Hệ thống thông tin di động

Phần 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TTDĐ Phần 2: HỆ THỐNG GSM Cấu trúc hệ thống Quá trình xử lý tín hiệu trong hệ thống TTDĐ Mã hóa Nguồn Quá trình truyền sóng vô tuyến trong thông tin di động Quy hoạch mạng thông tin di động Các thủ tục của hệ thống thông tin di động Phần 3: HỆ THỐNG 3G UMTS Phần 4: HỆ THỐNG CDMA Phần 5: HỆ THỐNG 4G VÀ 5G

Nội dung môn học

 Quá trình truyền sóng vô tuyến trong thông tin di động

 Quy hoạch mạng thông tin di động

 Các thủ tục của hệ thống thông tin di động

 Phần 3: HỆ THỐNG 3G UMTS

 Phần 4: HỆ THỐNG CDMA

 Phần 5: HỆ THỐNG 4G VÀ 5G

THÔNG TIN DI ĐỘNG

Chương 1:

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

ξ1 Lịch sử phát triển

1 Giới thiệu

chung :

 Hệ thống thông tin di động tế bào số (Digital

Cellular mobile communication systems) hay còn gọi là hệ thống thông tin di động (mobile systems)

là hệ thống liên lạc với nhiều điểm truy nhập khác nhau (access points, or base stations) trên một

vùng địa lý hay còn goi là các cell.

 Người sử dụng có thể di chuyển trong vùng phủ

sóng của các trạm (base station)

ξ1 Lịch sử phát triển

 Ra đời vào những năm 1920 ( là các phương tiện

thông tin giữa các đơn vị cảnh sát Mỹ )

 1982 sử dụng kỹ thuật TDMA là Nhóm đặc trách di đông GSM (Group Special Mobile) sau này được đổi thành Hệ thống di động toàn cầu (Global System for

Mobile communications

 Việt Nam sử dụng GSM từ 1993

 1991 Qualcomm triển khai hệ thống di động trên công nghệ CDMA chuẩn IS-95A (Interim Standard-95A)

 Viêt Nam triển khai hệ thống di động theo công

nghệ CDMA và đưa vào sử dụng tháng 7/2003

ξ1 Lịch sử phát triển

 F irst G eneration ( 1G )

 Hệ thống thông tin di động tương tự sử dụng

phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA và điều chế tần số FM

• AMPS: Advanced Mobile Phone System triển khai tại Bắc

Mỹ vào năm 1978 tại băng tần 800 MHz.

ξ1 Lịch sử phát triển

 Second Generation (2G)

 Hệ thống di động số tế bào:

• Dung lượng tăng

• Chất lượng thoại tốt hơn

• Hỗ trợ các dịch vụ số liệu (data)

 Phương thức truy nhập: TDMA, CDMA băng hẹp (NarrowBand)

 Chuyển mạch: chuyển mạch kênh (Circuit Switching).

ξ1 Lịch sử phát triển

 Evolved Second Generation (2.5 G)

 Các dịch vụ số liệu cải tiến :

• Tốc độ bit d ata cao hơn

 EDGE - Enhance Data rate for GSM Evolution

Hỗ trợ tốc độ bit cao hơn GPRS trên nền GSM (384 kbps)

ξ1 Lịch sử phát triển

 Third Generation (3G)

 Hỗ trợ các dịch vụ số liệu gói tốc độ cao:

• Di chuyển trên các phương tiện (Vehicles):

 Dịch vụ đa phương tiện, kết nối qua Internet, ví dụ như:

• Video Streaming, video conference, web browsing, email, navigational maps

ξ1 Lịch sử phát triển

 Third Generation (3G)

 Hai hướng tiêu chuẩn cho mạng

3G:

• W-CDMA: UTMS: Phát triển từ hệ thống GSM, GPRS

• CDMA 2000 1xEVDO: Phát triển từ hệ thống CDMA IS-95

Cost of moving from GSM to cdmaOne overrides the benefit of the CDMA migration path

Source: U.S Bancorp Piper Jaffray

ξ1 Lịch sử phát triển

 Fourth Generation (4G)

 Hiện nay đang xây dựng chuẩn

 Cải tiến về dịch vụ dữ liệu:

ξ1 L ịch sử phát triển

 Fourth Generation (4G)

 Hiện nay đang xây dựng chuẩn.

