Nghiên cứu các phương pháp phá sóng mạng thông tin di động GSM phục vụ cho công tác của ngành an ninh

Các chữ cái A, B, C…vừa là tên của cell, vừa biểu thị một nhóm xác định các tần số vô tuyến được sử dụng trong cell đó.. Giản đồ pha của tín hiệu MSK Ưu điểm của MSK: Mặc dù tín hiệu M

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực Tôi xin chịu trách nhiệm về nội dung của luận văn này trước Viện đào tạo sau đại học – Trường đại học Bách Khoa Hà Nội

Người cam đoan

Nguyễn Đăng Hiếu

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

LỜI MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 11

1.1 Tổng quan 11

Khái niệm 11

1.1.1 Kiến trúc mạng GSM 13

1.1.2 1.1.2.1 Kiến trúc địa lí 13

1.1.2.2 Kiến trúc vật lí 15

1.2 Giao diện vô tuyến của GSM 21

1.3 Điều chế cao tần trong GSM 23

1.4 Cấu trúc cụm 28

Cụm bình thường (NB: Normal Burst) 28

1.4.1 Cụm hiệu chỉnh tần số (FB: Frequency Correction Burst) 29

1.4.2 Cụm đồng bộ (SB: Synchronization Burst) 29

1.4.3 Cụm truy nhập (AB: Access Burst) 30

1.4.4 Cụm giả (DB: Dummy Burst) 30

1.4.5 1.5 Kênh Logic 30

Nhóm kênh lưu lượng (TCH) 31

1.5.1 Nhóm kênh điều khiển 31

1.5.2 1.6 Ghép kênh trong GSM 36

1.7 Kỹ thuật nhảy tần trong GSM 36

1.8 Một số tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng cho hệ thống GSM ngày nay 41

Quy hoạch tần số trong các hệ thống GSM 41

1.8.1 Đặc điểm máy phát 42

1.8.2 1.8.2.1 Công suất ra 42

1.8.2.2 Phổ phát xạ của GSM 46

1.8.2.3 Phát xạ giả (Spurious emissions) 51

Đặc điểm máy thu GSM 52

1.8.3 1.8.3.1 Yêu cầu về đặc tính Blocking của máy thu 52

1.8.3.2 Yêu cầu về độ suy giảm xuyên điều chế của máy thu 52

Các quy định cho hoạt động thu phát 53

1.8.4 1.8.4.1 Tốc độ lỗi danh định 53

1.8.4.2 Độ nhạy tham chiếu 54

1.8.4.3 Mức độ nhiễu tham chiếu 55

1.9 Tổng kết chương 1 55

CHƯƠNG 2 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU TRONG MẠNG GSM 55

2.1 Nhiễu trong thông tin di động GSM 56

Nhiễu trắng (White Gaussian Noise) 56

2.1.1 Nhiễu đồng kênh (CO - Interference) 56

2.1.2 Nhiễu kênh lân cận C/A 59

2.1.3 Nhiễu liên ký tự ISI 59

2.1.4 Nhiễu đa truy nhập 62

2.1.5 2.2 Phương pháp hình thành một số dạng nhiễu 63

Nhiễu có cấu trúc theo quy luật 63

2.2.1 Nhiễu có cấu trúc không theo quy luật 64

2.2.2 2.3 Tổng kết chương 2 69

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁ SÓNG MẠNG GSM 70

3.1 Các phương pháp phá sóng mạng GSM 70

Phá sóng gián tiếp thuê bao di động (gây nhiễu trạm gốc BTS) 70

3.1.1 Phá sóng trực tiếp thuê bao di động 72

3.1.2 3.2 Nghiên cứu, đánh giá khả năng gây nhiễu cho thiết bị di động 74

3.3 Hướng tiếp cận 76

3.4 Tổng kết chương 3 77

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHÁ SÓNG MẠNG GSM 900 VÀ GSM 1800

78

4.1 Cơ sở lí thuyết 78

Các mạng thông tin di động ở Việt nam 78

4.1.1 Gây nhiễu đường lên(uplink) 78

4.1.2 Gây nhiễu đường xuống (downlink) 79

4.1.3 Phạm vi gây nhiễu 80

4.1.4 4.2 Chỉ tiêu kỹ thuật 81

4.3 Thiết kế modul gây nhiễu dải GSM 900 và DCS 1800 83

Sơ đồ khối 83

4.3.1 4.3.1.1 Khối nguồn (5) 83

4.3.1.2 Khối số 2 ( Khối tạo dao động): 84

4.3.1.3 Khối VCO (khối số 3) 88

4.3.1.4 Khối khuếch đại công suất (5) 88

4.3.1.5 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch gây nhiễu GSM 900 88

4.3.1.6 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch gây nhiễu GSM 1800 89

4.4 Kết quả đạt được 90

4.5 Tổng kết chương 4 92

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

PHỤ LỤC 95

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

3GPP 3rd Generation Partnership Project

IMEI International Mobile Equipment Identity

RACH Random Access Channel

RSSI Receiver Signal Strength Indicator

SDCCH Stand - alone Dedicated Control Channel

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Dải tần của các hệ thống GSM khác nhau đã được triển khai 21

Bảng 1.2 Sắp xếp các tổ hợp kênh trên các khe thời gian tương ứng 35

Bảng 1.3 Quy hoạch tần số trong các hệ thống GSM 41

Bảng 1.4 Công suất ra của máy phát MS với tín hiệu điều chế GMSK 42

Bảng 1.5 Công suất ra của máy phát MS với tín hiệu điều chế 8FSK 42

Bảng 1.6 Các mức điều khiển công suất MS (hệ thống GSM) 43

Bảng 1.7 Các mức điều khiển công suất MS (hệ thống DCS 1800) 44

Bảng 1.8 Công suất ra cực đại của trạm BTS thông thường 45

Bảng 1.9 Công suất ra cực đại của trạm Micro & Pico BTS 45

Bảng 1.10 Mức công suất tại các tần số Offset với MS GSM 900 47

Bảng 1.11 Mức công suất tại các tần số Offset với BTS GSM 900 47

Bảng 1.12 Mức công suất tại các tần số Offset với Micro BTS GSM 900 48

Bảng 1.13 Mức công suất tại các tần số Offset với Pico BTS GSM 900 48

Bảng 1.14 Mức công suất tại các tần số Offset với MS DCS 1800 48

Bảng 1.15 Mức công suất tại các tần số Offset với BTS DCS 1800 thường 49

Bảng 1.16 Mức công suất tại các tần số Offset với Micro BTS DCS 1800 50

Bảng 1.17 Mức công suất tại các tần số Offset với Pico BTS DCS 1800 50

Bảng 1.18 Mức phát xạ giả trong băng tần thu của BTS 51

Bảng 1.19 Mức tín hiệu thu 52

Bảng 1.20 Độ nhạy tham chiếu của các thiết bị thu GSM 54

Bảng 3.1 Bảng so sánh đặc trưng của các loại thiết bị 76

Bảng 4.1 Dải tần GSM sử dụng cho các mạng di động ở Việt nam 78

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Phân cấp cấu trúc địa lí của mạng GSM 14

Hình 1.2 Kiến trúc chung của mạng GSM (theo Wikipedia.com) 16

Hình 1.3 Kiến trúc logic của BSS 17

Hình 1.4 Phân kênh RF trong hệ thống GSM900 22

Hình 1.5 Pha của tín hiệu sau điều chế phụ thuộc vào bit đầu vào trước liền kề 24

