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

1

MỤC LỤC


2

Mở Đầu
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


3

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.


4

I. LCH S PHT TRIN
Hệ thống thông tin di động từ lâu đã là một ớc mơ lớn của con ng ời, và ớc
mơ này đã trở thành hiện thực ngay khi kỹ thuật cho phép. Sự thực hiện đầu tiên
bằng sóng vô tuyến đợc thực hiện từ cuối thế kỷ 19. Tuy nhiên, việc đ a hệ
thống thông tin di động vào phục vụ chỉ đợc thực hiện sau chiến tranh thế giới
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 phát
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 on th nhõt: Sau 1946, khả năng phục vụ nhỏ, chất lợng không cao, giá

cả dắt.
- Giai on th 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 tạp
hơn. Bởi vì vùng phủ sóng của anten phát của các máy di động bị hạn chế nên hệ
thống đợc chia thành một vài trạm nhận cho một trạm phát.
- Giai on th ba : Từ1979 -1990, là mạng tổ ong tơng tự. Các trạm thu phát
đợc đặt theo các ô tổ ong. Mạng này cho phép sử dụng lại tần số và cho phép
chuyển giao giữa các ô trong cuộc gọi. Các mạng điển hình là:
+ AMPS (Advanced Mobile Phone Service): đợc đa vào hoạt động tại Mỹ
năm 1979.
+NMT ( Nordic Mobile Telephone): là hệ thống của các n ớc Bắc Âu và đ ợc
đa vào sử dụng vào tháng 12/1981.
+TACS ( Total Access Communication System): đợc đa vào phục vụ tại
Vơng quốc Anh năm 1985. Tất cả các mạng trên dựa trên mạng truyền điện thoại
tơng tự bằng điều chế tần số. Chúng sử dụng tần số 450 hoặc 900 Mhz. Vùng phủ
sóng của nó chỉở mức quốc gia và phục vụ đợc vài trăm thuê bao. Hệ thống lớn
nhất ở Anh làTACS đạt hơn một triệu thuê bao vào năm 1990.
- Giai on th t : 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 vợt qua con số mong đợi của các nhà thiết kếhệ thống nên hệ


5

thống này không đáp ứng đợc. Hai là các hệ thống khác nhau đang hoạt động
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 nớc nào có thể đáp ứng đợc vì vốn đầu t quá
lớn. Tất cả những hạn chế trên dẫn đến một nhu cầu là phải thiết kế một hệ thống
loại mới đợc làm theo kiểu chung để có thể dùng cho nhiều nớc. Năm 1988,

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, Vơng quốc Anh đa ra hệ thống DCS (Digital Cellular System).
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. 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.
Việt Nam, hệ thống thông tin di động số GSM đợc đa vào từ năm 1993,
hiện nay đang đợc khai thác v phat trien rất hiệu quả.

II. MC CH V PHM VI S DNG
2.1 Cỏc c tớnh ch yu ca h thng GSM
Cú th phc v c mt s ln cỏc dch v v tin ớch cho thuờ bao c
trong thụng tin thoi v truyn s liu.
* i vi thoi cú th cú cỏc dch v:
- Chuyn hng cuc gi vụ iu kin
- Chuyn hng cuc gi khi thuờ bao di ng bn
- Cm tt c cỏc cuc gi ra quc t
- Gi cuc gi
- Thụng bỏo cc phớ
- Nhn dng s ch gi...
* i vi dch v s liu:


6

-

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.

