a. Giới thiệu hệ thống GSM
được s d ng bử ụ ởi hơn 2 tỷ người trên 212 qu c gia và vùng lãnh th . Các m ng thông ố ổ ạ tin di động GSM cho phép có th roaming vể ới nhau do đó những máy điện tho i di ạ động GSM c a các m ng GSM khác nhau có th s dủ ạ ở ể ử ụng được nhiều nơi trên thế giới. V i chớ ất lượng cu c g i t t, giá thành th p, d ch v tin nh n, kh ộ ọ ố ấ ị ụ ắ ả năng phủ sóng r ng khộ ắp nơi, khả năng triển khai thi t b t nhi u ngu n cung ế ị ừ ề ồ ứng cho phép người dùng có th s dể ử ụng điện tho i c u h ạ ả ọ khắp nơi trên thế giới… đã làm cho GSM trở thành chu n ph bi n nhẩ ổ ế ất cho điện thoại di động.
Được nghiên c u và chu n hóa t ứ ẩ ừ năm 1982 bởi CEPT (European Conference of Pastal and Telecommunication Administrations), v i mớ ục tiêu cho phép thuê bao lưu động kh p Châu Âu. Mắ ạng điện thoại di động s d ng công ngh ử ụ ệ GSM được chính thức cung c p d ch v u tiên b Radiolinja Phấ ị ụ đầ ở ở ần Lan. Vào năm 1993 đã có hơn 1 triệu thuê bao s d ng m ng GSM c a 70 nhà cung c p d ch v trên 48 qu c gia. Ngày ử ụ ạ ủ ấ ị ụ ố nay, GSM đã trở thành chu n toàn c u v i giao diẩ ầ ớ ện được chu n hóa, máy thu GSM ba ẩ băng tần có th ể lưu động toàn c u. Mầ ạng thông tin di động GSM hoạt động trên các băng tần GSM 900MHz, DCS 1800MHz, PCS 1900 MHz. S dử ụng phương thức đa truy c p TDMA/FDMA (8 thuê bao / 200 kHz). ậ [17]
Đố ới v i các m ng s dạ ử ụng băng tần 900 MHz thì đường lên (t ừ thuê bao di động đến tr m truy n d n uplink) s d ng t n s trong d i 890ạ ề ẫ ử ụ ầ ố ả –915 MHz và đường xu ng ố downlink s dử ụng t n s trong d i 935ầ ố ả –960 MHz. Và chia các băng tần này thành 124 kênh với độ ộng băng thông 25 MHz, mỗ r i kênh cách nhau 1 kho ng 200 kHz. Kho ng ả ả cách song công (đường lên & xu ng cho 1 thuê bao) là 45 MHz. ố
Băng tần chuẩn GSM900 đã được m r ng thành E-GSM, nhở ộ ằm đạt được d i ả t n rầ ộng hơn. E-GSM dùng 880–915 MHz cho đường lên và 925–960 MHz cho đường xuống. Như vậy, đã thêm được 50 kênh (đánh số 975 đến 1023 và 0) so với băng GSM-900 ban đầu. E-GSM cũng sử ụ d ng công ngh phân chia theo th i gian TDM ệ ờ (time division multiplexing), cho phép truy n 8 kênh tho i toàn t c hay 16 kênh thoề ạ ố ại
bán t c trên 1 kênh vô tuy n. Có 8 khe th i gian g p l i g i là m t khung TDMA. Các ố ế ờ ộ ạ ọ ộ kênh bán t c s d ng các khung luân phiên trong cùng khe th i gian. Tố ử ụ ờ ốc độtruyền d ữ liệu cho c 8 kênh là 270.833 kbit/s và chu k c a m t khung là 4.615 m. Công suả ỳ ủ ộ ất phát của máy điện thoại được gi i h n tớ ạ ối đa là 2 watt đố ới băng GSM 850/900 MHz i v và tối đa là 1 watt đố ới băng GSM 1800/1900 MHz.i v
