Tổng quan hệ thống GSM

Tổng quan hệ thống GSM

Phần 1: GIỚI THIỆU CÁC HỆ THỐNG CELL

Giới thiệu

Phần này giới thiệu các đặc tính của các hệ thống cell thế hệ đầu, thế hệ thứ hai Nội dung phần này bao gồm:

 Mạng vô tuyến cell

 Các đặc tính của các hệ thống cell thế hệ đầu

 Các đặc tính của các hệ thống cell thế hệ thứ hai và các hệ thống phi GSM

 Các hệ thống cell trên thế giới và sự phân bố thuê bao

Mạng vô tuyến cell

Các đặc tính của mạng vô tuyến di động

 Mạng vô tuyến di động hình thành theo cấu trúc tế bào nên còn có tên gọi là mạng vô tuyến cell Mỗi cell là vùng phủ của 1 anten Vì thế hình dáng của cell phụ thuộc vào kiểu anten và công suất phát của từng trạm gốc Dạng anten thường sử dụng là anten vô hướng phát đẳng hướng và anten có hướng tập trung công suất phát theo hướng nhất định

 Số lượng tần số trong mạng là hữu hạn Do đó, để sử dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến ta cần

sử dụng lại tần số ở các BTS khác nhau

 Tính di động giữa các cell thực hiện được nhờ vào chuyển giao (giới thiệu cụ thể ở chương 8)

Hình 1.1-Mốc thời gian ra đời của các thế hệ mạng

Hệ thống cell thế hệ thứ nhất

Các đặc tính của hệ thống cell thế hệ thứ nhất:

 Giới thiệu rộng rãi đầu năm 1980

 Sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự

 Dùng kiểu đa truy xuất phân chia theo tần số

 Chỉ dùng cho thọai

 Không có khả năng roaming với mạng ngoài

 Không an toàn trên giao diện vô tuyến

 C-450: theo chuẩn Đức dùng băng tần 450Mhz

 JTACS: theo chuẩn Nhật dùng băng tần 900Mhz

Quy họach cell cho mạng thế hệ thứ nhất

 Macrocellular: đặt ở vị trí cao cho vùng phủ lớn, anten trên mái nhà

 Họach định tần số: đối với các mạng số cell nhiều hơn số tần số thì cần phải họach định cho tần

 Dùng nhiều kỹ thuật đa truy cập khác nhau

 Sử dụng phổ vô tuyến hiệu quả hơn

 Truyền thọai và dữ liệu chuyển mạch mạch tốc độ thấp

 Có khả năng roaming quốc tế

Trong khi những hệ thống thế hệ đầu dùng kiến trúc cell và tái sử dụng lại tần số thì các hệ thống

số vẫn phát triển quan diểm này và dùng thêm các thông số cell đa lớp (các microcell và macrocell) Tái sử dụng tần số chặt hơn do nhiễu trong truyền dẫn số giảm

Các đặc tính của mạng CDMAOne

 Những mạng đầu tiên năm 1996

 Bắt nguồn từ giao diện vô tuyến Qualcomm IS-95

 Đa truy cập phân chia theo mã

Phần lớn được dùng ở Bắc và Nam Mỹ Phần lớn được dùng ở châu Á

Họach định giống mạng GSM Họach định giống mạng GSM

Mạng core ANSI-41

Sự phát triển của GSM và các đặc tính

Cấu trúc cell

 Mục đích của hệ thống cấu trúc cell là sử dụng tần số sẵn có một cách hiệu quả

 Cấu trúc cell cho phép tái sử dụng tần số trong mạng

 Việc họach định thông số tái sử dụng tần số là phần chính của thiết kế hệ thống

 Các thông số tùy chọn yêu cầu khi họach định mạng

 Cấu trúc cell phân bậc(macrocell/microcell)

 Nhảy tần

 Truyền không liên tục

 Điều khiển công suất

 Phân tích dung lượng thuê bao: dung lượng giới hạn bởi số TRX

Sự phân bố thuê bao trong các hệ thống cell

Hình 1.3-Sự phân bố thuê bao ứng với các thế hệ mạng di động

Hình 1.4-Sự phân bố thuê bao di động trên thế giới

Các đặc tính của mạng 2.5G

 Điều chế số

 Thọai và dữ liệu chuyển mạch mạch tốc độ vừa

 Kỹ thuật roaming 2G

 An tòan trên giao diện vô tuyến

 Dựa trên các chuẩn ưu thế đã tồn tại trong mạng 2G như GSM và CDMAOne

 Tốc độ dữ liệu được tăng cao

Phần 2: TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC MẠNG

2.1 Các số nhận dạng trong mạng GSM

2.1.1 IMEI-International Mobile Equipment Identity

IMEI (International Mobile Equipment Identity) là số nhận dạng thiết bị di động quốc tế, dùng

để phân biệt từng máy ĐTDĐ Không thể có hai ĐTDĐ cùng mang một số IMEI Thông thường,

số IMEI do một số tổ chức cung cấp cho nhà sản xuất ĐTDĐ IMEI được lưu trong AuC, máy, EIR EIR dùng số này để nhận dạng thiết bị di động bi lấy cắp và ngăn cấm truy cập vào mạng

Số IMEI luôn gồm 15 chữ số theo dạng:

 TAC(Type Approval Code) có 6 chữ số 2 chữ số đầu cho biết tổ chức nào đã cung cấp

số IMEI cho nhà sản xuất ĐTDĐ Bốn chữ số kế tiếp được gọi là Mobile Equipment Type Identifier, dùng để nhận dạng dòng (model) ĐTDĐ

 FAC (Final Assembly Code) dùng để xác định xuất xứ của sản phẩm

 SNR (Serial Number) số xêri của sản phẩm

 Spare cho sử dụng trong tương lai

Ví dụ: Nếu IMEI là 350893-30-952659-2 :số đầu 35 cho biết do tổ chức BABT cấp, được sản xuất tại Hàn Quốc(30)

2.1.2 IMSI-International Mobile Subscriber Identity

IMSI là số nhận dạng thuê bao di động quốc tế dùng để phân biệt các thuê bao di động tòan cầu Nó được dùng cho báo hiệu trong mạng, được lưu trong SIM, HLR và VLR đang phục vụ

