Mạng thông tin di động GSM

Mạng thông tin di động GSM

Đề tài: Mạng thông tin di động GSM

Giáo viên hướng dẫn: TS Phạm Công Hùng Sinh viên thực hiện :

Lớp :

1.2.1.4 Trung tâm nhận thực AUC 8

1.2.1.5 Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR 8

1.2.4 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

3.2 Các trường hợp và thủ tục thông tin 28

3.2.7 Gọi đến thuê bao MS 30

3.2.8 Cuộc gọi đang tiến hành, định vị 31

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay trong cuộc sống hàng ngày thông tin liên lạc đóng một vai trò rất quan 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 kỹ thuật 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 , nó tạo 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 với nhiều công nghệ khác nhau Thông Tin Di Động đang không ngừng phát triển đáp ứng nhu cầu thông tin ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, tạo nhiều thuận lợi trong miền thời gian cũng như không gian Chắc chắn trong tương lai Thông Tin Di Động sẽ được hoàn thiện nhiều hơn nữa để thoả mãn nhu cầu thông tin tự nhiên của con người.

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

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

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

CHƯƠNG 1 CẤU HÌNH MẠNG GSM

1.1 Giới thiệu chung về mạng thông tin di động GSM

1.1.1 Vài nét lịch sử về mạng GSM

Hệ thống thông tin di động từ lâu đã là một ước mơ lớn của con người, và ước mơ này đã trở thành hiện thực ngay khi kỹ thuật cho phép Sự thực hiện đầu tiên bằng sóng vô tuyến được thực hiện từ cuối thế kỷ 19 Tuy nhiên việc đưa hệ thống thông tin di động vào phục vụ chỉ được thực hiện sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, khi mà công nghệ điện tử cho phép Đó là một dịch vụ thông tin đặc biệt, nó cho phép nối thông các cuộc gọi không cần dây dẫn Ngay đó ngay cả khi di chuyển, các thuê bao di động vẫn trao đổi thông tin được với nhau Do sự phát triển ngày càng cao của công nghệ điện tử và thông tin, mạng thông tin ngày càng phổ biến, giá cả ngày một hạ và độ tin cậy ngày càng tăng lên Quá trình phát triển của 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 thống phức tạp hơn Bởi vì vùng phủ sóng của anten phát của các máy di động bị hạn chế nên 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 cho phép chuyển giao giữa các ô trong cuộc gọi Các mạng điển hình là:

+ AMPS (Advanced Mobile Phone Service): được đưa vào hoạt động tại Mỹ năm 1979.

+NMT ( Nordic Mobile Telephone): là hệ thống của các nước Bắc Âu và được đưa vào sử dụng vào tháng 12/1981.

+TACS ( Total Access Communication System): được đưa vào phục vụ tại Vương quốc Anh năm 1985.

Tất cả các mạng trên dựa trên mạng truyền điện thoại tương tự băng điều chế tần số Chúng sử dụng tần số 450 hoặc 900 Mhz Vùng phủ sóng của nó chỉ ở mức quốc gia và phục vụ được vài trăm thuê bao Hệ thống lớn nhất ở Anh là TACS đạt hơn một triệu thuê bao vào năm 1990.

- 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 cầu cho dịch vụ di động quá lớn vượt qua con số mong đợi của các nhà thiết kế hệ thống nên hệ thống này không đáp ứng được Hai là các hệ thống khác nhau đang hoạt động không thể phục vụ cho tất cả các thuê bao ở châu Âu, nghĩa là thiết bị của mạng này không thể truy nhập vào mạng khác Ba là nếu thiết kế một mạng lớn phục vụ cho cả châu Âu thì không một nước nào có thể đáp ứng được vì vốn đầu 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 Telecommunication Standard Institute) đã thành lập nhóm đặc trách di động – GSM (Groupe Special Mobile) GSM còn có nghĩa là hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobile Communication) GSM là tiêu chuẩn điện thoại di động số toàn châu Âu sử dụng dải tần số 900Mhz.

Năm 1990, Vương quốc Anh đưa ra hệ thống DCS (Digital Cellular System) DCS dựa trên hệ thống GSM với việc sử dụng tần số 1800Mhz.