Có t t c bấ ả ốn kích thước cell site trong m ng ạ GSM đó là macro, micro, pico và umbrella. Vùng ph sóng c a m i cell ph ủ ủ ỗ ụ thuộc nhiều vào môi trường. Macro cell đượ ắc l p trên c t cao ho c trên các toà nhà cao t ng, micro cell lộ ặ ầ ại đượ ắ ởc l p các khu thành thị, khu dân cư, pico cell thì tầm ph sóng ch o ng vài ch c mét tr l i nó ủ ỉ kh ả ụ ở ạ thường đượ ắp để ếc l ti p sóng trong nhà. Umbrella l p b sung vào các vùng b che ắ ổ ị khu t hay các vùng tr ng gi a các cell. Bán kính ph sóng c a m t cell tu ấ ố ữ ủ ủ ộ ỳ thuộc vào độ cao của anten, độ ợi anten thườ l ng thì nó có th t vài trể ừ ăm mét tới vài ch c km. ụ Trong th c t thì kh ự ế ả năng phủ sóng xa nh t c a m t tr m GSM là 35 km (22 d m). ấ ủ ộ ạ ặ M t s khu v c trong nhà mà các anten ngoài tr i không th ph sóng tộ ố ự ờ ề ủ ới như nhà ga, sân bay, siêu thị... thì người ta s dùng các trẽ ạm pico đểchuyển ti p sóng t các anten ế ừ ngoài tr i vào. ờ
b. Giao di n vô tuy n ệ ể
GSM là mạng điện thoại di động thi t k g m nhi u t ế ế ồ ề ế bào do đó các máy điện thoại di động k t n i v i mế ố ớ ạng b ng cách tìm ki m các cell g n nó nh t. Các mằ ế ầ ấ ạng di động GSM hoạt động trên 4 băng tần. H u h t thì hoầ ế ạt động ở băng 900 Mhz và 1800 Mhz. Vài nướ ởc Châu M thì s dỹ ử ụng băng 850 Mhz và 1900 Mhz do băng 900 Mhz và 1800 Mhz ở nơi này đã bị ử ụng trướ s d c.Và c c k hi m có m ng nào s d ng t n s ự ỳ ế ạ ử ụ ầ ố 400 Mhz hay 450 Mhz ch ỉ có ở Scandinavia s d ng dử ụ o các băng tần khác đã bị ấ c p phát cho vi c khác. Các m ng s dệ ạ ử ụng băng tần 900 Mhz thì đường lên (t thuê bao di ừ động đến tr m truy n d n uplink) s d ng t n s trong d i 890-ạ ề ẫ ử ụ ầ ố ả 915 MHz và đường
thành 124 kênh với độ ộng băng thông 25 Mhz, mỗ r i kênh cách nhau 1 kho ng 200 ả Khz. Khoảng cách song công (đường lên & xu ng cho 1 thuê bao) là 45MHz. m t s ố Ở ộ ố nước, băng tần chuẩn GSM900 được m r ng thành E-GSM, nhở ộ ằm đạt được d i t n ả ầ r ng hộ ơn. E-GSM dùng 880–915 MHz cho đường lên và 925–960 MHz cho đường xuống. Như vậy, đã thêm được 50 kênh (đánh số 975 đến 1023 và 0) so với băng GSM- 900 ban đầu. E-GSM cũng sử ụ d ng công ngh phân chia theo th i gian TDM ệ ờ (time division multiplexing), cho phép truy n 8 kênh tho i toàn t c hay 16 kênh thoề ạ ố ại bán t c trên 1 kênh vô tuy n. Có 8 khe th i gian g p l i g i là m t khung TDMA. Các ố ế ờ ộ ạ ọ ộ kênh bán t c s d ng các khung luân phiên trong cùng khe th i gian. Tố ử ụ ờ ốc độtruyền d ữ liệu cho c 8 kênh là 270.833 kbit/s và chu k c a m t khung là 4.615 m. Công suả ỳ ủ ộ ất phát của máy điện thoại được gi i h n tớ ạ ối đa là 2 watt đố ới băng GSM 850/900 Mhz i v và tối đa là 1 watt đố ới băng GSM 1800/1900 Mhz.i v
c. C u trúc h ấ ệ thống thông tin di động toàn c u GSMầ
H ệthống thông tin di động toàn cầu GSM được chia làm 3 phân h . Bao gệ ồm: - Phân h ệchuyển mạch – NSS (Network Switching Subsystem).
