Mạng thông tin di động GSM

Mạng thông tin di động GSM

ỜNGNG ĐẠIẠI HỌCỌC BÁCHCH KHOAOA HÀHÀ

NỘIỘI KHOAOAOA ĐIỆNỆNỆN TỬTỬTỬ VIỄNỄNỄN

THÔNGNGNG

BÁO CÁO THỰC TẬP

Đề tài: Mạng thông tin di động GSM

Giáo viên hướng dẫn: TS Phạm Công Hùng

Sinh viên thực hiện : Lớp :

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 CẤU HÌNH MẠNG GSM 4

1.1 Giới thiệu chung về mạng thông tin di động GSM 4

1.1.1 Vài nét lịch sử về mạng GSM 4

1.1.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng GSM 5

1.2 Cấu trúc hệ thống GSM 6

1.2.1 Hệ thống con chuyển mạch SS 6

1.2.1.1 Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động cổng MSC 7

1.2.1.2 Bộ ghi định vị thường trú HLR 7

1.2.1.3 Bộ ghi định vị tạm trú VLR 8

1.2.1.4 Trung tâm nhận thực AUC 8

1.2.1.5 Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR 8

1.2.2 Phân hệ trạm gốc BSS 8

1.2.2.1 Trạm thu phát gốc BTS 9

1.2.2.2 Bộ điều khiển trạm gốc BSC 9

1.2.2.3 Bộ chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU 9

1.2.3 Trạm di động MS 10

1.2.4 Phân hệ khai thác OSS 10

2.1 Vô tuyến số tổng quát 12

2.1.1 Suy hao đường truyền và pha đinh 12

2.1.2 Phân tán thời gian 13

2.1.3 Các phương pháp phòng ngừa suy hao truyền dẫn do phađinh 15 2.1.4 Phương pháp chống phân tán thời gian 17

2.1.5 Truyền dẫn số và tín hiệu tương tự 18

2.2 Nguyên tắc khi chia kênh theo khe thời gian 19

2.2.1 Khái niệm kênh 19

2.2.1.1 Kênh vật lý 19

2.2.1.2 Kênh logic 20

2.2.2 Cụm 21

2.2.3 Chia kênh logic theo khe thời gian 22

CHƯƠNG 3 NGUYÊN TẮC SỬ DỤNG TẦN SỐ 25

3.1 Nguyên tắc sử dụng tần số theo chia ô 25

3.1.1 Sử dụng tần số 25

3.1.2 Sự tái sử dụng tần số trên mạng 25

3.1.2.1 Cơ sở lí thuyết 25

3.1.2.2 Mẫu sử dụng lại tần số 26

3.2 Các trường hợp và thủ tục thông tin 28

3.2.1 Tổng quan 28

3.2.3 Thủ tục nhập mạng đăng ký lần đầu 29

3.2.4 Thủ tục rời mạng 30

3.2.5 Tìm gọi 30

3.2.6 Gọi từ MS 30

3.2.7 Gọi đến thuê bao MS 30

3.2.8 Cuộc gọi đang tiến hành, định vị 31

CHƯƠNG 4 CÁC DỊCH VỤ CỦA GSM 33

4.1 Dịch vụ thoại 33

4.2 Dịch vụ số liệu 33

4.3 Dịch vụ nhắn tin ngắn SMS 33

4.4 Dịch vụ Wap 33

4.5 Các dịch vụ mới của GSM 2,5G 33

KẾT LUẬN 35

PHỤ LỤC: CÁC TỪ VIẾT TẮT 36

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay trong cuộc sống hàng ngày thông tin liên lạc đóng một vai trò rấtquan trọng không thể thiếu được, nó quyết định nhiều mặt hoạt động của xã hội,giúp con người nắm bắt nhanh chóng các giá trị văn hoá, kinh tế, khoa học kỹthuật rất đa dạng và phong phú

Bằng những bước phát triển thần kỳ, các thành tựu công nghệ Điện Tử –Tin Học – Viễn Thông làm thay đổi cuộc sống con người từng giờ từng phút , nótạo ra một trào lưu "Điện Tử – Tin Học – Viễn Thông " trong mọi lĩnh vực ở thế

kỷ 21

Lĩnh vực Thông Tin Di Động cũng không nằm ngoài trào lưu đó Cùng vớinhiều công nghệ khác nhau Thông Tin Di Động đang không ngừng phát triển đápứng nhu cầu thông tin ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, tạo nhiềuthuận lợi trong miền thời gian cũng như không gian Chắc chắn trong tương laiThông Tin Di Động sẽ được hoàn thiện nhiều hơn nữa để thoả mãn nhu cầu thôngtin tự nhiên của con người

Trên cơ sở những kiến thức đã tích luỹ được qua 5 năm học tập chuyênngành Điện Tử – Viễn Thông tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và hơn mộttháng thực tập tại phòng kỹ thuật công ty thông tin di động VMS, tôi đã hoànthành bản báo cáo thực tập tốt nghiệp này

Để hoàn thành bản báo cáo này tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TSPhạm Công Hùng đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực tập tốtnghiệp