 Cải tiến về dịch vụ dữ liệu:

ξ2 Cấu trúc hệ thống

 AuC: Authentication Center: Trung tâm nhận thực

 MSC: Mobile Switching Center: Trung tâm chuyển mạch di động

ξ3 Khái niệm tế bào

 Cell – tế bào hay ô: là đơn vị cơ sở của mạng, tại

đó trạm di động MS tiến hành trao đổi thông tin với mạng qua trạm thu phát gốc BTS (BS)

 Trong đó:

• MS: Mobile Station - trạm di động

• BTS (BS): Base Tranceiver Station (Base Station)

ξ3 Khái niệm tế bào

Trạm thu phát gốc BTS

– B ase T ransceiver

S tation

Tế bào cell

ξ3 Khái niệm tế bào

 Phương thức phủ sóng:

• anten vô hướng và có hướng

• 1 hoặc 3 anten

 Độ nhạy thu - Receive Sensitivity:

• Mức công suất tối thiểu mà tại đó máy thu vẫn nhận được tín hiệu

• Đơn vị: [dBm]

• VD: Card mạng WLAN theo chuẩn 802.11 có độ nhạy thu là -96 dBm

ξ4 Các phương thức đa truy nhập

 FDMA: Frequency Division Multiple Access

đa truy nhâp phân chia theo tần số

 TDMA: Time Division Multiple Access

đa truy nhâp phân chia theo thời gian

 CDMA: Code Division Multiple Access

đa truy nhâp phân chia theo mã

Phần 2:

Chương 2 Cấu trúc hệ thống GSM

 Mạng thông tin di động mặt đất công cộng PLMN

(Public Land Mobile Network) theo chuẩn GSM được chia thành 3 (4) phân hệ chính sau:

 Phân hệ chuyển mạch - NSS

• Network Switching Subsystem.

 Phân hệ vô tuyến - RSS = BSS + MS

• Radio SubSystem

 Phân hệ vận hành và bảo dưỡng - OMS

• Operation and Maintenance Subsystem

ec eir

bts bts bts

trau

BS S

Data Netwo RK

pst n

m s

1.Các thành phần trong hệ thống GSM

1.2 Hệ thống con BSS

2.1 Phân hệ vô tuyến

2.2.1 Bộ điều khiển trạm gốc BSC

 BSC: Base Station Controller

 Bộ điều khiển trạm gốc BSC thực hịên các chức

năng sau:

• Điều khiển một số trạm BTS: xử lý các bản tin báo hiệu, điều khiển,vận hành & bảo dưỡng đi/đến BTS

• Khởi tạo kết nối

• Điều khiển chuyển giao:Intra & Inter BTS HO

• Kết nối đến MSC, BTS và OMC

BSS’s components

bs c bts

trau

BS S

MS

C

bts bts

BSS = TRAU + BSC + BTS

2.2.2 Trạm thu phát gốc BTS

 BTS: Base Tranceiver Station

hoặc BS: Base Station

 Trạm thu phát gốc BTS thực

hịên các chức năng sau:

• Thu phát vô tuyến (Radio Carrier Tx and Rx)

• Ánh xạ kênh logic vào kênh vật lý ( Logical to physical

2.2.3 Bộ TRAU (XCDR)

TRAU: Transcoding and Rate Adaption Unit

hoặc XCDR : TransCoDeR

chuyển đổi mã

2.3 Phân hệ chuyển mạch NSS

Xử lý cuộc gọi (call procesing).

Điều khiển chuyển giao (Handover control)

Quản lý di động (mobility management).

Xử lý tính cước (billing).

Tương tác mạng (interworking

function):GatewayMSC

GMSC

2.3.3 Bộ định vị tạm trú VLR

“VLR là cơ sở dữ liệu trung gian lưu giữ tạm thời

thông tin về thuê bao trong vùng phục vụ MSC/VLR

được tham chiếu từ cơ sở dữ liệu HLR”.

dụng Trạng thái của MS (bận: busy; rỗi : idle)

VLR: Visitor Location Register

2.3.4 Trung tâm nhận thực AuC

“AuC (AC) là cơ sở dữ liệu lưu giữ mã khóa cá

nhân Ki của các thuê bao và tạo ra bộ ba tham số

nhận thực ‘triple: RAND, Kc,SRES’ khi HLR yêu

cầu

để tiến hành quá trình nhận thực thuê bao”.