Hiện nay, để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về các dịch vụ viễn thông mới, các hệ thống thông tin di động đang tiến tới thế hệ thứ ba Ở thế hệ thứ ba này, các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ lên đến 2Mbit/s.

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 Trong năm 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 thuê bao trong châu Âu, có nghĩa là một thuê bao có thể thâm nhập sang mạng của nước khác khi di chuyển qua biên giới Trạm di động GSM – MS (GSM Mobile Station) phải có khả năng trao đổi thông tin tại bất cứ nơi nào trong vùng phủ sóng

- Cùng với phục vụ thoại, hệ thống phải cho phép sự linh hoạt lớn nhất cho các loại dịch vụ khác liên quan tới mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN).

- Tạo một hệ thống có thể phục vụ cho các MS trên các tầu viễn dương như một mạng mở rộng cho các dịch vụ di động mặt đất.

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

- Chất lượng của thoại trong GSM phải ít nhất có chất lượng như các hệ thống 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 không dùng 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 phải được 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) - Trạm di động (MS: Mobile Station)

1.2.1 Hệ thống con chuyển mạch SS

Hệ thống con chuyển mạch bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của GSM cũng như 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 người sử dụng 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 Services Switching 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: Gateway Mobile 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 chính của MSC là điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những người sử dụng mạng GSM Một mặt MSC giao tiếp với phân hệ BSS, mặt khác nó giao tiếp với mạng ngoài MSC làm nhiệm vụ giao tiếp với mạng ngoài được gọi là MSC cổng Việc giao tiếp với mạng ngoài để đảm bảo thông tin cho người sử dụng mạng GSM đòi hỏi cổng thích ứng (các chức năng tương tác IWF: Interworking Function) SS cũng cần giao tiếp với mạng ngoài để sử dụng các khả năng truyền tải của các mạng này cho việc truyền tải số liệu của người sử dụng hoặc báo hiệu giữa các phần tử của mạng GSM MSC thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số các bộ điều khiển trạm gốc

Để kết nối MSC với một số mạng khác, cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của GSM với các mạng này Các thích ứng này được gọi là các chức năng tương tác IWF (Interworking Function) bao gồm một thiết bị để thích ứng giao thức và truyền dẫn Nó cho phép kết nối với các mạng: PSPDN (Packet Switched Public Data Network: mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói), hay CSPDN (Circuit Switched Public Data Network: mạng số liệu công cộng chuyển mạch 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 phải được định tuyến đến một tổng đài cổng GMSC mà không cần biết đến hiện thời thuê bao đang ở đâu Các tổng đài cổng có nhiệm vụ lấy thông tin về vị trí của thuê bao và định tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lý thuê bao ở thời điểm hiện thời (MSC tạm trú) Để vậy trước hêt các tổng đài cổng phải dựa trên số thoại danh 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 với MSC.

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 địa chỉ nhận dạng cũng như các thông số nhận thực của thuê bao trong mạng Các thông tin lưu trữ trong HLR gồm: nhận dạng thuê bao IMSI, MSISDN, VLR hiện thời, trạng thái thuê bao, khoá nhận thực và chức năng nhận thực, số lưu động trạm 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 hay nhiều MSC và có nhiệm vụ lưu giữ tạm thời số liệu thuê bao của các thuê bao hiện đang 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 VLR thường 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 nhân thuê bao dựa trên một khoá nhận dạng bí mật Ki để đảm bảo toàn số liệu cho các thuê 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 thể được 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 của thuê bao cùng với IMSI của nó Đồng thời khoá nhận thực Ki cũng được lưu giữ ở trung tâm nhận thực AUC để tạo ra bộ ba thông số cần thiết cho quá trình nhận thực và mật mã hoá:

- Số ngẫu nhiên RAND

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

- Khoá mật mã Kc được tạo ra từ Ki và số ngẫu nhiên RAND bằng thuật toán 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 bị EIR EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến phần thiết bị di động ME của trạm 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 động quốc tế IMEI (International Mobile Equipment Identity) của thuê bao gửi tới khi thiết lập thông tin với số IMEI lưu giữ trong EIR phòng trường hợp đây là những thiết bị đầu cuối bị đánh cắp, nếu so sánh không đúng thì thiết bị không thể truy nhập vào mạng được.

