Luận văn tốt nghiệp Hệ thống thông tin di động

Luận văn tốt nghiệp
CHƯƠNG 1
CÁC KỸ THUẬT CƠ SỞ VÀ CÁC BỘ PHẬN CHÍNH TRONG
HỆ THỐNG THÔNG TIN DI SỐ

I. CÁC BỘ PHẬN CHÍNH TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ
1. Giới thiệu
- Mạng viễn thông tổ ong là một trong các ứng dụng kỹ thuật viễn thông có
nhu cầu lớn nhất và phát triển nhanh nhất.
- GSM (Global system for mobile communication – hệ thống thông tin di động
toàn cầu) với tiêu chuẩn thông số toàn Châu Âu mới, sẽ giải quyết sự hạn chế dung
lượng hiện nay. Thực chất dung lượng sẽ tăng 2 – 3 lần nhờ việc sử dụng tần số tốt
hơn và kỹ thuật ô nhỏ, do vậy số thuê bao phục vụ sẽ tăng lên.
- Lưu động là hoàn toàn tự động, bạn có thể đem máy di động của mình khi đi
du lòch và sử dụng ở một nước khác. Hệ thống sẽ tự động cập nhật thông tin về vò trí
của bạn cho hệ thống tại nhà bạn. Bạn cũng có thể gọi đi và nhận cuộc gọi đến mà
người gọi không cần biết vò trí của bạn. Ngoài tính lưu động quốc tế, tiêu chuẩn
GSM còn cung cấp một số tính năng như thông tin tốc độ cao, faxcimile và dòch vụ
thông báo ngắn. Các máy điện thoại di động sẽ ngày càng nhỏ hơn và tiêu thụ ít
công suất hơn các thế hệ trước chúng.
- Tiêu chuẩn GSM được thiết kế để có thể kết hợp với ISDN và tương thích với
môi trường di động. Nhờ vậy tươnng tác giữa hai tiêu chuẩn này đảm bảo.
- Năm 1982 GSM bắt đầu phát triển khi các nước Bắc Âu gửi đề nghò đến
CEPT để quy đònh một dòch vụ viễn thông chung Châu Âu ở 900MHz.
- Từ năm 1982 đến năm 1985 người ta bàn luận về việc xây dựng một hệ
thống số hay tương tự. Năm 1985 quyết đònh hệ thống số. Bước tiếp theo là chọn lựa
giải pháp băng hẹp và băng rộng.
- Năm 1986 một cuộc kiểm tra ngoài hiện trường đã được tổ chức tại Paris các
hãng khác nhau đã đua tài với các giải pháp của mình.
- Tháng 05/1987 giải pháp TDMA băng hẹp được lựa chọn, đồng thời các hãng
khai thác đã ký biên bản ghi nhớ MoU(Memorandem of Understanding) thực hiện

các quy đònh đã hứa sẽ có 1 GSM vận hành vào 01/07/91.

1
Luận văn tốt nghiệp
- Ecrisson với bề dày kinh nghiệm trong việc thiết kế và sản xuất hệ thống tổ
ong. Hệ thống CME20 cho GSM được thiết kế trên cơ sở chuyển mạch số AXE10. Ở
nước ta có hai hệ thống điện thoại di động là Vinaphone, VMS.
- Về chất lượng
Chức năng đầu tiên của CME20 là cung cấp một dòch vụ điện thoại di động
tin cậy và chất lượng tốt. Các thế hệ máy di động khác nhau cũng sử dụng nhiều loại
dòch vụ số liệu mới không cần một modem riêng.
Ở GSM việc đăng ký thuê bao được ghi ở modem nhận dạng thuê bao SIM
(Subscribe Identity Module) card thuê bao có một kích thước như một tấm tín phiếu.
Bạn có thể cắm card thuê bao của mình vào loại máy GSM và chỉ mình sử dụng nó.
Hệ thống kiểm tra là đăng ký thuê bao đúng và card không bò lấy cắp. Quá trình này
được tự động thực hiện bằng một thủ tục nhận thực thông qua một trung tâm nhận
thực.
Tính bảo mật cũng được tăng cường nhờ việc sử dụng một mã số để ngăn
chặn hoàn toàn việc nghe trộm ở vô tuyến.
Ở các nước điều kiện tương đối tốt, chất lượng tiếng ở GSM ngang bằng với
hệ thống tương tự. Tuy nhiên, ở các điều kiện tồi do tín hiệu yếu hay do nhiễàu giao
thoa nặng, GSM có chất lượng tốt hơn.
Việc sử dụng công nghệ mới làm các máy điện thoại di động nhỏ và nhẹ hơn,
sử dụng “chế động nghỉ” tự động làm cho tuổi thọ ắc qui dài hơn.
Cấu trúc chung của hệ thống GSM