Hình 1.6 Pha của tín hiệu MSK trong trường hợp h = 1/2 24

Hình 1.7 Giản đồ pha của tín hiệu MSK 25

Hình 1.8 Dạng phổ của tín hiệu MSK so với các loại tín hiệu khác 26

Hình 1.9 Sơ đồ khối điều chế GMSK 26

Hình 1.10 Đáp ứng tần số của MSK với các hệ số WTb khác nhau 27

Hình 1.11 Đáp ứng thời gian của MSK với các hệ số WTb khác nhau 27

Hình 1.12 Cấu trúc các cụm (khe thời gian) của GSM 28

Hình 1.13 Cụm bình thường 29

Hình 1.14 Cụm hiệu chỉnh tần số 29

Hình 1.15 Cụm đồng bộ 30

Hình 1.16 Cụm truy nhập 30

Hình 1.17 Cụm giả 30

Hình 1.18 Phân loại các kênh logic trong GSM 34

Hình 1.19 Sắp xếp kênh logic trên kênh vật lý với các cell có dung lượng khác nhau 36

Hình 1.20 Ghép kênh trong GSM 36

Hình 1.21 Định nghĩa BPC, HG và CHGR cho một tế bào 38

Hình 1.22 Định tuyến các cụm từ TRX đến máy phát ở nhảy tần băng gốc 39

Hình 1.23 Cấu hình kênh cho 4 bộ thu phát trong nhảy tần băng gốc 39

Hình 1.24 Định tuyến các cụm từ TRX đến máy phát ở nhảy tần tổng hợp 40

Hình 1.25 Cấu hình kênh cho 4 bộ TRX trong nhảy tần tổng hợp 40

Hình 1.26 Phổ công suất ra của BTS thông thường đảm bảo tiêu chuẩn (1) và

không đảm bảo tiêu chuẩn (2) 51

Hình 2.2 Nhiễu đồng kênh 57

Hình 2.3 Tỷ số nhiễu đồng kênh C/I 58

Hình 2.4 Dạng tín hiệu và phổ nhiễu không điều chế 63

Hình 2.5 Dạng tín hiệu và phổ của tín hiệu điều biên 64

Hình 2.6 Sơ đồ tạo nhiễu trực tiếp 65

Hinh 2.7 Sơ đồ tạo nhiễu tạp điều biên 66

Hình 3.1 Phá sóng gián tiếp thuê bao di động 71

Hình 3.2 Phá sóng trực tiếp thuê bao di động 72

Hình 4.1 Gây nhiễu đường lên 79

Hình 4.2 Gây nhiễu đường xuống 80

Hình 4.3 Bán kính gây nhiễu 81

Hình 4.4 Sơ đồ khối thiết bị gây nhiễu 83

Hình 4.5 Bộ nguồn xung 28V/10A 84

Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi nguồn 28V sang 5V/3A 84

Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lí khối tạo xung răng cưa 85

Hình 4.8 Tín hiệu ra của khối tạo xung răng cưa 86

Hình 4.9 Quan hệ giữa các thông số của khối tạo xung sử dụng IC NE555 87

Hình 4.10 Sơ đồ khối tạo xung răng cưa có thể điều chỉnh biên độ 88

Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý module phá sóng mạng GSM 900 89

Hình 4.12 Sơ đồ nguyên lý module phá sóng mạng DCS 1800 89

Hình 4.13 Thiết bị phá sóng hoàn chỉnh 90

Hình 4.14 Hình ảnh phổ nhiễu dải GSM900 90

Hình 4.15 Hình ảnh phổ nhiễu GSM1800 91

Hình 4.16 Phổ gây nhiễu GSM 91

Hình 4.17 Mạng Viettel, Vinaphone, Mobiphone, Gmobile khi chưa bật thiết bị 92

Hình 4.18 Mạng Viettel, Vinaphone, Mobiphone, Gmobile sau khi bật thiết bị 92

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, thông tin di động đã trở thành phương tiện liên lạc phổ biến trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng Vai trò to lớn của thông tin di động ngay càng được khẳng định Tuy nhiên, bên cạch những lợi ích mà nó mang lại thì còn có những mặt tiêu cực cần phải được hạn chế Trong những năm gần đây việc

sử dụng thông tin di động phục vụ cho mục đích khủng bố ngày càng phát triển, phương thức hoạt động đa dạng và tinh vi Ngoài ra nó còn được sử dụng trong các hoạt động chỉ huy, điều khiển biểu tình, chống phá và lật đổ chống chính quyền Hơn nữa nó còn được sử dụng để nghe lén ở các cuộc họp, hội nghị quan trong Vì vậy, việc giám sát các hoạt động liên quan tới điện thoại di động thường khó khăn

và phức tạp cho lực lượng an ninh

Trước tình hình trên, công tác giám sát một cách chủ động hoạt động của các điện thoại di động trong một khu vực cần bảo vệ có ý nghĩa hết sức quan trọng trong an ninh chính trị Việc nghiên cứu và chế tạo một thiết bị phá sóng mạng thông tin di động sẽ góp phần giúp lực lượng an ninh kịp thời xử lý khi xảy ra các tình huống bất ngờ

Luận văn “Nghiên cứu các phương pháp phá sóng mạng thông tin di động GSM phục vụ cho công tác của ngành an ninh” này có mục đích nghiên cứu và

đề xuất phương án gây nhiễu nhằm khống chế một cách chủ động việc sử dụng điện thoại di động GSM 900 và GSM1800 trong một khu vực giới hạn cần bảo vệ

Luận văn chia làm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động GSM

Chương 2: Ảnh hưởng của nhiễu trong mạng GSM

Chương 3: Các phương pháp phá sóng mạng GSM

Chương 4: Thiết kế thiết bị phá sóng mạng GSM900 và GSM1800

Do thời gian và điều kiện nghiên cứu còn hạn chế, luận văn này mới chỉ đề cập đến những vấn đề cơ bản nhất về khống chế mạng điện thoại di động GSM Các

nghiên cứu chi tiết sẽ là hướng nghiên cứu lâu dài của bản thân tôi trong thời gian công tác tới

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Khang đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi và hiệu chỉnh cho luận văn Cảm ơn các thầy cô giáo Viện Điện tử - Viễn thông Đại học Bách khoa Hà nội và bạn bè đã hỗ trợ tôi hoàn thành cuốn luận văn này

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 1.1 Tổng quan

Khái niệm

1.1.1

GSM trước đây được biết như Groupe Spéciale Mobile (nhóm di động đặc biệt), là nhóm đã phát triển nó, được thừa kế từ sự bắt đầu như một dịch vụ tế bào

số quốc tế Giao tiếp vô tuyến của GSM dựa trên công nghệ TDMA Ý định ban đầu

là các thuê bao GSM có khả năng di chuyển qua các biên giới quốc gia sẽ nhân được các dịch vụ di động và các tính năng đi theo cùng họ

Kiểu GSM của Châu Âu hiện nay hoạt động ở tần số 900 MHz cũng như tần

số 1800 MHz Ở Bắc Mỹ, GSM sử dụng cho dịch vụ PCS 1900 tại vung đông bắc California và Nevada Do PCS 1900 sử dụng tần số 1900 MHz, nên các điện thoại không có khả nặng kết nối với điện thoại hoạt động ở tần số 900 MHz hay 1800 MHz Tuy nhiên vấn đề này có thể khắc phục được với các máy điện thoại đa băng thông rộng hoạt động trong nhiều tần số