1.2.2 Phân hệ trạm gốc BSS

BSS thực hiện nhiệm vụ giám sát các đường ghép nối vô tuyến, liên kết kênh vô tuyến với máy phát và quản lý cấu hình của các kênh này Đó là:

- Điều khiển sự thay đổi tần số vô tuyến của đường ghép nối (Frequency Hopping) và sự thay đổi công suất phát vô tuyến.

- Thực hiện mã hoá kênh và tín hiệu thoại số, phối hợp tốc độ truyền thông tin.

- 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: Base Station Controller) và các trạm thu phát gốc (BTS: Base Transceiver Station) Nếu khoảng cách giữa BSC và BTS nhỏ hơn 10m thì các kênh thông tin có thể được kết 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 2 loại trên.

1.2.2.1 Trạm thu phát gốc BTS

Một BTS bao gồm các thiết bị phát thu, anten và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến Có thể coi BTS là các Modem vô tuyến phức tạp có thêm một số các chức năng khác Một bộ phận quan trọng của BTS là TRAU (Transcoder and Rate Adapter Unit: khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ) TRAU là thiết bị 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 là một bộ phận của BTS, nhưng cũng có thể đặt cách xa BTS và thậm chí trong nhiều trường 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 vô tuyến và quản lý chuyển giao (Handover) Một phía BSC được nối với BTS còn phía kia nối với MSC của SS Trong thực tế, BSC là một tổng đài nhỏ có khả năng tính toán đáng kể Một BSC có thể quản lý vài chục BTS tuỳ theo lưu lượng các BTS này Giao diện giữa BSC và MSC là giao diện A, còn giao diện giữa nó với BTS là giao diện A-bis.

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

BSC có thể thu thập số liệu đo từ BTS và BIE (Base Station Interface Equipment: Thiết bị giao diện trạm gốc), lưu trữ chúng trong bộ nhớ và cung cấp chúng 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 độ 13Kbps sử dụng mã hoá tiền định tuyến LPC Để thích ứng tốc độ này các tốc độ mạng hội thoại cố định PSTN cần có bộ chuyển đổi mã TRAU để chuyển đổi giữa 13Kbps PCM giữa MS và MSC TRAU có thể được đặt tại BTS, BSC hoặc tại MSC Để giảm thiểu chi phí truyền dẫn, thường TRAU đặt ở MSC Khi đó cần thêm 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.

1.2.3 Trạm di động MS

Trạm di động là thiết bị duy nhất mà người sử dụng có thể thường xuyên nhìn thấy của hệ thống MS có thể là: máy cầm tay, máy xách tay hay máy đặt trên ô tô Ngoài việc chứa các chức năng vô tuyến chung và xử lý cho giao diện vô tuyến MS còn phải cung cấp các giao diện với người sử dụng (như micrô, loa, màn hiển thị, bàn phím để quản lý cuộc gọi) hoặc giao diện với môt số các thiết bị khác (như giao diện với máy tính cá nhân, Fax…) Hiện nay, người ta đang cố gắng sản xuất các thiết bị đầu cuối gọn nhẹ để đấu nối với trạm di động Ba chức năng chính của MS:

- Thiết bị đầu cuối thực hiện các chức năng không liên quan đến mạng GSM.

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

- Bộ thích ứng đầu cuối làm việc như một cửa nối thông thiêt bị đầu cuối với 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 có thể 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 là SIM SIM là một module riêng được tiêu chuẩn hoá trong GSM Tất cả các bộ phận thu, phát, báo hiệu tạo thành thiết bị ME ME không chứa các tham số liên quan đến khách hàng, mà tất cả các thông tin này được lưu trữ trong SIM SIM thường 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 động quốc 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 vi của 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 họ cung cấp cho khách hàng và kịp thời xử lý các sự cố Khai thác cũng bao gồm việc thay 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, khai thác 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 tại hiện trường nhằm thay thế thiết bị có sự cố.

