3.2.7 Điều chế
Điều chế là phép toán chuyển đổi từ một tín hiệu mang tin tức sang một tín hiệu khác mà không làm thay đổi về tin tức mang theo.
Điều chế GMSK (Gausian Minimum Shift Keying) GSM sử dụng phương pháp điều chế khoá chuyển pha cực tiểu GMSK. Đây là phương pháp điều chế băng hẹp dựa trên kỹ thuật điều chế dịch pha. Để giải thích GMSK, trước hết chúng ta xét MSK
bằng cách so sánh nó với PSK. Ta có thể trình bày sóng mang đã được điều chế đối với PSK và MSK như sau:
S(t) = A.cos(wOt + cpt + (pO ) Trong đó: A là biên độ không đổi.
(jù0=2rĩf [rad/s] là tân sơ góc của sóng mang.
(pt là góc pha phụ thuộc vào luồng số đưa lên điều chế. (po là góc pha ban đầu.
Mục đích dùng GMSK là để tạo ra tín hiệu băng thông nhỏ, độ dịch tần nhỏ.
GMSK MSK
3.2.8 Bộ cân bằng Viterbi
Ở đường truyền dẫn vô tuyến do ảnh hưởng phản xạ từ nhiều vật khác nhau (pha đinh đa tia) dẫn đến giao thoa giữa giữa các các hiệu ISI (Inter Symbol Interference) gây ra lỗi bit. Đe giải quyết vấn đề người ta áp dụng nguyên lý của máy thu tối ưu: đây là một máy thu thơng minh có khả năng xây dựng được mơ hình kênh truyền thống ở mọi thời điểm. Ở GSM máy thu này được thực hiện ở vụ cân bằng Viterbi. Để bộ cân bằng có thể xây dựng được mơ hình kênh ở các thời điểm khác nhau, chuồi bit hướng dẫn (S=26) được phát đi ở giữa cụm, chuỗi này sẽ phản ánh tương đối đúng tình trạng truyền sóng cho máy thu. Do chuỗi này được máy thu biết trước nên dựa trên sự sai lệch của chuỗi này máy thu có thể xây dựng được mơ hình kênh ở thời điểm đang xét. Sau đó máy thu sẽ cho các tổ họp bit khác nhau có thể có qua mơ hình kênh và chọn tổ họp nào cho đầu ra mơ hình kênh giống tổ hợp thu được nhất, để việc lựa chọn tổ họp họp nhanh nhất người ta sử dụng thuật toán Viterbi. Nguyên lý của thuật tốn này là trong khi tính tốn ta loại bỏ các tổ hợp vào có xác suất thấp nhờ vậy giảm được số lượng tính tốn cần thiết. Bộ cân bang Viterbi ở GSM cho phép xử lý các tín hiệu phản xạ tới 15 qs. Bộ cân bằng cũng đưa ra thông tin mềm (SOFT INFO) đến giải mã kênh để tạo điều kiện cho bộ này hiệu chỉnh lỗi được tốt hơn.
Hình 3.8: Mạng báo hiệu.
Ký hiệu: SP: Signalling Point - Điểm báo hiệu.
STP: Signalling Transfer Point - Điểm truyền báo hiệu.
Các phần tử của mạng báo hiệu:
- Các đoạn nối báo hiệu SL.
Các đoạn nối báo hiệu là các phần tử cơ bản trong một mạng báo hiệu dùng đẻ nối hai điểm báo hiệu với nhau. SL đảm bảo điều khiển việc truyền các bản tin khơng mắc lỗi và trình tự truyền các bản tin.
- Các điểm báo hiệu SP.
Các điểm báo hiệu đảm bảo các chức năng của mạng báo hiệu và có thể thu tín hiệu từ các người sử dụng hoặc phát tín hiệu tới các người sử dụng khác nhau.
