Tài liệu Hệ thống thông tin GSM_Chương 1 doc

Phần 1_Chương 1 : Giới thiệu hệ thống thông tin di động GSM
Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 12 GVHD :Ths. Hoàng Đình Chiến
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM

òch sử hình thành GSM bắt đầu từ một đề xuất vào năm 1982 của Nordic Telecom và
Netherlands tại CEPT (Conference of European Post and Telecommunication) để phát
triển một chuẩn tế bào số mới đương đầu với nhu cầu ngày càng tăng của mạng di
động Châu Âu.

Ủy ban Châu Âu (EC) đưa ra lời hướng dẫn yêu cầu các quốc gia thành viên sử dụng GSM
cho phép liên lạc di động trong băng tần 900MHz. Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu
(ETSI) đònh nghóa GSM khi quốc tế chấp nhận tiêu chuẩn hệ thống điện thoại tế bào số.

Lời đề xuất có kết quả vào tháng 9 năm 1987, khi 13 nhà điều hành và quản lý của nhóm cố
vấn CEPT GSM thỏa thuận ký hiệp đònh GSM MoU “Club”, với ngày khởi đầu là 1 tháng 7
năm 1991.

GSM là từ viết tắt của Global System for Mobile Communications (hệ thống thông tin di động
toàn cầu), trước đây có tên là Groupe Spécial Mobile.

Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM là hệ thống thông tin tế bào số tích hợp và toàn
diện, được phát triển đầu tiên ở Châu Âu và đã nhanh chóng phát triển trên toàn thế giới.
Mạng được thiết kế phù hợp với hệ thống ISDN và các dòch vụ mà GSM cung cấp là một hệ
thống con của dòch vụ ISDN chuẩn.



L
Phần 1_Chương 1 : Giới thiệu hệ thống thông tin di động GSM

Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 13 GVHD :Ths. Hoàng Đình Chiến

GSM đầu tiên được thiết kế hoạt động ở dải tần 890-915 MHz và 935-960 MHz, hiện nay là
1.8GHz. Một vài tiêu chuẩn chính được đề nghò cho hệ thống :
• Chất lượng âm thoại chính thực sự tốt.
• Giá dòch vụ và thuê bao giảm.
• Hỗ trợ liên lạc di động quốc tế.
• Khả năng hỗ trợ thiết bò đầu cuối trao tay.
• Hỗ trợ các phương tiện thuận lợi và dòch vụ mới.
• Năng suất quang phổ.
• Khả năng tương thích ISDN.

Tiêu chuẩn được ban hành vào tháng giêng năm 1990 và những hệ thống thương mại đầu tiên
được khởi đầu vào giữa năm 1992. Tổ chức MoU (Memorandum of Understanding) thành lập
bởi nhà điều hành và quản lý GSM được cấp phép đầu tiên, lúc đó có 13 hiệp đònh được ký
kết và đến nay đã có 191 thành viên ở khắp thế giới. Tổ chức MoU có quyền lực tối đa, được
quyền đònh chuẩn GSM.

Phần 1_Chương 2 : Cấu trúc mạng GSM
Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 14 GVHD :Ths. Hoàng Đình Chiến
CHƯƠNG 2
CẤU TRÚC MẠNG GSM

ạng GSM gồm nhiều khối chức năng khác nhau. Hình dưới cho thấy cách bố trí của
mạng GSM tổng quát. Mạng GSM có thể chia thành ba phần chính. Trạm di động
(Mobile Station_MS) do thuê bao giữ. Hệ thống con trạm gốc (Base Station
Subsystem_BSS) điều khiển liên kết với trạm di động. Hệ thống mạng con
(Network Subsystem_NS) là phần chính của trung tâm chuyển mạch dòch vụ di động (Mobile
services Switching Center_MSC), thực hiện chuyển mạch cuộc gọi giữa những người sử dụng
điện thoại di động, và giữa di động với thuê bao mạng cố đònh. MSC xử lý các hoạt động

quản lý di động. Trong hình không có trình bày trung tâm duy trì và điều hành (Operations
and Maintenance Center_OMS), giám sát điều hành và cơ cấu của mạng. Trạm di động và hệ
thống con trạm gốc thông tin dùng giao tiếp Um, còn được gọi là giao tiếp không trung hay
liên kết vô tuyến. Hệ thống con trạm gốc liên lạc với trung tâm chuyển mạch dòch vụ di động
dùng giao tiếp A.


