Giới thiệu hệ thống thông tin di động GSM

Giới thiệu hệ thống thông tin di động

di động Châu Âu.

L

Ủy ban Châu Âu (EC) đưa ra lời hướng dẫn yêu cầu các quốc gia thành viên sử dụng GSMcho phép liên lạc di động trong băng tần 900MHz Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu(ETSI) định nghĩa GSM khi quốc tế chấp nhận tiêu chuẩn hệ thống điện thoại tế bào số

Lời đề xuất có kết quả vào tháng 9 năm 1987, khi 13 nhà điều hành và quản lý của nhóm cốvấn CEPT GSM thỏa thuận ký hiệp định GSM MoU “Club”, với ngày khởi đầu là 1 tháng 7năm 1991

GSM là từ viết tắt của Global System for Mobile Communications (hệ thống thông tin di độngtoàn cầu), trước đây có tên là Groupe Spécial Mobile

Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM là hệ thống thông tin tế bào số tích hợp và toàndiện, được phát triển đầu tiên ở Châu Âu và đã nhanh chóng phát triển trên toàn thế giới.Mạng được thiết kế phù hợp với hệ thống ISDN và các dịch vụ mà GSM cung cấp là một hệthống con của dịch vụ ISDN chuẩn

GSM đầu tiên được thiết kế hoạt động ở dải tần 890-915 MHz và 935-960 MHz, hiện nay là1.8GHz Một vài tiêu chuẩn chính được đề nghị cho hệ thống :

 Chất lượng âm thoại chính thực sự tốt

 Giá dịch vụ và thuê bao giảm

 Hỗ trợ liên lạc di động quốc tế

 Khả năng hỗ trợ thiết bị đầu cuối trao tay

 Hỗ trợ các phương tiện thuận lợi và dịch vụ mới

 Năng suất quang phổ

 Khả năng tương thích ISDN

Tiêu chuẩn được ban hành vào tháng giêng năm 1990 và những hệ thống thương mại đầu tiênđược khởi đầu vào giữa năm 1992 Tổ chức MoU (Memorandum of Understanding) thành lậpbởi nhà điều hành và quản lý GSM được cấp phép đầu tiên, lúc đó có 13 hiệp định được kýkết và đến nay đã có 191 thành viên ở khắp thế giới Tổ chức MoU có quyền lực tối đa, đượcquyền định chuẩn GSM

CHƯƠNG 2

CẤU TRÚC MẠNG GSM

ạng GSM gồm nhiều khối chức năng khác nhau Hình dưới cho thấy cách bố trícủa mạng GSM tổng quát Mạng GSM có thể chia thành ba phần chính Trạm diđộng (Mobile Station_MS) do thuê bao giữ Hệ thống con trạm gốc (Base StationSubsystem_BSS) điều khiển liên kết với trạm di động Hệ thống mạng con (NetworkSubsystem_NS) là phần chính của trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động (Mobile servicesSwitching Center_MSC), thực hiện chuyển mạch cuộc gọi giữa những người sử dụng điệnthoại di động, và giữa di động với thuê bao mạng cố định MSC xử lý các hoạt động quản lý

di động Trong hình không có trình bày trung tâm duy trì và điều hành (Operations andMaintenance Center_OMS), giám sát điều hành và cơ cấu của mạng Trạm di động và hệthống con trạm gốc thông tin dùng giao tiếp Um, còn được gọi là giao tiếp không trung hayliên kết vô tuyến Hệ thống con trạm gốc liên lạc với trung tâm chuyển mạch dịch vụ di độngdùng giao tiếp A

thuộc vào loại thiết bị đầu cuối Bằng cách gắn SIM vào đầu cuối GSM, người sử dụng cóthể nhận, gọi và nhận các dịch vụ thuê bao khác trên thiết bị đầu cuối này.