3.3.2 Mơ hình phân lớp và các giao diện ờ mạng báo hiệu GSM.
GSM sử dụng báo hiệu kênh chung số 7 (CCSN7-Common Channel Signalling Number 7) giữa các tổng đài và báo hiệu thuê bao số của ISDN (DSS1- Digital Subscriber Signalling 1) cải tiến cho mạng truy nhập thuê bao vô tuyến. Trong phần này ta sẽ xét mơ hình phân lớp của các báo hiệu này. CCSN7 và DSS1 được thiết ke để có thể sắp đặt trên mơ hình 7 lóp của OSI. Sự tương ứng giữa CCSN7 và DSS1 cải tiến cho GSM và mơ hình OSI 7 lóp được cho ở hình sau.
081 VLR, HUR. GMSC
MSC.'
Hình 3.9: Mơ hình báo hiệu ờ GSM được sắp xếp theo mơ hình OSI 7 lớp.
Ký hiệu:
CM (Connection Management): Quản lí nối thơng. MM (Mobility Management): Quản lí di động.
RR (Radio Resource Management): Quản lí tài nguyên vô tuyển.
LAPDm (Link Access Procedures on Dm-channel): Các thủ tục truy nhập truyền ở kênh Dm.
LAPD (Link Access Procedures on D-channel): Các thủ tục truy nhập truyền ở kênh D.
BSTM (BTS Management): Quản lý trạm gốc.
BSSAP (Base Station System Application Part): Phần ứng dụng hệ thống trạm gốc.
SCCP (Signalling Connection Control Part): Phan điều khiển nối thông báo hiệu.
MTP (Message Tranfer Part): Phần truyền bản tin.
TCAP (Transation Capabilities Application Part): Phần ứng dụng các khả năng trao đổi.
ISƯP (ISDN User Part): Phần người sử dụng ISDN.
TUP (Telephone User Part): Phần người sử dụng điện thoại.
Tổng quan các giao thức và giao diện báo hiệu ở GSM được cho ở hình 2.10. Các giao diện được ký hiệu bằng các chừ cái A đến G. Riêng giao diện giữa BSC và BTS được ký hiệu A-bis và giao diện giữa BTS và MS được ký hiệu là Um. Các giao thức liên quan đến di động là MAP, còn các giao thức liên quan đến kết nối mạch là TUP hoặc ISUP.
Hình 3.10: Tổng quan các giao thức và giao diện giữa các phần tử của mạng ở GSM. GSM.
Lưu ý: Giao thức giữa các MSC có thể là MAP (chuyển giao) hoặc ISUP (khi kết nối cuộc gọi).
Ở phía bên trái của đường thẳng đứng khơng liên tục ở hình 2.10 là các giao thức cho báo hiệu kênh chung số 7 giữa MSC với VLR, HLR, GMSC và PSTN. Các giao thức MSC và VLR, HLR, GMSC bao gồm:
- MAP/TCAP: Phần ứng dụng các khả năng di động/ Phần ứng dụng các khả năng trao đổi lớp 7.
- SCCP: Phần điều khiển nối thông báo hiệu lớp 3. - MTP: Phần truyền bản tin lóp 1-3.
Các giao thức giữa PSTN và MSC bao gồm:
— ISUP/TUP: Phần người sử dụng ISDN/Phần người sử dụng điện thoại lớp 4-7. - MTP lớp 1-3.
Trong đó MTP được sử dụng như là môi trường truyền dẫn và để định tuyến cũng như đánh giá địa chỉ. SCCP bổ sung các chức năng để thiết lập các đấu nối logic và để mở rộng thêm cho việc đánh địa chỉ và định tuyến. Cả hai tạo nên phần phục vụ mạng và tương ứng với các lóp 1,2,3 của OSI 7 lớp.
TCAP và MAP đều là các giao thức lóp 7. TCAP đảm bảo chức năng thơng tin với đầu ra của đường báo hiệu và thiết lập các hội thoại nhiều người sử dụng. MAP là giao thức dành riêng cho GSM, nó được sử dụng ở hệ thống con chuyển mạch ss của PLMN (Public Land Mobile Network - Mạng thông tin di động mặt đất).
ISDN và TƯP là các giao thức lớp 7 giữa PSTN và MSC để thiết lập và giám sát cuộc gọi.
