Hành trình từ gsm lên 3g

LỜI NÓI ĐẦU Mạng GSM với ưu điểm bật như: dung lượng lớn, chất lượng kết nối tốt, tính bảo mật cao, có chỗ đứng vững thị trường viễn thông giới Khi vấn đề Internet toàn cầu mạng riêng khác phát triển quy mô mức độ tiện ích xuất nhu cầu dịch vụ truyền số liệu lúc, nơi Người sử dụng có nhu cầu dịch vụ như: truyền số liệu tốc độ cao, điện thoại có hình, truy cập Internet tốc độ cao từ máy di động dịch vụ truyền thông đa phương tiện khác Thông tin di động GSM sử dụng công nghệ số hệ thống băng hẹp, hỗ trợ tốc độ số liệu cao 9,6 kbit/s xây dựng chế chuyển mạch kênh nên không đáp ứng dịch vụ Các nhà khai khác GSM buộc phải nâng cấp mạng để đáp ứng nhu cầu người sử dụng Đối với nhà khai thác GSM, khơng thể có việc nâng cấp thẳng lên công nghệ W-CDMA với giải pháp chi phí chấp nhận Q trình nâng cấp trình phức tạp, yêu cầu phần tử mạng với máy đầu cuối Do vậy, vấn đề cần cân nhắc khía cạnh kinh tế kỹ thuật cho việc nâng cấp, buộc nhà khai thác phải suy tính Chính vậy, GPRS lựa chọn nhà khai thác GSM bước chuẩn bị sở hạ tầng kỹ thuật để tiến lên 3G Ở Việt Nam hai mạng di động lớn VinaPhone MobiFone mạng Viettel mạng GSM Mạng VinaPhone MobiFone tiến hành triển khai GPRS thành công tiến hành triển khai EDGE Em chọn đề tài “Hành trình từ GSM lên 3G” với mục đích để nắm vững giải pháp kỹ thuật mà mạng GSM triển khai trình phát triển lên 3G Đồng thời tìm hiểu tiêu chuẩn 3G GSM W-CDMA để tiếp cận cơng nghệ này.Với mong muốn tiếp cận q trình phát triển lên 3G mạng di động GSM vào làm việc mạng di động GSM Việt Nam CHƯƠNG I: MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM GIỚI THIỆU GSM (Global System for Mobile Communication) - Hệ thống thơng tin di động tồn cầu GSM tiêu chuẩn điện thoại số toàn châu Âu ETSI (European Telecommunication Standard Institute - Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu) quy định Giao tiếp vô tuyến GSM dựa công nghệ TDMA (Đa truy nhập phân chia theo thời gian) kết hợp với FDMA (Đa truy nhập phân chia theo tần số) Ở châu Âu hệ thống GSM hoạt động tần số 900 MHz tần số 1800 MHz Ở Bắc Mỹ, GSM sử dụng tần số 1900 MHz Mạng GSM hỗ trợ truyền thoại với tốc độ bit 13 kbit/s truyền số liệu với tốc độ 9,6 kbit/s CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG GSM Hệ thống GSM chia thành nhiều hệ thống con: Hệ thống chuyển mạch SS (Switching Subsystem), hệ thống trạm gốc BSS (Base Station Subsystem), hệ thống khai thác bảo dưỡng mạng (OMC Operations & Maintenance Center) Hình 1.1 Cấu trúc tổng quát hệ thống GSM 2.1 Hệ thống trạm gốc BSS Hệ thống BSS chia thành hai khối chức chính: Trạm thu phát gốc BTS (Base Transceiver Station) điều khiển trạm gốc BSC (Base Station Controller), ngồi cịn có khối thích ứng tốc độ chuyển đổi mã TRAU (Transcoder Rate Adaptor Unit) Các BTS thực chức thu phát vô tuyến trực tiếp