Thiết bị di động được nhận dạng duy nhất bằng số nhận dạng thiết bị di động quốc tế(International Mobile Equipment Identity_IMEI) SIM card chứa số nhận dạng thuê bao diđộng quốc tế (International Mobile Subscriber Identity_IMSI) sử dụng để nhận dạng thuê baotrong hệ thống, dùng để xác định chủ quyền và thông tin khác Số IMEI và IMSI độc lậpnhau SIM card có thể được bảo vệ chống lại việc sử dụng trái phép bằng password hoặc sốnhận dạng cá nhân

2 HỆ THỐNG CON TRẠM GỐC

Hệ thống con trạm gốc gồm hai phần: trạm gốc thu phát (BTS) và trạm gốc điều khiển(BSC) Hai hệ thống này liên kết dùng giao tiếp Abis chuẩn hoá, cho phép điều hành các bộphận cung cấp bởi các nhà sản xuất khác nhau

Trạm thu phát gốc là nơi máy thu phát vô tuyến phủ một cell và điều khiển các giao thức liênkết vô tuyến với trạm di động Trong một thành phố lớn, có nhiều khả năng triển khai nhiềuBTS, do đó yêu cầu BTS phải chính xác, tin cậy, di chuyển được và giá thành thấp

Trạm gốc điều khiển tài nguyên vô tuyến của một hoặc nhiều BTS Trạm điều khiển cáchthiết lập kênh truyền vô tuyến, nhảy tần và trao tay BSC là kết nối giữa trạm di động vàtổng đài di động (MSC)

3 HỆ THỐNG MẠNG CON

Thành phần chính của hệ thống mạng con là tổng đài di động, hoạt động như một nút chuyểnmạch bình thường của PSTN hoặc ISDN, và cung cấp tất cả các chức năng cần có để điềukhiển một thuê bao di động, như đăng ký, xác nhận, cập nhật tọa độ, trao tay, và định tuyếncuộc gọi cho một thuê bao liên lạc di động Những dịch vụ này được cung cấp chung vớinhiều bộ phận chức năng khác, tạo nên hệ thống mạng con MSC cung cấp kết nối đến mạngcố định (như PSTN hoặc ISDN) Báo hiệu giữa các bộ phận chức năng trong hệ thống mạngcon là hệ thống báo hiệu số 7 (SS7) sử dụng cho báo hiệu trung kế trong mạng ISDN và mởrộng sử dụng trong mạng công cộng hiện tại

Bộ ghi định vị thường trú (HLR) và bộ ghi định vị tạm trú (VLR) cùng với MSC cung cấp địnhtuyến cuộc gọi và khả năng liên lạc di động của GSM HLR chứa tất cả thông tin quản trịcủa mỗi thuê bao đã đăng ký trong mạng GSM tương ứng, cùng với vị trí hiện tại của di động

Vị trí của di động thường ở dưới dạng địa chỉ báo hiệu của VLR chứa trạm di động

Bộ ghi định vị tạm trú (VLR) chứa thông tin quản trị được chọn từ HLR, cần thiết cho điềukhiển cuộc gọi và cung cấp các dịch vụ thuê bao, cho mỗi thuê bao hiện tại nằm trong vùngđịa lý điều khiển bởi VLR Mặc dù mỗi bộ phận chức năng có thể được thực hiện độc lậpnhưng tất cả các nhà sản xuất thiết bị chuyển mạch cho đến nay đều sản xuất VLR chung vớiMSC, vì thế vùng địa lý điều khiển bởi MSC sẽ tương ứng với điều khiển bởi VLR đó, do đóđơn giản hóa báo hiệu cần thiết Lưu ý rằng MSC không chứa thông tin các trạm di động –thông tin này lưu trữ trong các thanh ghi vị trí.

Có hai bộ ghi khác sử dụng cho mục đích xác nhận và bảo mật Bộ ghi nhận thực thiết bị(EIR) là một cơ sở dữ liệu chứa một danh sách tất cả các thiết bị di động hợp lệ trên mạng,mỗi trạm di động được xác nhận bằng số nhận dạng thiết bị di động quốc tế (IMEI) Số IMEI

bị đánh dấu là không hợp lệ nếu được thông báo mất cắp hoặc không được chấp thuận.Trung tâm nhận thực AuC là cơ sở dữ liệu được bảo vệ chứa bản sao khóa mã trong SIM cardcủa thuê bao, sử dụng để nhận thực và mã hóa trên kênh vô tuyến

CHƯƠNG 3

LIÊN KẾT VÔ TUYẾN

iệp hội liên lạc viễn thông quốc tế (ITU), quản trị chỉ định phổ vô tuyến quốc tế (vànhiều chức năng khác), chỉ định băng thông 890-915 MHz dùng cho kênh lên (trạm

di động tới trạm gốc) và 935-960 MHz dùng cho kênh xuống (trạm gốc đến trạm diđộng) cho mạng di động Châu Âu Vì tầm này đã được sử dụng đầu những năm 1980 bằnghệ thống analog, hội nghị bưu chính và viễn thông Châu Âu (CEPT) đã dành trước 10 MHzđầu của mỗi băng tần trên cho mạng GSM Cuối cùng, GSM được chỉ định toàn bộ băngthông 2x25 MHz

