Hệ thống thông tin di động GSM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM

HÀ NỘI
Tháng 07 năm 2016


MỤC LỤC
I. Lịch sử phát triển ..................................................................................................................... 2
II. Thông số kỹ thuật cơ bản của GSM ....................................................................................... 4
III. Cấu trúc GSM........................................................................................................................ 5
a. SS: ........................................................................................................................................ 5
b. Bộ ghi định vị thường trú HLR ........................................................................................... 6
c. Bộ ghi định vị tạm trú VLR ................................................................................................. 6
d. Trung tâm nhận thực AUC .................................................................................................. 6
e. Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR ...................................................................................... 7
f. Phân hệ trạm gốc BSS .......................................................................................................... 7
g. Trạm thu phát gốc BTS ....................................................................................................... 8
h. Bộđiều khiển trạm gốc BSC ................................................................................................ 8
i. Bộ chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU ..................................................................... 8
k. Trạm di động MS (Mobile Station) ..................................................................................... 8
IV. Nguyên Lý Hoạt động của GSM ........................................................................................ 10
V. Tổ chức kênh và cụm trong GSM ........................................................................................ 11
VI. Giao diện vô tuyến .............................................................................................................. 16
1. Mã hóa thoại ...................................................................................................................... 16
2. Mã Hóa Kênh..................................................................................................................... 18
3. Sự cài xen .......................................................................................................................... 19
4. Chuyển giao – Handover HO ............................................................................................ 20
5. Tái sử dụng tần số trong GSM........................................................................................... 21

6. Can nhiễu kênh chung trong GSM .................................................................................... 22
7. Lưu lượng trong mạng GSM ............................................................................................. 22
VII. Quy hoạch ô ở GSM .......................................................................................................... 24
VIII. Thí dụ về tính toán kích cỡ kênh ở GSM ......................................................................... 27
1. Tính toán kích cỡ cho các kênh ở GSM ............................................................................ 27
a. Tính toán kích cỡ kênh SDCCH .................................................................................... 27
b. kênh CCCH .................................................................................................................... 30
c. tính toán kích cỡ kênh CCCH ........................................................................................ 31

Page | 1


I. Lịch sử phát triển
Quá trình phát triển của mạng thông tin đã trải qua các giai đoạn sau:
- Giai đoạn thứ nhất: Sau 1946, khả năng phục vụ nhỏ, chất lượng không cao,
giá cả dắt.
Giai đoạn thứ hai: Từ 1970 – 1979, cùng với sự phát triển của các thiết bịđiện
tử tổ hợp cỡ lớn và các bộ vi xử lý, ta có thể thực hiện được 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 được chia thành một vài trạm nhận cho một trạm phát.
Giai đoạn thứba: Từ1979 -1990, là mạng tổ ong tương tự. Các trạm thu phát
được 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): được đưa vào hoạt động tại Mỹ
năm 1979.
+NMT (Nordic Mobile Telephone): là hệ thống của các nước Bắc Âu vàđược
đưa vào sử dụng vào tháng 12/1981.
+TACS (Total Access Communication System): được đưa vào phục vụ tại
Vương quốc Anh năm 1985.
Tất cả các mạng trên dựa trên mạng truyền điện thoại tương tự băng điều chế

tần số. Chúng sử dụng tần số 450 hoặc 900 Mhz. Vùng phủ sóng của nó chỉở
mức quốc gia và phục vụđược vài trăm thuê bao. Hệ thống lớn nhất ở Anh là
TACS đạt hơn một triệu thuê bao vào năm 1990.
Giai đoạn thứ tư: Từđầu những năm 1980, sau khi các hệ thống NMT đã hoạt
động thành công thì nó cũng biểu hiện một số hạn chế: yêu cầu cho dịch vụ di
Page | 2


động quá lớn vượt qua con số mong đợi của các nhà thiết kế hệ thống nên hệ
thống này không đáp ứng được. 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 nước nào có thểđáp ứng được vì vốn đầu tư
quá lớn. Tất cả những hạn chế trên dẫn đến một nhu cầu làphải thiết kế một hệ
thống loại mới được làm theo kiểu chung để có thể dùng cho nhiều nước.
Hiện nay, các hệ thống thông tin di động đang tiến tới thế hệ thứ ba. Ở 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 vụở tốc độ lên đến 2Mbit/s.
**Lịch sử phát triển ở việt nam
Việt Nam, 1993 đưa vào hệ thống GSM: GSM – GPRS – EDGE
Nhà khai thác: VMS (Vietnam Mobile Services) – Mobifone
Nhà khai thác: GPC – Vinaphone
Nhà khai thác: Viettel – Viettel
Các mạng dựa trên công nghệ CDMA: cdma2000 1x – cdma2000 EV-DO
Nhà khai thác SPT (Saigon Post and Telecommunications) – Sfone
Nhà khai thác EVN – E-mobile
Nhà khai thác HT – HT mobile (Hiện đang chuyển sang công nghệ GSM)