3.3.3 Báo hiệu kênh chung số 7 (CCSN7) ở GSM.
Hệ thống báo hiệu số 7 là hệ thống báo hiệu kênh chung, có nhiệm vụ truyền thơng tin báo hiệu giữa các tổng đài với nhau để thiết lập, kết nối, quản lý và giám sát các phiên truyền thông (cuộc gọi thoại, truyền số liệu, hình ảnh....). Với nhiều ưu điểm sau:
- Dung lượng truyền báo hiệu cao, một kênh báo hiệu có thể đảm bảo báo hiệu cho 5000 mạch tiếng.
— Cho phép sử dụng nhiều dịch vụ mới.
- Cho phép giảm kích thước của các thiết bị vì khơng cần thiết phải ấn định thiết bị báo hiệu riêng cho từng mạch tiếng.
- Độ tin cậy cao nhờ có các tuyển và các nút báo hiệu dự phòng.
Hệ thống báo hiệu số 7 phát các khung ở dạng các khối tín hiệu. Có ba loại khối tín hiệu được sử dụng với ba mục đích khác nhau:
- LSSU (Link Status Signal Unit): Khối tín hiệu đoạn nối được sử dụng để khởi động một đoạn nối báo hiệu khi xảy ra lồi trên đoạn này. Các trường SIF (chi thị dịch vụ) và SIO (thông tin báo hiệu) được thay bằng một trường trạng thái SF được tạo ra bởi đầu cuối báo hiệu.
- FISU (Fill In Signal Unit): Khối tín hiệu chèn được sử dụng để giám sát lồi đoạn nối và duy trì đoạn nối làm việc khi MSU khơng được phát.
- MSU (Message Signal Unit): Khối tín hiệu bản tin được sử dụng để mang thông tin báo hiệu của phần người sử dụng, khi xảy ra lỗi MSU được phát lại.
3.3.4 Báo hiệu ỏ’ BSS a/ Giao diện A
Đây là giao diện giữa MSC và BSC của hệ thống trạm gốc BSS. Giao diện này được sử dụng cho các bản tin giữa MSC, BSC và các bản tin giữa MSC và MS.
b/ Giao diện A-bis
Đây là giao diện giữa BSC và BTS, các bản tin được trao đổi ở giao diện này có nhiều nguồn gốc và nới nhận khác nhau: bản tin giữa BSC và BTS (để điều khiển BTS), giữa MS với các phần tử khác nhau của mạng và các bản tin này có thể xuất xứ từ các MS khác nhau (trên các kênh vô tuyến khác nhau).
c/ Giao diện vô tuyến Um
Giao tiếp giữa trạm thu phát BTS và máy đầu cuối di động MS thơng qua giao diện Um, cịn được gọi là giao diện không gian (Air Interface) hay liên kết vơ tuyến (Radio link).
3.4 Một số trưịng hợp báo hiệu
Trong phần này ta sẽ xét các trường hợp báo hiệu ở mạng GSM để minh họa.
3.4.1 Bật tắt máy ở trạm di động
Khi MS mới bật nguồn nó phải thực hiện đăng ký lần đầu để nhập mạng. Quá trình này được thực hiện như sau:
- Trước hết trạm MS quét để tìm được tần số đúng ở kênh FCCH.
- Sau đó MS sẽ đọc được các thơng tin về mạng và thơng tin của BTS mà nó nhận dạng định vị thơng qua kênh BCCH.
- Cuối cùng nó u cầu cập nhật vị trí để thơng báo cho VLR phụ trách và HLR về vị trí của mình. Các cơ sở dữ liệu này sẽ ghi lại tại LAI hiện thời của MS. Giống như ở cập nhật vị trí bình thường thơng tin về LAI được MS nhận từ kênh BCCH.
Bắt đầu từ lúc MSC/VLR cơng nhận là MS tích cực và đánh dấu cờ “truy nhập vị trí tích cực” vào trường dữ liệu của mình. Cờ này gắn với một số nhận dạng thuê bao: IMSI (International Mobile Subscriber Identity- Nhận dạng thuê bao quốc tế). Các trao đổi báo hiệu giữa các phần tử mạng được cho ở hình 2.11.
