Hệ thống thông tin di động GSM

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.. Mạng này cho phép sử dụng lại tần số và cho phép chu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM

HÀ NỘI

Tháng 07 năm 2016

MỤC LỤC

I Lịch sử phát triển 2

II Thông số kỹ thuật cơ bản của GSM 4

III Cấu trúc GSM 5

a SS: 5

b Bộ ghi định vị thường trú HLR 6

c Bộ ghi định vị tạm trú VLR 6

d Trung tâm nhận thực AUC 6

e Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR 7

f Phân hệ trạm gốc BSS 7

g Trạm thu phát gốc BTS 8

h Bộđiều khiển trạm gốc BSC 8

i Bộ chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU 8

k Trạm di động MS (Mobile Station) 8

IV Nguyên Lý Hoạt động của GSM 10

V Tổ chức kênh và cụm trong GSM 11

VI Giao diện vô tuyến 16

1 Mã hóa thoại 16

2 Mã Hóa Kênh 18

3 Sự cài xen 19

4 Chuyển giao – Handover HO 20

5 Tái sử dụng tần số trong GSM 21

6 Can nhiễu kênh chung trong GSM 22

7 Lưu lượng trong mạng GSM 22

VII Quy hoạch ô ở GSM 24

VIII Thí dụ về tính toán kích cỡ kênh ở GSM 27

1 Tính toán kích cỡ cho các kênh ở GSM 27

a Tính toán kích cỡ kênh SDCCH 27

b kênh CCCH 30

c tính toán kích cỡ kênh CCCH 31

I Lịch sử phát triển

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 bịđiện

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 thứba: 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 vàđược 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 chỉở mức quốc gia và phục vụđược 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: Từđầu những năm 1980, sau khi các hệ thống NMT đã hoạt động thành công thì nó cũng biểu hiện một số hạn chế: 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 thểđáp ứng được vì vốn đầu tư quá lớn Tất cả những hạn chế trên dẫn đến một nhu cầu làphải thiết kế một hệ thống loại mới được làm theo kiểu chung để có thể dùng cho nhiều nước

Hiện nay, 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 vụở tốc độ lên đến 2Mbit/s

**Lịch sử phát triển ở việt nam

Việt Nam, 1993 đưa vào hệ thống GSM: GSM – GPRS – EDGE

Nhà khai thác: VMS (Vietnam Mobile Services) – Mobifone

Nhà khai thác: GPC – Vinaphone

Nhà khai thác: Viettel – Viettel

Các mạng dựa trên công nghệ CDMA: cdma2000 1x – cdma2000 EV-DO

Nhà khai thác SPT (Saigon Post and Telecommunications) – Sfone

Nhà khai thác EVN – E-mobile

Nhà khai thác HT – HT mobile (Hiện đang chuyển sang công nghệ GSM)

II Thông số kỹ thuật cơ bản của GSM

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:

PLMN

Hình hệ thống GSM

Nhiệm vụ chính của MSC làđiều 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 ngoàiđược gọi là MSC cổng

c Bộ ghi định vị tạm trú VLR

VLR là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng GSM Nóđược 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 vàđồng 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

d 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 mậtđểđảm bảo toàn số liệu cho các thuê bao được phép Khoá này cũng được lưu giữ vĩnh cửu và bí mật trong bộ nhớở MS Bộ nhớ này có dang Simcard có thể rút ra và cắm lại được AUC có thểđược đặt trongHLR hoặc MSC hoặc độc lập với cả hai.Khi dăng ký thuê bao, khoá nhận thựcđược ghi nhớ vào Simcard của thuê bao cùng với IMSI của

nó Đồng thời khoá nhận thực cũng được lưu giữở trung tâm nhận thực AUC để tạo ra bộ ba thông số cần thiết cho quá trình nhận thực và mật mã hoá:

e Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR

Quản lý thiết bị di động được thực hiện bởi bộđăng 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 sựđược 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 bịđầu cuối bịđánh cắp, nếu so sánh không đúng thì thiết bị không thể truy nhập vào mạng được

