2.1.1. Hệ thống thụng tin di động toàn cầu (GSM)
GSM trước đõy được biết như Groupe Speciale Mobile (nhúm di động đặc biệt), là nhúm đó phỏt triển nú, được thiết kế từ sự bắt đầu như một dịch vụ tế bào số quốc tế. Giao tiếp vụ tuyến của GSM dựa trờn cụng nghệ TDMA. í định ban đầu là cỏc thuờ bao GSM cú khả năng di chuyển qua cỏc biờn giới quốc gia sẽ nhận được cỏc dịch vụ di động và cỏc tớnh năng đi theo cựng với họ.
Kiểu GSM của Chõu 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 vựng đụng bắc California và Nevada. Do PCS 1900 sử dụng tần số 1900 MHz, nờn cỏc điện thoại khụng cú khả năng kết nối hoạt động với điện thoại GSM hoạt động trong cỏc mạng ở tần số 900 MHz hay 1800 MHz. Tuy nhiờn vấn đề này cú thể khắc phục được với cỏc mỏy điện thoại đa băng hoạt động trong nhiều tần số.
Vào đầu năm 1980, thị trường hệ thống điện thoại tế bào tương tự đó phỏt triển rất nhanh ở Chõu Âu. Mỗi một nước đó phỏt triển một hệ thống tế bào độc lập với cỏc hệ thống của cỏc nước khỏc. Sự phỏt triển khụng được hợp tỏc của cỏc hệ thống thụng tin di động quốc gia cú nghĩa là sẽ khụng cú khả năng cho thuờ bao sử dụng cựng một mỏy di động cầm tay khi di chuyển trong Chõu Âu. Khụng chỉ cỏc thiết bị di động bị hạn chế khai thỏc trong biờn giới quốc gia, mà cũn cú một thị trường rất hạn chế đối với mỗi kiểu thiết bị, vỡ thế tiết kiệm chi phớ cú thể khụng thực hiện được. Ngoài một thị trường trong nước đầy đủ với cỏc mẫu chung, cú thể khụng cú một nhà chế tạo nào cạnh tranh được trờn thị trường thế giới. Hơn nữa, chớnh phủ cỏc nước nhận thức rừ là cỏc hệ thống thụng tin khụng tương thớch cú thể cản trở tiến trỡnh để đạt được một tầm nhỡn chiến lược của họ về một Chõu Âu với nền kinh tế thống nhất.
Với những cõn nhắc nờu trờn, hội nghị điện thoại điện bỏo gồm 26 quốc gia chõu Âu(CEPT) đó thàng lập một nhúm nghiờn cứu gọi là Group Special Mobile vào năm
1982 để nghiờn cứu và phỏt triển một hệ thống thụng tin liờn lạc Chõu Âu. Đến năm 1986 tỡnh hỡnh trở nờn sỏng sủa vỡ một số mạng tế bào tương tự hiện tại cú thể sử dụng hết dung lượng vào năm 1990. CEPT khuyến nghị rằng 2 khối tần số trong băng tần 900MHz được dự trữ cho hệ thống mới. Tiờu chuẩn GSM chỉ rừ cỏc băng tần từ 890-915MHz cho tuyến lờn và 935-960MHz cho tuyến xuống chia thành cỏc kờnh 200KHz.
Vào năm 1989, việc phỏt triển cỏc đặc tớnh kỹ thuật của GSM đó được chuyển từ CEPT đến viện tiờu chuẩn viễn thụng chõu Âu (ETSI). ETSI được thành lập vào năm 1988 để thiết lập cỏc tiờu chuẩn viễn thụng cho chõu Âu và hợp tỏc với cỏc tổ chức tiờu chuẩn khỏc, cỏc lĩnh vực liờn quan đến truyền hỡnh và cụng nghệ thụng tin văn phũng.
ESTI đó ấn bản cỏc đặc tớnh kỹ thuật giai đoạn 1 của GSM vào năm 1990. Đến cuối năm 1998 đó cú 323 mạng GSM ở 118 nước phục vụ cho 138 triệu thuờ bao. Hiện nay, hệ thống GSM được gọi là hệ thống thụng tin di động toàn cầu (Global System for Mobile Communication).