2
Luận văn tốt nghiệp
NSS: Mạng và hệ thống con chuyển mạch
BSS: Hệ thống con trạm gốc
OSS: Hệ thống con khai thác
MS: Trạm di động
Hình 1.1: Cấu trúc chung của GSM

1.1. Hệ thống con chuyển mạch (SS)
Hệ thống con chuyển mạch bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của
GSM cũng như cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý di động của
thuê bao. Chức năng chính của SS là quản lý thông tin giữa những người sử dụng
mạng GSM với nhau và với mạng khác.
1.1.1. MSC
Ở SS chức năng chuyển mạch chính được MSC thực hiện, nhiệm vụ chính của
MSC là điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những người sử dụng mạng GSM. Một
mặt MSC giao tiếp với hệ thống con BSS, mặt khác giao tiếp với mạng ngoài. MSC
làm nhiệm vụ giao tiếp với mạng ngoài gọi là MSC cổng. Việc giao tiếp với mạng
ngoài để đảm bảo thông tin cho những người sử dụng mạng GSM đòi hỏi cổng thích
ứng (các chức năng tương tác – IWF: interworking function). SS cũng cần giao tiếp
với mạng ngoài để sử dụng các khả năng truyền tải của các mạng này cho việc
truyền tải số liệu của người sử dụng hoặc báo hiệu giữa các phần tử của mạng GSM.
Chẳng hạn SS có thể sử dụng mạng báo hiệu kênh chung số 7 (CCS No), mạng này

đảm bảo hoạt động tương tác giữa các phần tử của SS trong một hay nhiều mạng
GSM. MSC thường là một tổng đài lớn điều khiển trạm gốc (BSC). Một tổng đài
MSC thích hợp cho một vùng đô thò và ngoại ô có dân cư vào khoảng một triệu (với
mật độ thuê bao trung bình).
Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng với các đặc điểm
truyền dẫn của GSM với các mạng này. Các thích ứng này được gọi là các chức
năng tương tác (IWF: interworking function) bao gồm một thiết bò để thích ứng giao
thức và truyền dẫn. Nó cho phép kết nối với các mạng: PSPDN (mạng số liệu công
cộng chuyển mạch gói) hay CSPDN (mạng số liệu công cộng chuyển mạch theo
mạch), nó cùng tồn tại khi các mạng khác chỉ đơn thuần là PSTN hay ISDN. IWF có
thể được thực hiện trong cùng chức năng MSC hay có thể ở thiết bò riêng, ở trường
hợp hai giao tiếp giữa MSC và IWF được để mở.

3
Luận văn tốt nghiệp
1.1.2. HLR
Ngoài MSC, SS bao gồm các cơ sở dữ liệu. Các thông tin liên quan đến việc
cung cấp các dòch vụ viễn thông được lưu giữ ở HLR không phụ thuộc vào vò trí hiện
thời của thuê bao. HLR cũng chứa các thông tin liên quan đến vò trí hiện thời của
thuê bao. Thường HLR là một máy tính đứng riêng không có khả năng chuyển mạch
nhưng có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao. Một chức năng con của HLR
là nhận dạng trung tâm nhận thực AUC mà nhiệm vụ của trung tâm này quản lý an
toàn số liệu của các thuê bao được phép.
1.1.3. VLR
VLR là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng GSM. Nó được nối một hay nhiều
MSC và có nhiệm vụ lưu giữ tạm thời số liệu thuê bao của các thuê bao hiện đang
nằm trong vùng phục vụ của MSC tương ứng và đồng thời lưu giữ số liệu về vò trí
của các thuê bao nói trên ở mức độ chính xác hơn HLR.
Các chức năng VLR thường được liên kết với các chức năng MSC.
1.1.4. GMSC

