Giáo trình tổng hợp các hệ thống thông tin giúp tránh tình trạng nghẽn mạng trong thông tin di động số phần 2 pot

Luận văn tốt nghiệp

11

mạch theo mạch
PLMN: mạng di động công cộng mặt đất

PSTN: Mạng điện thoại chuyển mạch công
cộng

Hình 1.5: Mô hình của hệ thống GSM

II. CÁC KỸ THUẬT CƠ SỞ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ
1. Giao diện vô tuyến và truyền dẫn
1.1. Giao diện vô tuyến
Trong GSM, giao diện radio sử dụng tổng hợp cả hai phương thức phân kênh
theo tần số và thời gian: FDMA (Frequency Division Multiple Access) cà TDMA
(Time Division Multiple Access). Trong FDMA, GSM sử dụng các băng tần tại 900
Mhz (gọi là GSM 900) và 1800 Mhz (gọi là GSM 1800). Để đơn giản hóa chỉ đề cập
đến GSM 900. Mỗi kênh được đặc trưng bở một tần số (sóng mang) gọi là kênh tần
số RFCH (Radio chanel) cho mỗi hướng thu phát, các tần số này cách nhau 200
MHz. Trong GSM 900, MS sử dụng 124 RFCH trong dãy tần 25Mhz (từ 890 đến 915
MHz) và BTS sử dụng 124 RFCH trong dãy tần từ 935 đến 960 Mhz để phát (tất
nhiên MS phát thì BTS thu và ngược lại). Tại mỗi tần số TDMA lại chia thành 8 khe
thời gian (time slot) tức là số kênh được tăng lên 8 lần. Trong tương lai, số khe sẽ
được tăng lên là 16. Một cặp RFCH (thu và phát) tại một khe thời gian được gọi là
một kênh vật lý. Một kênh được sử dụng để truyền một nhóm nhất đònh tham số
thông tin được gọi là kênh logic (logical chanel). Mỗi kênh vật lý được gán cho một
hoặc một số kênh logic. Các kênh được chia thành 2 loại:
- Kênh dùng để tải thông tin của thuê bao, như thoại, số liệu… được gọi là kênh
traffic TCH (traffic chanel). Có 2 loại tốc độ truyền trên TCH là tốc độ đầy đủ (full

rate) THC/F là loại tốc độ đang được sử dụng hiện nay và tốc độ bằng một nữa (half
rate) TCH/H sẽ được sử dụng trong tương lai.
- Kênh điều khiển CCH (control chanel) được sử dụng để truyền thông tin báo
hiệu các thông tin quản lý giao diện Um.
1.2. Nguyên lý lập mô hình
.
Luận văn tốt nghiệp

12

Mạng GSM đảm bảo truyền dẫn đa dòch vụ. Nhiều thông tin khác nhau được
truyền dẫn trong mạng này như: thông tin thoại, các dạng thông tin số liệu khác (văn
bản, hình ảnh fax, các file máy tính, bản tin và các bản tin báo hiệu bên trong mạng.
Để lập mô hình truyền dẫn ta có thể sử dụng cấu trúc phân lớp như hình 1.6.








Hình 1.6: Cấu trúc phân lớp

Trục đứng của hình vẽ thể hiện các lớp khác nhau của mô hình. Lớp thấp nhất
tương ứng với thông tin thô, còn lớp cao nhất tương ứng với thông tin đã được tinh
chế cho người sử dụng. Trục ngang tương ứng với đường truyền dẫn. Các thiết bò
khác có thể được sử dụng trên đường truyền dẫn này. Các thiết bò này không nhất
thiết phải biết đầy đủ thông tin mà nó truyền. Chẳng hạn các nút trung gian không
cần thiết đầy đủ ngữ nghóa thông tin của lớp cao nhất. Nhờ vậy có thể đơn giản hóa

các tiêu chuẩn ở các giao diện bằng cách chỉ xét ở các thuộc tính liên quan đến việc
tryền tải thông tin.
1.3. Truyền dẫn thông tin từ đầu cuối này đến đầu cuối kia của mạng GSM
Xét quá trình truyền dẫn các thông tin thoại cũng như phi thoại giữa người sử
dụng GSM với người sử dụng GSM khác hay với người sử dụng mạng điện thoại cố
đònh công cộng PSTN, mang số liên kết đa dòch vụ ISDN, mang số liệu công cộng
chuyển mạch gói PSPDN và mạng số liệu công cộng chuyển mạch theo mạch
CSPDN.
1.3.1. Truyền dẫn tiếng (thoại)
Nút cuối

Nút trung gian

Nút cuối

Mức thấp

Mức cao

Đường truyền

.
Luận văn tốt nghiệp

13

Truyền dẫn tiếng giữa một thuê bao GSM và một thuê bao PSTN. Có thể được
trình bày theo cấu trúc nhiều mặt phẳng truyền dẫn với mỗi mặt phẳng thể hiện một
dạng tín hiệu như hình 1.7.

