Hệ thống gms và vấn đề sử dụng lại tần số

Hệ thống gms và vấn đề sử dụng lại tần số

Mục lục

1 Hệ thống GSM 2

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển 2

1.2 Các dịch vụ của mạng GSM 4

1.3 Chỉ tiêu kỹ thuật hệ thống GSM 4

1.4 Cấu trúc mạng GSM 5

1.4.1 MS (Mobile Station) 7

1.4.2 BSS (Base Station Subsystem) 8

1.4.2.1 BTS 8

1.4.2.2 BSC (Base Station Controller) 9

1.4.2.3 TRAU 10

1.4.3 Phân hệ NSS 11

1.4.3.1 MSC (Mobile Switching Center) 11

1.4.3.2 HLR (Home Location Register) 12

1.4.3.3 VLR (Visitor Location Register) 12

1.4.3.4 EIR (Equipment Identity Register) 13

1.4.3.5 AuC (Authentication Center) 13

1.4.4 Phân hệ vận hành và bảo dưỡng OMS (Operations and Maintenance Subsystem) 13

1.5 Quá trình xử lý tín hiệu thoại GSM 14

1.6 Sơ đồ khối chức năng 14

1.7 Phân cấp cấu trúc khung 17

2 Sử dụng lại tần số trong GSM 18

2.1 Phân chia băng tần trong GSM 18

2.2 Các kênh vật lý 19

2.3 Sử dụng lại tần số trong GSM 20

2.3.1 Nhiễu đồng kênh 20

2.3.2 Nhiễu kênh lân cận 21

2.3.3 Khoảng cách sử dụng lại tần số 21

2.3.4 Mẫu tái sử dụng tần số 3/9 22

2.3.5 Mẫu tái sử dụng tần số 4/12 23

 TACS (Total Access Communication System) ở Anh.

 NMT (Nordic Mobile Telephone) ở các nước Bắc Âu

 Nâng cao hiệu quả việc sử dụng phổ

 Mở rộng vùng hoạt động mang tính quốc tế

 Chất lượng tốt, giá thành giảm

 Tương thích với mạng ISDN và các mạng khác

 Cung cấp thêm nhiều dịch vụ mới

Các mốc thời gian chính:

 1982, CEPT thành lập nhóm phát triển mạng di động chung châu Âu

 1986, thử nghiệm các kĩ thuật mới trong truyền dẫn vô tuyến

 1987, quyết định sử dụng kết hợp TDMA và FDMA

 1988, hệ thống GSM được phê chuẩn

 1889, các đặc điểm chi tiết của GSM được Viện tiêu chuẩn viễn thông châu

Âu ETSI thông qua

 1990, các đặc điểm chi tiết của GSM giai đoạn 1 được công bố

 1991, các dịch vụ đầu tiên của GSM xuất hiện chính thức

 Đa truy nhập TDMA/FDMA (8 thuê bao / 200KHz)

 Băng tần GSM 900 MHz; sau đó mở rộng sang băng tần DCS1800MHz và PCS 1900 MHz

 1992,vùng phủ sóng được mở rộng: các thành phố lớn và sân bay

 1993, mở rộng vùng hoạt động ra các nước ngoài châu Âu như Hồng Kông,

Úc, Nam Mĩ, các nước châu Á trong đó có Việt nam…

 1995, các đặc điểm chi tiết của GSM giai đoạn 2 xuất hiện Vùng phủ sóngđược mở rộng tới các vùng nông thôn

 Ngày nay, GSM trở thành chuẩn toàn cầu

 Các giao diện được chuẩn hóa;

 Máy thu GSM ba băng tần có thể lưu động toàn cầu

 Các dịch vụ bổ xung hạn chế cuộc gọi: Cấm tất cả các cuộc gọi ra, Cấm tất

cả các cuộc gọi ra quốc tế, Cấm tất cả các cuộc gọi vào…

 Các dịch vụ bổ xung tính cước: Thông báo về thông tin cước, thông báo vềtính cước…

1.3 Chỉ tiêu kỹ thuật hệ thống GSM.

 Phân hệ vận hành và bảo dưỡng - OMS

 Operation and Maintenance Subsystem, chứa OMC.