7

2.2 Băng tần sử dụng trong hệ thống thông tin di động GSM
Hệ thống GSM làm việc trong băng tần 890 – 960MHz. Băng tầnnày được chia
làm 2 phần:
- Băng tần lên (Uplink band): 890 – 915 MHz cho các kênh vô tuyến từ trạm
di động đến hệ thống trạm thu phát gốc.
- Băng tần xuống (Downlink band): 935 – 960 MHz cho các kênh vô tuyến từ
trạm thu phát gốc đến trạm di động.
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. BẢN CHẤT VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG
3.1 Mô hình mạng GSM
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:


8

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 Mạng truy cập 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


9

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 vật lý
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 = 890MHz +
(0,2MHz) x n trong đó n = 0,1,...,124
•
Dải tần đường xuống (từ BTS đến MS) 25MHz: 935 – 960 MHz =
+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:
và

• = 890MHz +(0,2MHz) * n;
= 890MHz +(0,2MHz) * (n – 1024);
•

n =0,1,...124
n=974,975,...,1023

+ 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:
•

= 1710MHz + (0,2MHz) * (b-511);

•

= + 95MHz

n=512,513,...,885

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


10

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


11

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.

Hình 1.4b: Phân khung TDMA
Cấu trúc một cụm (Burst):

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


12

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.


13

Hình 1.5: Khuôn dạng các burst trong GSM

- Cụm giả (DB: Dummy Burst): Cụm giả được phát đi từ BTS trong một số trường
hợp để lấp kín những khe thời gian không hoạt động trên kênh BCCH. Cụm không
mang thông tin và có cấu trúc giống như NB nhưng các bít mật mã được thay thế
bằng các bit hỗn hợp.
Tổ chức khung đa khung siêu khung:
Mổi khung TDMA cho một sóng mang. Một khung có 8 khe thời gian được đánh
số từ 0 đến 7. Nguyên lý mật mã hoá trong hệ thống GSM dùng một thông số là số
khung TDMA. Vì vậy trạm thu phát gốc phải đánh số các khung ở dạng chu trình
(không thể đánh số khung đến vô tận). Số này còn được sử dụng trong thuật toán
nhảy tần. Số được chọn là 2715648 tương ứng 3 giờ 28 phút 53 giây 760 ms. Cấu
trúc này được gọi là siêu siêu khung. Một siêu siêu khung được chia thành 2048
siêu khung với khoảng thời gian 6 phút 12 giây. Siêu khung được chia thành các đa
khung.
Có hai loại đa khung:
 Đa khung 26 khung, đa khung này sử dụng cho kênh TCH, SACCH,
FACCH và 51 đa khung hợp thành một siêu khung.
 Ở đa khung điều khiển 51 khung để đảm bảo bất kỳ thuê bao GSM nào (ở tế

bào phục vụ hay lân cận) có thể nhận được SCH và FCCH từ BCH mà không phụ
thuộc vào việc nó đang dùng khung nào và khe thời gian nào. Đa khung này sử
dụng cho các kênh báo hiệu logic BCCH, CCCH, FCCH và SACCH. (26 đa khung
thành 1 siêu khung).
Cấu trúc khung cho kênh lưu lượng toàn tốc (TCH/F) chiếm dữ một khe thời
gian trong mỗi khung TDMA (hình 1.9a). 12 khe trong mỗi khung TDMA đầu tiên
của đa khung 26 được sử dụng cho kênh TCH/F từ khung 0 tới 11. khe thời gian
tiếp (khe 12 trong đa khung 26) theo không được sử dụng cho truyền dẫn, là
khoảng thời gian rổi khe “idle”. 12 khe tiếp theo trong mỗi khung TDMA của đa


14

khung được sử dụng cho TCH/F. Khe thời gian còn lại của đa khung 26 được sử
dụng cho kênh SACCH.
Hình 1.6a có thể được ứng dụng cho cả đường lên và đường xuống. Chú ý cấu trúc
đa khung thể hiện trong hình 1.9a chỉ gắn cho một kênh TCH/F chiếm giữ những
khe thời gian được đánh số lẻ. Trên khe thời gian được đánh số chẵn và khe thời
gian 0 là vị trí của khe thời gian rỗi và khe dành cho kênh SACCH được trao đổi.
Hình 1.7b thể hiện ghép 2 kênh lưu lượng bán tốc TCH1&TCH0 lên các khung
TDMA của đa khung 26, khung thứ 13 và 16 dành cho kênh SACCH0 và
SACCH1.