(2) Yẻu cáu cáp nhặt V? tri (IMiSi ỏ MSC mới) (3): Châp nhận cẠp nhật vị tri
(4): Cơng nhân Gâp> nhát VỊ tri
Hình 3.11: Đăng ký lần đầu khi bật nguồn.
Khi tắt nguồn một trạm MS hay lấy ra SIM CARD ra khỏi MS thì sẽ xảy ra quá trình trao đổi báo hiệu. Các trao đổi báo hiệu trong trường hợp này được thực hiện như sau:
— MS yêu cầu một kênh báo hiệu để phát đi bản tin thông báo cho mạng rằng MS chuẩn bị vào trạng thái khơng tích cực. Điều này có nghĩa rằng mạng khơng thể đạt đến MS nữa.
- MSC sẽ gửi bản tin IMSI đến VLR. Bản tin này không được trả lời cơng nhận vì MS sẽ khơng nhận được trả lời này. VLR sẽ thiết lập cờ rời bỏ IMSI và từ chối các cuộc gọi đến trạm MS.
- Thông tin chuyển trạng thái có thể được lưu giữ tại VLR. Tùy chọn cờ rời mạng có thể cũng được thiết lập ở HLR và công nhận được gửi trở lại VLR.
3.4.2 Cập nhật vị trí
Cập nhật vị trí xảy ra khi trạm di động đang ở trạng thái rỗi nhưng nó di chuyển từ một vùng định vị này sang vùng định vị khác. Khi này trạm di động phải thơng báo cho mạng về vị trí mới của nó để mạng ghi lại vị trí mới này vào VLR hoặc nếu cần thiết vào HLR.( Hình 3.12)
Thơng tin để thực hiện cập nhật vị trí dựa trên LAI được thơng báo thường xun từ BCCH của mỗi ơ.
Hình 3.12: Các trường hợp cập nhật vị trí khác nhau.
Tồn tại hai dạng cập nhật vị trí:
- MS chuyền từ ô 3 thuộc LA2 sang ô 4 thuộc LAI. Cả hai ô này đều trực thuộc cùng một MSC/VLR. Trong trường hợp này cập nhật vị trí khơng cần thơng báo đến HLR vì HLR chỉ quản lý vị trí MS đến tổng đài MSC đang phục vụ nó. - MS chuyển từ ơ 3 thuộc LA2 sang ô 5 thuộc LA3, Hai ô này trực thuộc hai tổng
đài MSC khác nhau, vì thế cập nhật vị trí phải được thơng báo cho HLR để nó ghi lại vị trí của MSC//VLR mới. Ngồi ra thơng tin về th bao cũng được ghi lại ở VLR mới và xóa đi ở VLR cũ.
3.4.3 Cuộc gọi khỏi xướng từ trạm di dộng MOC (Mobile Originated Call).
Khi trạm MS ở trạng thái tích cực và đã đăng ký ở MSC/VLR phụ trách ơ, MS có thể thực hiện cuộc gọi. Quá trình thực hiện cuộc gọi được cho như sau.(Hình 2.13)
Ký Wu: (4) . .. _ _____ . _ --------- "■■■■■■ ........ 1a, 1 b Thiết lộp két RR 2: Chỉ thị dịch vu <s>______________________ 3: Nhân ——...... ..........................»
5; Khởi đấu cuộc gọt * 6: Ấn định kénh TCM.
(7) 7 Khàng định cuộc gcx.
8: Chấp nhận cuộc gơf
Hình 3.13: Thiết lập cuộc gọi khởi xướng từ MS.
(1) Đầu tiên MS gửi yêu cầu xin cấp phát kênh đến BTS thông qua kênh truy xuất ngẫu nhiên RACH.
(2) MS thơng báo rằng nó muốn thiết lập cuộc gọi. số nhận dạng trạm di động được phân tích và MS được đánh dấu bận ở VLR.
(3) Quá trình nhận thực được thực hiện để kiểm tra tính hợp lệ của MS. (4) Q trình mật mã hóa được thực hiện để bảo vệ bí mật thơng tin.