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của trưởng phòng

Đỗ Vũ Anh cùng các cán bộ phòng kỹ thuật trong suốt quá trình thực tập

di chuyển, các thuê bao di động vẫn trao đổi thông tin được với nhau Do sự pháttriển ngày càng cao của công nghệ điện tử và thông tin, mạng thông tin ngày càngphổ biến, giá cả ngày một hạ và độ tin cậy ngày càng tăng lên Quá trình phát triểncủa mạng thông tin đã trải qua các giai đoạn sau:

- Giai đoạn thứ nhất: Sau 1946, khả năng phục vụ nhỏ, chất lượng không

cao, giá cả dắt

- Giai đoạn thứ hai: Từ 1970 – 1979, cùng với sự phát triển của các thiết

bị điện tử tổ hợp cỡ lớn và các bộ vi xử lý, ta có thể thực hiện được một hệ thốngphức tạp hơn Bởi vì vùng phủ sóng của anten phát của các máy di động bị hạn chếnên hệ thống được chia thành một vài trạm nhận cho một trạm phát

- Giai đoạn thứ ba: Từ1979 -1990, là mạng tổ ong tương tự Các trạm thu

phát được đặt theo các ô tổ ong Mạng này cho phép sử dụng lại tần số và chophép chuyển giao giữa các ô trong cuộc gọi Các mạng điển hình là:

+ AMPS (Advanced Mobile Phone Service): được đưa vào hoạt động tại

- Giai đoạn thứ tư: Từ đầu những năm 1980, sau khi các hệ thống NMT

đã hoạt động thành công thì nó cũng biểu hiện một số hạn chế Một là do yêu cầucho dịch vụ di động quá lớn vượt qua con số mong đợi của các nhà thiết kế hệthống nên hệ thống này không đáp ứng được Hai là các hệ thống khác nhau đanghoạt động không thể phục vụ cho tất cả các thuê bao ở châu Âu, nghĩa là thiết bịcủa mạng này không thể truy nhập vào mạng khác Ba là nếu thiết kế một mạnglớn phục vụ cho cả châu Âu thì không một nước nào có thể đáp ứng được vì vốnđầu tư quá lớn Tất cả những hạn chế trên dẫn đến một nhu cầu là phải thiết kế một

hệ thống loại mới được làm theo kiểu chung để có thể dùng cho nhiều nước Năm

1988, viện tiêu chuẩn viễn thông châu âu – ETSI (Europe TelecommunicationStandard Institute) đã thành lập nhóm đặc trách di động – GSM (Groupe SpecialMobile) GSM còn có nghĩa là hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global Systemfor Mobile Communication) GSM là tiêu chuẩn điện thoại di động số toàn châu

Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm

1993, hiện nay đang được hai công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả Trongnăm 2004 này công ty Vietel cũng sẽ cung cấp dịch vụ này

1.1.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng GSM

Hệ thống thông tin di động GSM cho phép chuyển vùng tự do của các thuêbao trong châu Âu, có nghĩa là một thuê bao có thể thâm nhập sang mạng củanước khác khi di chuyển qua biên giới Trạm di động GSM – MS (GSM MobileStation) phải có khả năng trao đổi thông tin tại bất cứ nơi nào trong vùng phủ sóngquốc tế

 Về chất lượng phục vụ và an toàn bảo mật:

- Chất lượng của thoại trong GSM phải ít nhất có chất lượng như các hệthống di động tương tự trước đó trong điều kiện vân hành thực tế

- Hệ thống có khả năng mật mã hoá thông tin người dùng mà không ảnh hưởng gì đến hệ thống cũng như không ảnh hưởng đến các thuê bao khác khôngdùng đến khả năng này

 Về sử dụng tần số:

- Hệ thống cho phép mức độ cao về hiệu quả của dải tần mà có thể phục

vụ ở vùng thành thị và nông thôn cũng như các dịch vụ mới phát triển

- Kế hoạch đánh số dựa trên khuyến nghị của CCITT.

- Hệ thống phải cho phép cấu trúc và tỷ lệ tính cước khác nhau khi được dùng trong các mạng khác nhau

- Trung tâm chuyển mạch và các thanh ghi định vị phải dùng hệ thống báo hiệu được tiêu chuẩn hoá quốc tế

- Chức năng bảo vệ thông tin báo hiệu và thông tin điều khiển mạng phảiđược cung cấp trong hệ thống

1.2 Cấu trúc hệ thống GSM

Một hệ thống GSM có thể được chia thành nhiều phân hệ sau đây:

- Phân hệ chuyển mạch (SS: Switching Subsystem)

- Phân hệ trạm gốc (BSS: Base Station Subsystem)

- Phân hệ khai thác (OSS: Operation Subsystem)

MSC

SS

BSC BTS

của thuê bao Chức năng chính của SS là quản lý thông tin giữa những người sửdụng mạng GSM với nhau và với mạng khác.

