Kỹ thuật phân tập và kết hợp, hệ thống GSM, hệ thống GPRS

Hệ thống GSM • Một số kỹ thuật sử dụng trong hệ thống di động số: - Kỹ thuật mã hoá tiếng speech coding – mã hoá nguồn + Tối ưu mã it bit ma lượng tin vẫn đảm bảo - Mã hoá kênh – mã sửa

- Phân tập thời gian

- Phân tập đa đường

Kết hợp:

- Selective combining

- Switched combining

- Maximal ratio combining

- Equal gain combining

- Base band combining

• Phân tập không gian (dùng 2 anten thu đặt cách xa nhau)

9

0.18 16

• Selective combining

MeasureSNR

Receiver

Receiver

Compare

MeasureLevel

Threshold

• Switched combining

DetectPhase

Receiver

Φ

Measure r/N

Measure

r/N

DetectPhase

ReceiverΦ

5 Hệ thống GSM

• Một số kỹ thuật sử dụng trong hệ thống di động số:

- Kỹ thuật mã hoá tiếng (speech coding – mã hoá nguồn)

+ Tối ưu mã (it bit ma lượng tin vẫn đảm bảo)

- Mã hoá kênh – mã sửa sai (error correction, channel coding)

- Kỹ thuật ghép xen (interleaving)  sữa lỗi cụm

- Kỹ thuật điều chế số (digital modulation) (SV tu đọc về PSK, GMSK)

+ Phổ hẹp+ Có tỷ lệ bit lỗi (BER – Bit Error Rate) nhỏ+ Sự thay đổi biên độ tín hiệu bé

• Năm 1982 CEPT (Conference of Europe Posts and Telegraphs) hình thành nhóm nhiên cứu GSM (Group Spécial Mobile) để phát triển

mạng di động tế bào mặt đất và đạt được các tiểu chuẩn:

- Hiệu quả sử dụng phổ cao

- Chất lượng mã hoá tiếng cao

- Đầu cuối và giá dịch vụ giảm

- Đầu cuối đa dạng

- Hổ trợ roaming quốc tế

- Hổ trợ nhiều dịch vụ mới

- Tương thích với ISDN và các hệ thống khác

Hệ thống GSM – Global System for Mobile communication

• Cấu trúc của hệ thống GSM

Center

• SS - Switching Subsystem

• BSS - Base Station Subsystem

• OSS - Operation and Support Subsystem

# IMSI (International Mobile Subscriber Identity)

# TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity)

# LAI (Location Area Identity)

# Khoá Ki

- BTS (Base Transceiver Station) tạo vùng phủ sóng – cell

- BSC ( Base Station Controller) điều khiển nhiều BTS (tài

nguyên vô tuyến, nhảy tần, chuyển giao,…có TRAU)

9

• SS - Hệ thống con chuyển mạch: xử lý cuộc gọi và quản lý thuê bao di động

- MSC là trung tâm chuyển mạch và tham gia quản lý cước

- GMSC là gateway giao tiếp với mạng bên ngoài

- HLR là nơi lưu trữ data của thuê bao (IMSI, Ki, VLR hiện tại, các dịch vụ, MSRN – Mobile Subscriber Roaming Number )

- VLR là nơi lưu trữ data của thuê bao (trạng thái thuê bao, số LAI hiện tại, TMSI – Temporary Mobile Subscriber Identity,

MSRN - , thông tin nhận thực)

- EIR là nơi lưu trữ data nhận dạng thiết bị MS

- AuC kết hợp với HLR cung cấp thông tin cho VLR biết thuê bao có được quyền truy cập hay không,…

• OSS - điều hành, bảo dưỡng mạng di động và quản lý

- OMC điều hành và bảo dưỡng

+ Quản lý cấu hình mạng+ Quản lý quá trình làm việc của mạng+ Quản lý bảo mật

- NMC quản lý và giám sát các OMC

+ Giám sát các sự cố, cảnh báo+ Xử lý một số sự cố

- Tx (Transmission layer) truyền data và báo hiệu qua kênh vô tuyến

- RR (Radio Resource management) thiết lập, hủy kết nối MS và MSC

- MM (Mobility Management) quản lý vi trí, đăng nhập và bảo mật

- CM (Communication Management) thiết lập, duy trì và hủy kết nối

• Dải tần trong hệ thống GSM

Hệ thống GSM sử dụng hai dải tần 900 MHz và 1800MHz được gọi là

(RFC – Radio Frequency Channel), mỗi kênh tần số gồm một tần số hướng lên và một tần số hướng xuống với độ rông kênh là 200kHz

- GSM900 làm việc trong dải tần 890 – 960MHz và được phân bố như sau

• Kênh vật lý (Physical Channel)

Mỗi kênh tần số được cấp phát cho các MS sử dụng chung theo phương pháp phân chia theo thời gian tạo thành các khung TDMA với 8 khe thời gian Mỗi khung TDMA có chiều dài 4615µs  mỗi khe thời gian có chiều dài 577µs Mỗi khe thời gian này được gọi là kênh vật lý

Khung TDMA (4615µs)

Khe thời gian 577µs (một kênh vật lý)

TS0 TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 TS7

Một kênh tần số có 8 kênh vật lý

các kênh logic khác nhau

- Kênh lưu lượng

+ Kênh lưu lượng toàn tốc TCH/F (Traffic Channel/Full rate) 22.8kbps

(TCH/FS, TCH/F9.6, TCH/F4.8, TCH/F2.4)

+ Kênh lưu lượng bán tốc TCH/H (Traffic Channel/Half rate) 11.4kbps

(TCH/HS, TCH/H4.8, TCH/H2.4)

- Kênh điều khiển

+ Kênh quảng bá BCH (Broadcast Channel) dùng cho hướng xuống, mang thông tin quảng bá của cell đến các MS.

+ Kênh điều khiển chung CCCH (Common Control Channel) dùng cho

hướng xuống, và hướng lên để truyền thông tin cho các MS.

+ Kênh điều khiển riêng DCCH (Dedicated Control Channel) dùng cho

hướng xuống và hướng lên để báo hiệu điều khiển cho riêng một MS (giám sát truyền dữ liệu giữa MS và BTS)

+ Nhóm kênh BCH (FCCH, SCH, BCCH):

- Kênh hiệu chỉnh tần số FCCH (Frequency Correction Channel), hướng

- Kênh đồng bộ SCH (Synchronization Channel), hướng xuống , mang thông tin tram BTS và đồng bộ khung cho MS.

- Kênh điều khiển quảng bá BCCH (Broadcast Control Channel), hướng

+ Nhóm kênh CCCH (PCH, RACH, AGCH):

- Kênh tìm gọi PCH (Paging Channel), hướng xuống , tìm MS khi thuê bao bị gọi.

- Kênh truy xuất ngẫu nhiên RACH (Random Access Channel), hướng lên , dùng khi MS muốn yêu cầu một kênh SDCCH.

- Kênh cho phép truy xuất AGCH (Access Grant Channel), hướng

+ Nhóm kênh DCCH (SDCCH, SACCH):

- Kênh điều khiển riêng chuẩn SDCCH (Standalone Dedicated

riêng cho một MS cho các thủ tục cập nhật, thiết lập cuộc gọi

trước khi ấn định kênh TCH

- Kênh điều khiển kết hợp chậm SACCH (Slow Associated

một kênh TCH hay SDCCH để mang thông tin đo lường, điều

khiển công suất,…

- Kênh điều khiển kết hợp nhanh FACCH (Fast Associated

cấp bách như yêu cầu chuyển giao, được dùng kết hợp với TCH bằng cách lấy bớt một số bit

3 Start bits

3 Start bits

3 Start bits

3 Start bits

3 Stop bits

3 Stop bits

3 Stop bits

3 Stop bits

8.25 Guard Period

8.25 Guard Period

8.25 Guard Period

8.25 Guard Period

3 Stop bits

26Training bits

64Training bits

26Training bits

58 mixed bits

58 mixed bits

68.25 bits extended Guard Period

36 encrypted bits

41 synchronization

bits

39 encrypted bits 39 encrypted bits

142 fixed bits of zeroes

1 time slot = 156.25 bit durations

8.25 Guard Period

26Training bits

58 encrypted bits 58 encrypted bits

• Kênh tiếng trong GSM (speech channel)

- Kênh tiếng TCH/FS trong GSM được mã hoá bằng bộ mã hoá tiếng

Vocoder với thuật giải RPE-LTP “Regular Pulse Excitation with Long

Term Prediction linear predictive coder” Tốc độ mã hóa của bộ

CODEC là 260 bits/20ms = 13kbps Các bits trong 260 bits được chia thành 3 nhóm: nhóm Ia gồm 50bits quan trọng nhất, nhóm Ib gồm

132bits it quan trong hơn, nhóm II gồm 78bits Nhóm Ia được mã hoá khối (50,53) cùng với nhóm Ib và công 4 bits đuôi (tail bits) sau đó mã hoá chập với tốc độ mã ½ tạo thành 378 bits Cùng với 78 bits nhóm II

có được 456 bits Các bit này sẽ chia thành các khối con 57 bits và thực hiện ghép xen thành 4 khối 114 bits Các bits này được mật mã và sau đó

tổ chức cụm và truyền trên kênh vô tuyến

- Tại đầu thu quá trình thực hiện ngược với lại quá trình tại hướng phát

- Quá trình xử lý kênh tiếng trong hệ thống GSM có thể được thể hiện trong hình sau

RPE-LTP

Encoding

50/53 encode

4 tail bits and ½ conv

encode

RPE-LTP

Decoding

50/53 decode

4 tail bits and ½ conv

decode

leaving Encryption

Inter-Burst assembly

Burst disassembly

MOD

DEMOD

Decryption

Deinterl eaving

VAD

Comf Noise

Output

Speech

Input

Speech

- Kênh tiếng TCH/HS trong GSM được mã hoá bằng bộ mã hoá

tiếng Vocoder với thuật giải VSELP “Vector Sum Excited Linear

Prediction” Tốc độ mã hóa của bộ CODEC là 112 bits/20ms = 5.6

kbps Các bits trong 112 bits được chia thành 2 nhóm: nhóm I gồm

95 bits quan trọng nhất, nhóm II gồm 17 bits ít quan trong hơn

Nhóm I 95 bits cùng với 3 bit mã CRC và 6bits đuôi (tail bits) tạo thành 104 bits, các bits này được mã hoá chập với tốc độ mã 1/3 tạo thành 312 bits và được cắt xén bớt 101 bits (punctured) còn lại 211 bits Cùng với 17 bits nhóm II không được bảo vệ (không được mã hoá) tạo thành 228 bits/20ms = 11.4kbps = TCH/HS Các bit này sẽ được ghép xen, mật mã và sau đó tổ chức cụm và truyền trên kênh

vô tuyến

- Tại đầu thu quá trình thực hiện ngược với lại quá trình tại hướng phát

VSELP Encoding

95+3CRC +6 tail bits mux 1/3 conv

Encode and punctured

VSELP Decoding

95 +3CRC

6 tail bits demux 1/3 conv with

punctured Decode

leaving Encryption

Inter-Burst assembly

Burst disassembly

MOD

DEMOD

Decryption

Deinterl eaving

VAD

Comf Noise

Output

Speech

Input

Speech

APC CVSDM

DPCM – Differential PCM CVSDM – Continuously Variable Slope Delta Modulation

APC– adaptive Predictive Coding SBC – Sub-Band Coding

ATP – Adaptive Transform Coding

LPC – Linear Predictive Coder

• Kỹ thuật mã hoá tiếng Vocoders: Phân tích tín hiệu tiếng tại máy phát và truyền các thông số của bộ phân tích đi, đầu thu tổn hợp lại các thộng số này

+ Residual Excited LPC

voiced Decision

Voice/un-Pitch Analysis

- Truyền các đặc tính được chọn của tín hiệu lỗi:

Độ lợi bộ lọc, thông số voiced và unvoiced, pitch

- Tại đầu thu nhận thông tin của tín hiệu sai để tạo

tín hiệu kích thích cho bộ lọc tổng hợp

- Mã khối (Block codes)

+ Tuyến tính, đối xứng, đơn giản, sửa ít bit lỗi

- Mã tích chập (Convolutional codes)

+ Phức tạp hơn, hiệu quả sửa lỗi tốt hơn và có thể giải

mã mềm

• Mã khối: mã có các từ mã có cùng chiều dài, k bits thông tin được

mã hoá thành n bits từ mã (code work), n-k bits được thêm vào để phát hiện sai và sữa sai, tỷ lệ mã k/n

- Trọng số Hamming

- Khoảng cách Hamming

- Từ sai (error code-work)

- Mã phát hiện sai

- Khoảng cách bộ mã d  phát hiện các từ sai có trọng số

Hamming ≤ (d-1) và có ít nhất một từ sai có trọng số Hamming là d

bộ mã không phát hiện được Bô mã này sữa được các từ sai có

- Nguyên lý sửa sai

từ mã {v} sao cho v = u × G với u là bản tin bất kỳ.