 Mobile station(MS): Trạm di động

 Base Transceiver Station (BTS): Trạm thu phát gốc

 Base Station Controller (BSC): Bộ điều khiển trạm gốc

 Base Station Subsystem(BSS): Hệ thống con trạm gốc

 Mobile Switching Center (MSC): Trung tâm chuyển mạch

 Gateway MSC ( GMSC): cổng kết nối giữa MSC và các tổng đài ngoài

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

VLR AUCHLR

NSS

BSC BTS BTS BTS

PSTN

OMC-S OMC-R

MS

ME SI M

Kết nối mang thông tin báo hiệu /điều khiển

Kết nối mang thông tin người sử dụng và báo hiệu

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

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

 Authentication Center (AuC): Trung tâm nhận thực

 Operations and Maintenance Center(OMC): Trung tâm khai thác và bảodưỡng

1.4.1 MS (Mobile Station).

MS (Mobile Station) có thể là 1 thiết bị đặt trong ôtô, thiết bị xách tay, thiết

bị cầm tay Ngoài việc phải chứa giao diện vô tuyến chung nó còn chứa giaodiện với người sử dụng và giao diện với các thiết bị khác như máy tính…

Đối với hệ thống GSM, một MS gồm 2 thành phần là ME( MobileEquipment) và SIM (Subscriber Identity Module) ME là thiết bị cứng thực hiệnchức năng thu phát tín hiệu, nó tương đối thông minh và được điều khiển bởi 1chương trình bên trong máy ME có khả năng tự điều chỉnh công suất phát nêntiết kiệm pin và hạn chế hiện tượng xa gần Mỗi ME chứa một sốIMEI( International Mobile Equipment Identity) dùng để nhận dạng thiết bị

Số IMEI là duy nhất cho mỗi MS, nó có thể được hiển thị ở hầu hết các máyđiện thoại bằng cách bấm: *#06#

SIM lưu giữ các thông tin nhận thực thuê bao và mật mã hóa/ giải mật mã

hóa Nó lưu giữ các thông tin: các số nhận dạng IMSI, TMSI; khóa nhận thực

số lân cận

IMSI: số nhận dạng thuê bao di động quốc tế, số này là duy nhất cho mỗi

thiết bị phục vụ báo hiệu và điều khiển

Số MSISDN: Mobile Station ISDN number: số danh bạ, được nhận dạng bởi

thuê bao, phục vụ cho quá trình thiết lập cuộc gọi

TMSI( Temporary Mobile Subscriber Identity): số nhận dạng thuê bao tạm

thời, được MS sử dụng để liên lạc trên đường vô tuyến, số này chỉ tồn tại tối đa

3h khi MS đang đàm thoại, nếu quá 3h thì mạng tự động thay đổi số này mà

người sử dụng không biết

1.4.2 BSS (Base Station Subsystem).

Hệ thống con trạm gốc BSS(Base Station Subsystem) bao gồm nhiều BTS,

BSC và TRAU BSS kết nối với NSS qua luồng PCM cơ sở 2Mbps

1.4.2.1 BTS.

Mobile subscriber Identification code (MSIC)

Mobile Network Code (MNC)

(NDC) Country code

(CC)

Một BTS ( Base Transceiver Station) bao gồm các thiết bị phát thu, anten và

xử lí tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến Mỗi BTS thường được đặt ở trungtâm của cell và có thể có từ 1 đến 16 máy thu phát phụ thuộc vào số lượngngười sử dụng trong cell Nó có các chức năng chính như sau:

 Mã hóa, ghép kênh, điều chế và đưa tín hiệu ra anten để phát

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

 Ánh xạ kênh logic vào kênh vật lý

 Chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU (Transcoder Adapter Rate Unit)

 Đồng bộ thời gian và tần số

 Giải mã hóa và cân bằng các tín hiệu nhận được

 Phát hiện sự truy nhập ngẫu nhiên

1.4.2.2 BSC (Base Station Controller).

BSC ( Base Station Controller) có nhiệm vụ kết nối các mobile với MSC.Giao diện giữa BSC và BTS được gọi là giao diện Abis, giao diện giữa BSC vàMSC được gọi là giao diện A