Hệ thống con chuyển mạch SS bao gồm các khối chức năng sau:

- Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động (MSC: Mobile ServicesSwitching Center)

- Bộ ghi định vị tạm trú (VLR: Visitor Location Register)

- Bộ ghi định vị thường trú (HLR: Home Location Register)

- Trung tâm nhận thực (AUC: Authentication Center)

- Bộ nhận dạng thiết bị (EIR: Equipment Identity Register)

- Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động cổng (GMSC: GatewayMobile Services Switching Center)

1.2.1.1 Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động cổng MSC

Ở SS, chức năng chuyển mạch chính được MSC thực hiện Nhiệm vụ chínhcủa MSC là điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những người sử dụng mạngGSM Một mặt MSC giao tiếp với phân hệ BSS, mặt khác nó giao tiếp với mạngngoài MSC làm nhiệm vụ giao tiếp với mạng ngoài được gọi là MSC cổng Việcgiao tiếp với mạng ngoài để đảm bảo thông tin cho người sử dụng mạng GSM đòihỏi cổng thích ứng (các chức năng tương tác IWF: Interworking Function) SScũng cần giao tiếp với mạng ngoài để sử dụng các khả năng truyền tải của cácmạng này cho việc truyền tải số liệu của người sử dụng hoặc báo hiệu giữa cácphần tử của mạng GSM MSC thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lýmột số các bộ điều khiển trạm gốc

Để kết nối MSC với một số mạng khác, cần phải thích ứng các đặc điểmtruyền dẫn của GSM với các mạng này Các thích ứng này được gọi là các chứcnăng tương tác IWF (Interworking Function) bao gồm một thiết bị để thích ứnggiao thức và truyền dẫn Nó cho phép kết nối với các mạng: PSPDN (PacketSwitched Public Data Network: mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói), hayCSPDN (Circuit Switched Public Data Network: mạng số liệu công cộng chuyểnmạch kênh), nó cũng tồn tại khi các mạng khác chỉ đơn thuần là PSTN hay ISDN.IWF có thể được thực hiện trong cùng chức năng MSC hay có thể ở thiết bị riêng,

ở trường hợp hai thì giao tiếp giữa MSC và IWF được để mở

Để thiết lập một cuộc gọi đến người sử dụng GSM, trước hết cuộc gọi phảiđược định tuyến đến một tổng đài cổng GMSC mà không cần biết đến hiện thờithuê bao đang ở đâu Các tổng đài cổng có nhiệm vụ lấy thông tin về vị trí củathuê bao và định tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lý thuê bao ở thời điểmhiện thời (MSC tạm trú) Để vậy trước hêt các tổng đài cổng phải dựa trên số thoạidanh bạ của thuê bao để tìm đúng HLR cần thiết và hỏi HLR này Tổng đài cổng

có một giao diện với các mạng bên ngoài với mạng GSM Về phương diện kinh tế,không phải bao giờ tổng đài cổng cũng đứng riêng mà thường được kết hợp vớiMSC

1.2.1.2 Bộ ghi định vị thường trú HLR

Là cơ sở dữ liệu quan trọng nhất của mạng GSM, lưu trữ các số liệu và địachỉ nhận dạng cũng như các thông số nhận thực của thuê bao trong mạng Cácthông tin lưu trữ trong HLR gồm: nhận dạng thuê bao IMSI, MSISDN, VLR hiệnthời, trạng thái thuê bao, khoá nhận thực và chức năng nhận thực, số lưu độngtrạm di động MSRN

HLR chứa những cơ sở dữ liệu bậc cao của tất cả các thuê bao trong GSM.Những dữ liệu này được truy nhập từ xa bởi các MSC và VLR của mạng

1.2.1.3 Bộ ghi định vị tạm trú VLR

VLR là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng GSM Nó được nối với một haynhiều MSC và có nhiệm vụ lưu giữ tạm thời số liệu thuê bao của các thuê bao hiệnđang nằm trong vùng phục vụ của MSC tương ứng và đồng thời lưu giữ số liệu về

vị trí của các thuê bao nói trên ở mức độ chính xác hơn HLR Các chức năng VLRthường được liên kết với các chức năng MSC

1.2.1.4 Trung tâm nhận thực AUC

AUC quản lý các thông tin nhận thực và mật mã liên quan đến từng cá nhânthuê bao dựa trên một khoá nhận dạng bí mật Ki để đảm bảo toàn số liệu cho cácthuê bao được phép Khoá này cũng được lưu giữ vĩnh cửu và bí mật trong bộ nhớ

ở MS Bộ nhớ này có dang Simcard có thể rút ra và cắm lại được AUC có thểđược đặt trong HLR hoặc MSC hoặc độc lập với cả hai

Khi dăng ký thuê bao, khoá nhận thực Ki được ghi nhớ vào Simcard củathuê bao cùng với IMSI của nó Đồng thời khoá nhận thực Ki cũng được lưu giữ ởtrung tâm nhận thực AUC để tạo ra bộ ba thông số cần thiết cho quá trình nhậnthực và mật mã hoá:

- Số ngẫu nhiên RAND

- Mật khẩu SRES được tạo ra từ Ki và số ngẫu nhiên RAND bằng thuậttoán

A3

- Khoá mật mã Kc được tạo ra từ Ki và số ngẫu nhiên RAND bằng thuậttoán A8

1.2.1.5 Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR

Quản lý thiết bị di động được thực hiện bởi bộ đăng ký nhận dạng thiết bịEIR EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến phần thiết bị di động ME củatrạm di động MS EIR được nối với MSC thông qua đường báo hiệu để kiểm tra

sự được phép của thiết bị bằng cách so sánh tham số nhận dạng thiết bị di độngquốc tế IMEI (International Mobile Equipment Identity) của thuê bao gửi tới khithiết lập thông tin với số IMEI lưu giữ trong EIR phòng trường hợp đây là nhữngthiết bị đầu cuối bị đánh cắp, nếu so sánh không đúng thì thiết bị không thể truynhập vào mạng được

- Quản lý quá trình Handover.