- Gk×n là ma trân sinh của bộ mã C thì ma trận tương đương dòng

của ma trận G cũng là ma trận sinh của bộ mã C

- Ma trận thử của bộ mã C(n,k) được tạo từ ma trận sinh G được

định nghĩa là là ma trận Hn×(n-k) có n dòng và n-k cột sao cho:

0

- Nếu ma trận G có dạng G = [I X], Ik là ma trận đơn vị, Xk×(n-k) là ma trận bất kỳ có k dòng và n-k cột thì ma trận H sẽ là

( )

k n k

n k

X H

- Giải mã bằng ma trận thử: (v phát và thu được w) nếu thu được từ

mã w không thuốc bộ mã C  bị sai Tính S = wH được gọi là

syndrome của từ mả w Ứng với mỗi syndrome có một từ sai tương

ứng (ký hiệu e) và lấy từ sai này cộng với từ mã thu được bị sai sẽ

- Mã vòng (cyclic code) Nếu dịch trái hay phải một từ mã bất kỳ

thuộc bộ mã thì cho ra một từ mã thuộc bộ mã Mã vòng có thể biểu diễn bằng ma trận sinh và thử, tuy nhiện để đơn giản thì biểu diễn

bằng đa thức tạo mã (đọc thêm)

• Mã tích chập (convolutional code) còn gọi là mã xoắn Không

giống với mã khối là nhóm các bit thành một khối rồi mã mà chuổi

bit thông tin liên tục được biến đổi thành chuổi bit liên tục ở ngõ ra của bộ mã hoá Quá trình biến đổi này có một cấu trúc nhất định

(dùng các thanh ghi dịch) để bên thu có thể giải mã lại chuổi bit ban đầu

1 1 0 (1) (0) (0)

2 2 1 (1) (0) (0) (0)

3 3 2 0 (1) (0) (0) (0)

4 4 3 1

0 0

0 0

Tương tự cho nhánh thứ nhất

Mỗi đa thức thể hiện cho mối quan hệ giữa 1 input và 1 output

Ngoài ra người ta còn ký hiệu đa thức tạo mã như sau

(1011) 1 (1101) 1

- Ví dụ bộ mã hoá ½ ta có nhánh dài nhất có 3 phần tử nhớ  có 8 trạng thái của 3 phần tử nhớ này, giả thiết ta đặt là S0 = 000, S1=100,

S2=010, S3=110, …, S7=111 theo nhị phân Trên mỗi nhánh nối 2 trạng thái thể hiện X/YY với X là bit vào và YY là bit ngõ ra

• Kỹ thuật ghép xen (interleaving)

- Kỹ thuật ghép xen để nhận được sự phân tập không gian mà không thêm bất kỳ thông tin overhead nào Kỹ thuật này dùng để giải quyết vấn đề lỗi cụm (bursty errors), các bit được phân tán nên không bị lỗi đồng thời khi xảy ra fading sâu hay cụm nhiễu (bursty noise)

1 2

Ví dụ ghép xen

1.a 1.b 1.c 1.d 2.a 2.b 2.c 2.d 3.a 3.b 3.c 3.d 4.a 4.b 4.c 4.d

1.a 2.a 3.a 4.a 1.b 2.b 3.b 4.b 1.c 2.c 3.c 4.c 1.d 2.d 3.d 4.d

1.a 2.a 3.a 4.a 1.b 2.b 3.b 4.b 1.c 2.c 3.c 4.c 1.d 2.d 3.d 4.d

1.a 1.b 1.c 1.d 2.a 2.b 2.c 2.d 3.a 3.b 3.c 3.d 4.a 4.b 4.c 4.d

• Kỹ thuật cân bằng (equalizer and adaptive equalizer)

- Kỹ thuật cân bằng là kỹ thuật tạo ra tính hiệu ngược của kênh truyền

để bù lại ảnh hường của kênh truyền nhằm giảm ảnh hưởng của hiện thượng ISI Kênh trong thông tin di động là kênh biến đổi theo giời gian  phải bám theo các thay đổi của kênh để hiệu chỉnh bộ cân bằng

và được gọi là kỹ thuật cân bằng thích nghi (adaptive equalization)

- Kỹ thuật cân bằng thích nghi dùng chuổi dẫn đường (traing sequence), chuổi này được truyền đến nơi thu để tính tóan hiệu chỉnh các hệ số của mạch lọc tại máy thu  có thể thực hiện ở Base-band hay IF Thông thường các các bộ equalizer dựa vào chuổi dẫn đường

để tính tóan các hệ số của bộ lọc, ngòai ra còn có các bộ equalizer tính tóan dựa trên các thuật giải mà không biết trước kênh truyền (các thuật giải mù – Blind Algorithm) như CMA (Constant Modulus Algorothm) hay SCORE (Spectral COherence REstoral algorithm)

- Hình sau là cấu trúc cơ bản của bộ cân bằng thích ứng

-Error ek

Adaptive algorithm that update each weight wnk

A known property of transmitted signal

Sq Root RLS

LMS RLS Fast RLS

Sq Root RLS Gradient RLS

DFE: Decision Feedback Equalization MLSE: Maximum Likelihood Sequence Estimation LMS: Least Mean Squares

RLS: Recursive Least Squares

• Bảo mật trong GSM

- Bảo mật phía người dùng

+ Dùng mã PIN (Personal Identity Number), 4- 8 số, sai 3 lần sẽ khóa SIM

+ PUK (PIN Unclocking Key), 8 chữ số, 10 lần sẽ khóa SIM

+ IMEI hiện tại không được triển khai

- Bảo mật ở mạng truy cập

+ Số IMSI  các bản tin báo hiệu chứa IMSI được mật mã, ít được truyền trên đường vô tuyến

+ Số TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) mang tính

cục bộ, kết hợp với LAI, đến vùng mới sẽ có TMSI mới và được mật mã khi truyền

o MS truyền kết quả SRES đến mạng.

o Mạng sẽ kiểm tra tính chính xác của SRES.

+ Quản lý khóa nhận thực Ki, truyền

và không truyền về MSC/VLR

(MSC/VLR yêu cầu khi cần)

+ Tính tóan thông tin bảo mật tại AuC (tính sẳn lưu tại HLR, mỗi cặp dùng 1 lần rồi xóa sau khi sử dụng)

+ Quá trình nhận thực: MSC/VLR

sẽ chọn một RAND ngẫu nhiên

giửi đến MS và kiểm tra

+ Quá trình truyền khóa nhận thực HLR gửi Ki và thuật tóan

- Thiết lập khóa Kc

• Mật mã

- Vi trí mật mã

- Phương pháp mật mã

- Tổng quát về nhận thực và mật mã

• Các thủ tục trong GSM

- Các thủ tục khi MS ở chế độ rỗi

- Các thủ tục khi MS ở chế độ kích họat

- Cập nhật vị trí

- Đăng ký lần đầu

- Rời bỏ IMSI

- Nhập lại IMSI

- Đăng ký định kỳ

- Thiết lập cuộc gọi từ MS

- Thiết lập cuộc gọi đến MS

- Chuyển giao giữa 2 cell cùng BSC

- Chuyển giao giữa 2 cell khác BSC

- Chuyển giao giữa 2 cell khác MSC

6 Hệ thống GPRS

• Đặc điểm của hệ thống GPRS

• Cấu trúc hệ thống GPRS

• Dịch vụ gói và dải thông sử dụng

• MS=TE+MT (class A, class B, Class C)

• Tính di động trong GPRS

• Cấu trúc bên trong của GPRS

• Nút hổ trợ dịch vụ GPRS (SGSN)

• Chức năng nút hổ trợ dịch vụ GPRS (SGSN)

- Phục vụ tất cả các trạm di động GPRS trong 1 khu vực nào đó

- Quản lý tính di động (đăng nhập, rời mạng, cập nhật khu vực định tuyến và paging)

- Lưu trữ và duy trì thông tin thuê bao trong thanh ghi vị trí SGSN (SLR) của tất cả các thuê bao đã đăng ký trong khu vực định tuyến thuộc về SGSN đó

- Quản lý phiên (kích hoạt hoặc làm không hoạt động PDP – Packet Data Protocol context để thiết lập 1 kết nối tới GGSN)

- Điều khiển gói (truyền dữ liệu người dùng từ PCU sang GGSN và ngược lại)

- Điều khiển cập nhật khu vực định tuyến inter-SGSN (SGSN mới - nơi thuê bao đã đăng ký - liên lạc với SGSN cũ để nhận các entry SLR – Subscriber Location Register)