tìm hiểu về mạng di động gsm và lộ trình phát triển của mạng di động từ thế hệ 2,5g lên 3g

Lịch sử mạng thông tin di động Năm 1946, hệ thống điện thoại di động thương mại đầu tiên đã được đưa vào hoạt động ở thành phố Saint Louis- Hoa Kỳ, sử dụng băng tần 150 MHz với khoảng c

ĐẠI HỌC THÁI NGUYấN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Thỏi Nguyên, tháng 11 năm 2010

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin di động hiện nay đã trở thành một dịch vụ kinh doanh không thể thiếu được của tất cả các nhà khai thác viễn thông Đối vơớ cỏc khách hàng viễn thông nhất là đối với với các nhà doanh nghiệp thì thông tin di động trở thành một phương tiện quen thuộc Các dịch vụ thông tin di động đang phát triển cho mọi đối tượng khách hàng viễn thông, cùng với sự phát triển của đất nước công nghệ thông tin cũng có những bước phát triển tuyệt vời với sự phát triển của các nghành khác như: điện tử, tin học, quang học công nghệ viễn thông đã và đang mang đến cho con người những ứng dụng trong tất cả các nghành kinh tế, giáo dục, văn học, y học, thông tin quảng bỏ… Cỏc quốc gia đều coi viễn thông tin học là những nghành mũi nhọn và được đầu tư thích đáng trong nghiên cứu và trong ứng dụng công nghệ thông tin làm đòn bẩy để kích thích sự phát triển của nghành kinh tế quốc dân khác Đi cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin thì thông tin di động hiện nay đang được phát triển tăng cường bằng cách đưa thờm cỏc dịch vụ mới như thông tin số liệu tốc

độ cao, hình ảnh tốc độ thấp, hình ảnh tốc độ đủ để phục vụ cho truyền hỡnh…

Để làm được điều này thông tin di động số băng hẹp đang được chuyển vào thông tin di động số băng rộng ở một số nước phát triển trên thế giới số thuê bao di động đã chiếm 70% tổng thuê bao, còn ở nước ta số thuê bao di động đã chiếm trên 10% tổng số thuê bao Mạng thông tin di động tổ ong số hiện đại theo tiêu chuẩn GSM đang được khai thác rất hiệu quả Mạng di động là mạng

có sư tổ hợp hoàn chỉnh của nhiêu công nghệ tiên tiến và thuật toán lý thuyết hiện đại như kỹ thuật định vị, xử lý tiếng nói, điều chế số, xử lý tín hiệu số…

Đề tài này của em chỉ nhằm mục đích tìm hiểu tổng quan về mạng thông di động GSM và lộ trình phát triển hệ thống thông tin di động thế hệ 2,5G lên 3G…

Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Lịch sử mạng thông tin di động

Năm 1946, hệ thống điện thoại di động thương mại đầu tiên đã được đưa vào hoạt động ở thành phố Saint Louis- Hoa Kỳ, sử dụng băng tần 150 MHz với khoảng cách kênh là 60 KHz và số lượng kênh bị hạn chế chỉ tới 3 Tuy nhiên dịch vụ này vừa chỉ mới bắt đầu thì những nhược điểm cố hữu của nó đã bộc lộ Tất nhiên nhược điểm chính là do những nguyên nhân về can nhiễu cùng kênh nên đòi hỏi phải phân cách về mặt vật lý quá lớn

Năm 1947, phòng thí nghiệm điện thoại Bell bắt đầu bắt tay vào khảo sát một khái niệm tái sử dụng tần số nhờ sử dụng các tế bào nhỏ (cell) với các máy

di động công suất thấp Các tế bào này có thể liên kết với nhau nhờ sử dụng một máy tính, cho phép thuê bao có thể di động trong khi số lượng thuê bao cùng một lúc gia tăng đáng kể mà hệ thống vẫn có thể phục vụ được Tuy nhiên, thực tế các nước khác đã đưa mạng tế bào hoạt động như một dịch vụ thương mại trước cả Hoa Kỳ

Mặc dù các dịch vụ mạng tế bào phát triển mạnh, nhưng không hề có khả năng tương hợp giữa các dịch vụ trên phạm vi toàn cầu.Hệ thống ở Hoa Kì dựa trên thiết kế ban đầu của AT&T và Motorola, được gọi là AMPS ( Advanced Mobile Phone Service- dịch vụ điện thoại di động tiên tiến) AMPS được sử dụng ở khoảng 70 nước khác trên thế giới và nó là tiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Ngoài ra phải kể đến một số tiêu chuẩn thông dụng khác như: NMT (Nordic Mobile Telephone- điện thoại di động Bắc Âu), TACS (Total Access Communications Service- dịch vụ truyền thông hoàn toàn truy nhập) và hệ thống GSM (Global System for Mobile- hệ thống di động toàn cầu).Hệ thống NMT ban đầu đã được thiết kế cho các mạng tương đối nhỏ gồm 20.000- 30.000 thuê bao và cung cấp 180 kênh, mỗi kênh sử dụng dải thông 25 hoặc 30 KHz trong dải tần 450

MHz Một thế hệ sau này của NMT cung cấp dung lượng lớn hơn ở dải tần 900 MHz, nó có khả năng cung cấp 1.000 kênh, mỗi kênh sử dụng dải thông 25 KHz hoặc 2.000 kênh, mỗi kênh có dải thông12,5 KHz Và hiện tại có khoảng