Hình 1.7: Trình bày tiếng

Từ hình ta thấy tín hiệu phát ra từ miệng của thuê bao di động ở dạng âm
thanh được biến đổi vào tín hiệu số 13 kbit/s sau các quá trình biến đổi số khác nhau
nó điều chế sóng mang được phát vào không trung được thu lại ở anten BTS, được
xử lý để khôi phục lại tín hiệu số ban đầu, được bộ đổi mã tiếng biến đổi vào tín
hiệu 64 kbit/s cho phù hợp với tổng đài số được chuyển mạch đến thuê bao PSTN
được biến đổi vào tín hiệu tương tự và cuối cùng được biến đổi ngược trở lại thành
âm thanh đến tai nghe thuê bao PSTN.
1.3.2. Các dòch vụ phi thoại
Các dòch vụ phi thoại này hay còn gọi là các dòch vụ truyền số liệu bao gồm
việc trao đổi các thông tin khác nhau sau đây: văn bản, các bản vẽ, các file máy
tính, các hình ảnh động, các bản tin. Một số bộ phận quan trọng của các thông tin
Mặt phẳng âm thanh

Mặt phẳng tương tự

Mặt phẳng số 13 kbit/s

Mặt phẳng số 64 kbit/s

BTS

Bộ
chuyển
.
Luận văn tốt nghiệp

14

này được xử lý ở các thiết bò đầu cuối (các thiết bò này có thể rất phức tạp, chẳng
hạn server videotex hay hệ thống xử lý bản tin). Các chức năng xử lý của các thiết
bò đầu cuối như sau:
- Mã hóa nguồn: biến đổi văn bản, hình ảnh, âm thanh thành các chữ số cơ hai
và ngược lại.
- Giao thức giữa 2 đầu cuối cho thông tin: tổ chức trang phiên và ngôn ngữ.
- Thể hiện thông tin cho người sử dụng bằng hiển thò tạo âm, in ấn… Các thiết
bò đầu cuối có thể là máy fax, máy tính cá nhân, đầu cuối máy tính, videotex v.v
Ta xét khả năng mang giữa các thiết bò đầu cuối. Biên giới giữa GSM trong
trường hợp này có thể là: PSTN (mạng điện thoại chuyển mạch công cộng), ISDN
(mạng số liên kết đa dòch vụ), PSPDN (mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói),
CSPDN (mạng sử dụng truyền dẫn bằng mạch) và thiết bò đầu cuối. Để kết nối GSM
với thế giới bên ngoài ta sử dụng 2 chức năng:
- Chức năng tương tác mạng IWF để kết nối GSM với mạng khác.
- Chức năng thích ứng đầu cuối TAF để thích ứng thiết bò đầu cuối với phần
truyền dẫn vô tuyến chung.
Các thiết bò giữa TAF và IWF không liên quan đến dòch vụ giữa các đầu cuối
và được gọi là khả năng mang. Trừ fax, các chức năng thích ứng phục thuộc vào các
khả năng mang và mạng số bên ngoài.
1.4. Truyền dẫn bên trong GSM
Phần bên trong của mạng truyền dẫn GSM nằm giữa một điểm nào đó bên
trong trạm di động (bên trong TAF đối với truyền số liệu hay ở nơi mà tiếng là một
tín hiệu âm thanh đối với truyền tiếng) và điểm tương tác giữa GSM với các mạng
bên ngoài. Vậy ta có thể coi truyền dẫn bên trong GSM được giới hạn bởi TAF và
IWF.
* Cấu trúc
Trước hết ta khảo sát các chức năng được đặt ở biên giới của GSM (IWF ở 1
phía, còn phía kia là TAF) sau đó sẽ khảo sát các phần bên trong GSM.
IWF là tập hợp các chức năng thực hiện các thích ứng cần thiết giữa GSM và

các mạng bên ngoài. Chức năng IWF rất hạn chế với đấu nối tiếng ở PSTN hoặc các
.
Luận văn tốt nghiệp