Mạng thụng tin di động GSM là mạng thụng tin di động số cellular gồm nhiều ụ (cell). Cell là đơn vị nhỏ nhất của mạng. cú hỡnh dạng (lý thuyết) là tổ ong hỡnh lục giỏc. Trong mỗi cell cú một trạm gốc BTS liờn lạc với tất cả cỏc trạm di động MS trong cell. Khi MS di chuyển ra khỏi ngoài vựng phủ súng của cell nú phải được chuyển giao sang làm việc với BTS khỏc
Đặc điểm của hệ thống thụng tin di động số cellular là việc sử dụng lại tần số và diện tớch của mỗi cell khỏ nhỏ. Mỗi cell sử dụng một nhúm tần số kờnh vụ tuyến.
Thụng thường, một cuộc gọi di động khụng thể kết thỳc trong một cell nờn hệ thống thụng tin di động cellular phải cú khả năng điều khiển và chuyển giao (handover) cuộc gọi từ cell này sang cell lõn cận mà cuộc gọi được chuyển giao khụng bị giỏn đoạn.
2.1.2. Băng tần sử dụng trong GSM
Hỡnh 2.1 Băng tần GSM900
Gồm 125 kờnh từ 0-124, kờnh 0 dựng làm kờnh bảo vệ, độ rộng kờnh là 200kHz, phõn cỏch kờnh 45MHz.
Hệ thống EGSM được cấp phỏt băng tần:880MHz-960MHz UpLink:880MHz-915MHz
DownLink:925MHz-960MHz
Hệ thống DCS1800 được cấp phỏt băng tần:1710MHz-1880MHz UpLink:1710MHz-1785MHz
DownLink:1805MHz-1880MHz
2.1.3. Phƣơng phỏp truy nhập trong thụng tin di động
Ở giao diện vụ tuyến, MS và BTS liờn lạc với nhau bằng súng vụ tuyến. Do tài nguyờn tần số cú hạn để cú thể phục vụ càng nhiều thuờ bao di động, ngoài việc sử dụng lại tần số, số kờnh vụ tuyến được dựng theo kiểu trung kế. Hệ thống trung kế vụ tuyến là hệ thống vụ tuyến cú số kờnh sẵn sàng phục vụ ớt hơn số người dựng khả dĩ. Phương thức để sử dụng chung cỏc kờnh gọi là phương phỏp đa truy nhập: người dựng khi cú nhu cầu thỡ được đảm bảo về sự truy nhập vào trung kế.
Đa truy nhập phõn chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access): phục vụ cỏc cuộc gọi theo cỏc kờnh tần số khỏc nhau. người dựng được cấp phỏt một kờnh trong tập hợp cỏc kờnh trong lĩnh vực tần số. Phổ tần số được chia thành 2N dải tần số kế tiếp, cỏch nhau một khoảng bảo vệ. Mỗi dải tần được gỏn cho một kờnh liờn lạc, N dải dành cho liờn lạc hướng lờn, N dải cũn lại cho liờn lạc hướng xuống.
Đa truy nhập phõn chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access): khi cú yờu cầu một cuộc gọi thỡ một kờnh vụ tuyến được ấn định.
124 UL MS->BTS 2 1 124 DL BTS->MS 2 1
Cỏc thuờ bao khỏc nhau dựng chung 1 kờnh nhờ cài xen thời gian. Mỗi thuờ bao được cấp một khe trong cấu trỳc khung tuần hoàn 8 khe.
Đa truy nhập theo mó CDMA (Code Division Multiple Access): Là phương phỏp trải phổ tớn hiệu, thực hiện là gỏn cho mỗi MS một mó riờng biệt cho phộp nhiều MS cựng thu, phỏt độc lập trờn mặt băng tần nờn tăng dung lượng cho hệ thống. Hiện tại cụng nghệ CDMA đang được triển khai tại một số quốc gia. Tại Việt Nam hiện cú mạng thụng tin di động S-Fone của cụng ty Cổ phần viễn thụng Sài Gũn (SPT) đang sử dụng cụng nghệ này.
Ngoài ra cũn cú phương phỏp truy nhập theo khụng gian SDMA. Mạng GSM sử dụng phương phỏp TDMA kết hợp FDMA.
2.2. Cấu trỳc và cỏc giao diện của hệ thống GSM 2.2.1 Cấu trỳc của hệ thống GSM: 2.2.1 Cấu trỳc của hệ thống GSM:
Hệ thống GSM cú thể chia thành nhiều hệ thống con: hệ thống con chuyển mạch SS (Switching Subsystem), hệ thống con trạm gốc BSS (Base Station Subsystem), hệ thống khai thỏc và bảo dưỡng mạng (OMC - Operations & Maintenance Center).
Hỡnh 2.1 Cấu trỳc tổng quỏt của hệ thống GSM 2.2.1.1 Hệ thống trạm gốc BSS
Hệ thống BSS được chia thành hai khối chức năng chớnh: Trạm thu phỏt gốc BTS (Base Transceiver Station) và bộ điều khiển trạm gốc BSC (Base Station
Controller), ngoài ra cũn cú khối thớch ứng tốc độ chuyển đổi mó TRAU (Transcoder Rate Adaptor Unit).
Cỏc BTS thực hiện chức năng thu phỏt vụ tuyến trực tiếp đến cỏc thuờ bao di động MS thụng qua giao diện vụ tuyến Um. BTS gồm cỏc thiết bị thu, phỏt, anten, cỏc khối xử lý tớn hiệu. BTS được coi là một modem vụ tuyến phức tạp .
BSC là đài điều khiển trạm gốc. BSC quản lý giao diện vụ tuyến giữa BTS với MS thụng qua cỏc lệnh điều khiển. Đú là cỏc lệnh ấn định, giải phúng kờnh vụ tuyến và quản lý chuyển giao. Vai trũ của BSC là quản lý kờnh và quản lý chuyển giao. BSC ấn định kờnh vụ tuyến trong toàn bộ thời gian thiết lập cuộc gọi và giải phúng kờnh khi kết thỳc cuộc gọi. BSC thực hiện cỏc quỏ trỡnh chuyển giao (Handover) giữa cỏc BTS. Một BSC cú thể quản lý hàng chục BTS.
TRAU cú nhiệm vụ chuyển đổi tớn hiệu thoại thành luồng số tốc độ 64 kbit/s để truyền từ BSC đến MSC. TRAU tiếp nhận cỏc khung số liệu 16 kbit/s từ giao diện Abis giữa BTS và BSC, và nú định dạng lại thụng tin của mỗi luồng số liệu thành dạng A-TRAU để truyền đi trờn giao diện A giữa BSC và MSC. TRAU thường được đặt cựng vị trớ với BSC.
2.2.1.2. Hệ thống chuyển mạch SS
Tổng đài di động MSC (Mobile Switching Center) thực hiện chức năng chuyển mạch cho cỏc thuờ bao di động thụng qua trường chuyển mạch của nú. MSC quản lý việc thiết lập cuộc gọi, điều khiển cập nhật vị trớ và thủ tục chuyển giao giữa cỏc MSC. Việc cập nhật vị trớ của thuờ bao cho phộp tổng đài di động MSC nhận biết được vị trớ của cỏc thuờ bao di động trong qỳa trỡnh tỡm gọi trạm di động MS. MSC cú tất cả cỏc chức năng của một tổng đài cố định như tỡm đường, định tuyến, bỏo hiệu;...Điều khỏc biệt giữa tổng đài của mạng cố định và MSC là MSC thực hiện xử lý cho cỏc thuờ bao di động, thực hiện chuyển vựng giữa cỏc Cell.
Chức năng của tổng đài MSC ngoài việc kết nối với cỏc phần tử của mạng di động nú cũn kết nối với cỏc phần tử của mạng khỏc như mạng điện thoại cố định PSTN, mạng ISDN, mạng truyền số liệu PSPDN, CSPDN và mạng di động mặt đất cụng cộng PLMN khỏc. MSC thực hiện chức năng trờn gọi là MSC cổng (GMSC). Cỏc GMSC làm thờm nhiệm vụ chuyển đổi giao thức để phự hợp với từng loại mạng. Tổng đài cổng cung cấp cỏc dịch vụ kết nối từ mạng di động đến cỏc mạng khỏc (di động hoặc cố định). GMSC phục vụ cuộc thụng tin từ mạng khỏc vào mạng
GSM và từ mạng GSM ra mạng khỏc, trước hết cỏc cuộc gọi được định tuyến đến GMSC bất kể MS đang ở đõu, sau đú GMSC hỏi HLR thụng tin về MS.
HLR (Home Location Register) - Bộ đăng ký thường trỳ: chứa đầy đủ cỏc thụng tin liờn quan đến việc đăng ký dịch vụ và vị trớ của cỏc thuờ bao. HLR cú thể tớch hợp ngay trong MSC hoặc đứng độc lập.
VLR (Visitor Location Register) - Bộ đăng ký tạm trỳ. Là bộ đăng ký dữ liệu khỏch, nú chứa cỏc thụng tin về vị trớ hiện thời của thuờ bao di động trong vựng phục vụ của nú. Thụng thường cơ sở dữ liệu của VLR được tớch hợp ngay trong MSC.
Ngoài ra trong SS cũn cú khối đăng ký nhận dạng thiết bị EIR được sử dụng để quản lý cỏc mỏy di động. Mục đớch là ngăn khụng cho cỏc mỏy di động lạ được sử dụng mạng, chống việc truy nhập trỏi phộp(lấy cắp, nghe lộn thụng tin) của cỏc thiết bị khỏc. EIR quản lý số nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMEI (Số nhận dạng trạm di động theo phần cứng) của từng mỏy di động. Số nhận dạng phần cứng của mỗi thuờ bao sẽ được nhận thực nhờ EIR.
2.2.1.3. Trạm di động MS
Trạm di động MS thực hiện hai chức năng:
- Thiết bị vật lý để giao tiếp giữa MS với mạng qua đường vụ tuyến.
- Đăng ký thuờ bao: Mỗi thuờ bao phải cú một thẻ gọi là Simcad để truy nhập vào mạng.
Về cấu trỳc MS gồm hai phần chớnh là: Mobile Equipment (ME) và Subscriber Identity Module (SIM). SIM là thành phần để nhận dạng thuờ bao trong quỏ trỡnh MS hoạt động trong mạng. Cũn ME là bộ phận để xử lý cỏc cụng việc chung như thu, phỏt, bỏo hiệu....
2.2.1.4. Hệ thống khai thỏc và bảo dƣỡng mạng (OMC)
Một hệ thống GSM thường bao gồm rất nhiều trung tõm chuyển mạch MSC, bộ điều khiển trạm gốc BSC và trạm thu phỏt gốc BTS được lắp đặt tại rất nhiều vị trớ khỏc nhau trờn một vựng diện tớch lớn. OMC là hệ thống cú nhiệm vụ giỏm sỏt toàn bộ mạng GSM nhằm phục vụ cụng tỏc khai thỏc và bảo dưỡng mạng.
2.2.2. Cỏc giao diện của hệ thống GSM
Giao diện là danh giới giữa cỏc khối chức năng,tại đú khuụn dạng dữ liệu (protocol) và quỏ trỡnh trao đổi thụng tin (procedure) được chuẩn húa.
Hỡnh 2.2 Cỏc giao diện của GSM
Cỏc giao diện cơ bản:
Giao diện Um(MS-BTS):đõy là giao diện vụ tuyến
Giao diện A(BSS-MSC):để đảm bảo bỏo hiệu và lưu lượng Giao diện Abis(BTS-BSC)
Mỗi giao diện cú một giao thức riờng.
2.3. Giao diện vụ tuyến(Um)
Trong hệ thống GSM giao diện vụ tuyến là giao diện phức tạp và quan trọng nhất. Giao diện vụ tuyến GSM 900 bao gồm hai băng tần song cụng 25 MHz cho cả đường lờn và đường xuống (Uplink và Downlink) dải băng tần là 890 - 915 MHz cho hướng lờn và 935 - 960 MHz cho hướng xuống. Trong hệ thống GSM, cụng nghệ đa truy nhập phõn chia theo tần số FDMA được ứng dụng cho mỗi súng mang cú độ rộng băng tần 200 kHz. Trong băng tần 25 MHz chia làm 124 dải thụng tần, tương ứng 124 cặp kờnh. Bắt đầu từ 890,2 MHz với mỗi dải thụng tần của kờnh vật lý là 200 KHz (25MHz/125 kờnh) dải tần bảo vệ biờn là 200 KHz, tỏch biệt song cụng 45 MHz giữa tần số lờn và tần số xuống. Kờnh số 0 trong 125 kờnh được dựng làm dải phũng vệ. Khi băng 900 hết thỡ dựng băng 900 mở rộng: hướng lờn (882 915)MHz, hướng xuống (927 960) MHz. Băng 1800: hướng lờn (1710 1785)
MHz, hướng xuống (18051880) MHz. MS được chế tạo để cú thể làm việc trong 124 tần số và tần số mở rộng.