Số IMSI luôn gồm 3 phần:

 MCC(Mobile Country Code): Mã nước di động(Việt Nam là 452)

 MNC(Mobile Network Code): Mã nhà cung cấp mạng di động(Viettel là 04)

 MSIN(Mobile Station Identification Number): số nhận dạng thuê bao di động

2.1.3 TMSI-Temporary Mobile Subscriber Identity

TMSI là số nhận diện thuê bao di động tạm thời Số này có giá trị trong từng LA, được cấp mới cho MS mỗi khi thực hiện IMSI attach, hay khi cập nhật vị trí do MS chuyển sang LAI khác

Số này được sử dụng để tìm gọi MS trên giao diện vô tuyến, được thay đổi sau từng cuộc gọi hay theo chu kỳ để tránh cho MS bị theo dõi bằng cách nghe lén tín hiệu gọi trên đường vô tuyến Chỉ khi không thể gọi được bằng TMSI thì mạng mới tìm gọi MS bằng IMSI TMSI được lưu trong VLR và trong SIM TMSI bao gồm 4 octet Mỗi nhà điều hành mạng có thể chọn cấu trúc TMSI

2.1.4 LAI-Location Area Identity

Mạng PLMN sẽ được chia thành nhiều vùng nhỏ gọi là LA(Location area) Mỗi vùng nhỏ này

sẽ có 1 số nhận dạng và số này gọi là LAI LAI được broadcast đều đặn bởi các BTS trên kênh BCCH Công dụng của LAI là dùng để tìm gọi và cập nhật vị trí cho thuê bao

Cấu trúc như sau:

 LAC(Location Area Code):16 bit cho phép 65536 vùng nhỏ được xác định trong 1 PLMN

2.1.5 MSISDN-Mobile Station ISDN Number

Đây là số thực của 1 thuê bao khi liên lạc với thuê bao ta sẽ gọi số này MSISDN là số mô tả thuê bao di động trong mạng PSTN Khi 1 máy cố định gọi cho 1 máy di động trong báo hiệu với tổng đài cố định thì địa chỉ của máy bị gọi chính là số MSISDN và tổng đài cố định sẽ căn cứ vào

số đó để điều khiển kết nối tới mạng di động(GMSC-HLR) của máy bị gọi

Cấu trúc như sau :

VD:84 98 8000345

2.1.6 MSRN-Mobile Station Roaming Number

MSRN là 1 số tạm thời được cấp bởi VLR được dùng để định tuyến cuộc gọi giữa 2 thuê bao thuộc 2 mạng khác nhau(GMSC-MSC) hay 2 thuê bao thuộc 2 MSC khác nhau

Cấu trúc gồm 3 phần:

2.1.7 CI-Cell Identifier

CI là số nhận dạng cell dùng để nhận dạng các cell khác nhau trong 1 mạng PLMN

2.1.8 BSIC-Base Station Identity Code

BSIC là mã dùng để phân biệt các cell khác nhau khi các cell này có cùng tần số BCCH Hai cell có tần số BCCH giống nhau thì BISC phải khác nhau

Cấu trúc như sau:

 NCC(Network Color Code) 3 bit tương ứng từ 0 đến 7

 BCC(Base Station Color Code) 3 bit tương ứng từ 0 đến 7

2.1.9 CGI-Cell Global Identity

CGI được dung để nhận dạng các cell riêng biệt trong cùng một LA Nhận dạng cell thực hiện bằng cách cộng CI với LAC CI có chiều dài tối đa là 16 bit

CGI bao gồm:

B ase S tation S ystem

O ther netw orks

 Base Station Sub-system (BSS) : Gồm 1 BSC và nhiều BTS

 Network and Switching Sub-system (NSS) : gồm MSC và VLR, HLR, EIR, AUC

2.2.1 MS-Mobile Station

MS là thiết bị thu phát cá nhân do người đăng ký thuê bao trực tiếp sử dụng bao gồm:

 Thiết bị di động : ME – Mobile equipment

 Module nhận dạng thuê bao: SIM – Subscriber Identity Module

SIM cất giữ thông tin về thuê bao, mạng bao gồm:

 Số IMSI, khóa nhận thực, thuật tóan kiểm tra nhận thực, bảo mật

 TMSI, LAI, danh sách các tần số được dùng cho việc chọn cell

 Module nhớ số danh bạ, tin nhắn

ME được phân biệt bởi số IMEI

Những thiết bị di động đầu cuối dùng trong mạng GSM thường là class 3 và 4 đối với băng tần

900 , class 1 và 2 đối với băng tần 1800(DCS) Những class khác dùng cho những thiết bị lắp đặt

Chức năng của BTS là tạo ra vùng họat động cho MS

2.2.2.2BSC-Base Station Controller

BSC thực hiện các chức năng chính sau:

 Cấp phát kênh vô tuyến

 Quản lý tài nguyên vô tuyến

 Duy trì cuộc gọi như giám sát chất lượng, điều khiển công suất phát của MS hay BTS, điều khiển chuyển giao

 Điều khiển 1 hay nhiều BTS

2.2.2.3Topo mạng BSS

Gồm các topo sau:

 Dạng chuỗi(Chain): chi phí rẻ, dễ thực hiện nhưng nếu liên kết bị hư sẽ tác động đến nhiều BTS

 Dạng vòng(Ring): an tòan nhờ bảo vệ nếu liên kết hư nhưng khó hơn cho việc mở rộng

 Dạng sao(star): đây là cấu hình phổ biến cho những hệ thống GSM đầu tiên Chi phí đắt vì mỗi BTS đều có liên kết riêng với BSC, 1 liên kết bị hư không tác động đến BTS khác

Các BTS được liên kết đến BSC theo 1 trong những topo chuẩn Các liên kết vật lý có thể là vi ba, cáp quang hay đồng

2.2.3 NSS-Network Switching Subsystem

NSS gồm các thành phần sau:

 Mobile Switching Centre (MSC)

 Visitor Location Register (VLR)