30 nước đã sử dụng hệ thống NMT Hệ thống TACS được sử dụng ở Châu Âu, Anh Quốc và khoảng vài chục nước khác Một dạng chuyển hoá của TACS được sử dụng ở Nhật Bản gọi là JTACS, cung cấp 1.320 kênh, mỗi kênh chiếm dải thông 25 KHz Còn sự ra đời của GSM có thể nói là do các nước khác nhau

ở Châu Âu sử dụng các tiêu chuẩn mạng tế bào khác nhau, cho nên cần có một

tiêu chuẩn duy nhất để cung cấp khả năng chuyển vùng (Các tiêu chuẩn khác nhau không chỉ sử dụng các giao thức khác nhau mà còn hoạt động ở các tần số khác nhau, vì vậy không thể có tính tương thích toàn cầu) Do vậy hệ thống GSM đã được phát triển như một dịch vụ số hoá hoàn toàn có thể dùng được ở Châu Âu và nhiều nước khác GSM được thiết kế để làm việc ở băng tần 900

1.2 Cấu trúc cơ bản của mạng tế bào

Về cơ bản, hệ thống điện thoại di động tế bào gồm các máy điện thoại di động trên xe ô tô hoặc xách tay (MS), trạm gốc (BS) và tổng đài di động (MSC- trung tâm chuyển mạch điện thoại di động)

Trong đó, máy điện thoại di động bao gồm các bộ thu/phát RF, anten và

bộ điều khiển BS còng bao gồm các bộ thu/phát RF để kết nối giữa máy di động với trung tâm chuyển mạch của hệ thống, anten, bộ điều khiển, đầu cuối

số liệu và nguồn cung cấp Còn MSC bao gồm bộ phận điều khiển, bộ phận kết nối cuộc gọi, các thiết bị ngoại vi và cung cấp chức năng thu thập số liệu cước đối với các cuộc gọi đã hoàn thành

Các thành phần chức năng của mạng được liên kết với nhau thông qua các đường kết nối thoại và số liêụ Mỗi máy di động sử dụng một cặp kênh thu/phát RF Vì các kênh lưu lượng không cố định ở một kênh RF nào mà thay đổi thành các tần số RF khác nhau phụ thuộc vào sự di chuyển của máy di động trong suốt quá trình cuộc gọi Nên cuộc gọi có thể được thiết lập ở bất kỳ một kênh nào đã được xác định trong vùng đó Cũng từ những quan điểm về hệ thống điện thoại di động mà thấy rằng tất cả các kênh đã được xác định đều có thể bận do được kết nối một cách đồng thời với các máy di động MSC xử lý các cuộc gọi đi và đến từ mỗi BS và cung cấp chức năng điều khiển trung tâm cho hoạt động của tất cả các BS một cách hiệu quả và để truy nhập vào tổng đài của mạng điện thoại công cộng Bộ phận điều khiển của MSC có thể nói là trái tim của hệ thống tế bào vì nó sẽ điều khiển, sắp đặt và quản lý toàn bộ hệ thống Tổng đài MSC kết nối các đường đàm thoại để thiết lập cuộc gọi giữa các máy thuê bao di động với nhau hoặc các thuê bao cố định với các thuê bao

di động và trao đổi các thông tin báo hiệu đa dạng qua đường số liệu giữa MSC

và BS Các thông tin thoại và báo hiệu giữa máy di động và BS được truyền đi qua kênh RF, các đường kết nối thoại và số liệu cố định được sử dụng để truyền các thông tin thoại và báo hiệu giữa BS và MSC

1.3 Phương pháp truy nhập kênh trong thông tin di động

1.3.1 Kỹ thuật ghép kênh (Multiplexing):

Để làm tăng dung lượng của dải vô tuyến dùng trong một lĩnh vực nào

đó, chẳng hạn như trong thông tin di động thì người ta phải sử dụng kỹ thuật ghép kênh Hiện nay có rất nhiều loại ghép kênh, nhưng ba hình thức thông dụng nhất là:

• FDMA (Frequency Division Multiple Access- Đa truy nhập phân chia theo tần số)

• TDMA (Time Division Multiple Access- Đa truy nhập phân chia theo thời gian)

• CDMA (Code Division Multiple Access- Đa truy nhập phân chia theo mã)

Liên quan đến việc ghép kênh là dải thông mà mỗi kênh hoặc mỗi mạch chiếm trong một băng tần nào đó Trong mỗi hệ thống ghép kênh đều sử dụng khái niệm đa truy nhập, điều này có nghĩa là các kênh vô tuyến được nhiều thuê bao dùng chung chứ không phải là mỗi khách hàng được gán cho một tần số riêng.