15

số liệu cơ bản với ISDN. Tuy nhiên các trường hợp khác chẳng hạn fax chức năng
này rất phát triển. IWF là một chức năng nằm ở một nơi nào đó giữa MSC và mạng
bên ngoài. IWF có thể là một bộ phận nằm trong MSC hoặc nằm riêng.
Bây giờ ta hãy xét trạm di động. Tồn tại nhiều cấu hình khác nhau của trạm
di động (hình 1.8).

Hình 1.8: Các cấu hình của trạm di động

MTO là cấu hình đơn giản nhất, ở đây tất cả các chức năng chung, thiết bò đầu
cuối, các chức năng thích ứng được kết hợp chung vào một thiết bò. Hiện nay cấu
hình này chủ yếu cho tiếng. Các trạm di động tổ hợp như thế này cho các dòch vụ số
liệu khác (chẳng hạn cho fax) sẽ xuất hiện trong tương lai. Ở MT2, TAF và các giao
diện với thiết bò đầu cuối / modem kinh điển được kết hợp với các chức năng chung
ME trong một thiết bò. Ở MT1 sử dụng giao diện ISDN “S” để đấu nối trực tiếp đầu
cuối ISDN. Để có thể đấu nối đầu cuối sử dụng giao diện đầu cuối modem kinh điển
cần sử dụng thêm bộ thích ứng đầu cuối.
Thiết bò
đầu cuối
Thiết bò
đầu cuối
Trạm di động (kiểu 0)

Đầu cuối di
động (kiểu 2)

Đầu cuối di
động (kiểu 1)
G
iao diện đầu cuối với modem

Thích ứng đầu cuối

Giao diện ISDN “S”

1

LPF

A/D

Bộ mã hóùa

BTS

RA 1
RA 2
RA0

Lấy mẫu

Tốc độ dò bộ ban đầu

Chẳng hạn: 300 hay 9600 bit/s
Đồng bộ

ĐB

Tốc độ trung gian
(8hay 16 kbit/s)
.
Luận văn tốt nghiệp

16

a) Truyền dẫn tiếng
Có thể chia đường truyền dẫn tiếng bên trong GSM thành các đoạn sau:
- Trạm di động
- Từ trạm di động đến trạm gốc
- Từ trạm gốc BTS đến bộ chuyển đổi mã riêng (TRAU)
- Từ TRAU đến MSC (hay IWF)
 Trạm di động
Mã hóa tiếng ở trạm di động có thể thực hiện ở tốc độ 13 kbit/s. Sơ đồ mã hóa
tiếng GSM ở tốc độ 13kbit/s. Mã hóa này cho phép nhận được chất lượng như mạng
cố đònh nhưng đòi hỏi độ rộng phổ tần vô tuyến hẹp hơn.
Tín hiệu tiếng ở MS được đưa qua bộ lọc thông thấp, qua bộ biến đổi A/D để
được mã hóa PCM (điều xung mã) đồng đều với tần số lấy mẫu 8Khz và 13 bit mã
hóa cho 1 mẫu sau đó tín hiệu này được đưa lên bộ biến đổi tương tự số (A/D). Ở
đầu ra của bộ A/D ta được các khối 20 ms mã hóa 200 bit làm cho tốc độ luồng ra 13
kbit/s (hình 1.9).




Hình 1.9: Quá trình mã hóa tiếng ở GSM (ở MS)

 Truyền tiếng ở đoạn từ trạm di động MS đến trạm gốc BTS.
Tín hiệu sau khi mã hóa được đưa đến bộ mã hóa kênh để tạo ra các khối 456
bit/20ms với tốc dộ khoảng 22,8 kbit/s sau đó được ghép xen, mật mã hóa và tạo
thành các cụm để có thể đặt vào khe thời gian dành cho kênh và sau cùng được điều
chế rồi phát vào không trung ở dải sóng 900MHz. Ở đầu thu thực hiện quá trình
ngược lại để nhận tín hiệu tiếng mã hóa như ở đầu phát trước khi đưa vào bộ giải
điều chế.
 Truyền tiếng trên đoạn từ BTS – TRAU.
Ở đoạn này nếu TRAU đặt xa sẽ có thêm báo hiệu bổ sung vào tiếng để
truyền các thông tin điều khiển TRAU từ bộ điều khiển chuyển đổi mã từ xa RTH
1