 Home Location Register (HLR)

 Authentication Centre (AuC)

 Equipment Identity Register (EIR)

2.2.3.1 MSC-Mobile Switching Centre

Một MSC là 1 tổng đài thực hiện chức năng:

 Chuyển mạch, điều khiển và ghi lại cuộc goi

 Giao diện với PSTN, ISDN, PSPDN

 Quản lý tính di động

 Quản lý 1 phần tài nguyên vô tuyến như handover giữa các BSC

 Thông tin tính cước Một MSC quản lý nhiều BSC nên vùng quản lý của MSC là tòan bộ vùng phủ của các BTS thuộc quyền quản lý của các BSC đó

2.2.3.2VLR-Visitor Location Register

VLR là 1 cơ sở dữ liệu phục vụ cho các thuê bao mà hiện thời đang nằm trong vùng phục vụ của 1 MSC Mỗi MSC trong mạng sẽ kết hợp với 1 VLR nhưng 1 VLR có thể phục vụ nhiều MSC Nhưng hiện nay thì mỗi VLR được tích hợp trong 1 MSC Một MS

di chuyển trong vùng phục vụ của 1 MSC được điều khiển bởi VLR kết hợp với MSC đó Thông tin trên VLR cập nhật tự động

Khi di chuyển sang vùng mới, MS thực hiện cập nhật vị trí Nếu vùng mới này còn trong phạm vi quản lý của MSC-VLR cũ thì chỉ cần cập nhật số LAI mới(vị trí mới) của

MS trên VLR Nếu vị trí mới thuộc phạm vi quản lý của 1 MSC-VLR khác thì VLR mới phải lấy thông tin của MS từ HLR và HLR cũng sẽ yêu cầu VLR cũ xóa thông tin về MS Sau đó VLR mới mới cập nhật số LAI của MS Do đó VLR chỉ cất thông tin tạm và sẽ bị mất khi MS di chuyển sang vùng mới hay MS rời mạng quá lâu

Thông tin cất trong VLR bao gồm:

 IMSI

 MSISDN

 MSRN

 TMSI

 LAI

 Những thông số dịch vụ cộng thêm

 Trạng thái của thuê bao(tắt, bật )

2.2.3.3HLR-Home Location Register

HLR là 1 cơ sở dữ liệu đảm nhiệm việc quản lý các thuê bao di động Một mạng PLMN có thể có 1 hay nhiều HLR tùy thuộc vào số lượng thuê bao di động, dung lượng của thiết bị và sự tổ chức của mạng

Thông tin cất trong HLR gồm:

Lưu ý:VLR cho biết MS thuộc LAI nào nhưng HLR chỉ cho biết MS thuộc vùng quản

lý của MSC-VLR nào

2.2.3.4AUC-Authentication Centre

AuC được kết hợp với HLR, chứa khóa nhận thực của các thuê bao đã đăng ký trong HLR

Khóa này được dùng để tạo ra:

 Dữ liệu được dùng để nhận thực 1 MS có quyền truy nhập vào mạng hay không

 Một khóa được dùng để mật mã thông tin trên đường vô tuyến giữa MS và mạng

Những thủ tục được dùng cho nhận thực và mã hóa sẽ được miêu tà đầy đủ hơn ở chương an tòan trong GSM

2.2.3.5GMSC-Gateway Mobile Switching Centre

GMSC là 1 thiết bị định tuyến lưu lượng trong 1 mạng di động đến đích đến

GMSC truy cập HLR của mạng để tìm xem thuê bao di động được gọi thuộc VLR nào

MSC-Một MSC riêng biệt có thể đóng vai trò như 1 GMSC

Nhà điều hành mạng có thể dùng 1 hay nhiều GMSC

GMSC định tuyến cuộc gọi giữa các MSC hay giữa MSC với mạng ngòai

2.2.3.6EIR-Equipment Identity Register

 Danh sách xám là những số IMEI của ME được quyền sử dụng dịch vụ mạng nhưng dưới tầm giám sát của mạng

 Danh sách đen là những số IMEI của các ME bị đánh cắp hay là 1 ME không được đồng ý dùng trong mạng GSM Những đầu cuối này sẽ không được phép kết nối vào mạng

ME có thể được phân lọai thuộc danh sách trắng, đen hay xám cho biết trạng thái của

MS

Đây là 1 thiết bị tùy chọn Nó có thể được dùng bởi nhà điều hành mạng để điều khiển truy nhập đến mạng cho phép, giám sát hay ngăn cấm(đối với thiết bị bị đánh cắp) kết nối mạng

2.3 Các giao diện trong mạng GSM

2.3.2 Giao diện Abis

Đây là giao diện giữa BSC và BTS để hổ trợ những dịch vụ cung cấp cho thuê bao Giao diện này cũng cho phép điều khiển thiết bị vô tuyến và cấp phát tần số vô tuyến trong BTS

2.3.3 Giao diện B

Đây là giao diện giữa MSC và VLR Dùng trong các trường hợp sau:

 Bất cứ khi nào MSC cần dữ liệu liên quan đến 1 MS đang nằm trong vùng phục vụ của

nó, nó sẽ truy vấn VLR

 Khi 1 MS thực hiện 1 thủ tục cập nhật vị trí với 1 MSC, MSC sẽ nhắc nhở VLR của nó cất giữ thông tin liên quan

 Khi 1 thuê bao kích họat 1 dịch vụ cộng thêm đặc biệt nào đó hay bổ sung 1 vài dữ liệu

về 1 dịch vụ, MSC sẽ yêu cầu (thông qua VLR) HLR cất giữ các thông tin bổ sung này và HLR cập nhật cho VLR nếu được yêu cầu

Khi MS di chuyển sang MSC khác, VLR thông báo cho HLR biết vị trí của MS và cung cấp cho nó (khi thiết lập cuộc gọi) số roaming của MS đó HLR gửi cho VLR tất cả thông tin để hổ trợ dịch vụ của MS đó HLR sau đó yêu cầu VLR cũ hủy bỏ thông tin vị trí của MS đó

Việc trao đổi thông tin có thể xảy ra khi:

 MS yêu cầu 1 dịch vụ cụ thể nào đó

 MS muốn thay đổi vài thông tin thuê bao

 Một thông tin của thuê bao được bổ sung bởi các phương tiện quản trị

2.3.6 Giao diện E

Đây là giao diện giữa các MSC Khi 1 MS di chuyển từ 1 MSC tới 1 MSC khác trong 1 cuộc gọi Một thủ tục chuyển giao phải được thực hiện để dùy trì cuộc gọi Vì mục đích đó các MSC phải trao đổi dữ liệu để khởi tạo 1 kênh ở MSC mới và giải phóng kênh ở MSC cũ

Sau khi chuyển giao thành công các MSC sẽ trao đổi thông tin để truyền báo hiệu giao diện A nếu cần thiết Khi 1 tin nhắn được truyền giữa MS và trung tâm dịch vụ nhắn tin(Short Message Service Centre-SC), giao diện này được dùng để truyền bản tin giữa MSC phục vụ MS và MSC nối với trung tâm dịch vụ nhắn tin

2.3.7 Giao diện F

Đây là giao diện được dùng giữa MSC và EIR để trao đổi dữ liệu, để EIR có thể xác định tình trạng MS thông qua số IMEI

2.3.8 Giao diện G

Đây là giao diện giữa các VLR Khi 1 MS di chuyền từ vùng phục vụ của VLR này sang vùng phục

vụ của VLR khác thủ tục cập nhật vị trí sẽ xảy ra Thủ tục này nhằm lấy lại thông số IMSI và các thông số nhận thực từ VLR cũ

2.3.9 Giao diện Um

Đây là giao diện giữa MS và BSS

Đây là giao diện giữa HLR và AuC Khi HLR nhận 1 yêu cầu cung cấp dữ liệu cho nhận thực

và mật mã cho 1 MS, HLR không giữ dữ liệu yêu cầu, HLR sẽ yều cầu dữ liệu từ AuC Giao thức này được dùng để truyền dữ liệu trên giao diện này

Phần 3: GIAO DIỆN VÔ TUYẾN

3.1 Giới thiệu

Giao diện vô tuyến là giao diện giữa đầu cuối di động (MS) và trạm thu phát gốc (BTS) mà nó được truy nhập

3.2 Cấp phát phổ tần trong GSM

3.2.1 Phổ trong thông tin di động

Phổ vô tuyến là một tài nguyên giới hạn

Các dải tần đang sử dụng trong thông tin di động

Toàn bộ phổ vô tuyến được chia thành các băng tần như VHF, UHF…băng tần UHF được sử dụng trong thông tin di động

Các tổ chức qui định về cấp phát tần số trên thế giới:

 ITU (International Telecomunication Union)

 ESTI (European Telecommunications Standards Institute)

 RA (Radiocommunications Agency) tại Hoa kỳ

Chi phí chính ban đầu cho các nhà khai thác mạng là tìm được licence sử dụng một

nước, nhưng có thể được đấu giá hoặc chọn trực tiếp nhà hoạt động bởi tổ chức chính phủ

3.2.2 Phổ GSM cơ bản

Phổ P-GSM (Primary GSM)

GSM sử dụng phân chia tần số song công (FDD), mỗi kênh đường lên và xuống hoạt động ở một tần số khác nhau Do đó, có 2 băng tần đựơc cấp cho GSM, cách nhau 20MHz

Băng tần đầu tiên được cấp trong GSM (P-GSM):

 Băng tần 890MHz đến 915MHz cho đường lên (uplink) từ MS đến BTS

 Băng tần 935MHz đến 960MHz cho đường xuống (downlink) từ BTS đến MS Mỗi băng tần được chia thành một số sóng mang, mỗi sóng mang có băng thông 200KHz Do đó có 125 sóng mang cho mỗi băng tần lên, xuống Trong đó, một kênh được dùng như kênh bảo vệ, điều này làm giảm số kênh còn 124 kênh

Hai tần số ấn định cho mỗi cặp kênh cách nhau 45MHz

Mỗi cặp tần số được nhận dạng bởi một số ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel)

Tính toán tần số kênh đường lên và xuống:

 Các tần số uplink: Ful (n) = 890 MHz + (0,2 MHz) × n

 Các tần số downlink: Fdl (n) = Ful (n) + 45 MHz

n = ARFCN với 1 n  124

3.2.3 Phổ E-GSM (Extended-GSM)

E-GSM cấp thêm 10MHz của băng thông tại đầu cuối của băng tần đường lên và xuống Các băng tần như sau:

 Đường uplink: 880MHz đến 915MHz

 Đường downlink: 925MHz đến 960MHz

Kết quả:

Thêm 50 cặp sóng mang (các kênh 10MHz/200KHz)

Giảm khoảng cách băng thông giữa băng tần đường lên và đường xuống từ 20MHz xuống10MHz

Tăng kích thước băng tần đường lên và xuống từ 25MHz lên 35MHz

Cấp dãy sóng mang tần số vô tuyến mới từ 975-1023

Sóng mang tần số vô tuyến 0 trong P-GSM chuyển từ băng bảo vệ thành một sóng mang tần số vô tuyến có giá trị

Các kênh tần số vô tuyến đường lên và xuống trong E-GSM được tính như sau:

 Các tần số uplink: Ful (n) = 890 MHz + (0,2 MHz) × n (0<=n<=124)

Ful(n)=890MHz+(0,2MHz)× (n – 1024) (975<=n<=1023)

 Các tần số downlink: Fdl (n) = Ful (n) + 45 MHz

3.2.4 Phổ DCS 1800

Hệ thống thông tin số (DCS) -1800 giới thiệu dãy phổ 1800MHz cho GSM Đặc tính của các tần số vô tuyến trong dãy này, tiêu biểu là DCS-1800 được dùng cho các microcell có vùng phủ nhỏ hơn các macrocell GSM-900 đang tồn tại Mỗi cặp tần số đường lên và xuống cách nhau 95MHz và khoảng cách giữa 2 băng là 20MHz:

 Băng tần uplink: 1710MHz đến 1785MHz

 Băng tần downlink: 1805MHz đến 1880MHz

Mỗi băng được chia thành các sóng mang 200KHz Như vậy, có 374 sóng mang trong mỗi băng tần đường lên và xuống Số kênh trong dãy 512-885 (ARFCNs)

Cặp kênh ấn định được sắp xếp ở 2 tần số cách nhau 95MHz

Các tần số kênh đường lên và xuống trong DCS-1800 được tính như sau:

 Các tần số uplink: Ful (n) = 1710.2 MHz + (0,2 MHz) × (n – 512) (512<=n<=885)

 Các tần số downlink: Fdl (n) = Ful (n) + 95 MHz

Sử dụng băng tần 1800MHz tại UK

Việc phân bố các tần số tại UK hiện tại của các nhà khai thác là:

Biểu đồ phổ này cho thấy cách phân bố băng tần 1800MHz giữa các nhà khai thác tại UK

3.2.5 Phổ PCS-1900

Hệ thống thông tin riêng (PCS)-1900MHz được dùng tại USA và Trung Mỹ để cung cấp dịch vụ tương tự như GSM Băng tần 1900MHz được chọn tại USA vì thiếu băng tần 1800 Mỗi dải tần đường lên và xuống là 60MHz, khoảng cách giữa 2 dải tần

Cặp kênh ấn định được sắp xếp ở 2 tần số cách nhau 80MHz

Các tần số kênh đường lên và xuống trong DCS-1900 được tính như sau:

 Các tần số uplink: Ful (n) = 1850.2 MHz + (0,2 MHz) × (n – 512) (512<=n<=810)

 Các tần số downlink: Fdl (n) = Ful (n) + 80 MHz

3.2.6 Phổ GSM -450

GSM-450 chuẩn được phát triển từ một nghiên cứu để đánh giá chuẩn số thay thế toàn bộ hệ thống NMT-450 tương tự Thuận lợi của băng tần 450MHz so với băng tần GSM đang tồn tại (900/1800/1900) là tăng vùng phủ trên cell và số lượng trạm ít hơn trong cùng một khu vực triển khai so với thiết lập trên 3 băng tần Nó cũng cung cấp thêm dung lượng

3.3 Kỷ thuật đa truy cập trong GSM

Mục đích: cho phép nhiều user chia sẽ tài nguyên của giao diện vô tuyến trong một cell

Các phương pháp:

 FDMA (Frequency Division Multiple Access): Đa truy nhập phân chia tần số

 TDMA (Time Division Multiple Access): Đa truy nhập phân chia thời gian

 CDMA (Code Division Multiple Access): Đa truy nhập phân chia theo mã

Kỹ thuật đa truy nhập cho phép sử dụng hiệu quả hơn phổ vô tuyến Các hệ thống thế hệ thứ nhất chỉ sử dụng FDMA, sử dụng hoàn toàn một sóng mang vô tuyến để ấn định cho một người dùng qua cuộc gọi Điều này làm giảm hiệu suất sử dụng phổ

3.3.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)

Chia phổ tần số có sẳn thành các kênh, mỗi kênh sử dụng hoàn toàn một băng thông Việc phân chia kênh đạt được bởi các bộ lọc:

 Tính chọn lọc tốt

 Các băng bảo vệ giữa các kênh

Mỗi user truy nhập vào mạng trên 1 tần số khác nhau

Chỉ một người dùng trên kênh tần số tại một thời điểm

Hạn chế:

 Dung lượng không cao do tài nguyên băng thông hạn chế

 Nhiễu xuyên kênh cao

3.3.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)

Truy nhập vào phổ được giới hạn trong các khe thời gian

Mỗi user được cấp phát phổ trong suốt một khe thời gian

Các khe thời gian được lặp lại trong các khung

TDMA được phép sử dụng trong các hệ thống số như GSM mà các luồng dữ liệu có thể được chia thành các cụm và được ấn định vào một khe thời gian

3.3.3 Kỹ thuật đa truy nhập sử dụng trong GSM

GSM sử dụng kết hợp cả 2 kỹ thuật đa truy nhập FDMA và TDMA trên giao diện

vô tuyến: FDMA để cung cấp các sóng mang và TDMA để chia sẻ truy cập vào các sóng mang

3.4 Các kênh trong giao diện vô tuyến

GSM định nghĩa 2 loại kênh cơ bản

Kênh vật lý:

Trong thông tin di động, băng thông của hệ thống được chia thành các băng tần nhỏ, mỗi băng tần này được gọi là 1 kênh tần số

Mỗi kênh tần số được phân chia thành 8 khe thời gian

Mỗi khe thời gian (TS) được gọi là kênh vật lý

Một nhóm 8 khe thời gian trên một sóng mang được xem như một khung TDMA

Một cụm dữ liệu (data burst) (chu kỳ 0.577ms hay 156.25 bit) được truyền trên một kênh vật lý

Kênh luận lý (kênh logic)

Tùy vào nội dung thông tin được truyền trên các kênh vật lý mà được chia thành các kênh logic khác nhau

Một kênh vật lý có thể hỗ trợ một hay nhiều các kênh logic

Hai loại kênh logic được định nghĩa: kênh lưu lượng và kênh điều khiển

Mỗi kênh được chia thành các kênh phụ như sau:

3.4.1 Kênh lưu lượng (TCH)

Một kênh vật lý (một khe thời gian) có thể hỗ trợ:

1 TCH/F (Full rate) hay 2 TCH/H (Half rate)

 TCH/F: mang thông tin ở tốc độ 13Kbps voice hay 9.6Kbps data, được cấp phát hoàn toàn kênh vật lý trên một khe thời gian trong khung TDMA

 TCH/H: mang thông tin ở tốc độ 6.5Kbps voice hay 4.8Kbps data, 2 kênh lưu lượng được ấn định trên 1 kênh vật lý đơn

Đồng bộ đường lên/xuống

 MS phát cụm trễ 3 khe thời gian sau cụm từ BTS Trễ này cho phép:

 Sử dụng cùng số khe thời gian cho trong khung TDMA cho cả đường lên và xuống

 Cho phép thời gian trể (TA) mà có thể giảm trể 3 khe thời gian

 Cung cấp thời gian cho MS để chuyển giữa các chế độ thu và phát

3.4.2 Các kênh quảng bá (BCH)

Tất cả các kênh thuộc kênh BCH (kênh tần số điều khiển) chỉ được sử dụng cho đường xuống và được cấp phát trên khe thời gian 0 (TS0) Các kênh BCH gồm:

 Kênh hiệu chỉnh tần số FCCH (Frequency control channel) gởi đến MS 1 cụm tất

cả các bit “0” hoạt động như một mào đầu và cho phép MS hiệu chỉnh tần số đường xuống và đồng bộ thời gian

 Kênh đồng bộ SCH (Synchronisation channel) cho phép đồng bộ số khung TDMA bằng việc gởi giá trị tuyệt đối của số khung (FN) cùng với mã nhận dạng trạm gốc BSIC

 Kênh điều khiển quảng bá BCCH (Broadcast control channel) gởi thông tin riêng của mạng như các bản tin quản lý tài nguyên vô tuyến và điều khiển, nhận dạng khu vực vị trí (LAI), công suất phát tối đa cho phép truy cập vào cell

 Kênh quảng bá (BCH): phát quảng bá thông tin chung trên cơ sở một kênh cho một BTS

3.4.3 Kênh điều khiển chung (CCCH)

CCCH chứa tất cả các kênh đường xuống điểm đến đa điểm (BTS đến vài MS) và kênh truy cập ngẫu nhiên đường lên (RACH):

 Kênh truy cập ngẫu nhiên RACH (Random Access Channel): được phát bởi MS

để yêu cầu tài nguyên trong mạng, ví dụ như là một kênh SDCCH cho việc thiết lập cuộc gọi

 Kênh chấp nhận truy cập AGCH (Access Grant Channel) được dùng để cấp phát một kênh dành riêng SDCCH cho một MS

 Kênh tìm gọi PCH (Paging channel) gởi bản tin tìm gọi để thông tin cho MS về một cuộc gọi

 Kênh quảng bá cell CBCH (Cell Broadcast Channel) phát quảng bá các bản tin SMS

 Kênh NCH được dùng cho các dịch vụ thoại như dịch vụ VBS (voice broadcast service) hay VGCS (voice group calling service)

 Kênh điều khiển dành riêng SDCCH (Standalone Dedicated Channel) được dùng

để thiết lập cuộc gọi, cập nhập vị trí và SMS

 Kênh điều khiển liên kết chậm SACCH (Slow Associated Control Channel) sử dụng cho cả đường lên để gởi các bản tin đo và đường xuống để gởi các lệnh điều khiển công suất và các lệnh chuyển giao cuộc gọi

 Kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH (Fast Associated Control Channel) được dùng (khi cần) cho báo hiệu cuộc gọi, chủ yếu cho việc phát các bản tin chuyển giao và để nhận biết khi một TCH được ấn định

3.5 Cấu trúc khung, đa khung

3.5.1 Khái niệm đa khung

Đa khung được dùng để mô tả sự lặp lại các TS, được phát liên tục trên một kênh vật lý

3.5.2 Đa khung kênh lưu lượng (TCH)

Khi một user được ấn định một TS trong một khung TDMA cho một cuộc gọi, thông thường user dành riêng TS (lưu lượng toàn tốc) trong suốt cuộc gọi Vì vậy, user phát một cụm dữ liệu trên 1 TS của khung TDMA Tuy nhiên sau 12 cụm được gởi, 1 cụm kênh logic SACCH được chèn vào và sau 12 cụm lưu lượng được gởi tiếp thì một cụm rỗi (idle burst) được chèn Điều này được lặp lại liên tục cứ sau 26 cụm đến khi kết thúc cuộc gọi Sự lặp lại 26 cụm kênh lưu lượng được xem là đa khung kênh lưu lượng Cụ thể:

Đa khung TCH bao gồm 26 TS

Đa khung TCH ánh xạ các kênh logic sau: TCH, SACCH, FACCH

Ngoài các TS TCH va SACCH, kênh lưu lượng cũng mang thông tin FACCH FACCH là kênh logic duy nhất không dành riêng TS truyền dẫn FACCH đánh cắp TS của TCH khi được yêu cầu

3.5.2.1 Thời gian của một đa khung TCH

Một đa khung là sự thiết lập liên tục của cùng một TS trong khung TDMA Chu kỳ khung TDMA là 4.615ms, do đó, thời gian cho 1 đa khung được tính là: chiều dài của đa khung (các TS) x 4.615ms

3.5.2.2 Chức năng SACCH trong đa khung TCH:

Trong suốt một cuộc gọi MS liên tục giám sát mức công suất từ các cell neighbor Việc giám sát được thực hiện trong các khoảng giữa thời gian ấn định

TS Suốt mỗi đa khung kênh lưu lượng, có một cụm SACCH đường lên được dùng để gởi báo cáo kết quả đo về cell phục vụ hiện tại

BTS dùng cụm SACCH đường xuống để gởi lệnh điều khiển công suất và các báo hiệu điều khiển cuộc gọi khác cho MS

3.5.2.3 Chức năng kênh Idle trong đa khung TCH

TS Idle (TS 25 trong đa khung) xảy ra khi MS hoạt động ở chế độ half rate TCH/H, 2 MS chia sẽ đa khung Khi đó slot 25 sẽ là một cụm SACCH thứ hai thiết lập report đến trạm gốc

3.5.2.4 Chức năng FACCH trong đa khung TCH

FACCH được dùng để yêu cầu truy nhập ngay khi có bản tin lệnh chuyển giao

từ trạm gốc Khi cần, FACCH dùng một cụm TCH và thiết lập “cờ đánh cắp” trong cụm để thông báo nó không là cụm kênh lưu lượng