1.3.2 Đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA):

Đối với các hệ thống tế bào hiện đang sử dụng kỹ thuật ghép kênh FDMA, đều chia toàn bộ băng tần được phân phối cho một nhà khai thác mạng

tế bào (Khoảng 25 MHz) thành các kênh rời rạc Vì mỗi kênh thường có độ rộng dải là 30 KHz, cho nên hệ thống có tất cả 832 kênh khả dụng Mỗi cuộc đàm thoại cần sử dụng hai tần số, cho nên mỗi nhà khai thác có 416 cặp tần số khả dụng Mỗi cặp có thể gán cho một thuê bao mạng tế bào vào bất kỳ lúc nào

Thiết bị di động sử dụng kỹ thuật FDMA Ýt phức tạp hơn so với các thiết bị sử dụng các kỹ thuật ghép kênh khác và giá thành rẻ hơn Tuy nhiên, do mỗi kênh cần dùng một máy phát và một máy thu riêng biệt Cho nên FDMA đòi hỏi rất nhiều thiết bị tại vị trí trạm gốc Kỹ thuật FDMA có khả năng sử dụng được với cả các hệ thống truyền dẫn số (Digital) lẫn các hệ thống truyền dẫn tương tự (Analog)

Sau đây là minh hoạ về kỹ thuật FDMA sử dụng cho hệ thống tế bào analog ở Hoa Kỳ:

Hình 1 FDMA

30 KHz kªnh 1 Tho¹i

analog

30 KHz kªnh 832

.

Tho¹i analog

Như vậy, mỗi kênh chiếm dải thông và đáp ứng cho một cuộc đàm thoại Tần số của mỗi kênh tuy khác nhau nhưng nhiều máy vô tuyến có thể truy nhập tới được

1.3.3 Đa truy cập phân chia theo thời gian ( TDMA):

Với TDMA mỗi kênh vô tuyến được chia thành các khe thời gian Từng cuộc đàm thoại được biến đổi thành tín hiệu số và sau đó được gán cho mét trong những khe thời gian này Số lượng khe trong một kênh có thể thay đổi bởi vì nó là một nhiệm vụ của thiết kế hệ thống Có Ýt nhất là hai khe thời gian cho một kênh, và thường thì nhiều hơn, điều đó có nghĩa là TDMA có khả năng phục vụ số lượng khách hàng nhiều hơn vài lần so với kỹ thuật FDMA với cùng một đại lượng dải thông như vậy

TDMA là một hệ thống phức tạp hơn FDMA, bởi vì tiếng nói phải được

số hoá hoặc mã hoá, sau đó được lưu trữ vào một bộ nhớ đệm để gán cho mét khe thời gian trống và cuối cùng mới phát đi Do đó việc truyền dẫn tín hiệu là không liên tục và tốc độ truyền dẫn phải lớn hơn vài lần tốc độ mã hoá Ngoài

ra, do có nhiều thông tin hơn chứa trong cùng một dải thông nên thiết bị TDMA phải được sử dụng kỹ thuật phức tạp hơn để cân bằng tín hiệu thu nhằm duy trì chất lượng của tín hiệu

Trong kỹ thuật CDMA, tớn hiệu mang tin ( vớ dụ như tiếng núi) được biến đổi thành tớn hiệu digital, sau đú được trộn với một mó giống như mó ngẫu nhiờn Tớn hiệu tổng cộng, tức tiếng núi cộng với mó giả ngẫu nhiờn, khi đú được phỏt trong một dải tần rộng nhờ một kỹ thuật gọi là trải phổ.

Khụng giống FDMA hay TDMA, truyền dẫn trải phổ mà CDMA sử dụng đũi hỏi cỏc kờnh cú dải thụng tương đối rộng (Thường là 1,25 MHz) Tuy nhiờn theo tớnh toỏn lý thuyết thỡ CDMA cú thể chứa được số thuờ bao lớn gấp khoảng 20 lần mà FDMA cú thể cú trong một dải thụng tổng cộng như nhau

Bộ biến

đổi A/D

Tạo mã

(20)

1,25 MHz kênh 1

1,25 MHz kênh 20

.

(1)

(1)

C hương 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DI ĐỘNG GSM

2.1 Cấu trúc mạng GSM

Hình 4 Sơ đồ cấu trúc mạng GSM

OSS : Hệ thống khai thác và hỗ trợ AUC : Trung tâm nhận thực

HLR : Bé ghi định vị thường trú MSC : Tổng đài di động

BSS : Hệ thống trạm gôcBSC : Đài điều khiển trạm gốc PSPDN: Mạng chuyển mạch gói công cộng PSDN : Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng

SS : Hệ thống chuyển mạch VLR : Bé ghi định vị tạm trú EIR : Thanh ghi nhận dạng thiết bị BTS : Đài vô tuyến gốc

MS : Trạm di động ISDN : Mạng số liên kết đa dịch vụCSPDN : Mạng chuyển mạch số công cộng theo mạch PLMN : Mạng di động mặt đất công cộng

SS AUC

MS

EIR MSC

HLR

BSS BSC

BTS

VLR ISDN

2.2 Các khối chức năng

2.2.1 Hệ thống con chuyển mạch SS:

Hệ thống con chuyển mạch bao gồm chức năng chuyển mạch chính của

mạng GSM cũng như việc lưu trữ các cơ sở dữ liệu cần thiết về số liệu và quản

lý di động của thuê bao Chức năng chính của SS là quản lý thông tin giữa những người sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác

 Trung tâm chuyển mạch di động –MSC:

MSC thực hiện nhiệm vụ điều khiển, thiết lập cuộc gọi đến những người

sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác

Thực hiện giao diện với hệ thống con BSS và giao diện với các mạng ngoài

 Trung tâm nhận thực –AUC:

Trung tâm nhận thực lưu giữ về nhận thực thuê bao, nó chịu trách nhiệm

xử lý nhận thực và tạo biện pháp bảo mật trong các cuộc gọi

AUC là bộ phận phần cứng trong HLR, cho phép bám và ghi lại các cuộc gọi, chống nghe trộm, nó được thay đổi riêng cho từng thuê bao

 Thanh ghi nhận dạng thiết bị –EIR:

EIR được nối với một MSC thông qua đường báo hiệu riêng, nó cho phép MSC kiểm tra sự hợp lệ của thiết bị di động Hay EIR lưu trữ thông tin về IMEI và tổ chức danh sách IMEI như sau:

MS là một đầu cuối di động, có thể đặt trên ô tô hay xách tay Tại GSM

có một khối nhỏ gọi là modun nhận dạng thuê bao SIM, là một khối vật lý tách riêng chẳng hạn là một IC Card còn gọi là card thông minh SIM cung với thiết

bị trạm hợp thành trạm di động Không có SIM, MS không thể thâm nhập đến mạng trừ trường hợp gọi khẩn Khi liên kết đăng ký thuê bao với card SIM chứ không phải với MS

Đăng ký thuê bao có thể có thể sử dụng trạm MS khác như của chính mình Điều này làm nẩy sinh vấn đề MS bị lấy cắp, vì không có biện pháp để chặn đăng ký thuê bao nếu bị lấy cắp thì khi đó sẽ cần một cơ sở dữ liệu chứa

số liệu phần cứng của thiết bị: thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR (nhưng hiện nay ở Việt Nam thì người ta không dùng thiết bị này nữa bởi vì khi có EIR thì

nó yêu cầu máy có chỉ tiêu chất lượng tốt Do kinh tế thị trường thì không phải

ai cũng có thể mua một máy có chất lượng đạt yêu cầu ) EIR được nối Với MSC qua một đường báo hiệu Nó cho phép MSC kiểm tra sự hợp lệ của thiết

bị Bằng cách này có thể cho mét MS không được thâm nhập

2.2.3 Hệ thống con trạm gốc BSS:

Hệ thống con trạm gốc BSS được hiểu như hệ thống vô tuyến: cung cấp

và quản lý đường truyền vô tuyến giữa máy di động và tổng đài MSC Gồm:

 Bộ điều khiển trạm gốc BSC :

BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa BTS và MS Các lệnh này chủ yếu là lệnh Ên định, giải phóng kênh vô tuyến và chuyển giao Một phía BSC được nôí với BTS còn phía kia nối với MSC của SS Trong thực tế BSC là một tổng đài nhỏ có khả năng tính toán đáng kể Vai trò chính của nó là quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và

chuyển giao Giao diện giữa BSC và MSC là giao diện A, còn giao diện giữa BTS và BSC là giao diện Abit.

 Trạm thu phát gốc BTS:

BTS là thiết bị trung gian giữa GSM và thuê bao di động, trao đổi thông tin với MS thông qua giao diện vô tuyến Um BTS bao gồm các thiết bị như: Anten thu phát, thiết bị xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến BTS dưới

sự điều khiển của một BSC có thể kết nối theo nhiều đường khác nhau

 Bộ chuyển đổi mã thích ứng tốc độ TRAU:

TRAU là thiết bị mà quá trình mã hóa và giải mã đặc thù riêng cho mạng GSM được tiến hành TRAU là một bộ phận của BTS nhưng cũng có thể đặt nó cách xa BTS và thậm chí trong nhiều trường hợp nó được đặt giữa BSC

và MSC

2.2.4 Hệ thống khai thác và bảo dưỡng OSS:

OSS gồm một số OMC dùng để theo dõi và bảo trì hoạt động của

MSC, BTS, BSC Gồm các chức năng chính sau:

Chức năng khai thác và bảo dưỡng:

- Khai thác: Giám sát toàn bộ chất lượng dịch vụ (tải lưu lượng, mức độ nghẽn, số lượng chuyển giao…)để kịp thời xử lý các sự cố Khai thác bao gồm cả việc thay đổi cấu hình để giải quyết các vấn đề hiện tại, để tăng lưu lượng, tăng diện tích phủ sóng

- Bảo dưỡng: có nhiệm vụ phát hiện, định vị, sửa chữa các sự cố và hỏng hóc Nó liên quan chặt chẽ với khai thác

Quản lý thuê bao

- Bao gồm cả các hoạt động như: đăng ký thuê bao, nhập thuê bao vào mạng hay loại bỏ thuê bao ra khỏi mạng Đăng ký các dịch vụ và các tính năng

bổ sung Ngoài ra nó còn có nhiệm vụ tính cước cuộc gọi Quản lý thuê bao do HLR và một số thiết bị OSS chuyên dụng đảm nhiệm Sim Card đóng vai trò quan trọng cùng với OSS trong việc quản lý các thuê bao

- Quản lý các thiết bị tự động được thực hiện bởi EIR EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến trạm di động MS EIR được nối với MSC để kiểm tra

sự hợp lệ của các thuê bao

2.3 Cấu trúc địa lý của mạng

Mọi mạng điện thoại cần một cấu trúc nhất định để định tuyến các cuộc gọi vào tổng đài cần thiết và cuối cùng đến thuê bao bị gọi, ở một mạng di động cấu trúc này rất quạn trọng do tính lưu thông của các thuê bao trong mạng