Vào đầu năm 1980, thị trường hệ thống điện thoại tế bào tương tự đã phát triển triển rất nhanh ở Châu Âu Mỗi một nước đã phát triển một hệ thống tế bào độc lập với các hệ thống ở các nước khác Sự phát triển không được hợp tác của các

hệ thống thông tin di động quốc gia có nghĩa là nó không có khả năng cho thuê bao

sử dụng cùng một máy di động cầm tay khi di chuyển trong Châu Âu Không chỉ các thiết bị di động cầm tay bị hạn chế khai thác trong biên giới quốc gia, mà còn có một thị trường rất hạn chế đối với mỗi kiểu thiết bị, vì vậy tiết kiệm chi phí có thể không thực hiện được Ngoài một thị trường trong nước đầy đủ với các mẫu chung,

có thể không có một nhà chế tạo nào cạnh tranh được trên thị trường thế giới Hơn nữa, chính phủ các nước nhận thức rõ là các hệ thống thông tin không tương thích

có thể cản trở tiến trình để đạt được một tầm nhìn chiến lược của họ về một Châu

Âu với nền kinh tế thống nhất

Với những cân nhắc nêu trên, hội nghị điện thoại điện báo gồm 26 quốc gia Châu Âu (CEPT) đã thành lập một nhóm nghiên cứu gọi là Groupe Spécale Mobile

và năm 1982 để nghiên cứu và phát triển một hệ thống thông tin liên lạc Châu Âu

Đến năm 1986 tình hình trở nên sáng sủa và một số mạng tế bào tương tự hiện tại

có thể sử dụng hết dung lượng vào năm 1990 CEPT khuyến nghị rằng hai khối tần

số trong băng tần từ 890 MHz đến 915 MHz cho băng thu và từ 935 MHz đến 960 MHz cho băng phát với mỗi băng được chia thành các kênh 200 MHz

Hệ thống thông tin di động được CEPT đưa ra đã áp ứng được các tiêu chuẩn sau:

 Cung cấp âm thoại chất lượng cao

 Hỗ trợ chuyển vùng quốc tế

 Hỗ trợ các thiết bị đầu cuối cầm tay

 Hỗ trợ một loạt các dịch vụ và các thiết bị mới

 Cung cấp hiệu quả phổ tần số,

 Cung cấp khả năng tương thích với ISDN

 Cung cấp chi phí dịch vụ và đầu cuối thấp

Vào năm 1989, việc phát triển các đặc tính kỹ thuật của GSM đã được chuyển từ CEPT đến viện tiên chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI) ETSI được thành lập vào năm 1988 để thiết lập các tiêu chuẩn viễn thông cho Châu Âu và hợp tác với các tổ chức tiêu chuẩn khác, các lĩnh vực liên quan đến truyền hình và công nghệ thông tin văn phòng

ETSI đã ấn bản các đặc tính kỹ thuật giai đoạn 1 của GSM và năm 1990 Dịch vụ thương mại đã bắt đầu vào giữa năm 1991 Đến năm 1993 đã có 36 mạng GSM tại 22 nước, và thêm 25 nước đã lựa chọn GSM Từ đó, GSM đã chấp nhận ở Nam Phi, Úc, và rất nhiều vùng Trung Đông và Viễn Đông Tại Bắc Mỹ, GSM được dùng để thực hiện PCS Đến cuối năm 1998 đã có 323 mạng GSM ở 118 nước phục vụ cho 138 triệu thuê bao Hiện nay, hệ thống GSM được gọi là hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobilephone)

Mạng thông tin di động GSM là mạng thông tin di động số Cellular gồm nhiều ô (cell) Cell là đơn vị nhỏ nhất của mạng, có hình dạng (trên lý thuyết) là một

tổ ong hình lục giác Trong mỗi cell có một đài vô tuyến gốc BTS (Base Transceiver Station) liên lạc với tất cả các trạm di động MS (Mobile Station) có mặt

trong cell Khi MS di chuyển ra ngoài vùng phủ sóng của cell, nó phải được chuyển giao sang làm việc với BTS của cell khác

Đặc điểm của hệ thống thông tin di động Cellular là việc sử dụng lại tần số

và diện tích của mỗi cell khá nhỏ Mỗi cell sử dụng một nhóm tần số kênh vô tuyến Các chữ cái A, B, C…vừa là tên của cell, vừa biểu thị một nhóm xác định các tần số

vô tuyến được sử dụng trong cell đó Nhóm tần số được sử dụng nhiều lần cho các cell với khoảng cách đủ lớn, công suất phát đủ nhỏ để nhiễu lẫn nhau không đáng

kể

Thông thường, một cuộc gọi di động không thể kết thúc trong một cell nên

hệ thống thông tin di động cellular phải có khả năng điều khiển và chuyển giao (handover) cuộc gọi từ cell này sang cell lân cận mà cuộc gọi được chuyển giao không bị gián đoạn

Hình 1.1 Phân cấp cấu trúc địa lí của mạng GSM

a Vùng phục vụ PLMN

Vùng phục vụ GSM là toàn bộ vùng phục vụ do sự kết hợp của các quốc gia thành viên nên những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau ở

có thể sử dụng được nhiều nơi trên thế giới

Phân cấp tiếp theo là vùng phục vụ PLMN, đó có thể là một hay nhiều vùng trong một quốc gia tùy theo kích thước của vùng phục vụ

Kết nối các đường truyền giữa mạng di động GSM/PLMN và các mạng khác (cố định hay di động) đều ở mức tổng đài trung kế quốc gia hay quốc tế Tất cả các cuộc gọi vào hay ra mạng GSM/PLMN đều được định tuyến thông qua tổng đài vô tuyến cổng G-MSC (Gateway - Mobile Service Switching Center) G-MSC làm việc như một tổng đài trung kế vào cho GSM/PLMN

b Vùng phục vụ MSC

MSC (Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động, gọi tắt là tổng đài di động) Vùng MSC là một bộ phận của mạng được một MSC quản lý Để định tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động Mọi thông tin để định tuyến cuộc gọi

tới thuê bao di động hiện đang trong vùng phục vụ của MSC được lưu giữ trong bộ ghi định vị tạm trú VLR

Một vùng mạng GSM/PLMN được chia thành một hay nhiều vùng phục vụ MSC/VLR

Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng định vị LAI (Location Area Identity):

LAI = MCC + MNC + LAC

Trong đó: MCC (Mobile Country Code): mã quốc gia

MNC (Mobile Network Code): mã mạng di động LAC (Location Area Code) : mã vùng định vị (16 bit)

d Ô phần tử - Cell

Vùng định vị được chia thành một số ô mà khi MS di chuyển trong đó thì không cần cập nhật thông tin về vị trí với mạng Cell là đơn vị cơ sở của mạng, là một vùng phủ sóng vô tuyến được nhận dạng bằng nhận đạng ô toàn cầu (CGI) Mỗi ô được quản lý bởi một trạm vô tuyến gốc BTS

CGI = MCC + MNC + LAC + CI

Trong đó: CI (Cell Identity): Nhận dạng ô để xác định vị trí trong vùng định vị.Trạm di động MS tự nhận dạng một ô bằng cách sử dụng mã nhận dạng trạm gốc BSIC (Base Station Identification Code)

1.1.2.2 Kiến trúc vật lí

Hệ thống GSM bao gồm 3 hệ thống cơ bản: hệ thống chuyển mạch SS, hệ thống trạm gốc BTS và trạm di động MS Mổi hệ thống này chứa một số chức năng

khác nhau như: chuyển mạch, quản lý nhận dạng thiết bị, tính cước vv tạo nên một hệ thống mạng di động liên kết

Hình 1.2 Kiến trúc chung của mạng GSM (theo Wikipedia.com)

a Trạm di động Mobile Station (MS)

MS là các thuê bao, nó là các thiết bị mà người dùng sử dụng nó để thông tin với nhau MS có thể là các thiết bị cầm tay như điện thoại di động, máy tính cá nhân, máy Fax ) MS cung cấp các giao diện với người dùng giúp cho việc khai thác các dịch vụ trong mạng Các chức năng chính của trạm di động MS:

+ Thiết bị đầu cuối thực hiện các chức năng không liên qua đến mạng GSM, FAX

+ Kết cuối trạm di động thực hiện các chức năng liên quan đến truyền dẫn ở giao diện vô tuyến

+ Bộ thích ứng đầu cuối làm việc như một cửa nối thông thiết bị đầu cuối với kết cuối di động

 Mobile Equipment (ME):