SS có thể chứa nhiều MSC, VLR, HLR. Để thiết lập một cuộc gọi đến người
sử dụng GSM, trước hết cuộc gọi phải được đònh tuyến đến một tổng đài cổng được
gọi là GMSC mà không cần biết đến hiện thời thuê bao đang ở đâu.
- Các tổng đài cổng có nhiệm vụ lấy thông tin về vò trí của thuê bao và đònh
tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lý thuê bao ở thời điểm hiện thời (MSC tạm
trú).
- Để vậy, trước hết các tổng đài cổng phải dựa trên số thoại danh bạ của thuê
bao để tìm đúng HLR cần thiết và hỏi HLR này. Tổng đài cổng có một giao diện với
các mạng bên ngoài thông qua giao diện 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 No7) để có thể tương tác phần tử khác của SS. Về phương diện kinh tế
không phải bao giờ tổng đài cổng cũng đứng riêng mà thường được kết hợp với
MSC.

4
Luận văn tốt nghiệp

1.2. Hệ thống con BSS
Có thể nói BSS là một hệ thống các thiết bò đặc thù riêng cho các tính chất tổ
ong vô tuyến của GSM. BSS giao diện trực tiếp với các trạm di động (MS) thông
qua giao diện vô tuyến, vì thế nó bao gồm các thiết bò phát và thu đường vô tuyến
và quản lý các chức năng này. Mặt khác BSS thực hiện giao diện với các tổng đài
SS. Tóm lại BSS thực hiện đấu nối các MS với các người sử dụng viễn thông khác.
BSS cũng phải được điều khiển và vì vậy nó được đấu nối với CSS. Các giao diện
bên ngoài của BSS cho ở hình 1.2.

NSS: Mạng và hệ thống con chuyển mạch
BSS: Hệ thống con trạm gốc
OSS: Hệ thống con khai thác
MS: Trạm di động
Hình 1.2: Các giao diện ngoài BSS

BSS bao gồm hai loại thiết bò: BTS giao diện với MS và BSC giao diện với
MSC.
Cấu trúc bên trong BSS được cho ở hình 1.3.
Luồng điều khiển
Luồng lưu lượng
OSS
MS BSS NSS

5
Luận văn tốt nghiệp


OSS
BSC NSS
BTS
BTS
BTS

BSS
Giao die
ä
n Abis
Giao die
ä
n A
Giao diện
Vô tuyến
Hình 1.3: Các phần tử của BSS

1.2.1. BTS
Một BTS bao gồm các thiết bò phát thu, anten và xử lý tín hiệu đặc thù cho
giao diện vô tuyến. Có thể coi BTS là các modem vô tuyến phức tạp có thêm một số
các chức năng khác. Một bộ phận quan trọng của BTS là TRAU (Transcoder and
rate adapter unit: khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ). TRAU là thiết bò mà ở
đó quá trình mã hóa và giải mã tiếng đặc thù riêng cho GSM được tiến hành, ở đây
cũng thực hiện thích ứng tốc độ trong trường hợp truyền số liệu. TRAU là một bộ

6
Luận văn tốt nghiệp
phận của BTS, nhưng cũng có thể đặt nó cách xa BTS và thậm chí trong nhiều
trường hợp được đặt giữa các BSC và MSC.
1.2.2. BSC
BSC có nhiệm vụ quả lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều
khiển từ xa BTS và MS. Các lệnh này chủ yếu là các lệnh ấn đònh, giải phóng kênh
vô tuyến và quản lý chuyển giao (handover). Một phía BSC được nối với BTS còn
phía kia nối với MSC của SS. Trong thực tế BSC là một tổng đài nhỏ có khả năng
tính toán đáng kể. Vai trò chủ yếu của nó là quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến
và chuyển giao (handover). Một BSC trung bình có thể quản lý tới vài chục BTS phụ