Vùng mạng:

Tổng đài vô tuyến cổng GMSC kết nối các đường truyền giữa mạng GSM/PLMN và mạng PSTN/ISDN khác hay các mạng PLMN khác sẽ ở mức tổng đài trung kế quốc gia hay quốc tế Tất cả các cuộc gọi vào cho mạng GSM

sẽ được định tuyến đến một hay nhiều tổng đài vô tuyến cổng GMSC

Vùng phục vụ MSC/VLR:

Vùng MSC là một bộ phận của mạng được một MSC quản lý Để định tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động, đường truyền qua mạng sẽ được nối đến MSC ở vùng phục vụ MSC nơi thuê bao đang ở

Vùng phục vụ như là một bộ phận của mạng được định nghĩa như một vùng mà ở đó có thể đạt đến trạm di động nhờ việc MS này được ghi lại ở một

mà ở đó thông báo tìm gọi sẽ được phát quảng bá để tìm một thuê bao di động

bị gọi Vùng định vị có thể có một số cell và phụ thuộc vào một hay vài BSC nhưng nó chỉ phụ thuộc vào một MSC/VLR

Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng định vị LAI

Vùng định vị được hệ thống sử dụng để tìm một thuê bao đang ở trạng thái hoạt động

Ô (cell):

Vùng định vị được chia thành một số ô, là một vùng bao phủ vô tuyến được nhận dạng bằng nhận đạng ô toàn cầu (CGI)

Trạm di động tự nhận dạng một ô bằng cách sử dụng mã nhận dạng trạm gốc (BSIC)

2.4 Các loại kênh trong GSM

Trong mạng di động GSM có 2 loại kênh:

- Kênh lưu lượng (TCH Traffic Channel)

- Kênh điều khiển (CCH Control Channel)

2.4.1 Kênh lưu lượng:

- Là kênh mang thông tin thoại và dữ liệu được mã hóa của người sử dụng, đây là kênh ở cả 2 đường lên và xuống, truyền từ điểm tới điểm

- Có 2 loại kênh lưu lượng:

+ Kênh toàn tốc (FR): người dùng chiếm hoàn toàn một khe thời gian ở các khung liên tiếp

+ Kênh bán tốc (HR): ở kênh này khe thời gian được phân cách khung

2.4.2 Kênh điều khiển:

 Các kênh điều khiển quảng bá (BCCH):

+ Kênh hiệu chỉnh tần số FCCH mang thông tin của hệ thống để điều chỉnh tần số cho MS

+ Kênh đồng bộ SCH mang thông tin đồng bộ khung cho MS và mã nhận dạng trạm BTS

+ Kênh điều khiển quảng bá BCCH mang các thông tin của hệ thống như số LAI, các thông tin của ô

 Các kênh điều khiển chung (CCCH):

+ Kênh tìm gọi PCH: dùng để phát thông báo tìm gọi MS , là kênh dùng cho đường xuống

+ Kênh truy cập ngẫu nhiên RACH: là kênh mà MS sử dụng để yêu cầu cung cấp một kênh DCCH, trả lời thông báo tìm gọi, thực hiện các thủ tục khởi đầu khi đăng ký cuộc gọi, là kênh đường liên kết nối điểm- đa điểm

+ Kênh trợ giúp truy cập AGCH: là kênh theo chiều xuôi, bản tin CCCH cuối cùng gửi từ trạm BTS trước khi MS ngắt khối kênh điều khiển

 Các kênh điều khiển riêng DCCH:

+ Kênh điều khiển riêng đứng đơn lẻ SDCCH dùng để báo hiệu hệ thống khi thiết lập cuộc gọi trước khi Ên định một kênh TCH, là kênh dùng cho cả đường lên và xuống, kết nối điểm-điểm

+ Kênh điều khiển liên kết chậm SACCH là kênh số liệu liên tục mang thông tin đo đạc từ MS về cường độ tín hiệu nhận, chất lượng thu…

+ Kênh điều khiển liên kết nhanh FSCCH liên kết với một kênh TCH theo chế độ “lấy lén” Khi tốc độ thông tin cần trao đổi lớn hơn nhiều khả năng của SACCH thì hệ thống sẽ “lấy lén” một côm 20ms của TCH

2.5 Kiến trúc vô tuyến của GSM

Dải tần phát ngược (từ MS tới BTS) 25 MHz: từ 890 - 915 MHz

Dải tần phát xuôi (từ BTS tới MS) 25 MHz: từ 935 - 960 MHz

Do không bị lệ thuộc vào khung kĩ thuật nào của một hệ thống trước đó nên GSM được thiết kế độc lập chứa đựng nhiều ưu điểm kĩ thuật GSM sử dụng kĩ thuật FDD kết hợp TDMA và FDMA nhằm phục vụ đa truy cập

Dải tần phát ngược và phát xuôi được chia thành các kênh vô tuyến rộng

200 KHz, các kênh này ghép cặp ngược xuôi sao cho chúng cách biệt nhau 45 MHz và cùng dùng chung bởi 8 người theo kĩ thuật TDMA