Đó là các thiết bị cầm tay, xác định duy nhất bởi một số IMEI (International Mobile Equipment Identity) có tác dụng truyền tiếng nói và dữ liệu với mức công suất: 0.8W - 20 W Với các thiết bị này thì độ dài một tin nhắn SMS là 160 kí tự

 Subcriber Identify Module (SIM):

Đó là một khối vật lý tách riêng, chẳng hạn là một IC Card còn gọi là Card thông minh SIM cùng với thiết bị trạm ME (mobile equipment) hợp thành trạm di động Không có SIM, MS không thể thâm nhập đến mạng trừ trường hợp gọi khẩn Khi liên kết đăng ký thuê bao với Card SIM chứ không phải với MS Cho phép người dùng gửi và nhận các cuộc gọi và nhận các dịch vụ khác đã đăng ký và nhận dạng mã hóa mạng lưới thông tin chi tiết với khóa Ki, Kc và các thuật toán A3, A5

và A8 Mỗi SIM được bảo vệ bởi một mật khẩu hoặc số PIN

b Phân hệ Trạm gốc (BSS – Base Station Subsystem)

Thực hiện việc truyền các kênh thoại đã mã hoá, cấp phát các kênh sóng cho máy điện thoại di động, quản lý chất lượng truyền và nhận thông qua giao tiếp bằng

sóng cao tần (air interface) Phân hệ này bao gồm 2 thành phần chính sau:

Hình 1.3 Kiến trúc logic của BSS

 Trạm thu phát cơ sở (BTS – Base Transceiver Station)

Một BTS bao gồm thiết bị thu/phát, anten, và bộ xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến BTS là thiết bị trung gian giữa mạng GSM và thuê bao MS, trao đổi thông tin với MS qua giao diện vô tuyến Có thể gọi BTS là các môdem vô tuyến phức tạp có thêm các chức năng khác Mỗi BTS tạo ra một hay một số khu vực vùng phủ sóng nhất định gọi là tế bào cell Một bộ phận quan trọng của BTS là

khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU TRAU là thiết bị mà ở đó quá trình

mã hoá và giải mã tiếng đặc thù riêng cho GMS được tiến hành, tại đây cũng thích ứng tốc độ trong trường hợp truyền số liệu TRAU là một bộ phận của BTS nhưng cũng có thể được đặt xa BTS và thậm chú còn đặt trong BSC và MSC TRAU thực hiện chuyển đổi mã thông tin từ các kênh vô tuyến (16 Kb/s) theo tiêu chuẩn GSM thành các kênh thoại tiêu chuẩn (64 Kb/s) trước khi đến tổng đài, nó được điều khiển bởi BTS

 Bộ điều khiển trạm gốc (BSC – Base Station Controller)

Khối BSC là khối điều khiển trạm gốc nó có nhiệm vụ quản lý tất cả các giao diện vô tuyến qua các lệnh điều khiển từ xa Các lệnh này chủ yếu là lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và chuyển giao Một phía BSC được nối với BTS còn phía kia được nối với MSC của phân hệ SS Trong thực tế BSC được coi như là một tổng đài nhỏ, có khả năng tính toán đáng kể Vai trò chính của nó là quản lý các kênh ở vô tuyến và chuyển giao Giao diện giữa BSC và MSC là giao diện A, còn giao diện giữa BTS và BSC là giao diện A.bis

+ Điều khiển nối thông cuộc gọi : BSC chịu trách nhiệm thiết lập và giải phóng các đấu nối tới máy di động MS Trong quá trình gọi được BSC giám sát Cưòng độ tín hiệu, chất lượng cuộc đấu nối được ở máy di động và TRX gửi đến BSC Dựa vào đó mà BSC sẽ quyết định công suất phát tốt nhất của MS và TRX để giảm nhiễu và tăng chất lượng cuộc đấu nối BSC cũng điều khiển quá trình chuyển giao nhờ các quá trình đo kể trên để quyết định chuyển giao MS sang các cell khác,

nhằm đạt được chất lượng cuộc gọi tốt nhất Trong trường hợp chuyển giao MS sang cell của BSC khác thì nó phải nhờ sự trợ giúp của MSC Bên cạnh đó BSC cũng có thể điều khiển chuyển giao giữa các kênh trong một cell hoặc từ cell này sang kênh của cell khác trong trường hợp cell này bị nghẽn nhiều

+ Quản lý mạng truyền dẫn: BSC có chức năng quản lý cấu hình các đường truyền dẫn tới MSC và BTS để đảm bảo chất lượng thông tin Trong trường hợp có

sự cố ở một tuyến nào đó, nó sẽ điều khiển tới một tuyến dự phòng

c Phân hệ chuyển mạch (NSS – Network Switching Subsystem)

Phân hệ chuyển mạch SS bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của mạng GSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý di động thuê bao Chức năng chính của nó là quản lý thông tin giữa những người sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác

Phân hệ chuyển mạch (SS) cũng cần giao tiếp với mạng ngoài để sử dụng khả năng truyền tải của các mạng này cho việc truyền tải số liệu cho người sử dụng hay báo hiệu giữa các phần tử của mạng GSM Chẳng hạn SS có thể sử dụng mạng báo hiệu kênh chung số 7, mạng này đảm bảo hoạt động giữa các phần tử của

SS trong một hay nhiều mạng GSM

d Trung tâm chuyển mạch di động (Mobile Switching Center)

MSC thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý các bộ điều khiển trạm gốc BSC Một tổng đài MSC thích hợp cho một vùng đô thị và vùng ngoại ô

có dân cư khoảng 1 triệu ( với mật độ thuê bao trung bình ) MSC thực hiện chức năng chuyển mạch chính, nhiệm vụ chính của MSC là tạo kết nối và xử lý cuộc gọi đến những thuê bao của GSM, một mặt GSM giao tiếp với phân hệ BSS mặt khác giao tiếp với mạng ngoài thông qua cổng G-MSC (Gateway - MSC)

e Bộ ghi định vị thường trú (HLR – Home Location Register)

HLR lưu giữ những số liệu cố định của thuê bao di động trong mạng như SIM, các thông tin liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông, không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của các thuê bao và chứa các thông tin về vị trí hiện thời của các thuê bao Thường HLR là một máy tính đứng riêng, không có khả năng

chuyển mạch nhưng có khả năng quản lý hàng trăm nghàn thuê bao Một chức năng

con của HLR là nhận dạng trung tâm nhận thực thuê bao AUC

f Bộ ghi định vị tạm trú (VLR – Visitor Location Register)

Là cơ sở dữ liệu chứa thông tin về tất cả các MS hiện đang ở vùng phục vụ

của MSC Mỗi MSC có một VLR, thường thiết kế VLR ngay trong MSC

Khi MS lưu động vào một vùng MSC mới, VLR liên kết với MSC sẽ yêu cầu

số liệu về MS từ HLR, đồng thời HLR sẽ thông báo MS đang ở vùng MSC nào

Nếu sau đó MS muốn thực hiện cuộc gọi VLR sẽ có thông tin cần thiết để thiết lập

cuộc gọi mà không cần hỏi HLR VLR chứa thông tin chính xác hơn về vị trí của

MS ở vùng MSC Nhưng khi thuê bao tắt máy hoặc rời khỏi vùng hoạt động của

MSC thì các số liệu liên quan đến nó cũng hết giá trị Vì vậy có thể coi VLR là hệ

thống lưu giữ ―hộ khẩu tạm trú‖ của các thuê bao vãng lai

g Thanh ghi nhận dạng thiết bị (EIR - Equipment Identity Register)

EIR có chức năng kiểm tra tính hợp lệ của ME thông qua số liệu nhận dạng thiết bị quốc tế IMEI( Internationnal Mobile Equipment Identity ) và

chứa số liệu về phần cứng của thiết bị ME thuộc một trong 3 danh sách sau:

+ ME thuộc danh sách trắng (White List): Tức là nó được quyền truy nhập và

sử dụng các dịch vụ đã đăng ký

+ ME thuộc danh sách xám (Gray List): Tức là có nghi vấn và cần kiểm tra

+ ME thuộc danh sách đen (Black List): Tức là nó bị cấm không cho phép

truy nhập vào mạng

h Trung tâm xác thực (AUC – Authentication Center)

Được nối đến HLR, chức năng của AUC là cung cấp cho HLR các tần số

nhận thực và các khoá mật mã để sử dụng cho bảo mật Đường vô tuyến cũng được

AUC cung cấp mã bảo mật để chống nghe trộm, mã này được thay đổi để riêng biệt

cho từng thuê bao Cơ sở dữ liệu của AUC còn ghi nhiều thông tin cần thiết khác

khi thuê bao đăng ký nhập mạng và được sử dụng để kiểm tra khi thuê bao yêu cầu

cung cấp dịch vụ, tránh việc truy nhập mạng một cách trái phép

i Tổng đài di động cổng (GMSC – Gateway Mobile Switching Center)

Tất cả các cuộc gọi vào cho mạng GSM/PLMN sẽ được định tuyến cho tổng đài vô tuyến cổng G-MSC Nếu môt người nào đó ở mạng cố định PSTN muốn thực hiện cuộc gọi vào mạng GSM/PLMN : Tại tổng đài PSTN sẽ kết nối cuộc gọi này đến MSC có trang bị một chức năng gọi là chức năng cổng Tổng đài MSC này còn gọi là tổng đài MSC cổng, và nó có thể là một MSC bất kỳ ở mạng GSM G-MSC

sẽ phải tìm ra vị trí của MS cần tìm Điều này sẽ được thực hiện bằng cách hỏi HLR nơi MS đăng ký HLR sẽ trả lời khi đó MSC này sẽ định tuyến lại cuộc gọi đến MSC cần thiết Khi cuộc gọi đến MSC này VLR sẽ xác định rõ hơn về vị trí của

MS Như vậy có thể nối thông một cuộc gọi ở mạng GSM khi có sự khác biệt giữa thiết bị vật lý và đăng ký thuê bao

1.2 Giao diện vô tuyến của GSM

GSM là một hệ thống TDMA/FDD với phương pháp điều chế GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) TDMA có nghĩa là nhiều nggười sử dụng chia

sẻ một kênh cao tần cho trước trên cơ sở thời gian FDD có nghĩa là hướng lên (từ

MS tới mạng) và hướng xuống (từ mạng tới MS) sử dụng các tần số khác nhau

GSM đã được triển khai ở nhiều dải tần khác nhau, bao gồm dải tần 900MHz, 1800MHZ và 1900 MHz Bảng sau liệt kê dải tần của các hệ thống khác nhau đã được triển khai trên thế giới

Bảng 1.1 Dải tần của các hệ thống GSM khác nhau đã được triển khai

tần số 890,2MHz và kênh RF cuối cùng của đường lên đặt tại 914,8 MHz, cho phép tổng cộng 124 sóng mang Tương tự hệ thống DCS 1800 có tối đa 374 sóng mang

và hệ thống PCS 1900 có tối đa 299 sóng mang

Như đã nói ở trên, ở GSM, một dải tần cho trước được chia thành một số kênh RF, mỗi kênh 200kHz ở cả hướng lên và hướng xuống Vì vậy, nếu một máy cầm tay đang truyền trên một sóng mang 200kHz ở đường lên, thì máy này sẽ nhận tín hiệu trên một sóng mang 200 kHz tương ứng ở đường xuống Một cell trong hệ thống GSM có thể có nhiều sóng mang RF - điển hình từ một tới ba trong hệ thống

tải bình thường, nhưng có thể lên tới sáu trong các cell có nhu cầu lưu lượng lớn

Hình 1.4 Phân kênh RF trong hệ thống GSM900

Mỗi sóng mang RF được chia thành 8 khe thời gian, được đánh số từ 0 tới 7

và được truyền trong một cấu trúc khung TDMA Mỗi khung kéo dài xấp xỉ 4,62

ms, tức là mỗi khe thời gian kéo dài 576,9 s Phụ thuộc vào tổng số sóng mang RF trong một cell nhất định, tất cả tám khe thời gian được sử dụng để mang lưu lượng của người sử dụng Nói cách khác, mỗi sóng mang RF có thể được cấp cho 8 kênh lưu lượng – TCH (Traffic Channel) Tuy nhiên, tối thiểu một khe thời gian trong một cell phải được dành cho mục đích báo hiệu điều khiển Vì vậy, nếu chỉ có duy nhất một sóng mang trong một cell, thì chỉ có tối đa 7 kênh lưu lượng, tức là có tối

đa 7 người có thể sử dụng đồng thời

1.3 Điều chế cao tần trong GSM

GSM sử dụng phương pháp điều chế GMSK (Gaussian – Filtered Minimum Shift Keying) để điều chế tín hiệu trên giao tiếp vô tuyến Còn chuẩn GPRS, EGDE

sử dụng phương pháp điều chế 8PSK, phần này sẽ tập trung nghiên cứu về phương pháp điều chế GMSK, trước hết ta hãy xem xét về phương thức điều chế MSK

MKS sử dụng hình thức thay đổi pha để biểu diễn các bit 0 và 1, nhưng không giống như các phương pháp điều chế sử dụng khoá dịch khác, tín hiệu sau điều chế biễu diễn các giá trị 0 hoặc 1 không chỉ phụ thuộc vào xung đầu vào tại thời điểm hiện tại mà nó còn phụ thuộc vào xung đầu vào liền kề trước đó dùng để dịch pha sóng mang

Xung được sử dụng trong phương thức MSK được biểu diễn bằng công thức sau:

Giả sử rằng chuỗi bit dữ liệu được đưa vào điều chế là 11101000, pha của tín

Nếu xung đầu vào trước là 1

Nếu xung đầu vào trước là 0

hiệu sau điều chế sẽ được thay đổi như hình vẽ 1.5:

Hình 1.5 Pha của tín hiệu sau điều chế phụ thuộc vào bit đầu vào trước liền kề

Nếu giả sử rằng h = 1/2, pha của tín hiệu sẽ thay đổi từng bước với giá trị là

/2 trong phạm vi từ –  đến 

Hình 1.6 Pha của tín hiệu MSK trong trường hợp h = 1/2

Giản đồ pha (Chòm sao tín hiệu):

Sử dụng biến đổi lượng giác công thức điều chế, ta được:

+ s2  E b sin( ( )) T b trên đoạn: 0 t  2Tb

Trong phương trình trên, S1 và S2 chỉ phụ thuộc vào (0) và (Tb) mỗi tham

số trên chỉ có thể 1 trong 2 giá trị, như vậy sẽ có 4 khả năng xảy ra như sau:

- Nếu (0) = 0 và (Tb) = /2 thì bit đầu vào trước đó là 1

- Nếu (0) =  và (Tb) = /2 thì bit đầu vào trước đó là 0

- Nếu (0) = 0 và (Tb) = -/2 thì bit đầu vào trước đó là 0

- Nếu (0) =  và (Tb) = -/2 thì bit đầu vào trước đó là 1

Như vậy giá trị của S1 và S2 đã được xác định, bây giờ tín hiệu sau điều chế chỉ còn phụ thuộc vào 1(t) và 2(t), giản đồ pha có thể được minh hoạ bằng hình

vẽ sau:

Hình 1.7 Giản đồ pha của tín hiệu MSK

Ưu điểm của MSK:

Mặc dù tín hiệu MSK được tạo ra bằng cách phân tích sự thay đổi về pha, nhưng trên thực tế MSK thực chất là một dạng của phương pháp điều chế FSK với