Page | 3

II. Thông số kỹ thuật cơ bản của GSM
Phổ tần RF
GSM 900
Đường lên (MS => BTS)

: 890-915 Mhz;

Đường xuống (BTS =>MS : 935-960 Mhz
Độ rộng băng tần

: 2* 25 Mhz

GSM 1800
Đường lên (MS=>BTS

: 1710-1785 Mhz

Đường xuống (BTS => MS) : 1805-1880 Mhz
Độ rộng băng tần

: 2* 75 Mhz

Page | 4


III. Cấu trúc GSM
Một hệ thống GSM có thểđược chia thành nhiều phân hệ sau đây:
 Phân hệ chuyển mạch
(SS: Switching Subsystem)

 Phân hệ trạm gốc
(BSS: Base Station Subsystem)
 Phân hệ khai thác
(OSS: Operation Subsystem)

ISDN

SS

AUC

VLR

HLR

PSPD
N

EIR

MSC

OSS

BSC

CSPD
PSTN
N

BTS

PLMN

 Trạm di động
MS

(MS: Mobile Statio

Hình hệ thống GSM

a. SS:
quản lý thông tin giữa những người sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng
khác.Hệ thống con chuyển mạch SS bao gồm các khối chức năng sau:
 Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động (MSC: Mobile Services
 Switching Center).
 Bộ ghi định vị tạm trú (VLR: Visitor Location Register)
 Bộ ghi định vị thường trú (HLR: Home Location Register)
 Trung tâm nhận thức (AUC: AuthenticationCenter)
 Bộ nhận dạng thiết bị (EIR: Equipment Identity Register)
 Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động cổng (GMSC:
GatewayMobileServicesSwitchingCenter)
 Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động cổng MSC
Page | 5


Nhiệm vụ chính của MSC làđiều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những
người sử dụng mạng GSM.Một mặt MSC giao tiếp với phân hệ BSS, mặt
khác nó giao tiếp với mạng ngoài. MSC làm nhiệm vụ giao tiếp với mạng
ngoàiđược gọi là MSC cổng

b. Bộ ghi định vị thường trú HLR
Là cơ sở dữ liệu quan trọng nhất của mạng GSM, lưu trữ các số liệu vàđịa chỉ
nhận dạng cũng như các thông số nhận thực của thuê bao trong mạng. Các
thông tin lưu trữ trong HLR gồm: nhận dạng thuê bao IMSI, MSISDN, VLR
hiện thời, trạng thái thuê bao, khoá nhận thực và chức năng nhận thực, số lưu
động trạm di động MSRN.HLR chứa những cơ sở dữ liệu bậc cao của tất cả các
thuê bao trong GSM. Những dữ liệu này được truy nhập từ xa bởi các MSC và
VLR của mạng
c. Bộ ghi định vị tạm trú VLR
VLR là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng GSM. Nóđược nối với 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 vàđồng thời lưu giữ số liệu
về vị 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.
d. Trung tâm nhận thực AUC
AUC quản lý các thông tin nhận thực và mật mã liên quan đến từng cá nhân
thuê bao dựa trên một khoá nhận dạng bí mậtđểđảm bảo toàn số liệu cho các
thuê bao được phép. Khoá này cũng được lưu giữ vĩnh cửu và bí mật trong bộ
nhớở MS. Bộ nhớ này có dang Simcard có thể rút ra và cắm lại được. AUC có
thểđược đặt trongHLR hoặc MSC hoặc độc lập với cả hai.Khi dăng ký thuê
bao, khoá nhận thựcđược ghi nhớ vào Simcard của thuê bao cùng với IMSI của
Page | 6


nó. Đồng thời khoá nhận thực cũng được lưu giữở trung tâm nhận thực AUC để
tạo ra bộ ba thông số cần thiết cho quá trình nhận thực và mật mã hoá:
 Số ngẫu nhiên RAND
 Mật khẩu SRES
 Khoá mật mã
e. Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR

Quản lý thiết bị di động được thực hiện bởi bộđăng ký nhận dạng thiết bị EIR.
EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến phần thiết bị di động ME của trạm
di động MS. EIR được nối với MSC thông qua đường báo hiệu để kiểm tra
sựđược phép của thiết bị bằng cách so sánh tham số nhận dạng thiết bị di động
quốc tế IMEI (International Mobile Equipment Identity) của thuê bao gửi tới
khi thiết lập thông tin với số IMEI lưu giữ trong EIR phòng trường hợp đây là
những thiết bịđầu cuối bịđánh cắp, nếu so sánh không đúng thì thiết bị không
thể truy nhập vào mạng được.
f. Phân hệ trạm gốc BSS
BSS thực hiện nhiệm vụ giám sát các đường ghép nối vô tuyến, liên kết kênh vô
tuyến với máy phát và quản lý cấu hình của các kênh này. Đó là:
- Điều khiển sự thay đổi tần số vô tuyến của đường ghép nối (Frequency
Hopping) quá trình chuyển giao Handover.
- Thực hiện bảo và sự thay đổi công suất phát vô tuyến.
- Thực hiện mã hoá kênh và tín hiệu thoại số, phối hợp tốc độ truyền thông
tin.
- Quản lý
- mật kênh vô tuyến.
Page | 7


- Phân hệ BSS gồm hai khối chức năng: bộđiều khiển trạm gốc (BSC: Base
Station Controller) và các trạm thu phát gốc (BTS: Base Transceiver
Station).
g. Trạm thu phát gốc BTS
Một BTS bao gồm các thiết bị phát thu, anten và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao
diện vô tuyến.BTS có các chức năng sau:
- Quản lý lớp vật lý truyền dẫn vô tuyến
- Quản lý giao thức cho liên kết số liệu giữa MS và BSC
- Vận hành và bảo dưỡng trạm BTS

- Cung cấp các thiết bị truyền dẫn và ghép kênh nối trên giao tiếp A-bis
h. Bộđiều khiển trạm gốc BSC
BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến qua các lệnh điều khiển từ
xa BTS và MS.
i. Bộ chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ TRAU
Trong GSM, tín hiệu thoại trên giao diện vô tuyến được mã hoáở tốc độ
13Kbps sử dụng mã hoá tiền định tuyến LPC. Để thích ứng tốc độ này các tốc
độ mạng hội thoại cốđịnh PSTN cần có bộ chuyển đổi mã TRAU để chuyển đổi
giữa 13Kbps PCM giữa MS và MSC. TRAU có thểđược đặt tại BTS, BSC hoặc
tại MSC. Để giảm thiểu chi phí truyền dẫn, thường TRAU đặt ở MSC. Khi đó
cần thêm báo hiệu bổ xung vào tiếng thoại 13Kbps để truyền thông tin điều
khiển từ bộ chuyển đổi mã từ xa dặt ở BTS đến TRAU
k. Trạm di động MS (Mobile Station)
Máy di động MS gồm hai phần: Module nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber
Identity Module) và thiết bị di động ME (Mobile Equipment).Đểđăng ký và
Page | 8


quản lý thuê bao, mỗi thuê bao phải có một bộ phận gọi là SIM. SIM là một
module riêng được tiêu chuẩn hoá trong GSM. Tất cả các bộ phận thu, phát, báo
hiệu tạo thành thiết bị ME. ME không chứa các tham số liên quan đến khách
hàng, mà tất cả các thông tin này được lưu trữ trong SIM. SIM thường được chế
tạo bằng một vi mạch chuyên dụng gắn trên thẻ gọi là Simcard. Simcard có thể
rút ra hoặc cắm vào MS.
Phân hệ khai thác OSS: Phân hệ khai thác OSS thực hiện ba chức năng chính
sau: Khai thác và bảo dưỡng mạng, Quản lý thuê bao, Quản lý thiết bị di động

Page | 9

IV. Nguyên Lý Hoạt động của GSM
Đa truy nhập vô tuyến ở GSM sử dụng phương pháp 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
rộng là 15/26 ms ở trong một kênh tần số có độ rộng 200KHz nói trên.
Sơ đồ mô tả cách kết hợp FDMA và TDMA (hình 1)

Mỗi 1 kênh tần số cho phếp tổ chức các khung truy nhập theo thời gian,mỗi
khung bao gồm 8 khe thời gian từ 0-7
Phân bố tần số ở GSM được quy định nằm trong dải tần 890-960 MHz,bao gồm
125 kênh đánh số từ 0-124.kênh 0 dành cho khoảng bảo vệ nên không được sử
dụng
Để cho các kênh lân cận không gây nhiễu cho nhau mỗi BTS phủ một tế bào
của mạng phải sử dụng các tần số cách xa nhau và các ô sử dụng các tần số
giống nhau hoặc gần nhau cũng phải xa nhau
GSM sử dụng sơ đồ điều chế GMSK
Page | 10