Mô hình hệ thống thông tin di động tế bào

1. TRẠM DI ĐỘNG

Trạm di động (Mobile Station_MS) gồm có thiết bò di động (đầu cuối) và một card thông minh
gọi là module nhận dạng thuê bao (Subscriber Identity Module_SIM). SIM cung cấp thông tin
cá nhân di động, vì thế người sử dụng truy cập vào các dòch vụ thuê bao không phụ thuộc vào
loại thiết bò đầu cuối. Bằng cách gắn SIM vào đầu cuối GSM, người sử dụng có thể nhận, gọi
và nhận các dòch vụ thuê bao khác trên thiết bò đầu cuối này.
M
Phần 1_Chương 2 : Cấu trúc mạng GSM
Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 15 GVHD :Ths. Hoàng Đình Chiến

Thiết bò di động được nhận dạng duy nhất bằng số nhận dạng thiết bò di động quốc tế
(International Mobile Equipment Identity_IMEI). SIM card chứa số nhận dạng thuê bao di
động quốc tế (International Mobile Subscriber Identity_IMSI) sử dụng để nhận dạng thuê bao
trong hệ thống, dùng để xác đònh chủ quyền và thông tin khác. Số IMEI và IMSI độc lập
nhau. SIM card có thể được bảo vệ chống lại việc sử dụng trái phép bằng password hoặc số
nhận dạng cá nhân.

2. HỆ THỐNG CON TRẠM GỐC

Hệ thống con trạm gốc gồm hai phần: trạm gốc thu phát (BTS) và trạm gốc điều khiển (BSC).

Hai hệ thống này liên kết dùng giao tiếp Abis chuẩn hoá, cho phép điều hành các bộ phận
cung cấp bởi các nhà sản xuất khác nhau.

Trạm thu phát gốc là nơi máy thu phát vô tuyến phủ một cell và điều khiển các giao thức liên
kết vô tuyến với trạm di động. Trong một thành phố lớn, có nhiều khả năng triển khai nhiều
BTS, do đó yêu cầu BTS phải chính xác, tin cậy, di chuyển được và giá thành thấp.

Trạm gốc điều khiển tài nguyên vô tuyến của một hoặc nhiều BTS. Trạm điều khiển cách
thiết lập kênh truyền vô tuyến, nhảy tần và trao tay. BSC là kết nối giữa trạm di động và tổng
đài di động (MSC).

3. HỆ THỐNG MẠNG CON

Thành phần chính của hệ thống mạng con là tổng đài di động, hoạt động như một nút chuyển
mạch bình thường của PSTN hoặc ISDN, và cung cấp tất cả các chức năng cần có để điều
khiển một thuê bao di động, như đăng ký, xác nhận, cập nhật tọa độ, trao tay, và đònh tuyến
cuộc gọi cho một thuê bao liên lạc di động. Những dòch vụ này được cung cấp chung với
nhiều bộ phận chức năng khác, tạo nên hệ thống mạng con. MSC cung cấp kết nối đến mạng
cố đònh (như PSTN hoặc ISDN). Báo hiệu giữa các bộ phận chức năng trong hệ thống mạng
con là hệ thống báo hiệu số 7 (SS7) sử dụng cho báo hiệu trung kế trong mạng ISDN và mở
rộng sử dụng trong mạng công cộng hiện tại.

Bộ ghi đònh vò thường trú (HLR) và bộ ghi đònh vò tạm trú (VLR) cùng với MSC cung cấp đònh
tuyến cuộc gọi và khả năng liên lạc di động của GSM. HLR chứa tất cả thông tin quản trò của
mỗi thuê bao đã đăng ký trong mạng GSM tương ứng, cùng với vò trí hiện tại của di động. Vò
trí của di động thường ở dưới dạng đòa chỉ báo hiệu của VLR chứa trạm di động.