Mỗi người được phân một khe thời gian, tốc độ truyền dẫn kênh là 270,833 kbp/s dùng điều chế nhị phân BT= 0,3 GMSK Như vậy độ dài bit là 3,692 us Tốc độ truyền của một người dùng là 33,854 kbp/s Mỗi khe thời gian ứng với 156,2 bit, trong đó 8,25 bit dùng cho bảo vệ, 6 bit cho báo hiệu bắt đầu và kết thúc mỗi khung có độ dài 4,615 ms

Tổng số kênh vô tuyến trong dải 25 MHz là 125, mỗi kênh 8 khe thời gian

sẽ cho tổng số 1000 kênh lưu lượng

Tổ hợp tỷ số và kênh vô tuyến tạo nên một kênh vật lý đối với tất cả chiều phát xuôi và ngược Mỗi kênh vật lý của GSM có thể được gán cho các kênh logic tại thời điểm khác nhau

2.6 Các đặc trưng của GSM

Trong các hệ thống điện thoại di động hiện có cung cấp cho các thuê bao

và nhà khai thác nhiều ưu điểm hơn một mạng điện thoại tiêu chuẩn Nhưng ở

đó còn nhiều hạn chế GSM đã khắc phục được những hạn chế đó và được thể hiện qua các đặc trưng sau

Tính tương thích:

Do sự phát triển nhanh chóng của các mạng tế bào ở Châu Âu, hiện có nhiều hệ thống tế bào khác nhau mà không tương thích với nhau Vì vậy, hiển nhiên là cần phải có một tiêu chuẩn chung cho hệ thống thông tin di động Và một hội đồng thực thi đã được thiết lập với một nhiệm vụ phức tạp là phân định chung-riêng ở mạng tiêu chuẩn mới Tiêu chuẩn GSM đã được qui định và phát triển ở các nước Châu Âu đang hoạt động để khai thác chung với nhau Kết quả là một hệ thống tế bào đã được thực hiện ở khắp Châu Âu Sự thuận lợi do tiêu chuẩn GSM đem lại, sẽ có một thị trường lớn đối với các thiết bị GSM Nghĩa là các nhà sản suất sẽ cung cấp các hiết bị với chất lương cao hơn và giá thành rẻ hơn Các thành công của GSM đã được chấp nhận và thực hiện trên khắp thế giới.

Hệ thống thông tin di động số GSM tương thích với hệ thống báo hiệu số

7 và sử dụng băng tần (890-915 ) MHz để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc và băng tần (935-960) MHz để truyền dẫn tín hiệu từ trạm gốc đến máy di động

Loại bỏ các tạp âm:

Tạp âm sẽ giao thoa với hệ thống hiện hành, có thể được phát sinh bởi các nguyên nhân sau :

• Một nguồn công suất mạnh hoặc kéo dài , gần với hệ thống thông tin

di động (như hệ thống đánh lửa trên ô tô , sét )

• Sự truyền dẫn ở các máy di động khác nhau trên cùng một tần số (nhiễu kênh chung)

• Sự truyền dẫn ở các máy di động khác nhau, theo kiểu “xuyên ngang

“ từ một tần số lân cận (nhiễu kênh lân cận )

• Nhiễu nền xâm nhập vì tín hiệu quá yếu

Để đối phó với nhữnh vấn đề gây ra nhiễu trong hệ thống tế bào mới người ta sử dụng các tín hiệu số tay cho tín hiệu tương tự Các tín hiệu được phát trên một giao diện vô tuyến - số có thể được bảo vệ để chống lại các lỗi phát sinh do tạp âm Việc bảo vệ này sẽ hình thành từ sự mã hoá của tín hiệu,

mà cơ chế là do sự quyết định của phần mềm và sử dụng giải mã viterbi Các

cơ chế này cho phép phát hiện và sửa chữa các lỗi ở một tín hiệu Kết quả là có một giao diện vô tuyến mạnh hơn nhiều

Thông tin di động số có thể chịu được mức nhiễu cao hơn so với các hệ thống tương tự hiện có, dẫn đến việc cải thiện cả chất lượng lẫn hiệu quả ở hệ thống thông tin di động

Tính linh hoạt và tăng thêm dung lượng:

Với giao diện vô tuyến tương tự hiện có, mỗi kết nối giữa một thuê bao

di động với một Cell đòi hỏi phải có sóng mang RF riêng, điều đó dẫn đến đòi hỏi ở Cell phải lắp đặt thêm modul (phần cứng ) RF Vì vậy, để mở rộng dung lượng của một Cell thì phải tăng thêm số lượng các kênh và các modul RF có chất lượng tương đương phải được đưa thêm vào thiết bị của Cell Do đó, việc

mở rộng hệ thống là tốn nhiều thời gian, tiền của và công sức Như vậy, các hãng khai thác cũng bao hàm cả việc lập kế hoạch RF rất phức tạp Để khai thác một cách hợp pháp, tất cả các hệ thống phải sử dụng một khoảng tần số RF

đã đựoc qui định chặt chẽ, chỉ trong khoảng tần số (872-960 MHz)

Khi mà giao diện số được sử dụng ở hệ thống GSM sẽ đưa đến việc giải quyết việc sử dụng phổ vô tuyến có sẵn một cách hiệu quả hơn Tám cuộc gọi đồng thời được thực hiện trên một sóng mang RF Điều đó có nghĩa là mỗi modul RF riêng sẽ đáp ứng cho 8 thuê bao cùng một lúc, và như vậy hệ thống

sẽ được mở rộng, yêu cầu thay đổi modul RF thường Ýt hơn so với các hệ thống cũ Do đó hệ thống là rất linh hoạt vì nó có thể thay đổi dung lượng bằng một bộ phận khác của mạng bằng cách đặt lại cấu hình từ cơ sở dữ liệu của hệ thống

