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

4. Kỹ thuật phân tập và Kết hợp
• Phân tập:

Kết hợp:

- Phân tập không gian

- Selective combining

- Phân tập tần số

- Switched combining

- Phân tập phân cực, gốc
- Phân tập thời gian
- Phân tập đa đường

- Maximal ratio
combining
- Equal gain combining
- Base band combining

1


• Phân tập không gian (dùng 2 anten thu đặt cách xa nhau)
Khoảng cách để tương quan biên độ giảm ½ là:
∆d c ≈

9λ
≈ 0.18λ

16π

Δd ≥ 0.5λ

Với hệ thống di động thì thường đánh giá độ tương quan thông
qua hệ số

η=

antenna height
h
=
antenna separation d

Để độ tương quan nhỏ hơn 0.7 thì η = 11

2


• Selective combining

Rx

• Switched combining

Rx

Measure
SNR

Compare
Receiver

Threshold

Measure
Receiver

Level
3


• Maximal Ratio combining
Rx

• Equal Gain Combining

Rx
Rx

Rx

Φ
Detect
Phase

Φ
Detect
Phase

Measure
r/N

Measure
r/N

Receiver
Receiver

4


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
5


• 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

6


• Cấu trúc của hệ thống GSM

• SS - Switching Subsystem
• BSS - Base Station Subsystem
• OSS - Operation and Support Subsystem

AuC

Authentication Center

VLR

Visitor Location Register

HLR

Home Location Register

EIR

Equipment
Register

MSC

Mobile services Switching
Center

GMSC

Gateway MSC

BTS

Base Transceiver Station

BSC

Base Station Controller

MS

Mobile Station

OMC

Operation and
Maintenance Center

NMC

Network
Center

Identity

Management

7


• BSS - Hệ thống con trạm gốc: tạo vùng phủ sóng phục vụ cho thuê
bao di động và truyền dẫn tín hiệu
- MS (Mobile Station)
+ ME (Mobile Equipment) IMEI
+ SIM (Subscriber Identity Module)
# 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

8


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,…
10


• 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

11


• GSM dưới cấu trúc lớp và các giao thức
CM
MM

RR
Tx
MS
BTS
BSC
MSC
- 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
12

- 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
GSM900 và DCS1800. Mỗi dải tần được chia thành nhiều kênh tần số
(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
890 MHz

915 MHz

Hướng lên

25 MHz

935 MHz

960 MHz

Hướng xuống

25 MHz

45 MHz

GSM900 có 124 kênh tần số

13


- DCS1800 làm việc trong dải tần 1710 – 1880MHz và được phân
bố như sau
1710MHz

Hướng lên

1785MHz

1805MHz

1880MHz

Hướng xuống

75 MHz

75 MHz

95 MHz

DCS1800 có 374 kênh tần số
890

898.3

906.7

915

Vinafone

1710

1735

935

943.3

Viettel

1760

1785

951.7

960

Mobifone

1805

1830

1855

1880

14


• 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)

TS0 TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 TS7

Khe thời gian 577µs (một kênh vật lý)
Một kênh tần số có 8 kênh vật lý

15

• Kênh logic: tùy theo nội dung được truyền trên kênh vật lý mà ta có
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
16 sát

truyền dữ liệu giữa MS và BTS)


+ Nhóm kênh BCH (FCCH, SCH, BCCH):
- Kênh hiệu chỉnh tần số FCCH (Frequency Correction Channel), hướng
xuống, hiệu chỉnh tần số cho các MS.
- 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
xuống, phát quảng bá các bản tin hệ thống, bản tin của cell.
+ 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 17
xuống, để chỉ định một kênh SDCCH.


+ Nhóm kênh DCCH (SDCCH, SACCH):
- Kênh điều khiển riêng chuẩn SDCCH (Standalone Dedicated
Control Channel), hướng lên và hướng xuống, dùng dành bào hiệu
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
Control Channel), hướng lên và hướng xuống, dùng kết hợp với
một kênh TCH hay SDCCH để mang thông tin đo lường, điều
khiển công suất,…
- Kênh điều khiển kết hợp nhanh FACCH (Fast Associated
Control Channel), hướng lên và hướng xuống, mang các thông tin
cấp bách như yêu cầu chuyển giao, được dùng kết hợp với TCH
bằng cách lấy bớt một số bit
18


• Cấu trúc khung và đa khung trong GSM
+ Tổ chức cụm (burst), mỗi user truyền dữ liệu trong một khe thời gian
và được tổ chức với nhiều dạng cụm khác nhau
1 time slot = 156.25 bit durations
Normal
Burst

3 Start

bits

FCCH
Burst

3 Start
bits

SCH
Burst

3 Start
bits

39 encrypted bits

RACH
Burst

3 Start
bits

41 synchronization
bits

Dummy
Burst

3 Start
bits

58 mixed
bits

58 encrypted bits

26Training
bits

58 encrypted bits

142 fixed bits of zeroes

64Training
bits

39 encrypted bits

36 encrypted bits

26Training
bits

3 Stop
bits
58 mixed
bits

3 Stop
bits

8.25 Guard
Period

3 Stop
bits

8.25 Guard
Period

3 Stop
bits

8.25 Guard
Period

68.25 bits extended
Guard Period
3 Stop
bits

8.25 Guard
Period

19


+ Cấu trúc đa khung
1 Hyperframe = 2048 Superframes

1 Superframe = 51 Multiframes

1 Multiframe = 26 Frames

1 Frame = 8 time slots

1 time slot
3 Start
bits

58 encrypted bits

26Training
bits

58 encrypted bits

3 Stop
bits

8.25 Guard
Period

20


• 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
21
trong hình sau


50/53
encode
Input
Speech

RPE-LTP
Encoding

4 tail bits
and ½ conv.
encode

Interleaving

Encryption

Burst
assembly

MOD
VAD

Comf
Noise

50/53
decode
Output
Speech

RPE-LTP
Decoding

DEMOD
4 tail bits
and ½ conv.
decode

Deinterl
eaving

Decryption

Burst
disassembly

22


- 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.

23


Input
Speech

VSELP
Encoding

95+3CRC
+6 tail
bits mux

1/3 conv.
Encode and
punctured

Interleaving

Encryption

Burst
assembly

MOD
VAD

Comf
Noise

Output
Speech

VSELP
Decoding

95 +3CRC
6 tail bits
demux

DEMOD
1/3 conv.

with
punctured
Decode

Deinterl
eaving

Decryption

Burst
disassembly

24


• Kỹ thuật mã hoá tiếng (speech coding)
Speech Coders

Waveform Coders

Time domain

Source Coders

Frequency domain

LPC

Vocoders

LPC – Linear Predictive Coder

Non-differential

PCM

Differential

DELTA

ADPCM

SBC

ATC

DPCM – Differential PCM

CVSDM

APC

CVSDM – Continuously Variable Slope Delta
Modulation
APC– adaptive Predictive Coding
SBC – Sub-Band Coding

25