3.5.3 Đa khung kênh điều khển

3.5.3.1 Sóng mang BCCH

Một cell có thể có nhiều sóng mang (nhiều tần số) nhưng phải có ít nhất một

TS của một trong các sóng mang đó dành cho chức năng điều khiển Kênh điều khiển vật lý này vận chuyển một số các kênh báo hiệu logic trên TS0 Quan trọng nhất của các kênh báo hiệu logic này là kênh BCCH vì nó mang thông tin cấu hình mạng Vì lý do này mà sóng mang chứa kênh logic BCCH được xem như

“sóng mang BCCH”

3.5.3.2 Cấu trúc đa khung kênh điều khiển

Đa khung kênh điều khiển ghép các kênh logic báo hiệu vào một kênh vật lý đơn

Các kênh logic truyền thông tin điều khiển được tổ chức lặp lại mỗi 51 TS0

trong liên tục 51 khung TDMA

3.5.3.3 Đa khung kênh điều khiển kết hợp và không kết hợp (combined và

non-combined)

Kênh CCCH là các block báo hiệu (mỗi 4 TS) đựơc ấn định các kênh báo hiệu

dành riêng tùy thuộc vào dung lượng báo hiệu yêu cầu Bao gồm sự ấn định:

SDCCH, SACCH, AGCH và PCH

Khi các yêu cầu dung lượng báo hiệu được tính toán, có thể dung lượng trên

một kênh điều khiển đơn có sẳn không đủ, trong trường hợp này thêm kênh vật lý

ấn định cho báo hiệu

Khi đa khung kênh báo hiệu vật lý yêu cầu ấn định sóng mang BCCH dùng TS

2, 4 hay 6 (ngoài TS0) Ghép kênh báo hiệu được sắp xếp trong cả hai định dạng

kết hợp (combined) và không kết hợp (non-combined) Cấu trúc của ghép kênh

báo hiệu có thể thay đổi tùy thuộc vào dung lượng báo hiệu yêu cầu

Cấu hình ghép kênh báo hiệu

Trong đa khung không kết hợp, có thể dành 7 trong 9 blocks cho AGCH

Trong đa khung kết hợp, có thể dành 2 trong 3 blocks cho AGCH

Số blocks CCCH dành riêng cho AGCH được chỉ định trong bản tin thông tin

hệ thống mà MS đọc trên BCCH

3.5.4 Phân bậc cấu trúc đa khung trong GSM

Cấp bậc khung (Frame)

3.5.4.1 Siêu khung (superframe)

Mục đích cơ bản của lớp siêu khung là để cung cấp một điểm mà tại đó đa khung kênh lưu lượng và đa khung kênh điều khiển được đồng bộ Vì vậy, 51 đa khung TCH của 26 khung được nhóm lẫn nhau và 25 đa khung CC của 51 khung được nhóm Trong cả hai trường hợp, thời gian của 1 siêu khung là 26x51 frame=6.12s

3.5.4.2 Siêu siêu khung

Kênh đồng bộ (SCH) phát số khung (FN) TDMA mà cho phép một MS đồng

bộ với trạm gốc tại mức khung TDMA FN là một số 22 bit mà được reset sau mỗi siêu siêu khung (sau 2048x26x51=2715648 frame TDMA)

 Các lớp chức năng ứng dụng: lớp 4-7 trong mô hình OSI và liên quan tới các chức năng end-to-end giữa hai hay nhiều user ở ngoại vi mạng

 Các lớp chức năng mạng: lớp 1-3 trong mô hình OSI bao gồm chức năng vận chuyển dữ liệu trong mạng

Hình 4.1: Mô hình OSI Chức năng của từng khối trong mô hình OSI

 Application layer: cung cấp dịch vụ để hỗ trợ cho việc xử lý ứng dụng của user

và điều khiển thông tin giữa các ứng dụng Đây là lớp xem xét đến nhận thực

và thông tin cá nhân của user, các giới hạn về cú pháp dữ liệu Chức năng của lớp 7 có thể là file transfer, xử lý bản tin, vận hành và bảo dưỡng,

 Presentation layer xác định cách trình bày dữ, chuyển đổi cấu trúc dữ liệu của ứng dụng sang dạng cấu trúc chung cần thiết cho việc liên lạc giữa các ứng dụng Lớp 6 bao gồm chức năng nén, mật mã dữ liệu

 Session layer thiết lập kết nối giữa các lớp presentation trong các hệ thống khác nhau Nó cũng điều khiển kết nối, đồng bộ, giải phóng kết nối Nó cho

phép lớp presentation xác định các checkpoint để bắt đầu truyền lại khi dữ liệu

bị gián đoạn

 Transport layer: bảo đảm cho chất lượng dữ liệu được truyền không có lỗi theo thứ tự và không mất mát, ngắt quãng hoặc dư thừa Điều khiển dòng từ nguồn tới đích Lớp transport tối ưu thông tin dữ liệu bằng cách ghép hay chia các dòng dữ liệu trước khi đến mạng

 Network layer: chức năng cơ bản của lớp mạng là cung cấp transparent channel giữa các lớp transport của các hệ thống khác nhau Nghĩa là, lớp ứng dụng yêu cầu cấp phát kênh mà không cần quan tâm đến lỗi về mạng vì đây là nhiệm vụ của các lớp dưới Lớp mạng thiết lập, bảo trì và giải phóng kết nối giữa các node mạng và xử lý địa chỉ và định tuyến các mạch

 Data link layer: truyền dẫn một cách tin cậy (error-free) dữ liệu lớp mạng thông qua một liên kết đơn (point to point), phát hiện lỗi đường truyền, sửa lỗi, điều khiển luồng và truyền lại, đồng bộ cho mức vật lý, nhồi bit cho các chuỗi

có số bit 1 nhiều hơn 5

 Physical layer cung cấp các tài nguyên cơ, điện, chức năng, thủ tục để kích hoạt, bảo trì, khóa các mạch vật lý dùng cho việc truyền bit giữa các data link layer Lớp vật lý có chức năng chuyển dữ liệu thành các dạng tín hiệu tương thích với môi trường truyền

4.3 Khái quát về các nghi thức GSM

Mạng GSM có nhiều nghi thức khác nhau để điều khiển luồng dữ liệu và báo hiệu giữa các phần tử trong mạng Vì GSM là mạng vận chuyển nên nó chủ yếu gồm 3 lớp dưới trong mô hình OSI Nội dung chương này chủ yếu phân tích các nghi thức sử dụng trong GSM từ lớp 1 tới lớp 3