đến thuê bao di động MS thông qua giao diện vô tuyến Um BTS gồm thiết bị thu, phát, anten, khối xử lý tín hiệu BTS coi modem vô tuyến phức tạp BSC đài điều khiển trạm gốc BSC quản lý giao diện vô tuyến BTS với MS thơng qua lệnh điều khiển Đó lệnh ấn định, giải phóng kênh vơ tuyến quản lý chuyển giao Vai trò BSC quản lý kênh quản lý chuyển giao BSC ấn định kênh vô tuyến toàn thời gian thiết lập gọi giải phóng kênh kết thúc gọi BSC thực trình chuyển giao (Handover) BTS Một BSC quản lý hàng chục BTS TRAU có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu thoại thành luồng số tốc độ 64 kbit/s để truyền từ BSC đến MSC TRAU tiếp nhận khung số liệu 16 kbit/s từ giao diện Abis BTS BSC, định dạng lại thơng tin luồng số liệu thành dạng A-TRAU để truyền giao diện A BSC MSC TRAU thường đặt vị trí với BSC 2.2 Hệ thống chuyển mạch SS Tổng đài di động MSC (Mobile Switching Center) thực chức chuyển mạch cho thuê bao di động thơng qua trường chuyển mạch MSC quản lý việc thiết lập gọi, điều khiển cập nhật vị trí thủ tục chuyển giao MSC Việc cập nhật vị trí thuê bao cho phép tổng đài di động MSC nhận biết vị trí thuê bao di động qúa trình tìm gọi trạm di động MS MSC có tất chức tổng đài cố định tìm đường, định tuyến, báo hiệu, Điều khác biệt tổng đài mạng cố định (PSTN, ISDN, ) MSC MSC thực xử lý cho thuê bao di động, thực chuyển vùng Cell Chức tổng đài MSC việc kết nối với phần tử mạng di động cịn kết nối với phần tử mạng khác mạng điện thoại cố định PSTN, mạng ISDN, mạng truyền số liệu PSPDN, CSPDN mạng di động mặt đất công cộng PLMN khác MSC thực chức gọi MSC cổng (GMSC) Các GMSC làm thêm nhiệm vụ chuyển đổi giao thức để phù hợp với loại mạng Tổng đài cổng cung cấp dịch vụ kết nối từ mạng di động đến mạng khác (di động cố định) GMSC phục vụ thông tin từ mạng khác vào mạng GSM từ mạng GSM mạng khác, trước hết gọi định tuyến đến GMSC MS đâu, sau GMSC hỏi HLR thơng tin MS HLR (Home Location Register) - Bộ đăng ký thường trú: chứa đầy đủ thông tin liên quan đến việc đăng ký dịch vụ vị trí thuê bao HLR tích hợp MSC đứng độc lập VLR (Visitor Location Register) - Bộ đăng ký tạm trú Là đăng ký liệu khách, chứa thơng tin vị trí thời thuê bao di động vùng phục vụ Thơng thường sở liệu VLR tích hợp MSC Ngồi SS cịn có khối đăng ký nhận dạng thiết bị EIR sử dụng để quản lý máy di động Mục đích ngăn khơng cho máy di động lạ sử dụng mạng, chống việc truy nhập trái phép(lấy cắp, nghe thông tin) thiết bị khác EIR quản lý số nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMEI (Số nhận dạng trạm di động theo phần cứng) máy di động Số nhận dạng phần cứng thuê bao nhận thực nhờ EIR 2.3 Trạm di động MS Trạm di động MS thực hai chức năng: - Thiết bị vật lý để giao tiếp thuê bao di động với mạng qua đường vô tuyến - Đăng ký thuê bao: Mỗi thuê bao phải có thẻ gọi Simcad để truy nhập vào mạng