Với 1 và 2 là các tần số được sử dụng phụ thuộc vào các xung đầu vào MSK tạo ra một tín hiệu FSK với sự sai khác tối thiểu giữa các tần số của hai tín hiệu FSK và các tín hiệu này bảo đảm không gây can nhiễu lẫn nhau

)(

Hình 1.8 Dạng phổ của tín hiệu MSK so với các loại tín hiệu khác

Phổ của tín hiệu MSK có độ dốc lớn hơn nhiều so với phổ của tín hiệu QPSK, vì vậy độ rộng băng tần chiếm dụng của tín hiệu MSK nhỏ hơn so với của QPSK

Điều chế GMSK trong hệ thống GSM:

Mặc dù độ rộng băng tần chiếm dụng của MSK được coi là thấp nhưng nó vẫn không đủ để tránh được can nhiễu với các kênh kề vì khoảng cách kênh của GSM chỉ là 200 KHz, để giải quyết vấn đề này, chuỗi bít nhị phân đầu vào sẽ được đưa qua bộ lọc thông thấp Gaussian trước khi được điều chế MSK Bộ lọc Gaussian có nhiệm vụ vê tròn các đầu xung nhằm tránh tình trạng thay đổi pha đột ngột sẽ sản sinh ra các thành phần tần số cao làm cho băng tần chiếm dụng tăng lên Hình 1.9 là sơ đồ khối điều chế GMSK

Hình 1.9 Sơ đồ khối điều chế GMSK

Đáp ứng tần số của bộ lọc Gaussian:

Tham số quan trọng nhất để thiết kế bộ lọc Gaussian phù hợp là hệ số WTb(Time – bandwidth product) Hình vẽ sau cho thấy đáp ứng tần số với các bộ lọc Gaussian khác nhau, lưu ý rằng MSK có hệ số WTb bằng vô cùng

Hình 1.10 Đáp ứng tần số của MSK với các hệ số WTb khác nhau

Hình vẽ 1.10 cho thấy phổ của các tín hiệu GMSK có độ dốc lớn hơn của MSK, nếu hệ số WTb càng nhỏ độ dốc này càng lớn

Đáp ứng thời gian của bộ lọc Gaussian:

Như trên đã trình bày, hệ số WTb càng nhỏ, độ rộng băng tần chiếm dụng càng nhỏ, tuy nhiên khi này xung của tín hiệu điều chế sẽ bị trải rộng hơn, điều này

có thể dẫn tới hiện tượng can nhiễu giữa các ký hiệu sau điều chế Hình vẽ 1.11 cho thấy đáp ứng thời gian của bộ lọc Gaussian

Hình 1.11 Đáp ứng thời gian của MSK với các hệ số WTb khác nhau

Vì vậy cần phải tính toán, thoả hiệp giữa hai vấn đề này Thông thường hệ số

WTb thường được lựa chọn ở giá trị trung bình

Áp dụng trong hệ thống GSM

Tiêu chuẩn GSM lựa chọn hệ số WTb = 0.3, với giá trị này băng tần chiếm dụng của một kênh RF GSM theo phương pháp đo 99% là bằng 250 KHz, trong khi

khoảng cách kênh của GSM là 200 KHz, vì vậy vẫn sẽ xảy ra hiện tƣợng nhiễu giữa các kênh liền kề Để khắc phục hiện tƣợng này, các nhà khai thác cần phải quy hoạch việc sử dụng tần số để tránh hiện tƣợng can nhiễu kênh kề xảy ra

Tốc độ có thể truyền tối đa trong GSM với hệ số WTb = 0 3 là 271 kb/s

1.4 Cấu trúc cụm

Cụm là khuân mẫu tin tức ở mỗi khe thời gian, và cũng là khái niệm trung gian giữa kênh vật lý và kênh logic Cấu trúc các cụm (khe thời gian) trong hệ thống GSM đƣợc định nghĩa nhƣ hình 1.12 sau:

Hình 1.12 Cấu trúc các cụm (khe thời gian) của GSM

Cụm bình thường (NB: Normal Burst)

Cụm này có cấu trúc bao gồm 114 bit dữ liệu bao gồm dữ liệu người dùng và thông tin điều khiển để chống lỗi trong mã hoá kênh, bit đuôi T(0,0,0) có ở 2 đầu, 2

bit cờ lấy nén S chỉ khi có dữ liệu báo hiệu chiếm dữ liệu người dùng thì S là 1 còn bình thường S là 0, xảy ra khi có quá trình chuyển giao, 26 bit hướng dẫn dùng để máy thu có thể thu tối ưu và khoảng thời gian bảo vệ có độ rộng bằng 8,25 bit, là khoảng thời gian tăng xườn xung Được thể hiện ở hình vẽ bên dưới với các ký hiệu: TB là bit đuôi ; F là cờ lấy trộm và GP là đoạn bảo vệ

GP 8.25

F

1

57 bit được mật

3 0.577ms (156.25 bit)

vì khi MS truy nhập lần đầu nó không biết đinh trước thời gian, khoảng này dành cho khoảng cách 35km AB được sử dụng cho RACH và TCH

1.5 Kênh Logic

TB

3

39 bit được mật mã hoá

Chuỗi dẫn hướng 64

GP 8.25

39 bit được mật mã hoá

TB

3 0.577ms (156.25 bit)

Các bit được mật

mã 36 bit

TB

3 0.577ms (156.25 bit)

58 bit tổ hợp TB

3 0.577ms (156.25 bit)

Có hai nhóm kênh logic chính là nhóm kênh lưu lượng và nhóm kênh điều khiển

Nhóm kênh lưu lượng (TCH) 1.5.1

Kênh lưu lượng mang thông tin thoại và dữ liệu, có hai loại kênh lưu lượng

là kênh lưu lượng toàn tốc và kênh lưu lượng bán tốc

- Kênh lưu lượng toàn tốc:

 Danh sách các cell lân cận sẽ được giám sát bởi MS

 Danh sách tần số được sử dụng trong cell

 Nhận dạng cell

 Chỉ thị điều khiển công suất

 Cho phép phát không liên tục DTX

 Điều khiển truy cập

Sóng mang RF có chứa kênh BCCH được gọi là sóng mang BCCH, các thông tin được mang trên kênh BCCH sẽ được MS giám sát định kỳ thường xuyên (

ít nhất 30 giây một lần) khi mà MS bật nguồn và không ở trong thời gian thực hiện cuộc gọi Sóng mang BCCH được phát liên tục với công suất cố định, cường độ sóng mang BCCH sẽ được đo bởi các MS quan tâm đến nó ( các MS mà nó đang phục vụ hoặc các MS ở các cell lân cận có thể chuyển giao đến cell này) Các cụm giả (Dumy Bursts) sẽ được phát thay thế khi không có kênh lưu lượng nào trong sóng mang BCCH

+ Kênh hiệu chỉnh tần số FCCH (Frequency Correction Channel) cung cấp thông tin để đồng bộ sóng mang, kênh này được phát thường xuyên để đồng bộ tần

số sóng mang với tần số của phía trạm gốc Kênh này chỉ được gửi trong khoảng thời gian của TS0 trên tần số sóng mang BCCH , vì vậy nó hoạt động như một cờ

để MS nhận ra khe thời gian TS0

+ Kênh đồng bộ SCH (Synchronizing Channel) mang thông tin cho phép MS đồng bộ khung TDMA và biết được thời điểm của mỗi khe thời gian, các tham số sau sẽ có trong kênh đồng bộ:

 Số hiệu khung

 Mã nhận dạng trạm thu phát gốc (BSIC)