thuộc vào lưu lượng của các BTS này. Giao diện giữa BSC với MSC được gọi là giao
diện A, còn giao diện giữa nó với BTS được gọi là giao diện Abis.
1.3. Trạm di động MS
Trạm di động là thiết bò duy nhất mà người sử dụng có thể thường xuyên nhìn
thấy của hệ thống. MS có thể là thiết bò đặt trong ô tô, thiết bò xách tay hoặc thiết bò
cầm tay. Loại thiết bò cầm tay sẽ là thiết bò trạm di động phổ biến nhất. Ngoài việc
chứa các chức năng vô tuyến chung và xử lý cho giao diện vô tuyến MS còn phải
cung cấp các giao diện với người sử dụng (như: micro, loa, màn hiển thò, bàn phím
để quản lý cuộc gọi) hoặc giao diện với một số thiết bò khác (như: giao diện với máy
tính cá nhân, fax…). Hiện nay người ta đang cố gắng sản xuất các thiết bò đầu cuối
gọn nhẹ để đấu nối với trạm di động. Việc lựa chọn các thiết bò đầu cuối hiện để mở
cho các nhà sản xuất, ta có thể liệt kê ba chức năng chính:
- Thiết bò đầu cuối thực hiện các chức năng không liên quan đến mạng GSM:
Fax.
- Kết cuối trạm di động thực hiện các chức năng liên quan đến truyền dẫn ở
giao diện vô tuyến.
- Bộ thích ứng đầu cuối làm việc như một cửa nối thông thiết bò đầu cuối với
kết cuối di động. Cần sử dụng bộ thích ứng đầu cuối khi giao diện ngoài trạm di

7
Luận văn tốt nghiệp
động tuân theo tiêu chuẩn ISDN để đấu nối đầu cuối, còn thiết bò đầu cuối lại có thể
giao diện đầu cuối modem. Cấu trúc chức năng của trạm di động cho ở hình 1.4.


Đầu cuối
di đo
ä
n
g

Đầu cuối
di đo
ä
n
g

Thích ứng
đầu cuối
Thiết bò
đầu cuối
Hình 1.4: Cấu trúc chức năng một trạm di động

1.4. Hệ thống con khai thác OSS
OSS thực hiện ba chức năng chính sau:
- Khai thác và bảo dưỡng mạng
- Quản lý thuê bao và tính cước
- Quản lý thiết bò di động
1.4.1. Khai thác và bảo dưỡng mạng
- Khai thác là các hoạt động cho phép nhà khai thác mạng theo dõi hành vi của
mạng như: tải của hệ thống, mức độ chặn, số lượng chuyển giao (handover) giữa 2
ô…, nhờ vậy nhà khai thác có thể giám sát được toàn bộ chất lượng của dòch vụ mà
họ cung cấp cho khách hàng và kòp thời xử lý các sự cố. Khai thác cũng bao gồm
việc thay đổi cấu hình để giảm những vấn đề xuất hiện ở thời điểm hiện thời, chuẩn
bò tăng lưu lượng trong tương lai để tăng vùng phủ. Việc thay đổi mạng có thể thực
hiện “mềm” qua báo hiệu (chẳng hạn thay đổi thông số handover để thay đổi biên