Sử dụng các giao diện tiêu chuẩn:

Trong hệ thống thông tin di động số GSM sử dụng tiêu chuẩn như C7 và X25 trong toàn hệ thống Điều này có nghĩa là các nhà qui hoạch hệ thống có thể lựa chọn thiết bị với giá thành khác nhau của các hãng sản xuất khác nhau

Vì vậy, sự cạnh tranh giữa các hãng sản xuất với nhau sẽ tăng lên và giá thành

sẽ hạ xuống

An toàn và bảo mật tuyệt đối:

Vấn đề an toàn được xem đứng đầu danh mục các vấn đề sẽ được cạnh tranh của các nhà khai thác ở các hệ thống tương tự Trong một vài hệ thống thế hệ đầu có khoảng 20% cuộc gọi bị ăn cắp Để bảo mật số liệu và thoại được tốt, GSM đưa ra đề nghị bảo mật cả về phương pháp truyền dẫn trên giao diện

vô tuyến và cả ở cách thức lưu lượng được xử lý trước khi truyền dẫn Các dữ liệu được điều khiển và báo hiệu sẽ được mật mã cùng với các kỹ thuật nhận thực thuê bao tinh vi sẽ loaị trừ việc ăn cắp cuộc gọi ở hệ thống GSM thiết bị

di động sẽ được nhận dạng một cách độc lập từ thuê bao di động Mỗi máy di động có một số nhận dạng được mã hoá cứng khi sản xuất để kiểm tra nếu như

nó được khai báo là đã bị mất cắp

Hệ thống GSM đảm bảo ở một mức độ cao tính bảo mật cho các thuê bao, các cuộc gọi sẽ được số háo, mã háo và sau đó được gài mật mã trước khi phát lên không gian

Chuyển vùng nhanh hơn:

Chuyển vùng xảy ra khi máy di động di chuyển giữa các cell Một cuộc gọi sẽ được chuyển từ một kênh này đến kênh khác và từ một cell này đến một cell khác để duy trì cuộc gọi được liên tục Trong các hệ thống tương tự hiện

có, chỉ có thuê bao rất tốt mới nhận ra một chuyển vùng đã xảy ra Còn hệ thống GSM đã giải quyết vấn đề này và quá trình chuyển vùng được điều khiển chặt chẽ hơn nhiều GSM cho phép đưa nhiều yếu tố vào tính toán và được tính toán chi tiết hơn (Đo cường độ tín hiệu của các cell lân cận)

Nhận dạng thuê bao:

Trong hệ thống GSM, thuê bao và thiết bi di động được nhận dạng một cách riêng rẽ Thuê bao được nhận dạng bằng một card thông minh (Smart card),được biết như một khối nhận dạng thuê bao SIM Nghĩa là người sử dụng chỉ cần mua thuê bao ở một hệ thống di động nhưng có khả năng sử dụng cho nhiều kiểu thiết bị di động khác nhau (Fax, Computer, điện thoại di động) Vì SIM card nhận diện người sử dụng nên bất kỳ nơi nào các cuộc gọi của thuê bao tạo ra, hóa đơn tính cước sẽ luôn luôn được gửi tới bộ ghi định vị thường trú (HLR) của thuê bao

Tính tương thích với ISDN:

ISDN là một tiêu chuẩn mà hầu hết các nước đang phát triển đã cam kết thực hiện Đây là một mạng thông tin mới và tiên tiến được thiết kế để truyền thoại và số liệu thuê bao trên các đường truyềnthoại tiêu chuẩn Mạng GSM đã được thiết kế để khai thác với hệ thống ISDN và sẽ cung cấp các đặc tính có thể tương thích với nó

2.7 Các giao diện sử dụng trong GSM

2.7.1 Giao diện vô tuyến Um(MS BTS ):

Air Interface là giao diện vô tuyến tên gọi chung của đầu nối giữa trạm

di động MS và BTS Giao tiếp sử dụng khái niệm TDMA với một khung TDMA cho một tần số mạng Mỗi khung gồm 8 khe thời gian TS ( Time slot), hướng từ BTS đến MS là đường xuống và ngược lại từ MS đến BTS là đường lên

2.7.2 Giao diện Abits để điều khiển BTS(BTSBSC):

Có hai loại kênh thông tin giữa BSC và BTS:

- Kênh thông tin tốc độ 64 Kbít/s mang tiêng và dữ liệu cho các kênh vô tuyến

- Các kênh báo hiệu tốc độ 64 Kbít/s mang thông tin tín hiệu hoặc cho bản thân BTS hoặc cho MS, được phát ở một trong các kênh vô tuyến