V. Tổ chức kênh và cụm trong GSM
 Kênh vật lý là một khe thời gian ở một sóng mang vô tuyến để truyền tải
thông tin
- Đối với hệ thống TDMA GSM 900:
890 ÷ 915 MHz cho đường lên (MS BTS).
935÷960 MHz cho đường xuống (BTS MS).
Dải thông tần kênh vật lý là 200KHz. Mỗi dải thông tần kênh là một khung
TDMA gồm 8T . Mỗi khe sẽ được cấp phát cho 1 người dùng.
s

Dải tần bảo vệ ở biên cũng rộng 200KHz

 Một kênh người dùng tương đương
Nếu MS được cấp khe 1 thì nó chỉ phát trong khe 1 và không phát ở 7 khe
còn lại trong khung. Một khe thời gian dài 577µs, một khung TDMA dài 8 x 577µs
= 4,616ms. Sự đóng ngắt đều đặn theo chu kỳ khung của máy phát gọi là burst.

6

7

0

1

2

3

4

5

6

7

0

1

Khung TDMA 4,615ms

 Về mặt thời gian, các kênh vật lý ở một dải thông tần vô tuyến được tổ
chức theo cấu trúc khung, đa khung, siêu khung và siêu siêu khung.Một
h

’

”

siêu siêu khung có độ dài 3 28 53 760.Một siêu siêu khung có 2048 siêu
khung.
Một siêu khung chia thành các đa khung:
Đa khung 26 khung có độ dài 120ms
(dùng cho kênh TCH, SACCH và FACCH)

Page | 11


Đa khung 51 khung có độ dài 235,4ms(dùng cho kênh BCCH, CCCH và
SACCH)
 vô tuyến rất chặt chẽ Sự phát xạ xung.
Vì MS chỉ phát trong một khe T và chờ trong 7 khe còn lại của một khung nên
s

yêu cầu đóng ngắt năng lượng tần số.
 Sự sớm định thời.
Trong một cell, d

MS  BTS

là khác nhau nên trễ và suy hao của MS sẽ khác

nhau.Kỹ thuật TDMA dựa vào sự định thời thích ứng đối với sự phát burst để
tránh xung đột. BTS đo trễ truyền dẫn của mọi MS và phát lệnh cho từng MS
phát càng sớm nếu d

MS  BTS

càng xa sao cho tín hiệu mà BTS thu nhận được từ

các MS trong cell ở đúng khe thời gian  gọi là sự sớm định thời.
Sự sớm định thời.Trong một cell, d

MS  BTS

là khác nhau nên trễ và suy hao của

MS sẽ khác nhau. Kỹ thuật TDMA dựa vào sự định thời thích ứng đối với sự
phát burst để tránh xung đột. BTS đo trễ truyền dẫn của mọi MS và phát lệnh
cho từng MS phát càng sớm nếu d

MS  BTS

càng xa sao cho tín hiệu mà BTS thu

nhận được từ các MS trong cell ở đúng khe thời gian  gọi là sự sớm định thời.
 Cụm - Burst
Khuôn mẫu tin tức ở một khe thời gian được gọi là một cụm. Cụm (burst) là
khái niệm trung gian giữa kênh vật lý và kênh logic. Có các cấu trúc cụm khác
nhau để truyền các loại dữ liệu khác nhau:

- Cụm bình thường NB.
- Cụm truy nhập AB.
- Cụm hiệu chỉnh tần số FB.
- Cụm đồng bộ SB.
 Cụm bình thường NB (Normal Burst)
Page | 12


Bit đuôi T là khoảng thời gian phòng vệ tương ứng đầu và đuôi của busrt. Các
bit T đều là bit 0.Dữ liệu được mã hóa 2 x 58bit, bao gồm dữ liệu người dùng
và các bit thêm vào trong quá trình mã hóa kênh.Khoảng phòng vệ GP là thời
gian sườn xung burst. Trong khoảng GP không phát dữ liệu. Con số GP =
8,25bit hiểu là khoảng thời gian này dài tương đương 8,25bit x 3,69µs/bit =
30,4µs.Cờ lấy lén S: lưu lượng bao gồm dữ liệu người dùng và dữ liệu báo hiệu.
Dữ liệu người dùng còn gọi là lưu lượng và dữ liệu báo hiệu gọi là báo hiệu.
Khi cần, NB thay thế lưu lượng bằng báo hiệu. Cờ lấy lén S chỉ rõ dữ liệu mã
hóa là báo hiệu hay lưu lượng:
Nếu SF = 0  bán cụm 57 bit đầu là dữ liệu hoặc lưu lượng.
Nếu SF = 1bán cụm 57 bit đầu là báo hiệu. Chuỗi hướng dẫn TS (Training
Sequence – 26 bit) là chuỗi bit cố định được MS và BTS biết trước. Có 8 chuỗi
khác nhau trong GSM. Các MS trong một cell dùng chung một TS đặc trưng
cho cell đó. Chuỗi này được lựa chọn sao cho duy nhất và không thể nhầm lẫn
với các dữ liệu khác trong burst
 Cụm truy cập AB (Access Burst)
Sự định thời chính xác chỉ đạt được khi MS đã hoàn thành truy cập. AB phục
vụ cho MS truy cập mạng nên nó chỉ phù hợp với điều kiện chưa có định thời
chính xác. Khi truy cập, MS phát AB một cách ngẫu nhiên. AB là một burst
ngắn (88 bit dữ liệu), nên dù MS ở xa nhất thì sườn sau của AB cũng không thể
trùng với bất kỳ burst nào khác. AB dùng cho RACH và TCH.
Chuỗi đồng bộ burst thực chất là TS nhưng dài hơn, đến 41 bit. Trong điều kiện