Hình 1.6a: Cấu trúc khung cho kênh lưu lượng toàn tốc TCH/F trên khe thời gian 1

Cấu trúc khung cho kênh điều khiển đặt trên khe thời gian TS0 thể hiện trên hình
1.6b. Trong trường hợp đa khung 51 khung với thời gian 235ms. Toàn bộ các kênh
ngoại trừ kênh TCH đều sử dụng cấu trúc đa khung 51 khung. Mỗi đa khung điều
khiển BCCH/CCCH có độ dài là 235.4 ms(gồm 51 khung TDMA) được mapping
trên TS0 của sóng mang có chứa kênh BCCH/CCCH (không phải sóng mang nào

cũng có chứa tổ hợp kênh này), ở đa khung 51 này có độ dài 235.4 ms sẽ có 5 TS
dùng để phát thông tin trên kênh SCH, cụ thể TS0 của khung thứ 1 (bắt đầu tính từ
khung thứ 0 đến khung thứ 50), TS0 của khung thứ 11, TS0 của khung thứ 21, 31,


15

41. Tức là cứ sau 10 khung (10 x 4.615 ms) thì thông tin trên SCH (có chứa số
hiệu khung) lại được phát 1lần.
Kênh logic FACCH được dùng khi có yêu cầu chuyển giao khi đang hội thoại, nó
chiếm 20 m trên chính kênh TCH được cấp cho MS và vì vậy nó được gọi là
"stealing".
Thời gian tối đa phải chờ của MS để thu được số khung TDMA sẽ là khoảng
thời gian từ sau TS0 cuối cùng trong đa khung 51 của kênh vật lý BCCH (TS0 trên
sóng mang BCCH của trạm BS) dành cho kênh logic SCH, cho tới hết TS0 dành
cho SCH đầu tiên của đa khung 51 của kênh vật lý BCCH tiếp theo.
Do yêu cầu điều khiển chuyển giao khi đang diễn ra đàm thoại cần phải nhanh
mà kênh SACCH thì lại có tốc độ quá chậm (chỉ có 1 lần trong đa khung 26 của
kênh TCH, chỉ đủ để:
• Đường xuống, BS gửi yêu cầu điều khiển công suất và time alignment cho
MS;
• Đường lên, MS gửi các náo cáo đo lường công suất cho BS phục vụ điều
khiển HO và tính toán điều khiển công suất/time alignment).
Do đó người ta "lấy cắp" kênh TCH 2 chiều đang đàm thoại để truyền tin tức
điều khiển HO (vì lúc này thì chất lượng thoại lúc đó cũng đã quá kém rồi, có để
kênh TCH thì cũng không truyền thoại tiếp nữa). Việc lấy cắp được diễn ra như
sau:
•
Ngắt không truyền tin tức cuộc gọi trên kênh logic TCH;
•

Truyền tín hiệu điều khiển chuyển giao trên kênh đó.
Việc phân biệt khi nào kênh TCH là TCH, khi nào là FACCH thực hiện nhờ cờ
lấy cắp là 1 bít nằm sau đoạn 56 bít mã thông tin thứ nhất trong burst TCH (nằm
ngay trước 26 bít training) và 1 bít nằm đầu ngay trước đoạn 56 bít mã thông tin
thứ hai trong burst TCH (ngay sau 26 bit training). Bít cờ ăn cắp này là 1 thì kênh
TCH lúc đó đang dùng cho FACCH còn là 0 thì đang là TCH (đang truyền các dữ
liệu thoại của cuộc đàm thoại).


16

Hình 1.6 b: Cấu trúc khung cho một nhóm kênh điều khiển trên TS0

3.2.2 Các kênh logic
Trong GSM có hai loại kênh logic chính là kênh lưu lượng TCH và kênh điều
khiển CCH.

Hình 1.7a: Sơ đồ hệ thồng các kênh logic trong mạng GSM

Kênh lưu lượng (TCH):
Các kênh lưu lượng được phân thành 2 loại: toàn tốc (13kbps) hay


17

bán tốc (6,5kbps). Ở chế độ toàn tốc người dùng chiếm hoàn toàn một khe thời
gian ở các
khung liên tiếp, trong khi ở bán tốc khe được phân cách khung. TCH không được
dùng ở TS0 (khe này dành cho điều khiển). 26 khung liên tiếp tạo nên đa khung
(trong đó khung thứ 13 luôn chứa dữ liệu điều khiển liên kết chậm, khung thứ 26 là

khung rỗi ở chế độ toàn tốc và cũng chứa điều khiển liên tiếp chậm ở chế độ bán
tốc).