- Phân h vô tuy n RSS (Radio SubSystem) = BSS + MS. ệ ế –
- Phân h v n hành và bệ ậ ảo dưỡng OMS (Operation and Maintenance Subsystem). –
Trạm di động MS: Bao gồm thi t b ế ị di động ME (Mobile Equipment) và Module nh n d ng thuê bao (SIM ậ ạ – Subscriber Indentity Module). SIM lưu giữ các s nhố ận d ng IMSI, TMSI, khóa nh n th c Kạ ậ ự i khóa m t mã Kậ c , số ệ hi u nh n dậ ạng vùng định v ị LAI (Location Area ID), danh sách các t n s lân c n. ầ ố ậ
S ố IMSI: International Mobile Subscriber Identity được s d ng nh m nhử ụ ằ ận d ng MS b i h ng, ph c v báo hiạ ở ệthố ụ ụ ệu và điều khi n. ể
Hình 1.1. C u trúc mấ ạng thông tin di động GSM
S MSISDN: Mobile Station ISDN number là s danh b ố ố ạ ,được nh n d ng bậ ạ ởi thuê bao, ph c v quá trình thi t l p cu c gụ ụ ế ậ ộ ọi.
S nh n d ng thuê bao t m th i TMSI ố ậ ạ ạ ờ
Hình 1.2. C u trúc s nh n d ng IMSI ấ ố ậ ạ – TMSI được b ộ ghi định v t m trúc VLR c p phát cho MS. ị ạ ấ
– TMSI nh n d ng duy nh t mậ ạ ấ ột MS trong vùng điều khi n c a 1 VLR. ể ủ – TMSI có c u trúc tấ ối đa 32 bits.
Phân h m g c BSS (Base Station Subsystem)ệ trạ ố : Bao g m b ồ ộ chuyển đổi mã và ph i h p tố ợ ốc độ (TRAU), b u khi n tr m g c BSC và nhi u tr m thu phát ộ điề ể ạ ố ề ạ gốc (BTS). BSS được k t n i v i NSS qua luế ố ớ ồng PCM cơ ởs 2Mbps.
u khi n m t s m BTS x lý các b n tin báo hi u- i t o k t n i. -
BSC Điề ể ộ ốtrạ ử ả ệ Khở ạ ế ố
Điều khi n chuy n giao : Intra & Inter BTS HO-K t nể ể ế ối đến các MSC, BTS và OMC, thực hi n x lý cu c g i, v n hành, bệ ử ộ ọ ậ ảo dưỡng và cung c p các giao ti p gi a BSS và ấ ế ữ MSC. Chức năng cơ bản c a BSS bao g m vi c qu n lý kênh vô tuy n và chuy n tiủ ồ ệ ả ế ể ếp các thông tin báo hiệu đến MS hoặc ngượ ạc l i.
m thu phát g c BTS: Th c hi n các ch n, ánh x
Trạ ố ự ệ ức năng thu phát vô tuyế ạ
kênh logic vào kênh v t lý, mã hóa/gi i mã hóa, mậ ả ật mã hóa/gi i mả ật mã hóa, điều chế ải điề/gi u ch . BTS cung c p các kênh vô tuy n cho vùng ph sóng c a nó. Vùng ế ấ ể ủ ủ ph sóng c a BTS có th ủ ủ ể được thi t k ế ế đẳng hướng ho c theo ki u sector. BTS ghép 4 ặ ể kênh tho i 16 kbps (tạ ốc độ phù h p vợ ới kênh 13 kbps được dùng Air interface) vào ở trong m t kênh 64 kbps trên kênh giao ti p BTS và BSC. BSC s nh tuy n cho kênh ộ ế ẽ đị ế 64kbps đến b chuy n mã xa (RXCDR) trong MSC. Tộ ể ở ở ại đây, kênh 64kbps được chuyển thành 4 kênh 16kbps , sau đó một kênh 16kbps được chuy n thành 64kbps ể A_law giao ti p RXCDR và chuyở ế ển đến MSC. BSS n i v i NSS thông qua lu ng ố ớ ồ PCM cơ sở 2 Mbps, M ng và h th ng chuy n mạ ệ ố ể ạch Network and Switching Subsystem (ph n này g n gi ng v i mầ ầ ố ớ ạng điện tho i c ạ ố định). Đôi khi người ta còn gọi nó là m ng lõi (core network). Ph n m ng GPRS (GPRS care network) Ph n này là ạ ầ ạ ầ m t ph n lộ ầ ắp thêm để cung c p d ch v truy c p Internet. Và m t s ph n khác ph c v ấ ị ụ ậ ộ ố ầ ụ ụ việc cung c p các d ch v cho mấ ị ụ ạng GSM như gọi, hay nhắn tin SMS..., Máy điện tho i ạ - Mobile Equipment Th SIM (Subscriber identity module). ẻ
B u khi n tr m g c BSC th c hi n các chộ điể ể ạ ố ự ệ ức năng điều khi n m t s ể ộ ố trạm BTS, x lý các b n tin báo hiử ả ệu, điều khi n, v n hành bể ậ ảo dưỡng đi/đến BTS; kh i t o ở ạ
k t nế ối, điều khi n chuy n giao Intra & Inter BTS HO, k t nể ể ế ối đến MSC, BTS và OMC.