truy cập, bộ hiệu chỉnh ở máy thu cần nhiều tin tức và thời gian hơn để đạt đến
thu tối ưu.Khoảng phòng vệ GP của AB dài đến 68,25 bit: 68,25bit x
3,69µs/bit =252µs = 2R/cR≈37,75km
 Cụm hiệu chỉnh tần số FB (Frequency Burst).
Page | 13


FB dùng để đồng bộ tần số cho MS theo chuẩn của hệ thống. Cụm chứa 124 bit
cố định bằng 0 để tạo ra dịch tần số + 67,7KHz trên tần số danh định. Ba bit
đuôi (0, 0, 0) đầu, cuối và khoảng bảo vệ 8,25bit. FB được sử dụng cho FCCH.
 Cụm đồng bộ SB (Synchronous Burst).
BTS phát SB để báo cho MS biết chìa khóa khởi động sự truy cập vào mạng.
SB được sử dụng cho SCH. Ngoài chuỗi hướng dẫn dài 64 bit để bộ hiệu chỉnh
máy thu đạt đến thu tối ưu thì SB còn có các nội dung sau:
Số khung TDMA dạng rút gọn
BSIC = BCC + NCC
 Kênh logic là khái niệm cấu trúc khung để truyền đưa từng loại tin
tức: Kênh logic được đặc trưng bởi thông tin truyền giữa BTS và MS.
Các kênh logic được đặt vào các kênh vật lý.
- cấu trúc khung
Tin tức các loại (lưu lượng và báo hiệu) được sắp đặt có trật tự trước khi
được ánh xạ vào khe thời gian. Các khung được tổ chức thành cấu trúc của tổ hợp
các kênh logic nhất định sao cho máy thu có thể nhận biết và phân loại dữ liệu đã
truyền với sai lỗi và trễ tối thiểu.Có 7 tổ hợp kênh logic được đánh số La Mã. Mỗi
tổ hợp kênh logic yêu cầu một kênh vật lý riêngKỹ thuật TDMA tạo ra 8 kênh vật
lý (8 khe) trên một sóng mang. Vậy có thể đặt các tổ hợp kênh khác nhau vào một
sóng mang.Cấu trúc khung TDMA biểu thị trật tự khe thời gian trên một sóng
mang. Cấu trúc đa khung biểu thị trật tự các kênh logic trong các khe thời gian từ
một số cố định các khung TDMA.
Đa khung 26 khung TDMA dùng cho tổ hợp TCH

Đa khung 51 khung dùng cho tổ hợp CCH.
tổ hợp kênh logic:
I.
II.

TCH/FS + FACCH/FS + SACCH/FS
1kênh bán tốc TCH/HS(0,1) + FACCH/HS(0,1) + SACCH/HS(0,1)
Page | 14


III.

2kênh bán tốc TCH/HS(0) + FACCH/HS(0) + SACCH/HS(0) +
TCH/HS(1) + FACCH/HS(1) + SACCH/HS(1)

IV.
V.
VI.
VII.

FCCH + SCH + CCCH + BCCH
FCCH+SCH+CCCH+BCCH+SDCCH/4 + SACCH/4
CCCH + BCCH
SDCCH/8 + SACCH/8 (1 khe phục vụ 8 MS)

Page | 15


VI. Giao diện vô tuyến
1. Mã hóa thoại

GSM Yêu cầu đối với mã hóa thoại.
- Độ dư nội tại của thoại phải lọc bỏ. Sau mã hóa chỉ giữ lại tin tức tối
thiểu đủ để khôi phục thoại ở máy thu.
- Bảo đảm chất lượng truyền thoại đến R .
x

- Ngừng phát vô tuyến khi không tích cực thoại trong quá trình đàm thoại.
Đây là chức năng phát gián đoạn (DTX – Discontinuous transmission).
DTX giảm bớt lưu lượng và can nhiễu, đồng thời giảm yêu cầu về nguồn.