Hình 1.7b: Tổ chức hai kênh lưu lượng bán tốc TCH0/H và TCH1/H lên đa khung 26

•

Tiếng nói: tiếng nói được số hoá tại tốc độ 13kbps, thêm mã kênh sẻ có tốc
độ 22,8kbps. Với bán tốc tốc độ số hoá 6,5kbps khi bổ sung thêm mã kênh
cho tốc độ 11,4kbps.

•

Dữ liệu toàn tốc: 12kbps (cho tốc độ luồng cơ sở 9,6kbps), 6kbps (cho tốc
độ luồng cơ sở 4,8kbps), 3,6kbps (cho tốc độ luồng cơ sở bé hơn hoặc bằng
2,4kbps).

Các kênh điều khiển:
Có 3 loại kênh điều khiển chính: Kênh quảng bá BCH, kênh điều khiển chung
CCCH, kênh điểu khiển riêng DCCH.
Kênh quảng bá BCH: có 3 loại kênh tách biệt


18

• Các kênh hiệu chỉnh tần số FCCH: Các kênh này mang thông tin hiệu chỉnh
tần số cho các trạm MS. Chứa ở khung 0 và lặp lại sau 10 khung nhằm đồng bộ tần
số nội của máy di động MS với tần số trạm gốc BTS
• Kênh điểu khiển quảng bá BCCH: Chỉ sử dụng ở đường xuống. Kênh này
hát quảng bá các thông tin về tế bào (Cell), mạng và tình trạng hiện tại của tế bào

(cấu trúc điều khiển, các kênh lưu lượng còn rỗi, đang sử dụng hoặc nghẽn). Từ
khung thứ 2 đến khung thứ 5 trong một đa khung (4/51 khung) chứa dữ liệu BCCH
trên khe TS0.
• Kênh đồng bộ SCH: Kênh này mang thông tin để đồng bộ khung cho trạm di
động MS và nhận dạng BTS, nó chỉ sử dụng cho đường xuống. Khung SCH chứa
tại các khung ngay sau FCCH cho phép máy di động xác định trạm cơ sở phục vụ
và đồng bộ khung với trạm gốc. Số khung FN từ 0->2715647 được gửi cùng mã
xác định trạm gốc (BSIC) trong dữ liệu SCH. Vì máy di động có thể ở xa BS đến
30Km nên nó thường phải hiệu chỉnh thời gian để đồng bộ đồng hồ với trạm gốc
(tính đến thời gian truyền sóng). BS phát lệnh bổ sung thời gian đến MS thông qua
SCH.
Các kênh điều khiển dùng chung CCCH: Có 3 loại
• Kênh tìm gọi PCH: Cung cấp tin nhắn từ BTS đến MS để tìm gọi MS, PCH
phát IMSI của thuê bao và yêu cầu đáp lại trên tuyến lên RACH. Ngoài ra PCH
cũng có thể được dùng cung cấp các bản tin quảng bá tế bào dạng ASCII.
• Kênh truy cập ngẫu nhiên RACH: Kênh này tuyến lên để máy di động MS
đáp lại lời tìm gọi hoặc để MS đề nghị khởi phát cuộc gọi (cung cấp một kênh).
RACH dùng sơ đồ truy cập ALOHA và có thể chiếm tất cả các khung nằm ở TS0.
Khi thiết lập dịch vụ BS phải trả lời RACH bằng cách phân kênh và dành một kênh
điều khiển dành riêng SDCCH để báo hiệu cuộc gọi. Kết nối này (số hiệu kênh
được phân) được thông báo qua AGCH.
• Kênh trợ giúp truy cập AGCH: Hoạt động trên tuyến xuống, dữ liệu được
mang chỉ thị cho MS chuyển sang một kênh vật lý xác định (một khe trong một
ARFCN) với một kênh điều khiển riêng. AGCH là bản tin CCCH cuối cùng gữi từ


19

trạm BS trước khi MS ngẳt khỏi kênh điều khiển (dùng để đáp lại RACH gữi
ngược từ khung trước đó).