- Thực hiện bảo 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

- mật kênh vô tuyến

- Phân hệ BSS gồm hai khối chức năng: bộđiều khiển trạm gốc (BSC: Base Station Controller) và các trạm thu phát gốc (BTS: Base Transceiver Station)

g 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.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

i Bộ chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU

Trong GSM, tín hiệu thoại trên giao diện vô tuyến được mã hoáở tốc độ

13Kbps sử dụng mã hoá tiền định tuyến LPC Để thích ứng tốc độ này các tốc

độ mạng hội thoại cốđịnh PSTN cần có bộ chuyển đổi mã TRAU để chuyển đổi giữa 13Kbps PCM giữa MS và MSC TRAU có thểđược 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

k Trạm di động MS (Mobile Station)

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

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

sau: Khai thác và bảo dưỡng mạng, Quản lý thuê bao, Quản lý thiết bị di động

IV Nguyên Lý Hoạt động của GSM

Đa truy nhập vô tuyến ở GSM sử dụng phương pháp 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

rộng là 15/26 ms ở trong một kênh tần số có độ rộng 200KHz nói trên

Sơ đồ mô tả cách kết hợp FDMA và TDMA (hình 1)

Mỗi 1 kênh tần số cho phếp tổ chức các khung truy nhập theo thời gian,mỗi

khung bao gồm 8 khe thời gian từ 0-7

Phân bố tần số ở GSM được quy định nằm trong dải tần 890-960 MHz,bao gồm

125 kênh đánh số từ 0-124.kênh 0 dành cho khoảng bảo vệ nên không được sử

dụng

Để cho các kênh lân cận không gây nhiễu cho nhau mỗi BTS phủ một tế bào

của mạng phải sử dụng các tần số cách xa nhau và các ô sử dụng các tần số

giống nhau hoặc gần nhau cũng phải xa nhau

GSM sử dụng sơ đồ điều chế GMSK

V Tổ chức kênh và cụm trong GSM

thông tin

- Đối với hệ thống TDMA GSM 900:

890 ÷ 915 MHz cho đường lên (MS BTS)

935÷960 MHz cho đường xuống (BTS MS)

Dải thông tần kênh vật lý là 200KHz Mỗi dải thông tần kênh là một khung TDMA gồm 8T

Dải tần bảo vệ ở biên cũng rộng 200KHz

 Một kênh người dùng tương đương

Nếu MS được cấp khe 1 thì nó chỉ phát trong khe 1 và không phát ở 7 khe

còn lại trong khung Một khe thời gian dài 577µs, một khung TDMA dài 8 x 577µs

= 4,616ms Sự đóng ngắt đều đặn theo chu kỳ khung của máy phát gọi là burst

chức theo cấu trúc khung, đa khung, siêu khung và siêu siêu khung.Một

siêu siêu khung có độ dài 3h28

Một siêu khung chia thành các đa khung:

Đa khung 26 khung có độ dài 120ms

(dùng cho kênh TCH, SACCH và FACCH)

Khung TDMA 4,615ms

Đa khung 51 khung có độ dài 235,4ms(dùng cho kênh BCCH, CCCH và

SACCH)

Vì MS chỉ phát trong một khe T

yêu cầu đóng ngắt năng lượng tần số

Trong một cell, d

MS  BTS là khác nhau nên trễ và suy hao của MS sẽ khác

nhau.Kỹ thuật TDMA dựa vào sự định thời thích ứng đối với sự phát burst để tránh xung đột BTS đo trễ truyền dẫn của mọi MS và phát lệnh cho từng MS

phát càng sớm nếu d

MS  BTS càng xa sao cho tín hiệu mà BTS thu nhận được từ các MS trong cell ở đúng khe thời gian  gọi là sự sớm định thời

Sự sớm định thời.Trong một cell, d

MS  BTS là khác nhau nên trễ và suy hao của

MS sẽ khác nhau Kỹ thuật TDMA dựa vào sự định thời thích ứng đối với sự phát burst để tránh xung đột BTS đo trễ truyền dẫn của mọi MS và phát lệnh

Bit đuôi T là khoảng thời gian phòng vệ tương ứng đầu và đuôi của busrt Các bit T đều là bit 0.Dữ liệu được mã hóa 2 x 58bit, bao gồm dữ liệu người dùng

và các bit thêm vào trong quá trình mã hóa kênh.Khoảng phòng vệ GP là thời

gian sườn xung burst Trong khoảng GP không phát dữ liệu Con số GP =

8,25bit hiểu là khoảng thời gian này dài tương đương 8,25bit x 3,69µs/bit = 30,4µs.Cờ lấy lén S: lưu lượng bao gồm dữ liệu người dùng và dữ liệu báo hiệu