Quá trình mã hóa thoại.
ADC lấy mẫu với chu kỳ và lượng tử hóa đều 13 bit/mẫu. Tốc độ bit tại DAI:
8000mẫu/s x 13bit/mẫu = 104Kbit/s
CODEC sẽ tiến hành mã hóa thoại lại theo kiểu VOCODER để loại bỏ tối đa độ
dư trong thoại. Nguyên lý VOCODER là mô hình phát âm được xác định trước

Page | 16


ở cả phía phát và phía thu thoại. Bên thu chỉ cần nhận đủ những đặc trưng của
thoại theo yêu cầu là có thể tái tạo lại tín hiệu.
LPC (Linear predictive Coding) – RPE (1).
Là nguyên lý giảm độ dư thoại dựa vào đặc tính tương quan ngắn 1ms giữa các
mẫu. Mỗi cửa sổ 20ms của thoại (có 160 mẫu) được lưu vào bộ nhớ và phân
tích để đưa ra 8 hệ số bộ lọc và thông số tín hiệu kích theo yêu cầu của mô hình
phát âm.160 mẫu trong một cửa sổ được chia thành 4 nhóm: 40 mẫu cho mỗi
nhóm 5ms. Một nhóm lại phân thành 4 chuỗi:

Bằng thuật toán chọn chuỗi có năng lượng lớn nhất đại diện cho nhóm sẽ giảm đợt
đầu độ dư thoại.

Page | 17


Phân tích LTP (Long Term Prediction) (1).
LTP giảm độ dư thoại dựa vào tương quan dài. Bộ nhớ lưu 4 chuỗi đại diện cho
4 nhóm của một cửa sổ. Thuật toán chọn chuỗi đại diện cho cửa sổ theo nguyên
tắc “Chuỗi của cửa sổ xét phải gần giống với chuỗi đại diện cho cửa sổ trước”.
Dòng bit mang thông tin thoại truyền đến máy thu có con trỏ cho biết chuỗi của
nhóm nào được chọn và thông số thay đổi giữa chuỗi của cửa sổ này với chuỗi
của cửa sổ trước.LTP giảm độ dư thoại dựa vào tương quan dài. Bộ nhớ lưu 4
chuỗi đại diện cho 4 nhóm của một cửa sổ. Thuật toán chọn chuỗi đại diện cho
cửa sổ theo nguyên tắc “Chuỗi của cửa sổ xét phải gần giống với chuỗi đại
diện cho cửa sổ trước”.Dòng bit mang thông tin thoại truyền đến máy thu có
con trỏ cho biết chuỗi của nhóm nào được chọn và thông số thay đổi giữa chuỗi
của cửa sổ này với chuỗi của cửa sổ trước.Sau lần giảm độ dư thoại này, sẽ
được kết quả là 260bit/20ms, tức là 13Kbit/s = 1/8 tốc độ thoại ở DAI.
Sau khi mã hóa thoại, dòng thoại đầu ra của CODEC đã được mã hóa thoại đặc
thù cho môi trường di động. Sau đó, nó sẽ được mã hóa kênh nhằm tạo điều
kiện sửa sai lỗi truyền dẫn qua môi trường vô tuyến.
2. Mã Hóa Kênh
Mã hoá kênh được sử dụng để phát hiện và hiệu chỉnh lỗi trong luồng bit thu để
giảm tỉ số bit lỗi BER. Trong các hệ thống thông tin di động, sử dụng hai dạng
mã hoá kênh khác nhau:
- Mã khối tuyến tính (phát hiện lỗi).
- Mã xoắn (sửa lỗi).
Trong phần mã hóa thoại, đầu ra của CODEC là dòng số 260bit/20ms. 260 bit
này đươc phân cấp theo tầm quan trọng và được bảo vệ khác nhau để đạt hiệu
quả cao nhất.
50 bit Ia

132 bit Ib

78 bit II

Mã hóa khối cho các bit Ia
( 3 bit CRC )
Thêm 4 bit 0 để khởi tạo lại
bộ mã hóa

50 bit Ia

3

132 bit Ib

1

4

Các bit
cấp II
không
cần bảo

Page | 18


Mã hóa khối.
Mã khối là một mã chu kỳ để phát hiện lỗi cho 50 bit cấp cấp I . Nếu thêm vào
a