Bộ ghi đònh vò tạm trú (VLR) chứa thông tin quản trò được chọn từ HLR, cần thiết cho điều
khiển cuộc gọi và cung cấp các dòch vụ thuê bao, cho mỗi thuê bao hiện tại nằm trong vùng
đòa lý điều khiển bởi VLR. Mặc dù mỗi bộ phận chức năng có thể được thực hiện độc lập

Phần 1_Chương 2 : Cấu trúc mạng GSM
Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 16 GVHD :Ths. Hoàng Đình Chiến
nhưng tất cả các nhà sản xuất thiết bò chuyển mạch cho đến nay đều sản xuất VLR chung với
MSC, vì thế vùng đòa lý điều khiển bởi MSC sẽ tương ứng với điều khiển bởi VLR đó, do đó
đơn giản hóa báo hiệu cần thiết. Lưu ý rằng MSC không chứa thông tin các trạm di động –
thông tin này lưu trữ trong các thanh ghi vò trí.

Có hai bộ ghi khác sử dụng cho mục đích xác nhận và bảo mật. Bộ ghi nhận thực thiết bò
(EIR) là một cơ sở dữ liệu chứa một danh sách tất cả các thiết bò di động hợp lệ trên mạng,
mỗi trạm di động được xác nhận bằng số nhận dạng thiết bò di động quốc tế (IMEI). Số IMEI
bò đánh dấu là không hợp lệ nếu được thông báo mất cắp hoặc không được chấp thuận. Trung
tâm nhận thực AuC là cơ sở dữ liệu được bảo vệ chứa bản sao khóa mã trong SIM card của
thuê bao, sử dụng để nhận thực và mã hóa trên kênh vô tuyến.

Phần 1_Chương 3 : Liên kết vô tuyến
Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 17 GVHD :Ths. Hoàng Đình Chiến
CHƯƠNG 3
LIÊN KẾT VÔ TUYẾN

iệp hội liên lạc viễn thông quốc tế (ITU), quản trò chỉ đònh phổ vô tuyến quốc tế (và
nhiều chức năng khác), chỉ đònh băng thông 890-915 MHz dùng cho kênh lên (trạm di
động tới trạm gốc) và 935-960 MHz dùng cho kênh xuống (trạm gốc đến trạm di
động) cho mạng di động Châu Âu. Vì tầm này đã được sử dụng đầu những năm 1980
bằng hệ thống analog, hội nghò bưu chính và viễn thông Châu Âu (CEPT) đã dành trước 10
MHz đầu của mỗi băng tần trên cho mạng GSM. Cuối cùng, GSM được chỉ đònh toàn bộ băng
thông 2x25 MHz.

1. ĐA TRUY CẬP VÀ CẤU TRÚC KÊNH

Vì phổ vô tuyến là tài nguyên hữu hạn dùng chung cho tất cả thuê bao, một phương pháp phải

đưa ra là chia băng thông để càng nhiều thuê bao sử dụng càng tốt. GSM đã chọn phương
pháp kết hợp đa truy cập phân chia theo tần số và thời gian (TDMA/FDMA). FDMA bao gồm
chia tần số băng thông tối đa 25 MHz thành 124 tần số sóng mang cách nhau 200 KHz. Một
BS có thể có một hoặc nhiều tần số sóng mang và sử dụng kỹ thuật TDMA chia kênh vô
tuyến 200 KHz thành 8 khe thời gian (tạo 8 kênh logic). Do đó một kênh logic được đònh
nghóa bằng tần số và số khe thời gian của khung TDMA. Bằng cách áp dụng 8 khe thời gian,
mỗi kênh phát dữ liệu số theo từng chuỗi “burst” ngắn : đầu cuối GSM chỉ phát 1 trong 8 khe
thời gian đó.

