Luận văn tốt nghiệp 21 Đấu nối T: Sơ đồ thích ứng tốc độ cho đấu nối T được cho hình 1.14 Hình 1.14: Thích ứng tốc độ ở GSM RA0 có nhiệm vụ biến đổi luồng số dò bộ vào đồng bộ. RA1 ghép luồng số cơ sở với các tín hiệu bổ sung để tạo thành các luồng số 12 kbit/s (cho tốc độ luồng cơ sở 9600 kbit/s), 6 kbit/s (cho tốc độ luồng cơ sở 4800 kbit/s) được phát lặp các bít thông tin để đạt được tốc độ đònh danh là 2400 bit/s và 1,2 kbit/s bổ sung sẽ được đưa thêm vào để được tốc độ 3,6 kbit/s. Luồng 12 kbit/s được chia thành các khung có độ lâu là 5 ms, mỗi khung chứa 60 bit trong đó có 48 bit từ luồng cơ sở và 12 bit bổ sung. Các bit bổ sung bao gồm các bit thông tin bổ sung cho cho ở bảng 1.13 trừ các bit E1, E2, E3 mang thông tin về tốc độ vì mức độ thông tin này được truyền riêng theo đường báo hiệu để thiết lập đường truyền. Luồng 6 kbit/s được chia thành các khung 10ms, mỗi khung có 60 bit với 48 bit cơ sở và 12 bit bổ sung như ở trường hợp trên. Luồng 3,6 kbit/s bao gồm các khung 10 ms với 36 bit trong mỗi khung. Trong đó 24 bit dành cho luồng cơ sở còn 12 bit dành cho thông tin bổ sung. Nhờ có các tốc độ bit thấp hơn 8 và 16 kbit/s so với trường hợp ISDN, ta nhận được các vò trí bit dư để thực hiện mã hóa kênh cho các khối 20ms ở giao diện vô tuyến. Đây là vấn đề đặc biệt quan trọng ở truyền dẫn vô tuyến vì truyền dẫn ở đây có chất lượng xấu hơn ở các đường dây cố đònh nếu không có các biện pháp bảo vệ chống lỗi. Tốc độ dò bộ ban đầu Chẳng hạn: 300 hay 9600 bit/s Đồng bộ RA 2 Lấy Đệm ĐB Tốc độ trung gian RA TA M T Tốc độ số liệu trung gian 3,6:6 hay 12 kbit/s Đệm BTS+TRA U 64 . Luận văn tốt nghiệp 22 RA1 có nhiệm vụ biến đổi các luồng tốc độ trung gian 3,6 kbit/s, 6 kbit/s, 12 kbit/s vào hai luồng tốc độ trung gian 8 hoặc 16 kbit/s, việc biến đổi này được thực hiện bằng cách chèn thêm các bít đồng bộ vào các khung RA1 thường được đặt ở BTS. 1.5. Nguyên lý đa thâm nhập Tồn tại ba phương pháp đa thâm nhập: đa thâm nhập phân chia theo tần số, đa thâm nhập phân chia theo thời gian, đa thâm nhập phân chia theo mã. Nguyên lý đa thâm nhập này được cho ở hình 1.15. Ở phương pháp đa thâm nhập phân chia theo tần số (FDMA) mỗi trạm di động dành riêng một kênh với một cặp tần số để thâm nhập đến trạm gốc (BTS), ở phương pháp đa thâm nhập phân chia theo thời gian (TDMA) các trạm di động sử dụng chung một kênh tần số nhưng chỉ được thâm nhập đến trạm gốc ở các khoảng thời gian khác nhau, ở phương pháp đa thâm nhập phân chia theo mã(CDMA) các trạm di động đều dùng chung một băng tần nhưng sử dụng các mã khác nhau để thâm nhập đến trạm gốc. GSM sử dụng kết hợp các phương pháp FDMA và TDMA. . Luận văn tốt nghiệp 23 Hình 1.15: Nguyên lý đa thâm nhập a) Đa thâm nhập phân chia theo tần số (FDMA) b) Đa thâm nhập phân chia theo thời gian (TDMA) c) Đa thâm nhập phân chia theo mã (CDMA) . Luận văn tốt nghiệp 24 1.5.1. Các kênh tần số được sử dụng ở GSM Các kênh tần số được sử dụng ở GSM nằm trong dãy tần số quy đònh 900Mhz xác đònh