TÌM HIỂU VÀ LÀM QUEN MÁY ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG

Một số hệ thông thông tin di động

TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM

TRƯỜNG TRUNG HỌC BCVT & CNTT I

TÀI LIỆU GIẢNG DẠY

MÔN HỌC THÔNG TIN DI ĐỘNG

Dùng để giảng dạy trung cấp Điện tử viễn thông

Thông tin di động đã và đang phát triển rất nhanh chóng trên thế giới cũng như ởnước ta bởi tính ưu việt hơn hẳn so với các hệ thống viễn thông cố định Do yêu cầungày càng cao về chất lượng dịch vụ, về các dịch vụ mới cũng như số lượng kháchhàng sử dụng thông tin di động tăng nhanh, công nghệ thông tin di động cũng phảithay đổi nhanh chóng để đáp ứng được các đòi hỏi đó Từ thông tin di động thế hệthứ nhất tiến đến thông tin di động thế hệ thứ hai chỉ trong vài năm đó là các hệ thốngthông tin di động băng hẹp Ngày nay thông tin di động đang tiến tới thế hệ ba, thôngtin di động băng rộng và toàn cầu.

Môn học thông tin di động sẽ trình bày những kiến thức cơ bản về hai hệ thốngthông tin di động với hai công nghệ khác nhau đang được sử dụng rộng rãi ở nước tacũng như trên thế giới đó là hệ thống GSM và CDMA

Bố cục của tài liệu gồm có 2 phần:

+ Phần lý thuyết gồm 2 chương:

Chương 1: Tổng quan về thông tin di độngChương 2: Một số hệ thông thông tin di động+ Phần thực hành đi sâu về một số loại máy điện thoại di động NOKIAChúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ nhiệt tình

để hoàn thành bài giảng này Lần đầu biên soạn không khỏi những thiếu sót, chúngtôi rất mong được sự góp ý Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ:

Phạm Văn ThắngKhoa Kỹ thuật viễn thông- Trường Trung học BCVT & CNTT I

E-mail: thangahn@yahoo.com

Đinh Quang QuảngKhoa Kỹ thuật viễn thông- Trường Trung học BCVT & CNTT IXin chân thành cảm ơn

Các tác giả

MỤC LỤC

CHƯƠNG II : TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 4

I Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động 4

II Đặc điểm chung 5

III Mô hình hệ thống 6

1 Mô hình hệ thống 6

2 Các phần tử chức năng 7

IV Cấu trúc địa lý của mạng 13

1 Phân chia theo vùng mạng 14

2 Phân chia theo vùng phục vụ 14

3 Phân chia theo vùng định vị 14

4 Phân chia theo ô 15

V Truyền sóng trong thông tin di động 15

1 Ảnh hưởng của truyền dẫn vô tuyến 15

2 Các phương pháp phòng ngừa suy hao 17

VI Các giải pháp đa truy nhập 21

1 Giới thiệu chung 21

2 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) 22

3 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) 23

4 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) 25

CHƯƠNG 2 : MỘT SỐ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 28

I Hệ thống di động GSM 28

1 Mở đầu 28

2 Giao diện vô tuyến 28

3 Truyền dẫn tiếng nói 38

4 Mật mã hoá 41

5 Điều chế trong GSM 42

6 Bộ cân bằng VITERBI 44

7 Các số nhận dạng và các trường hợp thông tin 45

8 Phương thức báo hiệu 50

II Hệ thống thông tin di động CDMA 57

2 Giao diện vô tuyến và truyền dẫn 57

3 Cấu trúc của các kênh CDMA đường xuống và đường lên 61

4 Cấu trúc phân lớp 89

5 Một số trường hợp báo hiệu 92

III Hệ thống thông tin di động nội vùng 98

1 Cấu hình và các phần tử chức năng 98

2 Các giải pháp công nghệ dùng trong di động nội vùng 99

CHƯƠNG III : TÌM HIỂU VÀ LÀM QUEN MÁY ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG.104 I Sơ đồ khối và nguyên lý của điện thoại di động 104

1 Sơ đồ 104

2 Nguyên lý hoạt động 105

II Các linh kiện trong điện thoại di động 108

III Sơ đồ khối dạng tín hiệu trong điện thoại di động 111

1 Sơ đồ khối 111

2 Các tín hiệu trong điện thoại di động 112

3 Bộ chuyển đổi A-D và D-A bên trong IC mã âm tần 112

4 Mạch điều chế và tách sóng bên trong IC cao – trung tần 112

5 Cấu tạo IC khuếch đại công suất phát 114

6 Cấu tạo của chuyển mạch Anten 114

IV Các mã bí mật trong điện thoại 115

PHẦN I: LÝ THUYẾT CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG

I LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Thông tin di động được ứng dụng cho nghiệp vụ cảnh sát từ những năm 20 ởbăng tần 2MHz Sau thế chiến thứ 2 mới xuất hiện thông tin di động điện thoại dândụng (1939-1945) với kỹ thuật điều tần (FM) ở băng tần 150MHz Năm 1948, một hệthống thông tin di động hoàn toàn tự động đầu tiên ra đời ở Richmond - Indian Từnhững năm 60, một kênh thông tin di động có độ rộng 30Khz với kỹ thuật FM ở băngtần 450MHz đưa hiệu suất sử dụng phổ tần tăng gấp 4 lần so với cuối thế chiến thứ 2

Quan niệm về Cellular bắt đầu từ cuối những năm 40 với Bell thay thếcho mô hình quảng bá với máy phát công suất lớn và Anten đặt cao, là những Cell códiện tích bé có máy phát BTS công suất nhỏ, khi các Cell ở cách nhau đủ xa thì có thể

sử dụng lại cùng tần số Tháng 12/1971 đưa ra hệ thống Cellular kỹ thuật tương tự, sửdụng phương pháp điều tần FM, dải tần 850MHz Tương ứng là sản phẩm thươngnghiệp AMPS với tiêu chuẩn do AT & T và MOTOROLAR của Mỹ đề xuất sử dụngđược ra đời vào năm 1983 Đầu những năm 90 thế hệ đầu tiên của thông tin di động

tế bào đã bao gồm hàng loạt các hệ thống ở các nước khác nhau như: TACS, NMTS,NAMTS, C, Tuy nhiên các hệ thống này không thoả mãn được nhu cầu ngày càngtăng của nhu cầu sử dụng và trước hết là về dung lượng Mặt khác các tiêu chuẩn hệthống không tương thích nhau làm cho sự chuyển giao không đủ rộng như mongmuốn (việc liên lạc ngoài biên giới là không thể) Những vấn đề trên đặt ra cho thế hệ

2 thông tin di động tế bào phải lựa chọn giải pháp kỹ thuật: kỹ thuật tương tự hay kỹthuật số Các tổ chức tiêu chuẩn hoá đa số đều lựa chọn kỹ thuật số

Tuy nhiên các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai cũng tồn tại một sốnhược điểm như sau: Độ rộng dải thông băng tần của hệ thống là bị hạn chế nên việcứng dụng các dịch vụ dữ liệu bị hạn chế, không thể đáp ứng được các yêu cầu pháttriển cho các dịch vụ thông tin di động đa phương tiện cho tương lai Đồng thời tiêuchuẩn cho các hệ thống thế hệ thứ hai là không thống nhất do Mỹ và Nhật sử dụngTDMA băng hẹp còn Châu Âu sử dụng TDMA băng rộng nhưng cả 2 hệ thống nàyđều có thể được coi như là sự tổ hợp của FDMA và TDMA Vì người sử dụng thực tếdùng các kênh được ấn định cả về tần số và các khe thời gian trong băng tần Do đóviệc thực hiện chuyển mạng toàn cầu gặp phải nhiều khó khăn

Bắt đầu từ những năm cuối của thập niên 90 hệ thống thông tin di động thế hệthứ ba ra đời bằng kỹ thuật đa truy nhập CDMA và TDMA cải tiến Lý thuyết vềCDMA đã được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng trong thông tin quân

sự từ những năm 1960 Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lý thuyết

thu GPRS và Ommi-TRACKS, phương pháp này cũng đã được đề xuất trong hệthống tổ ong của QUALCOM - Mỹ vào năm 1990.

Trong thông tin CDMA thì nhiều người sử dụng chung thời gian và tần số, mã

PN (tạp âm giả ngẫu nhiên) với sự tương quan chéo thấp được ấn định cho mỗi người

sử dụng Người sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã

PN đã ấn định Đầu thu tạo ra một dãy giả ngẫu nhiên như ở đầu phát và khôi phục lạitín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngược các tín hiệu đồng bộ thu được

So với hai hệ thống thông tin di động thứ nhất và thứ hai thì hệ thống thông tin

di động thế hệ thứ ba là hệ thống đa dịch vụ và đa phương tiện được phủ khắp toàncầu Một trong những đặc điểm của nó là có thể chuyển mạng, hoạt động mọi lúc,mọi nơi Mỗi thuê bao di động đều được gán một mã số về nhận dạng thông tin cánhân, khi máy ở bất cứ nơi nào, quốc gia nào trên thế giới đều có thể định vị được vịtrí chính xác của thuê bao Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba là một hệ thống

đa dịch vụ, thuê bao có thể thực hiện các dịch vụ thông tin dữ liệu cao và thông tin đaphương tiện băng rộng như: hộp thư thoại, truyền Fax, truyền dữ liệu, chuyển vùngquốc tế, Wap (giao thức ứng dụng không dây) để truy cập vào mạng Internet, đọcbáo chí, tra cứu thông tin, hình ảnh Do đặc điểm băng tần rộng nên hệ thống thôngtin di động thế hệ thứ ba còn có thể cung cấp các dịch vụ truyền hình ảnh, âm thanh,cung cấp các dịch vụ điện thoại hình ảnh

II ĐẶC ĐIỂM CHUNG

Ngoài nhiệm vụ phải cung cấp các dịnh vụ như mạng điên thoại cố định thôngthường, các mạng thông tin di động phải cung cấp các dịch vụ đặc thù cho mạng diđộng để đảm bảo thông tin mọi nơi mọi lúc

Để đảm bảo được các chức năng nói trên các mạng thông tin di độngphải đảm bảo một số đặc tính cơ bản chung sau đây:

1 Sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát để đạt được dung lượng cao do sựhạn chế của dải tần vô tuyến sử dụng cho thông tin di động

2 Đảm bảo chất lượng truyền dẫn yêu cầu Do truyền dẫn được thực hiện bằng

vô tuyến là môi trường truyền dẫn hở, nên tín hiệu dễ bị ảnh hưởng của nhiễu vàphađing Các hệ thống thông tin di động phải có khả năng hạn chế tối đa các ảnhhưởng này Ngoài ra để tiết kiệm băng tần ở mạng thông tin di động số chỉ có thể sửdụng các CODEC tốc độ thấp Nên phải thiết kế các CODEC này theo các công nghệđặc biệt để được chất lượng truyền dẫn cao

3 Đảm bảo an toàn thông tin tốt nhất Môi trường truyền dẫn vô tuyến là môi

đặc biệt để đảm bảo an toàn thông tin Để đảm bảo quyền lợi của người thuê bao cầngiữ bí mật số nhận dạng thuê bao và kiểm tra tính hợp lệ của mỗi người sử dụng khi

họ thâm nhập mạng Để chống nghe trộm cần mật mã hoá thông tin của người sửdụng Ở các hệ thống thông tin di động mỗi người sử dụng có một khoá nhận dạng bímật riêng được lưu giữa ở bộ nhớ an toàn Ở hệ thống GSM SIM-CARD được sửdụng SIM-CARD có kích thước như một thẻ tín dụng Người thuê bao có thể cắmthẻ này vào máy di động của mình và chỉ có người này có thể sử dụng nó Các thôngtin lưu giữ ở SIM-CARD cho phép thưc hiện các thủ tục an toàn thông tin

4 Giảm tối đa rớt cuộc gọi khi thuê bao di động chuyển từ vùng phủ này sangvùng phủ khác

5 Cho phép phát triển các dịch vụ mới nhất là các dịch vụ phi thoại

6 Để mang tính toàn cầu phải cho phép chuyển mạng quốc tế

7 Các thiết bị cầm tay phải gọn nhẹ và tiêu tốn ít năng lượng

III SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1 Sơ đồ khối

Một hệ thống di động bao gồm nhiều phần tử vật lý, chúng có thể là các bộphận riêng rẽ hay đặt cùng với các phần tử lôgic khác Tuy nhiên các phần tử nàyphải tương tác với nhau để kết hợp hoạt động Để tương tác, các bản tin phải đượcphát đi trên các giao diện giữa hai phần tử

BSC BTS

MS

OSS

BSS SS

Hình 1.1: Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin di động

BSC: Đài điều khiển trạm gốc

OMC: Trung tâm khai thác và bảo dưỡng

PSPDN: Mạng chuyển mạch công cộng theo gói

PLMN: Mạng di động mặt đất công cộng

PSTN: Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng

CSPDN: Mạng chuyển mạch số công cộng theo mạch

MSC: Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động (Tổng đài di động)

diện vô tuyến

cuối di động Cần sử dụng bộ thích ứng đầu cuối khi giao diện ngoài trạm di độngtuân theo tiêu chuẩn ISDN để đấu nối đầu cuối - modem

Cấu trúc của một máy di động:

Máy di động gồm thiết bị di động ME (Mobile Equipment) và modun nhậndạng thuê bao SIM (Subcriber Identity Module)

SIM là một modun tháo rút được để cắm vào mỗi khi thuê bao muốn sửdụng MS và rút ra khi MS không có người hoặc lắp đặt ở MS khi ban đầu đăng kýthuê bao Có hai phương án được đưa ra:

- SIM dạng card IC

- SIM dạng cắm

SIM dạng card IC: là một modun để có một giao tiếp với bên ngoài theo các tiêuchuẩn ISO về các card IC SIM có thể là một bộ phận của card đa dịch vụ trong đóviễn thông di động GSM là một trong số các ứng dụng

SIM dạng cắm: là một modun riêng hoàn toàn được tiêu chuẩn hoá trong hệthống GSM Nó được dự định lắp đặt bán cố định ở ME

Các khai thác mạng GSM là các khai thác khi thiết lập, hoạt động xoá một cuộcgọi Khi sử dụng ở ME, SIM đảm bảo các chức năng sau nếu nó nằm trong khai tháccủa mạng GSM:

 Lưu giữ các thông tin bảo mật liên quan đến thuê bao (như IMSI) và thựchiện các cơ chế nhận thực và tạo khoá mật mã

 Khai thác PIN người sử dụng (nếu cần có PIN) và quản lý

 Quản lý thông tin liên quan đến thuê bao di động chỉ có thể thực hiện khaithác mạng GSM khi SIM có một IMSI đúng

SIM phải có khả năng xử lý một số nhận dạng cá nhân (PIN), kể cả khi khôngbao giờ sử dụng nó PIN bao gồm 4 đến 8 chữ số Một PIN ban đầu được nạp bởi bộhoạt động dịch vụ ở thời điểm đăng ký Sau đó người sử dụng có thể thay đổi PINcũng như độ dài PIN tuỳ ý Người sử dụng cũng có thể quyết định có sử dụng chứcnăng PIN hay không bằng một chức năng SIM-ME được gọi là chức năng cấm PIN.Việc cấm này giữ nguyên cho đến khi người sử dụng cho phép lại kiểm tra PIN Nhânviên của hãng khai thác có thể chặn chức năng cấm PIN khi đăng ký thuê bao, nghĩa

là thuê bao khi bị chặn chức năng cấm PIN không còn lựa chọn nào khác là sử dụngPIN Nếu sử dụng PIN sai người dùng nhận được một chỉ thị Sau khi đưa vào 3 lần

nhân để giải toả chặn Khoá giải toả chặn cá nhân là một số có 8 chữ số Nếu đưa chữ

số sai vào người dùng nhận được chỉ thị Sau 10 lần liên tiếp đưa vào sai, SIM bịchặn ngay cả khi rút SIM ra hay tắt MS

Ngoài ra SIM phải có bộ nhớ không mất thông tin cho một số khối thông tin như:

b Trạm thu phát gốc (BTS)

BTS chứa phần cứng RF tức là các thiết bị thu, phát, anten và khối xử lý tín hiệucho giao diện vô tuyến BTS như là một Modem vô tuyến phức tạp BTS sẽ cung cấpviệc kết nối giao diện vô tuyến với máy di động, nó cũng có nhiều hạn chế về chứcnăng điều khiển, điều này sẽ giảm nhiều lưu lượng cần được truyền giữa BTS vàBSC

Mỗi BTS sẽ cung cấp lần lượt từ 1 đến 6 sóng mang RF, và sẽ cung cấp từ 8 đến

48 cuộc gọi đồng thời

BSC, BTS sẽ điều khiển riêng rẽ hoặc cả hai cùng điều khiển một chức năng.BSC sẽ quản lý các chức năng, ngược lại BTS sẽ thực hiện các chức năng hoặcthực hiện các phép đo để giúp BSC

c Bộ điều khiển trạm gốc (BSC)

BSC quản lý giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa của BTS và

MS Đó là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao BSCđược đặt giữa các BTS và MSC BSC là một tổng đài nhỏ có khả năng tính toán nhấtđịnh Vai trò chủ yếu của BSC là quản lý các kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao.Một BSC có thể quản lý hàng chục BTS, tạo thành một trạm gốc Giao diện A được

quy định giữa BSC và MSC, sau đó giao diện Abits được quy định giữa BSC vớiBTS.

BTS sẽ đảm bảo việc điều khiển BSS Một thông tin bất kỳ do BTS yêu cầu, chokhai thác sẽ thu qua BSC Cũng như vậy, thông tin bất kỳ được yêu cầu về BTS (ví

dụ OMC) sẽ thu được bằng BSC

BSC sẽ kết hợp với một ma trận số được dùng để kết nối các kênh vô tuyến trêngiao diện vô tuyến với các mạch hệ thống trong MSC

Ma trận chuyển mạch BSC cũng cho phép BSC thực hiện các chuyển vùng giữacác kênh vô tuyến trong các BSC riêng rẽ dưới sự điều khiển của BSC mà không dínhdáng đến MSC

d Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động (MSC)

Trong thông tin di động MSC dùng để chuyển mạch cuộc gọi, tức là thiết lập cuộcgọi đến MS và đi từ MS, toàn bộ mục đích của nó giống như một tổng đài điện thoạibất kỳ Tuy nhiên, do cần phải bổ sung thêm nhiều mặt điều khiển, bảo mật phức tạptrong hệ thống tế bào GSM và độ rộng băng tần cho thuê bao, nên sẽ có nhiều ưuđiểm hơn, MSC có khả năng đáp ứng nhiều chức năng bổ sung khác

MSC sẽ thực hiện hàng loạt các nhiệm vụ khác nhau tuỳ thuộc vào vị trí của nótrong hệ thống Khi MSC cung cấp giao diện giữa PSTN và các BSS trong hệ thốngGSM nó sẽ được hiểu như là một MSC cổng Ở vị trí này nó sẽ đảm bảo yêu cầuchuyển mạch cho toàn bộ quá trình thông tin di động từ khi bắt đầu cho đến khi kếtthúc

Mỗi MSC sẽ cung cấp dịch vụ đến các máy di động được định vị trong vùng phủsóng địa lý xác định, một hệ thống điển hình gồm có nhiều MSC Một MSC có khảnăng đáp ứng vùng đô thị khoảng một triệu dân

MSC thực hiện các chức năng sau:

số liệu, liên kết các BSS, liên kết các MSC, các chuyển vùng, điều khiểnviệc quản lý di động (tính hợp lệ và vị trí của thuê bao)

liệu, định lượng và đo lưu lượng thông tin, giao tiếp người- máy

thống GSM và hệ thống điện thoại công cộng PSTN

Bộ ghi định vị thường trú liên quan với cơ sở dữ liệu về các thông số của thuêbao Các thông tin này được đưa vào cơ sở dữ liệu do hãng khai thác mạng khi mộtthuê bao mới được bổ sung vào hệ thống.

Bất kể MS hiện ở đâu, HLR đều lưu giữ mọi thông tin thuê bao liên quan đến việccung cấp các dịch vụ viễn thông, kể cả vị trí hiện thời của MS HLR thường là mộtmáy tính đứng riêng có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao, nhưng không cókhả năng chuyển mạch Một chức năng nữa của HLR là nhận dạng thông tin do AuCcung cấp (số liệu bảo mật về tính hợp pháp của thuê bao)

Các tham số được lưu giữ trong HLR gồm có:

Cơ sở dữ liệu của HLR chứa đựng các dữ liệu chính của tất cả các thuê bao ở mộtmạng GSM PLMN

Cơ sở dữ liệu của HLR chứa đựng các dữ liệu chính của tất cả các MSC và cácVLR trong mạng và dù cho mạng có nhiều HLR nhưng chỉ có một cơ sở dữ liệu đượcghi cho một thuê bao Vì vậy một HLR chỉ xử lý một phần của toàn bộ cơ sở dữ liệuthuê bao

Dữ liệu thuê bao có thể được truy nhập hoặc bằng số IMSI hoặc số MSISDN

Dữ liệu cũng có thể sẽ được truy nhập bởi một MSC hay một VLR trong mộtmạng PLMN khác để cho phép liên kết hệ thống và liên kết vùng lưu động

f Bộ ghi định vị tạm trú(VLR)

VLR là một cơ sở dữ liệu được nối với một hay nhiều MSC VLR sẽ sao chép hầuhết các số liệu được lưu trữ tại HLR Tuy nhiên, đó chỉ là số liệu tạm thời tồn tạichừng nào mà thuê bao “đang hoạt động” trong vùng phủ riêng của VLR (số liệu định

vị thuê bao MS lưu giữ trong VLR chính xác hơn số liệu tương ứng trong HLR) Dovậy cơ sở dữ liệu VLR sẽ có một vài số liệu giống hệt như nhiều số liệu chính xác,thích hợp khi các thuê bao tồn tại trong vùng phủ của VLR

VLR sẽ cung cấp cơ sở dữ liệu nội bộ về thuê bao bất cứ nơi nào thuê bao tồn tạithực sự trong một mạng PLMN, điều này có thể có hoặc không có ở hệ thống “gốc”,chức năng này sẽ loại trừ các nhu cầu về truy cập đến cơ sở dữ liệu HLR “gốc” tốnnhiều thời gian.

Các chức năng của VLR thường được liên kết với chức năng của MSC

Các dữ liệu bổ sung được lưu trữ ở VLR như sau:

- Nhận dạng vùng định vị:

Các ô trong mạng di động (PLMN) được tập hợp liền nhau thành các vùng địa

lý và mỗi vùng được ấn định một chỉ số nhận dạng vùng định vị (LAI), một vùngđịnh vị điển hình có khoảng 30 ô

Mỗi VLR sẽ kiểm soát một loạt các LAI và khi một thuê bao di chuyển từ mộtLAI này đến một LAI khác, thì LAI được cập nhật vào một VLR Cũng như vậy, khimột thuê bao di chuyển từ một VLR này đến một VLR khác thì các địa chỉ của VLR

sẽ được cập nhật vào một HLR

- Nhận dạng thuê bao di động tạm thời:

Các VLR sẽ điều khiển việc phân phối các chỉ số nhận dạng thuê bao di động

tạm thời (TMSI) và sẽ thông báo chúng đến HLR.

Các TMSI sẽ được cập nhật thường xuyên, điều này sẽ làm cho việc phát hiệncuộc gọi là rất khó khăn vì vậy, đảm bảo khả năng an ninh rất cao cho thuê bao.TMSI

có thể sẽ được cập nhật ở các trạng thái bất kỳ sau:

- Số lưu động của thông tin di động:

Khi một thuê bao muốn hoạt động ngoài vùng thường trú của nó tại một thờiđiểm nào đó thì VLR cũng sẽ chỉ định một số lưu động cho trạm di động (MSRN),chỉ số này được ấn định từ một danh sách các số thuê bao được lưu giữ tại VLR(MSC) MSRN sau đó được sử dụng để định tuyến cuộc gọi đến một MSC sẽ điềukhiển trạm gốc tại vị trí hiện thời của các trạm di động Cơ sở dữ liệu trong VLR cóthể sẽ được truy nhập bằng IMSI,TMSI hay MSRN Một cách điển hình sẽ có mộtVLR cho mỗi MSC

g MSC cổng (GMSC)

bao Chức năng chính của SS là quản lý thông tin giữa những người sử dụng mạngGSM với nhau và với mạng khác.

Ở SS chức năng chính chuyển mạch chính được MSC thực hiện, nhiệm vụ chínhcủa MSC là điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những người sử dụng mạng GSM.Một mặt BSC giao tiếp với hệ thống con BSS, mặt khác giao tiếp với mạng ngoàiđược gọi là MSC cổng Việc giao tiếp với mạng ngoài để đảm bảo thông tin chonhững người sử dụng mạng GSM đòi hỏi cổng thích ứng (các chức năng tương tácIWF: Interworking Function) SS cũng cần giao tiếp với mạng ngoài để sử dụng cáckhả năng truyền tải của các mạng này cho việc truyền tải số liệu của người sử dụnghoặc báo hiệu giữa các phần tử của mạng GSM Chẳng hạn SS có thể sử dụng mạngbáo hiệu kênh chung số 7 (CCS 7), mạng này đảm bảo hoạt động tương tác giữa cácphần tử của SS trong nhiều hay một mạng GSM MSC thường là một tổng đài lớnđiều khiển và quản lý một số các bộ điều khiển trạm gốc (BSC) Một tổng đài MSCthích hợp cho một vùng đô thị và ngoại ô có dân cư vào khoảng một triệu (với mật độthuê bao trung bình)

Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng các đặc điểm truyềndẫn của GSM với các mạng này Các thích ứng này được gọi là các chức năng tươngtác IWF (Interworking Function) bao gồm một số thiết bị để thích ứng giao thứctruyền dẫn Nó cho phép kết nối với các mạng: PSPDN (Packet Switched Public DataNetwork: mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói) hay CSPDN (Circuit SwitchedPublic Data network: mạng số liệu công cộng chuyển mạch theo mạch), nó cũng tồntại khi các mạng khác chỉ đơn thuần là PSTN hay ISDN IWF có thể được thực hiệntrong cùng chức năng MSC hay có thể ở thiết bị riêng, ở trường hợp hai giao tiếpgiữa MSC và IWF được để mở

SS có thể chứa nhiều MSC, VLR, HLR Để thiết lập một cuộc gọi đến người sửdụng GSM, trước hết cuộc gọi phải được định tuyến đến một tổng đài cổng được gọi

là GMSC mà không cần biết hiện thời thuê bao đang ở đâu Các tổng đài cổng cónhiệm vụ lấy thông tin về vị trí của thuê bao và định tuyến cuộc gọi đến tổng đàiđang quản lý thuê bao ở thời điểm hiện thời (MSC tạm trú) Để vậy, trước hết cáctổng đài cổng phải dựa trên số danh bạ của thuê bao để tìm đúng HLR cần thiết vàhỏi HLR này Tổng đài cổng có một giao diện với các mạng bên ngoài thông qua giaodiện này nó làm nhiệm vụ cổng để kết nối các mạng bên ngoài với mạng GSM Ngoài

ra tổng đài này cũng có giao diện báo hiệu số 7 (CCS 7) để có thể tương tác với cácphần tử khác của SS Về phương diện kinh tế không phải bao giờ tổng đài cổng cũngđứng riêng mà thường được kết hợp với MSC

h. Khai thác và bảo dưỡng

OSS thực hiện ba chức năng chính sau:

IV CẤU TRÚC ĐỊA LÝ CỦA MẠNG

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

1 Vùng mạng

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 Trong một mạng GSM/PLMN tất cả các cuộc gọi kết cuối di động đều được định tuyến đến một tổng đài vô tuyến cổng (GMSC) GMSC làm việc như một tổng đài trung kế vào cho GSM/PLMN Đây là nơi thực hiện chức năng hỏi định tuyến cuộc gọi cho các kết cuối di động.

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

vụ MSC nơi thuê bao đang ở

Vùng phục vụ là bộ phận của mạng được định nghĩa như một vùng mà ở đó có thểđạt đến một trạm di động nhờ việc trạm MS này được ghi lại ở một bộ ghi tạm trú.Một vùng mạng GSM/PLMN được chia thành một hay nhiều vùng phục vụMSC/VLR

3 Vùng định vị (LA: Location Area)

Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR được chia thành một số vùng định vị Vùng định vị

là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR mà ở đó một MS có thể chuyển động tự do

mà không cần cập nhật thông tin về vị trí cho tổng đài MSC/VLR điều khiển vùngđịnh vị này Vùng định vị này là vùng mà ở đó một thông báo tìm gọi sẽ được phátquảng bá để tìm MS bị gọi Vùng định vị có thể có một số ô và phụ thuộc vào mộthay vài BSC nhưng nó chỉ thuộc một MSC/VLR Hệ thống có thể nhận dạng vùngđịnh vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng định vị LAI (Location Area Identity).Vùng định vị được hệ thống sử dụng để tìm một thuê bao đang ở trạng thái hoạt động

4 Ô (Cell)

Vùng định vị được chia thành một số ô Ô là một vùng bao phủ vô tuyến đượcmạng nhận dạng bằng nhận dạng ô toàn cầu (CGI - Cell Global Identity)

Trạm di động tự nhận dạng một ô bằng cách sử dụng mã nhận dạng trạm gốc(BSIC - Base Station Identity Code)

V TRUYỀN SÓNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1 Ảnh hưởng của truyền dẫn vô tuyến

a Suy hao đường truyền

Suy hao đường truyền là quá trình mà ở đó tín hiệu thu yếu dần do khoảngcách giữa trạm di động và trạm gốc ngày càng tăng Không có vật cản giữa anten phát(Tx) và anten thu(Rx)

Ở thông tin vô tuyến điểm đến điểm do anten đặt cao, mật độ công suấtthu tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa (d) giữa anten thu và anten phát

Kết quả suy hao được tính:

Trong đó: 33,4 là hằng số tỷ lệTần số càng cao suy hao càng lớn.

Do mặt đất không lý tưởng, cường độ tín hiệu trung bình giảm tỷ lệ với

hơn

Tuy nhiện các vấn đề này sẽ hầu như không là trở ngại ở hệ thống vôtuyến tổ ong, vì trước khi mất liên lạc ta phải thực hiện một đường truyền mới quamột trạm gốc khác

b Pha đinh

Trong thực tế ít khi ta sử dụng trạm di động của mình ở môi trường không cóchướng ngại vật Giữa trạm di động và trạm gốc thường có các quả đồi, các toà nhàcao tầng,…dẫn đến hiệu ứng che tối làm giảm cường độ tín hiệu thu

Quá trình di chuyển thuê bao di động sẽ gặp các vùng có cường độ tín hiệugiảm và tăng cho dù giữa anten Tx và Rx có hay không có chướng ngại Đây là mộtloại pha đinh Các chỗ “giảm” được gọi là các chỗ trũng của pha đinh

Pha đinh chuẩn Log: Là loại pha đinh do hiệu ứng che tối gây ra do các quảđồi, nhà cao tầng,… che chắn cản đường truyền từ Anten Tx tới Anten Rx Loại phađinh này này có dạng phân bố chuẩn xung quanh một giá trị trung bình nếu ta lấyLogarit cường độ tín hiệu Thời gian giữa hai chỗ trũng pha đinh thường là vài giâykhi máy di động là loại lắp trên xe và chuyển động

Pha đinh nhiều tia (Raile): Hiệu ứng này xảy ra do tín hiệu đến anten Rxkhông được thu trực tiếp từ anten Tx mà được thu từ nhiều phía khác nhau do nhiềulần phản xạ từ các toà nhà, cây cối, vv gây nên pha đinh đa đường

Tín hiệu Anten Rx thu được là tổng của nhiều tín hiệu giống nhau nhưng khácpha (và khác biên độ ở mức độ nhất định) Khi ta cộng các tín hiệu này như cácvectơ, có thể vectơ tổng rất gần bằng không (nghĩa là cường độ tín hiệu rất gầnkhông) đây chính là chỗ trũng của pha đinh

Nguyên lý được minh hoạ như hình vẽ sau:

Khoảng thời gian giữa hai chỗ trũng pha đinh phụ thuộc cả vào tốc độchuyển động của MS cũng như tần số phát Khoảng cách giữa hai chỗ trũng pha đinh

có thể xác định gần bằng một nửa bước sóng

Pha đinh đa đường ảnh hưởng nghiêm trọng tới hệ thống thông tin diđộng hoạt động ở dải tần dưới 8GHz

Giả thiết BS phát sóng mang không điều chế với tần số fo, MS di chuyển vớivận tốc là v và tạo thành góc X với tia tới từ BS Khi xảy ra hiệu ứng Doppler thì tacó:

fthu MS = f0 + fD

2 Các phương pháp phòng ngừa suy hao

Để làm giảm các hiệu ứng gây nên làm giảm chất lượng thu thông tin, cần phảidùng các biện pháp kỹ thuật khác nhau Trong thông tin di động người ta dùng cácphương pháp sau:

a Phân tập anten

Là sử dụng hai kênh thu chịu ảnh hưởng fadinh độc lập Thường ít có nguy cơ cảhai anten bị chỗ trũng fadinh sâu cùng một lúc do vậy hai anten thu độc lập thu cùngmột tín hiệu sẽ chịu tác động của các đường bao fadinh khác nhau

Khi kết hợp các tín hiệu từ hai anten có thể giảm mức độ fadinh Khoảng cáchgiữa hai anten đủ lớn để tương quan giữa các tín hiệu ở hai anten nhỏ

Thực tế thường là vài mét Cần tăng khoảng cách đối với các tần số thấp hơn

Ở 900MHz có thể tăng 6 dB với cự li giữa hai anten là 5-6 m

b Nhảy tần

Như đã đề cập ở trên khi nói đến fadinh Rayleigh Mẫu fadinh phụ thuộc vào tần

số Điều này có nghĩa là chỗ trũng của fadinh sẽ xảy ra ở các vị trí khác nhau Đơngiản ta có thể nói rằng để lợi dụng hiện tượng này ta thay đổi tần số sóng mang trongmột số các tần số Khi cuộc gọi đang tiến hành và nếu gặp một chỗ trũng fadinh thì sẽchỉ mất một phần thông tin Bằng cách sử lí phức tạp ta có thể khôi phục lại toàn bộthông tin

c Mã hoá kênh

Ở truyền dẫn số người ta thường đo chất lượng của tín hiệu được truyền bằng sốlượng các bit thu được chính xác Điều này dẫn đến biểu diễn tỉ số bit lỗi (BER).BER nói lên bao nhiêu bít trong tổng số bít bị phát hiện là mắc lỗi Tất nhiên ta muốn

MS

BS

X

số này hay tỷ số này nhỏ nhất Tuy nhiên do đường truyền dẫn luôn luôn thay đổikhông thể giảm số này tới không Nghĩa là ta phải cho phép một số lượng lỗi nhấtđịnh và ngoài ra có khả năng khôi phục thông tin này hay ít nhất có thể phát hiện cáclỗi để không sử dụng thông tin này vì nhầm là đúng Điều này đặc biệt quan trọng khiphát đi số liệu đối với lỗi có thể chấp nhận lỗi ít hơn.

Do vậy ta phải dùng mã hoá kênh, có thể phát hiện hoặc sửa lỗi ở luồng bít thunghĩa là sẽ có một loại bít dư thừa giữa các bít Ta mở rộng thông tin một bít thànhthông tin có lượng bít lớn hơn do vậy phải gửi đi nhiều bít hơn cân thiết nhưng được

Ở ví dụ này ta phát hiện hai lỗi và sửa một lỗi

Có thể chia các mã kiểm tra lỗi thành hai loại: Các mã khối và các mã xoắn

Ở mã khối ta thêm một số bít thông tin nhất định

Khối thông tin

Sơ đồ minh họa:

Bộ mã hóa khối

Thông tin Kiểm traThông tin

Do vậy mã khối thường được sử dụng khi có báo hiệu định hướng theo khốichẳng hạn ở vô tuyến di động mặt đất tương tự khi có số liệu được phát đi theo khối

nó thường được sử dụng để phát hiện lỗi khi thực hiện (ARQ) yêu cầu lặp lại tự động.Khi phát hiện lỗi ta yêu cầu phát lại còn mã hoá xoắn liên quan đến sửa lỗi Khikhông có phương tiện ARQ Khi số hoá tiến và phát nó to không thể phát lại vì điềunày dẫn đến chậm trễ quá lớn

Do vậy cả hai phương pháp đều được sử dụng ở GSM

Tiếng được cát thành các đoạn 20 ms và được số hoá sau đó mã hoá bộ mã hoátiếng cung cấp 260 bít cho 20 ms Các bít này chia thành:

Giả thiết mỗi khối bản tin gồm 4 bít Ta lấy các bít đầu của bốn khối liên tiếp vàđặt các bít số này vào cùng một khối, bốn bít mới ta gọi là một khung Cũng làm nhưvậy với các bits thứ 2,3,4 của bốn khối bản tin Sau đó ta phát các khung này đi Khitruyền dẫn có thể khối 2 bị mất Khi không ghép xen thì toàn bộ khối bản tin này sẽmất, như khi ghép xen thì chỉ có bít thứ hai của từng khối là bị mắc lỗi Nhờ mã hoákênh mà ta có thể khôi phục lại được thông tin của tất cả các khối.

Ở GSM bộ mã hoá kênh cung cấp 456 bít cho từng 20 ms tiếng Các bít này đượcghép xen để tạo ra các khối 57 bít

Mức ghép xen thứ hai:

20 ms tiếng tạo ra 456 bít các bít này được ghép xen vào 8 nhóm (khung) 57 bit

20ms tiếng 20ms tiếng 20ms tiếng 20ms tiếng

4 12

452

5 13 453

6 14 454

7 15 455

8 16 456

Ở một cụm bình thường có khoảng trống 2×57 bít Nếu ta lấy 2×57 bít từ cùngmột khung và đặt chúng vào cùng một cụm thì việc mất cụm này dẫn đến tổng số bítmất là 25% quá lớn đối với việc xử lí mã hoá kênh cho nên cần bổ sung mức ghépxen nữa giữa hai khung tiếng Điều này làm tăng thời gian trễ ở hệ thống nhưng khi

đó cho phép mất toàn bộ cụm mà chỉ ảnh hưởng 12,5% số bít của mỗi khung tiếng và

có thể hiệụ chỉnh bằng mã hoá kênh

Để làm tăng dung lượng của dải vô tuyến dùng cho hệ thống thông tin tế bào,người ta sử dụng các kỹ thuật ghép kênh Hiện nay có rất nhiều dạng ghép kênhnhưng có ba hình thức thông dụng nhất là:

- Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA - Frequency Division MultipleAccess)

- Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA - Time Division MultipleAccess)

- Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA - Code Division Multiple Access)Liên quan đến việc ghép kênh là dải thông mà mỗi kênh hoặc mỗi mạch chiếmtrong một băng tần nào đó Dải thông đơn giản chỉ là sự chênh lệch giữa các tần sốcao nhất và thấp nhất trong băng Cùng một khái niệm như vậy dải thông của kênhđược áp dụng theo quy mô nhỏ hơn

Trong mỗi hệ thống ghép kênh ở trên đều sử dụng thuật ngữ đa truy nhập, tức làcác kênh vô tuyến được nhiều thuê bao dùng chung chứ không phải là mỗi thuê baođược gán một tần số riêng

Sau đây sẽ đi chi tiết về ba kỹ thuật ghép kênh

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

FDMA là phương pháp đa truy nhập trong đó mỗi người sử dụng khi truy nhậpđược cấp phát một kênh tần số và một băng tần con Khoảng cách giữa các kênh lâncận phải đủ lớn để không gây nhiễu cho nhau Tồn tại 2 phương pháp cấp phát tần số

là FDD và TDD

FDMA/FDD: Trong phương thức này băng thông dành cho hệ thống (B) đượcchia thành 2 nửa một nửa thấp và một nửa cao, mỗi nửa băng thông người ta bố trítần số cho các kênh Các cặp tần số ở nửa thấp và cao có cùng chỉ số gọi là cặp thuphát song công Một tần số fi cho đường lên từ MS đến BTS, một tần số fi’ chođường xuống từ BTS đến MS Khoảng cách giữa 2 tần số fi và fi’ gọi là khoảng cáchtần số thu phát ∆y Khoảng cách gần nhất giữa 2 tần số trong cùng một nửa băngđược gọi là khoảng cách giữa 2 kênh lân cận ∆x, khoảng cách này phải đủ lớn đểkhông gây nhiễu cho nhau Tần số đường xuống lớn hơn tần số đường lên fi’>fi đểsuy hao ở đường lên thấp hơn do máy cầm tay có công suất nhỏ FDMA/FDD - minhhoạ như hình 1.3

f2’

Ký hiệu B: Độ rộng băng tần

∆y: Khoảng cách tần số thu phát

∆x: Khoảng cách giữa 2 kênh lân cận f0: Tần số trung tâm







* FDMA/TDD: Trong phương pháp này cả máy phát và máy thu sử dụngchung tần số nhưng phân chia theo thời gian, lúc này băng thông chỉ là một và mỗikênh có thể chon một tần số bất kỳ trong băng Kênh vô tuyến giữa MS và BTS chỉ

sử một tần số fi cho cả phát và thu tuy nhiên phải thu phát luân phiên theo thời gian,

ví dụ BTS phát cho MS ở khe thời gian Tx, sau đó ngừng phát và thu tín hiệu ở khethời gian Rx, sau đó lại phát ở Tx…

∆x: Khoảng cách giữa 2 kênh lân cận

Hình 1.4: Phân bố tần số và phương pháp FDMA/TDD

* Các đặc điểm chính của FDMA

- Mỗi kênh FDMA tại mỗi thời điểm chỉ mang một kênh thoại

- Mỗi người sử dụng chỉ được chiếm một kênh FDMA tại một thời điểm, do đó

sẽ có các kênh trống không ai sử dụng gây lãng phí tài nguyên

- Sau khi được gán một kênh thoại, MS và BS truyền đồng thời và liên tục

- Băng tần của các kênh FDMA tương đối hẹp (30khz với AMPS) vì mỗi kênhchỉ hỗ trợ một kênh thoại trên một sóng mang Tức là, FDMA thường được sử dụngtrong các hệ thống băng hẹp

- Vì FDMA là hệ thống truyền liên tục, nên phần tiêu đề sẽ cần ít bít hơn so vớiTDMA (Ví dụ không cần các bít đồng bộ và đóng khung)

- Hệ thống FDMA có chi phí hệ thống cao hơn so với hệ thống TDMA do cáchthiết kế chỉ có một kênh trên một sóng mang và cần dùng các bộ lọc thông dải đắttiền hơn để loại bỏ bức xạ giả tại BS

- Thiết bị di động FDMA sử dụng các bộ song công vì cả BTS và MS hoạt độngđồng thời Điều này là tăng giá thành của cả thiết bị của người sử dụng và của BTS

- FDMA yêu cầu khắt khe về việc lọc cao tần để giảm nhiễu kênh lân cận

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

TDMA là hệ thống cho phép nhiều người sử dụng có thể chia sẻ chung một kênhtần số nhưng để không gây nhiễu phải dùng luân phiên theo thời gian Mỗi người sửdụng được cấp phát một kênh tần số và một khe thời gian Cũng như FDMA, TDMAcũng tồn tại 2 phương thức cấp phát kênh tần số là FDD và TDD.

* TDMA/FDD: Trong phương pháp này đường lên dùng một tần số fi và đường xuống dùng một tần số khác fi’ - minh hoạ như hình 1.5







sử dụng chung một tần số, tuy nhiên để phân chia đường phát và đường thu các khe thời gian phát và thu được phát đi ở các khe thời gian khác nhau - minh hoạ như hình 1.6







* Các đặc điểm chính của TDMA

- TDMA chia sẻ một tần số sóng mang cho vài người sử dụng, trong đó mỗingười sử dụng chiếm kênh trong những khe thời gian không chồng lấn nhau Tổng số

Tx: Phát từ BTS Rx: Thu từ MS

Hình 1.5: Phân bố tần số và phương pháp TDMA/FDD

fi’

Ví dụ: Trong GSM một kênh sóng mang chia làm 8 khe thời gian, như vậy cùngmột lúc trên một kênh sóng mang có thể cung cấp cho 8 cuộc gọi.

- Quá trình truyền dữ liệu của người sử dụng trong hệ thống TDMA là khôngliên tục, mà xuất hiện theo cụm Điều này dẫn đến sự tiêu thụ pin thấp hơn, vì máyphát của thuê bao có thể tắt đi khi không sử dụng

- TDMA sử dụng các khe thời gian thu và phát khác nhau nên không cần dùng

bộ song công

- Hệ thống TDMA có ưu điểm là có thể cấp số lượng khe thời gian khác nhautrên một khung cho những người sử dụng khác nhau do vậy, băng thông có thể cungcấp theo yêu cầu đối với những người sử dụng khác nhau theo mức ưu tiên Điều nàygiúp sử dụng hiệu quả tài nguyên

4 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)

Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) là phương thức đa truy nhập mà ở đó

mỗi máy đầu cuối được cung cấp một kênh tần số và một mã duy nhất

Đây là phương thức đa truy nhập mới, phương thức này dựa trên nguyên lý trảiphổ Tồn tại ba phương pháp trải phổ:

- Trải phổ chuỗi trực tiếp - DSSS

- Trải phổ nhảy tần - FHSS

- Trải phổ nhảy thời gian (THSS: Time Hopping Spread Spectrum)

Trong kỹ thuật CDMA, tín hiệu mang tin (Ví dụ như tiếng nói) được biến đổithành tín hiệu digital, sau đó được trộn với một mã giống như mã ngẫu nhiên Tínhiệu tổng cộng được phát trong một dải tần rộng nhờ một kỹ thuật gọi là trải phổ.Không giống FDMA hay TDMA, CDMA sử dụng mỗi kênh sóng mang có giải thôngtương đối rộng thường là 1,23 MHz (Nhờ kỹ thuật trải phổ từ 30khz ), do vậy sốlượng thuê bao trên một kênh sóng mang tăng gấp nhiều lần (Khoảng 20 lần) màFDMA có thể có trong một dải thông như nhau - minh hoạ như hình 1.7

Trong hệ thống CDMA, nhiều người sử dụng chung một tần số, áp dụng cảFDD và TDD

* CDMA/FDD: Hệ thống CDMA/FDD làm việc ở hai băng thông với hai sóngmang một cho đường lên và một cho đường xuống Trên mỗi cặp sóng mang này cóthể đồng thời M người sử dụng truy nhập vào mạng trên cơ sở được trải phổ bằng Mchuỗi trực giao khác nhau Mỗi cặp sóng mang này được gọi là một kênh CDMA