H

1 ĐA TRUY CẬP VÀ CẤU TRÚC KÊNH

Vì phổ vô tuyến là tài nguyên hữu hạn dùng chung cho tất cả thuê bao, một phương pháp phảiđưa ra là chia băng thông để càng nhiều thuê bao sử dụng càng tốt GSM đã chọn phươngpháp kết hợp đa truy cập phân chia theo tần số và thời gian (TDMA/FDMA) FDMA baogồm chia tần số băng thông tối đa 25 MHz thành 124 tần số sóng mang cách nhau 200 KHz.Một BS có thể có một hoặc nhiều tần số sóng mang và sử dụng kỹ thuật TDMA chia kênh vôtuyến 200 KHz thành 8 khe thời gian (tạo 8 kênh logic) Do đó một kênh logic được địnhnghĩa bằng tần số và số khe thời gian của khung TDMA Bằng cách áp dụng 8 khe thời gian,mỗi kênh phát dữ liệu số theo từng chuỗi “burst” ngắn : đầu cuối GSM chỉ phát 1 trong 8 khethời gian đó

Tám khe TDMA cùng với 248 kênh bán song công vật lý tương ứng với tổng cộng 1984 kênhbán song công logic Điều này tương ứng với 283 ( 1984/7) kênh bán song công logic mỗicell vì mỗi cell chỉ sử dụng 1/7 tổng số tần số

Sơ đồ phân chia tần số theo cell

Bảy tập tần số đủ để phủ một vùng lớn tùy ý, do khoảng cách lặp lại d phải lớn hơn hai lầnbán kính lớn nhất phủ bởi mỗi máy phát.

Mỗi kênh tần số được phân đoạn thành 8 khe thời gian có chiều dài bằng 0,577 ms(15/26ms) Tám khe tạo thành một khung TDMA dài 4,615ms (=120/26ms) Mỗi khe đượclặp lại sau 4,615 ms tạo thành một kênh cơ bản

Hệ thống GSM phân biệt giữa kênh lưu lượng (Traffic Channel_TCH) (dùng cho dữ liệu thuêbao) và kênh điều khiển (Control Channel_CCH) (dùng cho các thông điệp quản lý mạng)

2 KÊNH LƯU LƯỢNG (TRAFFIC CHANNEL_TCH)

Kênh lưu lượng dùng để chuyển âm thoại và dữ liệu TCH định nghĩa sử dụng 26 khung đakhung (nghĩa là một nhóm 26 khung TDMA) Chiều dài của 26 khung đa khung là 120 ms, làchiều dài của một chu kì burst (120 ms / 26 khung / 8 chu kì burst mỗi khung) Trong 26khung đó, 24 khung dùng để lưu thông, một khung dùng cho kênh điều khiển liên kết chậm(Slow Associated Control Channel_ SACCH) và một khung chưa dùng TCH dùng cho tuyếnlên và tuyến xuống cách nhau một khoảng thời gian 3 burst để thuê bao không phát và thuđồng thời, đơn giản hóa mạch điện tử

Caáu truùc khung TDMA

Dữ liệu được truyền trong các burst đặt trong các khe thời gian Tốc đôï bit truyền là 271Kbps (chu kỳ bit 3,79 s) Do sai số theo thời gian, phân tán thời gian v.v…, burst dữ liệu hơingắn hơn khe thời gian (148 thay vì 156,25 chu kỳ bit trong một khe thời gian)

3 KÊNH ĐIỀU KHIỂN (CONTROL CHANNEL_CCH)

Các kênh chung di động có thể truy cập ở cả chế độ nghỉ và chế độ dành riêng Các kênhchung di động sử dụng ở chế độ nghỉ trao đổi thông tin báo hiệu cần thiết để chuyển qua chếđộ nhận riêng Di động đã ở trong chế độ dành riêng giám sát các trạm gốc xung quanh đểtrao tay và các thông tin khác Các kênh chung có 51 khung đa khung để dành riêng di độngsử dụng cấu trúc TCH 26 khung đa khung có thể vẫn giám sát kênh điều khiển Các kênhchung gồm :

 Kênh quảng bá điều khiển (Broadcast Control Channel_BCCH) : phát liên tục trêntuyến xuống, thông tin gồm đồng nhất trạm gốc, chỉ định tần số và chuỗi nhảy tần