8
Luận văn tốt nghiệp
giới tương đối giữa 2 ô), hoặc thực hiện cứng đòi hỏi sự can thiệp tại hiện trường

(chẳng hạn bổ sung thêm dung lượng truyền dẫn hay lắp đặt một trạm mới). Ở hệ
thống viễn thông hiện đại khai thác được thực hiện bằng máy tính và được tập trung
ở một trạm.
- Bảo dưỡng có nhiệm vụ phát hiện, đònh vò và sửa chữa các sự cố, hỏng hóc.
Nó có một số quan hệ với khai thác. Các thiết bò ở mạng viễn thông hiện đại có khả
năng tự phát hiện một số sự cố hay dự báo sự cố thông qua tự kiểm tra. Trong nhiều
trường hợp người ta dự phòng cho thiết bò để khi có sự cố có thể thay thế bằng thiết
bò dự phòng. Sự thay thế này chỉ có thể thực hiện tự động, ngoài ra việc giảm nhẹ sự
cố có thể được người khác thực hiện bằng điều khiển từ xa. Bảo dưỡng cũng bao
gồm các hoạt động tại hiện trường nhằm thay thế thiết bò có sự cố.
- Hệ thống khai thác và bảo dưỡng có thể được xây dựng trên nguyên lý TMN
(Telecommunication management Network: mạng quản lý viễn thông). Lúc này một
mặt hệ thống khai thác và bảo dưỡng được nối đến các phần tử của mạng viễn thông
(các MSC, BSC, HLR và các phần tử mạng khác trừ BTS, vì thâm nhập đến BTS
được thực hiện qua BSC). Mặt khác hệ thống khai thác và bảo dưỡng lại nối đến một
máy tính chủ đóng vai trò giao tiếp người máy theo tiêu chuẩn GSM gọi là OMC
(Operation and maintenance center: trung tâm khai thác và bảo dưỡng).
1.4.2. Quản lý thuê bao
Bao gồm các hoạt động quản lý đăng ký thuê bao. Nhiệm vụ đầu tiên là nhập
và xóa thuê bao khỏi mạng. Đăng ký thuê bao cũng có thể rất phức tạp bao gồm
nhiều dòch vụ và các tính năng bổ sung. Nhà khai thác có thể thâm nhập được tất cả
các thông số nói trên. Một nhiệm vụ quan trọng khác của khai thác có thể thâm
nhập được tất cả các thông số nói trên, một nhiệm vụ quan trọng khác của khai thác
là tính cước các cuộc gọi. Quản lý thuê bao ở mạng GSM chỉ liên quan đến HLR và
một số thiết bò OSS riêng chẳng hạn mạng nối HLR với các thiết bò giao tiếp người
máy ở các trung tâm giao dòch với thuê bao. Sim card cũng đóng vai trò như một bộ
phận của hệ thống quản lý thuê bao.
1.4.3. Quản lý thiết bò di động

9

Luận văn tốt nghiệp
Quản lý thiết bò di động được bộ đăng ký nhận dạng thiết bò EIR (Equipment
Idnetity Register) thực hiện. EIR lưu giữ tất cả các giữ liệu liên quan đến trạm di
động MS. EIR được nối đến MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra sự được phép của
thiết bò. Một thiết bò không được phép sẽ bò cấm.
Lưu ý: Khác với thiết bò, sự được phép của thuê bao được AUC xác nhận. Ở GSM
EIR được coi là hệ thống con SS.
Sơ đồ mô hình của hệ thống GSM cho ở hình 1.5.


AUC
HLR
MSC
EIRVLR
BSC
BTS
MS
OMC
IDNS
PSPDN
CSPDN
PSTN
PLMN
Truyền báo
hiệu
àl
SS
BSS
AUC: Trung tâm nhận thực
VLR: Bộ ghi đònh vò trí tạm trú

MSC: Trung tâm chuyển mạch các dòch vụ
di động
BTS: Trạm thu phát gốc
SS: Hệ thống con chuyển mạch
ISND: Mạng liên kết số đa dòch vụ
CSPDN: Mạng số liệu công cộng chuyển
HLR: Bộ ghi đònh vò thường trú
EIR: Bộ ghi nhận dạng thiết bò
BSC: Bộ điều khiển trạm gốc
MS: Trạm di động
OMC: Trung tâm khai thác và bảo dưỡng
BSS: Hệ thống con trạm gốc
PSPDN: Mạng số liệu công cộng chuyển
mạch gói

10
Luận văn tốt nghiệp
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

11
Luận văn tốt nghiệp
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.

Nút cuối Nút trun
g

g
ian Nút cuối
Mức thấ
p

Mức cao
Đ
ườn
g
tru
y
ền
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)

12
Luận văn tốt nghiệp
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
Ma
ë
t

p
hẳn
g
âm thanh
Ma
ë
t
p
hẳn
g
tươn
g
tư
ï
Ma
ë
t
p
hẳn
g
số 13 kbit/s
Ma
ë
t
p
hẳn
g
số 64 kbit/s
Bộ
BTS

chuye
å
n

13
Luận văn tốt nghiệp
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

14
Luận văn tốt nghiệp
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).

Thiết bò
đầu cuối
Thiết bò
đầu cuối
Tram di đo
ä
n
g

(
kiểu 0
)

Đầu cuối di
động (kiểu 2)

Đầu cuối di
động (kiểu 1)
Giao die
ä
n đầu cuối với modem
Thích ứng đầu cuối
Giao diện ISDN “S”
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.
1
LPF
A/D
Bộ ma
õ
ho
ùù
a
BTS
RA 1
RA 2
RA0
Lấy mẫu