(5) MSC nhận được bản tin thiết lập từ MS có chứa thơng tin về loại dịch vụ mà MS yêu cầu, số thoại bị gọi. MSC kiểm tra là MS khơng có các dịch vụ cấm gọi ra (dịch vụ này có thể tích cực hoặc bởi th bao hoặc bởi nhà khai thác). Neu không bị cấm gọi ra quá trình thiết lập cuộc gọi được tiến hành. Giữa MSC và BSC đường truyền thiết
lập và kênh lưu lượng được chiếm. MSC gửi yêu cầu đến BSC để ấn định một kênh lưu lượng cho đường vô tuyến.
(6) BSC kiểm tra nếu có kênh lưu lượng rồi nó ấn định kênh này cho cuộc gọi và yêu cầu BTS tích cực kênh này. BTS gửi trả lời cơng nhận khi việc tích cực kênh lưu lượng đã hoàn thành. BSC thơng báo cho MSC về sự hồn thành này. Hệ thống con điều khiển lưu lượng sẽ phân tích các chữ số của số thoại B và thiết lập kết nối đến thuê bao bị gọi. cuộc gọi được nối thơng qua chuyển mạch nhóm.
(7) Báo chuông sẽ được gửi đến trạm MS cho thấy rằng phía gọi đang đổ chng. Tơng chng được tạo ra ở tổng đài phía thuê bao B và được gửi qua chuyển mạch nhóm đến MS. Như vậy tơng chng được gửi qua đường vô tuyến chứ không tạo ra ở MS.
(8) Khi thuê bao B trả lời mạng gửi bản tin kết nổi đến MS thông báo rằng cuộc thoại được chấp nhận. MS trả lời bằng công nhận kết nối, như vậy thiết lập cuộc gọi đã hoàn tất.
3.4.4 Cuộc gọi kết cuối trạm di động MTC (Mobile Terminated Call)
Cuộc gọi MTC phức tạp hơn MOC vì phía gọi khơng biết hiện thời MS đang ở đâu. Ta xét một cuộc gọi vào mạng di động từ mạng cố định. Quá trình báo hiệu cho cuộc gọi này được cho như sau:(Hình 2.15)
PSTN
(1)
Hình 3.14: Cuộc gọi từ mạng cố định kết cuối ở MS.
(1) Phía chủ gọi quay số thuê bao di động bị gọi: đó là số thuộc ISDN của thuê bao di động (MS ISDN). Neu cuộc gọi được khởi đầu từ mạng cố định PSTN thì tổng đài sau khi phân tích số thoại sẽ biết rằng đây là cuộc gọi cho một thuê bao GSM.
(2) Cuộc gọi được định tuyến đến tổng đài GMSC gần nhất, đây là một tổng đài có khả năng hỏi và định lại tuyến. Bằng phân tích MSISDN tổng đài GMSC tìm ra HLR nơi MS đăng ký.
(3) GMSC hỏi HLR thông tin để có thể định tuyến đến MSC/VLR đang quản lý MS. Bằng HLR tìm ra địa chỉ của VLR nơi MS đang đăng ký tạm thời.
(4) HLR giao tiếp với VLR để nhận được số lưu động thuê bao (MSRN: Mobile Subscriber Roaming Number), đây là một số thoại thông thường thuộc tổng đài MSC.
(5) VLR gửi MSRN đến HLR, sau đó HLR chuyển số này đến GMSC.
(6) Bằng MSRN, GMSC có thể định tuyến lại cuộc gọi đến MSC tương ứng. GMSC gửi bản tin nhận được từ PSTN đến MSC.
(7) MSC biết được vị trí của MS và nó gửi bản tin tìm gọi đến tất cả các BSC đang quản lý vùng định vị này.
(8) MSC gửi LAI (nhận dạng vùng định vị) xuống các BSC và BSC phân phát bản tin tìm gọi đến các BTS.
(9) Để tìm gọi MS, IMSI được sử dụng, có thể sử dụng số nhận dạng tạm thời TMSI