MS sẽ giám sát thông tin BCCH từ các cell xung quanh và lưu giữ thông tin của 6 cell lân cận có khả năng phục vụ tốt nhất (mức thu và chất lượng tín hiệu thu tốt nhất) Thông tin SCH của các cell lân cận này cũng được MS lưu giữ vì vậy nó

có thể đồng bộ lại nhanh chóng khi chuyển sang một cell mới

- Nhóm kênh điều khiển chung CCCH (Common Control Channel): Nhóm kênh này làm việc ở cả hai hướng lên và xuống và chịu trách nhiệm chuyển các thông tin điều khiển giữa các MS và BTS Nhóm kênh này cũng cần thiết cho việc thực hiện các chức năng cuộc gọi gốc (gọi từ MS) và các cuộc gọi nhắn tin CCCH bao gồm những kênh sau:

+ Kênh truy cập ngẫu nhiên RACH (Random Access Channel): Chỉ dùng cho MS để yêu cầu truy cập tới hệ thống, nó được dùng khi MS khởi tạo cuộc gọi hoặc trả lời tin nhắn

+ Kênh nhắn tin PCH (Paging Channel): Kênh này chỉ hoạt động ở hướng xuống và được sử dụng để BTS nhắn tin cho MS (như khi tìm gọi một MS)

+ Kênh cho phép truy cập AGCH ( Access Granted Channel): Chỉ hoạt động

ở hướng xuống và được sử dụng để BTS ấn định kênh điều khiển riêng cho MS phúc đáp bản tin truy cập nhận được trên kênh RACH MS sẽ chuyển tới một kênh riêng để thực hiện các thao tác như thiết lập cuộc gọi, phúc đáp tin nhắn, cập nhật vị trí MS hoặc dịch vụ bản tin ngắn

Kênh PCH và AGCH không bao giờ được sử dụng cùng một lúc

+ Kênh quảng bá Cell CBCH (Cell Broadcast Channel): Được sử dụng để phát các bản tin quảng bá tới tất cả các MS trong một Cell ví dụ như thông tin về lưu lượng giao thông, các kết quả thể thao CBCH sử dụng một kênh điều khiển riêng để gửi các bản tin, tuy nhiên nó lại được xem như một kênh điều khiển chung

vì các bản tin có thể được thu bởi tất cả các MS trong cell

Tất cả các MS đang hoạt động đều phải thường xuyên giám sát cả hai kênh BCCH và CCCH, CCCH được phát cùng một sóng mang với BCCH

- Nhóm kênh điều khiển riêng DCCH (Dedicated Control Channel): Kênh DCCH là một khe thời gian trên sóng mang RF được sử dụng để mang 8 kênh điều khiển giành riêng SDCCH (Stand – alone Dedicated Control Channel) Mỗi kênh điều khiển riêng được ấn định cho mỗi MS để thiết lập cuộc gọi, xác nhận thuê bao, cập nhật vị trí và SMS điểm điểm

- Nhóm kênh điều khiển kết hợp ACCH ( Associated Control Channel): Các kênh này có thể được kết hợp với một kênh SDCCH hoặc một kênh TCH Chúng được sử dụng để mang các thông tin kết hợp với các tiến trình đang được thực hiện trên kênh SDCCH hoặc trên kênh TCH Nhóm kênh này bao gồm:

 Kênh điều khiển liên kết chậm SACCH (Slow Associated Control Channel): Dùng để mang thông tin điều khiển công suất và định thời cho hướng xuống và làm bộ chỉ thị cường độ tín hiệu thu RSSI (Receiver Signal Strength Indicator) và báo cáo chất lượng đường truyền cho hưóng lên

 Kờnh điều khiển liờn kết nhanh FACCH ( Fast Associated Control Channel): Được phỏt thay cho kờnh TCH Kờnh FACCH ―đỏnh cắp‖ một cụm lưu lượng và chốn vào đú thụng tin của kờnh FACCH Kờnh này được sử dụng để thực hiện nhận dạng người sử dụng, chuyển giao và ấn định

Hỡ

nh 1.18 Phõn loại cỏc kờnh logic trong GSM

Tất cả cỏc kờnh điều khiển đều cần được yờu cầu để hệ thống hoạt động, tuy nhiờn cũng giống như cỏch mà chỳng cho phộp cỏc người sử dụng khỏc nhau chia

sẻ kờnh vụ tuyến bằng cỏch sử dụng cỏc khe thời gian khỏc nhau để mang dữ liệu hội thoại Cỏc kờnh điều khiển cũng chia sẽ cỏc khe thời gian trờn kờnh vụ tuyến tại cỏc thời điểm khỏc nhau Điều này cho phộp thực hiện cỏc thao tỏc điều khiển một cỏch hiệu quả mà khụng làm lóng phớ tài nguyờn mà cú thể được sử dụng cho lưu lượng cuộc gọi Để làm được điều này, chỳng ta phải tổ chức sắp xếp hợp lý cỏc khe thời gian để khi nào thỡ chỳng mang thụng tin lưu lượng và khi nào thỡ mang thụng tin bỏo hiệu điều khiển

FCCH: Kênh hiệu chỉnh tần số

SCH: Kênh đồng bộ

RACH: Kênh truy cập ngẫu nhiên

SDCCH: Kênh điều khiển dành riêng

AGCH: Kênh cho phép truy cập

PCH: Kênh nhắn tin

BCCH: Kênh điều khiển quảng bá

SACCH: Kênh điều khiển liên kết chậm

FACCH: Kênh điều khiển liên kết nhanh

 Tổ hợp kênh quảng bá: BCCH + CCCH

 Tổ hợp kênh kết hợp: BCCH + CCCH + SDCCH4 + SACCH4

 Tổ hợp kênh bán tốc: TCH16/FACCH + SACCH

Các tổ hợp kênh logic và khe thời gian:

Các tổ hợp kênh đã chỉ ra được gửi qua giao tiếp vô tuyến trong một TS xác định Có một số tổ hợp kênh có thể được gửi ở tất cả các TS, một số khác thì lại chỉ được gửi ở các khe thời gian riêng biệt

Bảng 1.2 Sắp xếp các tổ hợp kênh trên các khe thời gian tương ứng

Tổ hợp kênh Khe thời gian có thể sử dụng

Hình 1.19 Sắp xếp kênh logic trên kênh vật lý với các cell có dung lượng khác

nhau 1.6 Ghép kênh trong GSM

Như đã trình bày, một khe thời gian trong GSM bao gồm 156,25 bít = 0,577

ms, một khung TDMA gồm 8 khe thời gian, 1 đa khung lưu lượng bằng 26 khung TDMA, 1 đa khung điều khiển bằng 51 khung TDMA, 1 siêu khung lưu lượng bằng

51 đa khung lưư lượng, 1 siêu khung điều khiển bằng 26 đa khung điều khiển 2048 siêu khung lưu lượng và điều khiển có độ dài bằng nhau được ghé vào 1 siêu siêu khung có độ dài là 2.715.648 khung TDMA Nguyên tắc ghép kênh trong GSM được trình bày như trong hình 1.20 sau:

Hình 1.20 Ghép kênh trong GSM 1.7 Kỹ thuật nhảy tần trong GSM

1 SIÊU SIÊU KHUNG = 2048 SIÊU KHUNG = 2 715 648 KHUNG TDMA ( 3 H 28 MIN 53 S 760 MS

1 SIÊU KHUNG = 1326 KHUNG TDMA ( 6.12 S ) TRÁI (HOẶC) PHẢI

1 ĐA KHUNG = 51 KHUNG TDMA (235 4 ms )

1 SIÊU KHUNG = 26 ĐA KHUNG

1 SIÊU KHUNG = 51 ĐA KHUNG

1 ĐA KHUNG = 26 KHUNG TDMA ( 120 ms )

Một tập hợp các tần số được sử dụng trong mỗi tế bào và MS có thể thay đổi các tần số đó ngay trong mỗi khung TDMA được gọi là nhảy tần Tốc độ nhảy tần trong hệ thống GSM là 217 lần/s