- Các đường logíc giữa BSC và BTS có giao tiếp Abis Giao tiếp này gồm

ba líp OSI Lớp một là lớp vật lí ,chịu trách nhiệm truyền dẫn vật lí các số ‘0’

và ’1’ trong môi trường và chứa các qui định về kích thước, hình dạng các xung

2.7.3 Giao diện A(MSC  BSC ):

- MSC và BSC được nối với nhau bằng một đường PCM Ngoài một số kênh tiếng/số liệu còn có một khe thời gian dành cho báo hiệu Số liệu báo hiệu liên quan đến việc thiết lập cuộc gọi, chuyển giao, giải phóng… sử dụng kênh này (kênh có thể phục vụ một hay nhiều trạm thu phát gốc BTS) Các giao thức

để báo hiệu giữa MSC và BSC là phần ứng dụng BSS (BSSAP), SCCP và MTP

- BSS(BSSAP) có 2 chức năng cho người sử dụng khác nhau và chức năng phân phối để phân biệt giữa hai nhóm tín hiệu

- Các thông tin báo truyền trực tiếp giữa MSC và MS được nối thông suốt qua BSC Đây là các thông báo điều khiển cuộc gọi và quản lí di động

2.8 Báo hiệu số 7 trong GSM

Trong thông tin điện thoại, báo hiệu nghĩa là chuyển và hướng dẫn thông tin

từ một điểm tới một điểm khác thích hợp để thiết lập, giám sát và giải phóng cuộc gọi thoại

Hệ thống báo hiệu số 7 của CCITT, nó được giới thiệu vào những năm

1979 / 1980 dành cho các mạng quốc gia và quốc tế, sử dụng các trung kế số Tốc độ truyền dẫn báo hiệu cao (64 Kbit/s) Trong thời gian này giải pháp phân lớp trong giao tiếp thông tin đã được phát triển tương đối hoàn chỉnh, đó là hệ thống giao tiếp mở OSI, và giải pháp phân lớp trong mô hình OSI này đã được ứng dụng trong hệ thống báo hiệu kênh chung sè 7 Hệ thống báo hiệu kênh chung sè 7 cũng có thể được sử dụng ở các đường dây Analog Hệ thống báo hiệu số 7 của CCITT không những được thiết kế để điều khiển thiết lập và giám sát các cuộc gọi thoại mà còn cho các cuộc gọi của các dịch vụ phi thoại

2.8.1 Cỏc khối chức năng của hệ thống bỏo hiệu số 7

Các phần của

người sử

dụng(UP)

Các phần của người sử dụng(UP)

Hệ thống bỏo hiệu số 7 trong GSM gồm 2 phần:

 Phần chuyển giao bản tin (MTP: Message Transfer Part):

- MTP là hệ thống vận chuyển chung để chuyển giao tin cậy cỏc thụng tin bỏo hiệu giữa cỏc điểm bỏo hiệu Phần chuyển giao bản tin truyền tải cỏc thụng tin bỏo hiệu giữa cỏc phần của người sử dụng khỏc nhau và nội dung của cỏc bản tin bỏo này hoàn toàn độc lập với nhau

- Để thực hiện cỏc chức năng này MTP cần cú:

+ Cỏc bản tin cần phải được sửa trước khi chỳng được chuyển giao tới phần của người sử dụng

+ Sửa lỗi liờn tiếp

+ Khụng bị tổn thất hoặc lặp lại

 Cỏc phần của người sử dụng (UP: User Part):

Cỏc phần của người sử dụng được tạo ra và phõn tớch cỏc thụng tin bỏo hiệu Chỳng sử dụng MTP như là cỏc chức năng truyền tải để mang thụng tin bỏo hiệu tới cỏc phần của người sử dụng khỏc cựng loại

Một số cỏc phần của người sử dụng là:

- TUP (Telephone User Part) : Phần của người sử dụng điện thoại

- DUP (Data User Part): Phần của người sử dụng số liệu

- ISUP (ISDN User Part) : Phần của người sử dụng ISDN

- MTUP (Mobile Telephone User Part) : Phần người sử dụng điện thoại di

Tổng đài B

Hình 6 Phần truyền giao tin báo MTP là môi trường truyền dẫn

chung giữa các phần của người sử dụng

TUP (Telephone User Part) : Phần của người sử dụng điện thoại

DUP (Data User Part): Phần của người sử dụng số liệu

ISUP (ISDN User Part) : Phần của người sử dụng ISDN

SCCP (Signalling Connection and Control Part) : Phần điều khiển và đấu nối báo hiệu

TCAP (Transaction Capabilities Application Part) : Phần ứng dụng các khả năng trao đổi

MAP (Mobile Application Part) : Phần ứng dụng di động

BSSAP (Base Station Application Part) : Phần ứng dụng trạm gốc

• Các chức năng của kênh báo hiệu: là giám sát kênh số liệu báo hiệu, tìm các bản tin báo hiệu bị lỗi, điều khiển bản tin đã phát và thu đúng trình tự

mà không bị mất mát hoặc không bị lặp

• Các chức năng của mạng báo hiệu: bao gồm các chức năng để xử lý bản tin (xử lý lưu lượng) và điều hành mạng báo hiệu

Xö lý b¶n tin b¸o hiÖu

§iÒu hµnh m¹ng b¸o hiÖu

Kªnh b¸o hiÖu C¸c chøc n¨ng cña kªnh b¸o hiÖu Kªnh sè liÖu b¸o hiÖu

H×nh 7 C¸c chøc n¨ng cña m¹ng b¸o hiÖu

C¸c b¶n tin b¸o hiÖu C¸c tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn