Tìm hiểu kiến trúc và kĩ thuật ghép kênh trong mang GMS

Tìm hiểu kiến trúc và kĩ thuật ghép kênh trong mang GMS

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

Mở Đầu 2

I LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 4

II MỤC ĐÍCH VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG 5

2.1 Các đặc tính chủ yếu của hệ thống GSM 5

2.2 Băng tần sử dụng trong hệ thống thông tin di động GSM 7

III BẢN CHẤT VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG 7

3.1 Mô hình mạng GSM 7

3.2 Mạng truy cập GSM 8

3.2.1 Các kênh vật lý 9

3.2.2 Các kênh logic 16

3.3 Kĩ thuật ghép kênh trong GSM 20

3.3.1 Frequency Division Duplexing (FDD) 20

3.3.2 Time Division Duplexing (TDD) 21

IV PHÂN TÍCH ƯU NHƯỢC ĐIỂM 21

4.1 Ưu điểm 22

4.2 Nhược điểm 22

V KẾT LUẬN VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN 23

5.1 Kết luận 23

5.2 Khuynh hướng phát triển 23

M Đ u ở Đầu ầu

Ngày nay thông tin liên lạc đả trở thành một nhu cầu quan trọng trong cuộc sống

của chúng ta Ngoài các dịch vụ mà các điện thoại cố định có như: truyền thoại,

nhắn tin, Fax, dữ liệu, …vv Thông tin di động còn cung cấp các tính năng ưu việt

của nó ở chất lượng dịch vụ, tính bảo mật thông tin, thiết bị nhỏ gọn, linh hoạt

trong việc di chuyển, và các dịch vụ ngày càng đa dạng như truyền hình di động,

truyền video chất lượng cao, kết nối mạng internet với việc phát triển hệ thống

thông tin di động lên hệ thống thông tin di động băng rộng (3G) vv Cùng với sự

phát triển của ngành thông tin liên lạc thì ngành công nghiệp viễn thông đả phát

triển mạnh mẻ và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác Để đáp ứng nhu

cầu của khách hành các nhà cung cấp dịch vụ đả liên tục nâng cấp hệ thống mạng,

chất lượng đường truyền, và đa dạng các dịch vụ, đồng thời giảm cước dịch vụ,

những điều này đả mang lại cho họ một số lượng thuê bao khổng lồ và tăng nhanh

Một công nghệ quan trọng nhất và được sử dụng phổ biến nhất không chỉ ở Việt

Nam mà còn các nước trên thế giới là công nghệ GSM (Global System for Mobile

communication-Hệ thống thông tin di động toàn cầu) Ở Việt Nam hiện nay những

nhà cung cấp dịch vụ viễn thông lớn như: Vinaphone, MobiFone, Viettel đều sử

dụng công nghệ GSM Được phát triển từ năm 1982 với kỷ thuật đa truy nhập

phân chia theo thời gian (TDMA) một giải pháp tăng dung lượng hệ thống và mã

hoá tín hiệu đảm bảo tính an toàn dữ liệu đồng thời đảm bảo chất lượng dịch vụ để

đáp ứng nhu cầu của hàng triệu khách hàng Hệ thống GSM sử dụng SIMCARD có

kích thước nhỏ gọn để cắm vào máy di động mà chỉ có người này mới có thể sử

dụng nó tại một thời điểm như một thiết bị nhận dạng an toàn GMS là công nghệ

truyền sóng kỹ thuật số, cho phép một số người dùng truy nhập vào cùng một kênh

tần số mà không bị kẹt bằng cách định vị những khe thời gian duy nhất cho mỗi

người dùng trong mỗi kênh Song song cùng tồn tại và phát triển với công nghệ

GSM còn có các công nghệ khác như CDMA (công nghệ đa truy cập theo mã)

cũng là một công nghệ tiên tiến và là đối thủ của GSM trong lính vực công nghệ

truyền thông di động, hiện ở Việt Nam công nghệ này đang được các nhà khai thác

dịch vụ như: S-Fone, Hà Nội Telecom, ETC Công nghệ GSM đòi hỏi vốn đầu tư

ban đầu ít tốn kém hơn CDMA Đây cũng chính là lý do CDMA chưa được phát

triển rộng rãi tại Việt Nam

Trong bài tìm hiểu của nhóm em sẽ tìm hiểu kiến trúc và kĩ thuật ghép kênh

trong mạng GSM

I L CH S PHÁT TRI N ỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Ử PHÁT TRIỂN ỂN

Hệ thống thông tin di động từ lâu đã là một ớc mơ lớn của con ng ời, và ớcước mơ lớn của con người, và ước ước mơ lớn của con người, và ước ước mơ lớn của con người, và ước

mơ này đã trở thành hiện thực ngay khi kỹ thuật cho phép Sự thực hiện đầu tiên

bằng sóng vô tuyến đ ợc thực hiện từ cuối thế kỷ 19 Tuy nhiên, việc đ a hệước mơ lớn của con người, và ước ước mơ lớn của con người, và ước

thống thông tin di động vào phục vụ chỉ đ ợc thực hiện sau chiến tranh thế giớiước mơ lớn của con người, và ước

lần thứ 2, khi mà công nghệ điện tử cho phép Đó là một dịch vụ thông tin đặc biệt,

nó cho phép nối thông các cuộc gọi không cần dây dẫn Ngay đó ngay cả khi di

chuyển, các thuê bao di động vẫn trao đổi thông tin đ ợc với nhau Do sự phátước mơ lớn của con người, và ước

triển ngày càng cao của công nghệ điện tử và thông tin, mạng thông tin ngày càng

phổ biến, giá cả ngày một hạ và độ tin cậy ngày càng tăng lên Quá trình phát triển

của mạng thông tin đã trải qua các giai đoạn sau:

- Giai đoạn thứ nhõt: Sau 1946, khả năng phục vụ nhỏ, chất l ợng không cao, giáước mơ lớn của con người, và ước

cả dắt

- Giai đoạn thứ hai: Từ 1970 – 1979, cùng với sự phát triển của các thiết bị điện

tử tổ hợp cỡ lớn và các bộ vi xử lý, ta có thể thực hiện đ ợc một hệ thống phức tạpước mơ lớn của con người, và ước

hơn Bởi vì vùng phủ sóng của anten phát của các máy di động bị hạn chế nên hệ

thống đ ợc chia thành một vài trạm nhận cho một trạm phát.ước mơ lớn của con người, và ước

- Giai đoạn thứ ba : Từ1979 -1990, là mạng tổ ong t ơng tự Các trạm thu phátước mơ lớn của con người, và ước

đ ợc đặt theo các ô tổ ong Mạng này cho phép sử dụng lại tần số và cho phépước mơ lớn của con người, và ước

chuyển giao giữa các ô trong cuộc gọi Các mạng điển hình là:

+ AMPS (Advanced Mobile Phone Service): đ ợc đ a vào hoạt động tại Mỹước mơ lớn của con người, và ước ước mơ lớn của con người, và ước

năm 1979

+NMT ( Nordic Mobile Telephone): là hệ thống của các n ớc Bắc Âu và đ ợcước mơ lớn của con người, và ước ước mơ lớn của con người, và ước

đ a vào sử dụng vào tháng 12/1981.ước mơ lớn của con người, và ước

+TACS ( Total Access Communication System): đ ợc đ a vào phục vụ tạiước mơ lớn của con người, và ước ước mơ lớn của con người, và ước

V ơng quốc Anh năm 1985 Tất cả các mạng trên dựa trên mạng truyền điện thoạiước mơ lớn của con người, và ước

t ơng tự bằng điều chế tần số Chúng sử dụng tần số 450 hoặc 900 Mhz Vùng phủước mơ lớn của con người, và ước

sóng của nó chỉở mức quốc gia và phục vụ đ ợc vài trăm thuê bao Hệ thống lớnước mơ lớn của con người, và ước

nhất ở Anh làTACS đạt hơn một triệu thuê bao vào năm 1990

- Giai đoạn thứ tư : Từ đầu những năm 1980, sau khi các hệ thống NMT đã hoạ

động thành công thì nó cũng biểu hiện một số hạn chế Một là do yêu cầu cho dịch

vụ di động quá lớn v ợt qua con số mong đợi của các nhà thiết kếhệ thống nên hệước mơ lớn của con người, và ước

thống này không đáp ứng đ ợc Hai là các hệ thống khác nhau đang hoạt độngước mơ lớn của con người, và ước

không thể phục vụ cho tất cả các thuê bao ở châu Âu, nghĩa là thiết bị của mạng

này không thể truy nhập vào mạng khác Ba là nếu thiết kế một mạng lớn phục vụ

cho cả châu Âu thì không một n ớc nào có thể đáp ứng đ ợc vì vốn đầu t quáước mơ lớn của con người, và ước ước mơ lớn của con người, và ước ước mơ lớn của con người, và ước

lớn Tất cả những hạn chế trên dẫn đến một nhu cầu là phải thiết kế một hệ thống

loại mới đ ợc làm theo kiểu chung để có thể dùng cho nhiều n ớc Năm 1988,ước mơ lớn của con người, và ước ước mơ lớn của con người, và ước

viện tiêu chuẩn viễn thông châu âu – ETSI (Europe Telecommunication Standard

Institute) đã thành lập nhóm đặc trách di động –GSM (Groupe Special Mobile)

GSM còn có nghĩa là hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for

Mobile Communication) GSM là tiêu chuẩn điện thoại di động số toàn châu Âu sử

dụng dải tần số 900Mhz

Năm 1990, V ơng quốc Anh đ a ra hệ thống DCS (Digital Cellular System).ước mơ lớn của con người, và ước ước mơ lớn của con người, và ước

DCS dựa trên hệ thống GSM với việc sử dụng tần số 1800Mhz Hiện nay, để đáp

ứng nhu cầu ngày càng tăng về các dịch vụ viễn thông mới, các hệ thống thông tin

di động đang tiến tới thế hệ thứ ba ở thế hệ thứ ba này, các hệ thống thông tin di

động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở

tốc độ lên đến 2Mbit/s

Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động số GSM đ ợc đ a vào từ năm 1993,ước mơ lớn của con người, và ước ước mơ lớn của con người, và ước

hiện nay đang đ ợc khai thác v phat trien rất hiệu quả ước mơ lớn của con người, và ước à phat trien rất hiệu quả

II M C ĐÍCH VÀ PH M VI S D NG ỤC LỤC ẠM VI SỬ DỤNG Ử PHÁT TRIỂN ỤC LỤC

2.1 Cỏc đ c tớnh ch y u c a h th ng GSM ặc tớnh chủ yếu của hệ thống GSM ủ yếu của hệ thống GSM ếu của hệ thống GSM ủ yếu của hệ thống GSM ệ thống GSM ống GSM

• Cú thể phục vụ được một số lớn cỏc dịch vụ và tiện ớch cho thuờ bao cả

trong thụng tin thoại và truyền số liệu

* Đối với thoại cú thể cú cỏc dịch vụ:

- Chuyển hướng cuộc gọi vụ điều kiện

- Chuyển hướng cuộc gọi khi thuờ bao di động bận

- Cấm tất cả cỏc cuộc gọi ra quốc tế

- Giữ cuộc gọi

- Thụng bỏo cước phớ

- Nhận dạng số chủ gọi

- Truyền số liệu

- Dịch vụ nhắn tin: các gói thông tin có kích cỡ 160 ký tự có thể lưu giữ

• Sự tương thích của các dịch vụ trong GSM với các dịch vụ của mạng sẵn

có:

* PSTN – Publich Switched Telephone Network (Mạng điện thoại chuyển mạch

côngcộng)

* ISDN – Integrated Service Digital Network (mạng số tổ hợp dịchvụ) bởi các giao

diện theo tiêu chuẩn chung

Cho phép các thuê bao lưu động (roaming) ở các nước với nhau cùng sử dụng hệ

thống GSM một cách hoàn toàn tự động Nghĩa là thuêbao có thể mang máy di

động đi mọi nơi và mạng sẽ tự động cập nhật thông tin về vị trí của thuê bao đồng

thời thuê bao có thể gọi đi bất cứ nơi nào mà không cần biết thuê bao khác đang ở

đâu

• Sử dụng băng tần 900 MHz với hiệu quả cao bởi sự kết hợp giữa hai phương

pháp TDMA, FDMA

• Giải quyết sự hạn chế dung lượng: Thực chất dung lượng sẽ tăng lên nhờ việc

sử dụng tần số tốt hơn và kỹ thuật chia ô nhỏ, do vậy số thuê bao được phục vụ sẽ

tăng lên

• Tính linh hoạt cao nhờ sử dụng các loại máy thông tin di động khác nhau: máy

cầm tay, máy xách tay, máy đặt trên ô tô

• Tính bảo mật: Mạng kiểm tra sự hợp lệ của mỗi thuê bao GSM bởi thẻ đăng ký

SIM (Subcriber Identity Module) Thẻ SIM sử dụng mật khẩu PIN (Personal

Identity Number) để bảo vệ quyền sử dụng của người sử dụng hợp pháp SIM cho

phép người sử dụng sử dụng nhiều dịch vụ và cho phép người dùng truy nhập vào

các PLMN (Public Land Mobile Network) khác nhau Đồng thời trong hệ thống

GSM còn có trung tâm nhận thực AuC, trung tâm này cung cấp mã bảo mật chống

nghe trộm cho từng đường vô tuyến và thay đổi cho từng thuê bao

2.2 Băng t n s d ng trong h th ng thông tin di đ ng GSM ầu ử dụng trong hệ thống thông tin di động GSM ụng trong hệ thống thông tin di động GSM ệ thống GSM ống GSM ộng GSM