Tám khe TDMA cùng với 248 kênh bán song công vật lý tương ứng với tổng cộng 1984 kênh
bán song công logic. Điều này tương ứng với 283 (= 1984/7) kênh bán song công logic mỗi
cell vì mỗi cell chỉ sử dụng 1/7 tổng số tần số .



Sơ đồ phân chia tần số theo cell

H
Phần 1_Chương 3 : Liên kết vô tuyến
Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 18 GVHD :Ths. Hoàng Đình Chiến
Bảy tập tần số đủ để phủ một vùng lớn tùy ý, do khoảng cách lặp lại d phải lớn hơn hai lần
bán kính lớn nhất phủ bởi mỗi máy phát.

Mỗi kênh tần số được phân đoạn thành 8 khe thời gian có chiều dài bằng 0,577 ms
(=15/26ms). Tám khe tạo thành một khung TDMA dài 4,615ms (=120/26ms). Mỗi khe được
lặp lại sau 4,615 ms tạo thành một kênh cơ bản.

Hệ thống GSM phân biệt giữa kênh lưu lượng (Traffic Channel_TCH) (dùng cho dữ liệu thuê
bao) và kênh điều khiển (Control Channel_CCH) (dùng cho các thông điệp quản lý mạng).

2. KÊNH LƯU LƯNG (TRAFFIC CHANNEL_TCH)

Kênh lưu lượng dùng để chuyển âm thoại và dữ liệu. TCH đònh nghóa sử dụng 26 khung đa
khung (nghóa là một nhóm 26 khung TDMA). Chiều dài của 26 khung đa khung là 120 ms, là
chiều dài của một chu kì burst (120 ms / 26 khung / 8 chu kì burst mỗi khung). Trong 26 khung
đó, 24 khung dùng để lưu thông, một khung dùng cho kênh điều khiển liên kết chậm (Slow
Associated Control Channel_ SACCH) và một khung chưa dùng. TCH dùng cho tuyến lên và
tuyến xuống cách nhau một khoảng thời gian 3 burst để thuê bao không phát và thu đồng thời,
đơn giản hóa mạch điện tử.



Cấu trúc khung TDMA
Phần 1_Chương 3 : Liên kết vô tuyến
Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 19 GVHD :Ths. Hoàng Đình Chiến

Dữ liệu được truyền trong các burst đặt trong các khe thời gian. Tốc đôï bit truyền là 271 Kbps
(chu kỳ bit 3,79 µs). Do sai số theo thời gian, phân tán thời gian v.v…, burst dữ liệu hơi ngắn
hơn khe thời gian (148 thay vì 156,25 chu kỳ bit trong một khe thời gian).

3. KÊNH ĐIỀU KHIỂN (CONTROL CHANNEL_CCH)

Các kênh chung di động có thể truy cập ở cả chế độ nghỉ và chế độ dành riêng. Các kênh
chung di động sử dụng ở chế độ nghỉ trao đổi thông tin báo hiệu cần thiết để chuyển qua chế
độ nhận riêng. Di động đã ở trong chế độ dành riêng giám sát các trạm gốc xung quanh để
trao tay và các thông tin khác. Các kênh chung có 51 khung đa khung để dành riêng di động
sử dụng cấu trúc TCH 26 khung đa khung có thể vẫn giám sát kênh điều khiển. Các kênh
chung gồm :

• Kênh quảng bá điều khiển (Broadcast Control Channel_BCCH) : phát liên tục trên

tuyến xuống, thông tin gồm đồng nhất trạm gốc, chỉ đònh tần số và chuỗi nhảy tần.

• Kênh hiệu chỉnh tần số (Frequency Correction Channel_FCCH) và kênh đồng bộ
(Synchronisation_SCH) : sử dụng để đồng bộ di động với cấu trúc khe thời gian của
cell bằng cách đònh nghóa các biên của chu kỳ burst, và số khe thời gian. Mỗi cell
trong mạng GSM phát chính xác một FCCH và một SCH dùng đònh nghóa khe thời
gian thứ 0 (trong một khung TDMA).