Về cấu trúc MS gồm hai phần là: Mobile Equipment (ME) Subscriber Identity Module (SIM) SIM thành phần để nhận dạng thuê bao q trình MS hoạt động mạng Cịn ME phận để xử lý công việc chung thu, phát, báo hiệu 2.4 Hệ thống khai thác bảo dưỡng mạng (OMC) Một hệ thống GSM thường bao gồm nhiều trung tâm chuyển mạch MSC, điều khiển trạm gốc BSC trạm thu phát gốc BTS lắp đặt nhiều vị trí khác vùng diện tích lớn OMC hệ thống có nhiệm vụ giám sát tồn mạng GSM nhằm phục vụ công tác khai thác bảo dưỡng mạng CẤU TRÚC ĐỊA LÝ CỦA MẠNG: Hình 1.2 Cấu trúc địa lý mạng Vùng GSM gồm nhiều quốc gia có mạng di động theo tiêu chuẩn GSM Vùng GMSC: Bao gồm quốc gia vùng địa lý rộng Các mạng vùng phủ chồng lấn lên nhau, liên kết với qua cửa cổng (GMSC) Một mạng GSM chia nhiều vùng phục vụ vùng một vài MSC quản lý Các thuê bao di chuyển vùng không cần cập nhật lại vị trí đến HLR mà thay đổi vị trí VLR (Khi MS chuyển từ vùng định vị sang vùng định vị khác vùng phục vụ) Một vùng phục vụ phân thành nhiều vùng định vị vùng định vị thường quản lý BSC Khi có tín hiệu tìm gọi th bao phát vùng định vị Khi thuê bao dịch chuyển từ vùng định vị sang vùng định vị khác phải cập nhật lại vị trí VLR Một vùng định vị bao gồm nhiều cell (ơ) phủ sóng BTS Khi thuê bao dịch chuyển từ ô sang ô khác vùng định vị khơng cần cập nhật lại vị trí ghi VLR, phải thực điều khiển chuyển giao Như cấu trúc địa lý hệ thống GSM cấu trúc phân lớp tiện lợi cho việc quản lý, định tuyến gọi Q TRÌNH XỬ LÝ CÁC TÍN HIỆU SỐ VÀ BIẾN ĐỔI VÀO SĨNG VƠ TUYẾN Hình 1.3 Xử lý tín hiệu số biến đổi vào sóng vô tuyến MS Ở máy phát, tiếng từ micro qua lọc thông dải 0,3  3,4 kHz đưa vào A/D Tại A/D tiến hành lấy mẫu (8000 mẫu/s), sử dụng 13 bit để mã hoá tương ứng tốc độ 8000 x 13 = 104 kbit/s Tín hiệu 13 bit, 8000 mẫu/s chia khoảng 160 mẫu/20ms (chia 8000 mẫu/s thành 50 đoạn) đưa vào mã hố tiếng Sau mã hố tiếng dịng số 260 bit/20ms (tốc độ 13 kbit/s), 260 bit phân cấp theo tầm quan trọng mã hoá kênh, sau mã hố kênh, tín hiệu ghép xen, mật mã hố, lập khn cụm sau tín hiệu điều chế vào sóng mang dải tần GSM Ở máy thu tiến hành giải điều chế, cân Viterbi Bộ cân có khả xây dựng mơ hình kênh truyền sóng thời điểm để giảm tỉ lệ lỗi bit ảnh hưởng pha đinh nhiều tia đường truyền vô tuyến Bộ cân đưa thông tin đến cho giải mã kênh để hiệu chỉnh lỗi Sau tín hiệu giải mật mã, giải ghép xen, giải mã hoá kênh, giải mã tiếng, qua D/A tới loa GIAO DIỆN VÔ TUYẾN (Um) Trong hệ thống GSM giao diện vô tuyến giao diện phức tạp quan trọng Giao diện vô tuyến GSM 900 bao gồm hai băng tần song công 25 MHz cho đường lên đường xuống (Uplink Downlink) dải băng tần 890 - 915 MHz cho hướng lên 935 - 960 MHz cho hướng xuống Trong hệ thống GSM, công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA ứng dụng cho sóng mang có độ rộng băng tần 200 kHz Trong băng tần 25 