Hệ thống GSM làm việc trong băng tần 890 – 960MHz Băng tầnnày được chia

Mỗi băng rộng 25MHz, được chia thành 124 sóng mang Các sóng mang cạnh

nhau cách nhau 200KHz Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt, một cho đường lên,

một cho đường xuống Các kênh này được gọi là kênh song công Khoảng cách

giữa hai tần số là không đổi và bằng 45 MHz, được gọi là khoảng cách song công

Kênh vô tuyến này mang 8 khe thời gian mà mỗi khe thời gian là một kênh vật lý

để trao đổi thông tin giữa trạm thu phát và trạm di động Ngoài băng tần cơ sở như

trên còn có băng tần GSM mở rộng và băng tần DCS (Digital Cellular System)

III B N CH T VÀ NGUYÊN T C HO T Đ NG ẢN CHẤT VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG ẤT VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG ẮC HOẠT ĐỘNG ẠM VI SỬ DỤNG ỘNG

Mạng GSM là mạng viễn thông phân cấp được nối theo mô hình cây Các phần

tử cùng cấp là ngang hàng (hình 1.4) Có thể chia mạng GSM thành 3 cấp tương

ứng:

Hình 1.2: Mô hình mạng phân lớp GSM

Tổng đài liên tỉnh: Cấp liên tỉnh được hiểu là cấp cao nhất trong mạng GSM.

Tương đương với cấp liên tỉnh là hệ thống NSS mà đặc trưng là trung tâm chuyển

mạch MSC Một MSC có thể quản lý nhiều BSC và được phân nhánh theo hình

cây

Tổng đài nội hạt: Hệ thống BSS tương đương với một tổng đài nội hạt Trong một

BSS một BSC quản lý nhiều BTS Giữa BTS và BSC có thể nối theo hình cây hoặc

vòng sử dụng Một BSC tương đương tổng đài host và các BTS tương đương với

tổng đài vệ tinh

Hình 1.2 : Kiều nối hình cây và vòng trong BSS

Tổng đài tập trung thuê bao: Là các thuê bao di động, chúng có thể di chuyển

từ cell này sang cell khác và vì vậy một kết nối từ tổng đài nội hạt tới các tổng đài

vệ tinh là không cô định, kết nối này là kết nối vô tuyến động

3.2 M ng truy c p GSM ạng GSM ập GSM

Mạng GSM sử dụng đa truy cập phân chia theo thời gian kết hợp phân chia theo

tần số cho phép tận dụng tối đa băng tần được cấp và tăng dụng lượng hệ thống

Xu hướng là tiết kiệm băng thông, thời gian truy cập ngắn và độ trể là nhỏ nhất

GSM băng tần 900MHz sử dụng phương pháp truy cập TDMA 8 kênh với độ rộng

băng tần sóng mang 200kHz và sử dụng truyền dẫn có liên kết để một MS có thể

truy cập vào mạng

3.2.1 Các kênh v t lý ập GSM

GSM sử dụng phối hợp giữa đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và đa

truy cập phân chia theo tần số (FDMA)

Phân chia theo tần số:

Phân bố tần số trong GSM được quy định nằm trong khoảng 890 - 960MHz với

sự bố trí các kênh tần số như sau:

 Dải tần số tuyến lên (từ MS đến BTS) 25MHz: 890 – 915MHz f L= 890MHz

+ (0,2MHz) x n trong đó n = 0,1, ,124

 Dải tần đường xuống (từ BTS đến MS) 25MHz: 935 – 960 MHz f U = f L

+45MHz

Như vậy có 125 kênh được đánh số tứ 0 -> 124 riêng kênh 0 dành cho khoảng bảo

vệ Hệ thống GSM mở rộng (E-GSM) có băng tần rộng thêm 10MHz ở cả hai phía

nhờ vậy số kênh tăng thêm 50 kênh Phân bố tần số trong dải này như sau:

 f L = 890MHz +(0,2MHz) * n; n =0,1, 124

và f L = 890MHz +(0,2MHz) * (n – 1024); n=974,975, ,1023

 f U= ¿ f L + 45MHz

Như vậy các kênh bổ sung được đánh số từ 974->1023 được sử dụng kênh thấp

nhất 974 để làm khoảng bảo vệ.Đối với hệ thống DCS-1800 băng tần công tác

1710-1880 MHz phân bố tần số như sau:

 f L = 1710MHz + (0,2MHz) * (b-511); n=512,513, ,885

 f U = f L + 95MHz

Như vậy có 375 kênh được đánh số từ 412 -> 884Trong thông tin di động sử dụng

phương pháp lặp lại tần số để tránh sự nhiểu các kênh lân cân và tăng dung lượng

hệ thống Một phương pháp đặc biệt nữa để tăng dung lượng hệ thống là kết hợp

phân chia theo thời gian và phân chia theo tần số Truyền dẩn vô tuyến ở GSM

được chia thành các cụm (Burst) chứa hàng trăm bit đã được điều chế Mỗi cụm

được phát đi trong một khe thời gian có độ rộng là 15/26ms~ 577us ở trong một

kênh tần số có độ rộng 200kHz nói trên

Hình 1.3: Đa truy cập kết hợp TDMA và FDMA

Mổi kênh tần số cho phép tổ chức các khung truy cập theo thời gian có độ dài

4,62ms, mỗi khung bao gồm 8 khe thời gian từ 0->7, mỗi khe gọi là một timeslots

(TS0, TS1, , TS7)

Hình 1.4a: Tổ chức một khung TDMA

Tất cả các khung TDMA ở tất cả các kênh tần số ở cả đường lên lẩn đường xuống

đều được đồng bộ Tuy nhiên để MS sử dụng cùng một khe thời gian cho cả đường

lên lẩn đường xuống mà không phải thu phát đồng thời thì khởi đầu của khung

TDMA đường lên trể 3 timeslots

Một cụm là một khe thời gian có độ dài 577us Trong hệ thống GSM tồn tại 4 dạng

cụm khác nhau Nội dung các cụm (hình 1.8) như sau:

- Cụm bình thường (NB: Normal Burst): cụm này được sử dụng để mang thông tin

về các kênh lưu lượng và các kênh kiểm tra Đối với kênh lưa lượng TCH cụm này

chứa 144 bit được mã mật mã, 2 bit cờ lấy cắp (chỉ cho kênh TCH) trong 58 bit

thông tin, 2 cặp 3 bit đuôi 000 (tail bíts) để đảm bảo rằng bộ giải mã viterbi bắt đầu

và kết thúc trong một trạng thái đả biết, 26 bit hướng dẫn (phản ánh tương đối

đúng tình trạng truyền sóng cho máy thu từ đó bộ cân bằng viterbi có thể xây dựng

mô hình kênh ở các thời điểm để loại bỏ ảnh hưởng của nhiểu pha định đa tia) và

khoảng bảo vệ 8,25 bit tránh ảnh hưởng của kênh lân cận Tổng cộng có 156,25

bits

- Cụm hiệu chỉnh tần số (FB: Frequency Correction Bits): Cụm này được sử dụng

để đồng bộ tần số cho trạm di động Cụm chứa 142 bit cố định bằng 0 để tạo ra

dịch tần số +67,7kHz trên tần số định danh, 2 cặp 3 bit đuôi 000 chuổi bít không

này sau khi sau khi điều chế GMSK cho một sóng hình sin hoàn toàn quanh tần số

68kHz cao hơn tần số sóng mang RF, 8.25 bit dùng cho khoảng bảo vệ

- Cụm đồng bộ (SB: Synchronisation Burst): cụm này dùng để đồng bộ thời gian

cho trạm di động Cụm chứa 2*39 bit thông tin được mật mã hóa để mang thông

tin chi tiết về cấu trúc khung (về số khung (FN)) của khung TDMA và BSIC (Base

Station Identity Code), 2 căp 3 bit đuôi 000 để đảm báo bắt đầu và kết thúc của

khung mang thông tin cấn thiết, burst đồng bộ là burst đầu tiên mà MS giải điều

chế vì lý do này mà chuổi hướng dẩn kéo dài 64 bit và nó cũng cho phép lớn hơn

độ rộng trể đa đường, thêm khoảng bảo vệ 8,25 bit

- Cụm truy nhập (AB: Access Burst): cụm này được sử dụng bởi MS để truy nhập

ngẫu nhiên khởi tạo mạng và chuyển giao Nó là burst đầu tiên của đường lên mà

BTS sẻ giải điều chế từ một MS đặc thù Cùng với burst đồng bộcụm chứa 41 bit

hướng dẫn để kéo dài thoải mái quá trình giải điều chế, cụm chứa 36 bit thông tin,

8 bit đuôi đầu, 3 bit đuôi cuối và khoảng bảo vệ 68,25 bit để bù trể cho sự lan

truyền giữa MS và BTS và cũng để phù hợp với cấu trúc một cụm cho một khe

thời gian