• Kênh truy cập ngẫu nhiên (Random Access Channel_RACH) : di động sử dụng kênh
Aloha khe để truy cập vào mạng.

• Kênh tìm gọi (Paging Channel_PCH) : dùng để báo cho di động biết có một cuộc gọi
đến.

• Kênh cho phép truy cập (Access Grant Channel_AGCH) : chỉ đònh một kênh điều
khiển dành riêng đứng một mình (Standalone Dedicated Control Channel_SDCCH)
cho di động báo hiệu (để có một kênh dành riêng), theo yêu cầu trên kênh truy cập
ngẫu nhiên (RACH).

4. CẤU TRÚC BURST

Burst là đơn vò phát của GSM. Việc phát xảy ra trong một cửa sổ thời gian (576+12/13) µs,
nghóa là suốt chu kỳ bit (156 + ¼). Một burst thông thường chứa hai gói 58 bit (57 bit dữ liệu +
1 bit dư (stealing bit)) và một chuỗi huấn luyện 26 bit. Chuỗi huấn luyện 26 bit là một chuỗi
biết trước dùng so sánh với chuỗi tín hiệu thu được để xây dựng lại tín hiệu gốc (cân bằng đa
Phần 1_Chương 3 : Liên kết vô tuyến
Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 20 GVHD :Ths. Hoàng Đình Chiến
đường). Việc thực hiện thật sự của bộ cân bằng không chỉ rõ trong kỹ thuật GSM. Ba bit đuôi
được thêm vào mỗi bên.

GSM có thể sử dụng nhảy tần thấp khi trạm gốc và di động phát mỗi khung TDMA trên mỗi
tần số sóng mang khác nhau. Thuật toán nhảy tần được phát trên kênh điều khiển vô tuyến
(Broadcast Control Channel). Vì fading đa đường độc lập với tần số sóng mang, nhảy tần thấp
làm giảm nhẹ vấn đề này. Việc nhảy tần là tùy chọn đối với mỗi cell và trạm gốc không nhất
thiết phải có chức năng này.

5. BIẾN ĐỔI ÂM THOẠI SANG SÓNG VÔ TUYẾN

Hình sau mô tả chuỗi các chức năng biến đổi từ âm thoại sang sóng vô tuyến và ngược lại.




5.1 Mã hóa âm thoại GSM

GSM là một hệ thống số, mà âm thoại lại là tín hiệu tương tự nên phải được số hóa. Phương
pháp mà ISDN và hệ thống điện thoại hiện tại dùng cho các đường ghép kênh thoại truyền
qua trung kế tốc độ cao, cáp quang là điều chế mã xung (PCM). PCM có tốc độ bit là 64Kbps,
là một tốc độ cao có thể truyền qua liên kết vô tuyến. GSM có nhiều thuật toán mã hóa tiếng
nói trên cơ sở chất lượng tiếng nói thực và độ phức tạp (liên quan đến giá cả, xử lý độ trễ và
tiêu thụ công suất) trước khi đưa đến chọn lựa phương pháp kích xung đều _ mã hóa dự đoán
tuyến tính (RPE _ LPC) với vòng dự đoán dài. Về cơ bản, thông tin từ các mẫu trước, không
thay đổi nhanh, dùng để dự đoán mẫu hiện tại. Các hệ số kết hợp tuyến tính của các mẫu
trước đó, cộng thêm dạng mã hóa của phần còn lại, sai số giữa mẫu dự đoán và mẫu thực, sẽ
biểu diễn tín hiệu. Tiếng nói lấy mẫu chu kỳ 20ms, mỗi mẫu mã hóa thành 260 bit, với tốc độ
bit là 13Kbps. Đây là mã hóa tiếng nói toàn tốc. Gần đây, vài nhà điều hành GSM1900 Bắc
Mỹ thực hiện thuật toán mã hóa tiếng nói toàn tốc cấp cao (EFR). Phương pháp này tăng chất
lượng tiếng nói dựa trên tốc độ đang sử dụng 13Kbps.