theo công thức sau: F L = 890,2 + 0,2. (n-1) Mhz F u = FL (n) + 45 Mhz 1 n 124 Từ công thức trên F L là tần số ở nửa băng thấp, F U là tần số ở nửa băng cao, 0,2Mhz là khoảng cách giữa các kênh lân cận, 45Mhz là khoảng cách thu phát, n số kênh tần vô tuyến. Ta thấy tổng số kênh tần số có thể tổ chức cho mạng GSM là 124 kênh. Để cho các kênh lân cận không gây nhiễu cho nhau mỗi BTS phủ một ô của mạng phải sử dụng các tần số cách xa nhau và các ô sử dụng các tần số giống nhau hoặc gần giống nhau cũng phải xa nhau. 1.5.2. Tổ chức đa thâm nhập bằng cách kết hợp giữa FDMA và TDMA Truyền dẫn vô tuyến ở GSM được chia thành các cụm (BURST) chứa hàng trăm bit đã được điều chế. Mỗi cụm được phát đi trong một khe thời gian có độ lâu là 15/26s (577 ms) ở một trong kênh tần số có độ rộng 200 Khz nói trên. Sơ đồ mô tả cách kết hợp FDMA và TDMA được cho ở hình 1.16. Mỗi một kênh tần số cho phép tổ chức các khung thâm nhập theo thời gian, mỗi khung bao gồm 8 khe thời gian từ 0 – 7 (TS0, TS1, TS7). 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 Hình 1.16: Đa thâm nhập kết hợp FDMA và TDMA Tần số (PDMA 200 Khz Cụm khe thời gian 15/26 s Thời gian . Luận văn tốt nghiệp 25 1.1. Quá trình xử lý các tín hiệu số và biến đổi vào sóng vô tuyến Quá trình này được trình bày ở lớp vật lý 1 trong các khuyến nghò của GSM. Hình 1.17: Xử lý tín hiệu số và biến đổi vào sóng vô tuyến ở MS. 1.5.1. Các kênh vật lý Các kênh vật lý là một khe thời gian ở một tần số vô tuyến dành để truyền tải thông tin ở đường vô tuyến GSM. Như ở phần trên đã nói GSM sử dụng băng tần sau: 890 – 915 Mhz đường lên (MS phát) 935 – 960 Mhz đường xuống (BTS phát) Khoảng cách giữa các sóng mang là 200 KHz. Trong tương lai khi mở rộng đến hệ thống DCS 1800 băng tần được sử dụng sẽ là: 1710 – 1785 Mhz đường lên 1805 – 1880 Mhz đường xuống Để đảm bảo các quy đònh về tần số bên ngoài băng phải có một khoảng bảo vệ giữa các biên của băng (200 KHz). Vì thế ở GSM 900 ta có 124 kênh tần số vô tuyến bắt đầu từ 8972 Mhz và ở DCS 1800 ta có 374 kênh tần số vô tuyến bắt đầu từ 1710,2 MHz. Mỗi một kênh tần số vô tuyến được tổ chức thành các khung TDMA có 8 khe thời gian. Một khe thời gian bắt đầu có độ lâu 15/26 s. 8 khe thời gian của 1 khung . Luận văn tốt nghiệp 26 TDMA có độ lâu gần bằng 4,62 ms. Ở BTS các khung TDMA ở tất cả các kênh tần số trên đường xuống đường đồng bộ. Đồng bộ cũng được áp dụng như vậy với đường lên. Tuy nhiên, khởi đầu của khung TDMA đường lên trễ một khoảng thời gian cố đònh 3 khe. Lý do trễ để cho phép MS sử dụng cùng một khe thời gian ở cả đường lên lẫn đường xuống mà không phải thu phát đồng thời. Sự trễ nói trên được mô tả ở hình 1.18. Đường xuống KTS Khung TDMA Khung TDMA Khung TDMA Đường xuống KTS Khung TDMA Khung TDMA Khung TDMA Đường lên KTS Khung TDMA Khung TDMA Khung TDMA Đường lên KTS Khung TDMA Khung TDMA Khung TDMA Hình 1.18: Các khung TDMA 1.5.2. Các kênh logic Các kênh logic được đặc trưng bởi thông tin truyền giữa BTS và MS. Các kênh