B ộ chuyển đổi mã và ph i h p tố ợ ốc độ TRAU (TRAU: Trancoding and Rate Adaption Unit còn g i XCDR = TransCoDeR). XCDR x lý vi c giao ti p các kênh ọ ử ệ ế 64kbps mở ạng c nh v i kênh vocoder 13 kbps ố đị ớ ở “Air” interface, XCDR là một chức năng của BSS và có th t t i MSC, BSC ho c BTS. Tùy theo v ể đặ ạ ặ ị trí đặt, b ộ chuyển mã s ẽ tác động cách th c hi n vi c chuy n mã và s ự ệ ệ ể ố đường truy n 2Mbps yêu ề c u vi c k t nầ ệ ế ối các BTS đến BSC và BSC đến MSC. (Đối v i mớ ạng Vinaphone, XCDR được đặ ởt MSC).
Hình 1.4. Sơ đồ ị v trí b ộchuyển đổi mã và ph i h p tố ợ ốc độ
: Bao g m t ng MSC (Mobile
Phân h chuy n m ch NSS (SSS)ệ ể ạ ồ ổng đài di độ
Services Switching Center) , b nh v ộ đị ị thường trú HLR (Home Location Register), b ộ định v t m trú VLR (Visitor Location Register) , Trung tâm nh n th c AC ị ạ ậ ự (Authentication Center), , b ba thông s nh n thộ ố ậ ực “triple”, kh i nh n d ng thi t b ố ậ ạ ế ị EIR. Tổng đài di động MSC có chức năng: Xử lý cu c gộ ọi (call procesing), điều khiển chuyển giao (Handover control), quản lý di động (mobility management), x lý tính ử cước (billing), tương tác mạng (interworking function): GatewayMSC. HLR là cơ sở d u tham chiữ liệ ếu lưu giữ lâu dài các thông tin v thuê bao, g m các s ề ồ ố nhận d ng: ạ IMSI, MSISDN, các thông tin v thuê bao, danh sách d ch v ề ị ụ MS được/hạn ch s ế ử d ng, s hiụ ố ệu VLR đang phục v ụ MS. VLR là cơ sở ữ d liệu trung gian lưu giữ ạ t m thờithông tin v thuê bao trong vùng ph c v ề ụ ụ MSC/VLR được tham chi u t ế ừ cơ sở ữ d liệu HLR g m các s nh n d ng: IMSI, MSISDN,TMSI; s hi u nh n dồ ố ậ ạ ố ệ ậ ạng vùng định v ị đang phục v MS; danh sách d ch v ụ ị ụ MS được/hạn ch s d ng Tr ng thái c a MS ế ử ụ ạ ủ (bận: busy; r i ỗ : idle). AuC (AC) là cơ sở ữ ệu lưu giữ d li mã khóa cá nhân Ki c a các ủ thuê bao và t o ra b ba tham s nh n thạ ộ ố ậ ực „triple: RAND, Kc,SRES‟ khi HLR yêu cầu để ế ti n hành quá trình nh n thậ ực thuê bao”. EIR là cơ sở ữ ệ d li u thông tin v tính h p ề ợ l c a thi t b ME qua s IMEI. M t thi t b s có s IMEI thu c 1 trong 3 danh sách: ệ ủ ế ị ố ộ ế ị ẽ ố ộ
danh sách tr ng (white list) -ắ > valid ME, danh sách đen (black list) -> stolen ME, danh sách xám (gray list) -> ME is fauly or do not meet curent GSM specifications.