Tốc độ dò bộ ban đầu
Chẳng hạn: 300 hay 9600 bit/s
Đ
ồng bộ
Đ
B
Tốc độ trung gian
(8hay 16 kbit/s)

15
Luận văn tốt nghiệp
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).

1
LPF
A/D
Bộ ma
õ
ho
ùù
a
BTS
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

16
Luận văn tốt nghiệp
(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.







17
RA 1
RA 2

Lấy mẫu
Tốc độ dò bộ ban đầu

Chẳng hạn: 300 hay 9600
Đ
ồng bộ

Đệm
Đệm
Đ
B
Tốc độ trung gian
(8hay 16 kbit/s)

Luận văn tốt nghiệp


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).







⏐
⏐

⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
⏐

⏐
⏐
⏐
⏐
⏐
Luồng dò bộ
Luồn
g
đồn
g
bo
ä
Bỏ mo
ä
t tín hie
ä
u dừn
g

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

18
Luận văn tốt nghiệp
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


19
Luận văn tốt nghiệp
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.

20
Luận văn tốt nghiệp
Đấu nối T: Sơ đồ thích ứng tốc độ cho đấu nối T được cho hình 1.14
Tốc độ dò bộ ban đầu
Chẳng hạn: 300 hay 9600
Đ
ồng bộ

RA
2

Lấ

y

Đe
ä
m
Đ
B
Tốc độ trung
g
ian
RA
TA
M
T
Tốc độ số liệu
trung gian
3,6:6 hay 12 kbit/s
Đ
e
ä
m
BTS+TRA
U
64

Hình 1.14: Thích ứng tốc độ ở GSM


RA0 có nhiệm vụ biến đổi luồng số dò bộ vào đồng bộ. RA1 ghép luồng số cơ
sở với các tín hiệu bổ sung để tạo thành các luồng số 12 kbit/s (cho tốc độ luồng cơ

sở 9600 kbit/s), 6 kbit/s (cho tốc độ luồng cơ sở 4800 kbit/s) được phát lặp các bít
thông tin để đạt được tốc độ đònh danh là 2400 bit/s và 1,2 kbit/s bổ sung sẽ được đưa
thêm vào để được tốc độ 3,6 kbit/s. Luồng 12 kbit/s được chia thành các khung có độ
lâu là 5 ms, mỗi khung chứa 60 bit trong đó có 48 bit từ luồng cơ sở và 12 bit bổ
sung. Các bit bổ sung bao gồm các bit thông tin bổ sung cho cho ở bảng 1.13 trừ các
bit E1, E2, E3 mang thông tin về tốc độ vì mức độ thông tin này được truyền riêng
theo đường báo hiệu để thiết lập đường truyền. Luồng 6 kbit/s được chia thành các
khung 10ms, mỗi khung có 60 bit với 48 bit cơ sở và 12 bit bổ sung như ở trường hợp
trên. Luồng 3,6 kbit/s bao gồm các khung 10 ms với 36 bit trong mỗi khung. Trong
đó 24 bit dành cho luồng cơ sở còn 12 bit dành cho thông tin bổ sung. Nhờ có các tốc
độ bit thấp hơn 8 và 16 kbit/s so với trường hợp ISDN, ta nhận được các vò trí bit dư
để thực hiện mã hóa kênh cho các khối 20ms ở giao diện vô tuyến. Đây là vấn đề
đặc biệt quan trọng ở truyền dẫn vô tuyến vì truyền dẫn ở đây có chất lượng xấu hơn
ở các đường dây cố đònh nếu không có các biện pháp bảo vệ chống lỗi.

21
Luận văn tốt nghiệp
RA1 có nhiệm vụ biến đổi các luồng tốc độ trung gian 3,6 kbit/s, 6 kbit/s, 12
kbit/s vào hai luồng tốc độ trung gian 8 hoặc 16 kbit/s, việc biến đổi này được thực
hiện bằng cách chèn thêm các bít đồng bộ vào các khung RA1 thường được đặt ở
BTS.
1.5. Nguyên lý đa thâm nhập
Tồn tại ba phương pháp đa thâm nhập: đa thâm nhập phân chia theo tần số, đa
thâm nhập phân chia theo thời gian, đa thâm nhập phân chia theo mã. Nguyên lý đa
thâm nhập này được cho ở hình 1.15. Ở phương pháp đa thâm nhập phân chia theo
tần số (FDMA) mỗi trạm di động dành riêng một kênh với một cặp tần số để thâm
nhập đến trạm gốc (BTS), ở phương pháp đa thâm nhập phân chia theo thời gian
(TDMA) các trạm di động sử dụng chung một kênh tần số nhưng chỉ được thâm nhập
đến trạm gốc ở các khoảng thời gian khác nhau, ở phương pháp đa thâm nhập phân
chia theo mã(CDMA) các trạm di động đều dùng chung một băng tần nhưng sử dụng