LPF

A/D

Bộ mã hóùa

BTS

.
Luận văn tốt nghiệp

17

(Remote trancoder handler) đặt ở BTS đến TRAU ở BSC. Sẽ có 60 bit bổ sung vào
260 bit tiếng trong 20 ms nâng tổng số bit trong 20 ms lên 320 bit và tốc độ của
luồng số cho mỗi kênh sẽ đạt 16 kbit/s. Trong số 60 bit bổ sung sẽ có 4 bit để trống
để phân giữa các khung 20ms. Như vậy trong một khung 20ms chỉ có 316 bit mang
thông tin.

 Truyền dẫn trên đoạn TRAU đặt xa (ở BSC) đến MSC/IWF
Ở đoạn này sử dụng các đường truyền dẫn 64 kbit/s luật A theo tiêu chuẩn
G.711.
b) Truyền dẫn số liệu
Đối với truyền dẫn số liệu bên trong GSM có thể coi mạng này như là một
DTE phân bố, còn mạng bên ngoài như là DCE. Các giao diện DTE/DCE được thực
hiện ở các TAF, TRAU và IWF. Để xây dựng các giao diện này GSM cải tiến
khuyến nghò V110 dành cho giao diện DTE/DCE trong trường hợp DCE là mạng
ISDN. Vì vậy để hiểu được truyền dẫn số liệu trong mạng GSM trước hết ta xét tiêu
chuẩn V110.
Tiêu chuẩn V110
Tiêu chuẩn này giải quyết các vấn đề sau:
- Truyền tải các thông tin bổ sung.
- Truyền tải các số liệu dò bộ ở các đường truyền đồng bộ.
- Truyền tải các số liệu đồng bộ ở các đường truyền đồng bộ sử dụng đồng hồ
độc lập với nhau.
Sơ đồ khối thực hiện thích ứng tốc độ RA của luồng số liệu cần truyền với
ISDN, cho ở hình 1.10.







RA 1

RA 2

RA0

Lấy mẫu

Tốc độ dò bộ ban đầu

Chẳng hạn: 300 hay 9600
bit/s

Đồng bộ


Đệm

Đệ
m


ĐB

Tốc độ trung gian
(8hay 16 kbit/s)
.
Luận văn tốt nghiệp

18



Hình 1.10: Thích ứng tốc độ ISDN

- Chuyển đổi số liệu dò bộ vào đồng bộ.
Chức năng này được thực hiện ở RAO. Luồng số liệu dò bộ là một chuỗi các
ký tự thường được khở đầu bằng 1 bit “start” và kết thúc bằng 1 bit “stop”. Ở luồng
này không cần thiết các bit biên phải trùng với sườn trước của xung đồng hồ. RAO
có thể loại bỏ bit “stop” để đảm bảo đồng hồ (hình 1.11).








Hình 1.11: Chức năng RAO

- Điều khiển đồng hồ từ xa
Tốc độ truyền dẫn trong mạng số chẳng hạn ISDN được điều khiển bởi đồng
hồ của mạng. Trường hợp một đầu cuối được đấu qua mạng PSTN thì tốc độ giữa hai
đầu cuối có thể khác nhau. Trong trường hợp này khối thích ứng tốc độ phải gửi đi
thông tin để hiệu chỉnh tốc độ cho đầu kia các thông tin này có thể được gửi đi ở các
bit E4, E5, E6, trong luồng số ra của RA1.
- Các tín hiệu bổ sung
Đây là các tín hiệu điều khiển modem. Ở V101 các tín hiệu bổ sung chỉ giới
hạn hai tín hiệu ở hướng đầu cuối (DTE) đến modem (DCE) và 3 tín hiệu theo hướng
ngược lại. Tùy theo tốc độ bit của luồng số liệu cơ sở 8 bit, tín hiệu này được truyền








