BSC có nhiệm vụ quản lí tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điềukhiển từ xa các BTS và MS Các lệnh này chủ yếu là các lệnh cấp phát và giảiphóng kênh vô tuyến và quản lí chuyển giao (handover)

BSC có nhiệm vụ chuyển tốc độ thoại từ 13Kbps trên kênh vô tuyến thànhkênh 64Kbps sử dụng trong mạng PSTN và ISDN

BSC có nhiệm vụ điều khiển công suất của BTS và MS

1.4.2.3 TRAU.

TRAU (Transcoder Adaptation Rate Unit): Bộ chuyển đổi mã và thíchứng tốc độ

TRAU là 1 phần của BTS, trong nhiều trường hợp có thể được đặt ởbên ngoài giữa BTS và MSC

Nếu nó được đặt bên trong BTS,TRAU có nhiệm vụ chuyển đổi tốc

độ thoại 13Kbps hoặc dữ liệu tốc độ thấp thành tốc độ 64Kbps.Trước tiên,thoại 13Kbps được thêm vào các dữ liệu đồng bộ và có tốc độ 16Kbps Sau

đó 4 luồng 16Kbps sẽ được ghép kênh thành kênh 64Kbps

Nếu nó được đặt ở bên ngoài,thì giao tiếp Abis giữa BTS và BSC chỉhoạt động được ở tốc độ 16Kbps TRAU chỉ có nhiêm vụ ghép 4 kênh16Kbps thành 1 kênh 64Kbps truyền tới MSC

1.4.3 Phân hệ NSS.

1.4.3.1 MSC (Mobile Switching Center).

TRAU : T ranscoding and R ate

A daption U nit hoặc XCDR : TransC o D e R

chuyển đổi mã

1 2 3 4

1 TS  1 kênh

thoại: 64 kbps

1 TS (64kpbs)

 4 kênh (16kpbs)

MSC (Mobile Switching Center) là trung tâm chuyển mạch có nhiệm

vụ chính là điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những người sử dụng mạngGSM, điều khiển chuyển giao(Handover control), quản lý di động( mobilitymanagement), xử lý tính cước MSC ngoài việc giao tiếp với các BSS còngiao tiếp với các mạng ngoài MSC giao tiếp với các mạng ngoài được gọi làcác Gateway MSC(GMSC)

Để kết nối MSC với các mạng khác cần phải thích ứng các đặc điểmtruyền dẫn của GSM với các mạng này Các thích ứng này được gọi là cácchức năng tương tác IWF( Interworking Function) bao gồm 1 thiết bị đểthích ứng giao thức và truyền dẫn

1.4.3.2 HLR (Home Location Register).

HLR (Home Location Register) là 1 hệ thống cơ sở dữ liệu của các thuêbao của mạng di động công cộng mặt đất PLMN, nó chứa các thông tin vềthuê bao, các số nhận dạng: IMSI, MSISDN, danh sách dịch vụ MSđược/hạn chế sử dụng và số hiệu VLR đang phục vụ MS Có thể có 1 HLRđược đặt ở trung tâm xác định vị trí hoặc nhiều HLR đặt rải rác trong mạng

1.4.3.3 VLR (Visitor Location Register).

VLR (Visitor Location Register) là cơ sở dữ liệu trung gian lưu giữtạm thời thông tin về thuê bao trong vùng phục vụ MSC/VLR được thamchiếu từ cơ sở dữ liệu HLR như các số nhận dạng: IMSI, MSISDN, TMSI,

số hiệu nhận dạng vùng định vị đang phục vụ MS, danh sách dịch vụ MSđược/hạn chế sử dụng và trạng thái của MS VLR lưu giữ số liệu về vị trícủa thuê bao 1 cách chính xác hơn HLR