Hệ thống khai thác và bảo dưỡng có thể được xây dựng trên nguyên lý TMN (Telecommunication Management Network: Mạng quản lý viễn thông) Lúc này, một mặt hệ thống khai thác và bảo dưỡng được nối đến các phần tử của mạng viễn thông ( các MSC, BSC, HLR và các phần tử mạng khác trừ BTS, vì thâm nhập đến BTS được thực hiện qua BSC) Mặt khác, hệ thống khai thác và bảo dưỡng lại được nối đến một máy tính chủ đóng vai trò giao tiếp người máy Theo tiêu 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, bao gồm nhiều dịch vụ và các tính năng bổ sung Nhà khai thác phải có thể thâm nhập được tất cả các thông số nói trên Một nhiệm vụ quan trọng khác của khai thác là tính cước các cuộc gọi Cước phí phải được tính và gửi đến thuê bao Quản lý thuê bao ở GSM chỉ liên quan đến HLR và một số thiết bị OSS riêng chẳng hạn mạng nối HLR với các thiết bị giao tiếp người máy ở các trung tâm giao dịch với thuê bao 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 nối đến MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra sự được phép của thiết bị Một thiết bị không được phép sẽ bị cấm Trong hệ thống GSM, EIR được coi là hệ thống con SS.

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 tin giữa trạm di động và mạng PLMN GMS thay vì dùng dây Một số vấn đề quan trọng 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 khoảng cách giữa trạm di động và trạm gốc tăng mà không có mặt cản giữa anten phát và thu 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 che tối làm giảm cường độ tín hiệu thu Khi di động cùng với đài di động cường độ tín hiệu giảm và tăng dù giữa Tx và Rx có hay không có chướng ngại Hiệu ứng này gọi là pha đinh chuẩn log Thời gian giữa 2 chỗ trũng pha đinh khoảng vài giây khi máy 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 nhiều chướng ngại ta có pha đinh nhiều tia hay raile, xảy ra khi tín hiệu truyền nhiều đường từ anten Tx đến Rx.

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

Phađinh Raile

Ở một khoảng cách nhất định (x mét) so với anten phát Tx, tín hiệu thu được minh hoạ như sau:

Độ nhạy máy thu là mức tín hiệu vào yếu nhất cần thiết cho một tín hiệu ra qui định Khi quy hoạch hệ thống, để chống lại pha đinh thì giá trị trung bình

chung được lấy lớn hơn độ nhạy máy thu lượng Y(dB) băng chỗ trũng pha phađinhmạnh nhất, Y(dB) được gọi là dự trữ phađinh. Giá trị trung bình chung

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 với khoảng cách là 1,1km Khi có phản xạ từ 1km phía sau trạm di động thì tín hiệu phản 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 dụng một bộ cân bằng mà có thể thực hiện cân bằng một số nhất định tín hiệu phản xạ nhưng không phải là tất cả Bộ cân bằng của GSM có thể đạt được sự cân bằng cho các tín hiệu phản xạ chậm khoảng 4 bít so vơí tín hiệu đến trực tiếp, tương ứng với 15 s Tuy nhiên nếu tín hiệu phản xạ mà đến trễ hơn thế thì bộ cân bằng không 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 sổ của bộ cân bằng C/R càng nhỏ thì chất lượng càng kém Vị trí đặt BTS ảnh hưởng rất lớn đến tỉ số này nên đặt không hợp lí sẽ gây nên phân tán thời gian lớn Các vùng có địa hình như miền núi, thành phố nhiều nhà cao tầng, vùng hồ xây dựng nhiều 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 so với tín hiệu trực tiếp thì mới có trễ hơn 1,5s tuy nhiên nếu tín hiệu phản xạ đó không mạnh tức là tỉ số C/R lớn hơn 1 số cho phép thì không ảnh hưởng đến vùng sóng 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 có yêu cầu thay đổi vi trí BTS, hoặc dùng phương pháp đặt thêm BTS phụ trợ Khi sét vấn đề này cân phải căn cứ vào các vị trí cân đối giữa MS và BTS bởi vì mỗi vị trí dù là cách nhau không lớn thì có thể C/R cách nhau rất lớn.

* Nhiễu đồng kênh:

Nhiễu giao thoa đồng kênh là nhiễu do tín hiệu thu không mong muốn có cùng tần số và tín hiệu thu mong muốn Tỉ số giữa mức sóng mang không mong

muốn là tỉ số nhiễu giao thoa đồng kênh (C/I) Tỉ số này phụ thuộc vào những yếu

+ 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 tín hiệu, giải mã sai gây nên sót cuộc gọi hoặc thất bại trên đường nối vô tuyến Tiêu chuẩn GSM cho phép C/I nhỏ nhất là 10 Ngoài ra trong thông tin vô tuyến tín hiệu còn bị ảnh hưởng các kênh lân cận là các kênh gần tần số với tín hiệu thu, dải tần 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 thực hiện 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 anten phải đủ lớn để tương quan giữa các tín hiệu ở hai anten nhỏ.