Kỹ thuật nhảy tần là làm giảm ảnh hưởng của fading đa đường, của nhiễu nên chất lượng thoại được cải thiện, làm cho quá trình sử dụng lại tần số chặt chẽ và hiệu quả hơn Lý do là vì kỹ thuật nhảy tần có 2 ưu điểm chính là có độ lợi phân tập tần số và độ lợi trung bình hoá nhiễu Độ lợi phân tập tập số có ý nghĩa trong việc cải thiện vùng phủ, vì các tần số khác nhau có độ dự trữ fading khác nhau, giảm ảnh hưởng của fading đa đường đối với MS đặc biệt là đường xuống do đường xuống không có phân tập anten Độ lợi trung bình hoá nhiễu có ý nghĩa trong việc cải thiện chất lượng, vì MS chỉ bị nhiễu ở một số tần số nhất định trong chuỗi tần số nhảy tần, một tần số bị nhiễu sẽ được trung bình hoá với các tần số không bị nhiễu khác Càng nhiều tần số trong chuỗi tần số nhảy tần sẽ cho kết quả độ lợi lớn hơn Để đạt được độ lợi trung bình hoá nhiễu cao thì hệ số tải tần (fractional loading) được các hãng viễn thông khuyến nghị là nên nhỏ hơn 30% Hệ số tải tần là tỷ số của số bộ thu phát (Transceiver - TRX) trên số tần số dùng để nhảy tần

Trước khi tìm hiểu về 2 kỹ thuật nhảy tần hiện nay đang được các hãng viễn thông lớn trên thế giới như Ericsson, Alcatel áp dụng trong hệ thống TTDĐ GSM, chúng ta cùng xem qua một số khái niệm được dùng trong kỹ thuật nhảy tần như sau:

- Kênh vật lý cơ bản (Basic Physical Channel - BPC) là một kênh vật lý trên một khe thời gian trong khung TDMA ở giao diện vô tuyến giữa BTS và MS

- Nhóm nhảy tần (Hopping Group - HG) là một nhóm các kênh vật lý cơ bản trong cùng một tế bào, sử dụng cùng số khe thời gian trong khung TDMA nhưng trên các bộ thu phát khác nhau để khi nhảy tần thì sử dụng chung cùng tập tần số

- Nhóm kênh (Channel Group - CHGR) là một nhóm các kênh vật lý cơ bản bên trong một tế bào Mục đích của việc chia nhóm kênh là để dễ dàng điều khiển từng nhóm kênh (với một số tần số nào đó) có nhảy tần hay không bằng thông số HOP (ON: có nhảy tần hoặc OFF: không nhảy tần)

- Tập tần số nhảy tần (Hopping Frequency Set: HFS) là một nhóm các tần số

cụ thể mà một nhóm kênh sử dụng nhảy tần

- Số chuỗi nhảy tần (Hopping Sequence Number: HSN) là thông số dùng để xác định trật tự các tần số trong tập tần số nhảy tần sẽ sử dụng cho một nhóm kênh khi thực hiện nhảy tần

- Độ lệch chỉ số ấn định di động (Mobile Allocation Index Offset: MAIO) là thông số xác định độ lệch trong chuỗi nhảy tần Mục đích là để ngăn chặn nhiễu cận kênh bên trong một tế bào cũng như giữa các tế bào thuộc cùng một trạm khi thực hiện nhảy tần

Hình 1.21 Định nghĩa BPC, HG và CHGR cho một tế bào

Có 2 kỹ thuật nhảy tần trong GSM là nhảy tần băng gốc (Base Band hopping) và nhảy tần tổng hợp (Synthersizer hopping), trong đó kỹ thuật nhảy tần tổng hợp là kỹ thuật tiên tiến trên thế giới hiện nay Nhưng dù là kỹ thuật nhảy tần nào thì cũng có đặc điểm chung, đó là: chỉ có các kênh SDCCH/8, TCH, và kênh dữ liệu gói được phép nhảy tần, và khe thời gian số 0 mang kênh BCCH của sóng mang BCCH (sóng mang f0) không được phép nhảy tần cho dù nó thuộc về nhóm kênh được nhảy tần vì để cho phép các thuê bao ở các tế bào lân cận thực hiện đo lường trong chế độ rỗi

Hình 1.22 Định tuyến các cụm từ TRX đến máy phát ở nhảy tần băng gốc

Nhảy tần băng gốc có đặc điểm là mỗi bộ TRX đƣợc ấn định một tần số cố định, số tần số dùng để nhảy tần bằng với số bộ TRX, tần số BCCH đƣợc nhảy tần ngoại trừ kênh BCCH nằm trên TS0 Khi phát, các cụm đƣợc định tuyến đến các bộ phát thích hợp với tần số riêng biệt

Hình 1.22 minh hoạ sơ đồ đấu nối 4 bộ thu phát sử dụng nhảy tần băng gốc Các tập tần số nhảy tần sẽ đƣợc xác định nhƣ sau: HFS1 = {f0}; HFS2 = {f1, f2, f3}; HFS3 = {f0, f1, f2, f3} Khi đó kênh vật lý cơ bản (BPC) của TS0 trên bộ thu phát tần số BCCH sẽ không nhảy tần (HFS1), còn các kênh vật lý cơ bản khác của TS0 trên các bộ thu phát khác nhảy tần với tập tần số HFS2 và các kênh vật lý cơ bản của TS1÷ TS7 trên tất cả các bộ thu phát còn lại nhảy tần với tập tần số HFS3 Hình 1.23 là cấu hình kênh cho 4 bộ thu phát sử dụng nhảy tần băng gốc nói trên

Hình 1.23 Cấu hình kênh cho 4 bộ thu phát trong nhảy tần băng gốc

Nhảy tần tổng hợp có đặc điểm là mỗi tế bào đƣợc chia thành 2 hoặc nhiều nhóm kênh (ít nhất là 2 nhóm kênh), số tần số nhảy tần không phụ thuộc vào số bộ TRX (đối với thiết bị của Ericsson có thể lên đến 32 tần số), tần số BCCH không đƣợc phép nhảy tần kể cả các kênh TCH còn lại nằm trên các khe thời gian khác từ

TS1÷TS7 Điều đó có nghĩa là tất cả các TS nằm trên tần số sóng mang BCCH dù

có bị nhiễu cũng không được phép nhảy tần, chỉ có các TS không thuộc sóng mang BCCH mới được phép nhảy tần Khi phát, máy phát phải tự điều chỉnh đến tần số thích hợp cho từng cụm

Hình 1.24 Định tuyến các cụm từ TRX đến máy phát ở nhảy tần tổng hợp

Hình 1.24 minh hoạ sơ đồ đấu nối 4 bộ sử dụng nhảy tần tổng hợp Tất cả các khe thời gian từ TS0÷TS7 sử dụng tần số f0 là tần số sóng mang BCCH không được phép nhảy tần Vì vậy, tần số này được gán cho một nhóm kênh, thường là nhóm kênh số 0 và không nhảy tần, thông số HOP = OFF Các tần số còn lại được gán cho các nhóm kênh khác tuỳ theo loại tần số là 900 MHz hoặc 1800 MHz được dùng cho kênh TCH trên các khe thời gian từ TS0÷TS7 và nhảy tần từ f1÷fn Hình 1.25 là cấu hình kênh cho 4 bộ TRX sử dụng nhảy tần tổng hợp nói trên

Hình 1.25 Cấu hình kênh cho 4 bộ TRX trong nhảy tần tổng hợp

Trong thực tế nhảy tần băng gốc ít được sử dụng hơn so với nhảy tần tổng hợp Nhảy tần băng gốc có số tần số nhảy tần bị giới hạn bằng với số bộ TRX nên

độ lợi nhảy tần thấp với những tế bào có cấu hình nhỏ hơn 4 bộ TRX Còn nhảy tần tổng hợp có số tần số nhảy tần không phụ thuộc vào số bộ TRX nhưng phải cần số