- Thực hiện bảo mật kênh vô tuyến

Phân hệ BSS gồm hai khối chức năng: bộ điều khiển trạm gốc (BSC: BaseStation Controller) và các trạm thu phát gốc (BTS: Base Transceiver Station) Nếukhoảng cách giữa BSC và BTS nhỏ hơn 10m thì các kênh thông tin có thể đượckết nối trực tiếp (chế độ Combine), ngược lại thì phải qua một giao diện A-bis(chế độ Remote) Một BSC có thể quản lý nhiều BTS theo cấu hình hỗn hợp của 2loại trên

mà ở đó quá trình mã hoá và giải mã tiếng đặc thù riêng cho GSM được tiến hành,

ở đây cũng thực hiện thích ứng tốc độ trong trường hợp truyền số liệu TRAU làmột bộ phận của BTS, nhưng cũng có thể đặt cách xa BTS và thậm chí trong nhiềutrường hợp được đặt giữa BSC và MSC

BTS có các chức năng sau:

- Quản lý lớp vật lý truyền dẫn vô tuyến

- Quản lý giao thức cho liên kết số liệu giữa MS và BSC

- Vận hành và bảo dưỡng trạm BTS

- Cung cấp các thiết bị truyền dẫn và ghép kênh nối trên giao tiếp A-bis

1.2.2.2 Bộ điều khiển trạm gốc BSC

BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến qua các lệnh điều khiển

từ xa BTS và MS Các lệnh này chủ yếu là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vôtuyến và quản lý chuyển giao (Handover) Một phía BSC được nối với BTS cònphía kia nối với MSC của SS Trong thực tế, BSC là một tổng đài nhỏ có khả năngtính toán đáng kể Một BSC có thể quản lý vài chục BTS tuỳ theo lưu lượng cácBTS này Giao diện giữa BSC và MSC là giao diện A, còn giao diện giữa nó vớiBTS là giao diện A-bis

Nhân viên khai thác có thể từ trung tâm khai thác và bảo dưỡng OMC nạpphần mềm mới và dữ liệu xuống BSC, thực hiện một số chức năng khai thác vàbảo dưỡng, hiển thị cấu hình của BSC

BSC có thể thu thập số liệu đo từ BTS và BIE (Base Station InterfaceEquipment: Thiết bị giao diện trạm gốc), lưu trữ chúng trong bộ nhớ và cung cấpchúng cho OMC theo yêu cầu.

1.2.2.3 Bộ chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU

Trong GSM, tín hiệu thoại trên giao diện vô tuyến được mã hoá ở tốc độ13Kbps sử dụng mã hoá tiền định tuyến LPC Để thích ứng tốc độ này các tốc độmạng hội thoại cố định PSTN cần có bộ chuyển đổi mã TRAU để chuyển đổi giữa13Kbps PCM giữa MS và MSC TRAU có thể được đặt tại BTS, BSC hoặc tạiMSC Để giảm thiểu chi phí truyền dẫn, thường TRAU đặt ở MSC Khi đó cầnthêm báo hiệu bổ xung vào tiếng thoại 13Kbps để truyền thông tin điều khiển từ

bộ chuyển đổi mã từ xa dặt ở BTS đến TRAU

- Thiết bị đầu cuối thực hiện các chức năng không liên quan đến mạngGSM

- Kết cuối trạm di động thực hiện các chức năng liên quan đến truyền đẫn ởgiao diện vô tuyến

- Bộ thích ứng đầu cuối làm việc như một cửa nối thông thiêt bị đầu cuốivới kết cuối di động Cần sử dụng bộ thích ứng đầu cuối khi giao diện ngoài trạm

di động tuân theo tiêu chuẩn ISDN để đấu nối đầu cuối, còn thiết bị đầu cuối lại cóthể giao diện đầu cuối – modem

Máy di động MS gồm hai phần: Module nhận dạng thuê bao SIM( Subscriber Identity Module) và thiết bị di động ME (Mobile Equipment)

Để đăng ký và quản lý thuê bao, mỗi thuê bao phải có một bộ phận gọi làSIM SIM là một module riêng được tiêu chuẩn hoá trong GSM Tất cả các bộphận thu, phát, báo hiệu tạo thành thiết bị ME ME không chứa các tham số liênquan đến khách hàng, mà tất cả các thông tin này được lưu trữ trong SIM SIMthường được chế tạo bằng một vi mạch chuyên dụng gắn trên thẻ gọi là Simcard.Simcard có thể rút ra hoặc cắm vào MS

Sim đảm nhiệm các chức năng sau:

- Lưu giữ khoá nhận thực thuê bao Ki cùng với số nhận dạng trạm di độngquốc tế IMSI nhằm thực hiện các thủ tục nhận thực và mật mã hoá thông tin

- Khai thác và quản lý số nhận dạng cá nhân PIN(Personal Identity

Number) để bảo vệ quyền sử dụng của người sở hữu hợp pháp PIN là một số gồm

từ 4 đến 8 chữ số, được nạp bởi nhà khai thác khi đăng ký lần đầu

1.2.4 Phân hệ khai thác OSS

Phân hệ khai thác OSS thực hiện ba chức năng chính sau:

 Khai thác và bảo dưỡng mạng:

Khai thác là các hoạt động cho phép nhà khai thác mạng theo dõi hành vicủa mạng như: tải của hệ thống, mức độ chặn, số lượng chuyển giao giữa hai ô…,nhờ vậy nhà khai thác có thể giám sát được toàn bộ chất lượng của dịch vụ mà họcung cấp cho khách hàng và kịp thời xử lý các sự cố Khai thác cũng bao gồm việcthay đổi cấu hình để giảm những vấn đề xuất hiện ở thời điểm hiện tại, để chuẩn

bị lưu lượng cho tương lai, để tăng vùng phủ Ở hệ thống viễn thông hiện đại, khaithác được thực hiện bằng máy tính và được tập trung ở một trạm

Bảo dưỡng có nhiệm vụ phát hiện, định vị và sửa chữa các sự cố hỏng hóc

Nó có một số quan hệ với khai thác Bảo dưỡng cũng bao gồm cả các hoạt động tạihiện trường nhằm thay thế thiết bị có sự cố

Hệ thống khai thác và bảo dưỡng có thể được xây dựng trên nguyên lýTMN (Telecommunication Management Network: Mạng quản lý viễn thông) Lúcnày, một mặt hệ thống khai thác và bảo dưỡng được nối đến các phần tử của mạngviễn thông ( các MSC, BSC, HLR và các phần tử mạng khác trừ BTS, vì thâmnhập đến BTS được thực hiện qua BSC) Mặt khác, hệ thống khai thác và bảodưỡng lại được nối đến một máy tính chủ đóng vai trò giao tiếp người máy Theotiêu chuẩn GSM, hệ thống được gọi là OMC (Operation and Maintenance Center:Trung tâm khai thác và bảo dưỡng)

 Quản lý thuê bao:

Bao gồm các hoạt động quản lý đăng ký thuê bao Nhiệm vụ đầu tiên là nhập và xóa thuê bao khỏi mạng Đăng ký thuê bao cũng có thể rất phức tạp, baogồm nhiều dịch vụ và các tính năng bổ sung Nhà khai thác phải có thể thâm nhậpđược tất cả các thông số nói trên Một nhiệm vụ quan trọng khác của khai thác làtính cước các cuộc gọi Cước phí phải được tính và gửi đến thuê bao Quản lý thuêbao ở GSM chỉ liên quan đến HLR và một số thiết bị OSS riêng chẳng hạn mạngnối HLR với các thiết bị giao tiếp người máy ở các trung tâm giao dịch với thuêbao Simcard cũng đóng vai trò như một bộ phận của hệ thống quản lý thuê bao

 Quản lý thiết bị di động:

Quản lý thiết bị di động được bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR thực

hiện EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến trạm di động MS EIR được nốiđến MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra sự được phép của thiết bị Một thiết bịkhông được phép sẽ bị cấm Trong hệ thống GSM, EIR được coi là hệ thống conSS

CHƯƠNG 2 VÔ TUYẾN SỐ – GIAO TIẾP VÔ TUYẾN SỐ

2.1 Vô tuyến số tổng quát

Ở phần này đề cập đến việc sử dụng thiết bị vô tuyến để truyền thông tingiữa trạm di động và mạng PLMN GMS thay vì dùng dây Một số vấn đề quantrọng khi quy hoạch tần số là sự hạn chế bởi đại lượng nhiễu của hệ thống tổ ong

2.1.1 Suy hao đường truyền và pha đinh

Suy hao đường truyền là quá trình mà ở đó tín hiệu thu yếu dần đo khoảngcách giữa trạm di động và trạm gốc tăng mà không có mặt cản giữa anten phát vàthu Suy hao trong không gian tự do:

Ls  d2.f2

Ls (dB) = 33,4 (dB) + 20logF(MHz) + 20logd(km)

d: là khoảng cách giữa anten phát Tx và thu Rx.

f: tần số phát

(Công thức trên chỉ đúng với các hệ thống vô tuyến di động gần BS.)

Môi trường sử dụng của MS thường có chướng ngại vật gây hiệu ứng chetối làm giảm cường độ tín hiệu thu Khi di động cùng với đài di động cường độ tínhiệu giảm và tăng dù giữa Tx và Rx có hay không có chướng ngại Hiệu ứng nàygọi là pha đinh chuẩn log Thời gian giữa 2 chỗ trũng pha đinh khoảng vài giây khimáy di động MS là loại lắp trên xe và chuyển động

MS

Phađinh chuẩn logarit

Trong trường hợp môi trường thông tin có mật độ thuê bao dày và nhiềuchướng ngại ta có pha đinh nhiều tia hay raile, xảy ra khi tín hiệu truyền nhiềuđường từ anten Tx đến Rx

Ở hiện tượng pha đinh raile, tín hiệu thu được là tổng các tín hiệu phản xạkhác pha, khác biên độ Những tín hiệu này khi cộng lại như các véctơ tạo nên mộtvéctơ tổng gần bằng không có nghiã là cường độ tín hiệu bằng 0 Đây là chỗ trũngpha nghiêm trọng Khoảng thời gian giữa hai chỗ trũng phađinh phụ thuộc vào tốc

Cường độ tín hiệu thu (Rx), Fc = 900MHz

2.1.2 Phân tán thời gian

Hiện tượng này có nguồn gốc từ phản xạ từ một vật ở xa anten thu Rx vài

km Nó dần đến giao thoa giữa các ký hiệu ISI tức là giao thoa giữa các ký hiệu lân cận với nhau

Ở GMS tốc độ bit là 270kB/s, mỗi bit tương ứng với 3,7s và tương ứng vớikhoảng cách là 1,1km Khi có phản xạ từ 1km phía sau trạm di động thì tín hiệuphản xạ phải qua gương đường dài trễ tín hiệu đi thẳng 2km Tín hiệu mong muốn

sẽ được trộn với tín hiệu 2bit

Hệ thống GSM được thiết kế có thể hạn chế phân tán thời gian nhờ sử dụngmột bộ cân bằng mà có thể thực hiện cân bằng một số nhất định tín hiệu phản xạnhưng không phải là tất cả Bộ cân bằng của GSM có thể đạt được sự cân bằngcho các tín hiệu phản xạ chậm khoảng 4 bít so vơí tín hiệu đến trực tiếp, tươngứng với 15 s Tuy nhiên nếu tín hiệu phản xạ mà đến trễ hơn thế thì bộ cân bằngkhông thể đáp ứng được Giai đoạn mà bộ cân bằng có thể đáp ứng được gọi là mã

số thời gian Trong cửa sổ thời gian đó sẽ tăng cường độ tín hiệu đến trực tiếp.Tổng các tín hiệu phản xạ có thể nhỏ hơn 15s phải ít nhất nhỏ hơn 9 lần tổng các

tín hiệu trong cửa sổ Tỉ số này gọi là tỉ số sóng mang trên sóng phản xạ (C/R) C/

R được tính bằng tỉ số giữa năng lượng trong cửa sổ và năng lượng ngoài cửa sổcủa bộ cân bằng C/R càng nhỏ thì chất lượng càng kém Vị trí đặt BTS ảnh hưởngrất lớn đến tỉ số này nên đặt không hợp lí sẽ gây nên phân tán thời gian lớn Cácvùng có địa hình như miền núi, thành phố nhiều nhà cao tầng, vùng hồ xây dựngnhiều thềm, bậc thường có tỉ số C/R nhỏ

Thông thường tín hiệu phản xạ phải đi qua quãng đường lớn hơn 4,5 Km sovới tín hiệu trực tiếp thì mới có trễ hơn 1,5s tuy nhiên nếu tín hiệu phản xạ đókhông mạnh tức là tỉ số C/R lớn hơn 1 số cho phép thì không ảnh hưởng đến vùngsóng phục vụ

Ngược lại nếu tín hiệu phản xạ mạnh nhưng trễ vẫn thuộc cửa sổ thì sẽ tăng

độ mạnh của tín hiệu đi thẳng Chỉ khi C/R nhỏ phân tán thời gian lớn thì mới cóyêu cầu thay đổi vi trí BTS, hoặc dùng phương pháp đặt thêm BTS phụ trợ Khisét vấn đề này cân phải căn cứ vào các vị trí cân đối giữa MS và BTS bởi vì mỗi vịtrí dù là cách nhau không lớn thì có thể C/R cách nhau rất lớn

+ Kiểu Angten, tính định hướng, chiều cao Angten

+ Các sóng gây nhiễu địa phương có cùng tần số

Tỉ số này gây ảnh hưởng rất mạnh đến chất lượng tín hiệu, dẫn đến sai tínhiệu, giải mã sai gây nên sót cuộc gọi hoặc thất bại trên đường nối vô tuyến Tiêuchuẩn GSM cho phép C/I nhỏ nhất là 10 Ngoài ra trong thông tin vô tuyến tínhiệu còn bị ảnh hưởng các kênh lân cận là các kênh gần tần số với tín hiệu thu, dảitần của chúng trùng lên nhau ở mức lớn Trong trường hợp này cũng gây nhiếu gọi

là nhiễu giao thoa kênh lân cận (C/A) trong thực tế các tần số của các BTS cùng vị

trí thường gây ảnh hưởng cho nhau

Tín hiệu thu được khi đo đạc thường gồm rất nhiều loại tín hiệu và nhiễu như đã kể trên Khi đo đạc ta có thể xác định tỉ số C/(I+R+A), đánh giá mức độ hoặc lỗi có thể xác định được tỉ số này phải nhờ đến các máy đo chuyên dụng

2.1.3 Các phương pháp phòng ngừa suy hao truyền dẫn do phađinh

Để cải thiện máy thu và chất lượng của tín hiệu thu, có 4 phương án để thựchiện như sau:

Phân tập anten (phân tập không gian):

Do 2 anten thu ít có nguy cơ bị chỗ trũng phađinh sâu cùng một lúc, nên ta

sử dụng 2 anten Rx độc lập thu cùng tín hiệu rồi kết hợp các tín hiệu này lại ta sẽ

có một tín hiệu ra khỏi bộ kết hợp ít bị phađinh hơn Khoảng cách giữa hai antenphải đủ lớn để tương quan giữa các tín hiệu ở hai anten nhỏ

Tín hiệu 1 Tín hiệu 2 CĐTH

SS Anten

Nhảy tần:

Với pha đinh raile, mẫu phađinh phụ thuộc vào tần số nghĩa là chỗ trũngphađinh xảy ra ở các vị trí khác nhau đối với các tần số khác nhau Như vậy ta cóthể thay đổi tần số sóng mang trong một số tần số khi cuộc gọi đang tiến hành, khigặp chỗ trũng phađinh chỉ một phần thông tin bị mất

Mã hoá kênh:

Ở truyền dẫn số người ta đo chất lượng của tín hiệu được chủ yếu bằng sốlượng các bit thu được chính xác, dẫn đến biểu diễn tỷ số bit lỗi BER BER khôngthể bằng không do đường truyền dẫn luôn luôn thay đổi Nghĩa là ta phải cho phépmột lưọng lỗi nhất định và có khả năng khôi phục thông tin này hoặc có thể pháthiện tránh sử dụng thông tin lỗi BER quan trọng với phát số liệu hơn Voice.

Ở phương pháp mã hoá kênh ta phải phát đi một lượng thông tin có số bitlớn hơn nhưng sẽ đạt độ an toàn chống lỗi cao hơn Mã hoá kênh có thể phát hiện

và sửa lỗi ở từng bit thu

Ví dụ: Khi muốn gửi một bit “0” hay “1” để được bảo vệ ta bổ xung thêm ba bit như sau:Thông tin

0

1

Bổ xung000111

Gửi đi00001111

Khối mã 0000 sẽ đúng với 0 và 1111 sẽ đúng với 1 Tỷ lệ là 1:4, bảo vệ sẽxảy ra như sau:

Mã hoá khối thường được sử dụng khi có báo hiệu định hướng theo khối và

sử dụng để phát hiện lỗi khi thực hiện “Yêu cầu tự động phát” ARQ Mã hoá xoắnliên quan nhiều hơn đến sửa sai lỗi Cả hai mã này được sử dụng ở GSM Haibước mã hoá được dùng cho cả tiếng và số liệu

Ghép xen:

Các lỗi bit thường xảy ra theo từng cụm do các chỗ trũng phađinh lâu làmảnh hưởng nhiều bit liên tiếp Để giải quyết hiện tượng lỗi bit quá dài ta dùng

phương pháp ghép kênh xen để tách các bit liên tiếp của một bản tin sao cho cácbit này gửi đi không liên tiếp.

Khi truyền dẫn khung 2 có thể mất nếu không ghép xen toàn bộ khối bảntin sẽ mất nhưng ghép xen sẽ đảm bảo chỉ thị thứ hai ở từng khối là bị mắc lỗi:

1 x 3 4 1 x 3 4 1 x 3 4 1 x 3 4

Mã hoá kênh có thể khôi phục lại thông tin của tất cả các khối Ở GMS bộ

mã hoá kênh cung cấp 456 bit cho từng 20ms tiếng và đựoc ghép xen để tạo ra cáckhối 57bit

2.1.4 Phương pháp chống phân tán thời gian

Mô hình truyền dẫn:

Máy thu tối ưu là máy thu hiểu rõ kênh Ta lập mô hình toán học của kênh

và điều chỉnh máy thu đến mô hình Kênh được xét như một bộ lọc và được kíchthích bởi một tín hiệu biết trước So sánh đầu ra với đầu vào ta có đáp ứng xungcủa bộ lọc Đáp ứng xung của bộ lọc cho ta biết được tín hiệu ra đối với tín hiệuvào, như vậy ta có thể tìm được đáp ứng xung của kênh và lập mô hình kênh khiphân tích một tín hiệu thu được Đáp ứng xung khi không có phản xạ (a) và có mộtphản xạ (b)

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4

Các khối bán tin ghép xen

Các khối bán tin được ghép xenMột khung

tối ưuKênh

(t)