* Hệ thống CDMA/TDD: Khác với FDD phải sử dụng sóng mang cho truyền

Bộ biến đổi A/D

Tạo mã

Bộ biến đổi A/D

Tạo mã

(1)

(20)

Bộ biến đổi A/D

Tạo mã

Bộ biến đổi A/D

Tạo mã

(1)

(20)

1,23 MHz kênh 1

1,23 MHz kênh 20

Hình 1.11: Minh hoạ kỹ thuật CDMA

Hình 1.7: Minh hoạ kỹ thuật CDMA

Xét ví dụ về một hệ thống đa truy nhập CDMA/TDD bao gồm cấu trúc 15 khethời gian như hình 1.9 Từ hình 1.9 ta thấy một kênh CDMA gồm một tần số và tám

mã trực giao Mỗi kênh do một mã trực giao tạo nên bao gồm các khung TDMA có

Các kênh có thể được cấp phát đối xứng hoặc không đối xứng cho nhiều người

sử dụng, hoặc đối xứng hoặc không đối xứng cho một người sử dụng

CDMA/TDD

Mã

Tần số

Thời gian Khung thời gian

Đường xuống

Đường lên t

f

Khoảng bảo vệ

Hình 1.8: Sự khác nhau giữa FDD và TDD

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

I HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM

1 Mở đầu

Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa thâm nhập phân chiatheo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở châu Âu và có tên gọi làGSM Ban đầu hệ thống này được gọi là "Nhóm đặc trách di động" (Groupe SpécialMobile) theo tên gọi của một nhóm được CEPT (Conference of European Postal andTelecommunications Administrations - Hội nghị các cơ quan quản lý viễn thông vàbưu chính châu Âu) cử ra để nghiên cứu tiêu chuẩn Sau đó để tiện cho việc thươngmại hoá GSM được gọi là "Hệ thống thông tin di động toàn cầu" (Global System forMobile communications) GSM được phát triển từ năm 1982 khi các nước Bắc Âugửi đề nghị đến CEPT để quy định một dịch vụ viễn thông chung châu Âu ở băng tần

900 MHz Lúc đầu vào những năm 1982-1985 người ta bàn luận về việc nên xâydựng một hệ thống số hay tương tự Năm 1985 hệ thống số được quyết định Bướctiếp theo là chọn lựa giữa giải pháp băng rộng hay băng hẹp Năm 1986 một cuộckiểm tra ngoài hiện trường đã được tổ chức tại Pari, các hãng đã đua tài với các giảipháp của mình Tháng 5 năm 1986 giải pháp TDMA băng hẹp đã được lựa chọn.Đồng thời 13 nước (ở Anh hai hãng khai thác) đã ký vào biên bản ghi nhớ (MoU)thực hiện các quy định, như vậy đã mở ra một thị trường di động số có tiềm năng lớn.Tất cả các hãng khai thác ký MoU hứa sẽ có một hệ thống GSM vận hành vào1/7/1991 Một số nước đã công bố kết quả phủ sóng các vùng rộng lớn ngay từ đầu,trong khi đó một số nước khác sẽ bắt đầu phục vụ ở bên trong và xung quanh thủ đô

Ở Việt nam hệ thống thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm 1993, hiện nayđang được hai công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả

Hệ thống thông tin di động GSM sử dụng kết hợp phương pháp đa thâmnhập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo tần số (FDMA), trong đómỗi trạm di động để thâm nhập vào mạng được cấp phát một cặp tần số và một khethời gian

2 Giao diện vô tuyến

a Khái niệm kênh

a1 Kênh vật lý:

Các kênh vật lý được coi là các cặp tần số và khe thời gian dùng để truyền tảithông tin giữa trạm di động MS và trạm thu phát gốc BTS

+ Các kênh tần số được sử dụng ở GSM: phân bố tần số ở GSM được quy địnhnằm trong dải tần 890 - 960 MHz với bố trí các kênh tần số như sau:

Bao gồm 125 kênh đánh số từ 0 đến 124, kênh 0 dành cho khoảng bảo vệ nên

+ Các kênh vật lý: là một khe thời gian ở một tần số vô tuyến dành để truyền

tải thông tin ở đường vô tuyến của GSM Như ở phần trên ta đã nói GSM sử dụngbăng tần sau:

890-915 MHz cho đường lên (MS phát)

935-960 MHz cho đường xuống (BTS phát)

khoảng cách giữa các sóng mang là 200kHz

Trong tương lai khi mở rộng đến hệ thống DCS1800 băng tần được sử dụng sẽ là:

1710-1785 MHz đường lên

1805-1880 MHz đường xuống

Để đảm bảo các quy định về tần số bên ngoài băng phải có một khoảng bảo vệgiữa các biên của băng (200kHz) Vì thế ở GSM900 ta có 124 kênh tần số vô tuyếnbắt đầu từ 890,2 và ở DCS1800 ta có 374 kênh tần số vô tuyến bắt đầu từ1710,2MHz Mỗi một kênh tần số vô tuyến được tổ chức thành các khung TDMA có

một khung TDMA có độ dài gần băng 4,62ms

Ở BTS các khung TDMA ở tất cả các kênh tần số trên đường xuống được đồng

bộ Đồng bộ cũng được áp dụng như vậy với đường lên Tuy nhiên khởi đầu củakhung TDMA đường lên trễ một khoảng thời gian cố định 3 khe Lý do trễ để chophép MS sử dụng cùng một khe thời gian ở cả đường lên lẫn đường xuống mà khôngphải thu phát đồng thời Sự trễ nói trên được mô tả ở hình 2.1 dưới đây

Hình 2.1

Về mặt thời gian các kênh vật lý ở một kênh tần số được tổ chức theo cấu trúckhung, đa khung, siêu khung, siêu siêu khung Một siêu siêu khung có dài là 3 giờ 28phút 53 giây 760 ms Các khung TDMA được đánh số FN (Frame Number: sốkhung) trong siêu siêu khung từ 0 đến 2 715 647 Một siêu siêu khung được chiathành 2048 siêu khung, mỗi siêu khung có độ dài là 5,12 giây Mỗi siêu khung đượcchia thành các đa khung Có hai loại đa khung:

* Đa khung 26 khung (51siêu khung trên một siêu siêu khung) có độ dài 120

ms và chứa 26 khung Các đa khung này được sử dụng cho các kênh TCH, SACCH

và FACCH

* Đa khung 51 khung (26 siêu khung trên một siêu siêu khung) có độ dài235,4ms và chứa 51 khung TDMA Đa khung này sử dụng cho các kênh BCCH,CCCH và SACCH.

Hình 2.2

a2 Kênh lôgic:

Có thể chia các kênh logic thành hai loại: Kênh lưu lượng (TCH) và kênh điềukhiển cho báo hiệu (CCH)

* Kênh lưu lượng - TCH: Để mang “Tiếng” được mã hoá hay số liệu củangười sử dụng Là kênh đường lên và xuống, điểm tới điểm Kênh lưu lượng gồm hailoại như sau:

+ Bm hay kênh toàn tốc: Mang thông tin tiếng hay số liệu được mã hoá ở tốc

+ Các kênh phát quảng bá (BCH) gồm:

- Kênh hiệu chỉnh tần số - FCCH: Kênh này mang thông tin để hiệuchỉnh tần số của MS, được BTS phát quảng bá Là kênh đường xuống, điểm tới đađiểm

- Kênh đồng bộ - SCH: Kênh này mang thông tin để đồng bộ khung (sốkhung TDMA) của MS và nhận dạng BTS (BSIC), được BTS phát quảng bá Kênhđường xuống, điểm tới đa điểm

- Kênh điều khiển phát quảng bá - BCCH: Kênh này được phát quảng báthông tin chung liên quan đến BTS và mạng nói chung Kênh đường xuống, điểm tới

đa điểm

+ Kênh điều khiển chung - CCCH: Kênh này sử dụng cho các chức năng liên

quan tới việc khởi tạo quá trình truy nhập cho MS bao gồm:

- Kênh tìm gọi - PCH: Kênh này được sử dụng để tìm MS Kênh đườngxuống, điểm tới đa điểm

- Kênh truy nhập ngẫu nhiên - RACH: Kênh này được MS sử dụng để yêu cầuđược cấp một kênh điều khiển dành riêng (SDCCH) hoặc để trả lời tìm gọi, hoặc đểthâm nhập khi khởi đầu hoặc đăng ký cuộc gọi MS Kênh đường lên, điểm tới điểm

- Kênh cho phép truy nhập - AGCH: Kênh này được sử dụng để dành mộtSDCCH hay trực tiếp một TCH cho một MS Kênh đường xuống, điểm tới điểm

+ Các kênh điều khiển riêng - DCCH: Bao gồm:

- Kênh điều khiển dành riêng - SDCCH: Kênh này được sử dụng để báo hiệu

hệ cho thống khi thiết lập một cuộc gọi trước khi ấn định một TCH Chẳng hạn đăng

và nhận thực được thực hiện ở đây Kênh đường lên/xuống, điểm tới điểm

- Kênh điều khiển liên kết chậm - SACCH: Kênh này liên kết với một TCHhay một SDCCH Đây là một kênh số liệu liên tục mang các thông tin như: các bảnbáo cáo đo đạc từ trạm di động về cường độ tín hiệu thu từ ô hiện thời và các ô lâncận Thông tin này cần cho chức năng chuyển giao, nó cũng được sử dụng để điềuchỉnh công suất của MS và để đồng bộ thời gian Kênh đường lên/xuống, điểm tớiđiểm

- Kênh điều khiển liên kết nhanh - FACCH: Kênh này liên kết với một TCHcho trước và làm việc ở chế độ lấy cắp nghĩa là trong khi truyền dẫn bỗng nhiên cầntrao đổi thông tin báo hiệu với hệ thống ở tốc độ cao hơn nhiều so với khả năng củaSACCH, khi đó các cụm 20ms tiếng (số liệu) được lấy cắp cho mục đích báo hiệu.Đây là trường hợp khi chuyển giao

Thuật ngữ điểm tới điểm và điểm tới đa điểm được sử dụng để biểu thị BTSđến một MS (và ngược lại), và BTS đến nhiều MS

Minh họa kênh logic như hình 2.3

c Cấu trúc các cụm

một cụm Tồn tại bốn dạng cụm khác nhau trong hệ thống Sơ đồ tổ chức các cụmnày được cho ở hình 4.4 Ý nghĩa của các cụm này như sau:

c1 Cụm bình thường (NB: Normal Burst): cụm này được sử dụng để mang các

thông tin về các kênh lưu lượng và các kênh kiểm tra Đối với kênh lưu lượng TCHcụm này chứa 114 bit được mật mã, ba bit đuôi (0, 0, 0) đầu và cuối, 2 bit cờ lấy cắp(chỉ cho TCH), 26 bit hướng dẫn và khoảng thời gian bảo vệ có độ rộng bằng 8,25bit NB được sử dụng cho TCH và các kênh điều khiển trừ RACH, SCH và FCCH

c2 Cụm hiệu chỉnh tần số (FB: Frequency Correction Burst): cụm này được sử

RACHAGCHPCH

SDCCHSACCHFACCH

Kênh 2 chiều

Kênh đường lên

Kênh đường xống

Hình 2.3: Tổ chức kênh logic

dịch tần số + 67,7 kHz trên tần số danh định, ba bit đuôi (0, 0, 0) đầu và cuối) vàkhoảng bảo vệ 8,25 bit FB được sử dụng cho FCCH

c3 Cụm đồng bộ (SB: Synchronization Burst): cụm này được sử dụng để đồng bộ

thời gian cho trạm di động Cụm chứa 78 bit được mật mã hoá để mang thông tin về

FN của TDMA và BSIC (Base Station Identity Code: mã nhận dạng trạm gốc), ba bitđuôi đầu và cuối, chuỗi hướng dẫn kéo dài 64 bit và khoảng bảo vệ 8,25 bit SB được

sử dụng cho SCH

c4 Cụm thâm nhập (AB: Access Burst): cụm này được sử dụng để thâm nhập ngẫu

nhiên và thâm nhập chuyển giao (Handover) Cụm chứa 36 bit thông tin, 41 bit đồng

Sở dĩ cần khoảng bảo vệ dài vì khi MS thâm nhập lần đầu (hay sau chuyển giao) nókhông biết định trước thời gian, khoảng này dành cho khoảng cách 35km AB được

sử dụng cho RACH và TCH

c5 Cụm giả (DB: Dummy Burst):Cụm giả được phát đi từ BTS trong một số

trường hợp Cụm không mang thông tin Cụm có cấu trúc giống như NB nhưng cácbit mật mã được thay thế bằng các bit hỗn hợp

e Sắp đặt các kênh lôgic lên các kênh vật lý

e1 FCCH+SCH+BCCH+CCCH

(d) hoặc (e) được trình bầy ở trên MS sẽ tìm kênh hiệu chỉnh tần số FCCH Khi tìm

Ghép các kênh của tổ hợp (d) được cho ở hình 2.4 Chu kỳ lặp của ghép kênh là 51

Ở đường xuống BTS phải phát ở tất cả các khe thời gian của tất cả các khung

mạng ở BTS nào hoặc chuyển sang BTS nào Để đạt được điều này khuyến nghịGSM cho phép sử dụng các cụm tìm gọi giả và các cụm giả CCCH được thay thếbằng các cụm tìm gọi giả khi không phát tìm gọi và các cụm giả với các bit địnhtrước được đặt vào tất cả các khe thời gian rỗng FCCH, SCH, BCCH luôn luôn đượcphát đi ở các khung tương ứng

Hình 2.4

bit trong khi đăng ký và thiết lập cuộc gọi khá chậm, nên có thể cho phép 8 MS chia

sẻ một khe thời gian cho báo hiệu, nghĩa là sắp xếp 8 SDCCH trên một khe thời gian

Hình 2.5: Ghép các kênh điều khiển dành riêng lên TS1,

tổ hợp kênh (I), đường xuống và lên

theo cho báo hiệu MS thứ hai Cấu trúc này được lặp lại định kỳ trên 102 khungTDMA Lưu ý rằng đường lên và đường xuống dịch nhau về thời gian, để kênh conSDCCH số 0 ở đường xuống được phát ở các khung 0-3 còn ở đường lên ở các khung15-18 Nhờ vậy MS có đủ thời gian để tính toán trả lời cho SDCCH đường xuống.

e3 Các kênh lưu lượng

kênh lưu lượng TCH được sắp xếp trên các kênh vật lý cùng với SACCH (hình 2.6)

Ở hình này ta thấy chu kỳ lặp là 26 khung/120ms

Hình 2.6: Ghép các kênh TCH, tổ hợp kênh (a)

FACCH cũng được sử dụng cùng với kênh lưu lượng nhưng nó làm việc ở chế độlấy cắp và khi này tiếng được thay thế bằng báo hiệu

Có thể trình bầy tổng quát cách sắp đặt của các tổ hợp (a), (d), (l) như ở hình 2.6với lưu ý rằng chu kỳ lặp của (a) là 26 khung, (d) là 51 khung, (l) là 102 khung

Các kênh lưu lượng bán tốc:

Các kênh bán tốc sử dụng các tổ hợp (b) và (c) Trong đó hai người sử dụng dùngchung một kênh vật lý, nhờ vậy dung lượng của hệ thống đươc nhân đôi (hình 2.7).Khung IDLE ở kênh toàn tốc bây giờ được sử dụng cho SACCH của MS thứ hai Vìcác MS chỉ sử dụng một trong số hai khe thời gian cho cuộc gọi nên bây giờ đakhung chứa 13 khung rỗi cho mỗi thuê bao Một thuê bao cũng có thể được sử dụnghai kênh lưu lượng, chẳng hạn một kênh cho tiếng và một kênh cho số liệu (c)