ 8,25 bit SB đợc sử dụng cho SCH.
Cụm thâm nhập AB (Access Brust) : Đợc sử dụng để thâm nhập ngẫu nhiên và thâm nhập chuyển giao Cụm này chứa 36 bit thông tin , 41 bit đồng bộ , 8 bit đuôi đầu , 3 bit đuôi cuối và khoảng bảo vệ 68,25 bit (252ms) Sở dĩ cụm này cần khoảng bảo vệ dài hơn các loại cụm trên vì khi MS thâm nhập lần đầu hay lần sau chuyển giao thì nó không biết định trớc thời gian , khoảng bảo vệ trên dành cho khoảng cách 35 km AB đợc sử dụng cho các kênh RACH và TCH.
Cụm giả DB (Dummy Brust) : Đợc phát đi từ BTS trong một số trờng hợp nhất định Cụm này không mang thông tin và có khuôn mẫu giống cụm bình thờng NB với các bit mật mã đợc thay thế bằng các bit hỗn hợp.
3 39 bit đợc mật mã hoá Chuỗi đồng bộ
39 bit đợc mật mã hoá
3 Các bit hỗn hợp 58 Chuỗi hớng dẫn
41 Các bit đợc mật mã hoá 36 TB
Các kênh logic đợc đặc trng bởi thông tin truyền giữa BTS và MS Chúng đợc đặt trên các kênh vật lý nói trên
Có thể chia các kênh logic thành hai loại tổng quát : Các kênh lu lợng (TCH : Traffic Channel) và các kênh báo hiệu điều khiển (CCH) Các kênh lu lợng mang tiếng nói đã đợc mã hoá hoặc số liệu của ngời sử dụng Loại kênh này liên lạc hai chiều BTS – MS (song công)
Có hai loại kênh đợc định nghĩa : Bm hay kênh TCH toàn tốc : mang thông tin tiếng hoặc số liệu ở tốc độ 22,8 Kbit/s
Lm hay kênh TCH bán tốc : mang thông tin ở tốc độ 11,4 bit/ s.
Các kênh điều khiển mang tín hiếu báo hiệu hay số liệu đồng bộ Có ba loại kênh đợc định nghĩa : Kênh quảng bá, kênh điều khiển chung và kênh điều khiển riêng Chúng đợc phân ra các kênh sau :
* Các kênh quảng bá ( BCH) :
- Kênh hiệu chỉnh tần số ( FCCH) : Mang thông tin để hiệu chỉnh tần số của MS Chỉ liên lạc từ BTS tới MS.
- Kênh đồng bộ ( SCH) : Mang thông tin để đồng bộ khung của MS. Chỉ liên lạc từ BTS tới MS.
- Kênh điều khiển quảng bá ( BCCH ) : Phát quảng bá thông tin chung trên cơ sở một kênh cho một BTS( thông tin riêng của một Cell). Các bản tin này đợc gọi là thông tin hệ thống Kênh này chỉ liên lạc từ BTS tíi MS.
Các kênh điều khiển chung ( CCCH ).
- Kênh tìm gọi ( PCH) : Đợc sử dụng để tìm gọi MS, liên lạc từ BTS đến MS.
Các chức năng báo hiệu trên giao diện vô tuyến
Các lớp báo hiệu
Giao diện vô tuyến giữa BTS và MS còn đợc gọi là giao diện Um. Trên đó có 3 lớp báo hiệu sẽ đợc trình bày dới đây.
Lớp báo hiệu 1 còn gọi là lớp vật lý chứa các chức năng cần thiết để truyền các luồn bit trên các kênh vật lý ở môi tr ờng vô tuyến Lớp này có giao diện với quản lý tiềm năng vô tuyến RR Tại giao diện này, các bản tin đợc gửi đi liên quan đến ấn định các kênh vật lý ( thâm nhập ngẫu nhiên) cũng nh các thông tin hệ thống của lớp vật lý bao gồm các kết quả đo Lớp vật lý cũng có giao diện với các khối chức năng khác nh bộ mã hoá tiếng, các bộ thích ứng đầu cuối để đảm bảo các kênh l u lợng Lớp 1 bao gồm các chức năng chính sau :
- Sắp xếp các kênh logic trên các kênh vật lý
- Mã hoá kênh để sửa lỗi FEC ( sửa lỗi trớc ).
- Mã hoá kênh để phát hiện lỗi CRC( kiểm tra phần d mã vòng).
- Thiết lập các kênh vật lý dành riêng
- Đo cờng độ trờng của các kênh dành riêng và cờng độ trờng của các trạm xung quanh.
- Thiết lập định trớc thời gian và công suất theo sự điều khiển của mạng.
Lớp báo hiệu 2 còn gọi là lớp truyền dữ liệu Mục đích của lớp báo hiệu 2 là cung cấp đờng truyền tin cậy giữa trạm di động và mạng Mỗi kênh điều khiển logic đợc dành riêng một phần tử giao thức Giao thức của lớp này đợc gọi là giao thức LAPDm đợc xây dựng trên cơ sở giao thức LAPD vaf ISDN Tuy nhiên có một vài thay đổi để phù hợp với môi trờng tryền dẫn và để đạt hiệu suất cao hơn trong việc tiết kiệm phổ tần.
Các số liệu trao đổi giữa lớp 1 và lớp 2 là 23 byte với các kênh BCCH, CCCH, SDCH, FACCH và 21 byte với kênh SACCH.
Còn gọi là lớp mạng Lớp báo hiệu 3 này liên quan đến nội dung thực sự của các bản tin báo hiệu Các chức năng đặc biệt của giao diện vô tuyến đòi hỏi phải chia lớp này thành ba lớp con Nhờ vậy mà mỗi bản tin báo hiệu thuộc một trong ba lớp con này.
* Quản lý tiềm năng vô tuyến RR :
Bao gồm các chức năng cần thiết để thiết lập duy trì và giải phóng đấu nối các tiềm năng trên các kênh điều khiển dành riêng Các chức năng của lớp này thực hiện bao gồm :
- Thiết lập chế độ mật mã
- Thay đổi kênh dành riêng khi vẫn ở ô cũ ( nh từ SDCCH đến kênh l- u lợng).
- Chuyển giao từ ô này đến ô khác
- Định nghĩa lại tần số
- Các bản tin của lớp này đợc đặt bên trong BSC và đợc truyền qua BTS.
* Quản lý di động MM
Lớp con này chứa các chức năng liên quan đến di động của thuê bao nh:
- Nhận dạng trạm di động bằng cách yêu cầu IMSI hay IMEI
Trạm di động có thể thực hiện dời mạng IMSI để thông báo rằng không thể đạt tới trạm này, vì thế các cuộc gọi vào sẽ đợc chuyển hớng hoặc chặn chứ không tìm gọi MS trên Các bản tin tới từ lớp CM đ ợc truyền trong suốt bởi MM CM ở phía phát yêu cầu thiết lập MM và MM lại yêu cầu thiết lập đấu nối RR.
* Quản lý nối thông CM
Lớp con CM bao gồm 3 phần tử :
-Điều khiển cuộc gọi CC : Cung cấp các chức năng và thủ tục để điều khiển cuộc gọi ISDN Các chức năng, thủ tục này đã đ ợc cải tiến để phù hợp với môi trờng truyền dẫn vô tuyến CC cũng chứa các dịch vụ bổ sung đặc biệt ( nh báo hiệu giữa các ngời sử dụng).
- Phần tử đảm bảo các dịch vụ bổ sung SS : Xử lý các dịch vụ bổ sung không liên quan đến cuộc gọi ( nh chuyển hớng cuộc gọi khi không có trả lời, đợi gọi… Cùng các dịch vụ hỗ trợ của)
- Phần tử đảm bảo dịch vụ bản tin ngắn SMS : Cung cấp các giao thức lớp để truyền các bản tin ngắn giữa mạng và MS.
Giao thức LAPDm
- LAPDm là giao thức sử dụng riêng cho báo hiệu giữa BTS và MS đ - ợc đặt ở lớp 2 Mục đích của LAPDm là truyền dẫn báo hiệu qua kênh vô tuyến đợc an toàn Điều này có nghĩa là tin báo của lớp 3 có thể đ ợc phát trong điều kiện có điều khiển.
Giao thức LAPDm đợc phát triển dựa trên LAPD trong giao diện Abis Ngoài ra, vì các bản tin của LAPD quá dài không thể truyền đi trên TDMA băng hẹp nên LAPDm đã đợc sửa đổi để phù hợp với các đặc trng của giao diện vô tuyến.
Các chức năng của LAPDm là : o Sự đấu nối và không đấu nối của các kênh logic o Thiết lập và giải phóng các kênh số liệu o Chuyển giao số liệu đến và đi từ MS , sử dụng cả chế độ thừa nhân và không thừa nhận
LAPDm đợc diều khiển bằng một khối phần mềm gọi là khối sử lý kênh không gian ALH Chơng trình của alh đợc đặt ở bộ điều khiển thu phát TRXC tại BSS.
Có 3 dạng khung cơ bản của bản tin báo LAPDm :
Khung dạng loại A : Không chứa trờng thông tin lớp 3
Khung dạng loại B : Chứa thông tin lớp 3 đợc sử dụng trong tất cả các trờng hợp thông tin cho các kênh báo hiệu SDCCH , SACCH , BCCH , CCCH Dạng khung này bao gồm 23 byte
Kiểu khung dùng cho kênh BCCH và CCCH
Dạng khung loại C : Dạng khung này không phải dạng khung LAPDm Nó chỉ chứa 1 file duy nhất và đợc sử dụng để truyền các tín hiệu truy cập ngẫu nhiên trong trờng hợp thông tin cho kênh báo hiệu RACH.
Trờng địa chỉ Addr : Bit có trọng số thấp nhất là EA chỉ thị cit địa chỉ mở rộng , bit tiếp theo là C/R chỉ thị lệnh hay đáp ứng Bit 3, 4 , 5 là phân biệt điển truy cập dịch vụ , bit 6, 7 là phân biệt thủ tục Bít cuối cùng đ ợc thiết lập bằng 0. Địa chỉ §iÒu khiÓn Chỉ thị độ dài Các bit làm đầy Địa chỉ §iÒu khiÓn Chỉ thị độ dàiThông tinCác bit làm đầy
N(S) : Số tuần tự gửi của khung
N(R) : Số tuần tự gửi của khung kế tiếp
S : Bit chức năng của loại khung giám sát
M : Bit chức năng của khung không đánh số
P/E : Bit thăm dò hay bit kết quả
Trong LAPDm , trờng điều khiển cũng đợc phân biệt theo ba kiểu khung : Khung I , khung S , khung U Tại đây , các khung này đều chứa 1 byte.
Các khung I đợc sử dụng để truyền thông tin có phản hồi Các bản tin gửi đi đều đợc đánh số N(S) , với phơng pháp này thì nó cho phép nơi nhận có cơ hội yêu cầu nơi phát , phát lại thông tin vừa gửi trong trờng hợp lỗi truyền dẫn hoặc lỗi nhận.
Các khung S đợc sử dụng để trả lời các khung thông tin nhận Trờng điều khiển S chỉ có N(R) chỉ thị khung I mong đợi kế tiếp báo cho phía phát , phát khung I này Các khung S có thể xuất hiện nh các lệnh hoặc đáp ứng và chúng không chứa tr ờng thông tin Khung S có các dạng:
- RR (Receive Ready) sẵn sàng nhận : phản hồi tích cực.
- RNR ( Receive Non Ready) không sẵn sàng nhận : phản hồi tích cực đồng thời thông báo rằng không thể tiếp tục nhận khung I do quá tải.
- REJ( Reject) hủy bỏ : Phản hồi không tích cực, yêu cầu lặp lại
Các khung U đợc sử dụng để phát các thông tin không cần phản hồi Có các dạng khung U sau :
- SABM : ThiÕt lËp kÕt nèi líp 2
- DISC : Xoá kết nối lớp 2
- UA : Phản hồi tích cực cho SABM
- DM : Phản hồi không tích cực cho SABM, chỉ thị tuyến logic có một số lỗi
UI : Sự truyền phát trờng thông tin mà không cần phản hồi.
SABM, DISC, UI là các lệnh, DM và UA là các đáp ứng.Một tr ờng thông tin luôn đợc chứa trong UI nhng không bao giờ nằm trong DISC hay
DM SABM và UA cũng có thể chứa trờng thông tin.
Các bit P, F hay P/F trong trờng điều khiển mô tả cho các bit thăm dò trong các lệnh và các bit kết quả trong đáp ứng Nếu là lệnh thì xem nó là P, còn đáp ứng thì xem nó là F Tại một phía của giao diện (MS hoặc BSS) truyền một lệnh với P = 1, yêu cầu phía ngợc lại gửi một nhãn đáp ứng với F = 1, yêu cầu phía ngợc lại gửi một nhãn đáp ứng với F =1 Ph- ơng pháp thăm dò này còn đợc sử dụng để thiết lập hay giải toả kết nối của lớp 2 ( SABM hay DISC với P= 1, UA với F = 1) BSS cũng thăm dò
MS để biết chắc có thể còn truy nhập đợc hay không.
Trờng chỉ thị độ dài Length : Chỉ thị độ dài thực tế của tr ờng thông tin tính bằng byte Trong đó, bit 1 chứa chỉ thị mở rộng của tr ờng chỉ thị độ dài, bit 2 chứa chỉ thị mở rộng của trờng thông tin.
- Trờng thông tin : Chứa dữ liệu lớp 3 Bao gồm tiêu để bản tin 2 byte ( Nhận dạng hoạt động, phân biệt thủ tục, kiểu bản tin ) và các đối t ợng thông tin khác liên quan đến kiểu bản tin.
Các bit làm đầy : Nếu trờng thông tin lớp 3 không đợc sử dụng hết trong các byte dành riêng thì cá byte còn lại sẽ đợc làm đầy.
Thông tin lớp 1 : Chứa trên khung dành cho SACCH trong đó byte đầu tiên dành để điều chỉnh đồng bộ thời gian, byte 2 dành cho lớp công suÊt.
Các thủ tục báo hiệu cho các kết nối khác nhau
3.1 MS tắt máy hoặc ở ngoài vùng phục vụ
Mạng không thể tiếp cận với máy di động vì nó không trả lời thông báo tìm gọi ( paging), nó cũng không gửi thông báo cập nhật vị trí Mạng sẽ cho rằng MS đã rời khỏi mạng.
3.2 MS bật máy, trạng thái rỗi
Khi đó, MS đợc coi là đã nhập mạng và hệ thống có thể tìm gọi nó.Trong khi di chuyển, MS liên tục kiểm tra xem nó đ ợc nối với kênh quảng bá BCCH trên TS0 của tần số fo của một ô nào đó hay không Trong tr ờng hợp này, MS cũng thông báo cho hệ thống về những thông tin về cập nhật vị trí ở những khoảng thời gian nhất định.
Khi này, đang có một kênh TCH song công nối giữa BTS và MS Khi di chuyển, MS có thể đổi sang một kênh thông tin mới Quá trình này gọi là chuyển giao ( Handover) và đợc quyết định nhờ vào những thông số đo đạc từ MS và BTS.
Khi MS đang ở trạng thái bật máy, rỗi và đang di chuyển, nó đ ợc khoá đến một tần số nhất định có CCCH và BCH ở khe thời gian TSo Khi rời xa BTS đang nối thì cờng độ tín hiệu thu sẽ giảm dần Đến một điểm biên giới lý thuyết, cờng độ thu này sẽ giảm đến mức MS quyết định chuyển sang tần số mới thuộc một trong các ô lân cận có c ờng độ tín hiệu lớn hơn tần số cũ Sau khi tự động khoá đến tần số mới, MS lại tiếp tục nghe các thông báo tìm gọi và các thông tin hệ thống Việc thay đổi tần số vô tuyến trên không cần thông báo cho BTS trừ khi hai tần số này không cùng thuộc một vùng định vị LA MS sẽ nhận biết điều này qua số nhận dạng vùng định vị LAI trong thông tin hệ thống phát trên các kênh BCH. Trong trờng hợp này, MS sẽ thâm nhập mạng để cập nhật vị trí của mình
Có hai trờng hợp phải cập nhật vị trí :
Di chuyển giữa các vùng định vị khác nhau của cùng một MSC/VLR. Vùng định vị của MS đợc lu tạiVLR Vì MS không chuyển sang vùng phục vụ mới nên quá trình cập nhật vị trí là MS gửi thông báo yêu cầu cập nhật vị trí và giá trị và giá trị LAI mới Hệ thống sẽ nhận thông tin cập nhật giá trị này trong cơ sở dữ liệu VLR và gửi thông báo cập nhật vị trí cho MS.