Dữ liệu người dùng còn gọi là lưu lượng và dữ liệu báo hiệu gọi là báo hiệu Khi cần, NB thay thế lưu lượng bằng báo hiệu Cờ lấy lén S chỉ rõ dữ liệu mã hóa là báo hiệu hay lưu lượng:

Nếu SF = 0  bán cụm 57 bit đầu là dữ liệu hoặc lưu lượng

Nếu SF = 1bán cụm 57 bit đầu là báo hiệu Chuỗi hướng dẫn TS (Training

Sequence – 26 bit) là chuỗi bit cố định được MS và BTS biết trước Có 8 chuỗi khác nhau trong GSM Các MS trong một cell dùng chung một TS đặc trưng cho cell đó Chuỗi này được lựa chọn sao cho duy nhất và không thể nhầm lẫn với các dữ liệu khác trong burst

 Cụm truy cập AB (Access Burst)

Sự định thời chính xác chỉ đạt được khi MS đã hoàn thành truy cập AB phục

vụ cho MS truy cập mạng nên nó chỉ phù hợp với điều kiện chưa có định thời chính xác Khi truy cập, MS phát AB một cách ngẫu nhiên AB là một burst ngắn (88 bit dữ liệu), nên dù MS ở xa nhất thì sườn sau của AB cũng không thể trùng với bất kỳ burst nào khác AB dùng cho RACH và TCH

Chuỗi đồng bộ burst thực chất là TS nhưng dài hơn, đến 41 bit Trong điều kiện

truy cập, bộ hiệu chỉnh ở máy thu cần nhiều tin tức và thời gian hơn để đạt đến

thu tối ưu.Khoảng phòng vệ GP của AB dài đến 68,25 bit: 68,25bit x

3,69µs/bit =252µs = 2R/cR≈37,75km

 Cụm hiệu chỉnh tần số FB (Frequency Burst)

FB dùng để đồng bộ tần số cho MS theo chuẩn của hệ thống Cụm chứa 124 bit

cố định bằng 0 để tạo ra dịch tần số + 67,7KHz trên tần số danh định Ba bit đuôi (0, 0, 0) đầu, cuối và khoảng bảo vệ 8,25bit FB được sử dụng cho FCCH

 Cụm đồng bộ SB (Synchronous Burst)

BTS phát SB để báo cho MS biết chìa khóa khởi động sự truy cập vào mạng

SB được sử dụng cho SCH Ngoài chuỗi hướng dẫn dài 64 bit để bộ hiệu chỉnh máy thu đạt đến thu tối ưu thì SB còn có các nội dung sau:

Số khung TDMA dạng rút gọn

BSIC = BCC + NCC

 Kênh logic là khái niệm cấu trúc khung để truyền đưa từng loại tin

tức: Kênh logic được đặc trưng bởi thông tin truyền giữa BTS và MS

Các kênh logic được đặt vào các kênh vật lý

- cấu trúc khung

Tin tức các loại (lưu lượng và báo hiệu) được sắp đặt có trật tự trước khi được ánh xạ vào khe thời gian Các khung được tổ chức thành cấu trúc của tổ hợp các kênh logic nhất định sao cho máy thu có thể nhận biết và phân loại dữ liệu đã truyền với sai lỗi và trễ tối thiểu.Có 7 tổ hợp kênh logic được đánh số La Mã Mỗi

tổ hợp kênh logic yêu cầu một kênh vật lý riêngKỹ thuật TDMA tạo ra 8 kênh vật

lý (8 khe) trên một sóng mang Vậy có thể đặt các tổ hợp kênh khác nhau vào một sóng mang.Cấu trúc khung TDMA biểu thị trật tự khe thời gian trên một sóng mang Cấu trúc đa khung biểu thị trật tự các kênh logic trong các khe thời gian từ một số cố định các khung TDMA

Đa khung 26 khung TDMA dùng cho tổ hợp TCH

Đa khung 51 khung dùng cho tổ hợp CCH

tổ hợp kênh logic:

III 2kênh bán tốc TCH/HS(0) + FACCH/HS(0) + SACCH/HS(0) +

VI Giao diện vô tuyến

1 Mã hóa thoại

GSM Yêu cầu đối với mã hóa thoại

- Độ dư nội tại của thoại phải lọc bỏ Sau mã hóa chỉ giữ lại tin tức tối thiểu đủ để khôi phục thoại ở máy thu