Luồng dò bộ

Luồng đồng bộ

Bỏ một tín hiệu dừng

.
Luận văn tốt nghiệp

19

đi trong các khoảng thời gian 5 hay 10 ms. Bảng 1.12 dưới đây đưa ra các tín hiệu
khác nhau nói trên và tốc độ lấy mẫu chúng.
Bảng 1.12: Truyền tải các tín hiệu điều khiển modem ở V110.
Đầu cuối đến modem Modem đến đầu cuối Tốc độ lấy mẫu trung bình
Trạng thái mạch 108
(Data terminal ready)
Trạng thái mạch 107 (Data
set ready)
1,25 ms hay 2,5 ms
Trạng thái mạch 105
(Request to send)
Trạng thái mạch 109 (Data
carrier detect)
2,5 ms hay 5 ms
Trạng thái mạch 108

(Clear to send)
2,5 ms hay 5 ms

Ý nghóa của các tín hiệu điều khiển ở bảng 1.12 như sau:
- Data terminal ready: Thông báo cho modem rằng bộ điều khiển ở đầu cuối
sẵn sàng thông tin.
- Data set ready: Chỉ thò rằng modem sẵn sàng thiết lập đường nối thông tin và
truyền số liệu với bộ điều khiển của đầu cuối.
- Request to send: Thông báo cho modem rằng bộ điều khiển sẵn sàng gửi số
liệu.
- Data carrier detect: Chỉ thò rằng modem đã phát hiện ra sóng mang số liệu.
- Clear to send: Modem sẵn sàng phát.
Các thông tin này ở V110 được ghép vào luồng số cơ sở ở chức năng thích ứng
tốc độ, RA1, các bít thông tin bổ sung ở luồng ra RA1 được cho ở bảng 1.13.
Bảng 1.13: Các bit thông tin bổ sung ở V110
Tên bit Thông tin được truyền Chú thích
S1, S3, S6, S8
(hay SA)
Trạng thái mạch 108 (Data terminal ready)
hay 107 (Datta set ready) phụ thuộc vào
phương truyền.

S4, S9 Trạng thái mạch 105 (Requset to send hay
109 (Data carrier detect) phụ thuộc hướng
truyền

.
Luận văn tốt nghiệp

20

x Trạng thái 106 (Clear to send) Gửi 2 lần trong một
khung
E1, E2, E3 Tốc độ bit thực Biểu thức tốc độ bit
giữa hai đầu cuối
E4, E5, E6 Đồng hồ mạng độc lập (được sử dụng
trong các trường hợp đồng bộ để điều
khiển đồng hồ từ xa khi các modem không
được đồng bộ ở mạng truyền tải
Các mã này làm
nhanh hay chậm đồng
hồ bằng cách bỏ qua
hay chèn bit

Từ hình 1.10 ta thấy RA0 thực hiện biến đổi luồng số liệu không đồng bộ vào
luồng đồng bộ, ở đầu ra của bộ này ta được các luồng đồng bộ RA1 thực hiện thích
ứng tốc độ lần thứ nhất. Ở đây nó ghép các bit bổ sung với luồng cơ sở để tạo thành
các luồng số có tốc độ 8 kbit/s (cho luồng cơ sở có tốc độ  4800 kbit/s) và 16 kbit/s
(cho luồng cơ sở có tốc độ 9600 bit/s). Đối với các luồng số có tốc độ nhỏ hơn 4800
kbit/s các bit được phát lặp lại để đạt được tốc độ danh đònh 4800 kbit/s. Các khung ở
RA1 có độ lâu 5 ms cho 9600 kbit/s và 10 ms cho 4800 kbit/s. Ở các khung này các
bit thông tin cơ sở, các bit bổ sung và các bit đồng bộ được ghép chung để đạt được
tốc độ 16 và 8 kbit/s. Từ bảng 1.12 ta thấy có 15 bit thông tin bổ sung và 17 bit đồng
bộ được ghép vào mỗi khung RA2 thực hiện biến đổi các tốc độ 16 và 8 kbit/s vào
64 kbit/s cho phù hợp với mạng ISDN. Việc biến đổi này được thực hiện bằng cách
ghép 6 hoặc 7 bit “1” vào mỗi byte.
Các đấu nối cho truyền số liệu bên trong mạng GSM
Ta xét hai cách đấu nối số liệu cho mạng GSM: đấu nối trong suốt T
(Transparent) và đấu nối không trong suốt NT (Non transparent). Ở cách đấu nối thứ
hai thông tin được phát lại mỗi khi đầu kia thu được số liệu sai.

.