 Kênh hiệu chỉnh tần số (Frequency Correction Channel_FCCH) và kênh đồng bộ(Synchronisation_SCH) : sử dụng để đồng bộ di động với cấu trúc khe thời gian củacell bằng cách định nghĩa các biên của chu kỳ burst, và số khe thời gian Mỗi celltrong mạng GSM phát chính xác một FCCH và một SCH dùng định nghĩa khe thờigian thứ 0 (trong một khung TDMA)

 Kênh truy cập ngẫu nhiên (Random Access Channel_RACH) : di động sử dụng kênhAloha khe để truy cập vào mạng

 Kênh tìm gọi (Paging Channel_PCH) : dùng để báo cho di động biết có một cuộc gọiđến

 Kênh cho phép truy cập (Access Grant Channel_AGCH) : chỉ định một kênh điềukhiển dành riêng đứng một mình (Standalone Dedicated Control Channel_SDCCH)cho di động báo hiệu (để có một kênh dành riêng), theo yêu cầu trên kênh truy cậpngẫu nhiên (RACH)

4 CẤU TRÚC BURST

Burst là đơn vị phát của GSM Việc phát xảy ra trong một cửa sổ thời gian (576+12/13) s,nghĩa là suốt chu kỳ bit (156 + ¼) Một burst thông thường chứa hai gói 58 bit (57 bit dữ liệu+ 1 bit dư (stealing bit)) và một chuỗi huấn luyện 26 bit Chuỗi huấn luyện 26 bit là mộtchuỗi biết trước dùng so sánh với chuỗi tín hiệu thu được để xây dựng lại tín hiệu gốc (cân

bằng đa đường) Việc thực hiện thật sự của bộ cân bằng không chỉ rõ trong kỹ thuật GSM.

Ba bit đuôi được thêm vào mỗi bên

GSM có thể sử dụng nhảy tần thấp khi trạm gốc và di động phát mỗi khung TDMA trên mỗitần số sóng mang khác nhau Thuật toán nhảy tần được phát trên kênh điều khiển vô tuyến(Broadcast Control Channel) Vì fading đa đường độc lập với tần số sóng mang, nhảy tầnthấp làm giảm nhẹ vấn đề này Việc nhảy tần là tùy chọn đối với mỗi cell và trạm gốckhông nhất thiết phải có chức năng này

5 BIẾN ĐỔI ÂM THOẠI SANG SÓNG VÔ TUYẾN

Hình sau mô tả chuỗi các chức năng biến đổi từ âm thoại sang sóng vô tuyến và ngược lại

5.1Mã hóa âm thoại GSM

GSM là một hệ thống số, mà âm thoại lại là tín hiệu tương tự nên phải được số hóa Phươngpháp mà ISDN và hệ thống điện thoại hiện tại dùng cho các đường ghép kênh thoại truyềnqua trung kế tốc độ cao, cáp quang là điều chế mã xung (PCM) PCM có tốc độ bit là64Kbps, là một tốc độ cao có thể truyền qua liên kết vô tuyến GSM có nhiều thuật toán mãhóa tiếng nói trên cơ sở chất lượng tiếng nói thực và độ phức tạp (liên quan đến giá cả, xử lýđộ trễ và tiêu thụ công suất) trước khi đưa đến chọn lựa phương pháp kích xung đều _ mãhóa dự đoán tuyến tính (RPE _ LPC) với vòng dự đoán dài Về cơ bản, thông tin từ các mẫutrước, không thay đổi nhanh, dùng để dự đoán mẫu hiện tại Các hệ số kết hợp tuyến tính củacác mẫu trước đó, cộng thêm dạng mã hóa của phần còn lại, sai số giữa mẫu dự đoán và mẫuthực, sẽ biểu diễn tín hiệu Tiếng nói lấy mẫu chu kỳ 20ms, mỗi mẫu mã hóa thành 260 bit,với tốc độ bit là 13Kbps Đây là mã hóa tiếng nói toàn tốc Gần đây, vài nhà điều hànhGSM1900 Bắc Mỹ thực hiện thuật toán mã hóa tiếng nói toàn tốc cấp cao (EFR) Phươngpháp này tăng chất lượng tiếng nói dựa trên tốc độ đang sử dụng 13Kbps