Phân h v n hành và bệ ậ ảo dƣỡng OMS: Các thành ph n c a phân h NSS và ầ ủ ệ BSS (BSC, BTS,TRAU) được điều hành, theo dõi và bảo dưỡng t p trung thông qua ậ phân h OMS. OMS có th bao g m 1 ho c nhi u trung tâm v n hành bệ ể ồ ặ ề ậ ảo dưỡng OMC ( Operation & Maintenance Center). OMS được phân chia thành OMC-S (switching) có chức năng quản lý phân h BSS , OMC-R (Radio) có chệ ức năng quản lý phân h ệ BSS. OMC th c hi n các chự ệ ức năng Quản lý c nh báo (Event/alarm manegament), ả quán lý l i (Fault manegament), qu n lý chỗ ả ất lượng (performance manegament), quản lý c u hình (configuration manegament), qu n lý b o m t (sercurity manegament). ấ ả ả ậ
1.2. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.2 . .1 Thế hệ đầu tiên của công nghệ điện thoại di động (1G)
Thế ệ đầ h u tiên c a công ngh n thoủ ệ điệ ại di động 1G s d ng công ngh ử ụ ệ tương tự , phương thức đa truy nhập phân chia theo t n s ầ ố FDMA và điều ch t n s ế ầ ố FM để truyền kênh tho i trên sóng vô tuyạ ến đến thuê bao điện thoại di động. V i FDMA, ớ người dùng được c p phát m t kênh trong t p h p có tr t t các kênh tronấ ộ ậ ợ ậ ự g lĩnh vự ầc t n số. Trong trường h p n u s thuê bao nhiợ ế ố ều vượt tr i so v i các kênh t n s có th , thì ộ ớ ầ ố ể m t s ộ ố người b ị chặn lại không được truy c p.. Các h ậ ệ thống điển hình bao g m: ồ AMPS, TACS và NMT. H ệthống FDMA điển hình là h ệthống điện thoại di động tiên tiến AMPS với các đặc điểm như mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc su t thố ời gian thông tuy n; nhi u giao thoa do t n s các kênh lân cế ễ ầ ố ận nhau là đáng kể; tr m thu ạ phát g c BTS ph i có b thu phát riêng làm vi c v i m i MS trong cell.ố ả ộ ệ ớ ỗ
H ng thôệ thố ng tin di động th h u tiên cung c p d ch vế ệ đầ ấ ị ụ đơn thuần là tho i. V i ạ ớ chất lượng th p và b o m t kém và có nhi u h n ch ấ ả ậ ề ạ ế như phân bổ ầ t n s r t h n chố ấ ạ ế,
môi trường fading đa đường; không cho phép giảm đáng kể giá thành c a thi t b di ủ ế ị động và cơ sở ạ ầng, không đả h t m b o tính bí m t c a các cu c gả ậ ủ ộ ọi; không tương thích giữa các h thệ ống khác nhau, đặc bi t ệ ở châu Âu, làm cho thuê bao không th s d ng ể ử ụ được máy di động c a mình ủ ở các nước khác; Chất lượng th p và vùng ph sóng h p.ấ ủ ẹ
APMS (Advanced Mobile Phone Service) d ch v n thoị ụ điệ ại di động tiên ti n. ế Công ngh n thoệ điệ ại di động analoge đã từng đượ ử ục s d ng B c & Nam M & khở ắ ỹ ắp 35 nước khác. V n hành trong d i t n s 800MHz s d ng công ngh ậ ả ầ ố ử ụ ệ FDMA. Đây là h ệ thống điện thoại di động t ong do AT&T và Motorola Hoa K xuổ – ỳ đề ấ ử ụt s d ng vào năm 1982. Vì nguồn t n s là có gi i h n, nên yêu c u s d ng hi u qu là c n ầ ố ớ ạ ầ ử ụ ệ ả ầ thiết; do đó vùng phục v rụ ộng được phân chia thành các ô nh và d ch v cung c p s ỏ ị ụ ấ ử d ng m t t n s nhụ ộ ầ ố ất định v i m t công su t nh cho phép các BS cách xa mớ ộ ấ ỏ để ở ột