logic này được đặt vào các kênh vật lý nói trên. Có thể chia các kênh logic thành 2 loại tổng quát: các kênh lưu lượng và các kênh báo hiệu điều khiển. Các kênh lưu lượng gồm 2 loại được đònh nghóa như sau: - Bm hay TCH toàn tốc (TCH/F), kênh này mang thông tin tiếng hoặc số liệu ở tốc độ khoảng 22,8 kbit/s. - Lm hay TCH báo tốc (TCH/H) kênh này mang thông tin ở tốc độ vào khoảng 11,4 kbit/s. Các kênh báo hiệu điều khiển chia làm 3 loại: các kênh điều khiển quảng bá, các kênh điều khiển chung và dành riêng. 1.5.3. Mã hóa kênh Mã hóa kênh được sử dụng để phát hiện và hiệu chỉnh lỗi trong luồng bit thu để giảm tỉ số bit lỗi BER. Để đạt được điều này người ta bổ sung các bit dư vào luồng thông tin. Tồn tại hai dạng mã kênh khác nhau: mã tuyến tính và mã xoắn. 3TS . Luận văn tốt nghiệp 27 1.5.4. Mật mã hóa Một trong các ưu điểm lớn của hệ thống truyền dẫn số là dễ dàng bảo vệ tín hiệu này khỏi sự can thiệp của người thứ ba không được phép bằng cách mật mã hóa tín hiệu số. Ở GSM phương pháp mật mã hóa không phụ thuộc vào dạng số liệu được phát, nhưng chỉ áp dụng cho các cụm bình thường. Mật mã hóa tín hiệu đạt được bằng thao tác hoặc loại trừ (XOR) giữa một chuỗi ngẫu nhiên với 114 bit của cụm bình thường, nghóa là với tất cả các bit thông tin trừ các cờ lấy cắp bảng 1.19. Để giải mật mã người ta thực hiện thao tác hoặc loại trừ (XOR) giữa tín hiệu thu với chuỗi ngẫu nhiên. Bảng 1.19: Nguyên lý mật mã và giải mã tín hiệu số Tín hiệu số Chuỗi mật mã Tín hiệu đã mã hóa 010010111001 … 001011001110 … 011001110111 … Chuỗi ngẫu nhiên được tạo ra từ số khung và khóa mật mã K c theo thuật toán A5 (hình 1.20). Khóa K c giống nhau giữa thu và phát, số khung thay đổi từ cụm này đến cụm khác, vậy mỗi cụm của một cuộc thông tin trong một hướng sẽ sử dụng chuỗi mật mã khác nhau. Thuật toán A5 như nhau cho mạng GSM toàn cầu vì phải đảm bảo khả năng chuyển mạng MS 22 bit số khung kết hợp với 64 bit K c theo thuật toán A5 để tạo ra chuỗi ngẫu nhiên 144 bit. . Luận văn tốt nghiệp 28 Hình 1.20: Nguyên lý mật mã và giải mật mã 1.5.5. Đo và nhảy tần c) Đo Trong quá trình của một cuộc gọi trạm di động liên tục báo cáo cường độ tín hiệu của các BTS lân cận cho hệ thống. Đo cường độ tín hiệu của các BTS lân cận được trạm di động thực hiện khi nó không bận làm các công việc khác, nghóa là trong khoảng thời gian giữa phát và thu ở khe thời gian dành cho nó (hình 1.21). Cường độ tín hiệu của BTS phục vụ trạm di động được đo khi thu ở khe thời gian dành cho MS. MS được thông báo phải đo các sóng mang BCCH nào qua thông tin hệ thống SACCH. Để đảm bảo đo đúng BTS cần thiết, MS phải xác đònh được nhận dạng của BTS này. Nhận dạng của BTS được cho bởi giá trò BSIC được phát trên SCH ở TSO/C o . Vì thế trong thời gian khung rỗi ở đa khung cho TCH (26 khung TDMA). MS phải kiểm tra BSIC của các trạm BTS lân cận. MS chỉ đo cường độ tín hiệu tương ứng với 6 BSIC của các BTS lân cận. Các hoạt động khác nhau của MS được ký hiệu ở hình 1.21 như sau: 1. MS