Xét nguyên lý làm việc của một bộ cân bằng: Sau khi lập mô hình kênh ta

sẽ phải tạo ra tất cả các chuỗi bit có thể có rồi đưa chúng qua mô hình kênh chuỗiđầu vào mà từ đó nhận được chuỗi đầu ra giống nó nhất gọi là chuỗi nguyên thuỷhay chuỗi phát Theo quy định của GMS, một bộ cân bằng cần có khả năng xử lýmột tín hiệu phản xạ trễ đến 14,8s tương ứngvới thời gian của 4bit Lúc này ngay

cả tín hiệu phản xạ cũng bị ảnh hưởng bởi phađinh raile, nhưng do tín hiệu này cómẫu phađinh độc lập so với tín hiệu đi thẳng nên nó được lợi dụng để đạt hiệu quảcao hơn Vậy với các tín hiệu phản xạ trễ dưới 15s nó cho ta thêm năng lượng đểcải tạo tín hiệu thu

Trên thực tế độ dài chuỗi N thường lớn lên phải được thực hiện nhiều sosánh và mất nhiều thời gian tính toán gây một sự chậm trễ không cho phép Đểkhắc phục khó khăn này người ta phải sử dụng đến thuật toán Viterbi mà ở đókhông cần phải thử tất cả các chuỗi Nguyên lý là khi tính toán ta loại bỏ các tổhợp không có khả năng là tín hiệu vào nhờ đó giảm được số lượng tính toán cầnthiết

2.1.5 Truyền dẫn số và tín hiệu tương tự

Trong trường hợp truyền tiếng nói là dạng sóng liên tục khác với truyền sốliệu ta phải thực hiện lấy mẫu tín hiệu tương tự, lượng tử và mã hoá tín hiệu ởdạng số “1” và “0” Các mẫu tương tự được trình bày bằng một tập hợp hữu hạncác mức được xác định bởi số các bit ta cần sử dụng để trình bày một mẫu

Ở hệ thống viễn thông số chọn số mức rời rạc hoá =256 mức (8bit) với mỗi

mẫu ta trình bày giá trị tương tự bằng một giá trị đã được lượng tử hoá ở 8bit Với

tốc độ lấy mẫu 8kHz ta có tốc độ bit: 8000mẫu/s x 8bit = 64kb/s Quá trình này

được gọi là điều chế xung mã PCM gồm 3 bước:

Ta đặt nhiều kênh trên cùng một đường truyền PCM (ghép kênh) để tránh

lãng phí Nếu ghép 32 kênh trên một đường truyền PCM thì tốc độ bit của nó là32x64kb/s=2,048Mb/s Thiết bị ghép kênh điều khiển việc gán các khe thời gian0,1 gửi đi ở khe 1, Trong 32 kênh truyền thì kênh 0 dùng cho đồng bộ, kênh 16

Lượng tử Lấy mẫu Mã hoá

Đường truyền PCM 64 kb/s

dùng cho báo hiệu còn 30 kênh còn lại dùng cho tiếng thoại Phần trình bày trên là

ví dụ về đa thâm nhập phân chia theo thời gian TDMA

Một phương pháp khác với TDMA là FDMA (đa thâm nhập phân chia tần

số) được dùng ở quảng bá vô tuyến, mỗi kênh được dành cho một băng tần riêng.

Kỹ thuật này được sử dụng ở hệ thống di động tổ ong tương tự, mỗi cuộc gọi ởmột ô sử dụng một băng tần (hai băng khi truyền song công) Sau đây là so sánhgiữa TDMA và FDMA:

Đồng bộ thời gian:

Khi sử dụng TDMA ở vô tuyến, mỗi trạm di động sử dụng khe thời gian Tscủa mình nhưng khi khoảng cách giữa MS và BS tăng lên gây trễ thời gian truyềntín hiệu và trễ này lớn quá thì thông tin phát đi từ MS ở khe Ts n sẽ trùng với tínhiệu thu được của BS tại khe Ts n+1 của MS khác Để kiểm tra thời gian đến vàcác lệnh được gửi đến MS ta có quá trình định trước thời gian mỗi khi MS dichuyển ra xa

Mã hoá tiếng:

Ở một số hệ thống di động tổ ong FDMA khoảng cách giữa các kênh là

25kHz (NMT, TACS) và ở GMS khoảng cách này bằng 200kHz So sánh TDMA

200kHz và FDMA 25kHz ta có hiệu quả sử dụng tần số như nhau Khi sử dụng

phương pháp điều chế pha tối thiểu Gauss (GMSK) độ rộng băng thông bị chiếm

sẽ rất lớn Để đảm bảo băng tần cho phép ta giảm tối thiểu tốc độ bit cho từng

kênh tiếng bằng cách mã hoá tiếng (Vocodes) và mã hoá theo dạng sóng.

Mã hoá theo kiểu phát âm Vocodes giúp ta nhận biết được tiếng nói nhưngrất “tổng hợp” và ta khó nhận ra ai phát âm

Sử dụng mã hoá sóng (mã hoá PCM đồng đều) thông tin trực tiếp chính

thực dạng sóng được phát đi với tốc độ đòi hỏi cao và cho ta một chất lượng cũngrất cao Tốc độ bit ở bộ mã hoá dạng sóng thay đổi gần từ 16kb/s đến 64kb/s đốivới bộ mã hoá PCM đồng đều