Kênh điều khiển dành riêng DCCH:
Dùng cho một cuộc gọi cụ thể. Cũng có 3 loại giống như kênh lưu lượng có chức
năng, dạng thức giống nhau trong cả 2 chiều đồng thời có thể ở bất kỳ khe nào
ngoài TS0, bất kỳ ARFCN nào.
•
Kênh điều khiển dành riêng đứng một mình SDCCH: mang dữ liệu báo hiệu
và hiệu chỉnh kết nối MS và BS ngay trước khi được phân TCH. SDCCH đảm
bảo rằng MS và BS vẫn được kết nối trong lúc BS và MSC kiểm tra thuê bao và
phân TCH. SDCCH được dùng đê gửi bản tin nhận thực, báo hiệu cũng như đồng
bộ máy di động với cấu trúc khung để chờ TCH, chúng có thể là một kênh vật lý
khác hay chiếm TS0 của BCH nếu lúc đó có yêu cầu chậm lưu lượng BCH hoặc
CCCH.
• Kênh điều khiển liên kết chậm SACCH: kênh này liên kết với TCH hay
SDCCH, ở tuyến xuống chúng mang thông tin điều khiển đến MS (mức công suất,
đặt lại timing). Ở tuyến lên chúng mang thông tin về độ mạnh tín hiệu nhận được,
chất lượng kênh TCH cũng như kết quả đo mức BCH từ tế bào lân cận. Dữ liệu
được mang ở 8 khe (khi có 8 người dùng) trong khung thứ 13 hoặc 26.
• Kênh liên kết nhanh FACCH: mang thông tin khẩn cấp (giống loại bản tin trong
SDCCH) xen vào TCH bất kỳ lúc nào (ví dụ khi yêu cầu chuyển giao) bằng cách
thay thế vào khe của TCH và đặt lại 2 bit cờ hiệu - cờ lấy lén).
Kênh quảng bá ô CBCH:
Kênh này chỉ được sử dụng ở đường xuống để phát quảng bá ô cho các bản tin
ngắn SMSCB. CBCH sử dụng cùng kênh vật lý như SDCCH.


20

Cấu hình kênh logic có thể đặt vào một kênh vật lý:

Hình 1.8: Tổ hợp các kênh logic lên kênh vật lý

3.3 Kĩ thuật ghép kênh trong GSM
Có hai kỹ thuật ghép kênh được sử dụng trong thuật ngữ tế bào và vô tuyến là :
3.3.1 Frequency Division Duplexing (FDD)
FDD với nghĩa thiết bị truyền và vật mang được tổ chức ở các tần số mang khác
nhau, là một công nghệ vô tuyến sử dụng trải phổ theo cặp. Trạm phải có khả năng
gửi và nhận tín hiệu truyền cùng một thời gian. Phương thức tổ chức kiểu này gọi
là duplex mode và offset mode.
Các băng con truyền tín hiệu và nhận tín hiệu được tách biệt bởi tần số offset.
FDD khá hiệu quả trong trường hợp giao thông mạng đối xứng. Trong trường hợp
này FDD có khuynh hướng bị lãng phí băng thông trong quá trình chuyển giao từ
bên phát sang bên nhận. Vì thế đòi hỏi phải có một hệ thống mạch điện phức tạp
hơn.
Một ưu điểm khác của FDD là nó khiến các việc bố trí các sóng vô tuyến dễ dàng
và hiệu quả hơn. Khi mà trạm cơ sở không lắng nghe được các trạm khác (như