- Roaming giữa hai vùng phục vụ MSC/VLR MS gửi thông báo yêu cầu cập nhật vị trí cho MSC/VLR mới cùng các số nhận dạng của nó Hệ thống sẽ gửi thông tin này đến HLR của mạng để yêu cầu nhận thực Sau khi đã xác nhận thuê bao là hợp lệ và đã đăng ký trong mạng, hệ thống sẽ xoá giá trị vùng phục vụ cũ thay bằng giá trị mới.VLR cũng ghi các số liệu của MS vào cơ sở dữ liệu của nó nh một thuê bao tạm thời và gửi thông báo xác nhận cập nhật vị trí cho MS.
Trong các trờng hợp trên, thông tin để thực hiện cập nhật vị trí đều dựa trên LAI đợc thông báo thờng xuyên từ BCCH của mỗi ô Trớc hết,
MS nhận đợc thông tin về LAI mới ở kênh BCCH Sau đó, nó thiết lập một kết nối RR, yêu cầu ( thông qua RACCH) một kênh báo hiệu SDCCH Khi đã đợc cấp phát một kênh báo hiẹu ở AGCH, MS thiết lập một thủ tục kết nối lớp hai bằng thủ tục phân giải xung đột bao gồm bản tin SABM lớp 3 yêu cầu cập nhật vị trí cùng với CKSN, TMSI và LAI cũ Ngoài ra, MS chỉ thị rằng cập nhật vị là loại bình thờng, không phải đăng ký định kỳ hay nhập mạng ( trình bày dới đây).BSS công nhận SABM bằng khung UA.VLR xác định IMSI và LAI Trớc khi khẳng định cập nhật vị trí và ấn định một TMSI mới cho MS , VLR sẽ thực hiện nhận thực Kết thúc cập nhật vị trí, các kênh báo hiệu đợc giải phóng.
3.5 Thủ tục nhập mạng ban đầu
Khi MS bắt đầu bật nguồn, nó sẽ quét tất cả 124 tần số có trong hệ thống GMS để chọn tần số có cờng độ tín hiệu thu lớn nhất mang kênh BCH,CCCH Quá trình nhập mạng đợc thực hiện qua ba bớc :
- Quét để chọn tần số phù hợp (FCCH)
- Hiệu chỉnh lại tần số cho đúng và tìm đến kênh đồng bộ SCH để nhận đợc số khung TDMA cho đồng bộ.
-Thực hiện cập nhật vị trí để thông báo cho VLR phụ trách và HLR về vị trí của mình Các cơ sở dữ liệu này sẽ ghi lại LAI hiện thời của MS.
Khi tắt nguồn, tháo bỏ SIM Card hay ra ngoài vùng phủ sóng, MS sẽ đợc coi nh rời bỏ mạng Quá trình báo hiệu xảy ra nh sau :
- MS yêu cầu một kênh báo hiệu để phát đi bản tin thông báo cho mạng rằng MS chuẩn bị vào trạng thái không tích cực Điều này có nghĩa là mạng không thể tìm gọi đến MS này nữa.
MSC sẽ gửi bản tin IMSI đến VLR Bản tin này không đợc công nhận vì MS không nhận đợc VLR sẽ đánh dấu cờ rời bỏ IMSI.
- Thông tin rời IMSI có thể đợc lu giữ tại VLR Tuỳ chọn cờ rời mạng có thể cũng đợc thiết lập ở HLR và công nhận đợc gửi trở lại VLR. Kết thúc quá trình, nếu có cuộc gọi vào MS thì thông báo tìm gọi sẽ không đợc phát ra vì đã có rời bỏ IMSI rồi Nhờ vậy, các trung kế và kênh quảng bá cũng đợc giảm tải.
3.7 Thủ tục nhập lại mạng
Việc nhập lại mạng xảy ra khi MS trở lại trạng thái tích cực mà vẫn ở vùng định vị khi nó rơi vào trạng thái không tích cực Thông tin phát quảng bá của ô trên kênh BCCH sẽ cho biết MS có cần nhập lại IMSI hay không Quá trình đợc thực hiện nh sau :
-MS yêu cầu một kênh báo hiệu
- MSC nhận cờ nhập mạng từ MS
- MSC gửi bản tin nhập lại IMSI đến VLR
- VLR xoá cờ rời bỏ IMSI và gửi bản tin công nhận nhập lại IMSI đến MSC Sau đó trở lại quá trình xử lý cuộc gọi nh thờng lệ.
Nếu MS trở lại trạng thái tích cực đồng thời thay đổi vùng phục vụ thì nó phải tiến hành cập nhật vị trí bình thờng.