thu và đo tín hiệu ở BTS đang phục vụ nó (TS2) 2. MS phát 3. MS đo cường độ tín hiệu ở một trong các ô lân cận 4. MS đọc BSIC trên SCH (TS0) cho một trong số các ô mạnh nhất. A5 Số khung Kc (64 S1 (114 S2 (114 Mật mã Giải mật MS A5 Số khung Kc (64 S1 (114 S2 (114 Giải mật Mật mã BTS . Luận văn tốt nghiệp 29 Nếu MS không đồng bộ với ô mà nó muốn nhận dạng. Thì nó không tìm được TS0 mang BCCH. Vì thế nó phải đo ở khoảng thời gian ít nhất là 8 khe thời gian để đảm bảo xác đònh chắc chắn TS0 mang BCCH. Hình 1.21: Nguyên lý đo của MS * Các đa khung trượt 51 khung = 235,4 ms BCCH +CCCH . Luận văn tốt nghiệp 30 Hình 1.22 : Các đa khung trượt MS chỉ đọc TS0 chưa đủ, nó phải tìm được SCH ở khe này. Ta nhớ lại rằng đa khung chứa SCH được tổ chức sao cho cứ 10 khung thì có 1 SCH, vì vậy xác suất MS thu được khung đúng chứa BSIC chỉ là 10%. Để giải quyết vấn đề này các đa khung TCH trượt so với các đa khung TCH chứa 26 khung IDLE sẽ trượt lên tất cả các kênh điều khiển ở TS0 và cuối cùng nó sẽ gặp được SCH. Hình 1.22 cho thấy quá trình được gọi là đa khung trượt. Hai mũi tên ở sơ đồ đánh dấu hai trường hợp khung IDLE ở đa khung TCH gặp SCH ở đa khung điều khiển. Lưu ý rằng ở cuối đa khung điều khiển SCH không xuất hiện 10 khung một lần vì ở đây mội khung IDLE được đưa vào, vì vậy trong trường hợp xấu nhất việc xác đònh BSIC rất trễ. MS phải có khả năng giải quyết mã BSIC cho 6 ô mạnh nhất trong 10 giây thậm chí trong trường hợp xấu nhất đối với 6 ô lân cận MS vẫn phải mã tất cả 6 BSIC trong 10 giây. d) Nhảy tần Khả năng nhảy tần được người khai thác mạng sử dụng hoặc trên toàn bộ mạng hoặc một phần mạng. Mục đích chính của tính năng này là đảm bảo sự phân tập ở đường truyền dẫn (đặc biệt tăng hiệu quả của mã hóa kênh và ghép xen đối với MS chuyển động chậm) và trung bình hóa tỉ số tín hiệu trên nhiễu (C/I) để đảm bảo tỉ số này lớn hơn mức ngưỡng. Nguyên nhân lý nhảy tần như sau: ở một khe thời gian trạm di động phát ở một tần số, sau đó nó chuyển sang phát ở một tần số khác ở một khe thời gian sau… Nhảy tần số xảy ra giữa các khe thời gian vì thế nó có tốc độ 217 lần trong 1 giây. Các tần số phát và thu luôn luôn song công… (cách nhau 45 MHz) nghóa là các đường lên và đường xuống sử dụng cùng một chuỗi dãy tần. Chuỗi dãy tần trong một ô hoàn toàn trực giao nghóa là không xảy ra va chạm giữa các thông tin. Các chuỗi này cũng độc lập với các ô đồng kênh (sử dụng cùng tập . . nối T: Sơ đồ thích ứng tốc độ cho đấu nối T được cho hình 1.14 Hình 1.14: Thích ứng tốc độ ở GSM RA0 có nhiệm vụ biến đổi luồng số dò bộ vào đồng bộ. RA1 ghép luồng số cơ sở với các tín. sẽ sử dụng chuỗi mật mã khác nhau. Thuật toán A5 như nhau cho mạng GSM toàn cầu vì phải đảm bảo khả năng chuyển mạng MS 22 bit số khung kết hợp với 64 bit K c theo thuật toán A5 để tạo ra. Hình 1.20: Nguyên lý mật mã và giải mật mã 1.5.5. Đo và nhảy tần c) Đo Trong quá trình của một cuộc gọi trạm di động liên tục báo cáo cường độ tín hiệu của các BTS lân cận cho hệ thống.