21

trong trường hợp tín hiệu truyền và nhận trong dải băng thông khác nhau), vì thế
nó không thể tương tác với các trạm khác. Trong cuộc thoại, hệ thống FDD phải
đảm bảo thời gian an toàn giữa các trạm cở sở kế cận (tăng hiệu quả trải phổ) hoặc
dồng bộ hóa giữa các trạm cơ sở, như thế chúng sẽ truyền và nhận cùng thời điểm
(tăng độ phức tạp của mạng lưới và giảm độ phức tạp phân phối băng thông khiến
cho tất cả các thiết bị nhận và các khu vực sử dụng cùng tỉ số uplink/downlink như
nhau).
Trong FDD có hai dải tần số đối xứng được sử dụng, một chứa kênh truyền tín
hiệu, một chứa kênh nhận tín hiệu.
3.3.2 Time Division Duplexing (TDD)
Time Division Duplexing (TDD) là ứng dụng đa truy cập kênh theo thời gian để

tách tín hiệu phát đí và tín hiệu phản hồi. TDD có nghĩa là các thiết bị truyền tín
hiệu của cuộc gọi thoại là ghép kênh theo thời gian trên một dải tần số tương tự
như là các thiết bị nhận cuộc gọi thoại.
TDD có một ưu điểm lớn trong trường hợp ở đó có tính bất đối xứng giữa tỉ số
nhận và truyền dữ liệu. Một khi kich thước của dữ liệu truyền đi tăng lên thì dung
lượng truyền thông sẽ tự động được xác định và khả năng mang thêm dữ liệu trên
đường truyền bị giảm xuống. Tương tự với bên tải (nhận) dữ liệu.
Với các hệ thống vô tuyến không chuyển dịch nhanh, một lợi ích khác là đường
truyền vô tuyến truyền và nhận khá giống nhau, đồng nghĩa với các công nghệ như
beamforming làm việc tốt với các hệ thống TDD.
Trong hệ thống GSM, hai công nghệ TDMA và FDMA được sử dụng. Ca sử
dụng của mỗi kênh vô tuyến được chia thành 8 khe thời gian, với mỗi một người
sử dụng được gán cho một tổ hợp tần số /khe thời gian cụ thể. Vì thế, chỉ một thuê
bao là được sử dụng các tổ hợp tần số/khe thời gian cho trước tại bất kỳ một thời
gian cụ thể nào.

IV. PHÂN TÍCH ƯU NHƯỢC ĐIỂM


22

GSM (Global Hệ thống thông tin liên lạc di động) là một công nghệ di động được
sử dụng để truyền thoại di động và các dịch vụ dữ liệu. Trong số tất cả các công
nghệ di động trong sử dụng ngày nay, GSM là phổ biến nhất. Tuy nhiên nó có cả
thuận lợi và bất lợi :
4.1 Ưu điểm
Trong mạng GSM, Tín hiệu kĩ thuật số được sử dụng để trao đổi giữa điện thoại
và các tháp phát sóng, làm tăng hiệu quả trên 2 phương diện chính :Dữ liệu số của
giọng nói có thể được nén và ghép kênh hiệu quả hơn so với mã hóa Analog nhờ
sử dụng nhiều hình thức mã hóa, cho phép nhiều cuộc gọi cùng được mã hóa trên