3.8 Đăng ký định kỳ Để tránh việc tìm gọi không cần thiết khi MSC không nhận đ ợc bản tin rời bỏ IMSI ở MS không tích cực, ta sử dụng dạng cập nhật vị trí khác gọi là đăng ký định kỳ Quá trình đợc thực hiện nh sau :
- Thông tin hệ thống đợc phát quảng bá sẽ thông báo về đăng ký định kỳ có đợc sử dụng hay không ở ô này Nếu có, mạng sẽ thông báo cho MS chu kỳ cần thông báo cho MS chu kỳ cần thông báo cho mạng rằng nó đang ở trạng thái tích cực Thông số này đợc thiết lập bởi nhà khai thác ( 0 đến 255 của 6 phút) Nếu thông số này đ ợc đặt bằng 1 thì MS phải đăng ký víi chu kú 6 phót.
- Thủ tục này đợc điều khiển bở cả bộ định thời ở MS và ở MSC. MSC có chức năng theo dõi thời gian này.
- Khi hết thời gian nói trên, MS phải thực hiện cập nhật vị trí Các bộ định thời ở MS và MSC đợc khởi động lại.
Nếu MS không đăng ký trong khoảng thời gian này thì bộ phận theo dõi của MSC sẽ đánh dấu MS ở trạng thái rời mạng.
Khi có cuộc gọi tới trạm MS, MSC/VLR sẽ gửi bản tin tìm gọi đến
Quản lý tiềm năng vô tuyến RR
Quản lý tiềm năng vô tuyến là lớp thấp nhất của lớp 3 chịu trách nhiệm về lựa chọn, chiếm và giải phóng các kênh báo hiệu CCh của giao diện vô tuyến Một kết nối tiềm năng vô tuyến giữa MS và BTS chỉ đ ợc coi là tồn tại khi đạt các yếu tố sau :
* Trạm di động đợc phân phối
Một kênh điều khiển dành riêng đứng một mình SDCCH cùng với kênh điều khiển liên kết chậm SACCH.
Một kênh lu lợng TCH ( Bm hoặc Lm ) cùng một kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH và kênh điều khiển liên kết chậm SACCH.
* Kết nối lớp 2 cho các bản tin SMS tồn tại ở SDCCh hay FACCH.Một kết nối RR là điều kiện tiên quyết cho sự làm việc của các lớp con cao hơn ở lớp 3 Ngay cả kết nối lớp 2 cho SMS chỉ đ ợc thiết lập khi có kết nối RR đã đợc thiết lập trớc đó Một MS tại một thời điểm chỉ có tối đa một kết nối RR Tuy nhiên có thể chuyển từ kết nối RR này sang kết nối RR khác mà không làm ảnh hởng đến các lớp con cao hơn của lớp 3.
Cấu hình kênh của tất cả các kết nối RR đều chứa một kênh điều khiển liên kết chậm SACCh Trong quá trình kết nối RR, MS liên tục phát ở SACCH các khung Ui có trờng thông tin chứa các bản tin" báo cáo đo". Bằng các bản tin này, MS thông tin với BSS các kết quả đo công suất, chất lợng của ô cũ cũng nh công suất của các ô lân cận để cung cấp tiêu chuẩn cho chuyển giao Còn phía BTS cũng phát liên tục các bản tin " thông tin hệ thống 5", " thông tin hệ thống 6" chứa các thông tin về ô của BSS.
Quản lý di động MM
Quản lý di động MM nằm tại lớp con thứ 2 của lớp báo hiệu 3 Nhiệm vụ chính của nó là thực hiện nhận thực và cập nhật vị trí, cấp phát lại TMSI và nhận dạng MS ( gọi là các thủ tục MM đặc thù) Tất cả các thủ tục này đều đòi hỏi phải có kết nối RR Nhờ có kết nối MM mà kết nối
RR có thể áp dụng đợc cho lớp con quản lý nối thông CM cao hơn ở lớp 3. Tồn tại các kết nối MM này tơng ứng cho ba phần của CM : điều khiển cuộc gọi CC, hỗ trợ các dịch vụ bổ sung SSS và dịch vụ bản tin ngắn SMS. Ngoài ra còn có kết nối MM cho các cuộc gọi khẩn Nh vậy một MS có thể đồng thời tồn tại cả 4 kết nối MM trên Các kết nối MM và các thủ tục
MM đặc thù hoàn toàn độc lập với nhau Tức là không phải mọi kết nối
MM đều đòi hỏi sự thực hiện các thủ tục MM đặc thù và ng ợc lại.