AuC: Aunthentication Center

2.3.5 Khối nhận dạng thiết bị EIR

2.4 Phân hệ vận hành và bảo dưỡng OMS

2.4 Trung tâm vận hành và bảo dưỡng OMC

OMC:

2.4 Trung tâm vận hành và bảo dưỡng OMC

 Các vùng kế hoạch đánh số được phân chia

mạng theo HLR, đánh địa chỉ theo các HLR khác nhau mà không liên quan đến vùng phục vụ của MSC/VLR

 Kế hoạch đánh số cho mạng thông tin di động

được tách biệt bằng cách sử dụng 1 mã trung kế riêng: mã nơi nhận quốc gia NDC hoặc liên kết với mạng PSTN

2.5 Các số nhận dạng

 Nhận dạng thuê bao di động quốc tế IMSI:

là thông tin nhận dạng duy nhật 1 thuê bao di động thuộc mạng di động

MSIN = max 11 chữ số

2.5 Các số nhận dạng

 Số lưu động của trạm di động MSRN: do

MSC/VLR ấn định 1 số lưu động tạm thời của

trạm di động phục vụ cho việc định tuyến

 HLR biết MS thuộc vùng phục vụ nào sẽ yêu cầu

MSC/VLR đang phục vụ thuê bao di động bị gọi

ấn định sô MSRN

 Khi thu được MSRN, HLR gửi nó đến MSC cổng

để nó định tuyến cuộc gọi đến MSC/VLR đang

phục vụ thuê bao bị gọi.

2.5 Các số nhận dạng

 Nhận dạng thuê bao di động tạm thời

TMSI:

 được sử dụng để giữ bí mật cho thuê bao.

 TMSI có ý nghĩa nội hạt trong vùng phục vụ

của MSC/VLR.

 Cấu trúc được lựa chọ bởi từng nhà quản lý

 TMSI không dài hơn 4 byte

2.5 Các số nhận dạng

 Nhận dạng vùng định vị LAI: được sử dụng để

cập nhật vị trí của trạm di động

2.5 Các số nhận dạng

 Nhận dạng ô toàn cầu CGI: sử dụng để nhận

dạng ô trong 1 vùng định vị Thực hiện bằng cách bổ xung 1 nhận dạng ô CI đến nhận dạng

vùng định vị

2.5 Các số nhận dạng

 Mã nhận dạng trạm gốc BSIC: cho phép trạm

di động phân biệt các trạm gốc gần nhau

… … … T4 T4 T5

8 9 0

1 superframe = 51 (26 Frames) multiframes

1 hyperframe = 2048 superframes = 2715648 TDMA frames

1 trafic multiframe = 26TDMA

2.6 Cấu trúc mạng GSM

Vùng 3

KV1: Các tỉnh miền Trung từ Quảng trị đến Khánh hòa

và tỉnh Tây nguyên

Vùng phủ sóng

- Vinaphone

2.6.2 Phân cấp vùng phục vụ

GSM Service Area

2.6.2 1 Vùng phục vụ PLMN

2.6.2.2 Vùng định vị LAI

và vùng phục vụ MSC/VLR

Số nhận dạng v ùng định vị LAI

Số LAI: Location Area Identity => Số nhận dạng vùng định vị

Số nhận dạng ô toàn cầu GCI:

GCI = MCC + MNC + LAC + CI = LAI +

CI

Location Area Code (LAC)

Mobile

country Code (MCC)

2 digits

Bytes

Mobile Network Code (MNC)

Chương 3: Các giao diện trong mạng GSM

Khái niệm

 Giao diện - Interface:

”Là ranh giới giữa các thực thể chức năng (functional

entities) tại đó khuôn dạng dữ liệu (protocols) và

quá trình trao đổi thông tin (procedure) được chuẩn

hóa”

GSM’s interfaces

Quá trình xử lý tín hiệu thoại

GSM

Speech

coding

Channel Coding

Encry- ption

Inter- leaving

Burst assembly

Modu- lator

Burst disasse- mbly

Demod- ulator

Mã hóa kênh

Mật mã hóa

Ghép xen

Tạo

cụm

Điều chế

thoại

Nội dung chương 3

3.1 Mã hóa nguồn

Phân loại mã hóa tiếng nói

tục bám theo dạng sóng của tín hiệu âm thanh

 Được thiết kế độc lập với nguồn âm

 Chất lượng không phụ thuộc vào nguồn tín hiệu

 kỹ thuật này khá phức tạp, có độ trễ cao, giá thành đắt

 có hệ số nén lớn và cho tốc độ bit mã hóa thấp

3.1.1 Các đặc trưng của tiếng nói

• Hàm mật độ xác suất diễn tả sự phân bố biên độ trong tiếng nói

• Dạng phân bố của hàm mật độ xác suất được sử dụng làm cơ

sở cho kỹ thuật lượng tử hóa phi tuyến

• Một tính chất của tiếng nói là tồn tại sự tương quan khác 0 giữa các mẫu khi tiến hành lấy mẫu biên độ tiếng nói Tính chất này được ước lượng bởi hàm:

• Trong đó: - x(k) biểu diễn mẫu tiếng nói thứ k

- C(0) = 1 và C(1) xấp xỉ 0.85 – 0.9

3.1.1 Các đặc trưng của tiếng nói

 Hàm mật độ phổ công suất (psd)

• Hàm mật độ phổ công suất trung bình theo thời gian cho thấy các thành phần tần số cao chỉ chiếm một phần năng lượng nhỏ, các thành phần tấn số thấp chiếm năng lượng caohơn

• Bản chất không bằng phẳng này là biểu hiện tính chất tự tương quan trong vùng tần số

• Sự không bằng phẳng của phổ có thể đánh giá qua hàm SFM: là tỷ số của trung bình số học/ trung bình hình học của các mẫu khi lấy mẫu psd

Trong đó:

- Sk là mẫu tần số thứ k của psd

- Thông thường tín hiệu tiếng nói trong thời gian dải có SFM = 8

Mã hóa tiếng nói

Các phương pháp mã hóa tiếng nói

• Méo lượng tử được tính là lỗi trung bình bình

phương như sau

 x(t) là biên độ tín hiệu được lấy mẫu tại thời điểm t

 fQ(x) biểu diễn giá trị lượng tử gần x(t) nhất

Lượng tử tuyến tính

• Méo lượng tử và chất lượng của bộ lượng tử

được đánh giá qua tỷ số công suất tín hiệu / ồn lượng tử (SQNR).

• Bộ điều chế xung mã (PCM) dùng phép lượng tử

8 bit / mẫu trong điện thoại thương mại.

• Nếu phép lượng tử là tuyến tính thì:

Lượng tử phi tuyến

• Các gía trị lượng tử:

 ‘Nhiều’ tại những vùng biên độ có xác suất cao (tiếng nói nhỏ),

 ‘ít’ tại những vùng biên độ có xác suất thấp (tiếng nói lớn)

• Bộ lượng tử Loga với hai kỹ thuật là luật µ dùng

ở Mỹ và luật A dùng ở châu Âu.

 Tín hiệu trước hết được đi qua bộ khuếch đại “nén” (dạng

hàm Loga) và sau đó đi vào bộ lượng tử tuyến tính

 Theo luật µ:

 Theo luật A:

Lượng tử thích nghi

• Sự thay đổi theo thời gian của tiếng nói tạo nên một dải động lớn (cỡ 40 dB)

• Bộ lượng tử thích nghi:

 Tăng bước lượng tử khi công suất tín hiệu lối vào tăng

 Giảm khi công suất tín hiệu lối vào giảm

Lượng tử véctơ

• Phép lượng tử véc tơ thì một nhóm mẫu biên độ ứngvới một nhóm mẫu lượng tử mới được tương ứng với một tổ hợp bit được gọi là một véctơ

lượng tử trong không gian véc tơ lượng tử

• Số mẫu trong nhóm lượng tử được gọi là một véc

tơ mẫu được lượng tử

• Phép lượng tử véc tơ tạo nên mã có độ nén cao

 Trong đó n là không gian lượng tử

L là độ dài véc tơ lượng tử

R là số bit mã hóa trên một mẫu

3.1.3 Các bộ mã hóa theo dạng sóng

• Bộ điều chế xung mã vi phân thích nghi (ADPCM)

• Bộ mã hóa sóng âm theo tần số

 Mã hóa theo băng con (SBC)

 Mã hóa biến đổi thích nghi

Bộ điều chế xung mã vi phân thích nghi

(ADPCM)

• Do có tính tự tương quan cao mà các mẫu biên

độ cạnh nhau ít khi thay đổi lớn nên dải động

trong tín hiệu vi phân nhỏ hơn nhiều dải động của bản thân tín hiệu.

• Mã hóa tín hiệu vi phân sẽ cho tốc độ bit chỉ là

Bộ điều chế xung mã vi phân thích nghi

(ADPCM)

• Bộ mã hóa ADPCM

Bộ điều chế xung mã vi phân thích nghi

(ADPCM)

• Ví dụ: Một bộ mã hóa PCM thích nghi có tốc độ

lấy mẫu là 8kHz, mỗi mẫu được biểu diễn bằng nhóm 8 bit Bước lượng tử được điều chỉnh lại cứ sau 10ms và độ lớn của bước lượng tử được mã hóa bằng 5 bit Tính tốc độ bit truyền, giá trị

SQNR đỉnh và trung bình của bộ mã hóa

Bộ điều chế xung mã vi phân thích nghi

(ADPCM)

Bài giải

• Số bit thông tin truyền trong 1 giây: (tần số lấy

mẫu) * (số bit biểu diễn mẫu) = 8000*8 =64kbit/s

• Do hiệu chỉnh bước lượng tử cứ sau 10ms nên tốc độ bit hiệu chỉnh là: 5*1/(10*10-3) = 500 bit/s

• Tốc độ bit truyền của bộ mã hóa là:

Bộ mã hóa sóng âm theo tần số

• Mã hóa được tiến hành theo các vùng tần số

• Phổ của tín hiệu tiếng nói được chia thành các dải hẹp hoặc biến đổi thành các tần số rời rạc và được mã hóa độc lập với nhau.

