PHẦN II: TÌM HIỂU VỀ GPS/GSM/GOOGLE MAP
Chương 5: TÌM HIỂU VỀ GSM 5.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ GSM
5.1.1. Giới thiệu về GSM
GSM (Global System for Mobile Communication) - hệ thống viễn thông toàn cầu, sử dụng tần số 900 MHz cũng như 1800 MHz ở Châu Âu và 1900 MHz ở Bắc Mỹ. GSM hỗ trợ truyền thoại với tốc độ 13 kbit/s và truyền số liệu với tốc độ 9,6 kbit/s. Mạng GSM sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA kết hợp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA.
5.1.2. Lịch sử mạng GSM
Vào đầu thập niên 1980, tại Châu Âu người ta phát triển một mạng điện thoại di động chỉ sử dụng trong một vài khu vực. Sau đó vào năm 1982 nó được chuẩn hóa bởi CEPT (Conférence Européene des Postes et Télécommunication) và tạo ra Groupe Spéccial Mobile (GSM) với mục đích sử dụng chung cho toàn Châu Âu. Mạng điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM được xây dựng và đưa vào sử dụng đầu tiên bởi Radiolinja ở Phần Lan.Vào năm 1989 công việc quản lý tiêu chuẩn và phát triển mạng GSM được chuyển cho viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (European TelecommunicationsStandards Institute - ETSI ) và các tiêu chuẩn, đặc tính phase 1 của công nghệ GSM được công bố vào năm 1990. Vào cuối năm 1993 đã có hơn 1 triệu thuê bao sử dụng mạng GSM của 70 nhà cung cấp dịch vụ trên 48 quốc gia.
5.1.3. Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng GSM
Hệ thống thông tin di động GSM cho phép chuyển vùng tự do của các thuê bao trong châu Âu, có nghĩa là một thuê bao có thể thâm nhập sang mạng của nước khác khi di chuyển qua biên giới. Trạm di động GSM – MS (GSM Mobile Station) phải có khả năng trao đổi thông tin tại bất cứ nơi nào trong vùng phủ sóng quốc tế.
* Về khả năng phục vụ:
- Hệ thống được thiết kế sao cho MS có thể dùng được trong tất cả các nước có mạng.
- Cùng với phục vụ thoại, hệ thống phải cho phép sự linh hoạt lớn nhất cho các loại dịch vụ khác liên quan tới mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN).
- Tạo một hệ thống có thể phục vụ cho các MS trên các tàu viễn dương như một mạng mở rộng cho các dịch vụ di động mặt đất.
* Về chất lượng phục vụ và an toàn bảo mật :
- Chất lượng của thoại trong GSM phải ít nhất có chất lượng như các hệ thống di động tương tự trước đó trong điều kiện vận hành thực tế.
- Hệ thống có khả năng mật mã hoá thông tin người dùng mà không ảnh hưởng gì đến hệ thống cũng như không ảnh hưởng đến các thuê bao khác không dùng đến khả năng này.
* Về sử dụng tần số :
- Hệ thống cho phép mức độ cao về hiệu quả của dải tần mà có thể phục vụ ở vùng thành thị và nông thôn cũng như các dịch vụ mới phát triển.- Dải tần số hoạt động là 890-915 và 935-960Mhz.
- Hệ thống GSM 900Mhz phải có thể cùng tồn tại với các hệ thống dùng 900Mhz trước đây. * Về mạng :
- Kế hoạch nhận dạng dựa trên khuyến nghị của CCITT. - Kế hoạch đánh số dựa trên khuyến nghị của CCITT.
- Hệ thống phải cho phép cấu trúc và tỷ lệ tính cước khác nhau khi được dùng trong các mạng khác nhau. - Trung tâm chuyển mạch và các thanh ghi định vị phải dùng hệ thống báo hiệu được tiêu chuẩn hoá quốc tế.
- Chức năng bảo vệ thông tin báo hiệu và thông tin điều khiển mạng phải đượccung cấp trong hệ thống
5.1.4. Băng tần sử dụng trong mạng GSM
Hệ thống GSM làm việc trong băng tần 890 – 960 MHz, chia làm 2 phần:
- Băng tần lên (Uplink band ) từ 890 – 915 MHz cho các kênh vô tuyến từ MS đến BTS - Băng tần xuống (Downlink band ) từ 935 – 960 MHz cho các kênh vô tuyến từ BTS đến MS Mỗi băng rộng 25MHz, chia làm 124 sóng mang tương đương với 124 kênh vôtuyến. Các sóng mang cạnh nhau cách nhau 200KHz.
Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt cho đường lên và cho đường xuống. Các kênh này được gọi là kênh song công. Khoảng cách giữa 2 tần số là không đổi và bằng 45MHz. Kênh vô tuyến này có 8 khe thời gian, mỗi khe thời gian là một kênh vật lý để trao đổi giữa BTS và MS. Ngoài băng tần cơ sở còn có băng tần GSM mở rộng và băng tần DCS:
- Băng tần GSM mở rộng: 882 – 915MHz và 927 – 960 MHz - Băng tần DCS: 1710 – 1785 MHz và 1805 – 1880 MHz
5.1.5. Phương pháp truy nhập trong mạng GSM
Mạng GSM sử dụng phương pháp TDMA (Time Division Multiple Access) kết hợp FDMA ( Frequency Division Multiple Access).
- Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA:
Khi có yêu cầu một cuộc gọi thì một kênh vô tuyến được ấn định. Các thuê bao khác nhau dùng chung một kênh nhờ cài xen thời gian. Mỗi thuê bao được cấp một khe thời gian trong cấu trúc khung tuần hoàn 8 khe.
- Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA:
Phục vụ các cuộc gọi theo các kênh tần số khác nhau. Người dùng được cấp phát một kênh trong tập hợp các kênh trong lĩnh vực tần số. Phổ tần số được chia thành 2Ndải tần số kế tiếp, cách nhau một khoảng bảo vệ. Mỗi dải tần được gán cho một kênh liên lạc, N dải dành cho liên lạc hướng lên, N dải còn lại cho liên lạc hướng xuống. Các kênh tần số được sử dụng ở GSM nằm trong dải tần quy định 900 MHz xác định theo công thức:
FL= 890,2+0,2(n-1) MHz FU= FL(n) + 45 MHz 1 ≤ n ≤ 124
Trong đó:FL: Tần số ở nửa băng thấp FU: Tần số ở nửa băng cao
0,2 MHz: Khoảng cách giữa các kênh lân cận 45 MHz: Khoảng cách thu phát
n: Số kênh tần vô tuyến
Để cho các kênh lân cận không gây nhiễu cho nhau mỗi BTS phủ một ô 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.Truyền dẫn 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 577 µs ở trong một kênh tần số có độ rộng 200KHz. Mỗi một kênh tần số cho phép tổ chức các khung thâm nhập theo thời gian, mỗi khung bao gồm 8 khe thời gian từ TS0 đến TS7.
5.2. CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM
5.2.1. Cấu trúc của hệ thống
Một hệ thống GSM được chia thành các hệ thống con sau đây: - Hệ thống con chuyển mạch (SS – Switching Subsystem) - Hệ thống con trạm gốc (BSS – Base Station Subsystem) - Hệ thống con khai thác (OSS – Opration Subsystem)- Trạm di động ( MS – Mobile Station)
* Hệ thống con chuyển mạch SS bao gồm các khối chức năng sau:
- Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động (MSC – Mobile ServicesSwitching Center) - Bộ ghi định vị thường trú (HLR – Home Location Register )
- Bộ ghi định vị tạm trú (VLR – Visitor Location Registor ) - Trung tâm nhận thực (AUC – Authentication Center )
- Bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR – Equipment Identification Register )
- Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động cổng (GMSC – Gateway MSC) * Hệ thống con trạm gốc BSC gồm các khối chức năng sau:
- Bộ điều khiển trạm gốc (BSC – Base Station Controller ) - Trạm thu phát gốc (BTS – Base Transceiver Station) * Hệ thống con khai thác OSS gồm các khối chức năng sau: - Trung tâm quản lý mạng (NMC – Network Management Center )
* Trạm di động MS gồm:
- Thiết bị di động (ME – Mobile Equipment)
- Modul nhận dạng thuê bao (SIM – Subscriber Identity Module)
5.2.2. Chức năng của các phần tử trong hệ thống 5.2.2.1. Hệ thống con chuyển mạch SS
Hệ thống con chuyển mạch bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của GSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lí di động của thuê bao. Chức năng chính của SS là quản lí thông tin giữa những người sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác.
- Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động MSC
Tổng đài di động MSC thực hiện chức năng chuyển mạch cho các thuê bao di động thông qua trường chuyển mạch của nó. MSC quản lí việc thiết lập cuộc gọi, điều khiển cập nhật vị trí và thủ tục chuyển giao giữa các MSC. Việc cập nhật vị trí của thuê bao cho phép tổng đài di động MSC nhận biết được vị trí của các thuê bao di động trong quá trình tìm gọi trạm di động MS. MSC có tất cả các chức năng của một tổng đài cố định như tìm đường, định tuyến, báo hiệu,…
Điều khác biệt giữa tổng đài của mạng cố định(PSTN, ISDN, …) và MSC là MSC thực hiện xử lý cho các thuê bao di động, thực hiện chuyển vùng giữa các cell.
Chức năng của tổng đài MSC ngoài việc kết nối với các phần tử của mạng di động nó còn kết nối với các phần tử của mạng khác như PSTN, ISDN, PSPDN, CSPDN,PLMN. MSC thực hiện chức năng trên gọi là MSC cổng (GMSC). Việc giao tiếp với mạng ngoài để đảm bảo thông tin cho những người sử dụng mạng GSM đòi hỏi cổng thích ứng (Các chức năng tương tác IWF – Interworking Function). IWF là cổng giao tiếp giữa người dùng mạng GSM với các mạng ngoài. Nó có thể được thực hiện trong cùng chức năng MSC hay có thể ở thiết bị riêng.
- Bộ ghi định vị thường trú HLR
HLR chứa đầy đủ các thông tin liên quan đến việc đăng ký dịch vụ và vị trí 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 ngàn thuê bao. Khi mạng có thêm một thuê bao mới thì các thông tin về thuê bao sẽ được đăng ký trong HLR.
- Bộ ghi định vị tạm trú VLR
Là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng GSM, chứa các thông tin về vị trí hiện thời của thuê bao di động trong vùng phục vụ của MSC tương ứng và đồng thời lưu giữ số liệu về vị trí của các thuê bao nói trên để cập nhật cho MSC với mức độ chính xác hơn HLR.
- Trung tâm nhận thực AUC
Được nối đến HLR, chức năng của AUC là cung cấp cho HLR các tần số nhận thực và các khóa 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 riêng biệt cho từng thuê bao.
- Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR
EIR có chức năng kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị di động ME thông qua số liệunhận dạng di động quốc tế (IMEI – International Mobile Equipment Identity) và chứa các số liệu về phần cứng của thiết bị.
5.2.2.2. Hệ thống con trạm gốc BSS
Là một hệ thống các thiết bị đặc thù riêng cho các tính chất tổ ong vô tuyến của GSM. BSS thực hiện đấu nối các MS với tổng đài và nhờ vậy đấu nối những người sử dụng các trạm di động với những người sử dụng viễn thông khác. BSS bao gồm 2 loại thiết bị: BTS giao diện với MS và BSC giao diện với MSC. - Trạm thu phát gốc BTS
Bao gồm các thiết bị thu phát, anten và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến. Một bộ phận quan trọng của BTS là TRAU (khối chuyển đổi mã và thích ứng tốcđộ). TRAU là thiết bị mà ở đó quá trình mã hóa và giải mã tiếng đặc thù riêng cho GSM được tiến hành, ở đây cũng thực hiện thích ứng tốc độ trong trường hợp truyền số liệu.
- Bộ điều khiển trạm gốc BSC
Có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ BTS và MS, chủ yếu là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao. Một BSC trung bình có thể quản lý tới vài chục BTS phụ thuộc vào lưu lượng của các BTS này.
5.2.2.3. Hệ thống con khai thác OSS
OSS thực hiện 3 chức năng chính sau: - Khai thác và bảo dưỡng mạng:
+ Khai thác: Là hoạt động cho phép các nhà khai thác mạng theo dõi hành vi củamạng như: tải của hệ thống, mức độ chặn, số lượng chuyển giao (Handover) giữa hai ô,…Nhờ vậy nhà khai thác có thể giám sát được toàn bộ chất lượng của dịch vụ mà họcung cấp cho khách hàng và kịp thời xử lý các sự cố. Khai thác cũng bao gồm việc thay đổi cấu hình để giảm những vấn đề xuất hiện ở thời điểm hiện thời, để chuẩn bị tăng lưu lượng trong tương lai, để tăng vùng phủ sóng.
+ Bảo dưỡng: Có nhiệm vụ phát hiện, định vị, sửa chữa các sự cố và hỏng hóc. Nó có một số quan hệ với khai thác. Bảo dưỡng cũng bao gồm cả các hoạt động tại hiện trường nhằm thay thế thiết bị có sự cố. - Quản lý thuê bao và tính cước:
Bao gồm các hoạt động quản lý đăng ký thuê bao. Nhiệm vụ đầu tiên là nhập và xóa thuê bao khỏi mạng. Đăng ký thuê bao cũng có thể rất phức tạp, bao gồm nhiều dịch vụ và các tính năng bổ sung. Quản lý thuê bao ở mạng GSM chỉ liên quan đến HLR và một số thiết bị OSS riêng, chẳng hạn mạng nối HLR với các thiết bị giao tiếp người máy ở các trung tâm giao dịch với thuê bao. Simcard cũng đóng vai trò như một bộ phận của hệ thống quản lý thuê bao.
- Quản lý thiết bị di động:
Được bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR thực hiện. EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến trạm di động. EIR được nối đến MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra sự được phép của thiết bị. Một thiết bị không được phép sẽ bị cấm.
5.2.2.4. Trạm di động MS
MS có thể là thiết bị xách tay, thiết bị đặt trong ô tô hay thiết bị cầm tay. Ngoàiviệc chứa các chức năng vô tuyến chung và xử lý cho giao diện vô tuyến, MS còn phải cung cấp các giao diện với người sử dụng như: micro, loa, màn hiển thị, bàn phím để quản lý cuộc gọi hoặc giao diện với một số thiết bị khác như máy tính cá nhân, Fax…
MS thực hiện hai chức năng:
- Thiết bị vật lý để giao tiếp giữa thuê bao di động với mạng qua đường vô tuyến - Đăng ký thuê bao: mỗi thuê bao phải có một thẻ gọi là Simcard để truy nhập vào mạng Về cấu trúc MS gồm hai phần chính:
- Thiết bị di động ME: là bộ phận để xử lý các công việc chung như thu, phát, …
- Modul nhận dạng thuê bao SIM: là thành phần để nhận dạng thuê bao trong quá trình MS hoạt động trong mạng, nó là một card điện tử thông minh có thể lưu trữ thông tin.
5.3. QUÁ TRÌNH XỬ LÝ CÁC TÍN HIỆU SỐ VÀ BIẾN ĐỔI VÀO SÓNG VÔ TUYẾN
Ở máy phát, tiếng từ Micro qua bộ lọc thông dải 0,3 – 3,4 KHz đưa vào bộ A/D. Tại đây tiến hành lấy mẫu (8000 mẫu/s), sử dụng 13 bit để mã hóa tương ứng tốc độ8000 x 13 = 104 kbit/s
Tín hiệu 13 bit, 8000 mẫu/s được chia ra các khoảng 160 mẫu/20ms (chia 8000mẫu/s thành 50 đoạn) đưa vào mã hóa tiếng. Sau mã hóa tiếng dòng số ra là 260bit/20ms. 260 bit này được phân cấp theo tầm quan trọng và được mã hóa kênh. Sau mã hóa kênh tín hiệu được ghép xen, mật mã hóa, lập khuôn cụm và sau đó được điềuchế vào sóng mang trong dải tần GSM.
Ở máy thu tiến hành giải điều chế, cân bằng Viterbi. Sau đó tín hiệu được giải mật mã, giải mã kênh, giải mã tiếng, qua bộ D/A và tới loa.
5.3.1. Chuyển đổi A/D
Biến đổi tín hiệu thoại tương tự từ micro của MS bên phát sang tín hiệu PCM 13 bit/mẫu, tần số lấy mẫu 8 KHz để đưa đến bộ mã hóa.
5.3.2. Mã hóa tiếng
Để có thể cho ra tiếng nói 13 kbit/s, bộ mã hóa này dựa trên nguyên lý mã hóa phân tích bằng cách tổng hợp thông qua việc sử dụng phương pháp mã hóa dự đoán tuyến tính kích thích xung đều. Bộ mã hóa tiếng đưa các khối 260 bit/20 ms đến bộ mã hóa kênh. Các bit này được chia thành 182 bit loại I (các bit được bảo vệ), 78 bit loại II(các bit không được bảo vệ).