3 bit CRC thì có thể phát hiện lỗi để hủy toàn bộ cửa sổ xét và bộ ngoại suy ở
máy thu lấp lỗ trống này.
Mã hóa vòng xoắn (1).
Mã hóa vòng xoắn cho phép sửa sai lỗi và được áp dụng cho các bit cấp I ,
a

I .Thường dùng mã vòng xoắn với tốc độ r = ½ và độ trễ K = 5.
b

Ý nghĩa của các thông số: 5 bit liên tiếp được dùng để tính ra bit dư, mỗi bit tin
được kèm một bit dư. Bộ mã hóa vòng xoắn được xóa về trạng thái ban đầu
bằng 4 bit 0, vì vậy bit cuối cùng của một cửa sổ sẽ kéo theo 4 bit 0.
3. Sự cài xen
Do fading sâu và lâu, nên các lỗi bit thường xảy ra từng cụm dài. Tuy nhiên, mã
hoá kênh đặc biệt là mã hoá vòng xoắn chỉ hiệu quả khi phát hiện và sửa các lỗi
ngẫu nhiên đơn lẻ và các cụm lỗi không quá dài. Để giải quyết vần đề này,
người ta chia khối bản tin cần gửi thành các cụm ngắn rồi ghép xen các cụm
này với các cụm của các khối bản tin khác  gọi là quá trình cài xen.
456 bit của một cửa sổ có thể đặt vừa khít trong 4 khe thời gian. Tuy nhiên, môi
trường truyền sóng vô tuyến có thể làm mất cả một cụm và có thể làm mất từng
Page | 19


mảng các bit tin nếu ta sắp xếp các bit này vào 4 khe thời gian liên tiếp nhau.
Để tránh mất nhiều bit liền nhau đến mức mã hóa vòng xoắn không có tác dụng,
ta sử dụng sự cài xen như sau (“even” và “odd” là tên đặt phân biệt các khối
con bit):
4. Chuyển giao – Handover HO
Khi đang đàm thoại, một kênh được xác lập. Khi một MS chuyển động ra khỏi

vùng phủ sóng của cell cho trước, tín hiệu thu của cell này sẽ giảm. Khi đó, cell
đang sử dụng sẽ yêu cầu một HO đến hệ thống. Đến một mức quy định, hệ
thống sẽ chuyển mạch cuộc gọi đến một cell có cùng tần số với cường độ tín
hiệu mạnh hơn mà không làm gián đoạn cuộc gọi hay gửi cảnh báo đến người
sử dụng. Cuộc gọi được tiếp tục mà người dùng không nhận thấy quá trình HO
diễn ra
Phân loại HO.
Intra-cell HandOver.
Inter-cell HandOver.
Intra-MSC HandOver.
Inter-MSC HandOver.
Quy trình chuyển giao cuộc gọi.
Về cơ bản, thủ tục Handover bao gồm 4 giai đoạn:
Giai đoạn 1: BSC quyết định thực hiện handover để đảm bảo kết nối.
Giai đoạn 2: Một kết nối mới được thiết lập, song song với kết nối gốc.
Giai đoạn 3: MSC chuyển cuộc gọi sang kết nối mới.
Giai đoạn 4: Kết nối gốc được giải phóng.

Page | 20


5. Tái sử dụng tần số trong GSM
Hệ thống GSM đã đưa ra giải pháp mảng mẫu để sử dụng lại tần số ở một phạm
vi khác có khoảng cách xác định theo tính toán để tránh nhiễu (gọi là khoảng
cách sử dụng lại tần số D).
Sử dụng lại tần số là vấn đề cốt lõi của hệ thống cellular. Người dùng ở những
cell xa nhau có thể dùng lại đồng thời một tần số như nhau. Việc sử dụng lại tần
số làm tăng hiệu suất phổ rất nhiều, nhưng cũng có thể gây can nhiễu rất lớn.
Can nhiễu này gọi là can nhiễu kênh chung.
- Mảng mẫu