• Tùy theo mức độ quan trọng của các dải tần con hay tần số rời rạc mà số bit sử dụng mã hóa

nhiều hay ít

• Xét 2 bộ mã hóa:

 Mã hóa theo băng con (SBC)

 Mã hóa biến đổi thích nghi

Mã hóa theo băng con (SBC)

• Phổ của tín hiệu được chia thành 4 đến 8 dải con bằng các bộ lọc

• Các băng con được di chuyển biên trái về 0 để có thể dùng tốc độ lấy mẫu Nyquist ở trong miền thời gian

• Các băng con được lấy mẫu với số bít khác nhau phụ thuộc biên độ phổ và tiêu chuẩn thính giác

của con người.

• Ví dụ: Băng con Tần số (Hz) Số bit mã hóa

1 225 – 450 4

2 450 – 900 3

3 1000 – 1500 2

4 1800 – 2700 1

Mã hóa theo băng con (SBC)

• Tốc độ lấy mẫu được tính là mẫu / giây:

Mã hóa biến đổi thích nghi

• Là kỹ thuật mã hóa trong miền tần số dùng phương pháp biến đổi

• Tốc độ mã hóa trong khoảng 9.6 – 20 kbps

• Các mẫu tín hiệu trong một cửa sổ được biến đổi thành một tập các tần số rời rạc, biên độ của các tần số này

được lượng tử và mã hóa riêng biệt để truyền đi

• Tại bộ thu các hệ số lượng tử được biến đổi ngược để tạo lại tín hiệu ban đầu

• Phương pháp này dùng biến đổi cosin rời rạc (DCT và

3.1.4 Các bộ mã hóa theo nguồn âm

(Vocoder)

 Mô hình hoá quá trình tạo tiếng nói

 Không khí bị ép từ phổi lên đi qua các dây thanh âm dao động (theo sự điều khiển của não bộ) và đi dọc theo cơ quan phát

âm sẽ tạo ra tiếng nói

 Dao động của các dây thanh âm tạo ra sự đóng mở tương tự như một cánh cửa (thanh môn).

 Tiếng nói tạo ra còn phụ thuộc vào sự thay đổi của cơ quan phát âm.

3.1.4 Các bộ mã hóa theo nguồn âm

3.1.4 Các bộ mã hóa theo nguồn âm

 Chia tiếng nói ra thành hai loại âm chính:

• Âm hữu thanh (voiced sound): âm hữu thanh được tạo ra

khi các dây thanh âm dao động đóng mở làm ngắt quãng luồng không khí và sự ngắt quãng này được xem gần như là tuần hoàn tác động lên cơ quan phát âm

• Với âm hữu thanh, tín hiệu kích thích được mô hình hoá là các xung tuần hoàn

3.1.4 Các bộ mã hóa theo nguồn âm

(Vocoder)

 Chia tiếng nói ra thành hai loại âm chính:

• Âm vô thanh (unvoiced sound): âm vô thanh được tạo ra

khi luồng không khí đi qua thanh

môn tác động lên cơ quan phát âm không theo một qui luật nào cả

• Với âm vô thanh, tín hiệu kích thích được mô hình hoá

tương tự như một nhiễu

3.1.4 Các bộ mã hóa theo nguồn âm

(Vocoder)

 Các bộ mã hoá nguồn được gọi là vocoder hoạt

động dựa trên mô hình cơ quan phát âm

• Được kích thích với một nguồn nhiễu trắng đối với

các đoạn tiếng nói vô thanh

• Được kích thích bằng một dãy xung có chu kì bằng

chu kì pitch đối với đoạn tiếng nói hữu thanh

 Thông tin được gởi đến bộ giải mã là:

• Các thông số của bộ lọc,

• Thông tin chỉ định đoạn tiếng nói là hữu thanh hay vô

thanh

• Sự thay đổi cần thiết của tín hiệu kích thích

• Chu kì pitch nếu đó là đoạn tiếng nói hữu thanh