các mã khác nhau để thâm nhập đến trạm gốc.
GSM sử dụng kết hợp các phương pháp FDMA và TDMA.

22
Luận văn tốt nghiệp
Hình 1.15: Nguyên lý đa thâm nhập
a) Đa thâm nhập phân chia theo tần số (FDMA)
b) Đa thâm nhập phân chia theo thời gian (TDMA)
c) Đa thâm nhập phân chia theo mã (CDMA)

23
Luận văn tốt nghiệp
1.5.1. Các kênh tần số được sử dụng ở GSM
Các kênh tần số được sử dụng ở GSM nằm trong dãy tần số quy đònh 900Mhz
xác đònh theo công thức sau:
F
L
= 890,2 + 0,2. (n-1) Mhz
F
u
= FL

(n) + 45 Mhz
1 ≤ n ≤ 124
Từ công thức trên F
L
là tần số ở nửa băng thấp, F
U
là tần số ở nửa băng cao,
0,2Mhz là khoảng cách giữa các kênh lân cận, 45Mhz là khoảng cách thu phát, n số

kênh tần vô tuyến.
Ta thấy tổng số kênh tần số có thể tổ chức cho mạng GSM là 124 kênh. Để
cho các kênh lân cận không gây nhiễu cho nhau mỗi BTS phủ một ô của mạng phải
sử dụng các tần số cách xa nhau và các ô sử dụng các tần số giống nhau hoặc gần
giống nhau cũng phải xa nhau.
1.5.2. Tổ chức đa thâm nhập bằng cách kết hợp giữa FDMA và TDMA
Truyền dẫn 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 lâu
là 15/26s (577 ms) ở một trong kênh tần số có độ rộng 200 Khz nói trên. Sơ đồ mô
tả cách kết hợp FDMA và TDMA được cho ở hình 1.16. Mỗi một kênh tần số cho
phép tổ chức các khung thâm nhập theo thời gian, mỗi khung bao gồm 8 khe thời
gian từ 0 – 7 (TS0, TS1, TS7).



Tần số
(


7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2






PDMA
200 Khz
Cụm khe thời

ian 15/26 s
Thời
g
ian
g
Hình 1.16: Đa thâm nhập kết hợp FDMA và TDMA


24
Luận văn tốt nghiệp
1.1. Quá trình xử lý các tín hiệu số và biến đổi vào sóng vô tuyến
Quá trình này được trình bày ở lớp vật lý 1 trong các khuyến nghò của GSM.

Hình 1.17: Xử lý tín hiệu số và biến đổi vào sóng vô tuyến ở MS.

1.5.1. Các kênh vật lý
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 GSM. Như ở phần trên đã nói GSM sử dụng băng tần
sau:
890 – 915 Mhz đường lên (MS phát)
935 – 960 Mhz đường xuống (BTS phát)
Khoảng cách giữa các sóng mang là 200 KHz.
Trong tương lai khi mở rộng đến hệ thống DCS 1800 băng tần được sử dụng sẽ
là:
1710 – 1785 Mhz đường lên
1805 – 1880 Mhz đường xuống
Để đảm bảo các quy đònh về tần số bên ngoài băng phải có một khoảng bảo
vệ giữa các biên của băng (200 KHz). Vì thế ở GSM 900 ta có 124 kênh tần số vô
tuyến bắt đầu từ 8972 Mhz và ở DCS 1800 ta có 374 kênh tần số vô tuyến bắt đầu từ

1710,2 MHz.
Mỗi một kênh tần số vô tuyến được tổ chức thành các khung TDMA có 8 khe
thời gian. Một khe thời gian bắt đầu có độ lâu 15/26 s. 8 khe thời gian của 1 khung

25