Nhảy tần:

Với pha đinh raile, mẫu phađinh phụ thuộc vào tần số nghĩa là chỗ trũng phađinh xảy ra ở các vị trí khác nhau đối với các tần số khác nhau Như vậy ta có thể thay đổi tần số sóng mang trong một số tần số khi cuộc gọi đang tiến hành, khi gặp 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 số lượng các bit thu được chính xác, dẫn đến biểu diễn tỷ số bit lỗi BER BER không thể bằng không do đường truyền dẫn luôn luôn thay đổi Nghĩa là ta phải cho phép một lưọng lỗi nhất định và có khả năng khôi phục thông tin này hoặc có thể phát hiện 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 bit lớn 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:

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

Riêng cụm 0110 không xác định được cụ thể, trạm 0111 và 1110 được phát hiện là lỗi.

Mỗi kênh kiểm tra lỗi được chia thành mã khối và mã xoắn Ở mã khối, một số bit kiểm tra được bổ xung vào một số bit thông tin nhất định Các bit kiểm tra chỉ phụ thuộc vào các bit thông tin ở khối bản tin Ở mã hoá xoắn, bộ mã hoá tạo ra khối các bit mã không chỉ phụ thuộc vào các bit của khối bản tin hiện thời được dịch vào bộ mã hoá mà còn phụ thuộc vào các bit của khối trước.

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 xoắn liên quan nhiều hơn đến sửa sai lỗi Cả hai mã này được sử dụng ở GSM Hai bước 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 làm ảnh 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 các bit này gửi đi không liên tiếp.

Khi truyền dẫn khung 2 có thể mất nếu không ghép xen toàn bộ khối bản tin 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 các khối 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 kích thích bởi một tín hiệu biết trước So sánh đầu ra với đầu vào ta có đáp ứng xung của bộ lọc Đáp ứng xung của bộ lọc cho ta biết được tín hiệu ra đối với tín hiệu vào, như vậy ta có thể tìm được đáp ứng xung của kênh và lập mô hình kênh khi phân tích một tín hiệu thu được Đáp ứng xung khi không có phản xạ (a) và có một

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 chuỗi đầu vào mà từ đó nhận được chuỗi đầu ra giống nó nhất gọi là chuỗi nguyên thuỷ hay chuỗi phát Theo quy định của GMS, một bộ cân bằng cần có khả năng xử lý một 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 có mẫu phađinh độc lập so với tín hiệu đi thẳng nên nó được lợi dụng để đạt hiệu quả cao hơn Vậy với các tín hiệu phản xạ trễ dưới 15s nó cho ta thêm năng lượng để cải tạo tín hiệu thu.

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

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 số liệu ta phải thực hiện lấy mẫu tín hiệu tương tự, lượng tử và mã hoá tín hiệu ở dạng số “1” và “0” Các mẫu tương tự được trình bày bằng một tập hợp hữu hạn các 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 là 32x64kb/s=2,048Mb/s Thiết bị ghép kênh điều khiển việc gán các khe thời gian 0,1 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 ở một ô sử dụng một băng tần (hai băng khi truyền song công) Sau đây là so sánh giữa TDMA và FDMA:

Đồng bộ thời gian:

Khi sử dụng TDMA ở vô tuyến, mỗi trạm di động sử dụng khe thời gian Ts của mình nhưng khi khoảng cách giữa MS và BS tăng lên gây trễ thời gian truyền tín hiệu và trễ này lớn quá thì thông tin phát đi từ MS ở khe Ts n sẽ trùng với tín hiệu thu được của BS tại khe Ts n+1 của MS khác Để kiểm tra thời gian đến và các lệnh được gửi đến MS ta có quá trình định trước thời gian mỗi khi MS di chuyển 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 nhưng rất “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 cũng rất cao Tốc độ bit ở bộ mã hoá dạng sóng thay đổi gần từ 16kb/s đến 64kb/s đối với bộ mã hoá PCM đồng đều.