một dải băng tần.Và Nhờ thế tính bảo mật của nó cũng rất cao.
Hệ thống kĩ thuật số được thiết kế giảm bớt năng lượng sóng radio phát từ điện
thoại. Nhờ vậy, có thể thiết kế điện thoại GSM nhỏ gọn hơn, đồng thời giảm chi
phí đầu tư những tháp phát sóng. Nhiều dịch vụ kèm theo như truyền dữ liệu, fax,
SMS (tin nhắn),...
Mạng GSM trở nên phổ biến cũng do công nghệ này có thể triển khai một số dịch
vụ dữ liệu như Email,SMS, fax….
4.2 Nhược điểm
Vấn đề lớn nhất đặt ra cho các nhà khai thác dịch vụ thông tin di động GSM là tốc
độ và dung lượng.
Hệ thống GSM sẽ không còn duy trì được sức mạnh và thành công của mình nếu
như các nhà khai thác sử dụng nhiều thế hệ công nghệ GSM kể trên để khai thác
trên cùng một nền tảng mạng.
Khi số lượng thuê bao tăng lên nhanh và những đỏi hỏi về tốc độ đã bắt đầu bộc lộ
những hạn chế của hệ thống GSM:
- Chuyển mạch kênh không thích hợp với các tốc độ số liệu cao
- Sự lãng phí tài nguyên do một kênh luôn ở trạng thái mở ngay cả khi không có
lưu lượng đi qua
Do hạn chế về dung lượng của tần số sóng mang (mỗi tần số chỉ cho phép tối đa
8 kênh thoại cùng lúc) và việc sử dụng lại tần số gây ra nhiễu trùng tần số (C/I) nên
vấn đề khó khăn đặt ra cho các nhà khai thác dịch vụ ở các thành phố lớn tập trung
thuê bao với mật độ lớn là làm thế nào để đáp ứng dung lượng khách hàng mà
không làm suy giảm chất lượng dịch vụ.


23

V. KẾT LUẬN VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN
5.1 Kết luận

Sự ra đời của GSM đã đặt nền móng phát triển của các công nghệ tiên tiến mở ra
cơ hội phát triển cho các dịch vụ gia tăng. Các kho ứng dụng trực tuyến, các ứng
dụng qua qua di động như: thanh toán qua di động, Mobile TV, các dịch vụ mạng
xã hội trên di động… cũng sẽ phát triển mạnh. Và doanh thu từ các ứng dụng và
quảng cáo qua di động theo dự báo của hãng nghiên cứu thị trường Juniper
Research sẽ tăng từ mức 2 triệu USD vào năm 2010 lên 732 triệu USD vào năm
2014.
5.2 Khuynh hướng phát triển
Viễn thông là một trong số ít những ngành vẫn giữ được đà tăng trưởng khi nền
kinh tế suy thoái. Trong khi điện thoại cố định đang phát triển cầm chừng, thậm chí
phát triển âm tại một số khu vực thì các dịch vụ di động và dữ liệu ngày càng phát
triển mạnh mẽ. Trong bối cảnh như vậy, việc có đầu tư phát triển 3G với vốn đầu
tư khá lớn hay không đang trở thành vấn đề cho nhiều nhà mạng trên thế giới.
+ HSPA tiếp tục là công nghệ băng rộng di động chủ đạo
HSPA (công nghệ truy nhập gói tốc độ cao) gồm có hai giao thức băng rộng di
động, gọi là HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access: Truy cập gói Đường
xuống tốc độ cao) và HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access: Truy cập Gói
Đường lên tốc độ cao), vận hành trên các thiết bị 3G. HSDPA dùng trong các thiết
bị cầm tay 3G hiện nay có thể tải (download) dữ liệu với tốc độ 7Mbps, do các
hãng như AT&T, Samsung và Vodafone phát triển.
Tính đến thời điểm nay các mạng HSPA đã đạt hơn 125 triệu thuê bao tại 107 quốc
gia, trong khi đó đối thủ của HSPA là WiMAX theo dự báo đến năm 2014 cũng


24

mới chỉ đạt 75 triệu thuê bao. Điều đó khẳng định HSPA sẽ tiếp tục là công nghệ
băng rộng di động chủ đạo trong 5 năm tới.
Theo một công bố mới đây của Hiệp hội GSM, hiện có 245 nhà cung cấp đang sử
dụng công nghệ HSPA, và 65 nhà mạng khác đang trong giai đoạn thử nghiệm,