Khi có 1 MS có nhu cầu được phục vụ, VLR sẽ yêu cầu thông tin của

MS đó từ HLR và lưu giữ trong bộ nhớ cho đến khi nó ra ngoài vùng phục

vu Đồng thời MSC của vùng phuc vụ này báo tin cho HLR về vị trí của MS

để định tuyến cuộc gọi 1 cách chính xác

1.4.3.4 EIR (Equipment Identity Register).

Quản lí thiết bị di động được thực hiện bởi bộ đăng kí nhận dạng thiết

bị EIR (Equipment Identity Register) EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liênquan đến trạm di động MS, là cơ sở dữ liệu thông tin về tính hợp lệ của thiết

bị ME qua số IMEI EIR được nối đến MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra

sự được phép hoạt động của thiết bị, một thiết bị sẽ có số IMEI thuộc 1 trong

3 danh sách: while list (valid ME), black list (stolen ME) hoặc gray list(danh sách các thiết bị đang được giám sát, theo dõi)

1.4.3.5 AuC (Authentication Center).

Quản lí thuê bao bao gồm các hoạt động quản lí đăng kí thuê baothông qua trung tâm nhận thực AuC (Authentication Center) AuC quản lícác thông tin nhận thực và mật mã liên quan đến từng cá nhân thuê bao dựatrên 1 khóa bí mật AuC (AC) là cơ sở dữ liệu lưu giữ mã khóa cá nhân Kicủa 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

1.4.4 Phân hệ vận hành và bảo dưỡng OMS (Operations and Maintenance

Subsystem).

Phân hệ vận hành và bảo dưỡng OMS (Operations and MaintenanceSubsystem): một OMS gồm 1 hoặc nhiều OMC, có 2 loại OMC: OMC-S(Switching) quản lý phân hệ NSS và OMC-R (Radio) quản lý phân hệ BSS

Một OMC hỗ trợ các chức năng sau: quản lý cấu hình mạng, quản lý quátrình làm việc của mạng: quản lý cảnh báo, quản lý lỗi, quản lý chất lượng,quản lý bảo mật OMC được kết nối với NSS ( SSS) và BSC thông qua mộtmạng dữ liệu gói X.25 OMC bao gồm các máy tính mà từ đây nhà khai thác

có thể nhập các lệnh để điều hành, bảo dưỡng hệ thống Các máy tính nàyđược kết nối với nhau qua một mạng LAN

Ngoài ra trong mạng GSM còn có hệ thống billing (thực hiện chức năngtính cước cho các cuộc gọi, bao gồm hệ thống trả trước và hệ thống trả sau)

và SMSC (Short Message Service Center: thực hiện chức năng cung cấpdịch vụ SMS cho các MS, lưu trữ tạm thời các bản tin SMS, có 2 loại bản tin

là 80 ký tự và 160 ký tự)

1.5 Quá trình xử lý tín hiệu thoại GSM.

1.6 Sơ đồ khối chức năng.

Tiếng nói sau khi qua bộ mã hóa PCM 13bit được đưa vào bộ mã hóa dự báoRPE-LTP (Regular Pulse Excitation with Long-Term Predictor)

Các hệ số của bộ mã hóa thay đổi theo chu kì nhờ vào việc phân tích khungthoại đã phát đi trước đó Các hệ số này cùng với tín hiệu thay đổi giữa tín hiệuvào và ra khỏi bộ lọc LTP được truyền đi và chúng được dùng để tái tạo lại tínhiệu thoại ở máy thu

Bộ mã hóa RPE-LTP bao gồm 2 bộ lọc dự báo tuyến tính: ngắn hạnSTP( short-term predictor ) và dài hạn LTP( long-term predictor ) Cứ mỗi20ms, bộ mã hóa đọc 160 mẫu 13bit, loại bỏ thành phần 1 chiều, sau đó phântích chúng để nhận được các hệ số của bộ lọc STP Tín hiệu còn lại sau bộ lọcSTP được đưa vào bộ lọc LTP Tín hiệu ra của bộ lọc LTP được so sánh với tínhiệu ra của bộ lọc STP Tín hiệu sau khi so sánh được lọc thông thấp và đượcđưa tới bộ Decimator Đầu ra của bộ Decimator gồm 2 tín hiệu, một tín hiệuđược lượng tử hóa và truyền tới bộ mã hóa kênh còn 1 tín hiệu dùng để thay đổicác hệ số của bộ lọc LTP

Trong 20ms, số bit truyền đi là 45x5+9x5+36=260 bit

Ta có tốc độ bit là 13Kbps

Mã hóa kênh cho tín hiệu thoại với tốc độ đầy đủ:

Điều chế GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying)

1.7 Phân cấp cấu trúc khung.

2 Sử dụng lại tần số trong GSM.

2.1 Phân chia băng tần trong GSM.

RFCUL(i) = fUL min + 0.2*i (MHz)

RFCDL(i) = RFCUL(i) + Δf (MHz)

hoặc RFCDL(i) = fDL min + 0.2*i

Ttrong đó : i = 1 ÷ n ;

Δ : khoảng cách ghép song công = 45 MHz

Lưu ý : Phụ thuộc vào băng tần được cấp phát

Δf(GSM900) = 45 MHz; Δf(DCS1800) = 1805 - 1710 = 95 MHz;

Δf(PCS1800) = 1930 - 1850 = 80 MHz;

2.2 Các kênh vật lý.

Một kênh tần số vô tuyến RFC gồm 8 kênh cho phép nhiều thuê bao di động

có thể truy cập 1 RFC Phương pháp truy nhập này được gọi là đa truy nhậpphân chia theo thời gian TDMA

Kênh vật lý là tần số dùng để truyền tải thông tin, kênh logic là do kênh vật

lý tách ra, trong GSM một kênh logic được chia ra thành 8 kênh logic

Một kênh vật lý được xác định bởi một cặp sóng mang cụ thể ( RFC) và mộtkhe thời gian trong khung TDMA.

Để chất lượng thoại luôn được đảm bảo thì mức thu của sóng mang mongmuốn C ( Carrier) phải lớn hơn tổng mức nhiễu đồng kênh I ( Interference) vàmức nhiễu kênh lân cận A ( Adjacent)

2.3.1 Nhiễu đồng kênh.

Nhiễu đồng kênh là nhiễu gây nên do các cell sử dụng cùng 1 kênh tần số

Tỷ số C/I : tỷ số sóng mang / nhiễu đồng kênh => thể hiện mối quan hệ giữacường độ tín hiệu mong muốn so với nhiễu đồng kênh từ các BTS khác

2.3.2 Nhiễu kênh lân cận.

Nhiễu kênh lân cạn là nhiễu gây nên do các cell sử dụng các kênh tần số kềnhau

Tỷ số C/A : tỷ số sóng mang / nhiễu kênh lân cận => thể hiện mối quan hệgiữa cường độ tín hiệu mong muốn so với nhiễu kênh lân cận

Với một kích thước cell nhất định thì khoảng cách sử dụng lại tần số phụthuộc vào số cell M trong 1 cluster Nếu M càng lớn, khoảng cách sử dụng lạitần số càng lớn và ngược lại Ta có công thức tính khoảng cách sử dụng lại tầnsố:

D

R=√3 M

Trong đó R = bán kính cell, M = tổng số cell trong 1 cluster

Như vậy: D phụ thuộc vào R và mẫu sử dụng lại tần số:

Ta thấy mỗi cell có thể phân bố cực đại đến 5 sóng mang Nhưng phải dành

ra một khe thời gian cho BCH, một khe thời gian cho SDCCH/8 Vậy số khethời gian dành cho kênh lưu lượng của mỗi cell còn (5*8-2) = 38 TCH Trong 9cell của cluster phải mất 2*9 = 18 kênh, còn lại 41*8 -18 = 310 kênh logic dànhcho traffic

Mẫu 4/12 có dung lượng thấp hơn so với mẫu 3/9 nhưng đảm bảo việc ấnđịnh tần số sao cho các sóng mang liền nhau không sử dụng ở các cell cạnhnhau về mặt địa lý.

2.3.6 Mẫu tái sử dụng tần số 7/21.

Mẫu 7/21 có nghĩa là các tần số sử dụng được chia thành 21 nhóm ấn địnhtrong 7 trạm gốc Khoảng cách giữa các trạm đồng kênh là D = 7.9R

Ta thấy mỗi cell có thể phân bố cực đại là 2 sóng mang, nhưng phải dành ra

1 khe thời gian cho BCH, một khe thời gian cho SDCCH/8 Vậy số khe thờigian dành cho kênh lưu lượng của mỗi cell còn 2*8-2 = 14 TCH Trong 21 cell