Các kết nối MM có thể đợc thiết lập bởi cả MS và BSS Các điều kiện để có thể thực hiện kết nối MM là :
MS phải đăng ký trớc vùng định vị ( đã nhập nhật vị trí), trừ tr ờng hợp cuộc gọi khẩn.
- Tồn tại kết nối RR.
Không có thủ tục MM đặc thù nào đang đợc thực hiện
Nếu MS thiết lập kết nối MM thì nó sẽ phát đi bản tin " yêu cầu dịch vụ CM" ở SABM ( khi kết nối RR dành riêng cho kết nối MM) hoặc phát một khung I ( kết nối RR tồn tại từ khi cập nhật vị trí).
Nếu BSS thiết lập kết nối MM, nó sẽ thực hiện ở dạng tàng ẩn Do vậy không có bản tin nào chỉ liên quan đến việc thiết lập kết nối MM đ ợc phát đi mà BSS chỉ gửi một bản tin CM bất kỳ cha liên quan đến một kết nối
MM đã có Điều này đợc coi nh đã thiết lập kết nối MM.
Các kết nối MM luôn đợc xoá nội bộ.
Quản lý nối thông CM
Quản lý nối thông là lớp con cao nhất trong các lớp con ở lớp 3 Các chuỗi xử lý cuộc gọi nh thiết lập và xoá cuộc gọi đều đợc xử lý ở lớp này.
CM đợc chia thành 3 phần : điều khiển cuộc gọi CC, hỗ trợ các dịch vụ đặc thù SSS và dịch vụ bản tin ngắn SMS.
Tại đây cũng tồn tại các kết nối báo hiệu để điều khiển các thủ tục xử lý cuộc gọi Một kết nối RR có thể chứa 4 kết nối MM, một kết nối
MM có thể chứa 14 kết nối CM ( BTS thiết lập 7 kết nối và MS thiết lập 7 kÕt nèi).
Một kết nối Cm đợc đặc trng bởi :
- Việc liên kết của nó với một kết nối MM
- Một nhận dạng giao dịch TI 4bit.
Nhận dạng giao dịch gồm một cờ TI chỉ thị rằng giao dịch đ ợc thiết lập bởi MS hay BTS Giá trị TI nằm trong khoảng từ 0 đến 6.
Nếu MS thiết lập kết nối CM thì trớc đó đã phải tồn tại kết nối MM liên quan Còn nếu BTS thiết lập kết nối CM mà tr ớc đó cha có kết nối
MM liên quan thì nó sẽ thiết lập luôn MM t ơng ứng khi thiết lập kết nối CM.
Kết nối CM đợc xoá bằng bản tin " giải phòng" gửi từ BTS và đợc trả lời bằng khung I " hoàn thành giải phóng" từ MS.
Thông tin di động gsm 2
1 Đặc tính của mạng thông tin di động 8
6.4.4 Sơ đồ khối mã hoá tiếng GSM 19
2.7 Thông tin di động TDMA 21
2.7.1.Định thời phát thu ở trạm gốc 22
III Cấu trúc mạng thông tin di động Gsm 24
2.1 Hệ thống chuyển mạch (SS) 28
2.2 Hệ thống con trạm gốc BSS 30
2.4 Hệ thống con khai thác OSS 35 phần ii : giao diện vô tuyến trong hệ thống thông tin di động gsm 37
I.Các khái niệm trong giao diện vô tuyến 37
II Các chức năng báo hiệu trên giao diện vô tuyến 47
3 Các thủ tục báo hiệu cho các kết nối khác nhau 53
3.1 MS tắt máy hoặc ở ngoài vùng phục vụ 53
3.2 MS bật máy, trạng thái rỗi 53
3.5 Thủ tục nhập mạng ban đầu 54
3.7 Thủ tục nhập lại mạng 55
3.10 Cuộc gọi từ mạng cố định đến MS 57
4 Quản lý tiềm năng vô tuyến RR 68
5 Quản lý di động MM 68
6 Quản lý nối thông CM 69
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Hà Nội, ngày tháng năm 2007