4.3.1 Lớp 1:

Lớp vật lý bao gồm các chức năng cần thiết để truyền các dòng bit qua môi trường vật lý Nó cung cấp dịch vụ vận chuyển cho các kênh GSM logic, bao gồm các dịch vụ:

 Khả năng truy nhập (GSM 0408): Các kênh logic được ghép kênh trên các kênh vật lý Các kênh vật lý là những đơn vị được sắp xếp theo thời gian trong môi trường vô tuyến Trong đó, một số được dùng cho sử dụng chung như tổ hợp CCCH và BCCH, số khác dùng để kết nối với MS (các kênh vật lý được ấn định)

 Phát hiện lỗi: tự sửa lỗi (forward error correction) hay yêu cầu truyền lại

4.3.2 Lớp 2 sử dụng nghi thức LAPDm, bao gồm các chức năng:

 Truyền không kết nối trên các kênh báo hiệu điểm đến điểm hay điểm đến

 Quản lý tài nguyên vô tuyến (Radio Resource Management - RR): lớp quản

lý RR có chức năng thiết lập và giải phóng các kết nối giữa MS và MSC trong suốt một cuộc gọi, và duy trì kết nối khi MS di chuyển RR thực hiện các chức năng: lựa chọn cell, handover, cấp phát và giải phóng các kênh point-to-point, giám sát và chuyển tiếp của các kết nối vô tuyến, giới thiệu mật mã (các loại có thể sử dụng), thay đổi cơ chế truyền

 Quản lý di động (Mobility management - MM) thực hiện các chức năng cần thiết cho di động như: nhận thực, cấp phát lại TMSI, quản lý vị trí thuê bao

 Quản lý kết nối (connection management - CM) dùng để set-up, duy trì và giải phóng các kết nối cuộc gọi, bao gồm ba nhóm nhỏ:

 Điều khiển cuộc gọi: quản lý các kết nối cuộc gọi

 Hỗ trợ dịch vụ gia tăng

 Hỗ trợ dịch vụ tin nhắn (SMS-short message service)

Cả BTS và BSC đều không đọc được bản tin CM và MM Các bản tin này được trao đổi giữa MS và MSC theo nghi thức DTAP (Direct Transfer Application Part) trên giao diện A

Các bản tin RR được ánh xạ vào BSSAP (Base Station System Application Part) để trao đổi với MS

4.4 Nghi thức truyền

Nghi thức truyền liên quan tới việc vận chuyển về mặt vật lý dữ liệu thô trong mạng GSM và các nghi thức khác liên quan đến chức năng này

Hình 4.2: Nghi thức truyền trong GSM

Ở mức truyền dẫn, lớp vật lý cung cấp các kênh tốc độ 13kbps Tuy nhiên, để thích ứng với các nhược điểm của giao diện vô tuyến, phát hiện và tự sửa lỗi được thực hiện dựa vào các mào đầu (overhead)

Thêm vào đó, lớp truyền dẫn điều khiển các quá trình mã hóa và truy nhập FDMA/TDMA trên giao diện vô tuyến

Tại một số giai đoạn, các kênh 13kbps được chuyển thành 64kbps để vận chuyển qua mạng PSTN Chức năng này được thực hiện bởi phần tử mạng TRAU (Transcoder and Rate Adaption Unit)

Chức năng chính của TRAU là chuyển các kênh thoại 16 kbps thành các kênh PCM

64 kbps trên đường lên và ngược lại ở đường xuống Chức năng này cần thiết vì MSC chỉ có thể chuyển mạch ở mức kênh 64 Kbps

Do đó, khi thực hiện cuộc gọi giữa hai MS, kênh khởi đầu phải chuyển từ 16 Kbps thành 64 Kbps, chuyển mạch bởi MSC và sau đó chuyển lại thành 16 Kbps để truyền tới MS đích Việc chuyển đổi tốc độ được thực hiện dựa theo luật A Về mặt kỹ thuật TRAU có thể đặt ở BTS, BSC hay MSC nên có thể cài đặt nhiều cấu hình khác nhau

Hình 4.3: Cấu hình TRAU

Nếu TRAU được cài đặt ở BTS, mỗi kênh GSM 16 Kbps sẽ được ánh xạ thành các kênh PCM 64 Kbps Do đó, cấu hình này gây lãng phí 75% băng thông truyền dẫn trên giao diện Abis và A

Tuy nhiên, nếu TRAU được đặt ở MSC thì bộ ghép 4 kênh 16Kbps thành kênh PCM 64Kbps có thể được đặt tại BTS Với cấu hình này, việc chuyển đổi 16kbps sang 64kbps chỉ cần thiết khi đến MSC, do đó, hiệu suất sử dụng truyền dẫn đạt giá trị tối

đa bằng cách tăng số kênh trên một PCM 2048 từ 30 lên 120 kênh

Bằng cách tập trung chức năng TRAU ở MSC, số lượng TRAU trong mạng sẽ giảm đáng kể

G.703: TRAU chuyển các kênh GSM thành ISDN kênh D theo khuyến nghị của G.703 G.703 chỉ rõ các đặc tính vật lý, điện của các giao diện theo mức tốc độ bit (G.702) Các giao diện được định nghĩa các tính chất, đặc điểm ở đầu vào, đầu ra, kết nối chéo giữa các điểm, luật mã hóa,…

4.5 Nghi thức báo hiệu GSM

Hình 4.4: Nghi thức báo hiệu Báo hiệu trong GSM gồm có các nghi thức:

 Nghi thức lớp 1:

TDMA – đa truy nhập phân chia theo thời gian

G.703 – cấu trúc khung PCM (ITU)

MTP – message transfer part

 Nghi thức lớp 2

LAPDm nghi thức truy nhập di động kênh D

LAPDm nghi thức truy nhập kênh D

BSSMAP – BSS management application part

DTAP – Direct transfer application part

Hình 4.5: Danh mục các tài liệu tham khảo cho từng nghi thức