Về mặt thời gian mỗi súng mang được ghộp vào 8 khe thời gian với thời gian 577s cho mỗi khe thời gian tuõn theo cụng nghệ đa truy nhập phõn chia theo thời gian TDMA. Mỗi khe thời gian là một kờnh vật lý. Một chu kỳ nhắc lại của mỗi khe thời gian được gọi là một khung TDMA. Một khung cú độ lõu là 8 x 577 = 4.616 ms. Để thời gian thu, phỏt của một MS khụng đồng thời thỡ cỏc kờnh đường lờn và đường xuống đặt lệch nhau 3 khe thời gian. Nhờ vậy giảm ảnh hưởng của mỏy phỏt đến mỏy thu và MS cú thể sử dụng một khe thời gian cú cựng số thứ tự ở cả đường lờn lẫn đường xuống.
2.3.1. Tổ chức cỏc kờnh vụ tuyến.
- Kờnh vật lý: Trong GSM, mỗi khe thời gian được coi là một kờnh vật lý. Đõy là cỏc kờnh thực cú thể đo kiểm, quản lý bằng cỏc tham số cụ thể
- Kờnh logic: là cỏc kờnh ảo, mỗi kờnh logic truyền tin tức phục vụ một chức năng nhất định. Cỏc kờnh logic này được đặt vào cỏc kờnh vật lý để truyền đi, một hoặc nhiều kờnh logic được truyền trờn một kờnh vật lý.
2.3.2. Cỏc loại kờnh logic (Dữ liệu và điều khiển)
- Kờnh dữ liệu: TCH (Traffic Channel) toàn tốc 22.8 kbit/s, TCH bỏn tốc 11.4 kbit/s, gọi là kờnh lưu thụng (lưu lượng).
- Cỏc kờnh điều khiển: Cỏc kờnh bỏo hiệu và điều khiển được chia thành ba loại: cỏc kờnh điều khiển quảng bỏ, chung và dành riờng.
- Kờnh quảng bỏ BCH.
- Kờnh hiệu chỉnh tần số (FCCH: Frequency Correction Channel) cỏc kờnh này mang thụng tin hiệu chỉnh tần số cho cỏc trạm MS. Đú là kờnh đường xuống từ một điểm đến đa điểm.
- Kờnh điều khiển đồng bộ SCH (Synchironization Channel) kờnh này mang thụng tin để đồng bộ bớt, đồng bộ khe thời gian, khung thời gian cho MS và giỳp MS nhận dạng ụ đang quản lý mỡnh (BTS) bằng mó nhận dạng ụ. Đú là kờnh đường xuống, từ một điểm đến đa điểm.
- Kờnh điều khiển quảng bỏ (BCCH: Broad Casting Control Channel) kờnh này phỏt quảng bỏ cỏc thụng tin chung về ụ. Đõy là kờnh đường xuống từ một điểm đến đa điểm.
Kờnh điều khiển chung (CCCH: Common Control Channel).
- Kờnh tỡm gọi PCH (Paging Channel): Kờnh này là kờnh đường xuống từ điểm đến điểm, dựng để tỡm gọi trạm di động. Trong thời gian khụng cú tớn hiệu tỡm gọi thỡ nú phỏt cỏc cụm giả (tớn hiệu giả).
- Kờnh truy nhập ngẫu nhiờn (RACH: Random Access Channel) sử dụng để MS yờu cầu được dành một kờnh điều khiển chuyờn dụng độc lập SDCCH (Stand Alone Dedicated Control Channel) khi MS nhận được PCH đõy là loại kờnh đường lờn từ điểm đến điểm.
- Kờnh cho phộp truy nhập (AGCH: Access Grant Channel): sử dụng để BTS trả lời cho kờnh RACH của MS khi nú đồng ý cho thuờ bao truy nhập mạng sau đú là