Mảng mẫu là một tập hợp cell xác định có cấu trúc xác định mà ở đó toàn bộ
tài nguyên tần số được phân chia và sử dụng hết trong mảng mẫu. Những cell
trong cùng mảng mẫu sử dụng những nhóm tần số sóng vô tuyến khác nhau, vì
vậy không có can nhiễu kênh chung giữa các cell trong cùng một mảng mẫu.
Số lượng cell K trong mỗi mảng mẫu được sử dụng làm tên gọi cho mảng
mẫu.Để phủ sóng một diệntích lớn hơn mảng mẫu thì phải thiết

lập lại mảng mẫu
theo kiểu lát sàn nhà.
Những cell tương ứng
thuộc về những mảng mẫu khác nhau dùng chung một nhóm tần số sẽ gây can
nhiễu kênh chung cho nhau. Việc lựa chọn loại mảng mẫu nào để phủ sóng cho
phù hợp còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố thực tế, trong đó quan trọng nhất là
Page | 21


mật độ thuê bao. Và chỉ sau khi chọn loại mảng mẫu phù hợp sẽ tiến hành tính
can nhiễu kênh chung tương ứng với mảng mẫu đó.
6. Can nhiễu kênh chung trong GSM
Tái sử dụng tần số bị giới hạn bởi mức can nhiễu kênh chung. Do vậy, cần tìm
khoảng cách tối thiểu sử dụng lại tần số D

min

trong giới hạn cho phép. D

min

để can nhiễu kênh chung vẫn nằm

phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

Số cell dùng lại tần số xung quanh cell xem xét
Đặc điểm địa lý vùng phủ sóng.
Chiều cao anten.
Công suất phát.
Về lý thuyết, số lượng cell K càng tăng thì khoảng cách D

min

cũng tăng, vì vậy

sẽ làm giảm can nhiễu kênh chung.
Trên thực tế, vì tổng số kênh tần số là cố định, nếu số cell K càng tăng thì số
kênh trong mỗi cell lại càng giảm, khi đó hiệu suất sử dụng kênh sẽ giảm.
7. Lưu lượng trong mạng GSM
- Cấp độ dịch vụ GoS (Grade of Service).
Để một kênh đường trục có chất lượng phục vụ cao thì xác suất nghẽn phải thấp
số người dùng có thể phải bị giới hạn, tức là lưu lượng muốn truyền phải giữ
trong dung lượng kênh. Nếu chấp nhận một cấp phục vụ thấp hơn, tức là xác
suất nghẽn lớn hơn, thì tương ứng tăng được dung lượng muốn truyền (tăng số
người dùng).
- GoS cùng một nghĩa với xác suất nghẽn.
- Mô hình Erlang C: Là mô hình hệ thống thông tin hoạt động theo kiểu
đợi, thuê bao kiên trì gọi lại đến khi cuộc gọi thành công.

Page | 22


- Hiệu suất đường trục (trung kế): Hiệu suất sử dụng trung kế là tỷ số giữa

lưu lượng được truyền với số kênh của đường trục.Với cùng một cấp
phục vụ, trung kế càng lớn (số kênh dùng chung lớn) thì hiệu quả sử
dụng trung kế càng cao.
- Định cỡ cho kênh SDCCH .Trước khi MS được cấp phát TCH, MS sẽ
thực hiện báo hiệu nhằm thiết lập cuộc gọi nhờ SDCCH. Quá trình cấp
phát tức thì một SDCCH cho MS phải hoàn thành trước khi có thể cấp
phát TCH cho MS. Ngay cả khi TCH còn rỗi, nếu MS bị tắc nghẽn vì
thiếu SDCCH thì cuộc gọi cũng không thể thực thi. Vì vậy, xác suất tắc
nghẽn SDCCH phải bé hơn so với TCH, tức là GoS

SDCCH

> GoS

.

TCH

Page | 23


VII. Quy hoạch ô ở GSM
 Mẫu tái sử dụng tần số :
Ở giai đoạn đầu của công việc quy hoạch tần số , người ta chia vùng địa lý thành
các cụm ô có cấu trúc giống nhau và phân bố sóng mang trong các cụm ô sao cho
mỗi ô trong cụm này sử dụng các tần số sóng mang ô tương ứng ở các cụm khác
.Các cụm ô này được gọi là mẫu tái sử dụng tần số .Khoảng cách giữa các ô sử
dụng tần số được gọi là khoảng cách tái sử dụng tần số .Khoảng các này được tính
theo công thức sau :
Với R là bán kính ô, N là kích cỡ cụm bằng số ô ở cụm

Riêng đối với mẫu 3/9 ,hai ô cạnh nhau có thể có 2 kênh tần số lân cận và khi
này C/A = 0dB ,mặc dù lớn hơn -9 dB nhưng đây vẫn là mẫu nhiễu cao .Để
giảm mức nhiễu này cần sử dụng các biện pháp như : điều khiển công suất
động, nhẩy tần, phát không liên tục. Ta thấy mẫu 3/9 cho dung lượng cao nhất
nhưng bị nhiễu nhiều nhất

Các

A

B

C

A

B

C

A

B

C

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

1

1

1

15

1

17

18

2

3

4

nhóm
tần số

Các
kênh

19

20

6
24

2

2

2

1

2

3
Page | 24