MHz chia làm 124 dải thông tần, tương ứng 124 cặp kênh Bắt đầu từ 890,2 MHz với dải thông tần kênh vật lý 200 KHz (25MHz/125 kênh) dải tần bảo vệ biên 200 KHz, tách biệt song công 45 MHz tần số lên tần số xuống Kênh số 125 kênh dùng làm dải phòng vệ Khi băng 900 hết dùng băng 900 mở rộng: lên (882  915)MHz, xuống (927  960) MHz Băng 1800: lên (1710  1785) MHz, xuống (18051880) MHz MS chế tạo để làm việc 124 tần số tần số mở rộng Về mặt thời gian sóng mang ghép vào khe thời gian với thời gian 577s cho khe thời gian tuân theo công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA Mỗi khe thời gian kênh vật lý Một chu kỳ nhắc lại khe thời gian gọi khung TDMA Một khung có độ lâu x 577 = 4,616 ms Để thời gian thu, phát MS khơng đồng thời kênh đường lên đường xuống đặt lệch khe thời gian Nhờ giảm ảnh hưởng máy phát đến máy thu việc chuyển thu, chuyển phát đơn giản hơn, có thời gian xử lý tín hiệu điều khiển (của MS) Thông tin báo hiệu số liệu người sử dụng bảo vệ chống lỗi giao diện vô tuyến Um thực cách sử dụng mã xoắn chèn chéo Sử dụng điều chế khoá dịch pha tối thiểu Gauss (Gaussian Minmum Shift Keying) giao diện vô tuyến 5.1 Tổ chức kênh vô tuyến - Kênh vật lý: Dây xoắn, cáp đồng trục, khe thời gian Đây kênh thực đo kiểm, quản lý tham số cụ thể băng thông, độ suy hao, Trong GSM, khe thời gian coi kênh vật lý Tổng số kênh vật lý hệ thống GSM 124 kênh kênh có khe thời gian, 124 x = 992 kênh vật lý - Kênh logic: kênh ảo, kênh logic truyền tin tức phục vụ chức định Các kênh logic đặt vào kênh vật lý để truyền đi, nhiều kênh logic truyền kênh vật lý Trong mạng GSM có nhiều kênh logic, kênh truyền đồng bộ, tìm gọi, báo hiệu kênh ảo, truyền sử dụng kênh vật lý để truyền 5.2 Các loại kênh logic (Dữ liệu điều khiển) Hình 1.4 Cấu trúc kênh logic giao diện vô tuyến Kênh liệu: TCH (Traffic Channel) toàn tốc 22,8 kbit/s, TCH bán tốc 11,4 kbit/s, gọi kênh lưu thông (lưu lượng) Các kênh điều khiển: Các kênh báo hiệu điều khiển chia thành ba loại: kênh điều khiển quảng bá, chung dành riêng Kênh quảng bá BCH - Kênh hiệu chỉnh tần số (FCCH: Frequency Correction Channel) kênh mang thông tin hiệu chỉnh tần số cho trạm MS Đó kênh đường xuống từ điểm đến đa điểm - Kênh điều khiển đồng SCH (Synchironization Channel) kênh mang thông tin để đồng bít, đồng khe thời gian, khung thời gian cho MS giúp MS nhận dạng ô quản lý (BTS) mã nhận dạng Đó kênh đường xuống, từ điểm đến đa điểm - Kênh điều khiển quảng bá (BCCH: Broad Casting Control Channel) kênh phát quảng bá thông tin chung ô Đây kênh đường xuống từ điểm đến đa điểm Kênh điều khiển chung (CCCH: Common Control Channel) - Kênh tìm gọi PCH (Paging Channel): Kênh kênh đường xuống từ điểm đến điểm, dùng để tìm gọi trạm di động Trong thời gian khơng có tín hiệu tìm gọi phát cụm giả (tín hiệu giả) - Kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH: Random Access Channel) sử dụng để MS yêu cầu dành kênh điều khiển chuyên dụng độc lập SDCCH (Stand Alone Dedicated Control Channel) MS nhận PCH loại kênh đường lên từ điểm đến điểm - Kênh cho phép truy nhập (AGCH: Access Grant Channel): sử dụng để BTS trả lời cho kênh RACH MS đồng ý cho thuê bao truy nhập mạng sau chuẩn bị cấp phát kênh điều khiển riêng (SDCCH) để làm thủ tục truy nhập Kênh điều khiển dành riêng (DCCH: Dedicated Control Channel) - Kênh điều khiển riêng SDCCH: Dùng để MS làm thủ tục truy nhập mạng với BTS Kênh sử dụng dành riêng cho báo hiệu với MS SDCCH sử dụng cho thủ tục cập nhật trình thiết lập gọi trước ấn định kênh TCH SDCCH sử dụng cho đường xuống lẫn đường lên - Kênh điều khiển liên kết chậm SACCH (Slow Assoctated Control Channel): Sử dụng để thực trình điều khiển thời gian gọi điều khiển công suất, điều khiển đồng bộ, kênh đường lên, đường xuống từ điểm đến điểm - Kênh điều khiển liên kết nhanh (FACCH: Fast Assocrated Control Channel) Trong trường hợp đặc biệt người ta sử dụng kênh lưu thơng để truyền tín hiệu báo hiệu, điều khiển (nhận biết nhanh gọi khẩn cấp: 115, 114, ) kênh lưu thơng có thêm cờ lấy cắp (lấy khe thời gian kênh lưu thơng để truyền) 5.3 Mã hố kênh điều chế Do nhiễu điện từ trường môi trường tự nhiên người gây ra, việc mã hố tiếng nói, số liệu giao diện vơ tuyến Um cần phải bảo vệ chống lỗi Hệ thống GSM sử dụng mã hoá xoắn chèn chéo cho mục đích bảo vệ Thuật tốn sử dụng không giống cho thoại tốc độ truyền số liệu khác Phương pháp sử dụng cho mã hoá khối sau Hệ thống GSM sử dụng mã hố tiếng nói (Vocoder) với khối 260 bit cho chu kỳ 20ms mẫu thoại Thông qua việc kiểm tra thực tế đối tượng, người ta khối 260 bit có số bit quan trọng số bit khác việc đánh giá chất lượng tiếng nói Các bit chia thành lớp: Lớp Ia gồm 50 bit - nhạy cảm với bit lỗi Lớp Ib gồm 132 bit - nhạy cảm mức độ thấp bít lỗi Lớp II gồm có 78 bit cịn lại - nhạy cảm với bit lỗi Ở lớp Ia có bit chèn vào theo chu kỳ để phát lỗi Nếu có lỗi phát hiện, khung coi bị lỗi bị bỏ qua thay phiên suy giảm khung thu xác trước 53 bit lớp Ia với 132 bit lớp Ib bit đầu (tổng cộng 189 bit) đưa vào mã hóa xoắn tốc độ 1/2 độ dài bắt buộc Mỗi bit mã hoá thành bit dựa kết hợp bit vào trước Bộ mã hố xoắn có lối 378 bit thêm vào 78 bit lớp II bảo vệ Như mẫu 20ms tiếng nói mã hố thành 45 bit có tốc độ 22,8 kbit/s Để bảo vệ chống lại nhiễu vô tuyến nhóm, mẫu chèn chéo Lối 456 bit sau mã hoá xoắn chia thành khối, khối 57 bit, khối truyền nhóm khe thời gian liên tiếp Mỗi khe thời gian liên tiếp truyền khối 57 bit (một cụm), nhóm truyền tải lưu lượng từ mẫu tiếng nói khác (ghép xen) khe thời gian truyền thông tin cụm có chiều dài 156,25 bit truyền 0,577ms Tín hiệu số điều chế tần số sóng mang tương tự sử dụng khố điều chế GAUSS tối thiểu GMSK 5.4 Tổ chức khung GSM 10