5.2Mã hóa kênh truyền GSM

Mã kênh truyền thêm các bit dư vào dòng dữ liệu cho phép phát hiện, thậm chí cả sửa lỗi bitsinh ra trong quá trình truyền Thuật toán mã hóa tiếng nói đưa ra một khối 260 bit mỗi 20ms(nghĩa là tốc độ 13Kbps) Trong bộ giải mã, các khối bit tiếng nói được giải mã và biến đổithành những mẫu tiếng nói mã đồng dạng 13 bit 260 bit của khối tiếng nói phân thành hainhóm 78 bit loại II ít quan trọng và không được bảo vệ 182 bit loại I được cắt thành 50 bitloại Ia và 132 bit loại Ib (xem hình sau)

Mẫu tiếng nói : 1 khối = 260 bit (20ms)

Đầu tiên các bit loại Ia được bảo vệ bởi 3 bit parity để phát hiện lỗi Sau đó các bit loại Ibđược cộng vào thêm 4 bit đuôi trước khi đưa vào mã chập với tốc độ r= ½ và chiều dài bắtbuộc K= 5 Kết quả 378 bit cộng vào với 78 bit loại II bảo vệ cho kết quả là một khung mãtiếng nói hoàn toàn 456 bit (trong hình)

Kiểu truyền TCH/FS

5.2.1 Mã phát hiện lỗi

GSM chuẩn dùng mã 3 bit lỗi dư để cho phép đánh giá sự chính xác của bit trong khung thoại(50 bit loại Ia) Nếu một bit bị sai, thì điều này sẽ tạo ra một nhiễu lớn thay cho phần tiếngnói 20 ms Phát hiện những lỗi này cho phép khối bị sai được thay thế bằng một vài nhiễu íthơn (như là một phép ngoại suy của khối dự đoán)

Đa thức trình bày mã phát hiện loại bit Ia là G(X) = X3 + X + 1 Ở bên thu, hoạt động tươngtự và nếu phép chia có dư, lỗi được phát hiện và khung tần số âm thanh loại bỏ cuối cùng

5.2.2 Mã hóa chập / giải mã

Trong quá trình truyền, mã hóa chập là kết quả phép chập của chuỗi tín hiệu sử dụng cáccông thức tích chập khác nhau Mã chập GSM có thêm 4 bit (mức 0) vào đầu chuỗi 185 bit,và sau đó áp dụng hai biểu thức tích chập khác nhau :

G1(X) = X4 + X3 + 1 và G2(X) = X4 + X3 + X + 1

Kết quả cuối cùng gồm hai chuỗi 198 bit

Bộ giải mã chập có thể sử dụng thuật toán Viterbi, bộ giải mã logic Viterbi khảo sát songsong mỗi dữ liệu của user trong chuỗi Nó mã hóa và so sánh mỗi dữ liệu dựa vào chuỗi thuđược và chọn ra giá trị phù hợp nhất : đó là bộ giải mã khả năng có thể xảy ra lớn nhất Đểlàm giảm độ phức tạp (số chuỗi dữ liệu có thể nhân đôi với mỗi bit dữ liệu thêm vào), bộ giảimã nhận ra thời điểm chuỗi không thuộc vào đường có khả năng xảy ra lớn nhất và hủy chuỗinày đi Bộ nhớ mã hoá được giới hạn K bit, bộ giải mã Viterbi hoạt động lớn nhất chỉ giữ 2k-1

đường Độ phức tạp của nó tăng theo hàm mũ của K

Tốc độ mã hoá chập GMS trên dòng dữ liệu là 378 bit mỗi 20ms, nghĩa là 18,9Kbps Tuynhiên, trước khi điều chế tín hiệu này, 78 bit loại II không bảo vệ được cộng thêm vào Dođó, tốc độ bit GMS là 456 bit trên 20ms, nghĩa là 22,8Kbps

5.3Đan xen và rút ra (Interleaving /De–interleaving )

Đan xen có nghĩa là vị trí các bit liên quan không tương quan trong từ mã và trong các burstvô tuyến đã điều chế Mục tiêu của thuật toán đan xen là tránh rủi ro mất những bit dữ liệuliên tiếp Các khối tiếng nói toàn tốc GSM đan xen vào 8 burst : 456 bit của một khối đượcchia thành 8 burst trong các khối con 57 bit Một khối con định nghĩa là các bit được đánh sốchẵn hoặc lẻ của dữ liệu đã mã hóa trong một burst Các burst khác nhau mang một khối con

57 bit và trong các khung TDMA khác nhau Vì thế, một burst chứa hai khối tiếng nói liên