- Bảo đảm chất lượng truyền thoại đến R

x

- Ngừng phát vô tuyến khi không tích cực thoại trong quá trình đàm thoại Đây là chức năng phát gián đoạn (DTX – Discontinuous transmission) DTX giảm bớt lưu lượng và can nhiễu, đồng thời giảm yêu cầu về nguồn

Quá trình mã hóa thoại

ADC lấy mẫu với chu kỳ và lượng tử hóa đều 13 bit/mẫu Tốc độ bit tại DAI:

8000mẫu/s x 13bit/mẫu = 104Kbit/s

CODEC sẽ tiến hành mã hóa thoại lại theo kiểu VOCODER để loại bỏ tối đa độ

dư trong thoại Nguyên lý VOCODER là mô hình phát âm được xác định trước

ở cả phía phát và phía thu thoại Bên thu chỉ cần nhận đủ những đặc trưng của thoại theo yêu cầu là có thể tái tạo lại tín hiệu

LPC (Linear predictive Coding) – RPE (1)

Là nguyên lý giảm độ dư thoại dựa vào đặc tính tương quan ngắn 1ms giữa các

mẫu Mỗi cửa sổ 20ms của thoại (có 160 mẫu) được lưu vào bộ nhớ và phân

tích để đưa ra 8 hệ số bộ lọc và thông số tín hiệu kích theo yêu cầu của mô hình phát âm.160 mẫu trong một cửa sổ được chia thành 4 nhóm: 40 mẫu cho mỗi nhóm 5ms Một nhóm lại phân thành 4 chuỗi:

38

39

40 Bằng thuật toán chọn chuỗi có năng lượng lớn nhất đại diện cho nhóm sẽ giảm đợt

đầu độ dư thoại

Page | 18

Phân tích LTP (Long Term Prediction) (1)

LTP giảm độ dư thoại dựa vào tương quan dài Bộ nhớ lưu 4 chuỗi đại diện cho

4 nhóm của một cửa sổ Thuật toán chọn chuỗi đại diện cho cửa sổ theo nguyên

tắc “Chuỗi của cửa sổ xét phải gần giống với chuỗi đại diện cho cửa sổ trước”

Dòng bit mang thông tin thoại truyền đến máy thu có con trỏ cho biết chuỗi của nhóm nào được chọn và thông số thay đổi giữa chuỗi của cửa sổ này với chuỗi của cửa sổ trước.LTP giảm độ dư thoại dựa vào tương quan dài Bộ nhớ lưu 4 chuỗi đại diện cho 4 nhóm của một cửa sổ Thuật toán chọn chuỗi đại diện cho

cửa sổ theo nguyên tắc “Chuỗi của cửa sổ xét phải gần giống với chuỗi đại diện cho cửa sổ trước”.Dòng bit mang thông tin thoại truyền đến máy thu có

con trỏ cho biết chuỗi của nhóm nào được chọn và thông số thay đổi giữa chuỗi của cửa sổ này với chuỗi của cửa sổ trước.Sau lần giảm độ dư thoại này, sẽ

được kết quả là 260bit/20ms, tức là 13Kbit/s = 1/8 tốc độ thoại ở DAI

Sau khi mã hóa thoại, dòng thoại đầu ra của CODEC đã được mã hóa thoại đặc thù cho môi trường di động Sau đó, nó sẽ được mã hóa kênh nhằm tạo điều kiện sửa sai lỗi truyền dẫn qua môi trường vô tuyến

2 Mã Hóa Kênh

Mã hoá kênh được sử dụng để phát hiện và hiệu chỉnh lỗi trong luồng bit thu để giảm tỉ số bit lỗi BER Trong các hệ thống thông tin di động, sử dụng hai dạng

mã hoá kênh khác nhau:

- Mã khối tuyến tính (phát hiện lỗi)

- Mã xoắn (sửa lỗi)

Trong phần mã hóa thoại, đầu ra của CODEC là dòng số 260bit/20ms 260 bit này đươc phân cấp theo tầm quan trọng và được bảo vệ khác nhau để đạt hiệu quả cao nhất

Các bit cấp II không cần bảo

vệ

1

Mã hóa khối cho các bit I a

( 3 bit CRC ) Thêm 4 bit 0 để khởi tạo lại

bộ mã hóa