hoặc đang được triển khai. Trung bình một tháng có thêm khoảng bốn triệu kết nối
dịch vụ và hơn 1.380 thiết bị đầu cuối lựa chọn công nghệ này từ 134 nhà cung cấp
khác nhau trên toàn thế giới.
Một nghiên cứu của Juniper Research đã khẳng định HSPA sẽ là công nghệ băng
rộng di động "chiếm lĩnh" thị trường này trong 5 năm tới và sẽ chiếm gần 70%
tổng số thuê bao băng rộng di động. Trong khi đó, một nghiên cứu khác của
Informa Telecoms & Media dự đoán rằng HSDPA sẽ chiếm 65% của các thuê bao
băng rộng di động 3,5G trên khắp thế giới với 2,8 tỉ thuê bao vào năm 2014.
Pringle cũng đưa ra nhận định rằng HSPA sẽ là công nghệ băng rộng di động
chiếm lĩnh trong ít nhất là 5 năm tới, sau đó nó có thể bị bắt kịp bởi các công nghệ
4G như LTE.
+ Bùng nổ lưu lượng dữ liệu
Theo dự báo của Telecom Informa, trong khi dữ liệu thoại tăng chậm, thuê bao cố
định phát triển chững lại thì thuê bao di động tiếp tục bùng nổ, kéo theo lưu lượng
dữ liệu tăng với tốc độ chóng mặt.
Lưu lượng dữ liệu qua mạng đến năm 2012 được dự báo là sẽ tăng gấp 25 lần so
với cuối năm 2008 kéo theo doanh thu từ dữ liệu cũng tăng gấp 2 lần. Đồng thời sự
tham gia thị trường của các công nghệ mới như LTE sẽ tạo động lực cạnh tranh và
làm cho giá cước trên 1 Mb dữ liệu giảm từ 0,6 Euro xuống chỉ còn 0,1 Euro vào
năm 2012.
Sự phát triển bùng nổ về dữ liệu kéo theo sự tăng trưởng ấn tượng về doanh thu
của các nhà mạng sẽ trở thành động lực chính thúc đẩy các nhà mạng này triển
khai các công nghệ mới mà điển hình là Femtocell. Femtocell có thể giúp các nhà
khai thác di động giảm chi phí khai thác (OPEX) cũng như tăng hiệu quả cho các
chi phí đầu tư ban đầu trong các giải pháp phân phối tài nguyên vô tuyến tại những
nơi như hộ gia đình, văn phòng.


25

+ Thuê bao 3G sẽ chiếm gần 50% thị phần
Tính tới tháng 9/2009 theo số liệu thống kê của hiệp hội GSM có khoảng 571 triệu
thuê bao 3G (cả CDMA/EV-DO và UMTS/HSPA) trong tổng số 4,6 tỉ thuê bao di
động trên toàn cầu, chiếm khoảng 12%. Tuy nhiên theo dự báo của Informa thì
trong giai đoạn từ 2009-2014, tốc độ phát triển thuê bao 3G sẽ đạt trung bình trên
50% một năm và đến cuối năm 2014 sẽ đạt mốc 3,2 tỉ thuê bao, chiếm khoảng 46%
thị phần thuê bao di động trên toàn cầu. Đây được cho là giai đoạn phát triển ấn
tượng của các thuê bao 3G và là giai đoạn tiền đề để 3G chính thức chiếm lĩnh thị
trường di động từ năm 2015.

Hình 1.9 : Công nghệ GSM đang chiếm 88.11% thị phần là tiền đề cho sự chiếm lĩnh thị
trường 3G của công nghệ UMTS/HSPA (Nguồn: Informa & Media)

Tuy nhiên sự phát triển của thuê bao 3G chủ yếu chỉ tập trung ở công nghệ
UMTS/HSPA với khoảng 2,8 tỉ thuê bao, chiếm 84% số thuê bao 3G. Điều này
được cho là khá dễ hiểu bởi vì số lượng thuê bao 3G mới là không nhiều mà chủ
yếu là chuyển từ thuê bao 2G lên 3G, trong khi đó công nghệ GSM – công nghệ để
phát triển lên 3G UMTS/HSPA hiện đang chiếm tới 80,11% thị phần.